JP4635778B2 - ハイブリッド駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、軌道式車両を駆動するハイブリッド駆動装置に関し、特に、電池残量を適正に管理する技術に関する。

自動車等の車両において、エンジンにより発電機を回転させて発電して、発電電力を電池に蓄電し且つ発電機や電池からの電力により車両走行用の電動機を駆動するハイブリッドシステムが知られている。

しかし、鉄道の軌道上または案内軌条に沿って走行する軌道式車両においては、まだハイブリッドシステムがあまり適用されていない。特に、ディーゼルエンジンを駆動源とする気動車や新幹線作業車では、車両の始動時及び加速時はディーゼルエンジンが使用され、減速時及び坂道の下り等では機械式のブレーキが使用されている。従って、減速時及び坂道の下り等で運動エネルギーが捨てられてしまい、エネルギー効率が悪い。このため、軌道式車両にハイブリッドシステムを適用する必要がある。

従来のハイブリッドシステムでは、車両の自重及び速度を検出して、検出した自重及び速度による保有エネルギーを、２次電池の容量内で出し入れできるように発電機をＯＮ／ＯＦＦ制御していた。

また、軌道式車両において、定刻に次駅に到着するノッチパターンで且つ消費電力量が最小となるノッチパターンを計算する鉄道車両用制御装置が開示されている（例えば、特許文献１）。この特許文献１に記載の鉄道車両用制御装置は、車両の現在位置、現在速度等の車両状態情報と、線路勾配や曲線等の路線情報とを用いて、車両が定刻に次駅に到着し且つ消費電力が最小となるようにノッチパターンを最適化する。
特開２００４−３５７３９９号公報

しかしながら、車両の保有エネルギーを、２次電池の容量内で出し入れできるように発電機をＯＮ／ＯＦＦ制御するだけの従来のハイブリッドシステムでは、実路線の線路勾配や曲線等を考慮していないため、坂道の上りで加速するときにエネルギー不足を生じたり、坂道の下りで回生ブレーキのエネルギーが充電できず、発電機による無駄な発電を行ってしまったりするおそれがある。

また、特許文献１に記載の鉄道車両用制御装置は、車両の現在位置、現在速度等の車両状態情報と、線路勾配や曲線等の路線情報とを用いて、ノッチパターンを最適化するものであり、２次電池の電池残量等のエネルギー管理を行うことはできない。

本発明の課題は、軌道式車両の走行用の電動機に電力を供給する２次電池の電池残量を、常に適正値に保ちながら軌道式車両を駆動するハイブリッド駆動装置を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係るハイブリッド駆動装置は、発電機を駆動させて発電して発電電力を電池に蓄電し且つ前記発電機や前記電池からの電力により軌道式車両の走行用の電動機を駆動するハイブリッド駆動装置であって、前記軌道式車両の起点からの走行距離を算出して、前記走行距離に基づいて前記軌道式車両の路線上の現在位置を検出する現在位置検出部と、前記軌道式車両の路線位置毎に予め設定された前記電池の電池残量設定値を示す路線パラメータが記憶された記憶部と、前記現在位置検出部で検出した前記路線上の現在位置と前記記憶部に記憶された前記路線パラメータとを照合して、前記路線上の現在位置における前記電池残量設定値を算出する電池残量設定値算出部と、前記路線上の現在位置における前記電池の電池残量を検出する電池残量検出部と、前記電池残量設定値算出部で算出した前記電池残量設定値と前記電池残量検出部で検出した前記電池残量とを比較して、前記電池残量が前記電池残量設定値よりも小さいときに前記発電機を駆動させる運転制御部と、前記軌道式車両の重量と前記軌道式車両の走行速度とに基づいて前記軌道式車両の保有エネルギー量を算出する保有エネルギー量算出部とを備え、前記記憶部は、前記軌道式車両の路線位置毎に予め算出された前記電動機で消費される力行エネルギーと前記電動機から回生される回生エネルギーを示すエネルギー収支量を記憶し、前記運転制御部は、前記電池残量に前記保有エネルギー量と前記エネルギー収支量の差を加えた値を示す前記軌道式車両の総エネルギー量が、前記電池の電池容量の所定の上限値を超えた場合は、前記所定の上限値から前記総エネルギー量を引いた値を前記電池残量設定値に加えることによって前記電池残量設定値を補正し、前記総エネルギー量が前記電池の電池容量の所定の下限値よりも小さい場合は、前記所定の下限値から前記総エネルギー量を引いた値を前記電池残量設定値に加えることによって前記電池残量設定値を補正することを特徴とする。

