JP5921420B2 - ハイブリッド車両 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、ハイブリッド車両に関する。
従来、エンジンによって駆動される発電機、又は架線から供給される主たる電源と、蓄電装置との組み合わせで駆動する鉄道車両(以下、ハイブリッド車両)がある。このハイブリッド車両では、制動時に発生する回生エネルギーを蓄電装置で吸収し、この吸収した回生エネルギーを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走行時の省エネルギーを実現している。
特開2011−61880号公報 特開2009−254069号公報
しかしながら、上述した従来技術を用いたハイブリッド車両を連結した場合、蓄電装置の充放電はハイブリッド車両ごとに独立して行われることから、ハイブリッド車両ごとの蓄電装置の電池残量にばらつきが生じることがあった。例えば、連結したハイブリッド車両ごとの電池残量にばらつきがある場合は、蓄電装置からの電力で無架線区間を走行する際に、電池残量が少ないハイブリッド車両が過放電保護を避けるために力行負荷を小さくすることがあった。
上述した課題を解決するために、実施形態のハイブリッド車両は、主たる直流電力を得て交流電力を生成するインバータと、前記生成された交流電力により駆動する電動機と、前記インバータと接続する蓄電装置と、前記蓄電装置とインバータとの間の電気的な接続を入り切りする第1の接触器と、前記蓄電装置と、連結された他の車両の蓄電装置との間の電気的な接続を入り切りする第2の接触器と、前記蓄電装置の状態を取得する取得手段と、前記第1の接触器及び前記第2の接触器の入り切りを制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記取得した蓄電装置の状態が所定状態である場合、前記第2の接触器を入りとする
図1は、実施形態にかかる第1の動力車の編成車両を示す概念図である。 図2は、実施形態にかかるハイブリッド車両の構成を例示するブロック図である。 図3は、第1の動力車における動作の一例を示すフローチャートである。 図4は、第1の動力車における動作の一例を示すフローチャートである。
以下、添付図面を参照して実施形態にかかるハイブリッド車両を詳細に説明する。なお、同様の構成要素には共通の符号を付与するとともに、重複する説明を省略する。
図1は、実施形態にかかる第1の動力車11A〜第nの動力車11nの編成車両1を例示する図である。図1に示すように、編成車両1は、第1の動力車11A、第2の動力車11B、第3の動力車11C…第nの動力車11nが重連し、複数の動力車が連結された構成である。第1の動力車11A、第2の動力車11B、第3の動力車11C…第nの動力車11nは、主たる電源より供給される電力、又は蓄電装置より供給される電力の少なくとも一方の電力で駆動し、制動時の回生ブレーキによる回生電力を蓄電装置に充電可能なハイブリッド車両である。なお、図1の例では付随車についての記載を省略しており、編成車両1が複数の付随車が連結された構成であってもよいことは、言うまでもないことである。
図2は、実施形態にかかるハイブリッド車両(第1の動力車11A、第2の動力車11B…)の構成を例示するブロック図である。図2に示すように、第1の動力車11A、第2の動力車11B、第3の動力車11C…は、通信手段としての伝送路(伝送線、渡り線)30によって接続されている。この伝送路30は、編成車両1の各車両をリング型に接続する幹線系のLAN(Local Area Network)であってよい。これにより、例えば、第1の動力車11Aの車両情報制御装置12Aと第2の動力車11Bの車両情報制御装置12Bとは、相互間で情報の送受信が可能となっている。また、第1の動力車11Aの車両情報制御装置12Aと第3の動力車11Cの車両情報制御装置(図示しない)とは、第2の動力車11Bの車両情報制御装置12Bを介して、相互間で情報の送受信が可能となっている。
なお、第1の動力車11Aと、第2の動力車11B(第3の動力車11C…第nの動力車11n)とは、第1の動力車11Aが編成管理部23Aとしての機能を有すること以外は、同様の構成のハイブリッド車両であるので、以下では、第1の動力車11Aの構成について詳しく説明し、第2の動力車11B(第3の動力車11C…第nの動力車11n)の詳しい説明は省略する。
