JP7017906B2 - 車両情報制御装置および車両情報制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道システムの車両情報制御装置および車両情報制御方法に関する。

近年、地球環境保護の観点から、鉄道システムの更なる省エネが要求されている。鉄道車両に使用される電動機の効率は、動作点によって大きく異なることが知られている。一般的には、電動機にかかる負荷が小さい場合に効率が低くなる傾向が存在する。電動機を効率のよい点で動作させることが、鉄道システムの省エネに重要となる。
特許文献１には、電動機の動作点を考慮して機器効率が最大となる運転方法を決定する技術が開示されている。具体的には、曲線、勾配、速度制限などの路線条件を記憶する路線条件記憶手段と、電力発生手段、電力変換手段、交流電動機の動作状態から機器効率を算定する効率算定手段と、前記路線条件のもとで前記機器効率を最大とする運転指針を決定する効率最適化手段とを設けて、前記運転指針に基づいて運転することで電動機効率のよい点で動作させる技術である。

特開２０１０－８８１４５号公報

特許文献１に記載の技術では、機器効率に対して、工場において様々な条件で以て予め測定した値を記録した機器効率マップを使用している。しかしながら、機器効率マップは、電動機の個体ごとのばらつきや実際の使用履歴などによって変化するため、ある動作点の機器効率が、予め測定した値と実際の値とで異なる可能性が存在する。そのため、機器効率を最大化した運転指針が、実は効率の最大となる動作点を利用していない可能性があり、得られる省エネ効果が期待する省エネ効果を下回る可能性があるという問題があった。
本発明は、このような問題点に鑑みて考案されたもので、実環境に即した機器効率マップを作成することで、期待する省エネ効果が得られるようにすることを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る車両情報制御装置は、架線電圧および架線電流から車両が実際に消費する実消費電力を算出する実消費電力算出部と、車両の駆動装置が出力する当該車両の踏面力および車両の車両速度から理論式に基づいて車両の理論消費電力を算出する理論消費電力算出部と、実消費電力と理論消費電力とから車両の機器効率を算出する機器効率算出部と、機器効率を記憶する機器効率記憶部とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、実環境に即した機器効率マップを作成することで、電動機の動作点を変化させて機器効率を向上させ省エネ化を図り、期待される省エネ効果を得ることができる。
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の実施例に係る車両情報制御システムの構成の一例を示す図である。 本発明の実施例に係る機器効率マップの概念を説明する図である。 本発明の実施例に係る記録データ形式の一例を示す図である。

以下、本発明に係る実施の形態の一つとして、実施例について図面を参照して説明する。

図１は、車両情報制御システムの構成の一例を示す図である。車両情報制御システムは、図１に示す構成によって機器効率をリアルタイムに算出する。具体的には、実際の消費電力を算出する実消費電力算出部１０１、理論式に基づいて消費電力を算出する理論消費電力算出部１０２、機器効率を算出する機器効率算出部１０３および機器効率を様々な車両条件とともに記憶する機器効率記憶部１０４から構成される。

実消費電力算出部１０１は、架線電圧Ｖ_ｌｉｎｅおよび架線電流Ｉ_ｌｉｎｅを入力信号とし、両入力信号から式（１）で実消費電力Ｅ_ｒを算出する。

ここで、Ｅ_ｒ：実消費電力［ｋＷ］、Ｉ_ｌｉｎｅ：架線電流［Ａ］、Ｖ_ｌｉｎｅ：架線電圧［ｋＶ］、Δｔ：演算周期［ｓ］
実消費電力算出部１０１は、算出した実消費電力Ｅ_ｒを機器効率算出部１０３に出力する。

他方、理論消費電力算出部１０２は、踏面力Ｆおよび車両速度Ｖを入力信号とし、両入力信号から式（２）で理論消費電力Ｅ_ｔを算出する。ここで、踏面力Ｆは、車両の駆動装置からの出力により車輪がレール踏面に発生させる力のことである。

