(57)【要約】【課題】  ２次電池６のエネルギー残量を考慮してディーゼルエンジン発電機４と電池６とのエネルギー出力分担を制御する鉄道車両１において、寒冷時に、効率よく、速やかに電池６の暖機を行うこと。【解決手段】  当日の運転終了までの時間又は走行予定距離が所定値以下になったことを検出し、電池６のエネルギー残存量に対する目標値を低下させる。これにより、電池６内のエネルギー残存量を減らしておき、翌朝の始動時に、エンジン発電機４からの充電による電池６の暖機運転を確実に行い、速やか、かつ効率よい電池暖機が可能である。【選択図】  図１
2006238543.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料により発電する発電装置と、２次電池、電気二重層キャパシタ等の蓄電装置と、前記発電装置及び／又は前記蓄電装置からの電力を主電動機に供給する電力変換器とを備え、前記蓄電装置のエネルギー残存量を考慮して前記発電装置と前記蓄電装置とのエネルギー出力分担を制御する鉄道車両の蓄電装置暖機方法であって、当日の運転終了時刻までの時間が所定値以下になったことを検出するステップと、この検出に応じて、前記蓄電装置のエネルギー残存量に対する目標値を低下させるステップを備えたことを特徴とする鉄道車両の蓄電装置暖機方法。
【請求項２】
燃料により発電する発電装置と、２次電池、電気二重層キャパシタ等の蓄電装置と、前記発電装置及び／又は前記蓄電装置からの電力を主電動機に供給する電力変換器とを備え、前記蓄電装置のエネルギー残存量を考慮して前記発電装置と前記蓄電装置とのエネルギー出力分担を制御する鉄道車両の蓄電装置暖機方法であって、当日の運転予定距離が所定値以下になったことを検出するステップと、この検出に応じて、前記蓄電装置のエネルギー残存量に対する目標値を低下させるステップを備えたことを特徴とする鉄道車両の蓄電装置暖機方法。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記発電装置の始動時に、前記蓄電装置のエネルギー残存量が、所定値以下であることに応じて、その上限値を限度として前記発電装置から前記蓄電装置を充電するステップを備えたことを特徴とする鉄道車両の蓄電装置暖機方法。
【請求項４】
請求項１又は２において、前記蓄電装置のエネルギー残存量に対する目標値を低下させるステップは、力行時の前記蓄電装置からの出力を、より低い残存量レベルまで許容するように切替えるステップを含むことを特徴とする鉄道車両の蓄電装置暖機方法。
【請求項５】
ディーゼルエンジン等の動力発生装置と、この動力発生装置によって駆動される発電機と、２次電池、電気二重層キャパシタ等の蓄電装置と、前記発電機及び／又は前記蓄電装置からの電力を主電動機に供給する電力変換器とを備え、前記蓄電装置のエネルギー残存量を考慮して前記動力発生装置と前記蓄電装置とのエネルギー出力分担を制御する鉄道車両の制御装置において、当日の運転終了までの時間又は走行予定距離が所定値以下になったことを検出する手段と、この検出出力に基いて前記蓄電装置のエネルギー残存量の許容レベルを低下させる切替え手段を備えたことを特徴とする鉄道車両の蓄電装置暖機装置。
【請求項６】
ディーゼルエンジン等の動力発生装置と、この動力発生装置によって駆動される発電機と、２次電池、電気二重層キャパシタ等の蓄電装置と、前記発電機及び／又は前記蓄電装置からの電力を主電動機に供給する電力変換器とを備え、前記蓄電装置のエネルギー残存量を考慮して前記動力発生装置と前記蓄電装置とのエネルギー出力分担を制御する鉄道車両の制御装置において、力行時に、前記蓄電装置のエネルギー残存量に３以上の基準レベルを設定する手段と、前記蓄電装置のエネルギー残存量が前記３以上の基準レベルのうちどのレベルにあるかを判断する手段と、この判断したレベルに応じて、前記エネルギー出力分担を決定する手段と、当日の運転終了までの時間又は走行予定距離が所定値以下になったことを検出する手段と、この検出出力に基いて前記蓄電装置のエネルギー残存量の基準レベルを低下させる切替え手段を備えたことを特徴とする鉄道車両の蓄電装置暖機装置。
【請求項７】
請求項５又は６において、前記発電機の始動時に、前記蓄電装置のエネルギー残存量が、所定値以下であることに応じて、その上限値を限度として前記発電機から前記蓄電装置を充電する手段を備えたことを特徴とする鉄道車両の蓄電装置暖機装置。
【請求項８】
