JP2009183079A - 鉄道車両駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電池走行が必要となる場合を考慮した蓄電量を確保しつつ、制動時に発生する回生電力を高効率に吸収ように蓄電装置に蓄える蓄電量を制御する鉄道車両駆動装置を提供することを目的とする。
【解決手段】集電装置１と、充放電可能な蓄電装置７とを備え、通常状態における鉄道車両の走行は集電装置１と蓄電装置７を併用し、異常状態における鉄道車両の走行は蓄電装置７のみで行い、通常状態においては蓄電装置７の蓄電量が閾値より大きくなるよう制御し、異常状態においては蓄電装置７の蓄電量が閾値より小さくなることを許容し、閾値は鉄道車両の運行条件と車両条件の両方もしくはどちらかに応じて増減するように制御されることにより上記課題を解決する。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄道車両駆動装置に関し、特に、電池走行が必要となる場合を考慮した蓄電量を確保しつつ、制動時に発生する回生電力を高効率に吸収ように蓄電装置に蓄える蓄電量を制御する鉄道車両駆動装置に関する。

気動車にディーゼルエンジン動力の発電機と蓄電装置と電動機を搭載し、ブレーキ時に車両の運動エネルギを電気エネルギに変換して蓄電装置に蓄電し、その後、充電した電気エネルギを力行時に使用し、いわゆる電力回生を行うことでエネルギを有効利用し、従来の気動車より燃費を向上させることができる気動車が実用化されている。なお、エンジン動力の発電機は蓄電量不足時や力行時の出力補助に用いる。

上記のような蓄電装置を搭載して電力回生機能を有する気動車において、蓄電装置の蓄電量を制御するための技術が「特許文献１」に述べられている。

図１１は、上記の気動車の走行状態に応じたエネルギ収支をもとにした、蓄電装置の蓄電量管理制御の一例を示す。

車両は、（Ａ）の停止状態（あるいは低速状態）から力行により蓄電装置の蓄電エネルギを電動機により運動エネルギに変換して（Ｂ）の走行状態（あるいは高速状態）に移る。一方、（Ｂ）の走行状態（あるいは高速状態）から回生ブレーキにより運動エネルギを蓄電エネルギに変換して（Ａ）の停止状態（あるいは低速状態）に移る。

理想的な平坦区間を仮定すれば、これらの運動エネルギと蓄電エネルギの和は速度によらず一定値である。しかし、実際は走行時のエネルギ損失（電気的および機械的エネルギ損失、曲線抵抗によるエネルギ損失、勾配による位置エネルギの増減など）により、運動エネルギと蓄電エネルギの和は時々刻々変化する。

蓄電量管理制御は、この時々刻々変化する運動エネルギと蓄電エネルギの和をできるだけ一定とするように蓄電エネルギ（蓄電装置の蓄電量）を管理する。蓄電量が不足する場合にはエンジンを動作させて発電し、蓄電量が過剰な場合には発電を停止する。

この蓄電量管理制御により、力行により停止状態もしくは低速走行状態から仕様上の高速走行状態まで蓄電量下限値を下回らずに加速でき、また、回生ブレーキにより高速走行状態から停止まで蓄電量上限値を上回らずに減速できる。
特開２００４−２８２８５９号公報

架線や第三軌条といった電車線から電力供給を受けて走行する電車の回生ブレーキでは、制動時に電動機で発電した電力を電車線に戻し、この電力を付近で力行中の列車が消費することで、制動中の列車がブレーキ力を得ると共に、制動中の列車の運動エネルギを有効利用している。

しかし、付近に力行中の列車が存在しない場合には、回生ブレーキにより発電される電力を抵抗器で消費するか、空気ブレーキを使用して減速する必要があり、電力回生を実行できず、エネルギの有効利用ができない。

そこで、電車に蓄電装置を搭載すれば、付近に力行中の列車が存在しない場合にも制動時に生じる電力を蓄電装置に吸収させることができ、その後の力行時にこの電力を消費すればエネルギを有効利用することができる。

さらに、電車に搭載する蓄電装置の利用方法として、制動時の回生電力吸収以外に、緊急時などに電車線からの電力供給がない場合の自力走行用電源としての利用が考えられる。以下、蓄電装置の電力を用いて電車が自力走行することを電池走行と呼称する。この電池走行を行うことが考えられる事例を以下３例挙げる。

１つめの事例として、電力設備の故障や災害などによる電車線の停電時に、駅間で運転不能になることなく蓄電装置の蓄電電力を利用して次駅まで運転を続けられるように備えることが考えられる。

２つめの事例として、工事などによる一時停電区間が存在する場合や、狭小トンネルや車両基地や貨物ヤードなど電車線の設置が困難であったり不経済であったりする場合に電車線を設置せずその結果無電区間が存在する場合など、あらかじめ無電区間が分かっている場合に蓄電装置の蓄電電力を利用して該当無電区間を電池走行できるようにすることが考えられる。

３つめの事例として、電車線に電力を供給する変電所の負荷を低減するための電池走行が考えられる。変電所を建設する際には、その変電所の電力供給範囲に多数の列車が集中する場合や、乗客が多く列車走行のための電力が増加する場合などに、その変電所の総供給電力量が著しく増加する場合があるため、総供給電力量のピークに備えて変電所の変電能力を設計する必要があり、また電力会社との契約電力量もピークに備えて設定する必要がある。これを、一部の電車に、電車に搭載の蓄電装置の蓄電電力を利用して走行させることで、変電所の総供給電力量のピークを落とすことができ、これにより変電所の変電能力や電力会社との契約電力量を削減することができる。

図１１に示すように、車両に搭載する蓄電装置を用いて回生電力吸収を行う際、蓄電装置の蓄電量を下げれば下げるほど、回生ブレーキにより発生する電力（回生電力）を蓄電装置に吸収できる量（蓄電余裕）が大きくなるため、より高速な走行状態からの回生ブレーキに対応することができる。逆に、ある走行状態において蓄電余裕が不足する場合すなわち蓄電量が多すぎる場合には、蓄電装置に回生電力を全部吸収することができなくなるため、回生ブレーキによる電力回生効率が低下することになる。

