(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンと、前記エンジンにより駆動される発電機と、前記発電機の出力する交流電力を直流電力へ変換するコンバータと、前記直流電力を変換して交流電力を生成して電動機を駆動するインバータと、を複数備え、少なくとも前記エンジンと前記発電機を複数備え、
運転士の操作を検出するコントローラまたはＡＴＯから出力されるノッチ指令により、前記インバータを制御する車両制御システムであって、
前記複数のエンジンの起動と停止を個別に制御するエンジン制御装置と、
将来の前記複数のエンジンの負荷を予測するエンジン負荷予測部と、を備え、
前記複数のエンジンのうち一部のエンジンが停止状態であり、前記エンジン負荷予測部が、将来の前記複数のエンジンの負荷の上昇を予測した場合に、前記エンジン負荷予測部で予測された前記複数のエンジンの負荷上昇を生じさせる前記ノッチ指令の値が増加する前に、停止状態の前記エンジンを起動することを特徴とする車両制御システム。
【請求項２】
請求項１に記載の車両制御システムであって、
前記ノッチ指令の値が増加する前に起動した前記エンジンにより駆動される前記発電機は、前記ノッチ指令の値が増加する前は発電を行わず、前記ノッチ指令の値が増加した後に発電を開始することを特徴とする車両制御システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の車両制御システムであって、
前記車両の走行位置を検出する位置検出手段を備え、
前記エンジン負荷予測部は、位置情報と関連付けられた制限速度情報、路線の勾配情報、目標走行速度パターンの少なくともいずれかの情報に基づいて、前記車両の将来の前記複数のエンジンの負荷を予測することを特徴とする車両制御システム。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の車両制御システムであって、
前記車両の走行位置を検出する位置検出手段を備え、
前記エンジン負荷予測部は、所定時間後の前記車両の走行位置に対応した制限速度が、所定時間後の前記車両の速度よりも大きいと判断した場合に、前記複数のエンジンの負荷上昇を予測することを特徴とする車両制御システム。
【請求項５】
請求項１または請求項２に記載の車両制御システムであって、
前記車両の走行位置を検出する位置検出手段を備え、
前記エンジン負荷予測部は、所定時間後の路線の上り勾配が現位置よりも大きくなる場合に前記複数のエンジンの負荷上昇を予測することを特徴とする車両制御システム。
【請求項６】
請求項１または請求項２に記載の車両制御システムであって、
前記車両の走行位置を検出する位置検出手段を備え、
前記エンジン負荷予測部は、所定時間後の前記車両の走行位置に対応した目標走行速度パターンが、所定時間後の前記車両の速度よりも大きい場合に、前記複数のエンジンの負荷上昇を予測することを特徴とする車両制御システム。
【請求項７】
請求項１または請求項２に記載の車両制御システムであって、
前記車両の走行位置を検出する位置検出手段を備え、
前記車両の走行位置に対応した目標走行速度に追従して走行速度を制御するノッチ決定部を有し、
前記エンジン負荷予測部は、所定時間後の前記ノッチ決定部で決定されるノッチを予測し、該ノッチの予測値に基づき前記複数のエンジンの負荷上昇を予測することを特徴とする車両制御システム。
【請求項８】
請求項１または請求項２に記載の車両制御システムであって、
前記車両の運転士に対して前記車両の走行位置に対応した目標走行速度に走行速度が追従するようにノッチをガイダンスする運転士ガイダンス装置を有し、
前記エンジン負荷予測部は、前記運転士ガイダンス装置で決定される所定時間後のノッチガイダンスを予測し、該ノッチガイダンスの予測値に基づき前記複数のエンジンの負荷上昇を予測することを特徴とする車両制御システム。
【請求項９】
請求項１または請求項２に記載の車両制御システムであって、
前記車両のドアの開閉状態を検出する手段を備え、
前記車両の走行位置を検出する位置検出手段を備え、
前記エンジン負荷予測部は、停止状態にある車両のドアが開く状態から閉じる状態に変化した時に、所定時間後の前記車両の走行位置に対応した目標走行速度パターンに基づき、前記複数のエンジンの負荷上昇を予測することを特徴とする車両制御システム。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の車両制御システムであって、
