JP2015156760A - 鉄道車両用の蓄電池システムおよび制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】運転士のノッチ扱いを容易にし、非常走行性能に与える影響を小さくすることができる蓄電池システムを提供すること。
【解決手段】蓄電池７を搭載する鉄道車両用の蓄電池システム１００に設けられる制御装置８には、走行地点から目的地までの路線情報および応荷重情報ならびに、蓄電池７の電池残量および電池電圧の情報を用いて、非常走行に適したノッチ指令を生成するノッチ指令生成部１８が設けられる。ノッチ指令生成部１８は、生成したノッチ指令を運転士に対するガイダンス情報、あるいは、自動運転を行う場合の指令情報として、運転台に出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄道車両用の蓄電池システムおよび制御装置に関する。

鉄道車両用の蓄電池システムとして、下記特許文献１には、鉄道車両の走行位置から次駅までの距離や勾配情報を含む路線情報を用いて蓄電量を制御することにより、蓄電池走行が必要となる場合を考慮した蓄電量を確保しつつ、制動時に発生する回生電力を高効率に吸収するようにして、蓄電池に蓄える蓄電量を制御する技術が開示されている。

特開２００９−１８３０７９号公報

しかしながら、上記従来の技術では、非常走行時におけるノッチ扱いは考慮されていない。このため、例えば運転士が低ノッチを選択した場合には非常走行時間が長くなり、逆に、高ノッチを選択した場合には走行可能距離が短くなるなど、運転士のノッチ扱いが非常走行時の運行性能に影響を与える可能性が課題としてあった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、運転士のノッチ扱いを容易にし、非常走行時の運行性能に与える影響を小さくすることができる鉄道車両用の蓄電池システムおよび制御装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、蓄電池を搭載し、健全走行時には架線からの電力を使用して電動機を駆動し、非常走行時には前記蓄電池からの電力を使用して前記電動機を駆動する鉄道車両用の蓄電池システムであって、走行地点から目的地までの路線情報および応荷重情報ならびに、前記蓄電池の電池残量および電池電圧の情報を用いて、非常走行に適したノッチ指令を生成するノッチ指令生成部を備え、前記ノッチ指令生成部は、生成した前記ノッチ指令を運転士に対するガイダンス情報、あるいは、自動運転を行う場合の指令情報として、運転台に出力することを特徴とする。

この発明によれば、運転士のノッチ扱いを容易にし、非常走行時の運行性能に与える影響を小さくすることができる、という効果を奏する。

図１は、実施の形態に係る鉄道車両用の制御装置を含む蓄電池システムの一構成例を示す図である。 図２は、非常走行時におけるノッチ指令導出に至る処理手順をノッチ指令生成部内に示したフロー図である。

以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係る鉄道車両用の蓄電池システムおよび制御装置について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、実施の形態に係る鉄道車両用の制御装置を含む蓄電池システムの一構成例を示す図である。

図１に示すように、本実施の形態に係る鉄道車両用の蓄電池システム１００は、集電装置１、遮断器２および断流器３を介して受電した直流架線１０からの直流電力あるいはチョッパ装置６を介して供給される蓄電池７の直流電力を、車両推進制御装置４が交流電力に変換して負荷である電動機５を駆動する構成である。

チョッパ装置６は、蓄電池７からの直流電力を車両推進制御装置４の入力に適した直流電力に変換するＤＣ／ＤＣ変換器として動作する。

車両推進制御装置４は、ＤＣ／ＡＣ変換器およびＡＣ／ＤＣ変換器として動作する。車両推進制御装置４がＤＣ／ＡＣ変換器として動作するときには、直流架線１０またはチョッパ装置６から供給された直流電力が交流電力に変換されて電動機５に供給される。一方、車両推進制御装置４がＡＣ／ＤＣ変換器として動作するときには、電動機５に生じた回生電力が直流電力に変換されて直流架線１０側に戻されるか、あるいは、蓄電池７への充電電力として使用される。

また、鉄道車両用の蓄電池システム１００には蓄電池システム１００の全体を制御する制御装置８が設けられ、制御装置８にはノッチ指令生成部１８が設けられる。この制御装置８は、車両推進制御装置４、電動機５、チョッパ装置６および蓄電池７と共に蓄電池システム１００を構成する。

