JP5097687B2 - 鉄道車両及び鉄道車両用駆動装置 - Google Patents

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Description

本発明は、蓄電装置とディーゼルエンジンを有するハイブリッドシステムに関する。
自動車分野の技術では、特許文献１のように、前輪あるいは後輪の一方の駆動軸をエンジンにより駆動し、他方の軸を、必要に応じて、モータを駆動することで車両を駆動する方式が開示されている。また、特許文献２のように、速度と蓄電装置の充電量および車両の走行状態を基に、エンジン出力を決定することにより、蓄電装置の充電量をある範囲内に保つように制御することで、電池のアシスト，回生どちらにも対応できる制御が開示されている。
特開２００４−３１２８５３号公報 特開２００８−５４４０８号公報
特許文献１の方式では、高負荷走行中では一方の駆動軸で必要とするエネルギと等価なエンジン出力が必要であり、さらに必要に応じて他方の駆動軸をモータにより駆動することで走行する。しかし、低中負荷走行，惰行などモータアシストを必要としない領域では、次の加速に備えて、エンジンのつながる駆動軸では走行に必要とする出力よりも多く出力し、他方の駆動軸では、モータを発電機とすることで蓄電装置に充電する。この制御は、高い加速性能が得られる反面、エンジンから蓄電装置への充電を行うため、充放電に伴うロスが発生することになり、非効率である。
一方、特許文献２で説明されているシリーズハイブリッド方式では、アシスト，回生どちらにも対応できるように蓄電装置の充電量をある範囲内に保つ制御を行っている。蓄電装置の充電量を一定に保つためには、走行中に蓄電装置への充電を行うことが必要である。このため、制動時に発生する回生エネルギだけでなく、エンジン出力からの充電も行っている。この方法も、特許文献１と同様に、エンジンで直接、輪軸を駆動する場合と比べて、エンジンから蓄電装置へ充電し、蓄電装置から放電し輪軸を駆動するため、電池充放電のロスが発生することになり、非効率である。
本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、その目的は蓄電装置の充放電で生じるロスを低減させ、高い効率を実現することである。
本発明は、上記目的を達成するために次のような車両を提案する。
運転指令と車両速度検出装置で検出した速度とに基づき求められるモータを駆動するための電力に、補機を作動させるための電力を加えた必要電力を求める必要電力予測装置と、発電機の発電電力をモータ及び補記で消費される必要電力以下とするようにエンジンを制御するエネルギ管理制御装置と、を備え、エネルギ管理制御装置は、必要電力が最大エンジン出力以上の場合にはエンジンの出力指令を最大エンジン出力とし、必要電力が負の場合にはエンジン出力指令を零とし、それ以外の場合にはエンジン出力指令を必要電力とすることにより、車両の運行時における蓄電装置の充電が、モータからの回生電力のみにより行われるようにしたものである。
または、エネルギ管理制御装置は、車両が惰行中である場合に、エンジン出力指令を補記で消費される電力と一致させることにより、車両が惰行中に蓄電装置が充放電することを抑制するものである。
もしくは、エネルギ管理制御装置は、車両速度検出装置で検出した速度から蓄電装置の充電量の制御範囲を求め、蓄電装置の充電量が制御範囲内に納まるように決定する第１のエンジン出力指令を作成し、第１のエンジン出力指令が必要電力未満の場合には第１のエンジンの出力指令をエンジン出力指令としてエンジンに出力し、必要電力が負の場合には零をエンジン出力指令としてエンジンに出力し、それ以外の場合には必要電力をエンジン出力指令としてエンジンに出力することにより、車両の運行時における蓄電装置の充電が、モータからの回生電力のみにより行われるようにしたものである。
本発明を実施することにより、充放電によるロスを低減する。これにより高い効率が実現できる。
本発明の一実施例を図面に基づき説明する。
