JP2012044792A - 車両制御システム及び車両の駆動制御方法，列車制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来技術のディーゼル電気機関車では、エンジンの排気性能と車両の加速性能の両立が課題であった。
【解決手段】エンジンと、発電機と、コンバータと、インバータと、電動機を備える車両の制御システムであって、路線データと、前記車両の速度と、走行速度パターンのいずれか一つ以上に基づいて、電動機の出力の上昇を予測するエンジン負荷予測部を有し、前記電動機の出力上昇の予測値に基づいて電動機の出力の前にエンジン回転数を増加させるエンジン回転数補正部を有することを特徴とする列車制御システムを提供する。これにより、エンジンの排気性能と車両の加速性能の両立が可能となる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、エンジンの出力を電力に変換して、駆動用電動機に交流電力を供給する車両制御システムに関する。

従来技術として、ディーゼル電気機関車を加速させる方法として特許文献１に示す制御技術がある。特許文献１では、ディーゼルエンジンの動力により交流発電機を駆動し、発生された交流電力を整流器により直流電力に変換する。さらに、直流電力を電力変換器にて交流電力に変換して、車両推進用の誘導電動機を駆動し、列車を加速させる。

特開２０００−１１５９０７号公報

一方で、環境意識の高まりからディーゼルエンジンの排ガスについても規制が厳しくなりつつある。ディーゼルエンジンの排ガス浄化技術として、ＥＧＲ（排気ガス再循環）やＤＰＦ（ディーゼルパーティキュレータフィルター）、高圧多段噴射のような技術が開発されてきている。しかし、ＥＧＲガスの還流遅れや過給圧の遅れなどを考えると、煤の発生を抑えるためには、エンジン回転数やエンジン出力の急変を抑える必要がある。

しかしながら、特許文献１では列車を加速させるための動力をエンジンで全て賄わなければならない。よって、エンジンの排気性能を維持しようとしてエンジンの応答性を抑えると、エンジンの応答がボトルネックになって加速性能が悪化し、ジャーニータイムが増加するという課題があった。すなわち、公知技術は、エンジンの排気性能と車両の加速性能の両立が課題であった。

上記課題を解決するため本発明の望ましい態様の一つは、電動機の出力の上昇を予測するエンジン負荷予測部を有し、前記電動機の出力上昇の予測に基づいて電動機の出力の前にエンジン回転数を増加させることを特徴とする列車制御システムである。

本発明により、エンジンの排気性能と、車両の加速性能を両立させることができる。

第１の実施形態における列車制御システムの構成。 第１の実施形態におけるブロック図。 第１の実施形態におけるインバータ出力指令の演算方法。 第１の実施形態における制限速度データ。 第１の実施形態におけるエンジン負荷予測部のフローチャート。 第１の実施形態における制限速度に対するノッチの予測方法。 第１の実施形態における列車制御システムの効果。 第１の実施形態における動作モード表示装置と動作モード切り替え装置。 第２の実施形態における路線の勾配データ。 第２の実施形態におけるエンジン負荷予測部のフローチャート。 第２の実施形態における勾配に対するノッチの予測方法。 第２の実施形態における列車制御システムの効果。 第３の実施形態におけるブロック図。 第３の実施形態における目標走行速度パターン。 第４の実施形態における列車制御システムの構成。 第４の実施形態におけるブロック図。 第５の実施形態における列車制御システムの構成。 第５の実施形態におけるブロック図。 第５の実施形態における効果。 第６の実施形態における列車制御システムの構成。 第６の実施形態におけるブロック図。 第６の実施形態における効果。

（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態のディーゼル電気機関車１に搭載された列車制御システム２の構成である。列車制御システム２は、車両を駆動する電動機１４と、電動機１４駆動用の交流電力を生成するインバータ１２と、発電機９の発生する交流電力からインバータに入力する直流電力を生成するコンバータ１０と、交流電力を発電してコンバータに交流電力を出力する発電機９と、発電機９を駆動するディーゼルエンジン８と、インバータ１２を制御するインバータ制御装置１３と、コンバータ１０を制御するコンバータ制御装置１１と、ディーゼルエンジン８を制御するエンジン制御装置７と、各制御装置に指令を出す列車制御装置６と、運転士のノッチ操作を検出するマスターコントローラ３と、車両の速度を検出する速度検出装置４と、制限速度データが格納されている路線データベース５と、列車制御装置６の動作モードを切り替える動作モード切り替え装置１５と、列車制御装置６の動作モードを表示する動作モード表示装置１６から構成されている。

