JP2008067510A - 車両駆動システム - Google Patents

Abstract

【課題】動力装置と発電機とを組み合わせた発電装置と蓄電装置で構成されるハイブリッド鉄道車両において、運転士の走行の仕方に応じて適正な蓄電電池の充放電制御を行い、ダイヤに支障をきたさないように走行する。
【解決手段】マスコン１０からのノッチ指令２１に対応する車両の走行パターンに基づいて運転モード定義データベース１４で予め定義された運転モード２３で車両の運転を行う。このとき、位置計測部１１が計測した自車の位置に基づき、位置−基準充電量データベース１２からの位置−基準充電量パターン２２に基づいて蓄電装置８の目標充電量を決定する。そして、蓄電装置８の目標充電量となるように動力発生装置（ディーゼルエンジン）２のエンジン出力指令２４及び蓄電装置８の充放電指令２５を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、蓄電装置とディーゼルエンジン発電機等の発電装置を搭載した車両からなる車両駆動システムに関するものである。

鉄道車両が運行する際に運行上の制約を受けるダイヤは、予め定められた走行ランカーブに基づいて走行した場合を想定することにより作成される。この走行ランカーブは、駆動指令に対応した力行、惰行、定速、制動の走行パターンの組み合わせから定まり、その鉄道車両が路線を運行する際に使用されるものである。この走行ランカーブは、路線を走行する際の標準的なランカーブであり、これを遵守する限りその鉄道車両が路線を運行する際にダイヤ上の遅延は発生しない。

特に、動力源が１つ（例えば、気動車のディーゼルエンジンのみ又は電車の架線のみ）であれば、その走行する鉄道車両の性能から走行ランカーブが導かれるため、車両故障や信号異常などのトラブルが起きなければその鉄道車両が路線を運行する際に確実にダイヤを遵守することが可能である。しかし、動力源が２つ以上の場合であって、そのうちの１つ以上が特定の事情により動力を発生することができなくなる場合には、確実にダイヤを遵守することができなくなる。

その動力源が２つ以上の鉄道車両の一例として、燃料電池あるいはディーゼルエンジンなどの動力装置とその動力を用いて発電する発電機との組み合わせからなる発電装置と、２次電池、キャパシタなどの蓄電装置で構成されるハイブリッド鉄道車両がある。このハイブリッド鉄道車両の場合、２次電池、キャパシタなどの蓄電装置はその性質上、定まった容量までしか放電できないため、例えば、特急運転のように力行運転が続く場合には、蓄電装置の放電がその力行の最後まで維持できない。このように、蓄電装置の放電が維持できない場合、力行性能が低下し、その鉄道車両が路線を運行する際に標準的なランカーブを遵守できず、ダイヤに支障をきたす場合が生じる。

これを解決するための方法として、２次電池の蓄電電力を用いない場合の発電装置のみによる引張力曲線に基づいた基準ランカーブに、２次電池の蓄電電力を各速度域に分配することによりランカーブを作成し、そのランカーブに基づいて鉄道車両を運転させる方法が提案されている（特許文献１参照）。この特許文献１に記載の運転方法は、ある力行開始時刻Ｔの時点に、力行に必要な電力となるように２次電池に対して蓄電を行うものであり、更に、２次電池の蓄電量の制約からランカーブ通りの走行が維持できない場合には、動的にランカーブを変更するものである。
特開２００５−１９８４１６号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載の技術では、ランカーブ作成装置あるいは、それに該当するものが必要である。また、鉄道車両の走行の仕方は、運転士の個性により多少のバラツキがあって一概には決まらないため、遅延などの状況が発生した場合には大幅に変わる可能性がある。これに対して上述した特許文献１に記載の技術では、２次電池の蓄電量の制約からランカーブ通りの走行が維持できない場合には、ランカーブを動的に作成し直す方法が提案されているが、この場合、最初に定めたランカーブ通りに走行できないため、ダイヤ通りに走行できる保証はないという不都合が発生する。

そこで、本発明は、燃料電池あるいはディーゼルエンジンなどの動力装置とその動力を用いて発電する発電機との組み合わせからなる発電装置と、２次電池、キャパシタなどの蓄電装置で構成されるハイブリッド鉄道車両において、運転士の走行の仕方に応じて適正な蓄電装置の充放電制御を行うことにより、ダイヤに支障をきたさないように走行することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明の車両駆動システムは、発電装置と、発電装置の電力を変換する第１の電力変換器と、この第１の電力変換器によって変換された電力を蓄える蓄電装置と、第１の電力変換器の出力電力及び／又は前記蓄電装置の電力と、車両を駆動する電動機の電力とを相互に変換する第２の電力変換器と、発電装置並びに第１及び第２の電力変換器を制御する列車制御装置と、この列車制御装置に駆動指令を出力するマスコンと、自車の位置を計測する位置計測部と、自車の位置に応じた前記蓄電装置の基準充電量パターンを格納し、基準充電量パターンに基づいて車両を駆動するシステムであって、列車制御装置は、駆動指令に対応する車両の走行パターンに基づいて予め定義された運転モードに従って、位置計測部が計測した自車の位置に応じた前記蓄電装置の基準充電量パターンから蓄電装置の目標充電量を決定し、蓄電装置の目標充電量となるように発電装置に対する出力指令及び前記蓄電装置に対する充放電指令を発生することを特徴としている。

上記列車制御装置は、マスコンからの指令を基に自車の走行状態を判断し、惰行、定速運転もしくは停車中の場合には、自車の位置に応じた目標充電量近傍に自車の蓄電装置の充電量を保つように制御する。すなわち、自車の蓄電装置の充電量が位置に応じた目標充電量よりも高い際には、蓄電装置を放電する運行とすることが望ましく、逆に自車の蓄電装置の充電量が位置に応じた目標充電量よりも低い際には、蓄電装置をなるだけ使用しない、あるいは蓄電装置を充電する運行とすることが望ましい。

本発明によれば、ランカーブ作成装置無しで、走行の状況に応じて適正な２次電池の充放電制御を行うことができるので、ダイヤに支障をきたさないように走行することができるという効果を奏する。

