JP2011529326A - 車両用エネルギー貯蔵装置を制御する方法およびシステム - Google Patents

Abstract

電力移送機会中に機関車などの車両の車載型のエネルギー貯蔵装置へのおよび／またはそこからの電力移送速度を制御するシステムおよび方法を説明する。その方法は、所定の電力移送期間に基づいて、電力移送機会の期間に電力移送機会のある期間を適合させ指定の充電状態を実現するように、電力移送速度を調節するステップを含む。
【選択図】図３

Description

本明細書で開示される主題は、車両用エネルギー貯蔵装置の電力移送プロファイルを改善し、それにより貯蔵装置の動作寿命を延ばす方法およびシステムに関する。

機関車などの電気車両およびハイブリッド式電気車両は、車載型の充電可能な電気エネルギー貯蔵装置で動作する。エネルギー貯蔵装置は、１つまたは複数のタイプのバッテリ、スーパーキャパシタ、およびフライホイールシステムを含むことができる。
動作中に、エネルギー貯蔵装置は周期的な充電および放電の頻繁なサイクルを経る。さらに、こうした装置の動作寿命および性能特性は、充電／放電の速度および深度、ならびに／または電力移送が起きる電流レベルの影響を受けることがある。装置の充電状態および温度における関連の変化もまた、装置の寿命および性能特性に影響を及ぼすおそれがある。例えば、バルク充電／放電中に、使用する電力移送速度がより速くより深く、電流（および／または電圧）レベルがより高いと、エネルギー貯蔵装置の動作寿命および貯蔵容量が悪影響を受けるおそれがある。装置の経年数、使用頻度、エネルギー貯蔵状態、および貯蔵温度は、装置の性能に影響を及ぼすいくつかの追加のパラメータである。さらに、電気エネルギー貯蔵装置の性能が低下すると、それらが使用される車両システムの燃料効率に影響を与えることがある。

英国特許第２２７３６１４号

電力移送機会中に車両用エネルギー貯蔵装置へのおよび／またはそこからの電力移送速度を制御する方法およびシステムを提供する。一実施形態では、その方法は、所定の電力移送機会の期間に基づいて、ある電力移送機会の期間を適合させ指定の充電状態を実現するように電力移送速度を調節するステップを含む。
例えば、充電機会がより長い期間であると予め決められているときは、充電機会がより短い期間であると予め決められているときよりも、遅い速度で（例えば、小さい充電電流で）エネルギー貯蔵装置を充電することができる。同様に、エネルギー貯蔵装置の放電速度を、来たるべき放電機会の既知の期間に応じて適切に調節することができる。このようにして、充電／放電機会についての事前の情報（例えば、その充電／放電機会の前に、知られ、推測され、かつ／または推定された情報）を利用して、遅い充電／放電速度によってより長い充電／放電期間をより良く利用することが可能である。充電／放電時間が長いと、全体的な損失が減少するなど付随的な利点によって、バッテリの寿命および性能をさらに向上させることができる。一例では、抵抗による熱損失（すなわち、Ｉ^２Ｒ電力損失によるエネルギー損失）を直接低減することにより、全体的な損失を減少させることができる。別の例では、全体的な損失（抵抗またはその他）が減ると、必要な冷却力の量、および他の熱管理要件を減らすことができる。全体的な損失の減少のこうした相乗効果の利点は、充電／放電機会の時間の延長に関する問題より重要なことがある。総合すれば、それにより、こうした動作はより効率的な電力移送をもたらし、充電／放電機会の終わりに所望の充電状態を実現しながらも、車両のエネルギー貯蔵装置の劣化を低減する。
上記の発明の概要は、詳細な説明でさらに説明するいくつかの概念を、単純化した形態で取り入れるために述べられていることを理解されたい。特許請求する主題の重要点または本質的な特徴を特定するものではなく、その範囲は、詳細な説明に続く特許請求の範囲によって一意的に定義される。さらに、特許請求する主題は上記でまたはこの開示の任意の部分で言及した欠点を解決する実装形態に限定されない。
本発明は添付の図面を参照しながら非限定的な実施形態の以下の説明を読むことによってより良く理解されるであろう。

本開示によるエネルギー管理システムを備えたディーゼル電気機関車の例示的な実施形態を示す図である。 所与の所望の充電状態に関する代替の充電／放電プロファイルの例示的なマップを示す図である。 本開示によるエネルギー貯蔵装置の電力移送プロファイルを制御するための高いレベルのフローチャートを示す図である。

充電可能な電気エネルギー貯蔵装置で動作する機関車などの車両は、エネルギー貯蔵装置へのおよび／またはそこからの電力移送速度を制御する総合エネルギー管理システムを備えることができる。エネルギー貯蔵装置の動作条件に基づくだけでなく、任務中に利用可能な充電／放電に応じて電力移送速度を制御することができる。図１を参照しながら、エネルギー管理システムが、機関車の車載型電気エネルギー貯蔵装置の動作条件をモニタリングし、電力移送機会の期間に基づいて、効率的な電力移送を可能にするように充電／放電プロファイルを調節する一例を示す。そのようにする際は、故障率を低下させながらエネルギー貯蔵装置の動作寿命を延ばすことができる。エネルギー貯蔵バンクが複数ある場合には、特定の各貯蔵バンクの経年数、容量、性能、貯蔵状態、温度、および他の動作特性に応じて、電力移送プロファイルをカスタマイズすることができる。図２に示すように、システムは、最後の充電状態を同じにするように様々な充電／放電プロファイルから選択することができる。選択したプロファイルは、電力移送で電力移送機会の期間についての事前の情報を利用できるように、例えば図３に示すような電力移送プロファイルルーチンを実行することによって判定することができる。装置の動作条件および充電／放電機会の来たるべき期間についての所定の情報に応じてエネルギー貯蔵装置の動作をカスタマイズすることによって、装置の動作寿命を改善し故障率を低下させながら、エネルギー貯蔵装置中／外への電力移送の効率を向上させることができる。
