WO2010013314A1 - 直列型ハイブリッド鉄道車両 - Google Patents

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知宏 小林
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Definitions

  • the present invention relates to a series hybrid railway vehicle that obtains a running output from an engine generator and a power storage device.
  • the series hybrid railway vehicle that pulls cargo from the cargo yard uses the frictional force acting on the wheels when driving the motor with the electric power output from the engine generator when towing the cargo and stopping the vehicle.
  • a regenerative brake using resistance generated when AC power regenerated from an air brake or an electric motor is converted into DC power by an inverter is used.
  • the series hybrid railway vehicle uses not only the electric power obtained from the engine generator but also the electric power stored in the power storage device to suppress energy loss compared to the case of the engine generator alone. It is configured to be able to.
  • a serial hybrid railway vehicle disclosed in Patent Document 1 below controls the usage ratios of an engine generator and a power storage device based on preset travel patterns (diagram DB, track DB, travel DB, etc.). In this way, energy-saving operation is realized.
  • an upper limit value and a lower limit value are set as the charging rate of the power storage device, and the electric power stored in the power storage device is positively maintained in the range from the upper limit value to the lower limit value. By using it, energy-saving operation is realized.
  • Non-Patent Document 1 when the charging rate of the power storage device reaches the upper limit value, the engine generator is stopped, and the power required for traveling is supplied from the power storage device. When the charging rate reaches the lower limit value, control is performed such that charging from the engine generator to the power storage device is resumed.
  • the conventional hybrid vehicle is controlled such that the charging rate of the power storage device reciprocates between the upper limit value and the lower limit value, so that only energy loss due to the charge / discharge current of the power storage device and internal resistance increases.
  • the physical property of the internal material of the power storage device changes due to a temperature change of the power storage device, leading to a decrease in power storage capacity, resulting in a short life of the power storage device.
  • the charge rate upper limit value is set to be constant with respect to the traveling speed. Therefore, when the charge rate has not reached the charge rate upper limit value, the charge rate There has been a problem that the engine generator is operated at a high output until the upper limit is reached, which may lead to deterioration of fuel consumption and exhaust gas. In addition, when the charging rate reaches the upper limit, no more regeneration can be expected, so the frequency of use of the air control increases, wear of the brakes and the like increases, and the maintenance cost of the brake device and the labor of parts replacement are increased. There was a problem.
  • the present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to obtain a series-type hybrid railway vehicle capable of further improving energy efficiency.
  • a series hybrid railway vehicle is a series hybrid railway vehicle that obtains a running output required for powering from an engine generator and a power storage device. Based on the comparison result between the efficiency operating point output at which the fuel consumption rate of the machine is minimum and the traveling output, if the traveling output is greater than the efficient operating point output, the output exceeding the efficiency operating point output is supplemented. And determining a discharge amount of the power storage device and driving the engine generator at a constant output at the efficient operation point.
  • the engine generator is configured to be preferentially driven with a predetermined output, and when the traveling pattern is not set or does not match the preset traveling pattern. Even when traction is performed with the traveling pattern, the charging rate of the power storage device does not repeat the upper limit value and the lower limit value, so that the effect of further improving energy efficiency can be achieved.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a serial hybrid railway vehicle according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a change in DC power with respect to a traveling pattern of the series hybrid railway vehicle.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of characteristics of the engine generator.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating an example of a flow for determining the output of the power storage device.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration of the serial hybrid railway vehicle according to the second embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an upper limit value of the charging rate of the power storage device.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example of an internal configuration of the control device.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a serial hybrid railway vehicle according to the first embodiment.
  • the series hybrid railway vehicle shown in FIG. 1 includes, as main components, an engine generator 1, an AC / DC converter 2, a voltage sensor 8, a current sensor 9, a DC / AC converter 3, an electric motor 4, wheels 5, and a speed.
  • the sensor 11, the control device 10, the DC / DC converter 6, and the power storage device 7 are configured.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example of the internal configuration of the control device.
  • the control device 10 illustrated in FIG. 7 includes a travel output calculation unit 71, an output comparison unit 72, a charge / discharge control unit 73, and a charge rate comparison unit 74 as main components.
  • AC power output from the engine generator 1 is converted into DC power by an AC / DC converter 2.
  • the DC power is converted into AC power with variable frequency and variable output by the DC / AC converter 3 and supplied to the electric motor 4 that drives the wheels 5.
  • the DC power output from the AC / DC converter 2 is supplied to the power storage device 7 via the DC / DC converter 6.
  • a secondary battery such as a nickel cadmium battery, a lithium ion battery, or a lead battery is used.
  • the engine generator 1 has an output smaller than the maximum traveling output of the series hybrid railway vehicle, or has a minimum fuel consumption rate. It is desirable to use one with a reduced output at a certain rotational speed.
  • a general-purpose package generator (hereinafter referred to as a “package generator”) integrated with the engine generator may be used.
