JP2014155292A - 電力回生システム及びこれを備える車両 - Google Patents

Abstract

【課題】大電力の入出力が可能であり、蓄電容量が大きく、コンパクトであり、且つ、地球環境への負担をより少なくできる電力回生システム及び車両を提供する。
【解決手段】電力回生システム８は、キャパシタ部１４と、フライホイール部１５と、インターフェイス部１３とを有している。フライホイール部１５は、フライホイール１８と、フライホイール１８と運動エネルギの入出力を可能なモータジェネレータ１７とを含む。インターフェイス部１３は、キャパシタ部１４に蓄積された電力を出力可能であるか、又はキャパシタ部１４に蓄積された電力とモータジェネレータ１７で発電された電力の両方を出力可能である。
【選択図】 図２

Description

本発明は、電力回生システム及びこれを備える車両に関する。

例えば、気動車にバッテリとしてリチウムイオン蓄電池を搭載することで、当該気動車における省エネルギ化を図る構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、リチウムイオン蓄電池等の化学電池を用いるバッテリではなく、フライホイールを用いた物理電池を蓄電装置として用いることが提案されている（例えば、特許文献２参照）。また、電気自動車の分野等において、リチウムイオン蓄電池と電気二重層キャパシタとを組み合わせた構成が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

特開２０００−３５０３０８号公報 特開２００６− ２５４８９号公報 特開２００４− ５６９９５号公報

特許文献１に記載のバッテリは、リチウムイオン蓄電池であり、当該リチウムイオン蓄電池の原理上、大電力の入出力には適さない。つまり、リチウムイオン蓄電池を用いた場合、バッテリから大電力を出力できないので、バッテリ出力を用いた気動車の加速は、遅い。また、気動車が高速で走行している状態から減速する際に生じる回生電力は大きいけれども、この大きな回生電力を、リチウムイオン蓄電池では十分に回収できない。

また、特許文献２に記載の構成では、フライホイールに接続されるモータ／ジェネレータの容量によって、単位時間当たりに入出力可能な電力量が変わる。このため、大電力を入出力するためには、モータ／ジェネレータのサイズが大きくなってしまう。

特許文献３に記載の電気二重層キャパシタは、リチウムイオン蓄電池のエネルギ密度と比べて低いエネルギ密度を有している。しかしながら、電気二重層キャパシタは、大電力の入出力が可能である。そのため、特許文献３に記載の構成では、電気二重層キャパシタとリチウムイオン蓄電池との併用により、大電力の入出力が可能でありながら、大容量の電力を蓄電することができるようになる。しかしながら、リチウムイオン蓄電池は、その特性上、深い充電及び放電を行うと、寿命が短くなってしまう。そこで、リチウムイオン蓄電池の充電量及び放電量を浅くした状態で、当該リチウムイオン蓄電池が使用されることとなる。しかしながら、このような使用方法では、リチウムイオン蓄電池のエネルギ密度は、見かけ上小さくなってしまう。このため、必要な蓄電容量を確保するために、リチウムイオン蓄電池を多数設ける必要があり、多数のリチウムイオン蓄電池全体のサイズが大きくなってしまうという問題があった。加えて、リチウムイオン蓄電池は、冷却装置を必要とする。このため、リチウムイオン蓄電池及び冷却装置を含めたシステム全体のサイズは、さらに大きくなる。その上、リチウムイオン蓄電池は、化学電池であり、廃棄される際に用いる場合、地球環境に悪影響を及ぼすおそれがある。

本発明は、上記実情に鑑みることにより、大電力の入出力が可能であり、蓄電容量が大きく、コンパクトであり、且つ、地球環境への負担をより少なくできる電力回生システム及びこれを備える車両を提供することを、目的とする。

（１）上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わる電力回生システムは、キャパシタを含むキャパシタ部と、フライホイール、及び、このフライホイールと運動エネルギの入出力を可能なモータジェネレータを含むフライホイール部と、前記キャパシタ部、前記モータジェネレータ、及び前記電力回生システムの外部のそれぞれと電力の入出力を可能に構成されたインターフェイス部と、を備え、前記インターフェイス部は、前記キャパシタ部に蓄積された電力を出力可能であるか、又は前記キャパシタ部に蓄積された電力と前記モータジェネレータで発電された電力の両方を同時に出力可能である。

この構成によると、大電力を入出力可能なキャパシタが設けられている。このため、電力回生システムは、大電力の入出力を、キャパシタ部において行わせることができる。また、フライホイールは、回転により生じる慣性モーメントによって、大きな運動エネルギを蓄えることができる。このため、モータジェネレータにおいて、電力をフライホイールの運動エネルギに変換することで、フライホイール部における蓄電容量を大きくできる。また、大電力の入出力動作はキャパシタ部が担うため、フライホイール部は、大電力を入出力する必要がない。このため、フライホイール部のモータジェネレータを小さくすることができる。さらに、リチウムイオン蓄電池を用いない構成であるので、リチウムイオン蓄電池を冷却するための冷却装置が不要であり、電力回生システムを、より小さくできる。また、蓄電のための構成としてフライホイールが用いられている。フライホイールは、リチウムイオン蓄電池と異なり、廃棄される際に化学物質による地球環境の汚染のおそれが小さい。以上より、大電力の入出力が可能であり、蓄電容量が大きく、コンパクトであり、且つ、地球環境への負担をより少なくできる電力回生システムを提供できる。

（２）好ましくは、前記インターフェイス部は、前記キャパシタ部に蓄積された電力は出力せず、前記フライホイール部の前記モータジェネレータで生じた電力を前記外部へ出力可能である。

この構成によると、電力回生システムは、例えば、所定の電力以上の大電力を出力する必要がない場合、キャパシタの電力を温存しつつ、フライホイール部に蓄積された運動エネルギを電力に変換して出力することができる。これにより、電力回生システムは、機動的に、大電力の出力と、小電力の出力とを切り替えることができるので、電力を有効に活用することができる。

（３）好ましくは、前記インターフェイス部は、前記外部から入力された電力を、前記キャパシタ部へは出力せず、前記フライホイール部の前記モータジェネレータへ出力可能である。

この構成によると、例えば、電力回生システムに所定の電力未満の小電力が入力された場合、フライホイール部における蓄電容量よりも小さい蓄電容量を有するキャパシタには、当該小電力は、蓄電されないようにできる。これにより、蓄電容量の少ないキャパシタを、大電力が入力されたときに備えて温存しておくことができる。よって、電力回生システムに大電力が入力された場合に、キャパシタ部に当該大電力を蓄電することができる。したがって、電力回生システムは、回生電力を、有効に回収することができる。

（４）好ましくは、前記インターフェイス部は、所定の電力負荷としての電力需要先に接続可能に構成されており、且つ、前記外部から入力された電力を前記キャパシタ部及び前記フライホイール部の何れにおいても蓄積不能である場合に、前記外部から入力された電力を、前記電力需要先に出力するように構成されている。

この構成によると、電力回生システムは、回生電力を別の電力需要先に回送することで、当該回生電力を、より有効に利用することができる。

（５）好ましくは、前記インターフェイス部は、所定の電力負荷としての電力需要先に接続可能に構成されており、且つ、前記外部から電力が入力された場合に、前記キャパシタ部への給電及び前記フライホイール部の前記モータジェネレータへの給電に優先して、前記外部からの電力を前記電力需要先へ出力可能である。

この構成によると、例えば、別の電力需要先ですぐに電力が利用される場合、電力回生システムでの電力保持に要するエネルギが消費されることなく、電力が上記別の電力需要先に出力される。これにより、回生電力の更なる有効活用が実現される。