図１は、軌道１０４上を走るように構成された、本明細書で機関車１００として示す、例示的なハイブリッド車両システムのブロック図である。本明細書に示すように、一例では、機関車は、主エンジンハウジング１０２内に配置されたディーゼルエンジン１０６を動作させるディーゼル電気車両である。しかし、機関車１００の代替の実施形態では、例えばガソリンエンジン、またはバイオディーゼルエンジンもしくは天然ガスエンジンなど、代替のエンジン構成を採用することができる。図示の例では車両が機関車であるが、そうではなく大型掘削機、掘削ダンプトラックなどのオフハイウェイ車両（ＯＨＶ、ｏｆｆ−ｈｉｇｈｗａｙ ｖｅｈｉｃｌｅ）でよいことが理解されよう。さらに、この車両システムは、海洋および定置の用途で使用できるようなハイブリッド電気推進システムでよい。
機関車の運転乗務員、およびエネルギー管理システム１１６などの機関車システムの制御および管理に関係する電子構成部品は、機関車の運転室１０３内に収容することができる。エネルギー管理システム１１６は、複数のマイクロプロセッサおよび／またはコンピュータを備えることができる。エネルギー管理システム１１６は、車両制御システム１２８と連絡することができる。車両制御システム１２８は、やはり機関車の運転室１０３に配置された車載型制御システムでよい。あるいは、車両制御システムを、離れた位置に配置することができる。車両制御システム１２８および／またはエネルギー管理システム１１６はさらに、全地球測位システム（ＧＰＳ）などの位置特定システム、および任務計画を含むことができ、それにより、エネルギー管理システムが現在の任務プロファイルを認識できるようになる。
ディーゼルエンジン１０６は、駆動軸（図示せず）に沿って交流発電機１０８に送るトルクを生成する。生成したトルクは、交流発電機１０８で使用して電気を生成し、その後車両を伝播する。動作上の需要に基づいて機関車のエンジン１０６を動作させることができる。このようにして生成された電力は、原動機電力と呼ばれることがある。機関車１００の代替の実施形態では、任意選択で、空調、加熱などの補助構成要素のための少量の電力（補助電力）を生成する補助交流発電機を備えることができる。電気バス１１０に沿って下流の様々な電気構成部品に電力を送ることができる。生成した電気出力の性質に基づいて、電気バスは（図示のような）直流（ＤＣ）バスでも交流（ＡＣ）バスでもよい。
交流発電機１０８を１つまたは複数の整流器（図示せず）に直列で接続することができ、その整流器は、交流発電機の電気出力をＤＣ電力に変換し、その後ＤＣバス１１０に沿って送る。ＤＣバス１１０からの電力を受け取る下流の電気構成部品の構成に基づいて、インバータ１１２を使用してＤＣ電力をＡＣ電力に変換することができる。機関車１００の一実施形態では、単一のインバータ１１２は、ＤＣバス１１０から複数の構成要素にＡＣ電力を供給することができる。代替の実施形態では、別々の複数のインバータがそれぞれ、別々の構成要素に電力を供給することができる。さらに他の実施形態では、機関車が、スイッチに接続された１つまたは複数のインバータを含むことができ、そのインバータが、スイッチに接続された異なる構成要素に電力を選択的に供給するように制御できることが理解されよう。
主電動機１２０が、主エンジンハウジング１０２の下方のトラック１２２に取り付けられており、これは、けん引力を供給して機関車を前進させるために、交流発電機１０８からＤＣバス１１０を介して電力を受け取ることができる。本明細書で説明するように、主電動機１２０はＡＣモータでよい。したがって、主電動機と対になったインバータは、主電動機によって引き続き使用するために、ＤＣ入力を三相ＡＣ入力などの適切なＡＣ入力に変換することができる。代替の実施形態では、主電動機１２０は、ＤＣバスに沿った、または適切なＤＣ／ＤＣコンバータを通した、整流および伝達の後で交流発電機の出力を直接用いるＤＣモータでよい。一例の機関車の構成は、１つの車軸１２４につき１対のインバータ／主電動機を含む。本明細書に示すように、機関車の６対の車軸／車輪それぞれに対する６対のインバータ／主電動機を示す。代替の実施形態では、機関車１００を、例えば４対のインバータ／主電動機で構成することができる。その代わりに単一のインバータを複数の主電動機と対にできることが理解されよう。
発電制動して機関車１００を制動するために発電機として働くように主電動機１２０を構成することもできる。具体的には、発電制動中に主電動機は、回転方向の反対の方向のトルクを供給し、それにより電気を生成することができる。生成した電力の少なくとも一部を、本明細書ではバッテリ１１４として示す電気エネルギー貯蔵装置に送ることができる。エネルギー貯蔵装置が全ての発電制動エネルギーを受け取りかつ／または貯蔵することができないときは、過剰なエネルギーを抵抗器のグリッド１２６に送り、熱として放散させることができる。一例では、そのグリッドは、電気バスに直列に直接接続された階層状の抵抗要素を含む。それらの階層状の抵抗要素を、グリッドからの空気の冷却および熱の放散を促進するために主エンジンハウジング１０２の天井近くに配置することができる。さらに、主電動機１２０を駆動するのに必要な量より多くのエネルギーを供給するようにエンジン１０６が動作する期間中には、（過剰な原動機電力とも呼ばれる）過剰な量を任意選択でバッテリ１１４に貯蔵することができる。したがって、主電動機が発電制動モードで動作しているとき以外のときに、エネルギー貯蔵装置を充電することができる。圧縮空気を使用するエアブレーキ（図示せず）を車両制動システムの一部として機関車１００によって使用することもできる。
