JP2017154699A - ハイブリッド電気機関車 - Google Patents

Abstract

【課題】コンバータのコンパクト化を図る。【解決手段】実施形態によるハイブリッド電気機関車は、内燃機関と、発電機と、コンバータと、インバータと、直流リンクと、バッテリと、第１のマップと、コントローラとを備える。発電機は、内燃機関に接続され、内燃機関の動力を交流電力に変換可能に構成される。コンバータは、発電機に接続され、発電機の交流電力を直流電力に変換可能に構成される。インバータは、直流電力を交流電力に変換可能に構成される。直流リンクは、コンバータとインバータとを接続する。バッテリは、直流リンクに電気的に接続される。第１のマップは、バッテリの出力電力の上限値と、バッテリの温度およびＳＯＣと、の対応関係を記憶する。コントローラは、バッテリの出力電力が第１のマップにおける上限値以下になるように、バッテリの温度およびＳＯＣに応じて内燃機関および発電機を制御する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、ハイブリッド電気機関車に関する。

従来、内燃機関およびバッテリといった、複数の動力源を備えたハイブリッド車が知られている。

特開２００２−３３７５７３号公報

上記のような従来の技術では、たとえば、内燃機関からコンバータを介して出力される電力と、バッテリから出力される電力との和が、モータなどを駆動するインバータの電力となる。このため、従来では、バッテリが低温である場合など、バッテリから出力される電力が小さい場合に備えて、コンバータを、大電流に耐えうるように大型化する必要があった。

そこで、従来では、コンバータのコンパクト化を図ることが望まれている。

実施形態によるハイブリッド電気機関車は、内燃機関と、発電機と、コンバータと、インバータと、直流リンクと、バッテリと、第１のマップと、コントローラとを備える。発電機は、内燃機関に接続され、内燃機関の動力を交流電力に変換可能に構成される。コンバータは、発電機に接続され、発電機の交流電力を直流電力に変換可能に構成される。インバータは、直流電力を交流電力に変換可能に構成される。直流リンクは、コンバータとインバータとを接続する。バッテリは、直流リンクに電気的に接続される。第１のマップは、バッテリの出力電力の上限値と、バッテリの温度およびＳＯＣと、の対応関係を記憶する。コントローラは、バッテリの出力電力が第１のマップにおける上限値以下になるように、バッテリの温度およびＳＯＣに応じて内燃機関および発電機を制御する。

図１は、実施形態によるハイブリッド電気機関車の概略的構成を示した例示ブロック図である。 図２は、実施形態における常温のバッテリの電流特性を示した例示図である。 図３は、図２の一部を拡大して示した拡大図である。 図４は、実施形態におけるバッテリの開放電圧とＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）との関係を示した例示図である。 図５は、実施形態における低温のバッテリの電流特性を示した例示図である。 図６は、実施形態によるコントローラが実行する制御を表した例示ブロック図である。

以下、実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、実施形態によるハイブリッド電気機関車１００の概略的構成を示した例示ブロック図である。図１に示すように、ハイブリッド電気機関車１００は、内燃機関１と、発電機２と、コンバータ３と、直流リンク４と、インバータ５と、モータ６と、車輪７と、バッテリ８と、コントローラ９とを備える。

内燃機関１は、熱エネルギーを機械エネルギーに変換する機関（エンジン）であり、内部で燃料を燃焼させて動力を取り出す機関である。発電機２は、内燃機関１で取り出された動力を電気エネルギーに変換する。以下では、発電機２から出力される電気エネルギーが交流電力である例について説明する。

コンバータ３は、発電機２から出力される交流電力を直流電力に変換し、変換後の直流電力を直流リンク４に出力する。直流リンク４は、ｐ側リンク４ａおよびｎ側リンク４ｂを備え、コンバータ３の出力側とインバータ５の入力側とを接続するように設けられる。インバータ５は、直流リンク４を介して入力される直流電力を交流電力（三相）に変換し、変換後の交流電力をモータ６に出力する。モータ６は、インバータ５から供給される交流電力に基づいて車輪７を動作させる。

バッテリ８は、充放電可能な蓄電池などにより構成される。バッテリ８は、直流リンク４に接続され、直流リンク４から直流電力の供給を受ける充電動作を行ったり、直流リンク４に直流電力を供給する放電動作を行ったりする。コントローラ９は、バッテリ８の状態（温度やＳＯＣなど）を監視し、監視結果に基づいて、内燃機関１および発電機２を制御する。

