JP2010011685A

JP2010011685A - 鉄道車両の駆動システム

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Publication number: JP2010011685A
Application number: JP2008170295A
Authority: JP
Inventors: Motomi Shimada; 嶋田　　基巳; Eiichi Toyoda; 豊田　　瑛一; Takashi Kaneko; 貴志金子; Tsutomu Miyauchi; 努宮内; Hiroshi Nomoto; 浩野元; Ryohei Shimamune; 亮平島宗; Ryosuke Furuta; 良介古田; Tetsuro Omura; 哲朗大村
Original assignee: Hitachi Ltd; East Japan Railway Co
Current assignee: Hitachi Ltd; East Japan Railway Co
Priority date: 2008-06-30
Filing date: 2008-06-30
Publication date: 2010-01-14
Anticipated expiration: 2028-06-30
Also published as: JP5394666B2

Abstract

【課題】最大電力、代表勾配量、勾配でのバランス速度の各データを基に十分な登坂性能を確保するエンジン最大出力と、燃料消費量の低減と蓄電池寿命拡大を両立する蓄電量範囲とを算出し、鉄道車両として必要な登坂性能の確保と燃料消費量低減の要求を両立し、かつ蓄電装置の寿命を拡大する。
【解決手段】鉄道車両の駆動システムにおいて、直流電力発生手段とインバータ手段と蓄電手段とこれらの各手段を制御する第一の制御手段と鉄道車両を駆動する電動機と路線の走行に必要なデータを記憶する情報蓄積手段と路線の走行に適切な性能を満たすエンジン出力責務と路線の走行に適切な燃料消費を満たす蓄電基準を前記情報蓄積手段の持つ情報に基づいて算出する最適演算手段を備え、エンジンの出力を最適演算手段の出力するエンジン出力責務にもとづいて制御し蓄電手段の蓄電量は最適演算手段の出力する蓄電基準にもとづいて制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄道車両の駆動システムに係り、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方法のひとつとして、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。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。

ハイブリッドシステムの構成、制御方式については、例えば特許文献１の鉄道車両駆動システムにおいて述べられている。図７に特許文献１における鉄道車両の駆動装置の機器構成図を示す。エンジン１０１は、制御装置１１１の指令Ｓｅに基づいた軸トルクを出力する。

誘導発電機１０２は、エンジン１０１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１０３は、発電機１０２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１０３は、制御装置１１１からの指令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１０４は、コンバータ装置１０３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。誘導電動機１０５は、インバータ装置１０４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１０４は、誘導電動機１０５の出力トルクが制御装置１１１からの指令Ｓｉに基づいたトルクを出力するようにインバータ装置１０４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１０６は、誘導電動機１０５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。

制御装置１１１は、蓄電装置１０８の内部状態信号Ｓｐ１を入力として、エンジン１に運転指令Ｓｅ、コンバータ装置１０３に運転指令Ｓｃ、インバータ装置１０４に運転指令Ｓｉ、遮断器１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄに動作指令Ｓｂ、蓄電装置１０８に動作指令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１１２は、コンバータ装置１０３とインバータ装置１０４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１１３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。

ところで、ハイブリッド気動車では、駆動エネルギを一時的に蓄電装置に蓄える、必要な時に必要なだけ使うという、エネルギの時間軸方向への移動ができるようになる。これにより得られるメリットとして、ブレーキ時の回生電力再利用による、エンジンの燃料消費量低減効果がある。

これまでの多くの気動車では、ブレーキ時にディスクブレーキ等の機械式ブレーキ、エンジンの圧縮ロスを利用したエンジンブレーキ、あるいはトルコンの撹拌損失を利用したコンバータブレーキにより、運動エネルギを熱エネルギに変換して放散することで減速力を得ていた。これに対して、ハイブリッド気動車は、蓄電装置を搭載することにより。これまでの気動車ではできなかったブレーキ時の回生電力再利用を可能とした。ブレーキ時の回生電力再利用は、モータを発電機として動作するように制御してブレーキ力を得る一方で、その発電（回生）電力を架線に戻して他の電車の力行電力に使うことにより、省エネルギ効果を実現する技術である。この技術は、モータのインバータ制御により簡便に実現できるようになり広く用いられるようになった。

しかし、非電化区間を走行する気動車では、回生電力を架線に戻すことはできない。このため、ハイブリッド気動車では、エンジンで発電した電力により、モータをインバータ制御する方式として、電車と同じようにブレーキ時の回生電力再利用を可能にした上で、この回生電力を吸収する蓄電装置を搭載することにより、回生電力を力行時に再利用できるようにした。
特開２００４−２８２８５９号公報

このようなハイブリッド気動車では、蓄電装置の必要容量（搭載量）の決定が重要な課題である。一般的に、蓄電装置の充放電可能電力・蓄電容量は、蓄電装置を構成する単位蓄電媒体（単セル）の接続数で決まる。つまり、単位蓄電媒体（単セル）の充放電可能電力・蓄電容量に、その接続数を掛け算すると、蓄電装置全体の充放電可能電力・蓄電容量を算出できる。すなわち、蓄電装置の容量は、蓄電装置の体積・重量に対して、概ね比例するといえる。気動車は地方路線での運用が中心なので、全ての必要機器を１両に搭載した両運転台車とする場合が多い。これまでの気動車の置換えを目的としたハイブリッド気動車でも、この両運転台車とする顧客要求が想定できるので、蓄電装置も体積・重量を最小化しておく必要がある。

しかし、蓄電装置の体積・重量を小さくすることは、蓄電容量も小さくなることを意味する。蓄電容量が小さくなると、ブレーキ時に吸収できる回生電力も減るので、燃料消費量低減効果も少なくなる。さらに、蓄電装置の体積・重量を小さくすることは充放電可能電力も小さくなることを意味する。充放電可能電力が小さくなると、実充放電電力に対する、蓄電装置の充放電能力（充放電可能電力）の余裕度が減るため、電池の内部抵抗による発熱が増えると考えられる。蓄電装置は、一般に安全動作を保障する使用温度範囲や所定性能を満足できる使用温度範囲が仕様として決まっている。これらの使用温度範囲の上限を超えた蓄電装置の稼動は、蓄電装置の寿命を早める原因となる。

以上より、ハイブリッド車両では、走行性能を確保して、燃料消費量低減効果を、必要最小限の蓄電装置で実現することが重要な課題といえる。

本発明の目的は、インバータ装置が供給すべき最大電力 Pwr_inv、代表勾配量 Inc、勾配でのバランス速度 Velの各データを基に、十分な登坂性能を確保するエンジン最大出力を算出し、さらに燃料消費量の低減と蓄電池寿命拡大を両立する、蓄電量範囲を算出することにより、鉄道車両として必要な登坂性能の確保と、燃料消費量低減の要求を両立し、かつ蓄電装置の寿命を拡大する、鉄道車両の駆動システムを提供することにある。

一般に、蓄電容量Κが増えるに従い、エンジン装置の燃料消費量低減率γは増加していくと考えられる。これは、蓄電容量Κが増えるに従い、より多くの回生電力Ｐを吸収できるようになるため、回生電力の再利用効果が増大していくからである。ただし、これは回生電力量Ｅに対して、蓄電容量Ｋが十分小さい時の状況ある。回生電力量Ｅに対して、蓄電容量Ｋが十分大きい時はこれとは異なる状況になる。すなわち、回生電力量Ｅよりも、蓄電容量Ｋが大きいときは、蓄電装置に蓄電される回生電力量Ｅで頭打ちとなるので、蓄電容量を大きくしても回生電力量Ｅは変らない。この結果、回生電力量Ｅよりも、蓄電容量Ｋが大きいときは、燃料消費量低減率γは蓄電容量Ｋに比例せず、飽和特性を示す。すなわち、蓄電装置の蓄電容量Κは、回生電力量Ｅと等しくなるように設定すれば、必要最小限の蓄電容量で、十分な燃料消費量低減率γを実現できる。

