(57)【要約】【課題】  複数の蓄電装置を備えた鉄道車両システムの稼動率を向上し、メンテナンス作業のコストを削減する。【解決手段】  実施形態による鉄道車両システムは、電源装置１と、複数の蓄電装置２と、電源装置１および少なくとも１つの蓄電装置２と接続したインバータ３と、インバータ３から供給されたエネルギーにより駆動される電動機４と、制御回路５、６と、を備え、複数の蓄電装置２のそれぞれはバッテリを備え、バッテリの温度情報を少なくとも含む劣化状態情報を制御回路５、６へ出力可能であって、制御回路５、６は、バッテリの劣化状態情報に基づくバッテリの劣化状態の推定値を用いて複数のバッテリの劣化状態にばらつきがあると判断したときに、最も劣化が進んだバッテリの温度情報を取得し、最も劣化が進んだバッテリの温度が第１温度閾値以上であって第２温度閾値未満であるときに、バッテリの充電および放電を抑制する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源装置と、
直流リンクを介して前記電源装置と接続した複数の蓄電装置と、
前記直流リンクを介して前記電源装置および少なくとも１つの前記蓄電装置と接続したインバータと、
前記インバータから供給されたエネルギーにより駆動される電動機と、
前記電源装置と、前記蓄電装置と、前記インバータと、前記電動機との動作を制御する制御回路と、を備え、
複数の前記蓄電装置のそれぞれはバッテリを備え、前記バッテリの温度情報を少なくとも含む劣化状態情報を前記制御回路へ出力可能であって、
前記制御回路は、前記バッテリの前記劣化状態情報に基づく前記バッテリの劣化状態の推定値を用いて複数の前記バッテリの劣化状態にばらつきがあると判断したときに、最も劣化が進んだ前記バッテリの温度情報を取得し、最も劣化が進んだ前記バッテリの温度が第１温度閾値以上であって第２温度閾値未満であるときに、前記バッテリの充電および放電を抑制することを特徴とする鉄道車両システム。
【請求項２】
前記電源装置と、前記蓄電装置と、前記インバータと、前記電動機と、を備えた車両を複数備え、
前記制御回路は、複数の車両のそれぞれに設けられ、前記インバータと、前記蓄電装置と、前記電動機と、の動作を制御する車両制御回路と、複数の前記車両制御回路の動作を制御する上位制御回路と、を備えたことを特徴とする請求項１記載の鉄道車両システム。
【請求項３】
前記電源装置は、架線から供給される電力を所定の直流電力に変換して前記直流リンクへ出力可能な電力変換器を備え、
前記車両制御回路は、前記バッテリの充電および放電を抑制しているときに、前記バッテリへ充電されないエネルギーを前記架線へ供給するように前記電力変換器の動作を制御可能であることを特徴とする請求項２記載の鉄道車両システム。
【請求項４】
前記電源装置と、複数の前記蓄電装置と、前記インバータと、前記電動機と、を備えた車両を備え、
前記電源装置と、複数の前記蓄電装置と、前記インバータとは、前記直流リンクを介して接続していることを特徴とする請求項１記載の鉄道車両システム。
【請求項５】
前記電源装置は、内燃機関と、前記内燃機関から供給される動力を所定の直流電力に変換して前記直流リンクへ出力可能な発電機とを備え、
前記制御回路は、前記バッテリの充電および放電を抑制しているときに、前記バッテリに充電されない余剰のエネルギーを変換した動力により、前記内燃機関を回転させて前記余剰のエネルギーを消費するように、前記発電機および前記内燃機関の動作を制御可能であることを特徴とする請求項４記載の鉄道車両システム。
【請求項６】
前記制御回路は、最も劣化が進んだ前記バッテリの温度が前記第２温度閾値以上であるときに、前記バッテリの充電および放電を停止し、最も劣化が進んだ前記バッテリの温度が第１温度閾値未満となるまで前記バッテリの充電および放電を停止することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の鉄道車両システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、鉄道車両システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、鉄道車両に蓄電装置を搭載し、編成の制動時に生じる回生エネルギーを蓄電装置のバッテリに充電し、編成の駆動時のエネルギーとして使用することが提案されている。
【０００３】
バッテリは、充放電深度、充放電サイクル数や、使用環境などにより劣化することが知られている。編成に複数の蓄電装置を搭載する場合には、全ての蓄電装置を一括して交換およびメンテナンスすることにより、編成の稼動率を向上できるとともに、メンテナンス作業のコストを削減することができる。したがって、複数の蓄電装置のバッテリの劣化状態が均一になるように蓄電装置を制御することが望ましい。
