CN101186186A - 铁道车辆的驱动装置 - Google Patents

Abstract

一种在具有直流电产生装置和电力蓄积装置、利用了这两个装置中至少一个产生的电力的铁道车辆的驱动装置中，以更简易的构成进行与时刻变化的路线状况对应的电力蓄积装置的蓄电量管理、能量效率高的铁道车辆的驱动装置。根据从车辆行驶速度运算的运动能量和从相对于车辆行驶位置的基准速度信息运算的基准运动能量的差，预测随着路线坡度状况的变化产生的蓄电量的剩余量或不足量。根据预测的蓄电量的剩余量或不足量调节电力蓄积装置的充放电量。

Description

铁道车辆的驱动装置

技术领域

本发明涉及一种铁道车辆的驱动装置，特别是涉及具有直流电产生装置和电力蓄积装置、利用这两个装置中至少一个产生的电力驱动铁道车辆的技术。

背景技术

近年来，在铁道车辆中，有效利用蓄电技术由此推进节能化的行为逐渐活跃。例如，取代现有的只用柴油发动机驱动的汽动车，进行着一种驱动系统与电车同样采用依靠变换器进行的马达驱动，利用发动机发电及电力蓄积装置供给电力的混合动力汽动车的开发。

混合动力汽动车，随着驱动系统的电气化和电力蓄积装置的搭载，而使在现有的汽动车中不可能实现的经由再生制动产生的电力的回收·再利用成为可能，能够实现节能化。

关于混合动力汽动车，专利文献1中记载了一种以同时采用由电力蓄积装置和发动机驱动的发电机或燃料电池为特征的铁道车辆。

混合动力汽动车中，存在的课题是例如在上坡的动力运行动作中电力蓄积装置的放电量增多，达到能够放电的临界值，不能实现规定的加速性能，而在下坡的再生动作中达到能够充电的临界值，不能充分吸收经由再生制动产生的电力，能量效率下降。

为了解决这些课题，专利文献1所述的铁道车辆，将车辆的行驶位置和行驶速度的关系(以下称作运行曲线)和坡度等路线信息作为数据库进行保持，对照行驶路线切换参照的数据库。根据参照的数据库预测行驶中获得的再生电力，进行与路线状况对应的蓄电量的管理，由此防止电力蓄积装置的过放电、过充电，实现能量效率高的铁道车辆。

图10表示专利文献1所述的铁道车辆的基本构成。感应发电机2由发动机1驱动、输出交流电。转换装置3将从所述感应发电机2输出的交流电转换成直流电。变换装置4将从所述转换装置3输出的直流电转换成交流电。感应电动机5输入从所述变换装置4输出的交流电，将其转换成轴转矩输出，使车辆加减速。电力蓄积装置6与转换装置3的直流电侧连接，供给及吸收直流电。

数据库保持装置11将运行曲线、坡度及曲线等路线信息、每个车站的出发时刻及到达时刻、所述电力蓄积装置6的蓄电容量及蓄电特性作为数据库进行保持。所述数据库保持装置11对应于行驶路线，将运行曲线、坡度及曲线等路线信息、每个车站的出发时刻及到达时刻、所述电力蓄积装置6的蓄电容量及蓄电特性的数据库保持多种模式，对应于行驶路线输出选择的运行曲线和路线信息等数据Data。

再生电力预测装置14根据从所述数据库保持装置11输出的运行曲线和路线信息等数据Data，输出再生动作时获得的再生电力的预测值ΔP。

能量控制装置15根据从所述再生电力预测装置14输出的再生电力的预测值ΔP，确定所述感应发电机2的发电量和从所述电力蓄积装置6供给的电力的比率。

控制装置7输入从所述能量控制装置15输出的所述感应发电机2的发电量和从所述电力蓄积装置6供给的电力的比率、所述电力蓄积装置6的内部状态信号Sp1，输出相对于所述发动机1的运转指令Se、相对于所述转换装置3的运转指令Sc、相对于所述变换装置4的运转指令Si。另外，虽然在此没有图示，不过，还向配置在所述电力蓄积装置6内部的充放电控制装置输出动作指令Sp2。

