JP5325478B2 - 鉄道車両駆動システム - Google Patents
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Description
即ち、図4は、本発明の鉄道車両の駆動装置により、車両が速度零から力行し(Powering)、ある時間惰行(Coasting)した後、停止まで減速(Braking)したときの、エンジン発電出力と、電池充放電電力の出力管理制御の一例を示す模式図である。
その後、速度零からの起動(加速開始)により、車両を駆動するためのエンジン発電電力をP_E1とする。起動直後は、力行電力、即ちインバータ装置4の消費電力はほぼ零であり、エンジン発電電力P_E1の多くは電池に充電される。加速に伴い力行電力は増加し、力行電力がエンジン発電電力P_E1を上回ると、その不足分が電池の放電電力により供給される。
P_E1<P_E2 (数式1)
P_D1<P_E2 (数式2)
即ち、時間T1でP_E2のエンジン発電を始めることにより、電池への充放電電力は、P_D1の放電からP_D1−P_E2(<0、負値は充電を示す)の充電に転じる。
P_E2<P_E3 (数式3)
P_D2<P_E3 (数式4)
即ち、時間T2でエンジン発電電力をP_E3とすることにより、電池への充放電電力はP_D2の放電からP_D2−P_E3(<0、負値は充電を示す)の充電に転じる。
このように、車両の加速に従い、エンジン発電電力を切替えて、電池充放電電力を制御することにより、電池から放電、あるいは電池に充電する電流(電力/電圧)の振幅を低減できる。電池の内部抵抗R_batによる発熱量は、内部抵抗R_batと、通流する電流I_batの2乗値の積(R_bat×I_bat2)によるため、電池から放電、あるいは電池に充電する電流(電力/電圧)の振幅を低減することにより、電池からの発熱も低減できる。
なお、典型的なモデル区間としては、実路線を平均化した勾配零の理想区間とすることが考えられるが、実路線データに基づいて複数の蓄電量管理基準パターン(1)、蓄電量管理基準パターン(2)決定し、走行線区に応じてこれらを切り換えることで、より効率的に蓄電量管理できると考えられる。
領域Aは、その速度における蓄電量が理想状態である領域として定義する。このため、車両の走行状態にかかわらず、常に電力を消費する補機消費電力分及び走行損失(車両抵抗、機器損失等)を補える平均的な電力としてエンジン発電電力(コンバータ出力)P_aを発生する。この時の発電電力は平均的な走行パターンを想定した走行シミュレーションで決定するが、実際の走行中にリアルタイムで予測演算することもできる。
ただし、駅出発直後等の低速域(速度Va未満)は、力行に必要な電力が小さい。このため、駅構内の静穏化も考慮して、エンジン発電(コンバータ出力)することなく蓄電装置の出力だけで力行する。
領域Bは、その速度における蓄電量が理想状態に対して不足している領域として定義する。このため、蓄電量管理基準パターン(1)と蓄電装置実蓄電量との差分値に基づいてエンジン発電電力(コンバータ出力)をP_bに変更して蓄電装置への充電を促進する。ここで、エンジン発電電力P_bは上記(領域A)で設定したエンジン発電電力P_aよりも大きくする。
領域Cは、その速度における蓄電量が理想状態に対して超過している領域として定義する。このため、蓄電量管理基準パターン(1)と蓄電装置実蓄電量との差分値に基づいてエンジン発電電力(コンバータ出力)をP_cに変更(あるいはエンジン停止)して蓄電装置の放電を促進する。ここで、エンジン発電電力P_cは、上記(領域A)で設定したエンジン発電電力P_aよりも大きくする。
車両速度と蓄電状態の関係が、図5で示した(領域A)(領域B)(領域C)の各領域にあるときに、運転台からの運転指令(「惰行・停車」、「力行」、「停止ブレーキ」、及び「抑速ブレーキ」)に応じてコンバータ/エンジン(CNV/ENG)、インバータ(INV)、蓄電装置(BTR)がどのように動作するかを具体的に示している。また、図6の各動作状態において、各機器間のエネルギの流れを矢印の方向で示している。このうち、「惰行・停車」及び「力行」では、電池セルの温度が所定値を上回ったとき、蓄電量管理制御を「通常制御」から「電池温度抑制制御」に切替えて、充放電電流の振幅を抑えることで電池の温度上昇を防止する。
(a)通常制御
・領域A(速度Va未満):エンジン発電を停止して電池(BTR)で補機電力を負担する。
・領域A(速度Va以上):エンジン発電(P_E1)で電池(BTR)を充電して蓄電量を増やす。
・領域B:エンジン発電(電力P_E1)で電池(BTR)を充電して蓄電量を増やす。
・領域C:エンジン発電を停止して電池(BTR)で補機電力を負担する。
(b)電池温度抑制制御
・領域A(速度Va未満):アイドリング発電で補機電力を負担して過不足分を電池(BTR)に充放電する。
・領域A(速度Va以上):アイドリング発電で補機電力を負担して過不足分を電池(BTR)に充放電する。
・領域B:アイドリング発電で補機電力を負担して過不足分を電池(BTR)に充放電する。
