JP4846875B1 - ディーゼルハイブリッド車両システム - Google Patents

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Abstract

別途模擬音発生装置を設ける必要がなく、車両の小型軽量化および低コスト化を図ることを可能とするディーゼルハイブリッド車両システムを得ること。車両の走行中のみならず、車両の起動時およびブレーキ制御時においてディーゼルエンジン1を停止させた場合や、惰行時においてディーゼルエンジン1の出力を低下させた場合にも、ラジエータ7のプロペラファン8を強制的に駆動してプロペラファン8による風音を発生させるようにした。
【選択図】図1

Description

本発明は、ディーゼルハイブリッド車両システムに関する。
従来のディーゼルハイブリッド車両システムでは、排気ガス低減のため、車両の起動時(停止中の再起動時を含む)またはブレーキ制御時には、ディーゼルエンジンを停止して蓄電池から供給される電力により走行する制御が行われる。また、ディーゼルハイブリッドシステムを鉄道車両用として用いる場合、車両の惰行時においても、ディーゼルエンジンを停止するか、出力を低下させるかの制御が行われる。
ディーゼルエンジンを停止あるいは出力を低下させた場合、車両の発生する騒音が小さくなるため、車両の周囲に対し、車両の存在を認知させる音(車両認知音)の大きさが低下する。この車両認知音の大きさの低下を補うため、従来のディーゼルハイブリッド車両システムでは、走行音を模擬した模擬音を発生させる模擬音発生装置を車両に搭載することが提案されている(例えば、特許文献1)。
特開平7−182587号公報
上述のように、従来のディーゼルハイブリッド車両システムでは、車両認知音の増大策として、別途模擬音発生装置を設ける必要があり、コストや装置サイズ・質量の増加を招来するという問題点があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、模擬音発生装置を別途設ける必要のないディーゼルハイブリッド車両システムを得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、本発明にかかるディーゼルハイブリッド車両システムは、ディーゼルエンジンと、前記ディーゼルエンジンの圧縮空気または冷却水を冷却するラジエータと、前記ラジエータに送風するプロペラファンと、車両を駆動するモータと、前記ディーゼルエンジンにより駆動される発電機と、直流電力を充放電する電力貯蔵装置と、前記発電機が発電した交流電力を直流電力に変換して出力するコンバータと、前記電力貯蔵装置が放電した直流電力あるいは前記コンバータが出力した直流電力を交流電力に変換して前記モータを駆動する第1のインバータと、前記電力貯蔵装置が放電した直流電力あるいは前記コンバータが出力した直流電力を交流電力に変換して前記ラジエータのプロペラファンを駆動する第2のインバータと、を備え、車両の走行中、または停車中において前記ディーゼルエンジンを停止させた場合にも、前記コンバータは、インバータとして動作して前記発電機をモータとして駆動して第1の電磁音を発生させ、前記第2のインバータは、前記プロペラファンを駆動するモータの第2の電磁音を発生させ、前記第1の電磁音の周波数と、前記第2の電磁音の周波数とが異なるよう、前記発電機の回転数と前記第2のインバータのキャリア周波数とを制御することを特徴とする。
本発明によれば、模擬音発生装置を別途設ける必要のないディーゼルハイブリッド車両システムを得ることができ、低コスト、小型・軽量化という効果を奏する。
図1は、実施の形態1にかかるディーゼルハイブリッド車両システムの一構成例を示す図である。 図2は、車両の起動から停止までの時間軸に対する車両の速度、蓄電池電流、ディーゼルエンジンの出力の変化の一例を示す図である。 図3は、実施の形態4にかかるディーゼルハイブリッド車両システムの一構成例を示す図である。
以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態にかかるディーゼルハイブリッド車両システムについて説明する。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1.