专利文献1：特开2006-74998号公报

专利文献1所述的铁道车辆中，所述电力蓄积装置6的控制只能够根据所述数据保持装置11保持的数据库进行。从而，为了进行对应于路线状态的所述电力蓄积装置6的控制，必须将运行曲线、坡度及曲线等路线信息、车辆的到达时刻及出发时刻、所述能量蓄积装置6的蓄电容量及蓄电特性这样众多的信息作为数据库进行保持。另外，即使保持了这些数据，对于由于雨天而造成的空转滑行的产生等无法进行数据库化的路线状态的变化也不能相对应。

发明内容

本发明的课题是在具有直流电产生装置和电力蓄积装置、利用了这两个装置中至少一个产生的电力的铁道车辆的驱动装置中，以更简易的构成，进行与时刻变化的路线状况对应的电力蓄积装置的蓄电量管理。

为了解决所述课题，本发明的铁道车辆的驱动装置，根据由车辆的行驶速度运算的车辆的运动能量和由相对于车辆行驶位置的基准速度信息运算的基准运动能量的差，预测随着路线状况的变化产生的蓄电量的剩余量或不足量。根据预测的蓄电量的剩余量或不足量，管理充放电量以使电力蓄积装置不会过充电和过放电。

发明效果

根据本发明，在预测随着路线状况的变化产生的蓄电量的剩余量或不足量之际采用实际的行驶速度，由此能够对应于无法数据库化的路线状况的变化。另外，也不需要像专利文献1所述的铁道车辆那样需要大量的数据库。从而，能够以更简易的构成，进行与时刻变化的路线状况对应的电力蓄积装置的蓄电量管理。

附图说明

图1是表示本发明的实施例1的铁道车辆的驱动装置的图。

图2是表示速度运算装置和行驶位置运算装置的一构成例的图。

图3是表示数据库保持装置和耗电预测装置的一构成例的图。

图4是表示下坡中运行曲线及行驶速度和蓄电量的关系的图。

图5是表示上坡中运行曲线及行驶速度和蓄电量的关系的图。

图6是表示本发明的蓄电量的目标值的修正方法的图。

图7是表示根据本发明进行的模拟结果的图。

图8是表示本发明的实施例2的铁道车辆的驱动装置的图。

图9是表示本发明的实施例3的铁道车辆的驱动装置的图。

图10是表示现有技术的基本构成的图。

图11是表示根据现有技术进行的模拟结果的图。

图中，1-发动机，2-感应发电机，3-转换装置，4-变换装置，5-感应电动机，6-电力蓄积装置，7-控制装置，8-速度传感器，9-速度运算装置，10-行驶位置运算装置，11-数据库保持装置，12-耗电预测装置，13-充放电量修正装置，14-再生电力预测装置，15-能量控制装置，21-燃料电池，22-行驶位置运算装置。

具体实施方式

以下，关于本发明的实施方式参照附图进行说明。

[实施例1]

图1表示本发明的实施例1的铁道车辆的驱动装置。

感应发电机2由发动机1驱动、输出交流电。转换装置3将从所述感应发电机2输出的交流电转换成直流电。发动机1、感应发电机2和转换装置3构成直流电压产生装置。

变换装置4将从所述转换装置3输出的直流电转换成交流电。感应电动机5输入从所述变换装置4输出的交流电，将其转换成轴转矩输出，使车辆加减速。

电力蓄积装置6与所述转换装置3的直流电侧连接，供给及吸收直流电。

控制装置7输入所述电力蓄积装置6的内部状态信号Sp1和从后述的充放电量修正装置13输出的所述电力蓄积装置6的充放电量的修正量ΔSOC，输出相对于所述发动机1的运转指令Se、相对于所述转换装置3的运转指令Sc、相对于所述变换装置4的运转指令Si。

