JP2018196197A - 鉄道車両システム - Google Patents
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Abstract
【課題】 複数の蓄電装置を備えた鉄道車両システムの稼動率を向上し、メンテナンス作業のコストを削減する。【解決手段】 実施形態による鉄道車両システムは、電源装置1と、複数の蓄電装置2と、電源装置1および少なくとも1つの蓄電装置2と接続したインバータ3と、インバータ3から供給されたエネルギーにより駆動される電動機4と、制御回路5、6と、を備え、複数の蓄電装置2のそれぞれはバッテリを備え、バッテリの温度情報を少なくとも含む劣化状態情報を制御回路5、6へ出力可能であって、制御回路5、6は、バッテリの劣化状態情報に基づくバッテリの劣化状態の推定値を用いて複数のバッテリの劣化状態にばらつきがあると判断したときに、最も劣化が進んだバッテリの温度情報を取得し、最も劣化が進んだバッテリの温度が第1温度閾値以上であって第2温度閾値未満であるときに、バッテリの充電および放電を抑制する。【選択図】 図1
Description
本発明の実施形態は、鉄道車両システムに関する。
例えば、鉄道車両に蓄電装置を搭載し、編成の制動時に生じる回生エネルギーを蓄電装置のバッテリに充電し、編成の駆動時のエネルギーとして使用することが提案されている。
バッテリは、充放電深度、充放電サイクル数や、使用環境などにより劣化することが知られている。編成に複数の蓄電装置を搭載する場合には、全ての蓄電装置を一括して交換およびメンテナンスすることにより、編成の稼動率を向上できるとともに、メンテナンス作業のコストを削減することができる。したがって、複数の蓄電装置のバッテリの劣化状態が均一になるように蓄電装置を制御することが望ましい。
従来、劣化状態が異なる複数の蓄電装置を有する編成の蓄電装置のバッテリの劣化状態の均一化方法としては、蓄電装置のバッテリの劣化度を算出し、劣化度の高い蓄電装置の充放電を抑制する方法が提案されている。
蓄電装置の劣化に関連する大きな要因の一つとして、例えば蓄電装置に搭載されたバッテリの温度を挙げることができる。このことから、蓄電装置から得られるバッテリの温度情報を使用して、蓄電装置の充電および放電の制御を行うことにより、効果的に蓄電装置の劣化のばらつきを抑制することができると考えられる。
本発明の実施形態は、上記事情を鑑みて成されたものであって、複数の蓄電装置を備えた編成の稼動率を向上し、メンテナンス作業のコストを削減することを目的とする。
実施形態による鉄道車両システムは、電源装置と、直流リンクを介して前記電源装置と接続した複数の蓄電装置と、前記直流リンクを介して前記電源装置および少なくとも1つの前記蓄電装置と接続したインバータと、前記インバータから供給されたエネルギーにより駆動される電動機と、前記電源装置と、前記蓄電装置と、前記インバータと、前記電動機との動作を制御する制御回路と、を備え、複数の前記蓄電装置のそれぞれはバッテリを備え、前記バッテリの温度情報を少なくとも含む劣化状態情報を前記制御回路へ出力可能であって、前記制御回路は、前記バッテリの前記劣化状態情報に基づく前記バッテリの劣化状態の推定値を用いて複数の前記バッテリの劣化状態にばらつきがあると判断したときに、最も劣化が進んだ前記バッテリの温度情報を取得し、最も劣化が進んだ前記バッテリの温度が第1温度閾値以上であって第2温度閾値未満であるときに、前記バッテリの充電および放電を抑制する。
以下に、複数の実施形態の鉄道車両システムおよび鉄道車両システムの制御方法について図面を参照して詳細に説明する。
図1は、第1実施形態の鉄道車両システムの一構成例を概略的に示す図である。
図1は、第1実施形態の鉄道車両システムの一構成例を概略的に示す図である。
本実施形態の鉄道車両システムは、複数の車両A〜Xを備え、電源装置と、複数の蓄電装置2a〜2xと、インバータ3a〜3xと、電動機(モータ)4a〜4xと、制御回路と、を備えている。電源装置は、複数の電力変換器1a〜1xを含む。制御回路は、複数の車両制御回路5a〜5xと、上位制御回路6と、を含む。
複数の車両A〜Xのそれぞれは、電力変換器1a〜1xと、蓄電装置2a〜2xと、インバータ3a〜3xと、モータ4a〜4xと、車両制御回路5a〜5xと、のそれぞれを備えている。車両Aは、上位制御回路6を更に備えている。電力変換器1a〜1xと、蓄電装置2a〜2xと、インバータ3a〜3xと、複数の車両A〜Xの夫々において、直流リンクを介して接続している。
複数の車両A〜Xのそれぞれは、電力変換器1a〜1xと、蓄電装置2a〜2xと、インバータ3a〜3xと、モータ4a〜4xと、車両制御回路5a〜5xと、のそれぞれを備えている。車両Aは、上位制御回路6を更に備えている。電力変換器1a〜1xと、蓄電装置2a〜2xと、インバータ3a〜3xと、複数の車両A〜Xの夫々において、直流リンクを介して接続している。