ノッチ指令生成部１８には、路線情報、応荷重情報ならびに、電池残量および電池電圧の情報が入力される。路線情報は、例えば鉄道車両の走行位置から次の停車駅もしくは次のバッテリーポスト（以下「目的地」と総称する）までの距離、勾配などを含む情報であり、これらの情報を保持する例えば運転台９から伝達される。応荷重情報は、図示しない応荷重センサから得られる車両重量を表す情報であり、例えば路線情報などと同様に運転台９から伝達される。電池残量は、現時点での蓄電池７の残量を表す情報であり、蓄電池７から伝達される。なお、蓄電池７の残量に代えて蓄電池７の充電状態などを表す情報であってもよい。電池電圧は、チョッパ装置６に印加される蓄電池７の出力電圧に関する情報である。なお、本実施の形態では、チョッパ装置６から伝達する例を示しているが、蓄電池７自身が電圧検出機能を有する場合には、蓄電池７から伝達するようにしてもよい。

ノッチ指令生成部１８は、これら路線情報、応荷重情報、電池残量および電池電圧を用いて、後述する非常走行に適したノッチ指令を生成する。生成されたノッチ指令は運転士に対するガイダンス情報、あるいは、自動運転を行う場合の指令情報として、運転台９に出力される。また、運転台９に出力されたノッチ指令は、運転台９に設けられる表示装置１９に表示される。なお、「ノッチ」とは、車両の加速もしくは減速を制御するためのマスターコントローラの段数（刻み）を表す言葉である。すなわち、「ノッチ指令」は、マスターコントローラへのノッチを指示するための指令信号でもある。

本実施の形態に係る蓄電池システム１００は、架線からの電力が供給されているときの走行（以下「健全走行時」と称する）のみならず、例えば停電等により、架線からの電力が供給されないときの走行（以下「非常走行時」と称する）において有用である。以下、この点について説明する。

健全走行時には、車両推進制御装置４によって電動機５が駆動もしくは制御される。電動機５が力行動作を行う場合には、直流架線１０からの直流電力が車両推進制御装置４によって交流電力に変換され、電動機５にて電力が消費される。一方、電動機５が回生動作を行う場合、電動機５からの回生電力は、他の力行車両によって消費されるか、もしくは、チョッパ装置６にて直流電圧に変換され、蓄電池７に蓄えられる。なお、蓄電池７の蓄電容量を超えた余剰回生電力が発生した場合には、鉄道車両内の他の負荷機器への電力供給を行う電源装置（いわゆる補助電源装置）への融通が可能であればそちらに融通し、融通できなければ車両推進制御装置４内で消費する。

このように、本実施の形態に係る蓄電池システム１００は、健全走行時においては、蓄電池走行が必要となる場合を考慮した蓄電量を確保しつつ、制動時に発生する回生電力を高効率に吸収するように、蓄電池に蓄える蓄電量を制御することが可能となる。

これに対し、非常走行時においては、直流架線１０からの電力の供給が行われないため、蓄電池７に蓄えられた電力がチョッパ装置６を介して車両推進制御装置４に供給され、電動機５が駆動され、目的地までの非常走行が実施される。この非常走行の際、本実施の形態に係るノッチ指令生成部１８は、路線情報、応荷重情報ならびに、電池残量および電池電圧の情報に基づき、非常走行に適したノッチ指令を生成して運転台９に出力する。

従来の蓄電池システムでは、非常走行時におけるノッチ扱いは考慮されておらず、運転士が低ノッチを選択した場合には非常走行時間が長くなり、逆に、高ノッチを選択した場合は走行可能距離が短くなるなど、運転士のノッチ扱いが非常走行性能に与える影響は大きかった。これに対し、本実施の形態に係る蓄電池システム１００では、非常走行に適したノッチ指令を生成して運転台９に出力するので、運転士は伝達されたノッチ指令を確認することができると共に、自己の判断によって好ましくないノッチを選択することを回避でき、運転士のノッチ扱いを容易にし、非常走行性能に与える影響を小さくすることが可能になる。

つぎに、上述した非常走行時におけるノッチ指令の具体的な処理内容について説明する。図２は、非常走行時におけるノッチ指令導出に至る処理手順をノッチ指令生成部１８内に示したフロー図である。

