JP4801959B2

JP4801959B2 - ハイブリッド列車のエネルギー制御方法及び装置

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Publication number: JP4801959B2
Application number: JP2005287355A
Authority: JP
Inventors: 猛古賀; 行生門田; 敬治井上; 匡人中神
Original assignee: Toshiba Corp; East Japan Railway Co
Current assignee: Toshiba Corp; East Japan Railway Co
Priority date: 2005-09-30
Filing date: 2005-09-30
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2025-09-30
Also published as: JP2007098965A

Description

本発明は、ハイブリッド列車のエネルギー制御方法及び装置に関する。

従来から、鉄道車両としてディーゼルエンジンだけで走行するディーゼル車両や、ディーゼルエンジン、発電機、制御装置及びモータから構成されるディーゼル電車が使われている。このうち、ディーゼルエンジンだけで走行するディーゼル車両は、ブレーキ時には空気ブレーキを作用させて減速するので、制動エネルギーを熱に変えて捨てており、エネルギーを有効利用し、省エネルギーを図る点からは好ましいものではなかった。

図８はディーゼルエンジン、発電機、制御装置及びモータから構成されるディーゼル電車のハイブリッドシステムを示している。この従来のディーゼル電車は、ディーゼルエンジン１１と、その回転によって発電する発電機１２と、発電機１２の発電した交流を直流に変換するＡＣ／ＤＣコンバータ１３と、蓄電装置としてのリチウムイオン電池１４と、このリチウムイオン電池１４の出力する直流を所定の電圧の直流に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ１５と、これらＡＣ／ＤＣコンバータ１３又はＤＣ／ＤＣコンバータ１５の直流出力を可変電圧可変周波数変換する主回路インバータ１６と、ＡＣ／ＤＣコンバータ１３又はＤＣ／ＤＣコンバータ１５の直流出力を所定の電圧、周波数の交流に変換する補助電源インバータ１７と、主回路インバータ１６からの交流電力にて回転して車輪を駆動するためのモータ１８より構成されている。

この図８に示すようなディーゼル電車のハイブリッドシステムでは、制動エネルギーを蓄電池１４に充電させることで省エネルギーを達成できる。しかし、この発電装置と蓄電装置をもつハイブリッドシステムでは省エネルギーの機能を満足させるが、装置の構成部品として蓄電装置が追加となり、追加された分だけ装置容積が増加し、システムの小形軽量化が損なわれるという問題点が発生する。また、ハイブリッドシステムの技術的な課題として、発電装置の効率的な出力管理を達成することが要求される。

本発明は、上述したような従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、システムの小形軽量化と省エネルギーを達成でき、発電装置の効率的な出力管理が図れるハイブリッド列車のエネルギー制御技術を提供することを目的とする。

本発明の１つの特徴は、発電装置と、蓄電装置と、電力変換装置及びモータからなるハイブリッド列車で、ブレーキ時は車両の持つ運動エネルギーを蓄電装置に回生エネルギーとして回収するエネルギー制御方法において、記憶部に記憶されている走行路線上の各地点の勾配、曲率を含む路線状況データを読み出し、補助電源への入力値を検出し、モータの回転速度の検出値と車両荷重の検出値を受信し、前記モータの回転速度の検出値と前記読み出した路線状況データを用いて車両走行位置を演算し、前記モータの回転速度の検出値と前記車両荷重の検出値とを用いて鉄道車両が移動することで生じる走行抵抗を演算し、前記演算した車両走行位置に関連する前記路線状況データと、前記車両荷重の検出値とを用いて路線の勾配抵抗を演算し、前記読み出した路線状況データから、前記演算した車両走行位置に対応する曲率を求め、当該現在位置の曲率と前記モータの回転速度の検出値と前記車両荷重の検出値とを用いて路線の曲線により生じる曲線抵抗を演算し、主回路機器の出力に基づいて機器損失を演算し、前記演算により求めた走行抵抗、勾配抵抗、及び曲線抵抗により費やされる損失エネルギー、前記補助電源入力及び前記機器損失に基づいて消費エネルギーを演算し、前記演算により求めた消費エネルギーに相当する電力を前記発電装置に発電させるよう制御することにある。