図１は、本発明を実現するシステム構成およびそのシステムを制御する構成である。エンジン出力指令に基づき制御されるディーゼルエンジン１０１により発電機１０２を駆動することで三相交流を発電し、第１の電力変換装置１０３で前記三相交流を直流に変換する。補機１０４，蓄電装置１０５および第２の電力変換装置１０６が第１の電力変換装置１０３の直流側に接続される。ここで、補機１０４とは、車両に搭載される照明器具や冷暖房装置などの機器を表している。第２の電力変換装置１０６は、前記直流を可変電圧可変周波数の三相交流に変換し、車輪を駆動するモータ１０７を駆動する。これにより、車両が走行する。また、必要電力予測装置１０８は、運転台１０９から出力される運転士が操作するノッチ指令、および速度発電機などの速度検出装置１１０で検出した車両の速度から第２の電力変換装置１０６がモータ１０７を駆動するために必要な電力を求め、前記補機１０４で消費される電力を加えて必要電力を演算する。なお、車両が制動している場合には、回生エネルギにより必要電力が負の値になることもある。この必要電力に基づきエネルギ管理制御装置１１１はエンジン１０１へエンジン出力指令を出力する。
次に、エネルギ管理制御装置１１１の処理内容を示す。前記必要電力が負の場合には、回生電力が発生しているため、エンジン出力指令として０を出力する。前記必要電力が正の場合には、最大エンジン出力と前記必要電力の大小を比較して、最大エンジン出力未満の場合には、エンジンの出力指令として前記必要電力を出力し、最大エンジン出力以上の場合にはエンジンの出力指令として最大エンジン出力を出力する。つまり、エネルギ管理制御装置１１１の出力するエンジン出力指令は、必要電力よりも大きな値とはならない。そのため、蓄電装置の充電はモータからの回生電力のみにより行われることになる。
この制御を用いた場合の結果を図２に示す。
図２は、上から順に、時間−速度，時間−必要電力，時間−エンジン出力指令，時間−蓄電装置放電電力，時間−蓄電装置充電量，時間−蓄電装置ロスをそれぞれ示している。区間毎に制御が異なるため区間に分けて以下、順に説明する。
区間Ａでは、車両が停止している状態から中速域に加速するまでを表している。必要電力は、速度の増加に伴い増加する。この区間では、必要電力が最大エンジン出力よりも小さいため、エンジン出力指令は必要電力となり、第１の電力変換装置１０３を介して、補機１０４で消費される電力および第２の電力変換装置１０６で必要とする電力が供給される。このため、蓄電装置１０５の放電電力は０となっており、蓄電装置充電量は変化しない。また、蓄電装置１０５の充放電が行われないため、蓄電装置ロスは０である。
区間Ｂで、速度の増加に伴い必要電力が増加し、最大エンジン出力以上になると、エンジン出力指令は最大エンジン出力となる。また、補機１０４で消費される電力および第２の電力変換装置１０６で必要とする電力を第１の電力変換装置１０３だけでは供給できなくなるため、蓄電装置１０５からの放電が開始される。放電に伴い蓄電装置充電量は減少し、さらに、放電に伴い蓄電装置ロスが発生する。
区間Ｃで、車両が惰行を始めると、必要電力は補機１０４で消費される電力となる。補機１０４で消費される電力は最大エンジン出力も小さいため、エンジン出力指令は必要電力（補機１０４で消費される電力）となる。このため、区間Ａと同様の動作となり、蓄電装置１０５の放電電力は０となっており、蓄電装置充電量は変化しない。また、蓄電装置１０５の充放電が行われないため、蓄電装置ロスは０である。
区間Ｄで、車両が減速を始めると、回生電力により必要電力は負となるため、エンジン出力指令は０となる。第２の電力変換装置１０６からは減速に伴う回生電力が直流側に供給され、補機１０４に供給されるとともに、補機１０４で消費される電力を除いた電力が蓄電装置１０５に充電される。充電に伴い充電量は増加し、さらに、充電に伴い蓄電装置の電力ロスが発生する。この時、エンジン出力指令は０であるから、エンジン１０１から蓄電装置１０５に充電されることはない。
区間Ｅで、車両の減速により得られる回生電力よりも補機１０４で消費される電力が大きくなると、必要電力が正に変化する。この時、必要電力は最大エンジン出力も小さいため、エンジン出力指令は必要電力となる。このため、区間Ａと同様の動作となり、蓄電装置１０５の放電電力は０となっており、蓄電装置充電量は変化しない。また、蓄電装置１０５の充放電が行われないため、蓄電装置ロスは０である。
