JP7168388B2 - 鉄道車両の制御装置 - Google Patents

Description

本開示は、鉄道車両の制御装置に関する。

鉄道車両において、予め定められたランカーブに沿って走行する自動運転での消費電力の低減方法として、駆動ユニット（例えば主電動機）を駆動させない惰行を活用する方法が知られている。

しかし、駅間距離が長い高速鉄道では、高速走行時における走行抵抗が大きくなるため、惰行を活用することは容易ではない。そこで、駆動ユニットのエネルギー効率を考慮して、複数の主変換装置に対し個別にトルクを指定する制御が提案されている（特許文献１参照）。

特開２０１４－２３６５４７号公報

上記公報のように主変換装置ごとにトルクを指定する制御は、主変換装置間の稼働率（つまり負荷）の平均化、空転滑走の低減等の制御と両立される必要がある。しかし、これらの両立は困難であるか、両立できたとしても制御における処理負荷が大きくなる。また、追加の制御機構が必要となる場合がある。

本開示の一局面は、比較的シンプルな制御によって、走行時の消費電力を低減できる鉄道車両の制御装置を提供することを目的としている。

本開示の一態様は、駆動ユニットを備える鉄道車両の制御装置である。鉄道車両の制御装置は、目標地点に到達するまでの鉄道車両の走行速度を規定するランカーブを作成するランカーブ作成部と、ランカーブに対し、走行速度が予め定められた速度制御幅以内となるようにノッチを選択するノッチ選択部と、ノッチ及び走行速度と鉄道車両の駆動ユニットのエネルギー効率との関係を表す効率データを記憶した記憶部と、を備える。ノッチ選択部は、効率データを参照して駆動ユニットのエネルギー効率が高くなるようにノッチを選択する高効率化処理を行う。

このような構成によれば、効率データにしたがってノッチが選択されることで、鉄道車両をランカーブに沿って走行させつつ、駆動ユニットのエネルギー効率を高められる。その結果、比較的シンプルな制御によって、消費電力の大きい高速鉄道に対し、自動運転での消費電力を効果的に低減できる。また、既存の車両への適用も容易に行なえる。

本開示の一態様では、高効率化処理は、選択可能な全てのノッチに対し、そのノッチを選択した際の単位時間後又は単位距離走行後の走行速度を予測する処理と、予測した走行速度が速度制御幅以内となるノッチのうち、効率データに基づくエネルギー効率が最も高いノッチを選択する処理と、を含んでもよい。このような構成によれば、容易かつ確実に、鉄道車両をランカーブに沿って走行させつつ、消費電力の低減を図ることができる。

本開示の一態様は、ノッチ選択部は、選択したノッチに基づき、鉄道車両が備える複数の主変換装置に同一のトルク指令を出力する処理を行ってもよい。このような構成によれば、複数の主変換装置に対する稼働率の平均化、空転滑走の低減等の制御が容易になる。

図１は、実施形態における鉄道車両の制御装置の構成を概略的に示すブロック図である。 図２Ａは、図１のランカーブ作成部が設定するランカーブの一例を示すグラフであり、図２Ｂは、図２Ａのランカーブにおける速度制御幅の一例を示すグラフである。 図３Ａは、図１の記憶部に記憶される各ノッチにおける速度－引張力の関係の一例を示すグラフ、図３Ｂは、図１の記憶部に記憶される各ノッチにおける速度－エネルギー効率の関係の一例を示すグラフである。 図４は、図１のノッチ選択部が実行する予測処理の概念を示すグラフである。 図５は、図１のノッチ選択部が実行する処理を概略的に示すフロー図である。

以下、本開示が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
［１．第１実施形態］
［１－１．構成］
図１に示す鉄道車両の制御装置（以下、単に「制御装置」ともいう。）１は、複数の主変換装置１１と、複数の主電動機１２Ａを含む駆動ユニット１２と、ＡＴＣ装置１３とを備える鉄道車両に設置される。

＜主変換装置＞
複数の主変換装置１１は、それぞれ、集電装置（図示省略）から供給される電力を対応する主電動機１２Ａに供給することで、主電動機１２Ａを駆動させる。

各主変換装置１１は、制御装置１からのトルク指令ＴＣに応じて、主電動機１２Ａに供給する電力の電流、電圧、及び周波数の制御を行う。これにより、鉄道車両の速度が制御される。

＜駆動ユニット＞
駆動ユニット１２は、複数の主電動機１２Ａによって構成されている。各主電動機１２Ａは、鉄道車両の走行用の動力源となるモーターである。

＜ＡＴＣ装置＞
ＡＴＣ装置１３は、自動列車制御（ＡＴＣ）を行う装置である。ＡＴＣ装置１３は、規定の速度を鉄道車両が超えた場合に、ブレーキ制御を自動で行う。

ＡＴＣ装置１３は、地上に設置された地上子によって鉄道車両の現在位置を特定する。またＡＴＣ装置１３は、例えば速度発電機によって鉄道車両の現在の速度を取得する。ＡＴＣ装置１３は、現在の鉄道車両の位置及び速度の情報Ｉを制御装置１に出力する。

