(57)【要約】  車両制御装置には、エンジン制御器とコンバータ制御器とを統括的に制御するシステム制御器が設けられる。システム制御器は、コンバータ制御器を通じてエンジンのアイドリング維持最低回転数ωｅ_ｉｄｏｌ_ｍｉｎよりも小さな発電機回転数指令値ωｃ_ｒｅｆ１で発電機を駆動すると共に、所定時間の経過後にエンジン制御器を通じてエンジンに対する燃料噴射を開始し、エンジンの回転数が発電機回転数指令値ωｃ_ｒｅｆよりも大きく、且つ、アイドリング維持最低回転数ωｅ_ｉｄｏｌ_ｍｉｎよりも小さい所定の回転数閾値ωｅ_ｔｈに到達すると発電機の通電をオフするゲート遮断信号ＧＳＴＯＰをコンバータに出力する。
2013114575.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンと、エンジンの動作を制御するエンジン制御器と、前記エンジンに連結される発電機と、前記発電機が出力する交流電力を所望の直流電力に変換するコンバータと、前記コンバータの動作を制御するコンバータ制御器と、前記コンバータから直流電力の供給を受けて動作する負荷装置と、前記発電機の回転速度を検出する回転速度検出器と、前記負荷装置と前記発電機とに電気的に接続されたバッテリと、を備えた車両駆動システムに適用され、前記エンジンの起動を制御可能に構成される車両制御装置であって、
前記エンジン制御器、前記コンバータ制御器および前記コンバータを統括的に制御するシステム制御器が設けられ、
前記システム制御器は、
前記コンバータ制御器を通じて前記エンジンのアイドリング維持回転数よりも小さな回転数指令値で前記発電機を駆動すると共に、所定時間の経過後に前記エンジン制御器を通じて前記エンジンに対する燃料噴射を開始し、前記エンジンの回転数が前記回転数指令値よりも大きく、且つ、前記アイドリング維持回転数よりも小さい所定の閾値に到達すると前記発電機の通電をオフする制御信号を前記コンバータに出力することを特徴とする車両制御装置。
【請求項２】
前記回転数指令値として、複数個の指令値が多段に設けられており、
前記システム制御器は、前記多段に設けた回転数指令値を所定の時間間隔毎に小さい方から順次選択して前記発電機を駆動することを特徴とする請求項１に記載の車両制御装置。
【請求項３】
前記発電機の制御には、期間上限値が設定されており、前記期間上限値を超えても前記エンジンの燃料噴射が確立せず、且つ、前記エンジンの回転数が前記アイドリング維持回転数まで到達しなかった場合に、前記発電機の通電をオフすることを特徴とする請求項１または２に記載の車両制御装置。
【請求項４】
前記コンバータには、前記発電機に対するトルク指令の下限値をリミットする下限トルクリミッタが設けられ、
前記下限トルクリミッタは、前記エンジンの起動時における回生動作を抑止することを特徴する請求項１に記載の車両制御装置。
【請求項５】
前記エンジンと前記発電機とを繋ぐ回転軸にはトルク検出器が設けられており、
前記システム制御器は、前記トルク検出器が検出したトルク値に基づいて前記発電機における回生動作の有無を判定し、回生動作が生じていると判定した場合に前記発電機の通電をオフする制御信号を前記コンバータに出力することを特徴とする請求項１に記載の車両制御装置。
【請求項６】
エンジンと、エンジンの動作を制御するエンジン制御器と、前記エンジンに連結される発電機と、前記発電機が出力する交流電力を所望の直流電力に変換するコンバータと、前記コンバータの動作を制御するコンバータ制御器と、前記コンバータから直流電力の供給を受けて動作する負荷装置と、前記負荷装置と前記発電機とに電気的に接続されたバッテリと、を備えた鉄道用ハイブリッド車両の制御方法であって、
前記コンバータ制御器を通じて前記エンジンのアイドリング維持回転数よりも小さな回転数指令値で前記発電機を駆動する第１ステップと、
所定時間の経過後に前記エンジン制御器を通じて前記エンジンに対する燃料噴射を開始する第２ステップと、
前記エンジンの回転数が前記回転数指令値よりも大きく、且つ、前記アイドリング維持回転数よりも小さい所定の閾値に到達すると前記発電機の通電をオフする制御信号を前記コンバータに出力する第３ステップと、
を含むことを特徴とする鉄道用ハイブリッド車両の制御方法。
【請求項７】
前記第１ステップには、多段に設けた回転数指令値を所定の時間間隔毎に小さい方から順次選択して前記発電機を駆動するサブステップが含まれることを特徴とする請求項６に記載の鉄道用ハイブリッド車両の制御方法。
【請求項８】
前記発電機の制御には、期間上限値が設定されており、この期間上限値を超えても前記第２のステップにおける燃料噴射が確立せず、且つ、前記エンジンの回転数が前記アイドリング維持回転数まで到達しなかった場合には、前記第３のステップの条件が満足しない場合でも前記発電機の通電をオフに制御することを特徴とする請求項６または７に記載の鉄道用ハイブリッド車両の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば鉄道用ハイブリッド車両を制御する車両制御装置および鉄道用ハイブリッド車両の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、モータジェネレータを用いてエンジンを始動制御する場合の応答性を高める技術を開示した文献として、例えば下記特許文献１に示されたものがある。【０００３】