ここで、回生電力量Ｅは、インバータ装置そのものが実現できる最大電力、走行する路線区間の代表勾配量、およびその勾配でのバランス速度等により大きく変化する。すなわち、十分な燃料消費量低減率γを実現する必要最小限の蓄電容量を求めるためには、インバータ装置の最大電力、走行する路線区間の代表勾配量、その勾配でのバランス速度等のデータにもとづいた検討が必要であるといえる。

本発明の鉄道車両の駆動システムでは、走行する路線においてインバータ装置が供給すべき最大電力Pwr_inv、代表勾配量Inc、勾配でのバランス速度Velの各データを蓄積する手段を備える。また、走行する路線においてインバータ装置が供給すべき最大電力Pwr_inv、代表勾配量Inc、勾配でのバランス速度Velの各データをもとに、その路線において、十分な登坂性能を確保するエンジン最大出力と、十分な燃料消費量低減率を実現する必要最小限の蓄電容量を演算する手段を備える。また、演算されたエンジン最大出力にもとづいて、実際のエンジンの出力責務を決定する手段と、演算された蓄電容量にもとづいて、実際の蓄電装置の蓄電範囲を決定する手段を備えることを特徴とする。

本発明によれば、エンジン装置の出力制御、および蓄電装置の蓄電量管理により、鉄道車両として必要な登坂性能の確保と、燃料消費量低減の要求を両立し、かつ蓄電装置の寿命を拡大できる、鉄道車両の駆動システムを実現することができるという効果を奏する。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。

図１は、本発明の電気車の駆動システムにおける一実施形態の構成を示す図である。図１において、エンジン装置１は、システム統括制御部９が出力するエンジン出力指令NTC_engに基づいた軸出力を、速度演算部２０ａが出力する回転速度情報FR_genに応じて発生する。ここで、エンジン出力指令NTC_engにより選択されるエンジン出力値は、システム構成選択部２６により与えられる各エンジンノッチの出力値、エンジン0N出力Pwr_eng_0N、エンジン1N出力Pwr_eng_1N、エンジン2N出力Pwr_eng_2N、エンジン3N出力Pwr_eng_3Nに従う。

誘導発電機２は、エンジン装置１の軸出力を動力として、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、誘導発電機２が発生する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が出力する、コンバータ発電指令NTC_cnvに基づいた発電電力となるように制御する。また、速度検出器１０ａは、誘導発電機２に付属していて、エンジン装置１と誘導発電機２を結合する回転軸の回転速度に基づいた速度パルス信号PLS_genを出力する。速度演算部２０ａは、速度パルス信号PLS_genをもとに、誘導発電機２の回転速度情報FR_genを演算して、エンジン装置１、およびコンバータ装置３に入力する。

インバータ装置４は、コンバータ装置３が出力す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。誘導電動機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、運転台１１が出力する運転指令(NTC_inv)に基づいて、誘導電動機５の軸トルクまたは軸出力を発生するように、インバータ装置４の出力電圧、および交流電流の周波数を可変制御する。減速器６は、誘導電動機５の回転速度を、異なる歯数の歯車の組み合わせなどで減速して、それにより増幅した軸トルクで輪軸７を駆動して車両を加減速する。また、速度検出器１０ｂは誘導電動機５に付属していて、誘導電動機５と減速機６を結合する回転軸の回転速度に基づいた速度パルス信号PLS_mtrを出力する。速度演算部２０ｂは、速度パルス信号PLS_mtrをもとに、電動機５の回転速度情報FR_mtrを演算し、インバータ装置４、およびシステム統括制御部９に入力する。

システム統括制御部９は、運転台１１が出力する運転指令NTC_inv、速度演算部２０ｂが出力する電動機ロータ周波数FR_mtr、インバータ装置４が出力する駆動トルク情報TRQ_inv、蓄電装置８が出力する電池蓄電量SOC_btr、システム構成選択部２６が出力する充電限界Chg_limit、放電限界Dch_limitを入力として、エンジン装置１にエンジン出力指令NTC_eng、コンバータ装置３にコンバータ発電指令NTC_cnv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。

補機電源用インバータ装置２４は、コンバータ装置３と、インバータ装置４の間に位置す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。さらに変圧器２５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。

システム構成選択部２６は、ここでは図示していない、インバータ装置が供給すべき最大電力Pwr_inv、車両が走行する路線の勾配・曲線などの路線データDat_route、代表勾配量Inc、勾配でのバランス速度Velをもとに、各エンジンノッチにおける出力値であるエンジン0N出力Pwr_eng_0N、エンジン1N出力Pwr_eng_1N、エンジン2N出力Pwr_eng_2N、エンジン3N出力 Pwr_eng_3N、および蓄電装置８において、実際に使用する蓄電量範囲を限定する充電限界Chg_limit、放電限界Dch_limitを出力する。

この構成によると、システム構成選択部２６において、インバータ装置が供給すべき最大電力Pwr_inv、代表勾配量Inc、勾配でのバランス速度Velの各データを基に、十分な登坂性能を確保できるように、各エンジンノッチにおける出力値である、エンジン0N出力Pwr_eng_0N、エンジン1N出力Pwr_eng_1N、エンジン2N出力Pwr_eng_2N、エンジン3N出力Pwr_eng_3Nを決定できる。また、同じくシステム構成選択部２６において、インバータ装置が供給すべき最大電力Pwr_inv、車両が走行する路線の勾配・曲線などの路線データDat_route、代表勾配量Inc、勾配でのバランス速度Velの各データを基に、燃料消費量を低減し、かつ蓄電池寿命を拡大できる蓄電量範囲に限定するように、充電限界Chg_limit、放電限界Dch_limitを決定できる。すなわち、鉄道車両として必要な登坂性能の確保と、燃料消費量低減の要求を両立し、かつ蓄電装置の寿命を拡大できる、鉄道車両の駆動システムを実現できる。

図２は、本発明の鉄道車両の駆動システムにおける一実施形態の構成の詳細を示す図である。図２において、エンジン装置１は、少なくともエンジン１２とエンジン制御装置１３で構成する。エンジン制御装置１３は、後述するシステム統括装置９が出力するエンジン出力信号NTC_eng、速度演算部２０ａが出力する発電機ロータ周波数FR_gen、同じく後述するエンジン出力選択部２９が出力する各エンジンノッチの出力値であるエンジン0N出力Pwr_eng_0N、エンジン1N出力Pwr_eng_1N、エンジン2N出力Pwr_eng_2N、エンジン3N出力Pwr_eng_3Nを入力として、エンジン１２の軸出力がシステム統括制御部９のエンジン出力指令NTC_engに追従するように、エンジン１２に対してエンジン制御信号F_engを出力する。

誘導発電機２は、エンジン１２の軸出力を動力として、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、少なくともコンバータ主回路１４、電流検出器１６ａ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ、フィルタコンデンサ１７ａ、抵抗器１８ａ、電圧検出器１９ａ、速度演算部２０ａ、電流指令生成部２１ａ、ＰＷＭ制御部２２ａで構成する。

