디젤동차 [일반형/하이브리드] 키하 E200계 - JR동일본

[787-ARIAKE]

동일본여객철도 일반형 디젤-축전지 하이브리드식 동차 키하E200계의 제원

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운용주체 : JR동일본

운용노선 : JR코우미선
데뷔 : 2007년 7월

수상경력 : 2008년(48회) 로렐상 수상
차체 : 경량 스테인리스
주엔진 : 코마츠중공업 DMF15HZB-G 수평직렬 6기통 커먼레일 터보인터쿨러 디젤엔진 1기(450HP/2100rpm)

발전기 : DM113형 3상교류 발전기(270kW)
전동기 : 95kW급 3상교류 유도전동기 MT78K 2기(반동력차 구조)
추진제어방식 : VVVF-IGBT 2레벨 1C2M제어 주변환장치 C120형(미츠비시)

주회로 축전지 : IC122형 리튬이온전지 2기(15.2kWh)
대차형식 : 액슬빔(링크암)식 에어스프링-볼스터리스 대차 DT-75/TR-260
제동방식 : 회생제동 및 주엔진배기제동 병용 전기지령식 공기제동, 완전전기제동, 구배억속제동
최고속도 : 100km/h

신호장치 : ATS-PS / 

차량제어시스템 : MON-18 열차제어관리시스템
편성 : 단량편성(양운전대), 20미터 대형기동차, 1인승무 대응

편성정보 바로가기

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키하 E200형 편성정보 (단량편성 총 3량, JR동일본 나가노지사 코우미선영업소 소속)

키하 E200계의 출발동영상. 인버터로 기동하며 뒤에 엔진이 작동함을 확실하게 알 수있다.

세계최초! 하이브리드 엔진 철도차량의 양산

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 세계최초로 양산화된 하이브리드 엔진을 가진 철도차량 키하E200계의 개발은 2003년으로부터 거슬러 올라간다. 2000년 초반에는 소형자동차, 2003년엔 버스에까지 하이브리드 시스템의 개발이 순조롭게 이루어 지면서 철도차량, 특히 1~2량단위의 소형 열차들이 전국 구석구석을 누비는 일본의 철도구조 특성에 차량의 유지보수, 환경, 저소음등 고객의 요구에 가장 알맞는 신세대 철도차량으로서 이 하이브리드 엔진은 너무나도 매력적인 시스템 이었기 때문에 결국엔 철도차량에 까지 하이브리드 시스템에 대한 연구를 시작했고 JR동일본과 JR종합연구소의 합작하에 키야 E991계 "NE트레인" 기술시험 기동차를 개발하게 되었다. 그리고 이것을 토대로 2007년 8월, 드디어 세계 최초로 하이브리드 철도차량을 양산하여 영업운행에 투입하게 되었는데, 이것이 바로 키하E200계 기동차이다. 키하 E200은 일본의 최 고도역인 노베야마역이 있는 코우미선에 3량이 배치되었다.

하이브리드 동차의 기술시험차 키야E991계 "NE트레인", 주로 도호쿠(야마가타, 센다이)지방의 로컬선을 중심으로 시험운행을 다녔다. 현재는 하이브리드 시스템 대신 연료전지 탑재 시스템으로 변경되어 2020년까지 운용되었다.

일단 겉모습은 키하E130계 속은 하이브리드

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 우선 차체는 비슷한 시기에 JR 스이군선에 도입된 키하E130계 기동차에 준하며 이것을 2도어로 맞춘 형태의 경량 스테인리스 차체를 사용하고 있다. 여기에 차체하부의 한쪽에는 코마츠사의 최신 커먼레일 엔진인 DMF15HZ엔진과 3상교류 발전기를, 한쪽에는 VVVF 컨버터/인버터를 두고 지붕에는 냉방기기와 함께 축전지(리튬이온 전지, 15.2kWh)함을 설치하였다. 하이브리드 구동방식은 별도의 변속기가 없이 견인전동기만이 차량을 움직이며 엔진은 발전기로만 사용하는 시리즈(직렬) 방식을 채택했다. 그 구동절차는 다음과 같다. 

키하 E200의 하부, 왼쪽의 팬 두개는 엔진용 냉각팬, 오른쪽은 주변환장치로 발전기에서 컨버터와 인버터를 일체화한 형태로 되어있다.

상부는 좌측서부터 화장실 물탱크, 에어컨, 그리고 동력용 배터리이다. 배터리는 2기가 한셋트로 되어있다. 그 외에도 제어 및 비상전원을 겸하는 알칼리 축전지가 하부에 갖춰져 있다. 

키하 E200계 하이브리드 시스템의 개략도. 

(1) 처음 출발시 배터리를 사용하다가 차가 움직이면서 30km/h까지 속도가 올라가면 엔진이 가동되어 엔진과 배터리의 힘을 조화롭게 사용하여 속도를 올린다.

