JP2012147611A - 列車制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】ハイブリッド鉄道車両において、エンジン出力を充電してから駆動力に利用するような、充電放電の二重損失伴う出力プロセスを回避するために、バッテリの放電は発車から制限速度まで等大きな駆動力を必要な時に使用し、大きな駆動力は不必要でありエンジンのみの出力で走行可能な惰行再力行走行中の充放電を抑止する。
【解決手段】エンジン１０１とバッテリ１０２と、エンジン１０１とバッテリ１０２からの出力を車輪の力に変換する駆動装置１０３と、バッテリ１０２に対する出力指令とエンジン１０１に対する出力指令を出力する駆動制御装置１０４とを備える列車制御システムにおいて、駆動制御装置１０４は速度履歴から惰行再力行走行を検知し、惰行再力行走行状態を検知した場合に、エンジン１０１に対して駆動装置１０３が出力する駆動力分の出力を指令し、バッテリ１０２に対して出力０を指令することを特徴とする駆動制御装置を備えた。
【選択図】図１

Description

この発明は、ハイブリッド鉄道車両に関するものである。

鉄道車両では、インバータ技術の導入により、減速時に発生するエネルギーを再利用できる回生ブレーキが利用されている。近年は、架線のない非電化区間向けの車両として、ディーゼルエンジンとバッテリを搭載し、回生ブレーキにより減速時のエネルギーをバッテリに充電し、加速時にバッテリから放電して走行するディーゼルハイブリッド鉄道車両が開発されている。ディーゼルハイブリッド鉄道車両は、回生ブレーキにより従来のディーゼル車両よりも省エネルギー性能が向上する。さらに、加速時にはエンジンとバッテリ双方の出力で車輪を駆動することにより、同じエンジン容量を搭載した従来のディーゼル車両に比べて加速性能が向上する。一方、過充電や過放電によるバッテリ寿命の低下が問題だった。この問題を解決するために、バッテリ充電量を一定に保つように充放電電力を制御する特許文献１がある。

特開２００８−６７５１０号公報

しかしながら、特許文献１で記述する方法では、大きな駆動力を必要としない状況においても、エンジンとバッテリの双方の出力により、不必要に大きな駆動力を発生させており、この時のバッテリ充電量の低下分をエンジン出力で発電した電力で充電することで補填する。このため、エンジン出力をバッテリに充電する際に損失が生じ、さらに充電したエネルギーを放電する際にも損失が生じ、エンジン出力が車輪での駆動力として活用されるまでに充電と放電の二重の損失が生じ、省エネルギー性能が低下していた。

一方、鉄道車両は、駅間の大部分において、力行と惰行を繰り返して速度を維持する惰行再力行運転により走行するのが一般的である。この惰行再力行走行時は、速く加速しても遅く加速しても平均速度は変わらないため、大きな駆動力を必要としない代表的な状況である。

本発明は、上記の課題を踏まえて、エンジン出力を用いたバッテリの充電による二重の損失を回避するために、バッテリの放電を、発車から制限速度まで加速する場合等大きな駆動力を必要な時に限定し、大きな駆動力を必要としない惰行再力行走行中の充放電を停止することにより、省エネルギー性能を向上させることを目的としている。

本発明は、上記の問題を解決するために、エンジンと、電力を充放電可能なバッテリと、エンジンの駆動力とバッテリからの出力電力を車輪の駆動力に変換する駆動装置と、エンジンに対する出力指令とバッテリに対するバッテリ出力指令を出力する駆動制御装置を備える列車制御システムにおいて、駆動制御装置は、車両の惰行再力行走行を検知した際に、バッテリからの出力電力を抑制して、エンジンの出力するエネルギーで走行するように制御する。

