烏山線蓄電池駆動電車“ACCUM”(1:車両の概要)

宝積寺駅でキハ40系と並んだEV-E301系“ACCUM”

今年3月15日のダイヤ改正より、栃木県を走る烏山線で日本初のバッテリー駆動の営業用電車“ACCUM”が運転を開始しました。3月末にこの車両と終点烏山駅に設けられた充電設備について調査をしました。その後、資料も出揃いましたので今回は2回に分けてそれらをまとめたいと思います。

■烏山線の概要
ACCUM”導入に合わせて改築された烏山駅の駅舎。 烏山線の各駅には七福神がキャラクターとして設定されている。
左(1):“ACCUM”導入に合わせて改築された烏山駅の駅舎。
右(2):烏山線の各駅には七福神がキャラクターとして設定されている。


 烏山(からすやま)線は東北本線(宇都宮線)の宝積寺駅から分岐し、栃木県と茨城県の県境付近にある那須烏山市の烏山駅に至る全長約20.4kmのJR東日本線(地方交通線)です。宝積寺~烏山間の全線が単線・非電化となっており、路線中央にある大金駅のみ行き違いが可能となっています。朝夕は1時間に1本、昼は2時間に1本程度の運転本数となっており、全体の2/3程度の列車は宇都宮線宇都宮駅まで直通運転を行っています。
 烏山線は駅数が7駅(宝積寺駅を除く)、保有車両数が8両であることから、各駅・各車両に七福神の神様をキャラクターとして設定しています。また、今回取り上げるEV-E301系“ACCUM”の導入に合わせて仁井田・大金・烏山の各駅舎が改築され、イメージアップが図られました。

烏山線のキハ40系気動車。 烏山線のキハ40系気動車。
烏山線のキハ40系気動車。

 烏山線では現在も国鉄から継承したキハ40系が使用されています。首都圏のJR線はほとんどが電化されており、元々気動車の数が少ないことや、他の非電化の路線では新型車両への置き換えが進んでおり、車両性能、サービス等の観点から早期の置き換えが望まれる状態となっています。

■蓄電池駆動電車の開発

 JR東日本では、非電化区間でのさらなる省エネルギー化・騒音・排ガス低減などを目指し、2003(平成15)年に鉄道総合技術研究所(JR総研)と共同で電気モーターとディーゼルエンジンのハイブリッド駆動気動車「NEトレイン」(キハE991形)を製作し、試験を行いました。その成果は2007(平成19)年に小海線に導入されたキハE200形として結実し、以後東北地方のリゾート車両HB-E300形など導入が拡大しています。
 一方、ハイブリッド気動車の研究が進められている間に、水素を利用した新技術である燃料電池やリチウムイオン二次電池など繰り返し充放電可能なバッテリーの性能も飛躍的に向上し、自動車や鉄道車両の単独の動力源として十分実用化が期待できる水準に達しつつありました。そこで、「NEトレイン」の車体や機器の一部を流用して新たな試験車両「スマート電池くん」(クモヤE995形)を製作し、第1段階として2006(平成18)年に燃料電池ハイブリッド駆動(水素燃料電池+リチウムイオン電池)の試験を、第2段階として2008(平成20)年からはリチウムイオン電池のみを動力源とした蓄電池駆動の試験を行ってきました。2012(平成24)年以降は、より実用化に近付けるため、宇都宮周辺の東北本線・日光線・烏山線などで試験を行い、電化/非電化区間に跨る長距離走行や勾配区間での技術検証を重ねました。そして、実用化の目途が立ったことから、烏山線のキハ40系の老朽取り換えも兼ねて蓄電池駆動電車の量産先行車1編成が製作され、今年3月15日のダイヤ改正より営業運転を開始しました。

■EV-E301系“ACCUM”
烏山駅に停車中のEV-E301系“ACCUM”
烏山駅に停車中のEV-E301系“ACCUM”
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 烏山線に導入された蓄電池駆動電車は形式名が「EV-E301系」、愛称は「ACCUM(アキュム)」となっています。「EV」はElectric storage Vehicle(エネルギー貯蔵車両=蓄電池車両)、「ACCUM」はAccumulator(蓄電池)の一部をそれぞれ意味しています。蓄電池駆動の電車は過去に鉱山のトロッコや路面電車といった小規模鉄道や試験用途などで作られた例はありましたが、大型の普通鉄道で営業車として常用することを前提にした採用は今回が国内で初めての事例となります。