電力変換器1a〜1xは、架線から供給される電力を適切な直流電力に変換して出力する。電力変換器1a〜1xから出力された直流電力は、直流リンクを介して蓄電装置2a〜2xおよびインバータ3a〜3xへ供給される。電力変換器1a〜1xは、車両制御回路5a〜5xからの制御信号によりその動作を制御される。
蓄電装置2a〜2xは、例えば、バッテリと、バッテリの電圧、電流、および、温度を検出する検出回路と、電池制御回路と、複数の車両制御回路5a〜5xと通信を行う通信回路と(いずれも図示せず)、を備えている。
バッテリは、例えばリチウムイオン電池や、ニッケル水素電池、などの電池セルを複数備えている。バッテリの正極端子は高電位側の直流リンクと電気的に接続可能であり、バッテリの負極端子は低電位側の直流リンクと電気的に接続可能である。
電池制御回路は、例えば、検出回路から受信する電圧、電流、および、温度などの情報から、バッテリの充電状態(SOC:state of charge)や劣化状態(例えば、SOH:state of health)の推定値を演算することができる。なお、以下の説明において、SOHは、例えば、初期の満充電容量に対する現在の満充電容量の低減率[%]であり、大きい程バッテリの劣化が進んでいる状態を示すものである。劣化状態は、例えばバッテリの劣化の度合いを示す数値等であり、SOHに限定されるものではなく、劣化状態が悪いバッテリほど劣化が進んでいるものである
電池制御回路は、例えば、演算した充電状態や劣化状態の推定値などを、通信回路を介して車両制御回路5a〜5xへ送信してもよい。また、電池制御回路は、バッテリの温度情報を少なくとも含む劣化状態情報を車両制御回路5a〜5xへ送信してもよい。電池制御回路は、例えば、車両制御回路5a〜5xからの制御信号により動作を制御される。なお、バッテリの劣化状態情報は、例えば、バッテリのSOC、SOH、使用履歴、検出回路から受信する電圧、電流、および、温度などの情報、その他の様々な情報が含まれ得る。
インバータ3a〜3xは、直流リンクを介して、電力変換器1a〜1xおよび蓄電装置2a〜2xと接続している。インバータ3a〜3xは、交流電力ラインを介してモータ4a〜4xと接続している。インバータ3a〜3xは、例えば、直流電力と3相交流電力とを相互に変換可能な電力変換器である。インバータ3a〜3xは、車両制御回路5a〜5xからの制御信号により動作を制御される。
モータ4a〜4xは、インバータ3a〜3xから供給される電気エネルギーを機械エネルギーに変換可能であるとともに、車輪から伝達される機械エネルギーを電気エネルギーに変換可能な電動機である。モータ4a〜4xは、車両制御回路5a〜5xからの制御信号により動作を制御される。
車両制御回路5a〜5xは、上位制御回路6からの制御信号により動作を制御される。車両制御回路5a〜5xは、例えばCPU(central processing unit)やMPU(micro processing unit)などの少なくとも1つのプロセッサと、メモリとを備えた制御回路である。車両制御回路5a〜5xは、蓄電装置2a〜2xと、インバータ3a〜3xと、モータ4a〜4xと、通信可能であって、それぞれの動作を制御可能である。
車両制御回路5a〜5xは、それぞれの電池制御回路と通信可能に構成されている。車両制御回路5a〜5xは、電池制御回路から受信した劣化状態情報を用いて、バッテリの劣化状態の推定値を演算するように構成されてもよい。
車両制御回路5a〜5xは、それぞれの電池制御回路と通信可能に構成されている。車両制御回路5a〜5xは、電池制御回路から受信した劣化状態情報を用いて、バッテリの劣化状態の推定値を演算するように構成されてもよい。
上位制御回路6は、複数の車両A〜Xが協調して動作するように車両制御回路5a〜5xを制御し、複数の車両A〜Xの少なくとも1つに備えられればよく、例えば複数の車両A〜Xの外部に設けられてもよい。上位制御回路6は、例えばCPUやMPUなどの少なくとも1つのプロセッサと、メモリとを備えた制御回路である。
上位制御回路6は、複数の車両制御回路5a〜5xと通信可能に構成されている。上位制御回路6は、車両制御回路5a〜5xから受信したバッテリの劣化状態情報を用いて、バッテリの劣化状態の推定値を演算するように構成されてもよい。
上位制御回路6は、複数の車両制御回路5a〜5xと通信可能に構成されている。上位制御回路6は、車両制御回路5a〜5xから受信したバッテリの劣化状態情報を用いて、バッテリの劣化状態の推定値を演算するように構成されてもよい。
以下に、本実施形態の鉄道車両システムの制御方法の一例について説明する。
図2は、第1実施形態の鉄道車両システムの制御方法蓄電制御方法の一例を説明するためのフローチャートである。
図2は、第1実施形態の鉄道車両システムの制御方法蓄電制御方法の一例を説明するためのフローチャートである。
