JP2019115216A - 鉄道車両の駆動システム - Google Patents

Abstract

【課題】大型化を抑制し、走行中の騒音を低減することができる鉄道車両の駆動システムを提供する。【解決手段】鉄道車両の駆動システムは、エンジン１と、エンジンによって駆動される発電機２と、鉄道車両の車輪を駆動する駆動装置４と、駆動装置に動力を供給する電動機５と、蓄電装置６と、直流電力と交流電力とを変換し、直流電力側が蓄電装置に接続されたコンバータインバータ兼用装置３０と、コンバータインバータ兼用装置の交流電力側に接続されて、コンバータインバータ兼用装置と発電機または電動機との接続を切り替えるスイッチ２０と、鉄道車両の走行状態に基づいて、スイッチにおける接続を制御する制御部１０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、鉄道車両の駆動システムに関する。

非電化区間を走行可能な気動車または機関車の技術として、例えば電気式ディーゼル動車が知られている。電気式ディーゼル動車は、従来の液体式ディーゼル動車に代わる省エネルギー技術であって、エンジン発電機で発電した電力を整流器またはコンバータで整流し、インバータでモータを回して動力を得る。また、電気式ディーゼル動車の直流部に蓄電装置を追加したディーゼル蓄電ハイブリッド車が知られている（例えば特許文献１）。

ディーゼルを用いる鉄道車両においては、エンジン動作音が周囲への騒音となる。そのため、低騒音化するためのエンジンの運転技術が知られている。例えば特許文献２は、複数の車両のエンジンの起動、停止、回転数または出力を調整することで、駅ホームにおける騒音の低減を図る技術について記載する。

特開２０１１−１４８４６０号公報 特開２０１３−２２３２６４号公報

ここで、特許文献１に記載されたディーゼル蓄電ハイブリッド車は、例えばコンバータ装置、インバータ装置等に加えて蓄電装置を備えるため、システム全体が大型化するおそれがある。また、特許文献１に記載されたディーゼル蓄電ハイブリッド車は、エンジン動作音による騒音を低減するものではない。

特許文献２に記載されたディーゼル蓄電ハイブリッド車は、例えばコンバータ装置、インバータ装置、蓄電装置等を複数の車両に備えるため、システム全体がさらに大型化するおそれがある。また、特許文献２に記載されたディーゼル蓄電ハイブリッド車では、騒音が低減されるのは駅ホームに限られる。

前記のような問題点に鑑みてなされた本発明の目的は、大型化を抑制し、走行中の騒音を低減することができる鉄道車両の駆動システム（例えば、ディーゼル蓄電ハイブリッドシステム）を提供することにある。

前記課題を解決するため、本実施形態に係る鉄道車両の駆動システムは、エンジンと、前記エンジンによって駆動される発電機と、鉄道車両の車輪を駆動する駆動装置と、前記駆動装置に動力を供給する電動機と、蓄電装置と、直流電力と交流電力とを変換し、直流電力側が前記蓄電装置に接続されたコンバータインバータ兼用装置と、前記コンバータインバータ兼用装置の交流電力側に接続されて、前記コンバータインバータ兼用装置と前記発電機または前記電動機との接続を切り替えるスイッチと、前記鉄道車両の走行状態に基づいて、前記スイッチにおける前記接続を制御する制御部と、を備える。

また、本実施形態に係る鉄道車両の駆動システムにおいて、前記制御部は、前記鉄道車両が駅、車庫、または留置線で停車中であると判定した場合に、前記スイッチが前記コンバータインバータ兼用装置と前記電動機との接続を、前記コンバータインバータ兼用装置と前記発電機との接続に切り替えるように制御することが好ましい。

また、前記課題を解決するため、本実施形態に係る鉄道車両の駆動システムは、エンジンと、鉄道車両の車輪を駆動する駆動装置と、前記エンジンによって駆動される発電機、または、前記駆動装置に動力を供給する電動機として動作する、発電機電動機兼用装置と、蓄電装置と、直流電力と交流電力とを変換し、直流電力側が前記蓄電装置に接続され、交流電力側が前記発電機電動機兼用装置に接続されたコンバータインバータ兼用装置と、前記発電機電動機兼用装置と前記エンジンまたは前記駆動装置との接続を切り替えるクラッチと、前記鉄道車両の走行状態に基づいて、前記クラッチにおける前記接続を制御する制御部と、を備える。