ところで、上述したハイブリッド電気機関車１００の電力システムにおいては、インバータ５に入力され得る最大電力Ｐ_{ｉｎｖ＿ｍａｘ}と、コンバータ３が出力可能な最大電力Ｐ_{ｃｎｖ＿ｍａｘ}と、バッテリ８が出力可能な最大電力Ｐ_{ｂａｔ＿ｍａｘ}との関係が、下記の式（１）で表わされる。

Ｐ_{ｉｎｖ＿ｍａｘ}＝Ｐ_{ｂａｔ＿ｍａｘ}＋Ｐ_{ｃｎｖ＿ｍａｘ} …（１）

ここで、バッテリ８の出力特性（内部抵抗特性）は、温度によって大きく変化する。たとえば、バッテリ８の温度が低温である場合、バッテリ８の内部抵抗は大きくなり、Ｐ_{ｂａｔ＿ｍａｘ}は小さくなる。このため、ハイブリッド電気機関車１００の始動時などの、バッテリ８の温度が低温になる場合においても一定のＰ_{ｉｎｖ＿ｍａｘ}を確保するためには、Ｐ_{ｂａｔ＿ｍａｘ}が小さくなる分、Ｐ_{ｃｎｖ＿ｍａｘ}を大きくする必要がある。しかしながら、Ｐ_{ｃｎｖ＿ｍａｘ}を大きくするためには、コンバータ３を大電流に耐え得る設計にする必要があるため、コンバータ３のサイズが大型化する。

一方、バッテリ８の出力特性は、ＳＯＣによっても大きく変化する。つまり、ＳＯＣは、バッテリ８の残量に対応するため、Ｐ_{ｂａｔ＿ｍａｘ}は、バッテリ８の温度のみならず、ＳＯＣの大きさに応じても、変化する。

そこで、実施形態では、コンバータ３が出力可能な電流の最大値と、バッテリ８の出力特性とに基づいて、バッテリ８の温度およびＳＯＣに応じたＰ_{ｂａｔ＿ｍａｘ}を算出し、バッテリ８の電力を、当該Ｐ_{ｂａｔ＿ｍａｘ}以下の範囲で最大限使用することで、コンバータ３の電流を抑制し、コンバータ３のサイズのコンパクト化を図ることにした。すなわち、実施形態によるコントローラ９は、バッテリ８の出力が、コンバータ３が出力可能な電流の最大値と、バッテリ８の出力特性とに基づいて算出される所定の上限値Ｐ_{ｂａｔ＿ｍａｘ}以下になるように、バッテリ８の温度およびＳＯＣに応じて、コンバータ３の出力を制御する。

以下、Ｐ_{ｂａｔ＿ｍａｘ}の算出方法について式を用いて具体的に説明する。

コンバータ３の最大電流をＩ_{ｃｎｖ＿ｍａｘ}、バッテリ８の電圧をＶ_ｂａｔ、コンバータ３の効率をη、力率をｃｏｓθとすると、コンバータ３の最大電力Ｐ_{ｃｎｖ＿ｍａｘ}は、下記の式（２）で表される。

また、コンバータ３の電流が上記のＩ_{ｃｎｖ＿ｍａｘ}となっている場合におけるバッテリ８の開放電圧、内部抵抗、電流をそれぞれＶ_{ｂａｔ＿ｏｃｖ}、Ｒ_ｂａｔ、Ｉ_{ｂａｔ＿ｃｎｖｍａｘ}とすると、上記のＶ_ｂａｔは、下記の式（３）で表される。

