JP2010088145A - 鉄道車両の駆動システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、車両を駆動する機器、および車両の走行状態から発生する損失を最小化する高効率運転速度を算出することにより、限られたエネルギ資源で、できるだけ長距離走行することを可能とする、鉄道車両の駆動システムを提供することにある。
【解決手段】本発明の鉄道車両の駆動システムは、インバータ装置８と、それにより駆動されてけん引力を発生する三相交流電動機２０を有し、インバータ装置８を駆動する電源として、エンジン５や蓄電手段２８などの内部供給型エネルギ手段を設備する。また、車両の駆動または走行により発生するエネルギ損失を算出するために必要な、エンジン軸出力、エンジン回転速度、蓄電池放電電流、車両速度（≒モータの回転速度）を、情報伝送手段１３等を介してそれぞれ各機器から収集し、これらの情報を処理して高効率な運転速度を算出するシステム統括制御装置１０を設備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄道車両の駆動システムに関し、特に、車両を駆動する機器、および車両の走行状態から発生する損失を最小化する高効率運転速度を算出することにより、限られたエネルギ資源で、できるだけ長距離の走行を可能とする、駆動制御技術に関する。

鉄道車両を駆動するためのエネルギ供給方式には、架線や第三軌条など地上側の電力供給設備から、集電装置を介してインバータ装置等の駆動システムに電力を供給する方式（外部供給方式）と、エンジン、蓄電装置など、車上側の電力供給設備から、インバータ装置等の駆動システムに電力を供給する方式（内部供給方式）がある。

外部供給方式によれば、地上側の電力供給設備が正常に機能している限りは、車両への電力供給を続けられる。このため、終端駅に達する等の物理的な条件を除けば、供給エネルギの制限を受けることなく走行を続けられる。しかし、内部供給方式の場合、エンジンを駆動する燃料や、蓄電装置の蓄電能力など、車両内に搭載できるエネルギ量には制限がある。このため、車両の走行距離は、搭載できる燃料（エンジン）、蓄電量（蓄電装置）などにより制限される。

以上のように、外部供給方式のエネルギと、内部供給方式のエネルギでは、車両を駆動するためのエネルギ量制限の有無という点に差異がある。特に、内部供給方式で駆動される車両は、限られたエネルギ源を効率よく利用してできるだけ長距離を走行するため、高効率エンジン、低損失蓄電装置の研究開発が活発に行われている。

ところで、ひとつの編成列車に外部供給方式のエネルギと、内部供給方式のエネルギ双方に対応できる駆動システム搭載した鉄道車両も存在する。これは、通常時は外部供給方式エネルギを駆動システムに電力を供給するが、外部供給方式エネルギで電力を供給できない状況では、内部供給方式エネルギを駆動システムに切替えて供給できるように、駆動システムを構成するものである。外部供給型エネルギを供給できない状況としては、外部供給方式エネルギを受ける集電装置、または集電装置からインバータ装置等の駆動システムに至る電力供給設備に異常が発生した場合、あるいは外部供給型エネルギを供給する設備（架線、第三軌条等）が設けられていない場合等が考えられる。

外部供給方式エネルギを、架線で受けて使用するように設定されたインバータ制御装置により駆動される電気車両において、内部供給方式エネルギである蓄電池により給電を受けた場合でも、インバータ制御装置を動作させる構成について、特許文献１のインバータ制御式鉄道電気車両で述べられている。

図９に、特許文献１に示されている、架線からの給電と、架線より電圧の低い別電源による給電の何れかで駆動されるインバータ制御式鉄道電気車両を実現させる機器構成を示す。

インバータ制御式電気車両が架線からの給電により運転されるときは、パンタグラフ１０２が架線に接触することから、パンタグラフ切断スイッチ１２２が閉じ、パンタグラフ切断スイッチ１２２とインターロックされる連動接点１２３が開き、制御回路部分１２７の各励磁コイル１２４、１２５、１２６が励磁されないので、パンタグラフ１０２、パンタグラフ切断スイッチ１２２、遮断器１３３、主回路主接点１２８を介して各インバータ制御装置１０３に電力が給電され、各三相交流電動機１０７を駆動し、車両が運転される。一方、蓄電池１０６による運転を行うためには、パンタグラフ１０２が折りたたまれるため、この動作と連動してパンタグラフ切断スイッチ１２２が切りとなり、次いで、切替スイッチ１２１を操作すると、パンタグラフ切断スイッチ１２２とインターロックされている連動接点１２３が閉じているので、各励磁コイル１２４、１２５、１２６が励磁され、蓄電池運転のための回路が構成される。つまり、インバータ制御装置１０３が１組だけ、蓄電池１０６と主回路蓄電池接点１３０、遮断器１３３および主回路接点１２８を介して接続され、１組のインバータ制御装置１０３を蓄電池１０６により荷電し、三相交流電動機１０７を駆動する。
特開平６−９８４０９号公報

架線などの外部供給方式のエネルギを得られない状況で、蓄電池などの内部供給方式のエネルギで走行する場合、同じエネルギ量において走行距離を最大化したいという要求があると考えられる。これは、前述のように内部供給方式エネルギとして、車両に搭載できる蓄電池、あるいは燃料の量（体積、重量）には限界があるため、内部供給方式エネルギをいかに効率良く車両の運動エネルギに変換して、車両の走行距離を最大化することが、システム構築の上で重要だからである。外部供給方式エネルギを得られない状況としては、以下を想定できる。
（１）架線などが設備されていない区間を走行する場合
（２）架線停電により外部供給方式エネルギ自体の供給が停止している場合
（３）外部供給方式エネルギを得られる状況でも、集電装置からインバータ装置までの電気的経路が故障により断たれている場合

ところで、特許文献１のインバータ制御式鉄道電気車両によれば、本来、架線から給電を受けて使用するように設定されたインバータ制御装置によって駆動される電機車両において、架線より電圧の低い別電源により給電を受けた場合でも、インバータ制御装置を動作させることができる。この中で、架線より電圧の低い別電源により給電を受けた、インバータ制御装置を動作させる状況として、「架線からの給電により運転されて来た列車を、架線がない区間に移動させる場合」が取り上げられている。このように、エネルギ源は蓄電池である鉄道電気車両において、架線のない区間を移動する走行距離は、蓄電池に蓄積されている蓄電エネルギに依存すると考えられる。しかし、特許文献１のインバータ制御式鉄道電気車両においては、内部供給方式エネルギである蓄電エネルギについて、その利用効率の最大化するための手段は、特に設けられていない。また、限られたエネルギ資源で、できるだけ長距離を走破するなどエネルギの有効利用を意識した記述は見られない。

本発明の目的は、車両を駆動する機器、および車両の走行状態から発生する損失を最小化する高効率運転速度を算出することにより、限られたエネルギ資源で、できるだけ長距離走行することを可能とする、鉄道車両の駆動システムを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の鉄道車両の駆動システムは、車両に設備され電力を発生する電力発生手段と、前記電力を電圧／周波数可変交流電力に変換する電力変換手段と、前記交流電力で駆動され車両の牽引力を発生する交流電動機と、前記電力発生手段、前記電力変換手段、前記交流電動機の動作を制御し、その動作状態を検出して集約する統括制御手段を備え、前記統括制御手段は、曲線、勾配、速度制限などの路線条件を記憶する路線条件記憶手段と、前記電力発生手段、前記電力変換手段、前記交流電動機の動作状態から機器効率を算定する効率算定手段と、前記路線条件のもとで前記機器効率を最大とする運転指針を決定する効率最適化手段と、前記運転指針に従い、前記電力発生手段、前記電力変換手段、前記交流電動機の全て、または少なくともいずれか一つを制御する効率制御手段を備えることを特徴とする。