多数のモータ駆動式の通風装置が、機関車の構成要素を温度制御するために動作することができる。例えば、重労働期間中に主電動機１２０を冷却する主電動機ブロワ、交流発電機１０８を冷却する交流発電機ブロワ、および抵抗器のグリッド１２６を冷却する格子ブロワがある。ブロワはそれぞれ、ＡＣモータまたはＤＣモータによって駆動することができ、したがって、それぞれのインバータによってＤＣバス１１０から電力を受け取るように構成することができる。
エンジンの温度の一部はラジエータ１１８によって維持される。エンジン１０６の周りで水を循環させて、過剰な熱を吸収し、効率的なエンジン動作のための所望の範囲内に温度を抑えることができる。次いで、加熱された水はラジエータ１１８を通ることができ、そのラジエータ１１８では、ラジエータのファンを通して吹かれた空気がその加熱された水を冷却することができる。エンジン１０６をさらに冷却するために、水ベースの冷媒を備える冷却システムをラジエータ１１８と共に任意選択で使用することができる。エネルギー貯蔵装置を冷却するために通風装置および／または冷却システムを使用することもできる。
この例ではバッテリ１１４として示すシステム電気エネルギー貯蔵装置も、ＤＣバス１１０に接続することができる。ＤＣ−ＤＣコンバータ（図示せず）をＤＣバス１１０とバッテリ１１４との間に構築することができ、そのためＤＣバスの（例えば１０００Ｖの範囲の）高い電圧を（例えば１２Ｖ〜７５Ｖの範囲に）適切に低下させて、バッテリで使用することが可能である。ハイブリッド機関車の場合は、車載型電気エネルギー貯蔵装置は、中間のＤＣ−ＤＣコンバータを省略できるように、高電圧のバッテリの形態でよい。
バッテリ１１４は、エンジン１０６を走らせることによって充電することができる。あるいは、バッテリ１１４は回生制動中に充電することができる。バッテリに貯蔵された電気エネルギーをエンジンの待機動作モード中に使用して、ライト、車載型モニタリングシステム、マイクロプロセッサ、プロセッサのディスプレイ、環境制御など、様々な電子構成部品を動作させることができる。ハイブリッド機関車または他のハイブリッド電気推進システムでは、バッテリに貯蔵された電気エネルギーを使用して車両を動かすこともできる。さらに、バッテリ１１４を使用して、エンジン１０６を停止状況から始動させるために初充電することができる。
図示の例では、エネルギー貯蔵装置がバッテリを含むが、代替の実施形態では、電気エネルギー貯蔵装置が複数のエネルギー貯蔵バンクを備えるエネルギー貯蔵システムでよい。それらの貯蔵バンクは、例えば、スーパーキャパシタもしくはウルトラキャパシタ、フライホイール、バッテリ、またはそれらの組み合わせを含むことができる。貯蔵バンクは、別々に使用しても、任意の組み合わせで使用してもよい。組み合わせの場合は、単一のエネルギー貯蔵装置の使用では実現されない相乗的な利益を様々な貯蔵バンクで提供することができる。例えば、フライホイールシステムは、電気エネルギーを比較的迅速に貯蔵することができるが、そのエネルギー貯蔵の全容量は比較的限定されていることがある。一方、バッテリシステムは、比較的ゆっくりとエネルギーを貯蔵するが、全貯蔵容量が大きくなるように構成することができる。したがって、組み合わせたときは、フライホイールは、バッテリによって適時に確保できない発電制動エネルギーを確保することができ、フライホイールに貯蔵されたエネルギーは、その後、バッテリを充電するために使用することができる。このようにして、エネルギー貯蔵システムの全体の貯蔵能力および確保能力は、フライホイール単独またはバッテリ動作単独での限界を超えて拡大される。代替の実施形態では、エネルギー貯蔵装置を、大電力および／またはエネルギーの要件を満たすように、同じタイプまたは異なるタイプの複数のエネルギー貯蔵バンクと組み合わせることができる。一例では、エネルギー貯蔵装置は、例えば複数のリチウムイオンバッテリなど、複数のバッテリを含む。
同じ機関車または代替の機関車に複数のエネルギー貯蔵バンクを配置できることが理解されよう。さらに、バッテリ１１４などの車載型エネルギー貯蔵装置にエネルギーを伝達するために代替のエネルギー源１１７を使用することができる。代替のエネルギー源１１７および／またはエネルギー貯蔵バンクは、エンジンによって充電し、エネルギー管理システム１１６によって管理することもできる。
アンペア時またはキロワット時で示される、バッテリのエネルギー量は、利用可能なエネルギーではなく、典型的には、バッテリに貯蔵された全エネルギーを反映することができる。したがって、代替として放電深度（ＤＯＤ、ｄｅｐｔｈ ｏｆ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）として表される、バッテリの充電状態（ＳＯＣ、ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ）の下限は、実際に利用可能なエネルギーを反映することができる。一例では、ＤＯＤは８０％でよく、これはエネルギー量全体のうち８０％しか使用できないことを示す。充電／放電速度ならびに／あるいはバッテリ１１４へのおよび／またはそこからの電力移送速度を、エネルギー管理システム１１６によって制御することができる。
