JP5674963B2 - ハイブリッド車両の発電機制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、エンジンにより発電機を駆動して電力を発生し、この発生した電力により負荷装置を駆動するようにしたハイブリッド車両の発電機制御装置に関するものである。

一般に、鉄道車両は、鉄の車輪がレール面上を転がることにより走行するため、走行抵抗が自動車に比べて小さいことが特徴である。特に、最近の電気鉄道車両では、制動時に主電動機を発電機として作用させることで制動力を得ると同時に、制動時に主電動機で発生する電気的エネルギーを架線に戻して他車両の力行エネルギーとして再利用する回生ブレーキ制御を行なっている。この回生ブレーキを備える電気鉄道車両は、回生ブレーキを備えていない電気鉄道車両に比べて、約半分のエネルギー消費で走行することが可能とされており、走行抵抗が小さい鉄道車両の特徴を生かした省エネ手法といえる。

その一方で、輸送密度が小さい地方路線等では、架線、変電所等のインフラを必要としない気動車（ディーゼルカー）により、きめ細かな乗客サービスを低コストに実現している現状がある。しかし、気動車は、架線等により他車両にエネルギーを渡す手段がないため、電気鉄道車両のような回生エネルギーの再利用は行なわれていなかった。このため、気動車で省エネルギーを実現するためには、低燃費エンジンの開発に頼らざるを得ないと考えられていた。

このような気動車についても省エネルギーを推進するひとつの方法として、エンジンと発電機と蓄電装置を組み合わせたハイブリッド気動車が提案されている（例えば、特許文献１参照）。ハイブリッド気動車は蓄電装置を設けることにより、制動時に発生する主電動機の回生エネルギーを蓄電装置で一旦吸収することが可能となり、この吸収した回生エネルギーを主電動機に与え、力行時に必要なエネルギーの一部として再利用することにより、省エネルギーを実現することができるようにしている。

特許文献１に開示された従来のハイブリッド気動車は、エンジンと、エンジンによって駆動され交流電力を出力する交流発電機と、交流電力を直流電力に変換するコンバータ装置と、直流電力を交流電力に変換するインバータ装置と、鉄道車両を駆動する電動機と、この電動機の出力を減速して輪軸に伝達する減速機と、直流電力を充電及び放電する機能を持つ蓄電装置と、サービス電源用インバータと、サービス電源用変圧器と、制御装置とで構成されている。

特許文献１に示されたハイブリッド気動車に於いて、エンジンの回転速度に対する出力特性は、エンジンの回転速度が特定の回転速度よりも増加するとエンジンの出力を減少させ、エンジンの回転速度が特定の回転速度よりも減少するとエンジンの出力を増加させる特性とし、コンバータ装置に対する速度指令は、回転速度にかかわらず発電機の負荷量を一定として、定電力発電制御を行なうものである。

特開２００７−１９５３３４号公報

前述の特許文献１に開示された従来のハイブリッド気動車に於ける発電機制御装置は、エンジンが最大運転効率となる出力点（以下、動作点と称する）、及びエンジンの回転速度に対する発電機の発電制御が主体であり、動作点遷移時の挙動に関しては詳しく記述されていない。そのため、発電機運転指令が変化する際など回転数急変を抑えることができなくなり、エンジンを脱調、即ちエンジンストール（以下、エンストと称する）させてしまう可能性がある。

この発明は、従来のハイブリッド車両の発電機制御装置に於ける前述のような課題を解決するためになされたもので、エンジンと発電機のトルクが安定動作点から外れて脱調することなく、安定して発電機を制御することができるハイブリッド車両の発電機制御装置を提供することを目的とする。

この発明によるハイブリッド車両の発電機制御装置は、
エンジンにより駆動されて交流電力を発生し負荷に電力を供給する発電機と、
前記発電機の回転数を検出する回転数検出装置と、
前記発電機と負荷装置との間の電力変換を行なう電力変換装置と、
制御指令に基づいて前記電力変換装置をＰＷＭ制御する電力変換装置制御部と、
要求電力に基づいて、エンジン制御部に運転指令を与えると共に前記電力変換装置制御部に前記制御指令を与える統合制御部と、
前記発電機の回転数が所定値以下のとき、前記発電機が発生するトルク値が前記エンジンが発生するトルク値より小さくなるように、前記統合制御部からの前記制御指令を制限するリミット装置と、
を備えたことを特徴とするものである。

この発明によるハイブリッド車両の発電機制御装置によれば、発電機の回転数が所定値以下のとき、前記発電機が発生するトルク値が前記エンジンが発生するトルク値より小さくなるように、前記統合制御部からの前記制御指令を制限するようにしているので、エンジン及び発電機の速度急変や脱調を防ぐことができる。

この発明の実施の形態１によるハイブリッド車両の発電機制御装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態1によるハイブリッド車両の発電機制御装置に於けるエンジントルク特性マップを示す説明図である。 この発明の実施の形態1によるハイブリッド車両の発電機制御装置に於ける燃料噴射量特性マップを示す説明図である。 この発明の実施の形態1によるハイブリッド車両の発電機制御装置に於けるエンジン制御部の制御ブロック図である。

この発明の実施の形態1によるハイブリッド車両の発電機制御装置に於ける発電機トルク特性マップを示す説明図である。 この発明の実施の形態1によるハイブリッド車両の発電機制御装置に於けるシステム制御部の制御ブロック図である。 この発明の実施の形態1によるハイブリッド車両の発電機制御装置に於けるリミット装置の制御ブロック図である。 この発明の実施の形態1によるハイブリッド車両の発電機制御装置に於けるエンジントルク特性と発電機トルク特性の関係を示す説明図である。