＜制御装置＞
制御装置１は、鉄道車両の自動運転を制御するための装置であり、複数の主変換装置１１に対し、力行ノッチ又はブレーキノッチに基づくトルク指令ＴＣを出力する。制御装置１は、ランカーブ作成部２と、ノッチ選択部３と、記憶部４とを備える。

（ランカーブ作成部）
ランカーブ作成部２は、目標地点に到達するまでの鉄道車両の走行速度を規定するランカーブ（つまり運転曲線）を作成する。図２Ａに示すように、ランカーブＲは、出発地点（つまり出発駅）Ｓから目標地点（つまり到達駅）Ｇまでの区間において、鉄道列車の位置Ｘと走行速度Ｖとの関係を示すグラフである。

ランカーブ作成部２は、ダイヤ情報Ｄ、現在時刻Ｃ、並びに現在の鉄道車両の位置及び速度の情報Ｉを鉄道車両から受け取る。ランカーブ作成部２は、これらの情報を元にランカーブＲを作成する。

図２Ｂに示すように、ランカーブＲには、鉄道車両が実際に走行する前に速度制御幅Ｗが予め定められる。速度制御幅Ｗは、目標地点Ｇに一定時間内に到達するために設定された速度の許容幅である。速度制御幅Ｗは、例えば、制御装置１の速度制御性能、目標地点Ｇの到着時刻の許容誤差等を勘案して決定される。後述するノッチ選択部３は、走行実績Ｐが速度制御幅Ｗからはみ出さないようにノッチを選択する。

（記憶部）
記憶部４は、図３Ａに例示されるノッチ及び走行速度Ｖと駆動ユニット１２の引張力（つまり、トルク）Ｔとの関係を示すトルクデータと、図３Ｂに例示されるノッチ及び走行速度Ｖと駆動ユニット１２のエネルギー効率Ｅとの関係を表す効率データとを記憶している。

図３Ａに示す各曲線は、ノッチごとの走行速度Ｖと引張力Ｔとの関係を表しており、高い段数のノッチほど右上に示されている。同様に、図３Ｂに示す各曲線は、ノッチごとの走行速度Ｖとエネルギー効率Ｅとの関係を表しており、高い段数のノッチほど右上に示されている。

なお、トルクデータ及び効率データは、それぞれ、図３Ａ，３Ｂのようなグラフを縦横に分割することによって得られるテーブルであってもよい。このテーブルには、ノッチと、走行速度と、トルク又はエネルギー効率との関係が記述される。また、記憶部４は、トルクデータと効率データとを重ねた多次元グラフの形で、これらのデータを格納していてもよい。

本実施形態では、駆動ユニット１２に含まれる複数の主電動機１２Ａは同一の特性を有する（つまり、同一の型式である）。そのため、トルクデータ及び効率データは、駆動ユニット１２に含まれる複数の主電動機１２Ａのうち、１つの主電動機１２Ａに対する実測又はパラメータ計算によって予め算出される。

なお、効率データが示すエネルギー効率は、主電動機１２Ａの効率のみで構成されてもよいが、主変換装置１１に含まれるインバータ等の駆動系機器の効率を考慮したものであってもよい。

（ノッチ選択部）
ノッチ選択部３は、ランカーブ作成部２が作成したランカーブＲに対し、鉄道車両の走行速度が速度制御幅Ｗ以内となるようにノッチを選択する。ノッチ選択部３は、例えば、ＣＰＵ（中央演算装置）と、ＲＡＭ、ＲＯＭ等の記憶媒体と、入出力部とを備えるコンピュータにより構成される。

ノッチ選択部３は、走行速度が１００ｋｍ／ｈ以上のとき、記憶部４に記憶されたトルクデータＴＤ及び効率データＥＤを参照して駆動ユニット１２のエネルギー効率が高くなるようにノッチを選択する高効率化処理を行う。

高効率化処理では、ノッチ選択部３は、まず、その時点で選択可能な全てのノッチに対し、そのノッチを選択した際の単位時間後又は単位距離走行後の走行速度を予測する予測処理を行う。

例えば、図４に示すように、現在位置Ｘ１で選択可能なノッチが、惰行ノッチ（Ｎ０）、力行１ノッチ（Ｎ１）、力行２ノッチ（Ｎ２）、及び力行３ノッチ（Ｎ３）の場合、それぞれのノッチを選択し単位距離ΔＸ走行した後の予測位置Ｘ２における走行速度（つまり予測速度）を演算により予測する。

ここで、図３Ｂに示すように、駆動ユニット１２のエネルギー効率は、速度の上昇に伴って低下する傾向にあるため、各ノッチの使用可能速度帯（つまり、使用可能な速度の上限）を予め定めてもよい。これにより、選択可能なノッチを予め絞ることができる。

次に、予測した走行速度Ｖが速度制御幅Ｗ以内となるノッチのうち、効率データＥＤに基づくエネルギー効率が最も高いノッチを選択する選択処理を行う。図４に示す例では、予測位置Ｘ２における走行速度Ｖが速度制御幅Ｗよりも外になる惰行ノッチ（Ｎ０）及び力行３ノッチ（Ｎ３）を除いたノッチのうち、効率データＥＤを参照したときのエネルギー効率が最も高いノッチが選択される。