【０００４】
従来、劣化状態が異なる複数の蓄電装置を有する編成の蓄電装置のバッテリの劣化状態の均一化方法としては、蓄電装置のバッテリの劣化度を算出し、劣化度の高い蓄電装置の充放電を抑制する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４６８５９０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
蓄電装置の劣化に関連する大きな要因の一つとして、例えば蓄電装置に搭載されたバッテリの温度を挙げることができる。このことから、蓄電装置から得られるバッテリの温度情報を使用して、蓄電装置の充電および放電の制御を行うことにより、効果的に蓄電装置の劣化のばらつきを抑制することができると考えられる。
【０００７】
本発明の実施形態は、上記事情を鑑みて成されたものであって、複数の蓄電装置を備えた編成の稼動率を向上し、メンテナンス作業のコストを削減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態による鉄道車両システムは、電源装置と、直流リンクを介して前記電源装置と接続した複数の蓄電装置と、前記直流リンクを介して前記電源装置および少なくとも１つの前記蓄電装置と接続したインバータと、前記インバータから供給されたエネルギーにより駆動される電動機と、前記電源装置と、前記蓄電装置と、前記インバータと、前記電動機との動作を制御する制御回路と、を備え、複数の前記蓄電装置のそれぞれはバッテリを備え、前記バッテリの温度情報を少なくとも含む劣化状態情報を前記制御回路へ出力可能であって、前記制御回路は、前記バッテリの前記劣化状態情報に基づく前記バッテリの劣化状態の推定値を用いて複数の前記バッテリの劣化状態にばらつきがあると判断したときに、最も劣化が進んだ前記バッテリの温度情報を取得し、最も劣化が進んだ前記バッテリの温度が第１温度閾値以上であって第２温度閾値未満であるときに、前記バッテリの充電および放電を抑制する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、第１実施形態の鉄道車両システムの一構成例を概略的に示す図である。
【図２】図２は、第１実施形態の鉄道車両システムの制御方法の一例を説明するためのフローチャートである。
【図３】図３は、第２実施形態の鉄道車両システムの一構成例を概略的に示す図である。
【図４】図４は、第２実施形態の鉄道車両システムの制御方法の一例を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、複数の実施形態の鉄道車両システムおよび鉄道車両システムの制御方法について図面を参照して詳細に説明する。  
図１は、第１実施形態の鉄道車両システムの一構成例を概略的に示す図である。
【００１１】
本実施形態の鉄道車両システムは、複数の車両Ａ〜Ｘを備え、電源装置と、複数の蓄電装置２ａ〜２ｘと、インバータ３ａ〜３ｘと、電動機（モータ）４ａ〜４ｘと、制御回路と、を備えている。電源装置は、複数の電力変換器１ａ〜１ｘを含む。制御回路は、複数の車両制御回路５ａ〜５ｘと、上位制御回路６と、を含む。
複数の車両Ａ〜Ｘのそれぞれは、電力変換器１ａ〜１ｘと、蓄電装置２ａ〜２ｘと、インバータ３ａ〜３ｘと、モータ４ａ〜４ｘと、車両制御回路５ａ〜５ｘと、のそれぞれを備えている。車両Ａは、上位制御回路６を更に備えている。電力変換器１ａ〜１ｘと、蓄電装置２ａ〜２ｘと、インバータ３ａ〜３ｘと、複数の車両Ａ〜Ｘの夫々において、直流リンクを介して接続している。
【００１２】
電力変換器１ａ〜１ｘは、架線から供給される電力を適切な直流電力に変換して出力する。電力変換器１ａ〜１ｘから出力された直流電力は、直流リンクを介して蓄電装置２ａ〜２ｘおよびインバータ３ａ〜３ｘへ供給される。電力変換器１ａ〜１ｘは、車両制御回路５ａ〜５ｘからの制御信号によりその動作を制御される。
【００１３】
蓄電装置２ａ〜２ｘは、例えば、バッテリと、バッテリの電圧、電流、および、温度を検出する検出回路と、電池制御回路と、複数の車両制御回路５ａ〜５ｘと通信を行う通信回路と（いずれも図示せず）、を備えている。
【００１４】
バッテリは、例えばリチウムイオン電池や、ニッケル水素電池、などの電池セルを複数備えている。バッテリの正極端子は高電位側の直流リンクと電気的に接続可能であり、バッテリの負極端子は低電位側の直流リンクと電気的に接続可能である。
【００１５】
電池制御回路は、例えば、検出回路から受信する電圧、電流、および、温度などの情報から、バッテリの充電状態（ＳＯＣ：state of charge）や劣化状態（例えば、ＳＯＨ：state of health）の推定値を演算することができる。なお、以下の説明において、ＳＯＨは、例えば、初期の満充電容量に対する現在の満充電容量の低減率[％]であり、大きい程バッテリの劣化が進んでいる状態を示すものである。劣化状態は、例えばバッテリの劣化の度合いを示す数値等であり、ＳＯＨに限定されるものではなく、劣化状態が悪いバッテリほど劣化が進んでいるものである