好ましくは、駆動制御装置は、車両速度の履歴に含まれる速度の最大値と最小値の差が予め設定した値以下となった場合に惰行再力行走行を検知する。

また好ましくは、駆動制御装置は、所定区間において予め定められた制限速度と車両速度の差が予め設定した速度幅以下となった場合に惰行再力行走行を検知する。

また好ましくは、予め設定した速度幅は、予め設定した速度の範囲内で車両が加速と惰行を繰り返して走行した場合にダイヤを満足するように設定する。

また好ましくは、予め設定した速度幅は、制限速度に応じて設定する。

また好ましくは、駆動制御装置は、運転士からのノッチ指令を入力とし、ノッチ指令がノッチオフをトリガとして惰行再力行走行を検知し、ノッチオンが予め設定した時間以上継続した場合に惰行再力行走行の検知を解除する。

また好ましくは、駆動制御装置は、速度の積分値から得られる車両位置を入力とし、車両位置が予め設定した区間となった場合に、惰行再力行走行を検知する。

また好ましくは、駆動制御装置は、速度の積分値から得られる車両位置を入力とし、車両位置が過去の走行において同じ制限速度領域で惰行再力行を複数回繰り返す区間となった場合に、惰行再力行走行を検知する。

本発明によれば、惰行再力行走行状態を検知し、惰行再力行走行状態の無駄な放電を停止することで、エンジン出力を充電してから駆動に使用するために生じる充電放電の二重の損失を回避し、省エネルギー性能を向上させることができる。

本発明の実施形態１による列車制御システムの構成図である。 本発明の実施形態１に係る駆動制御装置１０４の処理の一例である。 本発明の実施形態１に係る駆動制御装置１０４の動作例である。 本発明の実施形態２による列車制御システムの構成図である。 本発明の実施形態２に係る駆動制御装置４０３の処理の一例である。 本発明の実施形態２に係る駆動制御装置４０３の動作例である。 本発明の実施形態３による列車制御システムの構成図である。 本発明の実施形態３に係る駆動制御装置７０２の処理の一例である。 本発明の実施形態３に係る駆動制御装置７０２の動作例である。 本発明の実施形態４による列車制御システムの構成図である。 本発明の実施形態４に係る駆動制御装置１００２の処理の一例である。 本発明の実施形態４に係る駆動制御装置１００２の動作例である。 シリーズ方式における駆動システムの構成図である。 パラレル方式における駆動システムの構成図である。 ノッチと車両速度に対する引張力指令の一例を示す図である。

以下に、各実施例に分けて本発明の具体的な実施形態を説明する。各実施例に共通する本発明のハイブリッド鉄道車両の駆動システム構成図を図１３と図１４に示す。本発明は、図１３または図１４に示すハイブリッド鉄道車両の駆動システムに対するものである。図１３の駆動システムは、一般にシリーズ方式と呼ばれ、燃料から回転エネルギーを発生させるエンジン１０１と、回転エネルギーから電力を発生させる発電機，該発電装置で発生した交流電力を直流電力に変換する電力変換器，電力の充放電が可能なバッテリ１０２，直流電力を交流電力に変換するインバータと該インバータにより制御される電動機とで構成される駆動装置１０３，電動機の回転軸と連結した車輪１０５、を備える。図１４の駆動システムは、一般にパラレル方式と呼ばれ、燃料から回転エネルギーを発生させるエンジン１０１と、エンジンの回転軸に連結した変速機，エンジンと変速機の間に備えた発電機兼モータ，該発電機兼モータを駆動するインバータとで構成される駆動装置１０３，変速機の回転軸と連結した車輪１０５、とを備える。

〔実施形態１〕
図１は本発明の実施形態１によるハイブリッド鉄道車両を示す構成図である。図１において、ハイブリッド鉄道車両は、図１３および図１４で説明した通り、エンジン１０１，バッテリ１０２，駆動装置１０３，駆動制御装置１０４および車輪１０５を備える。

駆動装置１０３は、シリーズ方式、またはパラレル方式による、一般的なハイブリッド鉄道車両の駆動装置であり、エンジン１０１からのエンジン出力１０６とバッテリ１０２からのバッテリ出力電力１０７とを入力とし、車輪１０５への駆動力を出力する。

