(57)【要約】【課題】鉄道車両の運行時において、走行パターンもしくは減速パターンから、走行中もしくは減速時に得られる回生エネルギーを予測し、その回生エネルギーを有効に使用することで列車を高効率に運転するシステムを提供すること。【解決手段】エンジンで発電し、インバータを駆動することで走行する鉄道車両システムに、エネルギー蓄積装置を加えることで、回生エネルギーをエネルギー蓄積装置に貯蔵するとともに、エネルギー蓄積装置が、状況に応じて充放電を行うことによりエンジンを一定に動かすことができる。これにより、高効率な運転が可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンと、
前記エンジンに接続された発電機と、
前記発電機と接続され、前記発電機から出力された出力電力を直流に変換する整流器と、
前記整流器に接続され、前記整流器から出力された直流の出力電力を交流に変換するインバータと、
前記インバータに接続されたモーターと、
前記整流器と前記インバータ間に接続され、エネルギーを充放電可能なエネルギー蓄積装置と、
前記エネルギー蓄積装置の充放電を制御するエネルギー制御装置と、を有し、
前記エネルギー制御装置は、あらかじめ分かっている走行パターンを元にエネルギー消費量を予測して、前記エンジンと前記エネルギー蓄積装置の使用比率を決定し列車を制御する機能を有することを特徴とする鉄道車両。
【請求項２】
エンジンと、
前記エンジンに接続された発電機と、
前記発電機と接続され、前記発電機から出力された出力電力を直流に変換する整流器と、
前記整流器に接続され、前記整流器から出力された直流の出力電力を交流に変換するインバータと、
前記インバータに接続されたモーターと、
前記整流器と前記インバータ間に接続され、エネルギーを充放電可能なエネルギー蓄積装置と、
前記エネルギー蓄積装置の充放電を制御するエネルギー制御装置と、を有し、
前記エネルギー制御装置は、前記エネルギー蓄積装置の特性によって決まる充電性能と放電性能から構成されるエネルギー蓄積装置の充電パターンから前記エンジンと前記エネルギー蓄積装置の使用比率を決定し、制御を行う機能を有することを特徴とする鉄道車両。
【請求項３】
エンジンと、
前記エンジンに接続された発電機と、
前記発電機と接続され、前記発電機から出力された出力電力を直流に変換する整流器と、
前記整流器に接続され、前記整流器から出力された直流の出力電力を交流に変換するインバータと、
前記インバータに接続されたモーターと、
前記整流器と前記インバータ間に接続され、エネルギーを充放電可能なエネルギー蓄積装置と、
前記エネルギー蓄積装置の充放電を制御するエネルギー制御装置と、を有し、
前記エネルギー制御装置は、あらかじめ分かっている走行パターンとエネルギー蓄積装置の特性によって決まる充電性能と放電性能から構成されるエネルギー蓄積装置の充電パターンを元にエネルギー消費量を予測して、前記エンジンと前記エネルギー蓄積装置の使用比率を決定し列車を制御する機能を有することを特徴とする鉄道車両。
【請求項４】
請求項１〜３記載の鉄道車両において、
実際に乗った人数を考慮した走行パターンを元に、前記エンジンと前記エネルギー蓄積装置の使用比率を決定することを特徴とする鉄道車両。
【請求項５】
請求項１〜３記載の鉄道車両において、
前記エネルギー蓄積装置の寿命を最適化するように鉄道車両を制御することを特徴とする鉄道車両。
【請求項６】
請求項１〜３記載の鉄道車両において、
鉄道車両が使用するエネルギーを最も省エネとなるように鉄道車両を制御することを特徴とする鉄道車両。
【請求項７】
請求項１〜６記載の鉄道車両において、
あらかじめ準備された複数の運転モードを有し、前記エネルギー蓄積装置の充電状態や駅間の運転時間を考慮して、前記モードの中から適時選択して走行することを特徴とする鉄道車両。
【請求項８】
請求項１〜７記載の鉄道車両において、
前記エネルギー蓄積装置が充放電可能な電池であることを特徴とする鉄道車両。
【請求項９】
請求項１〜８の鉄道車両において、
前記エンジンが燃料電池であることを特徴とする鉄道車両。
【請求項１０】
請求項１〜９の鉄道車両において、