複数の車両A〜Xが起動すると、車両制御回路5a〜5xは、蓄電装置2a〜2xからバッテリの劣化状態情報を取得する(ステップS1)。なお、電池制御回路にて、バッテリの劣化状態の推定値を演算する場合には、車両制御回路5a〜5xは、蓄電装置2a〜2xからバッテリの劣化状態の推定値を受信してもよい。
続いて、上位制御回路6は、車両制御回路5a〜5xから蓄電装置2a〜2xのバッテリの劣化状態情報を受信する(ステップS2)。なお、電池制御回路あるいは車両制御回路5a〜5xにて、バッテリの劣化状態の推定値を演算する場合には、上位制御回路6は、車両制御回路5a〜5xからバッテリの劣化状態の推定値を受信してもよい。
続いて、上位制御回路6は、蓄電装置2a〜2xのバッテリの劣化状態の推定値に基づいて、バッテリの劣化状態にばらつきがあるか否かを判断する。例えば、上位制御回路6は、最も劣化しているバッテリと最も劣化していないバッテリとの劣化状態の推定値の差が、所定の閾値(例えば10%)以上か否かを判断し、所定の閾値以上であるときに劣化状態にばらつきがあると判断してもよい(ステップS3)。
上位制御回路6は、劣化状態にばらつきがないと判断したときには、蓄電装置2a〜2xのバッテリの充電および放電を抑制および停止することなく、通常走行を行う(ステップS4)。
上位制御回路6は、劣化状態にばらつきがあると判断したときには、劣化状態が最も悪いバッテリを備えた蓄電装置2k(kはa〜xのいずれか)の電池制御回路から、バッテリの温度情報を所定の周期で取得して、蓄電装置2kの温度T_2kとする。このとき、上位制御回路6は、少なくとも1周期分の温度情報により蓄電装置2kの温度T_2kを取得すればよく、例えば、所定の周期で取得した複数の温度情報の平均値を蓄電装置2kの温度T_2kとしてもよい(ステップS5)。
なお、劣化状態が最も悪いバッテリを備えた蓄電装置が複数ある場合には、上位制御回路6は、劣化状態が最も悪い複数の蓄電装置の電池制御回路から、それぞれのバッテリの温度情報を所定の周期で取得してもよい。この場合には、上位制御回路6は、複数の温度情報を用いて、それぞれの蓄電装置について以下の処理を行う。
続いて、上位制御回路6は、蓄電装置2kの温度T_2kが第1温度閾値T1未満であるか否かを判断する(ステップS6)。
上位制御回路6は、蓄電装置2kの温度T_2kが第1温度閾値T1未満であるときには、蓄電装置2kのバッテリの充電および放電を抑制することなく通常走行を行う(ステップS7)。
上位制御回路6は、蓄電装置2kの温度T_2kが第1温度閾値T1以上であるときには、更に、蓄電装置2kのバッテリの温度T_2kが第2温度閾値T2未満であるか否かを判断する。なお、第2温度閾値T2は第1温度閾値T2よりも大きい値である(ステップS8)。
上位制御回路6は、蓄電装置2kの温度T_2kが第2温度閾値T2未満であるときに、蓄電装置2kのバッテリの充電および放電を抑制する制御信号である充放電抑制指令を、車両制御回路5kへ送信する(ステップS9)。
上位制御回路6は、例えば、蓄電装置2kのバッテリの充放電深度を当初の設定よりも浅くしたり、充放電サイクル数を当初の設定よりも減らしたりすることにより、蓄電装置2kのバッテリの充電および放電を抑制してもよい。
ここで、蓄電装置2kのバッテリの充電および放電を抑制すると、車両A〜X全体に対する要求トルクが満たされないこととなる。このことを回避するために、上位制御回路6は、蓄電装置2k以外の蓄電装置の充放電電力や架線から供給される電力を調整する。
例えば、上位制御回路6は、蓄電装置2kのバッテリの充電および放電を抑制したことにより、蓄電装置2kに充電しきれないモータ4kからの回生電力は架線に戻してもよい。
また、蓄電装置2kのバッテリの充電および放電を抑制したことにより、車両A〜X全体に対する要求トルクが満たされないときには、上位制御回路6は、蓄電装置2k以外の複数の蓄電装置のうち一番劣化していない蓄電装置の充放電深度を当初の設定よりも深くしたり、充放電サイクル数を当初の設定よりも増加したりすることにより充放電電力を調整し、車両A〜X全体に対する要求トルクを満たしてもよい。
1つの蓄電装置の放電電力を調整することにより、車両A〜X全体に対する要求トルクを満たすことができないときには、上位制御回路6は、2番目に劣化していない蓄電装置の充放電電力を調整し、更に足りないときには、3番目に劣化していない蓄電装置の充放電電力を調整し、…と劣化度が低いものから順に、蓄電装置の充放電電力を調整してもよい。
なお、劣化状態が平均より悪い蓄電装置の充放電電力を調整しなければ要求トルクを満たすことができないときには、上位制御回路6は、劣化状態が平均より悪い蓄電装置の充放電電力を調整せずに、架線からの電力供給により車両A〜X全体に対する要求トルクを満たしてもよい。