制御装置８内のノッチ指令生成部１８は、必要電池量演算部２１およびノッチ指令演算部２２という２つの演算部を有する。また、制御装置８には、あらかじめ走行路線の勾配、カーブ等の情報を含む路線情報に基づいて、目的地までの到達時間を評価基準として求めた推奨走行パターン（速度対距離のカーブ）を有している。ここで、ある地点（任意の地点）から非常走行運転を開始することになった場合、以下の手順によりより好ましいノッチガイダンスが導き出される。

まず、その任意地点（現在地とする）での応荷重情報（トルク換算された応荷重情報）および電池電圧を考慮することにより、あらかじめ有している速度対距離の推奨走行パターンを消費電力を指標とする消費電力対距離に換算した推奨走行パターン（以下、必要に応じて「換算推奨走行パターン」と称する）を演算する（ステップＳ１０１）。

つぎに、現在地でのトルク換算された応荷重情報、電池電圧および路線情報を考慮することにより、現在地から当該鉄道車両における最大性能で加速したと仮定した場合の速度対距離の加速パターンを演算するとともに、当該演算した加速パターンを消費電力を指標とする消費電力対距離に換算した加速パターン（以下、必要に応じて「換算加速パターン」と称する）を演算する（ステップＳ１０２）。

つぎに、演算された消費電力対距離の走行パターン（換算推奨走行パターン）と、同じく演算された消費電力対距離の加速パターン（換算加速パターン）とが低位優先論理にて比較され（ステップＳ１０３）、選択された何れかのパターンが“目的地までの修正走行パターン”として決定され（ステップＳ１０４）、この修正走行パターンが目的地までの最短走行もしくはこれに準ずる走行（以下、両者を含めて「最短走行」と称する）を行うための必要電池量として決定される（ステップＳ１０５）。

以上の処理は、必要電池量演算部２１にて実行される。

また、制御装置８は、電池残量情報を逐次監視している。必要電池量演算部２１にて演算された必要電池量（Ａ）はノッチ指令演算部２２に入力され、制御装置８が監視する電池残量（Ｂ）と比較される（ステップＳ１０６）。ここで、必要電池量（Ａ）が電池残量（Ｂ）よりも下回っている場合は（ステップＳ１０５，Ｙｅｓ）、電池残量（Ｂ）に余裕がある場合であり、最短走行を行うべく、最大ノッチをノッチ指令として、運転台９に伝達する（ステップＳ１０６）。

一方、必要電池量（Ａ）が電池残量（Ｂ）を下回っていない場合（ステップＳ１０５，Ｎｏ）、修正走行パターンで走行した場合には目的地まで走行できない（到達できない）事態となる。このため、このような場合には、必要電池量（Ａ）と電池残量（Ｂ）との比較に代えて、必要電池残量（Ｃ）と電池残量（Ｂ）とを比較し（ステップＳ１０７）、例えば必要電池残量（Ｃ）と電池残量（Ｂ）との比率によってノッチ指令を決定して、運転台９に伝達する（ステップＳ１０８）。

なお、運転台９に伝達されるノッチ指令は、マスターコントローラへのノッチを指示するための指令信号であるのとともに、運転士に対するガイダンス情報としての役割も担う。

本実施の形態に係る鉄道車両用の制御装置を含む蓄電池システムによれば、走行地点から目的地までの路線情報および応荷重情報ならびに、蓄電池の電池残量および電池電圧の情報を用いて、非常走行に適したノッチ指令を生成し、生成したノッチ指令を運転士に対するガイダンス情報、あるいは、自動運転を行う場合の指令情報として運転台に出力することとしているので、例えば以下に示す効果が得られる。

まず、第一の効果として、走行時点の電池残量に応じて、非常走行時におけるより好ましいノッチが自動的に生成されて選択されることになるのでより、目的地までの非常走行が、その条件下において確実に実施することが可能となる。

第二の効果として、非常運転時には消費電力量削減のため、車両内の空調・照明等のサービス機器の使用が制限され、乗客にとって車両内環境が悪化することとなるが、第一の効果により、次駅までの最短走行が可能となるので、乗客の車両内拘束時間を短縮でき、乗客の精神的負担を低減することができる。

