【電動化の流れ】 クルマと鉄道、比べてみると？

これに対し日産は、「e-Power」のことを「電気自動車の新しい形」と宣伝していましたが、これはEVにエンジン式発電機を組み込んだもので、後で述べるシリーズハイブリッドになります。


今や、電気自動車の代表格となった日産リーフ。


鉄道の場合、元々電車というものがある訳ですが、ここではバッテリー(蓄電池)で走るかどうかということがクルマとの類似性になります。

鉄道総研LH02形試験電車、架線バッテリーハイブリッドLRV。
ここでのハイブリッドとは、架線集電とバッテリー走行が可能という意味になります。
富山県高岡のLRT万葉線で試験走行したことがあります。交流電化の北陸本線を横断して非電化の城端線や氷見線に直通することも可能で、城端線と氷見線のLRV化構想で採用される方式、とのうわさもあります。


JR九州のBEC819系、非電化の香椎線で使用されているバッテリー駆動電車。


架線集電して通常の電車走行するほか、走行用バッテリーを装備しています。



JR東日本のEV-E801系、JR九州BEC819系の技術を導入して開発。


秋田の非電化路線男鹿線で使用中。
終点では、パンタグラフを剛体架線に当てて急速充電します。


最新の東海道山陽新幹線車両N700Sも、バッテリー走行が可能です。
SiC半導体の使用で機器の小型化が可能になり、空いたスペースにリチウムイオンバッテリーを搭載。停電時のサービス電源用のほか、30km/h程度で自力走行して最寄り駅に退避させるための走行用電源となります。





バッテリーを使わない電動化車両としては、日産の「e-4WD」がありました。
前輪と後輪の速度差からスリップを検知すると、直ちにエンジン直結で発電した電気により後輪をモータ駆動する、スタンバイ4駆。


この方式をハイブリッド車と呼ぶかどうか、ということも議論になりました。広義ではハイブリッド車となるのではないかと。
キューブe-4WDです。後輪をブラシ付き直流モータで駆動します。


バッテリーは持たないもののエンジンで発電した電気でモータを駆動するこの方式は、鉄道車両としては結構古くからあります。

1957年登場のDF50形電気式ディーゼル機関車。
0番台はスイスズルツァー社と技術提携した三菱重工製直列8気筒1060馬力のエンジンを搭載し、100KWモータ6機を駆動。500番台はドイツMAN型エンジンを搭載し1200馬力にアップ。
低出力ながら、タップ切替えの直流電気機関車と違い、出力を連続可変できるので粘着性能が高く空転しにくいため、意外に重宝され、弱め界磁制御を駆使して高速運転もできることから、山陰や九州の地方幹線では寝台特急もけん引しました。


JR東日本のＧV-E400系は、近年開発された電気式ディーゼル車両です。駆動用のバッテリーは搭載していません。
半導体技術の進歩で機器の小型化と高出力化が可能になり、ディーゼルエンジンで直接車輪を駆動する方式は過去のものになりつつあります。
GV-E400系は八戸線や五能線に投入され、国鉄型40系気動車の置き換えが始まりました。


ハイブリッドではないので、バッテリーは搭載していません。


北海道と中京地区で貨物列車を牽くJR貨物のDF200や、ななつ星in九州の牽引機DF200-7000番台も電気式のディーゼル機関車です。
DF200-7000番台＋77系客車　ななつぼし in 九州


さらに、電化区間ではパンタグラフから集電し、架線の無いところはディーゼルエンジンで発電して走るEDC(ディーゼルエレクトリック)方式なのが、JR東日本のクルーズトレイン、E001系「トランスイート四季島」。

新幹線対応で架線電圧が違いATCも異なる青函トンネルも自力走行でき、北海道にも直通しています。






このEV駆動方式にバッテリーを加えたのが、シリーズハイブリッド。
パワーの流れとしてはシンプルな方式。


シリーズハイブリッドとして今ポピュラーなのが、先にも書いた日産の「e-Power」。
海外では、電池走行（EV走行）をメインにして、充電が切れたあとはエンジンで走行できる、という意味で「レンジエクステンダー」という呼び方をされることもあります。
e-Powerは逆に電池容量を最小限にして発電走行をメインにしています。