上位制御回路6は、蓄電装置2kの温度T_2kが第2温度閾値T2以上であるときに、蓄電装置2kのバッテリの充電および放電を停止する制御信号である充放電停止指令を、車両制御回路5kへ送信する(ステップS11)。
なお、車両制御回路5kは、充放電停止指令を受けたときに、蓄電装置2kのバッテリと直流リンクとの電気的接続を遮断し、充電および放電を停止してもよい。
なお、車両制御回路5kは、充放電停止指令を受けたときに、蓄電装置2kのバッテリと直流リンクとの電気的接続を遮断し、充電および放電を停止してもよい。
ここで、蓄電装置2kのバッテリの充電および放電を停止すると、車両A〜X全体に対する要求トルクが満たされないこととなる。このことを回避するために、上位制御回路6は、蓄電装置2k以外の蓄電装置への要求トルクや架線から供給される電力を調整する(ステップS12)。
例えば、蓄電装置2kのバッテリの充電および放電を停止したことにより、車両Kのモータ4kからの回生電力をバッテリに充電することができなくなる。このため、上位制御回路6は、車両Kの回生電力を架線へ戻してもよい。
また、例えば、蓄電装置2kのバッテリの充電および放電を停止したことにより、車両A〜X全体への要求トルクが満たされないときには、上位制御回路6は、蓄電装置2k以外の複数の蓄電装置のうち一番劣化していない蓄電装置の充放電深度を当初の設定よりも深くしたり、充放電サイクル数を当初の設定よりも増加したりすることにより充放電電力を調整し、車両A〜X全体に対する要求トルクを満たしてもよい。
1つの蓄電装置の充放電電力を調整することにより、車両A〜X全体に対する要求トルクを満たすことができないときには、上位制御回路6は、2番目に劣化していない蓄電装置の充放電電力を調整し、更に足りないときには、3番目に劣化していない蓄電装置の充放電電力を調整し、…と劣化度が低い蓄電装置から順に充放電電力を調整してもよい。
なお、劣化状態が平均より悪い蓄電装置の充放電電力を調整しなければ要求トルクを満たすことができないときには、上位制御回路6は、劣化状態が平均より悪い蓄電装置の充放電電力を調整せずに、架線からの電力供給により車両A〜X全体に対する要求トルクを満たしてもよい。
続いて、上位制御回路6は、鉄道編成がシャットダウンされるか否かを監視する(ステップS13)。鉄道編成のシャットダウン信号を検知したときには、上位制御回路6は、車両制御回路5a〜5xを制御して車両A〜Xをシャットダウンする。
鉄道編成がシャットダウンされないときには、上位制御回路6は、蓄電装置2kのバッテリの温度T_2kが第1温度閾値T1未満となるまで、蓄電装置2kの充電および放電を停止する。したがって、一度、バッテリの温度が第2温度閾値T2以上となった蓄電装置は、バッテリの温度が第1温度閾値T1未満となるまで使用されない(ステップS14)。
上位制御回路6は、上記ステップS14にて蓄電装置2kのバッテリの温度T_2kが第1温度閾値T1未満となったと判断したとき、および、ステップS7、S10の後に、鉄道編成がシャットダウンされるか否かを判断する(ステップS15)。鉄道編成がシャットダウンされるときには、上位制御回路6は、車両制御回路5a〜5xを制御して車両A〜Xをシャットダウンして、処理を終了する。
鉄道編成がシャットダウンされないときには、上位制御回路6は、上述のステップS6から再度処理を行う。すなわち、蓄電装置2a〜2xのバッテリの劣化状態にばらつきがあるときには、上位制御回路6は、蓄電装置2kのバッテリの温度情報が送られてくるたび(例えば1分周期)に、上述のステップS6からの処理を繰り返す。
上記のように、本実施形態の鉄道車両システムでは、複数の蓄電装置の劣化状態にかかわらず、鉄道車両システムに対する要求トルクを満たし、かつ、複数の蓄電装置の劣化状態のばらつきを抑制することが可能となり、蓄電装置の交換作業を行う回数が増大することを回避することができる。すなわち、本実施形態によれば、複数の蓄電装置を備えた鉄道車両システムの稼動率を向上し、鉄道車両システムのメンテナンス作業のコストを削減することができる。
次に、第2実施形態の鉄道車両システムおよび鉄道車両システムの制御方法について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において、上述の第1実施形態と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
図3は、第2実施形態の鉄道車両システムの一構成例を概略的に示す図である。
本実施形態の鉄道車両システムは、複数の蓄電装置と、内燃機関とを含む車両を備えている。
本実施形態の鉄道車両システムは、複数の蓄電装置と、内燃機関とを含む車両を備えている。
