CN101516701B - 铁道车辆的驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在串联式混合方式的铁道车辆的驱动装置中，适当判断能引擎停止的状况，另外考虑引擎发电的响应性，实现能确保稳定的牵引性能的怠速停止控制方式，能降低燃料消耗量和降低引擎噪声的、环保的铁道车辆的驱动装置。铁道车辆的驱动装置的系统总合控制部根据发电机的转速、电动机的转速、和从蓄电装置取得的内部状态信号，判定是否需要引擎的发电电力，根据向引擎的运转指令、向转换装置的运转指令，控制发电状态，在不要引擎的发电电力时，判定可否停止引擎，能由对引擎的运转指令，提供使引擎停止的指令。

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，特别是涉及一种设置发电单元和电力积蓄单元，并利用这两个单元产生的电力，驱动铁道车辆的技术。 

背景技术

由于铁的车轮在轨道面上滚动，从而铁道车辆行驶，所以特征是行驶阻力比汽车更小。特别在最近的电气化铁道车辆中，进行通过在制动时把主电动机作为发电机工作，取得制动力，并且把在制动时由主电动机产生的电能返回架设电线，作为其他车辆的牵引能量再利用的再生制动控制。具有该再生制动的电气化铁道车辆与不具有再生制动的电气化铁道车辆相比，用约一半的耗能就能行驶，可以说是有效地利用行驶阻力小的铁道车辆的节能手法。 

而输送密度小的地方路线等，通过不用架设电线、不用架设变电站等基础设施的内燃机车(柴油机车)，以低成本实现极细致的乘客服务。可是，内燃机车由于没有架设电线等对其他车辆传递能量的单元，所以不进行电气化铁道车辆那样的再生能量的再利用。因此，为了用内燃机车实现节能，考虑必须依赖低燃料费引擎的开发。 

作为关于这样的内燃机车推进节能的一个方法，提出组合引擎和蓄电装置的混合内燃机车。混合内燃机车通过设置蓄电装置，能用蓄电装置把在制动时产生的再生能量吸收，把该吸收的再生能量在牵引时作为必要的能量的一部分再利用，从而能实现节能。 

对于混合内燃机车，例如在专利文献1的铁道车辆的驱动装置中进行了描述。 

图9表示专利文献1的混合内燃机车系统的设备结构图。具有：把由引擎1驱动的发电机2产生的交流电力转换为直流电力的转换装置3；把直流电力转换为交流电力的逆变装置4；具有充电和放电直流电力功能的 蓄电装置8；以及驱动铁道车辆的电动机5，在把转换装置3产生的直流电力和蓄电装置8产生的直流电力提供给逆变装置4时，由控制装置39把蓄电装置8中积蓄的蓄电能量设定为对车辆速度的蓄电管理基准模式，按照基于该模式的蓄电量和蓄电装置8的实际蓄电量的差量，控制转换装置产生的直流电力。 

专利文献1：特开2004-282859号公报 

混合内燃机车是用蓄电装置回收制动时的再生能量，通过再利用它，取得节能效果的方式。特别是，在引擎的旋转轴与车轮的旋转机械地断开的“串联式混合方式”中，具有与车辆速度无关地决定引擎的转速的特征。在该串联式混合方式的设备结构中，在不要基于引擎的发电的时候，能进行停止引擎的怠速停止(idle stop)。通过该怠速停止，混合内燃机车能进一步扩大燃料消耗量降低的优点。此外，在以往的内燃机车中，由专用的马达对引擎提供起动扭矩，起动引擎。因此，为了避免频繁停止/起动引擎，在车站停车中，通常也进行引擎的怠速运转，成为车站内的噪声的原因。 

对于该串联式混合方式的混合内燃机车，当然在停车中也能进行怠速停止，完全停止引擎，所以能降低车站内的引擎噪声。 

可是，在图9所示的专利文献1的铁道车辆的驱动装置中，在关于发明的实施方式的说明中，公开了按照行驶条件，“停止”引擎/转换器的动作。可是，对于引擎/转换器的动作停止，不明确关于停止哪个动作。此外，没公开其具体的停止控制的方法。 

对于基于串联式混合方式的混合内燃机车，在不用引擎发电的状况下，能停止引擎。可是，在考虑实际的铁道车辆的驾驶时，考虑从引擎停止状态再牵引时，引擎的发电开始会延迟。由于在无法取得该引擎的发电电力的期间必须用蓄电装置负担牵引电力的全部，所以蓄电装置的负担增大，有可能产生过大的放电电力引起的蓄电装置的故障等。 

即，为了在混合内燃机车中进行怠速停止控制，解决以下技术课题是很重要的， 

(1)根据驾驶状态和车辆行驶状态，适当判断能怠速停止的状况。 

(2)考虑从引擎开始指令到实际取得发电电力的响应性的牵引性能的研究。 

据此，认为能开始实现怠速停止控制。 

发明内容

本发明的目的在于，提供一种在由引擎驱动的发电设备组合电力积蓄单元，用逆变装置把由这两者供给的直流电力转换为交流电力，在驱动马达的串联式混合方式的铁道车辆的驱动装置中，适当判断能引擎停止的状况，考虑引擎发电的响应性，实现能确保稳定的牵引性能的怠速停止控制方式，能降低燃料消耗量和降低引擎噪声的、环保的铁道车辆的驱动装置。 

本发明的铁道车辆的驱动装置的特征在于，包括：具有把由引擎驱动的发电单元产生的交流电力转换为直流电力的逆变单元的直流电力产生单元；把直流电力转换为交流电力的逆变单元；由逆变单元驱动的电动机；具有对直流电力进行充电和放电的功能的电力积蓄单元；控制这些各单元的控制单元；检测发电单元的转速的单元；检测电动机的转速的单元；检测电力积蓄单元的蓄电量的单元；检测由直流电力产生单元转换的直流电力的单元， 