所述充放电量的修正值ΔSOC利用作为用以实现本发明的装置的速度传感器8、速度运算装置9、行驶位置运算装置10、数据库保持装置11、耗电预测装置12、充放电量修正装置13运算，为了进行对应于路线状况的蓄电管理而预测随着路线状况的变化而产生的蓄电量的剩余量或不足量，修正所述电力蓄积装置6的充放电量。

关于速度传感器8、速度运算装置9、行驶位置运算装置10、数据库保持装置11、耗电预测装置12、充放电量修正装置13后述。另外，虽然在此没有图示，不过，所述控制装置7还向配置在所述电力蓄积装置6内部的充放电控制装置输出动作指令Sp2。

速度运算装置9输入从检测感应电动机5旋转速度的速度传感器8输出的旋转速度信息Fr，运算车辆的行驶速度V。行驶位置运算装置10输入从所述速度运算装置9输出的车辆的行驶速度V，运算车辆的行驶位置Dist。图2表示速度运算装置9及行驶位置运算装置10的一构成例。图2表示所述行驶速度V及所述行驶位置Dist的运算方法的一例，并没有限定其装置。所述行驶速度V利用所述旋转速度信息Fr、车轮半径Rw、传动比Gr、所述感应电动机5的极对数Np成为式(1)。

[数1]

$V=\frac{2\mathrm{\π}\·R_w}{G_r\·N_p}\·F_r---\left(1\right)$

所述行驶位置运算装置10按单位时间积算所述行驶速度V，运算行驶位置Dist。

数据库保持装置11将相对于车辆行驶位置的基准速度信息和相对于车辆行驶速度的所述电力蓄积装置6的蓄电模式作为数据库保持。所述基准速度信息按照行驶路线的运行图设定。所述蓄电模式保持1种模式即可，例如作为行驶在平坦区间时的行驶速度和所述电力蓄积装置6的蓄电量的关系来设定。

所述数据库保持装置11输入所述行驶速度V和所述行驶位置Dist，参照所述基准速度信息和所述蓄电模式，输出相对于所述车辆的行驶位置Dist的基准速度Vref和相对于所述车辆速度V的蓄电模式SOCDB。

图3表示耗电预测装置12和充放电量修正装置13的构成例。耗电预测装置12输入所述行驶速度V和所述基准速度Vref，运算根据所述行驶速度V运算的车辆运动能量和根据所述基准速度运算的车辆基准运动能量的差量ΔE。

充放电量修正装置13，根据从所述耗电预测装置12输出的运动能量的差量ΔE的值，预测随着路线状况产生的变换器的耗电，运算相对于所述电力蓄积装置6的充放电量的修正值ΔSOC。另外，在此没有图示，不过为了防止所述电力蓄积装置6的过放电、过充电，从所述数据库保持装置11输出的相对于车辆速度V的蓄电模式SOCDB和所述蓄电模式修正值ΔSOC的和设有限制，以使不超过相对于所述电力蓄积装置6的蓄电量设定的上限值及下限值。

在此关于作为路线状况坡度变化时的所述充放电量的修正值ΔSOC的运算方法进行说明。

图4(a)、(b)分别表示车辆下坡行驶时的运行曲线及行驶速度和蓄电量的关系。图4(a)中实线表示实际的运行曲线，虚线表示根据运行图等确定的目标值。另外，图4(b)中实线是行驶速度和蓄电量的实际值，虚线是表示行驶在平坦区间时的行驶速度和蓄电量的关系的目标值。双点划线所示的充电临界及放电临界是为了防止电力蓄积装置由于过充电、过放电产生故障而设定的蓄电量的上限值及下限值。

下坡行驶时，比行驶在平坦部时容易加速。因而，消耗同等蓄电量时的行驶速度比行驶在平坦部时高(图4(a)的实线)。此时，行驶速度和蓄电量的关系成为图4(b)的实线，与行驶在平坦部时相比产生蓄电量的剩余量。