重量センサーを有することを特徴とする鉄道車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モーター，エンジン，バッテリー，整流器，インバータ，発電機，エネルギー蓄積装置によって構成される鉄道車両の制御装置および制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の鉄道車両としては、ディーゼルエンジンだけで走行するディーゼル車両、もしくはディーゼルエンジン，発電機，整流器，インバータ，モーターから構成される発電機内蔵型電車が使われていた。前者のディーゼル車両では、エンジンの回転を制御し、動力伝達装置で車輪へ伝達することで加速運転が行われる。一方、ブレーキ時は一般にブレーキで制動されることで、車両のブレーキが行われる。
【０００３】
後者の発電機内蔵型電車は、次のように加減速が行われる。加速時は、エンジンで発電機を回し、交流電力を得る。交流電力は整流器にて直流電力に変換され、インバータに加えられる。インバータでは、直流電力を交流電力に変換しモーターに供給することで、電車の加速が行われる。ブレーキには二通りの方法がある。一つは、ディーゼルエンジン車両と同じように、ブレーキ装置を使用したブレーキ方法である。もう一つは、モーターを発電機として使用する電気ブレーキを使用した方法がある。これは、モーターからの交流電力をインバータで直流電力変換し、抵抗などで消費されることで、ブレーキ力を得る方法である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、これらの車両は、エネルギー蓄積装置がないためにブレーキ時のエネルギーを利用できない。例えば、空気ブレーキを使用した場合、運動エネルギーをブレーキにて熱エネルギーにして捨てるため、エネルギーの無駄が発生する。また、ブレーキシューが減るために頻繁な交換作業が発生し、メンテナンスコストがかさむという問題も生じる。電気ブレーキでブレーキする場合は、発電した電力を抵抗等で熱に変換して捨てることでブレーキ力を得ることから、エネルギーのロスが発生する。
【０００５】
本発明の目的は、ブレーキ時に得られる回生エネルギーのロスとエンジンを一定に動かすことができないことを高効率な運転をすることを可能とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
そこで、本発明では、エネルギーロスやブレーキシューの消費を防止することを目的としたものであり、以下の構成によって課題を解決する。エンジンに何らかの動力伝達装置を通してつながる発電機と、その発電機の出力を直流に変換する整流器と、整流器につながるインバータとインバータにつながるモーターから構成される従来の鉄道車両に、整流器とインバータの間の配線から分岐してつながるエネルギー蓄積装置と、整流器とインバータとエネルギー蓄積装置の間にエネルギー制御装置を加えることによって、以下のことが可能となる。
【０００７】
加速時においては、エンジンによって発電機を回して発電し、その出力電力を整流器にて直流に変換し、インバータで、直流電力を交流電力に変換し、モーターを駆動して加速する。この時、エネルギー蓄積装置があることによって、エンジンを一定回転に動かすように制御することにより高効率な運転をすることが可能となる。例えば、エンジンの回転数が少なくエネルギーが足りない場合には、エネルギー蓄積装置から必要とするエネルギーを出力する。逆に、エンジンの回転数が多く、エネルギーが余る場合には、エネルギー蓄積装置に貯蓄するといったことが可能となる。
【０００８】
一方、ブレーキ時においては、熱エネルギーとして捨てていたものを回生エネルギーとして、エネルギー蓄積装置に貯蓄することが可能となり、高効率な運転を行うことが可能となる。
【０００９】