控制单元按照电动机的速度和电力积蓄单元的蓄电电力量，控制引擎的运转状态。 

根据本发明，能提供一种在由引擎驱动的发电设备组合电力积蓄单元，用逆变装置把由这两者供给的直流电力转换为交流电力，在驱动马达的串联式混合方式的铁道车辆的驱动装置中，适当判断能引擎停止的状况，考虑引擎发电的响应性，实现能确保稳定的牵引性能的怠速停止控制方式，能降低燃料消耗量和降低引擎噪声的、环保的铁道车辆的驱动装置。 

附图说明

图1是表示本发明实施例1的电车的控制装置的基本结构的图。 

图2是表示实现本发明实施例2的怠速停止控制的结构的图。 

图3是表示实现本发明实施例3的怠速停止控制的控制条件的一个例子的示意图。 

图4是实现本发明实施例4的牵引电力控制的控制框图。 

图5是表示本发明实施例5的牵引电力控制的动作的一个例子的示意 图。 

图6是实现本发明实施例6的引擎起动停止控制的控制框图。 

图7是表示本发明实施例7的引擎起动停止控制的控制方式的一个例子的示意图。 

图8是表示本发明实施例8的引擎起动停止控制的动作的一个例子的示意图。 

图9是表示以往的混合内燃机车的控制装置的结构的图。 

图中：1-引擎，2-感应发电机，3-转换装置，4-逆变装置，5-电动机，6-减速机，7-轮轴，8-蓄电装置，9-系统总合控制部，10-服务电源用逆变装置，11-变压器，12-截止器，13-速度传感器，14-速度检测器，15-滤波电容器，16-电流传感器，17-电阻器，18-电压传感器，19-引擎控制装置，20-PWM控制器(矢量控制计算器)，21-恒电力控制器(电流指令发生器)，22-电流检测器，23-能量管理控制部，24-引擎发电输出控制部，25-励磁电流指令生成部，26-扭矩电流指令生成部，27-扭矩电流限制值生成部，28-低位选择器，29-选择器，30-变化率限制器，31-引擎输出特性，32-引擎输出特性选择部，33-引擎输出控制部，34-发电机输出特性，35-发电机输出特性选择部，36-选择器，37-变化率限制器，38-发电机扭矩控制选择部，39-控制装置。 

具体实施方式

以下，参照附图，说明本发明的实施方式。 

实施例1 

图1是表示本发明实施例1的电车的控制装置的基本结构的图。 

引擎1按照系统总合控制部9的指令Se，输出轴扭矩。 

发电机2把引擎1的轴扭矩作为输入，把它转换为三相交流电力并输出。转换装置3把从发电机2输出的三相交流电力作为输入，把它转换为直流电力并输出。这里，转换装置3进行电压控制，从而变为基于来自系统总合控制部9的指令Sc的直流电压。 

逆变装置4把从转换装置3输出的直流电力作为输入，把它转换为三 相交流电力并输出。电动机5把逆变装置4输出的三相交流电力作为输入，把它转换为轴扭矩并输出。这里，逆变装置4为了把电动机5的输出扭矩变为基于来自系统总合控制部9的指令Si的扭矩，参照后面描述的转速信号Fr_inv，可变控制逆变装置4的输出电压和交流电流频率。 

减速器6由转速的减速，把电动机5的轴扭矩输出放大并输出，驱动轮轴7，对电车进行加减速。 

系统总合控制部9把蓄电装置8的内部状态信号Sp1作为输入，对引擎1输出运转指令Se，对转换装置3输出运转指令Sc，对逆变装置4输出运转指令Si，对截止器12a、12b、12c、12d输出动作指令Sb，输出对在蓄电装置8内配置的充放电控制装置的动作指令Sp2，控制这些设备的综合的动作状态以使二次电池蓄电量在固定范围内。此外，根据由速度传感器13a、13b和速度计算部14a、14b取得的速度信息、从蓄电装置8取得的内部状态信号，能单独或综合地控制引擎1、转换装置3、逆变装置4、蓄电装置8、截止器12。 

服务电源用逆变装置10把转换装置3和逆变装置4之间的直流电力作为输入，把它转换为三相交流电力并输出。并且，由服务电源用变压器11调整为提供给电车的照明或空调机等的服务电源电压，提供给各服务设备。 

截止器12a在转换装置3和逆变装置4之间的直流电力部，配置在转换装置3的输入端子的附近。引擎1和转换装置3由于故障等，不工作时，根据来自系统总合控制部9的动作指令Sb，开放截止器12a，截止向转换装置3的电力供给，确保设备的安全性。同样，转换装置3和逆变装置4之间的直流电力部的电压变得过大时，根据来自系统总合控制部9的动作指令Sb，开放截止器12a，截止向转换装置3的电力供给，防止转换装置3的故障。 

截止器12b配置在转换装置3、逆变装置4之间的直流电力部和服务电源用逆变装置10之间。当直流电力部的电压超过服务电源用逆变装置10的输入允许电压时，通过来自系统总合控制部9的动作指令Sb，开放截止器12b，截止从转换装置3、逆变装置4对服务电源用逆变装置10供给的电力，防止服务电源用逆变装置10的故障。 

截止器12c配置在转换装置3、逆变装置4之间的直流电力部和蓄电装置8的输入输出端子之间。当蓄电装置8的蓄电允许量超过时，或者当直流电力部的输入输出电流超过蓄电装置8的输入输出允许电流值时，根据来自系统总合控制部9的动作指令Sb，开放截止器12c，截止从转换装置3和逆变装置4之间的直流电力部提供给蓄电装置8的电力，防止蓄电装置8的故障。 

