KR101173722B1 - 철도 차량의 구동 장치 - Google Patents

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모또미 시마다
에이이찌 도요따
다까시 가네꼬
즈또무 미야우찌
히로시 노모또
료오헤이 시마무네
료오스께 후루따
데쯔로오 오오무라
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히가시니혼료카쿠데츠도 가부시키가이샤
가부시키가이샤 히타치세이사쿠쇼
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Abstract

시리즈 하이브리드 방식의 철도 차량의 구동 장치에 있어서, 엔진 정지를 가능하게 하는 상황을 적절하게 판단하고, 또한 엔진 발전의 응답성을 고려하여 안정된 역행 성능을 확보할 수 있는 아이들 정지 제어 방식을 실현하고, 연료 소비량의 저감과 엔진 소음의 저감을 가능하게 하는 환경에 친화적인 철도 차량의 구동 장치를 제공한다. 철도 차량의 구동 장치에 있어서의 시스템 통괄 제어부는, 발전기의 회전 속도와, 전동기의 회전 속도와, 축전 장치로부터 얻어지는 내부 상태 신호를 기초로 하여, 엔진의 발전 전력의 필요 여부를 판정하여, 엔진으로의 운전 지령, 컨버터 장치로의 운전 지령에 의해 발전 상태를 제어하고, 또한 엔진의 발전 전력이 불필요한 경우는 엔진 정지의 가부를 판정하여, 엔진으로의 운전 지령에 의해 엔진을 정지시키는 지령을 부여할 수 있다.
시스템 통괄 제어부, 축전 장치, 엔진, 전동기, 인버터 장치

Description

철도 차량의 구동 장치{DRIVER OF ROLLING STOCK}
본 발명은 철도 차량의 구동 장치에 관한 것으로, 특히 발전 수단과 전력 축적 수단을 설비한 후에, 이 양 수단이 발생하는 전력을 이용하여 철도 차량을 구동하는 기술에 관한 것이다.
철도 차량은, 철 차륜이 레일면 상을 구름으로써 주행하므로, 주행 저항이 자동차에 비해 작은 것이 특징이다. 특히, 최근의 전기 철도 차량에서는, 제동시에 주 전동기를 발전기로서 작용시킴으로써 제동력을 얻는 동시에, 제동시에 주 전동기에서 발생하는 전기적 에너지를 가선(架線)으로 복귀시켜 다른 차량의 역행(力行) 에너지로서 재이용하는 회생 브레이크 제어를 행하고 있다. 이 회생 브레이크를 구비하는 전기 철도 차량은, 회생 브레이크를 구비하고 있지 않은 전기 철도 차량에 비해, 대략 절반의 에너지 소비로 주행하는 것이 가능하게 되어 있어, 주행 저항이 작은 철도 차량의 특징을 살린 에너지 절약 방법이라고 할 수 있다.
한편, 수송 밀도가 작은 지방 노선 등은, 가선, 변전소 등의 기반 시설이 필요하지 않은 기동차(디젤 차량)에 의해, 세심한 승객 서비스를 저비용으로 실현하고 있다. 그러나 기동차는, 가선 등 다른 차량에 에너지를 전달하는 수단이 없으므로, 전기 철도 차량과 같은 회생 에너지의 재이용은 행해지고 있지 않았다. 이 로 인해, 기동차로 에너지 절약을 실현하기 위해서는, 저연비 엔진의 개발에 의지해야 한다고 생각되고 있었다.
이러한 기동차에 대해서도 에너지 절약을 추진하는 하나의 방법으로서, 에너지와 축전 장치를 조합한 하이브리드 기동차가 고안되었다. 하이브리드 기동차는 축전 장치를 설치함으로써, 제동시에 발생하는 회생 에너지를 축전 장치에서 일단 흡수하는 것이 가능해지고, 이 흡수한 회생 에너지를 역행시에 필요한 에너지의 일부로서 재이용함으로써 에너지 절약을 실현할 수 있다.
하이브리드 기동차에 대해서는, 예를 들어 특허 문헌 1의 철도 차량의 구동 장치에 있어서 서술되어 있다.
도9에 특허 문헌 1에 있어서의 하이브리드 기동차 시스템의 기기 구성도를 도시한다. 엔진(1)에 의해 구동되는 발전기(2)가 발생하는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 컨버터 장치(3)와, 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 인버터 장치(4)와, 직류 전력을 충전 및 방전하는 기능을 갖는 축전 장치(8)와, 철도 차량을 구동하는 전동기(5)를 구비하고, 컨버터 장치(3)가 발생하는 직류 전력과, 축전 장치(8)가 발생하는 직류 전력을 인버터 장치(4)에 공급할 때에, 제어 장치(39)에 축전 장치(8)에 축적하는 축전 에너지를 차량 속도에 대한 축전 관리 기준 패턴으로서 설정하고, 이 패턴에 의한 축전량과 축전 장치(8)의 실제 축전량의 차분에 따라서 컨버터 장치가 발생하는 직류 전력을 제어한다.
특허 문헌 1 : 일본 특허 출원 공개 제2004-282859호 공보
하이브리드 기동차는, 축전 장치에 의해 제동시의 회생 에너지를 회수하고, 그것을 재이용함으로써 에너지 절약 효과를 얻는 방식이다. 특히, 엔진의 회전축이 차륜의 회전과 기계적으로 분리되어 있는「시리즈 하이브리드 방식」에서는, 엔진의 회전 속도를 차량 속도와는 관계없이 정할 수 있는 특징을 갖는다. 이 시리즈 하이브리드 방식의 기기 구성에서는, 엔진에 의한 발전이 불필요한 경우에, 엔진을 정지하는 아이들 정지를 행할 수 있다. 이 아이들 정지에 의해, 하이브리드 기동차는 연료 소비량이 저감되는 장점을 더욱 확대할 수 있다. 또한, 종래의 기동차에서는 전용의 모터에 의해 엔진에 기동 토크를 부여하여 엔진을 기동한다. 이로 인해, 빈번한 엔진의 정지/기동을 피하기 위해, 역 정차 중에 있어서도 엔진의 아이들 운전을 계속하는 것이 통상이며, 역 구내에 있어서의 소음의 원인이 되고 있었다.
이 시리즈 하이브리드 방식의 하이브리드 기동차에 대해서는, 당연히 정차 중에 있어서도 아이들 정지하여 엔진을 완전히 정지할 수 있으므로, 역 구내에 있어서의 엔진 소음을 저감할 수 있다.
그런데, 도9에 도시한 특허 문헌 1의 철도 차량의 구동 장치에서는, 발명의 실시 형태에 대한 설명 중에서, 엔진/컨버터의 동작을, 주행 조건에 따라서「정지」하는 것이 서술되어 있다. 그러나 엔진/컨버터의 동작 정지에 대해서는, 그 어떠한 동작을 정지시킬지에 관해서는 명백하게 되어 있지 않다. 또한, 그 구체적인 정지 제어의 방법에 대해서도 서술되어 있지 않다.
시리즈 하이브리드 방식에 의한 하이브리드 기동차에 대해서는, 엔진 발전을 필요로 하지 않는 상황에 있어서는 엔진을 정지할 수 있다. 그러나 실제의 철도 차량의 운전을 고려한 경우, 엔진 정지 상태로부터의 재역행하는 경우 등, 엔진의 발전 개시가 지연되는 것이 고려된다. 이 엔진의 발전 전력이 얻어지지 않는 기간은, 역행 전력 전부를 축전 장치에서 부담해야 하므로, 축전 장치의 부담이 커져 과대한 방전 전력에 의한 축전 장치의 고장 등이 발생할 가능성이 있다.
즉, 하이브리드 기동차에 있어서 아이들 정지 제어를 행하기 위해서는,
(1) 운전 상태와 차량 주행 상태를 기초로, 아이들 정지할 수 있는 상황을 적절하게 판단하는 것.
(2) 엔진 개시 지령으로부터 실제로 발전 전력을 얻을 때까지의 응답성을 고려한 역행 성능의 검토.
라고 하는 기술적 과제를 해결하는 것이 중요하며, 그것에 의해 비로소 아이들 정지 제어를 실현할 수 있을 것이라 고려된다.