そして本発明は、エンジン，発電機，整流器，インバータ，モーター，エネルギー蓄積装置を有するものであって、あらかじめ分かっている走行パターンを元にエネルギー消費量を予測して、前記エンジンと前記エネルギー蓄積装置の使用比率を決定し列車を制御する機能を有することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、エネルギー蓄積装置の特性によって決まる充電性能と放電性能から構成されるエネルギー蓄積装置の充電パターンから前記エンジンと前記エネルギー蓄積装置の使用比率を決定し、制御を行う機能を有することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、あらかじめ分かっている走行パターンとエネルギー蓄積装置の特性によって決まる充電性能と放電性能から構成されるエネルギー蓄積装置の充電パターンを元にエネルギー消費量を予測して、前記エンジンと前記エネルギー蓄積装置の使用比率を決定し列車を制御する機能を有することを特徴とする。
【００１２】
実際に乗った人数を考慮した走行パターンを元に、前記エンジンと前記エネルギー蓄積装置の使用比率を決定すること、
前記エネルギー蓄積装置の寿命を最適化するように鉄道車両を制御すること、
鉄道車両が使用するエネルギーを最も省エネとなるように鉄道車両を制御すること、
あらかじめ準備された複数の運転モードを有し、前記エネルギー蓄積装置の充電状態や駅間の運転時間を考慮して、前記モードの中から適時選択して走行すること、
エネルギー蓄積装置が充放電可能な電池であること、
エンジンが燃料電池であること、
重量センサーが取り付けられていること、があっても良い。
【００１３】
具体的には、以下に述べる実施例にて説明する。
【発明の効果】
【００１４】
以上のシステムおよび制御方法を実現することにより、エネルギー蓄積装置の充電状態や運転時分の余裕などを考慮して、その運転モードを切り替えることによりエネルギー蓄積装置の寿命を伸ばすことや省エネルギーの運転をすることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
実施例として以下に述べる。
【００１６】
図１に示したように、ハイブリット鉄道車両１１は、エンジン１２に何らかの動力伝達装置を通してつながる発電機１３と、その発電機１３の出力を直流に変換する整流器１４と、整流器につながるインバータ１５とインバータにつながるモーター１６と整流器１４とインバータ１５の間の配線から分岐してつながるエネルギー蓄積装置１７から構成される。前記、エネルギー蓄積装置１７としては、ニッケルカドミウム電池，リチウムイオン電池，鉛電池などのように充放電可能な電池が考えられる。また、整流器１４とインバータ１５とエネルギー蓄積装置１７にエネルギー制御装置１８が接続され、エネルギー制御装置１８に重量センサー１９がつながる構成とする。
【００１７】
加速時においては、エンジン１２の回転数を上げて発電機１３に動力を伝達し、発電機１３にて発電し、その出力電力を整流器１４にて直流に整流し、その直流電力はインバータ１５に伝達される。インバータ１５では、直流電力を交流に変換し、モーター１６に供給し、モーター１６を制御して加速する。また、整流器１４の直流出力は、エネルギー蓄積装置１７に供給され、必要に応じて蓄えられる。この時、インバータ１５とエネルギー蓄積装置１７に電力をどれだけ使用するかについては、エネルギー制御装置１８にて決定する。このエネルギー制御装置１８については後述する。
【００１８】
また、ブレーキ時においては、モーター１６の出力をインバータ１５の入力とし、インバータ１５にて直流電力に変換した後、エネルギー蓄積装置１７に必要に応じて蓄えられる。
【００１９】
エネルギー制御装置１８について説明する。
【００２０】
エネルギー制御装置１８は図３〜図５に示すものが考えられ、走行パターンＤＢ３１，走行パターン作成部３２，充電パターンＤＢ３３，運転モード切替装置３４，運転制御部３５、図９に示すようなダイヤＤＢ３６と路線ＤＢ３７で構成されている。このうち路線ＤＢ３７は、図１０に示すように、図１１のように構成される勾配ＤＢ１０１，図１２のように構成される曲線ＤＢ１０２，図１３のように構成されるトンネルＤＢ１０３，図
１４のように構成される制限速度ＤＢ１０４，図１５のように構成される臨時速度制限
ＤＢ１０５，図１６のように構成される閉塞割ＤＢ１０６で構成されている。ここで、述べているＤＢの例では、全体の閉塞番号□番の閉塞内位置×としているが、たとえば、駅や駅構内番号◎の閉塞番号〇番の閉塞内位置△とするＤＢであってもよい。