この発明の実施の形態1によるハイブリッド車両の発電機制御装置に於ける、ノッチ段に応じた動作点の遷移を説明する説明図である。 この発明の実施の形態1によるハイブリッド車両の発電機制御装置に於けるリミット特性マップを示す説明図である。 この発明の実施の形態２によるハイブリッド車両の発電機制御装置に於けるシステム制御器の制御ブロック図である。 この発明の実施の形態３によるハイブリッド車両の発電機制御装置に於けるリミット特性マップを示す説明図である。

実施の形態１．
以下、図に基づいてこの発明の実施の形態１によるハイブリッド車両の発電機制御装置について説明する。図１は、この発明の実施の形態１によるハイブリッド車両の発電機制御の構成を示すブロック図である。図１に示すハイブリッド車両の発電機制御装置は、シリーズハイブリッド方式の鉄道車両の駆動装置に用いられるものである。

図１に於いて、発電機制御装置１００は、エンジン１と、エンジン１の出力軸（図示せず）に継ぎ手（図示せず）を介して回転子軸（図示せず）が機械的に連結され、エンジン１によって駆動されて交流電力を発生する交流発電機２と、交流発電機２により発生された交流電力を直流電力に変換する電力変換装置としてのコンバータ主回路３と、コンバータ主回路３と電気的に接続された負荷装置4と、エンジン１を制御するエンジン制御部５と、コンバータ主回路３を制御して負荷装置４の電力を制御する電力変換装置制御部としてのコンバータ制御部７と、負荷装置４からの要求電力に基づいて、エンジン制御部５に運転指令を与えると共にコンバータ制御部７に制御指令を与える統合制御部としてのシステム制御部６と、システム制御部６からコンバータ制御部８への制御指令に後述する制限を加えるリミット装置８と、発電機２の回転数を検出する回転数検出器９とを備えている。

回転数検出器９は、発電機２の回転数ω＿ｃを検出し、この検出した回転数ω＿ｃをエンジン制御部５とリミット装置８とシステム制御部６とに出力する。尚、回転数検出器９は、回転速度を検出する回転速度検出器であっても良い。

エンジン１は、エンジン制御部５からの燃料噴射量指令Ｆ＿ｅｎｇに基づいて燃料噴射量が制御され、その燃料噴射量に基づいた軸トルクを出力する。発電機２は、例えば、三相交流発電機であり、エンジン１の駆動力によって回転子が回転駆動されて三相交流電力を発電する。又、発電機２は電動機としても動作することができ、エンジン１の始動時にエンジン１をクランキングしてエンジンを始動させ、或いはエンジン１を発電機２の駆動力を用いて回転させることで電力を消費することもできる。尚、エンジン１の出力軸と発電機２の回転子軸は、前述したように継ぎ手を介して機械的に連結されているため、エンジンの回転数と発電機の回転数は一致している。

コンバータ主回路３は、発電機２から出力される三相交流電力を入力とし、この三相交流電力を直流電力に変換して出力する。負荷装置４は、例えば、直流電力を交流電力に変換するインバータ装置と、車両を駆動する電動機と、電動機の出力を減速して輪軸に伝達する減速機と、直流電力を充電および放電する充放電制御機能を備えた蓄電装置としてのバッテリとを備えており、コンバータ主回路３と電気的に接続されている。

エンジン制御部５は、エンジントルク特性マップと燃料噴射量特性マップとの二つのマップを備えている。図２は、この発明の実施の形態1によるハイブリッド車両の発電機制御装置に於けるエンジントルク特性マップを示す説明図であり、縦軸はエンジントルク指令値［Ｎｍ］、横軸はエンジン１の回転数［ｒｐｍ］を示している。

図２に示すように、エンジントルク特性マップＭＡＰ１は、エンジン１の１ノッチ段に対応する１ノッチ段エンジントルク特性１ｅＮ、２ノッチ段に対応する２ノッチ段エンジントルク特性２ｅＮ、３ノッチ段に対応する３ノッチ段エンジントルク特性３ｅＮを備えている。尚、１ノッチ段、２ノッチ段、及び３ノッチ段は、エンジン１の回転数に対応して設定されている。ノッチ段の数は、前述の３つの段以外の複数段とすることは勿論可能である。

前述の１ノッチ段１、２ノッチ段、及び３ノッチ段に夫々対応するエンジンの回転数は、エンジン１のアイドリング時の回転数より高くなるように設けられている。又、ノッチ段が上がれば、エンジン１からの最大出力も上昇する。

図３は、この発明の実施の形態1によるハイブリッド車両の発電機制御装置に於ける燃料噴射量特性マップを示す説明図であり、縦軸は燃料噴射量［％］、横軸はエンジントルク指令値［Ｎｍ］を示している。図３に示すように、燃料噴射量特性マップＭＡＰ２は、エンジントルク指令値が増加すればエンジン１への燃料噴射量も増加する燃料噴射量特性Ｘを備えている。

図４は、この発明の実施の形態1によるハイブリッド車両の発電機制御装置に於けるエンジン制御部の制御ブロック図であり、前述したように、図２に示すエンジントルク特性マップＭＡＰ１と図３に示す燃料噴射量特性マップＭＡＰ２とを備えている。図４に於いて、エンジン制御部５は、システム制御部６からの運転指令Ｓｅに基づいて、後述する回転数検出器９により検出した発電機２の回転数ω＿ｃに応じたエンジントルク指令値Ｔｅ＿ｒｅｆをエンジントルク特性マップＭＡＰ１から抽出して生成し、その生成したエンジントルク指令値Ｔｅ＿ｒｅｆに応じた燃料噴射量を指示する燃料噴射指令値Ｆ＿ｅｎｇを、燃料噴射量特性マップＭＡＰ２から抽出して生成し、この生成した燃料噴射指令値Ｆ＿ｅｎｇに基づいてエンジン１の燃料噴射量を制御する。