  • the package generator is designed so that the engine speed is constant at 50 Hz or 60 Hz (commercial frequency), and at this time, the fuel consumption rate is minimized.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of the characteristics of the engine generator.
  • the two curves shown in FIG. 3 show the output with respect to the engine speed (the higher the output, the higher the output) and the fuel consumption rate (the fuel consumption with respect to the output).
  • the horizontal axis indicates the rotational speed.
  • the efficient operation point output 31 or the rated output 32 is referred to as an efficient operation point output.
  • the efficiency is reduced even if the engine is driven at a constant rotation, which is the same as when the engine is rotating wastefully. It is more efficient to use at the number of revolutions.
  • the engine speed may be driven in a range that does not greatly deteriorate the fuel consumption rate, for example, in the range from the efficiency operating point output 31 to the rated output 32 shown in FIG.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of a change in DC power with respect to a traveling pattern of a series hybrid railway vehicle.
  • FIG. 2 shows the speed 21 of the series hybrid railway vehicle, the travel distance 22, and the instantaneous DC power 23 related to power running or braking (regeneration) of the series hybrid railway vehicle.
  • the vertical axis represents units corresponding to these, and the horizontal axis represents elapsed time.
  • states 24 to 30 of the instantaneous DC power are shown.
  • the instantaneous DC power states 24, 27, and 30 indicate the time of acceleration of the series hybrid railway vehicle.
  • a state 28 of instantaneous DC power indicates a constant speed.
  • Instantaneous DC power states 25 and 29 indicate braking.
  • the series-type hybrid railway vehicle requires a large amount of power when pulling out cargo, while the value of regenerative power is very small compared to the power during power running. This is because the regenerative power is regenerated only by the series hybrid railway vehicle and is flanked by freight vehicles. Therefore, it is necessary for the series hybrid railway vehicle to capture the generated power at the efficient operation point output and the regenerative power from the regenerative brake into the power storage device 7 so that the charging rate of the power storage device 7 is always maintained at a high value.
  • FIG. 6 is a diagram showing the upper limit value of the charging rate of the power storage device.
  • the charging rate of a general power storage device is set to a constant value (not shown) with respect to the speed.
  • the regenerative power is determined only by the series hybrid railway vehicle, and the magnitude of the regenerative power can be predicted.
  • the regenerative charging capacity (regenerative charging capacity) 62 indicating the capacity that can be taken into the power storage device 7 of the regenerative power is obtained by using the kinetic energy and the regeneration rate of the series hybrid railway vehicle.
  • Product (k * 1/2 * mv 2 (k: regeneration rate, m: vehicle weight, v: vehicle speed)).
  • the charging from the engine generator 1 to the power storage device 7 is performed by calculating (maximum charging rate ⁇ k * 1/2 ⁇ mv 2 ) by subtracting the regenerative charging capacity 62 from the maximum charging rate (for example, 100% charging rate) of the power storage device 7
  • a charge rate upper limit value 61 indicating the upper limit of the amount is calculated.
  • the traveling output during powering can be increased as the regenerative power amount increases. That is, if the regenerative charging capacity is increased in proportion to the weight and speed of the vehicle, not only the engine generator 1 does not need to be operated at a high output, but also the regenerative brake can be actively used. There is no waste.
  • the regenerative charging capacity 62 of the series hybrid railway vehicle according to the first embodiment is set so that more regenerative power can be taken in as the vehicle travel speed becomes higher.
  • the traveling output calculation unit 71 detects the values of the direct current and the direct current voltage supplied from the AC / DC converter 2 to the DC / AC converter 3, and calculates the traveling output calculation “ DC / AC converter input voltage * DC / AC converter input current ”.
  • the output comparing unit 72 compares the traveling output calculated by the traveling output calculating unit 71 with the efficient operating point output of the engine generator 1.
  • the charging rate comparison unit 74 calculates the regenerative charging capacity 62 based on the weight and traveling speed of the vehicle. Further, as described above, the charging rate comparison unit 74 calculates the charging rate upper limit 61 by subtracting the regenerative charging capacity 62 from the maximum charging rate of the power storage device 7. Further, the charging rate upper limit 61 and the charging rate of the power storage device 7 are compared.
  • the charge / discharge control unit 73 drives the engine generator 1 based on the comparison result of the output comparison unit 72 to control the charge / discharge amount of the power storage device 7.
  • the charge / discharge control unit 73 controls the engine generator 1 to be driven at a constant speed at the efficient operating point output so as to cover the shortage of the traveling output.
  • the amount of discharge of the power storage device 7 is controlled.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating an example of a flow for determining the output of the power storage device.
  • the operation of the control device 10 will be described with reference to FIGS.
  • the traveling output calculation unit 71 performs a traveling output calculation “DC / AC converter input voltage * DC / AC converter input current” (step S100).
  • the output of the power storage device 7 is input to the DC / DC converter 6, and the output of the engine generator 1 is maintained at the efficient operating point output 31 or the rated output 32 shown in FIG.