前記車両の運行ダイヤ情報に基づき、前記複数のエンジンの負荷上昇を補正することを特徴とする車両制御システム。
【請求項１１】
請求項１ないし請求項１０のいずれかに記載の車両制御システムであって、
停止状態の前記エンジンを前記ノッチ指令の値が増加する前に起動させる場合に、
前記運転手に対し前記エンジンを起動させることを通知する動作モード表示装置を有することを特徴とする車両制御システム。
【請求項１２】
請求項１ないし請求項１０のいずれかに記載の車両制御システムであって、
停止状態の前記エンジンを前記ノッチ指令の値が増加する前に起動させる動作モードと、
前記ノッチ指令に基づきエンジンの起動又は停止を行う動作モードと、を切り替える切り替え装置を有することを特徴とする車両制御システム。
【請求項１３】
エンジンと、前記エンジンにより駆動される発電機と、前記発電機の出力する交流電力を直流電力へ変換するコンバータと、前記直流電力を変換して交流電力を生成して電動機を駆動するインバータと、を備え、少なくとも前記エンジンと前記発電機を複数備え、
運転士の操作を検出するコントローラまたはＡＴＯから出力されるノッチ指令により、前記インバータを制御する駆動制御方法であって、
将来の前記複数のエンジンの負荷を予測するステップと、
将来の前記複数のエンジンの負荷の上昇を予測した場合に、予測した将来の前記複数のエンジンの負荷に応じて起動するエンジンの数を決定するステップと、を備え、
前記複数のエンジンのうち一部のエンジンが停止状態である場合に、前記ノッチ指令の値が増加する前に、決定された起動するエンジンの数に応じて停止状態の前記エンジンを予め起動することを特徴とする駆動制御方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の駆動制御方法であって、
前記ノッチ指令の値が増加する前に予め起動した前記エンジンにより駆動される前記発電機は、前記ノッチ指令の値が増加する前は発電を行わず、前記ノッチ指令の値が増加した後に発電を開始することを特徴とする駆動制御方法。
【請求項１５】
請求項１３又は請求項１４に記載の駆動制御方法において、
前記車両の走行位置を検出するステップを備え、
将来の前記複数のエンジンの負荷を予測するステップでは、位置情報と関連付けられた制限速度情報、路線の勾配情報、目標走行速度パターンの少なくともいずれか１つの情報に基づいて、将来の前記複数のエンジンの負荷上昇が予測されることを特徴とする駆動制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの出力を電力に変換して、駆動用電動機に交流電力を供給する車両制御システム関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、気動車の制御方法として特許文献１に示す制御技術がある。特許文献１では、動力を分散して保持する複数のエンジンを列車の必要とする負荷に応じ、燃費が最小となるように、複数のエンジンの回転数を個別に制御する。さらに、蓄電池を備え、エンジンの出力が不足した場合、不足したエネルギを蓄電池から補充する。特許文献１によれば、複数のエンジンを一律に制御するのではなく、個別に制御するので、列車の負荷が小さい時には、全てのエンジンを運転するのではなく必要な台数に制限して運転できる。したがって、エンジンの特性上、エンジンを効率の高い回転数領域での運転が可能となり、燃費が向上する。また一部のエンジンをアイドリングストップもできるので、さらなる燃費の向上が図れる。
【０００３】
さらに、惰行から再力行する場合のように、エンジンの出力を急激に増加させる必要がある時には、一部のエンジンおよび発電機を停止させることにより、不足した出力を畜電池から供給することができる。したがって、ノッチ指令の変更に対する高い加速応答性能を実現できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１１５９０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１では、燃費の向上や高い加速応答性能を維持するために、蓄電池が必要となり、システムの複雑化及びコストの増大が課題であった。又、畜電池は充放電を繰り返すと性能が劣化するため、電池をある一定期間で交換しなければならず、保守の面でみてもコスト増大につながっていた。