Ｖ_ｂａｔ＝Ｖ_{ｂａｔ＿ｏｃｖ}−（Ｒ_ｂａｔ×Ｉ_{ｂａｔ＿ｃｎｖｍａｘ}） …（３）

ここで、上記の式（２）に上記の式（３）を代入し、下記の式（４）で表されるαを用いて簡略化すると、下記の式（５）が導出される。

Ｐ_{ｃｎｖ＿ｍａｘ}＝α（Ｖ_{ｂａｔ＿ｏｃｖ}−（Ｒ_ｂａｔ×Ｉ_{ｂａｔ＿ｃｎｖｍａｘ}）） …（５）

一方、上記のＰ_{ｂａｔ＿ｍａｘ}は、上記の（３）式を用いて、下記の式（６）で表される。

Ｐ_{ｂａｔ＿ｍａｘ}＝（Ｖ_{ｂａｔ＿ｏｃｖ}−（Ｒ_ｂａｔ×Ｉ_{ｂａｔ＿ｃｎｖｍａｘ}））Ｉ_{ｂａｔ＿ｃｎｖｍａｘ} …（６）

ここで、上記の式（５）および（６）を、上記の式（１）に代入して整理すると、下記の式（７）が導出される。

Ｒ_ｂａｔ×Ｉ_{ｂａｔ＿ｃｎｖｍａｘ} ^２＋（α×Ｒ_ｂａｔ−Ｖ_{ｂａｔ＿ｏｃｖ}）×Ｉ_{ｂａｔ＿ｃｎｖｍａｘ}＋Ｐ_{ｉｎｖ＿ｍａｘ}−α×Ｖ_{ｂａｔ＿ｏｃｖ}＝０ …（７）

上記の式（７）をＩ_{ｂａｔ＿ｃｎｖｍａｘ}の二次方程式として解くと、コンバータ３の最大電流Ｉ_{ｃｎｖ＿ｍａｘ}を考慮したバッテリ８の電流Ｉ_{ｂａｔ＿ｃｎｖｍａｘ}を表す下記の式（８）が得られる。

次に、バッテリ８の放電終止電圧をＶ_{ｂａｔ＿ｍｉｎ}とすると、バッテリ８の電圧Ｖ_ｂａｔがＶ_{ｂａｔ＿ｍｉｎ}より大きいことが条件として要求されるので、バッテリ８の最大電流Ｉ_{ｂａｔ＿ｍａｘ１}は、下記の式（９）を満たす必要がある。

Ｖ_{ｂａｔ＿ｍｉｎ}＜Ｖ_{ｂａｔ＿ｏｃｖ}−（Ｒ_ｂａｔ×Ｉ_{ｂａｔ＿ｍａｘ１}） …（９）

上記の式（９）を変形すると、バッテリ８の最大電流Ｉ_{ｂａｔ＿ｍａｘ１}が満たすべき条件を表す下記の式（１０）が導出される。

次に、システム上で定義されたバッテリ８の最大出力をＰ_{ｂａｔ＿ｍａｘ＿ｓｙｓ}とすると、バッテリ８の出力が当該Ｐ_{ｂａｔ＿ｍａｘ＿ｓｙｓ}となっている場合のバッテリ８の最大電流Ｉ_{ｂａｔ＿ｍａｘ２}は、下記の（１１）式で表される。

（Ｖ_{ｂａｔ＿ｏｃｖ}−Ｒ_ｂａｔ×Ｉ_{ｂａｔ＿ｍａｘ２}）×Ｉ_{ｂａｔ＿ｍａｘ２}＝Ｐ_{ｂａｔ＿ｍａｘ＿ｓｙｓ} …（１１）

上記の式（１１）を整理し、Ｉ_{ｂａｔ＿ｍａｘ２}の二次方程式として解くと、バッテリ８のシステム上の最大出力Ｐ_{ｂａｔ＿ｍａｘ＿ｓｙｓ}を考慮したバッテリ８の最大電流Ｉ_{ｂａｔ＿ｍａｘ２}を表す下記の式（１２）が導出される。

なお、上記の式（１２）によれば、Ｉ_{ｂａｔ＿ｍａｘ２}は、符号±に対応した２つの値をとり得る。しかしながら、システムにおいては、あえて大電流を流す必要はない。したがって、以下では、Ｉ_{ｂａｔ＿ｍａｘ２}として、上記の式（１２）の符号±を−とした１つの値のみを考慮する。

図２は、実施形態における常温のバッテリ８の電流特性を示した例示図である。具体的に、図２では、バッテリ８が常温である場合における、上記の式（８）で表されるＩ_{ｂａｔ＿ｃｎｖｍａｘ}と、上記の式（１０）で表されるＩ_{ｂａｔ＿ｍａｘ１}と、上記の式（１２）で表されるＩ_{ｂａｔ＿ｍａｘ２}との、バッテリ８の開放電圧Ｖ_{ｂａｔ＿ｏｃｖ}に対する電流特性が図示されている。なお、上記の式（８）によれば、Ｉ_{ｂａｔ＿ｃｎｖｍａｘ}は、符号±に対応した２つの値をとり得る。そこで、図２では、符号±を＋としたＩ_{ｂａｔ＿ｃｎｖｍａｘ}をＩ_{ｂａｔ＿ｃｎｖｍａｘ１}とし、符号±を−としたＩ_{ｂａｔ＿ｃｎｖｍａｘ}をＩ_{ｂａｔ＿ｃｎｖｍａｘ２}として図示している。