（６）好ましくは、前記インターフェイス部は、前記キャパシタ部と前記フライホイール部の前記モータジェネレータとを、前記キャパシタ部と前記フライホイール部との間で電力の入出力をするために接続可能である。

この構成によると、蓄電容量は少ないけれども大電力を入出力可能なキャパシタ部と、大電力の入出力はできないけれども蓄電容量が大きいフライホイール部との間での、エネルギの入出力が可能である。その結果、電力回生システムは、必要とされる電力の態様に応じて、キャパシタ部から外部への給電と、フライホイール部から外部への給電とを使い分けることができる。したがって、電力回生システムは、電力の需要に柔軟に対応できる。

（７）好ましくは、前記インターフェイス部は、複数の電力供給部に接続されており、且つ、複数の前記電力供給部からの電力を、前記キャパシタ又は前記モータジェネレータへ出力可能である。

この構成によると、複数の電力入力部からの電力を、電力回生システムで蓄積できる。これにより、複数の電力入力部からの電力が、より有効に活用される。

（８）上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わる車両は、車輪と、前記車輪に連結されたモータと、前記の電力回生システムと、を備え、前記モータは、前記電力回生システムの前記外部として設けられており、前記インターフェイス部との間で電力の入出力を可能である。

この構成によると、大電力の入出力が可能であり、蓄電容量が大きく、コンパクトであり、且つ、地球環境への負荷をより少なくできる電力回生システムを備えた車両を実現できる。よって、車両全体としても、コンパクトな構成を実現できる。

本発明によると、大電力の入出力が可能であり、且つ蓄電容量が大きく、コンパクトであり、且つ、地球環境への負担をより少なくできる電力回生システムを提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る電力回生システムを備える鉄道車両の模式的な側面図である。 鉄道車両の構成を示すブロック図である。 鉄道車両の加速時の電力の流れを説明するための、鉄道車両のブロック図である。 鉄道車両の加速時の電力の流れを説明するための、グラフ図である。 鉄道車両の抑速ブレーキ時の電力の流れを説明するための、鉄道車両のブロック図である。 鉄道車両の減速時（その１）の電力の流れを説明するための、鉄道車両のブロック図である。 鉄道車両の減速時の電力の流れを説明するための、グラフ図である。 鉄道車両の減速時（その２）の電力の流れを説明するための、鉄道車両のブロック図である。 鉄道車両の停車時における電力の流れを説明するための、鉄道車両のブロック図である。 鉄道車両が慣性で走行している場合の電力の流れを説明するための、鉄道車両のブロック図である。 本発明の第２実施形態に係る電力回生システムを備える鉄道車両の模式的な側面図である。 本発明の第２実施形態に係る鉄道車両の構成を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態に係る鉄道車両の加速時の電力の流れを説明するための、鉄道車両のブロック図である。 本発明の第２実施形態に係る鉄道車両の加速時の電力の流れを説明するための、グラフ図である。 本発明の第２実施形態に係る鉄道車両の減速時の電力の流れを説明するための、鉄道車両のブロック図である。 本発明の第２実施形態に係る鉄道車両の減速時の電力の流れを説明するための、グラフ図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。尚、本発明は、以下の実施形態で例示した形態に限らず、電力回生システムとして広く適用することができる。

［第１実施形態］
［鉄道車両の概略構成］
図１は、本発明の第１実施形態に係る電力回生システム８を備える鉄道車両１の模式的な側面図である。図２は、鉄道車両１の構成を示すブロック図である。図１及び図２を参照して、本実施形態において、鉄道車両１は、本発明の「車両」の一例としての気動車であり、内燃機関としてのエンジン５で発生した動力を電力に変換し、この電力を用いたモータ１２の駆動によって、走行する。

鉄道車両１は、車体２と、台車３と、車輪４と、エンジン５と、ジェネレータ６と、コンバータ７と、電力回生システム８と、インバータ９と、ユーティリティ機器１０と、第１インバータコンバータ１１と、モータ１２と、を有している。

車体２の下部に、台車３が複数（例えば２つ）設けられている。各台車３に、複数（例えば、４つ）の車輪４が設けられている。

エンジン５は、ディーゼル機関等の内燃機関であり、車体２に収容されている。エンジン５の出力は、ジェネレータ６に与えられる。

ジェネレータ６は、例えば、回転子と固定子とを有する発電機であり、エンジン５の出力軸の回転によって上記回転子が回転される。これにより、ジェネレータ６は、交流電力を、コンバータ７へ出力する。

コンバータ７は、交流電力を直流電力へ変換する電力変換器として設けられている。コンバータ７は、ジェネレータ６からの交流電力を直流電力に変換し、当該直流電力を電力回生システム８へ出力する。

電力回生システム８は、ジェネレータ６（エンジン５）からの電力、及びモータ１２からの回生電力を蓄積可能であり、蓄積したエネルギを、電力としてユーティリティ機器１０及びモータ１２へ出力するように構成されている。電力回生システム８の詳細は、後述する。電力回生システム８は、インバータ９に接続されている。

インバータ９は、直流電力を交流電力に変換する電力変換器として設けられている。インバータ９は、電力回生システム８から出力された直流電力を交流電力に変換し、この交流電力を、ユーティリティ機器１０へ出力する。

ユーティリティ機器１０は、乗員等に利用される機器である。ユーティリティ機器１０として、エアコンディショナ、電灯等を例示することができる。ユーティリティ機器１０は、電力を消費する電力負荷である。本実施形態では、ユーティリティ機器１０からは、電力は出力されない。

第１インバータコンバータ１１は、電力変換器であり、直流電力は交流電力に変換し、交流電力は直流電力に変換する。第１インバータコンバータ１１は、コンバータ７を介したジェネレータ６からの直流電力、及び電力回生システム８からの直流電力を、交流電力に変換し、この交流電力をモータ１２へ出力する。また、第１インバータコンバータ１１は、モータ１２からの回生電力としての交流電力を直流電力に変換する。この直流電力は、電力回生システム８へ与えられ、さらに電力回生システム８において、電力回生システム８又はインバータ９へ配分される。

モータ１２は、回転電機である。モータ１２の回転子は、車輪４に連結されており、第１インバータコンバータ１１から与えられた交流電力によって駆動する。これにより、鉄道車両１が走行する。また、モータ１２の回転子は、鉄道車両１の減速時及び抑速ブレーキ時（速度増加抑制時）に、車輪４からの回転力を受けて回転される。これにより、モータ１２は、発電機として機能し、交流電力を第１インバータコンバータ１１へ出力する。

次に、電力回生システム８の構成を説明する。電力回生システム８は、インターフェイス部１３と、キャパシタ部１４と、フライホイール部１５と、を有している。

インターフェイス部１３は、コンバータ７、インバータ９、第１インバータコンバータ１１、キャパシタ部１４、及びフライホイール部１５の後述する第２インバータコンバータ１６に接続されている。インターフェイス部１３は、本実施形態では、電力配分器として設けられている。インターフェイス部１３は、ジェネレータ（電力供給部）６、ユーティリティ機器（電力負荷としての電力需要先）１０、モータ（電力供給部）１２、キャパシタ部１４、及び後述するモータジェネレータ１７のそれぞれと電力を入出力可能に構成されている。

本実施形態では、インターフェイス部１３は、例えば、ＰＬＣ（Programmable Logic Controller）であり、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等を含んでいる。インターフェイス部１３は、このインターフェイス部１３に入出力される電力値等に基づいて、電力の配分を設定することができる。