  • the control device 10 controls the engine generator 1 to be driven efficiently and to supplement only the shortage of the running output from the power storage device 7.
  • the control device 10 responds to the travel output.
  • the engine generator 1 is controlled.
  • the engine generator 1 is driven so as to correspond to the traveling output because, for example, when the traveling output is small, the efficiency is improved by reducing the rotational speed to a constant value rather than driving at a constant rotational speed of the efficient operating point output. This is because there is a case where it is possible.
  • step S104 When it is determined that the charging rate of the power storage device 7 is lower than the charging rate upper limit 61 (step S104, No), the charge / discharge control unit 73 gives priority to the output of the engine generator 1 over the output of the power storage device 7.
  • “Output” is determined (step S108).
  • control device 10 sets the engine generator 1 to the efficient operating point. Control is performed so that the output is efficiently driven by the output, and the surplus output (electric power) of the engine generator 1 is supplied to the power storage device 7.
  • a constant charging rate upper limit value may be used without using the charging rate upper limit value 61 that changes according to the speed.
  • the operation of the serial hybrid railway vehicle has been described in detail assuming a cargo replacement scene.
  • the serial hybrid railway vehicle according to the present embodiment is not limited to the railway vehicle for cargo replacement. Absent.
  • the travel pattern is not set or is set in advance. Even when traction is performed with a traveling pattern that does not match the traveling pattern, the charging rate of the power storage device 7 does not repeat the upper limit value and the lower limit value as in the past, and the energy loss is reduced by repeated charging and discharging, The durability of the power storage device 7 can be improved and used for a long time.
  • the regenerative charging capacity 62 is made variable according to the vehicle speed of the series hybrid railway vehicle, it is possible to obtain a traveling output necessary for towing the cargo without operating the engine generator 1 at a high output.
  • the fuel efficiency of the engine generator 1 is improved, and the deterioration of exhaust gas from the engine generator 1 can be suppressed. Furthermore, since the regenerative brake can be used positively, the frequency of use of the air brake is reduced, the wear of the brake wheel and the like is reduced, and the maintenance cost of the brake device and the trouble of replacing parts can be reduced. That is, according to the series hybrid railway vehicle according to the first embodiment, the engine generator 1 is constantly driven at the efficient operating point output, and unnecessary charging / discharging of the power storage device 7 is suppressed. It is possible to realize energy saving of the engine generator 1, improvement of environmental conservation, and extension of the life of the braking device.
  • FIG. The series hybrid railway vehicle according to the second embodiment is configured such that the DC / DC converter 6 is eliminated, and the AC / DC converter 2 (for example, an IGBT inverter) performs charge / discharge control of the power storage device 7. .
  • the AC / DC converter 2 for example, an IGBT inverter
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration of the serial hybrid railway vehicle according to the second embodiment.
  • the AC / DC converter 2 is a high power factor converter.
  • Other configurations are the same as those in the first embodiment.
  • the determination in the control device 10 is the same as that of the serial hybrid railway vehicle according to the first embodiment. Therefore, in the serial hybrid railway vehicle according to the second embodiment, the AC / DC converter 2 controls the DC power of the power storage device 7 based on the determination result of the control device 10, so that the output of the engine generator 1 is increased. It is configured to achieve an efficient operating point output.
  • the power storage device 7 can be controlled using the AC / DC converter 2, the energy loss is reduced due to repeated charge and discharge. Further, it is possible to improve the durability and long-term use of the power storage device 7, suppress the deterioration of fuel consumption and exhaust gas due to the high output operation of the engine generator 1, and suppress the wear of the brake wheel. Further, since the DC / DC converter 6 is eliminated, it is possible to reduce the size and weight of the entire system, reduce the amount of raw materials, and reduce the cost. Furthermore, since the number of parts is reduced, it is possible to improve the reliability of the series hybrid railway vehicle.
  • the life of the power storage device 7 is increased, the energy saving and the environmental conservation of the engine generator 1 are improved, the life of the braking device is increased, and the entire system is improved. Weight reduction can be realized.
  • the serial hybrid railway vehicle according to the present invention is useful for a serial hybrid railway vehicle that pulls cargo by obtaining traveling output from an engine generator and a power storage device.