(2) 상구배를 올라갈 경우 엔진에서 나오는 전기를 그대로 전동기에 연결하여 최대한 출력을 이끌어 내어 상구배를 올라간다.

(3) 하구배의 억속제동에는 회생제동을 사용하여 나오는 전기를 축전지의 충전에 충당하며 축전지 만충시 엔진에 부하를 주어 배기제동을 일으킬 수 있다.

(4) 정차제동시에는 엔진을 정지하고 회생제동을 사용하며 그 에너지는 모두 축전지를 충전시킨다. 완전히 정지될때까지 회생제동이 유효한 완전전기제동을 사용할 수 있다. 

(5) 정차중에는 엔진이 정지되어 있으며, 보조전원장치의 작동은 축전지를 사용하여 유지한다.

이 과정은 "에너지관리 시스템(MON-18)"에 의해 능동적으로 작동하며 운전실에 설치된 운전정보용 모니터에 엔진,배터리,전동기간의 에너지 이동이 보기 쉽게 표시되고 있다. 하이브리드 엔진을 사용함으로서 연료비용과 배기가스 절감(기존 차량에 비해60%), 엔진의 사용이 최소화 되어 정차시의 소음절감(약 30dB), 보수비용 절감의 여러가지 이점을 가지고 오는 특징이 있다.

운전실에 설치된 MON-18 차량제어관리시스템 , 에너지의 이동방향과 각 장치의 작동상태를 한눈에 알수있다. 

하이브리드만 있나? 갖출건 다 갖췄다!

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 하지만 실내를 봤을땐 전형적인 최신형 디젤기동차로서의 면모를 갖추고 있다. 비슷한 시기에 생산된 키하E130계에 기초한 실내로서 세미크로스 시트의 형태를 갖추고 있다. 지방형 1인승무에 대응하기 위해 운전대에는 출입문 취급 스위치, 그리고 요금함과 요금 표시기, 정리권 발권기등을 갖추고 있다. 지방 로컬선용 답게 낮은 홈 높이 때문에 출입문 앞에는 턱이 있으나 높이를 기존 키하100형에 비해 45mm를 낮췄으며 휠체어가 올라탈 수 있는 슬로프장치도 갖췄다. 출입문은 반자동 스위치를 갖추고 있다. 배리어 프리에는 휠체어 공간과 함께 넓직한 장애인 대응 화장실을 갖추고 있으며 LED전광판 안내기와 함께 하이브리드 차량 특성에 대한 설명을 하는 LCD모니터도 설치되어 있는것이 특징이다. 병결운행에 대비해 자동병결장치도 물론 갖추고 있다. 하지만 다른 디젤동차와는 병결운행이 불가능하다.

전형적인 최신형 로컬기동차의 모습을 가지고 있다

화장실 문 뒷편에 설치된 모니터에서는 하이브리드 동차의 에너지 흐름에 대해 설명해 주고 있다

전형적인 원맨동차 - 요금표시기, 반자동문, 정리권발행기

배리어 프리도 충실해서 휠체어 공간도 갖추고 있다. 

미래의 지방 철도 기술의 방향을 보여주는 열차

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현재 키하E200 기동차는 현재 3량이 코우미선에서 운행중이며 특히나 일본 최 고지대의 철도노선을 운행한다는 상징성 까지 가지고 있어 대단한 주목을 받고 있다. JR동일본 뿐만 아니라 다른 운영 회사에서도 하이브리드 철도차량에 대해 큰 관심을 가지고 있으며 또한 JR서일본을 주축으로 하여 수소 연료전지를 사용한 동차가 테스트 되었고 배터리의 출력을 높히고 급속충전장치를 설치해 전차선과 배터리 주행을 병용할 수 있는 전동차도 실용화 되었다. 이 키하200형에서 개발된 하이브리드 기술은 이후 HB-E300, HB-E210계 등 후속 차량들이 속속 등장했으며 이 외에도 배터리 주행방식의 전동차(EV-E301등)와 주회로 축전지를 제외한 디젤전기구동식의 염가형 기술로도 이어졌다. 

일본의 최고도 역, 우리로 따지면 추전역과 같은 노베야마역(1345m)에 정차중인 키하 E200계. 이 상징적인 의미는 각별하다 할 수 있다. 

유명 애니메이션 감독 신카이마코토가 제작한 지역신문사 시나노매일신문의 CM영상에 키하 E200계가 등장한다.

- Last Updated 2023.12 (다음 신에디터 적용)

- 글 : 송승학(부운영자, 787-ARIAKE)
- 기초자료 : Wikipedia, 교우사 철도팬 2007년 7월호 신차가이드
- 사진 : 본인(NE트레인), JR동일본 나가노지사 소개pdf, CASSIOPEIA님(동영상, 사진, 개략도 등)

[[W683+K5045]민]

키하도..진화하는군요!

[[W683+K5045]민]

;;;;;; 키하 열차에 토시바 전기 구동음;;; 이게 진정 하이브리드의 힘인가요...;;