JP2010011684A - 鉄道車両駆動システム - Google Patents

Abstract

【課題】シリーズハイブリッド方式の鉄道車両の駆動システムにおいて、蓄電手段の充放電電流の２乗平均値を小さくして、充放電電流による通流損失を最小限とすることにより蓄電手段の発熱を抑制する鉄道車両駆動システムを提供する。
【解決手段】システム統括制御部９は、運転台１１が出力する運転指令ＮＴＣ＿ｉｎｖ、速度演算部２０ｂが出力する電動機ロータ周波数ＦＲ＿ｍｔｒ、インバータ装置４が出力する駆動トルク情報ＴＲＱ＿ｉｎｖ、蓄電装置８が出力する電池セル温度ＴＭＰ＿ｂｔｒ、電池蓄電量ＳＯＣ＿ｂｔｒを入力として、エンジン装置１にエンジン出力指令ＮＴＣ＿ｅｎｇ、コンバータ装置３にコンバータ発電指令ＮＴＣ＿ｃｎｖを出力し、２次電池蓄電量を一定範囲内とするように、これらの機器の総合的な動作状態を制御する。充放電電流による通流損失を最小限とすることで、蓄電手段の安全性確保と長寿命化を実現する。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄道車両の駆動システムに係り、特に、発電手段と電力蓄積手段とを備え、この両手段から供給される電力を利用して鉄道車両を駆動する鉄道車両駆動システムに関する。

鉄道車両は、鉄の車輪がレール面上を転がることにより走行するため、走行抵抗が自動車に比べて小さいことが特徴である。特に、最近の電気鉄道車両では、制動時に主電動機を発電機として作用させることで制動力を得ると同時に、制動時に主電動機で発生する電気的エネルギを架線に戻して他車両の力行エネルギとして再利用する回生ブレーキ制御を行なっている。回生ブレーキを備える電気鉄道車両は、回生ブレーキを備えていない電気鉄道車両に比べて、約半分のエネルギ消費で走行することが可能とされており、走行抵抗が小さい鉄道車両の特徴を生かした省エネ手法といえる。

一方、輸送密度が小さい地方路線等は、架線、変電所等のインフラを必要としていない気動車（ディーゼルカー）を用いることによって、きめ細かな乗客サービスを低コストで実現している。しかし、気動車は、架線等、他車両にエネルギを渡す手段を備えていないため、電気鉄道車両のような回生エネルギの再利用は行なわれていなかった。このため、気動車で省エネルギを実現するためには、低燃費エンジンの開発に頼らざるを得ないと考えられていた。

気動車についても省エネルギを推進する方法の一つとして、エンジンと蓄電装置を組み合わせたハイブリッド気動車が考案された。ハイブリッド気動車は蓄電装置を設けることにより、制動時に発生する回生エネルギを蓄電装置で一旦吸収することが可能となり、この吸収した回生エネルギを力行時に必要なエネルギの一部として再利用することにより省エネルギを実現することができる。

ハイブリッドシステムの構成、制御方式については、例えば特許文献１において、鉄道車両駆動システムにおいて述べられている。図７には、特許文献１に開示されている鉄道車両の駆動システムが駆動装置の機器構成図として示されている。エンジン１０１は、制御装置１１１の運転指令Ｓｅに基づいた軸トルクを出力する。誘導発電機１０２は、エンジン１０１の軸トルクを入力としてこれを３相交流電力に変換して出力する。コンバータ装置１０３は、誘導発電機１０２から出力される３相交流電力を入力としてこれを直流電力に変換して出力する。ここで、コンバータ装置１０３は、制御装置１１１からの運転指令Ｓｃに基づいた直流電圧となるように電圧制御する。インバータ装置１０４は、コンバータ装置１０３から出力される直流電力を入力としてこれを３相交流電力に変換して出力する。誘導電動機１０５は、インバータ装置１０４が出力する３相交流電力を入力としてこれを軸トルクに変換して出力する。ここで、インバータ装置１０４は、誘導電動機１０５の出力トルクが制御装置１１１からの運転指令Ｓｉに基づいたトルクを出力するようにインバータ装置１０４の出力電圧及び交流電流周波数を可変制御する。減速機１０６は、誘導電動機１０５の軸トルク出力を回転数の減速により増幅して出力し、輪軸１０７を駆動して電気車を加減速する。

制御装置１１１は、蓄電装置１０８の内部状態信号Ｓｐ１を入力として、エンジン１０１に運転指令Ｓｅ、コンバータ装置１０３に運転指令Ｓｃ、インバータ装置１０４に運転指令Ｓｉ、遮断器１１４ａ，１１４ｂ，１１４ｃ，１１４ｄに動作指令Ｓｂ、蓄電装置１０８に動作指令Ｓｐ２を出力し、２次電池蓄電量を一定範囲内とするようにこれらの機器の総合的な動作状態を制御する。サービス電源用インバータ装置１１２は、コンバータ装置１０３とインバータ装置１０４間の直流電力を入力としてこれを３相交流電力に変換して出力する。更に、サービス電源用変圧器１１３は、この３相交流電力を電気車の照明や空調機等に供給されるサービス電源電圧に調整して各サービス機器に供給する。

ところで、ハイブリッド気動車では、蓄電装置を用いることで、様々なメリットを実現できる。例えば、停車・低速時はエンジン発電を停止し、蓄電装置の出力のみで走行することで、アイドルストップによる駅構内静音化を実現できる。また、走行中には、エンジン発電を最大エンジン効率点で定出力（定電力）運転して、インバータ消費電力（力行電力）に対する過不足分を蓄電装置の充放電電力で負担することにより、システムの省エネルギを実現できる。一方で、車載する蓄電装置の大きさはできるだけ小さくする要求があるため、蓄電装置の充放電性能は必要最小限とすることが多い。このとき、蓄電装置の充放電電流は最大仕様電流付近まで使用する。

このようなハイブリッド気動車において、蓄電装置の発熱が課題となる場合がある。蓄電装置には、２次電池、キャパシタ等の種類があるが、いずれも電気機器としての内部損失が存在する。例えば、２次電池の場合では、主に電池セルの電極材と電解液の間でイオン収受するときに電気的な内部損失（内部抵抗）が発生する。即ち、蓄電装置を急速に充放電しようとすると、蓄電装置の内部抵抗の影響で発熱が大きくなる傾向がある。蓄電装置には、安全な動作を保障する使用温度範囲、また所定の性能を満足できる使用温度範囲が、それぞれ装置の仕様として決まっていることが一般的である。これらの使用温度範囲の上限を超えて蓄電装置を稼動することは、蓄電装置が故障する原因となり、また、蓄電装置の寿命を早める原因となるため避けなければならない。
特開２００４−２８２８５９号公報