以下、本発明の一実施の形態について、図１〜８を参照して説明する。
図１は、本実施の形態例の鉄道車両制御装置の概略構成図である。
図１において、まず、太線で示す動力系から説明する。鉄道車両である車両１は、主電動機６によってギヤ１３を介して車輪を駆動することで走行する。主電動機６としては、３相交流電動機（誘導電動機又は同期電動機）が一般的である。この３相交流電動機である主電動機６に３相交流電力を給電するために、インバータ５が搭載されている。このインバータ５に対して、発電機３からコンバータ４を介して直流電力が供給されるとともに、蓄電装置８からチョッパ７を介して直流電力が供給される。

発電機３は、列車制御装置９からのエンジン出力指令２４に基づき出力が制御されるディーゼルエンジン等の動力発生装置２（以下、エンジンと略称）と組み合わされ、発電装置を構成していて、３相交流電力を出力する。この発電機３から出力される３相交流電力は、コンバータ４によって、直流電力に変換され、前記インバータ５に供給される。

一方、蓄電装置８は、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、鉛電池などのように充放電可能な電池等で構成されている。チョッパ７は、この蓄電装置８からインバータ５の直流側への放電、あるいはインバータ５の直流側から蓄電装置８への充電の双方向制御機能を持つ昇／降圧チョッパである。なお、ディーゼルエンジン等の動力発生装置２の代わりに燃料電池とチョッパ７の組み合わせで構成しても良い。

次に、細線で示す制御系を説明する。列車制御装置９は、列車位置を計測する位置計測部１１から自車の位置２７を取得し、位置−基準充電量データベース１２から位置−基準充電量パターン２２を取得し、蓄電装置８から残充電量２６を取得し、運転モード定義データベース１４から運転モード２３を取得する。また、列車制御装置９は、これと共に、動力発生装置２にエンジン出力指令２４を出力し、チョッパ７に充放電指令２５を出力する。詳細は後述する。
ここで位置計測部１１はＧＰＳ装置あるいは列車のギヤ１３や車輪などの回転軸に設けられた速度発電機あるいはその両者の組み合わせで構成される。

次に、位置−基準充電量データベース１２に格納する位置−基準充電量パターンの作り方を図３を用いて説明する。
図３は、位置−基準充電量パターンの作成方法を示す図であり、図３Ａは位置−速度の走行パターン、図３Ｂは位置−基準充電量パターンであり、位置−基準充電量パターンの上の点線は蓄電装置８の使用範囲の最大値３１を示し、下の点線は蓄電装置８の使用範囲の最小値３２を示す。

図３Ａの位置−速度の走行パターンは、区間ａで力行し、区間ｂは定速運転をし、区間ｃは惰行運転を行い、区間ｄで制動して停車するパターンである。まず、列車制御装置９は、力行運転を行う区間ａでは位置Ｘにおける充電量を数１式により求め、区間ａでの力行中のある位置における基準充電量の曲線を作成する。

［数１］
基準充電量＝使用範囲の最大値−∫（Ｔｒ（Ｘ）・Ｖ（Ｘ）−Ｅ）・・・・・（式１）
ここで、Ｔｒ（Ｘ）は位置Ｘにおける主電動機６の引張力（Ｎ）、Ｖ（Ｘ）は位置Ｘにおける車両１の速度（ｍ／ｓ）、Ｅは動力発生装置２（ディーゼルエンジン）の最大出力である。

次に、列車制御装置９は、区間ｄの制動区間においては回生中のある位置Ｙにおける充電量を数２式により求め、区間ｄでの制動による回生中のある位置における基準充電量の曲線を作成する。

［数２］
基準充電量＝使用範囲の最大値−∫Ｂｒ（Ｙ）・Ｖ（Ｙ）・・・・・（式２）
ここで、Ｂｒ（Ｙ）は位置Ｙにおける主電動機６の電制力（Ｎ）、Ｖ（Ｙ）は位置Ｙにおける車両１の速度（ｍ／ｓ）である。

最後に、列車制御装置９は、定速及び惰行走行をしている区間ｂ、ｃでは、区間ａでの力行の終端充電量と、区間ｄでの制動による回生の始端充電量を直線で結ぶことで、図３Ｂの位置−基準充電量パターンを作成する。

ここで、位置−基準充電量データベース１２に記憶する位置−基準充電量パターン２２は、位置により力行，回生，惰行，定速運転が決定しており，力行運転中は蓄電装置８の放電が行われるので蓄電装置８の充電量が下がり、逆に回生運転中は蓄電装置８の充電が行われるので蓄電装置８の充電量が上がるという特性を持っている。この特性を利用して位置−基準充電量パターン２２が作成される。

図４は、基準ランカーブを基にした位置―基準充電量パターンの作成方法を示す図であり、図４Ａは位置−速度の走行パターン、図４Ｂは位置−基準充電量パターンである。
上述した図３と同様にして、図４Ａの位置−速度の走行パターンに対する図４Ｂの位置−基準充電量パターンを作成することができる。

すなわち、まず、列車制御装置９は、区間ａの力行、区間ｃの力行、区間ｅの制動による回生について位置−基準充電量を算出する。次に、区間ａの力行と区間ｃの力行の間にある区間ｂの定速部分の位置−基準充電量は、区間ａの力行の終端充電量と、区間ｃの力行の始端充電量を直線で結ぶことにより作成される。また、区間ｃの力行と区間ｅの制動による回生の間にある区間ｄの惰行部分の位置−基準充電量は、区間ｃの力行の終端充電量と、区間ｅの制動による回生の始端充電量を直線で結ぶことにより作成される。

このように、列車の位置と蓄電装置の充電量パターンの定速ｂの部分は、力行ａの終端の充電量と力行ｃの始端の充電量を直線で結んで作成され、惰行ｄの部分は、力行ｃの終端の充電量と制動ｅの始端の充電量を直線で結ぶことによって簡単に作成することができる。この列車の走行位置と基準充電量のパターン２２は、位置−基準充電量データベース１２に記憶されることになるが、このパターン２２は、駅間を走行する時間に応じて複数用意されることが望ましい。

次に、運転モード定義データベース１４について説明する。運転モード定義データベース１４は、車両１を複数接続した列車がある位置を走行している場合の運転モード２３を定義してあるデータベースであり、以下の３つのモードで構成される。
第１のモードは、図４Ａに示した位置−速度の走行パターンから、列車の走行に力行が見込まれる場合に、できるだけ蓄電装置８から主電動機６へ電力供給のアシストを行うことにより列車の加速性能を確保するモード（以下、「アシスト優先モード」という。）である。