【００２１】
エネルギー制御装置１８の動作例を図６を用いて説明する。
【００２２】
ステップ６０１では、走行パターンＤＢ３１に、図２に示しているような、鉄道車両がどのように加速⇔定速⇔惰行⇔ブレーキをするかを示す走行パターン（ランカーブ）２１もしくは鉄道車両がどのように停止するかを示す停止パターン２２があるかどうかを調べる。前記走行パターン（ランカーブ）２１もしくは前記停止パターン２２があればステップ６０２へ進む。なければステップ６０３へ進む。
【００２３】
ステップ６０２では、ＤＢ上にある前記走行パターン（ランカーブ）２１もしくは前記停止パターン２２から最も良いと思われるものを選択する。この選択の方法としては、例えば、図１に示す重量センサー１９などを用い乗車数を推定して、その乗車数に最も近いものを選択する方法や、天候条件などを考慮して推定する方法や、それらを組み合わせて推定する方法がある。また、前記走行パターン（ランカーブ）２１もしくは前記停止パターン２２を選択するのは、運転手，車掌に行わせるといった方法でもよい。次にステップ６０５に進む。
【００２４】
ステップ６０３では、前記走行パターン作成部３２があるかどうかを調べる。もし、あればステップ６０４に進む。ない場合、この場合走行するパターンもしくは停止パターンがわからないため、推定した走行をすることは不可能であることから終了となる。
【００２５】
ステップ６０４では、前記走行パターン作成部３２にて、前記走行パターン（ランカーブ）２１もしくは前記停止パターン２２を作成する。前記走行パターン（ランカーブ）
２１は自動列車制御装置（ＡＴＯ）などを用いてオンラインで作成することや、オフラインであらかじめ作成しておくことが考えられる。また、前記停止パターン２２だけを考慮して、それ以外は運転手に任せる方法でもよい。次にステップ６０５に進む。
【００２６】
ステップ６０５では、前記走行パターン（ランカーブ）２１もしくは前記停止パターン２２から、走行中に回生されるエネルギー量を推定する。次にステップ６０６に進む。
【００２７】
ステップ６０６では、運転制御部３５にて、処理を行い、運行に支障が出ない運転モードを選択する。この運転制御部３５については後述する。次にステップ６０７に進む。
【００２８】
ステップ６０７では、運転モード切替装置３４に選択した運転モードにするように転送し運転モードを切り替える。この運転モードは図９に示す４つのモードでエネルギー蓄積装置優先モード８２，エネルギー蓄積装置運行モード８３，省エネ優先モード８４，速達優先モード８５で構成されている。エネルギー蓄積装置優先モード８２はエネルギー蓄積装置の寿命を優先する方法である。前記エネルギー蓄積装置の寿命を優先する方法は、一般的に、充電と放電を短い間隔で繰り返したほうがエネルギー蓄積装置の寿命がよいと言われるため、加速モードと定速モードと惰行モードを繰り返しながら運行することとなる。そのため、運転時分は遅くなる。これについて図１７を用いてその動作例を説明する。
【００２９】
ステップ１７０１では、充電パターンＤＢ３３から、エネルギー蓄積装置の特性情報を得る。次にステップ１７０２に進む。
【００３０】
ステップ１７０２では、ステップ１７０１で得たエネルギー蓄積装置の特性情報から、鉄道車両がどのように放電・充電を繰り返すのがよいかを決定し、それを元にランカーブを作成する。
【００３１】
エネルギー蓄積装置運行モード８３はエネルギー蓄積装置だけで動作する方法である。この方法は、架線がない場所を走行する場合などに使用する。これについて図１８を用いてその動作例を説明する。
【００３２】
ステップ１８０１では、充電パターンＤＢ３３から、エネルギー蓄積装置の特性情報および充電容量を得る。次にステップ１８０２に進む。
【００３３】
ステップ１８０２では、ステップ１８０１で得たエネルギー蓄積装置の特性情報および充電容量から、エネルギー蓄積装置のエネルギーが０にならないように、加速，定速，惰行，ブレーキを組み合わせたランカーブを作成する。
【００３４】
省エネ優先モード８４は全体としてのエネルギー省力化であり、エネルギー蓄積装置とモーターをうまく配分する運転を行う。この時は、運転時分を遵守する範囲で列車全体としてエネルギーが最も省力化される。これについて図１９を用いてその動作例を説明する。