一般的に抵抗による発熱は流れる電流値の２乗に比例する。蓄電装置の内部抵抗をＲ、蓄電装置の充電電流をＩ、発熱量をＱとすると、Ｑ＝Ｒ×Ｉ²の関係が成り立つ。このことから、充放電電流の２乗平均値を小さくすれば蓄電装置の発熱量Ｑを低減できるといえる。ハイブリッド気動車では、所定のインバータ消費電力（力行電力）を、エンジン発電電力と蓄電装置の充放電電力で負担している。即ち、エンジン発電電力をインバータ消費電力とほぼ等しくなるように調整すれば、蓄電装置の充放電電流の２乗平均値を低減できる。

本発明の目的は、エンジンにより駆動される発電手段に蓄電手段を組み合わせ、その両者により供給される直流電力をインバータ装置で交流電力に変換し、モータを駆動するシリーズハイブリッド方式の鉄道車両の駆動システムにおいて、蓄電手段の充放電電流の２乗平均値を小さくして、充放電電流による通流損失を最小限とすることにより蓄電手段の発熱を抑制し、蓄電手段の安全性確保と長寿命化を実現できる鉄道車両の駆動システムを提供することにある。

本発明の鉄道車両駆動システムでは、まず、電動機の回転速度情報と、インバータ装置内で演算する電動機の駆動トルク情報をもとに、誘導電動機の駆動出力、即ちインバータ消費電力を算出する。また、蓄電装置の蓄電量が、充電許容限界（蓄電量の上限）に対して十分小さく、かつ放電許容限界（蓄電量の下限値）に対して十分大きい状態では、インバータ消費電力に応じて蓄電装置の充放電電流の２乗平均値を低減することにより、蓄電装置の発熱を抑える電池温度抑制制御を行う。この電池温度抑制制御は、エンジン発電電力の調整により実現する。即ち、本発明の鉄道車両の駆動システムは、電動機の回転情報と、電動機の駆動トルク情報、蓄電装置の蓄電量を取得する手段と、電動機の回転情報、電動機の駆動トルク情報、蓄電装置の蓄電量に応じて、電池の充放電を制御する手段、つまりエンジン発電電力を調整する手段を備える。

ところで、この電池温度抑制制御では、省エネルギ、エンジン停止による静音化等、ハイブッド気動車特有のメリットは必ずしも享受できない。このため、前述した電池温度抑制制御は、内部温度が所定値を超えたときに動作する。即ち、本発明の鉄道車両の駆動システムは、蓄電装置の内部温度情報を取得する手段と、内部温度情報に基づいて蓄電装置の充放電電流制御を変更する手段を備えることにより実現する。

この発明による鉄道車両駆動システムは、エンジンにより駆動される発電手段が発生する交流電力を直流電力に変換するコンバータ手段を有する直流電力発生手段と、前記直流電力を交流電力に変換するインバータ手段と、前記直流電力を充電及び放電する機能を持つ蓄電手段と、これらの各手段を制御する第一の制御手段と、鉄道車両を駆動する電動機を備え、前記第一の制御手段は、前記電動機の回転速度情報と、前記インバータ手段が出力する駆動トルク情報と、前記蓄電手段が出力する蓄電量情報と、前記蓄電手段が出力する温度情報に応じて、前記蓄電手段に充放電する電流を制御することを特徴としている。また、この鉄道車両駆動システムにおいて、前記第一の制御手段は、蓄電量手段に充放電する電流の制御について、前記直流電力発生手段による発電電力を調整することにより、前記蓄電手段に充放電する電流の２乗平均値を低減することを特徴としている。

また、この発明による鉄道車両駆動システムは、エンジンにより駆動される発電手段が発生する交流電力を直流電力に変換するコンバータ手段を有する直流電力発生手段と、前記直流電力を交流電力に変換するインバータ手段と、前記直流電力を充電及び放電する機能を持つ蓄電手段と、これらの各手段を制御する第一の制御手段と、鉄道車両を駆動する電動機を備え、前記第一の制御手段は、前記蓄電手段が出力する温度情報が所定値を超えている期間においては、前記電動機の回転速度情報と、前記インバータ手段が出力する駆動トルク情報と、前記蓄電手段が出力する蓄電量情報に応じて、前記蓄電手段に充放電する電流を制御することを特徴としている。また、この鉄道車両駆動システムにおいて、前記第一の制御手段は、蓄電量手段に充放電する電流の制御について、前記直流電力発生手段による発電電力を調整することにより、前記蓄電手段に充放電する電流の２乗平均値を低減することを特徴としている。

この鉄道車両駆動システムによれば、電動機の回転速度情報と、インバータ手段が出力する駆動トルク情報と、蓄電手段が出力する蓄電量情報と、更に蓄電手段が出力する温度情報に応じて、或いは蓄電手段が出力する温度情報が所定値を超えている期間において、蓄電手段に充放電する電流を制御するので、充放電電流による通流損失を少なくすることができ、更にまた、蓄電手段の充放電電流の２乗平均値を小さくすることにより、充放電電流による通流損失を最小限として、蓄電手段の発熱を抑制し、蓄電手段の安全性確保と長寿命化を実現する。

以下、本発明による鉄道車両の駆動システムの実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明による鉄道車両の駆動システムにおける一実施形態の構成を示す図である。

エンジン装置１は、システム統括制御部９のエンジン出力指令ＮＴＣ＿ｅｎｇに基づいた軸出力を発生する。発電機２は、エンジン装置１の軸出力を動力として、これを３相交流電力に変換して出力する。コンバータ装置３は、発電機２が発生する３相交流電力を入力として、これを直流電力に変換して出力する。ここで、コンバータ装置３は、システム統括制御部９が出力するコンバータ発電指令ＮＴＣ＿ｃｎｖに基づいた発電電力となるように制御する。また、速度検出器１０ａは発電機２に付属していて、エンジン装置１と発電機２を結合する回転軸の回転速度に基づいた速度パルス信号ＰＬＳ＿ｇｅｎを出力する。速度演算部２０ａは、速度パルス信号ＰＬＳ＿ｇｅｎをもとに、発電機２の回転速度情報ＦＲ＿ｇｅｎを演算して、エンジン装置１及びコンバータ装置３に入力する。

