JP2007195334A - 鉄道車両の駆動装置 - 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装置において、エンジンが最大運転効率となる出力点及び回転速度における発電状態を維持する。
【解決手段】エンジン1と、発電機2と、コンバータ装置3と、システム統括制御部9と、エンジン制御部19と、定電力制御器20と、PMW制御部21を備え、制御器19は統括制御部9からのエンジン1の出力P_engの指令Seから燃料噴射量指令F_engを出力してエンジン1を制御し、PMW制御器21は、統括制御部9からの発電機2の負荷量P_genの指令Scに基づいた発電機2の負荷量P_genを発生するスイッチング素子のゲート信号GPを与え、エンジン1の回転速度に対する出力特性は、特定の回転速度よりも増加すると出力P_engを減少させ、減少すると出力が増加する特性とし、コンバータ装置3に対する出力指令Scは、発電機2の負荷量P_genを回転速度によらずに一定の負荷量とする定電力発電制御を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、鉄道車両の駆動装置に係り、特に、発電手段と電力蓄積手段を設備したうえで、この両手段の発生する電力を利用して鉄道車両を駆動する技術に関する。

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。この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などは、架線、変電所等のインフラが要らない気動車（ディーゼルカー）により、きめ細かな乗客サービスを低コストに実現している。しかし、気動車は、架線など他車両にエネルギを渡す手段がないため、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。

このような気動車についても省エネルギを推進するひとつの方法として、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（例えば、特許文献１参照）。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いったん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。

図７を用いて、前記特許文献１におけるハイブリッド気動車システムの機器構成を説明する。従来のハイブリッド方式の鉄道車両駆動装置は、エンジン１と、エンジン１によって駆動され交流電力を出力する交流発電機２と、交流電力を直流電力に変換するコンバータ装置３と、直流電力を交流電力に変換するインバータ装置４と、鉄道車両を駆動する電動機５と、電動機５の出力を減速して輪軸７に伝達する減速機６と、直流電力を充電および放電する機能を持つ蓄電装置８と、サービス電源用インバータ１２と、サービス電源用変圧器１３と，制御装置３４とを有して構成される。

従来の鉄道車両の駆動装置は、コンバータ装置３の発生する直流電力と、蓄電装置８の発生する直流電力をインバータ装置４に供給するに際し、制御装置３４に蓄電装置８に蓄積する蓄電エネルギを車両速度に対する蓄電管理基準パターンとして設定し、このパターンによる蓄電量と蓄電装置８の実蓄電量との差分に応じてコンバータ装置の発生する直流電力を制御している。
特開２００４−２８２８５９号公報

ハイブリッド気動車は、蓄電装置により制動時の回生エネルギを回収し、それを再利用することにより省エネルギ効果を得る方式である。特に、エンジンの回転軸が車輪の回転と機械的に切り離されている「シリーズハイブリッド方式」では、エンジンの回転速度を車両速度とは関係なく決められる特徴を持つ。エンジンの燃料消費は、回生エネルギの再利用だけではなく、エンジンを効率よく運転することによっても低減することができる。エンジンの運転効率は、エンジン回転速度と出力により決まるため、シリーズハイブリッドの特徴を生かして、最大運転効率となるエンジン回転速度、およびエンジン出力で、できるだけ長く運転できれば、省エネルギ効果をさらに拡大できる。

特許文献１に記載の鉄道車両の駆動装置では、省エネルギについては、蓄電装置８による回生エネルギ吸収からのアプローチは示されているが、エンジンの運転効率の最大化についての記述は見られない。

本発明の目的は、エンジンにより駆動される発電設備に電力蓄積手段を組み合わせ、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装置において、エンジンが最大運転効率となる出力点、回転速度における発電状態をできるだけ維持することにより燃料消費量を低減し、地球環境に優しい鉄道車両の駆動装置を提供することにある。

コンバータ装置は、発電機の回転速度によらずに一定電力を発電する定電力発電制御行ない、エンジンの出力特性が変動した場合でも、その出力変化分を発電機回転速度の微変動により自動的に調整し、常に目標発電電力での発電を継続とする。また、定電力発電制御としては、目標とする発電電力においてバランスするエンジン出力特性をあらかじめ準備し、目標発電電力に対して燃料消費量が最小となるエンジン回転速度を実現するエンジン出力特性を選択する機能を備える。

本発明によれば、エンジンにより駆動される発電設備に電力蓄積手段を組み合わせ、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装置において、エンジンが最大運転効率となる出力点、回転速度における発電状態をできるだけ維持することにより燃料消費量を低減し、地球環境に優しい鉄道車両の駆動装置を実現する。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明していく。図１を用いて、本発明の電気車の制御装置における一実施形態の基本構成を説明する。シリーズハイブリッド方式の鉄道車両の駆動装置は、エンジン１と、エンジン１によって駆動され交流電力を出力する交流発電機２と、交流電力を直流電力に変換するコンバータ装置３と、直流電力を交流電力に変換するインバータ装置４と、鉄道車両を駆動する電動機５と、電動機５の出力を減速して輪軸７に伝達する減速機６と、直流電力を充電および放電する機能（充放電制御機能：装置）を持つ蓄電装置８と、システム統括制御部９と、サービス電源用インバータ装置１０と、サービス電源用変圧器１１と、コンバータ装置３およびインバータ装置４ならびに蓄電装置８およびサービス電源用インバータ装置１０との間で直流電力の供給方向を設定する遮断器１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄと、回転速度検出器１３ａ，１３ｂと、速度演算部１４ａ，１４ｂとを有して構成される。