さらに、エネルギー管理システム１１６は、パワーエレクトロニクス、ＤＣ／ＤＣコンバータまたは双方向ブーストコンバータ、電気接続装置、接触器、およびダイオードを含むことができる。エネルギー管理システム１１６に含むことができる双方向ブーストコンバータ（図示せず）は、代替のエネルギー貯蔵システム、例えば、複数のエネルギー貯蔵装置から構成されたエネルギー貯蔵システム中のウルトラキャパシタまたは第２のバッテリの電圧をバッテリ１１４の電圧から減結合する。
エネルギー管理システム１１６は、バッテリの状況に関係するデータを受け取るように構成することができ、そのデータは、バッテリの充電状態（ＳＯＣ）、バッテリの温度および温度勾配、使用頻度、経過した充電／放電サイクルの数、電力移送の電流および電圧、充電／放電モードの動作時間の和、完了した車両の任務数、車両の移動距離、動作経過時間など含むが、これらに限定されない。さらに、ＧＰＳなど、関連の位置特定システム、またはＴｒｉｐ Ｏｐｔｉｍｉｚｅｒ（登録商標）ソフトウェア（２００７年９月２７日出願の米国特許出願公開第２００７０２１９６８０Ａ１号参照）からの入力は、勾配、制限速度、曲率、および高度を含むがそれらに限定されない、現在の任務ルートのエネルギー管理システムに詳細なプロファイルを提供することができる。あるいは、こうしたデータを、車両のトン数、速度、積載量、または他の統計的入力などの動作パラメータから判定することができる。さらに、こうしたデータを、動作時間、例えば、昼の動作対夜の動作および／または交通量の多い時間の動作対少ない時間の動作に基づいて判定することができる。エネルギー管理システム１１６は、受け取ったデータから、現在の充電／放電機会の詳細なプロファイルを計算することができる。車両用エネルギー貯蔵装置へのおよび／またはそこからの電力移送速度は、電力移送機会の所定の期間に基づいて、その電力移送機会の期間に電力移送のある期間を適合させ、やはり指定の充電状態を実現するように、電力移送機会中にエネルギー管理システムによって調節することができる。電力移送速度はさらに、エネルギー貯蔵装置の動作条件に応じて調節することができる。一例では、動作条件は装置の経年数である。別の例では、動作条件は装置の温度である。複数のエネルギー貯蔵バンクで動作するときは、異なる経年数、構成、寿命と速度の伝達関数（例えば、非線形でよい、バッテリ寿命短縮と充電速度の関係）、および関連の特性、バンクの中および／または外および／または中間への電力移送速度をそれぞれ、関連する各バンクの上記の特性に応じて調節することができることが理解されよう。したがって、個々のバッテリまたはバッテリバンクの充電速度を、こうした特性ならびに充電機会の推定期間に基づいて調節することができる。したがって、バッテリの経年数、使用頻度、効率、および他の動作パラメータに応じて、最大および最小の充電／放電速度を割り当てることができる。任意選択で、またはさらに、同じパラメータを使用して、所望の充電状態に関する最大および最小の閾値を割り当てることができる。任務および／またはバッテリ動作パラメータが変化するときは、充電／放電プロファイルを変更および更新することができる。
図２に、所与の所望の充電状態に関する代替の充電プロファイルを示す例示的なマップ２００を示す。図示のように、マップ２００は、所与のバッテリに対する３つの充電プロファイル２０２、２０４および２０６を有する。バッテリは、充電の速度に関する予め設定した高閾値および低閾値（それぞれＲＯＣ_ｍａｘおよびＲＯＣ_ｍｉｎ）を有することができる。バッテリがＲＯＣ_ｍａｘを超えて充電される場合は、バッテリ構成要素の過熱およびそれに続く劣化が生じることがあり、バッテリ性能の低下につながる。バッテリの充電がＲＯＣ_ｍｉｎ未満の場合は、加速された充電消費が起きることがあり、これはバッテリ容量に悪影響を及ぼす。所与の所望の充電状態に関する代替の放電プロファイルについて同様のマップを計算することができることが理解されよう。異なる充電プロファイル（２０２、２０４、２０６）の充電速度、および充電期間はほとんど異なる。しかし、これらの３つのプロファイルが全て、各曲線の下の領域で計算できるような同じ最終の充電状態をもたらすことが理解されよう。充電プロファイル２０２は、（最大の大きさで表される）最高の充電速度を有するが、最も短期間で充電される。一例として、エネルギー貯蔵装置を、２５０ｋＷｈの充電を行うのに１０００ｋＷ１５分で充電することができる。したがって、充電プロファイル２０２はデフォルト（未調節）の最大電力移送速度プロファイルでよい。例えば、現在の電力移送機会がより短い期間のものであり、かつ／またはバッテリがあまり経年変化していないときは、充電プロファイル２０２を選択することができる。あるいは、充電速度の変化が、故障率の大幅な低下、寿命の延長、冷却力の低減、または関連の構成要素に対する電圧／電流のストレスの低減などの重大な利益をもたらさないときに充電プロファイル２０２を選択することができる。プロファイル２０４を介してプロファイル２０６に向かうときは、充電速度は低下し、充電期間は長くなる。