ディーゼルエンジンと、このエンジンによって駆動される発電機と、２次電池、電気二重層キャパシタ等の蓄電装置と、前記発電機及び／又は前記蓄電装置からの電力を主電動機に供給するインバータとを備え、前記蓄電装置の残存量を考慮して前記エンジンと前記蓄電装置の出力分担を制御する鉄道車両の制御装置において、力行時に、前記蓄電装置の残存量に３以上の基準レベルを設定する手段と、前記蓄電装置の残存量が前記３以上の基準レベルのうちどのレベルにあるかを判断する手段と、この判断した第１のレベルに応じて、蓄電装置から予定出力、不足分のみをエンジンで補足させ、第２のレベルに応じて、所定回転数でエンジン出力、過不足分を蓄電装置に充放電させ、第３のレベルに応じて、エンジン出力を上げ蓄電装置を充電する出力分担制御手段と、当日の運転終了までの時間又は走行予定距離が所定値以下になったことを検出する手段と、この検出に応じて、前記蓄電装置のエネルギー残存量に対する前記３以上の基準レベルを低下させる手段を備えたことを特徴とする鉄道車両の蓄電装置暖機装置。
【請求項９】
請求項８において、前記第２の蓄電装置の残存量は６０〜３０％以内に設定したことを特徴とする鉄道車両の蓄電装置暖機装置。
【請求項１０】
請求項８又は９において、前記インバータと前記発電機との間に接続されたコンバータと、これらインバータとコンバータの接続点と前記蓄電装置との間に接続された昇降圧チョッパと、前記出力分担制御手段の出力に応じて前記昇降圧チョッパを制御する充放電制御装置を備えたことを特徴とする鉄道車両の蓄電装置暖機装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２次電池、電気二重層キャパシタ等の蓄電装置とディーゼルエンジン発電機等の燃料により発電する発電装置を搭載した鉄道車両の蓄電装置暖機方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジン発電機のほかに、２次電池等の電池を搭載した電動車両においては、この電池を有効に活用し、前記発電機と電池のいずれかの出力電力をインバータで可変電圧可変周波数の３相交流に変換し、車両駆動用の主３相交流電動機に給電する。このとき、車両駆動エネルギーの余剰分や不足分を電池に充放電することにより、エネルギー損失を抑え、高効率運転を行うことができる。
【０００３】
ところで、寒冷時に、電池の温度が下がると、電池内の化学反応が鈍り、効率が低下する。これを防止するため、特許文献１には、ヒータによって電池を暖機する技術が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、始動時のエンジン発電機の出力電圧を電池電圧よりも高くし、電池を充電することで、電池の充電抵抗による発熱により電池を暖機することが開示されている。
【０００５】
さらに、特許文献３には、複数の電池モジュールを備え、一部の電池を発電機で充電するとともに残りの電池から外部負荷に放電させ、その後、充電した一部の電池から放電した残りの電池へ充電して、電池を暖機する技術について提案されている。
【０００６】
【特許文献１】特開平５−２５６２０８号公報（全体）
【特許文献２】特開平７−７９５０３号公報（全体）
【特許文献３】特開２００３‐３２９０１号公報（全体）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１では、暖機のために設けた熱源に頼るために効率が悪く、しかも、暖機に時間を要する課題がある。
【０００８】
また、特許文献２では、電池が満杯近く充電されておれば、十分な暖機は不可能である。
【０００９】
さらに、特許文献３では、外部負荷が必要であり、かつ電池の充電残量が多ければ、十分な暖機を完了するまでに長時間を要する可能性がある。
【００１０】
本発明の目的は、エンジン発電機等の燃料により発電する発電装置と、２次電池、電気二重層キャパシタ等の蓄電装置と、電力変換器及び主電動機を搭載した鉄道車両において、効率よく、蓄電装置の暖機を実現できる鉄道車両の蓄電装置暖機方法及び装置を提供することである。
【００１１】
本発明の他の目的は、速やかな蓄電装置の暖機を実現できる鉄道車両の蓄電装置暖機方法及び装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の望ましい実施態様においては、燃料により発電する発電装置と、２次電池、電気二重層キャパシタ等の蓄電装置と、前記発電装置及び／又は前記蓄電装置からの電力を主電動機に供給する電力変換器とを備え、前記蓄電装置のエネルギー残量を考慮して前記発電装置と前記蓄電装置とのエネルギー出力分担を制御する鉄道車両において、当日の運転終了時刻までの時間が所定値以下になったことを検出し、この検出に応じて、前記蓄電装置のエネルギー残量に対する目標値を低下させる。