エンジン１は、システム統括制御部９の指令Ｓｅに従って軸トルクを出力する。

発電機２は、エンジン１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３は、発電機２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３は、システム統括制御部９からのコンバータ運転指令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４は、コンバータ装置３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。

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、電動機５の出力トルクがシステム統括制御部９からのインバータ運転指令Ｓｉに基づいたトルクを出力するように、後述の電動機回転速度信号Ｆｒ＿ｉｎｖを参照し、インバータ装置４の出力電圧および交流電流周波数を可変制御する。

減速器６は、電動機５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７を駆動して電気車を加減速する。

システム統括制御部９は、蓄電装置８の蓄電装置内部状態信号ＳＰ１を入力として、エンジン１にエンジン運転指令Ｓｅ、コンバータ装置３にコンバータ運転指令Ｓｃ、インバータ装置４にインバータ運転指令Ｓｉ、遮断器１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄに遮断器動作指令Ｓｂ、蓄電装置８内に配置する充放電制御装置への充放電装置動作指令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１０は、コンバータ装置３とインバータ装置４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。さらにサービス電源用変圧器１１により電気車の照明や空調機など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。

遮断器１２ａは、コンバータ装置３とインバータ装置４の間の直流電力部でコンバータ装置３の入力端子の直近に配置する。エンジン１およびコンバータ装置３が故障等により動作しない間は、システム統括制御部９からの遮断器動作指令Ｓｂにより遮断器１２ａを開放し、コンバータ装置３への電力供給を遮断して機器の安全性を確保する。同様に、コンバータ装置３とインバータ装置４との間の直流電力部の電圧が過大になったとき、システム統括制御部９からの遮断器動作指令Ｓｂにより遮断器１２ａを開放し、コンバータ装置３への電力供給を遮断してコンバータ装置３の故障を防止する。

遮断器１２ｂは、コンバータ装置３、インバータ装置４の間の直流電力部とサービス電源用インバータ装置１０の間に配置する。直流電力部の電圧がサービス電源用インバータ装置１０の入力許容電圧を超過したとき、システム統括制御部９からの遮断器動作指令Ｓｂにより遮断器１２ｂを開放し、コンバータ装置３、インバータ装置４からサービス電源用インバータ装置１０に供給する電力を遮断して電源用インバータ装置１０の故障を防止する。

遮断器１２ｃは、コンバータ装置３、インバータ装置４の間の直流電力部と蓄電装置８入出力端子の間に配置する。蓄電装置８の蓄電許容量が超過したとき、あるいは、直流電力部との入出力電流が蓄電装置８の入出力許容電流値を超過したとき、システム統括制御部９からの遮断器動作指令Ｓｂにより遮断器１２ｃを開放し、コンバータ装置３とインバータ装置４との間の直流電力部から蓄電装置８に供給する電力を遮断して蓄電装置８の故障を防止する。

遮断器１２ｄは、コンバータ装置３とインバータ装置４の間の直流電力部でインバータ装置４の入力端子の直近に配置する。インバータ装置４が故障等により動作しない間は、システム統括制御部９からの遮断器動作指令Ｓｂにより遮断器１２ｄを開放し、インバータ装置４への電力供給を遮断して誤動作を防止する。同様に、コンバータ装置３、蓄電装置８からインバータ装置４への供給電力が過大になったとき、システム統括制御部９からの遮断器動作指令Ｓｂにより遮断器１２ｄを開放しインバータ装置４への電力供給を遮断して故障を防止する。

第一の回転速度検出器１３ａは、発電機２の回転速度を検出し、速度演算器１４ａにおいて発電機回転速度信号Ｆｒ＿ｃｎｖに変換する。

第２の回転速度検出器１３ｂは、電動機５の回転速度を検出し、速度演算器１４ｂにおいて電動機回転速度信号Ｆｒ＿ｉｎｖに変換する。

この構成により、以下の動作を実現できる。エンジン１は、システム統括制御部９のエンジン運転指令Ｓｅに基づいて動作し、エンジン出力Ｐ＿ｅｎｇを発生する。

一方、コンバータ装置３は、システム統括制御部９からのコンバータ運転指令Ｓｃに基づいて、発電機２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直流電圧制御を行う。このとき、発電機２は、エンジン１の入力軸側から見るとその動力負荷装置として作用しており、その発電機２の負荷量Ｐ＿ｇｅｎは、発電機２の機器効率ξ＿ｇｅｎ、コンバータ装置３の機器効率ξ＿ｃｎｖ、コンバータ装置３のコンバータ出力電力Ｐ＿ｃｎｖを用いて、下記（１）式で表わされる。

Ｐ＿ｇｅｎ＝Ｐ＿ｃｎｖ／ξ＿ｇｅｎ／ξ＿ｃｎｖ …（１）

ここで、エンジン１の出力軸と、発電機２の入力軸は図示していない継ぎ手を介して機械的に結合されており、Ｐ＿ｅｎｇ＝Ｐ＿ｇｅｎの関係がなりたつ。したがって、発電機負荷量Ｐ＿ｅｎｇは、下記（２）式で表される。