図２の一点鎖線ｌ１は、バッテリ８が常温である場合におけるＩ_{ｂａｔ＿ｃｎｖｍａｘ１}の電流特性を示している。この一点鎖線ｌ１に示すように、Ｉ_{ｂａｔ＿ｃｎｖｍａｘ１}は、Ｖ_{ｂａｔ＿ｏｃｖ}が大きい程大きくなる。また、図２の二点鎖線ｌ２は、バッテリ８が常温である場合におけるＩ_{ｂａｔ＿ｃｎｖｍａｘ２}の電流特性を示している。この二点鎖線ｌ２に示すように、Ｉ_{ｂａｔ＿ｃｎｖｍａｘ２}は、Ｖ_{ｂａｔ＿ｏｃｖ}が大きい程小さくなる。また、図２のピッチが狭い点線ｌ３は、バッテリ８が常温である場合におけるＩ_{ｂａｔ＿ｍａｘ１}の電流特性を示している。この点線ｌ３に示すように、Ｉ_{ｂａｔ＿ｍａｘ１}は、Ｖ_{ｂａｔ＿ｏｃｖ}が大きい程大きくなる。また、図２のピッチが広い点線ｌ４は、バッテリ８が常温である場合におけるＩ_{ｂａｔ＿ｍａｘ２}の電流特性を示している。この点線ｌ４に示すように、Ｉ_{ｂａｔ＿ｍａｘ２}は、Ｖ_{ｂａｔ＿ｏｃｖ}が大きい程小さくなる。

図３は、図２の一部を拡大して示した拡大図である。具体的に、図３は、図２の縦軸のスケールを拡大し、−５００〜１５００［Ａ］の範囲を詳細に示した拡大図である。

図３の太線ｌ５は、常温のバッテリ８の最大電流の電流特性を示している。この太線ｌ５に示すように、開放電圧Ｖ_{ｂａｔ＿ｏｃｖ}が、二点鎖線ｌ２と点線ｌ３とのクロスポイントで示される電圧（６２５［Ｖ］）と、点線ｌ３と点線ｌ４とのクロスポイントで示される電圧（６５０［Ｖ］よりわずかに小さい電圧）との間の値をとっている場合、常温のバッテリ８の最大電流は、点線ｌ３に沿った値となる。また、太線ｌ５に示すように、開放電圧Ｖ_{ｂａｔ＿ｏｃｖ}が、点線ｌ３と点線ｌ４とのクロスポイントで示される電圧（６５０［Ｖ］よりわずかに小さい電圧）以上、バッテリ８の最大出力に応じた所定の上限値（９００［Ｖ］）以下の値をとっている場合、常温のバッテリ８の最大電流は、点線ｌ４に沿った値となる。

すなわち、図３の例によれば、コンバータ３の最大電流とバッテリ８の出力特性とを考慮した、常温のバッテリ８が使用可能な電圧範囲は、６２５〜９００［Ｖ］であると規定することができる。なお、６２５［Ｖ］未満の電圧範囲では、コンバータ３の最大出力を考慮して最低限バッテリ８が出力しなければならない電流Ｉ_{ｂａｔ＿ｃｎｖｍａｘ１}が、放電終止電圧のバッテリ８が出力可能な最大電流Ｉ_{ｂａｔ＿ｍａｘ１}を超えてしまうので、システムが成立しない。このように、図３の例によれば、常温のバッテリ８が使用可能な電圧の上限値および下限値は、それぞれ、９００［Ｖ］および６２５［Ｖ］である。

ところで、図４は、実施形態におけるバッテリ８の開放電圧とＳＯＣとの関係を示した例示図である。図４に示すように、バッテリ８の開放電圧とＳＯＣとは、比例関係になっている。つまり、バッテリ８のＳＯＣは、バッテリ８の開放電圧の関数として表現することが可能である。これにより、実施形態では、各温度においてバッテリ８が使用可能な電圧の範囲を上述のような手法で決定すれば、各温度においてバッテリ８が保つべきＳＯＣの範囲も決定することができる。

次に、図５は、実施形態における低温のバッテリ８の電流特性を示した例示図である。この図５においても、上述した図２および図３と同様に、上記の式（８）で表されるＩ_{ｂａｔ＿ｃｎｖｍａｘ}と、上記の式（１０）で表されるＩ_{ｂａｔ＿ｍａｘ１}と、上記の式（１２）で表されるＩ_{ｂａｔ＿ｍａｘ２}との、バッテリ８の開放電圧Ｖ_{ｂａｔ＿ｏｃｖ}に対する電流特性が図示されている。

