(57)【要約】【課題】自動列車制御（ＡＴＣ）を利用した鉄道車両において、機械ブレーキの使用を抑制できるブレーキ制御システムを提供する。【解決手段】本開示は、自動列車制御を利用した鉄道車両のブレーキ制御システムである。ブレーキ制御システムは、主電動機と、主変換装置と、ブレーキ制御部と、ＡＴＣ装置と、を備える。主電動機は、鉄道車両の車輪の運動エネルギーを電気エネルギーに変換することで制動力を発生する。主変換装置は、主電動機を作動させる。ブレーキ制御部は、主変換装置にブレーキ信号を出力する。ＡＴＣ装置は、自動列車制御に基づきブレーキ制御部へブレーキ指令を出力する。また、ＡＴＣ装置は、ブレーキ指令の出力前に、主電動機を励磁するためのブレーキ予告信号を出力する。【選択図】図１
2019047564.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自動列車制御を利用した鉄道車両のブレーキ制御システムであって、
鉄道車両の車輪の運動エネルギーを電気エネルギーに変換することで制動力を発生する主電動機と、
前記主電動機を作動させる主変換装置と、
前記主変換装置にブレーキ信号を出力するブレーキ制御部と、
自動列車制御に基づき前記ブレーキ制御部へブレーキ指令を出力するＡＴＣ装置と、
を備え、
前記ＡＴＣ装置は、前記ブレーキ指令の出力前に、前記主電動機を励磁するためのブレーキ予告信号を出力する、ブレーキ制御システム。
【請求項２】
請求項１に記載のブレーキ制御システムであって、
前記ＡＴＣ装置は、前記ブレーキ予告信号を出力するために、鉄道車両の現在位置と速度とを用いて前記ブレーキ指令までの時間、離隔距離又は離隔速度を計算する、ブレーキ制御システム。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のブレーキ制御システムであって、
前記ＡＴＣ装置は、鉄道車両への給電系統を切り替えるセクション付近での減速度を小さくしたブレーキパターンに基づくブレーキ指令を出力する、ブレーキ制御システム。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のブレーキ制御システムであって、
踏面清掃装置及びセラミック噴射装置の少なくとも１つをさらに備え、
前記踏面清掃装置及び前記セラミック噴射装置は、前記ブレーキ予告信号により動作を開始する、ブレーキ制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、ブレーキ制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両の制御装置として、自動列車制御（ＡＴＣ）が普及している。ＡＴＣは、自動的に鉄道車両の速度を低下させる制御である。より具体的には、ＡＴＣは、規定の速度を鉄道車両が超えた場合に、ブレーキ制御を自動で行う。
【０００３】
ＡＴＣにおけるブレーキ制御では、手動のブレーキと同様、運動エネルギーを電気エネルギーに変換する回生ブレーキと、機械的に制動力を発生させる機械ブレーキとが併用される（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１０４３４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
機械ブレーキとしては、一般にブレーキパッド等の摩擦を利用したものが使用される。このような機械ブレーキでは、動作する度にライニング摩耗が発生し、寿命が低下する。また、機械ブレーキを使用すると、回生ブレーキによる電気エネルギーの回収量が低下し、省エネルギー化の妨げとなる。
【０００６】