第1の動力車11Aは、インバータ15Aと、電動機16Aと、蓄電装置18Aと、蓄電装置監視制御部17Aと、操作部19Aと、表示部20Aと、空気ブレーキ21Aと、車両情報制御装置12Aと、応荷重検出部40Aとを備えている。インバータ15Aは、主たる直流電力を得て交流電力を生成する。電動機16Aは、インバータ15Aで生成された交流電力により駆動する。電動機16Aは、第1の動力車11Aに設けられた車輪33Aを駆動して、第1の動力車11Aを走行させる。つまり、第1の動力車11Aは、電動機16Aの動作によって走行可能である。電動機16Aは、ノッチ数の変更によって出力変更可能であり、一例として、ノッチ数を小さくすることで、出力を下げることが可能である。また、電動機16Aは、制動時に回生ブレーキとして動作し、回生電力を発生する。この回生電力はインバータ15Aを介して蓄電装置18Aに供給される。この際、インバータ15Aは、コンバータとして動作して、電動機16Aで発生した交流電力を直流電力に変換して蓄電装置18Aに供給する。このように電動機16Aが発電した回生電力が蓄電装置18Aに充電されることで回生ブレーキが動作する。回生ブレーキは、第1の動力車11Aを制動する制動力を発生する。
また、第1の動力車11Aは、単相直流の直流電力が送電される架線50から集電する集電装置31Aと、集電装置31Aとインバータ15Aとの間に設けられたリアクトル34Aとを備えており、インバータ15Aは、架線50から供給される直流電力を主たる直流電力として得ている。なお、インバータ15Aが主たる直流電力を得る構成については、上述した構成に限定するものではなく、ディーゼルエンジンで発電した交流電力や、架線50から送電された交流電力をコンバータで交直変換する構成であってもよい。
蓄電装置18Aは、電気的な接続を入り切りする第1の接触器32Aを介してインバータ15Aの直流側と接続する。第1の動力車11Aは、第1の接触器32Aを入りとすることで、架線50からの主たる直流電力、及び蓄電装置18Aから供給される直流電力の少なくとも一方を用いて電動機16Aを駆動したレール60上の走行が可能であり、所謂ハイブリッド駆動方式の動力車である。また、蓄電装置18Aは、第1の接触器32Aを入りとしている際に、主たる直流電力の蓄電(充電)や、電動機16Aで発電された回生電力の蓄電が可能である。なお、蓄電装置18Aは、主たる直流電力と電動機16Aで発電された回生電力との両方を充電可能なものに限るものではなく、主たる直流電力と電動機16Aとの少なくとも一方で発電された直流電力を充電可能なものであればよい。また、蓄電装置18Aは、直流電力をインバータ15Aに放電(出力)する。蓄電装置18Aは、例えば、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池である。蓄電装置18Aは、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池等の二次電池に限るものではなく、例えばコンデンサ等の蓄電機能を持つデバイスであってもよい。
また、第1の動力車11Aの蓄電装置18Aと、連結された第2の動力車11Bの蓄電装置18Bとは、第1の接触器32A、32Bと蓄電装置18A、18Bとの間において、電気的な接続を入り切りする第2の接触器35Aを介して並列に接続されている。したがって、第2の接触器35Aを入りとすることで、蓄電装置18A、18B間でのエネルギーの授受が可能となり、蓄電量(電池残量)を車両間で均一化することができる。
蓄電装置監視制御部17Aは、蓄電装置18Aの充電および放電を制御する。また、蓄電装置監視制御部17Aは、蓄電装置18Aの状態(蓄電量(電池残量)、温度)を検出する。具体的には、蓄電装置監視制御部17Aは、蓄電装置18Aの充電および放電の電流量と、蓄電装置18Aの電圧とを測定し、蓄電装置18Aの蓄電量(SOC:State of charge)を算出する。この蓄電量は、蓄電装置18Aの満蓄電量に対する蓄電量の割合(充電率)である。また、蓄電装置監視制御部17Aは、蓄電装置18Aの内部に設置された温度センサ(図示しない)からの出力をもとに、蓄電装置18Aの温度を検出する。
蓄電装置監視制御部17Aが検出した蓄電装置18Aの状態は、車両情報制御装置12Aに通知される。車両情報制御装置12Aは、蓄電装置監視制御部17Aより通知された自車両の蓄電装置18Aの状態とともに、伝送路30を介して各車両の車両情報制御装置に通知された蓄電装置の状態を取得する。
操作部19Aは、マスタコントローラ(マスコン)等を含んでおり、運転者の操作を受ける。操作部19Aは、操作に応じて走行に関する走行指令を入力する。走行指令は、例えば力行、惰行、減速(制動)等を指示する指令である。
表示部20Aは、例えば液晶表示器であり、各種の情報を表示する。表示部20Aは、操作部19Aとともに、運転席に設けられている。