本発明の他の特徴は、発電装置と、蓄電装置と、電力変換装置及びモータからなるハイブリッド列車において、蓄電装置の不足電力を発電装置にて補足し、かつ、ブレーキ時に車両の持つ運動エネルギーを蓄電装置に回生エネルギーとして回収するエネルギー制御装置であって、駅名、各駅から次の駅までの間の各地点の勾配、曲率等に関する走行路線の路線状況データを保持する路線状況データ保持手段と、補助電源入力を検出する補助電源入力検出手段と、モータ速度検出信号と車両荷重検出信号の入力を受け入れる速度・荷重検出信号入力手段と、前記モータ速度検出信号と前記路線状況データを用いて車両走行位置を演算する車両走行位置演算手段と、前記モータ速度検出信号と前記車両荷重検出信号とを用いて鉄道車両が移動することで生じる走行抵抗を演算する走行抵抗演算手段と、前記車両走行位置に関連する前記路線状況データを参照し、前記車両荷重検出信号を用いて路線の勾配抵抗を演算する勾配抵抗演算手段と、前記車両走行位置に対応し前記前記路線状況データを参照して現在位置の曲率を求め、当該現在位置の曲率と前記モータ速度検出信号と前記車両荷重検出信号とを用いて路線の曲線により生じる曲線抵抗を演算する曲線抵抗演算手段と、主回路機器出力検出信号を入力を受け入れる主回路機器出力信号入力手段と、回生エネルギーでは回収不能な機器損失を、前記主回路機器出力検出信号を用いて演算する機器損失演算手段と、前記走行抵抗、勾配抵抗、曲線抵抗により費やされる損失エネルギー、前記補助電源入力及び前記機器損失を加算して消費エネルギーを演算する消費エネルギー演算手段と、前記消費エネルギーに見合った電力だけを前記発電装置で発電させて前記モータを駆動する発電制御手段とを備えたハイブリッド列車のエネルギー制御装置にある。

本発明のハイブリッド列車のエネルギー制御技術によれば、出力定格の小さい発電装置が選択でき、かつ制動エネルギーは高い確率でほとんどすべてを蓄電装置へ吸収できるので、省エネルギーと装置の小形軽量化を達成できる。

以下、本発明の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は本発明の１つの実施の形態のエネルギー制御装置を適用するハイブリッド列車の主回路構成を示している。本ハイブリッド列車の主回路は、従来のエンジンと発電機に代わる燃料電池１と、この燃料電池１の発電電力から所定電圧の直流を取出す燃料電池用チョッパ２と、蓄電装置としての電気二重層キャパシタ３と、この電気二重層キャパシタ３から所定電圧の直流を取出し、また逆に回生エネルギー及び燃料電池出力を電気二重層キャパシタ３に取り込む電気二重層キャパシタ用チョッパ４と、車内エアコン、照明装置等への電力供給を行う補助電源５と、フィルタコンデンサ６と、直流を可変電圧可変周波数の交流に変換して交流モータ８に供給するする主回路インバータ７と、主回路インバータ７からの交流電力で回転駆動されるモータ８と、エネルギー制御装置１０から構成されている。

そして本実施の形態の特徴要素であるエネルギー制御装置１０は、図２に示す機能構成であり、補助電源５に対する入力（１）、蓄電装置である電気二重層キャパシタ３の電圧（２）と、電動機８の回転速度（３）と、図示していない車両荷重センサによる車両荷重測定信号（４）、主回路出力（５）を入力とする。また、エネルギー制御装置１０は、これが搭載されている列車の走行路線の路線状況データ、例えば、駅名、その各駅から次の駅までの間の各地点の勾配、曲率等に関するデータを路線状況データ保持部１０１に保持している。そして、本エネルギー制御装置１０は、モータ速度（３）と路線状況データ保持部１０１のデータに基づいて車両走行位置を演算する車両位置演算部１０２、この車両位置演算部１０２の求めた車両位置に関連する路線状況データ保持部１０１のデータを参照し、そして車両荷重（４）を用いて勾配抵抗を演算する勾配抵抗演算部１０３、同様に現在位置の走行抵抗を演算する走行抵抗演算部１０４、現在位置の曲率、車両荷重、モータ速度により曲線抵抗を演算する曲線抵抗演算部１０５、さらに蓄電装置電圧（２）に基づいて電気二重層キャパシタ３のＳＯＣ、つまり現在の充電率を演算する蓄電装置ＳＯＣ演算部１０６、主回路機器の機器損失を主回路出力（５）から演算する機器損失演算部１０７、補助電源５への入力（１）、これらの勾配抵抗、走行抵抗、曲線抵抗、蓄電装置ＳＯＣ及び機器損失に基づき、燃料電池の発電・停止、また発電量を制御し、同時に必要に応じて電気二重層キャパシタ用チョッパ４を順／逆に動作させる燃料電池制御部１０８を備えている。