駆動制御装置１０４は、速度履歴１１０と運転士からの引張力指令１１１を入力とし、バッテリ１０２に対するバッテリ出力指令１０８とエンジン１０１に対するエンジン出力指令１０９を出力する。ここで引張力指令１１１とは運転士がノッチを操作することで車両に対して要求される駆動力である。引張力指令１１１は一般に、図１５に示すようにノッチと車両の速度に対する設計値に基づき運転台で作成される。

駆動制御装置１０４について詳述する。

図２は、本発明の実施形態１に係る駆動制御装置１０４の処理の一例である。

駆動制御装置１０４は、速度履歴１１０に含まれる速度の最大値２０１と速度履歴１１０に含まれる速度の最小値２０２の差が、設定値２０３よりも小さい場合に惰行再力行走行とみなし、惰行再力行走行中はエンジン出力指令１０９として、引張力指令１１１に相当する出力を出力し、バッテリ出力指令１０８として、０を出力する。それ以外の場合においては、一般的なハイブリッド鉄道車両の制御装置２０４により決定されるエンジン出力指令１０９とバッテリ出力指令１０８を出力する。制御装置２０４の具体例としては、エンジンが最適効率となる出力をエンジン出力指令１０９とし、不足分をバッテリ出力指令１０８とする制御装置２０４により指令することが考えられる。

設定値２０３は、運転士が惰行から再力行に切換える速度幅と制限速度までの幅に設定することが望ましい。鉄道事業者の運転規則により再力行に切換える制限速度からの速度幅が定められている場合には、設定値２０３として規則に記載の速度幅に設定する。規則により定められていない場合には、与えられた惰行再力行の速度幅で走行した場合に、ダイヤが定める所要時間を満足する速度幅を設定値２０３とすることで設定する。

図３は本発明の実施形態１に係る駆動制御装置１０４の速度履歴１１０として過去１０秒間の速度履歴を用い、さらに、設定値２０３を１０km／ｈと設定した場合における動作の一例を示している。車両は発車すると制限速度まで加速する。制限速度まで加速すると、惰行再力行走行を開始し、それに伴い速度履歴の最大値２０１と速度履歴の最小値２０２の差が低下する。

時刻ｔ１において、速度履歴の最大値２０１と速度履歴の最小値２０２の差が１０km／ｈ以下となると、エンジン出力指令１０９として、引張力指令１１１に相当する出力を出力し、バッテリ出力指令１０８として、０を出力する。この間、バッテリの充放電は停止し、充電量は一定値に保たれる。制限速度が解除されると再び加速する。

時刻ｔ２になると、速度履歴の最大値２０１と速度履歴の最小値２０２の差が１０km／ｈ以上となり、惰行再力行検知が解除され、充放電が可能となり、充電量が変化する。

最高速度まで加速すると、惰行再力行走行を開始し、それに伴い速度履歴の最大値２０１と速度履歴の最小値２０２の差が低下する。

時刻ｔ３において、速度履歴の最大値２０１と速度履歴の最小値２０２の差が１０km／ｈ以下となると、エンジン出力指令１０９として引張力指令１１１に相当する出力を出力し、バッテリ出力指令１０８として０を出力する。この間、バッテリの充放電を停止し、充電量を一定値に保つ。

時刻ｔ４において、車両が駅停車のために減速を開始すると、速度履歴の最大値２０１と速度履歴の最小値２０２の差が増加する。速度履歴の最大値２０１と速度履歴の最小値２０２の差が１０km／ｈ以上となったら、充放電が可能となり、充電量が変化する。

以上のように、本発明の実施形態１のハイブリッド鉄道車両は、車両速度の履歴から、速度の変化が予め設定した幅に収まった場合に充放電を停止する駆動制御装置１０４を備えることにより、大きな駆動力を必要としない惰行再力行走行中の充放電を停止することができる。このことにより、エンジン出力を充電してから駆動力とするという、充電放電の二重の損失を伴う出力プロセスを回避することができる。

なお、従来のハイブリッド鉄道車両において、惰行再力行走行状態では惰行再力行走行中に次の加速に備えて充電していたが、本発明では、惰行再力行走行状態に放電しないので、発車時に十分な充電量が確保されていれば、最高速度に加速するまでに充電量過放電になることはない。