【００１６】
電池制御回路は、例えば、演算した充電状態や劣化状態の推定値などを、通信回路を介して車両制御回路５ａ〜５ｘへ送信してもよい。また、電池制御回路は、バッテリの温度情報を少なくとも含む劣化状態情報を車両制御回路５ａ〜５ｘへ送信してもよい。電池制御回路は、例えば、車両制御回路５ａ〜５ｘからの制御信号により動作を制御される。なお、バッテリの劣化状態情報は、例えば、バッテリのＳＯＣ、ＳＯＨ、使用履歴、検出回路から受信する電圧、電流、および、温度などの情報、その他の様々な情報が含まれ得る。
【００１７】
インバータ３ａ〜３ｘは、直流リンクを介して、電力変換器１ａ〜１ｘおよび蓄電装置２ａ〜２ｘと接続している。インバータ３ａ〜３ｘは、交流電力ラインを介してモータ４ａ〜４ｘと接続している。インバータ３ａ〜３ｘは、例えば、直流電力と３相交流電力とを相互に変換可能な電力変換器である。インバータ３ａ〜３ｘは、車両制御回路５ａ〜５ｘからの制御信号により動作を制御される。
【００１８】
モータ４ａ〜４ｘは、インバータ３ａ〜３ｘから供給される電気エネルギーを機械エネルギーに変換可能であるとともに、車輪から伝達される機械エネルギーを電気エネルギーに変換可能な電動機である。モータ４ａ〜４ｘは、車両制御回路５ａ〜５ｘからの制御信号により動作を制御される。
【００１９】
車両制御回路５ａ〜５ｘは、上位制御回路６からの制御信号により動作を制御される。車両制御回路５ａ〜５ｘは、例えばＣＰＵ（central processing unit）やＭＰＵ（micro processing unit）などの少なくとも１つのプロセッサと、メモリとを備えた制御回路である。車両制御回路５ａ〜５ｘは、蓄電装置２ａ〜２ｘと、インバータ３ａ〜３ｘと、モータ４ａ〜４ｘと、通信可能であって、それぞれの動作を制御可能である。
車両制御回路５ａ〜５ｘは、それぞれの電池制御回路と通信可能に構成されている。車両制御回路５ａ〜５ｘは、電池制御回路から受信した劣化状態情報を用いて、バッテリの劣化状態の推定値を演算するように構成されてもよい。
【００２０】
上位制御回路６は、複数の車両Ａ〜Ｘが協調して動作するように車両制御回路５ａ〜５ｘを制御し、複数の車両Ａ〜Ｘの少なくとも１つに備えられればよく、例えば複数の車両Ａ〜Ｘの外部に設けられてもよい。上位制御回路６は、例えばＣＰＵやＭＰＵなどの少なくとも１つのプロセッサと、メモリとを備えた制御回路である。
上位制御回路６は、複数の車両制御回路５ａ〜５ｘと通信可能に構成されている。上位制御回路６は、車両制御回路５ａ〜５ｘから受信したバッテリの劣化状態情報を用いて、バッテリの劣化状態の推定値を演算するように構成されてもよい。
【００２１】
以下に、本実施形態の鉄道車両システムの制御方法の一例について説明する。
図２は、第１実施形態の鉄道車両システムの制御方法蓄電制御方法の一例を説明するためのフローチャートである。
【００２２】
複数の車両Ａ〜Ｘが起動すると、車両制御回路５ａ〜５ｘは、蓄電装置２ａ〜２ｘからバッテリの劣化状態情報を取得する（ステップＳ１）。なお、電池制御回路にて、バッテリの劣化状態の推定値を演算する場合には、車両制御回路５ａ〜５ｘは、蓄電装置２ａ〜２ｘからバッテリの劣化状態の推定値を受信してもよい。
【００２３】
続いて、上位制御回路６は、車両制御回路５ａ〜５ｘから蓄電装置２ａ〜２ｘのバッテリの劣化状態情報を受信する（ステップＳ２）。なお、電池制御回路あるいは車両制御回路５ａ〜５ｘにて、バッテリの劣化状態の推定値を演算する場合には、上位制御回路６は、車両制御回路５ａ〜５ｘからバッテリの劣化状態の推定値を受信してもよい。
【００２４】
続いて、上位制御回路６は、蓄電装置２ａ〜２ｘのバッテリの劣化状態の推定値に基づいて、バッテリの劣化状態にばらつきがあるか否かを判断する。例えば、上位制御回路６は、最も劣化しているバッテリと最も劣化していないバッテリとの劣化状態の推定値の差が、所定の閾値（例えば１０％）以上か否かを判断し、所定の閾値以上であるときに劣化状態にばらつきがあると判断してもよい（ステップＳ３）。
【００２５】
上位制御回路６は、劣化状態にばらつきがないと判断したときには、蓄電装置２ａ〜２ｘのバッテリの充電および放電を抑制および停止することなく、通常走行を行う（ステップＳ４）。
【００２６】
