(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、蓄電装置の可逆抵抗上昇を抑制しつつ、出力制限の頻度を低減できる蓄電装置を備えた鉄道車両用駆動システムを提供することに関する。【解決手段】  本発明は、複数の蓄電池から構成される鉄道車両用蓄電装置に充放電される電流の二乗関連値が、ある期間毎に変更された電流の二乗関連値の上限値以下となるように制御することに関する。  本発明によれば、蓄電装置の電流の二乗関連値の上限値を期間毎に変更するため、可逆抵抗上昇を抑制しつつ、出力制限の頻度を低減できる。【選択図】図２
2018182855.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の蓄電池から構成される蓄電装置と、
前記蓄電装置から供給された電力を基に鉄道車両を駆動させる駆動装置と、
前記蓄電装置の充放電電力を制御する制御装置と、を備えた鉄道車両用駆動システムにおいて、
前記制御装置は、前記蓄電装置に充放電される電流の二乗関連値が、ある期間毎に変更された電流の二乗関連値の上限値以下となるように制御することを特徴とする鉄道車両用駆動システム。
【請求項２】
請求項１に記載の鉄道車両用駆動システムにおいて、
前記電流の二乗関連値が、電流の二乗平均値、電流の二乗積算値、または電流の二乗平均平方根であることを特徴とする鉄道車両用駆動システム。
【請求項３】
請求項１に記載の鉄道車両用駆動システムにおいて、
電流の二乗関連値の上限値を、鉄道車両の運用毎に設定することを特徴とする鉄道車両用駆動システム。
【請求項４】
請求項３に記載の鉄道車両用駆動システムにおいて、
電流の二乗関連値の上限値を、前回運用時の稼働時間を基に設定することを特徴とする鉄道車両用駆動システム。
【請求項５】
請求項３に記載の鉄道車両用駆動システムにおいて、
電流の二乗関連値の上限値を、前回運用時の蓄電装置の電流印加時間を基に設定することを特徴とする鉄道車両用駆動システム。
【請求項６】
請求項３に記載の鉄道車両用駆動システムにおいて、
電流の二乗関連値の上限値を、前回運用時の蓄電装置の充放電電流量を基に設定することを特徴とする鉄道車両用駆動システム。
【請求項７】
請求項１に記載の鉄道車両用駆動システムにおいて、
電流の二乗関連値の上限値を、常時演算した値を基に設定することを特徴とする鉄道車両用駆動システム。
【請求項８】
請求項７に記載の鉄道車両用駆動システムにおいて、
電流の二乗関連値の上限値を、過去の稼働時間を基に設定することを特徴とする鉄道車両用駆動システム。
【請求項９】
請求項７に記載の鉄道車両用駆動システムにおいて、
電流の二乗関連値の上限値を、過去の蓄電装置の電流印加時間を基に設定することを特徴とする鉄道車両用駆動システム。
【請求項１０】
請求項７に記載の鉄道車両用駆動システムにおいて、
電流の二乗関連値の上限値を、過去の蓄電装置の充放電電流量を基に設定することを特徴とする鉄道車両用駆動システム。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかに記載の鉄道車両用駆動システムにおいて、
稼働時間、蓄電装置の電流印加時間、または蓄電装置の充放電電流量の値が大きいほど、電流の二乗関連値の上限値を小さく設定することを特徴とする鉄道車両用駆動システム。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれかに記載の鉄道車両用駆動システムにおいて、
電流の二乗関連値による出力制限状態を表示器に表示することを特徴とする鉄道車両用駆動システム。
【請求項１３】
複数の蓄電池から構成される鉄道車両用蓄電装置の制御方法において、
前記鉄道車両用逐電装置の制御装置は、前記鉄道車両用蓄電装置に充放電される電流の二乗関連値が、ある期間毎に変更された電流の二乗関連値の上限値以下となるように制御することを特徴とする鉄道車両用蓄電装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両用駆動システムに関し、特に蓄電装置を備える鉄道車両用駆動システムに適用して好適なものに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、鉄道車両においては、制動時に主電動機を発電機として作用させて電力を発生することにより制動力を得る回生ブレーキが使用されている。回生ブレーキは、主電動機で発電した電力を消費することにより制動力を得ることから、使用するためには負荷が必要となる。
【０００３】