본 발명의 목적은, 엔진에 의해 구동되는 발전 설비에 전력 축적 수단을 조합하고, 그 양자에 의해 공급되는 직류 전력을 인버터 장치에서 교류 전력으로 변환하여 모터를 구동하는 시리즈 하이브리드 방식의 철도 차량의 구동 장치에 있어서, 엔진 정지를 가능하게 하는 상황을 적절하게 판단하고, 또한 엔진 발전의 응답성을 고려하여 안정된 역행 성능을 확보할 수 있는 아이들 정지 제어 방식을 실현하고, 연료 소비량의 저감과 엔진 소음의 저감을 가능하게 하는, 환경에 친화적인 철도 차량의 구동 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 철도 차량의 구동 장치는, 엔진에 의해 구동되는 발전 수단이 발생하는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 컨버터 수단을 갖는 직류 전력 발생 수단과, 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 인버터 수단과, 인버터 수단에 의해 구동되는 전동기와, 직류 전력을 충전 및 방전하는 기능을 갖는 전력 축적 수단과, 이들 각 수단을 제어하는 제어 수단과, 발전 수단의 회전 속도를 검출하는 수단과, 전동기의 회전 속도를 검출하는 수단과, 전력 축적 수단의 축전량을 검출하는 수단과, 직류 전력 발생 수단에서 변환된 직류 전력을 검출하는 수단을 구비하고,
제어 수단은, 전동기의 속도와, 전력 축적 수단의 축전 전력량에 따라서 엔진의 운전 상태를 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 엔진에 의해 구동되는 발전 설비에 전력 축적 수단을 조합하고, 그 양자에 의해 공급되는 직류 전력을 인버터 장치에서 교류 전력으로 변환하여 모터를 구동하는 시리즈 하이브리드 방식의 철도 차량의 구동 장치에 있어서, 엔진 정지를 가능하게 하는 상황을 적절하게 판단하고, 또한 엔진 발전의 응답성을 고려하여 안정된 역행 성능을 확보할 수 있는 아이들 정지 제어 방식을 실현하고, 연료 소비량의 저감과 엔진 소음의 저감을 가능하게 하는, 환경에 친화적인 철도 차량의 구동 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예의 전기차의 제어 장치에 있어서의 기본 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 있어서의 아이들 정지 제어를 실현하는 구성을 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예의 아이들 정지 제어의 제어 조건의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 있어서의 역행 전력 제어를 실현하는 제어 블록도이다.
도 5는 본 발명의 제5 실시예에 있어서의 역행 전력 제어의 동작의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 6은 본 발명의 제6 실시예에 있어서의 엔진 기동 정지 제어를 실현하는 제어 블록도이다.
도 7은 본 발명의 제7 실시예에 있어서의 엔진 기동 정지 제어 방식의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 8은 본 발명의 제8 실시예에 있어서의 엔진 기동 정지 제어의 동작의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 9는 종래의 하이브리드 기동차의 제어 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
[부호의 설명]
1 : 엔진
2 : 유도 발전기
3 : 컨버터 장치
4 : 인버터 장치
5 : 전동기
6 : 감속기
7 : 차륜축
8 : 축전 장치
9 : 시스템 통괄 제어부
10 : 서비스 전원용 인버터 장치
11 : 변압기
12 : 차단기
13 : 속도 센서
14 : 속도 검출기
15 : 필터 콘덴서
16 : 전류 센서
17 : 저항기
18 : 전압 센서
19 : 엔진 제어 장치
20 : PWM 제어기(벡터 제어 연산기)
21 : 정전력 제어기(전류 지령 발생기)
22 : 전류 검출기
23 : 에너지 관리 제어부
24 : 엔진 발전 출력 제어부
25 : 여자 전류 지령 생성부
26 : 토크 전류 지령 생성부
27 : 토크 전류 리미트값 생성부
28 : 저위 선택기
29 : 선택기
30, 37 : 변화율 리미터
31 : 엔진 출력 특성
32 : 엔진 출력 특성 선택부
33 : 엔진 출력 제어부
34 : 발전기 출력 특성
35 : 발전기 출력 특성 선택부
36 : 선택기
38 : 발전기 토크 제어 선택부
39 : 제어 장치
이하, 본 발명의 실시 형태에 대해 도면을 이용하여 설명한다.
<제1 실시예>
도 1은 본 발명의 제1 실시예의 전기차의 제어 장치에 있어서의 기본 구성을 도시하는 도면이다.
엔진(1)은 시스템 통괄 제어부(9)의 지령 Se에 따라서 축 토크를 출력한다. 발전기(2)는 엔진(1)의 축 토크를 입력으로 하고, 이것을 3상 교류 전력으로 변환하여 출력한다. 컨버터 장치(3)는 발전기(2)로부터 출력되는 3상 교류 전력을 입 력으로 하고 이것을 직류 전력으로 변환하여 출력한다. 여기서, 컨버터 장치(3)는 시스템 통괄 제어부(9)로부터의 지령 Sc를 기초로 한 직류 전압이 되도록 전압 제어한다.
인버터 장치(4)는 컨버터 장치(3)로부터 출력되는 직류 전력을 입력으로 하고 이것을 3상 교류 전력으로 변환하여 출력한다. 전동기(5)는 인버터 장치(4)가 출력하는 3상 교류 전력을 입력으로 하고 이것을 축 토크로 변환하여 출력한다. 여기서, 인버터 장치(4)는 전동기(5)의 출력 토크가 시스템 통괄 제어부(9)로부터의 지령 Si를 기초로 한 토크를 출력하도록, 후술하는 회전 속도 신호 Fr_inv를 참조하여 인버터 장치(4)의 출력 전압 및 교류 전류 주파수를 가변 제어한다.
감속기(6)는 전동기(5)의 축 토크 출력을 회전수의 감속에 의해 증폭하여 출력하고, 차륜축(7)을 구동하여 전기차를 가감속한다.
시스템 통괄 제어부(9)는 축전 장치(8)의 내부 상태 신호 Sp1을 입력으로 하고, 엔진(1)에 운전 지령 Se, 컨버터 장치(3)에 운전 지령 Sc, 인버터 장치(4)에 운전 지령 Si, 차단기(12a, 12b, 12c, 12d)에 동작 지령 Sb, 축전 장치(8) 내에 배치하는 충방전 제어 장치로의 동작 지령 Sp2를 출력하고, 2차 전지 축전량을 일정 범위 내로 하도록 이들 기기의 종합적인 동작 상태를 제어한다. 또한, 속도 센서(13a, 13b) 및 속도 연산부(14a, 14b)에 의해 얻어지는 속도 정보와, 축전 장치(8)로부터 얻어지는 내부 상태 신호를 기초로 하여, 엔진(1), 컨버터 장치(3), 인버터 장치(4), 축전 장치(8), 차단기(12)를 단독 또는 종합적으로 제어하는 것을 가능하게 하고 있다.
서비스 전원용 인버터 장치(10)는 컨버터 장치(3)와 인버터 장치(4)의 사이의 직류 전력을 입력으로 하고, 이것을 3상 교류 전력으로 변환하여 출력한다. 또한, 서비스 전원용 변압기(11)에 의해 전기차의 조명이나 공조기 등에 공급하는 서비스 전원 전압으로 조정하여 각 서비스 기기에 공급한다.
차단기(12a)는 컨버터 장치(3)와 인버터 장치(4)의 사이의 직류 전력부에서 컨버터 장치(3)의 입력 단자의 바로 근처에 배치한다. 엔진(1) 및 컨버터 장치(3)가 고장 등에 의해 동작하지 않는 동안에는, 시스템 통괄 제어부(9)로부터의 동작 지령 Sb에 의해 차단기(12a)를 개방하고, 컨버터 장치(3)로의 전력 공급을 차단하여 기기의 안전성을 확보한다. 마찬가지로, 컨버터 장치(3)와 인버터 장치(4)의 사이의 직류 전력부의 전압이 과대해졌을 때, 시스템 통괄 제어부(9)로부터의 동작 지령 Sb에 의해 차단기(12a)를 개방하고, 컨버터 장치(3)로의 전력 공급을 차단하여 컨버터 장치(3)의 고장을 방지한다.
차단기(12b)는 컨버터 장치(3), 인버터 장치(4)의 사이의 직류 전력부와 서비스 전원용 인버터 장치(10)의 사이에 배치한다. 직류 전력부의 전압이 서비스 전원용 인버터 장치(10)의 입력 허용 전압을 초과하였을 때, 시스템 통괄 제어부(9)로부터의 동작 지령 Sb에 의해 차단기(12b)를 개방하고, 컨버터 장치(3), 인버터 장치(4)로부터 서비스 전원용 인버터 장치(10)에 공급하는 전력을 차단하여 서비스 전원용 인버터 장치(10)의 고장을 방지한다.
차단기(12c)는 컨버터 장치(3), 인버터 장치(4)의 사이의 직류 전력부와 축전 장치(8) 입출력 단자의 사이에 배치한다. 축전 장치(8)의 축전 허용량이 초과 되었을 때, 혹은 직류 전력부로의 입출력 전류가 축전 장치(8)의 입출력 허용 전류값을 초과하였을 때, 시스템 통괄 제어부(9)로부터의 동작 지령 Sb에 의해 차단기(12c)를 개방하고, 컨버터 장치(3)와 인버터 장치(4)의 사이의 직류 전력부로부터 축전 장치(8)에 공급하는 전력을 차단하여 축전 장치(8)의 고장을 방지한다.