上記のように、蓄電装置１０５への充電は回生電力のみにより行われる。エンジン１０１から蓄電装置１０５を充電し、蓄電装置１０５から第２の電力変換装置１０６に電力を供給する場合には、エンジン１０１から直接第２の電力変換装置１０６に電力を供給する場合と比べ、蓄電装置１０５の充放電に伴うロスの分、効率が低下する。本発明は、エンジン１０１からのエネルギにより蓄電装置１０５を充電することを行わないため、充放電に伴うロスを低減できる。さらに、本実施例はモータ１０７からの回生電力のみにより蓄電装置１０５への充電を行うため、このような充放電に伴うロスの発生を抑制することができ、本実施例による車両は高効率を実現できる。
次に、本発明の第２の実施例を説明する。
図３にシステム構成およびそのシステムを制御する構成を示す。図１と同一の構成は同じ符号で記し説明を省略する。図３の構成で図１と異なるのは、エネルギ管理制御装置３１１である。蓄電装置１０５の出力する充電量と、必要電力予測装置１０８の算出した必要電力と、速度検出装置１１０で検出した車両の速度とに基づきエネルギ管理制御装置３１１はエンジン出力指令を出力する。
図４にエネルギ管理制御装置３１１の構成を示す。
エネルギ管理制御装置３１１は、充電量制御部４０１と出力指令決定部４０２で構成される。充電量制御部４０１は、速度から充電量の制御範囲を求め、充電量を前記制御範囲内に制御するように第１のエンジン出力指令を決定する。はじめに必要電力が正の場合を説明する。蓄電装置充電量が制御範囲の上限以上になった場合には、第１のエンジン出力指令として０を出力する。制御範囲の下限以下になった場合には、第１のエンジン出力指令として最大エンジン出力を出力する。次に、必要電力が負の場合には、第１のエンジン出力指令として０を出力する。
なお、前記制御範囲の中心点は、速度が増加すると充電量が下がるように設計される。
出力指令決定部４０２は、前記必要電力が負の場合には、回生電力が発生しているため、エンジン出力指令を０とする。前記必要電力が正の場合には、前記第１のエンジン出力指令と前記必要電力の大小を比較して、前記第１のエンジン出力指令未満の場合には、エンジンの出力指令として前記必要電力を出力し、前記第１のエンジン出力指令以上の場合にはエンジンの出力指令として前記第１のエンジン出力指令を出力する。つまり、エネルギ管理制御装置３１１の出力するエンジン出力指令は、必要電力よりも大きな値となることはない。そのため、蓄電装置の充電はモータからの回生電力のみにより行われることになる。
この制御を用いた場合の結果を図５に示す。
図５は、上から順に、時間−速度，時間−必要電力，時間−エンジン出力指令，時間−蓄電装置放電電力，時間−蓄電装置充電量，時間−蓄電装置ロスをそれぞれ示している。
区間Ａでは、車両が停止している状態から中速域に加速するまでを表している。必要電力は、速度の増加に伴い増加する。充電量制御部４０１では速度から充電量の制御範囲を求め、前記制御範囲の中に充電量が含まれるように第１のエンジン出力指令を決定する。この区間では、前記制御範囲の中に、蓄電装置充電量が含まれていることから、第１のエンジン出力指令は０とする。出力指令決定部４０２では必要電力が正であり、第１のエンジン出力指令が前記必要電力よりも小さいため、エンジン出力指令としては、第１のエンジン出力指令である０が出力される。このため、補機１０４で消費される電力および第２の電力変換装置１０６で必要とする電力を第１の電力変換装置１０３では供給せず、蓄電装置１０５からの放電が開始される。放電に伴い蓄電装置充電量は減少し、さらに、放電に伴い蓄電装置ロスが発生する。
区間Ｂで、蓄電装置の充電量が減少し、充電量の制御範囲の下限以下になると、第１のエンジン出力指令としては最大エンジン出力が出力される。出力指令決定部４０２は、必要電力が正であり、第１のエンジン出力指令が前記必要電力よりも大きいため、エンジン出力指令として、必要電力を出力する。このため、発電機１０２から第１の電力変換装置１０３を介して、補機１０４で消費される電力および第２の電力変換装置１０６で必要とする電力が供給される。このため、蓄電装置１０５の放電電力は０となり、蓄電装置充電量は変化しない。また、蓄電装置１０５の充放電が行われないため、蓄電装置ロスは０である。なお、速度の増加に伴い制御範囲が下がり充電量が制御範囲内に入ったとしても、第１のエンジン出力指令は保持されるため、同様の動作を続ける。