一般的な鉄道車両では、その鉄道車両と同じき電区間を走行する他の力行中の鉄道車両を負荷としている。すなわち回生ブレーキで発電した電力を架線に戻し、他の鉄道車両が力行電力として再利用するため、鉄道の省エネルギー化に貢献している。
【０００４】
ここで、同じき電区間を走行する鉄道車両数が多い場合は、回生中の鉄道車両と力行中の鉄道車両とのバランスが均等である確率は高いが、同じき電区間を走行する鉄道車両数が少ない場合は、回生中の鉄道車両と力行中の鉄道車両とのバランスが均等にならず、回生中の鉄道車両の方が多くなり回生負荷が不足する場合がある。この場合、回生電力によりインバータ装置の直流電圧が高くなり、インバータ装置の許容電圧を上回る。
【０００５】
そこで、力行中の鉄道車両が少ない軽負荷時は、許容電圧を上回る前に回生電力を絞り込む軽負荷回生制御を行っており、不足するブレーキ力は空気ブレーキで補うようにしている。また、負荷となる力行中の鉄道車両が存在しない場合は、架線に電力を戻せなくなる回生ブレーキ失効が発生し、失効中は回生ブレーキが動作せずに空気ブレーキだけで停車することになる。
【０００６】
何れの場合においても、エネルギーの再利用が不可能な空気ブレーキを使用することになるため、回生ブレーキによる省エネルギー効果が減少してしまう。
【０００７】
このように、回生ブレーキ電力を架線に戻すためには、その電力を消費する負荷が存在している必要がある。そこで、回生ブレーキ電力を蓄電することのできる蓄電装置を車上側のインバータ装置に併設することにより、他の力行中の鉄道車両が存在しているか否かに関わらず、回生ブレーキによる省エネルギー効果が得られる方法がある。
【０００８】
ここで、蓄電装置は一般に、電流の充放電や発熱により、内部抵抗（以下、「抵抗」と略すことがある）が上昇する傾向があることが知られている。また、このような抵抗上昇を抑制するため、電流二乗値の平均値（以下、「電流二乗平均値」と略すことがある）により出力を制限し、発熱量を低減する制御方法がある。
【０００９】
特許文献１には、電流二乗平均値が上限値を超えた際に、充電電力を小さくする制御方法が開示されている。
【００１０】
このような抵抗上昇は、通常不可逆な抵抗上昇であるが、蓄電装置の容量に対して大電流の充放電が継続した場合に限り、通常の抵抗上昇とは異なる、可逆的な抵抗上昇（以下、「可逆抵抗上昇」と略すことがある）が発生することがある。
【００１１】
特許文献２には、電気化学反応の簡易モデル式や電極間の電解液濃度差を基に可逆抵抗上昇を検出し、可逆抵抗上昇の度合いが設定値を超えた場合に充放電電流量などを制限する制御方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００７−２８８９０６号公報
【特許文献２】特開２０１０−６０４０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
特許文献１に開示された従来技術の制御方法は、発熱量の低減が目的のため、電流二乗平均値の上限値を、蓄電装置の蓄電池セルやバスバーの発熱量制限値より一意的に規定する。一方、特許文献１に開示された従来技術の制御方法を、特許文献２に記載の可逆抵抗上昇を抑制する目的で使用する場合、可逆抵抗上昇は電極間の電解液濃度分布に影響されるため、直近の充放電の実施状況により異なり、一意的に規定することが難しい。また、電流二乗平均値の上限値を一意的に規定する場合、直近の充放電電流量が大きく、電極間の電解液濃度差が大きいワーストケースを基に規定しなくてはならないため、電流二乗平均値の上限値が小さくなり、度々出力制限されることが懸念される。
【００１４】
本発明の目的は、蓄電装置の可逆抵抗上昇を抑制しつつ、出力制限の頻度を低減できる蓄電装置を備えた鉄道車両用駆動システムを提供することに関する。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、複数の蓄電池から構成される鉄道車両用蓄電装置に充放電される電流の二乗関連値が、ある期間毎に変更された電流の二乗関連値の上限値以下となるように制御することに関する。
【００１６】
電流の二乗関連値とは、電流の二乗平均値、電流の二乗積算値、または電流の二乗平均平方根などの電流の二乗に基づく値である。可逆抵抗上昇は、電流が大きいほど電極間の電解液濃度差が大きくなり、発生しやすい傾向がある。特に、非常に大きな電流が印加された際は、電極付近にリチウムイオンが滞留しやすく、副反応が生じる可能性が高いため、可逆抵抗上昇の発生確率が非常に高くなる。このため、出力制限の指標に、電流値ではなく、電流の二乗関連値を用いることにより、大電流に対する感度が大きくなるように制御できる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、蓄電装置の電流の二乗関連値の上限値を期間毎に変更するため、可逆抵抗上昇を抑制しつつ、出力制限の頻度を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施例１にかかる鉄道車両用駆動システムのシステム構成を示す図