この特許文献１では、エンジン再始動（再起動）指令が出された場合に、コントローラは、モータジェネレータを用いてエンジンをクランキングし、エンジンの回転数が所定回転数に到達後、エンジンの回転数フィードバック制御を行って、エンジンへの燃料噴射と火花点火を再開すると共に、モータジェネレータに要求される回生トルクに基づいてエンジンの燃焼安定度を判定し、エンジンが安定燃焼状態になったと判定した場合はフィードバックゲインを比較的小さなものに切り換える技術を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３８９０４５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来の技術によれば、発電機トルクとエンジントルクが互いに干渉するため、エンジンがアイドリング回転数に達するまでに時間が掛かるのと共に、ときには、エンジンの起動が失敗する場合があるという問題点があった。【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、発電機を用いたエンジンの起動を円滑且つ確実に実行することができる車両制御装置および鉄道用ハイブリッド車両の制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、エンジンと、エンジンの動作を制御するエンジン制御器と、前記エンジンに連結される発電機と、前記発電機が出力する交流電力を所望の直流電力に変換するコンバータと、前記コンバータの動作を制御するコンバータ制御器と、前記コンバータから直流電力の供給を受けて動作する負荷装置と、前記発電機の回転速度を検出する回転速度検出器と、前記負荷装置と前記発電機とに電気的に接続されたバッテリと、を備えた車両駆動システムに適用され、前記エンジンの起動を制御可能に構成される車両制御装置であって、前記エンジン制御器、前記コンバータ制御器および前記コンバータを統括的に制御するシステム制御器が設けられ、前記システム制御器は、前記コンバータ制御器を通じて前記エンジンのアイドリング維持回転数よりも小さな回転数指令値で前記発電機を駆動すると共に、所定時間の経過後に前記エンジン制御器を通じて前記エンジンに対する燃料噴射を開始し、前記エンジンの回転数が前記回転数指令値よりも大きく、且つ、前記アイドリング維持回転数よりも小さい所定の閾値に到達すると前記発電機の通電をオフする制御信号を前記コンバータに出力することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、発電機を用いたエンジンの起動を円滑且つ確実に実行することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１に係る車両制御装置を含む車両駆動システムの一構成例を示す図である。
【図２】図２は、エンジン制御器に設けられる燃料噴射量特性ＭＡＰの一構成例を示す図である。
【図３】図３は、システム制御器の一構成例を示す図である。
【図４】図４は、時間の経過と共に変化する発電機回転数指令値をグラフを用いて示した図である。
【図５】図５は、コンバータ制御器の一構成例を図１のシステム構成図上に示した図である。
【図６】図６は、実施の形態１の車両制御装置における第１の起動手法を説明する図である。
【図７】図７は、実施の形態１の車両制御装置における第２の起動手法を説明する図である。
【図８】図８は、実施の形態１の車両制御装置における第３の起動手法を説明する図である。
【図９】図９は、実施の形態１の車両制御装置における第４の起動手法を説明する図である。
【図１０】図１０は、実施の形態２に係る第５の起動手法を説明する図である。
【図１１】図１１は、実施の形態３に係る第５の起動手法を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係る車両制御装置および鉄道用ハイブリッド車両の制御方法について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。
【００１１】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る車両制御装置を含む車両駆動システムの一構成例を示す図であり、シリーズハイブリッド方式のエンジンシステムに適用した場合の構成を示している。図１に示すように、実施の形態１に係る車両駆動システムは、エンジン１、エンジン１によって駆動され、交流電力を出力する発電機２、交流電力を所望の直流電力に変換するコンバータ３と、コンバータ３と電気的に接続された負荷装置４およびバッテリ５、運転手が車両制御を行う際に操作をおこなう運転台６、エンジン１を制御するエンジン制御器７、エンジン制御器７および後述するコンバータ制御器９を制御するシステム制御器８、負荷装置４およびバッテリ５の電力調整を行うコンバータ制御器９ならびに、センサ類として、回転速度検出器１０および電流センサ１１を備えて構成される。
【００１２】
つぎに、図１に示した各構成要素の機能について、図１〜図５の図面を参照して詳細に説明する。
【００１３】