空気ブレーキ21Aは、空気圧機構を含んでおり、摩擦力によって第1の動力車11Aの制動力を発生する。空気ブレーキ21Aは、上述した回生ブレーキとは異なる、他のブレーキの一例である。なお、他のブレーキとしては、空気ブレーキ21Aに限るものではなく、例えば、電動機16Aが発電した回生電力を、蓄電装置18Aに充電することなく、第1の動力車11Aに搭載した抵抗器(図示せず)で消費することで制動力を発生する発電ブレーキであってもよい。
車両情報制御装置12Aは、上述した第1の動力車11Aの各部を監視するとともに第1の動力車11Aの各部を制御する。また、車両情報制御装置12Aは、操作部19Aの操作による走行指令をもとに、編成車両1全体(第1の動力車11A、第2の動力車11B、第3の動力車11C、…第nの動力車11n)の力行、惰行、減速(制動)を指令して、編成車両1の走行時における各ハイブリッド車両の負荷分担を制御する。
具体的には、車両情報制御装置12Aは、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)を有しており(いずれも図示しない)、CPUがROMに記憶されたプログラムに従って動作することで、制御部22A、編成管理部23Aとしての機能を実現する。
制御部22Aは、第1の動力車11Aの各部の制御を行う機能部である。具体的には、操作部19Aによる操作の受け付け、表示部20Aの表示、編成管理部23Aにより第1の動力車11A分の負荷分担として指令された力行、惰行、減速(制動)指令に基づいた、インバータ15A、電動機16A、蓄電装置18A、空気ブレーキ21Aの制御を行う。
例えば、力行時において、制御部22Aは、主たる直流電力と蓄電装置18Aとの少なくとも一方から電動機16Aに電力を供給させ、電動機16Aを動作させて第1の動力車11Aを走行させる。また、減速時(制動時)において、制御部22Aは、架線50からの電力と電動機16Aからの電力との少なくとも一方から蓄電装置18Aに電力を供給させ、蓄電装置18Aを充電させる。このような、充放電によって蓄電装置18Aの充電率は、一例として、力行時には放電するために減少し、減速時には充電されて増大する。
また、制御部22Aは、第1の接触器32A、第2の接触器35Aの入り切りを制御する。例えば、制御部22Aは、蓄電装置18Aからの直流電力を用いた走行時や、蓄電装置18Aへの充電時には第1の接触器32Aを入りとし、主たる直流電力から蓄電装置18Aを切り離す場合には第1の接触器32Aを切りとする。なお、第1の接触器32A、第2の接触器35Aの入り切りの詳細は後述する。
また、制御部22Aは、インバータ15Aの故障の有無を検出する。具体的には、制御部22Aは、インバータ15Aの出力過電圧、出力過電流、過熱などの検出や、インバータ15Aからの故障を示すパラメータの出力などに基いて故障の有無を検出する。制御部22Aは、インバータ15Aが故障した場合、編成管理部23Aに通知し、自車の負荷分担をゼロとする。
編成管理部23Aは、伝送路30を介した通信により編成車両1全体の情報収集を行い、編成車両1全体(第1の動力車11A、第2の動力車11B、第3の動力車11C、…第nの動力車11n)を管理する。具体的には、編成管理部23Aは、第1の動力車11A、第2の動力車11B、第3の動力車11C、…第nの動力車11nの各ハイブリッド車両から、蓄電装置監視制御部が検出した蓄電装置の状態(蓄電量(充電率)、温度)などの、各種情報を取得する。この情報収集は、操作部19Aの操作が行われたタイミングや、所定の周期(例えば数秒)ごとに行われる。また、編成管理部23Aは、操作部19Aの操作による走行指令をもとに、編成車両1の走行時における各ハイブリッド車両の負荷分担を制御する。
応荷重検出部40Aは、第1の動力車11Aにおける応荷重を検出し、制御部22Aへ通知する。第1の動力車11Aにおける応荷重は、乗客や貨物の有無で大きく変動する値であり、例えば車輪33Aが設けられた台車の空気ばねの圧力値等に基いて検出可能である。
ここで、上記の通り、第1の動力車11Aの各部に付した符号の末尾は「A」としてあるが、第2の動力車11Bの各部に付した符号の末尾は、便宜上「B」としてある。即ち、第2の動力車11Bは、インバータ15Bと、電動機16Bと、蓄電装置18Bと、蓄電装置監視制御部17Bと、操作部19Bと、表示部20Bと、空気ブレーキ21Bと、車両情報制御装置12Bと、応荷重検出部40Bとを備え、車両情報制御装置12Bは、制御部22Bを有している。また、インバータ15Bへ直流電力を供給する構成も第1の動力車11Aと同様であり、第2の動力車11Bでは、集電装置31B、リアクトル34Bによる架線50からの直流電力を主たる直流電力としている。また、蓄電装置18Bは、第1の接触器32Bを介してインバータ15Bと接続し、第2の接触器35Bを介して連結された第3の動力車11Cの蓄電装置と電気的に接続する。
