mixiユーザー(id:12290887)
2016年12月08日21:46
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この車両は多くの気動車を置き換えるでしょう。
私の愛読誌である業界誌のROLLING STOCK ＆ MACINERY誌の先月号に、以下のような記事が有りましたのでここに書き出してみます。
次世代省エネルギー型バッテリー電車「HARMO」の概要
という表題で近畿車輌株式会社 研究開発部 米谷弘氏が紹介しております。
本文は、
はじめに
鉄道は他の交通機関に比べて輸送力、定時性、安全性に優れる他、エネルギー効率の良さから省エネルギーで環境に優しい交通手段です。当社では、鉄道の優位性の一つである省エネルギー性を高める取り組みとして、蓄電装置を活用した車両の開発を進めてきました。
最初に取り組んだのは蓄電装置を搭載した低床式LRV（ameriTRAM）の開発で、電化区間を走行しながら架線から蓄電装置に充電し、非電化区間は蓄えた電力で走行できる車両でした。一部区間の電化設備を不要とできるほか、電化/非電化区間のいずれにおいても制動時の回生電力を蓄電装置に吸収して軽負荷回生を防止することで省エネルギー性を高めることが出来ました。
次に取り組んだのは、走行しながら車載のディーゼルエンジン発電機から蓄電装置に充電できる自己充電型バッテリー電車（SmartBEST）でした。非電化区間を長距離走行できる省エネルギー電車に対する期待に応えた車両で、電車駆動システムにエンジン発電機と蓄電装置を加え、２両編成（Mc+Tc）に搭載しました。回生電力の再利用はもちろんですが、力行時に必要なピーク電力を蓄電装置が負担することによってエンジンの搭載台数削減（１台/1両から1台/2両へ）と高効率運転による発電が可能となり、省エネルギー性を高めることが出来ました。このように、それぞれの用途における効果を確認すると共に、蓄電装置の活用についての知見を得ました。
今回、これまでの開発車輌の発展形として「HARMO（High-efficiency Advanced Railcar for Multi Operation）」を開発しましたので、以下に概要を紹介します。
車両の概要
（1）コンセプト
HARMOは、柔軟なニーズ対応、環境負荷の低減、ライフサイクルコスト（LCC）の低減をコンセプトとした蓄電装置搭載の電車です。柔軟なニーズ対応は、電力供給が直流架線とエンジン発電機のどちらにも対応すること、１両で構成可能として自由な編成両数で輸送需要に対応が可能とすること、で実現しています。電化区間では架線から、非電化区間では発電機から電力供給が可能です。また、短距離であれぱ車載の蓄電装置を用いた走行も出来ます。
環境負荷の低減は、車載の蓄電装置を活用した回生電力の有効利用、必要供給電力の平準化、高効率な主回路機器の採用、更には走行地点や乗車率に応じて蓄電装置の充電量を制御する機能を設けることで、高効率な走行を可能としています。
LCCについては、多様な用途への対応を可能とすることで、車体および機器の共通化による設計コスト、高効率走行によるエネルギーコスト、機械部品の削減や機器共通化（電化/非電化）よるメンテナンスコストの削減などを狙っています。
（２）主回路構成
主回路機器は蓄電装置の冗長性および安全性を考慮してDC600V系とし、架線あるいはエンジン発電機からの電力供給に対応可能な高効率標準電車システムを構成しています。蓄電装置は力行時の放電、制動時の回生吸収を勘案して、公称605Vのリチウムイオン二次電池を２並列で搭載しています。
標準電車システムへの電力供給には架線からの供給に対応するDC/DCコンバータとエンジン発電機からの供給に対応するAC/DCコンバータの機能が必要となりますが、接触器で回路を切り替えることで共通のハードで両機能を担うマルチコンバータとすることで小型・軽量化を図っています。電力供給の切り替えは運転台からの指令によって行い、架線給電、発電機給電、蓄電池給電の３つのモードで省エネルギー走行ができます。
架線給電モードでは、力行時には架線と蓄電装置の両方から電力供給し、制動時の回生電力は蓄電装置で吸収します。蓄電装置で吸収しきれない場合には架線へも回生します。蓄電装置の蓄電量（電圧）に応じて架線からの給電量をコンバータで制御しており、設定を切り替えることによって蓄電量を低く保って回生吸収能力を高く保つ、あるいは、蓄電量を高く保って架線電流の平準化を図るなど、蓄電装置による効果を切り替えることもできます。