本発明に係るハイブリッド駆動装置によれば、現在位置検出部が軌道式車両の起点からの走行距離を算出して、起点からの走行距離に基づいて軌道式車両の路線上の現在位置を検出し、記憶部が軌道式車両の路線位置毎に予め設定された電池の電池残量設定値を示す路線パラメータを記憶し、電池残量設定値算出部が現在位置検出部で検出した路線上の現在位置と記憶部に記憶された路線パラメータとを照合して、路線上の現在位置における電池残量設定値を算出し、電池残量検出部が路線上の現在位置における電池の電池残量を検出し、運転制御部が電池残量設定値算出部で算出した電池残量設定値と電池残量検出部で検出した電池残量とを比較して、電池残量が電池残量設定値よりも小さいときに発電機を駆動させるので、軌道式車両の走行用の電動機に電力を供給する電池の電池残量を、常に適正値に保ちながら軌道式車両を駆動することができる。

以下、本発明の実施例に係るハイブリッド駆動装置を、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は本発明の実施例１に係るハイブリッド駆動装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、実施例１に係るハイブリッド駆動装置１は、現在位置検出部２、記憶部３、電池残量設定値算出部４、電池残量検出部５、運転制御部６、重量演算部７、速度演算部８、保有エネルギー量算出部９を備えて構成されている。

このハイブリッド駆動装置を搭載した軌道式車両は、運転操作台１０からの操作指令を運転制御部６に出力し、運転制御部６は駆動用インバータ１１に駆動トルク指令を出力し、駆動用インバータ１１により電動機１３を回転させて、車両駆動輪１２を回転させる。また、電動機１３が（−）トルクとなった場合は、電動機１３→駆動用インバータ１１→昇圧回路１５→２次電池１６の経路で電力回生を行う。

現在位置検出部２は、車両駆動輪１２を回転させる電動機１３の回転数を検出するエンコーダ１４からの電気信号に基づいて車両駆動輪１２の回転数を求める。また、現在位置検出部２は、車両駆動輪１２の回転数と車両駆動輪１２の車輪径とに基づいて、軌道式車両の起点からの走行距離を算出する。

また、現在位置検出部２には、軌道式車両の起点及び起点からの走行方向が予め設定されており、軌道式車両の起点からの走行距離を算出することで、該軌道式車両が路線上のどの位置にいるかを検出することができる。即ち、現在位置検出部２は、車輪回転数と車輪径とに基づいて軌道式車両の路線上の現在位置を検出する。また、現在位置検出部２は、ＧＰＳ２０または軌道上に設置された地上子２１からの信号により現在位置の補正を行う。

記憶部３は、例えばＩＣカード等であり、軌道式車両の力行時に電動機１３で消費される力行エネルギーと、軌道式車両の回生時（電動機１３が（−）トルクとなった場合）に、軌道式車両に搭載される２次電池１６に蓄電される回生エネルギーの路線位置毎の値（以下、路線位置毎のエネルギー収支量）が記憶されている。また、記憶部３は、エネルギー収支量に基づいて予め設定される、路線位置毎の２次電池１６の電池残量設定値を示す路線パラメータが記憶されている。