尚、本実施形態では、インターフェイス部１３がソフトウェアによってプログラム的に動作する例を説明する。しかしながら、インターフェイス部１３は、リレー回路によって構成されていてもよいし、他の機構によって構成されていてもよい。

キャパシタ部１４は、静電容量によって電荷を蓄えることで蓄電（充電）するように構成されている。キャパシタ部１４として、電気二重層キャパシタ等を例示することができる。キャパシタ部１４は、インターフェイス部１３から直流電力を与えられることで蓄電する。また、キャパシタ部１４は、蓄積した電力を、インターフェイス部１３へ出力可能である。キャパシタ部１４は、大電力を入出力可能である。但し、キャパシタ部１４の蓄電容量は、フライホイール部１５における蓄電容量より小さい。尚、本実施形態において、「大電力」とは、フライホイール部１５において入出力可能な電力よりも大きい電力のことをいう。

フライホイール部１５は、電力をフライホイール１８の運動エネルギに変換し、この運動エネルギを保存するように構成されている。また、フライホイール部１５は、保存した運動エネルギを電力に変換し、この電力を出力するように構成されている。

フライホイール部１５は、第２インバータコンバータ１６と、モータジェネレータ１７と、フライホイール１８と、を有している。

第２インバータコンバータ１６は、電力変換器であり、直流電力は交流電力に変換し、交流電力は直流電力に変換する。第２インバータコンバータ１６は、インターフェイス部１３からの直流電力を交流電力に変換し、この交流電力をモータジェネレータ１７へ出力する。また、第２インバータコンバータ１６は、モータジェネレータ１７からの交流電力を直流電力に変換し、この直流電力をインターフェイス部１３へ出力する。

モータジェネレータ１７は、回転電機であり、固定子と、回転子とを有している。回転子は、フライホイール１８に連結されている。モータジェネレータ１７は、交流電力を与えられることで、回転子及びフライホイール１８を回転する。一方、モータジェネレータ１７は、フライホイール１８によって回転子を回転されることで発電し、交流電力を第２モータジェネレータ１７へ出力する。

フライホイール１８は、モータジェネレータ１７と運動エネルギの入出力（入力及び出力）が可能に構成されている。具体的には、フライホイール１８は、所定の質量を有する円盤状部材であり、モータジェネレータ１７の回転子に連結されている。尚、フライホイール１８とモータジェネレータ１７の回転子とは、直結されていてもよいし、変速機を介して連結されていてもよい。フライホイール１８は、モータジェネレータ１７からトルクを与えられることで空転し、これにより、運動エネルギを蓄積する。また、フライホイール１８は、モータジェネレータ１７の回転子にトルクを与えることで、回転子を回転させ、モータジェネレータ１７に発電を行わせる。

本実施形態では、フライホイール部１５において、モータジェネレータ１７は、小電力を入出力可能である。尚、本実施形態において、「小電力」とは、キャパシタ部１４において入出力可能な電力の最大値よりも、小さい値の電力のことをいう。

以上が、鉄道車両１の概略構成である。

［鉄道車両１の基本動作］
次に、鉄道車両１における基本動作の一例を説明する。本実施形態では、鉄道車両１における基本動作として、以下の（１）〜（８）の動作態様が設定されている。

基本動作（１）においては、インターフェイス部１３は、モータ１２に必要な電力値としての第１電力要求値を検出する。インターフェイス部１３は、第１電力要求値が、所定の第１要求しきい値Ｔｈ１未満である場合、フライホイール部１５からの電力をモータ１２へ出力する処理を行う。より具体的には、インターフェイス部１３は、第１インバータコンバータ１１と、第２インバータコンバータ１６とを接続する。これにより、フライホイール１８の運動エネルギは、モータジェネレータ１７によって交流電力に変換された後、第２インバータコンバータ１６で直流電力に変換される。この直流電力は、インターフェイス部１３を通って第１インバータコンバータ１１で交流電力に変換され、モータ１２へ出力される。この場合、インターフェイス部１３は、キャパシタ部１４に蓄積された電力は出力しない。

基本動作（２）においては、インターフェイス部１３は、モータ１２に必要な電力値としての第１電力要求値を検出する。第１電力要求値が、第１要求しきい値Ｔｈ１以上である場合、インターフェイス部１３は、フライホイール部１５からの電力及びキャパシタ部１４からの電力をモータ１２へ出力する。より具体的には、インターフェイス部１３は、第１インバータコンバータ１１と、第２インバータコンバータ１６とを接続するとともに、第１インバータコンバータ１１と、キャパシタ部１４とを接続する。これにより、フライホイール部１５からの直流電力は、インターフェイス部１３、及び第１インバータコンバータ１１を介してモータ１２へ出力される。また、キャパシタ部１４からの直流電力は、インターフェイス部１３、及び第１インバータコンバータ１１を介してモータ１２へ出力される。

尚、基本動作（２）においては、フライホイール部１５は、第１インバータコンバータ１１と接続されなくてもよい。この場合、電力回生システム８のうちのキャパシタ部１４のみからの電力が、インターフェイス部１３及び第１インバータコンバータ１１を介して、モータ１２へ出力される。

基本動作（３）においては、インターフェイス部１３は、第１インバータコンバータ１１（モータ１２）から出力された電力値を測定する。この電力値が、所定の第１出力しきい値Ｔｈ１０未満である場合、インターフェイス部１３は、第１インバータコンバータ１１と、第２インバータコンバータ１６とを接続する。これにより、第１インバータコンバータ１１からの電力は、インターフェイス部１３及び第２インバータコンバータ１６を介してモータジェネレータ１７へ出力され、その結果、フライホイール１８に運動エネルギが付与される。即ち、フライホイール部１５での蓄電が行われる。この場合、モータ１２からの電力は、キャパシタ部１４へは出力されない。

基本動作（４）においては、インターフェイス部１３は、第１インバータコンバータ１１から出力された電力値を測定する。この電力値が、第１出力しきい値Ｔｈ１０以上である場合、インターフェイス部１３は、第１インバータコンバータ１１と第２インバータコンバータ１６とを接続し、且つ、第１インバータコンバータ１１と、キャパシタ部１４とを接続する。これにより、第１インバータコンバータ１１からの電力は、フライホイール部１５でフライホイール１８の運動エネルギに変換される。即ち、フライホイール部１５で蓄電が行われる。また、第１インバータコンバータ１１からの電力は、キャパシタ部１４へ与えられ、キャパシタ部１４で蓄電される。

尚、基本動作（４）においては、インターフェイス部１３は、第１インバータコンバータ１１と、第２インバータコンバータ１６とを接続しなくてもよい。この場合、第１インバータコンバータ１１からの電力は、キャパシタ部１４に蓄積されるけれども、フライホイール部１５には蓄積されない。

基本動作（５）においては、インターフェイス部１３は、キャパシタ部１４の蓄電量と、フライホイール部１５の蓄電量（フライホイール部１５へ出力された電力量）と、を測定する。インターフェイス部１３は、キャパシタ部１４について満充電でありこれ以上蓄電され得ないと判定し、且つ、フライホイール部１５でこれ以上運動エネルギを蓄積できないと判定した場合、このインターフェイス部１３に入力される電力を、インバータ９を介してユーティリティ機器１０へ出力する。これにより、モータ１２から出力された回生電力は、ユーティリティ機器１０で消費される。このような処理により、モータ１２からの回生電力が無駄になることを抑制できる。

尚、基本動作（５）においては、インターフェイス部１３は、第１インバータコンバータ１１（モータ１２）からの電力をユーティリティ機器１０へ出力する代わりに、インターフェイス部１３で消費してもよい。