次に、システム制御部６について説明する。図１に於いて、システム制御部６は、負荷装置４に電力を供給するために、エンジン制御部５を介してエンジン１を制御すると共に、コンバータ制御部７を介して発電機２を制御する。具体的には、システム制御部６は、エンジン１に対して、負荷装置４からの要求電力値Ｐ＿ｉｎｖの大きさに応じて、エンジン制御部５に運転指令Ｓｅを出力すると共にリミット装置８に制御指令としてのコンバータトルク指令値Ｔ１を出力する。

一方、システム制御器６は、発電機トルク特性マップを備えており、この発電機トルク特性マップに基づいて後述するようにエンジン１及び発電機２を制御する。図５は、この発明の実施の形態1によるハイブリッド車両の発電機制御装置に於ける発電機トルク特性マップを示す説明図であり、縦軸は発電機のトルク［Ｎｍ］、横軸は発電機の回転数［ｒｐｍ］を示している。

図５に示す発電機トルク特性マップＭＡＰ３は、エンジン１の１ノッチ段に対応した１ノッチ段発電機トルク特性１ｇＮ、２ノッチ段に対応した２ノッチ段発電機トルク特性２ｇＮ、３ノッチ段に対応した３ノッチ段発電機トルク特性３ｇＮを備えている。図５に示すように、これ等の発電機トルク特性１ｇＮ乃至３ｇＮは、発電機２が定電力を出力するように発電機２の回転数ω＿ｃに反比例する特性を有している。

図６は、この発明の実施の形態1によるハイブリッド車両の発電機制御装置に於けるシステム制御部の制御ブロック図であり、エンジン１のノッチ段を判定するノッチ段判定部６１と、前述の図５に示す発電機トルク特性マップＭＡＰ３を備えている。ノッチ段判定部６１は、負荷装置４からの要求電力値Ｐ＿ｉｎｖの大きさに応じて、発電機トルク特性ＭＡＰ３の１ノッチ段発電機トルク特性１ｇＮ、２ノッチ段発電機トルク特性２ｇＮ、３ノッチ段発電機トルク特性３ｇＮの何れかを選択するための閾値を備えている。

図６に於いて、システム制御部６に於けるノッチ段判定部６１は、負荷装置４から入力された要求電力値Ｐ＿ｉｎｖに対応した運転指令Ｓｅを、前述のエンジン制御部５と、リミット装置８と、システム制御部６の内部に設けられた前述の発電機トルク特性マップＭＡＰ３とに出力する。そして、システム制御部６は、ノッチ段判定部６１からの運転指令Ｓｅと、回転数検出器９により検出された発電機２の回転数ω＿ｃに基づいて、発電機２を制御するためのコンバータトルク指令値Ｔ１を発電機トルク特性マップＭＡＰ３から検索してリミット装置８へ出力する。

次に、リミット装置８について説明する。図７は、この発明の実施の形態1によるハイブリッド車両の発電機制御に於けるリミット装置の制御ブロック図である。図７に於いて、リミット装置８は、リミット特性マップＭＡＰ４と、比較器８１とを備えている。リミット特性マップＭＡＰ４は、運転指令Ｓｅと発電機２の回転数ω＿ｃとに対応したコンバータトルク制限値Ｔ１＿ｌｉｍを記憶したマップである。このリミット特性マップＭＡＰ４に記憶されているコンバータトルク制限値Ｔ１＿ｌｉｍは、エンジン１のノッチ段１Ｎ乃至３Ｎに対応して夫々設けられており、後述するように、各ノッチ段１Ｎ乃至３Ｎに於けるエンジン３の最大トルク特性より夫々低い値に設定されている。

リミット装置８は、例えば、運転指令Ｓｅが１ノッチ段である場合は、発電機２の回転数ω＿ｃが１ノッチ段に於ける所定値より小さい低回転数に於いてリミット特性マップＭＡＰ４から１ノッチ段に対応したコンバータトルク制限値Ｔ１＿ｌｉｍを抽出して出力する。又、運転指令Ｓｅが２ノッチ段である場合は、発電機２の回転数ω＿ｃが２ノッチ段に於ける所定値より小さい低回転数に於いてリミット特性マップＭＡＰ４から２ノッチ段に対応したコンバータトルク制限値Ｔ１＿ｌｉｍを抽出して出力する。更に、運転指令Ｓｅが３ノッチ段である場合は、発電機２の回転数ω＿ｃが３ノッチ段に於ける所定値より小さい低回転数に於いてリミット特性マップＭＡＰ４から１ノッチ段に対応したコンバータトルク制限値Ｔ１＿ｌｉｍを抽出して出力する。尚、リミット特性マップＭＡＰ４に於けるコンバータトルク制限値Ｔ１＿ｌｉｍの具体的な設定の仕方については後述する。