本実施形態において、車両は、電源装置と、複数の蓄電装置21、22と、インバータ3と、電動機(モータ)4と、制御回路と、内燃機関8と、を備えたディーゼル車両である。電源装置は、電力変換器1を含む。制御回路は、車両制御回路7、を含む。電源装置と、複数の蓄電装置21、22と、インバータ3とは、直流リンクを介して接続している。なお、図3に示した鉄道車両システムでは、2つの蓄電装置21、22を備えた車両を一例として記載しているが、車両は3つ以上の複数の蓄電装置を備えていても良い。
内燃機関8は、例えばディーゼルエンジンである。内燃機関8は、車両制御回路7からの出力指令に基づいて、トルク(動力)を出力可能である。
電力変換器1は、例えば、内燃機関8から供給される動力(機械エネルギー)により発電し、適切な直流電力(電気エネルギー)に変換して出力する発電機である。また、電力変換器1は、直流リンクから供給された電気エネルギーを変換して得られた機械エネルギーを内燃機関8へ供給し、内燃機関8のシャフトを回転駆動することが可能である。電力変換器1から出力された直流電力は、直流リンクを介して蓄電装置21、22およびインバータ3へ供給され得る。電力変換器1は、車両制御回路7により動作を制御される。
蓄電装置21、22のそれぞれは、例えば、バッテリと、バッテリの電圧、電流、および、温度を検出する検出回路と、電池制御回路と、車両制御回路7と通信を行う通信回路と(いずれも図示せず)、を備えている。
バッテリは、例えば、リチウムイオン電池や、ニッケル水素電池、などの電池セルを複数備えている。バッテリの正極端子は高電位側の直流リンクと電気的に接続可能であり、バッテリの負極端子は低電位側の直流リンクと電気的に接続可能である。
電池制御回路は、検出回路から受信する電圧、電流、および、温度などの情報から、バッテリの充電状態(SOC:state of charge)や劣化状態(例えばSOH:state of health)の推定値を演算することができる。なお、以下の説明において、SOHは、例えば、初期の満充電容量に対する現在の満充電容量の低減率[%]であり、大きい程バッテリの劣化が進んでいる状態を示す。劣化状態は、例えばバッテリの劣化の度合いを示す数値等であり、SOHに限定されるものではなく、劣化状態が悪いバッテリほど劣化が進んでいるものである。
電池制御回路は、演算した充電状態や劣化状態の推定値を、通信回路を介して車両制御回路7へ送信してもよい。また、電池制御回路は、また、電池制御回路は、バッテリの温度情報を少なくとも含む劣化状態情報を車両制御回路5a〜5xへ送信してもよい。電池制御回路は、例えば、車両制御回路7からの制御信号により動作を制御される。なお、バッテリの劣化状態情報は、例えば、バッテリのSOC、SOH、使用履歴、検出回路から受信する電圧、電流、および、温度などの情報、その他の様々な情報が含まれ得る。
インバータ3は、直流リンクを介して、電力変換器1および蓄電装置21、22と接続している。インバータ3は、交流電力ラインを介してモータ4と接続している。インバータ3は、例えば、直流電力と3相交流電力とを相互に変換可能な電力変換器である。インバータ3は、車両制御回路7からの制御信号により動作を制御される。
モータ4は、インバータ3から供給される電気エネルギーを機械エネルギーに変換可能であるとともに、車輪から伝達される機械エネルギーを電気エネルギーに変換可能な電動機である。モータ4は、車両制御回路7からの制御信号により動作を制御される。モータ4から出力された軸トルクにより車輪が回転し、車両が駆動される。
車両制御回路7は、例えばCPUやMPUなどの少なくとも1つのプロセッサと、メモリとを備えた制御回路である。車両制御回路7は、複数の蓄電装置21、22と、インバータ3と、モータ4と、通信可能であって、鉄道車両システムに含まれる構成の動作を制御可能である。
以下に、本実施形態の鉄道車両システムの制御方法の一例について説明する。
図4は、第2実施形態の鉄道車両システムの制御方法の一例を説明するためのフローチャートである。
図4は、第2実施形態の鉄道車両システムの制御方法の一例を説明するためのフローチャートである。
車両が起動すると、車両制御回路7は、複数の蓄電装置21、22の電池制御回路から推定したバッテリの劣化状態情報を取得する(ステップS21)。
続いて、車両制御回路7は、複数の蓄電装置21、22のバッテリの劣化状態情報にばらつきがあるか否かを判断する。例えば、車両制御回路7は、最も劣化しているバッテリの劣化状態と最も劣化していないバッテリの劣化状態との差が、所定の閾値(例えば10%)以上か否かを判断し、所定の閾値以上であるときに劣化状態にばらつきがあると判断してもよい(ステップS22)。
車両制御回路7は、劣化状態にばらつきがないと判断したときには、蓄電装置21、22のバッテリの充電および放電を、抑制および停止することなく、通常走行を行う(ステップS23)。