上位制御回路６は、劣化状態にばらつきがあると判断したときには、劣化状態が最も悪いバッテリを備えた蓄電装置２ｋ（ｋはａ〜ｘのいずれか）の電池制御回路から、バッテリの温度情報を所定の周期で取得して、蓄電装置２ｋの温度Ｔ_２ｋとする。このとき、上位制御回路６は、少なくとも１周期分の温度情報により蓄電装置２ｋの温度Ｔ_２ｋを取得すればよく、例えば、所定の周期で取得した複数の温度情報の平均値を蓄電装置２ｋの温度Ｔ_２ｋとしてもよい（ステップＳ５）。
【００２７】
なお、劣化状態が最も悪いバッテリを備えた蓄電装置が複数ある場合には、上位制御回路６は、劣化状態が最も悪い複数の蓄電装置の電池制御回路から、それぞれのバッテリの温度情報を所定の周期で取得してもよい。この場合には、上位制御回路６は、複数の温度情報を用いて、それぞれの蓄電装置について以下の処理を行う。
【００２８】
続いて、上位制御回路６は、蓄電装置２ｋの温度Ｔ_２ｋが第１温度閾値Ｔ１未満であるか否かを判断する（ステップＳ６）。
【００２９】
上位制御回路６は、蓄電装置２ｋの温度Ｔ_２ｋが第１温度閾値Ｔ１未満であるときには、蓄電装置２ｋのバッテリの充電および放電を抑制することなく通常走行を行う（ステップＳ７）。
【００３０】
上位制御回路６は、蓄電装置２ｋの温度Ｔ_２ｋが第１温度閾値Ｔ１以上であるときには、更に、蓄電装置２ｋのバッテリの温度Ｔ_２ｋが第２温度閾値Ｔ２未満であるか否かを判断する。なお、第２温度閾値Ｔ２は第１温度閾値Ｔ２よりも大きい値である（ステップＳ８）。
【００３１】
上位制御回路６は、蓄電装置２ｋの温度Ｔ_２ｋが第２温度閾値Ｔ２未満であるときに、蓄電装置２ｋのバッテリの充電および放電を抑制する制御信号である充放電抑制指令を、車両制御回路５ｋへ送信する（ステップＳ９）。
【００３２】
上位制御回路６は、例えば、蓄電装置２ｋのバッテリの充放電深度を当初の設定よりも浅くしたり、充放電サイクル数を当初の設定よりも減らしたりすることにより、蓄電装置２ｋのバッテリの充電および放電を抑制してもよい。
【００３３】
ここで、蓄電装置２ｋのバッテリの充電および放電を抑制すると、車両Ａ〜Ｘ全体に対する要求トルクが満たされないこととなる。このことを回避するために、上位制御回路６は、蓄電装置２ｋ以外の蓄電装置の充放電電力や架線から供給される電力を調整する。
【００３４】
例えば、上位制御回路６は、蓄電装置２ｋのバッテリの充電および放電を抑制したことにより、蓄電装置２ｋに充電しきれないモータ４ｋからの回生電力は架線に戻してもよい。
【００３５】
また、蓄電装置２ｋのバッテリの充電および放電を抑制したことにより、車両Ａ〜Ｘ全体に対する要求トルクが満たされないときには、上位制御回路６は、蓄電装置２ｋ以外の複数の蓄電装置のうち一番劣化していない蓄電装置の充放電深度を当初の設定よりも深くしたり、充放電サイクル数を当初の設定よりも増加したりすることにより充放電電力を調整し、車両Ａ〜Ｘ全体に対する要求トルクを満たしてもよい。
【００３６】
１つの蓄電装置の放電電力を調整することにより、車両Ａ〜Ｘ全体に対する要求トルクを満たすことができないときには、上位制御回路６は、２番目に劣化していない蓄電装置の充放電電力を調整し、更に足りないときには、３番目に劣化していない蓄電装置の充放電電力を調整し、…と劣化度が低いものから順に、蓄電装置の充放電電力を調整してもよい。
【００３７】
なお、劣化状態が平均より悪い蓄電装置の充放電電力を調整しなければ要求トルクを満たすことができないときには、上位制御回路６は、劣化状態が平均より悪い蓄電装置の充放電電力を調整せずに、架線からの電力供給により車両Ａ〜Ｘ全体に対する要求トルクを満たしてもよい。
【００３８】
上位制御回路６は、蓄電装置２ｋの温度Ｔ_２ｋが第２温度閾値Ｔ２以上であるときに、蓄電装置２ｋのバッテリの充電および放電を停止する制御信号である充放電停止指令を、車両制御回路５ｋへ送信する（ステップＳ１１）。  
なお、車両制御回路５ｋは、充放電停止指令を受けたときに、蓄電装置２ｋのバッテリと直流リンクとの電気的接続を遮断し、充電および放電を停止してもよい。
【００３９】
ここで、蓄電装置２ｋのバッテリの充電および放電を停止すると、車両Ａ〜Ｘ全体に対する要求トルクが満たされないこととなる。このことを回避するために、上位制御回路６は、蓄電装置２ｋ以外の蓄電装置への要求トルクや架線から供給される電力を調整する（ステップＳ１２）。
【００４０】
例えば、蓄電装置２ｋのバッテリの充電および放電を停止したことにより、車両Ｋのモータ４ｋからの回生電力をバッテリに充電することができなくなる。このため、上位制御回路６は、車両Ｋの回生電力を架線へ戻してもよい。
【００４１】
また、例えば、蓄電装置２ｋのバッテリの充電および放電を停止したことにより、車両Ａ〜Ｘ全体への要求トルクが満たされないときには、上位制御回路６は、蓄電装置２ｋ以外の複数の蓄電装置のうち一番劣化していない蓄電装置の充放電深度を当初の設定よりも深くしたり、充放電サイクル数を当初の設定よりも増加したりすることにより充放電電力を調整し、車両Ａ〜Ｘ全体に対する要求トルクを満たしてもよい。