【００１３】
また、本発明の他の実施態様においては、当日の運転予定距離が所定値以下になったことを検出し、この検出に応じて、蓄電装置のエネルギー残量に対する目標値を低下させる。
【００１４】
例えば、当日の運転終了時刻までの時間又は当日の運転予定距離が所定値以下になったことを検出し、力行時の蓄電装置からの出力を、より低い蓄電装置の残量レベルまで許容するように切替える。
【００１５】
これにより、翌日の始動時には、低い蓄電装置の残量となっており、発電装置からの充電により、蓄電装置を十分に暖機することができる。
【００１６】
なお、前記発電装置には、ディーゼルエンジンと発電機の組合せのほか、マイクロガスタービンと発電機の組合せや、燃料を用いて発電する燃料電池などが考えられる。以下では、発電装置として、動力発生装置（ディーゼルエンジン）と発電機の組合せを用い、蓄電装置には、２次電池を用いた場合について説明する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の一実施態様によれば、効率よく、電池の暖機を実現できる鉄道車両の電池暖機方法又は装置を提供することができる。
【００１８】
また、本発明の一実施態様によれば、速やかな電池の暖機を実現できる鉄道車両の電池暖機方法又は装置を提供することができる。
【００１９】
本発明によるその他の目的及び特徴は、以下に述べる実施形態によって明らかにする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の一実施形態を図面を参照して説明する。
【００２１】
図１は、本発明の一実施形態による鉄道車両の電池暖機装置を含む制御装置の全体を示す概略構成図である。まず、太線で示す動力系から説明する。鉄道車両１は、主電動機２によって駆動され走行する。主電動機２としては、３相交流電動機（誘導電動機又は同期電動機）が一般的である。この３相交流電動機２に給電するために、インバータ３が搭載され、このインバータ３に対して、発電機４とコンバータ５又は電池６とチョッパ７から直流電力が供給される。発電機４は、ディーゼルエンジン等の動力発生装置８（以下、エンジンと略称）と組合され、発電装置を構成しており、３相交流電力を出力する。この３相交流電力は、コンバータ５によって、直流電力に変換され、前記インバータ３に供給される。一方、電池６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で構成されている。チョッパ７は、この電池６からインバータ３の直流側への放電、あるいはインバータ３の直流側から電池６への充電の双方向制御機能を持つ昇／降圧チョッパである。
【００２２】
次に、細線で示す制御系を述べる。公知の列車制御装置９は、マスコン１０から運転手の指令を受取ってこの列車を制御する。また、後述するデータベース１１及びその他からデータを入力し、前記エンジン８やエネルギー制御装置１２並びに空気ブレーキ１３に指令を発する。エネルギー制御装置１２の詳細は後述するが、前記列車制御装置９、前記データベース１１、電池６の残量及びその他からのデータを入力し、前記列車制御装置９や、充放電制御装置１４に制御指令を与える。
【００２３】
図２は、本発明の一実施形態による鉄道車両の電池暖機装置を含む制御装置におけるエネルギー制御装置１２を中心とする機能ブロック図である。エネルギー制御装置１２は、電池残存エネルギー調整部１２１及び制御モード決定部１２２を備えている。まず、電池残存エネルギー調整部１２１は、電池６の残存エネルギーの目標値を定めるが、通常、その電池６に好適な均衡充電状態に設定されている。そして、データベース１１からの情報に基き、その日の運転終了時刻が近づくと、電池の残存充電量目標値を引き下げる。制御モード決定部１２２は、電池の残存充電量目標値及び電池６の実際の残量情報、並びに列車制御装置９からのノッチ情報とから、エンジン出力指令やブレーキ制御指令を決定し、列車制御装置９へ出力する。列車制御装置９は、これらの指令に基き、エンジン８、空気ブレーキ１３及び充放電制御装置１４を制御する。
【００２４】
図３は、本発明の一実施形態による電池の残存エネルギー調整部１２１における処理フローである。ステップ３０１では、車両運行ダイヤ３０２を読み込むか、又は、運行ダイヤに基き当日の運転終了時刻を入力する。ステップ３０３では、読み込んだ運転終了時刻までの時間が所定値以下になったか否かを判断する。運転終了時刻が近づくと、ステップ３０４に進み、電池の残存エネルギーの目標値を所定の要領で引き下げる。
