JP2013055742A - 車両走行制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電動機の稼動台数調整により効率の高い領域で電動機を運転しつつ勾配等の路線状況にも対応して頻繁な稼動台数切替を抑制し、速度制御精度や乗り心地を良好に保つ。
【解決手段】実施の形態の車両走行制御装置１０は、所定時間毎に、前方区間の勾配と定速走行目標速度に基づいて前方区間の必要引張力の最大値を算出し、前方区間の引張力の最大値に基づいて電動機の稼動台数を決定し、さらに、車両速度を定速走行制御の目標速度範囲に保つために必要な車両全体の引張力と前記電動機稼動台数に基づいて、個々の電動機の引張力を決定する。
【選択図】 図１

Description

実施の形態は、車両走行制御装置に関する。

車両の速度を所定の目標速度に保つための走行制御を行う場合、必要な引張力は車両を加速しようとする場合に比べて小さい。従って、全電動機を常に稼動させる従来方式による定速走行制御では、個々の電動機は負荷が比較的小さい状態で運転されることになる。負荷状態に応じた電動機の効率は負荷の低い領域では低い。そのため、従来方式の定速走行制御では、効率の低い条件で電動機が運転されるという問題点があった。

このような課題を解決するため、車両重量と必要加速度等に基づいて必要引張力を算出し、必要引張力に応じて個々の電動機の負荷が小さくならないように稼動台数や個々の電動機の出力を決定する方法がある（特許文献１参照）。また、定速走行制御時の電動機の稼動台数変更方法については、実際の車両速度と目標速度の偏差及び現在加速度に応じて稼動台数を増減させる方法がある（特許文献２参照）。

特開平７−３０８００４号公報 特開２００７−３２５３３８号公報

しかしながら、従来の方法では、現在の状況のみに応じて台数を増減させているため、勾配等の路線状況変化への対応が遅れる恐れがあった。また、台数の増減のみによって速度制御を行うため、頻繁な台数切替が発生する恐れがあった。また、複数の電動機が１つの制御器により一括制御されている場合、台数切替による引張力変化が大きく、きめ細かな速度制御ができない問題点があった。

本発明の実施の形態は、従来技術の課題に鑑みてなされたもので、電動機の稼動台数の調整により効率の高い領域で電動機を運転しつつ、勾配等の路線状況にも対応して頻繁な稼動台数変化を抑制し、速度制御精度や乗り心地を良好に保つことのできる車両走行制御装置を提供することを目的とする。

実施の形態は、電動機の稼動台数の切替タイミングを管理し、台数切替判定実施指令を出力する電動機稼動台数切替タイミング管理部と、車両位置、車両速度から前方区間での必要引張力を推定する前方区間状況推定部と、前記前方区間状況推定部が推定した前記前方区間での必要引張力に応じて電動機の稼動台数を決定する電動機稼動台数決定部とを備え、前記電動機稼働台数決定部は、前記電動機台数切替タイミング管理部により前記台数切替判定実施指令が出力された時に、前記決定した電動機の稼動台数に一致するように、電動機の実稼動台数を切り替える制御を行う車両走行制御装置を特徴とする。

第１の実施の形態の車両走行制御装置の機能ブロック図。 第２の実施の形態の車両走行制御装置の機能ブロック図。 第１の実施の形態において電動機の稼動台数を切り替えた場合の効率特性の変化を説明するためのグラフ。 電動機の一般的な効率特性を示すグラフ。

以下、実施の形態を図に基づいて詳説する。

［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態の車両走行制御装置の構成を示している。本実施の形態の車両走行制御装置１０は、電動機稼動台数切替タイミング管理部１、前方区間状況推定部２、電動機稼動台数決定部３、車両速度予測部４、全体制御指令決定部５、個別制御指令決定部６、制御指令切替タイミング管理部７を含んで構成され、車両速度を所定の目標速度の近傍で保持し、定速走行制御を行う。また、車両走行制御装置１０は、定速走行制御時に、電動機を効率の高い領域で運転して省エネを図るため、電動機の稼動台数の調整も行う。