【図２】実施例１にかかる制御装置の機能構成を示す図
【図３】実施例１にかかる制御装置に格納されている運転指令−インバータ指令値対応表を示す図
【図４】実施例１にかかるバッテリ電流の時系列変化の一例を示す図
【図５】実施例１にかかる制御装置のチョッパ指令演算部の制御処理の流れを示すフローチャート
【図６】実施例１にかかる電流二乗平均値に基づく出力制限レベル判定の一例を示す図
【図７】実施例１にかかる充放電モードの判定の一例を示す図
【図８】実施例１にかかるチョッパ指令値への出力制限レベルの反映方法の一例を示す図
【図９】実施例１にかかる鉄道車両の運用方法の一例を示す図
【図１０】実施例１にかかる各運用での制御指標と電流二乗平均値の上限値の相関の一例を示す図
【図１１】実施例１にかかる運転台の表示器の表示の一例を示す図
【図１２】実施例２にかかる制御装置の機能構成を示す図
【図１３】実施例２にかかる稼働時間算出の一例を示す図
【図１４】実施例２にかかる稼働時間と電流二乗平均値の上限値との相関の一例を示す図
【図１５】実施例３にかかる制御装置の機能構成を示す図
【図１６】実施例３にかかる電流印加時間算出の一例を示す図
【図１７】実施例３にかかる電流印加時間と電流二乗平均値の上限値との相関の一例を示す図
【図１８】実施例４にかかる制御装置の機能構成を示す図
【図１９】実施例４にかかる充放電電流量算出の一例を示す図
【図２０】実施例４にかかる充放電電流量と電流二乗平均値の上限値との相関の一例を示す図
【図２１】実施例５にかかる制御装置の機能構成を示す図
【図２２】実施例６にかかる制御装置の機能構成を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
実施例では、複数の蓄電池から構成される蓄電装置と、蓄電装置から供給された電力を基に鉄道車両を駆動させる駆動装置と、蓄電装置の充放電電力を制御する制御装置と、を備えた鉄道車両用駆動システムにおいて、制御装置は、蓄電装置に充放電される電流の二乗関連値が、ある期間毎に変更された電流の二乗関連値の上限値以下となるように制御するものを開示する。
【００２０】
また、実施例では、複数の蓄電池から構成される鉄道車両用蓄電装置の制御方法において、鉄道車両用逐電装置の制御装置が、鉄道車両用蓄電装置に充放電される電流の二乗関連値が、ある期間毎に変更された電流の二乗関連値の上限値以下となるように制御するものを開示する。
【００２１】
また、実施例では、電流の二乗関連値が、電流の二乗平均値、電流の二乗積算値、または電流の二乗平均平方根であることを開示する。
【００２２】
また、実施例では、電流の二乗関連値の上限値を、鉄道車両の運用毎に設定することを開示する。また、電流の二乗関連値の上限値を、前回運用時の稼働時間を基に設定すること、前回運用時の蓄電装置の電流印加時間を基に設定すること、または前回運用時の蓄電装置の充放電電流量を基に設定すること開示する。
【００２３】
また、実施例では、電流の二乗関連値の上限値を、常時演算した値を基に設定することを開示する。また、電流の二乗関連値の上限値を、過去の稼働時間を基に設定すること、過去の蓄電装置の電流印加時間を基に設定すること、または、過去の蓄電装置の充放電電流量を基に設定することを開示する。
【００２４】
また、実施例では、稼働時間、蓄電装置の電流印加時間、または蓄電装置の充放電電流量の値が大きいほど、電流の二乗関連値の上限値を小さく設定することを開示する。
【００２５】
また、実施例では、電流の二乗関連値による出力制限状態を表示器に表示することを開示する。
【００２６】
以下、上記およびその他の本発明の特徴と効果について図面を参酌して説明する。
【００２７】
尚、以下に説明する実施例では、蓄電装置を電車に搭載し、力行中の鉄道車両が少ない軽負荷時に回生電力を蓄電装置に蓄電する軽負荷回生システムを搭載した鉄道車両に対して適用した場合を例に挙げて説明する。しかし、本発明は、エンジンと蓄電装置を搭載したハイブリッド気動車、非電化区間を蓄電装置の放電電力で走行する蓄電池電車、および停電などの非常時に蓄電装置の放電電力で走行する非常走行システムを搭載した鉄道車両にも同様に適用できる。