Ｐ＿ｅｎｇ＝Ｐ＿ｃｎｖ／ξ＿ｇｅｎ／ξ＿ｃｎｖ …（２）

つまり、コンバータ装置３の出力電力としてＰ＿ｃｎｖを必要とするとき、エンジン１は、上記（２）式に示すＰ＿ｅｎｇの出力を発生すればよい。

この構成によれば、システム統括制御部９より、エンジン１に対して、Ｐ＿ｅｎｇのエンジン出力を指令するエンジン運転指令Ｓｅ、コンバータ装置３に対して、発電機２の負荷量Ｐ＿ｇｅｎ（すなわちコンバータ装置３の出力ではＰ＿ｃｎｖ／ξ＿ｇｅｎ／ξ＿ｃｎｖ）を指令するコンバータ運転指令Ｓｃをそれぞれ与えることができる。このとき、エンジン１の回転速度に対する出力特性は、ある特定の回転速度においてＰ＿ｅｎｇを出力し、それよりも回転速度が増加すると出力が減少し、それよりも回転速度が減少すると出力が増加する特性とする。一方、コンバータ装置３に対する出力を指令するコンバータ運転指令Ｓｃは、発電機２の負荷量Ｐ＿ｇｅｎを回転速度によらずに一定の負荷量とする定電力発電制御を行う。前述のように、エンジン１の出力軸と、発電機２の入力軸は図示していない継ぎ手を介して機械的に結合されているので、エンジン１の出力軸と発電機２の回転速度は等しい。このため、回転速度によらずに一定出力Ｐ＿ｇｅｎである発電機２に対し、エンジン１は回転速度を調整することにより、エンジン出力Ｐ＿ｅｎｇを発電機負荷量Ｐ＿ｇｅｎと等しくなるようにバランスさせることができる。

このエンジン１の出力Ｐ＿ｅｎｇと発電機２の負荷量Ｐ＿ｇｅｎのバランスは次のとおり自動的に行われる。
（１）Ｐ＿ｅｎｇ＞Ｐ＿ｇｅｎのとき：両者の回転速度が増加することにより、Ｐ＿ｅｎｇ＝Ｐ＿ｇｅｎにバランスする。すなわち、回転速度によらず出力Ｐ＿ｇｅｎが一定である発電機２に対して、エンジン１は回転速度が増加すると出力が減少する特性であり、エンジン１の回転速度（＝発電機２の回転速度）を調整量として、エンジン１の出力Ｐ＿ｅｎｇと発電機２の負荷量Ｐ＿ｇｅｎが等しくなるまで、回転速度が増加する。
（２）Ｐ＿ｅｎｇ＜Ｐ＿ｇｅｎのとき：両者の回転速度が減少することにより、Ｐ＿ｅｎｇ＝Ｐ＿ｇｅｎにバランスする。すなわち、回転速度によらず出力Ｐ＿ｇｅｎが一定である発電機２に対して、エンジン１は回転速度が減少すると出力が増加する特性であり、エンジン１の回転速度（＝発電機２の回転速度）を調整量として、エンジン１の出力Ｐ＿ｅｎｇと発電機２の負荷量Ｐ＿ｇｅｎが等しくなるまで、回転速度が減少する。

以上のように、本発明の構成によれば、発電電力をエンジン出力と発電機電力のバランス点近傍に留まるように制御できるので、定電力発電制御を実現できる。

図２のブロック図を用いて、本発明の一実施形態における発電制御部の構成を説明する。発電制御部は、エンジン１と、発電機２と、コンバータ装置３と、システム統括制御部９と、第１の回転速度検出器１３ａと、第１の速度演算部１４ａと、フィルタコンデンサ１５と、電流検出器１６と、抵抗器１７と、電圧検出器１８と、エンジン制御器１９と、定電力制御器２０と、ＰＷＭ制御器２１と、を有して構成される。

エンジン１は、エンジン制御部１９の燃料噴射量指令Ｆ＿ｅｎｇに基づいて軸トルクを出力する。

発電機２は、エンジン１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３は、発電機２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３は、システム統括制御部９からのコンバータ運転指令Ｓｃに基づいた直流電圧となるように、ＰＷＭ制御器２１の出力するゲート信号ＧＰを介して電圧制御する。

システム統括制御部９は、図示していない蓄電装置８の蓄電装置内部状態信号ＳＰ１を入力として、エンジン制御器１９にエンジン運転指令Ｓｅ、定電力制御器２１にコンバータ運転指令Ｓｃ、図示していないインバータ装置４にインバータ運転指令Ｓｉ、図示していない遮断器１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄに遮断機動作指令Ｓｂ、図示していない蓄電装置８内に配置する充放電制御装置への充放電制御装置動作指令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。

第１の回転速度検出器１３ａは、発電機２の回転速度を検出し、第１の速度演算部１４ａにおいて発電機ロータ周波数Ｆｒ＿ｇｅｎに変換する。

フィルタコンデンサ１５は、コンバータ装置３で変換された直流電力について、特に高周波数で変動する電圧成分を平滑化し、直流部の電圧を安定させる。

電流検出器１６は、コンバータ装置３からフィルタコンデンサ１５を介して直流部に流入するあるいは直流部から流出する電流を検出する。

抵抗器１７は、電圧検出器１８に直列に接続されて直流部へ流入するあるいは直流部から流出する電流を分流し、電圧検出器１８は、抵抗器１７の両端電圧が抵抗器１７を流れる電流値に比例する原理により、直流部の電位差を検出する。