一方、電池走行に対応するには、停電区間など所定の区間を電池走行で通過するために必要となる蓄電量をあらかじめ確保しておく必要がある。

回生電力吸収のためには蓄電量を下げる方向に、電池走行に備えるためには蓄電量を上げる方向に制御する必要があり、回生電力吸収と電池走行対応では、蓄電量の制御方向が相反の関係にある。

ただし、蓄電量が不足することにより停電区間で運転不能になるようなことがあると、運転不能列車が線路を塞いでしまうことになり当該線区における輸送に甚大な影響を与えるものであるため、電池走行に必要な蓄電量の確保を第一に優先すべきである。

しかしながら、蓄電装置に電池走行に必要な蓄電量を常に蓄電した状態で走行すると、当然のことながら制動により発生する回生電力を吸収するための蓄電余裕が不足し、回生ブレーキによる電力回生効率の低下を招いてしまう。

例えば、電車線の緊急停電に備える場合に、当該電車の蓄電装置の蓄電容量が１００であったとして、当該電車の走行線区における最長駅間距離の区間を走行するために必要な蓄電量が８０である場合に、電池走行のために８０の蓄電量を常に確保するものとすると、回生電力を吸収できる蓄電余裕は２０となる。電車が高速走行状態から回生ブレーキを作動させ、回生電力が５０発生したとすると、このうち２０の電力は蓄電装置に吸収できるが、３０の電力を吸収できずに捨てることになる。

そこで、本発明は、上記課題に鑑みて、電池走行が必要となる場合を考慮した蓄電量を確保しつつ、制動時に発生する回生電力を高効率に吸収ように蓄電装置に蓄える蓄電量を制御する鉄道車両駆動装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の鉄道車両駆動装置は、第一の動力源と、充放電可能な蓄電装置である第二の動力源とを備え、通常状態における当該鉄道車両の走行は前記第一の動力源と前記第二の動力源を併用し、異常状態における当該鉄道車両の走行は前記第二の動力源のみで行い、前記通常状態においては前記蓄電装置の蓄電量が閾値より大きくなるよう制御し、前記異常状態においては前記蓄電装置の蓄電量が前記閾値より小さくなることを許容し、前記閾値は当該鉄道車両の運行条件と車両条件の両方もしくはどちらかに応じて増減するように制御されることを特徴とする。

さらに本発明の鉄道車両駆動装置は、前記運行条件を、車外の情報提供装置との交信により取得することを特徴とする。さらに本発明の鉄道車両駆動装置は、前記第一の動力源が、電車線を介して鉄道車両駆動装置に電力供給する給電手段であることを特徴とする。さらに本発明の鉄道車両駆動装置は、前記第一の動力源が、エンジンにより駆動される発電手段であることを特徴とする。さらに本発明の鉄道車両駆動装置は、前記第一の動力源が、燃料電池であることを特徴とする。さらに本発明の鉄道車両駆動装置は、前記異常状態とは、第一の動力源から動力を得られない状態であることを特徴とする。さらに本発明の鉄道車両駆動装置は、前記異常状態とは、路線上の特定区間での前記給電手段の機能停止若しくは給電能力超過であることを特徴とする。

さらに本発明の鉄道車両駆動装置は、前記運行条件とは、当該鉄道車両の走行位置から次駅までの距離と勾配情報を含む路線情報であることを特徴とする。さらに本発明の鉄道車両駆動装置は、前記運行条件とは、駅間の距離と勾配情報を含む路線情報であることを特徴とする。さらに本発明の鉄道車両駆動装置は、前記運行条件とは、当該鉄道車両の走行位置から次駅まで走行するために必要となる前記蓄電装置の蓄電量であることを特徴とする。さらに本発明の鉄道車両駆動装置は、前記運行条件とは、駅間を走行するために必要となる前記蓄電装置の蓄電量であることを特徴とする。さらに本発明の鉄道車両駆動装置は、前記運行条件とは、前記給電手段の該機能停止若しくは給電能力超過の発生情報であることを特徴とする。さらに本発明の鉄道車両駆動装置は、前記車両条件とは、自列車の質量であることを特徴とする。

さらに本発明の鉄道車両駆動装置は、前記異常状態において、前記蓄電装置の蓄電量が前記閾値より小さい場合にも該車両駆動装置に該蓄電装置の放電を許可するためのスイッチを設け、該蓄電装置を動力源として運転を継続することを特徴とする。さらに本発明の鉄道車両駆動装置は、前記異常状態において、前記蓄電装置の蓄電量が該蓄電装置の定格最小蓄電量より小さい場合にも該車両駆動装置に該蓄電装置の放電を許可するためのスイッチを設け、該蓄電装置を動力源として運転を継続することを特徴とする。

本発明によれば、鉄道車両駆動装置において、電池走行が必要となる場合を考慮した蓄電量を確保しつつ、制動時に発生する回生電力を高効率に吸収ように蓄電装置に蓄える蓄電量を制御することができる。