まず、エンジン１の出力軸と発電機２の回転子軸は、図示を省略した継ぎ手を介して機械的に結合されている。このため、エンジン１の回転数（エンジン回転数）と、発電機２の回転数（発電機回転数）とは一致している。エンジン１は、エンジン制御器７からの燃料噴射指令ＦＯＮに基づいて軸周りのトルク（軸トルク）を発生する。発電機２は、例えば、三相交流発電機であり、エンジン１の駆動力によって回転して発電する。その一方で、発電機２はモータとしても動作することができる。例えば、エンジン１の起動時にエンジン１をクランキングすることや、発電機２の駆動力を用いてエンジン１を回転させることで電力を消費することもできる。
【００１４】
コンバータ３は、図示を省略した複数のスイッチング素子および整流素子で構成されている。このコンバータ３は、発電機２が発電機として動作するときは、発電機２から出力される３相交流電力を入力とし、コンバータ制御器９からのゲート信号ＧＰに基づき、入力される３相交流電力を所望の直流電力に変換して負荷装置４およびバッテリ５のうちの何れかもしくは双方に供給する。一方、発電機２がモータとして動作するときは、コンバータ制御器９からのゲート信号ＧＰに基づき、バッテリ５から出力される直流電力を所望の３相交流電力に変換して発電機２を駆動する。ただし、システム制御器８からのゲート遮断信号ＧＳＴＯＰが入力されると、ゲート信号ＧＰの有無に依らず、電力変換動作を停止する。このように、システム制御器８からのゲート遮断信号ＧＳＴＯＰにより、発電機２の駆動を停止することができる。
【００１５】
負荷装置４は、コンバータ３との間で電気的に結線され、コンバータ３から直流電力の供給を受けて動作する。なお、負荷装置４の構成要素は図示していないが、例えば、直流電力を交流電力に変換するインバータ装置、鉄道車両等を加速するための駆動力を出力する電動機、電動機の出力を減速して輪軸に伝達する減速機などで構成される。
【００１６】
バッテリ５は、例えばリチウムイオン二次電池であり、コンバータ３が供給する直流電力や負荷装置４からの回生電力を蓄電する一方で、蓄電された電力を用いて発電機２および負荷装置４を駆動する。なお、バッテリ５は、直流電力を蓄電（充電）および放電する機能を有していればどのような構成のものでもよい。
【００１７】
運転台６は、前述のように運転手が車両制御を行う際の操作装置であり、エンジン起動時、後述するシステム制御器８に対し車両起動信号Ｓｔａｒｔを生成して出力する。また、このとき、運転台６は、車両起動信号Ｓｔａｒｔが送出されたタイミングを０秒として一定間隔でロギングし、そのロギングした情報を経過時間Ｔｉｍｅとして生成してシステム制御器８に送出する。
【００１８】
エンジン制御器７は、前述したようにエンジン１を制御する制御部である。図２に示すように、エンジン制御器７には、エンジン１の回転数に応じた燃料噴射特性ＭＡＰが設けられる。エンジン制御器７は、システム制御器８からのエンジン起動信号Ｓｅに基づいて、回転速度検出器１０が検出した発電機回転数ω_ｃに応じた燃料噴射指令ＦＯＮを燃料噴射特性ＭＡＰから参照することで、エンジン１を駆動する。
【００１９】
システム制御器８は、負荷装置４およびバッテリ５に電力を供給するため、ならびにエンジン１を起動するため、エンジン制御器７、コンバータ制御器９およびコンバータ３を統括的に制御する。
【００２０】
回転速度検出器１０は、発電機２の回転速度ω_ｃを検出し、エンジン制御器７、システム制御器８およびコンバータ制御器９に対して検出信号である回転速度ω_ｃを出力する。電流センサ１１は、発電機２とコンバータ３との三相線の間に接続され、各相の電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを検出してコンバータ制御器９に出力する。なお、図１では、各相の電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの全てを検出しているが、電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの全てを検出する必要はなく、これらのうちの何れか２つの電流を検出することでもよい。
【００２１】
次に、実施の形態１に係る車両制御装置の具体的な制御内容について説明する。まず、システム制御器８は、図３に示すように、起動判定部１２、発電機回転数指令値ＭＡＰ１３、比較器１４〜１６および、回生トルク判定部１７を備えて構成される。起動判定部１２は、バッテリ５の充電状態Ｓｂや、運転台６からの車両起動信号Ｓｔａｒｔが入力され、これら充電状態Ｓｂおよび車両起動信号Ｓｔａｒｔに基づいてエンジン１の起動が可能かどうか判定してエンジン起動信号Ｓｋを出力する。例えば、バッテリの充電状態Ｓｂが異常状態でなく、車両起動信号ＳｔａｒｔがＯＮの状態であれば、“ＯＮ”を指示するエンジン起動信号Ｓｋが発電機回転数指令値ＭＡＰ１３に出力される。
【００２２】
ここで、発電機回転数指令値ＭＡＰ１３には、図４に示すように、運転台６から送出された経過時間Ｔｉｍｅおよび起動判定部１２から送出されたエンジン起動信号Ｓｋに応じた所定の発電機回転数指令値ωｃ_ｒｅｆＮが出力されるように、それら所定の発電機回転数指令値ωｃ_ｒｅｆＮが記憶されている。発電機回転数指令値ωｃ_ｒｅｆＮは、エンジン１のアイドリング回転数ωｅ_ｉｄｏｌを下回る範囲で設定される。
【００２３】
また、発電機回転数指令値ωｃ_ｒｅｆＮは、その値が徐々に上昇するように設定されている（Ｎは０から始まる自然数）。例えば、エンジンのアイドリング回転数が６５０ｒｐｍ近傍である場合、ωｃ_ｒｅｆ０＝０ｒｐｍ、ωｃ_ｒｅｆ１＝４５０ｒｐｍ、ωｃ_ｒｅｆ２＝５００ｒｐｍなどの値が設定される。