電動機稼動台数切替タイミング管理部１は、台数切替タイミング決定パラメータＤ１を参照し、過去に電動機の稼動台数を切り替えたタイミングの情報を保持するとともに、電動機の稼動台数が切り替わった後の経過時間をカウントし、頻繁な稼動台数切替が発生するのを防ぐためのものである。具体的には、電動機稼動台数最低保持時間（例えば１０秒程度）を設定して稼動台数が切り替わった後の経過時間との比較を行い、稼動台数が切り替わった後の経過時間が電動機稼動台数最低保持時間よりも長くなったら、電動機の稼動台数を切り替えるかどうか判定する。電動機稼動台数最低保持時間が経過した後は、比較的短時間（０．１〜１秒程度）毎に電動機稼動台数切替判定を実施してもよいし、電動機稼動台数最低保持時間（例えば１０秒程度）毎に電動機稼動台数切替判定を実施してもよい。判定により、電動機の稼動台数を変更した方が効率が良いと判断された場合、電動機の稼動台数を変更する指示、つまり、台数切替実施指令を出力する。

前方区間状況推定部２は、電動機の稼動台数を決定する際に、路線情報Ｄ２を参照して前方区間の状況を考慮することにより、稼動台数切替後の勾配変化等によって短時間で最適稼動台数が変化してしまうのを防ぐためのものである。具体的には、定速走行制御の目標速度に基づき、当該速度における走行抵抗を算出するとともに、前方区間の勾配抵抗を算出し、定速走行に必要な引張力を求める。前方区間としては、例えば、現在位置から定速走行制御の目標速度で所定時間走行した場合の未来の位置までを考える。この所定時間を電動機稼動台数最低保持時間と同程度に設定すれば、電動機稼動台数切替の後、次の稼動台数切替判定までの間の走行に適した稼動台数を決定することができる。勾配抵抗を算出する際は、実際の車両への影響度を適切に評価できるように列車長で按分した平均勾配を用いることが望ましい。また、必要引張力を求める際は、前方の所定区間の内の列車長按分平均勾配のうち、最も大きいものを採用する。これは、前方区間の全域にわたる平均勾配を用いて必要引張力を求め、当該引張力に基づいて電動機の稼動台数を決定すると、勾配抵抗の大きい地点で、当該稼動台数では引張力が不足し、速度制御の精度が低下する恐れがあるためである。ただし、定速走行の制御精度の許容範囲にある程度余裕がある場合は、前方区間の全域にわたる平均勾配を用いて必要引張力を求め、稼動台数を決定してもよい。なお、前方の所定区間内の最大の勾配抵抗を求める際、演算装置の演算能力が十分でない場合、簡易的に、現在位置の勾配抵抗と、所定時間後の位置の勾配抵抗のうちの大きい方の勾配抵抗を採用するようにしてもよい。また、必要引張力の算出時に、車両速度が目標速度を下回った場合に目標速度に迅速に復帰できるように所定の加速度に相当する引張力を、勾配抵抗と走行抵抗に応じた引張力に加算してもよい。

電動機稼動台数決定部３は、台数切判定パラメータＤ３を参照し、前方区間状況推定部２によって推定された前方区間の必要引張力に応じて、最適な電動機の稼動台数を決定し、効率の高い領域で電動機を運転するためのものである。電動機の稼動台数を切り替える際の段数は、１つのインバータで１つの電動機を駆動する場合、最大で電動機の台数分だけ細かく取ることができるが、電動機１台の変更による効率の違いは小さく、また、段階を細かく取るほど稼動台数切替の頻度が増加する可能性があるため、３〜５段階程度で十分である。ただし、高速度域と低速度域では変化させるべき稼動台数の範囲が異なる場合がある。高速度域では走行抵抗は大きくなり、電動機の発生し得る引張力は小さくなるため、上り勾配等では全電動機を稼動させないと必要な引張力を発生できない場合がある。これに対し、低速度域では必要な引張力を発生させるために必ずしも全電動機を稼動させる必要はない。従って、高速度域に合わせて数段階の電動機稼動台数のそれぞれの値を決めてしまうと、低速度域では最も低位の台数で固定になってしまい、最適な稼動台数への切り替えができなくなる恐れがある。従って、各段階の電動機稼動台数は速度条件に応じて可変とすることが望ましい。