列車制御装置６は、マスターコントローラ３からノッチ指令を、速度検出装置４から車両速度を、路線データベース５から図４に示す制限速度データを受信する。なお、速度検出装置４は、各車輪に取り付けられた車輪回転角度センサから各車輪１７の速度を求め、各車輪から求めた速度の平均値を使って速度を求める。但し、速度の求め方はこれに限定されず、車両の速度可能な方法であれば置換え可能である。詳細は後述するが列車制御装置６は、前記ノッチ指令，前記車両速度，前記制限速度データに基づき、エンジン回転数指令，直流部電圧指令，インバータ出力指令を求める。

エンジン制御装置７は、前記エンジン回転数指令に基づきエンジンのエンジン回転数を制御する。なお、エンジン制御装置７は排気悪化を防ぐためにエンジン回転数が急増しないように、エンジン回転数に速度の制約を設けている。エンジンで発生した動力で、発電機９を駆動し３相の交流電力を出力する。コンバータ制御装置１１は、発電機９で出力される３相交流電力を必要な分だけ直流電圧に変換し、前記直流部電圧指令になるように直流部の電圧を制御する。インバータ制御装置１３は、インバータ出力指令に基づき電動機１４に電力を供給する。駆動された電動機９により車輪１７に動力が伝わり車両が加速する。なお、鉄道分野ではエンジンは、大出力のディーゼルエンジン８が一般に用いられるが、ガソリンエンジン等の他の内燃機関でもよい。発電機９としては、３相交流発電機９（誘導発電機９又は同期発電機９）が一般的である。コンバータ１０は、整流器やＰＷＭコンバータ１０で構成される。電動機１４としては、３相交流電動機１４（誘導電動機１４または同期電動機１４）が一般的である。

詳細は後述するが、動作モード切り替え装置１５のＯＮ，ＯＦＦ入力が列車制御装置６に入力され、列車制御装置６のエンジン制御モードが切り替えできるようになっている。また、詳細は後述するが、動作モード表示装置１６は、列車制御装置６から入力されたエンジン制御モードに応じてランプを点灯させることで、運転士にエンジン制御モードを明示することができる。

続いて、図２に示す実施例１におけるブロック図を示す。インバータ出力指令演算部３１は、前記車両速度と前記ノッチ指令に基づき、図２より引っ張り特性に応じたインバータ出力指令を演算する。ある速度で惰行から５ノッチに指令が切り替わった場合、図２から求めたのではインバータ出力指令はデジタル的に変わってしまう。そこで、インバータ出力指令の立ち上がる速度を制限する。つまり、インバータ出力指令の立ち上がる速度はノッチ指令を切り替えた後のノッチの高さに比例して上げるものとする。例えば、惰行から１ノッチに切り替えた場合は立ち上がりを遅くし、図２で求められる前記インバータ出力指令にゆっくり立ち上がるようにする。また、惰行から７ノッチに切り替えた場合は、立ち上がり速度を早くし、図２で求められる前記インバータ出力指令に急に立ち上がるようにする。運転士が車両を急加速させたいと思ってノッチ指令を高いノッチに切り替えた時に、インバータ出力の立ち上がりが速くなり、運転士の所望の加速性能が得られる。但し、インバータ出力がエンジン出力を超えるとエンジン回転数が減少し、エンジンがストールする可能性があるので、インバータ出力指令はエンジン出力を超えないようにする。

上述のように求められたインバータ出力指令はインバータ制御装置１３に入力される。エンジン出力指令演算部３２は、前記インバータ出力指令に基づき、エンジンに必要な出力としてエンジン出力指令を求める。エンジン回転数指令演算部３３は、前記エンジン出力指令に対応したエンジン回転数指令を求める。なお、エンジン回転数指令は、エンジンの燃費，排気などを考慮して適切に算出されることが望ましい。前記エンジン回転数指令は、後述するエンジン回転数補正部３４によって補正される。以上のようにエンジン回転数補正部３４で補正されたエンジン回転数指令がエンジン制御装置７に入力される。

また、直流部電圧指令は、コンバータ制御装置１１に入力される。一般的に、直流部の電圧は一定に保たれるように制御されている。例えば、直流部電圧指令は１５００Ｖと設定されており、コンバータ制御装置１１は直流部の電圧を１５００Ｖに保つように必要に応じて発電機９を制御する。

続いて、図５を用いてエンジン負荷予測部３５について説明する。エンジン負荷予測部３５には、路線データベース５から図４に示すような前記制限速度データ及び前記車両速度が入力される。エンジン負荷予測部３５は、Ｓ５１で（１）式より所定時間Δｔ秒後の自車位置ｘ₁［ｍ］を算出する。但し、ｘ₀［ｍ］は現在の自車位置、ν［ｍ／ｓ］は車両速度である。