コンバータ主回路１４は、誘導発電機２が発生する３相交流電力を入力として、ＰＷＭ制御部２２ａが出力する電圧指令VP_cnvに従い、前述の３相交流電力を直流電力に変換して出力する。電流検出器１６ｃ、１６ｄ、１６ｅは、前述の３相交流電流の各相電流Iu1、Iv1、Iw1を検出する。フィルタコンデンサ１７ａは、コンバータ主回路１４で変換された直流電力の電流脈動を平滑する。電流検出器１６ａは、前記直流電力部の電流値Is1を検出する。抵抗器１８ａは前記直流電力の電流値Is1を分流して、これをもとに電圧検出器１９ａは前記直流電力の電圧値Ecf１を検出する。

また、速度検出器１０ａは誘導発電機２に付属していて、エンジン装置１と誘導発電機２を結合する回転軸の回転速度に基づいた速度パルス信号PLS_genを出力する。速度演算部２０ａは、速度パルス信号PLS_genをもとに、誘導発電機２の回転速度情報FR_genを演算し、エンジン制御装置１３、電流指令生成部２１ａ、およびＰＷＭ制御部２２ａに入力する。電流指令生成部２１ａは、システム統括制御部９が出力するコンバータ発電指令NTC_cnvと、速度演算部２０ａが出力する誘導発電機２の回転速度情報FR_genを入力として、誘導発電機２がコンバータ発電指令NTC_cnvにもとづいた定電力発電を行うためのベクトル制御電流指令Idp_cnv、Iqp_cnvを算出して出力する。PWM制御部２２ａは前述の３相交流電流の各相電流Iu1、Iv1、Iw1、発電機２の回転速度情報FR_gen、前記直流電力部の電流値Is1、同じく電圧値Ecf1、ベクトル制御電流指令Idp_cnv、Iqp_cnvを入力として、コンバータ主回路１４を駆動する電圧指令VP_cnvを演算して出力する。

インバータ装置４は、少なくともインバータ主回路１５、電流検出器１６ｂ、１６ｆ、１６ｇ、１６ｈ、フィルタコンデンサ１７ｂ、抵抗器１８ｂ、電圧検出器１９ｂ、速度演算部２０ｂ、電流指令生成部２１ｂ、ＰＷＭ制御装置２２ｂの構成要素を含む。
インバータ主回路１５は、コンバータ装置３が出力する直流電力を入力として、ＰＷＭ制御部２２ｂが出力する電圧指令VP_invに従い、前述の直流電力を３相交流電力に変換して出力する。抵抗器１８ｂは前記直流電力の電流値 Is2を分流して、これをもとに電圧検出器１９ｂは前述した直流電力の電圧値Ecf2を検出する。電流検出器１６ｂは前述の直流電力部の電流値Is2を検出する。フィルタコンデンサ１７ｂは、インバータ主回路１５に入力される直流電力の電流脈動を平滑する。電流検出器１６ｆ、１６ｇ、１６ｈは、前述の３相交流電流の各相電流Iu2、Iv2、Iw2を検出する。

速度演算部２０ｂは、速度パルス信号PLS_mtrをもとに、誘導電動機５の回転速度情報FR_mtrを演算し、システム統括制御部９、電流指令発生器２１ｂおよびPWM制御部２２ｂに入力する。電流指令生成部２１ｂは、運転台１１が出力する運転指令NTC_invと、速度演算部２０ｂが出力する誘導電動機５の回転速度情報FR_mtrを入力として、運転指令NTC_invに基づいて、誘導電動機５の軸トルクまたは軸出力を発生するように、力行または発電制動トルクを制御するベクトル制御電流指令Idp_inv、Iqp_invを算出して出力する。PWM制御部２２ｂは前述の３相交流電流の各相電流 Iu2、Iv2、Iw2、誘導電動機５の回転速度情報FR_mtr、前述した直流電力部の電流値Is2、同じく電圧値Ecf2、ベクトル制御電流指令Idp_inv、Iqp_invを入力として、インバータ主回路１５の出力電圧および交流電流周波数を可変制御するVP_invを演算して出力する。

減速器６は、誘導電動機５の回転速度を、異なる歯数の歯車の組み合わせなどで減速して、それにより増幅した軸トルクで輪軸７を駆動して車両を加減速する。また、速度検出器１０ｂは誘導電動機５に付属していて、誘導電動機５と減速機６を結合する回転軸の回転速度に基づいた速度パルス信号PLS_mtrを出力する。

システム統括制御部９は、運転台１１が出力する運転指令NTC_inv、速度演算部２０ｂが出力する電動機ロータ周波数FR_mtr、ＰＷＭ制御部２２ｂが出力する駆動トルク情報TRQ__inv、蓄電装置８が出力する電池蓄電量SOC_btr、充放電限界選択部３０が出力する充電限界Chg_limit、放電限界Dch_limitを入力として、エンジン制御装置１３にエンジン出力指令NTC_eng、電流指令発生器２１ｂにコンバータ発電指令NTC_cnvを出力して、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。
補機電源用インバータ装置２４は、コンバータ装置３とインバータ装置４の間に位置す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。さらに変圧器２５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。

システム構成選択部２６は、少なくともシステム最適化演算部２８、エンジン出力選択部２９、充放電限界選択部３０で構成される。システム最適化演算部２８は、インバータ装置が供給すべき最大電力Pwr_inv、車両が走行する路線の勾配・曲線などの路線データDat_route、代表勾配量Inc、勾配でのバランス速度Velをもとに、駆動システムとして必要なエンジン出力である発電最大出力Pwr_eng_max、燃料消費量の低減と蓄電池寿命拡大を両立する最適蓄電量Pwr_bat_optをリアルタイムに演算して出力する。エンジン出力選択部２９は、システム最適化演算部２８が出力する発電最大出力Pwr_eng_optをもとに、各エンジンノッチでの出力値である、エンジン0N出力Pwr_eng_0N、エンジン1N出力Pwr_eng_1N、エンジン2N出力Pwr_eng_2N、エンジン3N出力Pwr_eng_3Nをリアルタイムに演算して出力する。充放電限界選択部３０は、システム最適化演算部２８が出力する最適蓄電量Pwr_bat_optをもとに、蓄電装置８において実際に使用する蓄電量範囲を決定する充電限界Chg_limit、放電限界Dch_limitをリアルタイムに演算して出力する。

この構成によると、システム構成選択部２６において、インバータ装置が供給すべき最大電力Pwr_inv、代表勾配量Inc、勾配でのバランス速度Velの各データをもとに、十分な登坂性能を確保できる発電最大出力Pwr_eng_maxを決定し、これにより、各エンジンノッチにおける出力値である、エンジン0N出力 Pwr_eng_0N、エンジン1N出力 Pwr_eng_1N、エンジン2N出力
Pwr_eng_2N、エンジン3N出力 Pwr_eng_3Nを決定できる。また、同じくシステム構成選択部２６において、インバータ装置が供給すべき最大電力Pwr_inv、車両が走行する路線の勾配・曲線などの路線データDat_route、代表勾配量Inc、勾配でのバランス速度Velの各データを基に、燃料消費量の低減と蓄電池寿命拡大を両立する最適蓄電量Pwr_bat_optを決定し、これをもとに充電限界Chg_limit、放電限界Dch_limitを決定できる。すなわち、鉄道車両として必要な登坂性能の確保と、燃料消費量低減の要求を両立し、かつ蓄電装置の寿命を拡大できる、鉄道車両の駆動システムを実現できる。

