JP2011061880A - 鉄道車両の駆動システム - Google Patents

Abstract

【課題】直列形のハイブリッドシステムではコンバータ装置とインバータ装置をつなぐ直流部において、パワー及びエネルギーの供給側と消費する側のアンバランスが蓄電装置の能力を超えようとするときにはシステム上このアンバランスを低減する必要がある。
【解決手段】力行または回生時の蓄電装置への充放電電流が蓄電装置の許容最大充放電電流を超えようとする時及び許容充電量を下回ろうとする時、インバータ装置に対しその出力を弱めるように指令し、蓄電装置が許容最大充電量を超えようとするときエンジンにはエンジンブレーキ動作を指令するとともにコンバータ装置には発電機を電動動作になるよう制御させ直流部からエネルギーを吸収するよう指令し、直流部の入出力アンバランスの低減させるバランス制御部を持つことにより、蓄電装置の過大充放電電流出力及び充電量の制限を越えた充放電を防止する。
【選択図】図３

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ーを架線に戻して他車両の力行エネルギー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、約半分のエネルギー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ー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ー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ー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ー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ー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ーを力行時に必要なエネルギーの一部として再利用することにより省エネルギー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９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。エンジン装置１は、システム統括制御部９の指令Ｓｅに基づいた軸トルクを出力する。発電機２は、エンジン装置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。減速機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の内部状態信号Ｓｐ２を入力として、エンジン装置１に運転指令Ｓｅ、コンバータ装置３に運転指令Ｓｃ、インバータ装置４に運転指令Ｓｉ、蓄電装置８に動作指令Ｓｐ１を出力し、蓄電装置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。

ところで、ハイブリッド気動車では、蓄電装置８を用いることで、様々なメリットを実現できる。例えば、停車・低速時はエンジン発電を停止し、蓄電装置８の出力のみで走行することで、アイドルストップによる駅構内静音化を実現できる。また、走行中には、エンジン発電を最大エンジン効率点で定出力（定電力）運転して、インバータ消費電力（力行電力）に対する過不足分を蓄電装置８の充放電電力で負担することにより、システムの省エネルギーを実現できる。

一方で、車載する蓄電装置８の大きさは車両のコスト、車載重量、艤装などの条件より極力小さくする要求があるため、蓄電装置８の充放電性能、充電容量は必要最小限とすることが多い。このとき、蓄電装置８の充放電電流・蓄電容量は許容される最大仕様電流付近まで使用することとなる。

このようなハイブリッド気動車において、一方では蓄電装置８を安定にかつ長寿命に使用するためには上記の最大充放電電流を確実に守り、かつ充電量も許容最大値から許容最小値の間に確実に保つことが重要である。

特開２００４−２８２８５９号公報

鉄道車両の場合、自動車などとは異なり、走行パターンがあらかじめ決められており、これに伴い、蓄電装置の充放電動作も大半のケースで予測可能であるから、上記の最大充放電電流や充電量の制限を満足させることは車両の計画設計の段階で蓄電装置の容量設計として考慮される。

しかしながら、特異な路線条件や、特殊な運転扱いも皆無とはいえず、このようなケースにおいても蓄電装置の充放電条件を満足させるような蓄電容量設計を行うのは車両のコスト、車載重量、艤装などの条件の面で不利となる。したがって特異な条件では車両の最大性能での運転を行おうとすると上記の最大充放電電流や充電量の制限を越えようとするケースも考えられるので、このような場合、充放電を制限して許容される最大充放電電流・充電量の制限を守るよう制御する必要がある。

図９に示すような直列形のハイブリッドシステムではコンバータ装置３とインバータ装置４をつなぐ直流部において、パワー及びエネルギーの供給側と消費する側のバランスを取ることが重要であるが、そのバランスを保つ作用を蓄電装置８が担う点に特徴がある。例えば力行時にはインバータ装置４が大きなパワー、エネルギーを消費するが、この時必ずしもエンジン装置１・発電機２・コンバータ装置３の発電系が相応の出力をしなくても、不足分を蓄電装置８が供給し直流部へのパワー及びエネルギーの入出力バランスを保つ働きをする。このことにより車両の走行条件に発電系が拘束されないためこの方式の優位性が発揮できるのであるが、一方で上記のように蓄電装置８にも能力の限界があるから、パワー及びエネルギーの供給側と消費する側のアンバランスが蓄電装置８の能力を超えようとするときにはシステム上このアンバランスを低減する必要がある。