차단기(12d)는 컨버터 장치(3)와 인버터 장치(4)의 사이의 직류 전력부에서 인버터 장치(4)의 입력 단자의 바로 근처에 배치한다. 인버터 장치(4)가 고장 등에 의해 동작하지 않는 동안에는, 시스템 통괄 제어부(9)로부터의 동작 지령 Sb에 의해 차단기(12d)를 개방하고, 인버터 장치(4)로의 전력 공급을 차단하여 오동작을 방지한다. 마찬가지로, 컨버터 장치(3), 축전 장치(8)로부터 인버터 장치(4)로의 공급 전력이 과대해졌을 때, 시스템 통괄 제어부(9)로부터의 동작 지령 Sb에 의해 차단기(12d)를 개방하고 인버터 장치(4)로의 전력 공급을 차단하여 고장을 방지한다.
속도 센서(13a)는 발전기(2)의 회전 속도를 검출하고, 속도 연산기(14a)에 있어서 회전 속도 신호 Fr_cnv로 변환한다.
속도 센서(13b)는 전동기(5)의 회전 속도를 검출하고, 속도 연산기(14b)에 있어서 회전 속도 신호 Fr_inv로 변환한다.
이 구성에 의해, 이하의 동작을 실현할 수 있다.
엔진(1)의 축 출력에 의해 발전기(2)를 구동하고, 발전기(2)가 발생한 3상 교류 전력을 컨버터 장치(3)에 의해 직류 전력으로 변환한다. 이 직류 전력은 인버터 장치(4)에 의해 3상 교류 전력으로 변환하여 전동기(5)를 구동한다. 전동 기(5)의 축 출력을 감속기(6)에 의해 감속하고 차륜축(7)을 회전시켜 차량의 구동력을 얻는다. 또한, 컨버터 장치(3)와 인버터 장치(4)의 사이의 직류 전력부에 축전 장치(8)를 접속하고, 직류 전력의 과부족분을 축전 장치(8)에 충방전할 수 있다. 즉, 본 발명에 있어서의 철도 차량의 구동 장치는 시리즈?하이브리드 방식의 기기 구성으로 하고 있다.
또한, 시스템 통괄 제어부(9)를 구비함으로써, 속도 센서(13a, 13b) 및 속도 연산부(14a, 14b)에 의해 얻어지는 속도 정보와, 축전 장치(8)로부터 얻어지는 내부 상태 신호를 기초로 하여, 엔진(1), 컨버터 장치(3), 인버터 장치(4), 축전 장치(8), 차단기(12)를 단독 또는 종합적으로 제어하는 것을 가능하게 하고 있다.
이 구성에 따르면, 시스템 통괄 제어부(9)는 속도 센서(13a) 및 속도 연산부(14a)에 의해 얻어지는 발전기(2)의 회전 속도 Fr_cnv와, 속도 센서(13b) 및 속도 연산부(14b)에 의해 얻어지는 전동기(5)의 회전 속도 Fr_inv와, 축전 장치(9)로부터 얻어지는 내부 상태 신호 Sp1을 기초로 하여, 엔진(1)의 발전 전력의 필요 여부를 판정하여, 엔진(1)으로의 운전 지령 Se, 컨버터 장치(3)로의 운전 지령 Sc에 의해 발전 상태를 제어하고, 또한 엔진(1)의 발전 전력이 불필요한 경우는, 엔진 정지의 가부를 판정하여, 엔진(1)으로의 운전 지령 Se에 의해 엔진을 정지시키는 지령을 부여할 수 있다. 즉, 아이들 정지 제어를 실현할 수 있어, 연료 소비량의 저감과, 엔진 동작음의 저감을 도모할 수 있다.
또한, 아이들 정지 제어에 의해, 엔진(1)에 의한 발전 전력이 얻어지지 않는 동안, 시스템 통괄 제어부(9)는 속도 센서(13b) 및 속도 연산부(14b)에 의해 얻어 지는 전동기(5)의 회전 속도 Fr_inv와, 축전 장치(8)로부터 얻어지는 내부 상태 신호 Sp1을 기초로 하여, 인버터 장치(4)로의 운전 지령 Si를 출력하고, 인버터 장치(4)에 의해 구동되는 전동기(5)의 출력을 축전 장치(8)의 최대 출력 한계에 따라서 제한하는 제어를 가능하게 한다. 즉, 아이들 정지에 의해 엔진(1)의 발전 전력이 얻어지지 않는 동안은, 축전 장치(8)의 방전 전력만으로 안정된 가속을 실현할 수 있다.
또한, 시스템 통괄 제어부(9)는 속도 센서(13a) 및 속도 연산부(14a)에 의해 얻어지는 발전기(2)의 회전 속도 Fr_cnv와, 속도 센서(13b) 및 속도 연산부(14b)에 의해 얻어지는 전동기(5)의 회전 속도 Fr_inv와, 축전 장치(9)로부터 얻어지는 내부 상태 신호 Sp1을 기초로 하여, 엔진(1)의 기동, 정지의 필요 여부를 판정하여 컨버터 장치(3)에 운전 지령 Sc를 출력하고, 엔진(1)의 기동, 정지를 발전기(2)의 토크에 의해 제어한다. 즉, 엔진(1)의 기동과 정지를 발전기(2)의 토크에 의해 신속하게 제어함으로써, 아이들 정지 제어시의 엔진 발전 개시 시간을 단축하고, 축전 장치(8)의 방전 전력만으로 가속하는 시간을 단축하고, 차량의 가속 성능의 저하를 최소한으로 할 수 있다.
<제2 실시예>
도 2는 본 발명의 제2 실시예의 아이들 정지 제어를 실현하는 구성을 도시하는 도면이다.
엔진(1)은, 엔진 제어부(19)의 연료 분사량 지령 F_eng를 기초로 하여 축 토크를 출력한다. 발전기(2)는 엔진(1)의 축 토크를 입력으로 하고, 이것을 3상 교 류 전력으로 변환하여 출력한다. 컨버터 장치(3)는 발전기(2)로부터 출력되는 3상 교류 전력을 입력으로 하고, 이것을 직류 전력으로 변환하여 출력한다. 여기서, 컨버터 장치(3)는 시스템 통괄 제어부(9)로부터의 지령 Sc를 기초로 한 직류 전압이 되도록, PWM 제어기(벡터 제어 연산부)(20)가 출력하는 게이트 신호 Vp를 통해 전압 제어한다.
시스템 통괄 제어부(9)는 축전 장치(8)의 내부 상태 신호 Sp1을 입력으로 하고, 엔진 제어 장치(19)에 운전 지령 Se, 정전력 제어기(전류 지령 발생기)(21)에 운전 지령 Sc, 도시되어 있지 않은 인버터 장치(4)에 운전 지령 Si, 도시되어 있지 않은 차단기(12a, 12b, 12c, 12d)에 동작 지령 Sb, 축전 장치(8) 내에 배치하는 충방전 제어 장치로의 동작 지령 Sp2를 출력하고, 축전 장치(8)의 축전량을 일정 범위 내로 하도록 이들 기기의 종합적인 동작 상태를 제어한다.
속도 센서(13a)는 발전기(2)의 회전 속도를 검출하고, 속도 연산기(14a)에 있어서 발전기 로터 주파수 Fr_cnv로 변환한다.
필터 콘덴서(15)는 컨버터 장치(3)에서 변환된 직류 전력에 대해, 특히 고주파수에서 변동하는 전압 성분을 평활화하고, 직류부의 전압을 안정시킨다. 전류 센서(16)는 컨버터 장치(3)로부터 필터 콘덴서(15)를 통해 직류부로 유입, 혹은 직류부로부터 유출되는 전류를 검출한다.
저항기(17)는 직류부로 유입, 혹은 직류부로부터 유출되는 전류를 분류(分流)하고, 전압 센서(18)는, 저항기(17)의 양단부 전압은 저항기(17)를 흐르는 전류값에 비례하는 원리에 의해, 직류부의 전위차를 검출한다.
엔진 제어 장치(19)는 시스템 통괄 제어부(9)로부터의 동작 지령 Se와, 속도 연산부(14b)로부터의 회전 속도 신호 Fr_gen을 입력하고, 엔진(1)의 출력을 조정하는 연료 분사량 지령 F_eng를 출력한다.
정전력 제어기(21)는 시스템 통괄 제어부(9)로부터의 동작 지령 Sc와, 속도 연산부(14a)로부터의 회전 속도 신호 F_cnv와, 전류 센서(16)로부터의 직류부 전류 검출값 Icnv, 전압 센서(18)로부터의 직류부 전압 검출값 Vcnv를 입력으로 하고, 후술하는 PWM 제어기(20)의 전압 제어량을 결정하는 전압 지령 Vc_cnv를 출력한다.