すなわち、複数のエンジンの一部を停止可能な車両制御システムにおいて、蓄電池からの電力供給を受けなくても、加速応答性能の向上を実現することが課題であった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため本発明の望ましい態様の一つは、エンジンと、前記エンジンにより駆動される発電機と、前記発電機の出力する交流電力を直流電力へ変換するコンバータと、前記直流電力を変換して交流電力を生成して電動機を駆動するインバータと、複数のエンジンの起動と停止を個別に制御するエンジン制御装置と、将来の複数のエンジンの負荷を予測するエンジン負荷予測部と、を備え、少なくとも前記エンジンと前記発電機を複数備え、コントローラまたはＡＴＯから出力されるノッチ指令により、前記インバータを制御し、複数のエンジンのうち一部のエンジンが停止状態であり、前記エンジン負荷予測部が、将来の前記複数のエンジンの負荷の上昇を予測した場合に、かつ前記エンジン負荷予測部で予測された前記複数のエンジンの負荷上昇を生じさせる前記ノッチ指令の値が増加する前に、停止状態の前記エンジンを起動する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明により、運転士のノッチ変更より前に停止状態にあるエンジンを起動することができるため、蓄電池からの電力供給を受けなくてもノッチ変更に対する加速応答性を向上させることが可能な駆動システムを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施形態における車両制御システムの構成。
【図２】第１の実施形態におけるブロック図。
【図３】第１の実施形態における統合制御装置のフローチャート。
【図４】第１の実施形態におけるインバータ出力指令の演算方法。
【図５】第１の実施形態における制限速度データ。
【図６】第１の実施形態における制限速度に対するノッチの予測方法。
【図７】第１の実施形態における車両制御システムの効果。
【図８】第１の実施形態における動作モード表示装置と動作モード切り替え装置。
【図９】第２の実施形態における路線の勾配データ。
【図１０】第２の実施形態における勾配に対するノッチの予測方法。
【図１１】第２の実施形態における車両制御システムの効果。
【図１２】第３の実施形態におけるブロック図。
【図１３】第３の実施形態における目標走行速度パターン。
【図１４】第３の実施形態における車両制御システムの効果。
【図１５】第４の実施形態における車両制御システムの構成。
【図１６】第４の実施形態におけるブロック図。
【図１７】第５の実施形態における車両制御システムの構成。
【図１８】第６の実施形態における車両制御システムの構成。
【図１９】第７の実施形態における車両制御システムの構成。
【図２０】第７の実施形態におけるブロック図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態の複数の電気気動車１に搭載された車両制御システム２の構成である。車両制御システム２は、運転士のノッチ操作を検出するマスターコントローラ３と、車両の速度を検出する速度検出装置４と、制限速度データが格納されている路線データベース５と、後述する駆動システム制御装置１５やエンジン制御装置７に指令を出力する統合制御装置６と、統合制御装置６の動作モードを切り替える動作モード切り替え装置１６と、統合制御装置６の動作モードを表示する動作モード表示装置１７と、車両を駆動する電動機１４と、電動機１４駆動用の交流電力を生成するインバータ１２と、発電機９の発生する交流電力からインバータに入力する直流電力を生成するコンバータ１０と、交流電力を発電してコンバータに交流電力を出力する発電機９と、発電機９を駆動するディーゼルエンジン８と、インバータ１２を制御するインバータ制御装置１３と、コンバータ１０を制御するコンバータ制御装置１１と、エンジン８（ディーゼルエンジン）を制御するエンジン制御装置７と、各制御装置に指令を出す駆動システム制御装置１５と、補機１９から構成されている。なお、図１に示すように駆動システム制御装置１５と、エンジン制御装置７と、コンバータ制御装置１１と、インバータ制御装置１３と、エンジン８と、発電機９と、コンバータ１０と、補機１９と、インバータ１２と、電動機１４からなる駆動システムが複数あり、別々の車両に搭載されている。本実施形態では、駆動システムが複数の車両に搭載されている例を用いたが、それに限定せず同一の車両に配置されてもよい。
【００１０】