図1は、実施の形態1にかかるディーゼルハイブリッド車両システムの一構成例を示す図である。図1において、実施の形態1にかかるディーゼルハイブリッド車両システムは、鉄道車両用のディーゼルハイブリッドシステムであり、ディーゼルエンジン1と、ディーゼルエンジン1の圧縮空気または冷却水の一方あるいは両方を冷却するラジエータ7と、ラジエータ7に風を吸い込むプロペラファン8と、プロペラファン8を駆動するプロペラファン駆動モータ9と、車両を駆動するモータ5と、ディーゼルエンジン1により駆動される発電機2と、直流電力を充放電する蓄電池(電力貯蔵装置)6と、発電機2が発電した交流電力を直流電力に変換し、蓄電池6が放電した直流電力を交流電力に変換するコンバータ3と、コンバータ3または蓄電池6から供給される直流電力を交流電力に変換してモータ5に供給するインバータ4と、コンバータ3または蓄電池6から供給される直流電力を交流電力に変換してプロペラファン駆動モータ9に供給するプロペラファン駆動モータ用インバータ10と、インバータ4を制御するインバータ制御装置12と、コンバータ3を制御するコンバータ制御装置13と、ディーゼルエンジン1を制御するエンジン制御装置14と、プロペラファン駆動モータ9を制御するプロペラファン駆動モータ用インバータ制御装置15と、運転台からの指令により、インバータ制御装置12、コンバータ制御装置13、エンジン制御装置14、およびプロペラファン駆動モータ用インバータ制御装置15に対して各種指令を出力するシステム制御装置11と、を備えている。
なお、以下の説明を明確かつ簡潔に行うため、「インバータ4」を「第1のインバータ4」、「インバータ制御装置12」を「第1のインバータ制御装置12」、「プロペラファン駆動モータ用インバータ10」を「第2のインバータ10」、「プロペラファン駆動モータ用インバータ制御装置15」を「第2のインバータ制御装置15」として表記する。
つぎに、ディーゼルハイブリッド車両システムの基本的な動作例について、図1および図2を参照して説明する。図2は、車両の起動から停止までの時間軸に対する車両の速度、蓄電池電流、ディーゼルエンジンの出力の変化の一例を示す図である。
システム制御装置11は、運転台から力行指令が入力されると、第1のインバータ制御装置12にモータ駆動指令を出力する。第1のインバータ制御装置12は、第1のインバータ4を動作させ、モータ5に供給される交流電力の電圧振幅および周波数を制御する。第1のインバータ4は、蓄電池6から供給される直流電力を交流電力に変換してモータ5に供給する。モータ5が駆動されることにより、車両が起動して力行を開始する(図2(a))。なお、この起動時には、ディーゼルエンジン1の出力は停止している(図2(c))。
車両の速度が一定速度(たとえば、時速20km)に達すると(図2(a))、システム制御装置11は、コンバータ制御装置13に発電機駆動指令を出力し、第2のインバータ制御装置15にプロペラファン駆動指令を出力し、エンジン制御装置14にエンジン始動指令を出力する。コンバータ制御装置13は、コンバータ3をインバータとして動作させ、発電機2に供給する交流電力の電圧振幅および周波数を制御する。コンバータ3がインバータとして動作し、蓄電池6から供給される直流電力を交流電力に変換して発電機2に供給することにより、発電機2は、モータとして動作し、エンジン制御装置14は、ディーゼルエンジン1を始動させる。
一方、第2のインバータ制御装置15は、プロペラファン駆動モータ9に供給される交流電力の電圧振幅および周波数を制御して、第2のインバータ10を動作させる。第2のインバータ10は、蓄電池6から供給される直流電力を交流電力に変換してプロペラファン駆動モータ9に供給する。プロペラファン駆動モータ9が動作すると、プロペラファン8が回転してラジエータ7に風が吸い込まれ、ディーゼルエンジン1の圧縮空気または冷却水が冷却される。なお、ラジエータ7としては、ディーゼルエンジン1の圧縮空気または冷却水の一方あるいは両方を冷却する形態があるが、いずれの形態であってもよい。
ディーゼルエンジン1が始動すると、発電機2は、本来の発電機としての動作に切り替わる。ディーゼルエンジン1が始動し、発電機2が発電した交流電力が車両が力行するのに必要な出力となると、発電機2が発生する交流電力はコンバータ3にて直流電力に変換され、第1のインバータ4および第2のインバータ10に供給される。このとき、蓄電池6から放電されていた直流電力は減少して行き、蓄電池電流は流れなくなる(図2(b))。