また、本発明の鉄道車両の駆動システムは、車両の外部から電力を得る給電手段と、前記電力を電圧／周波数可変交流電力に変換する電力変換手段と、前記交流電力により駆動され車両の牽引力を発生する交流電動機と、前記電力変換手段、前記交流電動機の動作を制御し、その動作状態を検出して集約する統括制御手段を備え、前記統括制御手段は、曲線、勾配、速度制限などの路線条件を記憶する路線条件記憶手段と、前記電力変換手段、前記交流電動機の動作状態から機器効率を算定する効率算定手段と、前記路線条件のもとで前記機器効率を最大とする運転指針を決定する効率最適化手段と、前記運転指針に従い、前記電力変換手段、前記交流電動機の全て、またはいずれかを制御する効率制御手段を備えることを特徴とする。

また、本発明の鉄道車両の駆動システムは、車両の外部から電力を得る給電手段と、車両に設備され電力を発生する電力発生手段と、前記電力を電圧／周波数可変交流電力に変換する電力変換手段と、前記交流電力により駆動され車両の牽引力を発生する交流電動機と、前記電力発生手段、前記電力変換手段、前記交流電動機の動作を制御し、その動作状態を検出して集約する統括制御手段を備え、前記統括制御手段は、曲線、勾配、速度制限などの路線条件を記憶する路線条件記憶手段と、前記電力発生手段、前記電力変換手段、前記交流電動機の動作状態から機器効率を算定する効率算定手段と、前記路線条件のもとで前記機器効率を最大とする運転指針を決定する効率最適化手段と、前記運転指針に従い、前記電力発生手段、前記電力変換手段、前記交流電動機の全て、または少なくともいずれか一つを制御する効率制御手段を備えることを特徴とする。

さらに、本発明の鉄道車両の駆動システムは、車両に設備され電力を発生する前記電力発生手段は、電力の蓄積が可能な蓄電手段と、前記蓄電手段の充電および放電を制御する充放電電流制御手段であることを特徴とする。
さらに、本発明の鉄道車両の駆動システムは、車両に設備され電力を発生する前記電力発生手段は、エンジンを動力源として、発電機を駆動するエンジン発電手段であることを特徴とする。

本発明によれば、鉄道車両の駆動システムにおいて、車両を駆動する機器、および車両の走行状態から発生する損失を最小化する高効率運転速度を算出することにより、限られたエネルギ資源で、できるだけ長距離の走行を可能とすることができる。

内部供給方式エネルギを、車両の運動エネルギに効率良く変換するためには、車両の駆動または走行により発生するエネルギ損失を最小化すればよい。車両の駆動または走行により発生するエネルギ損失は、次の項目が考えられる。
（ａ）エンジン発電による損失
（ｉ）エンジン動作の損失、（ii）発電機駆動の損失、（iii）ＡＣ／ＤＣ電力変換の損失
これら損失要素は、エンジン軸出力と回転速度（発電機ロータ周波数）の関数として評価できる。
（ｂ）蓄電装置放電による損失
（ｉ）蓄電装置の放電損失（蓄電装置の場合）、（ii）ＤＣ／ＤＣ電力変換器の損失
これら損失要素は、各損失要素は、蓄電池放電電流の関数として評価できる。
（ｃ）モータ駆動による損失
（ｉ）ＤＣ／ＡＣインバータ装置の損失、（ii）電動機駆動の損失、（iii）減速機の損失
これら損失要素は、車両速度（または、電動機ロータ周波数）の関数として評価できる。
（ｄ）車両の走行による損失
（ｉ）車両抵抗による損失、（ii）勾配抵抗による損失、（iii）曲線勾配による損失
これら損失要素は、車両速度（または、電動機ロータ周波数）の関数として評価できる。

上記、（ａ）〜（ｄ）の和が車両の走行で発生する総合損失である。この総合損失については、（ａ）〜（ｄ）より、エンジン軸出力、エンジン回転速度、蓄電池放電電流、車両速度（≒モータの回転速度）の関数として評価できると考えられる。さらに、エンジン軸出力あるいは蓄電池放電電流は、極低速域では車両速度（≒モータの回転速度）に概ね比例することを考慮すると、車両の走行で発生する損失は概算的には車両速度との相関が高いといえる。

本発明の鉄道車両の駆動システムは、インバータ装置８と、それにより駆動されてけん引力を発生する三相交流電動機２０を有し、インバータ装置８を駆動する電源として、エンジン５や蓄電手段２８などの内部供給型エネルギ手段を設備する。また、車両の駆動または走行により発生するエネルギ損失を算出するために必要な、エンジン軸出力、エンジン回転速度、蓄電池放電電流、車両速度（≒モータの回転速度）を、情報伝送手段１３等を介してそれぞれ各機器から収集し、これらの情報を処理して高効率な運転速度を算出するシステム統括制御装置１０を設備する。また、前述のシステム統括制御装置１０は、導出した高効率運転速度に従い、インバータ装置８を駆動する指令等を発生する機能を備える。

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は、本発明の電気鉄道車両の駆動システムにおける一実施形態の基本構成を示す図である。

車両１ａ、１ｂは、列車編成を構成する車両の一部である。車両１ａと車両１ｂは車間連結器１４ａで連結されている。本実施形態では２車両を連結した編成車両により説明を進めるが、本発明において列車編成を構成する車両の数に制限はない。具体的には、車両１ｂの後位に設けている車間連結器１４ｂにより第三の車両を連結でき、以降、車両の前位、後位に設けた車間連結器により、３車両以上で列車編成を構成することも可能である。

車両１ａは、台車２ａを介して輪軸３ａ、３ｂにより、また、台車２ｂを介して輪軸３ｃ、３ｄにより、図示していないレール面上に支持されている。同じく、車両１ｂは、台車２ｃを介して輪軸３ｅ、３ｆにより、また、台車２ｄを介して輪軸３ｇ、３ｈにより、図示していないレール面上に支持されている。

まず、車両１ａ、１ｂの機器構成を説明する。

車両１ａには、集電装置４、エンジン５、発電機６、ＡＣ／ＤＣ電力変換器７、電力伝達手段９ａ、システム統括制御装置１０ａ、情報制御装置１２ａ、情報伝達手段１３ａが設備される。車両１ｂには、インバータ８、電力伝達手段９ｂ、システム統括制御装置１０ｂ、情報制御装置１２ｂ、情報伝達手段１３ｂが設備される。

車両１ａの電力伝達手段９ａと、車両１ｂの電力伝達手段９ｂとは、電力系連結器１５ａにより接続する。また、車両１ｂの電力伝達手段９ｂと、図示していない後位車両の電力伝達手段とは、電力系連結器１５ｂにより接続する。

車両１ａの情報伝達手段１３ａと、車両１ｂの情報伝達手段１３ｂとは、情報連結器１６ａにより接続する。また、車両１ｂの情報伝達手段１３ｂと、図示していない後位車両の情報伝達手段とは、情報系連結器１６ｂにより接続する。

エンジン５は、その出力（軸回転力）により発電機６を駆動する。発電機６は誘導発電機または同期発電機であり、エンジン５が発生した軸回転力を交流電力に変換する。ＡＣ／ＤＣ電力変換器７は、発電機６が発生した交流電力を直流電力に変換して、電力伝達手段９ａに供給する。ところで、集電装置４から得られる電力が交流電力である場合も想定されるが、集電装置４からの交流電力を、ＡＣ／ＤＣ電力変換器７において直流電力に変換した上で、電力伝達手段９ａに供給するも可能である。

インバータ装置８は、電力伝達手段９ｂにより供給される直流電力を、３相交流電力に変換して、図示していない電動機２０を駆動する。電動機２０の出力は、図示していない動力伝達手段を介して、輪軸３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈの全て、またはいずれかを駆動して、車両１ｂに加減速力を与える。

システム統括制御装置１０ａは、エンジン５、発電機６、ＡＣ／ＤＣ電力変換器７と接続し、制御要求Ｄ＿ｅｎｇ、Ｄ＿ｃｎｖをエンジン５、ＡＣ／ＤＣ電力変換器７に与えると共に、エンジン５の状態情報Ｓ＿ｅｎｇ、ＡＣ／ＤＣ電力変換器７の状態情報Ｓ＿ｃｎｖを集約する。