截止器12d在转换装置3和逆变装置4之间的直流电力部，配置在逆变装置4的输入端子附近。逆变装置4由于故障等，不工作时，根据来自系统总合控制部9的动作指令Sb，开放截止器12d，截止向逆变装置4的电力供给，防止误动作。同样，当从转换装置3、蓄电装置8向逆变装置4的电力供给变得过大时，根据来自系统总合控制部9的动作指令Sb，开放截止器12d，截止向逆变装置4的电力供给，防止故障。 

速度传感器13a检测发电机2的转速，在速度计算器14a转换为转速信号Fr_cnv。 

速度传感器13b检测电动机5的转速，在速度计算器14b转换为转速信号Fr_inv。 

根据该结构，能实现以下的动作。 

由引擎1的轴输出驱动发电机2，由转换装置3把发电机2产生的三相交流电力转换为直流电力。该直流电力由逆变装置4转换为三相交流电力，驱动电动机5。电动机5的轴输出由减速器6进行减速，使轮轴7旋转，取得车辆的驱动力。此外，在转换装置3和逆变装置4之间的直流电力部连接蓄电装置8，能对直流电力的过多或不足部分在蓄电装置8进行充放电。即，本发明的铁道车辆的驱动装置是串联式/混合方式的设备结构。 

此外，通过具有系统总合控制部9，根据由速度传感器13a、13b和速度计算部14a、14b取得的速度信息、从蓄电装置8取得的内部状态信号，能单独或综合地控制引擎1、转换装置3、逆变装置4、蓄电装置8、截止器12。 

根据该结构，系统总合控制部9根据由速度传感器13a和速度计算部14a取得的发电机2的转速Fr_cnv、由速度传感器13b和速度计算部14b取得的电动机5的转速Fr_inv、从蓄电装置9取得的内部状态信号Sp1， 判定引擎1的发电电力是否需要，根据对引擎1的运转指令Se、对转换装置3的运转指令Sc，控制发电状态，并且，在不要引擎1的发电电力的时候，判定可否停止引擎，根据对引擎1的运转指令Se，能提供使引擎停止的指令。即，能实现怠速停止控制，能实现燃料消耗量的降低、引擎工作声音的降低。 

此外，通过怠速停止控制，在未取得基于引擎1的发电电力时，系统总合控制部9根据由速度传感器13b和速度计算部14b取得的电动机5的转速Fr_inv和从蓄电装置8取得的内部状态信号Sp1，能进行以下控制，即，输出对逆变装置4的运转指令Si，按照蓄电装置8的最大输出界限，限制由逆变装置4驱动的电动机5的输出。即，当由怠速停止未取得引擎1的发电电力时，只用蓄电装置8的放电电力就能实现稳定的加速。 

并且，系统总合控制部9根据由速度传感器13a和速度计算部14a取得的发电机2的转速Fr_cnv、由速度传感器13b和速度计算部14b取得的电动机5的转速Fr_inv、从蓄电装置9取得的内部状态信号Sp1，判定引擎1的起动、停止的是否需要，对转换装置3输出运转指令Sc，用发电机2的扭矩控制引擎1的起动、停止。即，由发电机2的扭矩迅速地控制引擎1的起动、停止，能缩短怠速停止控制时的引擎发电开始时间，只用蓄电装置8的放电电力就能缩短加速时间，能把车辆的加速性能的下降变为最小限度。 

实施例2 

图2是表示实现本发明实施例2的怠速停止控制的结构的图。 

引擎1根据引擎控制部19的燃料喷射量指令F_eng，输出轴扭矩。发电机2把引擎1的轴扭矩作为输入，把它转换为三相交流电力并输出。转换装置3把从发电机2输出的三相交流电力作为输入，把它转换为直流电力并输出。这里，转换装置3为了变为基于来自系统总合控制部9的指令Sc的直流电压，通过PWM控制器(矢量控制计算器)20输出的选通信号Vp，进行电压控制。 

系统总合控制部9把蓄电装置8的内部状态信号Sp1作为输入，对引擎控制装置19输出运转指令Se，对恒电力控制器(电流指令发生器)21输出运转指令Sc，对不图示的逆变装置4输出运转指令Si，对不图示的截 止器12a、12b、12c、12d输出动作指令Sb，输出对在蓄电装置8内配置的充放电控制装置的动作指令Sp2，控制这些设备的综合的动作状态以使蓄电装置8的蓄电量在固定范围内。 

速度传感器13a检测发电机2的转速，在速度计算器14a转换为发电机转子频率Fr_cnv。 

滤波电容器15对于由转换装置3转换的直流电力，特别是对以高频变动的电压成分进行平滑化，使直流部的电压稳定。电流传感器16检测从转换装置3通过滤波电容器15在直流部流入或者从直流部流出的电流。 

电阻器17把向直流部流入或者从直流部流出的电流分流，电压传感器18根据电阻器17的两端电压与流过电阻器17的电流值成比例的原理，检测直流部的电位差。 

引擎控制装置19输入来自系统总合控制部9的动作指令Se和来自速度检测器14的转速信号Fr_gen，输出调整引擎1的输出的燃料喷射量指令F_eng。 

恒电力控制器21把来自系统总合控制部9的动作指令Sc、来自速度检测器14a的转速信号F_cnv、来自电流传感器16的直流部电流检测值Icnv、来自电压传感器18的直流部电压检测值Vcnv作为输入，输出决定后面描述的PWM控制器20的电压控制量的电压指令Vc_cnv。 

PWM控制器20把来自恒电压控制器21的电压指令Vc_cnv、来自速度计算部14b的Fr_cnv作为输入，输出通过构成转换装置3的不图示的开关元件的开(ON)/关(OFF)，驱动PWM控制的开关元件选通信号Vp。 

根据该结构，能实现以下的动作。 

本发明实施例2的铁道车辆的驱动装置具有系统总合控制部9，根据由速度传感器13a和速度计算部14a取得的速度信息、由不图示的速度传感器13b和速度计算部14b取得的速度信息、从蓄电装置8取得的内部状态信号，能单独或综合地控制引擎1、转换装置3。 