ｘ₁＝ｘ₀＋νΔｔ （１）
前記現在の自車位置は、前記車両速度を積分して推定する。自車位置の算出方法は、上記に限定する必要はなくＧＰＳ等で求めてもよい。次に、Ｓ５２にて図４に示す制限速度データと前記Δｔ秒後の自車位置より、Δｔ秒後の制限速度を取得する。Ｓ５３では、Δｔ秒後の制限速度と車両速度の偏差を算出する。Ｓ５４では、図６に示すマップよりΔｔ秒後のノッチを予測する。図６では、車両速度が高く、制限速度と車両速度の差が小さい場合は、高速走行中の走行抵抗を超える出力が必要なため運転士は大きなノッチにすると予測する。また、車両速度が低く、制限速度と車両速度の差が大きい場合は、つまり制限速度が車両速度よりも大幅に大きい場合には、大きな加速が必要なので運転士が大きなノッチを入れると予測する。同様の考えから、車両速度が低く、制限速度と車両速度の差が小さい場合は、ノッチが小さくなり、車両速度が高く、制限速度と車両速度の差が高い場合は、ノッチが高くなると予測する。次に、Ｓ５５では、前記予測したノッチより、インバータ出力指令演算部３１と同様の演算を行い、Δｔ秒後以降の電動機１４の出力すなわちエンジン負荷の増加を予測する。以上の処理により、エンジン負荷予測部３５は、Δｔ秒後以降のエンジン負荷の増加を予測できる。

ここでエンジンの特性について述べる。エンジンは、エンジン回転数によって出力できる最大値が決まっており、エンジン回転数が低いと大きなエンジン出力をとれない。一方で、上述のように排気悪化を防ぐため、エンジン回転数の増加速度に制約を設けている。そのため、エンジンが低回転数の状況で急激に大きな出力を出そうとしても、エンジン回転数の速度制約に律速されてエンジン回転数はゆっくり増加するため、所望のエンジン出力が出せないという課題がある。

上記課題を解決するため、エンジン負荷予測部３５で予測した前記エンジン負荷予測値に基づき、エンジン回転数補正部３４は必要に応じてエンジン負荷増加前にエンジン回転数を増加させる。具体的には、エンジン回転数補正部３４は、前記エンジン負荷の予測値とエンジン出力の最速応答（エンジン出力を一番早く立ち上げた時の応答）を比べ、エンジン出力が負荷変動についていけないと判断した場合に、エンジン回転数を増加させる。なお、エンジン出力の最速応答は、エンジン回転数の速度制約とエンジン出力の最大出力曲線から求める。但し、エンジン出力の最速応答の算出方法は、これに限定することはなく、排気悪化を防ぐためにＥＧＲや過給圧の応答性を考慮して決めてもよい。

以上説明した実施例１の効果について図７を用いて説明する。制限速度が１４０［km／ｈ］，８０［km／ｈ］，１４０［km／ｈ］と切り替わる区間である。図７に示すように、制限速度が８０［km／ｈ］から１４０［km／ｈ］に切り替わるタイミング（時刻ｔ₁秒）で、運転士によってノッチが３［Ｎ］から６［Ｎ］に切り替わっている。公知技術（破線）では、運転士のノッチ操作に応じて、エンジン回転数の速度制約に律速されてエンジン回転数が増加し、そのエンジン回転数の増加に合わせて、発電機の出力及び電動機の出力がとれるので、車両速度の立ち上がりが遅くなる。

続いて、本発明の実施例１の動作について図７を用いて一点破線で説明する。時刻ｔ₀において、エンジン負荷予測部３５は、所定時間後の時刻ｔ₁において制限速度と自車速度の偏差が６０［km／ｈ］となると予測する。次に、エンジン負荷予測部３５は、図５よりノッチが現在の３［Ｎ］から６［Ｎ］に切り替わって、エンジン負荷が増加することを予測する。エンジン回転数補正部３４は、エンジン負荷の予測値とエンジン出力の最速応答を比べ、エンジン出力が負荷についていけないと判断した場合に、エンジン負荷増加前にエンジン回転数指令を補正し、エンジン回転数を増加させる。なお、以上のようなエンジン負荷増加前にエンジン回転数を増加させるモードをエンジン準備モードと呼ぶ。以上により、発電機出力，電動機出力は、エンジン回転数の速度制約に律速されることなく、ノッチに合わせて出力を増加させることができる。言い換えると、エンジン負荷予測部３５で予測された電動機の出力が増加される地点よりも手前の地点で、前もってエンジン回転数を増加させる。