本開示の一局面は、自動列車制御を利用した鉄道車両において、機械ブレーキの使用を抑制できるブレーキ制御システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示の一態様は、自動列車制御を利用した鉄道車両のブレーキ制御システムである。ブレーキ制御システムは、主電動機と、主変換装置と、ブレーキ制御部と、ＡＴＣ装置と、を備える。主電動機は、鉄道車両の車輪の運動エネルギーを電気エネルギーに変換することで制動力を発生する。主変換装置は、主電動機を作動させる。ブレーキ制御部は、主変換装置にブレーキ信号を出力する。ＡＴＣ装置は、自動列車制御に基づきブレーキ制御部へブレーキ指令を出力する。また、ＡＴＣ装置は、ブレーキ指令の出力前に、主電動機を励磁するためのブレーキ予告信号を出力する。
【０００８】
このような構成によれば、ブレーキ指令の出力前に、主電動機を励磁することができる。これにより、ブレーキ指令が出力された際に、回生ブレーキによる制動力が即座に発生される。従来のブレーキ制御では、回生ブレーキが立ち上がるまで機械ブレーキを使用せざるを得ない。これに対し、本開示のブレーキ制御システムでは、ブレーキ指令の出力直後から回生ブレーキによる制動が可能となる。そのため、機械ブレーキの使用を抑制できる。
【０００９】
本開示の一態様では、ＡＴＣ装置は、ブレーキ予告信号を出力するために、鉄道車両の現在位置と速度とを用いてブレーキ指令までの時間、離隔距離又は離隔速度を計算してもよい。このような構成によれば、より適切なタイミングで回生ブレーキを立ち上げることができる。その結果、機械ブレーキの使用をさらに抑制できる。
【００１０】
本開示の一態様では、ＡＴＣ装置は、鉄道車両への給電系統を切り替えるセクション付近での減速度を小さくしたブレーキパターンに基づくブレーキ指令を出力してもよい。このような構成によれば、回生電力を低減することで、セクション通過時にも回生ブレーキを使用することができる。その結果、回生電力を車上バッテリ等に充電しつつ、機械ブレーキの使用をさらに抑制できる。また、鉄道車両の乗り心地を高めることができる。
【００１１】
本開示の一態様は、踏面清掃装置及びセラミック噴射装置の少なくとも１つをさらに備えてもよい。また、踏面清掃装置及びセラミック噴射装置は、ブレーキ予告信号により動作を開始してもよい。このような構成によれば、ブレーキ指令の出力直後から車輪の滑走を抑えることができる。滑走が継続すると、回生ブレーキから機械ブレーキへの切り替えが発生するため、滑走を抑制できれば、回生ブレーキから機械ブレーキへの切り替えも低減できる。また、滑走の抑制によりブレーキによる制動距離も低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、実施形態のブレーキ制御システムの構成を概略的に示すブロック図である。
【図２】図２は、図１のブレーキ制御システムが実行する処理を概略的に示すフロー図である。
【図３】図３は、図１のブレーキ制御システムのセクション通過時に実行される処理を概略的に示すフロー図である。
【図４】図４は、図１のブレーキ制御システムの踏面清掃装置及びセラミック噴射装置に対し実行される処理を概略的に示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本開示が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
［１．第１実施形態］
［１−１．構成］
図１に示すブレーキ制御システム１は、自動列車制御（ＡＴＣ）を利用した鉄道車両に設けられるブレーキ制御システムである。ブレーキ制御システム１は、主電動機２と、ＡＴＣ装置３と、主変換装置４と、ブレーキ制御部５と、踏面清掃装置６と、セラミック噴射装置７とを備える。本開示のブレーキ制御システムが搭載される鉄道車両は、１つの車両から構成されてもよいが、通常は複数の車両を編成したものである。