根据该结构，系统总合控制部9根据由速度传感器13a和速度计算部14a取得的发电机2的转速Fr_cnv、由不图示的速度传感器13b和速度计算部14b取得的电动机5的转速Fr_inv、从蓄电装置8取得的内部状态信号Sp1，判定引擎1的发电电力是否需要，根据对引擎1的运转指令Se、 对转换装置3的运转指令Sc，控制发电状态，在不要引擎1的发电电力的时候，判定可否停止引擎，根据对引擎1的运转指令Se，能提供使引擎停止的指令。即，能实现怠速停止控制，能实现燃料消耗量的降低、引擎工作声音的降低。 

实施例3 

图3是表示实现本发明实施例3的怠速停止控制的控制条件的一个例子的示意图。 

这里，作为怠速停止控制条件的一个例子，说明用“(1)控制图”和“(2)控制矩阵”决定条件的方式。 

“(1)控制图”是横轴(X轴)为车辆的行驶速度Vcar，纵轴(Y轴)是所述蓄电装置8的蓄电量SOC的平面。从这两者的关系判断蓄电装置8的蓄电状态的好否。这里，图中的轨迹K表示车辆从停止状态加速(牵引)到速度70km/h，惯性行驶后，减速(制动)直到停车时的一般的车辆速度Vcar和蓄电量SOC的关系。该轨迹K表示： 

(a)加速时：由于把蓄电装置8的蓄电能量转换为车辆的运动能量，所以随着车辆速度Vcar上升，蓄电装置8的蓄电量SOC渐渐减少； 

(b)惯性行驶时：由于行驶阻力，车辆速度Vcar渐渐下降，但是由于引擎发电电力，蓄电量SOC渐渐增加； 

(c)减速时：由于车辆的运动能量转换为蓄电装置8的蓄电能量，所以随着车辆速度Vcar下降，蓄电装置8的蓄电量SOC渐渐增加。表示(再生制动)的状态。 

另外，在牵引时转换为运动能量的蓄电装置8的蓄电能量和在制动时从运动能量转换的蓄电装置8的蓄电能量通常不相等。这是因为在车辆的行驶时，由倾斜阻力、曲线阻力、车辆阻力(机械阻力、空气阻力)引起的能量损失或者由设备的动作引起的能量损失一定存在。在本发明的实施例3的铁道车辆的驱动装置中，通过用引擎发电电力补偿这些能量损失，车辆能继续行驶。以下表示其原理。 

位于轨迹K的下侧的曲线L表示没有所述的损失或者少时，在车辆加速时，把蓄电装置8的蓄电能量转换为车辆的运动能量的样子。同样，位于轨迹K的上侧的曲线M表示没有所述的损失或者少时，在车辆减速 时，把车辆的运动能量转换为蓄电装置8的蓄电能量的样子。此外，直线N表示蓄电装置8的放电界限(SOC_min)，直线O表示蓄电装置8的充电界限(SOC_max)。 

设置由这些曲线L、曲线M、直线N、直线O划分的区域A、区域B、区域C、区域D。这里，区域A、区域B是由曲线L、曲线M包围的区域，是理想的蓄电量范围。在本发明实施例3的铁道车辆的驱动装置中，判断该时刻的车辆速度Vcar和蓄电装置8的蓄电量SOC的关系相当于哪个区域，同时反映车辆的运转状态，通过切换引擎运转状态，控制为不根据能量损失的大小，蓄电装置8的蓄电量SOC在理想的区域A、区域B中的蓄电状态。 

可是，如上所述，在控制蓄电装置8的蓄电量SOC时，不要基于引擎的发电的状态一定存在。这主要是蓄电量变成比较高的状况，相当于(1)控制图的区域D。可是，即使蓄电量SOC位于区域D内，运转状态是牵引的时候，也需要基于引擎的发电援助。此外，在减速(制动)时，从节能的观点出发，为了把再生能量最大限度充电，中止基于引擎的发电。并且，在停止时，蓄电量SOC比较高(区域A)时，只用蓄电装置8的蓄电能量对车辆的辅助设备类(服务设备)供给电力就可以，没必要基于引擎的发电。 

这样，在不要基于引擎的发电的时候，一般把引擎变为怠速运转。可是，本发明的铁道车辆的驱动装置是引擎和驱动系统(车轮)没有机械连接的串联式混合方式，所以即使在行驶中不要基于引擎的发电时，也能停止引擎的运转(怠速停止)。 

“(2)控制矩阵”表示对于车辆的运转指令NTC((1)停车、(2)惯性行驶、(3)牵引(加速)、(4)制动(减速)、(5)恒速行驶、(6)抑速行驶)、和(1)控制图的区域(区域A、区域B、区域C、区域D)，能怠速停止的状态的控制条件的一个例子。在该控制矩阵中，能怠速停止的状态用“○”表示，无法怠速停止的状态用“×”表示，没有设定(车辆的运转状态和(1)控制图的组合不存在)的状态用“-”表示。 

在蓄电装置8的蓄电量最有富裕的区域D中，在“(2)惯性行驶、(4)制动”时，怠速停止。另外，在“(3)牵引(加速)”和加速模式具有的 “(5)恒速行驶”时，引擎的发电运转是必要的，所以无法怠速停止。此外，“(6)抑速行驶”时引擎成为负荷运转(引擎制动)动作。 

此外，在包含停车的低速运转状态的区域A中，在“(1)停车、(2)惯性行驶、(4)制动(减速)”时，怠速停止。在“(3)牵引(加速)”时引擎的发电运转是必要的，所以无法怠速停止。 

而在确保固定量的蓄电装置8的蓄电量SOC的区域B中，在“(4)制动、(6)抑速行驶”时怠速停止。在“(2)惯性行驶、(3)牵引(加速)”时引擎的发电运转是必要的，所以无法怠速停止。 