ところで、図２の実施形態においては、駆動システムとして必要なエンジン出力である発電最大出力Pwr_eng_max、燃料消費量の低減と蓄電池寿命拡大を両立する最適蓄電量Pwr_bat_optは、インバータ装置が供給すべき最大電力Pwr_inv、車両が走行する路線の勾配・曲線などの路線データDat_route、代表勾配量Inc、勾配でのバランス速度Velをもとに、システム最適化演算部２８でリアルタイムに演算する場合について示している。しかし、鉄道車両について考えると、多くの場合は同じ路線をくり返し往復する運用である。これを考慮すると発電最大出力Pwr_eng_max、最適蓄電量Pwr_bat_optは、走行路線について一度だけ演算すれば十分と考えられる。この場合、発電最大出力Pwr_eng_max、最適蓄電量Pwr_bat_optは、システム最適化演算部２８の演算を、車載でリアルタイムに行うのではなく、机上でオフラインに行い、その結果定数としての発電最大出力Pwr_eng_max、最適蓄電量Pwr_bat_optを、それぞれエンジン出力選択部２９、充放電限界選択部３０に入力する方法も考えられる。なお、発電最大出力Pwr_eng_max、最適蓄電量Eng_bat_optをオフラインにて決定した場合については、エンジン装置１として、発電最大出力Pwr_eng_maxに等しいか、あるいはこれを若干上回る最大出力仕様のエンジン、蓄電装置として、最適蓄電量Eng_bat_optに等しいか、これを若干上回る蓄電容量仕様の蓄電装置を、予め完成機器として組み込む方法も考えられる。

また、図２の実施形態では、各エンジンノッチでの出力値である、エンジン0N出力Pwr_eng_0N、エンジン1N出力Pwr_eng_1N、エンジン2N出力Pwr_eng_2N、エンジン3N出力Pwr_eng_3Nは、システム最適化演算部２８の出力、あるいは前述の結果定数としての発電最大出力Pwr_eng_optをもとに、エンジン出力選択部２９でリアルタイムに演算する場合を示している。しかし、前述のように、鉄道車両では、各エンジンノッチでの出力値についても走行路線について一度だけ演算すれば十分と考えられる。この場合、エンジン出力選択部２９の演算を、車載でリアルタイムに行うのではなく、机上でオフラインに行い、その結果定数としてのエンジン0N出力Pwr_eng_0N、エンジン1N出力Pwr_eng_1N、エンジン2N出力Pwr_eng_2N、エンジン3N出力Pwr_eng_3Nを、エンジン制御装置１３に入力するか、エンジン制御装置１３の内部定数として記憶させておく方法も考えられる

さらに、図２の実施形態では、蓄電装置８において実際に使用する蓄電量範囲を決定する充電限界Chg_limit、放電限界Dch_limitを、システム最適化演算部２８の出力、あるいは前述の結果定数としての最適蓄電量Pwr_bat_optをもとに、充放電限界選択部３０でリアルタイムに演算する場合を示している。しかし、前述のように、鉄道車両では、各エンジンノッチでの出力値についても走行路線について一度だけ演算すれば十分と考えられる。この場合、充放電限界選択部３０の演算を、車載でリアルタイムに行うのではなく、机上でオフラインに行い、その結果定数としての充電限界Chg_limit、放電限界Dch_limitを、システム統括制御部９に入力するか、システム統括制御部９の内部定数として記憶させておく方法も考えられる。

図３は、本発明におけるエンジン出力、常用蓄電量範囲の最適化の考え方を示す図である。図３において、横軸(X軸)は蓄電装置８の蓄電容量Κであり、縦軸(Y軸)は蓄電装置８による回生電力再利用により実現できるエンジン装置１の燃料消費量低減率γである。

ここでは、まず始めに、図３に示している曲線(a)の意味を説明する。蓄電容量Κが0点のとき、すなわち、蓄電装置８に充放電できない状態では、回生電力を再利用する効果は得られないので、燃料消費低減率γは零である。蓄電容量Κが0点からA点の間では、蓄電容量Κに応じてエンジン装置の燃料消費量低減率γが増加していく。これは、蓄電容量Κが増えるに従い、より多くの回生電力を吸収できるようになるため、回生電力の再利用効果が増大していくからである。

その後、蓄電容量ΚがA点よりも大きくなると、蓄電容量Κに応じて燃料消費量低減率γが増加する割合は、0点からA点の間よりも大幅に鈍くなり、飽和傾向を示す。これは、蓄電容量ΚがA点にあることは、蓄電容量Κが回生ブレーキが発生する電力量に等しい状態であることを意味している。いま、蓄電容量ΚをA点より大きくしても、回生ブレーキで発生する電力量が同じであれば、実際に蓄電装置８に充電される電力量は変らない。このため、蓄電容量ΚがA点よりも大きいときは、蓄電容量Κに応じて燃料消費量低減γが割合は鈍くなり、飽和傾向を示のである。

すなわち、蓄電装置８としては、その蓄電容量ΚをA点に設定すれば、必要最小限の蓄電容量で、十分な燃料消費量低減率γを実現できるといえる。
ところで、曲線(b)は、回生ブレーキで発生する電力量が、曲線(a)の場合に比べて少ないため、蓄電容量Κに応じて燃料消費量低減率γが増加する割合が、蓄電容量Κがより小さいB点で、飽和傾向になる状態を示している。このように、蓄電装置８の蓄電容量Κと、エンジン装置１の燃料消費量低減率γの関係が曲線(b)のようになったときは、その蓄電容量ΚをB点に設定することにより、必要最小限の蓄電容量Κで十分な燃料消費量低減率γを実現できるといえる。

同様に、曲線(c)は、回生ブレーキで発生する電力量が、曲線(b)の場合に比べて少ないため、蓄電容量Κに応じて燃料消費量低減率γが増加する割合が、蓄電容量Κがより小さいC点で、飽和傾向になる状態を示している。このように、蓄電装置８の蓄電容量Κと、エンジン装置１の燃料消費量低減率γの関係が曲線(C)のようになったときは、その蓄電容量ΚをC点に設定することにより、必要最小限の蓄電容量Κで十分な燃料消費量低減率γを実現できるといえる。

次に、曲線(a)〜(c)を用いて、具体的に充電限界Chg_limit、放電限界Dch_limitを決定する考え方について説明する。いま、蓄電容量Κと燃料消費量低減率γの関係が、曲線(a)になったとする（条件(A)）。

この条件下では、A点において、蓄電容量Κに応じて燃料消費量低減率γが増加する割合が大幅に鈍くなり、飽和傾向を示す。すなわち、このA点での蓄電容量Κを、蓄電装置８の充電限界Aとして設定すれば、条件(A)では、必要最小限の蓄電容量K(充電限界A)で十分な燃料消費量低減率γを実現できる。なお、条件(A)における放電限界Aは、蓄電装置８の仕様として使える蓄電容量の最小値を設定する。これは、例えば蓄電装置８としての使用が考えられるリチウムイオン電池において、充放電を許容する蓄電量範囲をできるだけ低くすることにより、電池寿命を延長できることが、実機試験などにより確認されているからである。すなわち、条件(A)では、蓄電装置８の蓄電容量Κの使用範囲を、充電限界Aから放電限界Aとすれば、燃料消費量低減率γの最大化と、蓄電装置８の寿命拡大を両立する、鉄道車両の駆動システムを実現できる。