※この先画像が23枚(769KB)あります。画像はスクロールに従って自動で読み込まれます。(JavaScriptが有効の場合のみ)データ容量にご注意ください。


車体側面の“ACCUM”ロゴ 車体側面の“ACCUM”ロゴ
車体側面の“ACCUM”ロゴ

 車体は最近主流の軽量ステンレス車体で、フロント部分はは非貫通、ドア数は片側3箇所となっています。E233系など最近のJR東日本の新型車両はフロント部分全体が丸みを帯びている傾向がありましたが、このEV-E301系では最先端の技術を駆使していることを強調するため、敢えて鋭い角型のフロントマスクとなっています。前面下と側面の窓の高さには、緑豊かな烏山線の沿線風景をイメージした緑色のストライプが全体に配されており、車両の愛称である「ACCUM」のロゴが随所に描かれています。
 このEV-301系の車体製造には、総合車両製作所(旧東急車輛)の新技術である「SUSTINA(サスティナ)」が採用されています。「SUSTINA」は2013年4月に製造された東急電鉄の5050系5576号車(写真)で初めて実用化された新しい製造方法で、レーザー溶接による外板の連続接合や、内装のモジュール化により、従来と比較してより軽量、美しい仕上がり、製造工程の短縮などを実現しています。EV-E301系では、車体外板の接合にステンレス板どうしを重ねてスポット溶接する従来工法を採用しており、外見はJR東日本の通勤電車の標準的な形状となっています。また、エネルギーが有限である蓄電池を動力源とすることから、強度を維持できる範囲内で一部の部材にアルミ合金の採用や穴開けなどの軽量化対策が施されています。

車体側面の行先表示器。3色LEDで行先と路線名を交互に表示する。 車体側面の行先表示器。3色LEDで行先と路線名を交互に表示する。
車体側面の行先表示器。3色LEDで行先と路線名を交互に表示する。

 車体外側の行先表示器はフロントガラス上部、両側面にそれぞれ1箇所ずつ設置されています。烏山線は運行系統がそれほど複雑ではないことから、いずれもE231系などと同様の3色LED(赤・緑・橙)となっており、路線名と行先を交互に表示します。

リチウムイオン二次電池。1両あたり5台搭載されている。 電力変換装置。VVVFインバータとDC/DCコンバータが一体になっている。
TR255D付随台車。E233系とほぼ同一形状で、先頭軸は増粘着剤噴射装置付き。 サービス電源を供給する静止型インバータ。
床下は2両とも機器が満載されている。
左上(1):リチウムイオン二次電池。1両あたり5台搭載されている。
右上(2):電力変換装置。VVVFインバータとDC/DCコンバータが一体になっている。
左下(3):TR255D付随台車。E233系とほぼ同一形状で、先頭軸は増粘着剤噴射装置付き。
右下(4):サービス電源を供給する静止型インバータ。


 直流専用電車の場合、通常は1両で走行に必要な機器を全て搭載することが可能となっており、現にローカル線向けに1両完結型の車両も存在します。しかし、このEV-E301系では大容量の蓄電池により床下の半分以上が占有されてしまうことから、1両に全ての機器を搭載しきれず、必然的に2両固定編成となっています。搭載品は大きく分けて烏山方の車両(EV-E301形)がパンタグラフやVVVFインバータなどの主回路機器、宇都宮方の車両(EVーE300形)がコンプレッサなどの補機類となっています。以下、主な機器について説明します。

<蓄電池(左上)>
車両の電源となる蓄電池は産業用のリチウムイオン二次電池※1で、1両あたり5台(2両で合計10台)搭載されています。蓄電池容量は万一非電化区間内にある烏山駅で充電できなかったり、事故などにより途中駅で長時間足止めされてしまう事態や、経年劣化による容量減少を想定し、2両合わせて190kWの容量を持たせています。なお、リチウムイオン電池は過充電・過放電などに弱く、取り扱いを誤ると最悪の場合爆発・発火する恐れがあります。そのため、バッテリーモジュールは客室と隔離された強固なケースに収められており、各セルごとに電流値や温度を精密に監視するシステムが二重に搭載されています。

<電力変換装置(右上)>
EV-E301系は蓄電池を電源としているため、各機器の動作電圧が通常の電車よりも低い直流630Vとなっています。電化区間の走行や駅での充電の際には架線から取り入れた直流1500Vを630Vに降圧(回生ブレーキ動作時は逆に昇圧も可能)する必要があるため、コンバータが搭載されています。走行用のVVVFインバータはIGBT素子を用いた2レベル方式で、コンバータと一体のケースに収められており、両者を総称して「電力変換装置」と呼んでいます。