以上不要基于引擎的发电时，实现停止引擎的怠速停止。 

根据该控制方式，系统总合控制部9根据发电机2的转速Fr_cnv、来自运转台的运转指令NTC、从蓄电装置8取得的蓄电量SOC，参照“(1)控制图”和“(2)控制矩阵”，判定引擎1的发电电力的是否需要，在不要引擎1的发电电力的时候，判定可否停止引擎，能提供使引擎1停止的指令。即，能实现怠速停止，能实现燃料消耗量的降低、引擎工作声音的降低。 

实施例4 

图4是实现本发明实施例4的牵引电力控制的控制框图。 

系统总合控制部9由能量管理控制部23和引擎发电输出控制部24构成。 

能量管理控制部23根据在速度计算器14b计算的电动机转子频率Fr_inv、由不图示的蓄电装置8计算的蓄电量SOC、来自不图示的运转台的运转指令，判定该时刻引擎发电的有无，输出引擎发电中断信号No_gen。 

另外，能量管理控制部23根据在速度计算器14b计算的电动机转子频率Fr_inv、由不图示的蓄电装置8计算的蓄电量SOC的信息，计算在该时刻必要的发电电力P_gen，虽然在引擎发电输出控制部24进行输入，但是由于是在本图所示的牵引电力控制中不使用的信号，所以省略说明。 

这里，牵引电力控制是在逆变装置4实现的功能，由励磁电流指令生成部25、扭矩电流指令生成部26、扭矩电流限制值生成部27、低位选择器28、选择器29、变化率限制器30实现该功能。 

励磁电流指令生成部25把由速度计算器14b计算的电动机转子频率 Fr_inv、和来自不图示的运转台的运转指令NTC作为输入，参照对于电动机转子频率Fr_inv的励磁电流指令特性曲线，输出励磁电流指令Idp_inv。 

扭矩电流指令生成部26把由速度计算器14b计算的电动机转子频率Fr_inv、和来自不图示的运转台的运转指令NTC作为输入，参照对于电动机转子频率Fr_inv的扭矩电流指令特性曲线，输出扭矩电流指令Iqp_inv。 

这里，励磁电流指令生成部25、扭矩电流指令生成部26是由矢量控制进行驱动控制的逆变装置一般具有的功能，由逆变装置驱动的电动机的输出扭矩与扭矩电流指令生成部26输出的扭矩电流指令Iqp_inv成比例地跟踪控制。此外，在励磁电流指令生成部25、扭矩电流指令生成部26的图示中，分别以1种作为代表表示转子频率Fr的特性曲线。假定励磁电流指令生成部25、扭矩电流指令生成部26的对于转子频率Fr的特性曲线具有多个，由运转指令NTC进行其选择。 

扭矩电流限制值生成部27把由速度计算器14b计算的电动机转子频率Fr_inv作为输入，参照对于电动机转子频率Fr_inv的扭矩电流限制值特性曲线，输出扭矩电流限制值Lmt_iqp。 

这里，按照不图示的蓄电装置8的最大输出性能P_btr[W]，决定扭矩电流限制值生成部27的扭矩电流限制值特性曲线。以下，表示不图示的电动机5为三相感应电动机时的扭矩电流限制值Lmt_iqp的计算方法的一个例子。 

使用不图示的逆变装置4的设备损失ξ_inv、不图示的电动机5的设备损失ξ_mtr、极对数Pole、励磁电感L、不图示的减速器6的设备效率ξ_gear、以及由速度计算器14b计算出的电动机转子频率Fr_inv[Hz]，用以下数学式表示扭矩电流限制值Lmt_iqp[A]。 

[数学式1] 

$\mathrm{Lmt}\_\mathrm{iqp}=\frac{P\_\mathrm{btr}\×\mathrm{\ξ}\_\mathrm{inv}\×\mathrm{\ξ}\_\mathrm{mtr}\×\mathrm{\ξ}\_\mathrm{gear}}{\mathrm{Idp}\_\mathrm{inv}\×\mathrm{Pole}\×3\×L\×\mathrm{\π}}\·\frac{1}{\mathrm{Fr}\_\mathrm{mtr}}$

低位选择器28选择扭矩电流指令生成部26输出的扭矩电流指令Iqp_inv、和扭矩电流限制值生成部27输出的扭矩电流限制值Lmt_iqp中小的值，输出带限制的扭矩电流限制值Lqp_inv_lmt。 

选择器29a把扭矩电流指令生成部26输出的扭矩电流指令Iqp_inv、低位选择器28输出的带限制的扭矩电流限制值Lqp_inv_lmt、和能量管理控制部23输出的引擎发电中断信号No_gen作为输入，在引擎发电中断信号No_gen为“0(Low)”时，选择扭矩电流指令Iqp_inv，在引擎发电中断信号No_gen为“1(High)”时，选择带限制的扭矩电流限制值Lqp_inv_lmt，作为其结果，输出扭矩电流指令Iqp_inv_0。 

选择器29b把励磁电流指令生成部25输出的励磁电流指令Idp_inv、和运转指令NTC作为输入，在运转指令NTC为“牵引”指令以外时，选择零输出，在运转指令NTC为“牵引”指令时，选择励磁电流指令Idp_inv，作为其结果，输出励磁电流指令Idp_inv_a。 

选择器29c把选择器29a输出的扭矩电流指令Iqp_inv_0、和运转指令NTC作为输入，在运转指令NTC为“牵引”指令以外时，选择零输出，在运转指令NTC为“牵引”指令时，选择扭矩电流指令Iqp_inv_0，作为其结果，作为扭矩电流指令Iqp_inv_a进行输出。 

变化率限制器30a把选择器29b输出的励磁电流指令Idp_inv_a作为输入，限制励磁电流指令Idp_inv_a的时间的变化率，输出向PWM控制部20输入的最终的励磁电流指令Idp0_inv。 