第２のモードは、図４Ａに示した列車の位置−速度の走行パターンから、列車の走行で主電動機６から蓄電装置８への電力の回生が見込まれる場合に、回生時に主電動機６で発生するエネルギーを蓄電装置８にできるだけ充電するように制御するモード（以下、「回生優先モード」という。）である。
第３のモードは、第１、第２のどちらにも該当しないモード（以下、「通常モード」という。）がある。

それぞれの運転モード２３について、以下に説明する。
第１のアシスト優先モードでは、蓄電装置８の蓄電容量によっては力行途中で蓄電装置８の充電量が使用範囲最小値４２以下になってしまうことが考えられる。このため、蓄電装置８から主電動機６へ電力供給のアシストが停止しないように、列車制御装置９は、位置に応じた目標充電量よりも５％高い値を目標充電量として設定する。そして、チョッパ７に対して充放電指令２５を供給することにより、蓄電装置８に対する充電量の制御をする。

第２の回生優先モードでは、回生時に主電動機６で発生するエネルギーを蓄電装置８にできるだけ充電するように制御するため、列車制御装置９は、位置に応じた目標充電量よりも５％低い値を目標充電量と設定する。そして、同様にチョッパ７に対して充放電指令２５を供給することにより、蓄電装置８に対する充電量の制御をする。
また、第３の通常モードでは、そのどちらにも対応できるように、列車制御装置９は、列車の位置に応じた充電装置８の充電量に保つように、チョッパ７に対して充放電指令２５を供給する。

このように、列車制御装置９は、運転モード２３を決めて、その運転モード２２に応じて目標充電量を設定する。例えば、図４Ａに示した位置−速度の走行パターンにおける力行時にはできるだけ蓄電装置８から主電動機６へ電力供給のアシストを行うことにより列車加速性能を確保する必要がある。このため、列車制御装置９は、運転モード２３をアシスト優先モードとする。

このアシスト優先モードでは、上述のように、蓄電装置８から主電動機６へ電力供給のアシストができなくなることが懸念される。これを打開するためには、惰行、定速運転中に蓄電装置８の充電を促進し、自車の蓄電装置８の充電量をより高く保つことが望ましい。そこで、列車制御装置９は、位置に応じた目標充電量よりも５％程度高めに目標充電量を設定するようにしている。

また、図４Ａに示した列車の位置−速度の走行パターンからみて、所定の時間が経過すると必ず制動時に移行し、ブレーキをかけることが分かっている場合には、列車制御装置９は、運転モード２３を回生優先モードとする。そして、回生時に主電動機６で発生するエネルギーを蓄電装置８にできるだけ充電するように制御する。このため、列車制御装置９は、列車の位置に応じた目標充電量よりも５％程度低めに目標充電量を設定する。

さらに、位置計測部１１から入手した位置２７（図１参照）を元に、列車制御装置９は、ブレーキ開始予測点の手前（図４Ａ（ｅ）の前）は回生優先モードとし、低位の制限速度から高位の制限速度に移る前（図４Ａ（ｃ）の前）にはアシスト優先モードとする。それ以外の位置では、通常走行モードにするように各モードを組み合わせて設定するようにする。

列車制御装置９がこれらの運転モード２３を選択する方法としては、以下に示す方法がある。
第１の方法は、列車制御装置９が列車の走行する位置に応じた運転モード２３を予め定めておく方法である。
第２の方法は、列車が制限速度で走るときの車両１の位置及び車両１の停車位置を予め記憶しておき、位置計測部１１から算出した位置２７と比較することにより運転モード２３を定める方法である。

第２の方法の場合、列車制御装置９が、現在の列車の走行位置からαｋｍ以内に高位の制限速度（制限速度が大きくなる方向）に変化する場合には、運転モード２３をアシスト優先モードとし、現在の位置からαｋｍ以内に停車位置がある場合には、運転モード２３を回生優先モードとし、どちらにもあてはまらない場合には、運転モード２３を通常運転モードとする。
なお、αは駅間距離の１／１０程度にすることが望ましい。例えば駅間距離が１０ｋｍの場合にはαは１ｋｍとする。

また、通常の走行においては、列車制御装置９による自車の蓄電装置８の現在充電量と列車の走行位置に応じた目標充電量の比較をすることになるが、その際に現在充電量にヒステリシスを設けることが求められる。ここでヒステリシスとは、車両１に搭載してある蓄電装置８の最大容量に対する充電容量の割合に幅を持たせて設定することを意味している。例えば、充電容量を最大容量の±１％、±１０％あるいは＋１％〜−１０％というよう割合に設定するようにする。

ただし、ヒステリシスの幅を小さくすれば、列車制御装置９による動力発生装置（ディーゼルエンジン）２に対するエンジン出力指令２４とチョッパ７に対する蓄電装置８への充放電指令２５による制御が頻繁に切り替わるため、機器の出力の追従によっては乗り心地に影響を与える。

逆にヒステリシスの幅を大きくすれば上述した制御は頻繁に切り替わらないが、例えば惰行後に制動に移行する場合では、惰行時に蓄電装置８に対して充電しすぎる現象が発生し、蓄電装置８に回生できる電力量が少なくなることが懸念される。これらのことから、ヒステリシスは列車の走行位置に応じた目標充電量に対して±５％程度の充電量とすることが望ましい。

次に、列車制御装置９による動力発生装置（ディーゼルエンジン）２に対するエンジン出力指令２４と、チョッパ７に対する蓄電装置８への充放電指令２５の演算方法を図２、図４、図５を用いて説明する。
図２は列車制御装置９の処理フロー図を示している。図５は図４Ｂの位置−基準充電量パターンを位置−基準充電量データベース１２に格納してある場合で、走行を行った場合に図２の処理フローを用いた場合の制御例を示したものである。

図５Ａは位置−基準充電量パターン、図５Ｂは位置−目標充電量パターン、図５Ｃは位置−速度走行パターン、図５Ｄは位置−現在充電量である。なお、列車制御装置９は、上述した方法を用いて予め運転モード２３を決定しておく。運転モード２３は図５Ａに示した位置−基準充電量パターンの中に記述している。