本発明のハイブリッド列車の走行抵抗は数１式より表される。

そこで、走行抵抗演算部１０４は、走行抵抗の式（１）が示すように速度と車両重量（車両乗客荷重も含めた荷重）の入力を用いて、本式よりリアルタイムで走行抵抗を算出する。勾配抵抗演算部１０３の演算する勾配抵抗と曲線抵抗演算部１０５の演算する曲線抵抗とは、走行地点とそのルートの情報を用いて算出する。尚、後述するように、駅間のルートの情報、つまり、勾配抵抗、走行抵抗、曲線抵抗は平均したもので簡略化する方法を採用することもできる。そしてその場合、路線状況データ保持部１０１に駅間毎にその平均値のデータを予め登録しておき、各演算部１０３，１０４，１０５が車両位置演算部１０２の演算する車両走行地点に対応し、路線状況データ保持部１０１から該当地点の勾配抵抗、走行抵抗、曲線抵抗それぞれの駅間平均値を取り込み、燃料電池制御部１０７に出力する。

図３は本実施の形態のハイブリッド列車のエネルギー制御装置における燃料電池制御部１０８による燃料電池出力のエネルギー管理の一例を示し、Ａ駅からＢ駅を経てＣ駅に至るまでの燃料電池出力、電気二重層キャパシタ３のＳＯＣの様子を示す。燃料電池１は列車の走行を通して回収できないエネルギー、つまり、走行抵抗、勾配抵抗、曲線抵抗で費やされる損失と、走行中の主回路機器の損失及び補助電源装置入力等の電力をリアルタイムで供給するように出力する。加速には大きな電力を要するが、これは蓄電装置である電気二重層キャパシタ３からの放電で賄われ、これらのエネルギーは制動エネルギーとしてブレーキ時にほぼすべて回収される。制動エネルギーが電力回生制動だけでなく空気ブレーキ等で補足される場合、制動エネルギーの一部が熱損失となるので、この損失分は回収できない電力として、燃料電池出力に加えられる必要がある。また、回収できないエネルギーに対して燃料電池１が電力をリアルタイムで出力するが、燃料電池１の最大出力を超える場合は出力が制限されることになる。この場合は次に最大出力以下になった時点で補充することとする。

走行抵抗については、出発時にドア閉のタイミングで荷重を認識し、出発に伴ない刻々と変わる速度を認識すると走行抵抗式からリアルタイムで車両の走行抵抗損失を算出する。また、次駅までの路線条件は速度で積算されるキロ程に従い、実走行路線に照らし合わすことで場所、場所での勾配抵抗や曲線抵抗を算定する。

機器の損失については、機器の入出力を検出することで、これもリアルタイムで検出する。但し、このエネルギーは全体から見ると小さいため、図３は平均化した値で示している。もう１つの回収できない電力に電灯やエアコンにエネルギーを供給する補助電源装置５がある。この電力は補助電源入力を検出することで同じくリアルタイムで検出する。燃料電池制御部１０８はこれら回収できない電力の総和をリアルタイムで求め、この値と同じ値を燃料電池１より出力するエネルギー管理を行う。電力の総和の形は急速な変化をするが、蓄電装置としての電気二重層キャパシタ３というバッファが介在するので、燃料電池１はある電力変化内で動作させることができる。また、燃料電池制御部１０８は、このような制御方法で停止時の電気二重層キャパシタ３の残存指標ＳＯＣを適正残存指標ＳＯＣと比較し、停車している期間に燃料電池出力を増減させ、適正なＳＯＣが駅出発時に保たれるようにする。図３の制御では、Ａ駅では適正残存指標を超えたため、燃料電池出力を絞り、電気二重層キャパシタ３の放電量を増加させている。Ｂ駅では適正なＳＯＣのため、補助電源入力と同量の出力を燃料電池１から出力している。Ｃ駅では適正ＳＯＣに達しなかったため、燃料電池出力を増加して電気二重層キャパシタ３を充電するようにしている。尚、蓄電装置ＳＯＣ演算部１０６が演算したＳＯＣが適正範囲を超えて少なくなっている場合、燃料電池制御部１０８は、例えば、駅停車中に燃料電池１を動作させ、また電気二重層キャパシタ３を逆方向（入力方向）に動作させて電気二重層キャパシタ３の蓄電量を上げる制御も行う。