図５の一点鎖線ｌ１１は、バッテリ８が低温である場合におけるＩ_{ｂａｔ＿ｃｎｖｍａｘ１}の電流特性を示している。この一点鎖線ｌ１１に示すように、Ｉ_{ｂａｔ＿ｃｎｖｍａｘ１}は、Ｖ_{ｂａｔ＿ｏｃｖ}が大きい程大きくなる。また、図５の二点鎖線ｌ１２は、バッテリ８が低温である場合におけるＩ_{ｂａｔ＿ｃｎｖｍａｘ２}の電流特性を示している。この二点鎖線ｌ１２に示すように、Ｉ_{ｂａｔ＿ｃｎｖｍａｘ２}は、Ｖ_{ｂａｔ＿ｏｃｖ}が大きい程小さくなる。また、図５のピッチが狭い点線ｌ１３は、バッテリ８が低温である場合におけるＩ_{ｂａｔ＿ｍａｘ１}の電流特性を示している。この点線ｌ１３に示すように、Ｉ_{ｂａｔ＿ｍａｘ１}は、Ｖ_{ｂａｔ＿ｏｃｖ}が大きい程大きくなる。また、図４のピッチが広い点線ｌ１４は、バッテリ８が低温である場合におけるＩ_{ｂａｔ＿ｍａｘ２}の電流特性を示している。この点線ｌ１４に示すように、Ｉ_{ｂａｔ＿ｍａｘ２}は、Ｖ_{ｂａｔ＿ｏｃｖ}が大きい程小さくなる。

図５の太線ｌ１５は、低温のバッテリ８の最大電流の電流特性を示している。この太線ｌ１５に示すように、開放電圧Ｖ_{ｂａｔ＿ｏｃｖ}が、一点鎖線ｌ１１と二点鎖線ｌ１２とのクロスポイントで示される電圧（７３０［Ｖ］）と、一点鎖線ｌ１１と点線ｌ１３とのクロスポイントで示される電圧（７５０［Ｖ］よりわずかに大きい電圧）との間の値をとっている場合、低温のバッテリ８の最大電流は、一点鎖線ｌ１１に沿った電流となる。また、太線ｌ１５に示すように、開放電圧Ｖ_{ｂａｔ＿ｏｃｖ}が、一点鎖線ｌ１１と点線ｌ１３とのクロスポイントで示される電圧（７５０［Ｖ］よりわずかに大きい電圧）以上、バッテリ８の最大出力に応じた所定の上限値（９００［Ｖ］）以下の値をとっている場合、低温のバッテリ８の最大電流は、点線ｌ１３に沿った電流となる。

すなわち、図５の例によれば、コンバータ３の最大電流とバッテリ８の出力特性とを考慮した、低温のバッテリ８が使用可能な電圧範囲は、７３０〜９００［Ｖ］であると規定することができる。したがって、図５の例によれば、常温のバッテリ８が使用可能な電圧の上限値および下限値は、それぞれ、９００［Ｖ］および７３０［Ｖ］である。

実施形態では、上記のような手法で、各温度においてバッテリ８が使用可能な電圧範囲が算出され、当該算出された電圧範囲に基づき、ハイブリッド電気機関車１００の電力システムが制御される。

具体的に、実施形態では、バッテリ８の温度およびＳＯＣと、上記のような手法で算出された電圧範囲の上限値との対応関係を予めマッピングしておき、当該マッピングしたものを、第１のマップＴ１として、下記の表１に示すような表形式で予め記憶しておく。

上記の表１では、一例として、バッテリ８の状態が９０通りに場合分けされ、各状態におけるバッテリ８の最大出力Ｐ_{ｂａｔ＿ｍａｘ＿ＸＸ}（ＸＸ：１１〜１９、２１〜２９、３１〜３９、４１〜４９、５１〜５９、６１〜６９、７１〜７９、８１〜８９、９１〜９９、Ａ１〜Ａ９）が定義されている。具体的に、表１の例では、バッテリ８の温度を−３０℃〜５０℃まで１０℃刻みで９段階に分けるとともに、ＳＯＣを１０％〜１００％まで１０％刻みで１０段階に分けることで、バッテリ８の状態を９×１０＝９０通りに場合分けしている。ただし、表１はあくまで一例であって、場合分けの数は９０通りに限られるものではない。

