(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両任務中に、エネルギー貯蔵装置の現在の充電状態に影響を与えるように車両エネルギー貯蔵装置へのおよび／またはそれからの電力移送速度を制御する方法であって、前記任務が複数の今後の電力移送機会を含む、方法において、
前記車両に搭載された発電機から前記エネルギー貯蔵装置への前記電力移送速度を制御するステップと、
今後の電力移送機会の予測される期間に基づいて前記電力移送速度を調整するステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記今後の電力移送機会の前記予測される期間が所定の閾値よりも大きい場合、前記今後の電力移送機会の前記電力移送速度を低減させる、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記今後の電力移送機会の前記予測される期間が所定の閾値と異なる場合、前記今後の電力移送機会の前記電力移送速度を変更する、請求項１記載の方法。
【請求項４】
現在の電力移送機会の予測された期間に基づいて前記現在の電力移送機会の前記電力移送速度を調整するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記今後の電力移送機会の前記予測される期間に基づいて前記電力移送速度を調整するステップが、
後続の今後の電力移送機会の予測される期間に基づいて現在の電力移送機会の電力移送速度を調整するステップであり、前記現在の電力移送機会が前記後続の今後の電力移送機会の直前にある、ステップを
さらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記現在の電力移送機会の前記電力移送速度を調整するステップが、
前記後続の今後の前記電力移送機会の前記予測される期間が増加するとき、前記現在の電力移送機会の終りに第１の目標充電状態を達成するために先行する現在の電力移送機会の前記電力移送速度を調整するステップと、
前記後続の今後の電力移送機会の前記予測される期間が減少するとき、前記現在の電力移送機会の終りに第２の目標充電状態を達成するために前記先行する現在の電力移送機会の前記電力移送速度を調整するステップであり、前記第２の目標充電状態が前記第１の目標充電状態よりも高い、ステップと
を含む、請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記車両が機関車であり、前記機会の前記期間の変動に応じて、または車両任務の変更に基づいて前記電力移送速度を調整するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記エネルギー貯蔵装置が、バッテリ、フライホイール、およびウルトラキャパシタのうちの少なくとも１つである、請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記電気エネルギー貯蔵装置が、複数のエネルギー貯蔵バンクを含むエネルギー貯蔵システムである、請求項１記載の方法。
【請求項１０】
前記複数のエネルギー貯蔵バンクがバッテリを含む、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
現在の電力移送機会に前記エネルギー貯蔵装置の前記電力移送速度を調整するステップと、前記エネルギー貯蔵装置の動作状態に応じて今後の電力移送機会に前記電力移送速度を調整するステップとをさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項１２】
前記エネルギー貯蔵バンクの動作状態に応じて前記複数のエネルギー貯蔵バンクのうちの少なくとも１つの前記電力移送速度を調整するステップをさらに含む、請求項９記載の方法。
【請求項１３】
前記動作状態が前記装置の老化である、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記動作状態が前記装置の温度である、請求項１２記載の方法。
【請求項１５】
前記装置の温度に応じて前記電力移送速度を調整するステップが、前記装置の前記温度が増加するとき、前記今後の電力移送機会に前記装置の前記電力移送速度を低減させるステップを含む、請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前記エネルギー貯蔵装置の温度および老化に応じて前記第１の目標充電状態の上側閾値および下側閾値を調整するステップをさらに含む、請求項６記載の方法。
【請求項１７】
上側閾値および下側閾値を調整するステップが、前記装置の温度および老化が増加するとき、前記第１の目標充電状態の前記上側閾値を低減し、前記下側閾値を増大するステップを含む、請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
任務の変更の場合には、前記エネルギー貯蔵バンクを異なるように充電するステップをさらに含む、請求項９記載の方法。
【請求項１９】
前記エネルギー貯蔵バンクを異なるように充電するステップが、前記エネルギー貯蔵バンク間で電力を移送するステップを含む、請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
機関車上に配置されたエネルギー貯蔵装置へのおよび／またはそれからの電力移送速度を制御するためのシステムであって、
機関車上に配置されたエネルギー貯蔵装置と、
機関車上に配置された発電機と、
前記エネルギー貯蔵装置と前記発電機とに結合された制御システムと、
を備え、
前記制御システムは、今後の電力移送機会の期間を予測し、現在の電力移送機会の間に前記エネルギー貯蔵装置へのおよび／またはそれからの電力移送速度を調整して、前記今後の電力移送機会の前記予測された期間に基づいて前記エネルギー貯蔵装置の現在の電流充電状態に影響を与えるように構成されている、
システム。
【請求項２１】
前記複数のエネルギー貯蔵装置が、バッテリ、フライホイール、およびウルトラキャパシタのうちの少なくとも１つを含む、請求項２０記載のシステム。
【請求項２２】
前記制御システムが、前記エネルギー貯蔵装置の動作状態に応じて前記電力移送速度をさらに調整する、請求項２１記載のシステム。
【請求項２３】
前記任務の変更の場合には、前記制御システムが前記エネルギー貯蔵装置を異なるように充電するようにさらに構成される、請求項２１記載のシステム。
【請求項２４】
前記エネルギー貯蔵装置を異なるように充電するステップが、前記エネルギー貯蔵装置間で電力を移送するステップを含む、請求項２３記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本明細書で開示される内容は、車両エネルギー貯蔵装置の性能を改善し、それによって装置の動作寿命を延ばす方法およびシステムに関する。
【背景技術】  機関車などの電気車両およびハイブリッド電気車両は、車載再充電式電気エネルギー貯蔵装置によって作動する。エネルギー貯蔵装置は１つまたは複数のタイプのバッテリ、スーパーキャパシタ、ウルトラキャパシタ、およびフライホイールシステムを含むことができる。
動作中、エネルギー貯蔵装置は周期的な充電および放電の頻繁なサイクル動作を経る。さらに、そのような装置の動作寿命および性能特性は、充電／放電の速度および深さ、および／または充電／放電が生じる電流のレベルに影響されることがある。充電／放電事象中により速い速度およびより深い割合ならびにより高い電流レベルを使用すると、エネルギー貯蔵装置の動作寿命および貯蔵容量に悪影響がある。装置の老化、使用頻度、および貯蔵の温度は、性能に影響を与えるいくつかの追加のパラメータである。さらには、電気エネルギー貯蔵装置の性能が低下すると、それらが使用されている電気車両（またはハイブリッド電気車両）の性能および燃料効率が影響を受けることがある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】  エネルギー貯蔵装置の現在の充電状態に影響を与えるように車両エネルギー貯蔵装置へのおよび／またはそれからの電力移送速度を制御する方法およびシステムが提供される。一実施形態では、この方法は、今後の電力移送機会の予測される期間に基づいて電力移送速度を調整するステップを含む。さらに、この方法は、今後の電力移送機会の予測される期間が所定の閾値と異なる場合、今後の電力移送機会の電力移送速度を変更するステップを含むことができる。追加としてまたは代替として、電力移送速度は、任務の変化または機会の期間の変化に基づいてさらに調整することができる。