また、車両情報制御装置12Aは、編成管理部23Aを備える構成となっているが、編成管理部23Aに相当する機能を車両情報制御装置12Bに持たせてもよい。この編成管理部に相当する機能部は、例えば、運転士が操作部に仕業カードなどを差し込んで運転を指示する動力車の車両情報制御装置に設定される。
ここで、第1の接触器、第2の接触器の入り切りの制御について、詳細に説明する。なお、主たる直流電力のみを用いた走行時以外の、通常の走行時においては、第1の接触器は入りとする。また、動作の一例として、第1の動力車11Aにおける第1の接触器32A、第2の接触器35Aの入り切りの制御を例示するが、第2の動力車11B等の他の車両についても同様であることは言うまでもないことである。
図3は、第1の動力車11Aにおける動作の一例を示すフローチャートである。図3に示すように、運転士が操作部に仕業カードなどを差し込んで運転が指示されることで、処理が開始されると、制御部22Aは、蓄電装置18A、及び連結された他の車両の蓄電装置の残量(蓄電量)検出を行う(S1)。
次いで、制御部22Aは、自車における蓄電装置18Aの残量がメモリなどに予め設定された下限値よりも低下したか否かを判定する(S2)。蓄電装置18Aの残量が下限値よりも低下した場合(S2:YES)、制御部22Aは、第2の接触器35Aを投入し(S9)、蓄電装置18Aと他の車両の蓄電装置とを電気的に接続する。これにより、下限値よりも低下した蓄電装置18Aの残量と、他の車両の蓄電装置の残量とを均一化させる。
蓄電装置18Aの残量が下限値よりも低下していない場合(S2:NO)、制御部22Aは、自車における蓄電装置18Aの残量がメモリなどに予め設定された上限値よりも上昇したか否かを判定する(S3)。蓄電装置18Aの残量が上限値よりも上昇した場合(S3:YES)、制御部22Aは、第2の接触器35Aを投入し(S9)、蓄電装置18Aと他の車両の蓄電装置とを電気的に接続する。これにより、上限値よりも上昇した蓄電装置18Aの残量と、他の車両の蓄電装置の残量とを均一化させる。
蓄電装置18Aの残量が上限値よりも上昇していない場合(S3:NO)、制御部22Aは、他の車両の蓄電装置の残量と、自車の蓄電装置18Aの残量との差が所定値以上であるか否かを判定する(S4)。他の車両の蓄電装置の残量と、自車の蓄電装置18Aの残量との差が所定値以上である場合(S4:YES)、制御部22Aは、第2の接触器35Aを投入し(S9)、蓄電装置18Aと他の車両の蓄電装置とを電気的に接続する。これにより、車両間の蓄電装置の残量に差が生じた場合には、その残量を均一化させる。
他の車両の蓄電装置の残量と、自車の蓄電装置18Aの残量との差が所定値以上でない場合(S4:NO)、制御部22Aは、蓄電装置18Aの温度を検出して取得する(S5)。次いで、制御部22Aは、検出した蓄電装置18Aの温度がメモリなどに予め設定された上限値よりも上昇したか否かを判定する(S6)。
蓄電装置18Aの温度が上限値よりも上昇した場合(S6:YES)、制御部22Aは、第2の接触器35Aを投入し(S9)、蓄電装置18Aと他の車両の蓄電装置とを電気的に接続する。これにより、蓄電装置18Aと他の車両の蓄電装置とが並列に接続され、負荷分担が均一化されることから、蓄電装置18Aの温度上昇が抑制される。
蓄電装置18Aの温度が上限値よりも上昇していない場合(S6:NO)、制御部22Aは、インバータ15Aの故障発生の有無を判定する(S7)。インバータ15Aの故障発生がない場合(S7:NO)、制御部22Aは、S1へ処理を戻す。インバータ15Aの故障発生がある場合(S7:YES)、制御部22Aは、第1の接触器32Aを開放し(S8)、蓄電装置18Aとインバータ15Aとの電気的な接続を切断する。これにより、インバータ15Aの故障による蓄電装置18Aの短絡を防止する。次いで、制御部22Aは、第2の接触器35Aを投入し(S9)、蓄電装置18Aと他の車両の蓄電装置とを電気的に接続する。これにより、自車のインバータ15Aに故障が発生した場合であっても、蓄電装置18Aは、他の車両へ直流電力を供給することが可能となる。
次に、蓄電装置18Aの直流電力を補助とし、通常の走行時において第1の接触器32Aを切りとする場合の第1の接触器32Aの制御について説明する。図4は、第1の動力車11Aにおける動作の一例を示すフローチャートである。
図4に示すように、運転士が操作部に仕業カードなどを差し込んで運転が指示されることで、処理が開始されると、制御部22Aは、第1の接触器32Aが開放中であるか否かを判定する(S11)。ここで、開放中でない場合(S11:NO)は処理を待機する。