比較器８１は、システム制御部６から出力されたコンバータトルク指令値Ｔ１と、リミットトルク特性マップＭＡＰ４から抽出したコンバータトルク制限値Ｔ１＿ｌｉｍとを比較し、それ等のうちの小さい値の方をコンバータトルク指令値Ｔ２としてコンバータ制御部７に出力する。即ち、リミット装置８は、システム制御部６からの運転指令Ｓｅと、回転数検出器９により検出した発電機２の回転数ω＿ｃとに応じて、システム制御器６からのコンバータトルク指令値Ｔ１に制限を施してコンバータトルク指令値Ｔ２を出力する。このように、コンバータトルク指令値を制限することにより、エンジントルクと発電機トルクをバランスさせ、後述する脱調を防止することができる。

コンバータ制御部７は、リミット装置８から出力されたコンバータトルク指令値Ｔ２が入力される。この入力されたコンバータトルク指令値Ｔ２は、前述したようにリミット特性マップＭＡＰ４から出力されたコンバータトルク制限値Ｔ１＿ｌｉｍと、システム制御部６から出力されたコンバータトルク指令値Ｔ１とのうちの小さい方の値である。コンバータ制御部７は、入力されたコンバータトルク指令値Ｔ２に基づいて三相電圧指令値を生成し、この三相電圧指令値に対応するゲート信号ＧＰを生成してコンバータ主回路３を構成するスイッチング素子のゲートに与える。コンバータ主回路３は、コンバータ制御部７からのゲート信号８に基づいてＰＷＭ制御される。

この発明の実施の形態１によるハイブリッド車両の発電機制御装置は、以上のように構成されており、システム制御器６は、負荷装置４の要求電力値Ｐ＿ｉｎｖに応じて、エンジン制御部5を介してエンジン1を制御し、又、リミット装置8及びコンバータ制御部7を介して発電機２を制御する。このとき、前述したようにエンジン１のノッチ段に対応して発電機２を制御することで、負荷装置４へエンジン１のノッチ段に応じた電力を供給することが可能となる。

ところで、エンジン１のノッチ段の切替えタイミング等の過渡状態に於いて、エンジン１のトルク制御と発電機２のトルク制御とのバランスが適切でない場合、脱調を引き起こす可能性がある。ここでいう脱調とは、発電機２のトルクがエンジン１のトルクより大きいままで減速し、エンジン１が停止に至る、所謂、エンジンストール現象（エンスト現象）を意味している。

さて、前述したように、エンジン１は、システム制御部６からの運転指令Ｓｅと回転速度検出器９からの発電機２の回転数ω＿ｃとに対応してエンジン制御部５から出力される燃料噴射量指令値Ｆ＿ｅｎｇに基づいて、エンジン軸出力Ｐ＿ｅｎｇを発生するように動作する。ここで、エンジン軸出力Ｐ＿ｅｎｇは、摩擦抵抗のない理想的なエンジンシステムであると仮定し、エンジントルクτ＿ｅｎｇとエンジン回転数ω＿ｅｎｇとで表すと、下記の式（１）のように表される。

Ｐ＿ｅｎｇ=τ＿ｅｎｇ × ω＿ｅｎｇ ・・・・・・・（１）

一方、負荷装置４に電力を供給する発電機２は、前述したようにリミット装置８からのコンバータトルク指令値Ｔ２に基づいてコンバータ制御部７から出力されるゲート信号ＧＳによりコンバータ主回路３を介してＰＷＭ制御され、エンジン１に対して発電機トルクτ＿ｇｅｎを出力する。ここで、発電機の回転数をω＿ｇｅｎ、発電機トルクをτ＿ｇｅｎで表すと、発電機出力Ｐ＿ｅｎｇは下記の式（２）により表される。

Ｐ＿ｇｅｎ=τ＿ｇｅｎ × ω＿ｇｅｎ ・・・・・・・（２）

更に、エンジントルクτ＿ｅｎｇと発電機トルクτ＿ｇｅｎの差をエンジン加速トルク△τとすれば、エンジン加速トルクΔτは、下記の式（３）により表わされる。

△τ＝τ＿ｅｎｇ ― τ＿ｇｅｎ ・・・・・・・（３）

図８は、この発明の実施の形態1によるハイブリッド車両の発電機制御装置に於けるエンジントルク特性と発電機トルク特性の関係を示す説明図であって、縦軸はトルク、横軸は回転数を示している。図８は、前述の図２に示すエンジントルク特性マップＭＡＰ１と図５に示す発電機トルク特性マップＭＡＰ２とを重ねて表示したものである。図８に示すように、前述の式（３）により表されるエンジン加速トルク△τは、ノッチ段のあるエンジントルク特性（一点鎖線で示す）と発電機トルク特性（鎖線で示す）との差として表示される。

負荷装置４に安定した定電力供給を行うには、前述の式（３）で示されるエンジン加速トルクΔτが「０」であればよい。言い換えれば、式（３）で示されるエンジン加速トルクΔτが「０」となるように制御することで、電力変動のない発電電力を負荷装置４へ供給することが可能である。

今、例えば、リミット装置８を備えていないシステムであると仮定して、前述の制御方式を適用したとすると、システム制御部６から１ノッチ段の運転指令Ｓｅが出力されれば、図８に示すように、１ノッチ段エンジントルク特性１ｅＮと１ノッチ段発電機トルク特性１ｇＮとが等しくなる動作点Ｐ１＿ａと動作点Ｐ１＿ｂの２点が定常動作点の候補となる。

又、システム制御部６から２ノッチ段の運転指令Ｓｅが出力されれば、２ノッチ段エンジントルク特性２ｅＮと２ノッチ段発電機トルク特性２ｇＮとが等しくなる動作点Ｐ２＿ａと動作点Ｐ２＿ｂの２点が定常動作点となり、更に、ステム制御部６から３ノッチ段の運転指令Ｓｅが出力されれば、３ノッチ段エンジントルク特性３ｅＮと３ノッチ段発電機トルク特性３ｇＮとが等しくなる動作点Ｐ３＿ａと動作点Ｐ３＿ｂの２点が定常動作点の候補となる。