【００２８】
また以下に説明する実施例は、蓄電装置を構成する蓄電素子にリチウムイオン電池を適用した場合を例に挙げて説明するが、キャパシタやニッケル水素電池など、その他の蓄電素子にも、同様に適用できる。
【００２９】
尚、本発明は、各実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることができる。
【実施例１】
【００３０】
図１は、本実施例にかかる鉄道車両用駆動システムのシステム構成を示す図である。初めに、鉄道車両用駆動システム１の各機器の構成について説明する。
【００３１】
給電装置２は、パンタグラフ２Ａ、架線用遮断器２Ｂ、電圧センサ２Ｃおよびフィルタリアクトル２Ｄで構成される。鉄道車両用駆動システム１は、力行時はパンタグラフ２Ａを介して直流電力を受電する。一方、回生時に電圧センサ２Ｃで計測した架線電圧が十分に低く、鉄道車両用駆動システム１内に回生電力を入力する負荷がない場合は、パンタグラフ２Ａを介して直流電力を架線に返す。停電など架線側に異常が生じた場合は、架線用遮断器２Ｂで回路を遮断し、架線と主回路を切り離す。また、架線から流れてくる電流にはリップル成分が含まれているため、フィルタリアクトル２Ｄとフィルタコンデンサ３によりリップル成分を除去する。
【００３２】
尚、本実施例では、軽負荷回生システムを搭載した鉄道車両を例に挙げて説明したが、給電装置２をエンジン、発電機およびコンバータとしてハイブリッド気動車に適用してもよい。
【００３３】
インバータ４は、架線からパンタグラフ２Ａを介して供給される直流電力を三相交流電力に変換して電動機５を駆動する。電動機５は、インバータ４が出力する三相交流電力を入力として、これを軸トルクに変換して出力する。減速機６は、電動機５の回転速度を、異なる歯数の歯車の組合せ等で減速し、それにより増幅した軸トルクにより輪軸７を駆動して車両を加減速する。
【００３４】
昇降圧チョッパ８は、スイッチング素子を備えたＤＣ−ＤＣコンバータであり、主平滑リアクトル９に流れる電流を制御することにより、蓄電装置１１の充電動作および放電動作を制御する。また、蓄電装置１１に異常が生じた場合は、蓄電装置用遮断器１０で回路を遮断し、蓄電装置１１を主回路から切り離す。蓄電装置１１は、電流センサ１１Ａおよびリチウムイオン電池１１Ｂで構成される。電流センサ１１Ａは、蓄電装置用遮断器１０とリチウムイオン電池１１Ｂとの間に接続され、リチウムイオン電池１１Ｂの電流を計測し、制御装置１３へ出力する。リチウムイオン電池１１Ｂは、リチウムイオン電池の蓄電池セルを直並列に接続することにより構成されている。
【００３５】
運転台１２は、運転士のノッチ操作に応じた運転指令を制御装置１３へ出力する。また、駆動システムの出力制限状態を確認できる表示器（図示せず）を備える。
【００３６】
制御装置１３は、一般に、マイコン、アナログ回路およびＩＣ素子により構成される電子回路である。制御装置１３は、電圧センサ２Ｃで計測した架線電圧や、電流センサ１１Ａで計測したバッテリ電流、ならびに運転台１２から入力した運転指令などを基に、インバータ４および昇降圧チョッパ８へ制御信号を出力し、鉄道車両用駆動システム１全体の電力フローを制御する。
【００３７】
図２は、本実施例にかかる制御装置の機能構成を示す図である。制御装置１３の機能は、記憶部１３Ａ、インバータ指令演算部１３Ｂ、電流二乗平均値演算部１３Ｃ、ＳＯＣ推定部１３Ｄおよびチョッパ指令演算部１３Ｅで構成されている。
【００３８】
記憶部１３Ａは、後述の運転指令−インバータ指令値対応表、基準電圧１、および基準電圧２などのデータが予め格納されている。また、記憶部１３Ａは、制御装置１３の停止シーケンスにより、ＳＯＣ推定部１３Ｄで推定したバッテリ充電率ＳＯＣ（以下、「ＳＯＣ」と略すことがある）をＳＯＣ初期値として記憶し、制御装置１３の次回起動シーケンスで、ＳＯＣ推定部１３ＤへＳＯＣ初期値を出力する機能を有する。更に記憶部１３Ａは、年月日と時刻を把握できるリアルタイムクロックを保有しており、年月日と時刻情報を必要に応じて記録できる。
【００３９】
インバータ指令演算部１３Ｂは、記憶部１３Ａから運転指令−インバータ指令値対応表、運転台１２から運転指令をそれぞれ入力し、運転指令を基に運転指令−インバータ指令値対応表を参照し、インバータ４へインバータ指令値を出力する。
【００４０】
図３は、本実施例にかかる制御装置に格納されている運転指令−インバータ指令値対応表を示す図である。運転指令は、運転士のノッチ操作により変更される運転状態の指令であり、加速（弱）、加速（強）、ブレーキ（弱）、ブレーキ（中）、ブレーキ（強）、およびオフなどに区分される。インバータ指令値は、運転指令ごとに割り当てられたインバータ４の出力指令値であり、運転指令に基づき、一意的に定まっている。