統合制御装置６は、マスターコントローラ３からノッチ指令を、速度検出装置４から車両速度を、路線データベース５から図５に示す制限速度データを受信する。なお、速度検出装置４は、各車輪に取り付けられた車輪回転角度センサから各車輪１８の速度を求め、各車輪から求めた速度の平均値を使って速度を求める。但し、速度の求め方はこれに限定されず、車両の速度可能な方法であれば置き換え可能である。詳細は後述するが統合制御装置６は、前記ノッチ指令、前記車両速度、前記制限速度データに基づき、エンジンの起動フラグ、インバータ出力指令を出力する。
【００１１】
駆動システム制御装置１５は、前記インバータ出力指令に基づいたエンジン回転数指令、直流部の電圧指令、インバータ出力指令を出力する。
【００１２】
エンジン制御装置７は、前記エンジン起動フラグが立っている時はエンジンを起動し、エンジン起動フラグが立っていないときは停止する。エンジン制御装置７は、前記エンジン回転数指令に基づきエンジンの回転数を制御する。なお、エンジン制御装置７は排気悪化を防ぐためにエンジン回転数が急増しないように、エンジン回転数に速度の制約を設ける。エンジンで発生した動力で、発電機９を駆動し３相の交流電力を出力する。コンバータ制御装置１１は、発電機９で出力される３相交流電力を必要な分だけ直流電力に変換し、前記直流部電圧指令になるように直流部の電圧を制御する。インバータ制御装置１３は、インバータ出力指令に基づき電動機１４に電力を供給する。駆動された発電機９により車輪１８に動力が伝わり車両が加速する。補機１９には、直流部から必要な電力が供給される。なお、鉄道分野ではエンジンは、大出力のディーゼルエンジン８が一般に用いられるが、ガソリンエンジン等の他の内燃機関でもよい。発電機９としては、３相交流発電機９（誘導発電機又は同期発電機）が一般的である。コンバータ１０は、整流器やＰＷＭコンバータ１０で構成される。電動機１４としては、３相交流電動機１４（誘導電動機または同期電動機）が一般的である。
【００１３】
詳細は後述するが、動作モード切り替え装置１６のＯＮ、ＯＦＦ入力が統合制御装置６に入力され、統合制御装置６のエンジンの制御モードが切り替えできるようになっている。また、詳細は後述するが、動作モード表示装置１７は、統合制御装置６のエンジンの制御モードに応じてランプを点灯させることで、運転士に正常に動作していることを明示することができる。
【００１４】
続いて、実施例１におけるブロック図を図２に示す。ここでは、主に統合制御装置６と駆動システム制御装置１５の内部の処理が記述されている。まず、統合制御装置６については、図２のブロック図及び図３のフローチャートを用いて説明する。Ｓ５１はインバータ出力指令演算部２１での演算、Ｓ５２〜Ｓ５６はエンジン負荷予測部２２での演算、Ｓ５７〜Ｓ５９はインバータ出力指令配分部２３での演算である。
【００１５】
統合制御装置６は、Ｓ５１で、図４のマップを用い、前記車両速度と前記ノッチ指令に基づき引っ張り特性（加速特性）に応じた編成全体のインバータ出力指令を演算する。例えば、ある速度で惰行から５ノッチに指令が切り替わった場合、図４から求めたインバータ出力指令を直接出力すると、インバータ出力指令はデジタル的に大きく変化してしまう。そこで、インバータ出力指令の立ち上がる速度を所定値で制限することで、インバータ出力指令の急変を防ぐ。但し、インバータ出力指令の立ち上げ速度は、ノッチと連動して立ち上げ速度をかえてもよいし、他の方法で求めてもよい。また、本願ではインバータへの指令として、インバータ出力指令を用いているが、それに対応したインバータ電流指令やインバータトルク指令を求めるようにしてもよい。
【００１６】
続いて、統合制御装置６は、Ｓ５２で、（１）式より所定時間Δｔ秒後の自車位置ｘ1［ｍ］を算出する。但し、ｘ0［ｍ］は現在の自車位置、ν［ｍ／ｓ］は車両速度である。
【００１７】
ｘ1＝ｘ0＋νΔｔ              （１）
前記現在の自車位置は、前記車両速度を積分して推定する。自車位置の算出方法は、上記に限定する必要はなくＧＰＳ等で求めてもよい。次に、Ｓ５３にて図５に示す制限速度データと前記Δｔ秒後の自車位置を突き合わせ、Δｔ秒後の制限速度を求める。制限速度データは、図５に示すように位置に対して、制限速度が対応している。Ｓ５４では、Δｔ秒後の制限速度と車両速度の偏差に基づき、図６に示すマップよりΔｔ秒後のノッチを予測する。図６では、制限速度と車両速度の差が小さくても、車両速度が高い場合は、高速走行中の走行抵抗を超える出力が必要なため運転士は高いノッチにすると予測する。また、車両速度が低くても、制限速度と車両速度の差が大きい場合は、つまり制限速度が車両速度よりも大幅に大きい場合には、大きな加速が必要なので運転士が高いノッチを入れると予測する。同様の考えから、車両速度が低く、制限速度と車両速度の差が小さい場合は、低いノッチが入力され、車両速度が高く、制限速度と車両速度の差が大きい場合は、高いノッチが入力されると予測する。但し、ノッチの推定方法は上記に限定せず、他の方法で推定してもよい。次に、Ｓ５５では、前記予測したノッチより、インバータ出力指令演算部２１と同様の演算を行い、Δｔ秒後以降の電動機１４の出力すなわちインバータ出力指令（エンジン負荷）を予測する。また、インバータ出力だけでなく、補機出力もエンジン負荷となるので考慮に入れてもよい。以上のエンジン負荷予測部の処理により、統合制御装置６は、Δｔ秒後以降の将来のエンジン負荷を予測できる。