エンジン制御器１９は、システム統括制御部９からのエンジン運転指令Ｓｅと、第１の速度演算部１４ａからの発電機ロータ周波数（回転速度信号）Ｆｒ＿ｇｅｎを入力し、エンジン１の出力を調整する燃料噴射量指令Ｆ＿ｅｎｇを出力する。

定電力制御器２０は、システム統括制御部９からのコンバータ運転指令Ｓｃと、第１の速度演算部１４ａからの発電機ロータ周波数（回転速度信号）Ｆｒ＿ｇｅｎと、電流検出器１６からの直流部電流検出値Ｉｃｎｖ、電圧検出器１８からの直流部電圧検出値Ｖｃｎｖを入力とし、後述のＰＷＭ制御器２１の電圧制御量を決定する電圧指令Ｖｃ＿ｃｎｖを出力する。

ＰＷＭ制御器２１は、定電圧制御器２０からの電圧指令Ｖｃ＿ｃｎｖと、第１の速度演算部１４ａからの回転速度信号Ｆｒ＿ｇｅｎを入力とし、コンバータ装置３を構成する図示していないスイッチング素子のオン／オフによりＰＷＭ制御を駆動するためのスイッチング素子ゲート信号ＧＰを出力する。

この構成により、以下の動作を実現できる。エンジン１は、システム統括制御部９のエンジン運転指令Ｓｅ、さらにエンジン運転指令Ｓｅによりエンジン制御器１９で決定される燃料噴射量指令Ｆ＿ｅｎｇに基づいて動作し、エンジン出力Ｐ＿ｅｎｇを発生する。

一方、コンバータ装置３は、システム統括制御部９からのコンバータ運転指令Ｓｃ、さらにコンバータ運転指令Ｓｃを元にＰＷＭ制御器２１により出力するスイッチング素子へのゲート信号ＧＰに基づいて、発電機２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直流電圧制御を行う。このとき、発電機２は、エンジン１の入力軸側から見るとその動力負荷装置をして作用しており、その発電機２の負荷量Ｐ＿ｇｅｎは、発電機２の機器効率ξ＿ｇｅｎ、コンバータ装置３の機器効率ξ＿ｃｎｖ、コンバータ装置３の出力電力Ｐ＿ｃｎｖを用いて下記（１）式で表わされる。

Ｐ＿ｇｅｎ＝Ｐ＿ｃｎｖ／ξ＿ｇｅｎ／ξ＿ｃｎｖ …（１）

ここで、エンジン１の出力軸と、発電機２の入力軸は図示していない継ぎ手を介して機械的に結合されており、Ｐ＿ｅｎｇ＝Ｐ＿ｇｅｎの関係がなりたつ。すなわち、エンジン出力Ｐ＿ｅｎｇは下記（２）式で表される。

Ｐ＿ｅｎｇ＝Ｐ＿ｃｎｖ／ξ＿ｇｅｎ／ξ＿ｃｎｖ …（２）

つまり、コンバータ装置３の出力電力としてＰ＿ｃｎｖを必要とするとき、エンジン１は、上記（２）式で表されるＰ＿ｅｎｇの出力を発生すればよい。

この構成によれば、システム統括制御部９は、エンジン制御器１９に対して、エンジン１の出力Ｐ＿ｅｎｇを指令するエンジン運転指令Ｓｅを与え、エンジン制御器１９はエンジン１に対して、エンジン運転指令Ｓｅに基づいた燃料噴射量指令Ｆ＿ｅｎｇを与えることができる。また、システム統括制御部９は、ＰＷＭ制御器２１に対して、発電機２の負荷量Ｐ＿ｇｅｎ（すなわちコンバータ装置３の出力ではＰ＿ｃｎｖ／ξ＿ｇｅｎ／ξ＿ｃｎｖ）を指令するコンバータ運転指令Ｓｃを与え、ＰＷＭ制御器２１は、コンバータ装置３に対して、コンバータ運転指令Ｓｃに基づいた発電機２の負荷量Ｐ＿ｇｅｎを発生するスイッチング素子のゲート信号ＧＰを与えることができる。このとき、エンジン１の回転速度に対する出力特性は、ある特定の回転速度においてＰ＿ｅｎｇを出力し、それよりも回転速度が増加すると出力が減少し、それよりも回転速度が減少すると出力が増加する特性とする。一方、コンバータ装置３に対する出力指令であるコンバータ運転指令Ｓｃは、発電機２の負荷量Ｐ＿ｇｅｎを回転速度によらずに一定の負荷量とする定電力発電制御を行う。前述のように、エンジン１の出力軸と、発電機２の入力軸は図示していない継ぎ手を介して機械的に結合されているので、エンジン１の出力軸と発電機２の回転速度は等しい。このため、回転速度によらずに一定出力Ｐ＿ｇｅｎである発電機２に対し、エンジン１は回転速度を調整することにより、エンジン出力Ｐ＿ｅｎｇを発電機負荷量Ｐ＿ｇｅｎと等しくなるようにバランスさせることができる。