その結果、公知例に比べて、エンジンの排気性能を悪化させることなく加速性能を改善でき、ジャーニータイムを短縮できる。

次に、動作モード表示装置１６及び動作モード切り替え装置１５の一例を図８に示す。上記のように本発明は、運転士のノッチ操作とは独立にエンジン回転数を増加させることになる。一般的な列車制御システム２は、ノッチ操作とエンジン回転数は連動して動くため、運転士にとって不安感を与える可能性がある。そこで、システムが正常な判断でエンジン回転数を増加させるということを運転士に伝えて安心感を与えるため、図８に示すように、動作モード表示装置１６は、エンジン準備モードを運転士に明示する。但し、動作モード表示装置１６は上記に限定するものではなく、例えば音声などで運転士に知らせてもよい。また、列車制御装置６がエンジン負荷の上昇を予測できないシーンにおいて、運転士が自由にエンジン準備モードにより加速性能を向上できるようにするため、図８に示すような動作モード切り替え装置１５を設ける。

（第２の実施形態）
続いて、第２の実施形態について、第１の実施形態と相違のある部分を中心に説明する。第２の実施例は、路線データベース５及びエンジン負荷予測部３５以外は実施例１と同じため説明を省略し、路線データベース５及びエンジン負荷予測部３５のみ説明する。

路線データベース５には、図９に示す勾配データが格納されている。なお、ここでは上り勾配を正とする。但し、勾配データの形式はこれに限定する必要はない。

続いて、エンジン負荷予測部３５を、図１０を用いて説明する。Ｓ１０１では、実施例１のＳ５１と同様の処理で所定Δｔ秒後の自車位置ｘ₁［ｍ］を算出する。次に、Ｓ１０２で前記勾配データと前記Δｔ秒後の自車位置より、Δｔ秒後の勾配を推定する。続いて、Ｓ１０３で、図１１に示すマップよりΔｔ秒後のノッチを予測する。車両速度が高く勾配が小さい場合は、高速走行中の走行抵抗に対抗する出力が必要なため運転士は大きなノッチにすると予測する。また、車両速度が低く勾配が大きい場合は、勾配による走行抵抗を超える出力が必要なので運転士が大きなノッチを入れると予測する。同様の考えから、車両速度が低く勾配が小さい場合はノッチが小さく、車両速度が高く勾配大きい場合はノッチが高いと予測する。次に、Ｓ１０４では、前記予測したノッチより、インバータ出力指令演算部３１と同様の演算を行い、Δｔ秒後以降のエンジン負荷の出力増加を予測する。以上の処理により、エンジン負荷予測部３５は、路線の勾配に応じてΔｔ秒後以降のエンジン負荷の出力増加を予測できる。

第２の実施例における効果を、図１２を用いて説明する。勾配が−５［‰］から４０［‰］へ切り替わる区間を走行する場合について説明する。図１２に示すように、勾配が−５［‰］から４０［‰］に切り替わるタイミング（時刻ｔ₁秒）で、運転士によってノッチが３［Ｎ］から６［Ｎ］に切り替わっている。公知技術（点線）では、運転士のノッチ操作に応じて、エンジン回転数の速度制約に律速されてエンジン回転数が増加する。そのエンジン回転数の増加に合わせた発電機出力及び電動機出力しかとれないので、加速が遅く、勾配によって車両速度が低下する。

続いて、本発明の第２の実施形態の動作について説明する。時刻ｔ₀において、エンジン負荷予測部３５は、所定時間後の時刻ｔ₁における勾配が４０［‰］となると予測する。次に、エンジン負荷予測部３５は、図１１よりノッチが現在の３［Ｎ］から６［Ｎ］に切り替わって、エンジン負荷が増加すること予測する。次に、エンジン回転数補正部３４は、エンジン負荷の予測値とエンジン出力の最速応答を比べ、エンジン出力が負荷の増加についていけないと判断し、実際のエンジン負荷増加前にエンジン回転数を増加させる。以上により、発電機出力，電動機出力は、エンジン回転数の速度制約に律速されることなく、ノッチに合わせて出力を増加させることができる。その結果、第２の実施形態の列車制御システム２により、公知例に比べてエンジンの排気性能を悪化させることなく加速性能を改善でき、ジャーニータイムを短縮できる。

（第３の実施形態）
続いて、第３の実施形態について、第１の実施形態と相違のある部分を中心に説明する。第３の実施例は、ＡＴＯ（Automatic Train Operation）が適用されている列車が対象となる。第３の実施形態における列車制御システム２の構成は、図１の路線データベース５が、図１４に示す走行パターンを格納する目標走行速度パターンデータベース１８に置き換わった構成であるため、第１の実施形態と重複する部分は説明を省略する。