【００４１】
電流二乗平均値演算部１３Ｃは、電流センサ１１Ａより入力したバッテリ電流を基に、出力制限の指標となる電流二乗平均値を算出し、チョッパ指令演算部１３Ｅに出力する。
【００４２】
図４は、本実施例にかかるバッテリ電流の時系列変化の一例を示す図である。電流二乗平均値Ｉ２ａｖｅは、予め規定した時間窓内の各計測サンプリング点（ｉ−ｎ、ｉ−ｎ＋１、…、ｉ−２、ｉ−１、ｉ）でのバッテリ電流の二乗値の総和を時間窓内のサンプリング点数ｎで除することにより算出する。電流二乗平均値の算出式を数式１に示す。
【００４３】
【数１】
2018182855.tif 000003
【００４４】
ＳＯＣ推定部１３Ｄは、電流センサ１１Ａおよび記憶部１３Ａより入力したバッテリ電流およびＳＯＣ初期値を基に、バッテリ充電率ＳＯＣを算出し、チョッパ指令演算部１３Ｅに出力する。ＳＯＣの算出式を数式２に示す。
【００４５】
【数２】
2018182855.tif 000004
【００４６】
ここで、ＳＯＣ０はＳＯＣ初期値、Ｉはバッテリ電流、Ｑｍａｘはバッテリの満充電時の容量である。
【００４７】
チョッパ指令演算部１３Ｅでは、記憶部１３Ａより基準電圧１、２や、基準ＳＯＣ１、２などを、電圧センサ２Ｃより架線電圧を、電流二乗平均値演算部１３Ｃより電流二乗平均値を、ならびにＳＯＣ推定部１３ＤよりＳＯＣをそれぞれ入力し、昇降圧チョッパ８へチョッパ指令値を、および運転台１２へ出力制限レベルをそれぞれ出力する。
【００４８】
図５は、本実施例にかかる制御装置のチョッパ指令演算部の制御処理の流れを示すフローチャートである。Ｓ１０１では、電流二乗平均値に基づく出力制限レベル判定を実施する。
【００４９】
図６は、本実施例にかかる電流二乗平均値に基づく出力制限レベル判定の一例を示す図である。出力制限レベルは、例えば電流二乗平均値の上限値の０．８５倍未満であれば０（出力制限なし）、電流二乗平均値の上限値の０．８５倍以上、且つ電流二乗平均値の上限値の０．９０倍未満であれば１、電流二乗平均値の上限値の０．９０倍以上、且つ電流二乗平均値の上限値の０．９５倍未満であれば２、および電流二乗平均値の上限値の０．９５倍以上であれば３といった方法で判定する。ここで、電流二乗平均値の上限値の設定方法に関しては、後ほど説明する。
【００５０】
Ｓ１０２では、充放電モードの判定を行う。
【００５１】
図７は、本実施例にかかる充放電モードの判定の一例を示す図である。充放電モードは、１（充電モード）、２（放電モード）、および０（停止モード）の３モードがあり、各モードに応じて、チョッパ指令値を正（充電）、負（放電）、および０（充放電停止）の値に設定する。充放電モードは、記憶部１３Ａより入力した基準電圧１および２、基準ＳＯＣ１および２、電圧センサ２Ｃより入力した架線電圧、ならびにＳＯＣ推定部１３Ｄより入力したＳＯＣを基に判定する。例えば、架線電圧が基準電圧２以上、且つＳＯＣが基準ＳＯＣ２未満の場合、架線電圧が高くて架線へ回生電力を供給できず、且つ蓄電装置１１が充電可であるため、充放電モードを１（充電モード）とする。一方、架線電圧が基準電圧１未満、且つＳＯＣが基準ＳＯＣ１以上の場合、架線電圧が低くて電流損失が大きく、且つ蓄電装置１１が放電可であるため、充放電モードを２（放電モード）とする。また、架線電圧およびＳＯＣがそれ以外の領域の場合、充放電モードを０（停止モード）とする。
【００５２】
Ｓ１０３では、充放電モードが０（停止モード）か判定する。Ｓ１０３で充放電モードが０（停止モード）と判定された場合、チョッパ指令値に０を設定する（Ｓ１０４）。一方、Ｓ１０３で充放電モードが０（停止モード）以外と判定された場合、出力制限レベルを反映したチョッパ指令値を設定する（Ｓ１０５）。
【００５３】
図８は、本実施例にかかるチョッパ指令値への出力制限レベルの反映方法の一例を示す図である。充放電モードが１（充電モード）であり、出力制限レベルが０、１、２、３の場合、チョッパ指令値をそれぞれ１００、９０、６０、０とする。また、充放電モードが２（放電モード）であり、出力制限レベルが０、１、２、３の場合、チョッパ指令値をそれぞれ−１００、−９０、−６０、０とする。これにより、出力制限レベルが高いほど出力制限が大きくなり、電流二乗平均値が上昇しにくくなる。
【００５４】
Ｓ１０６では、Ｓ１０１、およびＳ１０４またはＳ１０５で設定した出力制限レベル、ならびにチョッパ指令値を、それぞれ運転台１２、および昇降圧チョッパ８に送信する。
【００５５】