PWM 제어기(20)는 정전압 제어기(21)로부터의 전압 지령 Vc_cnv와, 속도 연산부(14b)로부터의 Fr_cnv를 입력으로 하고, 컨버터 장치(3)를 구성하는 도시되어 있지 않은 스위칭 소자의 온/오프에 의해 PWM 제어를 구동하기 위한 스위칭 소자 게이트 신호 Vp를 출력한다.
이 구성에 의해, 이하의 동작을 실현할 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에 있어서의 철도 차량의 구동 장치는, 시스템 통괄 제어부(9)를 구비하고, 속도 센서(13a) 및 속도 연산부(14a)에 의해 얻어지는 속도 정보와, 도시되어 있지 않은 속도 센서(13b) 및 속도 연산부(14b)에 의해 얻어지는 속도 정보와, 축전 장치(8)로부터 얻어지는 내부 상태 신호를 기초로 하여, 엔진(1), 컨버터 장치(3)를 단독, 또는 종합적으로 제어하는 것을 가능하게 하고 있다.
이 구성에 따르면, 시스템 통괄 제어부(9)는 속도 센서(13a) 및 속도 연산부(14a)에 의해 얻어지는 발전기(2)의 회전 속도 Fr_cnv와, 도시되어 있지 않은 속 도 센서(13b) 및 속도 연산부(14b)에 의해 얻어지는 전동기(5)의 회전 속도 Fr_inv와, 축전 장치(8)로부터 얻어지는 내부 상태 신호 Sp1을 기초로 하여, 엔진(1)의 발전 전력의 필요 여부를 판정하여, 엔진(1)으로의 운전 지령 Se, 컨버터 장치(3)로의 운전 지령 Sc에 의해 발전 상태를 제어하고, 또한 엔진(1)의 발전 전력이 불필요한 경우는, 엔진 정지의 가부를 판정하여, 엔진(1)으로의 운전 지령 Se에 의해 엔진을 정지시키는 지령을 부여할 수 있다. 즉, 아이들 정지 제어를 실현할 수 있어, 연료 소비량의 저감과, 엔진 동작음의 저감을 도모할 수 있다.
<제3 실시예>
도 3은 본 발명의 제3 실시예의 아이들 정지 제어의 제어 조건의 일례를 도시하는 모식도이다.
여기서는, 아이들 정지 제어 조건의 일례로서,「① 제어 맵」과「② 제어 매트릭스」로 조건을 정하는 방식에 대해 설명한다.
「① 제어 맵」은, 횡축(X축)을 차량의 주행 속도 Vcar, 종축(Y축)을 전술한 축전 장치(8)의 축전량 SOC로 한 평면이다. 이 양자의 관계로부터 축전 장치(8)의 축전 상태의 양부를 판단한다. 여기서, 도면 중의 궤적 K는, 차량이 정지 상태로부터 속도 70㎞/h까지 가속[역행(力行)]하고, 타행(惰行)한 후에, 정차까지 감속(제동)한 경우에 있어서의, 일반적인 차량 속도 Vcar과 축전량 SOC의 관계를 나타내고 있다. 이 궤적(K)은,
(a) 가속시 : 축전 장치(8)의 축전 에너지가 차량의 운동 에너지로 변환되므로, 차량 속도 Vcar이 증가함에 따라서, 축전 장치(8)의 축전량 SOC는 서서히 감소 한다.
(b) 타행시 : 주행 저항에 의해 차량 속도 Vcar은 서서히 감소하지만, 엔진 발전 전력에 의해 축전량 SOC는 서서히 증가한다.
(c) 감속시 : 차량의 운동 에너지가 축전 장치(8)의 축전 에너지로 변환되므로, 차량 속도 Vcar이 감소함에 따라서, 축전 장치(8)의 축전량 SOC은 서서히 증가한다. (회생 브레이크)라고 하는 상태를 나타내고 있다.
또한, 역행시에 운동 에너지로 변환되는 축전 장치(8)의 축전 에너지와, 제동시에 운동 에너지로부터 변환되는 축전 장치(8)의 축전 에너지는, 통상은 동등해지지 않는다. 이것은, 차량의 주행시에는 구배 저항, 곡선 저항, 차량 저항(기계 저항, 공기 저항)에 의한 차량 저항에 의한 에너지 손실, 혹은 기기의 동작에 의한 에너지 손실이 반드시 존재하기 때문이다. 본 발명의 제3 실시예에 있어서의 철도 차량의 구동 장치에서는, 이들 에너지 손실을 엔진 발전 전력으로 보상함으로써 계속적으로 차량을 주행할 수 있다. 그 원리를 이하에 나타낸다.
궤적 K의 하측에 위치하고 있는 곡선 L은, 전술한 손실이 없거나, 혹은 적은 경우에 차량이 가속하였을 때에 축전 장치(8)의 축전 에너지가 차량의 운동 에너지로 변환되는 모습을 나타내고 있다. 마찬가지로, 궤적 K의 상측에 위치하고 있는 곡선 M은, 전술한 손실이 없거나, 혹은 적은 경우에 차량이 감속하였을 때에 차량의 운동 에너지가 축전 장치(8)의 축전 에너지로 변환되는 모습을 나타내고 있다. 또한, 직선 N은 축전 장치(8)의 방전 한계(SOC_min)를 나타내고, 직선 O는 축전 장치(8)의 충전 한계(SOC_max)를 나타내고 있다.
이들 곡선 L, 곡선 M, 직선 N, 직선 O로 구획된, 영역 A, 영역 B, 영역 C, 영역 D를 마련한다. 여기서, 영역 A, 영역 B는 곡선 L, 곡선 M으로 둘러싸인 영역이며, 이상적인 축전량 범위이다. 본 발명의 제3 실시예에 있어서의 철도 차량의 구동 장치에서는, 그 시점의 차량 속도 Vcar과, 축전 장치(8)의 축전량 SOC의 관계가 어느 영역에 해당되는지를 판단하고, 동시에 차량의 운전 상태를 반영하여 엔진 운전 상태를 절환함으로써, 에너지 손실의 대소에 관계없이 축전 장치(8)의 축전량 SOC를 이상적인 영역 A, 영역 B의 축전 상태에 들어가도록 제어한다.
그런데, 상기와 같이 축전 장치(8)의 축전량 SOC를 제어하는 경우, 엔진에 의한 발전이 불필요한 상태가 반드시 존재한다. 이것은, 주로 비교적 축전량이 높게 추이되어 있는 상황이며, ① 제어 맵에 있어서의 영역 D에 해당된다. 단, 축전량 SOC가 영역 D 내에 있어도, 운전 상태가 역행인 경우는 엔진에 의한 발전 어시스트가 필요하다. 또한, 감속(제동)시에는 에너지 절약의 관점에서 회생 에너지를 최대한 충전하기 위해 엔진에 의한 발전은 중지한다. 또한, 정지시에 있어서 비교적 축전량 SOC가 높은(영역 A) 경우는, 축전 장치(8)의 축전 에너지만으로 차량의 보조 기계류(서비스 기기)에 전력을 공급하는 것만으로 좋으므로, 엔진에 의한 발전은 필요 없다.
이와 같이, 엔진에 의한 발전이 불필요한 경우, 엔진을 아이들 운전으로 해 두는 것이 일반적이다. 그러나 본 발명에 있어서의 철도 차량의 구동 장치는, 엔진과 구동계(차륜)가 기계적으로 접속되어 있지 않은 시리즈 하이브리드 방식이므로, 가령 주행 중이라도 엔진에 의한 발전이 불필요할 때에는, 엔진의 운전을 정 지(아이들 정지)할 수 있다.
「② 제어 매트릭스」는 차량의 운전 지령 NTC[(1) 정차, (2) 타행, (3) 역행(가속), (4) 제동(감속), (5) 정속 운전, (6) 억속 운전]와, ① 제어 맵의 영역(영역 A, 영역 B, 영역 C, 영역 D)에 대해, 아이들 정지할 수 있는 상태를 나타내는 제어 조건의 일례이다. 이 제어 매트릭스에 있어서, 아이들 정지할 수 있는 상태를「○」, 아이들 정지할 수 없는 상태를「×」, 설정이 없는(차량의 운전 상태와 ① 제어 맵의 조합이 존재하지 않는) 상태를「?」로 나타내고 있다.
축전 장치(8)의 축전량에 가장 여유가 있는 영역 D에서는,「(2) 타행, (4) 제동」시에 아이들 정지한다. 또한,「(3) 역행(가속)」시와, 가속 모드가 있는 「(5) 정속 운전」시에는 엔진의 발전 운전이 필요하므로 아이들 정지할 수 없다. 또한,「(6) 억속 운전」시에는 엔진은 부하 운전(엔진 브레이크) 동작이 된다.