車両の速度が所定の速度に到達すると、運転台からシステム制御装置11に出力していた力行指令がOFFされる。システム制御装置11は、第1のインバータ制御装置12に力行停止の指令を出力し、第1のインバータ制御装置12は、第1のインバータ4を停止させる。このとき、車両は惰行状態となる。
惰行時には、車両の空調装置や照明等で消費する電力は、補助電源装置(図示せず)から供給される。なお、補助電源装置には、発電機2が発電した交流電力がコンバータ3により直流電力に変換されて供給される。このため、蓄電池6からの直流電力の供給は行われず、蓄電池電流は流れない(図2(b))。
その後、運転台からシステム制御装置11にブレーキ指令が入力されると、システム制御装置11は、エンジン制御装置14、コンバータ制御装置13、および第2のインバータ制御装置15に停止指令を出力すると共に、第1のインバータ制御装置12に回生指令を出力する。エンジン制御装置13は、ディーゼルエンジン1を停止させ、コンバータ制御装置13は、コンバータ3を停止させ、第2のインバータ制御装置15は、プロペラファン駆動モータ9を停止させる。第1のインバータ制御装置12が第1のインバータをコンバータとして動作させることにより、モータ5は、発電機として動作し、第1のインバータ4は、モータ5から回生された交流電力を直流電力に変換するコンバータとして動作し、蓄電池6を充電する。すなわち、蓄電池6には充電電流(負の蓄電池電流)が流れる(図2(c))。
上述したように、車両の起動時あるいはブレーキ制御時においては、ディーゼルエンジン1は停止している。このため、車両が実際には走行しているにもかかわらず、車両が発する騒音は小さい。また、惰行時においても、ディーゼルエンジン1の出力は力行時に比べて小さいため、ディーゼルエンジン1が発生する駆動音なども、力行時に比べて小さくなっている。このため、実施の形態1にかかるディーゼルハイブリッド車両システムでは、以下の制御を行う。
まず、車両の起動時において、ディーゼルエンジン1は停止しているが、システム制御装置11は、運転台から力行指令が入力された時点で、第2のインバータ制御装置15にプロペラファン駆動指令を出力して、プロペラファン駆動モータ9を強制的に駆動する。プロペラファン8を回転させることにより、プロペラファン8による風音を発生させることができるが、この風音はディーゼルハイブリッド車両から発せられる他の音と共に、車両認知音として車両の周囲の人に聞こえる。このため、プロペラファン駆動モータ9を強制的に駆動してプロペラファン8による風音を発生させることにより、車両認知音を増大させることが可能となる。
また、車両のブレーキ制御時においても、車両の起動時と同様に、ディーゼルエンジン1は停止しているが、プロペラファン駆動モータ9を強制的に駆動してプロペラファン8を回転させる制御を行う。この制御により、たとえディーゼルエンジン1が停止していたとしても、プロペラファン8による風音を発生させることができ、車両認知音を増大させることが可能となる。
さらに、車両の惰行時では、ディーゼルエンジン1は停止してはいないものの、ディーゼルエンジン1の出力は小さくなっており、プロペラファン8による風音は所望する値よりも小さくなっていることが想定される。したがって、車両の惰行時においても、プロペラファン駆動モータ9を強制的に駆動してプロペラファン8を回転させる制御を行うことが好ましい。この制御により、ディーゼルエンジン1が発する駆動音のみならず、プロペラファン8による風音を発生させることができ、車両認知音を増大させることが可能となる。
このように、実施の形態1のディーゼルハイブリッド車両システムによれば、車両の走行中のみならず、車両の起動時およびブレーキ制御時においてディーゼルエンジンを停止させた場合や、惰行時においてディーゼルエンジンの出力を低下させた場合に、ラジエータのプロペラファンを強制的に駆動してプロペラファンによる風音を発生させることとしたので、模擬音発生装置を別途設ける必要がなく、ディーゼルハイブリッド車両システムならびに車両の小型軽量化および低コスト化を図ることができる。
なお、インバータを構成するスイッチング素子のオン/オフのタイミングは、一般的にキャリア信号と呼ばれる三角波波形の信号によって制御される。このキャリア信号の周波数は、キャリア周波数と呼ばれるが、このキャリア周波数が可聴周波数帯域内に入っていれば、プロペラファンが発する風音に加えて、プロペラファン駆動モータが発生する電磁音が加わるという効果が得られる。
また、モータから発生する電磁音は、キャリア周波数が低くなるほど大きくなり、キャリア周波数が高くなるほど小さくなると言われている。このため、プロペラファン駆動モータが発生する電磁音による車両認知音増大効果を得るためには、キャリア周波数を10kHz以下とすることが好ましい。