路線位置毎のエネルギー収支量は、軌道式車両が走行する路線の勾配、曲線等の路線情報及び通常運行時の路線での走行速度、停止位置等の運行計画を基に、路線位置毎の力行／回生エネルギーを予め机上で計算し、この収支量を路線位置毎に記録したものである。また、このエネルギー収支量は、軌道式車両の試験運転時に採取された実測データにより補正される。

路線位置毎の電池残量設定値（以下、路線パラメータ）は、路線位置毎のエネルギー収支量に基づいて、予め机上で設定されるものである。この路線パラメータは、２次電池１６の電池残量が常に電池の容量の２０％（２次電池の放電限界）〜８０％（2次電池の充電限界）の範囲内になり且つ電池残量が起点と終点とで一致するように、発電機１９をＯＮ−ＯＦＦ制御した場合の路線位置毎の電池残量を示すものである。この発電機１９のＯＮ−ＯＦＦ制御のタイミング及び発電機１９をＯＮする時間は、例えばコンピュータを用いてさまざまな組み合わせで計算を行い最適化する。

例えば、高速走行時は、ブレーキによる回生エネルギーを２次電池１６に蓄電できるように２次電池１６の電池残量が低めになるように設定する。坂道の手前では、坂道を上がるためのエネルギーを２次電池１６でまかなえるように２次電池１６の電池残量が高めになるように設定する。坂道の頂上付近では、ブレーキによる回生エネルギーを２次電池１６に蓄電できるように２次電池１６の電池残量が低めになるように設定する。駅へ入構するときは、発進時のエネルギーを２次電池１６でまかなえるように２次電池１６の電池残量が高めになるように設定する。

電池残量設定値算出部４は、現在位置検出部２で検出した軌道式車両の現在位置と記憶部３に記憶された路線パラメータとを照合して、路線上の現在位置における２次電池１６の電池残量設定値を算出する。電池残量設定値算出部４は、算出した電池残量設定値を運転制御部６に出力する。

電池残量検出部５は、路線上の現在位置における２次電池１６の実際の電池残量を常時検出して、検出した電池残量を運転制御部６に出力する。

重量演算部７は、台車空気圧検出部２２により検出された台車の空気圧に基づいて軌道式車両の車輪にかかる荷重を検出して、車輪にかかる荷重に基づいて軌道式車両の重量を演算する。速度演算部８は、エンコーダ１４からの電気信号に基づいて車両駆動輪１２の回転数を求め、軌道式車両の車輪回転数に基づいて軌道式車両の走行速度を演算する。

保有エネルギー量算出部９は、重量演算部７で演算された軌道式車両の重量と速度演算部８で演算された軌道式車両の走行速度とに基づいて、軌道式車両の保有エネルギー量を算出する。

軌道式車両の保有エネルギー量は、軌道式車両の重量及び走行速度から常時計算され、運動エネルギー（１／２）ｍｖ² に機械的損失分（例えば、０．０７７２）をかけたものと併せて、以下の式（１）により求められる。

（保有エネルギー量）＝（１／２）×（１−機械的損失）×（車両重量）×（車両速度）² ・・・（１）
運転制御部６は、電池残量設定値算出部４で算出した電池残量設定値と電池残量検出部５で検出した実際の電池残量とを比較して、実際の電池残量が電池残量設定値よりも小さいとき発電機１９を回転させ、実際の電池残量が電池残量設定値よりも大きいとき発電機１９を停止させる。

即ち、以下の式（２）のとき発電機出力はＯＮし、式（３）のとき発電機出力はＯＦＦする。

路線位置毎の電池残量設定値＞路線位置毎の実際の電池残量 ・・・ （２）
路線位置毎の電池残量設定値＜路線位置毎の実際の電池残量 ・・・ （３）
また、運転制御部６は、実際の電池残量に保有エネルギー量とエネルギー収支量の差を加えた値（以下、総エネルギー量）が、２次電池１６の電池容量の２０％〜８０％の範囲内になるように電池残量設定値を補正する。即ち、総エネルギー量が、２次電池１６の電池容量の８０％を超えた式（４）のような場合、電池残量設定値を式（５）のように補正する。