車両制御回路7は、劣化状態にばらつきがあると判断したときには、劣化状態が最も悪いバッテリを備えた蓄電装置2k(本実施形態においてkは1又は2)の電池制御回路から、バッテリの温度情報を所定の周期で取得して、蓄電装置2kの温度T_2kとする。このとき、車両制御回路7は、少なくとも1周期分の温度情報により蓄電装置2kの温度T_2kを取得すればよく、例えば、所定の周期で取得した複数の温度情報の平均値を蓄電装置2kの温度T_2kとしてもよい(ステップS24)。
なお、劣化状態が最も悪いバッテリを備えた蓄電装置が複数ある場合には、車両制御回路7は、劣化状態が最も悪い複数の蓄電装置の電池制御回路から、それぞれのバッテリの温度情報を所定の周期で取得してもよい。この場合には、車両制御回路7は、複数の温度情報を用いて、それぞれの蓄電装置について以下の処理を行う。
続いて、車両制御回路7は、蓄電装置2kの温度T_2kが第1温度閾値T1未満であるか否かを判断する(ステップS25)。
車両制御回路7は、蓄電装置2kの温度T_2kが第1温度閾値T1未満であるときには、蓄電装置2kのバッテリの充電および放電を抑制することなく通常走行を行う(ステップS26)。
車両制御回路7は、蓄電装置2kの温度T_2kが第1温度閾値T1以上であるときには、更に、蓄電装置2kのバッテリの温度T_2kが第2温度閾値T2未満であるか否かを判断する。なお、第2温度閾値T2は第1温度閾値T2よりも大きい値である(ステップS27)。
車両制御回路7は、蓄電装置2kの温度T_2kが第2温度閾値T2未満であるときに、蓄電装置2kのバッテリの充電および放電を抑制する(ステップS28)。
車両制御回路7は、例えば、蓄電装置2kのバッテリの充放電深度を当初の設定よりも浅くしたり、充放電サイクル数を当初の設定よりも減らしたりすることにより、蓄電装置2kのバッテリの充電および放電を抑制してもよい。
ここで、蓄電装置2kのバッテリの充電および放電を抑制すると、車両に対する要求トルクが満たされないこととなる。このことを回避するために、車両制御回路7は、蓄電装置2k以外の蓄電装置の充放電電力や内燃機関8から供給されるトルクを調整する。
例えば、蓄電装置2kのバッテリの充電および放電を抑制したことにより、車両に対する要求トルクが満たされないときには、車両制御回路7は、蓄電装置2k以外の1又は複数の蓄電装置のうち一番劣化していない蓄電装置の充放電深度を当初の設定より深くしたり、充放電サイクル数を当初の設定より増やしたりすることにより充放電電力を調整して、車両に対する要求トルクを満たしてもよい。
1つの蓄電装置の充放電電力を調整することにより、車両に対する要求トルクを満たすことができないときには、車両制御回路7は、2番目に劣化していない蓄電装置の充放電電力を調整し、更に足りないときには、3番目に劣化していない蓄電装置の充放電電力を調整し、…と劣化度が低いものから順に蓄電装置の充放電電力を調整してもよい。
なお、劣化状態が平均より悪い蓄電装置の充放電電力を調整しなければ要求トルクを満たすことができないときには、車両制御回路7は、劣化状態が平均より悪い蓄電装置の充放電電力を調整せずに、内燃機関8から得られるエネルギーにより不足しているトルクを補ってもよい。例えば、車両制御回路7は、蓄電装置2kのバッテリの充電および放電を抑制しているときに、蓄電装置21、22に充電することができない余剰な電気エネルギーが発生した場合、電力変換器1にて電気エネルギーを変換した機械エネルギーを利用して内燃機関8のシャフトを回転駆動することにより、余剰なエネルギーを消費させてもよい。また、車両制御回路7は、蓄電装置の充放電電力を調整することにより、蓄電装置に充電しきれない回生電力が発生しないように、ブレーキを切り替える制御をすることができる(ステップS29)。
車両制御回路7は、蓄電装置2kの温度T_2kが第2温度閾値T2以上であるときに、蓄電装置2kのバッテリの充電および放電を停止する(ステップS30)。
なお、車両制御回路7は、蓄電装置2kの充電および放電を停止するときに、蓄電装置2kのバッテリと直流リンクとの電気的接続を遮断し、充電および放電を停止してもよい。
なお、車両制御回路7は、蓄電装置2kの充電および放電を停止するときに、蓄電装置2kのバッテリと直流リンクとの電気的接続を遮断し、充電および放電を停止してもよい。
ここで、蓄電装置2kのバッテリの充電および放電を停止すると、車両に対する要求トルクが満たされないこととなる。このことを回避するために、車両制御回路7は、蓄電装置2k以外の蓄電装置の充放電電力や内燃機関8から供給されるトルクを調整する(ステップS31)。
例えば、蓄電装置2kのバッテリの充電および放電を停止したことにより、車両への要求トルクが満たされないときには、車両制御回路7は、蓄電装置2k以外の1又は複数の蓄電装置のうち一番劣化していない蓄電装置の充放電深度を当初の設定より深くしたり、充放電サイクル数を当初の設定より増やしたりすることにより充放電電力を調整し、車両に対する要求トルクを満たしてもよい。