一例では、来たる電力移送機会が長期間の充電機会であることを前もって設定することができる。したがって、来たる充電機会の電力移送速度は最大許容充電速度未満の値を割り当てることができる。さらに、エネルギー貯蔵装置は、前の放電機会のより低い初期充電状態まで放電することができる。このようにして、エネルギー貯蔵装置は、より遅い速度ではあるが、長期間の充電機会の終りまでに、しかしそれより早くなく、完全に充電することができる。別の例では、来たる電力移送機会が短期間の充電機会であることを前もって設定することができる。したがって、来たる充電機会の電力移送速度は、より高い値をまたは最大値でさえ割り当てることができる。さらに、エネルギー貯蔵装置は前の放電機会のより高い充電状態まで放電することができる。その結果、エネルギー貯蔵装置は、より速い速度にもかかわらず、より短期間の充電機会の終りまでに、しかしそれより早くなく、完全に充電することができる。このようにして、より低い充電速度によって、およびより低い初期充電状態への事前放電によってより長い充電期間をよりよく利用するために、今後の充電機会および放電機会に関する事前の情報（例えば、今後の充電または放電機会の前に既知の、推定した、かつ／または予測した情報）を利用することが可能である。そのような動作は、より効率的な電力移送を行うだけでなく車両のエネルギー貯蔵装置の劣化を低減するとともに、今までどおり機会の終りで所望の充電状態に到達させる。
所与の車両任務における複数の今後の充電機会および放電機会ならびにそれらの期間に関する事前の情報により、今後の電力移送機会ごとの電力移送プロファイルをカスタマイズすることをさらに可能とすることができる。一例では、現在の充電状態に影響を与えるようにエネルギー貯蔵装置へのおよび／またはそれからの電力移送速度を調整することによって、および今後の電力移送機会の予測される期間に基づいて電力移送速度を調整することによって、過充電および不足充電を避け、それによって装置の寿命を延ばすことができる。さらに、別の例では、エネルギー貯蔵装置の大量電力移送事象をより小さい電力移送機会に分割することによって、および装置老化、温度、容量などのようなエネルギー貯蔵装置の動作状態に基づいて来たる機会の各々の間に電力移送プロファイルをさらに調整することによって、装置の寿命を延ばし、性能を最適化することができる。さらに、別の例では、装置老化、温度、容量、充電状態などのようなエネルギー貯蔵装置の動作状態に基づいて電力移送事象を別個の電圧および電流要求に分割することによって、装置の寿命を延ばし、性能を最適化することができる。
上述の要約は、詳細な説明でさらに説明される概念のうちから選択したものを簡単な形態で紹介するために提供されていることが理解されるべきである。それは、特許請求する内容のキーまたは本質的な特徴を特定することを意図するものではなく、特許請求の範囲は詳細な説明に続く特許請求の範囲よって一意的に規定される。さらに、特許請求する内容は、上記のいずれかの欠点を解決する実施形態または本開示のいかなる部分の実施形態にも限定されない。
本発明は、添付の図面を参照しながら、非限定の実施形態の以下の説明を読むことからより一層理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本開示によるエネルギー管理システムをもつディーゼル電気機関車の例示の実施形態を示す図である。
【図２】所与の所望の充電状態で使用することができる代替の電力移送プロファイルの例示のマップを示す図である。
【図３】今後の電力移送機会の変化に応答した電力移送プロファイルの変化を示す例示のマップを示す図である。
【図４】本開示による電力移送プロファイルを選択するための高レベル流れ図である。
【図５】パラメータに影響を与える代替の性能を考慮して、選択した電力移送プロファイルをさらに調整するための高レベル流れ図である。
【図６】車両の任務の突然の変更に応答して電力移送プロファイルを調整するための高レベル流れ図である。
【発明を実施するための形態】
再充電可能な電気エネルギー貯蔵装置で作動する機関車などの車両は、エネルギー貯蔵装置へのおよびそれからの電力移送プロファイルを制御する統合化エネルギー管理システムで構成することができる。電力移送プロファイルは、エネルギー貯蔵装置の動作状態に基づくだけでなく、任務中に利用可能な充電／放電機会、および装置性能に影響を与えることがある装置の他の本質的特性に応じて制御することができる。一例が図１を参照しながら示され、エネルギー管理システムは、機関車車載電気エネルギー貯蔵装置の動作状態をモニタし、それに応じて、装置の動作寿命を最大にするように充電／放電プロファイルを調整する。エネルギー貯蔵装置の充電サイクルは、装置の予想される性能および寿命に対応する複数のサブ充電サイクルに最適化することができる。
図２、３に示すように、このシステムは、来たる充電機会および前の放電機会の両方の期間に基づいて様々な充電プロファイルから選ぶことができる。選択するプロファイルは、エネルギー貯蔵装置の性能を最適にすることができるように、例えば図４に示されるように充電／放電プロファイルルーチンを行うことによって決定することができる。ここで、エネルギー管理システムは、車両の任務プロファイル（例えば、位置識別システムから）に関する情報を受け取り、任務の各々の今後の充電／放電機会に従ってエネルギー貯蔵装置の充電／放電プロファイルを調整するように構成することができる。エネルギー管理システムは、装置の老化および温度などの特性に影響を与える代替の性能を考慮して、例えば図５に示されるように性能調整ルーチンを行うことによってプロファイルをさらに調整するように構成することができる。任務の突然の変更の場合には、当初確立した充電プロファイルおよび基本構成は、例えば図６に示されるような任務調整ルーチンを行うことによってさらに調整することができる。
装置の動作状態および潜在的な充電／放電機会の利用可能性に応じてエネルギー貯蔵装置の動作をカスタマイズすることによって、効率的な電力移送を確実にすることができ、装置の早すぎる劣化を防ぐことができる。さらに、大量充電サイクルの装置の電力移送速度を適切なサブ充電サイクルに調整することによって、装置の全体的な寿命および容量を改善することができる。
図１は、軌道１０４上を走るように構成された機関車１００としてここで示される例示のハイブリッド車両システムのブロック図である。ここで示されるように、一例では、機関車は、主エンジンハウジング１０２内にあるディーゼルエンジン１０６を作動するディーゼル電気車両である。しかし、機関車１００の代替の実施形態では、例えば、ガソリンエンジンまたはバイオディーゼルもしくは天然ガスエンジンのような代替エンジン構成を使用することができる。車両は、代替として、オンロードトラック、バス、バン、または乗用車、オフハイウェイ車両（ＯＨＶ）、例えば大型掘削車、掘削ダンプトラックなどとすることができることを理解されたい。さらに、車両システムは、積荷の積み／降ろしのためのクレーンおよびウィンチシステムを含む海運用途および静置用途で使用することができるようなハイブリッド電気推進システムとすることができる。
機関車運転乗務員と、エネルギー管理システム１１６などの機関車システム制御部および管理部で必要とされる電子構成要素とを、機関車運転室１０３内に収容することができる。エネルギー管理システム１１６は複数のマイクロプロセッサおよび／またはコンピュータを備えることができる。エネルギー管理システム１１６は車両制御システム１２８と通信することができる。車両制御システム１２８は、機関車運転室１０３に同様に配置された車載制御システムとすることができる。代替として、車両制御システムは遠く離して配置することができる。車両制御システム１２８および／またはエネルギー管理システム１１６は、システムが現在および今後の任務プロファイル１３０を認識できるようにする全地球測位システム（ＧＰＳ）などの位置識別システム、慣性ベース位置システム、沿線ベース位置システムなどをさらに含むことができる。
ディーゼルエンジン１０６は、駆動軸（図示せず）に沿って交流発電機１０８に伝達されるトルクを生成する。生成されたトルクは交流発電機１０８で使用されて電気が生成され、その後車両を伝搬する。機関車エンジン１０６を一定速度または可変速度で走らせ、運用要求に基づいて馬力出力を生成することができる。このようにして生成された電力は原動機電力と呼ばれることがある。空調、加熱などのような補助構成要素用の少量の電力（補助電力）を生成する補助交流発電機を、機関車１００の代替の実施形態では適宜設けることができる。電力は様々な下流側電気構成要素に電気バス１１０に沿って送出することができる。生成された電気出力の性質に基づいて、電気バスは直流（ＤＣ）バス（図示のような）または交流（ＡＣ）バスとすることができる。
交流発電機１０８は、ＤＣバス１１０に沿って送電する前に交流発電機の電気出力をＤＣ電力に変換する１つまたは複数の整流器（図示せず）に直列に接続することができる。ＤＣバス１１０から電力を受け取る下流側電気構成要素の構成に基づいて、インバータ１１２を使用してＤＣ電力をＡＣ電力に変換することができる。機関車１００の一実施形態では、単一のインバータ１１２はＡＣ電力をＤＣバス１１０から複数の構成要素に供給することができる。代替の実施形態では、複数の別個のインバータの各々が別個の構成要素に電力を供給することができる。さらなる実施形態では、機関車は、スイッチに接続された１つまたは複数のインバータを含むことができ、スイッチはそれに接続された様々な構成要素に電力を選択的に供給するように制御することができることを理解されたい。