本発明の鉄道車両の駆動システムは、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装置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装置と、前記インバータ装置に駆動される鉄道車両用主電動機と、前記インバータ装置とコンバータ装置を接続する直流部に接続され直流電力を充電および放電する機能を持つ蓄電手段と、これらの各手段を統括的に制御するシステム統括制御手段とを備え、前記蓄電手段に充放電される電流量、あるいは蓄電手段に蓄積される充電量が該蓄電手段に許容される許容値を超過しようとする時、前記インバータ装置、あるいはコンバータ装置に対し、前記超過を抑制するように動作指令を出力するバランス制御機能を有することを特徴とする。

本発明においては、上記の課題を解決する為、力行または回生時の蓄電装置への充放電電流が蓄電装置の許容最大充放電電流を超えようとする時及び許容充電量を下回ろうとする時、インバータ装置に対しその出力を弱めるように指令し、蓄電装置が許容最大充電量を超えようとするときエンジンにはエンジンブレーキ動作を指令するとともにコンバータ装置には発電機を電動動作になるよう制御させ直流部からエネルギーを吸収するよう指令し、上記直流部の入出力アンバランスの低減させるバランス制御部を持つことにより、蓄電装置の過大充放電電流出力及び充電量の制限を越えた充放電を防止する方式とした。ここで、負荷として動作させるモードとしてエンジンブレーキを挙げたが、エンジンの排気弁を閉じ、さらに負荷力を強化した排気ブレーキ動作をエンジンブレーキの代わりに用いても意図するところは同じである。

本発明によれば、バランス制御機能において独立して蓄電装置８の充放電電流、及び蓄電装置８の蓄電量ＳＯＣ（State of Charge:充電状態）を許容される範囲に制限できるので路線条件、運転条件などの運転制御にかかわる問題に無関係に蓄電装置８の保護が可能となり、安全に蓄電装置８の運転が行える。

また蓄電装置８の充電量が増加時はエンジンブレーキにより充電量を抑制するようにしたのでブレーキにおける電気系の動作範囲を大幅に広げることが可能となった。これにより空気ブレーキの使用頻度も低減でき空気ブレーキ装置の消耗の低減も可能である。

図１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を示す図である。 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３は本発明の鉄道車両の駆動システムの一実施形態におけるシステム統括制御部を示すブロック図である。 図４は本発明の鉄道車両の駆動システムの一実施形態におけるバランス制御部を示す図である。 図５は本発明の鉄道車両の駆動システムの一実施形態における放電電流リミット用パターン発生機能の特性図である。 図６は本発明の鉄道車両の駆動システムの一実施形態における充電電流リミット用パターン発生機能の特性図である。 図７は本発明の鉄道車両の駆動システムの一実施形態における最小蓄電量ＳＯＣリミット用パターン発生機能の特性図である。 図８は本発明の鉄道車両の駆動システムの一実施形態におけるエンジンブレーキ制御に係る特性図である。 図９は従来の鉄道車両の駆動システムを示す構成図である。

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。エンジン装置１は、システム統括制御部９のエンジン出力指令ＮＴＣ_ｅｎｇに基づいた軸出力を発生する。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、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は発電機２に付属していて、エンジン装置１と発電機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、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が出力する直流部より入力し、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、運転台１１が出力する運転指令ＮＴＣ_ｉｎｖに基づいて、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。減速機６は、電動機５の回転速度を、異なる歯数の歯車の組合せなどで減速して、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。

蓄電装置８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部に接続され、この直流部の電圧値により充放電を行う。即ち、蓄電装置８はコンバータ装置３、インバータ装置４、補機電源用インバータ装置２４によって直流部に入力される電力と直流部から出力される電力の差分が正となれば直流部電圧は上昇し充電電流を増加し、逆にその差分が負であれば直流部電圧は下降し放電電流を増加し、これにより直流部に入出力される電力のバランスが保たれる。

また、速度検出器１０ｂは電動機５に付属していて、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が出力する蓄電装置温度ＴＭＰ_ｂｔｒ、蓄電装置蓄電量ＳＯＣ_ｂｔｒを入力として、エンジン装置１にエンジン出力或いはエンジンブレーキなどの出力指令ＮＴＣ_ｅｎｇ、コンバータ装置３にコンバータ発電指令やエンジン駆動による電流消費指令ＮＴＣ_ｃｎｖを出力し、蓄電装置８の充放電電流や蓄電量を一定範囲内とするように制御するとともに、蓄電装置８の充放電電流が過大になりそうな場合や蓄電装置８の充電量が過小、または過大になろうとする時はインバータ装置４に対してインバータ装置４の出力低減指令ＤＰ_ｉｎｖを、エンジン装置１・コンバータ装置３に対してはエンジンブレーキ動作を指令して蓄電装置８の安全動作を確保するなど、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部より入力し、これを３相交流電力に変換して出力する。さらに補機電源用変圧器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。