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Abstract

本願の制御装置１０は、走行出力演算部７１と、出力比較部７２と、充放電制御部７３を有する。走行出力演算部７１は、車両を駆動する電動機４に供給される電流及び電圧から走行出力を演算する。出力比較部７２は、演算された走行出力とエンジン発電機１の出力を比較する。充放電制御部７３は、車両重量と走行速度から回生充電容量６２を求める。また、充放電制御部７３は、蓄電装置７の最大充電率から回生充電容量６２を減算して充電率上限値６１を求める。そして、充放電制御部７３は、充電率上限値６１と蓄電装置の充電率とを比較してエンジン発電機１を制御する。

Description

直列型ハイブリッド鉄道車両
　本発明は、エンジン発電機と蓄電装置から走行出力を得る直列型ハイブリッド鉄道車両に関するものである。
　貨物操車場から貨物を牽引する直列型ハイブリッド鉄道車両は、貨物を牽引する場合、エンジン発電機から出力される電力で電動機を駆動し、車両を停止する場合、車輪に作用する摩擦力を利用した空気ブレーキまたは電動機から回生された交流電力をインバータで直流電力変換するときに生じる抵抗を利用した回生ブレーキが用いられる。ここで、直列型ハイブリッド鉄道車両は、エンジン発電機から得られた電力だけでなく、蓄電装置に蓄えられた電力を併用することにより、エンジン発電機単体の場合に比してエネルギーロスを抑えることができるように構成されている。
　従来、例えば下記特許文献１に示される直列型ハイブリッド鉄道車両は、予め設定されている走行パタン（ダイヤＤＢ、線路ＤＢ、走行ＤＢなど）に基づいてエンジン発電機および蓄電装置の使用比率を制御することで、省エネルギー運転を実現している。
　また、下記非特許文献１に示されるハイブリッド車両は、蓄電装置への充電率として上限値と下限値が設定され、蓄電装置に蓄えられている電力を上限値から下限値の範囲で積極的に利用することで、省エネルギー運転を実現している。
特開２００３―１３４６０４号公報 三菱ふそう「ニューエアロスターＭＰ　エンジン・シャシー・エレクトリカル　ハイブリッド電気自動車整備解説書追補版」１８－１－１０貢、図９０５００
　しかしながら、上記特許文献１に示されるハイブリッド鉄道車両の充放電制御は、走行パタンが設定されていない場合、エンジン発電機と蓄電装置の使用比率を制御することができず、また予め設定されている走行パタンと一致しない走行パタンで牽引が行われたとき、高効率運転ができないという課題があった。
　また、上記非特許文献１に示されるハイブリッド車両の充放電制御は、蓄電装置の充電率が上限値に達した場合、エンジン発電機が停止し、走行に必要な電力が蓄電装置から供給され、充電率が下限値に達したとき、エンジン発電機から蓄電装置への充電が再開されるという制御が行われていた。すなわち、従来のハイブリッド車両は、蓄電装置の充電率が上限値と下限値とを往復するような制御が行われているため、蓄電装置の充放電電流と内部抵抗によるエネルギー損失が増加するだけでなく、蓄電装置の温度変化で蓄電装置の内部材料の物性が変化し蓄電容量の低下を招き、蓄電装置の寿命が短くなるという課題があった。
　また、上記非特許文献１に示されるハイブリッド車両の充放電制御は、走行速度に対し充電率上限値が一定に設定されているため、充電率が充電率上限値に達していない場合、充電率上限値に達するまでエンジン発電機を高出力運転し、燃費や排出ガスの悪化を招く場合があるという課題があった。さらに、充電率が上限値に達している場合、これ以上の回生が望めないため空制の使用頻度が増加し、制輪子等の磨耗が多くなりブレーキ装置のメンテナンスコストや部品交換の手間がかかるという課題があった。
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、更なるエネルギー効率を向上させることができる直列型ハイブリッド鉄道車両を得ることを目的とする。
　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる直列型ハイブリッド鉄道車両は、エンジン発電機および蓄電装置から力行に必要な走行出力を得る直列型ハイブリッド鉄道車両において、前記エンジン発電機の燃料消費率が最小となる効率運転点出力と前記走行出力との比較結果に基づき、前記走行出力が前記効率運転点出力より大きい場合、前記効率運転点出力を超える出力分を補完するように前記蓄電装置の放電量を決定し、前記エンジン発電機を前記効率運転点出力で一定駆動すること、を特徴とする。