このエンジン１の出力Ｐ＿ｅｎｇと発電機２の負荷量Ｐ＿ｇｅｎのバランスは、次のとおり自動的に行われる。
（１）Ｐ＿ｅｎｇ＞Ｐ＿ｇｅｎのとき：両者の回転速度が増加することにより、Ｐ＿ｅｎｇ＝Ｐ＿ｇｅｎにバランスする。すなわち、回転速度によらず出力が一定である発電機２に対して、エンジン１は回転速度が増加すると出力が減少する特性であり、エンジン１の回転速度（＝発電機２の回転速度）を調整量として、エンジン１の出力Ｐ＿ｅｎｇと発電機２の負荷量Ｐ＿ｇｅｎが等しくなるまで、回転速度が増加する。
（２）Ｐ＿ｅｎｇ＜Ｐ＿ｇｅｎのとき：両者の回転速度が減少することにより、Ｐ＿ｅｎｇ＝Ｐ＿ｇｅｎにバランスする。すなわち、回転速度によらず出力が一定である発電機２に対して、エンジン１は回転速度が減少すると出力が増加する特性であり、エンジン１の回転速度（＝発電機２の回転速度）を調整量として、エンジン１の出力Ｐ＿ｅｎｇと発電機２の負荷量Ｐ＿ｇｅｎが等しくなるまで、回転速度が減少する。

以上のように、本発明の構成によれば、発電電力をエンジン出力と発電機電力のバランス点近傍に留まるように制御できるので、定電力発電制御を実現できる。

図３のブロック図を用いて、本発明の一実施形態における発電制御部の詳細を説明する。システム統括制御部９は、エネルギ管理制御部２２と、エンジン発電制御部２３により構成される。

エネルギ管理制御部２２は、速度検出器１４ａで演算された発電機ロータ周波数Ｆｒ＿ｇｅｎ、図示していない蓄電装置８で演算される蓄電量ＳＯＣの情報に基づいて、その時点で必要な発電電力（発電機負荷量）Ｐ＿ｇｅｎを算出する。

エンジン発電出力指令部２３は、エネルギ管理制御部２２で演算された発電電力に対して、あらかじめ設定しておくエンジンノッチに適合するノッチ段を選択する。

エンジン制御器１９は、エンジン出力特性パターン発生器２４、エンジン出力特性選択部２５、エンジン出力制御部２６で構成される。

エンジン出力特性パターン発生器２４は、回転速度検出器１３ａからの発電機ロータ周波数（エンジン回転速度）Ｆｒ＿ｇｅｎを入力とし、それに対応する出力値を対応づけて出力する。エンジン特性は、通常、エンジン回転速度によらずトルクを一定に保つ定トルク特性を理想としていることから、エンジン回転速度の増加に比例して、出力を増加させる特性としている（特性域Ａとする）。しかし、エンジン出力には出力限界値が存在するため、あるエンジン回転速度でエンジン回転速度が飽和する最高出力点が存在する。このため、最高出力点のエンジン回転速度以上の速度域では、エンジン回転速度が増加すると、エンジン出力は一定もしくは低下する特性としている（特性域Ｂとする）。本発明では、特に後者の特性域（特性域Ｂ）にて所望の発電出力を得る出力点（発電ポイント）を設定する。

エンジン出力特性パターン発生器２４は、必要な出力パターン数に応じてあらかじめ複数準備する。図３では、特に３種類のエンジン出力特性パターン２４ａ、２４ｂ、２４ｃを準備した例を示している。

エンジン出力特性選択部２５は、エンジン発電指令部２３が出力するエンジン発電指令Ｓｅに応じて、エンジン出力特性２４における、エンジン出力指令パターン２４ａ、２４ｂ、２４ｃのいずれかの出力パターンを選択して出力する。

エンジン出力制御部２６は、選択されたエンジン出力特性パターンに基づいて、エンジン燃料噴射量の情報Ｆ＿ｅｎｇを作成してエンジンへ出力する。

定電力制御器２０は、発電機電力パターン発生器２７、発電機電力パターン選択部２８、高位選択器２９、乗除算器３０、加算器３１ａ，３１ｂ、乗算器３２ａ，３２ｂ、積分器３３で構成される。

発電機電力パターン発生器２７は、発電機ロータ周波数（エンジン回転速度）Ｆｒ＿ｇｅｎを入力とし、それに対応する出力値を対応付けて出力する。発電機電力パターンは、実際に発電する発電機回転速度の領域においては、発電機回転速度によらずに出力値を一定とするように発電機電力パターンを設定する。

ここで、前述したエンジン出力特性パターン発生器２４におけるエンジン出力特性は、エンジン回転速度が発電ポイントよりも増加すると、出力が低下する特性であるのに対して、発電機電力は回転速度によらず発電電力は一定である。エンジンと発電機は同一回転軸で結ばれていることから、エンジン回転速度と発電機回転速度は同じであり、同一となる回転速度（発電機ロータ周波数Ｆｒ＿ｇｅｎ）をパラメータとして、エンジンの出力ポイントと、発電機の発電ポイントが一致するように調整制御できる。

発電機出力特性選択部２８は、エンジン発電指令部２３が出力するエンジン発電指令（エンジン運転指令）Ｓｅに応じて、発電機電力パターン２７ａ、２７ｂ、２７ｃのいずれかの発電電力パターンを選択して出力する。