区間Ｃでは、速度の増加に伴い必要電力が増加し、最大エンジン出力を超える。また、第１のエンジン出力指令は充電量が制御範囲内にあるため、出力が保持され最大エンジン出力が行われる。これにより、必要電力が、第１のエンジン出力指令以上であるため、エンジン出力指令は第１のエンジン出力指令である最大エンジン出力となる。また、補機１０４で消費される電力および第２の電力変換装置１０６で必要とする電力を第１の電力変換装置１０３だけでは供給できなくなるため、蓄電装置１０５からの放電が開始される。放電に伴い蓄電装置充電量は減少し、放電に伴い蓄電装置ロスが発生する。
区間Ｄで、車両が惰行を始めると、必要電力は補機１０４で消費される電力となる。第１のエンジン出力指令は、充電量が制御範囲内にあるため、出力が保持され最大エンジン出力が行われる。必要電力が第１のエンジン出力指令未満のため、エンジン出力指令としては、必要電力が出力される。このため、第１の電力変換装置１０３を介して、補機１０４で消費される電力が供給されるため、蓄電装置１０５の放電電力は０となっており、蓄電装置充電量は変化しない。また、蓄電装置１０５の充放電が行われないため、蓄電装置ロスは０である。
区間Ｅで、車両が減速を始めると、必要電力は負となるため、第１のエンジン出力指令およびエンジン出力指令は０となる。また、第２の電力変換装置１０６からは減速に伴う回生電力が直流側に供給され、補機１０４に供給されるとともに補機１０４で消費される電力を除いた電力が蓄電装置１０５に充電される。充電に伴い充電量は増加し、蓄電装置の電力ロスが発生する。この時、エンジン出力指令は０であるから、エンジン１０１から蓄電装置１０５に充電されることはない。
区間Ｆで、車両の減速より得られる回生電力よりも補機１０４で消費される電力が大きくなると、必要電力が正に変化する。区間Ｅで行われた回生電力による充電により、蓄電装置充電量は制御範囲内にあるため、第１のエンジン出力指令は保持され０となる。このため、区間Ａと同様の動作となり、このため、補機１０４で消費される電力および第２の電力変換装置１０６で必要とする電力を第１の電力変換装置１０３では供給せず、蓄電装置１０５からの放電が開始される。放電に伴い蓄電装置充電量は減少し、蓄電装置ロスが発生する。
上記のように、蓄電装置１０５への充電はエンジン１０１からのエネルギによっては行われない。エンジン１０１から直接第２の電力変換装置１０６に電力を供給する場合と比べ、エンジン１０１から蓄電装置１０５を充電し、蓄電装置１０５から第２の電力変換装置１０６に電力を供給する場合には、蓄電装置１０５の充放電に伴う電力ロスの分、効率が低下する。本実施例は、回生電力のみにより蓄電装置１０５への充電を行うため、ここのような充放電に伴うロスが発生することはなく、本実施例による車両は高効率を実現できる。
本発明は、特に車両の運行中のエンジンからのエネルギを、すべてモータや補機で消費させ、蓄電装置の充電に利用しないことで、蓄電装置の充放電に伴うロスを低減するものである。さらに、蓄電装置の充電は、モータからの回生電力のみにより行うことで、蓄電装置の充放電の回数を減らし、充放電に伴うロスを低減するものである。
本発明の第１の実施例の全体概略構成図。 本発明の第１の実施例における動作の一例。 本発明の第２の実施例の全体概略構成図。 本発明の第２の実施例におけるエネルギ管理制御装置３１１の制御ブロック図。 本発明の第２の実施例における動作の一例。
符号の説明
１０１ エンジン
１０２ 発電機
１０３ 第１の電力変換装置
１０４ 補機
１０５ 蓄電装置
１０６ 第２の電力変換装置
１０７ モータ
１０８ 必要電力予測装置
１０９ 運転台
１１０ 速度検出装置
１１１，３１１ エネルギ管理制御装置
４０１ 充電量制御部
４０２ 出力指令決定部

Claims (5)

  1. エンジンにより駆動されることで発電する発電機と、
    蓄電装置と、
    前記発電機および前記蓄電装置の電力により駆動されるモータと、
    前記発電機および前記蓄電装置の電力を受ける補機と、
    運転指令を出力する運転台と、
    車両の速度を検出する車両速度検出装置と、
    前記運転指令と前記車両速度検出装置で検出した速度とに基づき求められる前記モータを駆動するための電力に、前記補機を作動させるための電力を加えた必要電力を求める必要電力予測装置と、