また、システム統括制御装置１０ａは、エンジン５の状態情報Ｓ＿ｅｎｇ、ＡＣ／ＤＣ電力変換器７の状態情報Ｓ＿ｃｎｖを情報制御装置１２ａに送る。情報制御装置１２ａは、情報伝送手段１３ａ、１３ｂを経て、情報制御装置１２ｂまたは編成内の他車両の情報制御装置との間で情報を共有できる。つまり、情報制御装置１２ａでは、列車全体の情報収集が可能であり、そのうちシステム統括制御装置１０ａは、必要な情報を選択して受信できる。

システム統括制御装置１０ｂは、インバータ装置８と接続し、制御要求Ｄ＿ｉｎｖをインバータ装置８に与えると共に、インバータ装置８の状態情報Ｓ＿ｉｎｖを集約する。

また、システム統括制御装置１０ｂは、インバータ装置８から収受した情報Ｄ＿ｉｎｆを情報制御装置１２ｂに送る。情報制御装置１２ｂは、情報伝送手段１３ａ、１３ｂを経て、情報制御装置１２ａまたは編成内の他車両の情報制御装置との間で情報を共有できる。つまり、情報制御装置１２ｂでは、列車全体の情報収集が可能であり、そのうちシステム統括制御装置１０ｂは、インバータ装置８の制御に必要な情報Ｓ＿ｉｎｆを選択して受信できる。

さらに、システム統括制御装置１０ａは、車両効率演算手段１１を備え、エンジン５の状態情報Ｓ＿ｅｎｇ、ＡＣ／ＤＣ電力変換器７の状態情報Ｓ＿ｃｎｖ、車両１ｂのシステム統括制御装置１０ｂより伝送された、インバータ装置８の状態情報Ｓ＿ｉｎｆをもとに、エンジンの動作効率（ζ＿ｅｎｇ）、発電機６の動作効率（ζ＿ｍｇ）、ＡＣ／ＤＣコンバータ装置７の動作効率（ζ＿ｃｎｖ）、インバータ装置８の動作効率（ζ＿ｉｎｖ）、図示していない電動機２０の動作効率（ζ＿ｍｍ）、図示していない減速機の動作効率（ζ＿ｇｂ）、列車編成の走行抵抗Ｒを算出して、これらの情報により、車両全体としての動作効率を最大化（損失を最小化）する高効率運転速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔを算出する。高効率運転速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔは、情報制御装置１２ａ、１２ｂ、情報伝送手段１３ａ、１３ｂを介してシステム統括制御装置１０ｂに伝送され、これを情報表示手段４５に表示し、高効率運転速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔを参考にインバータ装置８を駆動する。

以上の構成によれば、エンジン５、発電機６、ＡＣ／ＤＣ電力変換器７、インバータ装置８の動作状態を、システム統括制御装置１０ａで収集し、さらに、情報制御装置１２ａ、１２ｂ、および情報伝送手段１３、情報系連結器１６ａ、１６ｂを介して、車両効率演算手段１１に集約できる。車両効率演算手段１１では、これらの情報をもとに、車両全体としての動作効率を最大化（損失を最小化）する高効率運転速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔを算出できる。高効率運転速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔは、情報制御装置１２ａ、１２ｂ、および情報伝送手段１３、情報系連結器１６ａ、１６ｂを介してインバータ装置８に伝送して、定速走行など高効率運転速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔにもとづいた運転を実現できるほか、運転台に高効率運転速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔと、実速度を表示することにより、運転士に高効率な運転操作を促すことができる。

すなわち、車両に搭載された機器全体の動作効率を最大化する高効率運転速度を求め、これを基に車両を駆動することにより、必要最小限のエネルギでの運行を可能とする、鉄道車両駆動システムを実現できる。

図２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機器構成の詳細を示す図である。

車両１ａには、集電装置４、発電機６、ＡＣ／ＤＣ電力変換器７、電力伝達手段９ａ、システム統括制御装置１０ａ、情報制御装置１２ａ、情報伝達手段１３ａが設備される。ここでは、同じく車両１ａに設備されるエンジン５は図示されていない。

車両１ｂには、インバータ装置８、電力伝達手段９ｂ、システム統括制御装置１０ｂ、情報制御装置１２ｂ、情報伝達手段１３ｂ、電動機２０ａ、２０ｂが設備される。ここで、車両１ｂに搭載される電動機は、電動機２０ａ、２０ｂの２台が図示されているが、これは、一車両に設備される電動機を２台に限定するものではない。

ＡＣ／ＤＣ電力変換器７は、発電機６が発生した交流電力を、ＡＣ／ＤＣ電力変換回路２１で直流電力に変換して、電力伝達手段９ａに供給する。コンデンサ１８ａは、前記直流電力の電圧変動を軽減するために設けられる。また、電流遮断器２６ａ、２６ｂは電力伝達手段９ａ、９ｂに供給する直流電力の源として、集電装置４、またはＡＣ／ＤＣ電力変換回路２１のいずれかを選択するために設けられる。すなわち、電流遮断器２６ａを開放して電流遮断器２６ｂを投入すると、集電装置４から電力伝達手段９ａに直流電力が供給され、電流遮断器２６ａを投入して電流遮断器２６ｂを開放すると、ＡＣ／ＤＣ電力変換回路２１から電力伝達手段９ａに直流電力が供給される。電圧検出手段２９ａは、コンデンサ１８ａの両端電位差Ｖ＿ｆｃ２を検出して、ＡＣ／ＤＣ電力変換回路２１に入力する。電流検出手段３０ｇ、３０ｈ、３０ｉは、発電機６が発生する３相交流電流Ｉｕ２、Ｉｖ２、Ｉｗ２を検出してＡＣ／ＤＣ電力変換回路２１に入力する。電流検出手段３０ｊは、電流遮断器２６ａを流れる直流電流Ｉｓ＿２を検出して、ＡＣ／ＤＣ電力変換回路２１に入力する。

ＡＣ／ＤＣ電力変換器７は、システム統括制御部１０ａから得たエンジン出力に応じた発電機の負荷指令Ｌｏａｄ＿ｃｍｄに基づいて、発電機の負荷出力（発電電力）を調整するとともに、ＡＣ／ＤＣ電力変換回路２１は発電機６が発生した三相交流電力を直流電力に変換する。また、発電機６の回転速度Ｒｅｖ、電圧検出手段２９ａで検出したコンデンサ１８ａの両端電位差Ｖ＿ｆｃ２、電流検出手段３０ｊで検出した直流電流Ｉｓ＿２をシステム統括制御装置１０ａに入力する。

インバータ装置８は、電力供給手段９ｂから得られる直流電力を、ＶＶＶＦ（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）交流電力に変換して、電動機２０ａ、２０ｂを駆動する。コンデンサ１８ｂは、前記直流電力の電圧変動を軽減する。また、コンデンサ１８ｂと、リアクトル１７でフィルタ回路を構成して、インバータ回路１９から集電装置４を経て電力線に流れ込む直流電力に含まれる交流成分の周波数を制限する。電圧検出手段２９ｂは、コンデンサ１８ｂの両端電位差を検出して、インバータ回路１９に入力する。電流検出手段３０ａ、３０ｂ、３０ｃは、電動機２０ａ、２０ｂに供給する３相交流電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを検出してインバータ回路１９に入力する。電流検出手段３０ｄは、フィルタリアクトル１７を流れる直流電流を検出して、インバータ回路１９に入力する。インバータ回路１９は、システム統括制御部１０ｂより得た速度指令Ｖｅｌ＿ｃｍｄに基づいて、直流電力をもとに電動機２０ａ、２０ｂを駆動するように、三相交流電力を制御する。また、電動機２０ａ、２０ｂの回転速度Ｖｅｌ、電圧検出手段２９ｂで検出したフィルタコンデンサ１８ｂの両端電位差Ｖ＿ｆｃ、電流検出手段３０ｄで検出した直流電流Ｉｓをシステム統括制御装置１０ｂに入力する。