高位選択器２９は、直流部電圧Ｖ＿ｄｃ、電圧下限値Ｖ０のうち大きいほうを選択して出力する。これは、後述の乗除算器３０におけるゼロ割防止を目的としている。

乗除算器３０は、発電機電力パターン選択部２８が出力する発電パターン２７ａ〜ｃと、発電機とコンバータの総合機器効率ξ＿ｇｅｎｃｎｖ（＝ξ＿ｇｅｎ×ξ＿ｃｎｖ）を乗算し、さらに、高位選択器２９によりゼロ割防止した直流部電圧Ｖ＿ｄｃを除算し、直流部電流指令値Ｉｄｃ０を生成する。

加算器３１ａは、乗除算器３０が出力した直流部電流指令値Ｉｄｃ０と、実際の直流部電流Ｉｄｃとの差分ΔＩｄｃを出力する。

乗算器３２ａは、直流部電流差分ΔＩｄｃにゲインＧａｉｎ＿Ｐ（Ｐ項ゲイン）を乗算する。

積分器３３は直流部電流差分ΔＩｄｃを時間積分し、乗算器３２ｂでゲインＧａｉｎ＿Ｉ（Ｉ項ゲイン）を乗算する。

加算器３１ｂは、乗算器３２ａ、３２ｂの出力を加算することにより、発電機電流指令値Ｉｇ０をＰＷＭ制御部２１へ出力する。

この構成によれば、システム統括制御部９は、エンジン制御器１９に対して図示していないエンジン１の出力Ｐ＿ｅｎｇを指令するエンジン運転指令Ｓｅを与え、エンジン制御器１９は、エンジン１に対してエンジン発電指令（エンジン運転指令）Ｓｅに基づいた燃料噴射量指令Ｆ＿ｅｎｇを与えることができる。また、システム統括制御部９は、定電力制御器２１に対して、図示していない発電機２の負荷量Ｐ＿ｇｅｎ（すなわちコンバータ装置３の出力ではＰ＿ｃｎｖ／ξ＿ｇｅｎ／ξ＿ｃｎｖ）を指令するコンバータ運転指令Ｓｃを与えることができる。このとき、図示していないエンジン１の回転速度に対する出力特性は、ある特定の回転速度Ｆｒ＿ｘで最大出力Ｐ＿ｘを発揮し、回転速度がＦｒ＿ｘよりも増加すると出力が減少し、回転速度がＦｒ＿ｘよりも減少すると出力が増加する特性とする。一方、図示していないコンバータ装置３に対する出力指令（コンバータ運転指令）Ｓｃは、発電機２の負荷量Ｐ＿ｇｅｎを回転速度によらずに一定の負荷量とする定電力発電制御を行う。前述のように、エンジン１の出力軸と、発電機２の入力軸は図示していない継ぎ手を介して機械的に結合されているので、エンジン１の出力軸と発電機２の回転速度は等しい。このため、回転速度によらずに一定出力Ｐ＿ｅｎｇである発電機２に対し、エンジン１は回転速度を調整することにより、その出力Ｐ＿ｅｎｇをＰ＿ｇｅｎと等しくなるようにバランスできる。

また、エンジン出力特性パターン発生器２４、発電機電力パターン発生器２７は、それぞれ３通りの特性パターンを備えており、エンジン出力特性選択部２５、および発電機電力パターン選択部２８にて、３通りの組合せを選択できる。（「２４ａと２７ａ」、「２４ｂと２７ｂ」、「２４ｃと２７ｃ」の組合せ）。すなわち、本発明の構成では、あらかじめ設定した３通りの発電ポイントを、システム統括制御部９を構成しているエネルギ管理制御部２２の判断に基づいて、エンジン発電指令部２３から出力される発電指令Ｓｅ、Ｓｃにより、３通りの発電ポイントのうち１つの発電ポイントを選択して、発電運転することができる。

以上のように、本発明の構成によれば、発電電力の異なるそれぞれの発電ポイントにおいて、発電電力をエンジン出力と発電機電力のバランス点近傍に留まるように制御できるので、定電力発電制御を実現できる。

図４を用いて、本発明の一実施形態における低燃費発電の考え方を説明する。エンジン出力特性は、通常、エンジン回転速度と、エンジン出力の関係で示す。図４では、エンジンの最大出力特性を「エンジン出力特性Ａ」として示している。すなわち、この特性（エンジン回転速度とエンジン出力の関係）を超える範囲でエンジンを運転することはできない。

一方、ある時点における、エンジンの燃料消費量（ｇ）は、そのときの出力（ｋＷ）とエンジン回転速度により決まる。このため、エンジンをある回転速度で運転している時の燃費指標は、燃料消費量と出力の比率である燃料消費率（ｇ／ｋＷ）で表わされる。

燃料消費率は、エンジン回転速度と、エンジン出力の２変数関数で表わされる。すなわち、エンジン回転速度をＸ軸、エンジン出力をＹ軸とすると、燃料消費率はＺ軸方向のこれを３次元曲面となる。図６はこの関係を、燃料消費率の等高線として表現したものである。等高線Ａを最低燃料消費率して、等高線Ｂ、等高線Ｃ・・・と進むに従い、燃料消費率が増加していく。

「エンジン出力特性Ａ」について、実際の発電機電力とのバランス点は、最高出力点からエンジン回転速度の大きい側で１０％低い出力を得る「出力点Ａ」である。「出力点Ａ」では等高線Ｄの燃料消費率（ρＤ）を実現できる。