以下、本発明の実施形態を、図面を用いて説明する。

図１は、本発明による蓄電装置の蓄電量制御を適用する鉄道車両駆動装置の構成例を示す。

集電装置１は鉄道車両駆動装置と電車線を電気的に接続し、フィルタリアクトル２を介して集電装置１とインバータ装置４の入力側が接続される。フィルタコンデンサ３はインバータ装置４の入力側に接続され、インバータ装置４の出力側に電動機５が接続される。電動機５はインバータ装置４の出力によって駆動される。昇降圧チョッパ装置６はインバータ装置４と蓄電装置７の間に設置され、インバータ装置４が出力する回生ブレーキ時の回生電力を降圧して蓄電装置７に蓄電する機能と、蓄電装置７に蓄電された電力を昇圧してインバータ装置４に供給する機能を供える。蓄電装置７は例えば２次電池で構成されており、充電と放電いずれも可能であればキャパシタであっても構わない。蓄電制御装置８は蓄電装置７の蓄電量及び、蓄電装置７内状態に対応した許容最大充放電電流を算出するとともに、これらの情報を情報伝達手段９を介して充放電制御装置１０に渡すように構成される。充放電制御装置１０は昇降圧チョッパ装置と接続され、蓄電装置７の充電および放電を制御する。インバータ装置４はインバータ制御装置１１と接続され、インバータ制御装置１１と充放電制御装置１０の間には情報伝達手段１２が設けられ、インバータ制御装置１１から充放電制御装置１０に向けてインバータ装置４と電動機５が力行状態にあるか回生状態にあるかという情報が伝達される。なお、このような情報の代わりに、運転用装置から運転士により加速・減速にかかる操作がなされた際に出力される制御信号を検出して力行および回生を判断しても構わない。対地上交信手段１３は、電池走行のために蓄電装置７に確保すべき蓄電量である電池走行用蓄電量を算出するための情報を得るため、地上の運転指令や運行管理システム、トランスポンダなどと通信を行う。対地上交信手段１３は情報伝達手段１４を介して蓄電領域管理演算装置１５と接続される。蓄電領域管理演算装置１５は情報伝達手段１４と対地上交信手段１３を介して地上の運転指令や運行管理システム、トランスポンダなどと、電池走行用蓄電量を算出するための情報を送受信する。蓄電領域管理演算装置１５は、これらの情報から電池走行用蓄電量を算出し、情報伝達手段１６を介して充放電制御装置１０に伝達する。補助電源装置１７は静止形インバータで構成され、入力の高圧直流電力を交流に変換すると共に降圧し、空調や制御機器で使用する電力を供給する。

なお、集電装置１からの電力供給の代わりに、エンジンにより駆動される発電手段や燃料電池からの電力供給であっても本発明を実施することは可能である。

以下、図１に示す鉄道車両駆動装置の動作を説明する。

電車を加速するときは、インバータ装置４の入力電力を電車線から集電装置１を介して供給される電力と蓄電装置７が出力する電力で負担する。すなわち、電動機５の軸トルク出力を得るために必要なインバータ装置４の入力電力を蓄電装置７が出力する電力だけで負担できない場合には、電車線から供給される電力で補足することも可能である。

一方、電車を減速するときは、電動機５がブレーキトルクを出力するようにインバータ装置４を回生動作させ、インバータ装置４が出力する電力を、集電装置１を介して電車線に供給し力行中の列車に消費させるか、蓄電装置７に吸収する。

また、減速中でなくとも、蓄電装置７の蓄電量が不足する場合には、電車線から集電装置１を介して供給される電力を蓄電装置７に充電することも可能である。

さらに、蓄電装置７の蓄電量が不足する場合でなくとも、自列車が惰行中で近傍の他列車が回生ブレーキを使用している場合など、インバータ装置４が消費する電力に対して電車線１から供給される電力が過剰な場合にも、電車線の電圧を測定したり地上の運行管理システムと交信して近傍の電力回生中列車の存在情報を得るなどして過剰電力の発生を検知し、蓄電装置７に吸収してもかまわない。

減速時や電車線からの供給電力過剰時に蓄電装置７で吸収した電力を、電車を加速するときに優先的に活用したり、補助電源１７に消費させるなどすることで、電車の運転に必要なエネルギを有効活用できる。

上記のような蓄電装置７の充電と放電に関わる一連の制御については、蓄電制御装置８から得る蓄電装置７の蓄電量情報と、インバータ制御装置１１から得る力行回生情報と、蓄電領域管理演算装置１５から得る電池走行用蓄電量情報と、図示していないが列車の走行速度情報に基づいて、充放電制御装置１０が昇降圧チョッパ装置６を制御することで行う。

図２は、回生電力吸収を行う際の蓄電量管理制御の例を示している。

充電許容限界線は、蓄電装置における蓄電量の物理的あるいは安全上の理由からこれ以上充電しないようにするため設定する限界値、同じく放電許容限界線は、蓄電装置における蓄電量の物理的あるいは性能保持の観点からの理由でこれ以上放電しないようにするため設定する限界値である。

蓄電余力限界曲線は、ある車両速度に対し、その車両速度から回生ブレーキで減速する際に、停車するまでの回生電力を全て蓄電装置７に充電したとしても充電許容限界線を越えることの無い限界の蓄電量を示している。すなわち、実蓄電量が蓄電余力限界曲線より下の領域（領域Ａ）にある場合には、回生ブレーキで減速して発生した回生電力の全部を蓄電装置７に充電しても蓄電許容限界線を超えることが無いため、このとき発生する回生電力を全て蓄電装置７に回収できる。反対に、実蓄電量が蓄電余力限界曲線より上の領域（領域Ｂ）にある場合に回生電力を吸収する際には、安全のため充電許容限界線を超過しないよう回生電力の一部を捨てる必要がある。よって、図２において、走行状態が領域Ｂ内にあるときに減速操作を開始すると、領域Ａ内にあるときと比較して、回生ブレーキによる電力回収効率が低下することになる。よって、エネルギ使用効率を高めるためには、加速時に蓄電装置７の電力を優先的に使用したり、加速時以外でも補助電源装置１７で蓄電装置７の電力を消費するなどし、蓄電装置７の蓄電量が蓄電余力限界曲線を下回るように制御し、ブレーキ時に備え蓄電余力を確保することが望ましい。

図３は本発明の蓄電量制御の詳細を示す。

充電許容限界線、放電許容限界線、蓄電余力限界曲線は図２の場合と同様である。Ｃｔｈは電池走行用蓄電量で電池走行用に確保する蓄電量である。Ｃｔｈの値は電車の走行位置および他列車の存在や無電区間の存在など地上の運行管理システムとの交信により得られる情報から蓄電領域管理演算装置１５で算出され、Ｃｔｈの値は、状況により動的に変化する。蓄電用途境界線は電池走行のために供する蓄電領域と、回生電力吸収のために供する蓄電領域の境界線で、ここでは式「蓄電量＝Ｃｔｈ」を満たす直線となる。蓄電用途境界線より下の領域を電池走行用途に割り当て、蓄電用途境界線より上の領域を回生電力吸収用途に割り当てる。電車が停電区間などを電池走行する際、電池残量が枯渇して運行停止してはならないため、電池走行のために必要とされる蓄電量であるＣｔｈを常に上回るように蓄電装置７の蓄電量を制御する必要がある。