　本発明にかかる直列型ハイブリッド鉄道車両によれば、エンジン発電機を所定の出力により優先的に駆動するように構成し、走行パタンが設定されていない場合または予め設定されている走行パタンと一致しない走行パタンで牽引が行われた場合でも、蓄電装置の充電率が上限値と下限値とを繰り返すということが無いので、更なるエネルギー効率を向上させることができるという効果を奏する。
図１は、実施の形態１にかかる直列型ハイブリッド鉄道車両の構成を示す図である。 図２は、直列型ハイブリッド鉄道車両の走行パタンに対する直流電力の変化の一例を示す図である。 図３は、エンジン発電機の特性の一例を示す図である。 図４は、蓄電装置の出力を決定するフローの一例を示すフローチャートである。 図５は、実施の形態２にかかる直列型ハイブリッド鉄道車両の構成を示す図である。 図６は、蓄電装置の充電率上限値を示す図である。 図７は、制御装置の内部構成の一例を示す図である。
符号の説明
　１　エンジン発電機
　２　ＡＣ／ＤＣ変換器
　３　ＤＣ／ＡＣ変換器
　４　電動機
　５　車輪
　６　ＤＣ／ＤＣ変換器
　７　蓄電装置
　８　電圧センサ
　９　電流センサ
　１０　制御装置
　１１　速度センサ
　２１　速度
　２２　走行距離
　２３　瞬時直流電力
　２４、２５、２６、２７、２８、２９、３０　瞬時直流電力の状態
　３１　エンジンの効率運転点出力
　３２　パッケージ発電機の定格出力
　６１　充電率上限値
　６２　回生充電余力
　７１　走行出力演算部
　７２　出力比較部
　７３　充放電制御部
　７４　充電率比較部
　以下に、本発明にかかる直列型ハイブリッド鉄道車両の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態１．
　図１は、実施の形態１にかかる直列型ハイブリッド鉄道車両の構成を示す図である。図１に示す直列型ハイブリッド鉄道車両は、主たる構成部として、エンジン発電機１、ＡＣ／ＤＣ変換器２、電圧センサ８、電流センサ９、ＤＣ／ＡＣ変換器３、電動機４、車輪５、速度センサ１１、制御装置１０、ＤＣ／ＤＣ変換器６、および蓄電装置７を有して構成されている。
　図７は、制御装置の内部構成の一例を示す図である。図７に示す制御装置１０は、主たる構成部として、走行出力演算部７１、出力比較部７２、充放電制御部７３、および充電率比較部７４を有して構成されている。
　図１において、エンジン発電機１から出力された交流電力は、ＡＣ／ＤＣ変換器２により直流電力に変換される。直流電力は、ＤＣ／ＡＣ変換器３により可変周波数可変出力の交流電力に変換され、車輪５を駆動する電動機４に供給される。また、ＡＣ／ＤＣ変換器２から出力された直流電力は、ＤＣ／ＤＣ変換器６を介して蓄電装置７に供給される。蓄電装置７としては、例えばニッケルカドミウムバッテリ、リチウムイオンバッテリ、鉛バッテリなどの２次電池が用いられる。
　ここで、エンジン発電機１には、エンジンの燃料消費量の増大または排気ガスの悪化を抑制するため、直列型ハイブリッド鉄道車両の最大走行出力よりも小さい出力のものや、燃料消費率が最小となる回転数における出力が抑えられたものを用いることが望ましい。
　また、エンジン発電機１を小型化するためには、エンジン発電機一体の汎用パッケージ型発電機（以下「パッケージ型発電機」という）を用いてもよい。なお、パッケージ型発電機は、エンジン回転数が５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ（商用周波数）一定となるように設計されているのが一般的であり、このとき燃料消費率が最小となる。
　図３は、エンジン発電機の特性の一例を示す図である。図３に示される二つの曲線は、エンジンの回転数に対する出力（高いほど高出力）と、燃料消費率（出力に対する燃料消費量）を示している。横軸は回転数を示している。
　ここで、エンジンの回転数を頻繁に変化させた場合、過渡現象により燃料消費量の増大または排気ガスの悪化を招いてしまう。そのため、エンジン発電機１に採用されるエンジンの燃料消費率が最小となる効率運転点出力３１（図３の（ａ）で示される部分）における回転数（例えば１５００～１６００ｒｐｍ）で駆動するか、パッケージ発電機を採用する場合は商用周波数を発生するときの定格出力３２（図３の（ｂ）で示される部分）でエンジンを駆動するのが望ましい。なお、効率運転点出力３１または定格出力３２を以下、効率運転点出力と称する。
　なお、効率運転点出力より下側の領域でエンジンを駆動させた場合、一定回転で駆動させたときでもエンジンを無駄に回転させている状態と同様になり効率が低下するため、効率運転点出力となる回転数で使用したほうが高効率である。また、エンジンの回転数は、燃料消費率を大きく悪化させない範囲、例えば図３に示される効率運転点出力３１から定格出力３２までの範囲で駆動させてもよい。
　図２は、直列型ハイブリッド鉄道車両の走行パタンに対する直流電力の変化の一例を示す図である。図２には、直列型ハイブリッド鉄道車両の速度２１、走行距離２２、および直列型ハイブリッド鉄道車両の力行または制動（回生）に係る瞬時直流電力２３が示されている。縦軸はこれらに対応する単位を示し、横軸は経過時間を示している。