【００２４】
さらに、発電機回転数指令値ωｃ_ｒｅｆＮは、発電機回転数指令値ωｃ_ｒｅｆ（Ｎ＋１）までに、例えば一定の時間間隔ｔＮを経て発電機回転数指令値ωｃ_ｒｅｆ（Ｎ＋１）に到達するように設けられている。なお、この時間間隔ｔＮの設定には、他に発電機回転数指令値ωｃ_ｒｅｆＮから発電機回転数指令値ωｃ_ｒｅｆ（Ｎ＋１）までの間において、一定の変換率θＮを設けたりする手法なども考えられるが、急な発電機回転数ω_ｃを防止するという意味でどちらの手法を用いても差し支えない。また、自然数Ｎが１または２の場合においても、同様な設定手法を適用できることは言うまでもない。
【００２５】
さらに、発電機回転数指令値ωｃ_ｒｅｆＮは、発電機回転数指令値ωｃ_ｒｅｆ（Ｎ＋１）に到達した時点からＴＮ秒間、発電機回転数指令値ωｃ_ｒｅｆ（Ｎ＋１）を維持するように設定されている。自然数Ｎが１や２の場合にも、時間間隔ＴＮを維持しながら徐々に回発電機転数指令値ωｃ_ｒｅｆＮを上昇させて行き、エンジン制御器７から燃料噴射指令ＦＯＮが開始されるタイミングを待つことになる。
【００２６】
なお、発電機回転数指令値ＭＡＰ１３は、運転台６から送出された経過時間Ｔｉｍｅを内部のメモリに逐次記憶しており、この蓄積された経過時間Ｔｉｍｅが期間上限値Ｔｍａｘを超えた場合にエンジン１が故障したと判定してゲート遮断信号ＧＳＴＯＰをコンバータ３に出力する。
【００２７】
図３に戻り、比較器１４では、発電機回転数指令値ＭＡＰ１３から送出された発電機回転数指令値ωｃ_ｒｅｆＮと回転速度検出器１０から送出された発電機回転数ω_ｃとを比較し、発電機回転数指令値ωｃ_ｒｅｆＮが発電機回転数ω_ｃを上回った場合にエンジン起動信号Ｓｅをエンジン制御器７に出力する。
【００２８】
比較器１５では、回転速度検出器１０から送出された発電機回転数ω_ｃと後述する比較器１６から送出された発電機ゲート遮断回転数ωｃ_ＧＳＴＯＰとを比較し、発電機回転数ω_ｃが発電機ゲート遮断回転数ωｃ_ＧＳＴＯＰと一致した場合に、ゲート遮断信号ＧＳＴＯＰをコンバータ３に出力する。
【００２９】
比較器１６では、エンジン１のアイドリング維持最低回転数ωｅ_ｉｄｏｌ_ｍｉｎとエンジン回転数閾値ωｅ_ｔｈとを比較し、小さい方の値を比較器１５に出力する。ここで、アイドリング維持最低回転数ωｅ_ｉｄｏｌ_ｍｉｎはエンジン１の運転状態や整備状態におけるエンジン特性のバラツキを考慮した状態での自立回転できる回転数であり、この回転数情報は逐次、システム制御器８の内部に記憶されている。また、エンジン回転数閾値ωｅ＿ｔｈはエンジン１の発電機回転数指令値ωｃ＿ｒｅｆＮとアイドリング維持最低回転数ωｅ＿ｉｄｏｌ＿ｍｉｎとの間の回転数であり、例えば、エンジン１のアイドリング維持回転数が６００ｒｐｍ、ωｃ＿ｒｅｆＮ＝４５０ｒｐｍなら、エンジン回転数閾値ωｅ＿ｔｈは５５０ｒｐｍ等に設定される。
【００３０】
回生トルク判定部１７は、コンバータ制御器９からのトルク分電流Ｉｔ、ｑ軸電流Ｉｑ、トルク推定値Ｔｃなどの何れかの状態量から発電機２が回生動作をしているか否かを判定して、ゲート遮断信号ＧＳＴＯＰを出力する。例えば、トルク推定値Ｔｃの符号が負であるなら、発電機２は回生をしていると判定してゲート遮断信号ＧＳＴＯＰを出力する。
【００３１】
また、コンバータ制御器９の構成は図５に示した通りである。図５に示すように、コンバータ制御器９は、電圧制御器１８、下限トルクリミッタ１９および速度ＰＩ制御器２０を有して構成されている。
【００３２】
コンバータ制御器９は、システム制御器８から送出された発電機回転数指令値ωｃ_ｒｅｆＮに対し、発電機２の回転軸から取得する発電機回転速度ω_ｃとの差分情報Δωを演算する。その後、速度ＰＩ制御器２０は、予め所望の速度制御応答に基づいて設定されたゲインに基づいた比例積分演算をΔωに施し、その演算結果を発電機トルク指令値Ｔｃ_ｒｅｆ１として出力する。発電機トルク指令値Ｔｃ_ｒｅｆ１は、下限トルクリミッタ１９にて下限リミット処理され、発電機トルク指令値Ｔｃ_ｒｅｆ２として電圧制御器１８に出力される。
【００３３】
電圧制御器１８は、発電機２の出力トルクを発電機トルク指令値Ｔｃ_ｒｅｆ２に追従させる所謂ベクトル制御を行い、コンバータ３に出力する電圧指令を調整し、その電圧指令に応じた電圧制御器１８内部でのＰＷＭ演算にてゲート信号ＧＰを生成・出力し、コンバータ３を駆動する。なお、コンバータ３を駆動することにより、発電機２の出力トルクは制御される。
【００３４】
さらに、電圧制御器１８は、電流センサ１１から検出された各相の電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗのうちの少なくとも２つの電流を用いたベクトル制御の過程で得られるトルク分電流Ｉｔ、ｑ軸電流Ｉｑ（何れか一方でも可）、もしくはトルク推定値Ｔｃなどの情報をシステム制御器８に送出する。なお、電圧制御器１８におけるベクトル制御については、公知である種々の手法を用いることができるため、ここでの詳細な説明は省略する。また、システム制御器８による制御は、上述の通りである。
【００３５】
以上の構成要素により、システム制御器８は、バッテリ５の状態や運転台６からの起動信号に応じて、エンジン制御器７を介してエンジン１を制御すると共に、コンバータ制御器９を介して発電機２を制御する。これらの制御により、エンジン起動時において、アイドリング回転数ωｅ_ｉｄｏｌまでの円滑且つ確実な起動が可能となる。