また、本実施形態に係る鉄道車両の駆動システムにおいて、前記制御部は、前記鉄道車両が駅、車庫、または留置線で停車中であると判定した場合に、前記クラッチが前記発電機電動機兼用装置と前記駆動装置との接続を、前記発電機電動機兼用装置と前記エンジンとの接続に切り替えるように制御することが好ましい。

本実施形態によれば、大型化を抑制し、走行中の騒音を低減することができる鉄道車両の駆動システムを提供することができる。

一実施形態に係る鉄道車両の駆動システムの構成図である。 一実施形態における、スイッチの構成図である。 一実施形態における、コンバータインバータ兼用装置の構成図である。 別の実施形態に係る鉄道車両の駆動システムの構成図である。 比較例の鉄道車両の駆動システムの構成図である。

［第１実施形態］
（全体構成）
図１は、第１実施形態に係る鉄道車両の駆動システムの構成図である。本実施形態において、鉄道車両の駆動システムは、鉄道車両（列車）に搭載されて、鉄道車両の車輪３を駆動する。本実施形態において、鉄道車両の駆動システムは、エンジン１と、発電機２と、駆動装置４と、電動機５と、スイッチ２０と、コンバータインバータ兼用装置３０と、蓄電装置６と、制御部１０と、を備える。

本実施形態において、鉄道車両の車輪３は駆動装置４によって駆動される。また、本実施形態において、蓄電装置６は、コンバータインバータ兼用装置３０だけでなく、補助電源装置７にも電力を供給する。補助電源装置７は例えばインバータである。補助電源装置７は負荷８（補機負荷）の電源として機能する。負荷８は、例えば鉄道車両の空調および照明等を含む。別の実施形態として、鉄道車両の駆動システムは車輪３を含んでよい。また、別の実施形態として、鉄道車両の駆動システムは補助電源装置７および負荷８を含んでよい。

エンジン１は燃料を燃焼させて回転力を得る内燃機関である。本実施形態において、エンジン１はディーゼルエンジンであるが、特に限定されるものではない。

発電機２はエンジン１によって駆動される。本実施形態において、発電機２は、エンジン１と同じ回転軸で接続されて三相交流電圧を発生する。スイッチ２０によって発電機２とコンバータインバータ兼用装置３０とが接続されている場合に、発電機２が発生させた三相交流電圧は、コンバータインバータ兼用装置３０に出力される。

駆動装置４は鉄道車両の車輪３を駆動する。本実施形態において、駆動装置４には、車輪３の車軸および電動機５の回転軸が接続される。駆動装置４は回転数とトルクとを変換する歯車装置である。

電動機５は回転軸によって接続された駆動装置４に動力を供給する。本実施形態において、電動機５は、三相交流モータである。電動機５は、スイッチ２０を介して、コンバータインバータ兼用装置３０から出力される三相交流電圧で駆動される。

スイッチ２０は、コンバータインバータ兼用装置３０の交流電力側に接続されて、コンバータインバータ兼用装置３０と発電機２または電動機５との接続を切り替える。つまり、スイッチ２０は、コンバータインバータ兼用装置３０と発電機２とが接続された状態と、コンバータインバータ兼用装置３０と電動機５とが接続された状態と、を切り替える。スイッチ２０の構成については後述する。

コンバータインバータ兼用装置３０は直流電力と交流電力とを変換する電力変換装置である。コンバータインバータ兼用装置３０は直流電力側が蓄電装置６に接続される。また、上記のように、コンバータインバータ兼用装置３０は交流電力側がスイッチ２０に接続される。

コンバータインバータ兼用装置３０は、スイッチ２０によって発電機２と接続されるとき、発電機２が発電した交流電力を直流電力に変換する。コンバータインバータ兼用装置３０は、変換した直流電力を蓄電装置６に出力する。

コンバータインバータ兼用装置３０は、スイッチ２０によって電動機５と接続されるとき、蓄電装置６から受け取った直流電力を交流電力に変換する。コンバータインバータ兼用装置３０は、変換した交流電力を電動機５に出力する。コンバータインバータ兼用装置３０の構成については後述する。

蓄電装置６は鉄道車両の走行用および補機負荷用の電力を貯蔵する。本実施形態において、蓄電装置６は二次電池である。蓄電装置６はコンバータインバータ兼用装置３０と並列に接続される。