また、可聴周波数帯域でも、一般的に8kHz以上の高周波音は、高齢者には聴こえ難いと言われている。さらに、100Hz以下の低周波音は、高齢者には限らず、圧迫感を感じる不快音になると言われている。このため、キャリア周波数の範囲を、例えば200Hz〜8kHzに制限するようにすれば、高齢者を含むあらゆる年代の人々に対し、より好ましい大きさの車両認知音とすることが可能となる。
なお、上記実施の形態では、鉄道車両に適用されるディーゼルハイブリッド車両システムを一例として説明したが、その他のエンジンと電力貯蔵装置(リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ、フライホイール等)とを搭載したハイブリッド移動体(自動車、自動2輪等)に適用することも可能であるし、ハイブリッド建設機械(ダンプトラック、ブルドーザ、ショベルカー等)や、船舶の分野にも利用できることは言うまでもない。
ここで、例えば自動車用のディーゼルハイブリッドシステムの場合、車両の走行時であっても信号待ちなどの一時停止中において、ディーゼルエンジンを停止することができる機能を有しているものも少なくない。このような一時停止中においても、プロペラファン駆動モータ9を強制的に駆動してプロペラファン8を回転させる制御を行うようにすれば、プロペラファン8による風音を常時発生させることができ、車両認知音の増大制御を間断なく実行できるという効果が得られる。
実施の形態2.
実施の形態1では、起動時およびブレーキ制御時においてディーゼルエンジン1を停止させた場合、惰行時においてディーゼルエンジン1の出力を低下させた場合および、走行時において一時停止した場合に、ラジエータ7のプロペラファン8を強制的に駆動してプロペラファン8による風音を発生させる例について説明したが、実施の形態2では、これらの場合に、発電機2をモータとして駆動することにより電磁音を発生させる例について説明する。なお、実施の形態2にかかるディーゼルハイブリッド車両システムの構成は、実施の形態1で示した構成と同一であり、その詳細な説明は省略する。
実施の形態2にかかるディーゼルハイブリッド車両システムでは、車両の起動時において、システム制御装置11は、運転台から力行指令が入力された時点で、コンバータ制御装置13に発電機駆動指令を出力することにより、発電機2をモータとして駆動する。なお、このときディーゼルエンジン1は停止している。
ここで、インバータと同様にコンバータを構成するスイッチング素子のオン/オフのタイミングは、キャリア信号と呼ばれる三角波波形の信号によって制御される。つまり、このキャリア周波数が可聴周波数帯域内に入っていれば、発電機2が発する電磁音により、車両認知音を増大させることが可能となる。
また、車両のブレーキ制御時においても、車両の起動時と同様に、ディーゼルエンジン1は停止しているが、発電機2を停止させることなく、起動時と同様に、発電機2をモータとして駆動する制御を行う。この制御により、発電機2による電磁音を発生させることができ、車両認知音を増大させることが可能となる。
一方、実施の形態にかかるディーゼルハイブリッド車両システムでは、車両の惰行時においては、ディーゼルエンジン1の出力を下げている(発電している)ため、発電機2をモータとして駆動することはない。なお、惰行時にディーゼルエンジン1を停止する構成である場合には、起動時およびブレーキ制御時と同様に、発電機2をモータとして駆動する制御を行うことが好ましい。この制御により、発電機2による電磁音を発生させることができ、車両認知音を増大させることが可能となる。
このように、実施の形態2のディーゼルハイブリッド車両システムによれば、車両の走行中のみならず、車両の起動時およびブレーキ制御時においてディーゼルエンジンを停止させた場合や、惰行時においてディーゼルエンジンを停止させた場合に、発電機をモータとして駆動する制御を行って発電機による電磁音を発生させることとしたので模擬音発生装置を別途設ける必要がなく、ディーゼルハイブリッド車両システムならびに車両の小型軽量化および低コスト化を図ることができる。
なお、インバータのときと同様に、コンバータのキャリア周波数を10kHz以下とすることが好ましい。
また、インバータのときと同様に、コンバータのキャリア周波数の範囲を、例えば200Hz〜8kHzに制限するようにすれば、高齢者を含むあらゆる年代の人々に対し、より好ましい大きさの車両認知音とすることが可能となる。
実施の形態3.