また、蓄電容量Κと燃料消費量低減率γの関係が、曲線(b)になったとする（条件(B)）。
この条件下では、B点において、蓄電容量Κに応じて燃料消費量低減率γが増加する割合が大幅に鈍くなり、飽和傾向を示す。すなわち、このB点での蓄電容量Κを、蓄電装置８の充電限界Bとして設定すれば、条件(B)では、必要最小限の蓄電容量K(充電限界B)で十分な燃料消費量低減率γを実現できる。なお、条件(B)における放電限界Bは、蓄電装置８の仕様として使える蓄電容量の最小値を設定する。これにより、条件(B)では、蓄電装置８の蓄電容量Κの使用範囲を、充電限界bから放電限界Bに限定とすれば、燃料消費量低減率γの最大化と、蓄電装置８の寿命拡大を両立する、鉄道車両の駆動システムを実現できる。

さらに、蓄電容量Κと燃料消費量低減率γの関係が、曲線(c)になったとする（条件(C)）。この条件下では、C点において、蓄電容量Κに応じて燃料消費量低減率γが増加する割合が大幅に鈍くなり、飽和傾向を示す。すなわち、このC点での蓄電容量Κを、蓄電装置８の充電限界Cとして設定すれば、条件(C)では、必要最小限の蓄電容量K(充電限界C)で十分な燃料消費量低減率γを実現できる。なお、条件(C)における放電限界Bは、蓄電装置８の仕様として使える蓄電容量の最小値を設定する。これにより、条件(C)では、蓄電装置８の蓄電容量Κの使用範囲を、充電限界Cから放電限界Cとすれば、燃料消費量低減率γの最大化と、蓄電装置８の寿命拡大を両立する、鉄道車両の駆動システムを実現できる。

図４は、本発明の一実施形態におけるエンジン出力、常用蓄電量範囲の最適化手順を示すブロック図である。図４のブロック図は、本発明の鉄道車両の駆動システムについて、蓄電装置８の最適蓄電量Eng_bat_optと、エンジン装置１の発電最大出力Pwr_eng_maxを決定する具体的な手順を示している。

データ設定部３１では、発電最大出力Pwr_eng_maxと、最適蓄電量Eng_bat_optを決定するために必要な基本データを設定する。ここでは、基本データとして、インバータ最大電力Pwr_inv、路線データDat_route、代表勾配量Inc、勾配バランス速度Velを設定している。このほかに、エンジン装置1の燃料消費量特性、蓄電装置8の充放電特性などの機器仕様データ、外気温などの周囲環境データの入力機能をデータ設定部３１に追加すれば、発電最大出力Pwr_eng_maxと、最適蓄電量Eng_bat_optの決定精度をさらに向上できると考えられる。

エンジン出力演算部３２では、代表勾配量Incと、勾配バランス速度Velを入力して、発電最大出力Pwr_eng_maxを算出する。ここで、エンジン発電の最大出力である発電最大出力Pwr_eng_maxは、蓄電装置８の蓄電量が枯渇したときを想定して、エンジン発電のみで勾配区間を所定速度以上で走破できるよう決定する。

ここで、ある路線の代表勾配量をInc[rad]、その勾配バランス速度をVel[m/s]、車両の質量をM[kg]、車両の走行抵抗をReg[N]、エンジン出力から車両駆動力まで機器効率をζ、重力加速度をg[m/s^2]としたとき、発電最大出力Pwr_eng_max[J/s]は次のように導出される。

ここで、車両の質量M、車両の走行抵抗Regは車両固有の物理量であり、重力加速度は不変の物理量であることから、発電最大出力Pwr_eng_maxを決定するための変動パラメターは、代表勾配量Inc、勾配バランス速度Velである。すなわち、エンジン出力演算部３２において、発電最大出力Pwr_eng_maxは、代表勾配量Inc、勾配バランス速度Velをもとに算出できる。

加減算器３３では、インバータ最大電力Pwr_invから、発電最大出力Pwr_eng_maxを引き算して、蓄電装置必要電力Pwr_batを算出する。蓄電容量算出部３４では、蓄電装置必要電力Pwr_batを入力として、充放電最大電力/蓄電最大容量テーブルを参照することにより、蓄電装置必要蓄電量E(1)を算出する。一般的に、最大充放電電力、最大蓄電容量は、蓄電装置を構成する単位蓄電媒体（単セル）の接続数で決定される。すなわち、単位蓄電媒体（単セル）の最大充放電電力、最大蓄電容量に対して、その接続数を掛け算することにより、蓄電装置全体の最大充放電電力、最大蓄電容量を求められる。このことから、蓄電装置必要電力Pwr_batと、蓄電装置必要蓄電量E(1)の関係は、充放電最大電力/蓄電最大容量テーブルで、数式として表現できる。

逐次演算部３５では、蓄電装置必要容量E(1)と、後述のカウンタ３９で繰り上げられた逐次演算インデックスnを入力として、蓄電装置必要容量E(n)を算出する。ただし、初期状態(n=1)における逐次演算部３５の出力値は、蓄電装置必要容量E(1)である。
走行模擬演算部３６では、発電最大出力Pwr_eng_max、路線データDat_route、蓄電装置必要容量E(n)を入力として、模擬演算の結果である燃料消費低減率ρ(n)を算出する。ここで、ｎは逐次演算の回数である。

初期状態(n=1)において、走行模擬演算部３６は、蓄電容量算出部３４の出力である蓄電装置必要容量E(1)を基に、燃料消費低減率ρ(1)を出力する。特性演算部３７では、蓄電装置必要容量E(1)と、燃料消費低減率ρ(1)を入力として、蓄電装置必要容量E(1)をX軸値、燃料消費低減率ρ(1)をY軸値として、X-Y座標にプロットする。なお、n=0のときについては、E(0)=0(蓄電容量ゼロ)とすれば、このときは燃料消費低減率もゼロであることから、ρ(0)=0である。

最適判定部３８では、蓄電装置必要容量E(n)、E(n-1)と、燃料消費低減率ρ(n)、ρ(n-1)を入力として、次式に基づいて条件判定演算をする。

すなわち、特性演算部３７においてプロットされる、蓄電装置必要容量E(n)と燃料消費低減率ρ(1)の特性曲線の傾きであるρ(n)-ρ(n-1)}／{E(n)-E(n-1)}と、所定値Qの比較演算を行う。

（数式3）の比較演算が真(True)の場合、そのときの蓄電装置必要容量E(n)を最適蓄電量Eng_bat_optとして出力する。（数式3）の比較演算が偽(False)の場合、カウンタ３９において逐次演算のインデックスｎを加算して（n=n+1）、逐次演算部３５において、新しい蓄電装置必要容量E(n)を算出する。以下、同様に最適判定部３８で比較演算をくり返し、（数式3）の比較演算が真(True)となった時点で逐次演算を終了して、そのときの蓄電装置必要容量E(n)を最適蓄電量Eng_bat_optとして出力する。

以上の手順に従い、発電最大出力Pwr_eng_max、最適蓄電量Eng_bat_optを演算して決定し、これを満足するエンジン発電の最大出力、蓄電装置の充電限界、放電限界を決定して、さらに、これに基づいてエンジン装置を制御し、蓄電装置の蓄電量を管理することにより、鉄道車両として必要な登坂性能の確保と、燃料消費量低減の要求を両立し、かつ蓄電装置の寿命を拡大できる、鉄道車両の駆動システムを実現できる。