制御部１０は鉄道車両の走行状態に基づいて、スイッチ２０における接続を制御する。つまり、制御部１０はスイッチ２０に出力する制御信号によって、コンバータインバータ兼用装置３０と発電機２または電動機５との接続の切り替えを制御する。制御部１０は、例えば時刻情報、鉄道車両の運行情報、鉄道車両の走行速度および乗客の有無を示す情報の少なくとも一部を取得する。そして、制御部１０は、これらの情報から鉄道車両の走行状態を判定する。

（スイッチ）
図２はスイッチ２０の構成図である。本実施形態において、スイッチ２０はｕ相スイッチ２１、ｖ相スイッチ２２およびｗ相スイッチ２３を備える。ｕ相スイッチ２１、ｖ相スイッチ２２およびｗ相スイッチ２３は、コンバータインバータ兼用装置３０側を共通端子、発電機２側を常閉端子、電動機５側を常開端子とするＣ接点のスイッチである。ｕ相スイッチ２１、ｖ相スイッチ２２およびｗ相スイッチ２３は、制御部１０からの制御信号に応じて、連動して切り替わる。つまり、ｕ相スイッチ２１、ｖ相スイッチ２２およびｗ相スイッチ２３の全てが、発電機２側に接続されるか、または、電動機５側に接続される。本実施形態において、スイッチ２０はＣ接点のスイッチであるが、その他の種類のスイッチであってよい。

（コンバータインバータ兼用装置）
図３はコンバータインバータ兼用装置３０の構成図である。本実施形態において、コンバータインバータ兼用装置３０は直流電力と三相交流電力とを変換する。コンバータインバータ兼用装置３０は、スイッチング素子３１、スイッチング素子３２、スイッチング素子３３、スイッチング素子３４、スイッチング素子３５およびスイッチング素子３６を備える。スイッチング素子３１とスイッチング素子３４とは直列接続されてｕ相アームを構成する。スイッチング素子３２とスイッチング素子３５とは直列接続されてｖ相アームを構成する。スイッチング素子３３とスイッチング素子３６とは直列接続されてｗ相アームを構成する。上記のように、コンバータインバータ兼用装置３０は、スイッチ２０によって発電機２と接続されるとき、発電機２が発電した三相交流電力を直流電力に変換するコンバータとして機能する。また、コンバータインバータ兼用装置３０は、スイッチ２０によって電動機５と接続されるとき、蓄電装置６から受け取った直流電力を三相交流電力に変換するインバータとして機能する。ここで、スイッチング素子３１、スイッチング素子３２、スイッチング素子３３、スイッチング素子３４、スイッチング素子３５およびスイッチング素子３６のそれぞれは、制御部１０からの制御信号に従ってオンまたはオフの状態となる。

（比較例）
ここで、図５は、比較例の鉄道車両の駆動システムの構成図である。比較例の鉄道車両の駆動システムと対比しながら、以下に、本実施形態に係る鉄道車両の駆動システムの効果が説明される。

比較例の鉄道車両の駆動システムは、本実施形態に係る鉄道車両の駆動システムのスイッチ２０およびコンバータインバータ兼用装置３０に代えて、コンバータ装置５１およびインバータ装置５２を備える。その他の要素については図１と同様であるため、詳細な説明を省略する。

比較例の鉄道車両の駆動システムにおいて、コンバータ装置５１は発電機２が発電した三相交流電力を直流電力に変換する装置である。また、インバータ装置５２は蓄電装置６から受け取った直流電力を三相交流電力に変換する装置である。ここで、コンバータ装置５１およびインバータ装置５２は、それぞれ例えば６つのスイッチング素子を備える（図３参照）。比較例の鉄道車両の駆動システムは、コンバータ装置５１およびインバータ装置５２を備えるため、小型化が困難である。

一方、本実施形態に係る鉄道車両の駆動システムは、コンバータおよびインバータの両方として機能する１つのコンバータインバータ兼用装置３０を備える。また、図２に示すように、スイッチ２０は小型のＣ接点のスイッチで構成される。したがって、本実施形態に係る鉄道車両の駆動システムは、比較例の駆動システムよりも小型化が可能である。