図５Ｃで区間ａ１の走行は力行である。このとき、図２において、列車制御装置９は、ノッチ指令（駆動指令）２１が、惰行運転もしくは定速運転もしくは停車中であるか否かを判断する（ステップＳ５０１）。この判断ステップＳ５０１で、ノッチ指令２１が、惰行運転もしくは定速運転もしくは停車中でないと判断された場合は、列車制御装置９は、力行中であればエンジン出力指令を出力し、回生中であればエンジン出力指令を０とする（ステップＳ５１４）。区間ａ１は力行中であって、回生中ではないので、列車制御装置９は、動力発生装置（ディーゼルエンジン）２に対するエンジン出力指令２４を発する。

次に、図５Ｃで区間ｂ１に移ると走行は惰行になる。このため図２の判断ステップＳ５０１で、列車制御装置９は、ノッチ指令２１が惰行運転であると判断して運転モード２３を取得する（ステップＳ５０２）。なお、ここでは運転モード２３は図５Ａに示すようにアシスト優先モード５３となっている。

さらに、列車制御装置９は、現在の車両位置から最も近い基準充電量カーブの惰行終点あるいは定速終点あるいは停止点を求め、その時の基準充電量を目標充電量とする（ステップＳ５０３）。ここでは、図５Ａに示す位置−基準充電量パターンにおける最も近い惰行終点での基準充電量Ｖ＿ａ（＝使用範囲最大値５１）を目標充電量とする。

次に、列車制御装置９は、ステップＳ５０２で入手した運転モード２３がアシスト優先モード５３であるか否かを判断する（ステップＳ５０４）。判断ステップＳ５０４で、運転モード２３はアシスト優先モード５３であると判断されると、列車制御装置９は、目標充電量をステップＳ５０３で求めた目標充電量の５％上（運転モード考慮分５７）に再設定する（ステップＳ５０５）。このとき、図５Ｂに示す目標充電量は使用範囲最大値５５を超えることはないので使用範囲最大値５５に設定される。

次に、列車制御装置９は、図５Ｄに示す現在充電量が使用範囲最大値５８より大きいか否かを判断する（ステップＳ５１６）。判断ステップＳ５１６で、現在充電量は使用範囲最大値５８より大きくないと判断されると、列車制御装置９は、図５Ｄに示す現在充電量が使用範囲最小値５９より小さいか否かを判断する（ステップＳ５１７）。判断ステップＳ５１７で、現在充電量は使用範囲最小値５９より小さくないことがわかる。

次に判断ステップＳ５１７で、現在充電量は使用範囲最小値５９より小さくないと判断されると、列車制御装置９は、この目標充電量と現在充電量の差の絶対値が図５Ｄに示すヒステリシス６０の範囲よりも小さい（ヒステリシス６０の範囲内）か否かを判断する（ステップＳ５０８）。

判断ステップＳ５０８で、目標充電量と現在充電量の差の絶対値がヒステリシスの範囲よりも小さくない（ヒステリシス６０の範囲外）であると判断されると、列車制御装置９は、図５Ｂに示す目標充電量と図５Ｄに示す現在充電量を比較し、目標充電量が現在充電量よりも小さいか否かを判断する（ステップＳ５０９）。判断ステップＳ５０９で、目標充電量が現在充電量より高いと判断された場合は、ステップＳ５１０に進む。なお、判断ステップＳ５１７で、現在充電量は使用範囲最小値５９より小さいと判断されたときも、ステップＳ５１０に進む。

ステップＳ５１０では、列車制御装置９は、動力発生装置（ディーゼルエンジン）２に対するエンジン出力指令２４を発生し、ステップＳ５１１に進む。このステップＳ５１１で、列車制御装置９は、エネルギー蓄積装置であるチョッパ７に対する蓄電装置８への充放電指令２５（ここでは充電指令）を発生する。これにより徐々に蓄電装置８に充電が行われ、図５Ｄに示す現在充電量が増加する。図５Ｄに示す現在充電量がヒステリシス６０の範囲に入ると図５Ｃで区間ｂ２に移る。

図５Ｃの区間ｂ２では、区間ｂ１と同様にステップＳ５０１、ステップＳ５０２、ステップＳ５０３、ステップＳ５０４、ステップＳ５０５、ステップＳ５１６、ステップＳ５１７、ステップＳ５０８と進む。ステップＳ５０８では、この目標充電量と現在充電量の差の絶対値がヒステリシス６０の範囲内であると判断されるのでステップＳ５１５に進む。

ステップＳ５１５では、列車制御装置９は、前回の指令を維持する。従って、列車制御装置９は、ステップＳ５１０と同様に動力発生装置（ディーゼルエンジン）２に対するエンジン出力指令２４を発生するとともに、ステップＳ５１１と同様にエネルギー蓄積装置であるチョッパ７に対する蓄電装置８への充放電指令２５（ここでは充電指令）を発生する。これによりさらに蓄電装置８に充電が行われ、図５Ｄに示す現在充電量が増加し、使用範囲最大値５８を越えると区間ｂ３に状態が移る。

図５Ｃの区間ｂ３では、区間ｂ１と同様にステップＳ５０１、ステップＳ５０２、ステップＳ５０３、ステップＳ５０４、ステップＳ５０５、ステップＳ５１６、ステップＳ５１７、ステップＳ５０８、ステップＳ５０９と進む。ステップＳ５０９では、目標充電量と現在充電量が比較され、ここでは、目標充電量が現在充電量より低いと判断されるので、ステップＳ５１２に進むことになる。

なお、判断ステップＳ５１６で、現在充電量が使用範囲最大値５８より大きいと判断されたときもステップＳ５１２に進む。ステップＳ５１２では、列車制御装置９が動力発生装置（ディーゼルエンジン）２に対して発生するエンジン出力指令２４を０とし、ステップＳ５１３に進む。そしてステップＳ５１３では、列車制御装置９は、チョッパ７に対して蓄電装置８への充放電指令２５（ここでは放電指令）を発生する。これにより徐々に蓄電装置８から放電が行われる。