一例として、エネルギー貯蔵装置を、（プロファイル２０４の例として）６００ｋＷ２５分、または（プロファイル２０６の例として）２５０ｋＷ６０分で充電することができる。例えば、現在の電力移送機会がより長い期間のものであり、かつ／またはバッテリが経年変化し、したがって、より速い速度の充電がバッテリの寿命にとって好ましくない、高い内部抵抗が生じるときに、調節した充電プロファイル２０４または２０６を選択することができる。あるいは、速度を低下させることで、装置の故障率を低減し、装置の劣化速度を低下させ、かつ／または装置の寿命を改善するときに、こうした電力移送プロファイルを選択することができる。図示の例は異なる充電プロファイルに関する充電速度（ＲＯＣ）に対する共通の上限および下限を示すが、代替の実施形態では、充電プロファイルそれぞれが、充電速度に関して独立に割り当てられた上限および下限を有してよいことが理解されよう。所望の充電状態に関する高閾値および低閾値は、例えば、エネルギー貯蔵装置の温度、ＳＯＣ、および経年数に応じて調節することができる。あるいは、装置の動作条件に応じてそれらの限度を割り当てることができる。一例では、温度または装置の経年数が上昇するにつれて、指定の充電状態に関して、高閾値を低下させることができ、低閾値を上昇させることができ、それにより、装置に過剰な熱が生じることが防止される。あるいは、所望の最大ＳＯＣを低くすることができる。エネルギー貯蔵装置がエネルギー貯蔵バンクを複数含むときは、個々のバンクそれぞれに関するＲＯＣおよび／またはＳＯＣの最大閾値を、経年数、温度、使用頻度、およびバンクの特性に影響する他の性能に応じて独立に調節することができる。一例では、１つのバンクに関するＲＯＣおよび／またはＳＯＣを上昇させることができるが、正味の明確な利益を生み出すために別のバンクについてのＲＯＣおよび／またはＳＯＣを低下させることができる。例えば、エネルギー貯蔵バンクに基づいて、経年数が異なる複数のバッテリを有するエネルギー貯蔵装置を動作させるときは、より新しいバッテリの電力の使用を増やすことができ、より古いバッテリの使用を減らすことができる。さらに、複数のエネルギー貯蔵バンクの間、および／またはそれらのうちの少なくとも１つの中および外への電力移送速度を、エネルギー貯蔵バンクの動作条件に応じて調節することができる。一例では、これは、電力移送期間に装置の温度が上昇するときに装置の電力移送速度を低下させることによって実現することができる。同様にして、温度条件が異なる複数のエネルギー貯蔵バンクで動作するときは、各バンクの温度に応じてバンクの電力移送プロファイルを調節することができる。例えば、より低温のバンクの電力移送の使用を増加させながらより高温の電力の使用／伝達を減少させることができる。
このようにして、現在の電力移送機会の全期間に電力移送を最大にするようにエネルギー貯蔵装置の電力移送プロファイルを調節することができる。ＲＯＣの最大閾値での電力移送の頻度を低下させ、（可能なときは事前の情報に基づいて）エネルギーエクスカーションを延長することによって、故障率を低減し貯蔵装置の動作寿命を改善しながら効率的な電力移送を実現することができる。
図３に、充電／放電プロファイルルーチン３００を示す。その充電／放電プロファイルルーチン３００は、バッテリの電力移送プロファイルを判定するようにエネルギー管理システム１１６または機関車制御システムのマイクロプロセッサによって実行することができる。そのルーチンにより、電力移送機会の開始時に電力移送速度および／または電力レベルを調節することによって、現在の電力移送機会の終わりに所望のＳＯＣを実現することができる。一例では、現在の電力移送機会は長期間の充電機会である。本明細書では、充電機会の全期間にわたって最大電流レベル（ＲＯＣ_ｍａｘ）で充電すると、充電の終了が早くなる。言い換えると、最大電流レベル（ＲＯＣ_ｍａｘ）で充電するときは、充電機会の推定期間の一部の中で所望の充電状態を実現することができる。したがって、充電機会の推定期間を満たすように、充電速度を低下させることができ、充電期間を長くすることができる。したがって、調節した低い速度で充電するときに、充電機会の実際の終了時に近いときに所望の充電状態を実現することができる。
別の例では、現在の電力移送機会は短い期間の充電機会であり、その期間中の最大電流レベルでの充電がバッテリの過充電になることはない。本明細書では、電力移送プロファイルは、短い期間の最後であるが早くない時期に所望の充電状態を実現できるように、未調節のままにすることができ、（デフォルトの）最大閾値レベルで維持することができる。このようにして、いずれかの充電機会中に確保したエネルギー量を、効率的なエネルギー伝達を可能にしながら最大にすることができる。こうした方法は、バッテリの寿命を改善することもできる。図示の例は充電機会が終わるまでの所望のＳＯＣの実現を示すが、代替の実施形態では、こうした動作が追加の利益をもたらす場合に現在の電力移送機会が終わる前に所望のＳＯＣを実現できることが理解されよう。一例では、ダイオードなどのインターフェース機器に一定の電力消費が存在するので追加の利益を実現することができる。