【００１４】
複数の車両で編成された鉄道車両においては、ブレーキ制御システム１のうち、主電動機２は、各車両１０に設けられる。また、主変換装置４は、各車両１０に設けられるか、又は一部の車両１０のみに設けられる。一方、ＡＴＣ装置３は、一般に先頭の車両１０のみに配置される。ＡＴＣ装置３は、各車両１０の主変換装置４及びブレーキ制御部５に信号を出力する。
【００１５】
車両１０は、ブレーキ制御システム１の他に、複数の車輪１１と、パンタグラフ１２と、車上バッテリ１３とを備える。車両１０は、パンタグラフ１２を介して架線２０から電力の供給を受ける。車両１０は、この電力を使って車輪１１を駆動させることで軌道３０上を走行する。
【００１６】
具体的には、主変換装置４のコンバータで架線２０からの交流電力を直流に変換し、さらに主変換装置４のインバータで三相交流に変換する。この三相交流によって車輪１１に動力を伝達する主電動機２が駆動される。なお、主電動機２は回生ブレーキ時の発電機としても使用される。
【００１７】
＜主電動機＞
主電動機２は、鉄道車両の車輪の運動エネルギーを電気エネルギーに変換することで制動力を発生する。この制動力により、車輪１１の軸速度が低減される。
【００１８】
具体的には、主電動機２を発電機として用い、車両１０の車輪１１の回転により発電を行う。これにより、主電動機２を車輪１１の回転の負荷として車輪１１の軸速度が低減される。
【００１９】
また、主変換装置４は、主電動機２の発電量を制御することによって、ブレーキの制動力を制御する。つまり、発電量を大きくすれば負荷が大きくなることで制動力は大きくなり、発電量を小さくすれば負荷が小さくなることで制動力は小さくなる。
【００２０】
主電動機２で発電した電力は、主変換装置４及びパンタグラフ１２を介して架線２０へ戻される。また、鉄道車両への給電系統を切り替えるセクション内では、架線２０への送電ができないため、回生電力は主変換装置４の直流中間回路におけるキャパシタや車上バッテリ１３に充電される。
【００２１】
そのため、主変換装置４のキャパシタ及び車上バッテリ１３の容量は、セクション通過時に主電動機２が発電する電力を回収可能な容量としておくとよい。こうすることで、セクション通過時に回生ブレーキを使用し続けることができる。また、後述のブレーキパターンの補正との組み合わせにより、車上バッテリ１３等の容量が小さくてもセクション通過時に回生ブレーキを使用可能にできる。その結果、機械ブレーキの使用を避けることができる。
【００２２】
＜ＡＴＣ装置＞
ＡＴＣ装置３は、公知のＡＴＣに基づきブレーキ制御部５へブレーキ指令を出力する装置である。具体的には、ＡＴＣ装置３は、ブレーキ制御部５にブレーキ指令Ｐ１を出力する。ブレーキ指令Ｐ１が入力されると、ブレーキ制御部５はブレーキ信号Ｑ０を主変換装置４に伝達し、主変換装置４は主電動機２を作動させる。
【００２３】
ＡＴＣ装置３は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、外部記憶装置等から構成される。ＡＴＣ装置３の外部記憶装置には、電力系統切替区間データベース等が記憶されている。この電力系統切替区間データベースには、電力系統切替区間の位置データが登録されている。
【００２４】
ＡＴＣ装置３は、地上に設置されたＡＴＣ地上子３１の位置データ、車両１０の速度データから、車両１０の現在位置を特定する。また、車両１０の速度データは、車両１０の速度を検出するための速度発電機によって得られる。
【００２５】
ＡＴＣ地上子３１は、軌道３０の２本の線路の内側に埋設されて配置されている。ＡＴＣ地上子３１は、車両１０がＡＴＣ地上子３１の上を通過すると、ＡＴＣ地上子３１の位置データＤ１をＡＴＣ装置３に送信する。