また、本実施形態に係る鉄道車両の駆動システムは、制御部１０が鉄道車両の走行状態に基づいて、スイッチ２０における接続を制御することによって、走行中の騒音を低減することができる。本実施形態において、制御部１０は、例えば鉄道車両が駅、車庫、または留置線で停車中であると判定した場合に、スイッチ２０がコンバータインバータ兼用装置３０と電動機５との接続を、コンバータインバータ兼用装置３０と発電機２との接続に切り替えるように制御する。つまり、本実施形態に係る鉄道車両の駆動システムは、鉄道車両が駅、車庫、または留置線で停車中である場合に、エンジン１を動作させて蓄電装置６への蓄電（充電）を実行する。そして、本実施形態に係る鉄道車両の駆動システムは、鉄道車両の走行中には、エンジン１を停止させて蓄電装置６からの電力によって電動機５を回転させる。つまり、鉄道車両は蓄電装置６からの電力で走行する。よって、本実施形態によれば、大型化を抑制し、走行中の騒音を低減することができる鉄道車両の駆動システムを提供することができる。

［第２実施形態］
図４は、第２実施形態に係る鉄道車両の駆動システムの構成図である。本実施形態では、以下に説明する構成によって、鉄道車両の駆動システムの大型化をさらに抑制することができる。

本実施形態に係る鉄道車両の駆動システムは、第１実施形態に係る鉄道車両の駆動システムのスイッチ２０に代えて、クラッチ４０を備える。また、本実施形態に係る鉄道車両の駆動システムは、第１実施形態に係る鉄道車両の発電機２および電動機５に代えて、発電機電動機兼用装置４１を備える。その他の要素については図１と同様であるため、詳細な説明を省略する。

クラッチ４０は、発電機電動機兼用装置４１とエンジン１または駆動装置４との接続を切り替える。つまり、クラッチ４０は、発電機電動機兼用装置４１とエンジン１とが接続された状態と、発電機電動機兼用装置４１と駆動装置４とが接続された状態と、を切り替える。ここで、制御部１０は、鉄道車両の走行状態に基づいて、クラッチ４０における接続（発電機電動機兼用装置４１とエンジン１または駆動装置４との接続）を制御する。制御部１０は、例えば鉄道車両が駅、車庫、または留置線で停車中であると判定した場合に、クラッチ４０が発電機電動機兼用装置４１と駆動装置４との接続を、発電機電動機兼用装置４１とエンジン１との接続に切り替えるように制御する。

発電機電動機兼用装置４１は、エンジン１によって駆動される発電機、または、駆動装置４に動力を供給する電動機として動作する。発電機電動機兼用装置４１は、クラッチ４０によってエンジン１と接続されるとき、エンジン１によって駆動される発電機として機能する。また、発電機電動機兼用装置４１は、クラッチ４０によって駆動装置４と接続されるとき、駆動装置４に動力を供給する電動機として機能する。ここで、発電機電動機兼用装置４１は、第１実施形態に係る鉄道車両の駆動システムの発電機２（または電動機５）と同様の構成をとることができる。

本実施形態に係る鉄道車両の駆動システムは、発電機または電動機として動作する発電機電動機兼用装置４１を備える。そのため、発電機２および電動機５をそれぞれ備える第１実施形態に係る鉄道車両の駆動システムよりも、さらに構成要素の数を減らすことができる。よって、本実施形態に係る鉄道車両の駆動システムは、第１実施形態よりもさらに大型化を抑制することができる。また、本実施形態に係る鉄道車両の駆動システムは、蓄電装置６からの電力で鉄道車両を走行させるため、第１実施形態と同様に走行中の騒音を低減する。

本発明を諸図面および実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形または修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形および修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。

上記の実施形態では、鉄道車両が走行中、エンジン１は停止している。ここで、例えば制御部１０は、鉄道車両が走行中であっても、惰行（鉄道車両が惰性で走行している状態）の場合には、スイッチ２０（またはクラッチ４０）においてエンジン１側とコンバータインバータ兼用装置３０とが接続されるように制御してよい。つまり、鉄道車両が惰行で走行中の場合に、鉄道車両の駆動システムは、蓄電装置６への蓄電（充電）を実行してよい。このとき、蓄電装置６が充電される機会が増加するため、鉄道車両が走行中に蓄電装置６の残量が無くなる（バッテリー切れ）可能性を低減できる。また、鉄道車両の駆動システムは、蓄電装置６の残量が所定レベル（例えば最大の充電量の２０％）よりも少なくなった場合に限って、鉄道車両が惰行で走行中の場合にも蓄電装置６に充電を行ってもよい。