発電機給電モードでは、蓄電装置の充電量（電圧）をモニタリングしながら、必要に応じて発電します。基本は力行時に必要な最大電力を蓄電装置から供給し、消費した電力をエンジン効率が良い条件で発電して補う考え方で、回生電力の有効利用に加え、高効率発電による省エネルギー化も図っています。
しかし、大きな必要電力が持続する連続上り勾配区間などでは、高効率発電を維持できなくなります。そこで、走行地点や車両質量（乗車率）によって発電制御（蓄電量制御）を自動的に切り替えできる機能を設け、更なる高効率化を狙っています。例えば、連続上り勾配の前には蓄電量を高く保つように制御し、高効率発電をできるだけ維持すること、また、連続下り勾配のように多くの回生電力が期待できる区間の前には蓄電量を低く保つように制御し、より多くの回生電力を吸収すること、などの効果を期待することができます。
蓄電池給電モードは架線や発電機から電力供給せず、蓄電装置に蓄えられた電力で走行するモードです。走行前に架線あるいは発電機からの供給で走行に必要な充電量を確保することによって走行が可能です。従来の電車に比べ、蓄電装置、マルチコンバータ、エンジン発電機などの搭載機器が増えることになるため、屋根上のスペースも機器の搭載スペースに利用しています。床下には主にエンジン発電機、蓄電装置、ブレーキ装置を配置し、インバータ、コンバータ（接触器箱含む）、補助電源装置などの主回路機器は屋根上に搭載しています。開発初期には搭載スペースの不足や大幅な質量増を懸念しましたが、インバータ装置へのSiCパワーモジュール採用、補助電源装置への高周波共振型コンバータ技術の適用をはじめ、各種機器の小型・軽量化を進めて１両への搭載を実現しました。
（３）車体
電力供給や編成長など多様なニーズに対応する思想は、客室内にも踏襲しています。自由なレイアウトを可能とするため、腰掛けは側構体の吊溝レールを利用して取り付けることで、腰掛けのピッチやクロスシートからロングシートへの変更などが容易に可能としています。また、天井にも吊り溝レールを設けており、吊手や荷物棚の取付に利用できるように配慮しています。室内灯には調光・調色機能を持ち、広い面積が発光するLED照明を採用して開放感を演出しています。床や内装パネルにはアルミニウム製サンドイッチパネルを用いることで軽量化を図っています。また、暖房もヒートポンプ式を採用するなど、各所で省エネルギーを意識して構成しています。
３ 走行試験
車輌完成後、走行性能や省エネルギー性を確認するため、MIHARA試験センターにおいては、HARMOの加減速性能、曲線通過性能を考慮して最高試験速度は80Km/hとしました。
力行性能およびブレーキ性能が設計仕様の性能となっていることを確認したほか、架線給電、発電機給電の各モードにおいて、蓄電装置を活用する効果について検証しました。
省エネルギーに関わる電力消費量や燃料消費量は、走行パターン、車輌質量（乗車率）、蓄電装置の状態（温度、劣化度）など多くのパラメーターで変動しますが、一例としては、発電機給電モードでは蓄電装置による回生吸収と高効率発電によって、蓄電装置を用いない走行と比較して燃料消費量が３６％程度低減しました。また、蓄電装置を活用した走行においても、試験路線や走行パターンに適した蓄電量制御をする事で、制御を適用しない場合に比べて燃料消費量で１８％程度の差を生じました。
この他、架線給電モードにおいては架線のピーク電流を２５％程度低減出来ることも確認できました。
なお、先にも述べましたが電力消費量や燃料消費量は多くのパラメーターで変動するので、適用に導入した場合の効果については詳細なシュミレーションが必要になることをご理解頂きたいと思います。
４ おわりに
多様な用途や輸送需要に共通のシステムで対応が可能なHARMOを開発し、走行試験を通じて基本性能および省エネルギー性を確認することができました。今後、最高速度までの走行試験についても計画したいと考えています。
最後に、開発、設計、製造、試験の各ステージにおいて、多くの方々に多大なるご指導とご協力をいただいた事に感謝し、厚くお礼申し上げます。
なお、本開発の一部は国土交通省の鉄道技術開発費補助金の支援を受けて実施しています。