1つの蓄電装置の放電電力を調整することにより、車両に対する要求トルクを満たすことができないときには、車両制御回路7は、2番目に劣化していない蓄電装置の充放電電力を調整し、更に足りないときには、3番目に劣化していない蓄電装置の充放電電力を調整し、…と劣化度が低い蓄電装置から順に充放電電力を調整してもよい。
なお、劣化状態が平均より悪い蓄電装置の充放電電力を調整しなければ要求トルクを満たすことができないときには、車両制御回路7は、劣化状態が平均より悪い蓄電装置の充放電電力を調整せずに、内燃機関8からのエネルギーにより不足しているトルクを補ってもよい。例えば、車両制御回路7は、蓄電装置2kのバッテリの充電および放電を停止しているときに、蓄電装置21、22に充電することができない余剰な電気エネルギーが発生した場合、電力変換器1にて電気エネルギーを変換した機械エネルギーを利用して内燃機関8のシャフトを回転駆動することにより、余剰なエネルギーを消費させてもよい。また、車両制御回路7は、蓄電装置の充放電電力を調整することにより、蓄電装置に充電しきれない回生電力が発生しないように、ブレーキを切り替える制御をすることができる(ステップS31)。
続いて、車両制御回路7は、車両がシャットダウンされるか否かを監視する(ステップS32)。車両のシャットダウン信号を検知したときには、車両制御回路7は、車両内の各構成の動作を停止した後、自身の動作を停止して車両をシャットダウンする。
車両がシャットダウンされないときには、車両制御回路7は、蓄電装置2kのバッテリの温度T_2kが第1温度閾値T1未満となるまで、蓄電装置2kの充電および放電を停止する。したがって、一度、バッテリの温度が第2温度閾値T2以上となった蓄電装置は、バッテリの温度が第1温度閾値T1未満となるまで使用されない(ステップS33)。
車両制御回路7は、上記ステップS33にて蓄電装置2kのバッテリの温度T_2kが第1温度閾値未満となったと判断したとき、および、ステップS26、S29の後に、車両をシャットダウンするか否かを判断する(ステップS34)。車両がシャットダウンされるときには、車両制御回路7は処理を終了し、車両内の各構成の動作を停止した後、自身の動作を停止して車両をシャットダウンする。
車両がシャットダウンされないときには、車両制御回路7は、上述のステップS25から再度処理を行う。すなわち、蓄電装置21、22のバッテリの劣化状態にばらつきがあるときには、車両制御回路7は、蓄電装置2kのバッテリの温度情報が送られてくるたび(例えば1分周期)に、上述のステップS25からの処理を繰り返す。
上記のように、本実施形態の鉄道車両システムによれば、車両要求トルクを満たしつつ、複数の蓄電装置の劣化状態のばらつきを抑制することが可能となり、蓄電装置の交換作業を行う回数が増大することを回避することができる。すなわち、本実施形態によれば、上述の第1実施形態と同様に、複数の蓄電装置を備えた鉄道車両システムの稼動率を向上し、車両のメンテナンス作業のコストを削減することができる。
次に、第3実施形態の鉄道車両システムおよび鉄道車両システムの制御方法について図面を参照して詳細に説明する。本実施形態では、架線レス走行を行う鉄道車両システムの動作の一例について説明する。なお、以下の説明において、上述の第1実施形態および第2実施形態と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態の鉄道車両システムは、図1に示す構成と同様である。すなわち、本実施形態の鉄道車両システムは、複数の車両A〜Xを備えている。複数の車両A〜Xのそれぞれは、電力変換器1a〜1xと、蓄電装置2a〜2xと、インバータ3a〜3xと、モータ4a〜4xと、車両制御回路5a〜5xと、を備えている。車両Aは、上位制御回路6を更に備えている。
以下に、本実施形態の鉄道車両システムの制御方法の一例について説明する。
本実施形態では、上位制御回路6は、架線レス走行を前に、車両A〜Xの蓄電装置2a〜2xの全てを充電モードとする動作を行って架線レス走行に備えること以外は、上述の第1実施形態と同様の動作を行う。
本実施形態では、上位制御回路6は、架線レス走行を前に、車両A〜Xの蓄電装置2a〜2xの全てを充電モードとする動作を行って架線レス走行に備えること以外は、上述の第1実施形態と同様の動作を行う。
すなわち、上位制御回路6は、架線レス走行に備え、鉄道車両システム全体が充電モードになった際には、蓄電装置のバッテリの劣化状態に関わらず、全てのバッテリの充電を行う。
鉄道車両システムが架線レス走行を行っているときには、上位制御回路6は、上述の第1実施形態と同様の動作を行う。ただし、架線レス走行時には架線へ回生電力を返すことや、架線からの電力で要求トルクを満たすことを行わないものとする。劣化状態の悪い蓄電装置の充電および放電を抑制或いは停止することによって、鉄道車両システムの要求トルクが満たせなくなる場合には、上位制御回路6は、鉄道車両システムの運行を優先し、充電および放電の抑制或いは停止を中止する。