上記のＳ１０１〜Ｓ１０６の処理を制御周期ごとに実施することにより、蓄電装置１１の充放電電力を連続的に管理し、電流二乗平均値が上限値以下となるように制御する。
【００５６】
続いて、電流二乗平均値の上限値の設定方法について説明する。
【００５７】
図９は、本実施例にかかる鉄道車両の運用方法の一例を示す図である。例えば、Ａ駅からＢ駅、Ｃ駅を経由し、Ｄ駅へ至るＡ駅−Ｄ駅間の路線を想定して説明する。通常、鉄道運営においては、一つの路線間を複数の鉄道車両が同時に走行するため、編成ごとに運用パターンを割り当て、ローテーションすることにより、路線全体の運用を行う。例えば、本路線では４編成の鉄道車両で運用する。１編成目の鉄道車両は、Ａ駅を出発してＢ駅、Ｃ駅を経由し、Ｄ駅で折り返してＣ駅で停泊する（運用１）。２編成目の鉄道車両は、Ｃ駅を出発してＢ駅を経由し、Ａ駅で折り返して再度Ｂ駅を経由し、Ｃ駅で停泊する（運用２）。３編成目の鉄道車両は、Ｃ駅を出発してＤ駅で折り返し、Ｃ駅、Ｂ駅を経由し、Ａ駅で停泊する（運用３）。４編成目の鉄道車両は、Ａ駅で停泊しながら鉄道車両のメンテナンスなどを行う。このように、編成ごとに運用パターンを割り当て、ローテーションすることにより、路線全体の車両管理を行う。
【００５８】
ここで、各駅間の駅間距離は、ほとんどの場合それぞれの駅間ごとに異なる。また、駅間の路線の高低差も、それぞれの駅間によって異なると考えられる。そのため、各運用での走行距離や負荷パターンに差異が生じると考えられる。その結果、各運用での稼働時間や蓄電装置の電流印加時間、ならびに蓄電装置の充放電電流量に差異が生じると予想される。
【００５９】
図１０は、本実施例にかかる各運用での制御指標と電流二乗平均値の上限値の相関の一例を示す図である。図１０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ制御指標を、稼働時間、蓄電装置の電流印加時間、および蓄電装置の充放電電流量としている。稼働時間、蓄電装置の電流印加時間、および蓄電装置の充放電電流量はいずれも、課題として挙げた蓄電装置１１の可逆抵抗上昇を抑制するための重要な指標であり、これらの値が高いほど電極間の電解液濃度差が大きい可能性が高く、可逆抵抗上昇が生じ易いと考えられる。このため、前回運用時の稼働時間、蓄電装置の電流印加時間、または蓄電装置の充放電電流量の値が大きいほど、電流の二乗平均値の上限値を小さく設定することが有効と考えられる。実際に制御に実装する際は、これらの指標のいずれかを用いて、電流二乗平均値の上限値を規定する。
【００６０】
尚、今回の例では前回運用時の評価期間を前日一日としているが、半日または数日間などを前回運用時の評価期間としてもよい。
【００６１】
また、蓄電装置の電流印加時間を電流二乗平均値の上限値を規定する指標として用いる場合、例えば±５Ａ以上など、電流印加時間の判定に別途閾値を設けてもよい。
【００６２】
図１１は、本実施例にかかる運転台の表示器の表示の一例を示す図である。運転台１２は、制御装置１３のチョッパ指令演算部１３Ｅより出力制限レベルを入力し、運転台１２に設置されている表示器（図示せず）に、車両動作や車両速度などとともに出力制限レベルを表示する。これにより運転士は、電流二乗平均値に基づく出力制限の状態を確認でき、車両操作に反映できる。
【００６３】
本実施例によれば、電流の二乗平均値の上限値をワーストケースに合わせて一意的に定める場合と比べて、蓄電装置１１の可逆抵抗上昇を抑制しつつ、出力制限の頻度を低減できる。
【実施例２】
【００６４】
本実施例では、電流の二乗平均値の上限値を、鉄道車両の運用毎に設定するのではなく、常時演算した稼働時間を基に設定する。以下、実施例１との相違点を中心に説明する。
【００６５】
図１２は、本実施例にかかる制御装置の機能構成を示す図である。本実施例の制御装置１３は、実施例１の制御装置１３の機能に対し、稼働時間演算部１３Ｆが追加されている。稼働時間演算部１３Ｆは、制御装置１３の起動シーケンスで制御装置オンオフ信号を２（オンレベル）、制御装置１３の停止シーケンスで制御装置オンオフ信号を１（オフレベル）として、それぞれ記憶部１３Ａへ出力する。また、稼働時間演算部１３Ｆは、記憶部１３Ａから制御装置をオンオフした時刻（制御装置オンオフ時刻）を起動中随時入力し、これを基に過去一定期間内の稼働時間を算出する。
【００６６】