システム統括制御装置１０ａは、車両効率演算部１１を備える。また、車両効率演算部１１は、車両効率演算手段３１と、最適速度演算手段３２を備える。車両効率演算手段３１は、エンジン５の状態情報Ｓ＿ｅｎｇ、ＡＣ／ＤＣ電力変換器７の状態情報Ｓｃｎｖ、車両１ｂのシステム統括制御装置１０ｂより伝送されたインバータ装置８の状態情報Ｓ＿ｉｎｆをもとに、エンジン５の動作効率（ζ＿ｅｎｇ）、発電機６の動作効率（ζ＿ｍｇ）、ＡＣ／ＤＣ電力変換器７の動作効率（ζ＿ｃｎｖ）、インバータ装置８の動作効率（ζ＿ｉｎｖ）、図示していない電動機２０の動作効率（ζ＿ｍｍ）、図示していない減速機の動作効率（ζ＿ｇｂ）、列車編成の走行抵抗Ｒを算出する。最適速度演算手段３２では、車両効率演算手段３１で算出された情報に基づいて、車両全体としての動作効率を最大化（損失を最小化）する高効率運転速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔを算出する。高効率運転速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔは、情報制御装置１２ａ、１２ｂ、情報伝送手段１３ａ、１３ｂを介してシステム統括制御装置１０ｂに伝送され、高効率運転速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔを参考にインバータ装置８を駆動する。

以上の構成によれば、エンジン５、発電機６、ＡＣ／ＤＣ電力変換器７、インバータ装置８の動作状態を、システム統括制御装置１０ａで収集し、さらに、情報制御装置１２ａ、１２ｂ、および情報伝送手段１３、情報系連結器１６ａ、１６ｂを介して、車両効率演算手段１１に集約できる。車両効率演算手段１１では、これらの情報をもとに、車両全体としての動作効率を最大化（損失を最小化）する高効率運転速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔを算出できる。高効率運転速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔは、情報制御装置１２ａ、１２ｂ、および情報伝送手段１３、情報系連結器１６ａ、１６ｂを介してインバータ装置８に伝送して、定速走行など高効率運転速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔにもとづいた運転を実現できるほか、運転台に高効率運転速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔと、実速度を表示することにより、運転士に高効率な運転操作を促すことができる。

すなわち、車両に搭載された機器全体の動作効率を最大化する高効率運転速度を求め、これを基に車両を駆動することにより、必要最小限のエネルギでの運行を可能とする、鉄道車両駆動システムを実現できる。

図３は、本発明の電気車の駆動システムの一実施形態における制御方式を示すブロック図である。

車両効率演算部３１は、エンジン５の軸出力Ｐｏｗｅｒ＿ｅｎｇ、発電機６の回転速度Ｒｅｖ、電動機２０の回転速度Ｖｅｌを入力として、車両走行損失Ｌｏｓｓ＿Ｒｕｎを算出する。以下、車両効率演算部３１における、車両走行損失Ｌｏｓｓ＿Ｒｕｎの計算手順を説明する。

エンジン効率演算手段３３は、エンジン５の軸出力Ｐｏｗｅｒ＿ｅｎｇと、発電機６の回転速度Ｒｅｖをもとにエンジン５の動作効率ζ＿ｅｎｇを出力する。発電機効率演算手段３５は、発電機６の回転速度Ｒｅｖをもとに発電機６の動作効率ζ＿ｍｇを出力する。電力変換器効率演算手段３４は、発電機６の回転速度ＲｅｖをもとにＡＣ／ＤＣ電力変換器７の動作効率ζ＿ｃｎｖを出力する。エンジン５の動作効率ζ＿ｅｎｇと、発電機６の動作効率ζ＿ｍｇと、ＡＣ／ＤＣ電力変換器７の動作効率ζ＿ｃｎｖを乗算器４１ａで掛け算して発電効率ζ＿ＧＥＮとする。

インバータ効率演算手段３６は、電動機２０の回転速度Ｖｅｌをもとにインバータ装置８の動作効率ζ＿ｉｎｖを算出する。電動機効率演算手段３７は、電動機２０の回転速度Ｖｅｌをもとに電動機２０の動作効率ζ＿ｍｍを算出する。減速機効率演算手段３８は、電動機２０の回転速度Ｖｅｌをもとに減速機の動作効率ζ＿ｇｂを算出する。駆動効率ζ＿ＴＲＣは、インバータ装置８の動作効率ζ＿ｉｎｖと、電動機２０の動作効率ζ＿ｍｍと、減速機の動作効率ζ＿ｇｂを乗算器４１ｂで掛け算して求める。発電駆動効率ζ＿ＧＴは、発電効率ζ＿ＧＥＮと、駆動効率ζ＿ＴＲＣを乗算器４１ｃで掛け算して求める。

車両抵抗演算手段３９は、電動機２０の回転速度Ｖｅｌをもとに列車編成の走行抵抗損失Ｌｏｓｓ＿ＯＰを算出する。

発電駆動損失率ξ＿ＧＴは、減算器４２ａにおいて、発電駆動効率ζ＿ＧＴを１から減算することにより求める。この発電駆動損失率ξ＿ＧＴに、エンジン５の軸出力Ｐｏｗｅｒ＿ｅｎｇを乗算器４１ｄで掛け算することにより、発電駆動損失Ｌｏｓｓ＿ＧＴを求める。また、発電駆動損失Ｌｏｓｓ＿ＧＴと、走行抵抗損失Ｌｏｓｓ＿ＯＰを、加算器４２ｂで足し算することにより、車両走行損失Ｌｏｓｓ＿Ｒｕｎを求める。

最適速度算出部３２は、車両走行損失Ｌｏｓｓ＿Ｒｕｎを最小化する速度を探索し、高効率運転速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔとして出力する。

なお、車両抵抗演算手段３９については、走行抵抗損失Ｌｏｓｓ＿ＯＰの他に、車両が勾配を走行するときの登坂力に相当する勾配抵抗、曲線部分を走行するときのステアリング力に相当する曲線抵抗を考慮することが考えられる。この場合、勾配抵抗、曲線抵抗は車両の走行位置に対するデータとして、システム統括制御装置１０ａ、１０ｂに蓄えておけば、車両速度の積算などの手法で走行位置を演算して前記データを参照することにより、その時点の勾配抵抗、曲線抵抗を導出することができる。これにより、さらに正確な車両走行損失Ｌｏｓｓ＿Ｒｕｎ、高効率運転速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔを出力できる。

すなわち、システム統括制御装置１０に、曲線、勾配、速度制限などの路線条件を記憶する路線条件記憶手段を有しておき、この路線条件のもとで高効率運転速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔを決定することができる。

また、高効率運転速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔに従い、エンジン５、ＡＣ／ＤＣ電力変換器７、交流電動機２０ａ、２０ｂの全て、または少なくともいずれか一つを制御する効率制御手段をシステム統括制御装置１０に備えることにより高効率運転速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔにもとづいた運転を実現できる。

以上の構成によれば、システム統括制御装置１０ａで収集し、さらに、情報制御装置１２ａ、１２ｂ、および情報伝送手段１３、情報系連結器１６ａ、１６ｂを介して集約された、エンジン５、発電機６、ＡＣ／ＤＣ電力変換器７、インバータ装置８の動作状態にもとづいて、車両全体としての動作効率を最大化（損失を最小化）する高効率運転速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔを算出できる。高効率運転速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔは、情報制御装置１２ａ、１２ｂ、および情報伝送手段１３、情報系連結器１６ａ、１６ｂを介してインバータ装置８に伝送して、定速走行など高効率運転速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔにもとづいた運転を実現できるほか、運転台に高効率運転速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔと、実速度を表示することにより、運転士に高効率な運転操作を促すことができる。