「エンジン出力特性Ｂ」について、実際の発電機電力とのバランス点は、「エンジン出力特性Ｂ」における最高出力点からエンジン回転速度の大きい側で１０％低い出力を得る「出力点Ｂ」である。「出力点Ｂ」では、等高線Ａの燃料消費率（ρＡ）を実現できる。

「エンジン出力特性Ｃ」について、実際の発電機電力とのバランス点は、「エンジン出力特性Ｃ」における最高出力点からエンジン回転速度の大きい側で１０％低い出力を得る「出力点Ｃ」である。「出力点Ｃ」では、等高線Ｂの燃料消費率（ρＢ）を実現する。

出力点Ａ〜Ｃにおける、エンジン回転速度、エンジン出力、燃料消費率の関係を示すと、下記表１のようになる。

「出力点Ｂ」では、中間出力Ｐ２を最小燃料消費率ρＡで実現することができる。すなわち、本システムにおいて、「出力点Ｂ」における発電時間を多くできれば、システムの燃料消費量を低減できる。

「出力点Ａ」は最大出力Ｐ１を最大燃料消費率ρＤで実現する。すなわち、システムが必要とする電力に対して、「出力点Ｂ」の発電電力が不足するとき、「出力点Ｃ」の発電運転に移行する。「出力点Ｃ」は、最大限の発電電力が必要なとき、若干の燃料消費が犠牲することにより、必要な電力を供給することができる。本システムにおいて「出力点Ａ」の発電時間を少なくできれば、システムの燃料消費量を低減できる。

「出力点Ｃ」は最小出力Ｐ３を燃料消費率ρＢで実現する。すなわち、システムが必要とする電力に対して「出力点Ｂ」の発電電力が過剰なとき、「出力点Ａ」の発電運転に移行する。「出力点Ｃ」は「出力点Ｂ」とほぼ同等の燃料消費率を確保しながら、「出力点Ｂ」よりも小さい出力Ｐ１を実現できる。

本発明の制御装置においては、「出力点Ｂ」のような燃料消費率最小領域（ρＡ）における発電運転を実現する機能を備え、また、「出力点Ｂ」の出力が不足する場合には、より高出力運転を可能とし（「出力点Ａ」）、「出力点Ｂ」の出力が可能な場合には、より低出力運転を可能とする機能を備えることが特徴である。

図５を用いて、本発明の一実施形態におけるエンジン発電の原理を説明する。図５は、エンジン出力特性パターン発生器２４のエンジン出力特性パターンに基づいて発生するエンジン出力と、発電機電力パターン発生器２７の発電機電力パターンに基づいて発生する発電電力が、発電機ロータ周波数Ｆｒ＿ｇｅｎをパラメータとして、発電ポイントでバランスする原理を模式的に示している。

いま、回転速度Ｆｒ１において、エンジン出力はＰｅｎｇ１、発電機電力はＰｇｅｎであるとする（ここで、Ｐｅｎｇ１＞Ｐｇｅｎ）。このとき、エンジン出力Ｐｅｎｇ１は、発電機電力Ｐｇｅｎよりも大きいため、回転速度は増加する。回転速度が増加すると、エンジン出力は減少する一方、発電機電力は一定であるため、ＰｅｎｇとＰｇｅｎが等しくなる点が存在し、回転速度はその点に収束する。

同様に、回転速度Ｆｒ２において、エンジン出力がＰｅｎｇ２、発電機電力がＰｇｅｎだったとする（ここで、Ｐｅｎｇ２＜Ｐｇｅｎ）。このとき、発電機電力Ｐｇｅｎは、エンジン出力Ｐｅｎｇ２よりも大きいため、回転速度は減少する。一方、回転速度が減少すると、エンジン出力は増加する一方で、発電機電力は一定であるため、ＰｅｎｇとＰｇｅｎが等しくなる点が存在し、回転速度はその点に収束する。

以上のように、本発明の構成によれば、発電電力の異なるそれぞれの発電ポイントにおいて、発電電力をエンジン出力と発電機電力のバランス点近傍に留まるように制御できるので、定電力発電制御を実現できる。

図６を用いて、本発明の一実施形態における定電力発電制御の原理を説明する。エンジンの出力特性は、外気温等、エンジンの動作条件により時々刻々変動する。図６は、このようにエンジン出力特性が変動した場合でも、発電電力としては常に目標出力に追従する定電力発電制御の原理を示している。

図中のエンジン出力特性Ｐｅｎｇは、エンジン出力特性の設計仕様である。エンジン出力特性Ｐｅｎｇでは、目標出力Ｐ０を出力する発電機ロータ周波数Ｆｒ＿ｇｅｎはＦｒ０である。

一方、エンジン出力特性Ｐｅｎｇ＿ａは、エンジンの動作条件の変化により、発電機ロータ周波数Ｆｒ０におけるエンジンの出力が、目標出力Ｐ０よりも小さいＰ０ａであった場合を示している。このとき、エンジン側の出力特性が変化しても、発電機側は定電力発電制御を行なうことから、エンジン出力と発電機電力は、発電機ロータ周波数Ｆｒ０ａにて再バランスし、発電電力は目標値であるＰ０に保持される。