【００３６】
実施の形態１に係る車両制御装置は、上述の機能を有するため、以下に示すような第１〜第４の起動手法などが実行可能となる。
【００３７】
（第１の起動手法）
図６は、実施の形態１の車両制御装置における第１の起動手法を説明する図であり、横軸には時間をとり、縦軸には上からエンジン回転数、発電機トルクおよび発電機速度制御区間を示している。なお、図１において、システム制御器８からコンバータ制御器９に対しては発電機回転数指令値ωｃ_ｒｅｆ１〜Ｎが出力されるが、エンジン制御器７がエンジンを制御するまでの間、具体的には、燃料噴射指令ＦＯＮが出力されるまでの間においては、図６に表記しているエンジン回転数と図４に表記している発電機回転数指令値ωｃ_ｒｅｆ１とは同一の値になる。一方、エンジン１が自身の燃料噴射により駆動力を確立し回転するようになると、エンジン１が自身の駆動力により、発電機回転数指令値ωｃ_ｒｅｆ１より高い回転数であるアイドリング回転数ωｅ_ｉｄｏｌまで加速到達しようとするため、コンバータ制御器９においては速度ＰＩ制御器２０の作用により発電機トルク指令値Ｔｃ_ｒｅｆ１が絞りこまれる。
【００３８】
図６に戻り、第１の起動手法では、回転数閾値ωｅ_ｔｈを発電機回転数指令値ωc_ｒｅｆ１とアイドリング維持最低回転数ωｅ_ｉｄｏｌ_ｍｉｎとの間に設定している。エンジンの起動指令である車両起動信号Ｓｔａｒｔが運転台６からシステム制御器８に出力されると、システム制御器８からの信号によりコンバータ制御器９が発電機２を制御して発電機２およびエンジン１の回転数を制御する。エンジン回転数は発電機回転数指令値ωｃ_ｒｅｆ１に追従し、発電機トルクは発電機回転数指令値ωｃ_ｒｅｆ１に応じたトルク値が出力される。そして、エンジン１へ燃料噴射が開始されると、エンジン回転数は発電機回転数指令値ωｃ_ｒｅｆ１を超え急激に上昇し、回転数閾値ωｅ_ｔｈに達するとゲート遮断信号ＧＳＴＯＰが出力され、アイドリング回転数ωｅ_ｉｄｏｌを維持したまま自立して回転し続ける。この制御を行うとき、発電機回転数指令値ωｃ_ｒｅｆ１と発電機回転速度ω_ｃとの差分情報による速度ＰＩ制御器２０の作用により発電機トルクは、図示のようにある一定値から零に向かって減少し、さらには回生トルクが生じる負の値になろうとするが、回転数閾値ωｅ_ｔｈを超える前にゲート遮断信号ＧＳＴＯＰが出力されて発電機２の駆動が停止されるので、回生トルクが生じる部分の面積（図示のＫ１の部分）を非常に小さくすることができる。これにより、エンジン起動時において、発電機トルクとエンジントルクとが互いに干渉することが殆どなくなるので、アイドリング回転数ωｅ_ｉｄｏｌまでスムーズに起動することが可能となる。また、発電機トルクとエンジントルクとの干渉を小さくできるので、エンジンの起動を円滑且つ確実に実行することが可能となる。
【００３９】
（第２の起動手法）
図７は、実施の形態１の車両制御装置における第２の起動手法を説明する図である。この図７に示す第２の起動手法では、発電機回転数指令値を多段に設け、時間間隔Ｔ毎に徐々に上げるようにしている。具体的に、図７の例では、発電機回転数指令値をωｃ_ｒｅｆ１に設定した後、時間間隔Ｔ１後に発電機回転数指令値をωｃ_ｒｅｆ２に上昇させ、発電機回転数指令値がωｃ_ｒｅｆ２のときに燃料噴射指令ＦＯＮを出力している。この制御により、例えば寒冷時において、エンジン１の潤滑状態が悪く、発電機回転数指令値ωｃ_ｒｅｆ１ではエンジン１の起動ができない場合でも、発電機回転数指令値をωｃ_ｒｅｆ２に上昇させてエンジン１の起動を開始することができる。すなわち、エンジン１側の起動特性が環境温度に依存して変化する場合であっても、起動の確実性が増すという効果がある。
【００４０】
（第３の起動手法）
図８は、実施の形態１の車両制御装置における第３の起動手法を説明する図である。この図８に示す第３の起動手法では、発電機２の回転数制御において期間上限値Ｔｍａｘを設定するようにしている。具体的に、図８の例では、期間上限値Ｔｍａｘを超えてもエンジンの燃料噴射指令ＦＯＮが確立せずエンジン回転数がアイドリング回転数ωｅ_ｉｄｏｌまで上昇しなかった場合には、発電機２の通電をオフするためにゲート遮断信号ＧＳＴＯＰを出力する。この制御により、エンジン１の故障および不具合を判定し、異常な回転状態を脱してエンジン１を保護することが可能となる。
【００４１】
（第４の起動手法）
図９は、実施の形態１の車両制御装置における第４の起動手法を説明する図である。この第４の起動手法では、発電機２の回転数制御を行う場合に、コンバータ制御器９に設けられた下限トルクリミッタ１９（図５参照）のリミット値を図９の時間軸上に二点差線で示すように零に設定して回生動作を抑止する。この制御により、発電機トルクが零を下回ることがなくなるため、ハッチングで示したＫ２の面積分の回生トルクを生じさせずにエンジン１を起動できるので、エンジンストール（所謂エンスト）を防止しつつ、エンジン１のアイドリング状態への遷移を円滑且つ確実に行うことが可能となる。
【００４２】