本実施の形態のハイブリッド制御装置によれば、このような燃料電池出力を制御することで、出発時の蓄電装置の残存指標ＳＯＣを常に適量にするように制御することができる。

（第２の実施の形態）本発明の第２の実施の形態のハイブリッド列車のエネルギー制御装置におけるハイブリッド列車は第１の実施の形態でも示した図１の構成であり、また、ハイブリッド列車のエネルギー制御装置の機能構成も第１の実施の形態と同様に図２に示したものである。ただし、後述するように、外部からの入力は一部省略されることになる。

本実施の形態の特徴は、燃料電池制御部１０８の制御方法にある。本実施の形態の場合、図４に示すように、燃料電池制御部１０８は、図３の燃料電池出力を補助電源入力と走行抵抗に対応させ、他の損失は駅間では一定として燃料電池出力のエネルギー管理を実行する。基本的には車両の重量（４）と速度（３）を検出し、他は路線状況データ保持部１０１に事前に駅間毎の一律等価損失として登録している。本実施の形態の場合、図２における入力として主回路出力（５）を省略することができ、多くの検出や演算をしなくても図３の結果に近いものをもたらすことができる。

（第３の実施の形態）本発明の第３の実施の形態のハイブリッド列車のエネルギー制御装置におけるハイブリッド列車も第１の実施の形態として示した図１の構成であり、また、ハイブリッド列車のエネルギー制御装置の機能構成も第１の実施の形態と同様に図２に示したものである。ただし、後述するように、外部からの入力は第２の実施の形態よりもさらに省略されたものとなる。

本実施の形態の特徴も、燃料電池制御部１０８の制御方法にあり、図５に示すように、第２の実施の形態よりもさらに演算の簡略化を進め、燃料電池出力を補助電源入力（１）に対応させ、他の損失は駅間では一定Ｌａｂ，Ｌｂｃ，…として路線状況データ保持部１０１に事前に登録したものを用いて、燃料電池出力のエネルギー管理を行うことを特徴とする。これにより、燃料電池出力の演算処理の負荷がいっそう軽減できる。

（第４の実施の形態）本発明の第４の実施の形態のハイブリッド列車のエネルギー制御装置は、第３の実施の形態に対して、さらに車両重量について考慮することを特徴とする。したがって、ハイブリッド列車の構成は図１に示したものであり、ハイブリッド列車のエネルギー制御装置の機能構成も第３の実施の形態と同様であるが、燃料電池出力の制御方式が若干異なることになる。

本実施の形態の燃料電池制御部１０８では、図６に示すように、燃料電池出力を補助電源入力（１）に対応させ、他の損失は駅間では一定として上乗せするが、さらに、路線状況データ保持部１０１に事前に季節毎、時間毎、そして各駅での平均的な乗車情報を登録しておき、これに基づいて燃料電池出力が補助電源入力を下回ることがない範囲で若干の余裕を持たせたエネルギー管理を実施し、各駅間では常に一定の出力で燃料電池出力を制御する。

これにより、燃料電池１の発電起動、停止を頻繁に繰り返さず、燃料電池出力の落ち着いたエネルギー管理が可能である。

（第５の実施の形態）本実施の形態のハイブリッド列車のエネルギー制御装置は、回生エネルギーの蓄電装置に対する回生方法を特徴とする。本実施の形態にあってもハイブリッド列車のエネルギー制御装置の構成は第１の実施の形態と同様に図１に示した構成である。そして、エネルギー制御装置１０の機能構成は、図２に示したものである。