また、エンジン出力特性Ｐｅｎｇ＿ｂは、エンジンの動作条件の変化により、発電機ロータ周波数Ｆｒ＿ｇｅｎがＦｒ０におけるエンジンの出力が、目標出力Ｐ０よりも大きいＰ０ｂであった場合を示している。このとき、エンジン側の出力特性が変化しても、発電機側は定電力発電制御を行なうことから、エンジン出力と発電機電力は、発電機ロータ周波数Ｆｒ０ｂにて再バランスし、発電電力は目標値であるＰ０に保持される。

以上のように、本発明の構成によれば、エンジンの動作条件が変化したときでも、発電電力をエンジン出力と発電機電力のバランス点近傍に留まるように制御できるので、定電力発電制御を実現できる。

本発明の電気車の制御装置における一実施形態の基本構成を示す図。 本発明の一実施形態における発電制御の構成を示すブロック図。 本発明の一実施形態における発電制御の詳細を示すブロック図。 本発明の一実施形態における低燃費発電の考え方を示す図。 本発明の一実施形態における定電力発電制御の原理を示す図。 本発明の一実施形態におけるエンジン動作点が変化したとき制御動作を示す図。 従来のハイブリッド気動車の制御装置の構成を示す図。

符号の説明

１…エンジン、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…サービス電源用インバータ装置、１１…サービス電源用変圧器、１２…遮断器、１３…速度検出器、１４…回転速度検出器、１５…フィルタコンデンサ、１６…電流検出器、１７…抵抗器、１８…電圧検出器、１９…エンジン制御器、２０…ＰＷＭ制御器、２１…定電力制御器、２２…エネルギ管理制御部、２３…エンジン発電出力制御部、２４…エンジン出力特性パターン発生器、２５…エンジン出力特性選択部、２６…エンジン出力制御部、２７…発電機電力パターン選択器、２８…発電機電力特性選択部、２９…高位選択器、３０…乗除算器、３１…加算器、３２…乗算器、３３…積分器、３４…制御装置

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および放電する機能を持つ電力蓄積手段と、これらの各手段を制御する第一の制御手段と、前記発電手段の回転速度を検出する手段と、前記直流電力発生手段で変換された直流電力を検出する手段を備え、
   前記エンジンの出力は前記発電手段の回転速度に応じて調整制御し、かつ前記直流電力発生手段の発電電力は、予め設定する目標値に追従するように前記直流電力検出手段の出力値に応じて調整制御することにより、前記エンジンと前記発電手段が共通とする回転速度を所定値近傍に保持する
   ことを特徴とする鉄道車両の駆動装置。
2. 請求項１記載の鉄道車両の駆動装置において、
   前記エンジンの出力において前記エンジンの燃料消費量を最小とする最適回転速度を規定し、前記エンジンと前記発電手段が共通とする回転速度を、前記最適回転速度近傍に保持する
   ことを特徴とする鉄道車両の駆動装置。
3. 請求項２記載の鉄道車両の駆動装置において、
   前記直流電力発生手段における発電電力の目標値は複数であり、その一目標値を選択し、前記エンジンと前記発電手段が共通とする回転速度を、前記最適回転速度近傍に保持する
   ことを特徴とする鉄道車両の駆動装置。
4. 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、前記交流電力により駆動される電動機と、前記直流電力を充電および放電する機能を持つ電力蓄積手段と、前記発電手段の回転速度を検出する第一の回転速度検出手段と、前記電動機の回転速度を検出する第二の回転速度検出手段と、前記直流電力発生手段で変換された直流電力を検出する電力検出手段と、これらの各手段を制御する第一の制御手段とを備えた鉄道車両の駆動装置において、
   第一の制御手段が蓄電装置の蓄電量情報および発電手段の回転速度情報に基づいてエンジンの出力を制御する発電機負荷量信号を出力するエネルギー管理制御部と発電機負荷量信号に基づいてエンジン運転指令およびコンバータ運転指令を出力するエンジン発電司令部を有し、
   第一の制御手段からのエンジン運転指令および第一の回転速度検出器からの発電機のロータ周波数信号に基づいてエンジンの出力を制御するエンジン制御手段と、
   第一の制御手段からのコンバータ運転指令と電力検出手段からの直流部電圧信号および直流部電流信号と第一の回転速度検出手段からの発電機ロータ周波数信号に基づいてコンバータ手段の直流部出力電流指令値を出力する定電力制御手段とを備え、
   エンジン制御手段は、複数のエンジン出力特性パターンを持つエンジン出力特性パターン発生部と、エンジン出力特性パターンを選択するエンジン出力選択部と、エンジン出力制御部を備え、
   定電力制御手段は、発電機出力特性パターン発生部と、発電機出力特性パターン選択部と、直流部電圧Ｖ＿ｄｃと電圧下限値Ｖ０のうち大きいほうを選択して出力する高位選択手段と、発電機出力特性パターン選択部が選択した発電機出力特性パターンに発電機およびコンバータ装置の効率を乗算した結果を高位選択手段の出力で除算する乗除算手段と、乗除算手段の演算結果に直流部電流を加算する加算手段と、加算結果にゲインＰ項を乗算する第一の乗算手段と、加算結果を積分する積分手段と、積分結果にゲインＩ項を乗算する第２の乗算手段と、第１の乗算手段および第二の乗算手段の出力を加算する第一の加算手段とを備え、コンバータ装置のＰＷＭ制御部に直流部電圧指令とを出力する手段である
   ことを特徴とする鉄総車両の駆動装置。

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