今流行のハイブリッド車両ですが、直流1500V区間はパンタグラフから集電し、これまで一両で営業運転出来る車両は存在せず、ようやくこの車両で単行の運転が出来るようになりました。要は路面電車用の架線電圧６００Ｖのシステムを基本にしてこれまでのハイブリッド技術を応用したわけです。ローカル線用の車両だからシステムも簡素な方が良いわけです。またこの車両は直流電化区間を対象にしており、交流電化区間には対処していません。交流の場合は車両に重量のある変圧器を床下に搭載する必要がありますから。
車両性能表を見ますとこの車両はトイレも付いています。
運転台の機器配置はＪＲ西日本方式であり、同時にＪＲ四国の１５００系気動車にも通じるところがあります。恐らくこの車両を開発した近畿車輛は最初にＪＲ四国に売り込みを図りそれからＪＲ西日本に売り込むのでしょう。
ただ私鉄の場合は、こんな車両を必要とはしないでしょうが、第三セクターの場合は会津鉄道が購入を検討するかもしれません。
それから三菱電機株式会社のMIHARA実験線は広島県三原市にエンドレスの線路を敷いた実験線があり、既にここでは脱線しにくい台車を履いた元ＪＲ東日本サハ２０４を元能勢電鉄１５００系が牽引して試験をしています。
この施設での長期試験が終わると、ＪＲ四国の営業線で試験を行い、導入の検討がなされるでしょう。
システム自体が単純であるのでこれは実用化が近いと思います。
もしもＪＲ四国が導入を決めても、直ぐには営業には投入しないでしょう。四国の山岳路線で使えるかどうかの試験があるでしょうから。
最初に２両購入して四カマに配置。その理由は電化区間があること。多度津工場に近いこと。
電化区間で２両連結で架線給電モードの試験と共に、架線の下で発電機給電モード、蓄電池給電モードを試験し、その後は、１両で�眈召�ら阿波池田までの区間でそれぞれのモードの試験を行い、更には蓄電池給電モードで勾配区間をどれくらい走れるかを調べると思います。
この車両が一般型気動車を完全に置き換えるのは間違いなく、更に蓄電池の性能が向上すれば、発電機を撤去して蓄電池だけと言う事もあり得るでしょう。
一般型気動車よりも製造価格は高いでしょうが、電車と同じ部品となれば維持コストは案外安いかもしれません。高徳線は引田〜板野間のトンネルが続く勾配区間だけが非電化区間で残りの区間は電化されるかもしれません。
ただこのシステムは、主電動機が２個だけで、しかも屋根上にもギッシリと機器を搭載するため、低重心を求める車体傾斜装置を有する特急車両向きではないので、そのシステムをどうするのかが今後の鍵でしょう。
気になる車両ですので今後の動きに注意したいです
次世代省エネルギー型バッテリー電車「HARMO」の概要
という表題で近畿車輌株式会社 研究開発部 米谷弘氏が紹介しております。
本文は、
はじめに
鉄道は他の交通機関に比べて輸送力、定時性、安全性に優れる他、エネルギー効率の良さから省エネルギーで環境に優しい交通手段です。当社では、鉄道の優位性の一つである省エネルギー性を高める取り組みとして、蓄電装置を活用した車両の開発を進めてきました。
最初に取り組んだのは蓄電装置を搭載した低床式LRV（ameriTRAM）の開発で、電化区間を走行しながら架線から蓄電装置に充電し、非電化区間は蓄えた電力で走行できる車両でした。一部区間の電化設備を不要とできるほか、電化/非電化区間のいずれにおいても制動時の回生電力を蓄電装置に吸収して軽負荷回生を防止することで省エネルギー性を高めることが出来ました。
次に取り組んだのは、走行しながら車載のディーゼルエンジン発電機から蓄電装置に充電できる自己充電型バッテリー電車（SmartBEST）でした。非電化区間を長距離走行できる省エネルギー電車に対する期待に応えた車両で、電車駆動システムにエンジン発電機と蓄電装置を加え、２両編成（Mc+Tc）に搭載しました。回生電力の再利用はもちろんですが、力行時に必要なピーク電力を蓄電装置が負担することによってエンジンの搭載台数削減（１台/1両から1台/2両へ）と高効率運転による発電が可能となり、省エネルギー性を高めることが出来ました。このように、それぞれの用途における効果を確認すると共に、蓄電装置の活用についての知見を得ました。
今回、これまでの開発車輌の発展形として「HARMO（High-efficiency Advanced Railcar for Multi Operation）」を開発しましたので、以下に概要を紹介します。
車両の概要
（1）コンセプト
HARMOは、柔軟なニーズ対応、環境負荷の低減、ライフサイクルコスト（LCC）の低減をコンセプトとした蓄電装置搭載の電車です。柔軟なニーズ対応は、電力供給が直流架線とエンジン発電機のどちらにも対応すること、１両で構成可能として自由な編成両数で輸送需要に対応が可能とすること、で実現しています。電化区間では架線から、非電化区間では発電機から電力供給が可能です。また、短距離であれぱ車載の蓄電装置を用いた走行も出来ます。
