JP2007097305A - 車両及びその車両を複数有する編成車両 - Google Patents

Abstract

【課題】
長距離を走行する特急・快速など間の駅を通過して運転を行う場合であっても、小型の電池容量でも運行を可能にすることを課題とする。
【解決手段】
ブレーキ以外の運転時には、発電装置の最大出力運転を基本とし、惰行や定速といった動作の場合には、電力貯蔵装置の充電量及び最大充電電力量に応じた発電装置の運転を行い、ブレーキ時は、回生によるエネルギーを回収することで、電池の使用範囲の上部に充電量を保つことで、力行時の電池の放電時間を継続させる。
【選択図】図６

Description

本発明は、電力貯蔵装置等のエネルギー蓄積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少なくとも１車両以上からなる編成車両に関する。

従来より、エンジン発電機のほかにバッテリ，キャパシタ等の電力貯蔵装置を搭載したハイブリッド車両が知られている。このような列車において、動力を分散して保持する複数のエンジンを、列車の必要とする負荷に応じ、燃費が最小となるように当該複数のエンジンの回転数を個別に制御し、エンジンの出力が不足した場合、不足したエネルギーを電力貯蔵装置から補充するものが知られている（例えば特許文献１参照）。

特開平８−１９８１０２号公報

上記従来の技術は、エンジンの出力が不足した場合にエネルギーを電力貯蔵装置から補充するものであるが、鉄道車両に設置できる電力貯蔵装置は無限ではないことから、走行中、特に、加速時間が長い場合に電力貯蔵装置の充電量が空になり補足仕切れず加速力が低下、ダイヤを遵守できないこともあり得る。特に長距離を走行する特急・快速など間の駅を通過して運転を行う場合には、ブレーキ時に発生する回生エネルギーによる電池充電が期待できないことから、この現象は顕著に現れる。

また、一般的にハイブリッド方式では、エンジンを最適燃費となるように運転させ、過不足分のエネルギーを電池の充放電でまかなう方法が採用されているが、この場合でも、走行中、特に、加速時間が長い場合には電力貯蔵装置からの放電時間が長くなることから電力貯蔵装置の充電量が空になり、放電が必要な場合であっても放電できず加速力が低下、ダイヤを遵守できないこともあり得る。

そこで本発明は、長距離を走行する特急・快速など間の駅を通過して運転を行う場合であっても、小型の電池容量でも運行を可能にすることを課題とする。

本発明は、燃料により発電する発電装置１つ以上と、前記発電装置の電力を変換する第１の電力変換機と、前記第１の電力変換機によって変換された電力を蓄える電力貯蔵装置と、前記第１の電力変換機の出力電力及び／又は前記電力貯蔵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の電力変換機と、前記発電装置並びに前記第１および前記第２の電力変換機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運転台とを有する車両であって、前記列車制御装置は、編成車両が力行運転を行う際に、前記電力貯蔵装置の充電量が第１の閾値および第２の閾値の間にあるときは、備えているすべての発電装置を最大出力運転させるとともに、前記発電装置の最大出力運転による電力と前記電力貯蔵装置の放電電流と前記電力貯蔵装置の電圧から求まる前記電力貯蔵装置の電力の和が、前記運転台からの駆動指令に基づいて求められる前記鉄道車両の走行に必要な駆動電力となるように、前記電力貯蔵装置の放電電流を制御することである。

好ましくは、前記列車制御装置は、惰行運転中や、速度を一定に保つ運転、停車時には発電装置の運転を１基のみにし、また最適点で運転させることである。

また好ましくは、前記列車制御装置は、制動中の場合、順次、発電装置を停止することである。

また好ましくは、前記列車制御装置は、制動中において、前記電力貯蔵装置の充電可能な電力量が０（ゼロ）になった場合、発電装置を順次起動し、排気ブレーキを作動させることである。

また好ましくは、前記列車制御装置は、前記発電装置が複数存在する場合には、発電装置を起動，停止するにあたり、前記発電装置の燃料消費量または残存燃料量に基づいて起動順を変化させることである。

また好ましくは、前記列車制御装置は、前記発電装置が複数存在する場合には、発電装置を起動，停止するにあたり、前記電力貯蔵装置の温度に基づいて起動順を変化させることである。

また本発明における第１の閾値，第２の閾値は、電池の使用範囲である。

本発明によれば、長距離を走行する特急・快速など間の駅を通過して運転を行う場合に小型の電池容量でも運行を可能にする。

図１は、本発明の一実施形態による列車の概略構成図である。

この図では、列車のうち３つの車両に電動機２が搭載され、この複数の電動機２によって列車全体が駆動される。尚、電動機２が搭載されている車両は３両に限られるものではなく、また運転台１０が搭載されている先頭車両に電動機２が搭載されていなくても良い。電動機２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。この電動機２に電力を供給するために、通常は電力貯蔵装置６の直流電力が電力変換装置５で交流化されて電動機２に供給される。またこの電力変換装置５には、電力貯蔵装置６からの電力のみならず、発電装置４から電力変換装置３を介して電力が供給される。