若假设车辆为没有行驶阻力和由于照明等消耗能量的理想状况，则该蓄电量的剩余量成为车辆的运动能量的差。若考虑抑制直流电产生装置的发电量、有效利用电力蓄积装置的蓄电量，则下坡行驶时与行驶在平坦部时相比能够用少的蓄电量加速，从而，用比行驶在平坦部时的蓄电量的目标值(图4(b)的虚线)少的蓄电量进行管理、优先使用电力蓄积装置的电力为好。

根据以上情况，判断为实际的运行曲线(图4(a)的实线)比运行曲线的目标值(图4(a)的虚线)高时，是行驶在下坡区间中，管理充放电量以使与从实际的运行曲线求出的运动能量和从运行曲线的目标值求出的运动能量的目标值的差量成比例，将蓄电量的目标值从图4(b)的虚线修正到单点划线，使蓄电量与修正后的目标值一致。

蓄电量的目标值根据以下式进行修正。首先，运算运动能量的差量ΔE。若以实际的行驶速度为V、以从运行曲线的目标值得到的基准速度为Vref、车辆编组的质量为m，则ΔE成为式(2)。

[数2]

$\mathrm{\ΔE}=\frac{1}{2}\·m\·(V^2-V_{\mathrm{ref}}^2)---\left(2\right)$

相对于蓄电量的目标值的修正值ΔSOC，若在消耗相当于充电临界和放电临界差量的蓄电量SOCmax时，车辆达到设计上的最高速度Vmax为理想状态，则成为式(3)。

[数3]

$\mathrm{\ΔSOC}=\frac{{\mathrm{SOC}}_{\max }}{\frac{1}{2}\·m\·V_{\max }^2}\·\mathrm{\ΔE}---\left(3\right)$

从而，能够设定适于下坡的蓄电量的目标值，可有效地利用蓄电量。

接下来，图5(a)、(b)分别表示车辆上坡行驶时的运行曲线及行驶速度和蓄电量的关系。

图5(a)中实线表示实际的运行曲线，虚线是根据运行图等确定的目标值。另外，图(b)中实线是行驶速度和蓄电量的实际值，虚线是表示行驶在平坦区间时的行驶速度和蓄电量的关系的目标值。双点划线所示的充电临界及放电临界是为了防止电力蓄积装置由于过充电、过放电产生故障而设定的蓄电量的上限值及下限值。

上坡行驶时与下坡时相反，比行驶在平坦部时难加速。因而，消耗同等蓄电量时的行驶速度比行驶在平坦部时低(图5(a)的实线)。此时，车辆速度和蓄电量的关系成为图5(b)的实线，与行驶在平坦部时相比产生蓄电量的不足量。

若假设车辆为没有行驶阻力和由于照明等消耗能量的理想状况，则该蓄电量的剩余量成为车辆的运动能量的差。为了防止所述电力蓄积装置6的过放电，上坡行驶时用比行驶在平坦部时的蓄电量(图5(b)的虚线)多的蓄电量进行管理为好。

根据以上情况，判断为实际的运行曲线(图5(a)的实线)比运行曲线的目标值(图5(a)的虚线)低时，是行驶在上坡区间中，管理充放电量以使与从实际的运行曲线求出的运动能量和从运行曲线的目标值求出的运动能量的目标值的差量成比例，将蓄电量的目标值从图5(b)的虚线修正到单点划线，使蓄电量与修正后的目标值一致。相对于蓄电量的目标值的修正值与下坡时同样成为式(2)、(3)。

由于路线的坡度状况时刻变化，从而如图6所示每隔一定时间根据从实际的运行曲线求出的运动能量和从运行曲线的目标值求出的运动能量的目标值的差量，判断行驶区间的坡度状况，修正蓄电量的目标值。进行蓄电量的管理使得与修正后的目标值一致。

从而，不需要像现有技术那样需要大量的数据库，能够以更简易的构成进行与时刻变化的路线状况对应的电力蓄积装置的蓄电量管理。

为了验证本发明的效果而进行了模拟。路线条件采用相对于实际的行驶区间为-35‰的下坡赋予了平坦区间的运行曲线的情况。另外，再生效率为40％、没有行驶阻力、没有照明等耗电、行驶中使用从直流电产生装置产生的电力和从电力蓄积装置供给的电力双方来行驶。