開放中である場合(S11:YES)、制御部22Aは、応荷重検出部40Aにより第1の動力車11Aの応荷重を検出する(S12)。次いで、制御部22Aは、検出した応荷重がメモリなどに予め設定された規定値よりも大きいか否かを判定する(S13)。ここで、乗客や貨物による応荷重が規定値よりも小さい場合(S13:NO)、制御部22Aは、S11へ処理を戻し、第1の接触器32Aを開放中のままとする。すなわち、蓄電装置18Aの直流電力を利用しないこととする。
乗客や貨物による応荷重が規定値よりも大きい場合(S13:YES)、制御部22Aは、第1の接触器32Aを投入し(S14)、蓄電装置18Aとインバータ15Aとを電気的に接続する。これにより、第1の動力車11Aでは、蓄電装置18Aの直流電力を利用する。第1の動力車11Aが力行する場合には、加速時に必要なエネルギーを架線50から得るため、架線電圧が低下する。ここで、応荷重が大きい場合には、加速に必要なエネルギーがより大きくなることから、蓄電装置18Aの直流電力を利用しないと、架線電圧が大きく低下することとなる。しかしながら、本実施形態では、乗客や貨物による応荷重が規定値よりも大きい場合、第1の接触器32Aを投入して蓄電装置18Aの直流電圧を利用することで、架線電圧の低下を防止できる。
なお、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成することができる。例えば、実施形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせても良い。
1…編成車両、11A…第1の動力車、11B…第2の動力車、12A、12B…車両情報制御装置、15A、15B…インバータ、16A、16B…電動機、17A、17B…蓄電装置監視制御部、18A、18B…蓄電装置、19A、19B…操作部、20A、20B…表示部、21A、21B…空気ブレーキ、22A、22B…制御部、23A…編成管理部、30…伝送路、31A、31B…集電装置、32A、32B…第1の接触器、33A、33B…車輪、34A、34B…リアクトル、35A、35B…第2の接触器、40A、40B…応荷重検出部、50…架線、60…レール

Claims (6)

  1. 主たる直流電力を得て交流電力を生成するインバータと、
    前記生成された交流電力により駆動する電動機と、
    前記インバータと接続する蓄電装置と、
    前記蓄電装置とインバータとの間の電気的な接続を入り切りする第1の接触器と、
    前記蓄電装置と、連結された他の車両の蓄電装置との間の電気的な接続を入り切りする第2の接触器と、
    前記蓄電装置の状態を取得する取得手段と、
    前記第1の接触器及び前記第2の接触器の入り切りを制御する制御手段と、を備え、
    前記制御手段は、前記取得した蓄電装置の状態が所定状態である場合、前記第2の接触器を入りとする、
    ハイブリッド車両。
  2. 前記取得手段は、前記蓄電装置の蓄電量を取得し、
    前記制御手段は、前記取得した蓄電量が予め設定された範囲から外れた場合、前記第2の接触器を入りとする、
    請求項に記載のハイブリッド車両。
  3. 前記連結された他の車両との通信を行う通信手段を更に備え、
    前記取得手段は、前記通信により前記他の車両の蓄電装置の蓄電量を取得し、
    前記制御手段は、前記取得した他の車両の蓄電装置の蓄電量と、自車の蓄電装置の蓄電量との差が予め設定された設定値以上である場合、前記第2の接触器を入りとする、
    請求項に記載のハイブリッド車両。
  4. 前記取得手段は、前記蓄電装置の温度を取得し、
    前記制御手段は、前記取得した温度が予め設定された設定値以上である場合、前記第2の接触器を入りとする、
    請求項乃至のいずれか一項に記載のハイブリッド車両。
  5. 前記インバータの故障を検出する故障検出手段を更に備え、
    前記制御手段は、前記インバータの故障を検出した場合、前記第1の接触器を切りとした後に前記第2の接触器を入りとする、
    請求項1乃至のいずれか一項に記載のハイブリッド車両。
  6. 自車の応荷重を検出する応荷重検出手段を更に備え、
    前記制御手段は、前記第1の接触器を切りとしている際に前記検出された応荷重が予め設定された所定値以上である場合、前記第1の接触器を入りとする、
    請求項1乃至のいずれか一項に記載のハイブリッド車両。
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