すなわち、車両に搭載された機器全体の動作効率を最大化する高効率運転速度を求め、これを基に車両を駆動することにより、必要最小限のエネルギでの運行を可能とする、鉄道車両の駆動システムを実現できる。

図４は、本発明の電気車の駆動システムの一実施形態の総合的な動作を示す波形図である。

運転指令ＮＴＣは、運転士、または運転制御装置が与える力行指令である。状態が「（０）」のとき力行オフ（停止または惰行）、「（１）」のとき力行オン（加速）を示す。車両走行損失Ｌｏｓｓ＿Ｒｕｎは、前述したように、車両効率演算部３１において、エンジン５の軸出力Ｐｏｗｅｒ＿ｅｎｇ、発電機６の回転速度Ｒｅｖ、電動機２０の回転速度Ｖｅｌにもとづいて算出される。電動機速度Ｖｅｌは、電動機２０の回転速度である。図４では、運転指令ＮＴＣに基づいて加速される電動機速度Ｖｅｌに対して、車両走行損失Ｌｏｓｓ＿Ｒｕｎが推移する様子を示している。

時刻ｔ１において、運転指令ＮＴＣが「（１）」となり、車両は停止状態から加速をはじめる。加速により電動機速度Ｖｅｌは増加する一方、車両走行損失Ｌｏｓｓ＿Ｒｕｎは減少していく。

時刻ｔ２において、電動機速度ＶｅｌがＶｅｌ＿ｏｐｔに達した時点で、車両総合損失Ｌｏｓｓ＿Ｒｕｎは、Ｌｏｓｓ＿ａにて極小となる。車両走行損失Ｌｏｓｓ＿Ｒｕｎを極小とする電動機速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔは、最適速度算出部３２で少なくとも実時間よりも以前に算出される。

運転指令ＮＴＣは、最適速度算出部３２が算出した電動機速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔに達するまで力行オン指令を与えて車両を加速させる。速度が電動機速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔに達した時点で力行オフ指令して車両を惰行させる。車両は惰行時に減速（平坦または登り勾配）、または加速（降り勾配）するが、そのときに速度が電動機速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔに対して所定の速度差０〜１０ｋｍ／ｈ）に達した時点で、車両の速度が再び電動機速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔとなるように、力行または制動指令を与える。図４では、ｔ２で電動機速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔに達して惰行に入り、その後、減速により時刻ｔ３で電動機速度Ｖｅｌ＿ｒｐｗに達した時点で再び力行指令を与えて再加速を開始し、時刻ｔ４で再び電動機速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔに達している。時刻ｔ４以降では、同様に電動機速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔと、電動機速度Ｖｅｌ＿ｒｐｗの間で力行、惰行動作を繰返して走行する。

以上のように、車両全体としての動作効率を最大化（損失を最小化）する高効率運転速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔを求め、定速走行など高効率運転速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔの近傍での運転、または、運転台に高効率運転速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔと、実速度を表示することにより、運転士に高効率な運転操作を促すことにより、必要最小限のエネルギでの運行を可能とする、鉄道車両の駆動システムを実現できる。

図５は、本発明の電気車の駆動システムにおける第二の実施形態の基本構成を示す図である。

車両１ａ、１ｂは、列車編成を構成する車両の一部である。車両１ａと車両１ｂは車間連結器１４ａで連結されている。本実施形態では２車両を連結した編成車両により説明を進めるが、本発明において列車編成を構成する車両の数に制限はない。具体的には、車両１ｂの後位に設けている車間連結器１４ｂにより第三の車両を連結でき、以降、車両の前位、後位に設けた車間連結器により、３車両以上で列車編成を構成することも可能である。

車両１ａは、台車２ａを介して輪軸３ａ、３ｂにより、また、台車２ｂを介して輪軸３ｃ、３ｄにより、図示していないレール面上に支持されている。同じく、車両１ｂは、台車２ｃを介して輪軸３ｅ、３ｆにより、また、台車２ｄを介して輪軸３ｇ、３ｈにより、図示していないレール面上に支持されている。

まず、車両１ａ、１ｂの機器構成を説明する。

車両１ａには、集電装置４、ＤＣ／ＤＣ電力変換器２２、蓄電手段２８、電力伝達手段９ａ、システム統括制御装置１０ａ、情報制御装置１２ａ、情報伝達手段１３ａが設備される。車両１ｂには、インバータ８、電力伝達手段９ｂ、システム統括制御装置１０ｂ、情報制御装置１２ｂ、情報伝達手段１３ｂが設備される。

車両１ａの電力伝達手段９ａと、車両１ｂの電力伝達手段９ｂとは、電力系連結器１５ａにより接続する。また、車両１ｂの電力伝達手段９ｂと、図示していない後位車両の電力伝達手段とは、電力系連結器１５ｂにより接続する。

車両１ａの情報伝達手段１３ａと、車両１ｂの情報伝達手段１３ｂとは、情報連結器１６ａにより接続する。また、車両１ｂの情報伝達手段１３ｂと、図示していない後位車両の情報伝達手段とは、情報系連結器１６ｂにより接続する。

蓄電手段２８に蓄電された電力は、蓄電手段２８の端子間電圧と、電力伝達手段９ａにおける直流電力の電圧に応じて、ＤＣ／ＤＣ電力変換器２２により充放電制御される。ＤＣ／ＤＣ電力変換器２２により放電された蓄電手段２８の電力は、電力伝達手段９ａに供給する。

インバータ装置８は、電力伝達手段９ｂにより供給される直流電力を、３相交流電力に変換して、図示していない電動機２０を駆動する。電動機２０の出力は、図示していない動力伝達手段を介して、輪軸３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈの全て、またはいずれかを駆動して、車両１ｂに加減速力を与える。

システム統括制御装置１０ａは、蓄電手段２８、ＤＣ／ＤＣ電力変換器２２と接続し、制御要求Ｄ＿ｂｔｒ、Ｄ＿ｃｈｐを蓄電手段２８、ＡＣ／ＤＣ電力変換器２２に与えると共に、蓄電手段２８の状態情報Ｓ＿ｅｎｇ、ＤＣ／ＤＣ電力変換器２２の状態情報Ｓ＿ｃｈｐを集約する。

また、システム統括制御装置１０ａは、蓄電手段２８の状態情報Ｓ＿ｂｔｒ、ＤＣ／ＤＣ電力変換器２２の状態情報Ｓ＿ｃｈｐを情報制御装置１２ａに送る、情報制御装置１２ａは、情報伝送手段１３ａ、１３ｂを経て、情報制御装置１２ｂまたは編成内の他車両の情報制御装置との間で情報を共有できる。つまり、情報制御装置１２ａでは、列車全体の情報収集が可能であり、そのうちシステム統括制御装置１０ａは、必要な情報を選択して受信できる。

システム統括制御装置１０ｂは、インバータ装置８と接続し、制御要求Ｄ＿ｉｎｖをインバータ装置８に与えると共に、インバータ装置８の状態情報Ｓ＿ｉｎｖを集約する。

また、システム統括制御装置１０ｂは、インバータ装置８から収受した情報Ｄ＿ｉｎｆを情報制御装置１２ｂに送る、情報制御装置１２ｂは、情報伝送手段１３ａ、１３ｂを経て、情報制御装置１２ａまたは編成内の他車両の情報制御装置との間で情報を共有できる。つまり、情報制御装置１２ｂでは、列車全体の情報収集が可能であり、そのうちシステム統括制御装置１０ｂは、インバータ装置８の制御に必要な情報Ｓ＿ｉｎｆを選択して受信できる。