インバータ装置４は、コンバータ装置３が出力する直流電力を入力として、これを３相交流電力に変換して出力する。電動機５は、インバータ装置４が出力する３相交流電力を入力として、これを軸トルクに変換して出力する。ここで、インバータ装置４は、運転台１１が出力する運転指令ＮＴＣ＿ｉｎｖに基づいて、電動機５の軸トルク又は軸出力を発生するように、インバータ装置４の出力電圧及び交流電流の周波数を可変制御する。減速機６は、電動機５の回転速度を、異なる歯数の歯車の組合せ等で減速して、それにより増幅した軸トルクで輪軸７を駆動して車両を加減速する。また、速度検出器１０ｂは電動機５に付属していて、電動機５と減速機６を結合する回転軸の回転速度に基づいた速度パルス信号ＰＬＳ＿ｍｔｒを出力する。速度演算部２０ｂは、速度パルス信号ＰＬＳ＿ｍｔｒをもとに、電動機５の回転速度情報ＦＲ＿ｍｔｒを演算し、インバータ装置４及びシステム統括制御部９に入力する。

システム統括制御部９は、運転台１１が出力する運転指令ＮＴＣ＿ｉｎｖ、速度演算部２０ｂが出力する電動機ロータ周波数ＦＲ＿ｍｔｒ、インバータ装置４が出力する駆動トルク情報ＴＲＱ＿ｉｎｖ、蓄電装置８が出力する電池セル温度ＴＭＰ＿ｂｔｒ、電池蓄電量ＳＯＣ＿ｂｔｒを入力として、エンジン装置１にエンジン出力指令ＮＴＣ＿ｅｎｇ、コンバータ装置３にコンバータ発電指令ＮＴＣ＿ｃｎｖを出力し、２次電池蓄電量を一定範囲内とするように、これらの機器の総合的な動作状態を制御する。

補機電源用インバータ装置２４は、コンバータ装置３とインバータ装置４との間に位置する直流電力を入力として、これを３相交流電力に変換して出力する。更に、補機電源用変圧器２５は、この３相交流電力を電気車の照明や空調機等に供給するサービス電源電圧に調整して、各サービス機器に供給する。

この構成によれば、電動機５の回転速度情報ＦＲ＿ｍｔｒ、インバータ装置４が出力する駆動トルク情報ＴＲＱ＿ｉｎｖ、蓄電装置８が出力する電池セル温度ＴＭＰ＿ｂｔｒ、及び電池蓄電量ＳＯＣ＿ｂｔｒに応じて、エンジン装置１にエンジン出力指令ＮＴＣ＿ｅｎｇ、コンバータ装置３にコンバータ発電指令ＮＴＣ＿ｃｎｖを出力して、エンジン発電電力を調整することにより、電池の充放電を制御することができる。即ち、蓄電装置の充放電電流の２乗平均値を小さくして、充放電電流による通流損失を最小限とすることにより蓄電装置の発熱を抑制し、蓄電装置の安全性確保と長寿命化を実現できる鉄道車両の駆動システムを実現できる。

図２は、本発明の鉄道車両の駆動システムにおける一実施形態の構成の詳細を示す図である。エンジン装置１は少なくともエンジン１２とエンジン制御装置１３で構成されている。エンジン制御装置１３は、システム統括制御部９が出力するエンジン出力信号ＮＴＣ＿ｅｎｇ、速度演算部２０ａが出力する発電機ロータ周波数ＦＲ＿ｇｅｎを入力として、エンジン１２の軸出力がシステム統括制御部９のエンジン出力指令ＮＴＣ＿ｅｎｇに追従するように、エンジン１２に対してエンジン制御信号Ｆ＿ｅｎｇを出力する。発電機２は、エンジン１２の軸出力を動力として、これを３相交流電力に変換して出力する。

コンバータ装置３は、少なくともコンバータ主回路１４、電流検出器１６ａ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｅ、フィルタコンデンサ１７ａ、抵抗器１８ａ、電圧検出器１９ａ、速度演算部２０ａ、電流指令生成部２１ａ、ＰＷＭ制御部２２ａを備えている。

コンバータ主回路１４は、発電機２が発生する３相交流電力を入力として、ＰＷＭ制御部２２ａが出力する電圧指令ＶＰ＿ｃｎｖに従い、前述の３相交流電力を直流電力に変換して出力する。電流検出器１６ｃ，１６ｄ，１６ｅは、前述の３相交流電流の各相電流Ｉｕ１，Ｉｖ１，Ｉｗ１を検出する。フィルタコンデンサ１７ａは、コンバータ主回路１４で変換された直流電力の電流脈動を平滑する。電流検出器１６ａは前記直流電力部の電流値Ｉｓ１を検出する。抵抗器１８ａは前記直流電力の電流値Ｉｓ１を分流して、これをもとに電圧検出器１９ａは前記直流電力の電圧値Ｅｃｆ１を検出する。

また、速度検出器１０ａは発電機２に付属していて、エンジン装置１と発電機２を結合する回転軸の回転速度に基づいた速度パルス信号ＰＬＳ＿ｇｅｎを出力する。速度演算部２０ａは、速度パルス信号ＰＬＳ＿ｇｅｎをもとに、発電機２の回転速度情報ＦＲ＿ｇｅｎを演算し、エンジン制御装置１３、電流指令生成部２１ａ、及びＰＷＭ制御部２２ａに入力する。電流指令生成部２１ａは、システム統括制御部９が出力するコンバータ発電指令ＮＴＣ＿ｃｎｖと、速度演算部２０ａが出力する発電機２の回転速度情報ＦＲ＿ｇｅｎを入力として、発電機２がコンバータ発電指令ＮＴＣ＿ｃｎｖに基づいた定電力発電を行うためのベクトル制御電流指令Ｉｄｐ＿ｃｎｖ，Ｉｑｐ＿ｃｎｖを算出して出力する。ＰＷＭ制御部２２ａは前述の３相交流電流の各相電流Ｉｕ１，Ｉｖ１，Ｉｗ１、発電機２の回転速度情報ＦＲ＿ｇｅｎ、前記直流電力部の電流値Ｉｓ１、同じく電圧値Ｅｃｆ１、ベクトル制御電流指令Ｉｄｐ＿ｃｎｖ，Ｉｑｐ＿ｃｎｖを入力として、コンバータ主回路１４を駆動する電圧指令ＶＰ＿ｃｎｖを演算して出力する。