また、上記の実施形態では、制御部１０は、鉄道車両が駅、車庫、または留置線で停車中であると判定した場合に、スイッチ２０（またはクラッチ４０）がエンジン１側とコンバータインバータ兼用装置３０との接続に切り替えるように制御する。ここで、制御部１０は、例えば鉄道車両の運行情報に基づいて、鉄道車両が車庫または留置線に在線中であると判定した場合に、鉄道車両が走行中であっても、エンジン１側とコンバータインバータ兼用装置３０とを接続させてよい。鉄道車両が車庫または留置線に在線中には乗客がいないため、エンジン１の動作音が乗客への騒音とはならない。このとき、鉄道車両の駆動システムは、蓄電装置６への蓄電（充電）をより効率的に行うことが可能である。

また、上記の実施形態では、電動機５（または発電機電動機兼用装置４１）は、鉄道車両の走行中に蓄電装置６からの電力によって回転する。ここで、電動機５（または発電機電動機兼用装置４１）は、走行中の鉄道車両に電気ブレーキが掛かるときに発電して（回生ブレーキが動作して）、蓄電装置６を蓄電（充電）させてもよい。このとき、蓄電装置６が充電される機会が増加するため、鉄道車両が走行中に蓄電装置６の残量が無くなる（バッテリー切れ）可能性を低減できる。ここで、回生ブレーキの動作中、コンバータインバータ兼用装置３０は、電動機５が発電した三相交流電力を直流電力に変換するコンバータとして機能する。そして、回生ブレーキの動作が終了すると、コンバータインバータ兼用装置３０は、再び蓄電装置６から受け取った直流電力を三相交流電力に変換するインバータとして機能する。

１ エンジン
２ 発電機
３ 車輪
４ 駆動装置
５ 電動機
６ 蓄電装置
７ 補助電源装置
８ 負荷
１０ 制御部
２０ スイッチ
２１ ｕ相スイッチ
２２ ｖ相スイッチ
２３ ｗ相スイッチ
３０ コンバータインバータ兼用装置
３１〜３６ スイッチング素子
４０ クラッチ
４１ 発電機電動機兼用装置
５１ コンバータ装置
５２ インバータ装置

Claims (4)

1. エンジンと、
   前記エンジンによって駆動される発電機と、
   鉄道車両の車輪を駆動する駆動装置と、
   前記駆動装置に動力を供給する電動機と、
   蓄電装置と、
   直流電力と交流電力とを変換し、直流電力側が前記蓄電装置に接続されたコンバータインバータ兼用装置と、
   前記コンバータインバータ兼用装置の交流電力側に接続されて、前記コンバータインバータ兼用装置と前記発電機または前記電動機との接続を切り替えるスイッチと、
   前記鉄道車両の走行状態に基づいて、前記スイッチにおける前記接続を制御する制御部と、を備える、鉄道車両の駆動システム。
2. 前記制御部は、
   前記鉄道車両が駅、車庫、または留置線で停車中であると判定した場合に、前記スイッチが前記コンバータインバータ兼用装置と前記電動機との接続を、前記コンバータインバータ兼用装置と前記発電機との接続に切り替えるように制御する、請求項１に記載の鉄道車両の駆動システム。
3. エンジンと、
   鉄道車両の車輪を駆動する駆動装置と、
   前記エンジンによって駆動される発電機、または、前記駆動装置に動力を供給する電動機として動作する、発電機電動機兼用装置と、
   蓄電装置と、
   直流電力と交流電力とを変換し、直流電力側が前記蓄電装置に接続され、交流電力側が前記発電機電動機兼用装置に接続されたコンバータインバータ兼用装置と、
   前記発電機電動機兼用装置と前記エンジンまたは前記駆動装置との接続を切り替えるクラッチと、
   前記鉄道車両の走行状態に基づいて、前記クラッチにおける前記接続を制御する制御部と、を備える、鉄道車両の駆動システム。
4. 前記制御部は、
   前記鉄道車両が駅、車庫、または留置線で停車中であると判定した場合に、前記クラッチが前記発電機電動機兼用装置と前記駆動装置との接続を、前記発電機電動機兼用装置と前記エンジンとの接続に切り替えるように制御する、請求項３に記載の鉄道車両の駆動システム。

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