次に各ノッチ段に於ける、動作点の遷移についてより詳しく説明する。図９は、この発明の実施の形態1によるハイブリッド車両の発電機制御装置に於ける、ノッチ段に応じた定常動作点の遷移を説明する説明図であり、縦軸はトルク、横軸は回転数である。図９では、例示として１ノッチ段に於ける２つの定常動作点Ｐ１＿ａ、及び定常動作点Ｐ１＿ｂを示している。これ等の定常動作点Ｐ１＿ａ、及び定常動作点Ｐ１＿ｂに於ける発電機２の回転数は、夫々、ω（Ｐ１＿ａ）、及びω（Ｐ１＿ｂ）である。

１ノッチ段に於いては、前述の２つの定常動作点Ｐ１＿ａ、及び定常動作点Ｐ１＿ｂ以外の動作点は、過渡動作点である。定常動作点Ｐ１＿ａ、及び定常動作点Ｐ１＿ｂでは前述の式（３）で示されるエンジン加速トルクΔτが「０」であるが、過渡動作点では、式（３）で示されるエンジン加速トルクΔτが「０」にはならない。同様に、２ノッチ段、３ノッチ段に於いても、定常動作点以外の動作点ではエンジン加速トルクΔτは「０」にはならない。

次に、図９に示す定常動作点Ｐ１＿ａ及び定常動作点Ｐ１＿ｂの近傍でのエンジン１及び発電機２の挙動について説明する。
［状態１ａ］
先ず、状態１ａとして、定常動作点Ｐ１＿ａの近傍に過渡動作点１ａ（図示せず）が存在し、その過渡動作点１ａに於ける回転速度ω（ｔ）が、定常動作点Ｐ１＿ａに於ける回転数ω（Ｐ１＿ａ）より小さく、それ等の回転数の関係が下記で表されるとする。
ω（ｔ）＜ω（Ｐ１＿ａ）

この場合の過渡動作点１ａは、発電機トルク特性１ｇＮ上の過渡動作点１ａ（図示せず）とエンジントルク特性１ｅＮ上の過渡動作点１ａ（図示せず）の２点存在することとなる。そしてこの場合、図９から明らかなように、発電機トルク特性１ｇＮ上の過渡動作点１ａがエンジントルク特性１ｅＮ上の過渡動作点１ａよりも大きくなる。従って、前述の式（３）で示すエンジン加速トルクΔτは負の値となり、発電機２に加速トルクが発生し回転数（１ａ）ω（ｔ）が益々減少し、発電機トルク特性１ｇＮ上の過渡動作点１ａとエンジントルク特性１ｅＮ上の過渡動作点１ａは発散してしまい、その結果、脱調、即ちエンストが発生することになる。図９に於けるＹ０は、２つの過渡動作点１ａが発散して脱調（エンスト）する発散領域を示している。

［状態２ａ］
次に、定常動作点Ｐ１＿ａの近傍に過渡動作点２ａ（図示せず）が存在し、その過渡動作点２ａに於ける回転速度ω（ｔ）が、定常動作点Ｐ１＿ａに於ける回転数ω（Ｐ１＿ａ）と等しく、それ等の回転速度の関係が下記で表されるとする。
ω（ｔ）＝ω（Ｐ１＿ａ）

この場合、前述の式（３）によるエンジン加速トルクΔτが「０」となり、発電機トルク特性１ｇＮ上の過渡動作点２ａ（図示せず）とエンジントルク特性１ｅＮ上の過渡動作点２ａは、定常動作点Ｐ１＿ａに一致して留まる。

［状態３ａ］
次に、定常動作点Ｐ１＿ａの近傍に過渡動作点３ａ（図示せず）が存在し、その過渡動作点３ａに於ける回転速度ω（ｔ）が、定常動作点Ｐ１＿ａに於ける回転数ω（Ｐ１＿ａ）より大きく、定常動作点Ｐ１＿ｂより小さく、それ等の回転速度の関係が下記で表されるとする。
ω（Ｐ１＿ａ）＜ω（ｔ）＜ω（Ｐ１＿ｂ）

この場合は、発電機トルク特性１ｇＮ上の過渡動作点３ａ（図示せず）とエンジントルク特性１ｅＮ上の過渡動作点３ａ（図示せず）の２点存在することとなるが、前述の式（３）によるエンジン加速トルクΔτが正の値となり、エンジン１に加速トルクが発生して回転数が増加し、２つの過渡動作点３ａは定常動作点Ｐ１＿ｂに収束することになる。図９に於けるＹ１は、２つの過渡動作点３ａが定常動作点Ｐ１＿ｂに収束する集束領域を示している。

［状態１ｂ］
次に、もう一つの定常動作点Ｐ１＿ｂの近傍に過渡動作点１ｂ（図示せず）が存在し、その過渡動作点１ｂに於ける回転速度ω（ｔ）が、定常動作点Ｐ１＿ｂに於ける回転数ω（Ｐ１＿ｂ）より小さく、且つ定常動作点Ｐ１＿ａに於ける回転数ω（Ｐ１＿ａ）より大きく、それ等の回転速度の関係が下記で表されるとする。
ω（Ｐ１＿ａ）＜ω（ｔ）＜ω（Ｐ１＿ｂ）