発電装置４は、例えばディーゼルエンジン等の動力発生装置（以下、エンジンと略称）と発電機が組合されて構成される。このエンジンは、排気を制御することによって、排気ブレーキとして働かせることが可能である。尚、発電装置４はディーゼルエンジンと発電機の組合せに限られるものではなく、例えば燃料電池を採用しても良い。またこの発電装置を制御する制御装置１３は、エンジンの燃料消費量や残存燃料量を監視する機能を有していることが好ましい。

電力貯蔵装置６は、ニッケルカドミウム電池，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力貯蔵装置で構成されている。この電力貯蔵装置６を制御する制御装置１４は、電力貯蔵装置６の蓄電量を、例えば電力貯蔵装置６の充放電電流を検出してそれを積算することなどにより把握する機能を有する。

列車制御装置９は、運転台１０から運転手の指令を受取って、発電装置４の制御装置
１３，電力変換装置３の制御装置１２，電力変換装置５の制御装置１１，電力貯蔵装置制御装置１４、また図示しない空気ブレーキ制御装置を制御する。

尚、電力貯蔵装置６および列車制御装置９は、運転台１０のある車両に搭載されていなくても良い。

図２および図３に発電装置４のエンジンの動力制御ノッチとその動力装置回転数，出力、及び燃料消費率の関係の一例を示す。図２はエンジンの特性を示すものであり、エンジンによって異なる。ここで挙げた例では、動力制御ノッチが２のとき、一番燃料消費率が良く、以下ではこれを高効率点とする。また動力制御ノッチが３のときが最大出力点である。ここで設定したノッチはアイドルを含めて４ポジションであるが、用途に応じてポジション数が４ではなくても、本発明は適用可能である。

また電力貯蔵装置充電量を調整する出力点として１ノッチを設定し、また出力１０ｋｗ、動力装置回転数６００rpm の点をアイドルとした。以下の実施形態ではこの二つのノッチ位置について言及しないが、電力貯蔵装置６の充電状態や列車の運転状態により、任意に使用可能である。例えば以下で「停止」とするところを、アイドル状態に置き換えることが可能である。

図４に本実施形態のフローチャート、図５に運転台１０の指令とその運転状態，電力貯蔵装置６の制御指令，発電装置４の制御指令の関係、および図６にタイムチャートを示す。

図６における期間Ａ，Ｄは力行状態を示す。図５においては運転台１０の指令がパワーノッチの場合、または定速ボタンＯＮ状態における平地または登坂時の場合である。また、Ｂ，Ｃは惰行状態を示す。図５においては運転台１０の指令が０の場合である。

図４のステップ６０１で制御開始後、ステップ６０２で運転台の指令がブレーキであるかどうかが判断される。ブレーキ以外の場合には、ステップ６０３に進む。ステップ603では、すべての発電装置を最大運転させる。次にステップ６０４に進む。

ステップ６０４では、現在の発電装置の出力状態から、電力貯蔵装置の充放電電力を決定し、ステップ６０５に進む。ステップ６０５では、ステップ６０４で求めた電力貯蔵装置の充放電量が放電量かどうかを判定し、放電量であれば、ステップ６０６に進み、それ以外ではステップ６０７に進む。ステップ６０６は、電力貯蔵装置からの放電をともなうため、充電量が使用範囲の下限にあたる閾値βを超えているかを判断する。超えていなければ、ステップ６０８の処理で、電力貯蔵装置からの放電は行うことが出来ないので、電力貯蔵装置の放電量を０にして、ステップ６２２に進み終了となる。閾値βを超えていれば、ステップ６０９の処理で、ステップ６０４で求めた電力貯蔵装置の放電量に相当する放電を行い、ステップ６２２に進み終了となる。

一方、ステップ６０７では、電力貯蔵装置に充電を行うため、充電量が使用範囲の上限にあたる閾値αを超えているかを判断する。超えていなければ、ステップ６１０の処理で、ステップ６０４で求めた充電電力が電力貯蔵装置の最大充電電力を超えていなければステップ６０９で電力貯蔵装置への充電を行い、ステップ６２２に進み終了となる。