变化率限制器30b选择器29c输出的扭矩电流指令Iqp_inv_a作为输入，限制扭矩电流指令Iqp_inv_a的时间的变化率，输出向PWM控制部20输入的最终的扭矩电流指令Iqp0_inv。 

根据该结构，能实现以下的动作。 

具有系统总合控制部9，根据由速度传感器13b和速度计算部14b取得的速度信息、和从蓄电装置8取得的内部状态信号，能控制逆变装置4。 

根据该结构，由于怠速停止控制，在未取得基于引擎1的发电电力时，系统总合控制部9根据由速度传感器13b和速度计算部14b取得的电动机5的转速Fr_inv、和从蓄电装置8取得的蓄电量SOC，能进行以下控制，即，输出向逆变装置4的扭矩电流指令Iqp0_inv，按照蓄电装置9的最大输出界限，限制由逆变装置4驱动的电动机5的输出。即，由于怠速停止，在未取得引擎1的发电电力时，只用蓄电装置8的放电电力，就能实现稳 定的加速。 

实施例5 

图5是表示本发明实施例5的牵引电力控制的动作的一个例子的示意图。 

在图5中，(a)是示意地表示在怠速停止时，没必要限制牵引电力时的对于车辆速度的引擎1和蓄电装置8负担的牵引电力的比例的图。而(b)是示意地表示在怠速停止时，限制牵引电力时的对于车辆速度的引擎1和蓄电装置8负担的牵引电力的比例的图。横轴(X轴)表示车辆速度V，纵轴(Y轴)表示由引擎1或蓄电装置8担负的牵引电力。 

在(a)中，从速度V0到速度V1是不进行基于引擎1的发电的怠速停止状态。这时，蓄电装置8的放电电力P_bat_1负担牵引电力的全部。在车辆速度变为V1的时刻，通过开始基于引擎1的发电，用基于引擎1的发电电力P_eng1负担牵引电力的全部。这时，在速度V1，由于蓄电装置8的放电电力P_bat_1和基于引擎1的发电电力P_eng1相等，所以在速度V1之前的速度区域，只用蓄电装置8负担必要的牵引电力。从车辆速度V1到速度V2，用蓄电装置8的放电电力P_bat_2补充基于引擎1的发电电力P_eng_1，取得必要的牵引电力。在车辆速度比速度V2更高的速度区域中，对于必要的牵引电力，由于基于引擎1的发电电力P_eng1过剩，所以该差量作为蓄电电力P_bat_3向蓄电装置8蓄电。 

这样，(a)表示只用蓄电装置8就能负担怠速停止的速度从速度V0到速度V1的速度区域中必要的牵引电力的情形。而(b)表示无法充分取得蓄电装置8的输出性能的状况下，进行牵引时的状况。这里，作为无法充分取得蓄电装置8的输出性能的情形，除了蓄电装置8自身的输出性能小的情形，还考虑在寒冷地区因为蓄电装置8的保温不充分所以充放电特性下降的状况、以及因为蓄电量少所以放电特性下降的状况。 

在(b)中，从速度V0到速度V1是不进行基于引擎1的发电的怠速停止状态。这时，在速度V0到速度V1’中，蓄电装置8的放电电力P_bat_1负担牵引电力的全部。可是，该速度V0的蓄电装置8的放电电力P_bat_1是蓄电装置8的放电性能的最大界限，所以无法进行比P_bat_1更大的放电。因此，在V1’到速度V1中，牵引电力限制在P_bat_1，无法负担必要 的牵引电力的全部。这时，从蓄电装置8要放出比P_bat_1更大的电力时，如果超过蓄电装置8的放电性能的最大界限，蓄电装置8的输出电力就下降。蓄电装置8的输出电压极度下降时，一般为了保护蓄电装置8，设置禁止放电的保护功能，所以变得无法继续车辆的牵引。在本发明中，在不进行基于引擎1的发电的状况下，通过把逆变装置4的牵引电力、蓄电装置8的放电电力抑制在比最大界限更小，使其不超过蓄电装置8的放电性能的最大界限，从而能继续稳定的牵引动作。 

然后，在车辆速度变为V1的时刻，通过开始基于引擎1的发电，用基于引擎1的发电电力P_eng_1负担牵引电力的全部。开始基于引擎1的发电之后，由于通过基于引擎1的发电电力P_eng_1、和蓄电装置8的放电电力P_bat_2，取得必要的牵引电力，所以没必要把逆变装置4的牵引电力、蓄电装置8的放电电力抑制在比最大界限更小。在从车辆速度V1到V2中，用蓄电装置8的放电电力P_bat_2补充基于引擎1的发电电力P_eng_1，取得必要的牵引电力。在车辆速度比速度V2更高的速度区域中，对于必要的牵引电力，由于基于引擎1的发电电力P_eng_1过剩，所以把该差量作为充电电力P_bat_3向蓄电装置8蓄电。 

根据该控制方式，由怠速停止控制进行以下控制，即，在未取得基于引擎1的发电电力时，按照蓄电装置9的最大输出界限，限制由逆变装置4驱动的电动机5的输出。即，由于怠速停止，在未取得引擎1的发电电力时，只用蓄电装置8的放电电力，就能实现稳定的加速。 

实施例6 

图6是实现本发明实施例6的引擎起动停止控制的控制框图。 

系统总合控制部9由能量管理控制部23和引擎发电输出控制部24构成。 

能量管理控制部23根据由速度检测器14a计算出的发电机转子频率Fr_cnv、和由不图示的蓄电装置8计算的蓄电量SOC的信息，计算在该时刻必要的发电电力P_gen。 