基本動作（６）においては、インターフェイス部１３は、第１インバータコンバータ１１（モータ１２）から回生電力が出力されているか否かを判定する。インターフェイス部１３は、第１インバータコンバータ１１から回生電力が出力されていると判定した場合、この電力を、電力回生システム８での蓄電に先立ち、ユーティリティ機器１０へ出力する。インターフェイス部１３がこのような制御を行うことで、モータ１２からの電力は、電力を直ちに必要とするユーティリティ機器１０へ供給される。これにより、電力回生システム８における蓄電時のエネルギロスを少なくできので、モータ１２からの回生電力が無駄になることを抑制できる。

基本動作（７）においては、インターフェイス部１３は、コンバータ７（エンジン５）から電力が出力されているか否かを判定する。インターフェイス部１３は、コンバータ７から電力が出力されていると判定した場合、インターフェイス部１３は、コンバータ７からの電力を、第１インバータコンバータ１１、キャパシタ部１４、フライホイール部１５、及びインバータ９の少なくとも一つに出力する。

基本動作（８）においては、インターフェイス部１３は、キャパシタ部１４と、フライホイール部１５の第２インバータコンバータ１６とを接続する。この場合、キャパシタ部１４とフライホイール１８との間で、電力の入出力が行われる。尚、この場合、インターフェイス部１３は、コンバータ７、インバータ９、及び第１インバータコンバータ１１の何れかと、電力の入出力を行なってもかまわない。

より具体的には、インターフェイス部１３は、ある場面において、フライホイール１８の回転によってモータジェネレータ１７で生じた電力を、キャパシタ部１４へ出力する。これにより、キャパシタ部１４が蓄電する。また、インターフェイス部１３は、別の場面において、キャパシタ部１４の電力を、第２インバータコンバータ１６へ出力する。これにより、モータジェネレータ１７が駆動され、フライホイール１８の運動エネルギが増加する。即ち、フライホイール部１５で蓄電される。このような接続態様とすることで、インターフェイス部１３は、大容量且つ小出力の特性を有するフライホイール部１５の電力と、小容量且つ大出力の特性を有するキャパシタ部１４の電力とを、電力需要に応じて、柔軟に出力できる。

［鉄道車両１の具体的な動作］
次に、鉄道車両１における具体的な動作の一例を説明する。本実施形態では、鉄道車両１における具体的な動作として、以下の（１１）〜（１６）の動作態様が設定されている。即ち、（１１）加速時の動作と、（１２）抑速ブレーキ時の動作と、（１３）減速時の動作（その１）と、（１４）減速時の動作（その２）と、（１５）停車時の動作と、（１６）慣性走行時の動作と、が設定されている。

［（１１）加速時の動作］
図３及び図４は、それぞれ、鉄道車両１の加速時の電力の流れを説明するための、鉄道車両１のブロック図及びグラフ図である。図４においては、横軸が時間であり、縦軸が出力である。図３及び図４を参照して、鉄道車両１の加速時の動作説明においては、予めキャパシタ部１４に蓄電され、且つ、フライホイール１８に運動エネルギが蓄積されている状態を前提に説明する。

鉄道車両１は、加速時において、モータ１２への電力源を、以下の（ｉ）〜（ｉｉｉ）の優先順位で使用する。即ち、鉄道車両１は、加速時において、（ｉ）フライホイール部１５からの電力、（ｉｉ）キャパシタ部１４からの電力、（ｉｉｉ）エンジン５（ジェネレータ６）からの電力の優先順位で、電力をモータ１２へ出力する。

より具体的には、鉄道車両１の加速時、インターフェイス部１３は、まず、第２インバータコンバータ１６と第１インバータコンバータ１１とを接続するとともに、第２インバータコンバータ１６と、インバータ９とを接続する。これにより、時間ｔ＝ｔ１１０〜ｔ１１１における動作状態が実現される。即ち、フライホイール１８の回転に伴うモータジェネレータ１７からの電力は、矢印１１１，１１２で示すように、第２インバータコンバータ１６、インターフェイス部１３、第１インバータコンバータ１１、モータ１２の順に流れる。これにより、フライホイール部１５からの電力がモータ１２へ出力される。また、モータジェネレータ１７からの電力は、矢印１１１，１１３に示すように、インバータ９を介してユーティリティ機器１０にも与えられる。これにより、ユーティリティ機器１０が動作する。

インターフェイス部１３は、フライホイール部１５からの電力が、このフライホイール部１５における最大出力に達すると（時間ｔ＝ｔ１１１）、さらに、キャパシタ部１４と第１インバータコンバータ１１とを接続するとともに、コンバータ７と第１インバータコンバータ１１とを接続する。これにより、時間ｔ＝ｔ１１１〜ｔ１１２における動作状態が実現される。即ち、キャパシタ部１４で蓄積された電力は、矢印１１４，１１２に示すように、インターフェイス部１３、及び第１インバータコンバータ１１を介して、モータ１２へ出力される。また、コンバータ７からの電力は、矢印１１５，１１２に示すように、インターフェイス部１３及び第１インバータコンバータ１１を介して、モータ１２へ出力される。その結果、モータ１２は、フライホイール部１５、キャパシタ部１４及びエンジン５からの出力を受けて大出力を発生する。時間ｔ＝ｔ１１１〜ｔ１１２において、キャパシタ部１４からの出力は、次第に大きくなった後、急峻に低下する。

インターフェイス部１３は、キャパシタ部１４からの出力がゼロになった（時間ｔ＝ｔ１１２）後も、フライホイール部１５からの電力を、モータ１２及びユーティリティ機器１０へ出力し続ける。そして、フライホイール１８の回転数の低下に伴い、フライホイール部１５からの電力がユーティリティ機器１０の必要電力未満になると（時間ｔ＝ｔ１１３）、インターフェイス部１３は、コンバータ７とインバータ９とを接続する。これにより、矢印１１５，１１３に示すように、コンバータ７（エンジン５）からの電力は、インターフェイス部１３、及びインバータ９を介して、ユーティリティ機器１０へ供給される。さらに時間が経過し、フライホイール部１５からの出力がゼロになった場合（時間ｔ＝ｔ１１４）、ジェネレータ６（エンジン５）の出力のみによって、ユーティリティ機器１０及びモータ１２が駆動される。

鉄道車両１の速度が比較的小さい場合、電力回生システム８において、フライホイール部１５からの電力が、キャパシタ部１４からの電力に優先して出力される。尚、鉄道車両１の加速度が比較的小さいことによりモータ１２の必要電力が小さい場合、電力回生システム８において、フライホイール部１５からの電力が、キャパシタ部１４からの電力に優先して出力されてもよい。この場合、鉄道車両１の加速時において、フライホイール部１５からの電力では足りない電力は、キャパシタ部１４からの電力で補われる。

尚、インターフェイス部１３は、鉄道車両１の走行状況に応じて、ジェネレータ６（エンジン５）、フライホイール部１５、キャパシタ部１４のそれぞれの電力の配分を調整する。一例として、鉄道車両１が駅の近くを通過する際には、インターフェイス部１３は、可能な限りエンジン５を停止した状態で鉄道車両１を走行できるように、電力回生システム８からの電力をモータ１２へ出力する。

尚、鉄道車両１の加速時において、インターフェイス部１３は、フライホイール部１５からの電力を出力せず、キャパシタ部１４からの電力をモータ１２及びユーティリティ機器１０に出力してもよい。