第３の実施形態におけるブロック図を図１３に示す。マスターコントローラ３は、ＡＴＯモードであることを列車制御装置６に入力する。ノッチ決定部３６は、ＡＴＯのノッチ操作を決める役割をになう。ノッチ決定部３６は、実施例１と同様に現在の車両速度を積分して現在の車両位置を推定し、前記目標走行速度パターンデータと前記現在車両位置から、目標速度を求める。次に、ノッチ決定部３６は、前記目標速度と前記車両速度からノッチ指令を決める。なお、ノッチの決定方法は上記に限定する必要はなく、例えば路線の制限速度，勾配などの路線情報の情報も利用して決定されてもよく、他のＡＴＯの方式に従ってもよい。第３の実施形態におけるブロック図のノッチ指令以降は、エンジン負荷予測部３５以外は第１の実施形態におけるブロック図と同じため説明を省略する。

第３の実施形態におけるエンジン負荷予測部３５には、前記目標走行速度パターン及び前記車両速度が入力される。エンジン負荷予測部３５は、まず、実施例１のＳ５１と同様の処理で所定時間Δｔ秒後の自車位置ｘ₁［ｍ］を算出する。次に、前記目標走行速度パターンと前記Δｔ秒後の自車位置より、Δｔ秒後の目標速度を推定する。前記Δｔ秒後の目標速度から前記ノッチ決定部３６と同様の処理により、Δｔ秒後のノッチ指令を予測する。以降の処理は、第１の実施形態と同様のため説明を省略する。以上により、エンジン負荷予測部３５で目標走行パターンに追従するノッチ指令を事前に予測できる。予測したエンジン負荷予測値に基づき、エンジン回転数補正部３４は、必要に応じてエンジン負荷増加前にエンジン回転数指令を補正し、エンジン回転数を増加させる。

第３の実施形態における効果は、ＡＴＯによりノッチが決定される以外は、第１の実施形態の効果と同様のため詳細説明を割愛する。以上より、第３の実施形態による列車制御システム２により、公知例に比べてエンジンの排気性能を悪化させることなく加速性能を改善でき、ジャーニータイムを短縮できる。

（第４の実施形態）
図１５は本発明の第４の実施形態による列車制御システム２の構成図である。以後は、第２の実施形態と相違のある部分のみを説明する。第４の実施形態は、運転士のノッチ操作をガイダンスする運転士ガイダンス装置１９および目標走行速度パターンデータベース１８以外は第２の実施形態と同じなので、説明を省略する。運転士ガイダンス装置１９は、目標走行速度パターン及び車両速度に基づき、マスターコントローラ３へノッチガイダンスを出力する。

図１６を用いて、第４の実施形態のブロック図を説明する。運転士ガイダンス装置１９は、まず、現在の車両速度を積分して現在の位置を推定し、前記目標走行速度パターンデータと前記現在車両位置から、目標速度を求める。次に、運転士ガイダンス装置１９は、前記目標速度と前記車両速度からノッチガイダンスを決める。なお、ノッチガイダンスの決定方法は上記に限定する必要はなく、例えば路線の制限速度、勾配などの路線情報の情報も利用して決定されてもよい。以上により、運転士ガイダンス装置１９は、目標走行速度パターン及び車両速度に基づき、マスターコントローラ３へノッチガイダンスを決定する。マスターコントローラ３以降はエンジン負荷予測部３５を除いて、第１の実施形態と同様のため説明を省略する。

第４の実施形態におけるエンジン負荷予測部３５には、前記目標走行速度パターン及び前記車両速度が入力される。エンジン負荷予測部３５は、まず、実施例１のＳ５１と同様の処理で所定時間Δｔ秒後の自車位置ｘ₁［ｍ］を算出する。次に、前記目標走行速度パターンと前記Δｔ秒後の自車位置より、Δｔ秒後の目標速度を推定する。前記Δｔ秒後の目標速度から運転士ガイダンス装置１９と同様の処理により、Δｔ秒後のノッチ指令を予測する。以降の処理は、第１の実施形態と同様のため説明を省略する。以上により、エンジン負荷予測部３５はエンジン負荷を予測できる。エンジン回転数補正部３４は、前記エンジン負荷の予測値に基づいて、必要に応じてエンジン負荷増加前にエンジン回転数指令を補正し、エンジン回転数を増加させる。

第４の実施形態の効果は、ノッチガイダンスに基づいて運転士がノッチを決定する以外は、第１の実施形態の効果と同様のため詳細説明を割愛する。以上より、第４の実施形態の列車制御システム２により、公知例に比べてエンジンの排気性能を悪化させることなく加速性能を改善でき、ジャーニータイムを短縮できる。