引擎发电输出控制部24对于由能量管理控制部23计算出的发电电力，选择适合于预先设定的引擎刻痕(notch)的刻痕段。 

引擎控制装置19由引擎输出特性模式发生器31、引擎输出特性选择 部32、和引擎输出控制部33构成。 

引擎输出特性模式发生器31把发电机转子频率(引擎转速)Fr_cnv作为输入，关联输出与其对应的输出值。 

引擎输出特性模式发生器31按照必要的输出模式数，预先准备多个。这里，作为本发明实施例6的铁道车辆的驱动装置的例子，特别是为了简便进行关于引擎起动停止控制的说明，只摘要表示实现引擎的怠速运转的引擎输出特性模式31a、和把引擎变为停止状态的引擎输出特性模式31b的2种模式。 

引擎输出特性模式31a是实现怠速运转的引擎输出模式，设定在以怠速转速引擎输出与引擎的机械阻力平衡的目标点，其引擎输出特性是：如果引擎的转速比目标转速更大，就减少引擎输出，如果引擎的转速比目标转速更小，就增加引擎输出。 

引擎输出特性模式31b是把引擎变为停止状态的引擎输出特性模式，不根据引擎的转速，引擎输出为0。在选择该引擎特性模式时，后面描述的引擎输出控制部的输出即燃料喷射量F_eng变为0。 

引擎输出特性选择部32按照引擎发电输出控制部24输出的引擎发电指令Se，选择并输出引擎输出特性31的引擎输出指令模式31a、31b。这里，引擎输出特性的引擎输出指令模式31a、31b作为本发明的铁道车辆的驱动装置的一个实施方式，特别是为了简便进行关于引擎起动停止控制的说明，只摘要表示2种模式，不限制引擎输出特性25的引擎输出模式的数量。 

根据该结构，能实现以下的动作。 

具有系统总合控制部9，根据由速度传感器13a和速度计算部14a取得的速度信息、和从蓄电装置8取得的内部状态信号，能单独或综合地控制引擎1、转换装置3。 

根据该结构，系统总合控制部9根据由速度传感器13a和速度计算部14a取得的发电机2的转速Fr_cnv、和从蓄电装置9取得的蓄电量SOC，判定是否需要引擎的起动、停止，对转换装置3输出扭矩电流指令值Iqp0_cnv，由发电机2的扭矩控制引擎的起动和停止。即，通过由发电机2的扭矩迅速控制引擎1的起动和停止，缩短怠速停止控制时的引擎发电开始时间，缩短只用蓄电装置8的放电加速的时间，能把车辆的加速性能的下降变为最小限度。 

实施例7 

图7是表示本发明实施例7的引擎起动停止控制的控制方式的一个例子的示意图。 

这里，图7是表示引擎起动停止控制的各标志位控制信号的工作和引擎转速的关系的时序图。 

引擎动作标志Flg_eng_opr是系统总合控制部9对引擎控制装置19提供的引擎运转指令信号，在该信号是“1(High)”时，引擎1至少进行怠速运转。 

引擎自立标志Flg_eng_rev是表示达到用引擎控制装置19能控制的转速区域的信号，在引擎1的转速为固定值以上时，变为“1(High)”。 

引擎确定标志Flg_eng_up是表示引擎1的怠速运转确定的信号，在判定为引擎1的转速持续固定时间以上的怠速速度时，变为“1(High)”。 

引擎控制标志Flg_eng_ctr是使引擎起动控制、停止控制工作的指令信号。在图7中，区别为Flg_eng_ctr为高位时是起动控制，为低位时是停止控制。 

转换器励磁电流指令Idp_cnv表示用于进行向引擎的驱动控制的转换器的励磁电流指令值的运动。 

转换器扭矩电流指令Iqp_cnv表示用于进行向引擎1的驱动控制的转换器的扭矩电流指令值的运动。 

引擎转速(发电机转子频率)Fr_cnv表示对引擎1进行引擎起动控制、停止控制时的引擎1的转速的运动。 

以下，按照时间说明引擎起动控制、停止控制的动作。 

(引擎起动控制) 

在时间t0，引擎1是停止状态，各指令信号全部为0。 

在时间t1，引擎动作标志Flg_eng_opr变为“1(High)”。同时，引擎控制标志Flg_eng_ctr为“1(High)[高位]”，开始引擎起动控制。首先，转换器励磁电流指令Idp_cnv上升，准备引擎1的驱动扭矩控制。 

在时间t2，转换器扭矩电流指令Iqp_cnv上升。据此，使引擎1的转 速加速。 

在时间t3，引擎转速Fr_cnv达到速度Fr_1。由于在引擎1的转速是Fr_1以上时，能用引擎控制装置19进行控制，所以引擎自立标志Flg_eng_rev为“1(High)”。此外，转换器扭矩电流指令Iqp_cnv在速度Fr_1以上渐渐被限制，控制转速Fr_cnv使其在怠速转速Fr_a上收敛。 

在时间t4，确认引擎1的转速在怠速转送Fr_a保持一定期间，引擎确定标志Flg_eng_up变为“1(High)”的同时，引擎控制标志返回“0(Low)”。据此，转换器励磁电流指令Idp_cnv下降到0，引擎起动控制结束。 

(引擎停止控制) 

在时间t5，引擎动作标志Flg_eng_opr成为“0(Low)”。同时，引擎控制标志Flg_eng_ctr为“1(High)[低位]”，开始引擎停止控制。首先，转换器励磁电流指令Idp_cnv上升，准备引擎1的驱动扭矩控制。 

在时间t6，转换器扭矩电流指令Iqp_cnv上升。这时，由于使引擎1的转速减速，所以转换器扭矩电流指令Iqp_cnv设定为产生制动扭矩。在图7中，起动控制时的转换器扭矩电流指令Iqp_cnv为正值，停止控制时，把它设为负值，使引擎1的转速减速。 

在时间t7，引擎转速Fr_cnv达到速度Fr_0。在该时刻，引擎确定标志Flg_eng_up为“0(Low)”。此外，转换器扭矩电流指令Iqp_cnv在速度Fr_0以下渐渐被限制，进行引擎1在速度0变为停止状态的准备。 