ここで、Ｅ_ｔ：理論消費電力［ｋＷ］、Ｆ：駆動装置が出力している踏面力［ｋＮ］、Ｖ：車両速度［ｍ／ｓ］、Δｔ：演算周期［ｓ］

入力信号とする踏面力Ｆについては、駆動装置からのフィードバックデータを用いてもよいし、出力し得る踏面力の設計値をノッチや架線電圧、車両質量から算出して用いてもよい。
理論消費電力算出部１０２は、算出した理論消費電力Ｅ_ｔを機器効率算出部１０３に出力し、計算に使用した踏面力Ｆおよび車両速度Ｖを機器効率記憶部１０４に出力する。

機器効率算出部１０３は、実消費電力Ｅ_ｒおよび理論消費電力Ｅ_ｔを入力信号とし、両入力信号から式（３）で機器効率ηを算出する。

ここで、η：機器効率、Ｅ_ｒ：実消費電力［ｋＷ］、Ｅ_ｔ：理論消費電力［ｋＷ］
機器効率算出部１０３は、算出した機器効率ηを機器効率記憶部１０４に出力する。

機器効率記憶部１０４は、機器効率算出部１０３から入力した機器効率ηを、理論消費電力算出部１０２から入力した踏面力Ｆおよび車両速度Ｖと共に記憶する。さらに、車両条件（例えば、架線電圧、運転操作、乗車率、電動機温度、電動機稼動時間といった信号）や電動機固有の識別番号も合わせて記憶する。

次に、機器効率マップについて説明する。図２は、機器効率マップの概念を説明する図である。機器効率マップは、横軸を車両速度とし、縦軸は踏面力とする。機器効率マップを参照する際は、現在の車両速度と駆動装置が出力している踏面力とから対応する機器効率を読み出す。図において、２０１で示す特性は、電動機が出力し得る最大の踏面力を表している。

機器効率マップを用いた省エネ制御について説明する。例えば、列車が図の２０２で示す踏面力を出力する場合、主に機器効率０．８０の動作点を使用することとなる。このような場合に、列車内の電動機の動作台数を減らす、または特許文献１に示される運転指針（例えば、ノッチの組み合わせ）を変更する等により、図の２０３で示す踏面力に変更することができる。２０３で示す踏面力は、主に機器効率０．８５の動作点を使用していることから、２０２で示す踏面力が主に使用する動作点の機器効率０．８０よりも機器効率が向上する。そのため、同じ出力を得るために必要な入力電力を抑えることができ、消費電力を削減することが可能となる。

次に、機器効率記憶部１０４が記憶しているデータについて説明する。図３は、機器効率記憶部１０４が記憶するデータ形式の一例を示す図である。データに関しては、図示のように列車内の電動機ごと（図３では、電動機ＩＤごと）に表形式的に記憶することが望ましい。また、別形態として、列車で一つの表としてデータを記憶しても本発明による機能および効果は維持されるが、表としてのデータ量は大きくなる。

具体的に、図３に例示するように、記憶するデータとしては、車両速度（横軸）と踏面力（縦軸）とを任意の幅で分割し、その値ごとに機器効率のデータが記録されている。例えば、車両速度が０～１００ｋｍ／ｈの範囲で１ｋｍ／ｈごと、踏面力が０～２０ｋＮの範囲で１ｋＮごととすると、全部で１００×２０＝２，０００通りの機器効率のデータが記録されていることになる。

機器効率記憶部１０４は、理論消費電力算出部１０２から入力される車両速度および踏面力に対応する機器効率のデータが機器効率算出部１０３からの値に常時更新されることにより格納され記憶される。各機器効率のデータは、さらに機器効率が算出されたときの各種車両条件の値を併せて記録してもよい。例えば、車両条件が１０種類あれば、機器効率に関するデータとして、２，０００×１０＝２０，０００個のデータが記録されていることになる。

車両条件の種類としては、例えば、位置、天候、架線電圧、運転操作（図示はノッチ位置）、乗車率、電動機温度および電動機稼動時間の各情報が含まれる。車両条件としては、前記情報に限定されるものではなく、機器効率に影響を与え得る情報であれば、前記情報以外にも追加してもよい。