主エンジンハウジング１０２の下のトラック１２２に取り付けられた主電動機１２０は、ＤＣバス１１０を介して交流発電機１０８からの電力を受け取り、機関車を推進するための牽引出力を供給することができる。ここで説明するように、主電動機１２０はＡＣモータとすることができる。したがって、主電動機と対になるインバータは、主電動機によるその後の使用のために、ＤＣ入力を三相ＡＣ入力などの適切なＡＣ入力に変換することができる。代替の実施形態では、主電動機１２０は、整流しＤＣバスに沿って送電された後の交流発電機の出力を直接使用するＤＣモータとすることができる。一例の機関車構成は、車輪の車軸１２４当たり１つのインバータ／主電動機対を含む。ここで示されるように、６つのインバーター主電動機対が機関車の６つの車軸−車輪対の各々に対して示されている。代替の実施形態では、機関車１００は、例えば、４つのインバータ／主電動機対で構成することができる。代替として、単一のインバータが複数の主電動機と対になることができることを理解されたい。
主電動機１２０は、さらに、機関車１００にブレーキをかけるために発電制動を行う発電機として働くように構成することができる。特に、発電制動の間、主電動機は、回転方向に車両を推進するのに必要とされるトルクと反対の方向にトルクを与え、それによって電気を生成することができる。生成された電力の少なくとも一部は、ここでバッテリ１１４として示される電気エネルギー貯蔵装置に送ることができる。エネルギー貯蔵装置が発電制動エネルギーのすべてを受け取りかつ／または貯蔵することができない場合、過剰エネルギーは抵抗器のグリッド１２６に送られ、熱として消散させることができる。一例では、グリッドは、電気バスに直列に直接接続された抵抗要素のスタックを含む。抵抗要素のスタックは、空気冷却およびグリッドからの熱放散を容易にするために主エンジンハウジング１０２の天井に隣接して位置決めすることができる。さらに、エンジン１０６が主電動機１２０を駆動するのに必要とされるよりも多くのエネルギーを供給するように作動される期間の間、過剰容量（過剰原動機電力とも呼ばれる）は、バッテリ１１４または代替として複数のバッテリ、ウルトラキャパシタ、およびフライホイールを含むエネルギー貯蔵装置の組合せに適宜貯蔵することができる。したがって、エネルギー貯蔵装置は、主電動機が発電制動モードで動作しているとき以外にときどき充電されることがある。圧縮空気を利用するエアブレーキ（図示せず）も車両制動システムの一部として機関車１００は使用することができる。
多くのモータ駆動型空気流装置が機関車構成要素の温度制御のために動作することができる。例えば、重作業の期間の間主電動機１２０を冷却するための主電動機ブロワ、交流発電機１０８を冷却するための交流発電機ブロワ、および抵抗器のグリッド１２６を冷却するためのグリッドブロワ。各ブロワはＡＣまたはＤＣモータによって駆動することができ、したがって、それぞれのインバータを経由してＤＣバス１１０からの電力を受け取るように構成することができる。
エンジン温度は部分的にラジエータ１１８によって保持される。過剰熱を吸収し、効率的なエンジン動作のための所望の範囲内の温度に抑えるのに水をエンジン１０６のまわりに循環させることができる。次に、加熱された水はラジエータ１１８を通過することができ、ラジエータファンによって吹きつけられた空気が加熱された水を冷却することができる。エンジン１０６の追加冷却を行うために、水ベース冷却液を含む冷却システムをラジエータ１１８とともに適宜使用することができる。空気流装置および／または冷却システムをエネルギー貯蔵装置を冷却するのに使用することもできる。
この例でバッテリ１１４として示されているシステム電気エネルギー貯蔵装置はＤＣバス１１０に連結することもできる。ＤＣ−ＤＣコンバータ（図示せず）は、ＤＣバス１１０とバッテリ１１４またはウルトラキャパシタを含む代替エネルギー貯蔵装置との間に構成することができ、ＤＣバスの高電圧（例えば１０００Ｖの範囲の）をバッテリ（例えば１２〜７５Ｖの範囲の）でまたは代替エネルギー貯蔵装置の適切な電圧で使用するために適切に降圧するのを可能にする。ハイブリッド機関車の場合には、車載電気エネルギー貯蔵装置は、中間のＤＣ−ＤＣコンバータを省略することができるように高電圧バッテリの形態とすることができる。
バッテリ１１４はエンジン１０６を作動させることによって充電することができる。代替として、バッテリ１１４は回生制動の間に充電することができる。バッテリに貯蔵された電気エネルギーは、エンジン動作のスタンバイモードの間、照明、車載モニタシステム、マイクロプロセッサ、プロセッサ表示器、環境制御などのような様々な電子構成要素を作動させるのに使用することができる。ハイブリッド機関車または他のハイブリッド電気推進システムにおいて、バッテリまたは代替エネルギー貯蔵装置に貯蔵された電気エネルギーは車両をモータで運転するのにも使用することができる。さらに、バッテリ１１４は、停止状態からクランクを回しエンジン１０６を始動するためのエネルギーを供給するのに使用することができる。
図示の例ではエネルギー貯蔵装置はバッテリを含むが、代替の実施形態では、電気エネルギー貯蔵装置は、複数のエネルギー貯蔵バンク１１５を含むエネルギー貯蔵システムとすることができる。貯蔵バンクは、例えば、スーパーキャパシタもしくはウルトラキャパシタ、フライホイール、バッテリ、またはそれらの組合せを含むことができる。貯蔵バンクは別々にまたは任意の組合せで使用することができる。組合せの場合、様々な貯蔵バンクは、任意の単一のエネルギー貯蔵装置の使用では実現されない相乗効果の利益を与えることができる。例えば、フライホイールシステムは電気エネルギーを比較的速く貯蔵することができるが、全エネルギー貯蔵容量に比較的制限があることがある。同様に、ウルトラキャパシタシステムは電気エネルギーを比較的速く貯蔵することができるが、全エネルギー貯蔵容量に比較的制限があることがある。一方、バッテリシステムはエネルギーを比較的ゆっくり貯蔵するが、大きい全貯蔵容量で構成することができる。したがって、組み合わせると、フライホイールおよび／またはウルトラキャパシタは、バッテリが適時に取り込むことができない発電制動エネルギーを取り込むことができ、一方、フライホイールまたはウルトラキャパシタに貯蔵されたエネルギーはその後バッテリを充電するのに使用することができる。このようにして、エネルギー貯蔵システムの全体的貯蔵および取り込み容量は、単独で作動するフライホイールまたはバッテリのいずれかの限界を超えて拡大される。
複数のエネルギー貯蔵バンクを同じ機関車または代替の機関車に配置することができることを理解されたい。その上さらに、バッテリ１１４などの車載エネルギー貯蔵装置にエネルギーを移送するために代替エネルギー源１１７を使用することができる。代替エネルギー源１１７および／またはエネルギー貯蔵バンクはエンジンによって充電し、エネルギー管理システム１１６によって管理することもできる。
アンペア時またはキロワット時で示されるバッテリのエネルギー定格は、一般に、使用可能なエネルギーではなくバッテリに貯蔵される全エネルギーを反映していることがある。そのため、代替として放電深度（ＤＯＤ）として表されるバッテリの充電状態（ＳＯＣ）の下限が実際に使用可能なエネルギーを反映することができる。一例では、ＤＯＤは、全エネルギー定格の８０％を使用できることを示す８０％とすることができる。バッテリ１１４またはウルトラキャパシタ（図示せず）へのおよび／またはそれからの充電／放電速度および／または電力移送速度はエネルギー管理システム１１６などの制御システムによって調整することができる。