インバータ装置４は、少なくともインバータ主回路１５、電流検出器１６ｂ，１６ｆ，１６ｇ，１６ｈ、フィルタコンデンサ１７ｂ、抵抗器１８ｂ、電圧検出器１９ｂ、速度演算部２０ｂ、電流指令生成部２１ｂ、ＰＷＭ制御装置２２ｂの構成要素を含む。

インバータ主回路１５は、コンバータ装置３が出力する直流電力を入力として、ＰＷＭ制御部２２ｂが出力する電圧指令ＶＰ＿ｉｎｖに従い、前述の直流電力を３相交流電力に変換して出力する。抵抗器１８ｂは前記直流電力の電流値Ｉｓ２を分流して、これをもとに電圧検出器１９ｂは前述した直流電力の電圧値Ｅｃｆ２を検出する。電流検出器１６ｂは前述の直流電力部の電流値Ｉｓ２を検出する。フィルタコンデンサ１７ｂは、インバータ主回路１５に入力される直流電力の電流脈動を平滑する。電流検出器１６ｆ，１６ｇ，１６ｈは、前述の３相交流電流の各相電流Ｉｕ２，Ｉｖ２，Ｉｗ２を検出する。

速度演算部２０ｂは、速度パルス信号ＰＬＳ＿ｍｔｒをもとに、電動機５の回転速度情報ＦＲ＿ｍｔｒを演算し、システム統括制御部９、電流指令発生器２１ｂ及びＰＷＭ制御部２２ｂに入力する。電流指令生成部２１ｂは、運転台１１が出力する運転指令ＮＴＣ＿ｉｎｖと、速度演算部２０ｂが出力する発電機２の回転速度情報ＦＲ＿ｍｔｒを入力として、運転指令ＮＴＣ＿ｉｎｖに基づいて、電動機５の軸トルク又は軸出力を発生するように、力行又は発電制動トルクを制御するベクトル制御電流指令Ｉｄｐ＿ｉｎｖ、Ｉｑｐ＿ｉｎｖを算出して出力する。ＰＷＭ制御部２２ｂは前述の３相交流電流の各相電流Ｉｕ２，Ｉｖ２，Ｉｗ２、電動機５の回転速度情報ＦＲ＿ｍｔｒ、前述した直流電力部の電流値Ｉｓ２、同じく電圧値Ｅｃｆ２、ベクトル制御電流指令Ｉｄｐ＿ｉｎｖ，Ｉｑｐ＿ｉｎｖを入力として、インバータ主回路１５の出力電圧及び交流電流周波数を可変制御するＶＰ＿ｉｎｖを演算して出力する。

減速機６は、電動機５の回転速度を、異なる歯数の歯車の組合せ等で減速して、それにより増幅した軸トルクで輪軸７を駆動して車両を加減速する。また、速度検出器１０ｂは電動機５に付属していて、電動機５と減速機６を結合する回転軸の回転速度に基づいた速度パルス信号ＰＬＳ＿ｍｔｒを出力する。

システム統括制御部９は、運転台１１が出力する運転指令ＮＴＣ＿ｉｎｖ、速度演算部２０ｂが出力する電動機ロータ周波数ＦＲ＿ｍｔｒ、インバータ装置４が出力する駆動トルク情報ＴＲＱ＿ｉｎｖ、蓄電装置８が出力する電池セル温度ＴＭＰ＿ｂｔｒ、電池蓄電量ＳＯＣ＿ｂｔｒを入力として、エンジン制御装置１３にエンジン出力指令ＮＴＣ＿ｅｎｇ、電流指令生成部２１ａにコンバータ発電指令ＮＴＣ＿ｃｎｖを出力して、２次電池蓄電量を一定範囲内とするように、これらの機器の総合的な動作状態を制御する。

補機電源用インバータ装置２４は、コンバータ装置３とインバータ装置４の間に位置する直流電力を入力として、これを３相交流電力に変換して出力する。更に、補機電源用変圧器２５は、この３相交流電力を電気車の照明や空調機等に供給するサービス電源電圧に調整して、各サービス機器に供給する。

この構成によれば、電動機５の回転速度情報ＦＲ＿ｍｔｒ、インバータ装置４が出力する駆動トルク情報ＴＲＱ＿ｉｎｖ、蓄電装置８が出力する電池セル温度ＴＭＰ＿ｂｔｒ、電池蓄電量ＳＯＣ＿ｂｔｒに応じて、エンジン装置１にエンジン出力指令ＮＴＣ＿ｅｎｇ、コンバータ装置３にコンバータ発電指令ＮＴＣ＿ｃｎｖが出力されて、エンジン発電電力を調整することにより、電池の充放電を制御することができる。即ち、蓄電装置の充放電電流の２乗平均値を小さくして、充放電電流による通流損失を最小限とすることにより蓄電装置の発熱を抑制し、蓄電装置の安全性確保と長寿命化を実現できる鉄道車両の駆動システムを実現することができる。

図３は、本発明の鉄道車両の駆動システムの一実施形態におけるシステム統括制御部９の制御機能を示すブロック図である。

図示しないＰＷＭ制御部２２ｂが出力するインバータトルクＴＲＱ＿ｉｎｖと、速度演算部２０ｂが出力する回転速度情報としての主電動機ロータ周波数ＦＲ＿ｍｔｒを乗算器２７ａで乗算して、更にインバータ電力換算係数Ｇａｉｎ＿ＰＷＲを乗算器２７ｂで乗算することにより、インバータ電力ＰＷＲ＿ｉｎｖを算出する。

比較器２８ｂはインバータ電力ＰＷＲ＿ｉｎｖを入力として、発電１Ｎ許可フラグＮＴＣ＿ｅｎｇ＿１３を出力する。ここで、発電１Ｎ許可信号ＮＴＣ＿ｅｎｇ＿１３が「０」の状態から、インバータ電力ＰＷＲ＿ｉｎｖがＡ０を上回ったとき、発電１Ｎ許可フラグＮＴＣ＿ｅｎｇ＿１３は「１」に遷移する。また、発電１Ｎ許可フラグＮＴＣ＿ｅｎｇ＿１３が「１」の状態から、インバータ電力ＰＷＲ＿ｉｎｖがＡ１を下回ったとき、発電１Ｎ許可フラグＮＴＣ＿ｅｎｇ＿１３は「０」に遷移する。