또한, 정차를 포함하는 저속 운전 상태인 영역 A에서는,「(1) 정차, (2) 타행, (4) 제동(감속)」시에 아이들 정지한다. 「(3) 역행(가속)」시에는 엔진의 발전 운전이 필요하므로 아이들 정지할 수 없다.
한편, 축전 장치(8)의 축전량 SOC를 일정량 확보하고 있는 영역 B에서는, 「(4) 제동, (6) 억속 운전」시에 아이들 정지한다. 「(2) 타행시, (3) 역행(가속)」시에는 엔진의 발전 운전이 필요하므로 아이들 정지할 수 없다.
이상의 엔진에 의한 발전이 불필요할 때에 엔진을 정지하는 아이들 정지를 실현한다.
이 제어 방식에 따르면, 시스템 통괄 제어부(9)는 발전기(2)의 회전 속도 Fr_cnv와, 운전대로부터의 운전 지령 NTC와, 축전 장치(8)로부터 얻어지는 축전량 SOC를 기초로,「① 제어 맵」과「② 제어 매트릭스」를 참조하여, 엔진(1)의 발전 전력의 필요 여부를 판정하여 엔진(1)의 발전 전력이 불필요한 경우는, 엔진 정지의 가부를 판정하여 엔진(1)을 정지시키는 지령을 부여할 수 있다. 즉, 아이들 정지 제어를 실현할 수 있어, 연료 소비량의 저감과, 엔진 동작음의 저감을 도모할 수 있다.
<제4 실시예>
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 있어서의 역행 전력 제어를 실현하는 제어 블록도이다.
시스템 통괄 제어부(9)는, 에너지 관리 제어부(23)와, 엔진 발전 출력 제어부(24)에 의해 구성된다.
에너지 관리 제어부(23)는 속도 검출기(14b)에서 연산된 전동기 로터 주파수 Fr_inv, 도시되어 있지 않은 축전 장치(8)에서 연산되는 축전량 SOC, 도시되어 있지 않은 운전대로부터의 운전 지령을 기초로 하여, 그 시점에서 엔진 발전의 유무를 판정하고, 엔진 발전 중단 신호 No_gen을 출력한다.
또한, 에너지 관리 제어부(23)는 속도 검출기(14b)에서 연산된 전동기 로터 주파수 Fr_inv, 도시되어 있지 않은 축전 장치(8)에서 연산되는 축전량 SOC의 정보를 기초로 하여, 그 시점에서 필요한 발전 전력 P_gen을 산출하여, 엔진 발전 출력 지령부(24)에 입력하지만, 본 도면이 도시하는 역행 전력 제어에는 사용하지 않는 신호이므로 설명은 생략한다.
여기서, 역행 전력 제어는 인버터 장치(4)에 있어서 실현하는 기능이며, 여자 전류 지령 생성부(25), 토크 전류 지령 생성부(26), 토크 전류 리미트값 생성부(27), 저위(低位) 선택기(28), 선택기(29), 변화율 리미터(30)에 의해 그 기능을 실현한다.
여자 전류 지령 생성부(25)는, 속도 검출기(14b)에서 연산된 전동기 로터 주파수 Fr_inv와, 도시되어 있지 않은 운전대로부터의 운전 지령 NTC를 입력으로 하고, 전동기 로터 주파수 Fr_inv에 대한 여자 전류 지령 특성 곡선을 참조하여, 여자 전류 지령 Idp_inv를 출력한다.
토크 전류 지령 생성부(26)는, 속도 검출기(14b)에서 연산된 전동기 로터 주파수 Fr_inv와, 도시되어 있지 않은 운전대로부터의 운전 지령 NTC를 입력으로 하고, 전동기 로터 주파수 Fr_inv에 대한 토크 전류 지령 특성 곡선을 참조하여, 토크 전류 지령 Iqp_inv를 출력한다.
여기서, 여자 전류 지령 생성부(25), 토크 전류 지령 생성부(26)는 벡터 제어에 의해 구동 제어하는 인버터 장치가 일반적으로 구비하고 있는 기능이며, 인버터 장치에 의해 구동되는 전동기의 출력 토크는, 토크 전류 지령 생성부(26)가 출력하는 토크 전류 지령 Iqp_inv에 비례하도록 추종 제어하는 것이다. 또한, 여자 전류 지령 생성부(25), 토크 전류 지령 생성부(26)의 도시에 있어서, 로터 주파수 Fr에 대한 특성 곡선은 각각 1종류를 대표하여 도시하고 있다. 여자 전류 지령 생성부(25), 토크 전류 지령 생성부(26)의 로터 주파수 Fr에 대한 특성 곡선은 복수 구비하는 것을 상정하고 있고, 그 선택은 운전 지령 NTC에 의해 행한다.
토크 전류 리미트값 생성부(27)는, 속도 검출기(14b)에서 연산된 전동기 로터 주파수 Fr_inv를 입력으로 하고, 전동기 로터 주파수 Fr_inv에 대한 토크 전류 리미트값 특성 곡선을 참조하여, 토크 전류 리미트값 Lmt_iqp를 출력한다.
여기서, 토크 전류 리미트값 생성부(27)에 있어서의 토크 전류 리미트값 특성 곡선이라 함은, 도시되어 있지 않은 축전 장치(8)의 최대 출력 성능 P_btr[W]에 따라서 결정한다. 이하에, 도시되어 있지 않은 전동기(5)를 3상 유도 전동기로 한 경우의, 토크 전류 리미트값 Lmt_iqp의 산출 방법의 일례를 나타낸다.
토크 전류 리미트값 Lmt_iqp[A]는, 도시되어 있지 않은 인버터 장치(4)의 기기 손실ξ_inv, 도시되어 있지 않은 전동기(5)의 기기 손실ξ_mtr, 극로그 Pole, 여자 인덕턴스 L, 도시되어 있지 않은 감속기(6)의 기기 효율ξ_gear 및 속도 검출기(14b)에서 연산된 전동기 로터 주파수 Fr_inv[Hz]를 이용하여 다음 식으로 나타내어진다.
Figure 112009011217151-pct00001
저위 선택기(28)는, 토크 전류 지령 생성부(26)가 출력하는 토크 전류 지령 Iqp_inv와, 토크 전류 리미트값 생성부(27)가 출력하는 토크 전류 리미트값 Lmt_iqp 중, 작은 값을 선택하여 제한 토크 전류 지령 Iqp_inv_lmt를 출력한다.
선택기(29a)는 토크 전류 지령 생성부(26)가 출력하는 토크 전류 지령 Iqp_inv와, 저위 선택기(28)가 출력하는 제한 토크 전류 지령 Iqp_inv_lmt와, 에너 지 관리 제어부(23)가 출력하는 엔진 발전 중단 신호 No_gen을 입력으로 하고, 엔진 발전 중단 신호 No_gen이「0(Low)」일 때에는 토크 전류 지령 Iqp_inv를 선택하고, 엔진 발전 중단 신호 No_gen이「1(High)」일 때에는 제한 토크 전류 지령 Iqp_inv_lmt를 선택하고, 그 결과로서 토크 전류 지령 Iqp_inv_0을 출력한다.
선택기(29b)는 여자 전류 지령 생성부(25)가 출력하는 여자 전류 지령 Idp_inv와, 운전 지령 NTC를 입력으로 하고, 운전 지령 NTC가「역행」지령 이외일 때에는 0 출력을 선택하고, 운전 지령 NTC가「역행」지령일 때에는 여자 전류 지령 Idp_inv를 선택하고, 그 결과로서 여자 전류 지령 Idp_inv_a를 출력한다.
선택기(29c)는 선택기(29a)가 출력하는 토크 전류 지령 Iqp_inv_0과, 운전 지령 NTC를 입력으로 하고, 운전 지령 NTC가「역행」지령 이외일 때에는 0 출력을 선택하고, 운전 지령 NTC가「역행」지령일 때에는 토크 전류 지령 Iqp_inv_0을 선택하고, 그 결과로서 토크 전류 지령 Iqp_inv_a로서 출력한다.
변화율 리미터(30a)는, 선택기(29b)가 출력하는 여자 전류 지령 Idp_inv_a를 입력으로 하고, 여자 전류 지령 Idp_inv_a의 시간당의 변화율을 제한하여, PWM 제어부(20)에 입력하는 최종적인 여자 전류 지령인 Idp0_inv를 출력한다.
변화율 리미터(30b)는, 선택기(29c)가 출력하는 토크 전류 지령 Iqp_inv_a를 입력으로 하고, 토크 전류 지령 Iqp_inv_a의 시간당의 변화율을 제한하여, PWM 제어부(20)에 입력하는 최종적인 토크 전류 지령인 Iqp0_inv를 출력한다.
이 구성에 의해, 이하의 동작을 실현할 수 있다.