【００２６】
ＡＴＣ装置３は、上述の手順で特定した車両１０の現在位置及び速度データに基づき、例えば車両１０の速度が許容値以上となった場合や、先行列車との距離間隔が許容値以下となった場合等にブレーキ制御部５にブレーキ指令Ｐ１を出力する。
【００２７】
また、ＡＴＣ装置３は、ブレーキ指令Ｐ１の出力前に、主電動機２を励磁するためのブレーキ予告信号Ｐ０を主変換装置４に出力する。ブレーキ予告信号Ｐ０が入力された主変換装置４は、主電動機２を励磁する。
【００２８】
ブレーキ予告信号Ｐ０は、ブレーキ指令Ｐ１が出力される一定時間前、ブレーキ指令Ｐ１が出力される位置までの離隔距離が一定以下となる前、又はブレーキ指令Ｐ１が出力される位置までの離隔速度が一定以下となる前に出力される。ブレーキ予告信号Ｐ０からブレーキ指令Ｐ１までの時間（以下、「先行時間」ともいう。）は、回生ブレーキの立ち上げ、つまり主電動機２の励磁に必要な時間以上とされる。なお、回生ブレーキの立上げ時間は、およそ１秒から２秒である。
【００２９】
ブレーキ予告信号Ｐ０をブレーキ指令Ｐ１が出力される一定時間前に出力する場合、ＡＴＣ装置３は、ブレーキ予告信号Ｐ０を出力するために、車両１０の現在位置と速度とを用いてブレーキ指令Ｐ１までの先行時間を計算する。具体的には、ＡＴＣ装置３は、ＡＴＣブレーキパターンと、特定した車両１０の現在位置及び速度データに基づき、ブレーキ指令Ｐ１が出力される指令予定時刻と、上記先行時間とを特定し、指令予定時刻から先行時間を引いた時刻にブレーキ予告信号Ｐ０を出力する。
【００３０】
ブレーキ予告信号Ｐ０をブレーキ指令Ｐ１が出力される位置までの離隔距離が一定以下となる前に出力する場合、ＡＴＣ装置３は、ブレーキ予告信号Ｐ０を出力するために、ＡＴＣブレーキパターンと、現在位置及び速度データとに基づき離隔距離を算出する。
【００３１】
本実施形態では、ＡＴＣブレーキパターンの対象区間に、鉄道車両への給電系統を切り替えるセクション（つまり、電力系統切替区間）が含まれる場合、ＡＴＣ装置３は、セクション付近での減速度を小さくした補正ブレーキパターンを作成し、この補正ブレーキパターンに基づいたブレーキ指令Ｐ１をブレーキ制御部５に出力する。この補正ブレーキパターンは、車両１０のセクション通過時に主電動機２から発生する電力が主変換装置４のキャパシタ及び車上バッテリ１３で回収可能な量となるように調整したブレーキパターンである。
【００３２】
＜主変換装置＞
主変換装置４は、ブレーキ制御部５から入力されるブレーキ信号Ｑ０に基づいて、主電動機２の制御を行う。
【００３３】
具体的には、ＡＴＣ装置３からブレーキ予告信号Ｐ０が入力されると、主変換装置４は、主電動機２を励磁する。つまり、主電動機２のコイルに電流を流して発電可能な状態にする。励磁が完了した後、主変換装置４は回生電力を出力可能な状態（つまり、回生が有効な状態）となる。
【００３４】
ブレーキ予告信号Ｐ０受信の後、ブレーキ制御部５からブレーキ信号Ｑ０が入力されると、主変換装置４は、主電動機２の発電量を制御する。これにより、主電動機２の回転に負荷が加わり、車輪１１に制動力が発生する。また、主電動機２が発電機として機能し、電力が回収される。
【００３５】
＜踏面清掃装置及びセラミック噴射装置＞
踏面清掃装置６は、車輪１１の踏面に研摩子を押し当てて付着しているゴミ等を除去する装置である。清掃により踏面の粗さが確保され、軌道３０と車輪１１との間の摩擦係数が増加する。なお、本実施形態では、踏面清掃装置６は、車両１０の各車輪１１に設けられている。
【００３６】
セラミック噴射装置７は、軌道３０と車輪１１との間にセラミック粉を噴射する装置である。セラミック粉の噴射により、軌道３０と車輪１１との間の摩擦係数が増加する。摩擦係数の増加により、ブレーキ時の滑走が低減される。