比較器２８ｃはインバータ電力ＰＷＲ＿ｉｎｖを入力として、発電２Ｎ許可フラグＮＴＣ＿ｅｎｇ＿２３を出力する。ここで、発電２Ｎ許可フラグＮＴＣ＿ｅｎｇ＿２３が「０」の状態から、インバータ電力ＰＷＲ＿ｉｎｖがＢ０を上回ったとき、発電２Ｎ許可フラグＮＴＣ＿ｅｎｇ＿２３は「１」に遷移する。また、発電２Ｎ許可フラグＮＴＣ＿ｅｎｇ＿２３が「１」の状態から、インバータ電力ＰＷＲ＿ｉｎｖがＢ１を下回ったとき、発電２Ｎ許可フラグＮＴＣ＿ｅｎｇ＿２３は「０」に遷移する。

比較器２８ｄはインバータ電力ＰＷＲ＿ｉｎｖを入力として、発電３Ｎ許可フラグＮＴＣ＿ｅｎｇ＿３３を出力する。ここで、発電３Ｎ許可フラグＮＴＣ＿ｅｎｇ＿３３が「０」の状態から、インバータ電力ＰＷＲ＿ｉｎｖがＣ０を上回ったとき、発電３Ｎ許可フラグＮＴＣ＿ｅｎｇ＿３３は「１」に遷移する。また、発電３Ｎ許可フラグＮＴＣ＿ｅｎｇ＿３３が「１」の状態から、インバータ電力ＰＷＲ＿ｉｎｖがＣ１を下回ったとき、発電３Ｎ許可フラグＮＴＣ＿ｅｎｇ＿３３は「０」に遷移する。

比較器２８ａは、図示していない蓄電装置８が出力する、二次電池セル温度ＴＭＰ＿ｂｔｒを入力として、電池温度上昇フラグＦＬＧ＿Ｈｉｇｈ＿Ｔｍｐを出力する。ここで、電池温度上昇フラグＦＬＧ＿Ｈｉｇｈ＿Ｔｍｐが「０」の状態から、二次電池セル温度ＴＭＰ＿ｂｔｒがＴ０を上回ったとき、電池温度上昇フラグＦＬＧ＿Ｈｉｇｈ＿Ｔｍｐは「１」に遷移する。また、電池温度上昇フラグＦＬＧ＿Ｈｉｇｈ＿Ｔｍｐが「１」の状態から、二次電池セル温度ＴＭＰ＿ｂｔｒがＴ１を下回ったとき、電池温度上昇フラグＦＬＧ＿Ｈｉｇｈ＿Ｔｍｐは「０」に遷移する。

エネルギ管理制御部２３は、前述の主電動機ロータ周波数ＦＲ＿ｍｔｒと、図示していない蓄電装置８が出力する二次電池蓄電量ＳＯＣ＿ｂｔｒと、図示していない運転台１１が出力する運転指令（力行／制動ノッチ）ＮＴＣ＿ｉｎｖを入力として、温度抑制制御許可フラグＥＢＬ＿Ｔｍｐ＿Ｃｔｒｌと、発電１ＮフラグＮＴＣ＿ｅｎｇ＿１１、発電２ＮフラグＮＴＣ＿ｅｎｇ＿２１、発電３ＮフラグＮＴＣ＿ｅｎｇ＿３１を出力する。

論理積回路２９ａは、温度抑制制御許可フラグＥＢＬ＿Ｔｍｐ＿Ｃｔｒｌと、発電１Ｎ許可フラグＮＴＣ＿ｅｎｇ＿１３と、電池温度上昇フラグＦＬＧ＿Ｈｉｇｈ＿Ｔｍｐを入力とし、これらの論理積として電池温度抑制発電１Ｎ許可フラグＮＴＣ＿ｅｎｇ＿１２を出力する。論理積回路２９ｂは、温度抑制制御許可フラグＥＮＢ＿Ｔｍｐ＿Ｃｔｒｌと、発電２Ｎ許可フラグＮＴＣ＿ｅｎｇ＿２３と、温度上昇フラグＦＬＧ＿Ｈｉｇｈ＿Ｔｍｐを入力とし、これらの論理積として電池温度抑制発電２Ｎ許可フラグＮＴＣ＿ｅｎｇ＿２２を出力する。論理積回路２９ｃは、温度抑制制御許可フラグＥＢＬ＿Ｔｍｐ＿Ｃｔｒｌと、発電３Ｎ許可フラグＮＴＣ＿ｅｎｇ＿３３と、電池温度上昇フラグＦＬＧ＿Ｈｉｇｈ＿Ｔｍｐを入力とし、これらの論理積として電池温度抑制発電３Ｎ許可フラグＮＴＣ＿ｅｎｇ＿３２を出力する。

論理和回路３０ａは、論理積回路２９ａが出力する電池温度抑制発電１Ｎ許可フラグＮＴＣ＿ｅｎｇ＿１２と、エネルギ管理制御部２３が出力する発電１ＮフラグＮＴＣ＿ｅｎｇ＿１１を入力として、これらの論理和として発電１Ｎ指令を出力する。論理和回路３０ｂは、論理積回路２９ｂが出力する電池温度抑制発電２Ｎ許可フラグＮＴＣ＿ｅｎｇ＿２２と、エネルギ管理制御部２３が出力する発電２ＮフラグＮＴＣ＿ｅｎｇ＿２１を入力として、これらの論理和として発電２Ｎ指令を出力する。論理和回路３０ｃは、論理積回路２９ｃが出力する電池温度抑制発電３Ｎ許可フラグＮＴＣ＿ｅｎｇ＿３２と、エネルギ管理制御部２３が出力する発電３ＮフラグＮＴＣ＿ｅｎｇ＿３１を入力として、これらの論理和として発電３Ｎ指令を出力する。