その後、再び列車制御装置９にノッチ指令２１が供給されて力行に状態が移る。
図５Ｃの区間ａ２は、区間ａ１と同様の処理を行う。これにより図５Ｄに示す現在充電量は減少する。
次に、図５Ｃの区間ｂ４でノッチ指令２１がオフになると、区間ｂ１と同様にステップＳ５０１、ステップＳ５０２、ステップＳ５０３、ステップＳ５０４、ステップＳ５０５、ステップＳ５１６、ステップＳ５１７、ステップＳ５０８、ステップＳ５０９、ステップＳ５１０、ステップＳ５１１と進み、徐々に蓄電装置８に充電が行われて、図５Ｄに示すように現在充電量が増加する。図５Ｄに示す現在充電量がヒステリシス６０の範囲に入ると区間ｂ５に移る。

図５Ｃの区間ｂ５では、区間ｂ２と同様にステップＳ５０１、ステップＳ５０２、ステップＳ５０３、ステップＳ５０４、ステップＳ５０５、ステップＳ５１６、ステップＳ５１７、ステップＳ５０８、ステップＳ５１５と進む。これによりさらに蓄電装置８に充電が行われ、図５Ｄに示す現在充電量が増加し、使用範囲最大値５８を越えると区間ｂ６に状態が移る。

図５Ｃの区間ｂ６では、区間ｂ３と同様にステップＳ５０１、ステップＳ５０２、ステップＳ５０３、ステップＳ５０４、ステップＳ５０５、ステップＳ５１６、ステップＳ５１７、ステップＳ５０８、ステップＳ５０９、ステップＳ５１２、ステップＳ５１３と進む。そして、徐々に蓄電装置８から放電が行われるので、図５Ｄに示す現在充電量が減少し、やがてヒステリシス６０の範囲を下回り、区間ｂ７に状態が移行する。

図５Ｃの惰行ｂ７では区間ｂ２およびｂ５と同様にステップＳ５０１、ステップＳ５０２、ステップＳ５０３、ステップＳ５０４、ステップＳ５０５、ステップＳ５１６、ステップＳ５１７、ステップＳ５０８、ステップＳ５１５と進む。これによりさらに蓄電装置８に充電が行われ、図５Ｄに示す現在充電量が増加する。

次に、この間にステップＳ５０２で入手する運転モード２３が変わることで区間ｂ８に状態が移る。なお、ここでは運転モード２３は図５Ａに示すようにアシスト優先モード５３から回生優先モード５４となっている。

図５Ｃの区間ｂ８では、図２のステップＳ５０１で、列車制御装置９は惰行運転と判断し、ステップＳ５０２に進む。次にステップＳ５０２では、列車制御装置９は運転モード２３を取得し、ステップＳ５０３に進む。なお、ここでは運転モード２３は回生優先モード５４となっている。

ステップＳ５０３では、列車制御装置９は現在の車両位置から最も近い基準充電量パターンの惰行終点あるいは定速終点あるいは停止点を求め、その時の基準充電量を目標充電量とすることから、図５Ａに示す位置−基準充電量パターンにおける最も近い惰行終点での基準充電量Ｖ＿ｂ（＞使用範囲最小値５２）を目標充電量とする。

次に、ステップＳ５０４に進む。ステップＳ５０４では、列車制御装置９はステップＳ５０２で入手した運転モード２３がアシスト優先モード５３であるかどうかを判断する。ここでは、運転モード２３が回生優先モード５４であると判断されるためステップＳ５０６に進む。そして、列車制御装置９はステップＳ５０２で入手した運転モード２３が回生優先モードであるか否かを判断する（ステップＳ５０６）。判断ステップＳ５０６で、運転モード２３は回生優先モード５４であると判断されると、列車制御装置９は目標充電量をステップＳ５０３で求めた目標充電量の５％下（運転モード考慮分５７）に再設定する（ステップＳ５０７）。

そして、ステップＳ５１６で現在充電量が使用範囲最大値より小さいと判断され、かつステップＳ５１７で現在充電料は使用範囲最小値より大きいと判断されて、ステップＳ５０８に進む。ステップＳ５０８では、この目標充電量と現在充電量の差の絶対値がヒステリシス６０の範囲外であると判断され、ステップＳ５０９に進む。ステップＳ５０９では、図５Ｂに示す目標充電量と図５Ｄに示す現在充電量とが比較され、目標充電量が現在充電量より低いと判断されるので、ステップＳ５１２に進む。ステップＳ５１２では、列車制御装置９は、動力発生装置（ディーゼルエンジン）２に対するエンジン出力指令２４を０とし、ステップＳ５１３に進む。

さらにステップＳ５１３では、列車制御装置９は、チョッパ７に対する蓄電装置８への充放電指令２５（ここでは放電指令）を発生する。これにより徐々に蓄電装置８から放電が行われるので、図５Ｄに示す現在充電量が減少し、ヒステリシス６１の範囲内に入ると区間ｂ９に状態が移る。

図５Ｃに示す区間ｂ９では、区間ｂ８と同様にステップＳ５０１、ステップＳ５０２、ステップＳ５０３、ステップＳ５０４、ステップＳ５０５、ステップＳ５１６、ステップＳ５１７、ステップＳ５０８と進む。ステップＳ５０８では、この図５Ｂに示す目標充電量と図５Ｄに示す現在充電量の差の絶対値がヒステリシス６１の範囲内であると判断されるので、ステップＳ５１５に進む。ステップＳ５１５では、前回の指令を維持する。

従って、ステップＳ５１２と同様に列車制御装置９は、動力発生装置（ディーゼルエンジン）２に対するエンジン出力指令２４を０とし、ステップＳ５１３と同様に列車制御装置９は、チョッパ７に対する蓄電装置８への充放電指令２５（ここでは放電指令）を発生する。これによりさらに蓄電装置８に放電が行われ、図５Ｄに示す現在充電量が減少する。その後、列車制御装置９にブレーキを示すノッチ指令２１が供給されると制動に状態が移る。

図５Ｃに示す区間ｃ１は制動である。この場合、図２のステップＳ５０１では、惰行運転もしくは定速運転もしくは停車中でないと判断されるので、ステップＳ５１４に移る。ステップＳ５１４では、力行中であればエンジン出力指令２４を出力し、回生中であればエンジン出力指令２４を０とすることから、ここでは回生中のため列車制御装置９は、力行中のため動力発生装置（ディーゼルエンジン）２に対するエンジン出力指令２４を０とする。