さらに、システム統括制御装置１０ａは、車両効率演算手段１１を備え、蓄電手段２８の状態情報Ｓ＿ｂｔｒ、ＤＣ／ＤＣ電力変換器２２の状態情報Ｓ＿ｃｈｐ、車両１ｂのシステム統括制御装置１０ｂより伝送された、インバータ装置８の状態情報Ｓ＿ｉｎｆをもとに、蓄電手段の動作効率（ζ＿ｂｔｒ）、ＤＣ／ＤＣ電力変換器２２の動作効率（ζ＿ｃｈｐ）、インバータ装置８の動作効率（ζ＿ｉｎｖ）、図示していない電動機２０の動作効率（ζ＿ｍｍ）、図示していない減速機の動作効率（ζ＿ｇｂ）、列車編成の走行抵抗Ｒを算出して、これらの情報により、車両全体としての動作効率を最大化（損失を最小化）する高効率運転速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔを算出する。高効率運転速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔは、情報制御装置１２ａ、１２ｂ、情報伝送手段１３ａ、１３ｂを介してシステム統括制御装置１０ｂに伝送され、高効率運転速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔを参考にインバータ装置８を駆動する。

以上の構成によれば、蓄電手段２８、ＤＣ／ＤＣ電力変換器２２、インバータ装置８の動作状態を、システム統括制御装置１０ａで収集し、さらに、情報制御装置１２ａ、１２ｂ、および情報伝送手段１３ａ、１３ｂ、情報系連結器１６ａ、１６ｂを介して、車両効率演算手段１１に集約できる。車両効率演算手段１１では、これらの情報をもとに、車両全体としての動作効率を最大化（損失を最小化）する高効率運転速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔを算出できる。高効率運転速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔは、情報制御装置１２ａ、１２ｂ、および情報伝送手段１３、情報系連結器１６ａ、１６ｂを介してインバータ装置８に伝送して、定速走行など高効率運転速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔにもとづいた運転を実現できるほか、運転台に高効率運転速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔと、実速度を表示することにより、運転士に高効率な運転操作を促すことができる。

すなわち、車両に搭載された機器全体の動作効率を最大化する高効率運転速度を求め、これを基に車両を駆動することにより、必要最小限のエネルギでの運行を可能とする、鉄道車両の駆動システムを実現できる。

図６は、本発明の電気車の駆動システムにおける第二の実施形態の機器構成の詳細を示す図である。

車両１ａには、集電装置４、蓄電手段２８、ＤＣ／ＤＣ電力変換器２２、電力伝達手段９ａ、システム統括制御装置１０ａ、情報制御装置１２ａ、情報伝達手段１３ａが設備される。

車両１ｂには、インバータ装置８、電力伝達手段９ｂ、システム統括制御装置１０ｂ、情報制御装置１２ｂ、情報伝達手段１３ｂ、電動機２０ａ、２０ｂが設備される。ここで、車両１ｂに搭載される電動機は、電動機２０ａ、２０ｂの２台が図示されているが、これは、一車両に設備される電動機を２台に限定するものではない。

ＤＣ／ＤＣ電力変換器２２は、蓄電手段２８が発生した直流電力を、蓄電手段２８の端子間電圧と、電力伝達手段９ａにおける直流電力の電圧に応じて、電流の通流量、すなわち蓄電手段２８に充放電される電流を制御する。ＤＣ／ＤＣ電力変換器２２により放電された蓄電手段２８の電力は、電力伝達手段９ａに供給する。コンデンサ１８ａは、前記直流電力の電圧変動を軽減するために設けられる。また、電流遮断器２６ａ、２６ｂは電力伝達手段９ａ、９ｂに供給する直流電力の源として、集電装置４、またはＤＣ／ＤＣ電力変換回路２３のいずれかを選択するために設けられる。すなわち、電流遮断器２６ａを開放して電流遮断器２６ｂを投入すると、集電装置４から電力伝達手段９ａに直流電力が供給され、電流遮断器２６ａを投入して電流遮断器２６ｂを開放すると、ＤＣ／ＤＣ電力変換回路２３から電力伝達手段９ａに直流電力が供給される。電圧検出手段２９ａは、コンデンサ１８ａの両端電位差Ｖ＿ｆｃ２を検出して、ＤＣ／ＤＣ電力変換回路２３に入力する。電流検出手段３０ｆは、電流遮断器２６ａを流れる直流電流Ｉｓ＿２を検出して、ＤＣ／ＤＣ電力変換回路２３に入力する。

ＤＣ／ＤＣ電力変換器２２は、システム統括制御部１０ａから得たＤＣ／ＤＣ電力変換回路２３への充放電電力指令Ｐ＿ｃｈｐ＿ｃｍｄに基づいて、ＤＣ／ＤＣ電力変換回路２３の充放電出力を調整する。また、ＤＣ／ＤＣ電力変換回路２３における実際の充放電電力Ｐ＿ｃｈｐ、電圧検出手段２９ａで検出したフィルタコンデンサ１８ａの両端電位差Ｖ＿ｆｃ２、電流検出手段３０ｊで検出した直流電流Ｉｓ＿２をシステム統括制御装置１０ａに入力する。

インバータ装置８は、電力供給手段９ｂから得られる直流電力を、ＶＶＶＦ（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）交流電力に変換して、電動機２０ａ、２０ｂを駆動する。コンデンサ１８ｂは、前記直流電力の電圧変動を軽減する。また、コンデンサ１８ｂと、フィルタリアクトル１７ａでフィルタ回路を構成して、インバータ回路１９から集電装置４を経て電力線に流れ込む直流電力に含まれる交流成分の周波数を制限する。電圧検出手段２９ｂは、コンデンサ１８ｂの両端電位差を検出して、インバータ回路１９に入力する。電流検出手段３０ａ、３０ｂ、３０ｃは、電動機２０ａ、２０ｂに供給する３相交流電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを検出してインバータ回路１９に入力する。電流検出手段３０ｄは、フィルタリアクトル１７ａを流れる直流電流を検出して、インバータ回路１９に入力する。インバータ回路１９は、システム統括制御部１０ｂより得た速度指令Ｖｅｌ＿ｃｍｄに基づいて、直流電力をもとに電動機２０ａ、２０ｂを駆動するように、三相交流電力を制御する。また、電動機２０ａ、２０ｂの回転速度Ｖｅｌ、電圧検出手段２９ｂで検出したフィルタコンデンサ１８ｂの両端電位差Ｖ＿ｆｃ、電流検出手段３０ｄで検出した直流電流Ｉｓをシステム統括制御装置１０ｂに入力する。

システム統括制御装置１０ａは、車両効率演算部１１を備える。また、車両効率演算部１１は、車両効率演算手段３１と、最適速度演算手段３２を備える。車両効率演算手段３１は、蓄電手段２８の状態情報Ｓ＿ｂｔｒ、ＤＣ／ＤＣ電力変換器２２の状態情報Ｓ＿ｃｈｐ、車両１ｂのシステム統括制御装置１０ｂより伝送されたインバータ装置８の状態情報Ｓ＿ｉｎｆをもとに、蓄電手段２８の充放電効率（ζ＿ｂｔｒ）、ＤＣ／ＤＣ電力変換器２２の動作効率（ζ＿ｃｈｐ）、インバータ装置８の動作効率（ζ＿ｉｎｖ）、図示していない電動機２０の動作効率（ζ＿ｍｍ）、図示していない減速機の動作効率（ζ＿ｇｂ）、列車編成の走行抵抗Ｒを算出する。最適速度演算手段３２では、車両効率演算手段３１で算出された情報に基づいて、車両全体としての動作効率を最大化（損失を最小化）する高効率運転速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔを算出する。高効率運転速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔは、情報制御装置１２ａ、１２ｂ、情報伝送手段１３ａ、１３ｂを介してシステム統括制御装置１０ｂに伝送され、これを情報表示手段４５に表示し、高効率運転速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔを参考にインバータ装置８を駆動する。