「領域Ａ」すなわち蓄電余力限界曲線より下で蓄電用途境界線より上に実蓄電量がある場合

車両速度がＶａ以下の場合に、その走行状態における理想的蓄電量であると判断する領域で、電池走行のために必要な蓄電量が確保され且つその速度から回生ブレーキで減速し停止するまでに発生する回生電力を蓄電装置７に全部吸収することができる。

蓄電装置７の蓄電量が領域Ａにある場合、充放電制御装置１０は、力行時には放電して蓄電装置７の蓄電量を減らす方向に昇降圧チョッパ装置６を制御するが、蓄電量が蓄電用途境界線を下回る前に蓄電装置７の放電を停止し、電池走行用の蓄電量を確保するよう動作する。回生時に近傍に力行中の列車が存在しない場合には、電動機５から発生する電力を蓄電装置７に充電するよう動作する。

「領域Ｂ」すなわち速度Ｖａ以下では蓄電余力限界曲線より上で、速度Ｖａ以上では蓄電用途境界線より上に実蓄電量がある場合

その走行状態における蓄電量が過剰にある領域であり、その速度から回生ブレーキで減速すると停止するまでに発生する回生電力の全部を蓄電装置７に吸収することができない。よって、周囲に力行中の列車が存在しない場合には、電車線に回生電力を戻すこともできないため、発生する回生電力の一部を抵抗器で消費するか、空気ブレーキで減速する場合はブレーキ靴で運動エネルギを熱エネルギに変換することになるため、回生できるはずのエネルギをロスさせることになる。

蓄電装置７の蓄電量が領域Ｂにある場合、充放電制御装置１０は、速度Ｖａ以下では領域Ａに入ることを目標に、速度Ｖａ以上では領域Ｂ内でなるべく蓄電量が小さくなるよう、力行時のインバータ装置４や補助電源装置１７に電力を供給して蓄電装置７の充電電力を放電し、蓄電量を低下させる。

「領域Ｃ」すなわち蓄電用途境界線より下に実蓄電量がある場合

実蓄電量が、電池走行のために必要とされる蓄電量Ｃｔｈを下回っている領域で、この状態から停電など発生し電池走行を開始しても、電池残量が不足するため目的を達することができない可能性がある。蓄電装置７をできるだけ速やかに充電し、蓄電装置７の蓄電量が電池走行のために必要とされる蓄電量Ｃｔｈを上回るように制御する必要がある。

蓄電装置７の蓄電量が領域Ｃにある場合、充放電制御装置１０は、電車線から集電装置１を介して得られる電力を蓄電装置７に充電するよう昇降圧チョッパ装置６を制御する。

図４は、本発明第１の実施例における車外の情報提供装置との情報交信の例を示している。図４では、電力設備の故障や災害などによる電車線の停電時に、駅間で運転不能になることなく蓄電装置の蓄電電力を利用して次駅まで運転を続けられるようにする機能を実現するための情報交信の例を示している。

１０１は列車、１０２は運行管理システムである。

列車１０１は走行中でＡ駅手前を走行中であるものとし、運行管理システム１０２は路線情報を保持しており、列車１０１と運行管理システム１０２の間は無線若しくは有線の情報伝達手段で結ばれている。

以下図４の情報交信例について説明する。列車１０１がＡ駅の手前に到達すると、情報伝達手段を介して運行管理システム１０２に自列車位置を申告し、次駅であるＡ駅とＢ駅の間の路線情報を送付するよう要求する。運行管理システム１０２が路線情報送付要求を受信すると、運行管理システム１０２は、Ａ駅〜Ｂ駅間の距離や勾配など、電池走行時に消費する電力を算出するために必要な情報を列車１０１に送信する。列車１０１では、蓄電領域管理装置１５で、Ａ駅〜Ｂ駅間の距離や勾配などの情報から、停電時にＢ駅まで運転するために必要な蓄電量をＡ駅〜Ｂ駅間の各位置ごとに算出する。

停電時にＢ駅まで運転するために必要な蓄電量を算出し、図３における蓄電装置７の蓄電量制御図におけるＣｔｈの値に反映し、蓄電装置７の蓄電量がこのＣｔｈを下回らないよう充放電制御装置１０を動作させることで、停電時に電池走行する際に必ずＢ駅まで到達することができる。

図５は、蓄電領域管理装置１５で電池走行用蓄電量２０４を算出する手順を示している。図５中の（ａ）図は地上の運行管理システム１０２から蓄電領域管理装置１５が受信するＡ駅〜Ｂ駅間の路線情報を示しており、（ｂ）図はＡ駅〜Ｂ駅間の走行速度の変化を示しており、（ｃ）図はＡ駅〜Ｂ駅間における消費電力の変化を示しており、（ｄ）図はＡ駅〜Ｂ駅間の各地点におけるＢ駅まで走行するために必要となる蓄電量を示している。

２０１は消費電力変化曲線、２０２の領域は定速走行用電力、２０３は加速用電力、２０４は電池走行用蓄電量である。消費電力変化曲線２０１はＡ駅〜Ｂ駅間の各地点における電車の消費電力の推移を表しており、加速時と登坂時に消費電力が大きくなる。惰行時は、インバータ装置４に供給すべき電力は無くなるが、補助電源１７を介して制御機器で消費する電力が存在する。定速走行用電力２０２の領域は、停電時などの電池走行時に所定の速度を保ちながらＡ駅からＢ駅まで到達するために必要となる電力量を表しており、Ａ駅〜Ｂ駅間のある地点からＢ駅まで定速を維持するためには、（ｃ）図において、その地点からＢ駅まで２０２の領域の消費電力を積分した量の電力量が必要となる。加速用電力２０３は、停車状態から所定の速度まで加速するために必要となる電力である。電池走行用蓄電量２０４はＡ駅からＢ駅までのある地点で停電などが生じて停車した場合に、その地点から次駅（Ｂ駅）まで走行するために必要となる電力の変化を示しており、定速走行用電力２０２と加速用電力２０３の和となっている。