エネルギー管理システム１１６は、パワーエレクトロニクス、ＤＣ／ＤＣコンバータまたは双方向ブーストコンバータ、電気結合装置、接触器、およびダイオードをさらに含むことができる。エネルギー管理システム１１６に含むことができる双方向ブーストコンバータ（図示せず）は、代替エネルギー貯蔵システム、例えば複数のエネルギー貯蔵装置で構成されたエネルギー貯蔵システムのウルトラキャパシタまたは第２のバッテリの電圧をバッテリ１１４の電圧から切り離す。エネルギー管理システム１１６は、限定はしないが、バッテリ充電状態（ＳＯＣ）、バッテリ温度および温度勾配、使用頻度、経過した充電／放電サイクルの数、電力移送電流および電圧、充電モードにおけるアンペア時の総数、放電モードにおけるアンペア時の総数、充電／放電モードにおける全ネットアンペア時、充電／放電モードにおける全動作時間、完了した車両任務の数、移動した車両距離、動作の経過時間などを含むバッテリの動作状態に関するデータを受け取るように構成することができる。さらに、ＧＰＳなどの関連する位置同定システム、Ｔｒｉｐ  Ｏｐｔｉｍｉｚｅｒ（商標）ソフトウェア（２００７年９月２７日付けの米国特許出願公開第２００７０２１９６８０Ａ１号を参照）からのデータ、または関連する車両制御システム１２８は、限定はしないが、勾配、速度限界、曲率、および高度を含む現在および今後の任務プロファイル１３０の細部をエネルギー管理システムに与えることができる。エネルギー管理システム１１６は、車両速度、動力、および数値的マニュアル機関手攻撃性パラメータなどの車両駆動特性に関するデータを受け取るように構成することもできる。したがって、充電／放電速度および／または所望の充電状態の上側閾値および下側閾値は、温度、老化、使用頻度、効率、およびバッテリの他の動作パラメータに応じて、およびさらに車両の任務プロファイルに基づいて調整することができる。任務および／またはバッテリ動作パラメータが変化するとき、充電／放電プロファイルは修正および更新することができる。
図２は、所与の所望の充電状態（ＳＯＣ）の代替の充電プロファイルを示す例示のマップ２００を示す。図示のように、マップ２００は、所与のバッテリの３つの充電プロファイル２０２、２０４、および２０６を含む。バッテリは充電速度について事前設定の上側および下側閾値（それぞれＲＯＣｍａｘおよびＲＯＣｍｉｎ）を有することができる。バッテリがＲＯＣｍａｘを超えて充電される場合、バッテリ構成要素の過熱およびその後の劣化が結果として起こり、バッテリ性能の劣化をもたらすことがある。バッテリがＲＯＣｍｉｎより下に充電される場合、電荷放散の加速が起こり、バッテリの容量に悪影響を及ぼすことがある。同様のマップは、所与の所望の充電状態に対する代替の放電プロファイルについて計算することができることを理解されたい。
異なる充電プロファイル（２０２、２０４、２０６）は、主に、充電速度および充電の期間が異なる。しかし、３つのプロファイルはすべて、各曲線下の面積で計算することができるように、実質的に同じ最終充電状態を与えることを理解されたい。充電プロファイル２０２は最も高い充電速度（最も急激な傾斜によって示されるように）を有するが、最も短い期間で充電される。一例として、エネルギー貯蔵装置を１０００ｋＷで１５分で充電して、２５０ｋＷｈの充電を得ることができる。そのため、充電プロファイル２０２はデフォルト（未調整）最大電力移送速度プロファイルとすることができる。充電プロファイル２０２は、一例では、より短い期間の今後の充電機会が利用可能である場合、バッテリがそれほど老化していない場合、任務データが不十分である場合、および／または代替の充電プロファイルが実現可能でない場合に選択することができる。プロファイル２０４を経由して２０６方に移動すると、充電速度は低下するが、充電期間は増加する。一例として、エネルギー貯蔵装置は、６００ｋＷで２５分で（プロファイル２０４の例のように）、または２５０ｋＷで６０分で（プロファイル２０６の例のように）充電することができる。調整された充電プロファイル２０４または２０６は、例えば、より長い期間の今後の充電機会が利用可能である場合、十分な任務データおよび履歴が利用可能である場合、および／またはバッテリが老化しており、それにより高い内部抵抗を起こしており、その結果、より高い速度の充電がバッテリ寿命に有害である場合に選択することができる。
図示の例は充電速度（ＲＯＣ）の共通の上限および下限を示しているが、代替の実施形態では、各充電プロファイルは充電速度の上限および下限を別々に割り当てることができることを理解されたい。所望の充電状態の上側閾値および下側閾値は、例えばエネルギー貯蔵装置の温度および老化に応じて調整することができる。代替として、限界は装置の動作状態に応じて割り当てることができる。一例では、装置の温度および／または老化が増加するとき、目標充電状態の上側閾値を低減し、下側閾値を増大することによって、装置の過剰熱生成を防ぐことができる。代替として、目標ＳＯＣの上側および下側閾値を調整することができる。エネルギー貯蔵装置が複数のエネルギー貯蔵バンクを含む場合、個々のバンクごとのＲＯＣおよび／またはＳＯＣの最大閾値は、バンクの特性に影響を与える老化、使用頻度、および他の性能に応じて別々に調整することができる。さらに、複数のエネルギー貯蔵バンクのうち少なくとも１つの電力移送速度および複数のエネルギー貯蔵バンク間の電力移送速度はエネルギー貯蔵バンクの動作状態に応じて調整することができる。一例では、これは、電力移送の期間の間、装置の温度が増加するとき装置の電力移送速度を低減することによって達成することができる。
このようにして、エネルギー貯蔵装置の電力移送プロファイルは、任務の過程にわたり各電力移送機会の全期間の間電力移送を最大にするように調整することができる。ＲＯＣの最大閾値での電力移送の頻度を低減することによって、および各エネルギーエクスカーションの期間を延ばすことによって（事前の情報に基づいて可能な場合）、効率的な電力移送を達成することができる。過充電または過放電を防ぐことによって、サイクル寿命の低下の加速を防止することができ、エネルギー貯蔵装置のより高い全寿命性能を実現することができる。
図３は、今後の電力移送機会の予測される期間に基づいたバッテリの電力移送速度の調整を示す例示のマップ３００を示す。上部のグラフは今後の充電機会および放電機会の期間を示し、一方、下部のグラフは各それぞれの電力移送機会の期間の電力移送プロファイルの変化を示す。制御システムは、後続の今後の電力移送機会の予測される期間に基づいて現在の電力移送機会の電力移送速度を調整するように構成することができ、現在の電力移送機会は後続の電力移送機会の直前にある。そのため、電力移送速度の調整には、電力移送電流値、電力移送電圧値、またはそれらの組合せの調整を含むことができる。同じことは、複数の今後の電力移送機会に、例えば所与の任務の今後の電力移送機会のすべてに外挿することができる。図示の例では、時点ｔ１とｔ２との間の期間は今後のより短い期間の充電機会Ｃ１を示し、時点ｔ３とｔ４との間の期間は今後のより長い充電機会Ｃ２を示す。そのため、任務の間、充電機会および放電機会は交互になることになる。この例に示されるように、より長い期間の放電機会（時点０からｔ１までのＤ１）が短い期間の充電機会に先行し、より短い期間の放電機会（時点ｔ２からｔ３までのＤ２）が長い期間の充電機会に先行する。ＳＯＣｄｅｓは、各充電機会の終りに要望されることがある目標ＳＯＣを示す。ＳＯＣｍｉｎは、健全なバッテリを保証することができるバッテリのＳＯＣの所定の下側閾値を示す。図示のように、目標ＳＯＣ（ＳＯＣｄｅｓ）は、充電機会の期間、充電速度、環境条件、バッテリ老化などのバッテリの状態、またはそれらの組合せに応じて動的に調整することができる。しかし、代替の実施形態では、所定の固定目標ＳＯＣを選択することができることを理解されたい。同様に、図示の例はバッテリのＳＯＣの固定の所定の下側閾値（ＳＯＣｍｉｎ）を示しているが、閾値は、代替として、放電機会の期間、放電速度、環境条件、バッテリ状態、またはそれらの組合せに応じて動的に調整することができる。そのため、充電機会に先行する初期ＳＯＣ、すなわち、各々の前の放電機会の終りに要求される目標ＳＯＣは、放電機会および後続の充電機会の期間に応じて変化することができる。目標ＳＯＣはＳＯＣｍｉｎとすることができ、またはＳＯＣｍｉｎとＳＯＣｄｅｓとの間の値を割り当てることができ、ここで、ＳＯＣｄｅｓはバッテリＳＯＣの上側閾値を示す。
放電機会Ｄ１の間、エネルギー管理システムは放電プロファイル３０２をバッテリに割り当てることができる。このプロファイルは、Ｄ１がより長い期間の放電機会であり、その後より短い期間の充電機会が続くという事前の知見に基づくことができる。その結果、Ｄ１の終りに得られるべき目標充電状態（ＳＯＣｄ１）を逆算することができる。その後、放電プロファイル３０２は、より長い期間の放電機会の終りに、しかしそれより早くなく目標充電状態を得ることができるように準最大放電速度で進むように調整することができる。後続のより短い期間の充電機会Ｃ１がプロファイル調整には短すぎ、そのため、デフォルト（未調整）最大電力移送速度をその時点で使用してもよいと決定することができる。充電機会の期間および／または他のバッテリ状態に基づいて、Ｃ１の終りに得られるべき目標充電状態（ＳＯＣｃ１）も逆算することができる。一例では、バッテリは古いバッテリであることがある。したがって、古いバッテリを最大電力移送速度で充電する場合、選択された目標ＳＯＣ（ＳＯＣｃ１）は、バッテリ劣化を避けるために最大値（ＳＯＣｄｅｓ）よりも低いことがある。別の例では、バッテリが新しいバッテリである場合、固定の上側閾値目標ＳＯＣ（ＳＯＣｄｅｓ）を選択することができる。さらに、ＳＯＣｄ１は、Ｃ１の期間の間最大速度でバッテリを充電する場合にＳＯＣｃ１を得ることができるような値に計算することができる。したがって、充電プロファイル３０４は最大電力移送プロファイルを示すことができる。このようにして、後続の今後の電力移送機会の予測される期間が減少するとき、前の電力移送機会の電力移送速度を調整して、より高い目標充電状態を達成することができる。