【００１８】
続いて、インバータ出力指令配分部の処理に移る。Ｓ５６で、Ｓ５１で求めた編成全体のインバータ出力指令に対し過不足ないエンジンの数および起動させるエンジンを決定し、起動させる各エンジン制御装置７のエンジン起動フラグを立てる。エンジン起動フラグが入力されたエンジン制御装置７は、エンジン８を起動させる。
【００１９】
例えば、編成全体のインバータ出力指令（負荷）に対して起動しているエンジンが多すぎる場合には、必要な分のエンジン以外を停止する。そうすることで、起動しているエンジンの負荷が大きくなり、効率の高い回転数領域での運転が可能となる。さらに、出力を行う必要の無いエンジンをアイドリングストップさせることもできるので、燃費が向上する。次に、Ｓ５７で、Ｓ５６で求めたエンジン数で、Ｓ５５で求めた将来のエンジン負荷を負担できるかどうか判断する。Ｙｅｓの場合は、Ｓ５７からＳ５９に進む。Ｎｏの場合は、Ｓ５８にて、Ｓ５７の結果に基づき、起動するエンジン数（前記エンジン起動フラグ）を必要なだけ補正し、追加で起動させるエンジンのエンジン制御装置７へ前記エンジン起動フラグを出力して、Ｓ５９に進む。
【００２０】
特に容量の大きなエンジンは起動してから数秒間は出力が出せないため、エンジン起動フラグを立てても、エンジンが出力できる状態（エンジンに接続された発電機が発電動作を行う状態）になるまでは数秒の遅れがある。そのため、上記のように将来のエンジン負荷を予測して、予測に基づいて起動するエンジン数を決定し、予めエンジンを起動させることにより、例えば、急加速などで将来のエンジン負荷が急増した場合においても、負荷が増加するより前にエンジンフラグを立ち上げて、予め起動しているエンジンの数を増加させることができる。よって、起動しているエンジンの数が、エンジンの負荷が増加するまでに増加し、エンジン出力の不足を未然に防ぐことができる。Ｓ５９では、エンジンが出力できる状態にある駆動システムの駆動システム制御装置１５に前記インバータ出力指令を配分する。統合制御装置６は、以上で求めたインバータ出力指令及びエンジン起動フラグを、それぞれ各駆動システム制御装置１５、エンジン制御装置７に出力する。
【００２１】
このように、エンジンの起動が将来のエンジン負荷予測により制御され、エンジンの出力（発電機の出力電力）が入力されたノッチ指令により制御されるため、ノッチ指令が増加しなくても、起動するエンジンの数を予め増加させることが可能となり、また、ノッチ指令の値が増加する前は発電を行わず、ノッチ指令の値が増加した後に発電を開始することが可能となるため、蓄電池などの他の電源を用いなくとも、ノッチ急変時にノッチ変更に対する加速応答性を向上させることが可能となる。
【００２２】
続いて、図２に戻り、駆動システム制御装置１５の処理について説明する。エンジン出力指令演算部２４は、前記インバータ出力指令に基づき、エンジン出力指令を求める。エンジン回転数指令演算部２５は、前記エンジン出力指令に対応したエンジン回転数指令を求める。なお、エンジン回転数指令は、エンジンの燃費、排気などを考慮して適切に算出されることが望ましい。以上により算出された、エンジン回転数指令がエンジン制御装置７に入力される。
【００２３】
また、直流部電圧指令は、コンバータ制御装置１１に入力される。一般的に、直流部の電圧は一定に保たれるように制御されている。例えば、直流部電圧指令は１５００Ｖと設定されており、コンバータ制御装置１１は直流部の電圧を１５００Ｖに保つようにコンバータ１０を制御する。また、図示しないが、直流部にはブレーキ抵抗器とブレーキ抵抗器への電流量を制御するブレーキチョッパが備えられており、直流部が過電圧になった時には、コンバータ制御装置がブレーキチョッパを制御して、余分な電力を消費する。
【００２４】