図１３は、本実施例にかかる稼働時間算出の一例を示す図である。本実施例では、過去１日（前日）の稼働時間の算出を例として説明するが、過去の一定期間は数分、数十分、数時間、または数日などでもよい。また、図１３では日付が変わる２４：００を基準として期間を規定しているが、現在の時刻を基準としてもよい。図１３において稼働時間演算部１３Ｆは、４：３０および１４：００に２（オンレベル）、１１：３０および２２：００に１（オフレベル）を記憶部１３Ａに出力しており、現在において、前日の制御装置オンオフ時刻を全て把握している。これらの制御装置オンオフ時刻より、１回目の稼働時間が７時間、２回目の稼働時間が８時間で、前日の合計稼働時間が１５時間であると計算する。本実施例では、この稼働時間を常時演算し、これを基に電流二乗平均値の上限値を規定する。
【００６７】
図１４は、本実施例にかかる稼働時間と電流二乗平均値の上限値との相関の一例を示す図である。図１４の通り、稼働時間が高いほど、電流二乗平均値の上限値を低く設定する。これにより、稼働時間が高いときほど電流二乗平均値を抑えることにより、蓄電装置１１の可逆抵抗上昇を抑制する。
【００６８】
本実施例では、電流の二乗平均値の上限値を、鉄道車両の運用毎に予め規定した稼働時間を基に設定するのではなく、常時演算した稼働時間を基に設定する。これにより、ダイヤの乱れなどによって通常とは異なる稼働時間になった際も、その稼働時間の差分を、蓄電装置１１の出力制御に適時反映できる。
【実施例３】
【００６９】
本実施例では、電流の二乗平均値の上限値を、鉄道車両の運用毎に設定するのではなく、常時演算した蓄電装置１１の電流印加時間を基に設定する。以下、実施例１乃至２との相違点を中心に説明する。
【００７０】
図１５は、本実施例にかかる制御装置の機能構成を示す図である。本実施例の制御装置１３は、実施例１の制御装置１３の機能に対し、電流印加時間演算部１３Ｆ２が追加されている。
【００７１】
電流印加時間演算部１３Ｆ２は、制御装置１１停止シーケンスで電流印加時間の値を記憶部１３Ａへ出力し、記憶部１３Ａでは電流印加時間が入力された年月日および時刻情報とともに記録しておく。そして電流印加時間演算部１３Ｆ２は、制御装置１１の起動中に、随時、電流印加時間とこれらのデータ記録時刻情報を入力し、これを基に過去一定期間内の電流印加時間を算出する。
【００７２】
図１６は、本実施例にかかる電流印加時間算出の一例を示す図である。本実施例では、過去１日（前日）の電流印加時間の算出を例として説明するが、過去の一定期間は数分、数十分、数時間、または数日などでもよい。また、図１６では日付が変わる２４：００を基準として期間を規定しているが、現在の時刻を基準としてもよい。また、例えば±５Ａ以上など、電流印加時間の判定に別途閾値を設けてもよい。図１６において電流印加時間演算部１３Ｆ２は、４：３０から１０：３０、１７：００から２３：００の間に蓄電装置１１に電流が印加されており、前日の電流印加時間の合計が１２時間である。
【００７３】
図１７は、本実施例にかかる電流印加時間と電流二乗平均値の上限値との相関の一例を示す図である。図１７の通り、電流印加時間が高いほど、電流二乗平均値の上限値を低く設定する。これにより、電流印加時間が高いときほど電流二乗平均値を抑え、蓄電装置１１の可逆抵抗上昇を抑制する。
【００７４】
本実施例では、電流の二乗平均値の上限値を、鉄道車両の運用毎に予め規定した電流印加時間を基に設定するのではなく、常時演算した電流印加時間を基に設定する。これにより、補機（図示せず）の稼働状況などによって、通常とは異なる電流印加時間になった際も、その電流印加時間の差分を、蓄電装置１１の出力制御に適時反映できる。
【実施例４】
【００７５】
本実施例では、電流の二乗平均値の上限値を、鉄道車両の運用毎に設定するのではなく、常時演算した蓄電装置１１の充放電電流量を基に設定する。以下、実施例１乃至3との相違点を中心に説明する。
【００７６】
図１８は、本実施例にかかる制御装置の機能構成を示す図である。本実施例の制御装置１３は、実施例１の制御装置１３の機能に対し、充放電電流量演算部１３Ｆ３が追加されている。
【００７７】
充放電電流量演算部１３Ｆ３は、制御装置１１停止時に充放電電流量の値を記憶部１３Ａへ出力し、記憶部１３Ａでは充放電電流量が入力された年月日および時刻情報とともに記録しておく。そして充放電電流量演算部１３Ｆ３は、制御装置１１の起動中に、随時、充放電電流量とこれらのデータ記録時刻情報を入力し、これを基に過去一定期間内の充放電電流量を算出する。図１９は、本実施例にかかる充放電電流量算出の一例を示す図である。本実施例では、過去１日（前日）の充放電電流量の算出を例として説明するが、過去の一定期間は、数分、数十分、数時間、または数日などでもよい。また、図１９では日付が変わる２４：００を基準として期間を規定しているが、現在の時刻を基準としてもよい。図１９において充放電電流量演算部１３Ｆ３は、４：３０から１０：３０、１７：００から２３：００の間に蓄電装置１１に電流が印加されており、前日の充放電電流量の合計が１５００Ａｈである。