本実施形態による鉄道車両システムによれば、上述の第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の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。これら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、1a〜1x…電力変換器、2a〜2x、21、22…蓄電装置、3、3a〜3x…インバータ、4、4a〜4x…モータ、6…上位制御回路、5a〜5x…車両制御回路、7…車両制御回路、8…内燃機関、A〜X…車両、T1…第1温度閾値、T2…第2温度閾値。
Claims (6)
- 電源装置と、
直流リンクを介して前記電源装置と接続した複数の蓄電装置と、
前記直流リンクを介して前記電源装置および少なくとも1つの前記蓄電装置と接続したインバータと、
前記インバータから供給されたエネルギーにより駆動される電動機と、
前記電源装置と、前記蓄電装置と、前記インバータと、前記電動機との動作を制御する制御回路と、を備え、
複数の前記蓄電装置のそれぞれはバッテリを備え、前記バッテリの温度情報を少なくとも含む劣化状態情報を前記制御回路へ出力可能であって、
前記制御回路は、前記バッテリの前記劣化状態情報に基づく前記バッテリの劣化状態の推定値を用いて複数の前記バッテリの劣化状態にばらつきがあると判断したときに、最も劣化が進んだ前記バッテリの温度情報を取得し、最も劣化が進んだ前記バッテリの温度が第1温度閾値以上であって第2温度閾値未満であるときに、前記バッテリの充電および放電を抑制することを特徴とする鉄道車両システム。 - 前記電源装置と、前記蓄電装置と、前記インバータと、前記電動機と、を備えた車両を複数備え、
前記制御回路は、複数の車両のそれぞれに設けられ、前記インバータと、前記蓄電装置と、前記電動機と、の動作を制御する車両制御回路と、複数の前記車両制御回路の動作を制御する上位制御回路と、を備えたことを特徴とする請求項1記載の鉄道車両システム。 - 前記電源装置は、架線から供給される電力を所定の直流電力に変換して前記直流リンクへ出力可能な電力変換器を備え、
前記車両制御回路は、前記バッテリの充電および放電を抑制しているときに、前記バッテリへ充電されないエネルギーを前記架線へ供給するように前記電力変換器の動作を制御可能であることを特徴とする請求項2記載の鉄道車両システム。 - 前記電源装置と、複数の前記蓄電装置と、前記インバータと、前記電動機と、を備えた車両を備え、
前記電源装置と、複数の前記蓄電装置と、前記インバータとは、前記直流リンクを介して接続していることを特徴とする請求項1記載の鉄道車両システム。 - 前記電源装置は、内燃機関と、前記内燃機関から供給される動力を所定の直流電力に変換して前記直流リンクへ出力可能な発電機とを備え、
前記制御回路は、前記バッテリの充電および放電を抑制しているときに、前記バッテリに充電されない余剰のエネルギーを変換した動力により、前記内燃機関を回転させて前記余剰のエネルギーを消費するように、前記発電機および前記内燃機関の動作を制御可能であることを特徴とする請求項4記載の鉄道車両システム。 - 前記制御回路は、最も劣化が進んだ前記バッテリの温度が前記第2温度閾値以上であるときに、前記バッテリの充電および放電を停止し、最も劣化が進んだ前記バッテリの温度が第1温度閾値未満となるまで前記バッテリの充電および放電を停止することを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか1項記載の鉄道車両システム。
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Cited By (2)
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JP2020174489A (ja) * | 2019-04-12 | 2020-10-22 | 株式会社日立製作所 | 電池システム、鉄道車両および電池管理方法 |
CN112134342A (zh) * | 2020-08-07 | 2020-12-25 | 华为技术有限公司 | 一种储能装置、系统以及储能装置的控制方法 |
-
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- 2017-05-15 JP JP2017096392A patent/JP2018196197A/ja active Pending
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