電力移送機会は、２種類、すなわち、充電機会または放電機会でよい。エネルギー管理システム１１６を、アクティブ動作中に放電エネルギーを向けるべき位置を特定するように構成することができる。一例では、車両をモニタリングするために放電エネルギーを印加することが望ましい場合がある。別の例では、複数のエネルギー貯蔵バンクで動作するときは、代替のバンクのうちの１つのバンクから放電されたエネルギーを貯蔵することがより望ましい場合がある。別の例では、代替の選択肢が利用できない場合に、放電エネルギーを抵抗器のグリッドによって放散することができる。エネルギー管理システムは、充電エネルギーがどこから得られるかを指定することもできる。一例では、回生制動エネルギーから（一気に）充電エネルギーを得ることができるが、代替の例では、エンジンから、またはより制御された形で別の利用可能なエネルギー貯蔵バンクから、充電エネルギーを得ることができる。
３０２では、バッテリの現在のＳＯＣ（Ｑ）が判定される。それらに限定されないが、（例えば鉛蓄電池の）バッテリ電解質の比重測定値、電圧および／または電流の測定値、セルのインピーダンス測定値、あるいはそれらの組み合わせに基づいて、これを推定することができる。あるいは、ＳＯＣの判定を、バッテリの動作時間、車両の移動距離、または他の適切なパラメータの推定値から推測することができる。３０４では、現在の電力移送機会の期間（本明細書ではエネルギーエクスカーション「ｔ」とも呼ばれる）が判定される。３０６では、現在のエネルギーエクスカーションのＳＯＣ（ΔＱ）の最大の変化を判定することができる。エネルギー管理システムは、最大の大きさのＳＯＣの変化を計算することを目指すことができる。したがって、車両システムが現在のエネルギーエクスカーションに供給できる最大電流または電力プロファイルをバッテリが受け入れた場合、ΔＱは、バッテリの状態をそれによって変更できる充電量を表す。さらに、現在の電力移送機会が充電の場合は、ΔＱに正の値を割り当てることができる。現在の電力移送機会が放電の場合は、ΔＱに負の値を割り当てることができる。
一例では、現在のエネルギーエクスカーションおよびＳＯＣの最大の変化は、以前に同じ任務を経たときの同じ車両の履歴および／または統計的分析に基づいて判定することができる。あるいは、以前に同様の任務を経たときの同じ車両の履歴に基づくことができる。代替の実施形態では、同じ任務を経た他の車両の履歴に基づいて、または同様の任務を経た他の車両の統計的平均値に基づいてＳＯＣの最大の変化を計算できることが理解されよう。ルートプロファイルのデータベースまたはスケジュールは、勾配、制限速度、高度、および曲率に関係する詳細を含むことができる。履歴データおよび関連の統計的データを、予め計算することができ、任務の途中でエネルギー管理システムによって簡単にアクセス可能なデータベース、またはルックアップテーブルで利用することができる。現在の機関車の位置をデータベースまたはルックアップテーブルと比較することによって、現在の電力移送機会の期間を判定することができる。その期間は、履歴データおよび統計的データの代わりに、予測した電力使用に基づいてよいことが理解されよう。
同様のデータに基づいてＳＯＣの最大の変化を計算することができる。ΔＱを計算しながら検討できる追加のデータは、車両の積載量、空重、平均燃料消費量、任務の分野、位置、制限速度、所望の速度プロファイル、交通渋滞パラメータ、またはそれらの任意の組み合わせを含むことができる。現在のエクスカーションとデータベースの間の変動を考慮するために、計算した充電／放電機会の期間からバッファ時間を引くことができる。
３０８では、現在の電力移送機会の期間（「ｔ」）全体の、最大電流レベル（ＲＯＣ_ｍａｘ）での、すなわちデフォルトの電力移送プロファイルでの充電（または放電）がバッテリの過充電（または過放電）になるかどうかが判定される。一例では、これは、現在のＳＯＣとＳＯＣ（すなわち、Ｑ＋ΔＱ）の最大の変化の和を、所望の充電状態（ＳＯＣ_ｄｅｓ）の閾値（ＳＯＣ_ｍａｘ≧ＳＯＣ_ｄｅｓ≧ＳＯＣ_ｍｉｎになるような、充電の場合のＳＯＣ_ｍａｘ、放電の場合のＳＯＣ_ｍｉｎ）と比較することによって判定することができる。過充電も過放電も予期されない場合は、３１０で未調節（最大）の電力移送プロファイルを用いることができる。
３０８で過充電（または過放電）が起きることが判定された場合は、３１２では目標ＳＯＣを超えることを避けるように最初に調節した電力移送プロファイルを計算することができる。前に図２で詳細に述べたように、エネルギーエクスカーションの期間および所望の最終ＳＯＣに基づいて電力移送速度を選択することができる。具体的には、電力移送速度を調節するステップが、電力移送機会の期間が長くなるときは、電力移送機会の所定の期間を実質的に満たすように電力移送機会の期間を延ばしながら電力移送速度を遅くするステップを含み、さらに、電力移送機会の期間が短くなるときは、電力移送機会の所定の期間を実質的に満たすように電力移送期間を短縮しながら電力移送速度を速くするステップを含む。
一例では、図２に示すように目標ＳＯＣに達するまで、充電プロファイルをより低いレベルに正確に計算および調節することができる。別の例では、目標ＳＯＣを確実に満たすために電流プロファイルの低減を正確に計算することはできないが、その代わりに、最大電流プロファイルを所定の量などの適切な量によって、または所定の要因によって低減することができる。その所定の量または要因は、車両および／または任務の履歴データベースの詳細に基づいて割り当てることができる。