（総エネルギー量）＝（実際の電池残量）＋（保有エネルギー量）−（エネルギー収支量）＞電池容量の８０％ ・・・ （４）
電池残量設定値（補正値）＝（電池残量設定値）＋（電池容量の８０％）−（（実際の電池残量）＋（保有エネルギー量）−（エネルギー収支量））＝（電池残量設定値）＋（（電池容量の８０％）−（総エネルギー量）） ・・・ （５）
即ち、この補正演算は、電池容量の８０％から総エネルギー量を引いた値を補正前の電池残量設定値に加えることによって行われる。

また、運転制御部６は、総エネルギー量が２次電池１６の電池容量の２０％よりも小さくなった式（６）のような場合、電池残量設定値を式（７）のように補正する。

（総エネルギー量）＝（実際の電池残量）＋（保有エネルギー量）−（エネルギー収支量）＜電池容量の２０％ ・・・ （６）
電池残量設定値（補正値）＝（電池残量設定値）＋（電池容量の２０％）−（（実際の電池残量）＋（保有エネルギー量）−（エネルギー収支量））＝（電池残量設定値）＋（（電池容量の２０％）−（総エネルギー量）） ・・・ （７）
即ち、この補正演算は、電池容量の２０％から総エネルギー量を引いた値を補正前の電池残量設定値に加えることによって行われる。

次に、本発明の実施例１に係るハイブリッド駆動装置の動作を図２に示すフローチャート、図３及び図４に示すタイミングチャートを用いて詳細に説明する。まず、図２に示すように、現在位置検出部２は軌道式車両の路線上の現在位置を検出する（ステップＳ１）。次に、電池残量設定値算出部４は、現在位置検出部２で検出した路線上の現在位置と記憶部３に記憶された路線パラメータとを照合して、路線上の現在位置における電池残量設定値を算出する（ステップＳ２）。

このとき、保有エネルギー量算出部９は、重量演算部７で演算された軌道式車両の重量及び速度演算部８で演算された軌道式車両の走行速度に基づいて軌道式車両の路線上の現在位置における保有エネルギー量を算出し、電池残量検出部５は、軌道式車両の路線上の現在位置における２次電池１６の実際の電池残量を検出する。

運転制御部６は、路線上の現在位置における２次電池１６の実際の電池残量に、保有エネルギー量とエネルギー収支量の差を加えた値（総エネルギー量）が、２次電池１６の電池容量の２０％〜８０％の範囲内であるかどうかを判定する（ステップＳ３）。

総エネルギー量が２次電池１６の電池容量の２０％〜８０％の範囲内である場合、電池残量設定値算出部４で算出した電池残量設定値と電池残量検出部５で検出した２次電池１６の実際の電池残量とを比較する（ステップＳ４）。

総エネルギー量が２次電池１６の電池容量の２０％〜８０％の範囲外である場合、電池残量設定値算出部４で算出された電池残量設定値を補正した（ステップＳ５）後、ステップＳ４に進む。

ステップＳ4で、運転制御部６は、実際の電池残量が電池残量設定値よりも小さいとき、発電機１９を回転させる指令を出力し、発電機１９を回転させる（ステップＳ６）。運転制御部６は、実際の電池残量が電池残量設定値よりも大きいとき、発電機１９を停止させる指令を出力し、発電機１９を停止させる（ステップＳ７）。

図３は総エネルギー量が２次電池１６の電池容量の２０％〜８０％の範囲内である場合の発電機１９の回転／停止のタイミングの一例を示すタイミングチャートである。

図３に示すように、軌道式車両の現在位置が路線上の位置ｘ１で、実際の電池残量が電池残量設定値よりも小さくなり、運転制御部６は発電機１９を回転させる指令を出して発電機１９を回転させている。また、位置ｘ２で、実際の電池残量が電池残量設定値よりも大きくなり、運転制御部６は発電機１９を停止させる指令を出して発電機１９を停止させている。また、位置ｘ３で、実際の電池残量が電池残量設定値よりも小さくなり、運転制御部６は発電機１９を回転させる指令を出して発電機１９を回転させている。