なお、表１の例では、９０通りの状態の全てに対してＰ_{ｂａｔ＿ｍａｘ＿ＸＸ}が定義されている。つまり、実施形態では、図３および図５に例示したような手法で求められた電圧範囲に対応するＳＯＣ範囲以外の他のＳＯＣ範囲に対しても、何らかのＰ_{ｂａｔ＿ｍａｘ＿ＸＸ}が設定されている。たとえば、図３および図５の例では、バッテリ８が使用可能な電圧範囲の下限値は、それぞれ、６２５［Ｖ］および７３０［Ｖで］あるが、表１では、これらの下限値に対応するＳＯＣ以下の領域にも、Ｐ_{ｂａｔ＿ｍａｘ＿ＸＸ}が設定されている。このように全ての領域にＰ_{ｂａｔ＿ｍａｘ＿ＸＸ}が設定されているのは、何らかの理由によりバッテリ８のＳＯＣが当該下限値に対応する値以下になった場合でも、車両性能をパワーダウンし、バッテリ８の出力を制限することで、走行を継続し、製品としての信頼性を確保する必要があるという理由による。

また、実施形態では、バッテリ８の温度と、上記のような手法で算出された電圧範囲の下限値に対応するＳＯＣの下限値との対応関係を予めマッピングしておき、当該マッピングしたものを、第２のマップＴ２として、下記の表２に示すような表形式で予め記憶しておく。

上記の表２では、一例として、バッテリ８の温度が−３５℃〜５０℃まで５℃刻みで１８通りに場合分けされ、各温度においてバッテリ８が保つべきＳＯＣの下限値が定義されている。上述したように、表２におけるＳＯＣの下限値は、図４に示したバッテリ８の開放電圧とＳＯＣとの比例関係に基づき、図３および図５に例示したような手法で算出された電圧範囲の下限値から、算出可能である。なお、表２はあくまで一例であって、場合分けの数は１８通りに限られるものではない。

実施形態によるコントローラ９は、上述したような第１のマップＴ１および第２のマップＴ２に基づいた制御を実行することで、コンバータ３の特性（コンバータ３が出力可能な最大電流）を考慮しながら、バッテリ８を最大限利用した電力制御を実行することができる。

つまり、実施形態によるコントローラ９は、上記の第１のマップＴ１を用いて、バッテリ８の出力が、コンバータ３およびバッテリ８の性能に基づいて算出される上限値以下になるように、バッテリ８の温度およびＳＯＣに応じて、内燃機関１および発電機２を制御する。また、コントローラ９は、上記の第２のマップＴ２を用いて、バッテリ８のＳＯＣが、コンバータ３およびバッテリ８の性能に基づいて算出される下限値以上になるように、バッテリ８の温度およびＳＯＣに応じて、内燃機関１および発電機２を制御する。

図６は、実施形態によるコントローラ９が実行する制御を表した例示ブロック図である。コントローラ９は、比較器９ａおよび９ｂと、フリップフロップ回路９ｃと、切替回路９ｄと、加算器９ｅと、減算器９ｆと、制限回路９ｇと、切替回路９ｈと、減算器９ｉと、加算器９ｊと、乗算器９ｋおよび９ｌと、除算器９ｍとを備える。

図６に示すように、比較器９ａには、現在のバッテリ８の温度の検出値と第２のマップＴ２とに基づいて決定されるＳＯＣ下限値と、現在のバッテリ８のＳＯＣの推定値とが入力される。また、比較器９ｂには、ＳＯＣ推定値と、バッテリ８がとり得るＳＯＣの最大値が入力される。ここで比較器９ｂに入力されるＳＯＣ最大値は、システムとして予め設定された値（たとえば８０％や９０％などといった値）であり、バッテリ８の充電量の制限値に対応する。実施形態では、このような制限値を設けることで、バッテリ８が必要以上に充電されることに起因して劣化するのを抑制することができる。

比較器９ａおよび９ｂの各々の比較結果は、フリップフロップ回路９ｃに入力される。たとえば、ＳＯＣ推定値がＳＯＣ下限値以下である場合、フリップフロップ回路９ｃの入力Ｓには、比較器９ａから「１」が入力され、ＳＯＣ推定値がＳＯＣ下限値より大きい場合、入力Ｓには「０」が入力される。また、ＳＯＣ推定値がＳＯＣ最大値以上である場合、入力Ｒには、比較器９ｂから「１」が入力され、ＳＯＣ推定値がＳＯＣ最大値より小さい場合、入力Ｒには「０」が入力される。