以上の処理により、最初のステップＳ５０３で定めた位置−目標充電量に基づいて蓄電装置８への充放電指令２５を制御することができる。これにより、運転士の走行にあわせて発電装置である動力発生装置（ディーゼルエンジン）２に対するエンジン出力指令２４による出力制御、及び蓄電装置８に対する充放電指令２５による充放電制御を適正に行うことができ、ダイヤに支障をきたさない運転が可能となる。

また、図２のステップＳ５０３における目標充電量を惰行終点での基準充電量Ｖ＿ａ、Ｖ＿ｂに設定する処理を、図６に示すステップＳ６０３に示す基準充電量を目標充電量に設定する処理に変更した場合でも同様に蓄電装置８への充放電指令２５を制御することが可能である。その例について図４、図６、図７を用いて説明する。
図６は他の列車制御装置９の処理フロー図を示している。図６において、図２と同様の処理は同じ符号を付してある。

図７は図４Ｂの位置−基準充電量パターンを位置−基準充電量データベース１２に格納してある場合で、走行を行った場合に図６の処理フローを用いた場合の制御例を示したものである。
図７Ａは位置−基準充電量パターン、図７Ｂは位置−目標充電量パターン、図７Ｃは位置−速度走行パターン、図７Ｄは位置−現在充電量である。

図７Ｃで区間ａ１は力行である。このとき、図６において、列車制御装置９は、ノッチ指令２１が、惰行運転もしくは定速運転もしくは停車中であるか否かを判断する（ステップＳ５０１）。判断ステップＳ５０１で、ノッチ指令２１が、惰行運転もしくは定速運転もしくは停車中でないと判断されるので、列車制御装置９は、力行中であればエンジン出力指令、回生中であれば、エンジン出力指令を０とすることになる。ここでは力行であるから、列車制御装置９は、動力発生装置（ディーゼルエンジン）２に対するエンジン出力指令２４を発生することになる（ステップＳ５１４）。

次に、図７Ｃで区間ｂ１に移ると走行は惰行になる。このため図２において、列車制御装置９は、ノッチ指令２１が、惰行運転であると判断し、ステップＳ５０２に進んで運転モード２３を取得する（ステップＳ５０２）。なお、ここでは運転モード２３は図７Ａに示すようにアシスト優先モード７３となっている。
さらに、列車制御装置９は、現在の車両位置に相当する基準充電量カーブの地点を求め、その時の基準充電量を目標充電量とする（ステップＳ６０３）。ここでは、図７Ａに示す位置−基準充電量パターンにおける基準充電量のカーブそのものを図７Ｂに示す目標充電量とする。

次に、列車制御装置９は、ステップＳ５０２で入手した運転モード２３がアシスト優先モード７３であるか否かを判断する（ステップＳ５０４）。判断ステップＳ５０４で、運転モード２３はアシスト優先モード７３であると判断されると、列車制御装置９は、目標充電量をステップＳ５０３で求めた目標充電量の５％上（運転モード考慮分７７）に再設定する（ステップＳ５０５）。

次に、列車制御装置９は、図７Ｂに示す目標充電量が使用範囲最大値７５より大きいか否かを判断する（ステップＳ６１６）。判断ステップＳ６１６で、目標充電量は使用範囲最大値７５より大きくないと判断されたときは、直ちにステップ５０８に進む。判断ステップＳ６１６で、目標充電量は使用範囲最大値７５より大きいと判断されたときは、目標充電量を使用範囲最大値７５とする（ステップＳ６１８）。このとき、図７Ｂに示す目標充電量は使用範囲最大値７５を超えることはないので使用範囲最大値７５を超える部分は使用範囲最大値７５に設定される。

次に、列車制御装置９は、この目標充電量と現在充電量の差の絶対値が図７Ｄに示すヒステリシス８０の範囲よりも小さい（ヒステリシス８０の範囲内）か否かを判断する（ステップＳ５０８）。判断ステップＳ５０８で、目標充電量と現在充電量の差の絶対値がヒステリシスの範囲よりも小さくない（ヒステリシス８０の範囲外）であると判断されると、列車制御装置９は、図７Ｂに示す目標充電量と図７Ｄに示す現在充電量を比較し、目標充電量が現在充電量よりも小さいか否かを判断する（ステップＳ５０９）。判断ステップＳ５０９で、目標充電量が現在充電量より高いことからステップＳ５１０に進む。

ステップＳ５１０では、列車制御装置９は、動力発生装置（ディーゼルエンジン）２に対するエンジン出力指令２４を発生し、ステップＳ５１１に進む。さらにステップＳ５１１では、列車制御装置９は、チョッパ７に対する蓄電装置８への充放電指令２５（ここでは充電指令）を発生する。これにより徐々に蓄電装置８に充電が行われ、図７Ｄに示す現在充電量が増加する。図７Ｄに示す現在充電量がヒステリシス８０の範囲に入ると図７Ｃで区間ｂ２に移る。

図７Ｃの区間ｂ２では、区間ｂ１と同様にステップＳ５０１、ステップＳ５０２、ステップＳ６０３、ステップＳ５０４、ステップＳ５０５、ステップＳ６１６、ステップＳ６１８、ステップＳ５０８と進む。ステップＳ５０８では、この図７Ｂに示す目標充電量と図７Ｄに示す現在充電量の差の絶対値がヒステリシス８０の範囲内であると判断されるのでステップＳ５１５に進む。

ステップＳ５１５では、列車制御装置９は、前回の指令を維持する。従って、列車制御装置９は、ステップＳ５１０と同様に動力発生装置（ディーゼルエンジン）２に対するエンジン出力指令２４を発し、ステップＳ５１１と同様にチョッパ７に対する蓄電装置８への充放電指令２５（ここでは充電指令）を発生する。これによりさらに蓄電装置８に充電が行われ、図７Ｄに示す現在充電量が増加し、ヒステリシス８０の範囲を外れると区間ｂ３に状態が移る。

図７Ｃの区間ｂ３では、区間ｂ１と同様にステップＳ５０１、ステップＳ５０２、ステップＳ６０３、ステップＳ５０４、ステップＳ５０５、ステップＳ６１６、ステップＳ６１８、ステップＳ５０８、ステップＳ５０９と進む。この区間ｂ３の場合、ステップＳ５０９で、図７Ｂに示す目標充電量と図７Ｄに示す現在充電量が比較され、目標充電量が現在充電量より低いと判断されるのでステップＳ５１２に進む。