【００２５】
図４は、本発明の一実施形態によるエンジンと電池のエネルギー分担制御の説明図である。この図は、電池６の充電量の状況に基く省エネルギー運転を表わしたもので、縦軸の充電量（残量）に対し、横軸の力行時及びブレーキ時各２種類の制御形態を示している。使用する電池６の種類に応じて、その長寿命化を図るための最適充放電範囲が決る。この実施形態では、最もエネルギー効率の良い充電量エリアを状態遷移量１〜状態遷移量２とし、長寿命化の観点から、５０〜３０％の範囲で充放電することが望ましい電池の場合を例に採っている。そして、上限１：６０％、上限２：５０％、状態遷移量１：４０％、状態遷移量２：３０％、下限：２０％と定めている。
【００２６】
制御形態は、通常運転時と運転終了時刻間近の２種類に分かれる。まず、力行時について説明する。
【００２７】
通常の力行時には、電池６の充電量が上限２（例えば５０％）以上であれば、電池６は最大（予定）の放電出力とし、不足分をエンジンで補足させる。電池６の充電量が上限２（例えば５０％）から状態遷移量２（例えば３０％）までの理想的領域にあれば、エンジン８はその最良の燃費を発揮する回転数で運転しつつ、過不足分を電池６に充放電する。電池６の充電量が状態遷移量２（例えば３０％）以下であれば、エンジン８はその出力を上げ、余剰分で電池６を充電する。
【００２８】
次に、通常のブレーキ時については、電池６の充電量が上限２（５０％程度）以下であれば、無条件に回生ブレーキを用いる。また、車両が停止に向うブレーキである場合には、停止回生ブレーキ制御により、電池６の充電量上限１（約６０％）まで回生を許容している。これら以上の充電量では、空気ブレーキ又は排気ブレーキを用いる。
【００２９】
これにより、エンジンと電池の協調により、回生電力を有効に活用して省エネルギー運転を図ることができ、また、電池６は、過度な充放電を避け、その長寿命化を図ることができる。
【００３０】
ところで、この列車の運転終了時刻の間近、例えば３０分以内となると、電池６の残存エネルギー目標値を引き下げ、放電を１ランク余分に許容するように制御する。
【００３１】
まず、力行時には、電池６の充電量が状態遷移量１（例えば４０％）以上の領域まで、電池６は最大（予定）の放電出力で、不足分をエンジンで補足させる。また、電池６の充電量が状態遷移量１（例えば４０％）から下限（例えば２０％）間での領域まで、エンジン８をその最良の燃費を発揮する回転数で運転させ、過不足分を電池６に充放電する。電池６の充電量が下限（例えば２０％）以下に達したときのみ、エンジン８はその出力を上げ、余剰分で電池６を充電する。
【００３２】
最後に、運転終了時刻間近のブレーキ時には、電池６の充電量が状態遷移量１（例えば４０％）以下でのみ、無条件に回生ブレーキを用いる。なお、車両が停止に向うブレーキである場合には、停止回生ブレーキ制御により、電池６の充電量上限２（約５０％）まで回生を許容している。これら以上の充電量では、回生ブレーキを禁止し、空気ブレーキ又は排気ブレーキを用いることとしている。
【００３３】
これらにより、運転終了時の電池のエネルギーを放出させ、翌日、電池の暖機に十分な充電が可能なように、充電余力を広げておくのである。この結果、１日の運転終了間近において、電池から主電動機２へのエネルギー供給を増やし、その分、エンジン燃料の消費を減らして当日の運転を終了する。この節約したエネルギーは、翌日の始動時の電池暖機運転で使用することができ、省エネルギー効果を発揮することができる。
【００３４】
この実施形態を要約すると次の通りである。まず、エンジン発電機等の燃料により発電する発電装置４及び／又は２次電池等の電池６からの電力を主電動機２に供給する電力変換器３とを備え、電池６のエネルギー残量を考慮して発電装置４と電池６とのエネルギー出力分担を制御する鉄道車両１を対象とする。そして、当日の運転終了時刻までの時間が所定値以下になったことを検出（ステップ３０３）し、この検出に応じて、電池６のエネルギー残量に対する目標値を低下（図４）させるのである。さらに具体的には、電池６のエネルギー残量に対する目標値を、力行時の電池６からの出力を、より低い電池６の残存エネルギーレベルまで許容するように切替えている。
【００３５】
さて、翌日の始動時の制御について、図５の処理フローを参照して説明する。
【００３６】