３１４では、バッテリのパラメータに影響する追加の性能を、エネルギー貯蔵装置の動作条件に応じて電力移送速度をさらに調節できるように判定することができる。これらは、装置の経年数、装置の動作温度、使用頻度、経過した充電／放電サイクルの数、バッテリの全動作時間、およびそれらの組み合わせを含むが、それらに限定されない。一例では、バッテリは古いバッテリでよい。経年劣化したバッテリの性能の損失は、多くの場合、各動作サイクル中に受けたダメージが蓄積することが原因である。バッテリが経年変化するときは、内部抵抗が増大し、したがって、同じ充電状態および同じ電流レベルに関しては、経年変化したバッテリがより多く熱を発生させる傾向がある。したがって、より低いＲＯＣ_ｍａｘおよびより高いＲＯＣ_ｍｉｎを割り当て、したがって、バッテリの電力移送速度をさらに低下させることが望ましい場合がある。パラメータに影響する個々の性能それぞれについて補償係数を計算することができる。あるいは、エネルギー管理システムに構成したルックアップテーブルから予め計算した補償係数を読み取ることができる。したがって、３１６では、パラメータに影響する性能の補償係数を考慮しながら、性能を調節した電力移送プロファイルを電力移送機会の期間中に計算および使用することができる。
このようにして、調節済みのあまり強くない電力移送プロファイルを提供することによって、いくつかの利益を実現することができる。具体的には、効率的なエネルギー伝達、バッテリの寿命の延長、バッテリ構成要素に加熱の低減、および他の車両システム構成要素へのストレスの低減を、最大未満の電流プロファイルを使用して実現することができる。
さらに、電力移送機会中にエネルギー貯蔵装置の電力移送プロファイルを調節することによって、充電機会の期間の事前の知識に基づいて、効率的な電力移送を実現することができる。装置の経年数、温度、容量、および他の動作特性などのパラメータに影響する性能を補償しながら電力移送プロファイルを調節することによって、バッテリの動作寿命を延ばし、性能を向上させることができる。
本明細書では、機関車および他の車両に関して本発明の例示的な実施形態を説明しているが、一般に定置型発電システムを含む動力システムに適用可能であることも理解される。そのためには、指定の任務について検討するときに、これは動力システムで実行するタスクまたは要件を含む。定置の用途、例えば、１つまたは複数の発電機を含む定置型発電ステーション、または発電ステーションのネットワークの場合には、指定の任務は、（１つまたは複数の）発電ステーションによって単独でまたは協働して満たされるワット数または他のパラメータもしくは要件、および／または電力網、電気バスなどからの過剰な電力を貯蔵するように、推定されたまたは既知の機会を参照することができる。ディーゼル燃料の発電システム（例えば、電気エネルギー貯蔵システムにエネルギーを供給するディーゼル発電機システム）の場合は、動作条件は、発電機速度、負荷、燃料供給値、タイミングなどのうちの１つまたは複数を含むことができる。
この書面による明細書は、最良の形態を含む本発明を開示し、任意の装置またはシステムを作製および使用し、組み合わせた任意の方法を実行することを含めて、当業者が本発明を実施できるようにするいくつかの例を用いる。特許性のある本発明の範囲は、請求項によって定義され、当業者が思いつく他のいくつかの例を含むことができる。請求項の文字通りの言葉と相違ない構造上の要素を有する場合、または請求項の文字通りの言葉との相違が実質的でない等価の構造上の要素を含む場合は、このようないくつかの他の例は特許請求の範囲内に包含されるものである。

１００ 機関車
１０２ 主エンジンハウジング
１０３ 運転室
１０４ 軌道
１０６ ディーゼルエンジン
１０８ 交流発電機
１１０ 電気バス、ＤＣバス
１１２ インバータ
１１４ バッテリ
１１６ エネルギー管理システム
１１７ 代替のエネルギー源
１１８ ラジエータ
１２０ 主電動機
１２２ トラック
１２４ 車軸
１２６ 抵抗器のグリッド
１２８ 車両制御システム
２００ マップ
２０２ 充電特性
２０４ 充電特性
２０６ 充電特性
３００ 充電／放電特性ルーチン
３０２ 現在のＳＯＣ（Ｑ）を判定
３０４ 現在のエネルギーエクスカーション（ｔ）の判定
３０６ 現在のエネルギーエクスカーション（ΔＱ）のＳＯＣの最大変化を判定
３０８ 現在の電力移送期間（「ｔ」）全体の、最大電流レベル（ＲＯＣ_ｍａｘ）での、すなわちデフォルトの電力移送特性での充電（または放電）がバッテリの過充電（または過放電）になるかどうかを判定
３１０ 未調節の電力移送特性を使用
３１２ 初期の調節済みの電力移送特性を計算
３１４ パラメータ（例えば、経年数、使用頻度、経過した充電／放電サイクルの数、動作時間の和など）に影響する性能を判定
３１６ 性能を調節した電力移送特性を使用

Claims (20)

1. 電力移送機会中に車両用エネルギー貯蔵装置へのおよび／またはそこからの電力移送速度を制御する方法であって、
   所定の電力移送機会の期間に基づいて、前記電力移送機会の期間に電力移送機会のある期間を適合させ、指定の充電状態を実現するように、前記電力移送速度を調節するステップを含む方法。
2. 前記車両が機関車であり、前記車両が、性能特性が異なる複数のエネルギー貯蔵装置を含み、各エネルギー貯蔵装置の電力移送速度が、前記電力移送機会の期間、および前記性能特性のそれぞれの差に基づいて調節される、請求項１記載の方法。
3. 前記エネルギー貯蔵装置がバッテリを含む、請求項１記載の方法。
4. 前記エネルギー貯蔵装置が、複数のエネルギー貯蔵バンクを備えるエネルギー貯蔵システムである、請求項１記載の方法。
5. 前記複数のエネルギー貯蔵バンクがバッテリを含む、請求項４記載の方法。