高効率化処理の後、ノッチ選択部３は、選択したノッチに基づき、鉄道車両が備える複数の主変換装置１１に同一のトルク指令ＴＣを出力する出力処理を行う。トルク指令ＴＣは、トルクデータＴＤを参照して決定される。

出力処理により、複数の主変換装置１１によって、複数の主電動機１２Ａのトルクが一律に制御される。その結果、複数の主変換装置１１間における負荷の均一化を図ることができる。

［１－２．処理］
以下、図５のフロー図を参照しつつ、ノッチ選択部３が実行する高効率化処理について説明する。

まず、ノッチ選択部３は、ランカーブＲ、並びに現在の鉄道車両の位置及び速度の情報Ｉを取得する（ステップＳ１０）。

次に、ノッチ選択部３は、現時点で選択可能なノッチＮ０に対して、ノッチＮ０を選択した際の単位時間後又は単位距離走行後の走行速度を予測する予測処理を実行する（ステップＳ２０）。

その後、ノッチ選択部３は、予測速度が速度制御幅Ｗ以内か判定する（ステップＳ３０）。予測速度が速度制御幅Ｗ以内の場合（Ｓ３０：ＹＥＳ）、ノッチ選択部３は、ノッチＮ０を選択候補とする（ステップＳ４０）。予測速度が速度制御幅Ｗ外の場合（Ｓ３０：ＮＯ）、ノッチ選択部３は、ノッチＮ０を選択候補から除外する（ステップＳ５０）。

ノッチ選択部３は、これらのステップＳ２０からステップＳ４０又はステップＳ５０までの処理を、現時点で選択可能なすべてのノッチに対してそれぞれ実行し、選択候補のノッチを決定する。なお、図５では、選択可能なノッチ数が３つの場合が例示されているが、選択可能なノッチ数は鉄道車両の状況に応じて適宜変化する。

選択候補のノッチが決定された後、ノッチ選択部３は、効率データＥＤを参照したときのエネルギー効率が最も高いノッチを選択候補の中から選択する（ステップＳ６０）。さらに、ノッチ選択部３は、選択したノッチに基づくトルク指令ＴＣを複数の主変換装置１１に出力する（ステップＳ７０）。

［１－３．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１ａ）１００ｋｍ／ｈ以上の高速走行時において、効率データＥＤにしたがってノッチが選択されることで、鉄道車両をランカーブＲに沿って走行させつつ、駆動ユニット１２のエネルギー効率を高められる。その結果、比較的シンプルな制御によって、消費電力の大きい高速鉄道に対し、自動運転での消費電力を効果的に低減できる。また、既存の車両への適用も容易に行なえる。

（１ｂ）ノッチ選択部３が予測速度とエネルギー効率とに基づいてノッチを選択することで、容易かつ確実に、鉄道車両をランカーブＲに沿って走行させつつ、消費電力の低減を図ることができる。

（１ｃ）ノッチ選択部３が選択したノッチに基づいて複数の主変換装置１１に同一のトルク指令を出力することで、複数の主変換装置１１に対する稼働率の平均化、空転滑走の低減等の制御が容易になる。

［２．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。

（２ａ）上記実施形態の鉄道車両の制御装置１は、１つの主変換装置１１を備える鉄道車両にも適用可能である。また、制御装置１は、ＡＴＣ装置１３以外の機器から現在の鉄道車両の位置及び速度の情報Ｉを取得してもよい。

（２ｂ）上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

１…鉄道車両の制御装置、２…ランカーブ作成部、３…ノッチ選択部、４…記憶部、
１１…主変換装置、１２…駆動ユニット、１２Ａ…主電動機、１３…ＡＴＣ装置。

Claims (2)

1. 駆動ユニットを備える鉄道車両の制御装置であって、
   目標地点に到達するまでの鉄道車両の走行速度を規定するランカーブを作成するランカーブ作成部と、
   前記ランカーブに対し、前記走行速度が予め定められた速度制御幅以内となるようにノッチを選択するノッチ選択部と、
   前記ノッチ及び前記走行速度と前記鉄道車両の駆動ユニットのエネルギー効率との関係を表す効率データを記憶した記憶部と、
   を備え、
   前記ノッチ選択部は、前記効率データを参照して前記駆動ユニットのエネルギー効率が高くなるように前記ノッチを選択する高効率化処理を行い、
   前記高効率化処理は、
   選択可能な全てのノッチに対し、そのノッチを選択した際の単位時間後又は単位距離走行後の前記走行速度を予測する処理と、
   予測した前記走行速度が前記速度制御幅以内となるノッチのうち、前記効率データに基づくエネルギー効率が最も高いノッチを選択する処理と、
   を含む、鉄道車両の制御装置。
2. 請求項１に記載の鉄道車両の制御装置であって、
   前記ノッチ選択部は、選択したノッチに基づき、前記鉄道車両が備える複数の主変換装置に同一のトルク指令を出力する処理を行う、鉄道車両の制御装置。

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