対照的に、Ｄ２がより短い期間の放電機会であり、その後より長い期間の充電機会Ｃ２が続くと決定される場合、Ｄ２の終りで得られるべきより低い目標充電状態（ＳＯＣｄ２）を計算することができる。図示のように、ＳＯＣｄ２はＳＯＣｍｉｎと同じ低さであるがそれより低くないようにすることができる。さらに、Ｄ２の期間が短いので、放電プロファイル３０６で示されるように、デフォルト（未調整）最大放電速度でバッテリを放電することが望ましいことがある。利用可能なより長い充電期間に基づく後続の充電機会Ｃ２において、電力移送速度とＣ２の終りに得られるべき目標ＳＯＣ（ＳＯＣｃ２）とを適切に計算することができる。それに応じて、Ｃ２の電力移送プロファイル３０８を準最大値に調整することができる。充電機会期間がより長く、使用される充電速度がより低いとすれば、遅い充電のバッテリ寿命への有益な効果をさらに利用するためにより高い目標ＳＯＣ（ＳＯＣｃ２）を選択することができる。したがって、ＳＯＣｃ２は、ｔ３とｔ４との間で、それより早くなく、ゆっくり達成することができる。このようにして、後続の今後の電力移送機会の予測される期間が増加するとき、前の電力移送機会の電力移送速度はより低い目標充電状態を達成するように調整することができる。
バッテリが複数の充電および放電フェーズを経るとき、バッテリの化学反応もまた多数のバッテリ状態フェーズを経ることを理解されたい。そのため、充電および放電フェーズのうちのいくつかでは、バッテリが、バッテリの寿命および性能を損なうことがある充電状態になることがある。一例では、バッテリが長期間放置される場合、バッテリの化学反応がバッテリ損傷の加速を引き起こすことがある特定の充電状態（または充電状態範囲）がある場合がある。ここで、バッテリ損傷の加速は、バッテリをその充電状態（または充電状態範囲）に移行させて戻すとき、その充電状態で費やされる時間を最小にするようにバッテリの充電速度を一時的に増大し、次に、最適バッテリ充電プロファイルに戻すことによって避けられることがある。別の例では、バッテリが長期間放置される場合、バッテリの化学反応がバッテリ寿命を改善することができる特定の充電状態（または充電状態範囲）がある場合がある。ここで、バッテリをその充電状態（または充電状態範囲）に移行させてその充電状態で過ごす時間を最大にし、次に、最適化バッテリ充電プロファイルに戻す場合、バッテリ寿命はバッテリの充電速度を一時的に低下させることによって延ばすことができる。このようにして、一連の充電／放電事象または特定のＳＯＣ変動を通して急速にまたは非常にゆっくりバッテリを意図的に働かせることによって、バッテリの状態を改善し、寿命を延ばすことができる。同様に、老化と、状態に影響を与える他の性能とが分かっているバッテリへの来たる充電／放電機会の既知で予期される不利益な影響を低減するために、電力移送プロファイルおよび／または目標ＳＯＣを適切に動的に調整することができる。そのため、電力移送プロファイルを調整すると、バッテリへのおよびそれからの電力移送の電流値および／または電圧値を調整することができる。このようにして、バッテリの寿命および性能に悪影響を及ぼすことがある電流値および電圧値を避けることができる。
したがって、今後の電力移送機会ごとの電力移送プロファイルならびに初期および目標ＳＯＣは機会の期間および／またはバッテリ状態に応じてカスタマイズすることができる。機会ごとのそのような電力移送プロファイルを計画することによって、任務の過程にわたる電力移送を最適化し、一方、バッテリの寿命を改善することができる。この例では、各充電機会の終りの目標ＳＯＣはＳＯＣｄｅｓに設定されているが、代替例では、充電機会ごとの目標ＳＯＣは変化することができ、かつ／または別々に割り当てることができることを理解されたい。
図４は、任務の今後の電力移送機会ごとのバッテリ電力移送プロファイルを決定するために、エネルギー管理システム１１６または機関車制御システムのマイクロプロセッサが行うことができる電力移送プロファイルルーチン４００を示す。このルーチンにより、充電機会の開始での充電電流および／または電力レベルを低減することによって、来たる充電機会の終りに、それより早くなく所望の上限ＳＯＣを達成することができる。制御システムは、今後の電力移送機会の予測される期間に基づいてエネルギー貯蔵装置の電力移送速度を調整するためにルーチン４００を行うように構成することができ、その結果、今後の電力移送機会の予測される期間が所定の閾値よりも大きい場合、今後の移送機会の電力移送速度を低減することができる。そのため、調整された電力移送速度は、調整された電力移送電流、電力移送電圧、またはそれらの組合せを含むことができる。制御システムは、さらに、ルーチン４００を行い、現在の電力移送機会の期間に基づいて現在の電力移送機会の電力移送速度を調整するように構成することができる。一例では、今後のより長い期間の充電機会を利用できる場合があり、その期間に最大電流レベルで充電するとバッテリの過充電がもたらされることがある。ここで、充電機会に先立って、充電プロファイルの上限を低下させ、調整されたより低い速度で充電する場合、充電機会の終りでのみ、それより早くなく所望の充電状態を達成することができるように充電速度を調整することができる。追加としてまたは適宜に、実現可能な場合、最大電流レベルで充電する場合充電機会の終りでのみ、それより早くなく所望の最終充電状態を達成することができるように、長い期間の充電機会に先立ってバッテリを所望の初期のより低い充電状態まで放電することができる。別の例では、今後のより短い期間の充電機会を利用できる場合があり、その期間の間最大電流レベルで充電してもバッテリの過充電をもたらさないことになる。ここで、充電機会に先立って、より短い期間の放電機会の終りにのみ、しかしそれより早くなく所望の充電状態を達成することができるように充電プロファイルの上限および充電速度を未調整のままとすることができる。追加としてまたは適宜に、実現可能な場合、短い期間の充電機会に先立ってバッテリを所望の初期のより高い充電状態まで放電することができる。このようにして、各充電機会の間に取り込まれるエネルギー量を最大にし、一方、バッテリ寿命を最適化することができる。
任務は、２種類のフェーズ、すなわち充電フェーズおよび放電フェーズに概念的に分割することができる。充電フェーズの間、バッテリは充電することができ（オプションの休止期間の可能性を伴って）、一方、放電フェーズの間、バッテリはオプションの休止期間を伴って放電することができる。充電フェーズと放電フェーズとは交互にすることができることを理解されたい。エネルギー管理システム１１６は、アクティブ動作中に放電エネルギーをどこに誘導すべきかを指定するように構成することができる。一例では、車両をモータで運転するために放電エネルギーを与えることが望ましいことがある。別の例では、多数のエネルギー貯蔵バンクで作動する場合、１つのバンクから放電されたエネルギーを代替のバンクに貯蔵することがより望ましいことがある。モータでの運転の電力消費は高度に調節可能であり、エネルギー管理システムによって直接制御されないので、放電されたエネルギーの貯蔵シンクとして代替貯蔵バンクを使用すると、制御した方法で放電を行うことができる。別の例では、代替のオプションを利用できない場合、放電エネルギーを抵抗器のグリッドによって消費させることができる。エネルギー管理システムは、充電エネルギーをどこから得るかを指定することもできる。一例では、充電エネルギーは回生制動エネルギーから得ることができる（突然に）が、代替例では、充電エネルギーは、エンジンから、またはより制御した方法で別の利用可能なエネルギー貯蔵バンクから得ることができる。
４０２において、現在の任務フェーズ（フェーズｉ）の間の充電状態の最大変化（ΔＱｉ）を決定することができる。エネルギー管理システムは最も大きい量の充電状態（ＳＯＣ）の変化を計算するように試みることができる。そのため、任務のために動作するとき、車両システムが供給できる最大電流または電力プロファイルをバッテリが受け入れる場合、ΔＱｉはバッテリ状態を変化させることができる充電の量を示すことができる。さらに、現在の任務フェーズが充電フェーズである場合、ΔＱｉは正の値を割り当てることができる。現在の任務フェーズが放電フェーズである場合、ΔＱｉは負の値を割り当てることができる。