図５を用いて、蓄電領域管理演算装置１５がＡ駅〜Ｂ駅間の各地点での電池走行用蓄電量２０４を算出する一連の動作を説明する。地上の運行管理システム１０２から、Ａ駅〜Ｂ駅間の路線情報を受信した蓄電領域管理演算装置１５は、路線の距離情報や勾配情報から各地点における消費電力変化曲線２０１を算出する。各地点における定速走行用電力２０２の値は、前述のように、消費電力変化曲線２０１をその地点から次駅までの区間で積分演算することで求められる。加速用電力２０３は、車体の重量と最大積載量および電池走行時の走行速度から一意に決まる値であるため、車両内のデータベースに予め登録しておいた値としてもよいし、乗客や荷物などの積載荷重によって車両の総重量は変化するため、台車と車体の間のバネに設置した重量センサなどを用いて測定した積載荷重の値を定速走行用電力２０２や加速用電力２０３の算出に反映させ、これらの値の算出精度を向上することも可能である。最後に、定速走行用電力２０２に加速用電力２０３を加算して、Ａ駅〜Ｂ駅間の各地点に対応した電池走行用蓄電量２０４が求まる。

蓄電領域管理演算装置１５で求めた電池走行用蓄電量２０４は、充放電制御装置１０に送信され蓄電装置７の蓄電量制御に用いられる。すなわち、Ａ駅〜Ｂ駅間の各地点における電池走行用蓄電量２０４の値に応じて図３のＣｔｈの値を上下させれば、蓄電装置７の蓄電量はＣｔｈを下回らないように制御されるため、列車がＡ駅〜Ｂ駅のどの地点にいても、停電などの緊急事態が発生して電池走行の必要が生じた場合に蓄電装置７に保持された電力で次駅まで走行することができる。

図６は本発明の第１の実施例における列車走行中の電池走行用蓄電量と蓄電装置７の蓄電量の変化を示している。図６は、本発明の電池走行用蓄電量の動的制御を適用しない場合（（ｃ）図）と電池走行用蓄電量の動的制御を適用する場合（（ｄ）図）の比較を示すことを目的とする。

図６において、（ａ）図は地上の運行管理システム１０２から蓄電領域管理装置１５が受信するＡ駅〜Ｂ駅間の路線情報を示しており、（ｂ）図はＡ駅〜Ｂ駅間の走行速度の変化を示しており、（ｃ）図は電池走行用蓄電量をＡ駅〜Ｂ駅間において一定とした場合の蓄電装置７の蓄電量変化を示しており、（ｄ）図は本発明技術に対応しており電池走行用蓄電量をＡ駅〜Ｂ駅間において動的に制御した場合の蓄電装置７の蓄電量変化を示している。

図６に示した電車の走行例について説明する。Ａ駅を発車した列車は力行して所定速度まで加速するが、このとき蓄電装置７に蓄電された電力を優先的に使い、蓄電量が蓄電用途境界線すなわち電池走行用蓄電量に達するまで蓄電装置７に蓄電された電力を放電する。所定速度までの加速を終えると、電車は力行をやめて惰行する。電車が上り勾配に差し掛かると再び力行し、このとき蓄電装置７の蓄電量と蓄電用途境界線との差分が大きければ蓄電装置７は放電し、そうでない場合には放電しない。上り勾配が終わると電車は惰行する。そして、Ｂ駅到着前にブレーキをかけて減速しＢ駅に停車する。このとき回生ブレーキを使用して発生した電力を蓄電装置７に充電するが、蓄電装置７の蓄電量が充電許容限界線に到達する前に充電を停止し、蓄電量が充電許容限界線を超えて蓄電装置７が劣化することを防止する。

電池走行用蓄電量の動的制御を適用しない場合に相当する（ｃ）図と電池走行用蓄電量の動的制御を適用する場合に相当する（ｄ）図を比較する。（ｄ）図の場合には、勾配区間を登坂するにつれて電池走行用蓄電量すなわちＢ駅まで到達するのに必要な蓄電量が減少していくため、登坂時の力行状態において蓄電装置７の放電が可能になる。ここで（ｄ）図の場合は蓄電装置７が放電して蓄電量を減らし、Ｂ駅停車時の回生電力吸収に備えることが可能となる。一方、（ｃ）図の場合には電池走行用蓄電量がＡ駅〜Ｂ駅間において一定であるため、駅間ではＡ駅発車後の力行時しか蓄電装置７が放電できない。よってＢ駅到着直前に減速する際には、蓄電装置７の蓄電余裕が小さく、減速により発生する回生電力の吸収量は限定される。よって、電池走行用蓄電量の動的制御を適用する場合のほうが、電池走行用蓄電量の動的制御を適用しない場合に比べてより多くの回生電力を蓄電装置７に吸収できることになり、電池走行用蓄電量の動的制御を適用すると蓄電装置を用いた回生ブレーキシステムの高効率化が可能となる。

なお、本実施例においては、本発明による電力回生効率向上を説明しやすくするために駅間に上り勾配が存在し、駅間での電車の電力消費が大きい場合を例に取り説明したが、駅間に上り勾配が存在しない場合でも、走行抵抗によるエネルギーロスを補うためや空調や制御機器用電力を供給するために電力を消費することから、電車が次駅に近づくほど次駅まで電池走行するために必要な蓄電量が小さくなる傾向がある。よって、駅間に上り勾配がない場合でも、電池走行用蓄電量の動的制御の適用は、蓄電装置を用いた回生ブレーキシステムの高効率化に寄与する。

また、本実施例では車上で電池走行用蓄電量を算出するため、運行管理システム１０２と交信して駅間距離や勾配などの路線情報を得ているが、路線情報の提供元は、地上に設置され路線情報を保持可能で列車との交信機能を備えた装置であれば運行管理システムに限定しない。さらに、電池走行用蓄電量を算出するために地上の情報提供装置から得る情報は、駅間距離や勾配などの路線情報でなくとも、計算後の電池走行用蓄電量であっても構わない。