この構成によれば、運転台１１の司令に基づきインバータ装置４が直流部より入力する電力或いは回生時に直流部に出力する電力及び補機電源用インバータ装置２４が消費する電力と蓄電装置８の充放電能力を勘案し、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を出力して、エンジン発電電力を調整することにより、蓄電装置８の充放電を制御することができる。すなわち、蓄電装置８の安全性確保と長寿命化を実現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装置における一実施形態の構成の詳細を示す図である。エンジン装置１は、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、システム統括制御部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。

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、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、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は発電機２に付属していて、エンジン装置１と発電機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、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が出力する発電機２の回転速度情報ＦＲ_ｇｅｎを入力として、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、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、直流部より供給され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、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が出力する発電機２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、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、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３相ＰＷＭ信号であるＶＰ_ｉｎｖを演算して出力する。

減速機６は、電動機５の回転速度を、異なる歯数の歯車の組合せなどで減速して、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は電動機５に付属していて、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、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が出力する蓄電装置温度ＴＭＰ_ｂｔｒ、蓄電装置蓄電量ＳＯＣ_ｂｔｒ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、電流指令生成部２１ａにコンバータ発電指令ＮＴＣ_ｃｎｖを出力して、蓄電装置８の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。さらに補機電源用変圧器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。

この構成によれば、電動機５の回転速度情報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が出力する蓄電装置温度ＴＭＰ_ｂｔｒ、蓄電装置蓄電量ＳＯＣ_ｂｔｒに応じて、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を出力して、エンジン発電電力を調整することにより、蓄電装置８の充放電を制御することができる。すなわち、この構成によれば、運転台１１の司令に基づきインバータ装置４が直流部より入力する電力或いは回生時に直流部に出力する電力及び補機電源用インバータ装置２４が消費する電力と蓄電装置８の充放電能力を勘案し、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を出力して、エンジン発電電力を調整することにより、蓄電装置８の充放電を制御することができる。すなわち、蓄電装置８の安全性確保と長寿命化を実現できる鉄道車両の駆動システムを実現できる。

図３は、本発明の鉄道車両の駆動装置の一実施形態におけるシステム統括制御部９の詳細を示すブロック図である。エネルギー管理制御部２３は運転台１１より指令される運転指令ＮＴＣ_ｉｎｖと列車速度に相当する主電動機ロータ周波数ＦＲ_ｍｔｒを受けるとともに蓄電装置８より蓄電装置蓄電量ＳＯＣ_ｂｔｒを受け、今後の運転指令に対応できるような蓄電量に移行させることを前提に、エンジンの出力効率、アイドルストップによる低騒音効果などを勘案して発電系に発電量の指令を出力する。即ち、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を出力する。

蓄電装置温度制御部３３は蓄電装置温度ＴＭＰ_ｂｔｒを入力し蓄電装置８の温度を監視して蓄電装置８があらかじめ設定された温度以上になると蓄電装置８の入出力電流の２乗平均値を極力小さくするようエンジン出力指令ＮＴＣ_ｅｎｇ、コンバータ装置３出力指令ＮＴＣ_ｃｎｖを定め、切替機能２９を介して、エネルギー管理制御部２３の出力指令に優先し出力する。バランス制御部３２は蓄電装置８の主要な動作情報である蓄電装置電流Ｉｓ３、蓄電装置蓄電量ＳＯＣ_ｂｔｒを入力し、蓄電装置８への充放電電流が蓄電装置８の許容最大充放電電流を超えようとする時及び許容充電量を下回ろうとする時、インバータ装置４に対しその出力を弱める指令ＤＰ_ｉｎｖし、許容最大充電量を超えようとする時は切替機能２８を介してエネルギー管理制御部２３及び蓄電装置温度制御部３３の出力に優先してエンジンにはＮＴＣ_ｅｎｇによりエンジンブレーキ動作を指令するとともにコンバータ装置３には発電機２を電動機動作になるよう制御させ直流部からエネルギーを吸収するようＮＴＣ_ｃｎｖにより指令する。