車両速度予測部４、全体制御指令決定部５は、このような適切な電動機稼動台数での運転の下、精度の良い定速走行制御を実現するものである。

車両速度予測部４は、路線情報Ｄ２を参照し、現時点である速度制御を出した場合の所定時間後の車両速度を予測する。

全体制御指令決定部５は、制御指令決定パラメータＤ４を参照し、車両速度予測部４で予測した複数の制御指令に対する所定時間後の車両速度の予測結果に基づき、全体制御指令を決定する。制御指令の決定方法としては、例えば、車両速度の予測値が定速走行制御の許容範囲内であって、かつ現時点まで出力していた制御指令との差が小さい制御指令値を選択する。また、制御指令切替タイミング管理部７により全体制御指令が切り替わったタイミングの情報を取得して制御指令切替タイミングを管理することにより、頻繁な制御指令変化を抑制し、良好な乗り心地を確保する。決定された全体制御指令は、車両全体で必要な引張力であり、この引張力に対応する最適な電動機稼動台数を、電動機稼動台数決定部３によって決定する。

個別制御指令決定部６は、全体制御指令決定部５によって決定された車両全体で必要な引張力と、電動機稼動台数決定部３によって決定された最適稼動台数とに基づいて、個々の電動機の引張力、制御指令を決定する。

次に、ある速度域において図３のような効率特性を有する電動機を、３段階の稼動台数の切替で制御する方式を例として、実施の形態による稼動台数の決定方法を説明する。図３において、曲線Ａ１は全電動機を稼動させた場合の効率−引張力特性、曲線Ａ２は編成中の７割の電動機を稼動させた場合の効率−引張力特性、曲線Ａ３は同４割の電動機を稼動させた場合の効率−引張力特性を示している。この図３において、編成全体で必要な引張力がＦｂ以上の領域では、全電動機を稼動させるのが最も効率が高い。また、引張力がＦａからＦｂまでの領域では、全電動機の７割、引張力がＦａ以下の領域では全電動機の４割を稼動させる場合が最も効率が高い。従って、稼動台数を低減して運転している状態で、稼動台数切替判定を行い、必要引張力がＦｂ近傍に設定したしきい値を超えた場合、全電動機を稼動させるようにする。これに対し、全電動機を稼動させて運転している状態で、稼動台数を全電動機の７割に低減する際のしきい値は、電動機の稼動台数を増加させる場合のしきい値よりも低い値とする。当該区間の必要引張力と稼動台数切替のしきい値が近い場合、必要引張力がしきい値の前後で変動を繰り返し、稼動台数切替が頻繁に生じるのを防ぐためである。

必要な稼動台数を増やす方向の判定がなされた場合、台数を増加させないと必要な引張力が実現できなくなることがあるが、台数を低減する方向の判定時は、引張力の不足は発生せず、効率がやや低下する程度である。なお、電動機の効率特性によって定まる台数切替判定のしきい値は速度によって異なるため、しきい値を速度の関数として台数切替判定パラメータＤ３に保持しておくか、そこに保持されたテーブル等により目標走行速度から算出できるようにしておく。

当該区間の必要引張力と稼動台数切替のしきい値が近い場合の、頻繁な稼動台数切替を抑制する方法としては、稼動台数を切り替えるかどうかの判定条件を、稼動台数が増加させる場合と、減少させる場合で変える方法が考えられる。例えば、電動機稼動台数最低保持時間経過後の電動機稼動台数切替判定で、台数を増加させるべきだと判断された場合は、判定結果通りに稼動台数を増加させる。一方、台数を低減させるべきだと判断された場合、その時点では稼動台数を低減しない。台数を低減させるべきだと判断され、かつ低減前の稼動台数の保持時間が、所定時間（電動機稼動台数最低保持時間よりも長く設定）よりも長くなった場合に初めて稼動台数を低減するようにする。あるいは、稼動台数を低減すべきだとの判断が所定時間以上継続した場合に、稼動台数を低減する。

ここまで説明した本実施の形態の車両速度制御装置によれば、頻繁な電動機稼動台数切り替えを発生させることなく、電動機の効率特性を考慮し、適切な稼動台数による運転を継続することが可能である。また、車両速度を定速走行制御の目標速度近傍に保ちつつ、制御指令の急変を抑制し、乗り心地の良い定速走行制御を実現することができる。前提として、必要な引張力に応じた適切な電動機稼動台数を決定しているため、効率の高い運転にもなっている。