第三の効果として、非常走行時におけるより好ましいノッチが自動的にガイダンスされることになるので、運転士への運転アシスト機能の役目を担うことができ、異常時である、非常走行条件下において、運転士の精神的負担を低減することができる。

なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の構成の一例であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。

例えば、本実施の形態では、鉄道車両用の蓄電池システム１００として、直流架線１０からの直流電力を受電する構成を示したが、交流架線からの交流電力を受電して動作する蓄電池システムとして構成することも可能である。交流架線に適用する場合には、交流電圧を所望の直流電圧に変換する構成部として、変圧器、コンバータ（ＡＣ／ＤＣ変換器）などを車両推進制御装置４およびチョッパ装置６の入力側に設けるようにすればよい。

以上のように、本発明は、運転士のノッチ扱いが非常走行性能に与える影響を小さくすることができる鉄道車両用の蓄電池システムおよび制御装置として有用である。

１ 集電装置、２ 遮断器、３ 断流器、４ 車両推進制御装置、５ 電動機、６ チョッパ装置、７ 蓄電池、８ 制御装置、９ 運転台、１０ 直流架線、１８ ノッチ指令生成部、１９ 表示装置、２１ 必要電池量演算部、２２ ノッチ指令演算部、１００ 蓄電池システム。

Claims (5)

1. 蓄電池を搭載し、健全走行時には架線からの電力を使用して電動機を駆動し、非常走行時には前記蓄電池からの電力を使用して前記電動機を駆動する鉄道車両用の蓄電池システムであって、
   走行地点から目的地までの路線情報および応荷重情報ならびに、前記蓄電池の電池残量および電池電圧の情報を用いて、非常走行に適したノッチ指令を生成するノッチ指令生成部を備え、
   前記ノッチ指令生成部は、生成した前記ノッチ指令を運転士に対するガイダンス情報、あるいは、自動運転を行う場合の指令情報として、運転台に出力することを特徴とする鉄道車両用の蓄電池システム。
2. 前記ノッチ指令生成部は、
   走行地点から目的地までの走行に際し当該目的地までの消費電力に換算された換算走行パターンに基づいて、当該走行を行うための必要電池量を演算する必要電池量演算部と、
   前記必要電池量と前記電池残量とに基づいて前記ノッチ指令を演算するノッチ指令演算部と、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用の蓄電池システム。
3. 前記必要電池量演算部は、前記応荷重情報および前記電池電圧の情報に基づいて、目的地までの到達時間を評価基準として求めた推奨走行パターンを消費電力を指標として換算した換算推奨走行パターンと、現在地から前記目的地まで最大性能で加速したと仮定した場合の加速走行パターンを消費電力を指標として換算した換算加速走行パターンとの低位優先論理によって選択された修正走行パターンを用いて前記目的地までの必要電池量を算出し、
   前記ノッチ指令演算部は、前記必要電池量と、前記蓄電池の電池残量とに基づいて、前記ノッチ指令を演算する
   ことを特徴とする請求項２に記載の鉄道車両用の蓄電池システム。
4. 前記ノッチ指令演算部は、前記必要電池量と前記蓄電池の電池残量とを比較し、前記電池残量が前記必要電池量を下回っている場合には、前記必要電池量に代えて必要電池残量と前記電池残量とを比較し、その比較結果に基づいて前記ノッチ指令を演算することを特徴とする請求項３に記載の鉄道車両用の蓄電池システム。
5. 蓄電池を搭載した鉄道車両用の蓄電池システムに適用され、健全走行時には架線からの電力を使用して電動機を駆動し、非常走行時には前記蓄電池からの電力を使用して前記電動機を駆動する制御を行う鉄道車両用の制御装置であって、
   走行地点から目的地までの路線情報および応荷重情報ならびに、前記蓄電池の電池残量および電池電圧の情報を用いて、非常走行に適したノッチ指令を生成するノッチ指令生成部を備え、
   前記ノッチ指令生成部は、生成した前記ノッチ指令を運転士に対するガイダンス情報、あるいは、自動運転を行う場合の指令情報として、運転台に出力することを特徴とする鉄道車両用の制御装置。

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