【００４２】
１つの蓄電装置の充放電電力を調整することにより、車両Ａ〜Ｘ全体に対する要求トルクを満たすことができないときには、上位制御回路６は、２番目に劣化していない蓄電装置の充放電電力を調整し、更に足りないときには、３番目に劣化していない蓄電装置の充放電電力を調整し、…と劣化度が低い蓄電装置から順に充放電電力を調整してもよい。
【００４３】
なお、劣化状態が平均より悪い蓄電装置の充放電電力を調整しなければ要求トルクを満たすことができないときには、上位制御回路６は、劣化状態が平均より悪い蓄電装置の充放電電力を調整せずに、架線からの電力供給により車両Ａ〜Ｘ全体に対する要求トルクを満たしてもよい。
【００４４】
続いて、上位制御回路６は、鉄道編成がシャットダウンされるか否かを監視する（ステップＳ１３）。鉄道編成のシャットダウン信号を検知したときには、上位制御回路６は、車両制御回路５ａ〜５ｘを制御して車両Ａ〜Ｘをシャットダウンする。
【００４５】
鉄道編成がシャットダウンされないときには、上位制御回路６は、蓄電装置２ｋのバッテリの温度Ｔ_２ｋが第１温度閾値Ｔ１未満となるまで、蓄電装置２ｋの充電および放電を停止する。したがって、一度、バッテリの温度が第２温度閾値Ｔ２以上となった蓄電装置は、バッテリの温度が第１温度閾値Ｔ１未満となるまで使用されない（ステップＳ１４）。
【００４６】
上位制御回路６は、上記ステップＳ１４にて蓄電装置２ｋのバッテリの温度Ｔ_２ｋが第１温度閾値Ｔ１未満となったと判断したとき、および、ステップＳ７、Ｓ１０の後に、鉄道編成がシャットダウンされるか否かを判断する（ステップＳ１５）。鉄道編成がシャットダウンされるときには、上位制御回路６は、車両制御回路５ａ〜５ｘを制御して車両Ａ〜Ｘをシャットダウンして、処理を終了する。
【００４７】
鉄道編成がシャットダウンされないときには、上位制御回路６は、上述のステップＳ６から再度処理を行う。すなわち、蓄電装置２ａ〜２ｘのバッテリの劣化状態にばらつきがあるときには、上位制御回路６は、蓄電装置２ｋのバッテリの温度情報が送られてくるたび（例えば１分周期）に、上述のステップＳ６からの処理を繰り返す。
【００４８】
上記のように、本実施形態の鉄道車両システムでは、複数の蓄電装置の劣化状態にかかわらず、鉄道車両システムに対する要求トルクを満たし、かつ、複数の蓄電装置の劣化状態のばらつきを抑制することが可能となり、蓄電装置の交換作業を行う回数が増大することを回避することができる。すなわち、本実施形態によれば、複数の蓄電装置を備えた鉄道車両システムの稼動率を向上し、鉄道車両システムのメンテナンス作業のコストを削減することができる。
【００４９】
次に、第２実施形態の鉄道車両システムおよび鉄道車両システムの制御方法について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において、上述の第１実施形態と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００５０】
図３は、第２実施形態の鉄道車両システムの一構成例を概略的に示す図である。
本実施形態の鉄道車両システムは、複数の蓄電装置と、内燃機関とを含む車両を備えている。
【００５１】
本実施形態において、車両は、電源装置と、複数の蓄電装置２１、２２と、インバータ３と、電動機（モータ）４と、制御回路と、内燃機関８と、を備えたディーゼル車両である。電源装置は、電力変換器１を含む。制御回路は、車両制御回路７、を含む。電源装置と、複数の蓄電装置２１、２２と、インバータ３とは、直流リンクを介して接続している。なお、図３に示した鉄道車両システムでは、２つの蓄電装置２１、２２を備えた車両を一例として記載しているが、車両は３つ以上の複数の蓄電装置を備えていても良い。
【００５２】
内燃機関８は、例えばディーゼルエンジンである。内燃機関８は、車両制御回路７からの出力指令に基づいて、トルク（動力）を出力可能である。
【００５３】
電力変換器１は、例えば、内燃機関８から供給される動力（機械エネルギー）により発電し、適切な直流電力（電気エネルギー）に変換して出力する発電機である。また、電力変換器１は、直流リンクから供給された電気エネルギーを変換して得られた機械エネルギーを内燃機関８へ供給し、内燃機関８のシャフトを回転駆動することが可能である。電力変換器１から出力された直流電力は、直流リンクを介して蓄電装置２１、２２およびインバータ３へ供給され得る。電力変換器１は、車両制御回路７により動作を制御される。
【００５４】
蓄電装置２１、２２のそれぞれは、例えば、バッテリと、バッテリの電圧、電流、および、温度を検出する検出回路と、電池制御回路と、車両制御回路７と通信を行う通信回路と（いずれも図示せず）、を備えている。