（第５の実施形態）
図１７は本発明の第５の実施形態による列車制御システム２の構成である。以下、第１の実施例との相違点のみを説明する。第５の実施形態の列車制御システム２は、第１の実施形態に対して、直流部にブレーキチョッパ２０及びブレーキ抵抗器２１が追加されている点と、列車制御装置６がブレーキチョッパ２０を制御している点と、コンバータ１０の制御方式が変更されている点が異なる。

図１８を用いて、第５の実施形態のブロック図を説明する。第５の実施形態では、エンジン負荷の予測値とエンジン出力の最速応答を比べ、エンジン出力が負荷の変動についていけないと判断した場合（エンジン準備モード時）に、エンジン回転数と同時に発電機出力も増加させる。発電機出力により直流部の電圧があがってしまうので、ブレーキ抵抗器２１で発熱させて直流部の電圧を維持する。以下、第５の実施形態と第１の実施形態の相違点である、コンバータ１０制御とブレーキチョッパ２０の制御について具体的に説明する。コンバータ１０出力指令演算部は、エンジン負荷予測値に基づき、エンジン負荷とエンジン出力の最速応答を比べ、エンジン出力が負荷についていけないと判断した場合に、コンバータ出力指令を増加させる。ノッチ指令とは独立にエンジン回転数（エンジン回転数補正部３４で制御）とエンジン負荷（コンバータ出力指令演算部３７で制御）を自由に設定できるので、コンバータ出力指令は、エンジンの燃費及び排気が最適となるように、エンジン回転数も考慮に入れて決定されることが望ましい。直流電圧制御部３８は、エンジン準備モード中に発電機出力により直流部の電圧があがらないように、直流部の電圧指令に基づき定電圧制御を行う。定電圧制御により、ブレーキチョッパ２０が駆動され、抵抗器での電力が消費される。なお、第５の実施形態においても、エンジン準備モード以外の場合は、第１の実施形態と同じ制御をする。

第５の実施形態における本願の効果について図１９を用いて説明する。列車制御装置６は、時刻ｔ₀までは実施例１と同様の制御を行う。時刻ｔ₀で、エンジン負荷の予測値とエンジン出力の最速応答を比べ、エンジン出力が負荷についていけないと判断する。そして、図１８に示す制御により、実際の電動機１４出力の増加前に、エンジン回転数と発電機出力を増加させる。時刻ｔ₁では、列車制御装置６がノッチ指令に合わせて電動機出力が増加させる。列車制御装置６は、直流電圧部を定電圧制御している。従って、図１９に示すように電動機の出力増加に伴い、直流部の余剰な電力が減るので、ブレーキ抵抗器２１の消費電力は減少する。最終的に、時刻ｔ₂で発電電力の全てが、電動機１４出力となる。時刻ｔ₂以降は、列車制御装置６が、実施例１と同様の制御を行う。

以上により、第５の実施形態の列車制御システム２により、公知例に比べてエンジンの排気性能を悪化させることなく加速性能を改善でき、ジャーニータイムを短縮できる。また、第５の実施形態では、ノッチ指令とは独立にエンジン回転数とエンジン負荷を自由に設定できるので、エンジンの排気と燃費を最適にするようにエンジンを制御することができる。

詳細の説明は割愛するが、以上図１７及び図１８で示したエンジン準備モード中にエンジン回転数と発電機出力を同時に上げる方法は、第２の実施形態，第３の実施形態，第４の実施形態と組み合わせて使うことも可能である。

（第６の実施形態）
続いて、第６の実施形態について、第１の実施形態と相違のある部分を中心に説明する。第６の実施形態における列車制御システム２の構成について、図２０を用いて説明する。列車制御装置６で演算したエンジン負荷の予測値を、運転士ガイダンス装置１９に入力する。運転士ガイダンス装置１９は、前記エンジン負荷の予測値に基づき、ノッチガイダンスを決定し、マスターコントローラ３に入力する。上記以外は第１の実施形態と同様のため説明を省略する。

続いて、第６の実施形態におけるブロック図を図２１に示す。エンジン負荷予測部３５は、第１の実施形態と同様の方法でエンジン負荷の上昇を予測する。列車制御装置６は、前記エンジン負荷の予測値を運転士ガイダンス装置１９に入力する。運転士ガイダンス装置１９は、前記エンジン負荷の予測値とエンジン出力の最速応答を比べ、エンジン出力が負荷についていけないと判断した場合に、前記エンジン負荷の予測値が前記エンジン出力の最速応答以下になるように運転士へのノッチガイダンスを決定する。以上の変更点以外は実施例１と同様のため、説明を省略する。