本実施の形態では、エネルギー制御装置１０における燃料電池制御部１０８は、図７に示す適正ＳＯＣデータを保持し、これに沿い、ＳＯＣの上限ラインＡを越えない範囲で回生エネルギーを電気二重層キャパシタ３に回収する制御をすることを特徴とする。

駅間距離にあまり差がない場合、空車時では蓄電装置ＳＯＣ演算部１０６が算出する電気二重層キャパシタ３の残量指標が少なくても次駅までの走行が可能なため、本実施の形態では、燃料電池制御部１０８は適正残量指標ＳＯＣを車両の重量（４）に応じて、図７に示すようにＡラインとＢラインの間にするように傾斜を持たせ、この範囲に電気二重層キャパシタ３の蓄電量ＳＯＣが維持されるように燃料電池出力のエネルギー管理を行う。

これにより、空車時を例に取ると、回生ブレーキで回収できるエネルギーが力行で要したエネルギー以上になった時、傾斜なし（つまり、空車時も満員時にも適正ＳＯＣを一定）の場合には回生できるエネルギーを捨てる結果になるが、傾斜を持たすことでこれを改善することができる。

本実施の形態によれば、出力定格の小さい発電装置が選択でき、かつ制動エネルギーは高い確率ですべて蓄電装置へ吸収できるので、省エネルギーと装置の小形軽量を達成することができる。省エネルギーは単位重量当りの燃料に対する走行距離が増大することにつながり、１回の燃料補給での走行距離の延長はメンテナンス上でも好ましい。

尚、上記実施の形態において発電装置には、燃料電池に代えてディーゼル発電機を採用することができる。また、蓄電装置としては、電気二重層キャパシタに代えてリチウムイオン電池等の蓄電素子や二次電池を採用することができ、またそれらを複数台搭載させることもができる。さらに蓄電装置として、フライホイール等の回転形エネルギー蓄積装置を採用することもできる。

本発明の第１の実施の形態のハイブリッド列車のエネルギー制御装置のブロック図。上記実施の形態におけるエネルギー制御装置の機能構成のブロック図。上記実施の形態によるエネルギー制御方法を示すタイミングチャート。本発明の第２の実施の形態によるエネルギー制御方法を示すタイミングチャート。本発明の第３の実施の形態によるエネルギー制御方法を示すタイミングチャート。本発明の第４の実施の形態によるエネルギー制御方法を示すタイミングチャート。本発明の第５の実施の形態において採用する蓄電装置の適正残存指標ＳＯＣの説明図。従来のディーゼル電車の構成を示すブロック図。

符号の説明

１燃料電池
２燃料電池用チョッパ
３電気二重層キャパシタ
４電気二重層キャパシタ用チョッパ
５補助電源
６フィルタコンデンサ
７主回路インバータ
８モータ
１０エネルギー制御装置
１０１路線状況データ保持部
１０２車両位置演算部
１０３勾配抵抗演算部
１０４走行抵抗演算部
１０５曲線抵抗演算部
１０６蓄電装置ＳＯＣ演算部
１０７機器損失演算部
１０８燃料電池制御部