環境負荷の低減は、車載の蓄電装置を活用した回生電力の有効利用、必要供給電力の平準化、高効率な主回路機器の採用、更には走行地点や乗車率に応じて蓄電装置の充電量を制御する機能を設けることで、高効率な走行を可能としています。
LCCについては、多様な用途への対応を可能とすることで、車体および機器の共通化による設計コスト、高効率走行によるエネルギーコスト、機械部品の削減や機器共通化（電化/非電化）よるメンテナンスコストの削減などを狙っています。
（２）主回路構成
主回路機器は蓄電装置の冗長性および安全性を考慮してDC600V系とし、架線あるいはエンジン発電機からの電力供給に対応可能な高効率標準電車システムを構成しています。蓄電装置は力行時の放電、制動時の回生吸収を勘案して、公称605Vのリチウムイオン二次電池を２並列で搭載しています。
標準電車システムへの電力供給には架線からの供給に対応するDC/DCコンバータとエンジン発電機からの供給に対応するAC/DCコンバータの機能が必要となりますが、接触器で回路を切り替えることで共通のハードで両機能を担うマルチコンバータとすることで小型・軽量化を図っています。電力供給の切り替えは運転台からの指令によって行い、架線給電、発電機給電、蓄電池給電の３つのモードで省エネルギー走行ができます。
架線給電モードでは、力行時には架線と蓄電装置の両方から電力供給し、制動時の回生電力は蓄電装置で吸収します。蓄電装置で吸収しきれない場合には架線へも回生します。蓄電装置の蓄電量（電圧）に応じて架線からの給電量をコンバータで制御しており、設定を切り替えることによって蓄電量を低く保って回生吸収能力を高く保つ、あるいは、蓄電量を高く保って架線電流の平準化を図るなど、蓄電装置による効果を切り替えることもできます。
発電機給電モードでは、蓄電装置の充電量（電圧）をモニタリングしながら、必要に応じて発電します。基本は力行時に必要な最大電力を蓄電装置から供給し、消費した電力をエンジン効率が良い条件で発電して補う考え方で、回生電力の有効利用に加え、高効率発電による省エネルギー化も図っています。
しかし、大きな必要電力が持続する連続上り勾配区間などでは、高効率発電を維持できなくなります。そこで、走行地点や車両質量（乗車率）によって発電制御（蓄電量制御）を自動的に切り替えできる機能を設け、更なる高効率化を狙っています。例えば、連続上り勾配の前には蓄電量を高く保つように制御し、高効率発電をできるだけ維持すること、また、連続下り勾配のように多くの回生電力が期待できる区間の前には蓄電量を低く保つように制御し、より多くの回生電力を吸収すること、などの効果を期待することができます。
蓄電池給電モードは架線や発電機から電力供給せず、蓄電装置に蓄えられた電力で走行するモードです。走行前に架線あるいは発電機からの供給で走行に必要な充電量を確保することによって走行が可能です。従来の電車に比べ、蓄電装置、マルチコンバータ、エンジン発電機などの搭載機器が増えることになるため、屋根上のスペースも機器の搭載スペースに利用しています。床下には主にエンジン発電機、蓄電装置、ブレーキ装置を配置し、インバータ、コンバータ（接触器箱含む）、補助電源装置などの主回路機器は屋根上に搭載しています。開発初期には搭載スペースの不足や大幅な質量増を懸念しましたが、インバータ装置へのSiCパワーモジュール採用、補助電源装置への高周波共振型コンバータ技術の適用をはじめ、各種機器の小型・軽量化を進めて１両への搭載を実現しました。
（３）車体
電力供給や編成長など多様なニーズに対応する思想は、客室内にも踏襲しています。自由なレイアウトを可能とするため、腰掛けは側構体の吊溝レールを利用して取り付けることで、腰掛けのピッチやクロスシートからロングシートへの変更などが容易に可能としています。また、天井にも吊り溝レールを設けており、吊手や荷物棚の取付に利用できるように配慮しています。室内灯には調光・調色機能を持ち、広い面積が発光するLED照明を採用して開放感を演出しています。床や内装パネルにはアルミニウム製サンドイッチパネルを用いることで軽量化を図っています。また、暖房もヒートポンプ式を採用するなど、各所で省エネルギーを意識して構成しています。
３ 走行試験