図５は、本発明の一実施形態によるエネルギー制御装置１２における始動時の電池暖機運転の処理フロー図である。まず、ステップ５０１において、エンジン８が始動される。次に、ステップ５０２では、外気温度が所定値以下か否かを判断し、電池６の暖機運転の必要性を見極め、暖かい朝にはこの処理を終了する。暖気が必要な場合にはステップ５０３において、念の為、電池６のエネルギー残存量が所定値よりも少なく、充電による暖機運転が可能なことを確認する。もし、電池６のエネルギー残存量が所定値よりも多く、充電による暖機運転が不可能な場合には、ステップ５０８に飛んで、他の電池暖機運転を実行するしかない。例えば、電池６からヒータなどの負荷に放電させ、この放電作用による暖機が考えられる。また、負荷であるヒータの熱による暖機を併用することもできる。しかし、前述したように、本実施形態においては、１日の運転終了間近に、電池エネルギーの放出制御を実行しているので、殆どの場合において、充電が可能な状況にある。したがって、ステップ５０４に進んで、発電機４からの充電による電池６の暖機運転を実行する。
【００３７】
ステップ５０５では、電池情報５０６に基き、電池６の温度が所定値まで上昇したか否かを確認する。電池６の温度が所定値まで上昇すれば、この暖機運転処理を終了する。まだ、温まっていなければ、ステップ５０７で、電池６の残存エネルギーが上限値に達していないかを確認する。電池６の残存エネルギーが上限値に達すれば、前記ステップ５０８に移って、充電による暖機運転を中止し他の電池暖機運転に移行する。
【００３８】
さて、電池６の残存エネルギーが上限値に達せず、電池６の温度が所定値まで上昇しない限り、ステップ５０５と５０６の処理を繰返し、充電による電池６の暖機運転が継続される。そして、電池６の残存エネルギーが上限値に達し、前記ステップ５０８に移って、充電による暖機運転を中止し他の電池暖機運転に移行するか、又は、電池６の温度が所定値まで上昇して目標を達成して、この暖機運転処理を終了する。
【００３９】
この実施形態を要約すると、まず、エンジン発電機等の燃料により発電する発電装置４及び／又は２次電池等の電池６からの電力を主電動機２に供給する電力変換器３とを備えた鉄道車両１を対象としている。ここで、発電装置４の始動時に、電池６のエネルギー残量が、所定値以下であることに応じて、その上限値を限度として発電機４から電池６を充電する。これにより、効率よく、速やかに電池６の暖機を実現できる。
【００４０】
図６は、本発明の他の実施形態による電池の残存エネルギー調整部の処理フロー図である。この実施形態が、図３と異なる点は、ステップ６０１において、当日の残存運転距離を計算する点と、ステップ６０２で、当日の残存運転距離が所定値以下になったか否かを判断することであり、その他は図３と同様である。電池６のエネルギー充電量を所定値以下に抑制するための放電制御の開始点を、時間に代えて走行距離で判断するようにしたものである。
【００４１】
この実施形態においても、エンジン発電機等の燃料により発電する発電装置４及び／又は２次電池等の電池６からの電力を主電動機２に供給する電力変換器３とを備えた鉄道車両１において、効率よく、速やかに電池６の暖機を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の一実施形態による鉄道車両の電池暖機装置を含む制御装置の全体概略構成図。
【図２】本発明の一実施形態による鉄道車両の電池暖機装置を含む制御装置のエネルギー制御装置を中心とする機能ブロック図。
【図３】本発明の一実施形態による電池の残存エネルギー調整部の処理フロー。
【図４】本発明の一実施形態によるエンジンと電池のエネルギー分担制御説明図。
【図５】本発明の一実施形態による始動時の電池暖機運転の処理フロー。
【図６】本発明の他の実施形態による電池の残存エネルギー調整部の処理フロー。
【符号の説明】
【００４３】
１…鉄道車両、２…主電動機、３…インバータ（電力変換装置）、４…発電装置（発電機）、５…コンバータ、６…電池（２次電池）、７…昇降圧チョッパ、８…動力発生装置（ディーゼルエンジン）、９…列車制御装置、１０…マスコン、１１…データベース、１２…エネルギー制御装置、１２１…電池残存エネルギー調整部、１２２…制御モード決定部、１３…空気ブレーキ、１４…充放電制御装置。
【図１】
2006238543.tif 000003
【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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