図４は本発明の鉄道車両の駆動装置の一実施形態におけるバランス制御部３２の詳細を示すブロック図である。放電電流リミット用パターン発生機能３４は蓄電装置電流Ｉｓ３を入力しＩｓ３放電方向での大きさに対応しインバータ装置４の出力を低減させるインバータ出力係数ＤＰ１ａを出力する。尚、ここ以下ではインバータ装置４がフルに出力することを認め、制御上の制限をしない場合のＤＰ１ａの値を１００％、インバータ装置４出力を０まで制限する場合のＤＰ１ａの値を０％、その中間値はＤＰ１ａに比例した割合で出力を許容する値として表現している。以下のＤＰ１、ＤＰ１ａ、ＤＰ１ｂ、ＤＰ２、についても同様である。

充電電流リミット用パターン発生機能３５は蓄電装置電流Ｉｓ３を入力し充電方向でのＩｓ３の大きさに対応しインバータ装置４の出力を低減させるインバータ出力係数ＤＰ１ｂを出力する。これら出力は力行制動判定部３１により判定される制動動作判定に従い切替機能３０によって回生以外ではＤＰ１ａを回生動作時はＤＰ１ｂが選択されＤＰ１に出力される。即ち、回生時においては充電、回生以外では放電電流が所定の値より大きくなるとインバータ装置４出力を低減すべくインバータの電流制御部に対してインバータ装置４の出力の低減率を示すＤＰ１を出力する。

最小蓄電量ＳＯＣリミット用パターン発生機能３６は蓄電装置蓄電量ＳＯＣ_ｂｔｒを入力し蓄電装置蓄電量ＳＯＣ_ｂｔｒが下限許容値に近づくとインバータ装置４の出力を低減させるインバータ出力係数ＤＰ２を出力する。また、低位優先機能３７はＤＰ１とＤＰ２を入力し小さい方の値を優先してインバータ出力係数ＤＰ_ｉｎｖを出力する。比較機能３８は蓄電装置蓄電量ＳＯＣ_ｂｔｒの値によりエンジンブレーキ動作の要否を判定しＥＮＢＦを出力する。最大蓄電量ＳＯＣリミット用パターン発生機能３９は蓄電装置蓄電量ＳＯＣ_ｂｔｒを入力しこれに対応しコンバータ装置３に電動動作させる時の出力量に対応した指令ＮＴＣ_ｃｎｖ_Ｂｒを出力する。

図５は放電電流リミット用パターン発生機能３４の特性を示す。ここで蓄電装置電流Ｉｓ３を充電側に流れる電流を正と定義する。図のＡは放電電流許容最大値、またＡ’はＡよりやや小さい放電電流値（放電側を負としているので負の値として言えばやや大きい値）である。Ａ’以上ではＤＰ１ａは１００％、Ａ以下では０％Ａ−Ａ’の間では１００％と０％をつなぐ線分としてセットされる。この特性により蓄電装置８の放電電流がＡ’を超えるとＤＰ_ｉｎｖが低減しインバータ装置４に（力行）出力の低減するよう指令がなされ、その結果、インバータ装置４が力行出力を低減することにより蓄電装置８の放電電流が低減される。Ａ−Ａ’の差分の大きさはシステムの追従性によって定まる値である。即ち、Ａ−Ａ’の区間に入ると、

インバータ装置４の出力増加→蓄電装置８放電量増→Ａ−Ａ’の区間によりインバータ出力係数ＤＰ_ｉｎｖ低減→インバータ装置４出力低下→蓄電装置８放電量減→→Ａ−Ａ’の区間によりインバータ出力係数ＤＰ_ｉｎｖ増加→インバータ装置４の出力増加を行う。このように負帰還の制御系が構成される。このためＡ−Ａ’の傾きがこの負帰還ループのループゲインを決定するので、この系の追従安定性より定まるＡ−Ａ’の傾きによりＡ−Ａ’の差分の大きさが決定される。

図６は充電電流リミット用パターン発生機能３５の特性を示す。図５の場合と同様に蓄電装置電流Ｉｓ３を充電側に流れる電流を正と定義する。図６のＢは充電電流許容最大値、またＢ’はＢよりやや小さい充電電流値である。Ｂ’以下ではＤＰ１ａは１００％、Ｂ以上では０％、Ｂ−Ｂ’の間では１００％と０％をつなぐ線分としてセットされる。この特性により蓄電装置８の充電電流がＢ’を超えるとＤＰ_ｉｎｖが低減しインバータ装置４に（回生）出力の低減するよう指令がなされ、その結果、インバータ装置４が回生出力を低減することにより蓄電装置８の充電電流が低減される。Ｂ−Ｂ’の差分の大きさは図５の場合と同様にシステムの追従性によって定まる値である。