    前記発電機の発電電力を前記モータ及び前記補記で消費される前記必要電力以下とするように前記エンジンを制御するエネルギ管理制御装置と、を備え、
    前記エネルギ管理制御装置は、前記必要電力が最大エンジン出力以上の場合には前記エンジンの出力指令を最大エンジン出力とし、前記必要電力が負の場合には前記エンジン出力指令を零とし、それ以外の場合には前記エンジン出力指令を前記必要電力とすることにより、前記車両の運行時における前記蓄電装置の充電が、前記モータからの回生電力のみにより行われるようにしたことを特徴とする鉄道車両。
  2. 請求項１記載の車両において、
    前記エネルギ管理制御装置は、前記車両が惰行中である場合に、前記エンジン出力指令を前記補記で消費される電力と一致させることにより、前記車両が惰行中に前記蓄電装置が充放電することを抑制することを特徴とする鉄道車両。
  3. エンジン出力指令に基づき制御されるエンジンと、
    前記エンジンにより駆動することで交流を発電する発電機と、
    前記交流を直流に変換する第１の電力変換装置と、
    前記第１の電力変換装置の直流側に接続される蓄電装置と、
    前記第１の電力変換装置の直流側に接続される補機と、
    前記第１の電力変換装置および前記蓄電装置と直流側で接続され、前記直流を可変周波数の交流に変換する第２の電力変換装置と、
    前記第２の電力変換装置が発生する交流電流により駆動されるモータと、
    運転指令を出力する運転台と、
    車両の速度を検出する車両速度検出装置と、を備える車両において、
    前記運転指令と前記車両速度検出装置で検出した速度とに基づき求められる前記モータを駆動するための電力に、前記補機を作動させるための電力を加えた必要電力を求める必要電力予測装置と、
    前記発電機の発電電力を前記モータ及び前記補記で消費される前記必要電力以下とするように前記エンジンを制御するエネルギ管理制御装置と、を備え、
    前記エネルギ管理制御装置は、前記車両速度検出装置で検出した速度から前記蓄電装置の充電量の制御範囲を求め、前記蓄電装置の充電量が制御範囲内に納まるように決定する第１のエンジン出力指令を作成し、前記第１のエンジン出力指令が前記必要電力未満の場合には前記第１のエンジンの出力指令をエンジン出力指令としてエンジンに出力し、前記必要電力が負の場合には零を前記エンジン出力指令としてエンジンに出力し、それ以外の場合には前記必要電力を前記エンジン出力指令としてエンジンに出力することにより、前記車両の運行時における前記蓄電装置の充電が、前記モータからの回生電力のみにより行われるようにしたことを特徴とする鉄道車両。
  4. 請求項３記載の車両において、
    前記エネルギ管理制御装置は、前記車両が惰行中である場合に、前記エンジン出力指令を前記補記で消費される電力と一致させることにより、前記車両が惰行中に前記蓄電装置が充放電することを抑制することを特徴とする鉄道車両。
  5. エンジンにより駆動されることで発電する発電機と、
    蓄電装置と、
    前記発電機および前記蓄電装置の電力により駆動されるモータと、
    運転指令を出力する運転台と、
    車両の速度を検出する車両速度検出装置と、
    前記運転指令と前記車両速度検出装置で検出した速度とに基づき求められる前記モータを駆動するための電力に、前記車両に搭載された照明器具を含む補機を作動させるための電力を加えた必要電力を求める必要電力予測装置と、
    前記発電機の発電電力を前記モータ及び前記補記で消費される前記必要電力以下とするように前記エンジンを制御するエネルギ管理制御装置と、を備え、
    前記エネルギ管理制御装置は、前記必要電力が最大エンジン出力以上の場合には前記エンジンの出力指令を最大エンジン出力とし、前記必要電力が負の場合には前記エンジン出力指令を零とし、それ以外の場合には前記エンジン出力指令を前記必要電力とすることにより、前記車両の運行時における前記蓄電装置の充電が、前記モータからの回生電力のみにより行われるようにしたことを特徴とする鉄道車両用駆動装置。
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