6. 前記電力移送速度を調節するステップが、前記電力移送機会の期間が長くなるにつれて、前記所定の電力移送機会の期間を実質的に満たすように前記電力移送の期間を延ばしながら、前記電力移送速度を低下させるステップを含む、請求項１記載の方法。
7. 前記電力移送速度を調節するステップが、前記電力移送機会の期間が短くなるにつれて、前記所定の電力移送機会の期間を実質的に満たすように前記電力移送の期間を短くしながら、前記電力移送速度を上昇させるステップを含む、請求項１記載の方法。
8. 前記エネルギー貯蔵装置の動作条件に応じて前記エネルギー貯蔵装置の前記電力移送速度を調節するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
9. 前記エネルギー貯蔵バンクの動作条件に応じて前記複数のエネルギー貯蔵バンクのうちの少なくとも１つの前記電力移送速度を調節するステップをさらに含む、請求項４記載の方法。
10. 前記動作条件が前記装置の経年数である、請求項９記載の方法。
11. 前記動作条件が前記装置の温度である、請求項９記載の方法。
12. 前記装置の温度に応じて前記エネルギー貯蔵装置の前記電力移送速度を調節するステップが、電力移送期間の間に、前記装置の温度が上昇するにつれて前記装置の前記電力移送速度を低下させるステップを含む、請求項１１記載の方法。
13. 前記エネルギー貯蔵装置の温度および経年数に応じて所望の充電状態に関する高閾値および低閾値を調節するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
14. 高閾値および低閾値を調節するステップが、装置の温度または経年数が上昇するにつれて、前記指定の充電状態に関する前記高閾値を低下させ、前記低閾値を上昇させるステップを含む、請求項１３記載の方法。
15. エネルギー貯蔵装置と、
    電力移送機会中に前記電力移送機会の情報に基づいて前記電力移送機会の期間を予め判定し、前記所定の期間に基づいて前記装置の前記電力移送速度を調節し、それにより、指定の充電状態を実現するために電力移送の実際の期間を調節するように構成された制御システムと
    を備える、機関車用のシステム。
16. 前記制御システムがさらに、前記エネルギー貯蔵装置の動作条件に応じて前記エネルギー貯蔵装置の前記電力移送速度を調節する、請求項１５記載のシステム。
17. エネルギー貯蔵装置と、
    制御システムとを備える機関車用システムであって、
    前記エネルギー貯蔵装置が第１の経年数および第１の温度である、第１の所定の電力移送機会の期間を有する第１の電力移送機会中には、前記制御システムが、第１の電力移送の期間の第１の電力移送速度で前記エネルギー貯蔵装置へのおよび／またはそこからの電力を伝達するように構成され、前記第１の電力移送速度が、前記第１の所定の電力移送機会の期間を実質的に満たすように所望の充電状態に関する第１の高閾値および第１の低閾値を有し、
    前記エネルギー貯蔵装置が前記第１の経年数および前記第１の温度である、前記第１の所定の期間より長い第２の所定の電力移送機会の期間を有する第２の電力移送機会中には、前記制御システムが、第２の電力移送の期間の第２の電力移送速度で前記エネルギー貯蔵装置へのおよび／またはそこからの電力を伝達するように構成され、前記第２の所定の電力移送機会の期間を実質的に満たすように、前記第２の電力移送速度が前記第１の電力移送速度より遅く、前記第２の電力移送の期間が前記第１の電力移送の期間より長く、
    前記エネルギー貯蔵装置が前記第１の経年数および前記第１の温度である、前記第１の所定の期間より短い第３の所定の電力移送機会の期間を有する第３の電力移送機会中には、前記制御システムが、第３の電力移送期間の第３の電力移送速度で前記エネルギー貯蔵装置へのおよび／またはそこからの電力を伝達するように構成され、前記第３の所定の電力移送機会の期間を実質的に満たすように、前記第３の電力移送速度が前記第１の電力移送速度より速く、前記第３の電力移送期間が前記第１の電力移送期間より短い、機関車用システム。
18. 前記エネルギー貯蔵装置が第２の経年数および／または第２の温度であり、前記第２の経年数が前記第１の経年数より長く、前記第２の温度が前記第１の温度より高い、前記第１の電力移送機会中に、前記制御システムがさらに、電力移送の所与の期間に前記エネルギー貯蔵装置の中および／または外へ第４の電力移送速度で電力を伝達するように構成され、前記第４の電力移送速度が前記第１の電力移送速度より低く、前記第４の電力移送速度が、所望の充電状態に関する第２の高閾値および第２の低閾値を有し、前記第２の高閾値が前記第１の高閾値より低く設定され、前記第２の低閾値が前記第１の低閾値より高く設定される、請求項１７記載のシステム。
19. 電力移送機会中に動力システムのエネルギー貯蔵装置へのおよび／またはそこからの電力移送速度を制御する方法であって、
    前記動力システムをスケジュールに従って動作させるステップであって、前記スケジュールが、前記動力システムに電力を発生させるための前記電力移送機会の期間についてのデータを含む、ステップと、
    前記データに基づいて、前記電力移送機会期間に電力移送機会のある期間を適合させ指定の充電状態を実現するように、前記エネルギー貯蔵装置の中または外への電気エネルギーの電力移送速度を調節するステップとを含む方法。
20. 前記電力移送速度が、前記動力システムに接続された別のエネルギー貯蔵装置の経年数に対する前記エネルギー貯蔵装置の経年数に基づいてさらに調節される、請求項１９記載の方法。

Images