【００５５】
バッテリは、例えば、リチウムイオン電池や、ニッケル水素電池、などの電池セルを複数備えている。バッテリの正極端子は高電位側の直流リンクと電気的に接続可能であり、バッテリの負極端子は低電位側の直流リンクと電気的に接続可能である。
【００５６】
電池制御回路は、検出回路から受信する電圧、電流、および、温度などの情報から、バッテリの充電状態（ＳＯＣ：state of charge）や劣化状態（例えばＳＯＨ：state of health）の推定値を演算することができる。なお、以下の説明において、ＳＯＨは、例えば、初期の満充電容量に対する現在の満充電容量の低減率[％]であり、大きい程バッテリの劣化が進んでいる状態を示す。劣化状態は、例えばバッテリの劣化の度合いを示す数値等であり、ＳＯＨに限定されるものではなく、劣化状態が悪いバッテリほど劣化が進んでいるものである。
【００５７】
電池制御回路は、演算した充電状態や劣化状態の推定値を、通信回路を介して車両制御回路７へ送信してもよい。また、電池制御回路は、また、電池制御回路は、バッテリの温度情報を少なくとも含む劣化状態情報を車両制御回路５ａ〜５ｘへ送信してもよい。電池制御回路は、例えば、車両制御回路７からの制御信号により動作を制御される。なお、バッテリの劣化状態情報は、例えば、バッテリのＳＯＣ、ＳＯＨ、使用履歴、検出回路から受信する電圧、電流、および、温度などの情報、その他の様々な情報が含まれ得る。
【００５８】
インバータ３は、直流リンクを介して、電力変換器１および蓄電装置２１、２２と接続している。インバータ３は、交流電力ラインを介してモータ４と接続している。インバータ３は、例えば、直流電力と３相交流電力とを相互に変換可能な電力変換器である。インバータ３は、車両制御回路７からの制御信号により動作を制御される。
【００５９】
モータ４は、インバータ３から供給される電気エネルギーを機械エネルギーに変換可能であるとともに、車輪から伝達される機械エネルギーを電気エネルギーに変換可能な電動機である。モータ４は、車両制御回路７からの制御信号により動作を制御される。モータ４から出力された軸トルクにより車輪が回転し、車両が駆動される。
【００６０】
車両制御回路７は、例えばＣＰＵやＭＰＵなどの少なくとも１つのプロセッサと、メモリとを備えた制御回路である。車両制御回路７は、複数の蓄電装置２１、２２と、インバータ３と、モータ４と、通信可能であって、鉄道車両システムに含まれる構成の動作を制御可能である。
【００６１】
以下に、本実施形態の鉄道車両システムの制御方法の一例について説明する。
図４は、第２実施形態の鉄道車両システムの制御方法の一例を説明するためのフローチャートである。
【００６２】
車両が起動すると、車両制御回路７は、複数の蓄電装置２１、２２の電池制御回路から推定したバッテリの劣化状態情報を取得する（ステップＳ２１）。
【００６３】
続いて、車両制御回路７は、複数の蓄電装置２１、２２のバッテリの劣化状態情報にばらつきがあるか否かを判断する。例えば、車両制御回路７は、最も劣化しているバッテリの劣化状態と最も劣化していないバッテリの劣化状態との差が、所定の閾値（例えば１０％）以上か否かを判断し、所定の閾値以上であるときに劣化状態にばらつきがあると判断してもよい（ステップＳ２２）。
【００６４】
車両制御回路７は、劣化状態にばらつきがないと判断したときには、蓄電装置２１、２２のバッテリの充電および放電を、抑制および停止することなく、通常走行を行う（ステップＳ２３）。
【００６５】
車両制御回路７は、劣化状態にばらつきがあると判断したときには、劣化状態が最も悪いバッテリを備えた蓄電装置２ｋ（本実施形態においてｋは１又は２）の電池制御回路から、バッテリの温度情報を所定の周期で取得して、蓄電装置２ｋの温度Ｔ_２ｋとする。このとき、車両制御回路７は、少なくとも１周期分の温度情報により蓄電装置２ｋの温度Ｔ_２ｋを取得すればよく、例えば、所定の周期で取得した複数の温度情報の平均値を蓄電装置２ｋの温度Ｔ_２ｋとしてもよい（ステップＳ２４）。
【００６６】
なお、劣化状態が最も悪いバッテリを備えた蓄電装置が複数ある場合には、車両制御回路７は、劣化状態が最も悪い複数の蓄電装置の電池制御回路から、それぞれのバッテリの温度情報を所定の周期で取得してもよい。この場合には、車両制御回路７は、複数の温度情報を用いて、それぞれの蓄電装置について以下の処理を行う。
【００６７】
続いて、車両制御回路７は、蓄電装置２ｋの温度Ｔ_２ｋが第１温度閾値Ｔ１未満であるか否かを判断する（ステップＳ２５）。
【００６８】
車両制御回路７は、蓄電装置２ｋの温度Ｔ_２ｋが第１温度閾値Ｔ１未満であるときには、蓄電装置２ｋのバッテリの充電および放電を抑制することなく通常走行を行う（ステップＳ２６）。
【００６９】