また、ステップ６０７で閾値αを超えた場合、あるいは、ステップ６１０のステップ
６０４で求めた充電電力が電力貯蔵装置の最大充電電力を超えていれば、ステップ６１１に進み、ステップ６１１，６１２，６１３，６１４，６１５で起動済みの発電装置のうち最大出力点で運転しているものを順次高効率点運転に、またすべての発電装置が高効率運転している場合には、順次停止（またはアイドル状態と）する。

以上の動作により、図６に示す期間Ａ−Ｄの動作に相当しているブレーキ以外の運転時には、発電装置の最大出力運転を基本とし、惰行や定速といった動作の場合には、電力貯蔵装置の充電量及び最大充電電力量に応じた発電装置の運転を行うことができ、充電量を使用範囲の上部に保つことが可能となる。

図６における期間Ｅ，Ｆは制動状態を示す。図５においては運転台１０がブレーキノッチの場合、または定速ボタンＯＮ状態における下り坂の場合である。

図４のステップ６０１で制御開始後、ステップ６０２で運転台の指令がブレーキであるかどうかが判断される。制動状態の場合は指令がブレーキであり、ステップ６１６で全ての発電装置の出力を停止（またはアイドル状態）とする。図６における期間Ｅの開始点がこれに相当する。

その後、ステップ６１７で電力貯蔵装置が充電可能かどうかが判断される。充電可能の場合は、ステップ６１８で余剰の電力を電力貯蔵装置に充電し、ステップ６２２に進み終了となる。図６では期間Ｅに相当する。

ステップ６１７で電力貯蔵装置が充電不可能、すなわち電力貯蔵装置の充電量が一杯になった場合は、これ以上、回生できないため、他の手段によって制動力を発生する必要がある。このとき、ステップ６１９で発電装置が排気ブレーキを利用可能かを確認し、可能であれば、ステップ６２０で空気ブレーキよりも優先的に発電装置の排気ブレーキを作動させる。図６の期間Ｆにあたる。また、ステップ６１９で、排気ブレーキが利用不可な場合、ステップ６２１で空気ブレーキを使用する。例えば燃料電池が発電装置の場合などはこれに相当する。以上のどちらかの処理を行った後、ステップ６２２に進み終了となる。

本実施形態によれば、発電装置の最大出力運転を基本とした運転を行うことにより、少ない電池容量でも加速力の低下を防ぎ安定した走行が可能となる。

なお、本実施形態は鉄道に限らず、自動車，船体，飛行機などにおいて、複数の車両からなる場合には適用可能である。

本発明の一実施形態による列車の概略構成図を示す。 図１の発電装置４の動力制御ノッチとその動力装置回転数，出力、及び燃料消費率の関係を示す。 図１の発電装置４の動力制御ノッチとその動力装置回転数，出力、及び燃料消費率の関係を示す。 図１の実施形態のフローチャートを示す。 図１の実施形態における、運転台１０の指令とその運転状態，電力貯蔵装置６の制御指令，発電装置４の制御指令の関係を示す。 図１の実施形態のタイムチャートを示す。

符号の説明

１…鉄道車両、２…電動機、３，５…電力変換装置、４…発電装置、６…電力貯蔵装置、９…列車制御装置、１０…運転台。

Claims (3)

1. 少なくとも２車両以上からなる編成車両において、少なくとも１つの車両は、燃料により発電する複数の発電装置と、前記発電装置の電力を変換する第１の電力変換機と、前記第１の電力変換機によって変換された電力を蓄える電力貯蔵装置と、前記第１の電力変換機の出力電力及び／又は前記電力貯蔵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の電力変換機と、前記発電装置並びに前記第１および前記第２の電力変換機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運転台とを有する車両であって、
   前記列車制御装置は、編成車両が力行運転を行う際に、前記電力貯蔵装置の充電量が前記電力貯蔵装置の使用範囲の最大値である第１の閾値および前記電力貯蔵装置の使用範囲の最小値である第２の閾値の間にあるときは、備えているすべての発電装置を最大出力運転させるとともに、前記発電装置の最大出力運転による電力と前記電力貯蔵装置の放電電流と前記電力貯蔵装置の電圧から求まる前記電力貯蔵装置の電力の和が、前記運転台からの駆動指令に基づいて求められる前記鉄道車両の走行に必要な駆動電力となるように、前記電力貯蔵装置の放電電流を制御することを特徴とする車両。
2. 請求項１の車両において、
   前記列車制御装置は、編成車両が力行運転および制動運転を行っていない場合には、前記電力貯蔵装置の充電量が前記第１の閾値を超えるまでは、少なくとも１つの発電装置から電力を出力し、前記電力貯蔵装置の充電を行うことを特徴とする車両。
3. 請求項１の車両において、
   前記発電装置の最大出力運転とは、前記発電装置の最大値近傍５％を含むことを特徴とする車両。
   
   
   

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