图7、11表示模拟结果。图7是进行本发明的电力蓄积装置的充放电量修正的情况，图11是不进行本发明的电力蓄积装置的充放电量修正的情况。图7、11中，(a)表示运行曲线，基准值是行驶在平坦区间时的运行曲线的目标值。实际值是车辆实际行驶时的运行曲线。(b)是车辆速度和蓄电量SOC的关系。双点划线所示的充电临界及放电临界是为了防止电力蓄积装置故障而设定充放电不超过它以上的临界值。

不进行本发明的电力蓄积装置的充放电量修正的情况，由于动力运行时加速容易，再生时停止难，从而，车辆速度和蓄电量SOC的关系如图11(c)，在进行再生动作、车辆停车的时点SOC约为61％，超过了充电临界(60％)。由于超过了充电临界的量不能够向电力蓄积装置充电，因此能量效率下降。

另一方面，如图7所示，进行本发明的电力蓄积装置的充放电量修正的情况，根据从运行曲线的基准值和实际值计算的运动能量的差，修正蓄电量的充放电量，由此车辆停止后蓄电量也收束在充电临界和放电临界之间。

专利文献1所述的铁道车辆，将坡度的信息作为数据库保持，不过，坡度随着车辆的行驶位置而时刻变化。为此，要进行与坡度变化对应的电力蓄积装置的蓄电量管理，必须将路线划分成多个区间来保持坡度的信息，与划分数相对应地数据库的容量也增加。利用路线的平均坡度减少数据库容量时，无法进行与时刻变化的坡度状况对应的蓄电量的管理。另一方面，根据本发明，如上所述根据车辆的运动能量能够推定坡度信息，因此不需要坡度的数据库，能够进行与坡度变化对应的蓄电量的管理。

[实施例2]

图8表示本发明的实施例2的铁道车辆的驱动装置。实施例1中，由发动机1、感应发电机2、转换装置3形成产生直流电的构成，而实施例2中采用通过氧和氢等的化学反应产生直流电的燃料电池21。

图8中，燃料电池21作为直流电产生装置，输出直流电。变换装置4将从所述燃料电池21输出的直流电转换成交流电。感应电动机5输入从所述变换装置4输出的交流电，将其转换成轴转矩输出，使车辆加减速。

电力蓄积装置6与所述燃料电池21连接，供给及吸收直流电。

控制装置7输入所述电力蓄积装置6的内部状态信号Sp1和从后述的充放电量修正装置13输出的所述电力蓄积装置6的充放电量的修正量ΔSOC，输出相对于所述燃料电池21的运转指令Sf、相对于所述变换装置4的运转指令Si。

所述充放电量的修正值ΔSOC利用作为用以实现本发明的装置的速度传感器8、速度运算装置9、行驶位置运算装置10、数据库保持装置11、耗电预测装置12、充放电量修正装置13运算，为了进行与路线状况对应的蓄电管理而预测随着路线状况的变化产生的蓄电量的剩余量或不足量，修正所述电力蓄积装置6的充放电量。

关于速度传感器8、速度运算装置9、行驶位置运算装置10、数据库保持装置11、耗电预测装置12、充放电量修正装置13后述。另外，虽然在此没有图示，不过，所述控制装置7还向配置在所述电力蓄积装置6内部的充放电控制装置输出动作指令Sp2。

速度运算装置9输入从检测感应电动机5的旋转速度的速度传感器8输出的旋转速度信息Fr，运算车辆的行驶速度V。行驶位置运算装置10输入从所述速度运算装置9输出的车辆的行驶速度V，运算车辆的行驶位置Dist。

[实施例3]

图9表示本发明的实施例3的铁道车辆的驱动装置。实施例1中采用根据所述感应电动机5的旋转速度信息Fr运算所述行驶速度V及所述行驶位置Dist的构成，而本实施例中采用从GPS(global positioning system)获得所述行驶速度V或所述行驶位置Dist中的行驶位置Dist的构成。