시스템 통괄 제어부(9)를 구비하고, 속도 센서(13b) 및 속도 연산부(14b)에 의해 얻어지는 속도 정보와, 축전 장치(8)로부터 얻어지는 내부 상태 신호를 기초로 하여, 인버터 장치(4)를 제어하는 것을 가능하게 하고 있다.
이 구성에 따르면, 아이들 정지 제어에 의해 엔진(1)에 의한 발전 전력을 얻을 수 없는 동안, 시스템 통괄 제어부(9)는 속도 센서(13b) 및 속도 연산부(14b)에 의해 얻어지는 전동기(5)의 회전 속도 Fr_inv와, 축전 장치(8)로부터 얻어지는 축전량 SOC를 기초로 하여 인버터 장치(4)로의 토크 전류 지령 Iqp0_inv를 출력하고, 인버터 장치(4)에 의해 구동되는 전동기(5)의 출력을 축전 장치(9)의 최대 출력 한계에 따라서 제한하는 제어를 가능하게 한다. 즉, 아이들 정지에 의해 엔진(1)의 발전 전력을 얻을 수 없는 동안은, 축전 장치(8)의 방전 전력만으로 안정된 가속을 실현할 수 있다.
<제5 실시예>
도 5는 본 발명의 제5 실시예에 있어서의 역행 전력 제어의 동작의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 5에 있어서, 도 5의 (a)는 아이들 정지시에 역행 전력을 제한할 필요가 없는 경우의, 차량 속도에 대한 엔진(1)과 축전 장치(8)가 부담하는 역행 전력의 비율을 모식적으로 나타낸 도면이다. 한편, 도 5의 (b)는 아이들 정지시에 역행 전력을 제한하는 경우의, 차량 속도에 대한 엔진(1)과 축전 장치(8)가 부담하는 역행 전력의 비율을 모식적으로 나타낸 도면이다. 횡축(X축)은 차량 속도 V, 종축(Y축)은 엔진(1), 또는 축전 장치(8)에 의해 부담하는 역행 전력을 나타내고 있다.
도 5의 (a)에 있어서, 속도 V0으로부터 속도 V1까지는 엔진(1)에 의한 발전 을 행하지 않는 아이들 정지 상태이다. 이때, 역행 전력 전부를 축전 장치(8)의 방전 전력 P_bat_1이 부담하고 있다. 차량 속도가 V1이 된 시점에서, 엔진(1)에 의한 발전을 개시함으로써, 일단, 역행 전력 전부를 엔진(1)에 의한 발전 전력 P_eng_1에 의해 부담한다. 이때, 속도 V1에 있어서, 축전 장치(8)의 방전 전력 P_bat_1과, 엔진(1)에 의한 발전 전력 P_eng_1이 동등하므로, 속도 V1까지의 속도 영역에서는, 필요한 역행 전력을 축전 장치(8)에서만 부담하고 있다. 차량 속도 V1로부터 V2까지는, 엔진(1)에 의한 발전 전력 P_eng_1을, 축전 장치(8)의 방전 전력 P_bat_2로 보충하여 필요한 역행 전력을 얻는다. 차량 속도가 속도 V2보다도 높은 속도 영역에서는, 필요한 역행 전력에 대해 엔진(1)에 의한 발전 전력 P_eng_1은 과잉이므로, 그 차분이 축전 장치(8)에 충전 전력 P_bat_3으로서 축전된다.
이와 같이, 도 5의 (a)는 아이들 정지하는 속도 V0으로부터 속도 V1의 속도 영역에서 필요한 역행 전력을, 축전 장치(8)에서만 부담할 수 있는 경우를 나타내고 있다. 이에 대해, 도 5의 (b)는 축전 장치(8)의 출력 성능이 충분히 얻어지지 않는 상황에 있어서, 역행을 행한 경우의 상황을 나타내고 있다. 여기서, 축전 장치(8)의 출력 성능이 충분히 얻어지지 않는 경우로서는, 축전 장치(8) 자체의 출력 성능이 작은 경우 외에, 한랭지에 있어서 축전 장치(8)의 보온이 충분하지 않기 때문에 충방전 특성이 저하되어 있는 상황, 축전량이 적기 때문에 방전 특성이 저하되어 있는 상황이 고려된다.
도 5의 (b)에 있어서, 속도 V0으로부터 속도 V1까지는, 엔진(1)에 의한 발전 을 행하지 않는 아이들 정지 상태이다. 이때, 속도 V0으로부터 V1'까지는, 역행 전력 전부를 축전 장치(8)의 방전 전력 P_bat_1이 부담하고 있다. 그러나 이 속도 V0에 있어서의 축전 장치(8)의 방전 전력 P_bat_1은, 축전 장치(8)의 방전 성능의 최대 한계이므로, P_bat_1보다도 큰 방전은 할 수 없다. 이로 인해, 속도 V1'로부터 V1까지는, 역행 전력은 P_bat_1로 제한되어, 필요한 역행 전력 전부를 부담할 수는 없다. 이때, 축전 장치(8)로부터 P_bat_1보다도 큰 전력을 방전하고자 한 경우, 축전 장치(8)에 있어서의 방전 성능의 최대 한계를 초과하면, 축전 장치(8)의 출력 전압이 저하된다. 축전 장치(8)의 출력 전압이 극단적으로 저하되었을 때에는, 일반적으로 축전 장치(8)를 보호하기 위해 방전을 금지하는 보호 기능을 마련하므로, 차량의 역행을 계속할 수 없게 된다. 본 발명에서는, 이와 같이 엔진(1)에 의한 발전을 행하지 않는 상황에서, 축전 장치(8)에 있어서의 방전 성능의 최대 한계를 초과하는 일이 없도록, 인버터 장치(4)의 역행 전력을, 축전 장치(8)의 방전 전력을 최대 한계보다도 작게 억제함으로써 안정된 역행 동작을 계속할 수 있다.
그 후, 차량 속도가 V1이 된 시점에서, 엔진(1)에 의한 발전을 개시함으로써, 일단, 역행 전력 전부를 엔진(1)에 의한 발전 전력 P_eng_1에 의해 부담한다. 엔진(1)에 의한 발전을 개시한 후에는, 엔진(1)의 발전 전력 P_emg_1과, 축전 장치(8)의 방전 전력 P_bat_2에 의해 필요한 역행 전력을 얻을 수 있으므로, 인버터 장치(4)의 역행 전력을, 축전 장치(8)의 방전 전력을 최대 한계보다도 작게 억제할 필요는 없다. 차량 속도 V1로부터 V2까지는, 엔진(1)에 의한 발전 전력 P_eng_1 을, 축전 장치(8)의 방전 전력 P_bat_2에서 보충하여, 필요한 역행 전력을 얻는다. 차량 속도가 속도 V2보다도 높은 속도 영역에서는, 필요한 역행 전력에 대해 엔진(1)에 의한 발전 전력 P_eng_1은 과잉이므로, 그 차분이 축전 장치(8)에 충전 전력 P_bat_3으로서 축전된다.
이 제어 방식에 의해, 아이들 정지 제어에 의해 엔진(1)에 의한 발전 전력을 얻을 수 없는 동안, 인버터 장치(4)에 의해 구동되는 전동기(5)의 출력을 축전 장치(9)의 최대 출력 한계에 따라서 제한하도록 제어할 수 있다. 즉, 아이들 정지에 의해 엔진(1)의 발전 전력을 얻을 수 없는 동안은, 축전 장치(8)의 방전 전력만으로 안정된 가속을 실현할 수 있다.
<제6 실시예>
도 6은 본 발명의 제6 실시예에 있어서의 엔진 기동 정지 제어를 실현하는 제어 블록도이다.
시스템 통괄 제어부(9)는, 에너지 관리 제어부(23)와 엔진 발전 제어부(24)에 의해 구성된다.
에너지 관리 제어부(23)는, 속도 검출기(14a)에서 계산된 발전기 로터 주파수 Fr_cnv, 도시되어 있지 않은 축전 장치(8)에서 연산되는 축전량 SOC의 정보를 기초로 하여, 그 시점에서 필요한 발전 전력 P_gen을 산출한다.
엔진 발전 출력 지령부(24)는, 에너지 관리 제어부(23)에서 연산된 발전 전력에 대해, 미리 설정해 두는 엔진 노치에 적합한 노치단을 선택한다.
엔진 제어 장치(19)는, 엔진 출력 특성 패턴 발생기(31), 엔진 출력 특성 선 택부(32), 엔진 출력 제어부(33)로 구성된다.
엔진 출력 특성 패턴 발생기(31)는, 발전기 로터 주파수(엔진 회전 속도) Fr_cnv를 입력으로 하고, 그에 대응하는 출력값을 대응시켜 출력한다.