第６の実施形態の列車制御システムの効果について図２２を用いて説明する。制限速度が１４０［km／ｈ］，８０［km／ｈ］，１８０［km／ｈ］と切り替わる区間である。図２２に示すように、公知例では制限速度が８０［km／ｈ］から１８０［km／ｈ］に切り替わるタイミング（時刻ｔ₁秒）で、惰行から７［Ｎ］に切り替わっている。公知技術では、運転士のノッチ操作に応じて、エンジン回転数の速度制約に律速されてエンジン回転数が増加し、そのエンジン回転数の増加に合わせて、発電機の出力及び電動機の出力がとれるので、車両速度の立ち上がりが遅くなる。

続いて、本発明の実施例６の動作について図２２を用いて説明する。時刻ｔ₀において、エンジン負荷予測部３５は、所定時間後の時刻ｔ₁においてエンジン負荷が急激に増加することを予測する。運転士ガイダンス装置１９は、前記エンジン負荷の予測値とエンジン出力の最速応答を比較し、エンジン出力が負荷についていけないと判断して、エンジン出力が負荷についていけるように惰行→３［Ｎ］→７［Ｎ］とノッチを刻むようにノッチガイダンスを決定する。惰行→３［Ｎ］→７［Ｎ］とノッチを刻むことで、発電機出力，電動機出力は、エンジン回転数の速度制約に律速されることなく、ノッチに合わせて出力を増加させることができる。すなわち、第６の実施形態の列車制御システム２により、エンジンの応答性を考慮して適切なノッチを選択することができ、公知例に比べてエンジンの排気性能を悪化させることなくジャーニータイムを短縮できる。また、電化区間を架線からの電力で、非電化区間をディーゼルエンジン８の発電電力で走る列車では、電化区間と非電化区間で加速性能が違ってくるため、運転士が適切なノッチ操作をすることは難しい。よって、エンジンの応答性を考慮して適切なノッチガイダンスをする第６の実施例は特に有効である。

１ ディーゼル電気機関車
２ 列車制御システム
３ マスターコントローラ
４ 速度検出装置
５ 路線データベース
６ 列車制御装置
７ エンジン制御装置
８ ディーゼルエンジン
９ 発電機
１０ コンバータ
１１ コンバータ制御装置
１２ インバータ
１３ インバータ制御装置
１４ 電動機
１５ 動作モード切り替え装置
１６ 動作モード表示装置
１７ 車輪
１８ 目標走行速度パターンデータベース
１９ 運転士ガイダンス装置
２０ ブレーキチョッパ
２１ ブレーキ抵抗器
３１ インバータ出力指令演算部
３２ エンジン出力指令演算部
３３ エンジン回転数指令演算部
３４ エンジン回転数補正部
３５ エンジン負荷予測部
３６ ノッチ決定部
３７ コンバータ出力指令演算部
３８ 直流電圧制御部

Claims (14)