【００７８】
図２０は、本実施例にかかる充放電電流量と電流二乗平均値の上限値との相関の一例を示す図である。図２０の通り、充放電電流量が高いほど、電流二乗平均値の上限値を低く設定する。これにより、充放電電流量が高いときほど電流二乗平均値を抑え、蓄電装置１１の可逆抵抗上昇を抑制する。
【００７９】
本実施例では、電流の二乗平均値の上限値を、鉄道車両の運用毎に予め規定した充放電電流量を基に設定するのではなく、常時演算した充放電電流量を基に設定する。これにより、蓄電装置１１の劣化状態などによって、初期とは異なる充放電電流量になった際も、その充放電電流量の差分を、蓄電装置１１の出力制御に適時反映できる。
【実施例５】
【００８０】
本実施例では、出力制限に用いる指標を、電流の二乗平均値に代えて、電流の二乗積算値とする。以下、実施例１乃至４との相違点を中心に説明する。
【００８１】
図２１は、実施例５にかかる制御装置の機能構成を示す図である。本実施例の制御装置１３は、実施例１の制御装置１３の電流二乗平均値演算部１３Ｃに代えて、電流二乗積算値演算部１３Ｃ２が備わっている。電流二乗積算値ΣＩ２は、予め規定した時間窓内の各計測サンプリング点（ｉ−ｎ、ｉ−ｎ＋１、…、ｉ−２、ｉ−１、ｉ）でのバッテリ電流の二乗値を全て足し合わせて算出する。電流二乗積算値の算出式を数式３に示す。
【００８２】
【数３】
2018182855.tif 000005
【００８３】
また、本実施例では、チョッパ指令演算部１３Ｅでの上限値も、電流の二乗平均値に代えて、電流の二乗積算値で設定する。
【００８４】
本実施例では、出力制限に用いる指標を、電流の二乗平均値に代えて、電流の二乗積算値とする。これにより、時間窓内のサンプリング点数ｎで除する工程を省略できるため、ゼロ除算によるシステムエラーの可能性を排除できる。
【実施例６】
【００８５】
本実施例では、出力制限に用いる指標を、電流の二乗平均値に代えて、電流の二乗平均平方根とする。以下、実施例１乃至５との相違点を中心に説明する。
【００８６】
図２２は、本実施例にかかる制御装置の機能構成を示す図である。本実施例の制御装置１３は、実施例１の制御装置１３の電流二乗平均値演算部１３Ｃに代えて、電流二乗平均平方根演算部１３Ｃ３が備わっている。電流二乗平均平方根Ｉｒｍｓは、予め規定した時間窓内の各計測サンプリング点（ｉ−ｎ、ｉ−ｎ＋１、…、ｉ−２、ｉ−１、ｉ）でのバッテリ電流の二乗値の総和を時間窓内のサンプリング点数ｎで除し、更にその値の平方根を取ることにより算出する。電流二乗平均平方根の算出式を数式４に示す。
【００８７】
【数４】
2018182855.tif 000006
【００８８】
また、本実施例では、チョッパ指令演算部１３Ｅでの上限値も、電流の二乗平均値に代えて、電流の二乗平均平方根で設定する。
【００８９】
本実施例では、出力制限に用いる指標を、電流の二乗平均値に代えて、電流の二乗平均平方根とする。これにより、単位がバッテリ電流と同じアンペアとなり、状態を直感的に把握し易くなる。
【符号の説明】
【００９０】
１…鉄道車両用駆動システム、２…給電装置、２Ａ…パンタグラフ、２Ｂ…架線用遮断器、２Ｃ…電圧センサ、２Ｄ…フィルタリアクトル、３…フィルタコンデンサ、４…インバータ、５…電動機、６…減速機、７…輪軸、８…昇降圧チョッパ、９…主平滑リアクトル、１０…蓄電装置用遮断器、１１…蓄電装置、１１Ａ…電流センサ、１１Ｂ…リチウムイオン電池、１２…運転台、１３…制御装置、１３Ａ…記憶部、１３Ｂ…インバータ指令演算値、１３Ｃ…電流二乗平均値演算部、１３Ｃ２…電流二乗積算値演算部、１３Ｃ３…電流二乗平均平方根演算部、１３Ｄ…ＳＯＣ推定部、１３Ｅ…チョッパ指令値演算部、１３Ｆ…稼働時間演算部、１３Ｆ２…電流印加時間演算部、１３Ｆ３…充放電電流量演算部
【図１】
2018182855.tif 000007
【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】
2018182855.tif 000019
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
2018182855.tif 000026
【図２１】
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【図２２】
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