以上説明したように、実施の形態１に係る車両制御装置および鉄道用ハイブリッド車両の制御方法によれば、発電機の通電を強制的にオフに制御するときの回転数閾値を燃料噴射開始指令が出されるときのエンジン回転数指令値とエンジンアイドリング回転数との間に設定することにより、エンジン回転数がアイドリング回転数に到達する前に発電機の通電をオフに制御することとしたので、発電機を用いたエンジンの起動を円滑且つ確実に行うことが可能となる。
【００４３】
また、実施の形態１に係る車両制御装置および鉄道用ハイブリッド車両の制御方法によれば、発電機回転数指令値を多段に設けると共に、多段に設けた発電機回転数指令値を所定の時間間隔毎に小さい方から順次選択してエンジン回転数を徐々に上昇させることとしたので、エンジン１側の起動特性が環境温度に依存して変化する場合であっても、起動の確実性を増大させることが可能となる。
【００４４】
また、実施の形態１に係る車両制御装置および鉄道用ハイブリッド車両の制御方法によれば、所定の期間上限値を設け、この期間上限値を超えてもエンジンの燃料噴射が確立せず、エンジン回転数がアイドリング維持回転数まで上昇しなかった場合に、発電機の通電をオフに制御することとしたので、エンジンの故障および不具合を判定し、異常な回転状態を脱してエンジンを保護することが可能となる。
【００４５】
また、実施の形態１に係る車両制御装置および鉄道用ハイブリッド車両の制御方法によれば、コンバータ制御器の入力側に下限トルクリミッタを設け、エンジン起動時での回生動作を抑止することとしたので、エンジンストールを防止しつつ、エンジン１のアイドリング状態への遷移を円滑且つ確実に行うことが可能となる。
【００４６】
実施の形態２．
図１０は、実施の形態２に係る起動手法（第５の起動手法）を説明する図である。この第５の起動手法は、実施の形態１に係る第４の起動手法と比較して、システム制御器８からコンバータ３に対してゲート遮断信号ＧＳＴＯＰを伝送するタイミングが異なっている。コンバータ制御器９に設けられた電圧制御器１８（図５参照）は、図１の電流センサ１１が検出した各相の電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗのうちの少なくとも２つを用いて、コンバータ３を制御するゲート信号ＧＰを生成する。電圧制御器１８が実行する制御はベクトル制御と呼ばれているが、このベクトル制御を行うときには、トルク分電流Ｉｔが認識されている。このため、トルク分電流Ｉｔの符号により力行／回生の判別が可能となる。なお、この機能は、図３に示すように、システム制御器８に設けた回生トルク判定部１７が実行する。回生トルク判定部１７は、トルク分電流Ｉｔの符号により力行／回生を判別し、発電機トルクが回生トルクに切り替わるタイミングでゲート遮断信号ＧＳＴＯＰを生成してコンバータ３に出力し、発電機２に対する通電をオフする。この制御により、ハッチングで示したＫ３の面積分の回生トルクを生じさせずにエンジン１を起動することができ、エンジンストール（所謂エンスト）を防止しつつ、エンジン１のアイドリング状態への遷移を円滑且つ確実に実行することが可能となる。
【００４７】
実施の形態３．
図１１は、実施の形態３に係る起動手法（第６の起動手法）を説明する図である。この第６の起動手法は、実施の形態２に係る第５の起動手法と比較して、回生トルクを検出する検出手段が異なっている。具体的に説明すると、実施の形態３では、エンジン１と発電機２とを繋ぐ回転軸にトルク検出器２１を設け、このトルク検出器２１から発電機軸トルクＴｃｋの値を検出する。この発電機軸トルクＴｃｋは、システム制御器８の回生トルク判定部１７に伝送され、回生トルク判定部１７にて回生動作の有無が判定される。なお、これ以降の動作は、実施の形態２と同様であり、詳細な説明は省略する。
【００４８】
この第６の起動手法によれば、発電機２を用いてエンジン１の起動制御を行う際、トルク検出器２１が検出した発電機軸トルクＴｃｋに基づいて発電機２における回生動作の有無を判定し、回生動作が生じた場合、ゲート遮断信号ＧＳＴＯＰを生成してコンバータ３に出力し、発電機２に対する通電をオフに制御することとしたので、エンジンストールを防止しつつ、エンジン１のアイドリング状態への遷移を円滑且つ確実に実行することが可能となる。
【００４９】
なお、以上の実施の形態１，２に示した構成は、本発明の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
以上のように、本発明は、発電機を用いたエンジンの起動を円滑且つ確実に実行することができる車両制御装置および鉄道用ハイブリッド車両の制御方法として有用である。
【符号の説明】
【００５１】
１  エンジン
２  発電機
３  コンバータ
４  負荷装置
５  バッテリ
６  運転台
７  エンジン制御器
８  システム制御器
９  コンバータ制御器
１０  回転速度検出器
１１  電流センサ
１２  起動判定部
１３  発電機回転数指令値ＭＡＰ
１４〜１６  比較器
１７  回生トルク判定部
１８  電圧制御器
１９  下限トルクリミッタ
２０  速度ＰＩ制御器
２１  トルク検出器
【図１】
2013114575.tif 000003
【図２】
2013114575.tif 000004
【図３】
2013114575.tif 000005
【図４】
2013114575.tif 000006
【図５】
2013114575.tif 000007
【図６】
2013114575.tif 000008
【図７】
2013114575.tif 000009
【図８】