実施の形態1では、起動時およびブレーキ制御時においてディーゼルエンジン1を停止させた場合、惰行時においてディーゼルエンジン1の出力を低下させた場合および、走行時において一時停止した場合に、ラジエータ7のプロペラファン8を強制的に駆動してプロペラファン8による風音を発生させる例について説明し、実施の形態2では、同様な場合に、発電機2をモータとして駆動することにより電磁音を発生させる例について説明したが、実施の形態3では、これらの双方を併用する場合の一例について説明する。なお、実施の形態3にかかるディーゼルハイブリッド車両システムの構成は、実施の形態1,2で示した構成と同一であり、その詳細な説明は省略する。
例えば、実施の形態1において説明した動作例では、車両の惰行時には、蓄電池6からの直流電力供給を停止させ、発電機2をディーゼルエンジン1の出力により駆動して補助電源装置(図示せず)に電力を供給している。この場合、発電機2は駆動されて回転しているので、発電機2から電磁音が発生している。したがって、このときの電磁音が、車両認知音として充分なレベルを有していれば、発電機2からの電磁音のみを車両認知音とする実施態様でも構わない。なお、発電機2からの電磁音のレベルが、車両認知音として充分なレベルを有していなければ、ラジエータ7のプロペラファン8を強制的に駆動してプロペラファン8による風音を発生させる制御を併用することにより、発電機2の電磁音にプロペラファン8が発する風音が加わり、車両認知音のレベルを高めると共に、車両認知音の音色を認知しやすい音に調整することが可能となる。
また、車両の起動時またはブレーキ制御時では、プロペラファン8を駆動することと、発電機2をモータとして駆動することの双方の制御を行う自由度があり、何れか一方もしくは双方の制御を行って車両認知音のレベルと音色とを適正なものとすることが可能である。
なお、プロペラファン8による風音および発電機2による電磁音の双方を同時に発生させる場合には、プロペラファン8を駆動するプロペラファン駆動モータ9の回転数(すなわち、第2のインバータ10のキャリア周波数)と、発電機2の回転数とを制御して、双方の発生する音の周波数を異なる値とすることにより、車両認知音による認知効果を高めることが期待できる。
このように、実施の形態3にかかるディーゼルハイブリッド車両システムによれば、プロペラファンによる風音を発生させる制御と、発電機による電磁音を発生させる制御とを併用することとしたので、実施の形態1,2の効果に加え、より効果的な車両認知音を発生することができるという効果が得られる。
なお、実施の形態1,2のときと同様に、第2のインバータのキャリア周波数およびコンバータのキャリア周波数を可聴周波数帯域内(好ましくは10kHz以下、より好ましくは200Hz〜8kHzの範囲内)とすることにより、より好ましい大きさの車両認知音の発生が可能になるという効果が得られる。
実施の形態4.