【００３７】
本実施形態では、踏面清掃装置６及びセラミック噴射装置７は、ＡＴＣ装置３からのブレーキ予告信号Ｐ０により動作を開始する。具体的には、踏面清掃装置６は、ブレーキ予告信号Ｐ０の入力により、研摩子を車輪１１に当接させる。また、セラミック噴射装置７は、ブレーキ予告信号Ｐ０の入力により、セラミック粉の噴射を開始する。
【００３８】
［１−２．処理］
以下、図２、図３及び図４のフロー図を参照しつつ、ブレーキ制御システム１が実行する処理について説明する。
【００３９】
＜ＡＴＣブレーキ動作＞
図２に示すＡＴＣブレーキ動作では、まずブレーキ指令Ｐ１に先立ち、ＡＴＣ装置３がブレーキ予告信号Ｐ０を主変換装置４に出力する（ステップＳ１０）。
【００４０】
ＡＴＣ装置３からブレーキ予告信号Ｐ０が入力されると、主変換装置４は、主電動機２を励磁する（ステップＳ１１）。その後、主変換装置４は、回生ブレーキが有効な状態となる（ステップＳ１２）。
【００４１】
ＡＴＣ装置３は、ブレーキ予告信号Ｐ０の出力後、ＡＴＣに基づきブレーキ指令Ｐ１を出力する（ステップＳ１３）。ブレーキ指令Ｐ１がブレーキ制御部５に入力されると、ブレーキ制御部５から回生ブレーキ有効状態となった主変換装置４にブレーキ信号Ｑ０が出力される（ステップＳ１４）。ブレーキ信号Ｑ０が入力された主変換装置４は、ブレーキ信号Ｑ０に基づいて、主電動機２を制御し、主電動機２は制動力を出力する（ステップＳ１５）。
【００４２】
なお、図２のＡＴＣブレーキ動作では、機械ブレーキを使用する必要がなく、主電動機２のみで制動を行うことができる。なお、機械ブレーキとは、車輪１１の回転を機械的に抑制するブレーキであり、例えば踏面制動式、ディスク制動式等のブレーキである。
【００４３】
＜セクション通過時のＡＴＣブレーキ動作＞
図２のＡＴＣブレーキ動作において、ＡＴＣブレーキパターンの対象区間にセクションが含まれる場合は、図３に示すＡＴＣブレーキ動作が行われる。なお、図３のステップＳ１０、ステップＳ１１、ステップＳ１２、ステップＳ１３、ステップＳ１４、及びステップＳ１５は、図２と同じステップである。
【００４４】
図３の処理では、ＡＴＣ装置３は、セクション付近での減速度を小さくした補正ブレーキパターンを作成し、それに基づいたブレーキ指令Ｐ１をブレーキ制御部５に出力する（ステップＳ２１）。補正ブレーキパターンを考慮したブレーキ指令Ｐ１が入力されたブレーキ制御部５は、それに基づいて、主変換装置４にブレーキ信号Ｑ０を出力する（ステップＳ１４）。ブレーキ信号Ｑ０が入力された主変換装置４は、主電動機２を制御し、主電動機２は制動力を出力する（ステップＳ１５）。また、主変換装置４は、主電動機２からの回生電力を主変換装置４のキャパシタ又は車上バッテリ１３に充電する（ステップＳ２２）。
【００４５】
＜踏面清掃装置及びセラミック噴射装置の動作＞
図２のＡＴＣブレーキ動作と並行して行われる踏面清掃装置６及びセラミック噴射装置７の動作について、図４を用いて説明する。
【００４６】
ブレーキ指令Ｐ１に先立ち、ＡＴＣ装置３がブレーキ予告信号Ｐ０を出力する（ステップＳ１０）と、踏面清掃装置６及びセラミック噴射装置７それぞれの電磁弁が動作する（ステップＳ３１、ステップＳ３２）。
【００４７】
これらの電磁弁の動作により、踏面清掃装置６では、研摩子が車輪１１に押し当てられる（ステップＳ３３）。一方、セラミック噴射装置７では、セラミック粉が噴射される（ステップＳ３４）。これらのステップは、ブレーキ指令Ｐ１の出力前に行われる。
【００４８】