〔実施形態２〕
実施形態１では、速度履歴に含まれる速度幅を指標として惰行再力行走行を検知するようにしたが、速度と制限速度との差分を指標に用いることで惰行再力行走行を検知するようにしてもよい。

図４は、本発明の実施形態２によるハイブリッド鉄道車両を示す構成図である。

本実施形態では、速度４０１と制限速度４０２を入力とする駆動制御装置４０３を備えることが実施形態１と異なる。

図５は，本発明の実施形態１に係る駆動制御装置４０３の処理の一例である。

駆動制御装置４０３は、速度４０１と制限速度４０２（軌道の所定区間に設定される車両の制限速度）の差が設定速度５０１よりも小さくなった場合、または、列車の最高速度５０２と速度４０１との差が設定速度５０３よりも小さくなった場合に惰行再力行走行とみなすことで、惰行再力行走行状態を検知し、惰行再力行走行中はエンジン出力指令１０９として、引張力指令１１１に相当する出力を出力し、バッテリ出力指令１０８として、０を出力する。それ以外の場合においては、一般的なハイブリッド鉄道車両の制御装置２０４により決定されるエンジン出力指令１０９とバッテリ出力指令１０８を出力する。制御装置２０４の具体例としては、エンジンが最適効率となる出力をエンジン出力指令１０９とし、不足分をバッテリ出力指令１０８とする制御装置２０４により指令することが考えられる。

設定速度５０１と設定速度５０３は、運転士が惰行から再力行に切換える速度と制限速度までの幅に設定することが望ましい。鉄道事業者の運転規則により惰行から再力行に切換える速度が、制限速度からの速度幅で定められている場合には、設定速度５０１と設定速度５０３を規則に記載の速度幅に設定する。規則により定められていない場合には、駅間の所要時間が惰行から再力行に切換える速度幅に依存することを利用し、駅間距離とダイヤに基づく所要時間から、予め設定した速度の範囲内で車両が加速と惰行を繰り返して走行した場合にダイヤを満たす走行ができるように設定速度５０１と設定速度５０３を逆算することで設定する。

図６は本発明の実施形態２に係る駆動制御装置１０４の、設定速度５０１を１０km／ｈ、設定速度５０３を１０km／ｈと設定した場合における動作の一例を示している。車両は発車すると制限速度まで加速する。制限速度まで加速すると、惰行再力行走行を開始する。車両が発車した後、時刻ｔ１において車両の速度と制限速度との差が１０km／ｈよりも小さくなると、惰行再力行を検知し、エンジン出力指令１０９として引張力指令１１１に相当する出力を出力し、バッテリ出力指令１０８として、０を出力する。この間、バッテリの充放電は停止し、充電量は一定値に保たれる。時刻ｔ２において制限速度が解除されると、車両は最高速度を遵守した走行となる。車両の速度と最高速度との差は１０km／ｈよりも大きいため、惰行再力行検知は解除され、充放電を伴った走行となり、充電量が変化する。時刻ｔ３となり、車両の速度と最高速度との差が１０km／ｈよりも小さくなると、エンジン出力指令１０９として、引張力指令１１１に相当する出力を出力し、バッテリ出力指令１０８として、０を出力する。この間、バッテリの充放電は停止し、充電量は一定値に保たれる。時刻ｔ４になると車両が駅停車のために減速を開始し、車両の速度と最高速度との差が１０km／ｈよりも大きくなると、充放電が可能となり、充電量が変化する。

以上のように、本発明の実施形態２のハイブリッド鉄道車両は、制限速度及び最高速度と車両の速度の差が設定値以下となったら充放電を停止する駆動装置４０３を備えることにより、実施形態１と同様の効果を実現できる。

〔実施形態３〕
実施形態２では、速度と制限速度との差分を指標として惰行再力行走行を検知したが、運転士のノッチ指令の切替操作を用いることで惰行再力行走行を検知してもよい。