以前、レンタカーで乗ったことのある日産『NOTE e-Power』。
アクセルとエンジン回転数が一致しないのが何とも違和感でしたが、バッテリー容量が大きくはないので、アクセルに少し遅れてエンジン回転数が上昇することも。
動き自体はスムースでした。


シリーズハイブリッド方式の、JR東日本キハE200系、小海線で運用。


HB-E210系　仙石東北ラインとして、交流電化の東北本線仙台から直流電化の仙石線へ直通運用についています。


電気式ディーゼル車両GV-400系の主回路にバッテリーを組み込んだ方式。

登場はこちらの方が早いので、コレからバッテリーを外したのがGV-E400系とも言えますが。



JR東海の次世代特急車「HC85系」もモータ駆動のシリーズディーゼルハイブリッド車。


高山本線で試運転中のHC85系、ワイドビューひだキハ85系の車内から撮影。


JR西日本のクルーズトレイン「TWILIGHT瑞風」の87系寝台気動車も、ディーゼルエンジンで発電しバッテリーも搭載して、モータを駆動するハイブリッド車です。




さて、トヨタ自動車が得意とするシリーズパラレルハイブリッド。
複雑ですが、アシスト、電力回生、EV走行など、走行条件に応じて最適なモードを選択できる構造。


トヨタのシリーズパラレルハイブリッドは初代プリウスから始まりました。
これは現行プリウスの前期型。。


トヨタハイブリッドシステム(THS)の基本構造。
左にあるエンジンと、発電機、モータを、遊星歯車式無段変速機で直結して、トルク特性差のあるエンジンとモータを協調制御します。


さらに充電走行を可能にしたのが、プラグインハイブリッド車の「プリウスPHV」。


鉄道車両では、1台の車両でこれだけの複雑なシステムを組み込んだものはありませんが、異なるパワートレインの車両同士を協調制御している例はあります。

JR北海道キハ201系気動車＋731系交流電車の協調運転。手前3両が気動車キハ201系で後ろ3両が731系交流電車。


電車とディーゼルカーのトルク特性は違うので、単純にお互いが速度を上げようとすると加速度差が歴然としてギクシャクした動きになります。なので、731系交流電車の速度をディーゼルエンジンの特性に合わせて制御しています。





そして、燃料電池車。
電池という言葉が付いていますが、水素と酸素を反応させる発電機のこと。
水素と酸素は反応するとエネルギーと水になります。このとき移動する電子を電力として利用するのが燃料電池。
水素を高圧にしてガソリン並みのエネルギー密度に圧縮することで、航続距離を稼ぐようにするわけですね。その圧力70MPaなので700気圧!?


水素を化石燃料を使って作ると、温室効果ガスの排出やエネルギー収支からみて本末転倒になりますが、例えば、化学工業の基本、苛性ソーダ生成のバイプロでできる水素を有効利用するならば意味があります。現在は大気に放出。コレを利用しようというもの。

トヨタの初代MIRAI、シリースハイブリッドのエンジンを燃料電池に置き換えたシステム。とトヨタは説明しています。


2代目MIRAI。新世代のFRセダンを目指したようですが、果たして…。


鉄道車両にも、まだ実験段階ですが燃料電池車があります。

これは、鉄道総研R291形燃料電池試験電車。ベースはJR西日本の223系。



JR東日本の試験車、クモヤE995形燃料電池電車。


そして、JR東日本が、トヨタ自動車、日立製作所と共同開発する、FV-E991系。


鉄道車両が今すぐ水素で駆動する必然性は小さいものの、将来に向けて実証実験を行い、長期にデータを収集するのが目的とのこと。鶴見線での営業走行が計画されています。






最後に、音鉄の楽しみ方を。

インバータ制御がGTOサイリスタ（ゲートターンオフサイリスタ）だった頃、その磁励振動音(変調音)が大きいことが問題でした。
これを逆手に取り、遊び心でドレミファの音階にしたのが、シーメンス製VVVF制御の通称「ドレミファインバータ」、京急電鉄で多く採用されました。
現在は、IGBTインバータ（インテグレーテッドゲートバイポーラトランジスタ）が主流になり、磁励音は小さくなっています。