この場合は、発電機トルク特性１ｇＮ上の過渡動作点１ｂ（図示せず）とエンジントルク特性１ｅＮ上の過渡動作点１ｂ（図示せず）の２点存在することとなるが、前述の式（３）によるエンジン加速トルクΔτが正の値となり、エンジン１に加速トルクが発生して回転数が増加し、２つの過渡動作点１ｂは定常動作点Ｐ１＿ｂに収束することになる。

［状態２ｂ］
次に、定常動作点Ｐ１＿ｂの近傍に過渡動作点２ｂ（図示せず）が存在し、その過渡動作点２ｂに於ける回転速度ω（ｔ）が、定常動作点Ｐ１＿ｂに於ける回転数ω（Ｐ１＿ｂ）に等しく、それ等の回転速度の関係が下記で表さられるとする。
ω（ｔ）＝ω（Ｐ１＿ｂ）

この場合、前述の式（３）によるエンジン加速トルクΔτが「０」となり、発電機トルク特性１ｇＮ上の過渡動作点２ａ（図示せず）とエンジントルク特性１ｅＮ上の過渡動作点２ａは、定常動作点Ｐ１＿ｂに集束する。

［状態３ｂ］
次に、定常動作点Ｐ１＿ｂの近傍に過渡動作点３ｂ（図示せず）が存在し、その過渡動作点３ｂに於ける回転速度ω（ｔ）が、定常動作点Ｐ１＿ｂに於ける回転数ω（Ｐ１＿ｂ）より小さく、それ等の回転速度の関係が下記で表さられるとする。
）ω（ｔ）＞ω（Ｐ１＿ｂ）

この場合は、発電機トルク特性１ｇＮ上の過渡動作点３ｂ（図示せず）とエンジントルク特性１ｅＮ上の過渡動作点３ｂ（図示せず）の２点存在することとなるが、前述の式（３）によるエンジン加速トルクΔτが負の値となり、発電機２にトルクが発生し回転数が減少し、２つの過渡動作点３ｂは、定常動作点Ｐ１＿ｂに収束する。

以上のことから、前述の［状態１ａ］の場合にに、発電機２とエンジン１との過渡動作点が式（３）に於ける［Δτ＜０］を維持し続けるために脱調に陥いることが分かる。更に、［状態２ａ］では、定常動作点Ｐ１＿ａに収束はするが、一度外乱等により定常動作点がω（Ｐ１＿ａ）より低い回転数領域に遷移すると、［状態１ａ］の過渡動作点に陥ってしまい脱調してしまう。

以上述べたように、リミット装置８を設けていない場合に於いて、過渡動作点が定常動作点Ｐ１＿ａより低回転数側に存在するときは脱調し、過渡動作点が定常動作点Ｐ１＿ｂ近傍に存在する場合は定常動作点Ｐ１＿ｂに収束することとなる。尚、以上の説明では１ノッチ段についてのみであるが、２ノッチ段、３ノッチ段に対しても前述の１ノッチ段の場合と同様のエンジントルク、発電機トルクの大小関係となるため、１ノッチ段の場合と同様の挙動となる。

次に、リミット装置８について説明する。図１０は、この発明の実施の形態1によるハイブリッド車両の発電機制御に於けるリミット特性マップを示す説明図であって、縦軸はトルク[Ｎｍ]、横軸は回転数［ｒｐｍ］を示している。図１０に示すリミット特性マップＭＡＰ４は、リミット装置８に設けられている。図１０に於いて、１ノッチ段エンジントルク特性１ｅＮ、２ノッチ段エンジントルク特性２ｅＮ、３ノッチ段エンジントルク特性３ｅＮは，前述のエンジントルク特性マップＭＡＰ１に示した夫々の特性と同一の特性であり、１ノッチ段発電機トルク特性１ｇＮ、２ノッチ段発電機トルク特性２ｇＮ、３ノッチ段発電機トルク特性３ｇＮは、前述の発電機トルク特性マップＭＡＰ３に示した夫々の特性と同一の特性である。破線で示すＺは、エンジンの最大トルクに対して１０［％］減少させた最大トルク１０［％］減特性を示す。

前述の最大トルク１０［％］減特性Ｚが、エンジンの最大トルクに対して１０［％］減少させた値に設定されているのは、実際のエンジン１の出力トルクのバラツキが約１０［％］程度であるとの想定に基づくものであるが、１０［％］以外の値に減少させても良いことは勿論である。

Ｌ１は、１ノッチ段発電機トルクリミット特性を示し、エンジン１及び発電機２の所定の回転数ω（ｔ０）に於けるトルク「０」の点と、１ノッチ段発電機トルク特性１ｇＮと最大トルク１０［％］減特性Ｚとの交点Ｚ１との間を結んだ直線で表わされる。即ち、１ノッチ段発電機トルクリミット特性Ｌ１は、エンジン１及び発電機２の所定の回転数ω（ｔ０）まで出力トルクを「０」とし、その所定の回転数ω（ｔ０）に於けるトルク「０」の点と、定常動作点Ｐ１＿ａから定常動作点Ｐ１＿ｂとの間に於ける１ノッチ段発電機トルク特性１ｅＮと最大トルク１０［％］減特性Ｚとの交点Ｚ１と、を結合する直線により設定する。