【００３５】
ステップ１９０１では、自列車がどのくらいで走行すればよいのかという運転時分情報をダイヤＤＢ３６から得る。次にステップ１９０２に進む。
【００３６】
ステップ１９０２では、充電パターンＤＢ３３から、エネルギー蓄積装置の特性情報および充電容量を得る。次にステップ１９０３に進む。
【００３７】
ステップ１９０３では、ステップ１９０２で得たエネルギー蓄積装置の特性情報および充電容量から、エネルギー蓄積装置がどれだけ放電できるかを求める。次にステップ１９０４に進む。
【００３８】
ステップ１９０４では、ステップ１９０１で得た運転時分を遵守しつつ、最も省エネルギーとなるように、ステップ１９０３で求めたエネルギー蓄積装置の放電量とモーターの配分を決定し、省エネランカーブを求める。
【００３９】
最速運転（速達優先モード）モード８５は、できるだけ速い運転をする必要がある場合、例えば遅延回復を行う場合などに用いることができる。これについて図２０を用いてその動作例を説明する。
【００４０】
ステップ２００１では、充電パターンＤＢ３３から、エネルギー蓄積装置の特性情報および充電容量を得る。次にステップ２００２に進む。
【００４１】
ステップ２００２では、ステップ２００１で得たエネルギー蓄積装置の特性情報および充電容量から、エネルギー蓄積装置がどれだけ放電できるかを求める。次にステップ2003に進む。
【００４２】
ステップ２００３では、ステップ２００２で求めたエネルギー蓄積装置の放電量をどこで放出するのが最速の運転パターンになるかを決定し、最速ランカーブを求める。
【００４３】
次に運転制御部３５の処理について図７を用いて説明する。
【００４４】
ステップ７０１では、充電パターンＤＢからエネルギー蓄積装置の充電容量，エネルギー蓄積装置の特性情報を取得する。次にステップ７０２に進む。
【００４５】
ステップ７０２では、ダイヤＤＢより列車の運転時分を取得する。ステップ７０３に進む。
【００４６】
ステップ７０３では、ステップ７０１で得たエネルギー蓄積装置の充電容量，エネルギー蓄積装置の特性情報とステップ７０２で得たダイヤ上の運転時分を考慮して、運行に支障が出ないよう運転モードを選択する。
【００４７】
第２の実施例として、図３のエネルギー制御装置１８における運転モードをあらかじめ決定し、エネルギー蓄積装置の充電容量，エネルギー蓄積装置の特性，運行の余裕時間から考慮される走行パターンもしくは停止パターンを作成し、その走行パターンもしくは停止パターンに基づく運転をさせることも可能である。この場合は図６の処理でステップ
６０１からステップ６０６までの処理を行う。
【００４８】
第３の実施例としては、図１で述べたエンジン１２，発電機１３，整流器１４を燃料電池にした場合であり、図２１のように構成される。前記燃料電池２１２は、水の電気分解の逆を利用したもので、水素と酸素を電気的に化学反応させることで、電気を得る電池であり、リン酸型，溶融炭酸塩型，固体電解質型，アルカリ型などがある。図２１の動作を説明する。加速時においては、前記燃料電池２１２は、直流電力を作り出す。この直流電力をインバータ２１３では、交流電力に変換し、モーター２１４に供給し、モーター214を制御して加速する。また、前記燃料電池２１２の直流電力は、エネルギー蓄積装置215に供給され、必要に応じて蓄えられる。この時、インバータ２１３とエネルギー蓄積装置２１５に電力をどれだけ使用するかについては、エネルギー制御装置２１６にて決定する。このエネルギー制御装置２１６については、第１の実施例で述べた前記エネルギー制御装置１８と同じである。
【００４９】
また、ブレーキ時においては、モーター２１４の出力をインバータ２１３の入力とし、インバータ２１３にて直流に変換した後、エネルギー蓄積装置２１５に必要に応じて蓄えられる。以降の処理は、第１の実施例で述べたものと同じになる。
【００５０】