図７は最小蓄電量ＳＯＣリミット用パターン発生機能３６の特性を示す。図のＣは許容最小蓄電量ＳＯＣ値である。またＣ’はＣよりやや大きい蓄電量ＳＯＣの値である。ＤＰ２は蓄電装置蓄電量ＳＯＣ_ｂｔｒがＣ’以上では１００％、Ｃ以下では０％、Ｃ−Ｃ’の間では１００％と０％をつなぐ線分としてセットされる。この特性により蓄電装置８からの蓄電装置蓄電量ＳＯＣ_ｂｔｒがＣ’以下になるとＤＰ_ｉｎｖが低減しインバータ装置４に（力行）出力の低減するよう指令がなされ、その結果、インバータ装置４が力行出力を低減することにより蓄電装置８の放電電流が低減され、蓄電量の低減を阻止できる。

尚、実際のシステムではエネルギー管理制御により蓄電量ＳＯＣ低減時、エンジン装置１・コンバータ装置３などの発電系に発電量を増すような指令が出力されるから蓄電装置蓄電量ＳＯＣ_ｂｔｒがＣ以下の区間で必ずしもＤＰ２を０％にする必要は無く、発電系の出力能力とインバータ装置４、補機電源用インバータ装置２４などの負荷の消費電力とのバランスにより、蓄電量ＳＯＣを低減させない範囲で許容される出力としてもよい。Ｂ−Ｂ’の差分の大きさは図５、６の場合と同様にシステムの追従性によって定まる値である。

図８はエンジンブレーキを動作させるか否かを決定するヒステリシス付き比較機能３８、及び最大蓄電量ＳＯＣリミット用パターン発生機能３９の特性を示す。図のＤは許容最大蓄電量ＳＯＣ値である。またＤ’はＤよりやや小さい蓄電量ＳＯＣの値である。またＤ’’はＤ’よりやや小さい蓄電量ＳＯＣの値で、Ｄ’とＤ’’の差分はエンジンブレーキ動作のオン・オフの指令を高頻度に繰り返さないための値であり、システム動作上の許容頻度より設計される。図８ａはエンジンブレーキ指令を出力するか否かの判定信号ＥＮＢＦを出力する比較機能で、蓄電装置蓄電量ＳＯＣ_ｂｔｒがＤ’を越えるとＥＮＢＦをオンとしエンジンに対するエンジンブレーキ指令ＮＴＣ_ｅｎｇ_Ｂｒ、コンバータ装置３に対する電動動作におけるパワー指令ＮＴＣ_ｃｎｖ_Ｂｒを出力させる。また蓄電装置蓄電量ＳＯＣ_ｂｔｒがＤ’’以下になるとＥＮＢＦをオフとしエンジンに対するエンジンブレーキ指令ＮＴＣ_ｅｎｇ_Ｂｒ、コンバータ装置３に対する電動動作指令ＮＴＣ_ｃｎｖ_Ｂｒを停止させる。

図８ｂはコンバータ装置３が電動動作を行う際のパワー指令ＮＴＣ_ｃｎｖ_Ｂｒを出力する特性を示す。蓄電装置蓄電量ＳＯＣ_ｂｔｒがＤ’以下ではエンジン最低回転数を保つに必要な最小パワー指令ＮＴＣ_ｃｎｖ_Ｂｒを出力し、蓄電装置蓄電量ＳＯＣ_ｂｔｒがＤ以上ではエンジンが許容する最大パワー指令ＮＴＣ_ｃｎｖ_Ｂｒを出力する。またＤ−Ｄ’の間では最大パワー指令と最小パワー指令をつなぐ線分としてセットされる。