［（１２）抑速ブレーキ時の動作］
図５は、鉄道車両１の抑速ブレーキ時の電力の流れを説明するための、鉄道車両１のブロック図である。図５を参照して、本実施形態において、抑速ブレーキとは、鉄道車両１が下り坂等を走行している場合に、鉄道車両１の速度が意図せず増加することを抑制するためのブレーキをいう。

鉄道車両１の抑速ブレーキ時において、モータ１２は、電動機として動作し、モータ１２に回転抵抗（制動力）を与える。この際、インターフェイス部１３は、第１インバータコンバータ１１と第２インバータコンバータ１６とを接続するとともに、第１インバータコンバータ１１とインバータ９とを接続する。これにより、モータ１２からの電力は、矢印１２１，１２２に示すように、第１インバータコンバータ１１、インターフェイス部１３及び第２インバータコンバータ１６を介して、モータジェネレータ１７へ出力される。これにより、モータジェネレータ１７の回転子及びフライホイール１８が回転し、フライホイール１８に運動エネルギが蓄積される。また、モータ１２からの電力は、矢印１２１，１２３に示すように、第１インバータコンバータ１１、インターフェイス部１３、及びインバータ９を介してユーティリティ機器１０へ与えられる。これにより、モータ１２からの回生電力は、ユーティリティ機器１０で消費される。

従来の気動車は、抑速ブレーキ時、エンジンの排気ブレーキと鉄道車両用の機械式ブレーキとを用いて、速度増加を抑制していた。機械式のブレーキは、ブレーキパッドを車輪に押し付ける構成であるので、抑速ブレーキ時には、気動車の運動エネルギを熱エネルギとして放出していた。これに対し、鉄道車両１においては、抑速ブレーキ時に大きな慣性モーメントを発生できるフライホイール１８が用いられる。これにより、電力回生システム８は、上記熱エネルギとして放出されていたエネルギを、フライホイール１８を用いることで効率的に回収できる。また、鉄道車両１は、上記気動車と同様に、機械式のブレーキ装置（図示せず）を有している。しかしながら、電力回生システム８は、鉄道車両１の運動エネルギをフライホイール１８へ移動させることにより速度を抑制できるので、機械式ブレーキ装置のブレーキパッドの使用頻度を低くできる。よって、ブレーキパッドの交換周期を、より長くできる。

［（１３）減速時の動作（その１）］
図６及び図７は、それぞれ、鉄道車両１の減速時の電力の流れを説明するための、鉄道車両１のブロック図及びグラフ図である。図７においては、横軸が時間であり、縦軸が出力である。図６及び図７を参照して、本実施形態において、減速時（その１）とは、鉄道車両１が高速走行状態から減速している状態であって、モータ１２からの回生電力ＲＥがユーティリティ機器１０の消費電力ＣＥを上回っている（ＲＥ＞ＣＰ）状態をいう。

鉄道車両１は、減速時（その１）において、以下の（ｉ）〜（ｉｉｉ）の優先順位で制動動作を行う。即ち、鉄道車両１は、減速時（その１）において、（ｉ）モータ１２の回生電力をフライホイール部１５へ出力し、（ｉｉ）キャパシタ部１４に出力し、（ｉｉｉ）機械式のブレーキ装置を動作させる。

より具体的には、減速時（その１）において、インターフェイス部１３は、第１インバータコンバータ１１と、第２インバータコンバータ１６とを接続し、且つ、第１インバータコンバータ１１と、キャパシタ部１４とを接続し、且つ、第１インバータコンバータ１１と、インバータ９とを接続する。この状態で、モータ１２は、車輪４によって回転されることで発電機として動作する。これにより、時間ｔ１３０〜ｔ１３１における動作状態が実現される。即ち、モータ１２は、当該モータ１２の最大の回生電力を生じる。この回生電力は、矢印１３１，１３２に示すように、第１インバータコンバータ１１、インターフェイス部１３、及び第２インバータコンバータ１６を介してモータジェネレータ１７へ出力される。これにより、フライホイール１８が回転され、上記回生電力は、フライホイール１８の運動エネルギとして蓄積される。この際の、フライホイール部１５への出力は、フライホイール１８が蓄積可能な最大の運動エネルギと同値となる。また、モータ１２からの回生電力は、矢印１３１，１３３に示すように、第１インバータコンバータ１１及びインターフェイス部１３を介して、キャパシタ部１４へ出力される。これにより、モータ１２の回生電力は、キャパシタ部１４に蓄積される。また、機械式のブレーキ装置が動作することにより、車輪４に摩擦抵抗が生じる。上記の動作により、車輪４には、制動力ＢＰが生じ、車輪４の運動エネルギが低下する。

そして、時間ｔ＝ｔ１３１〜ｔ１３２の間においては、キャパシタ部１４の空き容量が徐々に小さくなっていき、その結果、キャパシタ部１４の単位時間あたりの充電量は、時間の経過とともに小さくなる。そして、時間ｔ＝ｔ１３２のときに、キャパシタ部１４への充電が完了する。時間ｔ＝ｔ１３１〜ｔ１３３の間において、モータ１２からの回生電力のフライホイール部１５への出力と、機械式のブレーキ装置による車輪４の摩擦制動とは、継続されている。

時間ｔ＝ｔ１３３〜ｔ１３４においては、インターフェイス部１３は、第１インバータコンバータ１１とキャパシタ部１４との接続を解除している。また、機械式のブレーキ装置による車輪４の制動は、解除される。これにより、モータ１２の回生電力は、矢印１３１，１３２，１３４に示すように、フライホイール部１５及びユーティリティ機器１０に供給され続ける。また、モータ１２の回生動作による車輪４の制動が、継続される。そして、時間ｔ＝ｔ１３４において、モータ１２からの回生電力ＲＥは、ユーティリティ機器１０に必要な電力（消費電力ＣＥ）未満となる。

鉄道車両１が低速走行状態から減速しているか、又は鉄道車両１の減速度が小さい場合、モータ１２の回生電力は、小さい。このような場合、電力回生システム８は、モータ１２からの回生電力を、フライホイール部１５で運動エネルギに変換してこのフライホイール部１５に蓄積する。

［（１４）減速時の動作（その２）］
図８は、鉄道車両１の減速時（その２）の電力の流れを説明するための、鉄道車両１のブロック図である。図７及び図８を参照して、本実施形態において、減速時の動作（その２）は、減速時の動作（その１）の続きの動作をいう。より具体的には、減速時（その２）とは、鉄道車両１が高速走行状態から減速している状態であって、モータ１２からの回生電力ＲＥがユーティリティ機器１０の消費電力ＣＥ未満（ＲＥ＜ＣＥ）である状態をいう。以下では、減速時（その１）の説明に続けて、減速時の動作（その２）を説明する。

鉄道車両１において、時間ｔ＝ｔ１３４〜ｔ１３５の間において、インターフェイス部１３は、第２インバータコンバータ１６とインバータ９とを接続する。また、インターフェイス部１３は、第１インバータコンバータ１１と、インバータ９との接続状態を維持する。

これにより、モータ１２の回生電力は、矢印１４１，１４２に示すように、第１インバータコンバータ１１、インターフェイス部１３、及びインバータ９を介してユーティリティ機器１０へ出力される。また、フライホイール部１５においては、フライホイール１８によってモータジェネレータ１７が駆動されることで生じた電力が、矢印１４３，１４２に示すように第２インバータコンバータ１６、インターフェイス部１３、及びインバータ９を介して、ユーティリティ機器１０へ出力される。これにより、ユーティリティ機器１０は、必要な電力を供給される。そして、モータ１２による回生動作に伴う車輪４の減速の結果、時間ｔ＝ｔ１３５において、鉄道車両１の減速動作が完了する。