フリップフロップ回路９ｃは、比較器９ａおよび９ｂからの入力に応じて、バッテリ８を充電するか否かを指示するバッテリ充電信号を出力する。たとえば、ＳＯＣ推定値がＳＯＣ下限値以下である場合（この場合、ＳＯＣ推定値はＳＯＣ最大値より小さい）、バッテリ８の充電が必要である。したがって、この場合、フリップフロップ回路９ｃは、入力Ｓの「１」と、入力Ｒの「０」とに基づき、バッテリ８の充電を行う旨の指示に対応する、「１」というバッテリ充電信号を出力Ｑから出力する。バッテリ８の充電が進むと、ＳＯＣ推定値がＳＯＣ下限値より大きくなる。ＳＯＣ推定値がＳＯＣ下限値より大きく、かつＳＯＣ最大値より小さい範囲では、フリップフロップ回路９ｃは、入力Ｓの「０」と、入力Ｒの「０」とに基づき、直前の出力を維持し、「１」というバッテリ充電信号を出力Ｑから出力する。そして、ＳＯＣ推定値がＳＯＣ最大値以上になった場合、フリップフロップ回路９ｃは、入力Ｓの「０」と、入力Ｒの「１」とに基づき、バッテリ８の充電を行わない旨の指示に対応する、「０」というバッテリ充電信号を出力Ｑから出力する。なお、バッテリ８の充電を行わない状態が続くと、バッテリ８の放電が進み、ＳＯＣ推定値がＳＯＣ最大値より小さくなる。ＳＯＣ推定値がＳＯＣ最大値より小さく、かつＳＯＣ下限値より大きい範囲では、フリップフロップ回路９ｃは、入力Ｓの「０」と、入力Ｒの「０」とに基づき、直前の出力を維持し、「０」というバッテリ充電信号を出力Ｑから出力する。そして、ＳＯＣ推定値がＳＯＣ下限値以下になった場合、フリップフロップ回路９ｃは、入力Ｓの「１」と、入力Ｒの「０」とに基づき、「１」というバッテリ充電信号を出力Ｑから出力する。以上の動作が繰り返されることで、ＳＯＣ推定値がＳＯＣ下限値とＳＯＣ最大値との間で推移するようにバッテリ８の充放電が行われる。

切替回路９ｄは、フリップフロップ回路９ｃから入力されるバッテリ充電信号に応じて、加算器９ｅに出力する値を、バッテリ８の目標充電電力を示す値か、または「０」に切り替える。具体的に、切替回路９ｄは、フリップフロップ回路９ｃから入力されるバッテリ充電信号が、バッテリ８の充電を開始する旨の指示に対応している場合、加算器９ｅに、目標充電電力値を出力する。一方、バッテリ８の充電が必要でない場合、切替回路９ｄは、加算器９ｅに、「０」を出力する。

加算器９ｅは、インバータ５から要求される出力要求（ハイブリッド電気機関車１００の走行に必要なパワー）と、切替回路９ｄからの入力とを加算する。そして、加算器９ｅは、加算結果を減算器９ｆに出力する。

減算器９ｆは、加算器９ｅによる加算結果から、コンバータ３の出力目標値を減算する。なお、コンバータ３の出力目標値は、バッテリ８の出力がその状態（温度やＳＯＣなど）に応じた制限を受けない限り、一定となる。減算器９ｆは、減算結果を、バッテリ８の出力として制限回路９ｇに出力する。なお、減算器９ｆは、減算結果を減算器９ｉにも出力する。

制限回路９ｇは、切替回路９ｈからの入力に基づいて、減算器９ｆから入力されるバッテリ出力に制限をかける。ここで、切替回路９ｈは、バッテリ８の充電が必要な場合は、「０」を出力し、バッテリ８の充電が必要ない場合は、バッテリ温度検出値およびＳＯＣ推定値と第１のマップＴ１とに基づいて決定されるバッテリ８の最大出力（コンバータ３の特性とバッテリ８の出力特性とを考慮したバッテリ８の出力の上限値）を示す値を出力する。制限回路９ｇは、切替回路９ｈからバッテリ８の最大出力が入力された場合、減算器９ｆから入力されるバッテリ出力を当該最大出力以下に制限し、当該制限後の値を、バッテリ８の放電出力として減算器９ｉに出力する。