以上の構成によれば、蓄電手段２８、ＤＣ／ＤＣ電力変換器２２、インバータ装置８の動作状態を、システム統括制御装置１０ａで収集し、さらに、情報制御装置１２ａ、１２ｂ、および情報伝送手段１３ａ、１３ｂ、情報系連結器１６ａ、１６ｂを介して、車両効率演算手段１１に集約できる。車両効率演算手段１１では、これらの情報をもとに、車両全体としての動作効率を最大化（損失を最小化）する高効率運転速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔを算出できる。高効率運転速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔは、情報制御装置１２ａ、１２ｂ、および情報伝送手段１３、情報系連結器１６ａ、１６ｂを介してインバータ装置８に伝送して、定速走行など高効率運転速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔにもとづいた運転を実現できるほか、運転台に高効率運転速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔと、実速度を表示することにより、運転士に高効率な運転操作を促すことができる。

すなわち、車両に搭載された機器全体の動作効率を最大化する高効率運転速度を求め、これを基に車両を駆動することにより、必要最小限のエネルギでの運行を可能とする、鉄道車両駆動システムを実現できる。

図７は、本発明の電気車の駆動システムの第二の実施形態における制御方式を示すブロック図である。

車両効率演算部３１は、蓄電手段２８の出力電圧Ｖ＿ｂｔｒ、蓄電手段２８の充放電電流Ｉ＿ｂｔｒ、電動機２０の回転速度Ｖｅｌを入力として、車両走行損失Ｌｏｓｓ＿Ｒｕｎを算出する。以下、車両効率演算部３１における、車両走行損失Ｌｏｓｓ＿Ｒｕｎの計算手順を説明する。

蓄電手段効率演算手段４３は、蓄電手段２８の充放電電流Ｉ＿ｂｔｒをもとに蓄電手段２８の充放電効率ζ＿ｂｔｒを出力する。ＤＣ／ＤＣ電力変換器効率演算手段４４は、蓄電手段２８の充放電電流Ｉ＿ｂｔｒをもとにＤＣ／ＤＣ電力変換器２２の動作効率ζ＿ｃｈｐを出力する。蓄電手段２８の充放電効率ζ＿ｂｔｒと、ＤＣ／ＤＣ電力変換器２２の動作効率ζ＿ｃｈｐを乗算器４１ａで掛け算して充放電効率ζ＿ＳＴＲとする。

インバータ効率演算手段３６は、電動機２０の回転速度Ｖｅｌをもとにインバータ装置８の動作効率ζ＿ｉｎｖを算出する。電動機効率演算手段３７は、電動機２０の回転速度Ｖｅｌをもとに電動機２０の動作効率ζ＿ｍｍを算出する。減速機効率演算手段３８は、電動機２０の回転速度Ｖｅｌをもとに減速機の動作効率ζ＿ｇｂを算出する。駆動効率ζ＿ＴＲＣは、インバータ装置８の動作効率ζ＿ｉｎｖと、電動機２０の動作効率ζ＿ｍｍと、減速機の動作効率ζ＿ｇｂを乗算器４１ｂで掛け算して求める。充放電駆動効率ζ＿ＳＴは、充放電効率ζ＿ＳＴＲと、駆動効率ζ＿ＴＲＣを乗算器４１ｃで掛け算して求める。

車両抵抗演算手段３９は、電動機２０の回転速度Ｖｅｌをもとに列車編成の走行抵抗損失Ｌｏｓｓ＿ＯＰを算出する。

充放電駆動損失率ξ＿ＳＴは、減算器４２ａにおいて、発電駆動効率ζ＿ＳＴを１から減算することにより求める。この発電駆動損失率ξ＿ＳＴに、蓄電手段２８の充放電電力Ｐｏｗｅｒ＿ｂｔｒを乗算器４１ｄで掛け算することにより、充放電駆動損失Ｌｏｓｓ＿ＳＴを求める。なお、充放電電力Ｐｏｗｅｒ＿ｂｔｒは、蓄電手段２８の出力電圧Ｖ＿ｂｔｒと、同じく充放電電流Ｉ＿ｂｔｒを、乗算器４１ｄで掛け算することにより求める。また、充放電駆動損失Ｌｏｓｓ＿ＳＴと、走行抵抗損失Ｌｏｓｓ＿ＯＰを、加算器４２ｂで足し算することにより、車両走行損失Ｌｏｓｓ＿Ｒｕｎを求める。

高効率運転速度算出部３２は、車両走行損失Ｌｏｓｓ＿Ｒｕｎを最小化する速度を探索し、高効率運転速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔとして出力する。

なお、車両抵抗演算手段３９については、走行抵抗損失Ｌｏｓｓ＿ＯＰの他に、車両が勾配を走行するときの登坂力に相当する勾配抵抗、曲線部分を走行するときのステアリング力に相当する曲線抵抗を考慮することが考えられる。この場合、勾配抵抗、曲線抵抗は車両の走行位置に対するデータとして、システム統括制御装置１０ａ、１０ｂに蓄えておけば、車両速度の積算などの手法で走行位置を演算して前記データを参照することにより、その時点の勾配抵抗、曲線抵抗を導出することができる。これにより、さらに正確な車両走行損失Ｌｏｓｓ＿Ｒｕｎ、高効率運転速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔを出力できる。

すなわち、システム統括制御装置１０に、曲線、勾配、速度制限などの路線条件を記憶する路線条件記憶手段を有しておき、この路線条件のもとで高効率運転速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔを決定することができる。

また、高効率運転速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔに従い、蓄電手段２８、ＤＣ／ＤＣ電力変換器２２、交流電動機２０ａ、２０ｂの全て、または少なくともいずれか一つを制御する効率制御手段をシステム統括制御装置１０に備えることにより高効率運転速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔにもとづいた運転を実現できる。

以上の構成によれば、システム統括制御装置１０ａで収集し、さらに、情報制御装置１２ａ、１２ｂ、および情報伝送手段１３、情報系連結器１６ａ、１６ｂを介して集約された、蓄電装置２８、ＤＣ／ＤＣ電力変換器２２、インバータ装置８の動作状態にもとづいて、車両全体としての動作効率を最大化（損失を最小化）する高効率運転速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔを算出できる。高効率運転速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔは、情報制御装置１２ａ、１２ｂ、および情報伝送手段１３、情報系連結器１６ａ、１６ｂを介してインバータ装置８に伝送して、定速走行など高効率運転速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔにもとづいた運転を実現できるほか、運転台に高効率運転速度Ｖｅｌ＿ｏｐｔと、実速度を表示することにより、運転士に高効率な運転操作を促すことができる。

すなわち、車両に搭載された機器全体の動作効率を最大化する高効率運転速度を求め、これを基に車両を駆動することにより、必要最小限のエネルギでの運行を可能とする、鉄道車両駆動システムを実現できる。

図８は、本発明の電気車の駆動システムにおいて高効率運転を実現する情報表示の概念図である。

この情報表示は、前述の車両効率演算部３１で算出された車両総合効率、および高効率運転速度算出部３２で算出された高効率運転速度を、運転台の表示装置に表示することにより、運転士に対して、状態における車両総合効率と、最適効率点の差異、および車両速度と高効率運転速度の差異を認識させることにより、これらの差異を最小化するような運転操作を促すことを目的としている。

運転情報表示部５１には、緊急走行時に運転士が把握すべき最小限の情報を簡潔に示す。具体的には、日付（１、Ｄａｔｅ）、現在時刻（２、Ｔｉｍｅ）、終着駅（３、Ｄｉｓｔｉｎａｔｉｏｎ）、到達可能駅（４、Ａｔｔａｉｎａｂｌｅ ｓｔ。）、残距離（５、Ｒｅｍａｉｎｉｎｇ）、蓄電量（６、Ｓｔｏｒａｇｅ）などの情報を表示することが考えられる。特に、到達可能駅（４、Ａｔｔａｉｎａｂｌｅ ｓｔ．）、残距離（５、Ｒｅｍａｉｎｉｎｇ）、蓄電量（６、Ｓｔｏｒａｇｅ）は、緊急走行時には必須の情報である。