図７は、本発明の実施形態３によるハイブリッド鉄道車両を示す構成図である。

本実施形態では、ノッチ指令７０１を入力として惰行再力行走行を検知する駆動制御装置７０２を備えることが実施形態２と異なる。

図８は本発明の実施形態３に係る駆動制御装置７０２の処理の一例である。

駆動制御装置７０２は、ノッチ指令７０１がノッチオフ以外の状態からノッチオフとなったら惰行再力行走行開始と判断し、ノッチオフ以外の状態が設定時間８０１以上継続したら惰行再力行走行終了と判断する。惰行再力行走行開始から惰行再力行走行終了までの間、エンジン出力指令１０９として、引張力指令１１１に相当する出力を出力し、バッテリ出力指令１０８として、０を出力する。それ以外の場合においては、先行技術文献に示されている一般的なハイブリッド鉄道車両の制御装置により決定されるエンジン出力指令１０９とバッテリ出力指令１０８を出力する。

設定時間８０１は惰行再力行走行時の一回の再力行に必要な時間に設定する。一回の再力行に必要な時間は、実施形態１に記載の惰行から再力行に切換える速度と制限速度の幅から、車両の駆動特性を基に、再力行の加速時間を算出することで設定する。

図９は本発明の実施形態３に係る駆動制御装置７０２の設定時間８０１を３０秒とした場合における動作の一例を示している。車両は発車すると制限速度まで加速する。時刻ｔ１においてノッチ指令が０となったら、惰行再力行走行の開始を検知し、エンジン出力指令１０９として引張力指令１１１に相当する出力を出力し、バッテリ出力指令１０８として、０を出力する。制限速度が解除されると、ノッチ指令１以上が指令され、車両は最高速度まで加速を始める。時刻ｔ２においてノッチ指令１が指令され、ノッチ指令１以上が３０秒継続した時刻ｔ３において惰行再力行検知が解除される。この間、充放電を伴った走行となり、充電量が変化する。時刻ｔ４において最高速度に達し、ノッチが０となったら、惰行再力行走行の開始を検知し、エンジン出力指令１０９として引張力指令１１１に相当する出力を出力し、バッテリ出力指令１０８として、０を出力する。時刻ｔ５において車両が駅停車のために減速を開始すると、この時ノッチは０未満であるので、惰行再力行検知が解除される。この間、充放電が可能となり、充電量が変化する。

以上のように、本発明の実施形態３のハイブリッド鉄道車両は、ノッチ指令７０１を用いて惰行再力行走行を検知する駆動制御装置７０２を備えることにより、実施形態１，実施形態２と同様の効果を実現できる。

〔実施形態４〕
実施形態３では、運転士のノッチ指令の切替操作を用いることで惰行再力行走行を検知したが、車両の位置が予め設定した区間となったら惰行再力行走行を検知してもよい。

図１０は、本発明の実施形態４によるハイブリッド鉄道車両を示す構成図である。

本実施形態では、車両位置１００１を入力として惰行再力行走行を検知する駆動制御装置１００２を備えることが実施形態３と異なる。車両位置１００１は速度の積分や、ＧＰＳ情報およびトランスポンダ等により得る。

図１１は本発明の実施形態４に係る駆動制御装置１００２の処理の一例である。駆動制御装置１００２は、位置に対して惰行再力行区間を定めた惰行再力行位置データ１１０１を備え、惰行再力行位置データ１１０１に対し車両位置１００１を参照することで惰行再力行走行を検知する。惰行再力行走行を検知中は、エンジン出力指令１０９として、引張力指令１１１に相当する出力を出力し、バッテリ出力指令１０８として、０を出力する。それ以外の場合においては、先行技術文献に示されている一般的なハイブリッド鉄道車両の制御装置により決定されるエンジン出力指令１０９とバッテリ出力指令１０８を出力する。