つまり、次駅まで到達するための蓄電量を算出するには、線路上のトランスポンダなどと交信して自列車位置を確認し、車上の路線データベースと照合し次駅までの距離や勾配など走行条件を導き出して次駅まで到達するための蓄電量を車上で算出しても良いし、運行管理システムなどの地上設備で当該列車の位置から確保すべき蓄電量を算出し、レール伝送や列車無線などの交信手段を用いて、当該列車に確保すべき蓄電量を通知してもよい。

このように、電車線の緊急停電等に備える場合においては、次駅まで到達できるだけの蓄電量を確保すればよいため、次駅に近づくほど電池走行のために確保すべき蓄電量は小さくなる。つまり、駅間ごとではなく駅間の走行位置に応じて電池走行用に確保する蓄電量を制御すれば、蓄電装置の蓄電余裕をより大きく確保することができるため、さらに高効率な回生ブレーキを実現することができる。

本発明の第２の実施例は、第１の実施例と同様に、電力設備の故障や災害などによる電車線の停電時に、駅間で運転不能になることなく蓄電装置の蓄電電力を利用して次駅まで運転を続けられるようにする機能の実現方法の一例であるが、電池走行用蓄電量の設定頻度を各駅間あたり１回ずつとし、第１の実施例の場合より制御を簡素化したものを示す。なお、電池走行用蓄電量の設定の制御以外の部分は実施例１と同様である。

図７は、本発明の第２の実施例における列車１０１と地上の運行管理システム１０２との情報交信の例を示している。

列車１０１がＣ駅の手前に到達すると、列車１０１が運行管理システム１０２に対してＣ駅〜Ｄ駅を電池走行するために必要となる電力量を問い合わせ、運行管理システム１０２がその値を算出して列車１０１に対して返答する。

Ｃ駅〜Ｄ駅を電池走行するために必要となる電力量を算出する際には、列車１０１からは、その列車の車両型式と乗客や荷物などの積載重量といった車両側の情報を提供する。運行管理システム１０２は、車両側の情報と駅間距離や勾配の角度といった地上側の情報から、Ｃ駅〜Ｄ駅を電池走行するために必要となる電力量を算出する。

なお、図面では割愛しているが、列車１０１がＤ駅の手前に到達したときには、列車１０１がＣ駅の手前に到達したときと同様の手順を経て、Ｄ駅〜Ｅ駅間を電池走行するために必要となる電力量を運行管理システム１０２が算出して列車１０１に対し送信する。

図８は本発明の第２の実施例における列車走行中の電池走行用蓄電量と蓄電装置７の蓄電量の変化を示している。図８は、本発明の電池走行用蓄電量の動的制御を適用しない場合（（ｂ）図）と電池走行用蓄電量の動的制御を適用する場合（（ｃ）図）の比較を示すことを目的とした図である。

図８において、（ａ）図はＣ駅〜Ｄ駅〜Ｅ駅間の各駅の配置をイメージした図であり、Ｃ駅〜Ｄ駅間よりＤ駅〜Ｅ駅間のほうが長いものとする。（ｂ）図は本発明の電池走行用蓄電量の動的制御を適用しない場合の電池走行用蓄電量と蓄電装置７の蓄電量の変化を示している。（ｃ）図は本発明の電池走行用蓄電量の動的制御を適用する場合の電池走行用蓄電量と蓄電装置７の蓄電量の変化を示している。

列車１０１がＣ駅からＤ駅を経由してＥ駅に至るまでの蓄電装置７の動作を図８の（ｃ）図を用いて説明する。

列車１０１はＣ駅を発車後に所定速度まで加速するために力行するが、この時蓄電装置７に蓄えられた電力を電動機５に供給し、消費する。ただし、蓄電装置７の蓄電量が蓄電用途境界線を下回る前に放電をやめる。こうして生じた蓄電余裕を利用して、列車１０１が次のＤ駅手前で減速する際に発生する回生電力を吸収する。Ｄ駅〜Ｅ駅間走行時もＣ駅〜Ｄ駅間と同様に加速時に蓄電装置７に蓄えられた電力を放電し、減速時に回生電力を蓄電装置７に吸収する。ところで、列車１０１はＤ駅に達する手間で、運行管理システム１０２と交信することでＤ駅〜Ｅ駅間を電池走行するために必要となる電力量の値を得る。Ｄ駅〜Ｅ駅間はＣ駅〜Ｄ駅間より長いため、Ｄ駅〜Ｅ駅間を電池走行するために必要とする電力量はＣ駅〜Ｄ駅間を電池走行するために必要とする電力量より大きくなる。よって、Ｄ駅〜Ｅ駅間を走行する時には、Ｃ駅〜Ｄ駅間を走行する時に比べて、回生電力の吸収に供することのできる蓄電量が小さくなる。このことから、Ｅ駅手前で減速する際に蓄電装置７に吸収できる回生電力量は、Ｄ駅手前で減速する際に蓄電装置７に吸収できる回生電力量より小さくなる。

一方、電池走行用蓄電量の動的制御を行わず、（ｂ）図のようにＣ駅〜Ｄ駅〜Ｅ駅間の全区間において電池走行用蓄電量を一定とする場合には、Ｃ駅〜Ｄ駅〜Ｅ駅間の全区間において、駅間の長いＤ駅〜Ｅ駅間に合わせ電池走行用蓄電量を多く確保する必要がある。このことは、Ｃ駅〜Ｄ駅〜Ｅ駅間の全区間で回生電力吸収に供することのできる蓄電量が小さくなり、回生電力の回収効率が低下することを意味する。

電池走行用蓄電量の動的制御を行わない場合と電池走行用蓄電量の動的制御を行う場合の回生電力回収量の差は、図８の例においてはＤ駅手前の減速時に現れている。

このように、本発明の電池走行用蓄電量の動的制御を適用すれば、動的制御を適用しない場合に比べ、駅間距離の短い区間で回生電力回収量を高めることができ、回生ブレーキの高効率化が可能となる。