엔진 출력 특성 패턴 발생기(31)는, 필요한 출력 패턴수에 따라서 미리 복수 준비한다. 여기서는, 본 발명의 제6 실시예에 있어서의 철도 차량의 구동 장치의 예로서, 특히 엔진 기동 정지 제어에 관한 설명을 간편하게 행하기 위해, 엔진의 아이들 운전을 실현하는 엔진 출력 특성 패턴(31a)과, 엔진을 정지 상태로 하는 엔진 출력 특성 패턴(31b)의 2종류의 패턴만을 발췌하여 나타내고 있다.
엔진 출력 특성 패턴(31a)은, 아이들 운전을 실현하는 엔진 출력 패턴이고, 아이들링 회전 속도로 엔진 출력이 엔진의 기계 저항과 균형이 잡히는 목표점을 설정하고, 엔진의 회전 속도가 목표 회전 속도보다도 커지면 엔진 출력이 감소하고, 엔진의 회전 속도가 목표 회전 속도보다도 작으면 엔진 출력이 증가하는 엔진 출력 특성으로 한다.
엔진 출력 특성 패턴(31b)은, 엔진을 정지 상태로 하는 엔진 출력 특성 패턴이고, 엔진의 회전 속도에 상관없이 엔진 출력은 0으로 한다. 이 엔진 특성 패턴을 선택한 경우는, 후술하는 엔진 출력 제어부의 출력인 연료 분사량 F_eng는 0이 된다.
엔진 출력 특성 선택부(32)는, 엔진 발전 출력 지령부(24)가 출력하는 엔진 발전 지령 Se에 따라서, 엔진 출력 특성(31)에 있어서의, 엔진 출력 지령 패턴(31a, 31b)을 선택하여 출력한다. 여기서, 엔진 출력 특성에 있어서의 엔진 출 력 패턴(31a, 31b)은, 본 발명에 있어서의 철도 차량의 구동 장치의 일 실시 형태로서, 특히 엔진 기동 정지 제어에 관한 설명을 간편하게 행하기 위해 2종류의 패턴만을 발췌하여 나타내고 있는 것이며, 엔진 출력 특성(25)에 있어서의 엔진 출력 패턴의 수를 제한하는 것은 아니다.
이 구성에 의해, 이하의 동작을 실현할 수 있다.
시스템 통괄 제어부(9)를 구비하고, 속도 센서(13a) 및 속도 연산부(14a)에 의해 얻어지는 속도 정보와, 축전 장치(8)로부터 얻어지는 내부 상태 신호를 기초로 하여, 엔진(1), 컨버터 장치(3)를 단독 또는 종합적으로 제어하는 것을 가능하게 하고 있다.
이 구성에 따르면, 시스템 통괄 제어부(9)는 속도 센서(13a) 및 속도 연산부(14a)에 의해 얻어지는 발전기(2)의 회전 속도 Fr_cnv와, 축전 장치(9)로부터 얻어지는 축전량 SOC를 기초로 하여, 엔진의 기동, 정지의 필요 여부를 판정하여 컨버터 장치(3)에 토크 전류 지령값 Iqp0_cnv를 출력하고, 엔진의 기동, 정지를 발전기(2)의 토크에 의해 제어한다. 즉, 엔진(1)의 기동과 정지를 발전기(2)의 토크에 의해 신속하게 제어함으로써, 아이들 정지 제어시의 엔진 발전 개시 시간을 단축하고, 축전 장치(8)의 방전 전력만으로 가속하는 시간을 단축하고, 차량의 가속 성능의 저하를 최소한으로 할 수 있다.
<제7 실시예>
도 7은 본 발명의 제7 실시예에 있어서의 엔진 기동 정지 제어의 제어 방식의 일례를 나타내는 모식도이다.
여기서, 도 7은 엔진 기동 정지 제어에 있어서의, 각 위치 제어 신호의 움직임과, 엔진 회전 속도의 관계를 나타내는 타임 차트이다.
엔진 동작 플래그 Flg_eng_opr은, 시스템 통괄 제어부(9)가 엔진 제어 장치(19)에 부여하는 엔진 운전 지령 신호이며, 이 신호가「1(High)」일 때, 엔진(1)은 적어도 아이들 운전한다.
엔진 자립 플래그 Flg_eng_rev는, 엔진(1)이 엔진 제어 장치(19)에서 제어할 수 있는 회전 속도 영역에 도달한 것을 나타내는 신호이며, 엔진(1)의 회전 속도가 일정값 이상일 때에「1(High)」이 된다.
엔진 확립 플래그 Flg_eng_up는, 엔진(1)의 아이들 운전이 확립된 것을 나타내는 신호이며, 엔진(1)의 회전 속도가, 아이들 속도를 일정 시간 계속한 것을 판정하여「1(High)」이 된다.
엔진 제어 플래그 Flg_eng_ctr은, 엔진 기동 제어, 정지 제어를 동작시키는 지령 신호이다. 도 7에서는 Flg_eng_ctr이 고위(高位)일 때 기동 제어, 저위일 때 정지 제어를 나타내는 것으로서 구별하고 있다.
컨버터 여자 전류 지령 Idp_cnv는, 엔진으로의 구동 제어를 행하기 위한 컨버터의 여자 전류 지령값의 움직임을 나타내고 있다.
컨버터 토크 전류 지령 Iqp_cnv는, 엔진(1)으로의 구동 제어를 행하기 위한 컨버터의 토크 전류 지령값의 움직임을 나타내고 있다.
엔진 회전 속도(발전기 로터 주파수) Fr_cnv는, 엔진(1)에 대해 엔진 기동 제어, 정지 제어를 행한 경우에 있어서의 엔진(1)의 회전 속도의 움직임을 나타내 고 있다.
이하에 엔진 기동 제어 및 정지 제어의 동작에 대해 시간을 따라 설명한다.
(엔진 기동 제어)
시간 t0에 있어서, 엔진(1)은 정지 상태이고, 각 지령 신호는 모두 0이다.
시간 t1에 있어서, 엔진 동작 플래그 Flg_eng_opr이「1(High)」이 된다. 동시에 엔진 제어 플래그 Flg_eng_ctr을「1(High)[고위]」로 하고, 엔진 기동 제어를 개시한다. 우선, 컨버터 여자 전류 지령 Idp_cnv를 상승시켜, 엔진(1)의 구동 토크 제어를 준비한다.
시간 t2에 있어서, 컨버터 토크 전류 지령 Iqp_cnv를 상승시킨다. 이에 의해, 엔진(1)의 회전 속도를 가속시킨다.
시간 t3에 있어서, 엔진 회전 속도 Fr_cnv는 속도 Fr_1에 도달한다. 엔진(1)의 회전 속도가 Fr_1 이상일 때 엔진 제어 장치(19)에서 제어할 수 있으므로, 엔진 자립 플래그 Flg_eng_rev를「1(High)」로 한다. 또한, 컨버터 토크 전류 지령 Iqp_cnv는, 속도 Fr_1 이상에서 서서히 줄어들고, 회전 속도 Fr_cnv가 아이들 회전 속도 Fr_a에 수렴되도록 제어한다.
시간 t4에 있어서, 엔진(1)의 회전 속도가 아이들 회전 속도 Fr_a를 일정 기간 유지한 것을 확인하고, 엔진 확립 플래그 Flg_eng_up를「1(High)」로 하는 동시에, 엔진 제어 플래그를「0(Low)」으로 복귀시킨다. 이에 의해, 컨버터 여자 전류 지령 Idp_cnv를 0으로 낮추고, 엔진 기동 제어를 완료한다.
(엔진 정지 제어)
시간 t5에 있어서, 엔진 동작 플래그 Flg_eng_opr이「0(Low)」이 된다. 동시에 엔진 제어 플래그 Flg_eng_ctr을「1(High)[저위]」로 하여, 엔진 정지 제어를 개시한다. 우선, 컨버터 여자 전류 지령 Idp_cnv를 상승시키고, 엔진(1)의 구동 토크 제어를 준비한다.
시간 t6에 있어서, 컨버터 토크 전류 지령 Iqp_cnv를 상승시킨다. 이때, 엔진(1)의 회전을 감속시키는 것으로부터, 컨버터 토크 전류 지령 Iqp_cnv는 제동 토크를 발생하도록 설정한다. 도 7에 있어서는, 기동 제어시의 컨버터 토크 전류 지령 Iqp_cnv를 플러스값으로 하고, 정지 제어시에는 이것을 마이너스값으로 하여 엔진(1)의 회전 속도를 감속시킨다.
시간 t7에 있어서, 엔진 회전 속도 Fr_cnv는 속도 Fr_0에 도달한다. 이 시점에서, 엔진 확립 플래그 Flg_eng_up를「0(Low)」으로 한다. 또한, 컨버터 토크 전류 지령 Iqp_cnv는 속도 Fr_0 이하에서 줄어들고, 엔진(1)이 속도 0에서 정지 상태로 하기 위한 준비를 행한다.