車輌完成後、走行性能や省エネルギー性を確認するため、MIHARA試験センターにおいては、HARMOの加減速性能、曲線通過性能を考慮して最高試験速度は80Km/hとしました。
力行性能およびブレーキ性能が設計仕様の性能となっていることを確認したほか、架線給電、発電機給電の各モードにおいて、蓄電装置を活用する効果について検証しました。
省エネルギーに関わる電力消費量や燃料消費量は、走行パターン、車輌質量（乗車率）、蓄電装置の状態（温度、劣化度）など多くのパラメーターで変動しますが、一例としては、発電機給電モードでは蓄電装置による回生吸収と高効率発電によって、蓄電装置を用いない走行と比較して燃料消費量が３６％程度低減しました。また、蓄電装置を活用した走行においても、試験路線や走行パターンに適した蓄電量制御をする事で、制御を適用しない場合に比べて燃料消費量で１８％程度の差を生じました。
この他、架線給電モードにおいては架線のピーク電流を２５％程度低減出来ることも確認できました。
なお、先にも述べましたが電力消費量や燃料消費量は多くのパラメーターで変動するので、適用に導入した場合の効果については詳細なシュミレーションが必要になることをご理解頂きたいと思います。
４ おわりに
多様な用途や輸送需要に共通のシステムで対応が可能なHARMOを開発し、走行試験を通じて基本性能および省エネルギー性を確認することができました。今後、最高速度までの走行試験についても計画したいと考えています。
最後に、開発、設計、製造、試験の各ステージにおいて、多くの方々に多大なるご指導とご協力をいただいた事に感謝し、厚くお礼申し上げます。
なお、本開発の一部は国土交通省の鉄道技術開発費補助金の支援を受けて実施しています。
今流行のハイブリッド車両ですが、直流1500V区間はパンタグラフから集電し、これまで一両で営業運転出来る車両は存在せず、ようやくこの車両で単行の運転が出来るようになりました。要は路面電車用の架線電圧６００Ｖのシステムを基本にしてこれまでのハイブリッド技術を応用したわけです。ローカル線用の車両だからシステムも簡素な方が良いわけです。またこの車両は直流電化区間を対象にしており、交流電化区間には対処していません。交流の場合は車両に重量のある変圧器を床下に搭載する必要がありますから。
車両性能表を見ますとこの車両はトイレも付いています。
運転台の機器配置はＪＲ西日本方式であり、同時にＪＲ四国の１５００系気動車にも通じるところがあります。恐らくこの車両を開発した近畿車輛は最初にＪＲ四国に売り込みを図りそれからＪＲ西日本に売り込むのでしょう。
ただ私鉄の場合は、こんな車両を必要とはしないでしょうが、第三セクターの場合は会津鉄道が購入を検討するかもしれません。
それから三菱電機株式会社のMIHARA実験線は広島県三原市にエンドレスの線路を敷いた実験線があり、既にここでは脱線しにくい台車を履いた元ＪＲ東日本サハ２０４を元能勢電鉄１５００系が牽引して試験をしています。
この施設での長期試験が終わると、ＪＲ四国の営業線で試験を行い、導入の検討がなされるでしょう。
システム自体が単純であるのでこれは実用化が近いと思います。
もしもＪＲ四国が導入を決めても、直ぐには営業には投入しないでしょう。四国の山岳路線で使えるかどうかの試験があるでしょうから。
最初に２両購入して四カマに配置。その理由は電化区間があること。多度津工場に近いこと。
電化区間で２両連結で架線給電モードの試験と共に、架線の下で発電機給電モード、蓄電池給電モードを試験し、その後は、１両で�眈召�ら阿波池田までの区間でそれぞれのモードの試験を行い、更には蓄電池給電モードで勾配区間をどれくらい走れるかを調べると思います。
この車両が一般型気動車を完全に置き換えるのは間違いなく、更に蓄電池の性能が向上すれば、発電機を撤去して蓄電池だけと言う事もあり得るでしょう。
一般型気動車よりも製造価格は高いでしょうが、電車と同じ部品となれば維持コストは案外安いかもしれません。高徳線は引田〜板野間のトンネルが続く勾配区間だけが非電化区間で残りの区間は電化されるかもしれません。
ただこのシステムは、主電動機が２個だけで、しかも屋根上にもギッシリと機器を搭載するため、低重心を求める車体傾斜装置を有する特急車両向きではないので、そのシステムをどうするのかが今後の鍵でしょう。
気になる車両ですので今後の動きに注意したいです
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