一例では、ＳＯＣの最大変化は、同じ任務を以前に通過したときの同じ車両の履歴および／または統計分析に基づいて決定することができる。代替として、それは同様の任務を以前に通過したときの同じ車両の履歴に基づくことができる。代替の実施形態では、ＳＯＣの最大変化は、同じ任務を通過した他の車両の履歴に基づき、または同様の任務を通過した他の車両の統計平均に基づいて計算することができることを理解されたい。経路プロファイルのデータベースは、勾配、速度限界、高度、および湾曲に関係する詳細を含むことができる。予測される列車速度および動力は、燃料または時間の最適化への機関手の傾向を定量化する数値的マニュアル機関手攻撃性パラメータなどの駆動特性に基づくこともできる。履歴および関連する統計データは事前計算され、任務の途上でエネルギー管理システムが容易にアクセスできるデータベースにおいて利用可能にすることができる。現在の機関車位置を前の同等の機関車構成の電力およびノッチ履歴のデータベースと比較することによって、来たる充電または放電機会の期間を決定することができる。速度制限、給電詳細などの差を補償するために補償係数を計算することができる。データベースは車載データベース（例えば、エネルギー管理システム１１６の一部として、または接続された車載機関車制御システムの一部として）または遠隔データベースとすることができる。
ＳＯＣの最大変化は、限定はしないが、車両の最大積載量、自重、平均燃料消費量、見積燃料消費量、現在の燃料消費量、過去の燃料消費量、任務地帯、場所、速度限界、所望の速度プロファイル、トラヒック混雑パラメータ、配送停車場の数、予想される静止時間、現在のフェーズを通過するための所望の時間、またはそれらの任意の組合せを含む１つまたは複数の動作制約に基づいて車載または非車載で任務時に計算することができる。代替の実施形態では、消費されたエネルギーの量は、消費された燃料の量の代わりに、またはそれに加えて選ぶことができることを理解されたい。現在の任務とデータベースとの間の変動を補償するために、計算された充電／放電機会から緩衝時間を減じることができる。１組の統計パラメータは、充電／放電機会の確率的予測を推進するために特定の種類の任務（例えば、担当区域、機関車最大積載量タイプ、または機関車優先度に基づいた分類）について決定することができることも理解されたい。
４０４において、現在のフェーズ（フェーズｉ）の終りに達成されるべき目標ＳＯＣ（Ｑ＊ｉ）を決定することができる。そうする際、次のフェーズによりバッテリが達成すると予想される目標値が割り当てられる。バッテリは、次のフェーズで最適の放電または充電を可能にするために現在のフェーズの終りまでに所望のＳＯＣまで充電または放電することができる。
一例では、現在のフェーズ（ｉ）は放電フェーズである。したがって、次のフェーズで達成可能な最大ＳＯＣ（ΔＱｉ＋１）は、放電フェーズの終りに、目標ＳＯＣ（Ｑ＊ｉ）を割り当てるのに先立って決定することができる。達成可能な最大ＳＯＣは、以前に詳述したように、既知のまたは推定された任務特性に基づいて決定することができる。次のフェーズは充電フェーズであるので、達成可能な最大ＳＯＣ（ΔＱｉ＋１）は正の値を有する。十分なバッテリ未充電容量が次のフェーズ（ｉ＋１）の初めに確実に利用できるようにし、バッテリがそのフェーズで最大達成可能ＳＯＣ（ΔＱｉ＋１）をすべて受け入れることができるようにするために、現在の放電フェーズの終りに要求される目標ＳＯＣ（Ｑ＊ｉ）は以下の式を使用して計算することができる。
Ｑ＊ｉ≦１００％−ΔＱｉ＋１
例えば、次の充電フェーズで達成可能な最大充電が６０％である場合、バッテリは４０％を超えない目標ＳＯＣに達するように現在のフェーズを通じて放電され、それによって次のフェーズの終りまでにバッテリの完全な充電を確実にすることができる。この例では、目標ＳＯＣは現在のフェーズより前の１つのフェーズで利用可能な充電／放電機会に基づいて決定されるが、代替例では、この先のＮフェーズ、または任務の終りまでのすべてのフェーズを調べることが望ましいことがあることを理解されたい。この先のＮフェーズを調べる場合、まず、フェーズｉ＋Ｎの終りの目標ＳＯＣを計算し、次に、フェーズを一つずつ逆にたどることによってすべての前のフェーズの最大達成可能ＳＯＣおよび目標ＳＯＣを計算することができる。任務の終りまでのすべてのフェーズを調べる場合、まず、最後のフェーズ（ｉｍａｘ）の終りの目標ＳＯＣを計算し、次に、フェーズを一つずつ逆にたどることによってすべての前のフェーズの最大達成可能ＳＯＣおよび目標ＳＯＣを計算することができる。
さらなる別の例では、目標ＳＯＣは、均一化充電フェーズの終りに対して決定することができる。均一化フェーズは、バッテリシステムの個々のセルの充電を均一化する、または異なるエネルギー貯蔵バンク間の充電を均一化するために使用することができる。そのため、次のフェーズでは、バッテリの再状態調整、均一化、ＳＯＣリセット、または他のバッテリメンテナンス目的のために標準電流プロファイルを適用することが望ましいことがある。したがって、適切なバッテリ再状態調整、均一化、またはリセットを行うために次のフェーズ（ｉ＋１）で必要とされるＳＯＣ「ヘッドルーム」の量は、計算するかまたはデータルックアップ表から決定することができる。次に、この値を使用して、ヘッドルーム要件を確実に満たすように現在のフェーズの目標ＳＯＣ（Ｑ＊ｉ）を設定することができる。
さらなる別の例では、目標ＳＯＣは機関車または他の車両の低排出物放電フェーズのためのバッテリを準備するように決定することができる。これは、低排出物モードで任務の区間を走らせることが望ましい場合に選択することができる。そのため、例えば、都市「緑地帯」区域、低エンジン騒音区域、排出物非達成ゾーンを通って進むとき、準軍用任務のステルス区間の間、または内燃エンジン動作が厳しく抑えられるトンネルを通って進むときに低排出物モードを選ぶことができる。したがって、低排出物フェーズよりも前の目標ＳＯＣは、バッテリが車両のエネルギー必要量の大部分を供給できるようにするために十分に高い値に調整され、それによって内燃エンジンの使用が低減または除去される。
４０６において、動作フェーズ（フェーズｉ）においてバッテリ電流レベルに融通性があるかどうか決定される。言い換えれば、現在のフェーズの算出最大ＳＯＣ変化（ΔＱｉ）に最大充電電流プロファイル（デフォルト充電電流プロファイル）を適用する場合、目標終了ＳＯＣ（Ｑ＊ｉ）がオーバーシュートするか否かが決定される。一例では、これは、Ｑ０＋ΔＱｉをＱ＊ｉと比較することによって現在のＳＯＣ（Ｑ０）の値に基づいて計算することができる。しかし、代替方法および追加の制約条件を使用して、最大電流プロファイルを使用するべきか否か決めることができることを理解されたい。バッテリ電流レベルに融通性がない場合、４０８において、未調整電流プロファイル（すなわちデフォルト最大充電電流プロファイル）をフェーズｉで使用することができる。
フェーズｉのバッテリ電流レベルに融通性がある場合、４１０において、目標ＳＯＣをオーバーシュートしないように、以前に詳述したように、バッテリ電流プロファイルを調整することができる。調整したさほど激しくない電流プロファイルを適用することによって、多数の利益を達成することができる。特に、バッテリ寿命の延長、バッテリ構成要素の加熱の低減、他の車両システム構成要素への応力の低減を、準最大電流プロファイルの使用によって達成することができる。
一例では、充電プロファイルは正確に計算し、図２に示されるように目標ＳＯＣ（Ｑ＊ｉ）が与えられるまでより低いレベルに調整することができる。別の例では、電流プロファイル低減は目標ＳＯＣを厳密に満たすように正確には計算されないことがあるが、代わりに、最大電流プロファイルは所定の量など概算量によってまたは所定の係数によって低減することができる。所定の量または係数は車両および／または任務の履歴データベースの詳細に基づいて割り当てられてきた可能性がある。
さらなる別の例では、電流プロファイルはフェーズの初期部分の間にのみ低減してバッテリの内部加熱を低減し、さらにより低い温度まで冷却される（またはそれほど加熱されない）機会をバッテリに与えることができる。さらに、電流プロファイルは、次のフェーズに入るときバッテリがより低い温度で動作できるようにフェーズの最終部分で調整することができる。そのため、デフォルト最大充電電流プロファイルをフェーズの残りの部分で使用することができる。ある程度の融通性を確保して、任務の予期しない変化に応じてフェーズの終盤でより多くの調整を行うために、フェーズの初期部分の間に電流プロファイル低減の大部分を行うことが望ましいことがあることを理解されたい。
４１２において、バッテリの動作状態に基づいて追加のバッテリ性能補償を必要とするかどうか決定される。ｙｅｓの場合、図５でさらに詳述されるような性能調整するルーチン５００を４１４において行うことができる。補償を必要としない場合、４１６において任務に変更があるかどうか決定される。ｙｅｓの場合、図６でさらに詳述されるような性能調整するルーチン６００を４１８において行うことができる。任務変更は、現在および／または今後の電力移送機会の電力移送プロファイルに影響を与えることがある車両または最大積載量の変更または更新、任務経路、任務スケジュール、エネルギー貯蔵システム（装置および／またはバンク）健全性、またはそれらの任意の組合せを含むことができることを理解されたい。任務の変更がない場合、４２０において、ルーチンは次のフェーズおよびルーチン４００の次の反復に移ることができる。次のフェーズに移る前に、ルーチンは、今後の機会を計画する際に使用するために、エネルギー管理システムまたは車両制御システムに対して行われる任務プロファイルおよび調整に関する情報を更新することができる。このようにして、前の充電状態および来たる充電／放電事象の経過を追うことによって、バッテリ寿命、使用可能容量、およびピーク電力使用を最適化することができ、また、その上さらに劣化した性能を修復することができる。