惰行再力行位置データ１１０１は、過去の車両走行の実績から、同じ速度領域で惰行再力行走行を複数回繰り返した区間を惰行再力行走行区間と設定する。

図１２は本発明の実施形態４に係る駆動制御装置１００２の、距離０.５〜２.５kmと距離３.５〜７kmを惰行再力行走行区間と定めた場合における動作の一例を示している。車両は発車すると制限速度まで加速する。位置ｐ１に達し、距離が０.５kmを超えたら、惰行再力行走行の開始を検知し、エンジン出力指令１０９として引張力指令１１１に相当する出力を出力し、バッテリ出力指令１０８として、０を出力する。制限速度が解除されると、ノッチ指令１以上が指令され、車両は最高速度まで加速を始める。位置ｐ２に達し、距離が２.５kmを超えたら惰行再力行検知が解除し、充放電を伴った走行となり、充電量が変化する。位置ｐ３に達し、距離が３.５kmを超えたら、惰行再力行走行の開始を検知し、エンジン出力指令１０９として引張力指令１１１に相当する出力を出力し、バッテリ出力指令１０８として、０を出力する。位置ｐ４に達し、距離が７kmを超えたら、惰行再力行完治が解除され、充放電が可能となり、充電量が変化する。

以上のように、本発明の実施形態４のハイブリッド鉄道車両は、車両位置１００１を用いて惰行再力行走行を検知する駆動制御装置１００２を備えることにより、実施形態１，実施形態２と同様の効果を実現できる。

１０１ エンジン
１０２ バッテリ
１０３ 駆動装置
１０４ 駆動制御装置
１０５ 車輪
１０６ エンジン出力
１０７ バッテリ出力電力
１０８ バッテリ出力指令
１０９ エンジン出力指令
１１０ 速度履歴
１１１ 引張力指令
２０１ 速度履歴に含まれる速度の最大値
２０２ 速度履歴に含まれる速度の最小値
２０３ 設定値
２０４ ハイブリッド車両制御装置
４０１ 速度
４０２ 制限速度
５０１，５０３ 設定速度
５０２ 最高速度
７０１ ノッチ指令
８０１ 設定時間
１００１ 車両位置
１１０１ 惰行再力行位置データ

Claims (8)

1. エンジンと、
   電力を充放電可能なバッテリと、
   前記エンジンの駆動力と前記バッテリからの出力電力を車輪の駆動力に変換する駆動装置と、
   前記エンジンに対する出力指令と前記バッテリに対するバッテリ出力指令を出力する駆動制御装置を備える列車制御システムにおいて、
   前記駆動制御装置は、車両の惰行再力行走行を検知した際に、前記バッテリからの出力電力を抑制して、前記エンジンの出力するエネルギーで走行するように制御することを特徴とする列車制御システム。
2. 請求項１の列車制御システムにおいて、
   前記駆動制御装置は、車両速度の履歴に含まれる速度の最大値と最小値の差が予め設定した値以下となった場合に惰行再力行走行を検知することを特徴とする列車制御システム。
3. 請求項１の列車制御システムにおいて、
   前記駆動制御装置は、所定区間において予め定められた制限速度と車両速度の差が予め設定した速度幅以下となった場合に惰行再力行走行を検知することを特徴とする列車制御システム。
4. 請求項３の列車制御システムにおいて、
   前記予め設定した速度幅は、前記予め設定した速度の範囲内で車両が加速と惰行を繰り返して走行した場合にダイヤを満足するように設定することを特徴とする列車制御システム。
5. 請求項４の列車制御システムにおいて、
   前記予め設定した速度幅は、制限速度に応じて設定することを特徴とする列車制御システム。
6. 請求項１の列車制御システムにおいて、
   前記駆動制御装置は、運転士からのノッチ指令を入力とし、前記ノッチ指令がノッチオフをトリガとして惰行再力行走行を検知し、ノッチオンが予め設定した時間以上継続した場合に惰行再力行走行の検知を解除することを特徴とする列車制御システム。
7. 請求項１の列車制御システムにおいて、
   前記駆動制御装置は、速度の積分値から得られる車両位置を入力とし、前記車両位置が予め設定した区間となった場合に、惰行再力行走行を検知することを特徴とする列車制御システム。
8. 請求項１の列車制御システムにおいて、
   前記駆動制御装置は、速度の積分値から得られる車両位置を入力とし、前記車両位置が過去の走行において同じ制限速度領域で惰行再力行を複数回繰り返す区間となった場合に、惰行再力行走行を検知することを特徴とする列車制御システム。

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