ところで、これまでに示した、エンジン装置１の最大出力と、蓄電装置８の最適蓄電量を導出する具体的な手順は、鉄道車両の駆動システムにおける、システム構成選択部２６にてオンボードのリアルタイム演算で実現することを想定している。しかし、鉄道車両について考えると、多くの場合は同じ路線をくり返し往復する運用である。これを考慮すると発電最大出力Pwr_eng_max、最適蓄電量Pwr_bat_optは、走行路線について一度だけ演算すれば十分と考えられる。

この場合、発電最大出力Pwr_eng_max、最適蓄電量Pwr_bat_optは、システム最適化演算部２８の演算を、車載でリアルタイムに行うのではなく、机上でオフラインに行い、その結果定数としての発電最大出力Pwr_eng_max、最適蓄電量Pwr_bat_optを、それぞれエンジン出力選択部２９、充放電限界選択部３０に入力すればよい。

すなわち、図４の手順に従うことにより、データ設定部３１における各データの設定、エンジン出力部３２における発電最大出力Pwr_eng_maxの演算、蓄電容量算出部３４における蓄電装置必要容量E(1)の算出、逐次演算部３５における蓄電装置必要容量E(n)の演算、走行模擬演算部３６における燃料消費低減率ρ(n)のシミュレーション演算、最適判定部３８における最適蓄電量Eng_bat_optの判定は、パソコンなどを用いたオフライン検討する方法も考えられる。

なお、発電最大出力Pwr_eng_max、最適蓄電量Eng_bat_optをオフラインにて決定した場合については、エンジン装置１として、発電最大出力Pwr_eng_maxに等しいか、あるいはこれを若干上回る最大出力仕様のエンジン、蓄電装置として、最適蓄電量Eng_bat_optに等しいか、これを若干上回る蓄電容量仕様の蓄電装置を、予め完成機器として組み込む方法も考えられる。

以上の手順に従い、発電最大出力Pwr_eng_max、最適蓄電量Eng_bat_optを、オフラインで予め演算して決定し、これに基づいて機器仕様を決定することにより、鉄道車両として必要な登坂性能の確保と、燃料消費量低減の要求を両立できる、鉄道車両の駆動システムを実現できる。

図５は、本発明の一実施形態におけるエンジン出力変更機能を実現するブロック図である。エンジン出力割付表４０は、複数のエンジンノッチと、対応するエンジン出力の関係を示す複数のリストである、エンジン出力割付(A群)４０ａ、エンジン出力割付(B群)４０ｂ、エンジン出力割付(C群)４０ｃで構成される。

エンジン出力割付(A群)４０ａでは、エンジン０ノッチ(E0N)の出力Pwr_eng_A0、エンジン１ノッチ(E1N)の出力Pwr_eng_A1、エンジン２ノッチ(E2N)の出力Pwr_eng_A2、エンジン３ノッチ(E3N)の出力Pwr_eng_A3を割り付ける。ここで、各エンジンノッチの出力であるPwr_eng_A0、Pwr_eng_A1、Pwr_eng_A2、Pwr_eng_A3のうち、エンジン３ノッチ(E3N)の出力Pwr_eng_A3を最大とする。

エンジン出力割付(B群)４０ｂでは、エンジン０ノッチ(E0N)の出力Pwr_eng_B0、エンジン１ノッチ(E1N)の出力Pwr_eng_B1、エンジン２ノッチ(E2N)の出力Pwr_eng_B2、エンジン３ノッチ(E3N)の出力Pwr_eng_B3を割り付ける。ここで、各エンジンノッチの出力であるPwr_eng_B0、Pwr_eng_B1、Pwr_eng_B2、Pwr_eng_B3のうち、エンジン３ノッチ(E3N)の出力Pwr_eng_B3を最大とする。

エンジン出力割付(C群)４０ｃでは、エンジン０ノッチ(E0N)の出力Pwr_eng_C0、エンジン１ノッチ(E1N)の出力Pwr_eng_C1、エンジン２ノッチ(E2N)の出力Pwr_eng_C2、エンジン３ノッチ(E3N)の出力Pwr_eng_C3を割り付ける。ここで、各エンジンノッチの出力であるPwr_eng_C0、Pwr_eng_C1、Pwr_eng_C2、Pwr_eng_C3のうち、エンジン３ノッチ(E3N)の出力Pwr_eng_C3を最大とする。

なお、エンジン出力割付(A群)４０ａ、エンジン出力割付(B群)４０ｂ、エンジン出力割付(C群)４０ｃにおいて、それぞれ設定するエンジンノッチの出力は、最大であるエンジン３ノッチ(E3N)の出力Pwr_eng_A3、Pwr_eng_B3、Pwr_eng_C3が、少なくとも次の関係を満たすように決定する。

図４の説明の中で、発電最大出力Pwr_eng_maxは、エンジン出力演算部３２において、代表勾配量Incと、勾配バランス速度Velの入力をもとに、蓄電装置８の蓄電量が枯渇したときを想定して、エンジン発電のみで勾配区間を所定速度以上で走破できる発電出力として決定すると説明した。この発電最大出力Pwr_eng_maxは、代表勾配量Incと、勾配バランス速度Velを基に、連続量として決定できる。しかし、実際のエンジンでは、最大出力はエンジンの種類、または出力性能特性により決定されるため、発電最大出力Pwr_eng_maxを連続量で決定することは難しい。このため、エンジン発電の最大出力として、Pwr_eng_A3、Pwr_eng_B3、Pwr_eng_C3のように複数値決定して、この中から発電最大出力Pwr_eng_max以上でかつ最も近いエンジン最大出力を含むエンジン出力割付を、エンジン出力割付(A群)４０ａ、エンジン出力割付(B群)４０ｂ、エンジン出力割付(C群)４０ｃの内からひとつ選択する。このように、発電最大出力Pwr_eng_maxとして必要なエンジン出力を確保することにより、実際のエンジンで得られる出力点を考慮し、かつ登坂性能確保の要求を両立するエンジン最大発電出力を、簡便に決定できる。

比較器４１は、発電最大出力Pwr_eng_maxを入力して、エンジン出力割付表４０を構成する、エンジン出力割付(A群)４０ａ、エンジン出力割付(B群)４０ｂ、エンジン出力割付(C群)４０ｃのうち、いずれかを選択するための信号である、エンジン出力割付信号(A群)選択信号Pwr_eng_A、エンジン出力割付信号(B群)選択信号Pwr_eng_B、エンジン出力割付信号(C群)選択信号Pwr_eng_Cを出力する。

比較器４１ａでは、発電最大出力Pwr_eng_maxが、エンジン出力割付(A群)とエンジン出力割付(B群)におけるエンジン３ノッチ(E3N)平均出力値である、(Pwr_eng_A3+Pwr_eng_B3)/2よりも小さいとき、エンジン出力割付信号(A群)選択信号Pwr_eng_Aとして「１」を、それ以外のとき「０」を出力する。

比較器４１ｂでは、発電最大出力Pwr_eng_maxが、エンジン出力割付(A群)とエンジン出力割付(B群)におけるエンジン３ノッチ(E3N)平均出力値である、(Pwr_eng_A3+Pwr_eng_B3)/2以上であり、かつエンジン出力割付(B群)とエンジン出力割付(C群)におけるエンジン３ノッチ(E3N)平均出力値である、(Pwr_eng_B3+Pwr_eng_C3)/2以下のとき、エンジン出力割付信号(B群)選択信号Pwr_eng_Bとして「１」を、それ以外のとき「０」を出力する。

比較器４１ｃでは、発電最大出力Pwr_eng_maxが、エンジン出力割付(B群)とエンジン出力割付(C群)におけるエンジン３ノッチ(E3N)平均出力値である、(Pwr_eng_B3+Pwr_eng_C3)/2よりも大きいとき、エンジン出力割付信号(C群)選択信号Pwr_eng_Cとして「１」を、それ以外のとき「０」を出力する。