　瞬時直流電力２３の各部には瞬時直流電力の状態２４ないし３０が示されている。瞬時直流電力の状態２４、２７、および３０は、直列型ハイブリッド鉄道車両の加速時を示している。瞬時直流電力の状態２８は定速時を示している。瞬時直流電力の状態２５および２９は制動時を示している。
　ここで直列型ハイブリッド鉄道車両は、貨物を引き出すとき大きな電力を必要とする一方で、回生電力の値は、力行時の電力に比して非常に少ない値である。これは、回生電力が直列型ハイブリッド鉄道車両のみで回生し、貨物車両では空制されているためである。そのため、直列型ハイブリッド鉄道車両は、効率運転点出力における発生電力と回生ブレーキからの回生電力とを蓄電装置７に取り込み、蓄電装置７の充電率を常に高い値に維持することが必要である。
　図６は、蓄電装置の充電率上限値を示す図である。一般的な蓄電装置の充電率は、速度に対して一定の値（図示せず）が設定されているのが一般的である。しかし、貨物入換用の直列型ハイブリッド鉄道車両においては、貨車操車場付近の勾配がほとんど存在しないため、回生電力は直列型ハイブリッド鉄道車両のみで決まり、回生電力の大きさを予測可能である。
　実施の形態１にかかる直列型ハイブリッド鉄道車両は、回生電力の蓄電装置７への取り込み可能容量を示す回生充電余力（回生充電容量）６２を、直列型ハイブリッド鉄道車両の運動エネルギーと回生率との積（ｋ＊１／２＊ｍｖ２（ｋ：回生率、ｍ：車両の重量、ｖ：車両の速度））で求める。さらに蓄電装置７の最大充電率（例えば充電率１００％）から回生充電余力６２を減じる演算（最大充電率－ｋ＊１／２・ｍｖ２）により、エンジン発電機１から蓄電装置７への充電量の上限を示す充電率上限値６１を算出する。
　なお、速度に対するエンジン発電機１の回転数は、効率運転点出力における回転数で一定駆動するため、回生電力量が多いほど力行時の走行出力を高めることができる。すなわち、車両の重量と速度に比例して回生充電余力が大きくなるようにすれば、エンジン発電機１を高出力運転させる必要がなくなるだけでなく、回生ブレーキを積極的に活用できるので回生電力を無駄にすることもなくなる。
　実施の形態１にかかる直列型ハイブリッド鉄道車両の回生充電余力６２は、図６に示されるように、車両の走行速度が高い領域になるほど多くの回生電力を取り込むことができるように設定される。
　図７において、走行出力演算部７１は、ＡＣ／ＤＣ変換器２からＤＣ／ＡＣ変換器３に供給される直流電流および直流電圧の値を検出し、走行に必要な出力を求める走行出力演算「ＤＣ／ＡＣ変換器入力電圧＊ＤＣ／ＡＣ変換器入力電流」を行う。出力比較部７２は、走行出力演算部７１で演算された走行出力とエンジン発電機１の効率運転点出力とを比較する。
　充電率比較部７４は、車両の重量および走行速度に基づいて回生充電余力６２を演算する。また充電率比較部７４は、上述したように、蓄電装置７の最大充電率から回生充電余力６２を減じることにより充電率上限値６１を算出する。さらに、充電率上限値６１と蓄電装置７の充電率とを比較する。
　充放電制御部７３は、出力比較部７２の比較結果に基づきエンジン発電機１を駆動し、蓄電装置７の充放電量を制御する。
　例えば、走行出力が効率運転点出力より大きい場合、充放電制御部７３は、エンジン発電機１を効率運転点出力における回転数で一定駆動するように制御し、走行出力の不足分を賄うように蓄電装置７の放電量を制御する。具体的には、蓄電装置７の出力よりもエンジン発電機１の出力が優先されるように、エンジン発電機１の出力「エンジン発電機出力＝効率運転点出力」を決定し、蓄電装置７による走行出力の不足分の出力「蓄電装置出力＝走行出力－効率運転点出力」を決定する。
　また充放電制御部７３は、走行出力と効率運転点出力とが比較された結果、走行出力が効率運転点出力より小さい場合、さらに蓄電装置７の充電率と充電率上限値６１とが比較された結果、充電率が充電率上限値６１より高いとき、エンジン発電機１から蓄電装置７への充電停止「蓄電装置出力＝０」を決定し、エンジン発電機１の走行出力運転「エンジン発電機出力＝走行出力」を決定する。
　さらに充放電制御部７３は、走行出力と効率運転点出力とを比較し、走行出力が効率運転点出力より小さい場合、さらに蓄電装置７の充電率と充電率上限値６１とを比較し、充電率が充電率上限値６１より低いとき、エンジン発電機１の出力「エンジン発電機出力＝効率運転点出力」を決定する。さらに、エンジン発電機１の余剰出力を「蓄電装置出力＝走行出力－効率運転点出力」として決定し、充電率が充電率上限値６１に達するまで補充電を行う。