2013114575.tif 000010
【図９】
2013114575.tif 000011
【図１０】
2013114575.tif 000012
【図１１】
2013114575.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成24年9月14日(2012.9.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンと、エンジンの動作を制御するエンジン制御器と、前記エンジンに連結される発電機と、前記発電機が出力する交流電力を所望の直流電力に変換するコンバータと、前記コンバータの動作を制御するコンバータ制御器と、前記コンバータから直流電力の供給を受けて動作する負荷装置と、前記発電機の回転速度を検出する回転速度検出器と、前記負荷装置と前記発電機とに電気的に接続されたバッテリと、を備えた車両駆動システムに適用され、前記エンジンの起動を制御可能に構成される車両制御装置であって、
前記エンジン制御器、前記コンバータ制御器および前記コンバータを統括的に制御するシステム制御器が設けられ、
前記システム制御器は、
回転数指令値として、複数個の指令値が多段に設けられるとき、前記コンバータ制御器を通じて前記エンジンのアイドリング維持回転数よりも小さな回転数指令値で前記発電機を駆動すると共に、所定時間の経過後に前記エンジン制御器を通じて前記エンジンに対する燃料噴射を開始し、
前記多段に設けた回転数指令値を所定の時間間隔毎に小さい方から順次選択して前記発電機を駆動することを特徴とする車両制御装置。
【請求項２】
エンジンと、エンジンの動作を制御するエンジン制御器と、前記エンジンに連結される発電機と、前記発電機が出力する交流電力を所望の直流電力に変換するコンバータと、前記コンバータの動作を制御するコンバータ制御器と、前記コンバータから直流電力の供給を受けて動作する負荷装置と、前記発電機の回転速度を検出する回転速度検出器と、前記負荷装置と前記発電機とに電気的に接続されたバッテリと、を備えた車両駆動システムに適用され、前記エンジンの起動を制御可能に構成される車両制御装置であって、
前記エンジン制御器、前記コンバータ制御器および前記コンバータを統括的に制御するシステム制御器が設けられ、
前記システム制御器は、
前記コンバータ制御器を通じて前記エンジンのアイドリング維持回転数よりも小さな回転数指令値で前記発電機を駆動すると共に、所定時間の経過後に前記エンジン制御器を通じて前記エンジンに対する燃料噴射を開始し、
前記コンバータには、前記発電機に対するトルク指令の下限値を０にリミットする下限トルクリミッタが設けられ、
前記下限トルクリミッタは、前記エンジンの起動時における回生動作を抑止することを特徴する車両制御装置。
【請求項３】
前記エンジンの回転数が前記回転数指令値よりも大きく、且つ、前記アイドリング維持回転数よりも小さい所定の閾値に到達すると前記発電機の通電をオフする制御信号を前記コンバータに出力することを特徴とする請求項１に記載の車両制御装置。
【請求項４】
前記発電機の制御には、期間上限値が設定されており、前記期間上限値を超えても前記エンジンの燃料噴射が確立せず、且つ、前記エンジンの回転数が前記アイドリング維持回転数まで到達しなかった場合に、前記発電機の通電をオフすることを特徴とする請求項１に記載の車両制御装置。
【請求項５】
前記エンジンと前記発電機とを繋ぐ回転軸にはトルク検出器が設けられており、
前記システム制御器は、前記トルク検出器が検出したトルク値に基づいて前記発電機における回生動作の有無を判定し、回生動作が生じていると判定した場合に前記発電機の通電をオフする制御信号を前記コンバータに出力することを特徴とする請求項１または２に記載の車両制御装置。
【請求項６】
エンジンと、エンジンの動作を制御するエンジン制御器と、前記エンジンに連結される発電機と、前記発電機が出力する交流電力を所望の直流電力に変換するコンバータと、前記コンバータの動作を制御するコンバータ制御器と、前記コンバータから直流電力の供給を受けて動作する負荷装置と、前記負荷装置と前記発電機とに電気的に接続されたバッテリと、を備えた鉄道用ハイブリッド車両の制御方法であって、
前記コンバータ制御器を通じて前記エンジンのアイドリング維持回転数よりも小さな回転数指令値で前記発電機を駆動する第１ステップと、
所定時間の経過後に前記エンジン制御器を通じて前記エンジンに対する燃料噴射を開始する第２ステップと、
を含み、
前記第１ステップには、多段に設けた回転数指令値を所定の時間間隔毎に小さい方から順次選択して前記発電機を駆動するサブステップが含まれることを特徴とする鉄道用ハイブリッド車両の制御方法。
【請求項７】
前記エンジンの回転数が前記回転数指令値よりも大きく、且つ、前記アイドリング維持回転数よりも小さい所定の閾値に到達すると前記発電機の通電をオフする制御信号を前記コンバータに出力する第３ステップを含むことを特徴とする請求項６に記載の鉄道用ハイブリッド車両の制御方法。
【請求項８】
前記発電機の制御には、期間上限値が設定されており、この期間上限値を超えても前記第２のステップにおける燃料噴射が確立せず、且つ、前記エンジンの回転数が前記アイドリング維持回転数まで到達しなかった場合には、前記第３のステップの条件が満足しない場合でも前記発電機の通電をオフに制御することを特徴とする請求項６に記載の鉄道用ハイブリッド車両の制御方法。