エンジン出力選択器４２は、エンジン出力割付信号(A群)選択信号Pwr_eng_A、エンジン出力割付信号(B群)選択信号Pwr_eng_B、エンジン出力割付信号(C群)選択信号Pwr_eng_Cを入力として、これをもとにエンジン出力割付(A群)４０ａ、エンジン出力割付(B群)４０ｂ、エンジン出力割付(C群)４０ｃを選択して、各エンジンノッチに対応して、エンジン0N出力Pwr_eng_0N、エンジン1N出力Pwr_eng_1N、エンジン2N出力Pwr_eng_2N、エンジン3N出力Pwr_eng_3Nを出力する。

エンジン出力割付信号(A群)選択信号Pwr_eng_Aが「１」のとき、エンジン0N出力Pwr_eng_0NとしてPwr_eng_A0、エンジン1N出力Pwr_eng_1NとしてPwr_eng_A1、エンジン2N出力Pwr_eng_2NとしてPwr_eng_A2、エンジン3N出力Pwr_eng_3NとしてPwr_eng_A3をそれぞれ選択して出力する。

エンジン出力割付信号(B群)選択信号Pwr_eng_Bが「１」のとき、エンジン0N出力Pwr_eng_0NとしてPwr_eng_B0、エンジン1N出力Pwr_eng_1NとしてPwr_eng_B1、エンジン2N出力Pwr_eng_2NとしてPwr_eng_B2、エンジン3N出力Pwr_eng_3NとしてPwr_eng_B3をそれぞれ選択して出力する。

エンジン出力割付信号(C群)選択信号Pwr_eng_Cが「１」のとき、エンジン0N出力Pwr_eng_0NとしてPwr_eng_C0、エンジン1N出力Pwr_eng_1NとしてPwr_eng_C1、エンジン2N出力Pwr_eng_2NとしてPwr_eng_C2、エンジン3N出力Pwr_eng_3NとしてPwr_eng_C3をそれぞれ選択して出力する。

この構成によると、システム構成選択部２６において、インバータ装置が供給すべき最大電力Pwr_inv、代表勾配量Inc、勾配でのバランス速度Velの各データを基に、十分な登坂性能を確保できる発電最大出力Pwr_eng_maxを決定し、これにより、各エンジンノッチにおける出力値である、エンジン0N出力Pwr_eng_0N、エンジン1N出力Pwr_eng_1N、エンジン2N出力Pwr_eng_2N、エンジン3N出力Pwr_eng_3Nを決定できる。すなわち、鉄道車両として必要な登坂性能を確保できる、鉄道車両の駆動システムを実現できる。

ところで、図５の実施形態では、各エンジンノッチでの出力値である、エンジン0N出力Pwr_eng_0N、エンジン1N出力Pwr_eng_1N、エンジン2N出力Pwr_eng_2N、エンジン3N出力Pwr_eng_3Nは、システム最適化演算部２８の出力、あるいは前述の結果定数としての発電最大出力Pwr_eng_optをもとに、エンジン出力選択部２９でリアルタイムに演算する場合を示している。

しかし、前述のように、鉄道車両では、各エンジンノッチでの出力値についても走行路線について一度だけ演算すれば十分と考えられる。この場合、エンジン出力選択部２９の演算を、車載でリアルタイムに行うのではなく、机上でオフラインに行い、その結果定数としてのエンジン0N出力Pwr_eng_0N、エンジン1N出力Pwr_eng_1N、エンジン2N出力Pwr_eng_2N、エンジン3N出力Pwr_eng_3Nを、エンジン制御装置１３に入力するか、エンジン制御装置１３の内部定数として記憶させておく方法も考えられる。

図６は、本発明の一実施形態における常用蓄電量範囲変更機能を実現するブロック図である。使用蓄電量範囲設定部４３は、蓄電装置８で実際に使用できる蓄電量の上限値である充電限界、同じく下限値である放電限界を決定する。使用蓄電量範囲設定部４３は、使用蓄電量範囲(A群)４３ａ、使用蓄電量範囲(B群)４３ｂ、使用蓄電量範囲(C群)４３ｃで構成される。

使用蓄電量範囲(A群)４３ａでは、充電限界AとしてChg_limit(0)、放電限界AとしてDch_limit(0)を予め設定しておく。使用蓄電量範囲(B群)４３ｂでは、充電限界BとしてChg_limit(1)、放電限界BとしてDch_limit(1)を予め設定しておく。使用蓄電量範囲(C群)４３ｃでは、充電限界CとしてChg_limit(2)、放電限界CとしてDch_limit(2)を予め設定しておく。

なお、使用蓄電量範囲(A群)４３ａ、使用蓄電量範囲(B群)４３ｂ、使用蓄電量範囲(C群)４３ｃにおいて、それぞれ設定する充電限界A Chg_limit(0)、充電限界B Chg_limit(1)、充電限界C Chg_limit(2)が、次の関係を満たすように決定する。

図４の説明の中で、特性演算部３７でプロットされる蓄電装置必要容量E(n)と燃料消費低減率ρ(n)の特性曲線について、その傾き、{ρ(n)-ρ(n-1)}／{E(n)-E(n-1)}と、所定値Qを比較演算し、（数式3）で示す関係が真(True)であるときの蓄電装置必要容量E(n)を、最適蓄電量Eng_bat_optとして出力することを説明した。ここで、最適蓄電量Eng_bat_optは、特性演算部３７でプロットされる蓄電装置必要容量E(n)と、燃料消費低減率ρ(n)の特性曲線の傾きを基に決定される連続量である。

しかし、実際の蓄電装置における蓄電容量の決定は、蓄電装置の構成単位で制限を受けるため、連続量として決定すること難しい。このため、充電限界として、Chg_limit(0)、Chg_limit(1)、Chg_limit(2)のように複数決定しておき、この中から最適蓄電量Eng_bat_opt以上であり、かつ最適蓄電量Eng_bat_optに最も近い使用蓄電量範囲を、使用蓄電量範囲(A群)４３ａ、使用蓄電量範囲(B群)４３ｂ、使用蓄電量範囲(C群)４３ｃの内からひとつ選択する。このように、最適蓄電量Eng_bat_optとして必要な蓄電装置の蓄電容量を確保することにより、実際の蓄電装置の構成単位を考慮し、かつ燃料消費量低減の要求を両立する蓄電容量を、簡便に決定できる。

比較器４４は、最適蓄電量Eng_bat_optを入力して、使用蓄電量範囲設定部４３を構成する、使用蓄電量範囲(A群)４３ａ、使用蓄電量範囲(B群)４３ｂ、使用蓄電量範囲(C群)４３ｃのうち、いずれかを選択するための信号である、使用蓄電量範囲(A群)選択信号CD_limit_A、使用蓄電量範囲(B群)選択信号CD_limit_B、使用蓄電量範囲(C群)選択信号CD_limit_Cを出力する。

比較器４４ａでは、最適蓄電量Eng_bat_optが、使用蓄電量範囲(A群)と使用蓄電量範囲(B群)における、充電限界の平均出力値である、「(Chg_limt(0)+ Chg_limt(2))/2」よりも小さいとき、使用蓄電量範囲(A群)選択信号CD_limit_Aとして「１」を、それ以外のとき「０」を出力する。