<台車(左下)>
台車はE233系と同一形状となっており、動力台車がDT79形、付随台車がTR255D形となっています。動力台車は各車両連結面側のみとなっており、実質1M1T相当の動力車比率になっています。モーターの出力は95kWで、起動加速度は2.0km/h/s(0.56m/s2)、常用最大減速度は3.6km/h/s(1.00m/s2)、設計最高速度は100km/h(現行の最高運転速度は65km/h)です。最高速度が低いため、ヨーダンパの取り付け準備はされていません。付随台車の先頭軸には冬季の空転対策として増粘着材噴射装置(セラジェット)※2が装備されています。

<静止型インバータ(右下)>
静止型インバータ(SIV)は直流630Vを交流440Vに変換して空調や照明などのサービス用電源を供給する装置です。

▼脚注
※1:リチウムイオン二次電池はGSユアサ製のLIM30H-8A(公称電圧28.8V/電流30Ah)で、これを22個直列接続したものが1ケースに格納されており、計10台を並列接続することにより190kWhの出力を得ている。
※2:レール面にアルミナ(酸化アルミニウム)粉を噴射する滑り止めの一種。


EV-E301系の車内。照明はLEDを使用した間接照明となっている。
EV-E301系の車内。照明はLEDを使用した間接照明となっている。
※クリックで拡大(1000×750px/118KB)

 車内は701系に似たレイアウトとなっており、オールロングシートとなっています。デザインコンセプトは「先進性の表現」「次世代サービス」「烏山線のポテンシャル」の3つで、座席は車体側面と同じ烏山線の沿線風景をイメージした緑色のモケット、床は国の重要無形民俗文化財に指定されている那須烏山市のお祭り「山あげ祭」をイメージした黒の背景にゴールドの花吹雪を描いた模様となっています。
 天井はE233系などで実績のあるプラスチック成型の平天井に新開発のLED間接照明を組み合わせており、車内においても新技術を駆使していることを表現しています。空調は能力33,000kcal(38.4kW)の集中式冷房と座席下の電熱線ヒーターとなっており、補助送風機(横流ファン)は設置されていません。

運転席背面の上部に設けられている液晶モニター 車端部の壁に掲出されている車番・製造メーカー表記
左(1):運転席背面の上部に設けられている液晶モニター
右(2):車端部の壁に掲出されている車番・製造メーカー表記


 烏山線内ではワンマン運転を行うことから、運転席と客室の仕切り扉は駅停車中の運賃収受を行うため容易に開閉できる構造となっています。仕切り扉の上には運賃表を表示可能な大型の液晶ディスプレイが2画面設置されています。この他、自動放送やドア開閉時のチャイムなど最近では標準となったバリアフリー設備も完備しています。

運転席。JR東日本で主流の左手操作ワンハンドルマスコン。 コンソール右側にある「非常パンタ下げ」スイッチ
左(1):運転席。JR東日本で主流の左手操作ワンハンドルマスコン。
右(2):コンソール右側にある「非常パンタ下げ」スイッチ


 運転台はJR東日本で標準的な左手操作ワンハンドルマスコンを採用しており、計器パネルには車両の各機器の状態の監視や蓄電池の充放電の管理ができるモニター(MON22形)が設置されています。終着駅では必ずパンタグラフを上げて蓄電池を充電する必要があるため、運転席周囲には複数個所にパンタグラフの上昇・降下スイッチが設置されています。特に緊急時は機器保護のためパンタグラフを速やかに降下する必要があることから、降下スイッチは数が多く、コンソール右側にも「非常パンタ下げ」と書かれた引きスイッチが目立つよう1段高い位置に設置されています。
 なお、パンタグラフは架線が無い場所で上昇させると破損する恐れがあるほか、地上の架線の供給能力に応じて受電電流を変える必要があります。そのため、ATS-Pを応用した架線の有無・種別の検出システムが設置されており、誤操作によるパンタグラフの破損や架線の溶断を防止しています。(詳細は次の記事でも解説予定)

烏山駅停車中の充電 バッテリーで力行中
惰性走行中 バッテリーに回生中
連結面側の壁に設置されているエネルギーフロー画面。
左上(1):烏山駅停車中の充電 右上(2):バッテリーで力行中
左下(3):惰性走行中 右下(4):バッテリーに回生中 