図４は総エネルギー量が２次電池１６の電池容量の２０％〜８０％の範囲外となり、電池残量設定値が補正される場合の発電機１９の回転／停止のタイミングの一例を示すタイミングチャートである。

図４に示すように、路線上の位置ｘ２〜ｘ５で、総エネルギー量が電池容量の８０％を超え、電池残量設定値が図の太線のように補正されている。また、位置ｘ６〜ｘ９で、総エネルギー量が電池容量の２０％よりも小さくなり、電池残量設定値が図の太線のように補正されている。

従って、図４においては、軌道式車両の現在位置が路線上の位置ｘ１で実際の電池残量が電池残量設定値よりも小さくなり、運転制御部６は発電機１９を回転させる指令を出して発電機１９を回転させている。また、位置ｘ３で実際の電池残量が電池残量設定値よりも大きくなり、運転制御部６は発電機１９を停止させる指令を出して発電機１９を停止させている。

また、位置ｘ７で実際の電池残量が電池残量設定値よりも小さくなり、運転制御部６は発電機１９を回転させる指令を出して発電機１９を回転させている。また、位置ｘ８で実際の電池残量が電池残量設定値よりも大きくなり、運転制御部６は発電機１９を停止させる指令を出して発電機１９を停止させている。また、位置ｘ１０で実際の電池残量が電池残量設定値よりも小さくなり、運転制御部６は発電機１９を回転させる指令を出して発電機１９を回転させている。

図４に示すように、総エネルギー量が２次電池１６の電池容量の２０％〜８０％の範囲外となったときに、電池残量設定値を補正することで、位置ｘ３−ｘ４間で発電機１９がＯＦＦとなり、位置ｘ７−ｘ８間で発電機１９がＯＮとなるように発電機の動作が変更された。

このように、実施例１に係るハイブリッド駆動装置によれば、現在位置検出部２が、軌道式車両の起点からの走行距離を算出して、起点からの走行距離に基づいて軌道式車両の路線上の現在位置を検出し、電池残量設定値算出部４が、記憶部３に予め記憶された路線パラメータと現在位置検出部２で検出した路線上の現在位置とを照合して、路線上の現在位置における電池残量設定値を算出し、運転制御部６が、電池残量設定値算出部４で算出した電池残量設定値と電池残量検出部５で検出した実際の電池残量とを比較して、実際の電池残量が電池残量設定値よりも小さいとき、発電機１９を回転させる。従って、２次電池１６の電池残量を、常に適正値に保ちながら軌道式車両を駆動することができる。

このため、例えば、坂道の頂上付近では２次電池１６の電池残量が低めになり、坂道を下るときの回生エネルギーを全て２次電池１６に蓄電できるようになる。また、加速時及び坂道登坂時等の大きい出力を必要とする路線位置では、２次電池１６の電池残量が高めになり、電力不足に陥ることはない。このときに、発電機１９及び２次電池１６の両方からの出力によりエネルギーを補うものとしても良い。このように、エネルギーを無駄なく利用でき、発電機１９と２次電池１６でエネルギー分担を最適化することができる。

また、運転制御部６は、実際の電池残量と予め設定された電池残量設定値との値を比較して、発電機１９をＯＮ−ＯＦＦ制御することで、２次電池１６の電池残量を常に適正値に保つので、発電機１９の容量が小さくても運転者は発電機容量を気にすることなく予定通りの運転をすることができる。