ステップＳ５１２では、列車制御装置９は、動力発生装置（ディーゼルエンジン）２に対するエンジン出力指令２４を０とし、ステップＳ５１３に進む。さらにステップＳ５１３では、列車制御装置９は、エネルギー蓄積装置であるチョッパ７に対する蓄電装置８への充放電指令２５（ここでは放電指令）を発生する。これにより徐々に蓄電装置８から放電が行われ、図７Ｄに示す現在充電量がヒステリシス８０の範囲に入ると区間ｂ４に移る。

図７Ｃの区間ｂ４では、区間ｂ２と同様にステップＳ５０１、ステップＳ５０２、ステップＳ６０３、ステップＳ５０４、ステップＳ５０５、ステップＳ６１６、ステップＳ６１８、ステップＳ５０８、ステップＳ５１５と進む。ステップＳ５１５では、列車制御装置９は、前回の指令を維持する。

従って、列車制御装置９は、ステップＳ５１０と同様に動力発生装置（ディーゼルエンジン）２に対するエンジン出力指令２４を０とし、ステップＳ５１３と同様に列車制御装置９は、エネルギー蓄積装置であるチョッパ７に対する蓄電装置８への充放電指令２５（ここでは放電指令）を発生する。これにより徐々に蓄電装置８から放電が行われる。

その後、再び列車制御装置９にノッチ指令２１が供給されて力行に状態が移る。
図７Ｃの区間ａ２は、区間ａ１と同様の処理を行う。これにより図７Ｄに示す現在充電量は減少する。
次に、図７Ｃの区間 ｂ５でノッチ指令２１がオフになると、区間ｂ１と同様にステップＳ５０１、ステップＳ５０２、ステップＳ６０３、ステップＳ５０４、ステップＳ５０５、ステップＳ６１６、ステップＳ６１８、ステップＳ５０８、ステップＳ５０９、ステップＳ５１０、ステップＳ５１１と進む。そして、徐々に蓄電装置８に充電が行われ、図７Ｄに示す現在充電量が増加する。図７Ｄに示す現在充電量がヒステリシス８０の範囲に入ると区間ｂ６に移る。

図７Ｃの区間ｂ６では、区間ｂ２と同様にステップＳ５０１、ステップＳ５０２、ステップＳ６０３、ステップＳ５０４、ステップＳ５０５、ステップＳ５０８、ステップＳ５１５と進む。これによりさらに蓄電装置８に充電が行われ、図７Ｄに示す現在充電量が増加し、使用範囲最大値７８を越えると区間ｂ７に状態が移る。

図７Ｃの区間ｂ７では、区間ｂ３と同様にステップＳ５０１、ステップＳ５０２、ステップＳ６０３、ステップＳ５０４、ステップＳ５０５、ステップＳ６１６、ステップＳ６１８、ステップＳ５０８、ステップＳ５０９、ステップＳ５１２、ステップＳ５１３と進む。そして、徐々に蓄電装置８から放電が行われることから図７Ｄに示す現在充電量が減少する。
次に、この間にステップＳ５０２で入手する運転モード２３がアシスト優先モード７３から回生優先モード７４に変わることで区間ｂ８に状態が移る。

図７Ｃの区間ｂ８では、図２のステップＳ５０１で、列車制御装置９は惰行運転と判断し、ステップＳ５０２に進む。次にステップＳ５０２では、列車制御装置９は運転モード２３を取得し、ステップＳ６０３に進む。なお、ここでは運転モード２３は回生優先モード７４となっている。ステップＳ６０３では、現在の車両位置に相当する基準充電量カーブの地点を求め、その時の基準充電量を目標充電量とすることから、基準充電量そのものを目標充電量とする。

次に、ステップＳ５０４に進む。ステップＳ５０４では、列車制御装置９はステップＳ５０２で入手した運転モード２３がアシスト優先モードであるかどうかを判断する。この場合、判断ステップＳ５０４で、運転モード２３はアシスト優先モードではないと判断されるので、ステップＳ５０６に進む。続いて、列車制御装置９は、ステップＳ５０２で入手した運転モード２３が回生優先モード７４であるかどうかを判断する（ステップＳ５０６）。判断ステップＳ５０６では、運転モード２３は回生優先モード７４であると判断され、ステップＳ５０７に進む。

ステップＳ５０７では、列車制御装置９は、目標充電量をステップＳ６０３で求めた目標充電量の５％下（運転モード考慮分７７）に再設定する。次に、列車制御装置９は、図７Ｄに示す現在充電量が使用範囲最小値７９より小さいか否かを判断する（ステップＳ６１７）。判断ステップＳ６１７で、現在充電量は使用範囲最小値７９より小さくないことがわかる。なお、判断ステップＳ６１７で、現在充電量は使用範囲最小値７９より小さいときは、目標充電量を使用範囲最小値７９とする（ステップＳ６１９）。

次にステップＳ５０８に進む。ステップＳ５０８では、この目標充電量と現在充電量の差の絶対値がヒステリシス８０の範囲外であるから、ステップＳ５０９に進む。ステップＳ５０９では、図７Ｂに示す目標充電量と図７Ｄに示す現在充電量を比較し、目標充電量が現在充電量より低いことからステップＳ５１２に進む。

ステップステップＳ５１２では、列車制御装置９は、動力発生装置（ディーゼルエンジン）２に対するエンジン出力指令２４を０とし、ステップＳ５１３に進む。さらにステップＳ５１３では、列車制御装置９は、チョッパ７に対する蓄電装置８への充放電指令２５（ここでは放電指令）を発する。これにより、徐々に蓄電装置８から放電が行われ、図７Ｄに示す現在充電量が減少する。

その後、列車制御装置９にブレーキを示すノッチ指令２１が供給されると制動に状態が移る。
図７Ｃの区間ｃ１は制動である。この場合、図２のステップＳ５０１で惰行運転もしくは定速運転もしくは停車中ではないと判断されるので、ステップＳ５１４に移る。ステップＳ５１４では、力行中であればエンジン出力指令２４を出力し、回生中であれば、エンジン出力指令２４を０とする。ここでは回生中のため、列車制御装置９は、動力発生装置（ディーゼルエンジン）２に対するエンジン出力指令２４を０とする。