実施の形態1〜3では、起動時、ブレーキ制御時、惰行時等において、常に車両認知音を発生させる例について説明したが、実施の形態4では、必要なときのみ車両認知音を発生する例について説明するものである。
図3は、実施の形態4にかかるディーゼルハイブリッド車両システムの一構成例を示す図である。図3に示すように、実施の形態4にかかるディーゼルハイブリッド車両システムは、実施の形態1において説明した構成に加え、運転台に模擬音発生指令スイッチ16を備えている。なお、実施の形態1と同一または同等の構成部には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
例えば、車両の周囲に人がいないことが確実である場合や、車両基地内等において車両の存在が明白である場合には、車両認知音を発する必要はない。このため、実施の形態4にかかるディーゼルハイブリッド車両システムでは、車両の周囲に人がいないことが確実である場合や、車両基地内等において車両の存在が明白である場合には、車両認知音発生指令スイッチ16をオフにする。この操作により、システム制御装置11は、各制御装置12〜15に対して、車両認知音の発生を停止させる制御を行う。
このように、実施の形態4にかかるディーゼルハイブリッド車両システムによれば、車両認知音の発生を指示する車両認知音発生指令スイッチを設け、車両認知音発生指令が入力されているときのみ、車両認知音を発生させる制御を行うこととしたので、車両の周囲に人がいないことが確実である場合や、車両基地内等において車両の存在が明白である場合等、車両認知音を発生させる必要がない場合や発生させてはいけない場合には、ラジエータのプロペラファンを駆動したり、発電機をモータとして駆動したりすることがなくなるため、無駄なエネルギー消費を抑制することができる。
また、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、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、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。
以上のように、本発明にかかるディーゼルハイブリッド車両システムは、別途模擬音発生装置を設ける必要のないディーゼルハイブリッド車両システムを得ることができる発明として有用である。
1 ディーゼルエンジン
2 発電機
3 コンバータ
4 インバータ(第1のインバータ)
5 モータ
6 蓄電池(電力貯蔵装置)
7 ラジエータ
8 プロペラファン
9 プロペラファン駆動モータ
10 プロペラファン駆動モータ用インバータ(第2のインバータ)
11 システム制御装置
12 インバータ制御装置(第1のインバータ制御装置)
13 コンバータ制御装置
14 エンジン制御装置
15 プロペラファン駆動モータ用インバータ制御装置(第2のインバータ制御装置)
16 車両認知音発生指令スイッチ

Claims (6)

  1. ディーゼルエンジンと、
    前記ディーゼルエンジンの圧縮空気または冷却水を冷却するラジエータと、
    前記ラジエータに送風するプロペラファンと、
    車両を駆動するモータと、
    前記ディーゼルエンジンにより駆動される発電機と、
    直流電力を充放電する電力貯蔵装置と、
    前記発電機が発電した交流電力を直流電力に変換して出力するコンバータと、
    前記電力貯蔵装置が放電した直流電力あるいは前記コンバータが出力した直流電力を交流電力に変換して前記モータを駆動する第1のインバータと、
    前記電力貯蔵装置が放電した直流電力あるいは前記コンバータが出力した直流電力を交流電力に変換して前記プロペラファンを駆動する第2のインバータと、
    を備え、
    車両の走行中、または停車中において前記ディーゼルエンジンを停止させた場合にも、前記コンバータは、インバータとして動作して前記発電機をモータとして駆動して第1の電磁音を発生させ、前記第2のインバータは、前記プロペラファンを駆動するモータの第2の電磁音を発生させ、前記第1の電磁音の周波数と、前記第2の電磁音の周波数とが異なるよう、前記発電機の回転数と前記第2のインバータのキャリア周波数とを制御することを特徴とするディーゼルハイブリッド車両システム。
  2. 前記第2のインバータのキャリア周波数は、10kHz以下に設定されたことを特徴とする請求項1に記載のディーゼルハイブリッド車両システム。
  3. 前記第2のインバータのキャリア周波数は、約200Hz〜約8000Hzの範囲内に制限されていることを特徴とする請求項に記載のディーゼルハイブリッド車両システム。
  4. 前記コンバータのキャリア周波数は、10kHz以下に設定されたことを特徴とする請求項に記載のディーゼルハイブリッド車両システム。
  5. 前記コンバータのキャリア周波数は、約200Hz〜約8000Hzの範囲内に制限されていることを特徴とする請求項に記載のディーゼルハイブリッド車両システム。
  6. 鉄道車両に適用され、外部からの指令信号に基づいて、前記プロペラファンを駆動するか否かの選択および前記発電機をモータとして駆動するか否かの選択の少なくとも一つが可能となるように構成されていることを特徴とする請求項1〜のいずれか一項に記載のディーゼルハイブリッド車両システム。
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