これにより回生時に蓄電装置蓄電量ＳＯＣ_ｂｔｒが増加しＤ’を越え蓄電装置８の許容最大値に接近するとＥＮＢＦをオンとしエンジンに対するエンジンブレーキ指令ＮＴＣ_ｅｎｇ_Ｂｒ、コンバータ装置３に対する電動動作におけるパワー指令ＮＴＣ_ｃｎｖ_Ｂｒを出力され、エンジンブレーキ動作するエンジンをコンバータ装置３が電動駆動し電力を消耗することにより蓄電量ＳＯＣ即ち蓄電装置８の充電量の増加を阻止し蓄電量ＳＯＣを許容値内に保つよう動作する。また上記のエンジンブレーキ動作などより蓄電量ＳＯＣが減少し蓄電装置蓄電量ＳＯＣ_ｂｔｒがＤ’’以下即ち蓄電装置８の許容最大蓄電量ＳＯＣへの接近が解除されればエンジンブレーキは解除され通常のエネルギー管理運転のもとに帰ることができる。

以上、本実施例によれば、バランス制御部３２の機能により蓄電装置８に対する充放電電流が許容値を超えようとすると充電・放電リミット用パターン発生器３４、３５からインバータ装置４への出力低減指令が出力され、蓄電装置８の蓄電量ＳＯＣが下限に近づくと最小蓄電量ＳＯＣリミット用パターン発生機能３６からインバータ装置４への出力低減指令が出力される。また蓄電装置８の充電量が上限を超えようとするとエンジンブレーキ動作により充電量が抑制される。これによりバランス制御部３２により独立に蓄電装置８の過大充放電電流の防止、最大最小充電量の確保が可能となる。

１ エンジン装置
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
１０ａ、ｂ 速度検出器
１１ 運転台
１２ エンジン
１３ エンジン制御装置
１４ コンバータ主回路
１５ インバータ主回路
１６ａ，ｃ−ｈ，ｊ 電流検出器
１７ａ、ｂ フィルタコンデンサ
１８ａ、 抵抗器
１９ａ， 電圧検出器
２０ａ，ｂ 速度演算部
２１ａ，ｂ 電流指令生成部
２２ａ，ｂ ＰＷＭ制御部
２３ エネルギー管理制御部
２４ 補機電源用インバータ装置
２５ 変圧器
２８−３０ 切替機能
３１ 力行制動判定部
３２ バランス制御部
３３ 蓄電装置温度制御部
３４ 放電電流リミット用パターン発生機能
３５ 充電電流リミット用パターン発生器
３６ 最小蓄電量ＳＯＣリミット用パターン発生機能
３７ 低位優先機能
３８ ヒステリシス付き比較機能
３９ 最大蓄電量ＳＯＣリミット用パターン発生機能

Claims (7)

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装置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装置と、前記インバータ装置に駆動される鉄道車両用主電動機と、前記インバータ装置とコンバータ装置を接続する直流部に接続され直流電力を充電および放電する機能を持つ蓄電手段と、これらの各手段を統括的に制御するシステム統括制御手段とを備え、
   前記蓄電手段に充放電される電流量、あるいは蓄電手段に蓄積される充電量が該蓄電手段に許容される許容値を超過しようとする時、前記インバータ装置、あるいはコンバータ装置に対し、前記超過を抑制するように動作指令を出力するバランス制御機能を有することを特徴とする鉄道車両の駆動システム。
2. 前記バランス制御機能は、力行時に蓄電手段の放電電流があらかじめ設定された許容値を超過しようとした場合、インバータ装置に対して力行出力を低減するよう指令することを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両の駆動システム。
3. 前記バランス制御機能は、回生時に蓄電手段の充電電流があらかじめ設定された許容値を超過しようとした場合、インバータ装置に対して回生出力を低減するよう指令することを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両の駆動システム。
4. 前記バランス制御機能は、力行時に蓄電手段の充電量があらかじめ設定された許容最小値以下になろうとした場合、インバータ装置に対して力行出力を低減するよう指令することを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両の駆動システム。
5. 前記バランス制御機能は、回生時に蓄電手段の充電量があらかじめ設定された許容最大値を超えようとした場合、エンジンをエンジンブレーキ動作とし、コンバータ装置に対して、発電手段を駆動する電動動作になるよう制御し、前記直流部から電力をとり消費することにより、蓄電手段への充電を抑制、または蓄電手段からの放電を促し、蓄電量が前記上限値を超えることを抑制することを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両の駆動システム。
6. 前記バランス制御機能が、請求項２及び請求項４の機能を併せ持つ時、インバータ装置に対して力行出力を低減するよう指令し、その指令値がインバータ装置出力をより小さく指令する方を優先することを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両の駆動システム。
7. 前記バランス制御機能は、車両の走行に対応して蓄電手段の充電状態を制御するエネルギ管理制御に対して優先的に指令されることを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両の駆動システム。

Images