　図４は、蓄電装置の出力を決定するフローの一例を示すフローチャートである。以下、図１、３および７を参照しながら制御装置１０の動作を説明する。直列型ハイブリッド鉄道車両が力行状態の場合、図１に示される電圧センサ８および電流センサ９で検出された電圧と電流の値が、制御装置１０に取り込まれる。走行出力演算部７１は、走行出力演算「ＤＣ／ＡＣ変換器入力電圧＊ＤＣ／ＡＣ変換器入力電流」を行う（ステップＳ１００）。
　出力比較部７２において、走行出力演算部７１で演算された走行出力の値は、エンジン発電機１の効率運転点出力より大きいと判断された場合（ステップＳ１０１,Ｙｅｓ）、充放電制御部７３は、蓄電装置７の出力よりもエンジン発電機１の出力が優先されるように「エンジン発電機出力＝効率運転点出力」を決定し（ステップＳ１０２）、さらに走行出力の不足分の出力として「蓄電装置出力＝走行出力－効率運転点出力」を決定する（ステップＳ１０３）。
　その結果、蓄電装置７の出力がＤＣ／ＤＣ変換器６に入力され、エンジン発電機１の出力が図３に示される効率運転点出力３１または定格出力３２に維持される。すなわち、制御装置１０は、エンジン発電機１を効率的に駆動すると共に、走行出力の不足分のみを蓄電装置７から補充するように制御を行う。
　出力比較部７２において、走行出力演算部７１で演算された走行出力の値は、エンジン発電機１の効率運転点出力より小さいと判断された場合（ステップＳ１０１,Ｎｏ）、充電率比較部７４において、蓄電装置７の充電率の値が判断される。蓄電装置７の充電率は充電率上限値６１より高いと判断された場合（ステップＳ１０４,Ｙｅｓ）、充放電制御部７３は「エンジン発電機出力＝走行出力」を決定し（ステップＳ１０５）、さらに蓄電装置７の出力として「蓄電装置出力＝０」を決定する（ステップＳ１０６）。
　すなわちステップＳ１００で求められた走行出力をエンジン発電機１で賄うことができると判断され、さらに蓄電装置７を補充電する必要がないと判断されたとき、制御装置１０は、走行出力に対応するようにエンジン発電機１を制御する。なお、走行出力に対応するようにエンジン発電機１を駆動させるのは、例えば走行出力が小さい場合、効率運転点出力の回転数で一定駆動させるよりも、回転数に下げたほうが効率を高めることができる場合があるからである。
　蓄電装置７の充電率は充電率上限値６１より低いと判断された場合（ステップＳ１０４,Ｎｏ）、充放電制御部７３は、蓄電装置７の出力よりもエンジン発電機１の出力が優先されるように「エンジン発電機出力＝効率運転点出力」を決定し（ステップＳ１０７）、さらに蓄電装置７の蓄電量を賄うため、エンジン発電機１の出力として「蓄電装置出力＝走行出力―効率運転点出力」を決定する（ステップＳ１０８）。
　すなわちステップＳ１００で求められた走行出力をエンジン発電機１で賄うことができ、さらに蓄電装置７を補充電する必要があると判断されたとき、制御装置１０は、エンジン発電機１を効率運転点出力で効率的に駆動させ、エンジン発電機１の余剰出力（電力）を蓄電装置７に供給するように制御を行う。
　なお、ステップＳ１０１ないしステップＳ１０３の判断においては、速度に応じて変化する充電率上限値６１を使わずに、一定の充電率上限値を用いてもよい。また、貨物入換の場面を想定して直列型ハイブリッド鉄道車両の動作等を詳述したが、本実施の形態にかかる直列型ハイブリッド鉄道車両は、貨物入換用鉄道車両に限定されるものではない。
　以上説明したように、実施の形態１の直列型ハイブリッド鉄道車両によれば、エンジン発電機１を優先的に駆動するように構成したので、走行パタンが設定されていない場合または予め設定されている走行パタンと一致しない走行パタンで牽引が行われた場合でも、従来のように蓄電装置７の充電率が上限値と下限値とを繰り返すということが無く、充放電の繰り返しによるエネルギー損失の低減、蓄電装置７の耐久性の向上および長期使用が可能である。また、直列型ハイブリッド鉄道車両の車速に応じて回生充電余力６２を可変するように構成したので、エンジン発電機１を高出力運転させなくても貨物の牽引に必要な走行出力を得ることができ、エンジン発電機１の燃費が向上し、エンジン発電機１の排出ガスの悪化を抑制できる。さらに、回生ブレーキを積極的に利用できるので、空制の使用頻度が低減され、制輪子等の磨耗が少なくなりブレーキ装置のメンテナンスコストや部品交換の手間を低減可能である。すなわち、実施の形態１にかかる直列型ハイブリッド鉄道車両によれば、エンジン発電機１を効率運転点出力で一定駆動し、蓄電装置７の不要な充放電を抑制したので、蓄電装置７の長寿命化、エンジン発電機１の省エネルギー化と環境保全性の向上、および制動装置の長寿命化を実現可能である。
実施の形態２．
　実施の形態２にかかる直列型ハイブリッド鉄道車両は、ＤＣ／ＤＣ変換器６を無くし、ＡＣ／ＤＣ変換器２（例えばＩＧＢＴインバータなど）が蓄電装置７の充放電制御を行うように構成されている。