この構成によれば、システム統括制御部９は、電動機５の回転速度情報（主電動機ロータ周波数）ＦＲ＿ｍｔｒ、インバータ装置４が出力する駆動トルク情報（インバータトルク）ＴＲＱ＿ｉｎｖ、蓄電装置８が出力する電池セル温度（２次電池セル温度）ＴＭＰ＿ｂｔｒ、電池蓄電量（２次電池蓄電量）ＳＯＣ＿ｂｔｒに応じて、エンジン装置１とコンバータ装置３に発電１Ｎ指令ＮＴＣ＿ｅｎｇ＿１、発電２Ｎ指令ＮＴＣ＿ｅｎｇ＿２、発電３Ｎ指令ＮＴＣ＿ｅｎｇ＿３を出力して、エンジン発電電力を調整することにより、電池の充放電を制御することができる。即ち、蓄電装置の充放電電流の２乗平均値を小さくして、充放電電流による通流損失を最小限とすることにより蓄電装置の発熱を抑制し、蓄電装置の安全性確保と長寿命化を実現できる鉄道車両の駆動システムを実現できる。

図４は、本発明の鉄道車両の駆動システムの一実施形態における制御動作を示す図である。図４の横軸は時間の経過を示しており、縦軸は下から順にエンジン発電電力（Ｅｎｇｉｎｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｐｏｗｅｒ）、車両速度（Ｖｅｈｉｃｌｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ）、電池充放電電力（Ｂａｔｔｅｒｙ ｐｏｗｅｒ）、電池充放電電力とエンジン発電電力の協調動作（Ｃｏｎｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｂａｔｔｅｒｙ ａｎｄ ｅｎｇｉｎｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｐｏｗｅｒ）を示している。
即ち、図４は、本発明の鉄道車両の駆動装置により、車両が速度零から力行し（Ｐｏｗｅｒｉｎｇ）、ある時間惰行（Ｃｏａｓｔｉｎｇ）した後、停止まで減速（Ｂｒａｋｉｎｇ）したときの、エンジン発電出力と、電池充放電電力の出力管理制御の一例を示す模式図である。

まず、時間Ｔ０では、車両は停止状態、即ち速度零である。
その後、速度零からの起動（加速開始）により、車両を駆動するためのエンジン発電電力をＰ＿Ｅ１とする。起動直後は、力行電力、即ちインバータ装置４の消費電力はほぼ零であり、エンジン発電電力Ｐ＿Ｅ１の多くは電池に充電される。加速に伴い力行電力は増加し、力行電力がエンジン発電電力Ｐ＿Ｅ１を上回ると、その不足分が電池の放電電力により供給される。

更に加速していくと、エンジン発電電力Ｐ＿Ｅ１に対して力行電力の不足分を補う電池の放電電力も増えていき、時間Ｔ１に放電電力はＰ＿Ｄ１に達する。このまま力行を続けると、電池の放電電力はＰ＿Ｄ１を超えるが、時間Ｔ１からエンジン発電電力をＰ＿Ｅ２に変更する。ここで、エンジン発電電力Ｐ＿Ｅ１とＰ＿Ｅ２、また、電池放電電力Ｐ＿Ｄ１と、エンジン発電電力Ｐ＿Ｅ２には下記の関係が成り立つものとする。
Ｐ＿Ｅ１＜Ｐ＿Ｅ２ （数式１）
Ｐ＿Ｄ１＜Ｐ＿Ｅ２ （数式２）
即ち、時間Ｔ１でＰ＿Ｅ２のエンジン発電を始めることにより、電池への充放電電力は、Ｐ＿Ｄ１の放電からＰ＿Ｄ１−Ｐ＿Ｅ２（＜０、負値は充電を示す）の充電に転じる。

時間Ｔ１から更に力行を続けると、速度が増えるに従い、力行電力、即ち電池の放電電力も増えていき、時間Ｔ２に放電電力はＰ＿Ｄ２に達する。このまま力行を続けると、電池の放電電力はＰ＿Ｄ２を超えるが、時間Ｔ２からエンジン発電電力をＰ＿Ｅ２からＰ＿Ｅ３に変更する。ここで、エンジン発電電力Ｐ＿Ｅ２とＰ＿Ｅ３、また、電池放電電力Ｐ＿Ｄ２と、エンジン発電電力Ｐ＿Ｅ３には下記の関係が成り立つものとする。
Ｐ＿Ｅ２＜Ｐ＿Ｅ３ （数式３）
Ｐ＿Ｄ２＜Ｐ＿Ｅ３ （数式４）
即ち、時間Ｔ２でエンジン発電電力をＰ＿Ｅ３とすることにより、電池への充放電電力はＰ＿Ｄ２の放電からＰ＿Ｄ２−Ｐ＿Ｅ３（＜０、負値は充電を示す）の充電に転じる。

時間Ｔ２から更に力行を続けると、時間Ｔ３で最大力行電力Ｐ＿ｍａｘに達する。電池放電電力は、時刻Ｔ３でＰ＿Ｄ３（＝Ｐ＿ｍａｘ−Ｐ＿Ｅ３）が最大となる。
このように、車両の加速に従い、エンジン発電電力を切替えて、電池充放電電力を制御することにより、電池から放電、あるいは電池に充電する電流（電力／電圧）の振幅を低減できる。電池の内部抵抗Ｒ＿ｂａｔによる発熱量は、内部抵抗Ｒ＿ｂａｔと、通流する電流Ｉ＿ｂａｔの２乗値の積（Ｒ＿ｂａｔ×Ｉ＿ｂａｔ²）によるため、電池から放電、あるいは電池に充電する電流（電力／電圧）の振幅を低減することにより、電池からの発熱も低減できる。

以上説明した電池温度抑制制御によれば、蓄電装置の充放電電流の２乗平均値を小さくして、充放電電流による通流損失を最小限とすることにより蓄電装置の発熱を抑制し、蓄電装置の安全性確保と長寿命化を実現できる鉄道車両の駆動システムを実現できる。

図５は、本発明による鉄道車両の駆動システムにおける蓄電量管理制御の詳細を示す図である。図５において、横軸は車両速度、縦軸は蓄電量を示している。充電許容限界線は蓄電装置における物理的あるいは安全上の理由から、これ以上充電しないために設定する蓄電量の限界値、同じく放電許容限界線は蓄電装置における物理的あるいは安全上の理由から、これ以上放電しないために設定する蓄電量の限界値である。