このように、モータ１２の回生電力ＲＥがユーティリティ機器１０の消費電力ＣＥを下回った場合、ユーティリティ機器１０の動作に必要な残りの電力は、フライホイール部１５からユーティリティ機器１０へ出力される。

［（１５）停車時の動作］
図９は、鉄道車両１の停車時における電力の流れを説明するための、鉄道車両１のブロック図である。図９を参照して、鉄道車両１が駅等で停車している場合、この鉄道車両１は、可能な限りエンジン５を停止し、エンジン５からの排気ガスを少なくするように動作する。具体的には、鉄道車両１の停止時において、電力回生システム８のフライホイール１８における運動エネルギの蓄積量が、ユーティリティ機器１０の動作に必要な電力量以上である場合、エンジン５が停止される。この場合、インターフェイス部１３は、第２インバータコンバータ１６と、インバータ９とを接続する。これにより、フライホイール１８は、モータジェネレータ１７の回転子を回転し、これにより、モータジェネレータ１７が発電する。この発電による電力は、矢印１５１，１５２に示すように、第２インバータコンバータ１６、インターフェイス部１３、及びインバータ９を介して、ユーティリティ機器１０へ出力され、ユーティリティ機器１０が動作する。

一方、鉄道車両１の停止時において、フライホイール１８における運動エネルギの蓄積量が、ユーティリティ機器１０の動作に必要な電力量未満に低下した場合、インターフェイス部１３は、エンジン５を駆動させる。この際、インターフェイス部１３は、コンバータ７とインバータ９とを接続するとともに、コンバータ７と第２インバータコンバータ１６とを接続する。このような接続状態において、エンジン５の駆動に伴ってジェネレータ６で生じた電力は、矢印１５３，１５４に示すように、コンバータ７、インターフェイス部１３、及びインバータ９を介して、ユーティリティ機器１０へ出力される。また、ジェネレータ６で生じた電力は、矢印１５３，１５５に示すように、コンバータ７、インターフェイス部１３、及び第２インバータコンバータ１６を介してモータジェネレータ１７へ出力される。これにより、モータジェネレータ１７の回転子及びフライホイール１８が回転し、フライホイール１８に運動エネルギが蓄積される。

［（１６）慣性走行時の動作］
図１０は、鉄道車両１が慣性で走行している場合の電力の流れを説明するための、鉄道車両１のブロック図である。図１０を参照して、鉄道車両１が慣性で走行している場合、エンジン５は停止され、モータ１２は、駆動及び回生動作の何れも行わない。この場合において、電力回生システム８は、キャパシタ部１４とフライホイール部１５との間でエネルギの入出力を行うことができる。即ち、インターフェイス部１３は、キャパシタ部１４とモータジェネレータ１７とを、電力の入出力が可能なように接続する。

具体的には、例えば、インターフェイス部１３は、キャパシタ部１４の電力がフライホイール部１５へ出力されるように、キャパシタ部１４及び第２インバータコンバータ１６を接続する。これにより、キャパシタ部１４の電力は、矢印１６１，１６２に示すように、インターフェイス部１３及び第２インバータコンバータ１６を介してモータジェネレータ１７へ出力され、モータジェネレータ１７が駆動する。これにより、フライホイール１８に運動エネルギが蓄積される。また、インターフェイス部１３は、フライホイール部１５で発電された電力がキャパシタ部１４へ出力されるように、キャパシタ部１４及び第２インバータコンバータ１６を接続することもできる。この場合、フライホイール１８の回転によってモータジェネレータ１７生じた電力は、矢印１６３，１６４に示すように、第２インバータコンバータ１６、及びインターフェイス部１３を介してキャパシタ部１４に出力される。尚、このとき、ユーティリティ機器１０への電力供給は継続してもかまわない。

以上説明したように、鉄道車両１の電力回生システム８によると、大電力を入出力可能なキャパシタ部１４が設けられている。このため、電力回生システム８は、大電力の入出力を、キャパシタ部１４において行わせることができる。また、フライホイール１８は、回転により生じる慣性モーメントによって、大きな運動エネルギを蓄えることができる。このため、モータジェネレータ１７において、電力をフライホイール１８の運動エネルギに変換することで、フライホイール部１５における蓄電容量を大きくできる。また、大電力の入出力動作はキャパシタ部１４が担うため、フライホイール部１５は、大電力を入出力する必要がない。このため、フライホイール部１５のモータジェネレータ１７を小さくすることができる。さらに、リチウムイオン蓄電池を用いない構成であるので、リチウムイオン蓄電池を冷却するための冷却装置が不要であり、電力回生システム８を、より小さくできる。また、蓄電のための構成としてフライホイール１８が用いられている。フライホイール１８は、リチウムイオン蓄電池と異なり、廃棄される際に化学物質による地球環境の汚染のおそれが小さい。以上より、大電力の入出力が可能であり、蓄電容量が大きく、コンパクトであり、且つ、地球環境への負担をより少なくできる電力回生システム８及び鉄道車両１を提供できる。

また、鉄道車両１によると、例えば基本動作（１）において、インターフェイス部１３は、キャパシタ部１４に蓄積された電力は出力せず、フライホイール部１５のモータジェネレータ１７で生じた電力をモータ１２へ出力可能である。この構成によると、電力回生システム８は、例えば、所定の第１要求しきい値Ｔｈ１以上の大電力を出力する必要がない場合、キャパシタ部１４の電力を温存できる。そして、電力回生システム８は、フライホイール部１５に蓄積された運動エネルギを電力に変換して出力することができる。これにより、電力回生システム８は、機動的に、大電力の出力と、小電力の出力とを切り替えることが可能となり、電力を有効に活用することができる。

また、鉄道車両１によると、例えば基本動作（３）において、インターフェイス部１３は、第１インバータコンバータ１１（モータ１２）からの回生電力を、キャパシタ部１４へは出力せず、フライホイール部１５のモータジェネレータ１７へ出力する。この構成によると、電力回生システム８に小電力が入力された場合、フライホイール部１５における蓄電容量よりも小さい蓄電容量を有するキャパシタ部１４には、当該小電力は、蓄電されないようにできる。これにより、蓄電容量の少ないキャパシタ部１４を、大電力が入力されたときに備えて温存しておくことができる。よって、電力回生システム８に大電力が入力された場合に、キャパシタ部１４に当該大電力を蓄電することができる。したがって、電力回生システム８は、回生電力を、有効に回収することができる。

また、鉄道車両１によると、例えば基本動作（５）において、モータ１２から入力された電力をキャパシタ部１４及びフライホイール部１５の何れにおいても蓄積不能である場合に、インターフェイス部１３は、モータ１２から入力された電力を、ユーティリティ機器１０に出力する。この構成によると、電力回生システム８は、モータ１２からの回生電力をユーティリティ機器１０に回送することで、当該回生電力を、より有効に利用することができる。

また、鉄道車両１によると、例えば基本動作（６）において、インターフェイス部１３は、モータ１２から電力が入力された場合に、キャパシタ部１４への給電及びモータジェネレータ１７への給電に優先して、モータ１２からの回生電力をユーティリティ機器１０へ出力可能である。この構成によると、電力回生システム８での電力保持に要するエネルギが消費されることなく、モータ１２からの回生電力がユーティリティ機器１０に出力される。これにより、回生電力のさらなる有効活用が実現される。