［第２の実施の形態］
次に、第２の実施の形態の車両走行制御装置について、図２を用いて説明する。本実施の形態の車両走行制御装置１０は、電動機稼動台数切替タイミング管理部１、前方区間状況推定部２、電動機稼動台数決定部３、個別制御指令決定部６を含んで構成され、前方区間状況推定部２に、車両速度予測部４、全体制御指令決定部５が内包された構成を特徴としている。尚、図１に示した第１の実施の形態と共通する符号は、共通するあるいは同種の構成要素を示している。

電動機稼動台数切替タイミング管理部１は、過去に全体制御指令を切り替えたタイミングの情報を保持するとともに、全体制御指令が切り替わった後の経過時間をカウントし、設定された保持時間が経過するまでは全体制御指令を切り替えないようにする。すなわち、全体制御指令が所定時間以上保持されている場合に限って、全体制御指令を切り替えるかどうかの判定を行う。また、電動機の稼動台数を切り替えるかどうかの判定も、全体制御指令を切り替えるかどうかの判定と同じ条件で行う。全体制御指令は、頻繁な切替が発生しないように管理されているため、同じ条件で電動機の稼動台数を切り替えるかどうかの判定を行うことで、電動機の稼動台数についても頻繁な切替を抑制することができる。

本実施の形態における前方区間状況推定部２は、前方区間で必要な引張力を、次のような方法によって求める。先ず、車両速度予測部４により、現在速度と現在位置に基づき、引張力を仮定し、前方区間の勾配を考慮して所定時間後の予測速度を求める。次に、予測速度と定速走行制御の目標速度範囲（目標速度±許容速度誤差）を比較し、予測速度が目標速度範囲を超えている場合は制御指令を低減し、予測速度が目標速度範囲を下回っている場合は制御指令を増加し、全体制御指令決定部５により、予測速度が目標速度範囲に入るような引張力を選択する。

電動機稼動台数決定部３は、前方区間状況推定部２によって推定された前方区間の必要引張力に応じて、最適な電動機の稼動台数を決定するものであり、その機能は第１の実施の形態における電動機稼動台数決定部３と同じである。

個別制御指令決定部６は、全体制御指令決定部５によって決定された車両全体で必要な引張力と、電動機稼動台数決定部３によって決定された最適稼動台数とに基づいて、個々の電動機の引張力、制御指令を決定する。

本実施の形態の車両走行制御装置によれば、車両速度を定速走行制御の目標速度近傍に保ちつつ、制御指令の急変を抑制し、乗り心地の良い定速走行制御を実現することができる。前提として、必要な引張力に応じた適切な電動機稼動台数を決定しているため、効率の高い運転にもなっている。

一般に車両の速度を所定の目標速度に保つための走行制御を行う場合、必要な引張力は車両を加速しようとする場合に比べて小さい。従って、全電動機を常に稼動させる従来方式による定速走行制御では、個々の電動機は負荷が比較的小さい状態で運転されることになる。負荷状態に応じた電動機の効率は、一般的に図４に示すような特性を持つ。すなわち、負荷の低い領域では電動機の効率が低いため、従来方式の定速走行制御では、効率の低い条件で電動機が運転されることになる。

このような課題を解決するため、車両重量と必要加速度等に基づいて必要引張力を算出し、必要引張力に応じて、個々の電動機の負荷が小さくならないように稼動台数や個々の電動機の出力を決定する方法がある。この方法では、定速走行制御時のように、必要加速度が路線状況や実際の車両速度と目標速度の偏差に応じて時々刻々変化するような場合に、どのように稼動台数を変化させて速度制御をすることはできない。

定速走行制御時の電動機の稼動台数変更方法については、実際の車両速度と目標速度の偏差及び現在加速度に応じて稼動台数を増減させる方法がある。実際の車両速度と目標速度の偏差が所定の範囲に入っていれば、稼動台数は現在値を保持し、偏差が大きい場合、例えば実際の車両速度が目標速度よりも低い場合、減速中ならば稼動台数を大幅に増やし、加速中ならば少し増やすようにするものである。このようにして、稼動台数の増減により車両の速度を目標速度に保つことができる。