バッテリを低いＳＯＣに置くと、例えばメタルハライドバッテリ中のＮａＣｌ結晶の熟成によりバッテリ構成要素劣化が引き起こされることを考えると、バッテリを常に最高の充電状態に持ってくることが望ましいことがある。したがって、バッテリは、回生制動機会を使用して最高の充電状態を到達することができない場合エンジンを使用してそれに持ってくることができる。放電サイクルの代わりに制動サイクルが任務に到達するための次のフェーズである場合、バッテリは制動事象の直前に所望のＳＯＣまで意図的に放電されることがある。
図４の電力移送プロファイルルーチン４００は、ＧＰＳ（全地球測位システム）装置などの位置情報装置によって場所を決定することができる特定の経路（例えば州間ハイウェイシステム）を運転するハイブリッドトラックなどのオンハイウェイハイブリッド車に適用することもできる。そのような車両は、レール上で作動する機関車などの規定された経路上で作動する車両と比較して交通状況変化のために運転速度の追加の変動を受けることがある。これらの追加の変動は持続的なモニタおよび追加の補償調整を利用することができる。
図５は、ルーチン４００の４１４で行うことができる性能調整ルーチン５００を示す。ここで、ルーチン４００で最初に確立した電力移送プロファイルは、パラメータに影響を与える複数のバッテリ性能を考慮して調整することができる。これらのパラメータは、バッテリの動作状態によって、または複数のエネルギー貯蔵バンクの場合には個々の貯蔵バンクの動作状態によって決まることがある。パラメータは、限定はしないが、装置の老化、装置の動作温度、使用頻度、経過した充電／放電サイクルの数、装置の動作の合計時間、およびそれらの組合せを含むことができる。パラメータに影響を与える性能を補償しながら電力移送プロファイルを調整することによって、装置の動作寿命を延ばし、性能を改善することができる。
５０２において、初期の充電プロファイルは、例えば電力移送プロファイル調整ルーチン４００を行うことによって確立される。５０４において、現在のバッテリ温度勾配（Δ温度／Δ時間、またはｄＴ／ｄｔ）を決定することができる。そのため、バッテリ温度勾配を使用して、バッテリ状態、例えばバッテリの老化、内部抵抗、および／または放電電流を評価することができる。バッテリ温度勾配を絶えずモニタし、データは、特定の地理的場所の詳細およびバッテリ電流プロファイルとともにルックアップ表に蓄積することができる。
５０６において、バッテリ温度勾配の増加が現在のフェーズ（ｉ）において予想されるかどうか決定される。一例では、バッテリ放電電流が比較的高いと予想される期間の間、例えば、既知のＧＰＳの場所間で特定の勾配を登るとき、または加速の間追加の所要の牽引出力でエンジンの原動機電力を支援するとき、または見込みのある燃料節約を満たそうとするとき、感知されるバッテリ温度勾配が増加すると予想されることがある。バッテリ温度勾配が増加すると予想される場合、５０８において、バッテリ冷却システムは温度増加を見越して動作することができる。さらに、初期の充電プロファイルはバッテリ冷却システム状態に基づいて補償することができる。限定はしないが、バッテリ温度、環境温度、冷却水温度、およびスイッチオン／オフ位置、を含むバッテリ冷却システムの状態はモニタされ、ルックアップ表（例えばバッテリ温度勾配と共に）に、または関連するマイクロプロセッサのメモリの動向ファイルに記憶することができる。バッテリ冷却が「オフ」である場合には、補正係数をバッテリ電流プロファイルに適用する必要がないことがある。しかし、バッテリ冷却が「オン」である場合には、冷却を補償するために補償係数（Ｃｔｅｍｐ）をバッテリ電流プロファイルに適用することができる。バッテリ温度勾配の増加が予想されない場合、ルーチンは５１０に進む。
５１０において、現在の温度勾配が所定の閾値より上にあるかどうか決定される。これは、例えばバッテリが老化するとき生じることがある。バッテリが老化すると、内部抵抗が増加し、それにより、同じ充電状態および同じ電流レベルで、老化したバッテリはより高い熱を発生する傾向がある。５１０における温度勾配が閾値より上にある場合、５１２において、電力移送電流の新しい下側最大限度を割り当てることができる。そのため、これは、バッテリの不完全な充電と、最高ＳＯＣを達成するためにエンジンが与える全電力量の増加とをもたらすことがある。しかし、ハイブリッド車で節約される燃料の量の結果として生じる減少は、バッテリの使用可能な寿命の増加によって相殺することができる。
５１４において、性能調整ルーチンは、バッテリの老化が事前設定された閾値を超えているかどうか決定することができる。一例では、バッテリの老化はバッテリの寿命末期（ＥＯＬ）から予測することができる。別の例では、老化はバッテリの温度勾配をモニタすることによって予測することができる。バッテリの寿命末期は、バッテリが要求性能を満たさなくなるときに決定することができる。一例では、バッテリのＥＯＬは、使用可能な貯蔵エネルギー容量が公称値の８０％まで落ちるときに規定することができる。代替として、バッテリのＥＯＬは、動作時間の累計、完了した車両任務の数、車両が移動した距離、車両燃料消費量、バッテリ内部抵抗などから推定することができる。そのため、老化したバッテリの性能の低下は各動作サイクルの間に被った漸増的損傷に起因する。さらに、その時点の容量よりも多くのエネルギーでバッテリを充電または放電しようとすると、寿命の低下が大幅に加速される。したがって、バッテリが寿命末期に近づくとき、動作サイクルがエネルギー移動で時折の急増を経る場合、バッテリが現在の低減された容量範囲外で動作する可能性が増大し、残りの寿命の低下が加速する可能性が高くなる。したがって、バッテリの老化が閾値を超えている場合、５１６において、バッテリ老化依存補償係数（Ｃａｇｅ）を決定することができ、そうでなければルーチンは５１８に進む。バッテリ老化および内部抵抗が増大するとき、より低いＲＯＣｍａｘおよびより高いＲＯＣｍｉｎを割り当て（図２を参照）、それに応じてバッテリの電力移送速度をさらに低下させることがさらに望ましいことがあることを理解されたい。
上述の温度勾配ベースの調整は放電動作について説明したが、同じことは、下り勾配の間または車両の減速の間の充電動作に適用可能にすることができることも理解されたい。さらに、高温ナトリウムタイプバッテリを充電する場合、追加の補償量がバッテリの充電状態の特定の範囲の間必要とされることがあるが、それは、この領域の充電がバッテリを冷却し、内部抵抗ベースの熱の影響を低減することがあるからである。
５１８において、パラメータに影響を与える他の性能があるかどうか決定される。一例では、バッテリの動作時の化学反応の知見に基づいて、選択した電力移送プロファイルがバッテリの寿命に不利益な効果がある場合があることを決定することができる。そうである場合、５２０において、対応するバッテリ性能補償係数（Ｃｍｉｓｃ）を計算することができる。代替の実施形態では、電力移送プロファイルに影響を与える補償係数を計算するのに加えて（またはその代わりに）、電力移送機会の終りに達成されるべき目標ＳＯＣを、パラメータに影響を与える性能に応じて調整することができることを理解されたい。このようにして、補償係数は、パラメータに影響を与える個々の性能ごとに計算することができる。一実施形態では、事前計算された補償係数は、エネルギー管理システムに配置されたルックアップ表から読み取ることができる。エネルギー貯蔵装置が複数のエネルギー貯蔵バンクを含む場合、個々の補償係数は、それぞれの動作状態に応じて貯蔵バンクごとに計算することができる。
５２２において、最初に確立した電力移送プロファイルは、５０８〜５２０で計算されたように、老化、温度、内部抵抗などの補償係数で電力移送速度を更新することによって調整される。このようにして、装置の性能に影響を与えることがある係数に応じてエネルギー貯蔵装置への電力移送プロファイルを調整によって、電力移送プロセスをより効率的にするとともに装置の寿命を延ばすことができる。
図６は、任務の突然の変更に応答して初期の電力移送プロファイルを調整するためにルーチン４００および５００に加えて行うことができる任務調整ルーチン６００を示す。動作パラメータならびに任務特性に応じてバッテリの電力移送プロファイルを調整することによって、バッテリの使用特性を最適化しながら、任務の充電／放電機会を最大限有利に使用することができる。