・領域C:アイドリング発電で補機電力を負担して過不足分を電池(BTR)に充放電する。
(a)通常制御
・領域A(速度Va未満):エンジン発電を停止して電池(BTR)で力行・補機電力を負担する。
・領域A(速度Va以上):エンジン発電(P_E2)と電池(BTR)で力行・補機電力を負担する。
・領域B:エンジン発電(P_E3)と電池(BTR)で力行・補機電力を負担する。
・領域C:エンジン発電(P_E1)と電池(BTR)で力行・補機電力を負担する。(b)電池温度抑制制御
・領域A(速度Va未満)及び領域A(速度Va以上):
≪放電電力P_D1未満≫:エンジン発電(P_E1)と電池(BTR)で力行・補機電力を負担する。
≪放電電力P_D1以上P_D2未満≫:エンジン発電(P_E2)と電池(BTR)で力行・補機電力を負担する。
≪放電電力P_D2以上≫:エンジン発電(P_E3)と電池(BTR)で力行・補機電力を負担する。
・領域B:エンジン発電(P_E3)と電池(BTR)で力行・補機電力を負担する。
・領域C:エンジン発電(P_E1)と電池(BTR)で力行・補機電力を負担する。
・領域A(速度Va未満):エンジン発電を停止して電池(BTR)で補機電力を負担する。
・領域A(速度Va以上):エンジン発電を停止して回生電力で補機電力を負担し電池を充電する。
・領域B:エンジン発電を停止して回生電力で補機電力を負担し電池を充電する。
・領域C:エンジン発電を停止して回生電力で補機電力を負担し電池を充電する。
・領域A(速度Va未満):事象なし
・領域A(速度Va以上):エンジン発電を停止して回生電力で補機電力を負担し電池を充電する。
・領域B:エンジン発電を停止して回生電力で補機電力を負担し電池を充電する。
・領域C:回生電力はエンジンの回転負荷に吸収させる(エンジンブレーキ)。
Claims (4)
- エンジンにより駆動される発電手段が発生する交流電力を直流電力に変換するコンバータ手段を有する直流電力発生手段と、前記直流電力を交流電力に変換するインバータ手段と、前記直流電力を充電及び放電する機能を持つ蓄電手段と、これらの各手段を制御する第一の制御手段と、鉄道車両を駆動する電動機を備え、
前記第一の制御手段は、前記電動機の回転速度情報値と、前記インバータ手段のPWM制御部が出力する駆動トルク情報値と、前記蓄電手段が出力する蓄電量情報値と、前記蓄電手段が出力する温度情報値に応じて、前記回転速度情報値と前記駆動トルク情報値を乗算して得られるエンジン発電電力要求値を基に、前記直流電力発生手段による発電電力を調整することにより、前記蓄電手段に充放電する電流の二乗平均値を低減する電池温度抑制制御を行うことを特徴とする鉄道車両駆動システム。 - 請求項1の鉄道車両駆動システムにおいて、
前記第一の制御手段は、前記電動機の回転速度情報値と、前記インバータ手段のPWM制御部が出力する駆動トルク情報値と、前記蓄電手段が出力する蓄電量情報値と、前記蓄電手段が出力する温度情報値に応じて、前記回転速度情報値と前記駆動トルク情報値を乗算して得られるエンジン発電電力要求値を基に、前記直流電力発生手段による発電電力を車両の加速に従い段階的に切り替えることにより、前記蓄電手段に充放電する電流の二乗平均値を低減する電池温度抑制制御を行うことを特徴とする鉄道車両駆動システム。 - エンジンにより駆動される発電手段が発生する交流電力を直流電力に変換するコンバータ手段を有する直流電力発生手段と、前記直流電力を交流電力に変換するインバータ手段と、前記直流電力を充電及び放電する機能を持つ蓄電手段と、これらの各手段を制御する第一の制御手段と、鉄道車両を駆動する電動機を備え、
前記第一の制御手段は、前記蓄電手段が出力する温度情報が所定値を超えている期間においては、前記電動機の回転速度情報値と、前記インバータ手段のPWM制御部が出力する駆動トルク情報値と、前記蓄電手段が出力する蓄電量情報値に応じて、前記回転速度情報値と前記駆動トルク情報値を乗算して得られるエンジン発電電力要求値を基に、前記直流電力発生手段による発電電力を調整することにより、前記蓄電手段に充放電する電流の二乗平均値を低減する電池温度抑制制御に切り替えて、充放電電流の振幅を抑えて前記蓄電手段の温度上昇を防止することを特徴とする鉄道車両駆動システム。 - 請求項3の鉄道車両駆動システムにおいて、
前記第一の制御手段は、前記蓄電手段が出力する温度情報が所定値を超えている期間においては、前記電動機の回転速度情報値と、前記インバータ手段のPWM制御部が出力する駆動トルク情報値と、前記蓄電手段が出力する蓄電量情報値に応じて、前記回転速度情報値と前記駆動トルク情報値を乗算して得られるエンジン発電電力要求値を基に、前記直流電力発生手段による発電電力を車両の加速に従い段階的に切り替えることより、前記蓄電手段に充放電する電流の二乗平均値を低減する電池温度抑制制御に切り替えて、充放電電流の振幅を抑えて前記蓄電手段の温度上昇を防止することを特徴とする鉄道車両駆動システム。
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