比較器４４ｂでは、最適蓄電量Eng_bat_optが、使用蓄電量範囲(A群)と使用蓄電量範囲(B群)における、充電限界の平均出力値である、「(Chg_limt(0)+Chg_limt(1))/2」以上であり、かつ使用蓄電量範囲(B群)と使用蓄電量範囲(C群)における、充電限界の平均出力値である「(Chg_limt(1)+Chg_limt(2))/2」以下のとき、使用蓄電量範囲(B群)選択信号CD_limit_Bとして「１」を、それ以外のとき「０」を出力する。

比較器４４ｃでは、最適蓄電量Eng_bat_optが、使用蓄電量範囲(B群)と使用蓄電量範囲(C群)における、充電限界の平均出力値である「(Chg_limt(1)+Chg_limt(2))/2」よりも大きいとき、使用蓄電量範囲(C群)選択信号CD_limit_Cとして「１」を、それ以外のとき「０」を出力する。

充放電限界選択器４５は、使用蓄電量範囲(A群)選択信号CD_limit_A、使用蓄電量範囲(B群)選択信号CD_limit_B、使用蓄電量範囲(C群)選択信号CD_limit_Cを入力として、これをもとに使用蓄電量範囲(A群)４３ａ、使用蓄電量範囲(B群)４３ｂ、使用蓄電量範囲(C群)４３ｃを選択して、充電限界Chg_limit、放電限界Dch_limit、を出力する。

使用蓄電量範囲(A群)選択信号CD_limit_Aが「１」のとき、充電限界Chg_limitとしてChg_limit(0)、放電限界Dch_limitとしてDch_limit(0)をそれぞれ選択して出力する。使用蓄電量範囲(B群)選択信号CD_limit_Bが「１」のとき、充電限界Chg_limitとしてChg_limit(1)、放電限界Dch_limitとしてDch_limit(1)をそれぞれ選択して出力する。使用蓄電量範囲(C群)選択信号CD_limit_Cが「１」のとき、充電限界Chg_limitとしてChg_limit(2)、放電限界Dch_limitとしてDch_limit(2)をそれぞれ選択して出力する。

この構成によると、システム構成選択部２６において、インバータ装置が供給すべき最大電力Pwr_inv、車両が走行する路線の勾配・曲線などの路線データDat_route、代表勾配量 Inc、勾配でのバランス速度Velの各データを基に、燃料消費量の低減と蓄電池寿命拡大を両立する最適蓄電量Pwr_bat_optを決定し、これにより充電限界Chg_limit、放電限界Dch_limitを決定できる。すなわち、鉄道車両として必要な登坂性能の確保、および燃料消費量低減と、蓄電装置の寿命拡大を両立できる鉄道車両の駆動システムを実現できる。

ところで、図５の実施形態では、蓄電装置８において実際に使用する蓄電量範囲を決定する充電限界Chg_limit、放電限界Dch_limitを、システム最適化演算部２８の出力、あるいは前述の結果定数としての最適蓄電量Pwr_bat_optをもとに、充放電限界選択部３０でリアルタイムに演算する場合を示している。

しかし、前述のように、鉄道車両では、各エンジンノッチでの出力値についても走行路線について一度だけ演算すれば十分と考えられる。この場合、充放電限界選択部３０の演算を、車載でリアルタイムに行うのではなく、机上でオフラインに行い、その結果定数としての充電限界Chg_limit、放電限界Dch_limitを、システム統括制御部９に入力するか、システム統括制御部９の内部定数として記憶させておく方法も考えられる。

以上のように、エンジン装置の出力制御、および蓄電装置の蓄電量管理により、鉄道車両として必要な登坂性能の確保と、燃料消費量低減の要求を両立し、かつ蓄電装置の寿命を拡大できる、鉄道車両の駆動システムを実現する。

本発明の電気車の駆動システムにおける一実施形態の構成を示す図である。本発明の鉄道車両の駆動システムにおける一実施形態の構成の詳細を示す図である。本発明におけるエンジン出力、常用蓄電量範囲の最適化の考え方を示す図である。本発明の一実施形態におけるエンジン出力、常用蓄電量範囲の最適化手順を示すブロック図である。本発明の一実施形態におけるエンジン出力変更機能を実現するブロック図である。本発明の一実施形態における常用蓄電量範囲変更機能を実現するブロック図である。従来の鉄道車両の駆動装置を示す構成図である。

符号の説明

１エンジン装置
２誘導発電機
３コンバータ装置
４インバータ装置
５誘導電動機
６減速機
７輪軸
８蓄電装置
９システム統括制御部
１０速度検出器
１１運転台
１２エンジン
１３エンジン制御器
１４ＡＣ／ＤＣ変換器
１５ＤＣ／ＡＣ変換器
１６電流検出器
１７フィルタコンデンサ
１８抵抗器
１９電圧検出器
２０速度演算部
２１電流指令生成部
２２ＰＷＭ制御部
２３エネルギ管理部
２４補機電源用インバータ装置
２５変圧器
２６システム構成選択部
２８システム最適化演算部
２９エンジン出力選択部
３０充放電限界選択部
３１データ設定部
３２エンジン出力演算部
３３加減算器
３４蓄電容量算出部
３５逐次演算部
３６走行模擬演算部
３７特性演算部
３８最適判定部
３９カウンタ
４０出力割付表
４１エンジン出力比較器
４２エンジン出力選択器
４３充放電限界テーブル
４４蓄電量比較器
４５蓄電量選択器
１０１エンジン
１０２誘導発電機
１０３コンバータ装置
１０４インバータ装置
１０５電動機
１０６減速機
１０７輪軸
１０８蓄電装置
１０９２次電池装置
１１０充放電制御装置
１１１制御装置
１１２サービス電源用インバータ装置
１１３変圧器
１１４遮断器

Claims

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蓄電手段と、これらの各手段を制御する制御手段と、鉄道車両を駆動する電動機と、路線の走行に必要なデータを記憶する情報蓄積手段と、路線の走行に適切な性能を満たすエンジン出力責務と、路線の走行に適切な燃料消費を満たす蓄電基準を、前記情報蓄積手段の持つ情報に基づいて算出する最適演算手段を備え、
前記エンジンの出力を、前記最適演算手段の出力するエンジン出力責務にもとづいて制御し、前記蓄電手段の蓄電量は、前記最適演算手段の出力する蓄電基準にもとづいて制御する、ことを特徴とする鉄道車両の駆動システム。
請求項１に記載の鉄道車両の駆動システムにおいて、
前記エンジンの出力を、前記最適演算手段の出力するエンジン出力責務にもとづいて制御する手段と、前期蓄電手段の蓄電量を、前記最適演算手段の出力する蓄電基準にもとづいて制御する手段を、備えることを特徴とする鉄道車両の駆動システム。
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蓄電手段と、これらの各手段を制御する制御手段と、鉄道車両を駆動する電動機を備え、
前記エンジンの出力は、予定の路線の走行に適切な性能を満たすエンジン出力責務にもとづいて制御し、前記蓄電手段の蓄電量は、予定の路線の走行に適切な燃料消費を満たす蓄電基準にもとづいて制御すること、を特徴とする鉄道車両の駆動システム。
請求項３に記載の鉄道車両の駆動システムにおいて、
前記エンジンの出力を、予定の路線の走行に適切な性能を満たすエンジン出力責務にもとづいて制御する手段と、前記蓄電手段の蓄電量を、予定の路線の走行に適切な燃料消費を満たす蓄電基準にもとづいて制御する手段を備えること、を特徴とする鉄道車両の駆動システム。