しかしながら、このような方法では、現在の状況のみに応じて台数を増減させているため、勾配等の路線状況変化への対応が遅れ、また、台数の増減のみによって速度制御を行うため、頻繁な台数切替が発生する。また、複数の電動機が１つの制御器で一括で制御されている場合、台数切替による引張力変化が大きく、きめ細かな速度制御ができない。

これに対して、上記第１、第２の実施の形態によれば、前方区間での必要引張力に応じて電動機の稼動台数を決定し、所定時間以上のインターバルをもって電動機の稼動台数を切り替えるので、効率の高い領域で電動機を運転しつつ、勾配等の路線状況にも対応して頻繁な稼動台数変化を抑制し、速度制御精度や乗り心地を良好に保つことのできる車両走行制御装置が実現できるのである。

１ 電動機稼動台数切替タイミング管理部
２ 前方区間状況推定部
３ 電動機稼動台数決定部
４ 車両速度予測部
５ 全体制御指令決定部
６ 個別制御指令決定部
７ 制御指令切替タイミング管理部
１０ 車両走行制御装置
２０ 電動機制御器
Ｄ１ 台数切替判定パラメータ
Ｄ２ 路線情報
Ｄ３ 台数切替判定パラメータ
Ｄ４ 制御指令決定パラメータ

Claims (10)

1. 電動機の稼動台数の切替タイミングを管理し、台数切替判定実施指令を出力する電動機稼動台数切替タイミング管理部と、
   車両位置、車両速度から前方区間での必要引張力を推定する前方区間状況推定部と、
   前記前方区間状況推定部が推定した前記前方区間での必要引張力に応じて電動機の稼動台数を決定する電動機稼動台数決定部とを備え、
   前記電動機稼働台数決定部は、前記電動機台数切替タイミング管理部により前記台数切替判定実施指令が出力された時に、前記決定した電動機の稼動台数に一致するように、電動機の実稼動台数を切り替える制御を行うことを特徴とする車両走行制御装置。
2. 前記電動機稼働台数決定部は、電動機稼動台数最低保持時間を設定していて、電動機の実稼働台数が切り替わった後、前記電動機稼動台数最低保持時間が経過するまでは電動機稼動台数を切り替えないことを特徴とする請求項１記載の車両走行制御装置。
3. 前記電動機稼動台数切替タイミング管理部は、全体制御指令の切り替えタイミングにおいて、前記台数切替判定実施指令を出力することを特徴とする請求項１記載の車両走行制御装置。
4. 前記前方区間状況推定部は、現在の車両位置から所定時間経過後に予測される車両位置までの勾配又は列車長按分勾配と定速走行制御の目標速度に基づき、前方区間の必要引張力の最大値を算出し、
   前記電動機稼動台数決定部は、必要引張力の最大値に基づいて電動機の稼動台数を決定することを特徴とする請求項１記載車両走行制御装置。
5. 前記前方区間状況推定部は、現在の車両位置、車両速度を基準として前方区間の勾配を考慮した速度予測を行い、予測結果に基づいて定速走行制御のための全体制御指令を決定することにより前方区間の必要引張力を決定することを特徴とする請求項１記載の車両走行制御装置。
6. 前記電動機稼動台数決定部は、定速走行制御の目標速度に応じて、各稼動台数への切替判定を行うための引張力しきい値を設定し、前記前方区間状況推定部で推定された必要引張力と各稼動台数への切替判定を行うための引張力しきい値とを比較することにより、電動機稼動台数を決定することを特徴とする請求項１記載の車両走行制御装置。
7. 設定し得る電動機稼動台数の値を３〜５段階に設定したことを特徴とする請求項１記載の車両走行制御装置。
8. 前記３〜５段階の各ケースで設定する電動機稼動台数の値を速度条件毎に可変にしたことを特徴とする請求項７記載の車両走行制御装置。
9. 電動機稼動台数を増加させた後の電動機稼動台数最低保持時間と、電動機稼動台数を減少させた後の電動機稼動台数最低保持時間とを異なる値に設定したことを特徴とする請求項２記載の車両走行制御装置。
10. 所定の電動機稼動台数から次の段階の電動機稼動台数に増加させる場合の切替判定しきい値と、前記所定の電動機稼動台数に減少させる場合の切替判定しきい値とを異なる値に設定したことを特徴とする請求項６記載の車両走行制御装置。

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