図８は、他の鉄道車両制御装置の構成図である。
図８に示す鉄道車両制御装置のように、パラレルハイブリッド型の構成にしても上述したように蓄電装置８への充放電指令２５を制御することが可能である。すなわち、鉄道車両である車両１は、ディーゼルエンジン等の動力発生装置２（以下、エンジンと略称）あるいは電動機６あるいはその両方によってギヤ１３を介して車輪を駆動することで走行する。電動機６としては、３相交流電動機（誘導電動機又は同期電動機）が一般的である。

この３相交流電動機６に３相交流電力を給電するために、インバータ５が搭載されている。このインバータ５に対して、蓄電装置８からチョッパ７を介して直流電力が供給される。蓄電装置８は、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、鉛電池などのように充放電可能な電池等で構成されている。チョッパ７は、この蓄電装置８からインバータ５の直流側への放電、あるいはインバータ５の直流側から蓄電装置８への充電の双方向制御機能を持つ昇／降圧チョッパである。

また細線で示す制御系を説明する。列車制御装置９は、列車位置を計測する位置計測部１１から自車の位置２７を取得し、位置−基準充電量データベース１２から位置−基準充電量パターン２２を取得し、蓄電装置８から残充電量２６を取得し、運転モード定義データベース１４から運転モード２３を取得する。また、列車制御装置９は、動力発生装置２にエンジン出力指令２４を出力し、チョッパ７に充放電指令２５を出力する。これにより図１のシリーズハイブリッド型の構成と同等の制御を実現することができる。

さらに、通常、各駅間の走行時分は全ての車両１で同一ではないことから、駅間運転時分毎に位置−基準充電量パターン２２を持つことで、その運転時分に合わせた位置−基準充電量パターン２２を使用し、基準充電量パターンに近い運転を実施することが可能となる。

なお、上述した本実施の形態例に限らず、本発明の要旨を逸脱しない限り、適宜変更しうることは言うまでもない。

本発明の一実施の形態による鉄道車両制御装置の概略構成図である。 列車制御装置の処理フロー図である。 位置−基準充電量パターンの作成方法を示す図である。 基準ランカーブを基にした位置―基準充電量パターンの作成方法を示す図である。 走行時の具体的制御例を示す図である。 他の列車制御装置の処理フロー図である。 他の走行時の具体的制御例を示す図である。 他の鉄道車両制御装置の構成図である。

符号の説明

１…鉄道車両、２…動力発生装置（ディーゼルエンジン）、３…発電機、４…コンバータ、５…インバータ（電力変換装置）、６…主電動機、７…昇降圧チョッパ、８…蓄電装置（電池）、９…列車制御装置、１０…マスコン、１１…位置計測部、１２…位置−基準充電量データベース、１３…ギヤ、１４…運転モード定義データベース、２１…ノッチ指令、２２…位置−基準充電量パターン、２３…運転モード、２４…エンジン出力指令、２５…充放電指令、２６…残充電量、２７…位置

Claims (7)

1. 発電装置と、
   前記発電装置の電力を変換する第１の電力変換器と、
   前記第１の電力変換器によって変換された電力を蓄える蓄電装置と、
   前記第１の電力変換器の出力電力及び／又は前記蓄電装置の電力と、車両を駆動する電動機の電力とを相互に変換する第２の電力変換器と、
   前記発電装置並びに前記第１及び前記第２の電力変換器を制御する列車制御装置と、
   前記列車制御装置に駆動指令を出力するマスコンと、
   自車の位置を計測する位置計測部と、
   前記自車の位置に応じた前記蓄電装置の基準充電量パターンを格納し、前記基準充電量パターンに基づいて車両を駆動するシステムであって、
   前記列車制御装置は、
   前記駆動指令に対応する車両の走行パターンに基づいて予め定義された運転モードに従って、前記位置計測部が計測した自車の位置に応じた前記蓄電装置の基準充電量パターンから蓄電装置の目標充電量を決定し、
   前記蓄電装置の目標充電量となるように前記発電装置に対する出力指令及び前記蓄電装置に対する充放電指令を発生する
   ことを特徴とする車両駆動システム。
2. 請求項１の車両駆動システムにおいて、
   前記目標充電量の決定では、前記車両の走行パターンが惰行運転もしくは定速運転を行う際に、前記自車の位置に応じた前記蓄電装置の基準充電量パターンの惰行終点あるいは定速終点あるいは停止点のうち現在の車両位置に最も近い位置を求め、その位置の基準充電量を目標充電量とすることを特徴とする車両駆動システム。
3. 請求項１の車両駆動システムにおいて、
   前記目標充電量の決定では、前記車両の走行パターンが惰行運転もしくは定速運転を行う際に、前記自車の位置に応じた前記蓄電装置の基準充電量パターンの中で現在の車両位置と最も近い位置を求め、その位置の基準充電量を目標充電量とすることを特徴とする車両駆動システム。
4. 請求項１の車両駆動システムにおいて、
   前記運転モードは、求めた目標充電量から一定量を低下させたものを目標充電量とする回生優先モードと、求めた目標充電量から一定量を上昇させたものを目標充電量とするアシスト優先モードと、求めた目標充電量を用いて運転を行う通常運転モードの３つを有することを特徴とする車両駆動システム。
5. 請求項４の車両駆動システムにおいて、
   前記位置計測部から入手した自車の位置を元に、ブレーキ開始予測点の手前は前記運転モードを前記回生優先モードとし、低位の制限速度から高位の制限速度に移る前には前記運転モードを前記アシスト優先モードとし、どちらの条件にもあてはまらない場合には前記運転モードを前記通常運転モードとすることを特徴とする車両駆動システム。
6. 請求項１の車両駆動システムにおいて、
   前記発電装置は、ディーゼルエンジンなどの動力発生装置とその動力により発電する発電装置あるいは燃料電池であることを特徴とする車両駆動システム。
7. 請求項１の車両駆動システムにおいて、
   前記位置計測部はＧＰＳ装置あるいは列車の速度発電機あるいはその両者の組み合わせであることを特徴とする車両駆動システム。

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