また、鉄道車両１によると、例えば、鉄道車両１の（１６）慣性走行時において、インターフェイス部１３は、キャパシタ部１４とモータジェネレータ１７とを、キャパシタ部１４とモータジェネレータ１７との間で電力の入出力をするために接続する。この構成によると、蓄電容量は少ないけれども大電力を入出力可能なキャパシタ部１４と、大電力の入出力はできないけれども蓄電容量が大きいフライホイール部１５との間での、エネルギの入出力が可能である。その結果、電力回生システム８は、必要とされる電力の態様に応じて、キャパシタ部１４からユーティリティ機器１０，モータ１２への給電と、フライホイール部１５からユーティリティ機器１０，モータ１２への給電とを使い分けることができる。したがって、電力回生システム８は、電力の需要に柔軟に対応できる。

また、鉄道車両１によると、インターフェイス部１３は、ジェネレータ６からの電力及びモータ１２からの電力を、キャパシタ部１４又はモータジェネレータ１７へ出力可能である。この構成によると、複数の電力供給部としてのジェネレータ６及びモータ１２からの電力を、電力回生システム８で蓄積できるので、ジェネレータ６及びモータ１２からの電力が、より有効に活用される。

［第２実施形態］
図１１は、本発明の第２実施形態に係る電力回生システム８を備える鉄道車両１Ａの模式的な側面図である。図１２は、鉄道車両１Ａの構成を示すブロック図である。尚、以下では、主に第１実施形態と異なる点について説明し、第１実施形態と同様の構成については、図に同一の符号を付して説明を省略する。図１１及び図１２を参照して、本実施形態において、鉄道車両１Ａは、電車であり、架線３０に供給される電力を用いたモータ１２の駆動によって、走行する。

鉄道車両１Ａは、車体２と、台車３と、車輪４と、第３インバータコンバータ１９と、電力回生システム８と、第１インバータコンバータ１１と、モータ１２と、を有している。

車体２の上部には、パンタグラフ２０が設けられている。パンタグラフ２０は、架線３０からの電力を、第３インバータコンバータ１９へ出力する。第３インバータコンバータ１９は、電力変換器であり、直流電力は交流電力に変換し、交流電力は直流電力に変換する。第３インバータコンバータ１９は、架線３０からの交流電力を、直流電力に変換し、この直流電力をインターフェイス部１３へ出力する。また、第３インバータコンバータ１９は、インターフェイス部１３から出力される直流電力を交流電力に変換し、この交流電力を架線３０へ出力する。これにより、鉄道車両１Ａは、鉄道車両１Ａの近隣に存在する他の鉄道車両（図示せず）に、架線３０を介して電力を供給できる。

インターフェイス部１３は、第３インバータコンバータ１９に接続されているとともに、第１インバータコンバータ１１に接続されている。インターフェイス部１３は、第３インバータコンバータ１９からの電力を、第１インバータコンバータ１１、第２インバータコンバータ１６、及びキャパシタ部１４に適宜配分する。また、インターフェイス部１３は、第１インバータコンバータ１１からの電力を、第２インバータコンバータ１６、キャパシタ部１４、及び第３インバータコンバータ１９に適宜配分する。また、インターフェイス部１３は、第２インバータコンバータ１６からの電力を、キャパシタ部１４、第１インバータコンバータ１１、及び第３インバータコンバータ１９に適宜配分する。また、インターフェイス部１３は、キャパシタ部１４からの電力を、第１〜第３インバータコンバータ１１，１６，１９に適宜配分する。

［鉄道車両１Ａの具体的な動作］
次に、鉄道車両１Ａにおける具体的な動作の一例を説明する。本実施形態では、鉄道車両１Ａにおける具体的な動作として、以下の（２１），（２２）の動作態様が設定されている。即ち、（２１）加速時の動作と、（２２）減速時の動作と、が設定されている。

［（２１）加速時の動作］
図１３及び図１４は、それぞれ、本発明の第２実施形態に係る鉄道車両１Ａの加速時の電力の流れを説明するための、鉄道車両１Ａのブロック図及びグラフ図である。図１３及び図１４を参照して、鉄道車両１Ａの加速時の動作説明においては、予めキャパシタ部１４に蓄電され、且つ、フライホイール１８に運動エネルギが蓄積されている状態を前提に説明する。

鉄道車両１Ａは、加速時において、モータ１２への電力源を、以下の（ｉ），（ｉｉ）の優先順位で使用する。即ち、鉄道車両１Ａは、加速時において、（ｉ）フライホイール部１５からの電力、（ｉｉ）キャパシタ部１４からの電力の優先順位で、電力を使用する。尚、架線３０からの電力が使用される段階は、以下に説明する段階に限らず、どの段階であってもよい。

より具体的には、鉄道車両１Ａの加速時、インターフェイス部１３は、まず、第１インバータコンバータ１１と第２インバータコンバータ１６とを接続するとともに、第１インバータコンバータ１１と第３インバータコンバータ１９とを接続する。これにより、時間ｔ＝ｔ２１０〜ｔ２１１における動作状態が実現される。即ち、フライホイール１８の回転に伴うモータジェネレータ１７からの電力は、矢印２１１，２１２で示すように、第２インバータコンバータ１６、インターフェイス部１３、第１インバータコンバータ１１、モータ１２の順に流れる。また、第３インバータコンバータ１９（架線３０）からの電力は、矢印２１３，２１２に示すように、インターフェイス部１３、第１インバータコンバータ１１、モータ１２の順に流れる。これにより、モータ１２が駆動し、車輪４に回転力が与えられる。

フライホイール部１５からの電力が、このフライホイール部１５における最大出力に達すると（時間ｔ＝ｔ２１１）、インターフェイス部１３は、さらに、キャパシタ部１４と第１インバータコンバータ１１とを接続する。これにより、時間ｔ＝ｔ２１１〜ｔ２１２における動作状態が実現される。即ち、キャパシタ部１４で蓄積された電力は、矢印２１４，２１２に示すように、インターフェイス部１３、及び第１インバータコンバータ１１を介して、モータ１２へ出力される。その結果、モータ１２は、フライホイール部１５、キャパシタ部１４及び架線３０からの出力を受けて大出力を発生する。時間ｔ＝ｔ２１１〜ｔ２１２において、キャパシタ部１４からの出力は、次第に大きくなった後、急峻に低下する。

インターフェイス部１３は、キャパシタ部１４からの出力がゼロになった（時間ｔ＝ｔ２１２）後も、フライホイール部１５からの電力を、モータ１２へ出力し続ける。そして、フライホイール１８の回転数の低下に伴い、フライホイール部１５からの電力がゼロになった（時間ｔ＝ｔ２１３）後も、モータ１２は、第３インバータコンバータ１９（架線３０）からの電力によって駆動する。

このように、鉄道車両１の速度が比較的小さい場合、電力回生システム８において、フライホイール部１５からの電力が、キャパシタ部１４からの電力に優先して出力される。尚、鉄道車両１の加速度が比較的小さいことにより必要電力が小さい場合においても、フライホイール部１５からの電力が、キャパシタ部１４からの電力に優先して出力されてもよい。そして、鉄道車両１の加速時において、フライホイール部１５からの電力では足りない電力は、キャパシタ部１４からの電力で補われる。また、フライホイール部１５からの出力が低下した場合、又はキャパシタ部１４からの出力が低下した場合、架線３０からの電力が使用される。

このように、インターフェイス部１３は、鉄道車両１Ａの走行状況に応じて、架線３０、フライホイール部１５、キャパシタ部１４のそれぞれの電力の配分を調整する。

尚、鉄道車両１Ａの加速時において、インターフェイス部１３は、フライホイール部１５からの電力を出力せず、キャパシタ部１４からの電力を第１インバータコンバータ１１に出力してもよい。