시간 t8에 있어서, 엔진 회전 속도 Fr_cnv는 속도 Fr_s에 도달한다. 이 시점에서, 엔진 자립 플래그 Flg_eng_rev를「0(Low)」로 한다. 속도 Fr_s는 속도 연산부(14a)에서 판별할 수 있는 엔진 회전 속도 Fr_cnv의 최저값이며, 이 속도 이하에서는 발전기(5)의 토크 제어를 할 수 없게 된다. 이로 인해, 엔진 회전 속도 Fr_cnv는 속도 Fr_s에 도달한 시점에서, 컨버터 토크 전류 지령 Iqp_cnv를 차단한다.
또한, 시간 t8에서 컨버터 토크 전류 지령 Iqp_cnv를 차단한 경우, 엔진 회 전 속도 Fr_cnv는 매우 0에 가까운 속도이기는 하지만, 완전히 정지되어 있지는 않다. 즉, 본 제어는 엔진의 최종적인 정지를 엔진의 회전 저항으로 행하는 것을 상정하고 있다. 이것은, 엔진(1)의 회전축이 역회전할 때까지 엔진 정지 제어가 계속되는 것을 방지하는 것이 목적이다.
이 구성에 따르면, 시스템 통괄 제어부(9)는 속도 센서(13a) 및 속도 연산부(14a)에 의해 얻어지는 발전기(2)의 회전 속도 Fr_cnv와, 축전 장치(8)로부터 얻어지는 축전량 SOC를 기초로 하여, 엔진의 기동, 정지의 필요 여부를 판정하여 컨버터 장치(3)에 토크 전류 지령 Iqp_cnv를 출력하고, 엔진의 기동, 정지를 발전기(2)의 토크에 의해 제어한다. 즉, 엔진(1)의 기동과 정지를 발전기(2)의 토크에 의해 신속하게 제어함으로써, 아이들 정지 제어시의 엔진 발전 개시 시간을 단축하고, 축전 장치(8)의 방전 전력만으로 가속하는 시간을 단축하고, 차량의 가속 성능의 저하를 최소한으로 할 수 있다.
<제8 실시예>
도 8은 본 발명의 일 실시 형태에 있어서의 엔진 기동 정지 제어의 동작의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 8에 있어서, 도 8의 (a)는 엔진(1)의 아이들 상태로부터 아이들 정지할 때에, 엔진 정지 제어를 행하지 않는 경우의 시간에 대한 엔진 회전 속도 Fr_cnv의 관계를, 횡축(x축)을 경과 시간, 종축(y축)을 엔진 회전 속도 Fr_cnv로서 모식적으로 나타낸 도면이다. 한편, 도 8의 (b)는 엔진(1)의 아이들 상태로부터 아이들 정지할 때에, 엔진 정지 제어를 행한 경우의 시간에 대한 엔진 회전 속도 Fr_cnv의 관계를, 횡축(x축)을 경과 시간, 종축(y축)을 엔진 회전 속도 Fr_cnv로 하여 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 8의 (a)에 있어서, 기간 ①에서 엔진(1)은 아이들 운전을 행하고 있다. 시각 t3에 있어서, 아이들 운전을 중지하고, 기간 ②에 있어서 엔진(1)의 회전 속도가 서서히 감소하여, 시각 t6에서 완전히 정지한다. 이제, 이 기간 ③에, 운전 지령이「역행」으로 바뀌어, 엔진 발전을 즉시 재개할 필요가 있는 경우를 고려한다. 기간 ③은 엔진의 재기동 처리 기간이며, 이것이 완료될 때까지 엔진(1)은 정지 상태를 유지할 필요가 있다. 이 처리가 완료되는 시각 t7로부터 엔진 기동 제어를 개시하고, 기간 ④에서 아이들 운전을 확립한 후, 시각 t9에서 엔진(1)의 발전 운전을 개시하고, 기간 ⑤에서는 엔진(1)의 발전 전력을 얻을 수 있다. 가령 시각 t4에 운전 지령이「역행」으로 바뀌고, 차량의 가속을 개시한 경우, 시각 t4로부터 t9까지는 엔진(1)의 발전 전력은 얻어지지 않으므로 축전 장치(8)에서만 역행 전력을 부담한다.
도 8의 (b)에 있어서, 기간 ①에서 엔진(1)은 아이들 운전을 행하고 있다. 시각 t3에 있어서, 아이들 운전을 중지하고, 기간 ②에 있어서 엔진(1)의 회전 속도가 서서히 감소하여, 시각 t4에서 완전히 정지한다. 즉, 엔진의 정지에 필요로 하는 기간은, 도 8의 (a)에서는 t3으로부터 t6까지 필요로 하고 있었던 것에 대해, 도 8의 (b)에 있어서는 엔진 정지 제어를 행하고 있으므로, t3으로부터 t4까지로 단축할 수 있는 것을 알 수 있다. 이제, 이 기간 ②에, 운전 지령이「역행」으로 바뀌어, 엔진 발전을 즉시 재개할 필요가 있는 경우를 고려한다. 기간 ③은 엔진 의 재기동 처리 기간이며, 이것이 완료될 때까지 엔진(1)은 정지 상태를 유지할 필요가 있다. 이 처리가 완료되는 시각 t5로부터 엔진 기동 제어를 개시하고, 기간 ④에서 아이들 운전을 확립한 후, 시각 t7에서 엔진(1)의 발전 운전을 개시하고, 기간 ⑤에서는 엔진(1)의 발전 전력을 얻을 수 있다. 가령 시각 t4에 운전 지령이 「역행」으로 바뀌어, 차량의 가속을 개시한 경우, 시각 t4로부터 t7까지는 엔진(1)의 발전 전력은 얻어지지 않으므로 축전 장치(8)에서만 역행 전력을 부담한다.
이 구성에 따르면, 시스템 통괄 제어부(9)는 속도 센서(13a) 및 속도 연산부(14a)에 의해 얻어지는 발전기(2)의 회전 속도 Fr_cnv와, 축전 장치(9)로부터 얻어지는 축전량 SOC를 기초로 하여, 엔진의 기동, 정지의 필요 여부를 판정하여 컨버터 장치(3)에 토크 전류 지령 Iqp_cnv를 출력하고, 엔진의 기동, 정지를 발전기(2)의 토크에 의해 제어한다. 즉, 엔진(1)의 기동과 정지를 발전기(2)의 토크에 의해 신속하게 제어함으로써, 아이들 정지 제어시의 엔진 발전 개시 시간을 단축하고, 축전 장치(8)의 방전 전력만으로 가속하는 시간을 단축하고, 차량의 가속 성능의 저하를 최소한으로 할 수 있다.

Claims (4)

  1. 엔진에 의해 구동되는 발전 수단이 발생하는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 컨버터 수단을 갖는 직류 전력 발생 수단과,
    상기 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 인버터 수단과,
    상기 인버터 수단에 의해 구동되는 전동기와,
    상기 직류 전력을 충전 및 방전하는 기능을 갖는 전력 축적 수단과,
    이들 각 수단을 제어하는 제어 수단과,
    상기 발전 수단의 회전 속도를 검출하는 수단과,
    상기 전동기의 회전 속도를 검출하는 수단과,
    상기 전력 축적 수단의 축전 전력량을 검출하는 수단과,
    상기 직류 전력 발생 수단에서 변환된 직류 전력을 검출하는 수단을 구비하고,
    상기 제어 수단은,
    차량의 주행 속도와 상기 전력 축적 수단의 축전 전력량과의 관계를 나타내는 제어 맵 상에 있어서, 상기 차량의 주행 속도와 상기 전력 축적 수단의 축전 전력량에 의해 정해진 상기 제어 맵 상의 위치가, 에너지 손실이 없는 경우에 차량이 감속하였을 때에 차량의 운동 에너지가 상기 전력 축적 수단의 축전 에너지로 변환되는 상태를 나타내는 소정의 곡선보다도 상기 축전 전력량이 높게 추이되고 있는 영역에 있으며, 운전대로부터의 운전 지령이 타행(惰行)인 경우에, 기동 중인 상기 엔진을 정지시키는 제어를 행하고,
    기동 중인 상기 엔진을 정지시킬 때에, 상기 컨버터 수단에 의해 상기 발전 수단에 제동 토크를 발생시키고, 정지 중인 상기 엔진을 기동시킬 때에, 상기 컨버터 수단에 의해 상기 발전 수단에 구동 토크를 발생시키는 것을 특징으로 하는 철도 차량의 구동 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어 수단은, 상기 엔진이 정지 상태이어서 엔진에 의한 발전 전력이 얻어지지 않는 동안 차량을 가속하는 경우에, 상기 인버터 수단에 의한 상기 전동기의 출력을 상기 축전 장치의 최대 출력 한계에 따라서 조정하는 것을 특징으로 하는, 철도 차량의 구동 장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
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