本発明者は、これらのシステムを実現することにより、約２０％の省エネルギー効果が得られることを発見した。具体的に、検討した例について述べる。例えば最高時速１３０ｋｍ／ｈの線区で勾配も曲線もない２０ｋｍを走行したとする。この時に用いた車両性能が加速度１.６ｋｍ／ｈ／ｓ，減速度２.０ｋｍ／ｈ／ｓだとすると加速時に使用するエネルギーが約２５０ｋｗｈ、定速走行時は、走行抵抗のみを考慮したエネルギー量があればよいため約１００ｋｗｈ、ブレーキ時に回生して得られるエネルギーは約２００ｋｗｈ程度となる。実際に運行した場合、従来の鉄道車両では、回生エネルギーが得られないことから、全体で約３５０ｋｗｈかかることになる。本発明では、回生エネルギーを充電することでエネルギーを再利用することが目的である。この効率を約４０％程度とすると、回生エネルギーで約８０ｋｗｈ程度得られるので、実際に使用するエネルギー量は約２７０ｋｗｈとなる。このことから、従来鉄道車両に比べて、約２０％の省エネ効果が得られるといえる。
【００５１】
従来の鉄道車両システムに、エネルギー蓄積装置を加えることで、回生エネルギーをエネルギー蓄積装置に貯蔵するとともに、エネルギー蓄積装置が、状況に応じて充放電を行うことによりエンジンを一定に動かすことができる。これにより、高効率な運転が可能となる。
【００５２】
そして、鉄道車両の運行時において、走行パターンもしくは減速パターンから、走行中もしくは減速時に得られる回生エネルギーを予測し、その回生エネルギーを有効に使用することで列車を高効率に運転するシステムを提供することもできる。
【００５３】
エンジンで発電し、インバータを駆動することで走行する鉄道車両システムに、エネルギー蓄積装置を加えることで、回生エネルギーをエネルギー蓄積装置に貯蔵するとともに、エネルギー蓄積装置が、状況に応じて充放電を行うことによりエンジンを一定に動かすことができる。これにより、高効率な運転が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】ハイブリット鉄道車両の１例。
【図２】走行パターンと停止パターンの１例。
【図３】エネルギー制御装置の１例。
【図４】エネルギー制御装置の１例。
【図５】エネルギー制御装置の１例。
【図６】エネルギー制御装置の動作例。
【図７】運転制御部の動作例。
【図８】運転モード切替装置の１例。
【図９】ダイヤＤＢの１例。
【図１０】路線ＤＢの１例。
【図１１】勾配ＤＢの１例。
【図１２】曲線ＤＢの１例。
【図１３】トンネルＤＢの１例。
【図１４】制限速度ＤＢの１例。
【図１５】臨時速度制限ＤＢの１例。
【図１６】閉塞割ＤＢの１例。
【図１７】エネルギー蓄積装置優先モードの動作例。
【図１８】エネルギー蓄積装置運行モードの動作例。
【図１９】省エネ優先モードの動作例。
【図２０】速達優先モードの動作例。
【図２１】燃料電池を用いた場合のハイブリット鉄道車両。
【符号の説明】
【００５５】
１１，２１１…ハイブリット鉄道車両、１２…エンジン、１３…発電機、１４…整流器、１５，２１３…インバータ、１６，２１４…モーター、１７，２１５…エネルギー蓄積装置、１８，３１，２１６…エネルギー制御装置、１９，２１７…重量センサー、２１…ランカーブ、３２…走行パターン作成部、３３…充電パターンＤＢ、３４…運転モード切替装置、３５…運転制御部、３６…ダイヤＤＢ、３７…路線ＤＢ、８１…モード切替、
８２…エネルギー蓄積装置優先モード、８３…エネルギー蓄積装置運行モード、８４…省エネルギー優先モード、８５…速達優先モード、１０１…勾配ＤＢ、１０２…曲線ＤＢ、
１０３…トンネルＤＢ、１０４…制限速度ＤＢ、１０５…臨時速度制限ＤＢ、１０６…閉塞割ＤＢ、２１２…燃料電池。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2006074998.tif 000017
【図１６】
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【図１７】
2006074998.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
2006074998.tif 000021
【図２０】
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【図２１】
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