蓄電量管理基準パターン（１）、蓄電量管理基準パターン（２）は、典型的なモデル区間を走行したときの、蓄電装置における蓄電量の増減を示している。具体的には、力行により運動エネルギに変換される蓄電エネルギ分だけ、蓄電量管理基準パターンは減少し、回生ブレーキにより運動エネルギから変換される蓄電エネルギ分だけ、蓄電量管理基準パターンが増加する。即ち、ある速度で見たとき、蓄電量管理基準パターン（１）、蓄電量管理基準パターン（２）の値と、その速度における運動エネルギの和は概ね一定である。

ところで、蓄電量管理基準パターン（１）は速度Ｖｍａｘのときに放電許容限界線と一致するように設定する。同じく管理基準パターン（２）は速度零のときに充電許容限界線と一致するように設定する。ここでＶｍａｘは車両としての最高運転速度に設定することが考えられる。
なお、典型的なモデル区間としては、実路線を平均化した勾配零の理想区間とすることが考えられるが、実路線データに基づいて複数の蓄電量管理基準パターン（１）、蓄電量管理基準パターン（２）決定し、走行線区に応じてこれらを切り換えることで、より効率的に蓄電量管理できると考えられる。

（領域Ａ）：蓄電量管理基準パターン（１）、（２）に挟まれた領域に実蓄電量がある場合
領域Ａは、その速度における蓄電量が理想状態である領域として定義する。このため、車両の走行状態にかかわらず、常に電力を消費する補機消費電力分及び走行損失（車両抵抗、機器損失等）を補える平均的な電力としてエンジン発電電力（コンバータ出力）Ｐ＿ａを発生する。この時の発電電力は平均的な走行パターンを想定した走行シミュレーションで決定するが、実際の走行中にリアルタイムで予測演算することもできる。
ただし、駅出発直後等の低速域（速度Ｖａ未満）は、力行に必要な電力が小さい。このため、駅構内の静穏化も考慮して、エンジン発電（コンバータ出力）することなく蓄電装置の出力だけで力行する。

（領域Ｂ）：蓄電量管理基準パターン（１）よりも実蓄電量が少ない場合
領域Ｂは、その速度における蓄電量が理想状態に対して不足している領域として定義する。このため、蓄電量管理基準パターン（１）と蓄電装置実蓄電量との差分値に基づいてエンジン発電電力（コンバータ出力）をＰ＿ｂに変更して蓄電装置への充電を促進する。ここで、エンジン発電電力Ｐ＿ｂは上記（領域Ａ）で設定したエンジン発電電力Ｐ＿ａよりも大きくする。

（領域Ｃ）：蓄電量管理基準パターン（２）に対して実蓄電量が多い場合
領域Ｃは、その速度における蓄電量が理想状態に対して超過している領域として定義する。このため、蓄電量管理基準パターン（１）と蓄電装置実蓄電量との差分値に基づいてエンジン発電電力（コンバータ出力）をＰ＿ｃに変更（あるいはエンジン停止）して蓄電装置の放電を促進する。ここで、エンジン発電電力Ｐ＿ｃは、上記（領域Ａ）で設定したエンジン発電電力Ｐ＿ａよりも大きくする。

これら、（領域Ａ）、（領域Ｂ）、（領域Ｃ）に応じて、エンジン発電電力（コンバータ出力）を制御することにより、蓄電装置実蓄電量を蓄電量管理基準パターン（１）と蓄電量管理基準パターン（２）に挟まれた領域内（蓄電量管理基準領域）に引き戻すように制御し、その速度に蓄電量の理想状態に近づく制御を実現する。

図６は、本発明による鉄道車両の駆動システムにおける蓄電量管理制御の各機器の動作を示す図である。
車両速度と蓄電状態の関係が、図５で示した（領域Ａ）（領域Ｂ）（領域Ｃ）の各領域にあるときに、運転台からの運転指令（「惰行・停車」、「力行」、「停止ブレーキ」、及び「抑速ブレーキ」）に応じてコンバータ／エンジン（ＣＮＶ／ＥＮＧ）、インバータ（ＩＮＶ）、蓄電装置（ＢＴＲ）がどのように動作するかを具体的に示している。また、図６の各動作状態において、各機器間のエネルギの流れを矢印の方向で示している。このうち、「惰行・停車」及び「力行」では、電池セルの温度が所定値を上回ったとき、蓄電量管理制御を「通常制御」から「電池温度抑制制御」に切替えて、充放電電流の振幅を抑えることで電池の温度上昇を防止する。

（１）停止・惰行
（ａ）通常制御
・領域Ａ（速度Ｖａ未満）：エンジン発電を停止して電池（ＢＴＲ）で補機電力を負担する。
・領域Ａ（速度Ｖａ以上）：エンジン発電（Ｐ＿Ｅ１）で電池（ＢＴＲ）を充電して蓄電量を増やす。
・領域Ｂ：エンジン発電（電力Ｐ＿Ｅ１）で電池（ＢＴＲ）を充電して蓄電量を増やす。
・領域Ｃ：エンジン発電を停止して電池（ＢＴＲ）で補機電力を負担する。
（ｂ）電池温度抑制制御
・領域Ａ（速度Ｖａ未満）：アイドリング発電で補機電力を負担して過不足分を電池（ＢＴＲ）に充放電する。
・領域Ａ（速度Ｖａ以上）：アイドリング発電で補機電力を負担して過不足分を電池（ＢＴＲ）に充放電する。
・領域Ｂ：アイドリング発電で補機電力を負担して過不足分を電池（ＢＴＲ）に充放電する。
・領域Ｃ：アイドリング発電で補機電力を負担して過不足分を電池（ＢＴＲ）に充放電する。