［（２２）減速時の動作］
図１５及び図１６は、それぞれ、鉄道車両１Ａの減速時の電力の流れを説明するための、鉄道車両１Ａのブロック図及びグラフ図である。図１５及び図１６を参照して、鉄道車両１Ａは、減速時において、以下の（ｉ）〜（ｉｉｉ）の優先順位で制動動作を行う。即ち、鉄道車両１は、減速時において、（ｉ）モータ１２の回生電力をフライホイール部１５へ出力し、（ｉｉ）キャパシタ部１４に充電し、（ｉｉｉ）機械式のブレーキ装置で鉄道車両１を制動する。

より具体的には、減速時において、インターフェイス部１３は、第１インバータコンバータ１１と、第２インバータコンバータ１６とを接続し、且つ、第１インバータコンバータ１１と、キャパシタ部１４とを接続する。この状態で、モータ１２は、発電機として動作する。これにより、時間ｔ２２０〜ｔ２２１における動作状態が実現される。即ち、モータ１２は、当該モータ１２の定格発電力を生じる。この回生電力は、矢印２２１，２２２２に示すように、第１インバータコンバータ１１、インターフェイス部１３、第２インバータコンバータ１６を介してモータジェネレータ１７へ出力される。これにより、フライホイール１８が回転され、上記回生電力は、運動エネルギとして蓄積される。この際の、フライホイール１８への出力は、フライホイール１８が蓄積可能な最大の運動エネルギと同値となる。また、モータ１２からの回生電力は、矢印２２１，２２３に示すように、第１インバータコンバータ１１、及びインターフェイス部１３を介して、キャパシタ部１４へ出力される。これにより、キャパシタ部１４に蓄電される。また、機械式のブレーキ装置が動作することにより、車輪４に摩擦抵抗が生じる。上記の動作により、車輪４には、制動力ＢＰが生じる。

そして、時間ｔ＝ｔ２２１〜ｔ２２２の間においては、キャパシタ部１４の空き容量が徐々に小さくなっていき、その結果、キャパシタ部１４の単位時間あたりの充電量は、時間の経過とともに小さくなる。そして、時間ｔ＝ｔ２２２のときに、キャパシタ部１４への充電が完了する。時間ｔ＝ｔ２２０〜ｔ２２３の間において、回生電力のフライホイール部１５への出力と、機械式のブレーキ装置による車輪４の摩擦制動とは、継続されている。

時間ｔ＝ｔ２２３〜ｔ２２４においては、インターフェイス部１３は、第１インバータコンバータ１１とキャパシタ部１４との接続を解除している。また、機械式のブレーキ装置による車輪４の制動は、解除されている。この場合も、モータ１２の回生電力ＲＥは、フライホイール部１５に供給され続け、モータ１２の回生動作による車輪４の制動が、継続される。そして、時間ｔ＝ｔ２２４において、モータ１２からの回生電力ＲＥがゼロになり、鉄道車両１Ａの減速が完了する。

鉄道車両１Ａが低速走行状態から減速しているか、又は鉄道車両１Ａの減速度が小さい場合、モータ１２の回生電力は、小さい。このような場合、電力回生システム８は、モータ１２からの回生電力を、キャパシタ部１４には充電せず、フライホイール部１５で運動エネルギに変換してフライホイール１８に蓄積する。そして、鉄道車両１Ａが高い減速度で減速されることにより、フライホイール部１５だけでは十分な蓄電ができないような大電力がモータ１２に生じている場合、インターフェイス部１３は、モータ１２からの回生電力を、フライホイール部１５に加え、キャパシタ部１４にも出力する。これにより、フライホイール部１５とキャパシタ部１４の両方で、モータ１２からの回生電力を蓄積する。

尚、モータ１２からの回生電力を、インターフェイス部１３及び第３インバータコンバータ１９を介して架線３０へ出力できる場合、インターフェイス部１３は、この回生電力を、キャパシタ部１４への供給及びフライホイール部１５への供給に優先して、架線３０（第３インバータコンバータ１９）へ出力してもよい。

以上の次第で、本発明の第２実施形態においても、大電力の入出力が可能であり、蓄電容量が大きく、コンパクトであり、且つ、地球環境への負担をより少なくできる電力回生システム８及び鉄道車両１Ａを提供できる。

以上、本発明の実施形態について説明したけれども、本発明は、上述した実施形態に限られず、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々に変更して実施することができる。例えば、各上記実施形態では、回生電力システムにリチウムイオン蓄電池が設けられていない構成を説明した。しかしながら、この通りでなくてもよい。回生電力システムは、リチウムイオン蓄電池等の化学電池を有していてもよい。この場合でも、フライホイール部で大容量の電力を蓄積可能であるので、化学電池の使用量を、より少なくできる。

本発明は、電力回生システム、及び車両として、広く適用できる。

８ 電力回生システム
１３ インターフェイス部
１４ キャパシタ部
１５ フライホイール部
１７ モータジェネレータ
１８ フライホイール

Claims (8)

1. 電力回生システムであって、
   キャパシタを含むキャパシタ部と、
   フライホイール、及び、このフライホイールと運動エネルギの入出力を可能なモータジェネレータを含むフライホイール部と、
   前記キャパシタ部、前記モータジェネレータ、及び前記電力回生システムの外部のそれぞれと電力の入出力を可能に構成されたインターフェイス部と、を備え、
   前記インターフェイス部は、前記キャパシタ部に蓄積された電力を出力可能であるか、又は前記キャパシタ部に蓄積された電力と前記モータジェネレータで発電された電力の両方を同時に出力可能であることを特徴とする、電力回生システム。
2. 請求項１に記載の電力回生システムであって、
   前記インターフェイス部は、前記キャパシタ部に蓄積された電力は出力せず、前記フライホイール部の前記モータジェネレータで生じた電力を前記外部へ出力可能であることを特徴とする、電力回生システム。
3. 請求項１又は請求項２に記載の電力回生システムであって、
   前記インターフェイス部は、前記外部から入力された電力を、前記キャパシタ部へは出力せず、前記フライホイール部の前記モータジェネレータへ出力可能であることを特徴とする、電力回生システム。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の電力回生システムであって、
   前記インターフェイス部は、所定の電力負荷としての電力需要先に接続可能に構成されており、且つ、前記外部から入力された電力を前記キャパシタ部及び前記フライホイール部の何れにおいても蓄積不能である場合に、前記外部から入力された電力を、前記電力需要先に出力するように構成されていることを特徴とする、電力回生システム。
5. 請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の電力回生システムであって、
   前記インターフェイス部は、所定の電力負荷としての電力需要先に接続可能に構成されており、且つ、前記外部から電力が入力された場合に、前記キャパシタ部への給電及び前記フライホイール部の前記モータジェネレータへの給電に優先して、前記外部からの電力を前記電力需要先へ出力可能であることを特徴とする、電力回生システム。
6. 請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の電力回生システムであって、
   前記インターフェイス部は、前記キャパシタ部と前記フライホイール部の前記モータジェネレータとを、前記キャパシタ部と前記フライホイール部との間で電力の入出力をするために接続可能であることを特徴とする、電力回生システム。
7. 請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の電力回生システムであって、
   前記インターフェイス部は、複数の電力供給部に接続されており、且つ、複数の前記電力供給部からの電力を、前記キャパシタ又は前記モータジェネレータへ出力可能であることを特徴とする、電力回生システム。
8. 車輪と、
   前記車輪に連結されたモータと、
   請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の電力回生システムと、を備え、
   前記モータは、前記電力回生システムの前記外部として設けられており、前記インターフェイス部との間で電力の入出力を可能であることを特徴とする、車両。

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