また、実施例１に係るハイブリッド駆動装置によれば、重量演算部７が軌道式車両の車輪にかかる荷重に基づいて軌道式車両の重量を演算し、速度演算部８が軌道式車両の車輪回転数に基づいて軌道式車両の走行速度を演算する。そして、保有エネルギー量算出部９は、軌道式車両の重量と走行速度とに基づいて、軌道式車両の保有エネルギー量を算出する。そして、運転制御部６は、実際の電池残量に保有エネルギー量を加えて、ここから記憶部３に記憶されたエネルギー収支量を引いた値を示す軌道式車両の総エネルギー量が、２次電池１６の電池容量の８０％を超えた場合は、電池容量の８０％から総エネルギー量を引いた値を電池残量設定値に加えることによって電池残量設定値を補正する。また、総エネルギー量が電池容量の２０％よりも小さい場合は、電池容量の２０％から総エネルギー量を引いた値を電池残量設定値に加えることによって電池残量設定値を補正する。従って、軌道式車両が不測の事態による徐行、速度超過運転等の運転計画外の車両運行となった場合にも２次電池１６の電池残量を適正値に保ちながら軌道式車両を駆動することができる。

なお、２次電池１６はキャパシターとすることもできる。

本発明は、軌道式車両を駆動するハイブリッド駆動装置として利用可能である。

本発明の実施例１に係るハイブリッド駆動装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例１に係るハイブリッド駆動装置の動作を示すフローチャートである。 発電機の回転／停止のタイミングの一例を示すタイミングチャートである。 発電機の回転／停止のタイミングの他の一例を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１…ハイブリッド駆動装置
２…現在位置検出部
３…記憶部
４…電池残量設定値算出部
５…電池残量検出部
６…運転制御部
７…重量演算部
８…速度演算部
９…保有エネルギー量算出部
１０…運転操作台
１１…駆動用インバータ
１２…車両駆動輪
１３…電動機
１４…エンコーダ
１５…昇圧回路
１６…２次電池
１７…発電部
１８…ディーゼルエンジン
１９…発電機
２０…ＧＰＳ
２１…地上子
２２…台車空気圧検出部

Claims (1)

1. 発電機を駆動させて発電して発電電力を電池に蓄電し且つ前記発電機や前記電池からの電力により軌道式車両の走行用の電動機を駆動するハイブリッド駆動装置であって、
   前記軌道式車両の起点からの走行距離を算出して、前記走行距離に基づいて前記軌道式車両の路線上の現在位置を検出する現在位置検出部と、
   前記軌道式車両の路線位置毎に予め設定された前記電池の電池残量設定値を示す路線パラメータが記憶された記憶部と、
   前記現在位置検出部で検出した前記路線上の現在位置と前記記憶部に記憶された前記路線パラメータとを照合して、前記路線上の現在位置における前記電池残量設定値を算出する電池残量設定値算出部と、
   前記路線上の現在位置における前記電池の電池残量を検出する電池残量検出部と、
   前記電池残量設定値算出部で算出した前記電池残量設定値と前記電池残量検出部で検出した前記電池残量とを比較して、前記電池残量が前記電池残量設定値よりも小さいときに前記発電機を駆動させる運転制御部と、
   前記軌道式車両の重量と前記軌道式車両の走行速度とに基づいて前記軌道式車両の保有エネルギー量を算出する保有エネルギー量算出部とを備え、
   前記記憶部は、前記軌道式車両の路線位置毎に予め算出された前記電動機で消費される力行エネルギーと前記電動機から回生される回生エネルギーを示すエネルギー収支量を記憶し、
   前記運転制御部は、前記電池残量に前記保有エネルギー量と前記エネルギー収支量の差を加えた値を示す前記軌道式車両の総エネルギー量が、前記電池の電池容量の所定の上限値を超えた場合は、前記所定の上限値から前記総エネルギー量を引いた値を前記電池残量設定値に加えることによって前記電池残量設定値を補正し、前記総エネルギー量が前記電池の電池容量の所定の下限値よりも小さい場合は、前記所定の下限値から前記総エネルギー量を引いた値を前記電池残量設定値に加えることによって前記電池残量設定値を補正する
   ことを特徴とするハイブリッド駆動装置。

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