　図５は、実施の形態２にかかる直列型ハイブリッド鉄道車両の構成を示す図である。上述したようにＤＣ／ＤＣ変換器６が無い代わりに、ＡＣ／ＤＣ変換器２が高力率コンバータとなっている。他の構成は実施の形態１と共通である。
　なお、制御装置１０における判断は実施の形態１にかかる直列型ハイブリッド鉄道車両と同様である。そのため、実施の形態２にかかる直列型ハイブリッド鉄道車両では、制御装置１０の判断結果に基づいてＡＣ／ＤＣ変換器２が蓄電装置７の直流電力を制御することで、エンジン発電機１の出力が効率運転点出力になるように構成されている。
　以上説明したように、実施の形態２の直列型ハイブリッド鉄道車両によれば、ＡＣ／ＤＣ変換器２を用いて、蓄電装置７を制御できる構成としたので、充放電の繰り返しによるエネルギー損失の低減、蓄電装置７の耐久性の向上および長期使用、エンジン発電機１の高出力運転による燃費や排出ガスの悪化の抑制、制輪子の磨耗を抑制することが可能である。また、ＤＣ／ＤＣ変換器６を排除したため、システム全体の小型化、軽量化、原材料の減量化、およびコスト低減が可能である。さらに、部品点数が減少するため直列型ハイブリッド鉄道車両の信頼性を向上させることが可能である。すなわち、実施の形態２にかかる直列型ハイブリッド鉄道車両によれば、蓄電装置７の長寿命化、エンジン発電機１の省エネルギー化と環境保全性の向上、制動装置の長寿命化、およびシステム全体の減量化を実現可能である。
　以上のように、本発明にかかる直列型ハイブリッド鉄道車両は、エンジン発電機および蓄電装置からの走行出力を得て貨物を牽引する直列型ハイブリッド鉄道車両に有用である。

Claims (6)

  1. 　エンジン発電機および蓄電装置から力行に必要な走行出力を得る直列型ハイブリッド鉄道車両において、
    　前記エンジン発電機の燃料消費率が最小となる効率運転点出力と前記走行出力との比較結果に基づき、前記走行出力が前記効率運転点出力より大きい場合、前記効率運転点出力を超える出力分を補完するように前記蓄電装置の放電量を決定し、前記エンジン発電機を前記効率運転点出力で一定駆動すること、
    　を特徴とする直列型ハイブリッド鉄道車両。
  2. 　車両重量および走行速度に基づいて回生電力の蓄電装置への取り込み可能容量を示す回生充電容量を求め、前記蓄電装置の最大充電率から前記回生充電容量を減じることにより前記エンジン発電機から前記蓄電装置への充電量の上限を示す充電率上限値を求め、前記充電率上限値と前記蓄電装置の充電率とを比較し、その比較結果に基づいて前記エンジン発電機を制御することを特徴とする請求項１に記載の直列型ハイブリッド鉄道車両。
  3. 　前記効率運転点出力と前記走行出力とを比較し、前記走行出力が前記効率運転点出力より小さい場合、前記蓄電装置の充電率と前記充電率上限値とを比較し、前記充電率が前記充電率上限値より高いとき、前記エンジン発電機から前記蓄電装置への充電を停止し、前記エンジン発電機を前記走行出力で駆動することを特徴とする請求項２に記載の直列型ハイブリッド鉄道車両。
  4. 　エンジン発電機および蓄電装置から力行に必要な走行出力を得る直列型ハイブリッド鉄道車両において、
    　電動機に供給される直流電流および直流電圧の値を検出し、前記走行出力を演算する走行出力演算部と、
    　前記エンジン発電機の燃料消費率が最小となる効率運転点出力と前記走行出力とを比較する出力比較部と、
    　前記走行出力が前記効率運転点出力より大きい場合、前記効率運転点出力を超える出力分を補完するように前記蓄電装置の放電量を制御し、前記エンジン発電機を前記効率運転点出力で一定駆動する充放電制御部と、
    　と有する制御装置を備えたことを特徴とする直列型ハイブリッド鉄道車両。
  5. 　前記制御装置は、
    　車両重量および走行速度に基づいて回生電力の蓄電装置への取り込み可能容量を示す回生充電容量を演算し、前記蓄電装置の最大充電率から前記回生充電容量を減じることにより前記エンジン発電機から前記蓄電装置への充電量の上限を示す充電率上限値を算出し、前記充電率上限値と前記蓄電装置の充電率とを比較する充電率比較部を備えたことを特徴とする請求項４に記載の直列型ハイブリッド鉄道車両。
  6. 　前記充放電制御部は、
    　前記効率運転点出力と前記走行出力とを比較し、前記走行出力が前記効率運転点出力より小さい場合、前記蓄電装置の充電率と前記充電率上限値とを比較し、前記充電率が前記充電率上限値より高いとき、前記エンジン発電機から前記蓄電装置への充電を停止し、前記エンジン発電機を前記走行出力で駆動することを特徴とする請求項５に記載の直列型ハイブリッド鉄道車両。
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