Claims

発電装置と、蓄電装置と、電力変換装置及びモータからなるハイブリッド列車で、ブレーキ時は車両の持つ運動エネルギーを蓄電装置に回生エネルギーとして回収するエネルギー制御方法において、
記憶部に記憶されている走行路線上の各地点の勾配、曲率を含む路線状況データを読み出し、
補助電源への入力値を検出し、
モータの回転速度の検出値と車両荷重の検出値を受信し、
前記モータの回転速度の検出値と前記読み出した路線状況データを用いて車両走行位置を演算し、
前記モータの回転速度の検出値と前記車両荷重の検出値とを用いて鉄道車両が移動することで生じる走行抵抗を演算し、
前記演算した車両走行位置に関連する前記路線状況データと、前記車両荷重の検出値とを用いて路線の勾配抵抗を演算し、
前記読み出した路線状況データから、前記演算した車両走行位置に対応する曲率を求め、当該現在位置の曲率と前記モータの回転速度の検出値と前記車両荷重の検出値とを用いて路線の曲線により生じる曲線抵抗を演算し、
主回路機器の出力に基づいて機器損失を演算し、
前記演算により求めた走行抵抗、勾配抵抗、及び曲線抵抗により費やされる損失エネルギー、前記補助電源入力及び前記機器損失に基づいて消費エネルギーを演算し、
前記演算により求めた消費エネルギーに相当する電力を前記発電装置に発電させるよう制御することを特徴とするハイブリッド列車のエネルギー制御方法。
列車の停車中に、前記蓄電装置の充電率を検出し、この検出した充電率と予め決められた適正充電率とを比較し、検出した充電率が適正充電率を満たしていない場合は、前記発電装置を動作させて前記蓄電装置を充電させることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド列車のエネルギー制御方法。
前記適正充電率は、前記車両荷重の検出値に応じて可変の値をとり、この検出値が大きくなるに従って高い値を示すことを特徴とする請求項２に記載のハイブリッド列車のエネルギー制御方法。
前記発電装置は、ディーゼル発電機であることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド列車のエネルギー制御方法。
前記発電装置は、燃料電池であることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド列車のエネルギー制御方法。
前記蓄電装置は、電気２重層キャパシタ又は二次電池であることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド列車のエネルギー制御方法。
前記蓄電装置は、フライホイール等の回転形エネルギー蓄積装置であることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド列車のエネルギー制御方法。
発電装置と、蓄電装置と、電力変換装置及びモータからなるハイブリッド列車において、蓄電装置の不足電力を発電装置にて補足し、かつ、ブレーキ時に車両の持つ運動エネルギーを蓄電装置に回生エネルギーとして回収するエネルギー制御装置であって、
駅名、各駅から次の駅までの間の各地点の勾配、曲率等に関する走行路線の路線状況データを保持する路線状況データ保持手段と、
補助電源入力を検出する補助電源入力検出手段と、
モータ速度検出信号と車両荷重検出信号の入力を受け入れる速度・荷重検出信号入力手段と、
前記モータ速度検出信号と前記路線状況データを用いて車両走行位置を演算する車両走行位置演算手段と、
前記モータ速度検出信号と前記車両荷重検出信号とを用いて鉄道車両が移動することで生じる走行抵抗を演算する走行抵抗演算手段と、
前記車両走行位置に関連する前記路線状況データを参照し、前記車両荷重検出信号を用いて路線の勾配抵抗を演算する勾配抵抗演算手段と、
前記車両走行位置に対応し前記前記路線状況データを参照して現在位置の曲率を求め、当該現在位置の曲率と前記モータ速度検出信号と前記車両荷重検出信号とを用いて路線の曲線により生じる曲線抵抗を演算する曲線抵抗演算手段と、
主回路機器出力検出信号を入力を受け入れる主回路機器出力信号入力手段と、
回生エネルギーでは回収不可能な機器損失を、前記主回路機器出力検出信号を用いて演算する機器損失演算手段と、
前記走行抵抗、勾配抵抗、曲線抵抗により費やされる損失エネルギー、前記補助電源入力及び前記機器損失を加算して消費エネルギーを演算する消費エネルギー演算手段と、
前記消費エネルギーに見合った電力だけを前記発電装置で発電させて前記モータを駆動する発電制御手段とを備えたことを特徴とするハイブリッド列車のエネルギー制御装置。
前記発電制御手段は、発電装置出力が最大出力を超過した場合、最大出力で制限した動作を行い、要求出力が最大出力以下になった時点で先の不足分の補充をする制御をすることを特徴とする請求項８に記載のハイブリッド列車のエネルギー制御装置。
前記発電装置は、ディーゼル発電機であることを特徴とする請求項８又は９に記載のハイブリッド列車のエネルギー制御装置。
前記発電装置は、燃料電池であることを特徴とする請求項８又は９に記載のハイブリッド列車のエネルギー制御装置。
前記蓄電装置は、電気２重層キャパシタ又は二次電池であることを特徴とする請求項８又は９に記載のハイブリッド列車のエネルギー制御装置。
前記蓄電装置は、フライホイール等の回転形エネルギー蓄積装置であることを特徴とする請求項８又は９に記載のハイブリッド列車のエネルギー制御装置。