走行軌跡表示部５２には、緊急走行開始点から現在までに走行した距離対速度軌跡５４、その地点における高効率運転速度パターン５５、現在位置対速度ポイント表示５６、到達可能駅に向けて減速を開始すべきポイントを各速度に対して示した減速パターン５７が表示される。緊急走行において、運転士は、現在位置対速度ポイント表示５６と、高効率運転速度パターン５５の差異が最小となるように、運転ノッチ操作（力行オン／オフ）を行う。その結果として、距離対速度軌跡５４が表示され、運転士は高効率運転速度パターン５５に対する追従性を視覚的に認識して省エネ走行の度合いを把握する。減速パターン５７は、到達可能駅に停車するための減速開始ポイントを示しており、現在位置対速度ポイント表示５６が、減速パターン５７と一致した時点で、運転士が指定された運転ノッチ操作（ブレーキステップ投入）を行うことで、到達可能駅の停車ポイントに停車できる。

車両総合効率表示部５３は、現時点の車両総合効率パターン５８と、速度対車両総合効率ポイント表示５９を同時に表示する。すなわち運転士は、走行速度に応じて時々刻々と変化する速度対車両総合効率ポイント表示５９が、車両総合効率パターン５８のどの位置に在るか視覚的に認識することにより、車両効率をリアルタイムの把握できる。また、運転士に対して車両総合効率パターン５８の頂点（最高効率点）に、速度対車両総合効率ポイント表示５９ができるだけ留まるような運転操作（力行オン／オフ）を行うことを、暗に促す効果を期待できるため、高効率運転を実現できる。

このように運転士は、運転台に設置された表示装置に表示する、前述の高効率運転促進画面を参照しながら緊急運転を行うことにより、走行状態における車両総合効率と、最適効率点の差異を認識でき、その際が小さくなるような運転操作を行うことができる。

すなわち、車両に搭載された機器全体の動作効率を最大化する高効率運転速度を求め、これを基に車両を駆動することにより、必要最小限のエネルギでの運行を可能とする、鉄道車両駆動システムを実現できる。

本発明の電気車の駆動システムにおける一実施形態の基本構成を示す図。 本発明の電気車の駆動システムにおける一実施形態の機器構成の詳細を示す図。 本発明の電気車の駆動システムの一実施形態における制御方式を示すブロック図。 本発明の電気車の駆動システムの一実施形態の総合的な動作を示す波形図。 本発明の電気車の駆動システムにおける第二の実施形態の基本構成を示す図。 本発明の電気車の駆動システムにおける第二の実施形態の機器構成の詳細を示す図。 本発明の電気車の駆動システムの第二の実施形態における制御方式を示すブロック図。 本発明の電気車の駆動システムにおいて高効率運転を実現する表示手段の概念図。 従来の技術を示す図。

符号の説明

１…車両、２…台車、３…輪軸、４…集電装置、５…エンジン、６…発電機、７…ＡＣ／ＤＣ電力変換器、８…インバータ装置、９…電力伝達手段、１０…システム統括制御装置、１１…車両効率演算装置、１２…情報制御装置、１３…情報伝送手段、１４…車両間連結器、１５…電力系連結器、１６…情報系連結器、１７…リアクトル、１８…コンデンサ、１９…インバータ回路、２０…電動機、２１…ＡＣ／ＤＣ電力変換回路、２２…ＤＣ／ＤＣ電力変換器、２３…ＤＣ／ＤＣ電力変換回路、２６…電流遮断器、２７…平滑リアクトル、２８…蓄電手段、２９…電圧検出手段、３０…電流検出手段、３１…車両効率演算部、３２…最適速度算出部、３３…エンジン効率演算手段、３４…発電機効率演算手段、３５…ＤＣ／ＤＣ電力変換器効率演算手段、３６…インバータ効率演算手段、３７…モータ効率演算手段、３８…減速機効率演算手段、３９…車両抵抗演算手段、４０…高効率運転速度演算手段、４１…乗算器、４２…加算器、減算器、４３…蓄電手段効率演算手段、４４…ＤＣ／ＤＣ電力変換器効率演算手段、４５…情報表示手段、５１…運転情報表示部、５２…走行軌跡表示部、５３…車両総合効率表示部、５４…距離対速度軌跡、５５…高効率運転速度パターン、５６…現在位置対速度ポイント表示、５７…減速パターン、５８…車両総合効率パターン、５９…速度対車両総合効率ポイント表示、１０２…パンタグラフ、１０３…インバータ制御装置、１０５…充電装置、１０６…蓄電池、１０７…三相交流電動機、１２１…切替スイッチ、１２２…パンタグラフ切断スイッチ、１２３…パンタグラフ切断スイッチとの連動接点、１２４…補機回路の蓄電池電源接点の励磁コイル、１２５…主回路蓄電池電源接点の励磁コイル、１２６…主回路主接点の励磁コイル、１２８…主回路主接点、１３０…主回路蓄電池接点、１３１…補機回路の蓄電池電源接点、１３２…補機回路部分、１３３…遮断器

Claims (5)

1. 車両に設備され電力を発生する電力発生手段と、前記電力を電圧／周波数可変交流電力に変換する電力変換手段と、前記交流電力で駆動され車両の牽引力を発生する交流電動機と、前記電力発生手段、前記電力変換手段、前記交流電動機の動作を制御し、その動作状態を検出して集約する統括制御手段を備え、
   前記統括制御手段は、曲線、勾配、速度制限などの路線条件を記憶する路線条件記憶手段と、前記電力発生手段、前記電力変換手段、前記交流電動機の動作状態から機器効率を算定する効率算定手段と、前記路線条件のもとで前記機器効率を最大とする運転指針を決定する効率最適化手段と、前記運転指針に従い、前記電力発生手段、前記電力変換手段、前記交流電動機の全て、または少なくともいずれか一つを制御する効率制御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。
2. 車両の外部から電力を得る給電手段と、前記電力を電圧／周波数可変交流電力に変換する電力変換手段と、前記交流電力により駆動され車両の牽引力を発生する交流電動機と、前記電力変換手段、前記交流電動機の動作を制御し、その動作状態を検出して集約する統括制御手段を備え、
   前記統括制御手段は、曲線、勾配、速度制限などの路線条件を記憶する路線条件記憶手段と、前記電力変換手段、前記交流電動機の動作状態から機器効率を算定する効率算定手段と、前記路線条件のもとで前記機器効率を最大とする運転指針を決定する効率最適化手段と、前記運転指針に従い、前記電力変換手段、前記交流電動機の全て、またはいずれかを制御する効率制御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。
3. 車両の外部から電力を得る給電手段と、車両に設備され電力を発生する電力発生手段と、前記電力を電圧／周波数可変交流電力に変換する電力変換手段と、前記交流電力により駆動され車両の牽引力を発生する交流電動機と、前記電力発生手段、前記電力変換手段、前記交流電動機の動作を制御し、その動作状態を検出して集約する統括制御手段を備え、
   前記統括制御手段は、曲線、勾配、速度制限などの路線条件を記憶する路線条件記憶手段と、前記電力発生手段、前記電力変換手段、前記交流電動機の動作状態から機器効率を算定する効率算定手段と、前記路線条件のもとで前記機器効率を最大とする運転指針を決定する効率最適化手段と、前記運転指針に従い、前記電力発生手段、前記電力変換手段、前記交流電動機の全て、または少なくともいずれか一つを制御する効率制御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。
4. 請求項１または３の鉄道車両の駆動システムにおいて、
   車両に設備され電力を発生する前記電力発生手段は、電力の蓄積が可能な蓄電手段と、前記蓄電手段の充電および放電を制御する充放電電流制御手段であることを特徴とする鉄道車両の駆動システム。
5. 請求項１または３の鉄道車両の駆動システムにおいて、
   車両に設備され電力を発生する前記電力発生手段は、エンジンを動力源として、発電機を駆動するエンジン発電手段であることを特徴とする鉄道車両の駆動システム。

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