また、機器効率が更新されていることを示す更新カウンターの値を機器効率ごとに記憶してもよい。更新カウンターは、車両速度、踏面力および車両条件が一致する条件の機器効率を更新した場合にインクリメントする。機器効率の更新が速やかに進むように、車両条件の分解能はなるべく荒くしておくことが望ましい。また、精度を上げるために車両条件ごとの分割も考えられなくもないが、データ量や計算量とのバランスを考慮して採用の可否を判断すればよい。

ここにおいて、機器効率マップを更新する際には、機器効率算出部１０３から入力される機器効率の値の健全性確認を行うことが望ましい。例えば、機器効率が１より大きい場合や、設計値と大きく異なる場合には、異常値と判断して機器効率マップを更新しないようにする。異常値の判断に使用する、設計値と算出された機器効率との差分値（閾値）は、任意に設定できるようにしておくことが望ましい。

また、機器効率マップを使用する場合は、更新カウンターがインクリメントされている機器効率のデータは信頼して使用してよいと判定する。そこで、更新カウンターがインクリメントされていない機器効率のデータをなるべく減らすために、図３に示すデータ形式において更新カウンターがインクリメントされていない機器効率のデータが存在する欄に対応する車両速度や踏面力を、積極的に使用するように、駆動システムや運転士（表示画面を用いるなどによって）に指示するようにしてもよい。

以上のように、本発明に係る実施例によれば、実環境に即した機器効率マップを作成することができ、電動機の動作点を変化させて機器効率を向上させ、期待される省エネ効果を図ることが可能になる。

１０１ 実消費電力算出部
１０２ 理論消費電力算出部
１０３ 機器効率算出部
１０４ 機器効率記憶部

Claims (7)

1. 架線電圧および架線電流から車両が実際に消費する実消費電力を算出する実消費電力算出部と、
   前記車両の駆動装置が出力する当該車両の踏面力および前記車両の車両速度から理論式に基づいて前記車両の理論消費電力を算出する理論消費電力算出部と、
   前記実消費電力と前記理論消費電力とから前記車両の機器効率を算出する機器効率算出部と、
   前記機器効率を記憶する機器効率記憶部と
   を備え、
   前記機器効率記憶部は、前記機器効率算出部が前記機器効率を算出した時点の前記車両の各種車両条件を併せて記憶する
   ことを特徴とする車両情報制御装置。
2. 請求項１に記載の車両情報制御装置であって、
   前記機器効率算出部は、算出した前記機器効率の健全性確認を実行し健全な値のみを前記機器効率記憶部へ出力する
   ことを特徴とする車両情報制御装置。
3. 請求項１または２に記載の車両情報制御装置であって、
   前記機器効率記憶部は、前記機器効率または前記機器効率と前記各種車両条件とを前記車両が搭載する電動機ごとに記憶する
   ことを特徴とする車両情報制御装置。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の車両情報制御装置であって、
   前記機器効率算出部は、同一時点で算出した前記実消費電力と前記理論消費電力とから前記機器効率を算出する
   ことを特徴とする車両情報制御装置。
5. 請求項４に記載の車両情報制御装置であって、
   前記機器効率記憶部は、前記機器効率または前記機器効率と前記各種車両条件とを前記車両速度および前記踏面力をそれぞれ任意の幅で分割した範囲幅ごとに記憶する
   ことを特徴とする車両情報制御装置。
6. 架線電圧および架線電流から車両が実際に消費する実消費電力を算出する第１のステップと、
   前記車両の駆動装置が出力する当該車両の踏面力および前記車両の車両速度から理論式に基づいて前記車両の理論消費電力を算出する第２のステップと、
   前記実消費電力と前記理論消費電力とから前記車両の機器効率を算出する第３のステップと、
   前記機器効率と当該機器効率を算出した時点の前記車両の各種車両条件とを併せて記憶する第４のステップと
   を有する車両情報制御方法。
7. 請求項６に記載の車両情報制御方法であって、
   前記第３のステップは、算出した前記機器効率が健全であるかを確認し健全な値のみを出力する
   ことを特徴とする車両情報制御方法。
   

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