 連結面側の壁には車両内の電力の流れを解説する液晶ディスプレイが設置されています。走行中はノッチの切替等に対応して表示内容が随時変化します。

車端部に設けられている機器室
車端部に設けられている機器室


 電力の流れを表示するディスプレイの脇には機器室が設置されています。内部には車両内の各機器への電力の分配を制御するスイッチやリレーなどが設置されているようで、走行中はカチカチとスイッチが切り替わる音が頻繁に聞こえてきます。

■走行モード別の電力の流れ

 EV-E301系は電化区間で架線から集電する場合と蓄電池から放電して走行する場合で車両内の電力の流れが大きく変わります。また、蓄電池から供給を受ける機器は直流630Vで動作するため、車両内には「直流1500V(架線電圧)」「直流630V(蓄電池電圧)」「交流440V(静止型インバータ電圧)」の3種類の電源が混在しています。図を使いながらその電力の流れを説明すると以下のようになります。

走行モードと電力の流れ
※スマートフォンをご利用の場合は、画面を横向きにしてご覧ください。横幅が広い表のため、縦向きでは画面からあふれてしまいます。

図 ※クリックで拡大説明
架線から集電して走行(力行)架線から集電して走行(力行)
電化区間:宇都宮~宝積寺

架線から集電したの直流1500VをDC/DCコンバータで直流630Vに降圧。降圧した電力はVVVFインバータ・バッテリー(リチウムイオン電池)・静止型インバータにそれぞれ分配され、走行用モーターを回す動力・バッテリーの充電・空調・照明などのサービス電源として利用する。
架線から集電して走行(減速)架線から集電して走行(減速)
電化区間:宇都宮~宝積寺

モーターを発電機として利用し、回生ブレーキを行う。発生した電力はバッテリーの充電・サービス電源に利用する。バッテリーが満充電で電力が余った場合は、DC/DCコンバータで1500Vに昇圧して架線に送出し、近隣を走行する列車の走行電力へ回す。(通常の電車の回生ブレーキと同じ原理)
バッテリー電力で走行(力行)バッテリー電力で走行(力行)
非電化区間:宝積寺~烏山


バッテリーから放電した電力を走行用動力とサービス電源に利用する。
バッテリー電力で走行(減速)バッテリー電力で走行(減速)
非電化区間:宝積寺~烏山


モーターを発電機として利用し、回生ブレーキを行う。発生した電力はバッテリーの充電・サービス電源に利用する。
停車中にバッテリーに充電停車中にバッテリーに充電
車両基地・宇都宮駅・岡本駅・宝積寺駅・烏山駅


架線から集電した直流1500VをDC/DCコンバータで直流630Vに降圧し、バッテリーの充電とサービス電源に使用する。烏山駅は大電流での集電(詳細は次の記事)に対応していることから、急速充電を行う。



 続く2回目の記事では終点の烏山駅に設置された充電設備について見てまいります。

▼参考
●JR東日本プレスリリース(いずれもPDF)
営業車として世界初のハイブリッド鉄道車両の導入(2005年11月8日)
世界初の燃料電池ハイブリッド鉄道車両の開発(2006年4月11日)
「スマート電池くん」の実用性を確認する試験を実施します(2012年2月7日)
「スマート電池くん」を実用化し、烏山線に導入します(2012年11月6日)

●JR East Technical Review(技術論文・いずれもPDF)
NEトレインの開発(No.7-Spring2004)
ハイブリッド車両と蓄電池駆動電車システムの開発(No.40-Summer2012)
蓄電池駆動電車システムの車両システムの評価(同上)

●その他
産業用リチウムイオン電池モジュール「LIM30H-8A」を活用したシステム~東日本旅客鉄道株式会社殿開発の新型車両「EV-E301系」に搭載~ -ジーエス・ユアサコーポレーション ニュースリリース(PDF/514KB)
蓄電池駆動電車EV-E301系の概要 - R&M 2014年5月号 4~7ページ
EV-E301系蓄電池駆動電車「ACCUM(アキュム)」の開発 - 鉄道車両と技術 2014年5月号 15~21ページ このエントリーをはてなブックマークに追加
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初めまして。いつも楽しく拝見しております。
さて、文中に「このEV-301系の車体製造には、総合車両製作所(旧東急車輛)の新技術である「SUSTINA(サスティナ)」が採用されています。」とありますが、SUSTINAとは車体のことだけを指す名称ではないようです。
詳しくはこちらをご覧ください。
http://www.etrain.jp/hibi/hibi.cgi?no=990
2014/10/27 19:37 | URL | 投稿者:通特 元町・中華街
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