在时间t8，引擎转速Fr_cnv达到速度Fr_s。在该时刻，引擎自立标志Flg_eng_rev为“0(Low)”。速度Fr_s是能用速度计算部14a判别的引擎转速Fr_cnv的最低值，在该速度以下，无法进行发电机5的扭矩控制。因此，在引擎转速Fr_cnv达到速度Fr_s的时刻，截止转换器扭矩电流指令Iqp_cnv。 

另外，在时间t8，在截止转换器扭矩电流指令Iqp_cnv时，引擎转速Fr_cnv是极接近0的速度，但是未完全停止。即，本控制假定用引擎的旋转阻力进行引擎的最终停止。目的是为了防止引擎停止控制继续，直到引擎1的旋转轴反旋转。 

 根据该结构，系统总合控制部9根据由速度传感器13a和速度计算部 14a取得的发电机2的转速Fr_cnv、和从蓄电装置8取得的蓄电量SOC，判定是否需要引擎的起动、停止，对转换装置3输出扭矩电流指令Iqp_cnv，用发电机2的扭矩控制引擎的起动和停止。即，通过由发电机2的扭矩迅速控制引擎1的起动和停止，缩短怠速停止控制时的引擎发电开始时间，缩短只用蓄电装置8的放电加速的时间，能把车辆的加速性能的下降变为最小限度。 

实施例8 

图8是表示本发明的一个实施方式的引擎起动停止控制的动作的一个例子的示意图。 

在图8中，(a)是把横轴(x轴)作为经过时间，纵轴(y轴)作为引擎转速Fr_cnv，示意地表示从引擎1的怠速状态进行怠速停止时，不进行引擎停止控制时的对于时间的引擎转速Fr_cnv的关系的图。另一方面，(b)是把横轴(x轴)作为经过时间，纵轴(y轴)作为引擎转速Fr_cnv，示意地表示从引擎1的怠速状态进行怠速停止时，进行引擎停止控制时的对于时间的引擎转速Fr_cnv的关系的图。 

在(a)中，在期间(1)进行怠速运转。在时刻t3，中止怠速运转，在期间(2)中，引擎1的转速渐渐减少，在时刻t6完全停止。现在，考虑在期间(3)，运转指令转移到“牵引”，有必要立刻重新开始引擎发电的情形。期间(3)是引擎的再起动处理期间，在它结束之前，引擎1有必要维持停止状态。从该处理结束的时刻t7，开始引擎起动控制，在期间(4)，确定怠速运转之后，在时刻t9，开始引擎1的发电运转，在期间(5)，能取得引擎1的发电电力。假定在时刻t4运转指令转移到“牵引”，开始车辆的加速时，在时刻t4～t9，由于不取得引擎1的发电电力，所以只用蓄电装置8负担牵引电力。 

在(b)中，在期间(1)引擎1进行怠速运转。在时刻t3，中止怠速运转，在期间(2)，引擎1的转速渐渐减少，在时刻t4完全停止。即，引擎的停止所需要的期间在(a)中为需要从t3～t6，而在(b)中，由于进行引擎停止控制，可知能缩短为从t3～t4。现在，考虑在期间(2)，运转指令转移到“牵引”，有必要立刻重新开始引擎发电的情形。期间(3)是引擎的再起动处理期间，在它结束之前，引擎1有必要维持停止状态。从该处 理结束的时刻t5，开始引擎起动控制，在期间(4)，确定怠速运转之后，在时刻t7，开始引擎1的发电运转，在期间(5)，能取得引擎1的发电电力。假定在时刻t4运转指令转移到“牵引”，开始车辆的加速时，在时刻t4～t7，由于不取得引擎1的发电电力，所以只用蓄电装置8负担牵引电力。 

根据该结构，系统总合控制部9根据由速度传感器13a和速度计算部14a取得的发电机2的转速Fr_cnv、和从蓄电装置9取得的蓄电量SOC，判定是否需要引擎1的起动、停止，对转换装置3输出扭矩电流指令Iqp_cnv，由发电机2的扭矩控制引擎的起动和停止。即，通过由发电机2的扭矩迅速控制引擎的起动和停止，缩短怠速停止控制时的引擎发电开始时间，缩短只用蓄电装置8的放电电力加速的时间，能把车辆的加速性能的下降变为最小限度。 

Claims (2)

1.一种铁道车辆的驱动装置，其特征在于，

包括：具有把由引擎驱动的发电单元产生的交流电力转换为直流电力的转换单元的直流电力产生单元；把所述直流电力转换为交流电力的逆变单元；由所述逆变单元驱动的电动机；具有对所述直流电力进行充电和放电的功能的电力积蓄单元；控制这些各单元的控制单元；检测所述发电单元的转速的单元；检测所述电动机的转速的单元；检测所述电力积蓄单元的蓄电电力量的单元；检测由所述直流电力产生单元转换的直流电力的单元，

所述控制单元，在表示车辆的行驶速度与所述电力积蓄单元的蓄电电力量的关系的控制图上，在相比表示没有能量损失的情况下车辆减速时车辆的运动能量被转换为所述电力积蓄单元的蓄电能量的情形的规定曲线，由所述电动机的转速和所述电力积蓄单元的蓄电电力量决定的所述控制图上的位置位于所述蓄电电力量推高的区域，且来自运转台的运转指令是惯性行驶的情况下，进行使起动中的所述引擎停止的控制，

在使起动中的所述引擎停止时，由所述转换单元对所述发电单元产生制动转矩，并在起动停止中的所述引擎时，由所述转换单元对所述发电单元产生驱动转矩。

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，

所述控制单元，在所述引擎为停止状态的情况下，根据所述蓄电装置的最大输出界限调整由所述逆变单元对所述电动机的输出。

Images