（２）力行
（ａ）通常制御
・領域Ａ（速度Ｖａ未満）：エンジン発電を停止して電池（ＢＴＲ）で力行・補機電力を負担する。
・領域Ａ（速度Ｖａ以上）：エンジン発電（Ｐ＿Ｅ２）と電池（ＢＴＲ）で力行・補機電力を負担する。
・領域Ｂ：エンジン発電（Ｐ＿Ｅ３）と電池（ＢＴＲ）で力行・補機電力を負担する。
・領域Ｃ：エンジン発電（Ｐ＿Ｅ１）と電池（ＢＴＲ）で力行・補機電力を負担する。（ｂ）電池温度抑制制御
・領域Ａ（速度Ｖａ未満）及び領域Ａ（速度Ｖａ以上）：
≪放電電力Ｐ＿Ｄ１未満≫：エンジン発電（Ｐ＿Ｅ１）と電池（ＢＴＲ）で力行・補機電力を負担する。
≪放電電力Ｐ＿Ｄ１以上Ｐ＿Ｄ２未満≫：エンジン発電（Ｐ＿Ｅ２）と電池（ＢＴＲ）で力行・補機電力を負担する。
≪放電電力Ｐ＿Ｄ２以上≫：エンジン発電（Ｐ＿Ｅ３）と電池（ＢＴＲ）で力行・補機電力を負担する。
・領域Ｂ：エンジン発電（Ｐ＿Ｅ３）と電池（ＢＴＲ）で力行・補機電力を負担する。
・領域Ｃ：エンジン発電（Ｐ＿Ｅ１）と電池（ＢＴＲ）で力行・補機電力を負担する。

（３）停止ブレーキ
・領域Ａ（速度Ｖａ未満）：エンジン発電を停止して電池（ＢＴＲ）で補機電力を負担する。
・領域Ａ（速度Ｖａ以上）：エンジン発電を停止して回生電力で補機電力を負担し電池を充電する。
・領域Ｂ：エンジン発電を停止して回生電力で補機電力を負担し電池を充電する。
・領域Ｃ：エンジン発電を停止して回生電力で補機電力を負担し電池を充電する。

（４）抑速ブレーキ
・領域Ａ（速度Ｖａ未満）：事象なし
・領域Ａ（速度Ｖａ以上）：エンジン発電を停止して回生電力で補機電力を負担し電池を充電する。
・領域Ｂ：エンジン発電を停止して回生電力で補機電力を負担し電池を充電する。
・領域Ｃ：回生電力はエンジンの回転負荷に吸収させる（エンジンブレーキ）。

以上のように、図５に示した（領域Ａ）、（領域Ｂ）、（領域Ｃ）と運転台からの運転指令（「惰行・停車」、「力行」、「停止ブレーキ」及び「抑速ブレーキ」）に応じて、エンジン発電電力（コンバータ出力）を制御することにより、蓄電装置実蓄電量を蓄電量管理基準パターン（１）と蓄電量管理基準パターン（２）に挟まれた領域内（蓄電量管理基準領域）に引き戻すように制御し、その速度に蓄電量の理想状態に近づく制御を実現する。特に、電池温度抑制制御においては、蓄電装置の充放電電流の２乗平均値を小さくして、充放電電流による通流損失を最小限とすることにより、蓄電装置の発熱を抑制し、蓄電装置の安全性確保と長寿命化を実現できる鉄道車両の駆動システムを実現することができる。

本発明による鉄道車両駆動システムの一実施形態の構成を示す図。 本発明による鉄道車両駆動システムの一実施形態の構成の詳細を示す図。 本発明による鉄道車両駆動システムの一実施形態における制御機能を示すブロック図。 本発明による鉄道車両駆動システムの一実施形態における制御動作を示す図。 本発明による鉄道車両駆動システムにおける蓄電量管理制御の詳細を示す図。 本発明による鉄道車両駆動システムにおける蓄電量管理制御の各機器の動作を示す図。 従来の鉄道車両駆動システムを示す構成図。

符号の説明

１…エンジン装置、２…発電機、３…コンバータ装置、４…インバータ装置、５…電動機、６…減速機、７…輪軸、８…蓄電装置、９…システム統括制御部、１０…速度検出器、１１…運転台、１２…エンジン、１３…エンジン制御器、１４…ＡＣ／ＤＣ変換器、１５…ＤＣ／ＡＣ変換器、１６…電流検出器、１７…フィルタコンデンサ、１８…抵抗器、１９…電圧検出器、２０…速度演算部、２１…電流指令生成部、２２…ＰＷＭ制御部、２３…エネルギ管理制御部、２４…補機電源用インバータ装置、２５…変圧器、２６…断流器、１０１…エンジン、１０２…誘導発電機、１０３…コンバータ装置、１０４…インバータ装置、１０５…電動機、１０６…減速機、１０７…輪軸、１０８…蓄電装置、１０９…２次電池装置、１１０…充放電制御装置、１１１…制御装置、１１２…サービス電源用インバータ装置、１１３…変圧器、１１４…遮断器。

Claims (4)

1. エンジンにより駆動される発電手段が発生する交流電力を直流電力に変換するコンバータ手段を有する直流電力発生手段と、前記直流電力を交流電力に変換するインバータ手段と、前記直流電力を充電及び放電する機能を持つ蓄電手段と、これらの各手段を制御する第一の制御手段と、鉄道車両を駆動する電動機を備え、
   前記第一の制御手段は、前記電動機の回転速度情報と、前記インバータ手段が出力する駆動トルク情報と、前記蓄電手段が出力する蓄電量情報と、前記蓄電手段が出力する温度情報に応じて、前記蓄電手段に充放電する電流を制御することを特徴とする鉄道車両駆動システム。
2. 請求項１の鉄道車両駆動システムにおいて、
   前記第一の制御手段は、蓄電量手段に充放電する電流の制御について、前記直流電力発生手段による発電電力を調整することにより、前記蓄電手段に充放電する電流の２乗平均値を低減することを特徴とする鉄道車両駆動システム。
3. エンジンにより駆動される発電手段が発生する交流電力を直流電力に変換するコンバータ手段を有する直流電力発生手段と、前記直流電力を交流電力に変換するインバータ手段と、前記直流電力を充電及び放電する機能を持つ蓄電手段と、これらの各手段を制御する第一の制御手段と、鉄道車両を駆動する電動機を備え、
   前記第一の制御手段は、前記蓄電手段が出力する温度情報が所定値を超えている期間においては、前記電動機の回転速度情報と、前記インバータ手段が出力する駆動トルク情報と、前記蓄電手段が出力する蓄電量情報に応じて、前記蓄電手段に充放電する電流を制御することを特徴とする鉄道車両駆動システム。
4. 請求項３の鉄道車両駆動システムにおいて、
   前記第一の制御手段は、蓄電量手段に充放電する電流の制御について、前記直流電力発生手段による発電電力を調整することにより、前記蓄電手段に充放電する電流の２乗平均値を低減することを特徴とする鉄道車両駆動システム。

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