［１−３．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１ａ）ブレーキ指令Ｐ１の出力前に、ブレーキ予告信号Ｐ０により主電動機２を励磁しておくことができる。これにより、ブレーキ指令Ｐ１が出力された際に、主電動機２による制動力が即座に発生される。その結果、ブレーキ指令Ｐ１の出力直後から主電動機２による制動が可能となる。そのため、機械ブレーキの使用を抑制できる。
【００４９】
（１ｂ）ＡＴＣ装置３は、ブレーキ予告信号Ｐ０を出力するために、鉄道車両の現在位置と速度とを用いてブレーキ指令Ｐ１までの時間、離隔距離又は離隔速度を計算するので、より適切なタイミングで回生ブレーキを立ち上げることができる。その結果、機械ブレーキの使用をさらに抑制できる。
【００５０】
（１ｃ）ＡＴＣ装置３は、鉄道車両への給電系統を切り替えるセクション付近での減速度を小さくした補正ブレーキパターンを出力するので、セクション通過時にも回生ブレーキを使用することができる。そのため、電空切り替え（つまり回生ブレーキと機械ブレーキとの切り替え）の回数が低減され、乗り心地が向上する。また、バッテリ等への充電電力が増加するので、省エネ効果も高められる。
【００５１】
（１ｄ）踏面清掃装置６及びセラミック噴射装置７は、ブレーキ予告信号Ｐ０により動作を開始するので、これらの装置の起動から効果が発揮されるまでのタイムラグがブレーキ予告信号Ｐ０からブレーキ指令Ｐ１までの時間により相殺される。そのため、ブレーキ指令Ｐ１の出力直後から車輪１１の滑走を抑えることができる。また、滑走の抑制によりブレーキによる制動距離も低減できる。
【００５２】
［２．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。
【００５３】
（２ａ）上記実施形態のブレーキ制御システム１において、ブレーキ予告信号Ｐ０の出力タイミングは、必ずしも鉄道車両の現在位置と速度とを用いて計算される必要はない。したがって、他の手順でブレーキ予告信号Ｐ０の出力タイミングを決定してもよい。
【００５４】
（２ｂ）上記実施形態のブレーキ制御システム１において、ＡＴＣ装置３は、必ずしも鉄道車両への給電系統を切り替えるセクション付近での減速度を小さくした補正ブレーキパターンを作成する必要はない。したがって、ＡＴＣブレーキパターンの対象区間にセクションがある場合でもＡＴＣブレーキパターンに基づいたブレーキ指令Ｐ１を出力してもよい。
【００５５】
（２ｃ）上記実施形態のブレーキ制御システム１において、踏面清掃装置６及びセラミック噴射装置７は必須の構成要件ではない。したがって、踏面清掃装置６及びセラミック噴射装置７の一方のみを用いてもよいし、両方とも使用しなくてもよい。また、踏面清掃装置６及びセラミック噴射装置７は、従来のようにブレーキ指令Ｐ１により動作を開始してもよい。
【００５６】
（２ｄ）上記実施形態のブレーキ制御システム１において、回生ブレーキと機械ブレーキとを併用してもよい。この場合、ブレーキ制御部５は、機械ブレーキにもブレーキ信号Ｑ０を出力する。
【００５７】
（２ｅ）上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。
【符号の説明】
【００５８】
１…ブレーキ制御システム、２…主電動機、３…ＡＴＣ装置、４…主変換装置、
５…ブレーキ制御部、６…踏面清掃装置、７…セラミック噴射装置、１０…車両、
１１…車輪、１２…パンタグラフ、１３…車上バッテリ、２０…架線、３０…軌道、
３１…ＡＴＣ地上子、
Ｄ１…位置データ、Ｐ０…ブレーキ予告信号、Ｐ１…ブレーキ指令、
Ｑ０…ブレーキ信号。
【図１】
2019047564.tif 000003
【図２】
2019047564.tif 000004
【図３】
2019047564.tif 000005
【図４】
2019047564.tif 000006