６０２において、初期の充電プロファイルが確立される。これは、図４で前に詳述したように充電プロファイルルーチン４００を行うことによって確立することができる。さらに、基本構成を確立することができる。前述のように、一実施形態では、エネルギー貯蔵装置は複数のエネルギー貯蔵バンクを含むことができる。一例では、エネルギー貯蔵装置の基本構成は少なくとも２つのバッテリシステムを含むことができ、各バッテリシステムは一括して調整される。少なくとも１つのバッテリシステムが、任務変更の場合に代替の手法を介して完全に充電する追加の能力を有するような基本構成でバッテリを構成することが望ましいことがある。一例では、代替の充電手法は、第２のバッテリシステムからエネルギーを移送することによって第１のバッテリシステムを充電することを含むことができ、前記第１および第２のバッテリシステムは同じ機関車に結合されている。そのため、第２のバッテリシステムは、突然の任務変更の場合にのみ使用される、第１のバッテリシステムの緊急バックアップシステムとして機能することができる。第２のバッテリシステムは、第１のバッテリシステムに電荷を移送した後、原動機電力などの第２のエネルギー源から再充電することができる。代替として、第２の原動機電力（同じまたは異なる機関車の）または補助発動機電力を使用して第２のバッテリシステムの充電を完了することができる。さらなる別の例では、少なくとも１つの主電動機は発電制動を介して第２のバッテリシステムを充電するのに使用することができ、一方、主電動機の残りのものは機関車をモータで運転するのに使用することができる。エネルギー貯蔵バンク間の電荷の移送は、貯蔵バンクの定格、老化、および／または残りの寿命を考慮することができることを理解されたい。一例では、より高い定格／より高いサイクル寿命／より低い老化のエネルギーバンクからより低い定格／より低いサイクル寿命／より大きい老化のエネルギー貯蔵バンクに電荷を移送することが望ましいことがある。さらに、貯蔵バンク間の電力移送速度は個々の貯蔵バンクごとの老化および容量に応じて調整することもできる。老化および容量に応じて個々のエネルギー貯蔵バンクをサイクル動作させることによって、より低いサイクル寿命のエネルギー貯蔵バンクの動作期間を延ばし、それによってエネルギー貯蔵システムがメンテナンスおよび／または交換を必要とすることに先立つ期間を延ばすことができる。
６０４において、充電プロファイルの変化をもたらす任務の変更があったかどうか決定される。任務の変更がなかった場合、ルーチンは終了することができる。そのため、任務の変更は、車両または最大積載量、任務経路またはスケジュール、および／またはエネルギー貯蔵システム（装置またはバンク）の健全性の変更または更新を含むことができる。そのような変更は緊急または非緊急なものとすることができる。そのような情報に基づいて、今後の電力移送機会ごとの電力移送プロファイルをカスタマイズすることをさらに可能とすることができる。任務の突然の変更の一例では、列車を引っ張る機関車の構成が変更されることがあり、それによって、列車を推進および制動するのに利用可能な牽引力および電力、および／または貯蔵に利用可能なエネルギーの全量が変化する。別の例では、列車が任務に沿って進むとき、荷を積んだ鉄道車両の数などの最大積載量が増大または減少することがあり、経路に沿って運用するゴミ収集車と同じように、最大積載量は増加または減少することがある。どちらの場合も、最大積載量が変化するとき、必要とされる推進および制動動力の変化が変動することがある。さらなる別の例では、列車は、レールネットワークの混雑を避けるために、または乗務員変更を行うためにスケジュール変更することがある。同様に、道路車両は悪天候状態のために混雑または制限速度の変更に出会うことがある。さらになる別の関連する状況では、車両経路は、混雑または荷物の集荷もしくは引き渡し要求の更新に応じて変化することがある。代替として、エネルギー貯蔵システムまたはエネルギー貯蔵システムの一部の挙動の分析は、今後の充電機会および放電機会に応答するエネルギー貯蔵システムの性能に影響を与えることがある、動作電力および貯蔵エネルギー限界を含む、健全性状態の更新データをもたらすことができる。
任務の変更があった場合、６０６において、新しい任務が緊急性のものであるか否か決定される。新しい任務が緊急事態でない場合、６０８において、充電プロファイルは、任務変更を扱うために適切に調整することができ（例えば、ルーチン３００で行われる機会応答調整の期間を使用して）、その結果に関する記録は充電プロファイル履歴の中で更新することができる。
任務が緊急事態である場合、６１０において、新しい構成を計算することができる。一例では、緊急モード構成は同じ車両または同様の車両の事前の緊急任務からのデータに基づいて事前に推定されていることがあり、その結果がルックアップ表に記憶されていることがある。新しい構成は、バッテリシステムを異なる充電定格をもつ少なくとも２つのバッテリサブシステムに再構成することを必要とすることがある。一例では、バッテリシステムは１０ＭＷｈで動作していることがある。任務変更事象の間、バッテリシステムは３ＭＷｈおよび７ＭＷｈのサブシステムに分割することができ、ここで、３ＭＷｈサブシステムは充電を完了するように構成することができ、７ＭＷｈサブシステムは充電を完了しないように構成することができる。別の例では、バッテリシステムが危機の状態である場合、すなわち、充電中断がバッテリシステムを破損する場合、バッテリシステムを分割することができ、一方のサブシステムは他方のサブシステムの放電によって充電することができる。このように、緊急任務変更の場合には、制御システムは、エネルギー貯蔵バンクを異なるように充電することによって、例えばバンク間でエネルギーを異なるように移送することによって今後の電力需要に対処するように構成することができる。６１２において、新しい構成が現在の任務状態下で実現可能かどうか確認される。実現可能でない場合、６１４において、充電構成に変更は行われず、バッテリの再生をスケジュール設定することができる。新しい構成が実現可能である場合、６１６において、充電構成を変更することができ、変更の結果は充電プロファイル履歴の中で更新することができる。このようにして、今後の充電／放電機会に基づいてバッテリ電力移送速度を調整することによって、および前の性能に応じて電力移送プロファイルをさらに適応して調整することによって、バッテリの寿命および容量を最適化し、それによって、エネルギー貯蔵装置の寿命および健全性を延ばすことができる。
本発明の例示的な実施形態が機関車および他の車両に関して本明細書で説明されているが、それは固定発電システムを含む動力源システムにも一般に適用可能である。このような目的で、特定の任務を説明する場合、これは、動力源システムによって行われるべき作業または要件を含んでいる。固定の用途、例えば１つまたは複数の発電機を有する固定発電所または発電所のネットワークの場合には、特定の任務とは、単独でまたは協力して発電所によって満たされるべきワット数の量または他のパラメータもしくは要件、および／または電力網、電気バスなどからの余剰出力を貯蔵するための予測された機会または既知の機会を意味することができる。ディーゼル燃料発電システム（例えば、電気エネルギー貯蔵システムにエネルギーを供給するディーゼル発電機システム）の場合には、動作状態は、発電機速度、負荷、燃料供給値、タイミングなどのうちの１つまたは複数を含むことができる。
この書面の説明では、最良の形態を含む本発明を開示し、さらに、任意の装置またはシステムを製作および使用することならびに任意の組み込まれた方法を行うことを含む本発明を当業者が実施できるように例を使用している。本発明の特許の範囲は特許請求の範囲によって規定され、当業者なら思いつく他の例を含むことができる。他のそのような例は、それらが特許請求の範囲の文字どおりの意味と相違しない構造要素を有する場合、またはそれらが特許請求の範囲の文字どおりの意味との相違が非実質的である均等な構造要素を含む場合、特許請求の範囲内であることを意図している。
【符号の説明】１００  機関車
１０２  主エンジンハウジング
１０３  機関車運転室
１０４  軌道
１０６  機関車エンジン
１０８  交流発電機
１１０  電気バス
１１２  インバータ
１１４  バッテリ
１１５  エネルギー貯蔵バンク
１１６  エネルギー管理システム
１１７  代替エネルギー源
１１８  ラジエータ
１２０  主電動機
１２２  トラック
１２４  車軸
１２６  グリッド
１２８  車両制御システム
１３０  任務プロファイル
２００  マップ
２０２、２０４、２０６  充電プロファイル
３００  マップ
３０２、３０４、３０６  放電プロファイル
３０８  電力移送プロファイル
４００  電力移送プロファイルルーチン
４００、５００、６００  ルーチン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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