つまり、実施例２において、電車線の緊急停電に備える場合においては、駅間距離の短い駅間では、駅間距離の長い駅間に対して電池走行のために確保すべき蓄電量が少なくてもよいので、駅間距離に応じて電池走行用の蓄電量を動的に制御すれば、駅間距離の短い駅間では蓄電余裕を大きく確保することができるため、回生電力を蓄電装置に吸収できる量を多くすることができ、電池走行のために確保する蓄電量を走行線区全線通して一定とした場合よりも高効率な回生ブレーキを実現することができる。

図９は、本発明の第３の実施例における列車１０１と地上の運行管理システム１０２との情報交信の例を示している。鉄道車両駆動装置の構成は上述の実施例１で説明した図１に示す通りである。

図９において、まず地上の運行管理システム１０２から列車１０１に対して、所定の区間（ここではキロ程Ｐ３〜キロ程Ｐ４間）を電池走行するよう指令が出て、この指令を受けた列車１０１はキロ程Ｐ３に到達するまでに、指定された区間を電池走行で通過するのに十分な蓄電量を蓄電装置７に蓄えるよう蓄電量制御を行い、所定の区間に達すると蓄電装置７に蓄えられた電力を消費して電池走行を行う。なお、列車１０１がキロ程Ｐ３〜キロ程Ｐ４間で電池走行するよう指令を受信したときに、列車１０１はＦ駅より手前にいたものとする。

この様な蓄電量制御の適用対象として、列車１０１の進路上に工事などによる一時停電区間が存在するときにその停電区間を電池走行するような場合や、電力供給が逼迫している変電所の給電範囲で電池走行して変電所の負荷を低減するような場合が考えられる。

図１０は、本発明の第３の実施例における列車１０１の蓄電装置７の電池走行用蓄電量と蓄電装置７の実蓄電量制御の詳細を示している。図１０における電池走行用蓄電量と蓄電用途境界線は図３におけるそれらと同じものであり、図１０では列車１０１の走行位置に応じて電池走行用蓄電量が変化することを示している。

以下、図１０を用いて列車１０１の蓄電装置７の蓄電量制御を説明する。

列車１０１はＦ駅の手前を走行中に、キロ程Ｐ３〜キロ程Ｐ４の区間で電池走行するよう運行管理システム１０２からの指令を受ける。この時点では、キロ程Ｐ３まで十分な距離があるため、電池走行区間を走行するための蓄電は開始しない。ここでは列車１０１がＧ駅に到達するまで電池走行用蓄電量をほぼ０とし、蓄電装置７の蓄電容量を目いっぱい使用して減速時の回生電力吸収を行う。列車１０１がＧ駅に到達すると、Ｇ駅からキロ程Ｐ３のまでの間に列車１０１が減速する箇所すなわち回生電力が発生する箇所が無くなるため、蓄電用途境界線を上昇させ、電池走行区間を電池走行するのに必要となる蓄電量の確保を開始する。列車１０１がＧ駅を発車し加速する際、蓄電装置７は若干放電するが、蓄電量が蓄電用途境界線を越える前に放電を停止する。その後列車１０１がキロ程Ｐ３に到達すると、列車１０１は電池走行を開始する。電池走行を開始すると共に、蓄電装置７は放電を開始する。なお、電池走行中には、蓄電装置７の実蓄電量が蓄電用途境界線を下回ることを許容する。列車１０１は、キロ程Ｐ４に達して電池走行区間の走行を終えるまで放電を継続する。

本発明の第３の実施例における蓄電装置７の蓄電量制御では、運行管理システム１０２から電池走行の指令が無い場合や、電池走行の指令があっても電池走行区間から離れており電池走行開始地点に到達するまでに蓄電装置７に充電できる見込みがある場合には、蓄電装置７の蓄電容量を最大限利用して高効率な回生電力吸収を行うが、電池走行区間が近づくと電池走行用蓄電量を高く設定し、電池走行のために必要な電力を蓄電装置７に充電し電池走行開始に備えることを特徴とする。以上、このように電池走行用蓄電量を制御することで、停電区間や電力供給が逼迫している変電所の給電範囲での電池走行を可能にし、且つ高効率な回生ブレーキシステムを得ることができる。

図１２は本発明の第４の実施例における蓄電装置の蓄電量制御を適用する鉄道車両駆動装置の構成例を示す。１８は電池走行指示スイッチである。これ以外の構成は上述の各実施例が適用される。

電池走行指示スイッチ１８は、運転台など乗務員が操作可能な位置に設置され、乗務員によるスイッチ操作により電池走行実行中であるか否かを示す信号を出力し、電池走行実行中の場合には、充放電制御装置１０に電池走行実行中であることを認識させる。電池走行実行中であることを認識した充放電制御装置１０は、蓄電装置７の実蓄電量が図３中の蓄電用途境界線を下回っても放電することを許容し、電池走行に対応する。逆に電池走行指示スイッチ１８の出力信号が電池走行実行中ではないことを示す場合には、充放電制御装置１０は、蓄電装置７の実蓄電量が図３中の蓄電用途境界線を下回らないよう、蓄電装置７の蓄電量を制御する。

図１３は本発明の第４の実施例における蓄電装置の蓄電量制御を適用する鉄道車両駆動装置の構成例を示す。１９は非常放電許可スイッチである。これ以外の構成は上述の各実施例が適用される。

非常放電許可スイッチ１９は、給電設備の故障による停電区間や工事による停電区間を電池走行中、何らかの緊急事由により蓄電量が不足する場合に、蓄電装置７の実蓄電量が図３中の放電許容限界線を下回っても、蓄電装置７の放電を許可し電池走行を継続するためのスイッチで、蓄電装置７の実蓄電量が図３中の放電許容限界線すなわち定格最小蓄電量を下回ることによる蓄電装置７へのダメージが想定されることを許容しつつ停電区間を脱出するための非常用スイッチである。