車両制御回路７は、蓄電装置２ｋの温度Ｔ_２ｋが第１温度閾値Ｔ１以上であるときには、更に、蓄電装置２ｋのバッテリの温度Ｔ_２ｋが第２温度閾値Ｔ２未満であるか否かを判断する。なお、第２温度閾値Ｔ２は第１温度閾値Ｔ２よりも大きい値である（ステップＳ２７）。
【００７０】
車両制御回路７は、蓄電装置２ｋの温度Ｔ_２ｋが第２温度閾値Ｔ２未満であるときに、蓄電装置２ｋのバッテリの充電および放電を抑制する（ステップＳ２８）。
【００７１】
車両制御回路７は、例えば、蓄電装置２ｋのバッテリの充放電深度を当初の設定よりも浅くしたり、充放電サイクル数を当初の設定よりも減らしたりすることにより、蓄電装置２ｋのバッテリの充電および放電を抑制してもよい。
【００７２】
ここで、蓄電装置２ｋのバッテリの充電および放電を抑制すると、車両に対する要求トルクが満たされないこととなる。このことを回避するために、車両制御回路７は、蓄電装置２ｋ以外の蓄電装置の充放電電力や内燃機関８から供給されるトルクを調整する。
【００７３】
例えば、蓄電装置２ｋのバッテリの充電および放電を抑制したことにより、車両に対する要求トルクが満たされないときには、車両制御回路７は、蓄電装置２ｋ以外の１又は複数の蓄電装置のうち一番劣化していない蓄電装置の充放電深度を当初の設定より深くしたり、充放電サイクル数を当初の設定より増やしたりすることにより充放電電力を調整して、車両に対する要求トルクを満たしてもよい。
【００７４】
１つの蓄電装置の充放電電力を調整することにより、車両に対する要求トルクを満たすことができないときには、車両制御回路７は、２番目に劣化していない蓄電装置の充放電電力を調整し、更に足りないときには、３番目に劣化していない蓄電装置の充放電電力を調整し、…と劣化度が低いものから順に蓄電装置の充放電電力を調整してもよい。
【００７５】
なお、劣化状態が平均より悪い蓄電装置の充放電電力を調整しなければ要求トルクを満たすことができないときには、車両制御回路７は、劣化状態が平均より悪い蓄電装置の充放電電力を調整せずに、内燃機関８から得られるエネルギーにより不足しているトルクを補ってもよい。例えば、車両制御回路７は、蓄電装置２ｋのバッテリの充電および放電を抑制しているときに、蓄電装置２１、２２に充電することができない余剰な電気エネルギーが発生した場合、電力変換器１にて電気エネルギーを変換した機械エネルギーを利用して内燃機関８のシャフトを回転駆動することにより、余剰なエネルギーを消費させてもよい。また、車両制御回路７は、蓄電装置の充放電電力を調整することにより、蓄電装置に充電しきれない回生電力が発生しないように、ブレーキを切り替える制御をすることができる（ステップＳ２９）。
【００７６】
車両制御回路７は、蓄電装置２ｋの温度Ｔ_２ｋが第２温度閾値Ｔ２以上であるときに、蓄電装置２ｋのバッテリの充電および放電を停止する（ステップＳ３０）。  
なお、車両制御回路７は、蓄電装置２ｋの充電および放電を停止するときに、蓄電装置２ｋのバッテリと直流リンクとの電気的接続を遮断し、充電および放電を停止してもよい。
【００７７】
ここで、蓄電装置２ｋのバッテリの充電および放電を停止すると、車両に対する要求トルクが満たされないこととなる。このことを回避するために、車両制御回路７は、蓄電装置２ｋ以外の蓄電装置の充放電電力や内燃機関８から供給されるトルクを調整する（ステップＳ３１）。
【００７８】
例えば、蓄電装置２ｋのバッテリの充電および放電を停止したことにより、車両への要求トルクが満たされないときには、車両制御回路７は、蓄電装置２ｋ以外の１又は複数の蓄電装置のうち一番劣化していない蓄電装置の充放電深度を当初の設定より深くしたり、充放電サイクル数を当初の設定より増やしたりすることにより充放電電力を調整し、車両に対する要求トルクを満たしてもよい。
【００７９】
１つの蓄電装置の放電電力を調整することにより、車両に対する要求トルクを満たすことができないときには、車両制御回路７は、２番目に劣化していない蓄電装置の充放電電力を調整し、更に足りないときには、３番目に劣化していない蓄電装置の充放電電力を調整し、…と劣化度が低い蓄電装置から順に充放電電力を調整してもよい。
【００８０】
なお、劣化状態が平均より悪い蓄電装置の充放電電力を調整しなければ要求トルクを満たすことができないときには、車両制御回路７は、劣化状態が平均より悪い蓄電装置の充放電電力を調整せずに、内燃機関８からのエネルギーにより不足しているトルクを補ってもよい。例えば、車両制御回路７は、蓄電装置２ｋのバッテリの充電および放電を停止しているときに、蓄電装置２１、２２に充電することができない余剰な電気エネルギーが発生した場合、電力変換器１にて電気エネルギーを変換した機械エネルギーを利用して内燃機関８のシャフトを回転駆動することにより、余剰なエネルギーを消費させてもよい。また、車両制御回路７は、蓄電装置の充放電電力を調整することにより、蓄電装置に充電しきれない回生電力が発生しないように、ブレーキを切り替える制御をすることができる（ステップＳ３１）。