【手続補正書】
【提出日】平成24年12月28日(2012.12.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンと、エンジンの動作を制御するエンジン制御器と、前記エンジンに連結される発電機と、前記発電機が出力する交流電力を所望の直流電力に変換するコンバータと、前記コンバータの動作を制御するコンバータ制御器と、前記コンバータから直流電力の供給を受けて動作する負荷装置と、前記発電機の回転速度を検出する回転速度検出器と、前記負荷装置と前記発電機とに電気的に接続されたバッテリと、を備えた車両駆動システムに適用され、前記エンジンの起動を制御可能に構成される車両制御装置であって、
前記エンジン制御器、前記コンバータ制御器および前記コンバータを統括的に制御するシステム制御器が設けられ、
前記システム制御器は、
回転数指令値として、複数個の指令値が多段に設けられるとき、前記コンバータ制御器を通じて前記エンジンのアイドリング維持回転数よりも小さな回転数指令値で前記発電機を駆動すると共に、所定時間の経過後に前記エンジン制御器を通じて前記エンジンに対する燃料噴射を開始し、
前記多段に設けた回転数指令値を所定の時間間隔毎に小さい方から順次選択して前記発電機を駆動することを特徴とする車両制御装置。
【請求項２】
エンジンと、エンジンの動作を制御するエンジン制御器と、前記エンジンに連結される発電機と、前記発電機が出力する交流電力を所望の直流電力に変換するコンバータと、前記コンバータの動作を制御するコンバータ制御器と、前記コンバータから直流電力の供給を受けて動作する負荷装置と、前記発電機の回転速度を検出する回転速度検出器と、前記負荷装置と前記発電機とに電気的に接続されたバッテリと、を備えた車両駆動システムに適用され、前記エンジンの起動を制御可能に構成される車両制御装置であって、
前記エンジン制御器、前記コンバータ制御器および前記コンバータを統括的に制御するシステム制御器が設けられ、
前記システム制御器は、
前記コンバータ制御器を通じて前記エンジンのアイドリング維持回転数よりも小さな回転数指令値で前記発電機を駆動すると共に、所定時間の経過後に前記エンジン制御器を通じて前記エンジンに対する燃料噴射を開始し、
前記コンバータには、前記発電機に対する発電機回転数指令値と前記発電機回転数との差分情報を入力とする比例積分制御に基づいたトルク指令に対して下限値を０にリミットする下限トルクリミッタが設けられ、
前記下限トルクリミッタは、前記エンジンの起動時における回生動作を抑止することを特徴する車両制御装置。
【請求項３】
前記エンジンの回転数が前記回転数指令値よりも大きく、且つ、前記アイドリング維持回転数よりも小さい所定の閾値に到達すると前記発電機の通電をオフする制御信号を前記コンバータに出力することを特徴とする請求項１または２に記載の車両制御装置。
【請求項４】
前記発電機の制御には、期間上限値が設定されており、前記期間上限値を超えても前記エンジンの燃料噴射が確立せず、且つ、前記エンジンの回転数が前記アイドリング維持回転数まで到達しなかった場合に、前記発電機の通電をオフすることを特徴とする請求項１または２に記載の車両制御装置。
【請求項５】
前記エンジンと前記発電機とを繋ぐ回転軸にはトルク検出器が設けられており、
前記システム制御器は、前記トルク検出器が検出したトルク値に基づいて前記発電機における回生動作の有無を判定し、回生動作が生じていると判定した場合に前記発電機の通電をオフする制御信号を前記コンバータに出力することを特徴とする請求項１または２に記載の車両制御装置。
【請求項６】
エンジンと、エンジンの動作を制御するエンジン制御器と、前記エンジンに連結される発電機と、前記発電機が出力する交流電力を所望の直流電力に変換するコンバータと、前記コンバータの動作を制御するコンバータ制御器と、前記コンバータから直流電力の供給を受けて動作する負荷装置と、前記負荷装置と前記発電機とに電気的に接続されたバッテリと、を備えた鉄道用ハイブリッド車両の制御方法であって、
前記コンバータ制御器を通じて前記エンジンのアイドリング維持回転数よりも小さな回転数指令値で前記発電機を駆動する第１ステップと、
所定時間の経過後に前記エンジン制御器を通じて前記エンジンに対する燃料噴射を開始する第２ステップと、
を含み、
前記第１ステップには、多段に設けた回転数指令値を所定の時間間隔毎に小さい方から順次選択して前記発電機を駆動するサブステップが含まれることを特徴とする鉄道用ハイブリッド車両の制御方法。
【請求項７】
前記エンジンの回転数が前記回転数指令値よりも大きく、且つ、前記アイドリング維持回転数よりも小さい所定の閾値に到達すると前記発電機の通電をオフする制御信号を前記コンバータに出力する第３ステップを含むことを特徴とする請求項６に記載の鉄道用ハイブリッド車両の制御方法。
【請求項８】
前記発電機の制御には、期間上限値が設定されており、この期間上限値を超えても前記第２のステップにおける燃料噴射が確立せず、且つ、前記エンジンの回転数が前記アイドリング維持回転数まで到達しなかった場合には、前記第３のステップの条件が満足しない場合でも前記発電機の通電をオフに制御することを特徴とする請求項６に記載の鉄道用ハイブリッド車両の制御方法。
【国際調査報告】
2013114575.tif 000014
2013114575.tif 000015