Ｌ２は、２ノッチ段発電機トルクリミット特性を示し、エンジン１及び発電機２の所定の回転数ω（ｔ０）に於けるトルク「０」の点と、２ノッチ段発電機トルク特性２ｇＮと最大トルク１０［％］減特性Ｚとの交点Ｚ２との間を結んだ直線で表わされる。即ち、２ノッチ段発電機トルクリミット特性Ｌ２は、エンジン１及び発電機２の所定の回転数ω（ｔ０）まで出力トルクを「０」とし、その所定の回転数ω（ｔ０）に於けるトルク「０」の点と、定常動作点Ｐ２＿ａから定常動作点Ｐ２＿ｂとの間に於ける２ノッチ段発電機トルク特性２ｅＮと最大トルク１０［％］減特性Ｚとの交点Ｚ２と、を結合する直線により設定する。

Ｌ３は、３ノッチ段発電機トルクリミット特性を示し、エンジン１及び発電機２の所定の回転数ω（ｔ０）に於けるトルク「０」の点と、３ノッチ段発電機トルク特性３ｇＮと最大トルク１０［％］減特性Ｚとの交点Ｚ３との間を結んだ直線で表わされる。即ち、３ノッチ段発電機トルクリミット特性Ｌ３は、エンジン１及び発電機２の所定の回転数ω（ｔ０）まで出力トルクを「０」とし、その所定の回転数ω（ｔ０）に於けるトルク「０」の点と、定常動作点Ｐ３＿ａから定常動作点Ｐ３＿ｂとの間に於ける３ノッチ段発電機トルク特性３ｅＮと最大トルク１０［％］減特性Ｚとの交点Ｚ３と、を結合する直線により設定する。

リミット装置８は、運転指令Ｓｅと発電機２の回転数ω＿ｃとに対応したコンバータトルク制限値Ｔ１＿ｌｉｍを、前述のリミット特性マップＭＡＰ５から抽出し、その抽出したコンバータトルク制限値Ｔ１＿ｌｉｍとシステム制御部６からのコンバータトルク指令値Ｔ１とのうちの小さい方をコンバータトルク指令値Ｔ２としてコンバータ制御部７へ出力するものである。

尚、リミット装置８は、エンジン１の運転指令Ｓｅに応じて、各ノッチ間のリミット特性が切り替えられる。

このように、リミット装置８により、エンジン１の各ノッチ段に対応して発電機トルク値がエンジンのトルク値以下に制限されるので、エンジン１の軸トルク値τ＿ｅｎｇと発電機２のトルク値τ＿ｇｅｎとが、各定常動作点Ｐ１＿ｂ、Ｐ２＿ｂ、Ｐ３＿ｂからずれていくことが防止され、定常動作点Ｐ１＿a、若しくは定常動作点Ｐ２＿ａ、若しくは定常動作点Ｐ３＿ａに動作点が遷移することがなくなるため、脱調を防ぐことができる。

リミット特性が、目標回転数より低速で、エンジンの最大トルク特性を下回るトルク特性を有している場合は、動作点がエンジントルク特性MAPより上方に存在する場合に安定をはかることが可能である。例として、実際のエンジントルク出力のバラツキが１０［％］程度に想定される場合には、エンジントルク特性の設計値よりも１０［％］程度下回るトルク特性をリミット特性に設けておけば、エンジン１の潤滑状態のバラツキ等が存在する場合でも脱調を防ぐことが可能である。

この発明の実施の形態１によるハイブリッド車両の発電機制御装置によれば、リミット装置により、各ノッチに於ける動作点を、前述の状態（１ａ）に遷移させない発電機トルク特性を持たせることができ、脱調を防止できる。

又、エンジン１の運転指令Ｓｅに応じて、各ノッチ間のリミット特性を切り替えるので、運転指令の切り替わりに応じた遷移特性を設定することになり、よりスムーズに各ノッチでの定常動作点に遷移することが可能となる。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２によるハイブリッド車の発電機制御装置について説明する。実施の形態２によるハイブリッド車の発電機制御装置は、前述の実施の形態１によるハイブリッド車の発電機制御装置と比較して、システム制御部６の内部の信号処理の仕方が異なる。その他の構成は、実施の形態１の場合と同様である。

図１１は、この発明の実施の形態２によるハイブリッド車両の発電機制御に於けるシステム制御器の制御ブロック図である。図１１に示すシステム制御部６は、エンジン１と発電機２に、ノッチ段が無い場合の構成を示している。この構成では、エンジン１と発電機２の両方にノッチ段がある場合の実施の形態１の場合のシステム制御部６の構成（図６）と比較して、ノッチ段判定部６１の閾値の個数と発電機トルク特性マップＭＡＰ３の構成が異なる。

具体的には、ノッチ段判定部６１は、要求電力値Ｐ＿ｉｎｖが負荷装置４から入力されると、エンジン制御部５とリミット装置８とノッチ段のない発電機トルク特性ＭＡＰ３とに速度目標運転指令Ｓｅを出力する。この速度目標運転指令Ｓｅは、オン／オフ信号であり、オン時には実施の形態１の場合と同様に制御可能であるが、オフ時はコンバータトルク指令Ｔ１が出力されないこととなる。

尚、ノッチ段のない発電機トルク特性ＭＡＰ３は、回転数検出器９により検出された発電機回転数ω＿ｃに応じたコンバータトルクＴ１を出力する。従って、エンジンの運転指令Ｓｅがノッチ切替指令でなく1段のみの速度特性目標指令である場合に、システム制御部６からの速度目標運転指令Ｓｅをオン／オフ制御することで、実施の形態１の場合と同様の発電機制御が実施でき、脱調を防止する効果がある。

実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３によるハイブリッド車の発電機制御装置について説明する。図１２は、この発明の実施の形態３によるハイブリッド車両の発電機制御に於けるリミット特性マップを示す説明図である。