【００８１】
続いて、車両制御回路７は、車両がシャットダウンされるか否かを監視する（ステップＳ３２）。車両のシャットダウン信号を検知したときには、車両制御回路７は、車両内の各構成の動作を停止した後、自身の動作を停止して車両をシャットダウンする。
【００８２】
車両がシャットダウンされないときには、車両制御回路７は、蓄電装置２ｋのバッテリの温度Ｔ_２ｋが第１温度閾値Ｔ１未満となるまで、蓄電装置２ｋの充電および放電を停止する。したがって、一度、バッテリの温度が第２温度閾値Ｔ２以上となった蓄電装置は、バッテリの温度が第１温度閾値Ｔ１未満となるまで使用されない（ステップＳ３３）。
【００８３】
車両制御回路７は、上記ステップＳ３３にて蓄電装置２ｋのバッテリの温度Ｔ_２ｋが第１温度閾値未満となったと判断したとき、および、ステップＳ２６、Ｓ２９の後に、車両をシャットダウンするか否かを判断する（ステップＳ３４）。車両がシャットダウンされるときには、車両制御回路７は処理を終了し、車両内の各構成の動作を停止した後、自身の動作を停止して車両をシャットダウンする。
【００８４】
車両がシャットダウンされないときには、車両制御回路７は、上述のステップＳ２５から再度処理を行う。すなわち、蓄電装置２１、２２のバッテリの劣化状態にばらつきがあるときには、車両制御回路７は、蓄電装置２ｋのバッテリの温度情報が送られてくるたび（例えば１分周期）に、上述のステップＳ２５からの処理を繰り返す。
【００８５】
上記のように、本実施形態の鉄道車両システムによれば、車両要求トルクを満たしつつ、複数の蓄電装置の劣化状態のばらつきを抑制することが可能となり、蓄電装置の交換作業を行う回数が増大することを回避することができる。すなわち、本実施形態によれば、上述の第１実施形態と同様に、複数の蓄電装置を備えた鉄道車両システムの稼動率を向上し、車両のメンテナンス作業のコストを削減することができる。
【００８６】
次に、第３実施形態の鉄道車両システムおよび鉄道車両システムの制御方法について図面を参照して詳細に説明する。本実施形態では、架線レス走行を行う鉄道車両システムの動作の一例について説明する。なお、以下の説明において、上述の第１実施形態および第２実施形態と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００８７】
本実施形態の鉄道車両システムは、図１に示す構成と同様である。すなわち、本実施形態の鉄道車両システムは、複数の車両Ａ〜Ｘを備えている。複数の車両Ａ〜Ｘのそれぞれは、電力変換器１ａ〜１ｘと、蓄電装置２ａ〜２ｘと、インバータ３ａ〜３ｘと、モータ４ａ〜４ｘと、車両制御回路５ａ〜５ｘと、を備えている。車両Ａは、上位制御回路６を更に備えている。
【００８８】
以下に、本実施形態の鉄道車両システムの制御方法の一例について説明する。
本実施形態では、上位制御回路６は、架線レス走行を前に、車両Ａ〜Ｘの蓄電装置２ａ〜２ｘの全てを充電モードとする動作を行って架線レス走行に備えること以外は、上述の第１実施形態と同様の動作を行う。
【００８９】
すなわち、上位制御回路６は、架線レス走行に備え、鉄道車両システム全体が充電モードになった際には、蓄電装置のバッテリの劣化状態に関わらず、全てのバッテリの充電を行う。
【００９０】
鉄道車両システムが架線レス走行を行っているときには、上位制御回路６は、上述の第１実施形態と同様の動作を行う。ただし、架線レス走行時には架線へ回生電力を返すことや、架線からの電力で要求トルクを満たすことを行わないものとする。劣化状態の悪い蓄電装置の充電および放電を抑制或いは停止することによって、鉄道車両システムの要求トルクが満たせなくなる場合には、上位制御回路６は、鉄道車両システムの運行を優先し、充電および放電の抑制或いは停止を中止する。
【００９１】
本実施形態による鉄道車両システムによれば、上述の第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００９２】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００９３】
１、１ａ〜１ｘ…電力変換器、２ａ〜２ｘ、２１、２２…蓄電装置、３、３ａ〜３ｘ…インバータ、４、４ａ〜４ｘ…モータ、６…上位制御回路、５ａ〜５ｘ…車両制御回路、７…車両制御回路、８…内燃機関、Ａ〜Ｘ…車両、Ｔ１…第１温度閾値、Ｔ２…第２温度閾値。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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