图9中，速度运算装置9输入从检测感应电动机5的旋转速度的速度传感器8输出的旋转速度信息Fr，运算车辆的行驶速度V。另外，行驶位置运算装置22，采用能够利用来自环绕地球的人造卫星的信号知道当前地址的GPS技术，检测当前的行驶位置。还有，也可以根据利用GPS由行驶位置运算装置22检测出的行驶位置的变化检测车辆行驶速度V。

数据库保持装置11将相对于车辆行驶位置的基准速度信息和相对于车辆行驶速度的所述电力蓄积装置6的蓄电模式作为数据库保持。所述基准速度信息按照行驶路线的运行图设定。所述蓄电模式只保持1个模式即可，例如作为行驶在平坦区间时的行驶速度和所述电力蓄积装置6的蓄电量的关系来设定。

所述数据库保持装置11输入由所述速度运算装置9运算的行驶速度V和利用所述GPS检测出的所述行驶位置Dist，参照所述基准速度信息和所述蓄电模式，输出相对于所述车辆的行驶位置Dist的基准速度Vref和相对于所述车辆速度V的蓄电模式SOCDB。

以下，与实施例1同样。耗电预测装置12输入所述行驶速度V和所述基准速度Vref，运算由所述行驶速度V运算的车辆运动能量和由所述基准速度运算的车辆基准运动能量的差量ΔE。

并且，充放电量修正装置13，根据从所述耗电预测装置12输出的运动能量的差量ΔE的值，预测随着路线状况产生的变换器耗电，运算相对于所述电力蓄积装置6的充放电量的修正值ΔSOC。

产业上的可利用性

如本发明，根据从车辆行驶速度运算的车辆的运动能量和从相对于车辆行驶位置的基准速度信息运算的基准运动能量的差，预测随着路线状况的变化产生的蓄电量的剩余量或不足量，根据推定结果进行蓄电量的管理，由此能够提供可与意料外的路线状况的变化对应的能量效率高的铁道车辆的驱动装置。

从环境问题的观点出发，并不限定于铁道车辆，重要的课题是提高能量效率。另外，不需要像现有技术那样需要大量的数据库，可进行与路线坡度状态对应的高效的蓄电量管理的本发明是在产业上有效的技术。

Claims (6)

1.一种铁道车辆的驱动装置，其特征在于，包括：直流电产生装置、将所述直流电产生装置产生的直流电转换成交流电的变换装置、由所述变换装置驱动的交流电动机、与所述变换装置的直流电侧连接并具有供给及吸收直流电功能的电力蓄积装置，

还包括：获得车辆行驶速度的装置；获得车辆行驶位置的装置；具有相对于车辆行驶位置的基准速度信息和相对于车辆行驶速度的所述电力蓄积装置的基准蓄电量信息的装置；根据所述行驶速度、所述行驶位置、所述基准速度信息、所述基准蓄电量信息操作所述直流电产生装置、所述变换装置和所述电力蓄积装置的控制装置。

2.根据权利要求1所述的铁道车辆的驱动装置，其特征在于，

所述控制装置根据所述行驶速度、所述行驶位置、所述基准速度信息预测所述变换装置的用电量，操作对所述电力蓄积装置的充放电量。

3.根据权利要求1或2所述的铁道车辆的驱动装置，其特征在于，

所述直流电产生装置具有由发动机驱动的交流发电机，还具有将所述交流发电机产生的交流电转换成直流电的转换装置。

4.根据权利要求1或2所述的铁道车辆的驱动装置，其特征在于，

所述直流电产生装置具有通过氧和氢等的化学反应产生所述直流电的燃料电池。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的铁道车辆的驱动装置，其特征在于，

所述控制装置通过积算所述交流电动机的旋转速度信息来获得所述行驶速度和所述行驶位置中的至少1个以上。

6.根据权利要求1～4中任意一项所述的铁道车辆的驱动装置，其特征在于，

所述控制装置从铁道车辆的驱动装置外部获得所述行驶速度和所述行驶位置中的至少1个以上。

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