減算器９ｉは、減算器９ｆからの入力から、制限回路９ｇからの入力を減算し、コンバータ３の出力目標値を補正するための補正値として加算器９ｊに出力する。そして、加算器９ｊは、減算器９ｉからの入力と、上記の減算器９ｆにも入力されたコンバータ３の出力目標値とを加算し、補正後のコンバータ３の出力目標値を、乗算器９ｋおよび９ｌの各々に出力する。

乗算器９ｋは、加算器９ｊからの入力に、発電機２の効率や力率などを考慮した所定の係数Ｋ１を乗算することで、発電機２の出力目標値を算出し、算出結果を除算器９ｍに出力する。そして、除算器９ｍは、乗算器９ｋからの入力から、発電機２の角速度を除算することで、発電機２へのトルク指令を算出し、算出結果を発電機２に出力する。なお、乗算器９ｌは、加算器９ｊからの入力に、発電機２と内燃機関１との間の損失係数Ｋ２を乗算することで、内燃機関１に対する出力要求を算出し、算出結果を内燃機関１に出力する。

以上説明したように、実施形態によるハイブリッド電気機関車１００は、バッテリ８の出力が、コンバータ３が出力可能な電流の最大値と、バッテリ８の出力特性とに基づいて算出される上限値以下になるように、バッテリ８の温度およびＳＯＣに応じて内燃機関１および発電機２を制御するコントローラ９を備える。より具体的に、コントローラ９は、コンバータ３が出力可能な最大の電流がコンバータ３から出力される場合を考慮して決定されるバッテリ８の出力電力の上限値と、バッテリ８の温度およびＳＯＣと、の対応関係を記憶する第１のマップＴ１に基づいて、バッテリ８の出力が、第１のマップＴ１における上限値以下になるように、バッテリ８の温度およびＳＯＣに応じて内燃機関１および発電機２を制御する。これにより、当該上限値以下の範囲でバッテリ８を最大限使用することで、コンバータ３の電流を抑制することができる。この結果、コンバータ３のコンパクト化を図ることができる。

上記の効果は、バッテリ８が低温になる場合がハイブリッド電気機関車１００の始動時などに限られるハイブリッド電気機関車１００に特に有効である。つまり、ハイブリッド電気機関車１００の始動からある程度の時間が経過すれば、バッテリ８がある程度温まり、バッテリ８の出力が確保できるので、低温によりバッテリ８の出力が限られるハイブリッド電気機関車１００の始動時だけのために、コンバータ３のサイズを大型化するのは、効率的ではない。そこで、実施形態では、コンバータ３が出力可能な電流の最大値と、バッテリ８の出力特性とを考慮して、バッテリ８の出力の上限値を設定し、当該上限値以下の範囲でバッテリ８を最大限使用することで、ハイブリッド電気機関車１００の始動時だけのために、大電流に耐え得る大型のコンバータを設けることを不要にした。

以上、本発明の実施形態を説明したが、上記実施形態はあくまで一例であって、発明の範囲を限定することは意図していない。上記実施形態は、様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。上記実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ 内燃機関
２ 発電機
３ コンバータ
４ 直流リンク
５ インバータ
８ バッテリ
９ コントローラ
１００ ハイブリッド電気機関車

Claims (2)

1. 内燃機関と、
   前記内燃機関に接続され、前記内燃機関の動力を交流電力に変換可能な発電機と、
   前記発電機に接続され、前記発電機の交流電力を直流電力に変換可能なコンバータと、
   直流電力を交流電力に変換可能なインバータと、
   前記コンバータと前記インバータとを接続する直流リンクと、
   前記直流リンクに電気的に接続されるバッテリと、
   前記バッテリの出力電力の上限値と、前記バッテリの温度およびＳＯＣと、の対応関係を記憶する第１のマップと、
   前記バッテリの出力電力が前記第１のマップにおける前記上限値以下になるように、前記バッテリの温度およびＳＯＣに応じて前記内燃機関および前記発電機を制御するコントローラと、を備える、ハイブリッド電気機関車。
2. 前記バッテリのＳＯＣの下限値と、前記バッテリの温度と、の対応関係を記憶する第２のマップをさらに備え、
   前記コントローラは、前記バッテリのＳＯＣが前記第２のマップにおける前記下限値以上になるように、前記バッテリのＳＯＣに応じて前記内燃機関および前記発電機を制御する、請求項１に記載のハイブリッド電気機関車。

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