1. エンジンと、前記エンジンにより駆動される発電機と、前記発電機の出力する交流電力を直流電力へ変換するコンバータと、前記直流電力を変換して交流電力を生成して電動機を駆動するインバータと、を備える車両制御システムであって、
   将来の前記電動機の出力を予測するエンジン負荷予測部と、
   前記エンジン負荷予測部が、将来の前記電動機の出力の上昇を予測した場合に、前記エンジン負荷予測部で予測された前記電動機の出力上昇が生じる前にエンジン回転数を増加させるエンジン回転数補正部と、を有することを特徴とする車両制御システム。
2. 請求項１に記載の車両制御システムであって、
   前記車両の走行位置を検出する位置検出手段を備え、
   前記エンジン負荷予測部は、位置情報と関連付けられた制限速度情報，路線の勾配情報，目標走行速度パターンのすくなくともいずれかの情報に基づいて、前記車両の進行方向前方の地点における前記電動機の出力を予測することを特徴とする車両制御システム。
3. 請求項１に記載の車両制御システムであって、
   前記車両の走行位置を検出する位置検出手段を備え、
   前記エンジン負荷予測部は、前記車両の進行方向前方の地点における予め定められた前記車両の制限速度が前記車両の速度よりも大きい場合に、前記電動機の出力上昇を予測することを特徴とする車両制御システム。
4. 請求項１に記載の車両制御システムであって、
   前記車両の走行位置を検出する位置検出手段を備え、
   前記エンジン負荷予測部は、前記車両の進行方向前方の地点における路線の上り勾配が現位置よりも大きくなる場合に前記電動機の出力上昇を予測することを特徴とする車両制御システム。
5. 請求項１に記載の車両制御システムであって、
   前記車両の走行位置を検出する位置検出手段を備え、
   前記車両の走行位置に対応した目標速度に追従して走行速度を制御するノッチ決定部を有し、
   前記エンジン負荷予測部は、前記車両の進行方向前方の地点において前記ノッチ決定部で決定されるノッチを予測し、該ノッチの予測値に基づき前記電動機の出力上昇を予測することを特徴とする車両制御システム。
6. 請求項１に記載の車両制御システムであって、
   前記エンジン回転数補正部は、エンジン出力の最速応答から算出される前記電動機の出力値と前記電動機の出力の予測値を比較し、
   前記電動機の出力上昇の予測値が前記エンジン出力の最速応答から算出される前記電動機の出力値より大きい場合に、
   予測された前記電動機の出力上昇が生じる前に前記エンジン回転数を増加させることを特徴とする車両制御システム。
7. 請求項１に記載の車両制御システムであって、
   前記コンバータと前記インバータの間の直流電力部分に接続されるブレーキ抵抗器と、
   前記ブレーキ抵抗器への電流を調整するブレーキチョッパと、
   前記エンジン負荷予測部が将来の前記電動機の出力上昇を予測した場合に、前記エンジン負荷予測部で予測された前記電動機の出力上昇が生じる前に前記発電機の出力を増加させるコンバータ出力指令補正部と、
   前記発電機から出力される電力であって前記電動機の出力に使わない余剰な電力を、前記ブレーキ抵抗器で消費させるように前記ブレーキチョッパを制御する直流電圧制御部と、を有することを特徴とする車両制御システム。
8. エンジンと、前記エンジンにより駆動される発電機と、前記発電機の出力する交流電力を直流電力へ変換するコンバータと、前記直流電力を変換して交流電力を生成して電動機を駆動するインバータと、を備える車両制御システムにおいて、
   将来の前記電動機の出力上昇を予測するエンジン負荷予測部と、
   前記電動機の出力上昇の予測値に基づいて、予測された前記電動機の出力上昇が生じる前に前記車両の運転手に対してノッチをガイダンスする運転士ガイダンス装置と、を有することを特徴とする車両制御システム。
9. 請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の車両制御システムであって、
   前記エンジン負荷予測部で予測された前記電動機の出力上昇が生じる前に前記エンジン回転数を増加させる場合に、
   前記運転手に対し前記エンジン回転数を増加させることを通知する動作モード表示装置を有することを特徴とする車両制御システム。
10. 請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の車両制御システムであって、
    前記エンジン負荷予測部で予測された前記電動機の出力上昇が生じる前にエンジン回転数を増加させる動作モードと、
    エンジン回転数をノッチ指令に応じて制御する動作モードと、を切り替える切り替え装置を有することを特徴とする車両制御システム。
11. エンジンと、前記エンジンにより駆動される発電機と、前記発電機の出力する交流電力を直流電力へ変換するコンバータと、前記直流電力を変換して交流電力を生成して電動機を駆動するインバータと、を備える車両の駆動制御方法であって、
    将来の前記電動機の出力上昇を予測するステップと、
    前記電動機の予測された出力上昇が生じる前に、前記エンジン回転数を増加させるステップと、を備えたことを特徴とする車両の駆動制御方法。
12. 請求項１１に記載の車両の駆動制御方法において、
    前記車両の走行位置を検出するステップを備え、
    前記将来の前記電動機の出力上昇は、位置情報と関連付けられた制限速度情報，路線の勾配情報，目標走行速度パターンの少なくともいずれか１つの情報に基づいて予測されることを特徴とする車両の駆動制御方法。
13. エンジンと、前記エンジンにより駆動される発電機と、前記発電機の出力する交流電力を直流電力へ変換するコンバータと、前記直流電力を変換して交流電力を生成して電動機を駆動するインバータと、を備える列車に搭載され、
    前記エンジンの回転数を制御するエンジン回転数指令を演算するエンジン回転数指令演算部と、
    車両の走行位置情報を用いて、将来の前記電動機の出力値を予測するエンジン負荷予測部と、
    前記エンジン負荷予測部が、将来の前記電動機の出力の上昇を予測した場合に、前記エンジン負荷予測部で予測された前記電動機の出力上昇が生じる前にエンジン回転数指令の値を増加させるエンジン回転数補正部と、を有することを特徴とする列車制御装置。
14. 請求項１３に記載の列車制御装置であって、
    前記エンジン負荷予測部は、位置情報と関連付けられた制限速度情報，路線の勾配情報，目標走行速度パターンのすくなくともいずれか１つの情報と、車両の走行位置情報とに基づいて、前記車両の進行方向前方の地点における前記電動機の出力を予測することを特徴とする列車制御装置。

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