実施の形態３では、各構成ブロックに入出力する信号は実施の形態１の場合と同等であるが、リミット装置８のリミット特性ＭＡＰ５の構成が実施の形態１の場合と相違する。その他の構成は、実施の形態１の場合と同様である。

図１２に於いて、リミット特性ＭＡＰ５は、実線で示すように、ノッチ段に依存せずノッチ間を跨って、共通エンジントルクリミット特性Ｌ０を設けるものである。具体的には、各ノッチ段に於けるエンジントルク特性１ｅＮ、２ｅＮ、３ｅＮに沿ってアイドリング状態のエンジン回転数領域で、各定常動作点Ｐ１＿ａ、且つ、定常動作点Ｐ２＿ａ、且つ、定常動作点Ｐ３＿ａの各回転数以下となる回転数に於いて、エンジン最大トルクの１０［％］程度下回る位置に、エンジントルクリミット特性Ｌ０を設ける。これにより、予めエンジン１の燃料効率の良い動作点領域にこのエンジントルクリミット特性Ｌ０を記憶しておけば、燃料消費効率の良い発電制御が可能となる。

この発明は、ハイブリッド車両、特に鉄道のハイブリッド車両の発電機制御装置として利用することが可能である。

１ エンジン、２ 発電機、３ コンバータ主回路、４ 負荷装置、5 エンジン制御部、６ システム制御部、７ コンバータ制御部、８ リミット装置、９ 回転数検出器、６１ ノッチ判定部、８１ 比較器、ＭＡＰ１ エンジントルク特性マップ、ＭＡＰ２ 燃料噴射量特性マップ，ＭＡＰ３ 発電機トルク特性マップ、ＭＡＰ４、ＭＡＰ５ リミット特性マップ

Claims (11)

1. エンジンにより駆動されて交流電力を発生し負荷に電力を供給する発電機と、
   前記発電機の回転数を検出する回転数検出装置と、
   前記発電機と負荷装置との間の電力変換を行なう電力変換装置と、
   制御指令に基づいて前記電力変換装置をＰＷＭ制御する電力変換装置制御部と、
   要求電力に基づいて、エンジン制御部に運転指令を与えると共に前記電力変換装置制御部に前記制御指令を与える統合制御部と、
   前記発電機の回転数が所定値以下のとき、前記発電機が発生するトルク値が前記エンジンが発生するトルク値より小さくなるように、前記統合制御部からの前記制御指令を制限するリミット装置と、
   を備えたことを特徴とする発電制御装置。
2. 前記運転指令は、前記エンジンの速度指令である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の発電機制御装置。
3. 前記エンジン制御部は、前記エンジンの回転数に対応するエンジンのトルク特性を示すエンジントルク特性マップを備え、前記回転数検出装置により検出された前記回転数と前記運転指令とに基づいて前記エンジントルク特性マップから抽出したエンジントルクに応じて、前記エンジンの燃料噴射量を制御する、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の発電機制御装置。
4. 前記統合制御部は、前記発電機の回転数に対応する発電機のトルク特性を示す発電機トルク特性マップを備え、前記回転数検出装置により検出された前記回転数と前記要求電力とに基づいて前記発電機トルク特性マップから抽出した発電機トルクに対応する発電機トルク指令値を生成し、
   前記電力変換装置制御部は、前記統合制御部により生成された前記発電機トルク指令値に基づいて前記電力変換装置をＰＷＭ制御する、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のうちの何れか一項に記載の発電機制御装置。
5. 前記リミット装置は、所定の回転数以下に対応する前記発電機のトルク値が、前記所定の回転数以下に対応する前記エンジンのトルク値より小さくなるように設定されたリミット特性を備え、前記リミット特性に基づいて、前記統合制御部により生成された発電機トルク指令値を制限する、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のうちの何れか一項に記載の発電機制御装置。
6. 前記リミット特性は、前記エンジンのトルク特性に於ける最大トルク値より小さいトルク値と前記発電機のトルク特性とが交わる交点と、前記所定の回転数未満の回転数で且つ前記発電機のトルクが零である点と、を結ぶ直線により設定されている、
   ことを特徴とする請求項５に記載の発電機制御装置。
7. 前記エンジントルク特性マップは、複数のエンジントルク特性を備え、
   前記エンジン制御部は、前記運転指令に基づいて前記複数のエンジントルク特性のうちの一つを選択して用いる、
   ことを特徴とする請求項３乃至６のうちの何れか一項に記載の発電機制御装置。
8. 前記発電機トルク特性マップは、複数の発電機トルク特性を備え、
   前記電力変換装置制御部は、前記制御指令に基づいて前記複数の発電機トルク特性のうちの一つを選択して用いる、
   ことを特徴とする請求項４乃至７のうちの何れか一項に記載の発電機制御装置。
9. 前記リミット装置は、複数の前記発電機のトルク特性に対応した複数のリミット特性を備えている、
   ことを特徴とする請求項５乃至８のうちの何れか一項に記載の発電機制御装置。
10. 前記リミット装置は、複数の前記発電機のトルク特性に跨る共通エンジントルクリミット特性を備え、前記共通エンジントルクリミット特性に基づいて、前記統合制御部により生成された前記発電機トルク指令値を制限する、
    ことを特徴とする請求項５乃至８のうちの何れか一項に記載の発電機制御装置。
11. 前記統合制御部から前記エンジン制御部に与えられる運転指令は、前記複数のエンジントルク特性のうちの一つを選択するノッチ指令である、
    ことを特徴とする請求項７乃至９のうちの何れか一項に記載の発電機制御装置。

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