このように各実施例で示された本発明では、電池走行のために確保すべき蓄電量を算出するためにトランスポンダや運行管理システムなどの地上設備と交信することを特徴とし、電池走行のために確保する蓄電量を動的に管理することで、回生電力を吸収するための蓄電余裕がなるべく大きくなるように蓄電装置の蓄電量を制御し、回生電力の回収効率を高めることで、鉄道車両走行電力の低消費電力化を図ることが可能となる。

本発明による蓄電装置の蓄電量制御を適用する鉄道車両駆動装置の構成例。 回生電力吸収を行う際の蓄電量制御の例。 本発明の蓄電量制御の詳細。 本発明第１の実施例における地上の情報提供装置との情報交信の例。 本発明第１の実施例における蓄電領域管理装置１５で電池走行用蓄電量２０４を算出する手順を示す図。 本発明の第１の実施例における列車走行中の電池走行用蓄電量と蓄電装置７の蓄電量の変化。 本発明の第２の実施例における列車１０１と地上の運行管理システム１０２との情報交信の例。 本発明の第２の実施例における列車走行中の電池走行用蓄電量と蓄電装置７の蓄電量の変化。 本発明の第３の実施例における列車１０１と地上の運行管理システム１０２との情報交信の例。 本発明の第３の実施例における列車１０１の蓄電装置７の電池走行用蓄電量と蓄電装置７の実蓄電量制御の詳細。 電気車の走行状態に応じたエネルギ収支をもとにした、蓄電装置の蓄電量管理制御の一例。 本発明の第４の実施例における鉄道車両駆動装置の構成例。 本発明の第５の実施例における鉄道車両駆動装置の構成例。

符号の説明

１…集電装置、２…フィルタリアクトル、３…フィルタコンデンサ、４…インバータ装置、５…電動機、６…昇降圧チョッパ装置、７…蓄電装置、８…蓄電制御装置、９…情報伝達手段、１０…充放電制御装置、１１…インバータ制御装置、１２…情報伝達手段、１３…対地上交信手段、１４…情報伝達手段、１５…蓄電領域管理演算装置、１６…情報伝達手段、１７…補助電源装置、１８…電池走行指示スイッチ、１９…非常放電許可スイッチ、１０１…列車、１０２…運行管理システム、２０１…消費電力変化曲線、２０２…定速走行用電力、２０３は加速用電力、２０４…電池走行用蓄電量

Claims (15)

1. 第一の動力源と、充放電可能な蓄電装置である第二の動力源とを備える鉄道車両駆動装置において、
   通常状態における当該鉄道車両の走行は前記第一の動力源と前記第二の動力源を併用し、
   異常状態における当該鉄道車両の走行は前記第二の動力源のみで行い、
   前記通常状態においては前記蓄電装置の蓄電量が閾値より大きくなるよう制御し、
   前記異常状態においては前記蓄電装置の蓄電量が前記閾値より小さくなることを許容し、
   前記閾値は当該鉄道車両の運行条件と車両条件の両方もしくはどちらかに応じて増減するように制御されることを特徴とする鉄道車両駆動装置。
2. 請求項１に記載の鉄道車両駆動装置において、
   前記運行条件を、車外の情報提供装置との交信により取得することを特徴とする鉄道車両駆動装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の鉄道車両駆動装置において、
   前記第一の動力源が、電車線を介して鉄道車両駆動装置に電力供給する給電手段であることを特徴とする鉄道車両駆動装置。
4. 請求項１又は請求項２に記載の鉄道車両駆動装置において、
   前記第一の動力源が、エンジンにより駆動される発電手段であることを特徴とする鉄道車両駆動装置。
5. 請求項１又は請求項２に記載の鉄道車両駆動装置において、
   前記第一の動力源が、燃料電池であることを特徴とする鉄道車両駆動装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の鉄道車両駆動装置において、
   前記異常状態とは、第一の動力源から動力を得られない状態であることを特徴とする鉄道車両駆動装置。
7. 請求項３に記載の鉄道車両駆動装置において、
   前記異常状態とは、路線上の特定区間での前記給電手段の機能停止若しくは給電能力超過であることを特徴とする鉄道車両駆動装置。
8. 請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の鉄道車両駆動装置において、
   前記運行条件とは、当該鉄道車両の走行位置から次駅までの距離と勾配情報を含む路線情報であることを特徴とする鉄道車両駆動装置。
9. 請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の鉄道車両駆動装置において、
   前記運行条件とは、駅間の距離と勾配情報を含む路線情報であることを特徴とする鉄道車両駆動装置。
10. 請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の鉄道車両駆動装置において、
    前記運行条件とは、当該鉄道車両の走行位置から次駅まで走行するために必要となる前記蓄電装置の蓄電量であることを特徴とする鉄道車両駆動装置。
11. 請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の鉄道車両駆動装置において、
    前記運行条件とは、駅間を走行するために必要となる前記蓄電装置の蓄電量であることを特徴とする鉄道車両駆動装置。
12. 請求項３又は請求項７に記載の鉄道車両駆動装置において、
    前記運行条件とは、前記給電手段の該機能停止若しくは給電能力超過の発生情報であることを特徴とする鉄道車両駆動装置。
13. 請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載の鉄道車両駆動装置において、
    前記車両条件とは、自列車の質量であることを特徴とする鉄道車両駆動装置。
14. 請求項１から請求項１３のいずれか一項に記載の鉄道車両駆動装置において、
    前記異常状態において、前記蓄電装置の蓄電量が前記閾値より小さい場合にも該車両駆動装置に該蓄電装置の放電を許可するためのスイッチを設け、該蓄電装置を動力源として運転を継続することを特徴とする鉄道車両駆動装置。
15. 請求項１から請求項１３のいずれか一項に記載の鉄道車両駆動装置において、
    前記異常状態において、前記蓄電装置の蓄電量が該蓄電装置の定格最小蓄電量より小さい場合にも該車両駆動装置に該蓄電装置の放電を許可するためのスイッチを設け、該蓄電装置を動力源として運転を継続することを特徴とする鉄道車両駆動装置。

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