以上説明した実施例１の効果について図７を用いて説明する。図７の上のグラフは、縦軸が車両速度、横軸が時間であり、車両の制限速度が５０［km／ｈ］から８０［km／ｈ］に切り替わることを示している。図７の下のグラフは、縦軸が複数の発電機による発電電力、横軸が時間を示している。図７の中央の３つのグラフは、縦軸がエンジンの回転速度、横軸が時間を示しており、エンジン（１）〜（３）の回転速度の時間変化を示している。図７に示すように、時刻ｔ1秒より前では、車両速度は制限速度とほぼ同じ速度であり、０ノッチの惰行状態で走行している。よって、統合制御装置６は、エンジンの負荷が補機１９だけで十分小さいと判断し、エンジン（１）だけを起動している。時刻ｔ1で、統合制御装置６は、制限速度の切り替わりから将来のエンジン負荷が増加し、エンジン（１）だけではエンジンの負荷を負担できないと判断し、エンジン（２），（３）を起動する。エンジン（２），（３）は、時刻ｔ1から起動し始め、時刻ｔ2までに発電機から電力を出力できる状態になっている。その結果、図７に示すように、時刻ｔ2で、制限速度が５０［km／ｈ］から８０［km／ｈ］に切り替わり、運転士がノッチを０［Ｎ］から５［Ｎ］に変更することに起因してエンジン負荷が急増加しても、エンジン（１），（２），（３）に接続された発電機が全て電力を出力できる状態にあるので、エンジンが過負荷になることはなく、安定に車両を加速することができる。以上のようなノッチ操作とは関係なく、エンジン負荷増加前にエンジンを起動させるモードをエンジン準備モードと呼ぶ。
【００２５】
以上説明した第１の実施形態の車両制御システム２により、負荷が小さい時は、必要最小限のエンジンで負荷を負担し、エンジン負荷予測部２２で予測したエンジンの負荷増加よりも前の時点で、前もってエンジンを起動する。その結果、エンジン負荷が小さい時には、全てのエンジンを運転するのではなく必要な台数に制限して運転できる。したがって、エンジンの特性上、効率の高い領域での運転が可能となり、アイドリングストップもできるので、燃費が向上する。さらに、制限速度が変わり目等で、停止状態にあるエンジンを運転士のノッチ操作（負荷増加）より前に必要な数だけ起動することができるため、蓄電池を設けることなく、高い加速性能の駆動システムを実現することができる。
【００２６】
次に、動作モード表示装置１７及び動作モード切り替え装置１６の一例を図８に示す。一般的な車両制御システム２は、システムが起動している間（走行中や停止中）はエンジンが起動し続けるが、本発明は、現在の負荷及び将来の負荷に基づいてエンジンを起動、停止させることになる。そこで、システムが正常にエンジンを起動／停止させているということを運転士に伝えて安心感を与えるため、図８のように、車両制御システム２がエンジン準備モードであることを、動作モード表示装置１７で運転士に明示する。但し、動作モード表示装置１７は上記に限定するものではなく、例えば音声などで運転士に知らせてもよい。また、統合制御装置６がエンジン負荷の上昇を予測できないシーンにおいて、運転士が自由にエンジン準備モードに切り替えて、エンジンを起動し加速性能を向上できるようにするため、図８に示すような動作モード切り替え装置１６を設ける。
【００２７】
本実施例では、エンジン８、発電機９、コンバータ１０、インバータ１２を有する駆動システムを列車に複数個搭載した実施例を示したが、列車に少なくともエンジンおよび発電機が複数個搭載されており、各エンジンの起動が個別に制御されるような構成であれば本発明を適用可能である。
【００２８】
（第２の実施形態）
続いて、第２の実施形態について、第１の実施形態と相違のある部分を中心に説明する。第２の実施例は、路線データとして勾配を持ち、勾配の変化からエンジンの負荷を予測する。路線データベース５及びエンジン負荷予測部以外は実施例１と同じため説明を省略し、路線データベース５及びエンジン負荷予測部２２のみ説明する。
【００２９】
路線データベース５には、図９に示す勾配データが格納されている。なお、ここでは上り勾配を正とする。但し、勾配データの形式はこれに限定する必要はない。
【００３０】
続いて、エンジン負荷予測部２２を、図３を用いて説明する。Ｓ５１，Ｓ５２は、実施例１と同様の処理である。Ｓ５３で、図９の勾配データと前記Δｔ秒後の自車位置より、Δｔ秒後の勾配を推定する。続いて、Ｓ５４で、図１０に示すマップよりΔｔ秒後のノッチを予測する。車両速度が高く勾配が小さい場合は、高速走行中の走行抵抗に対抗する出力が必要なため運転士は高いノッチにすると予測する。また、車両速度が低く勾配が大きい場合は、勾配による走行抵抗を超える出力が必要なので運転士が高いノッチを入れると予測する。同様の考えから、車両速度が低く勾配が小さい場合はノッチが低く、車両速度が高く勾配大きい場合はノッチが高いと予測する。但し、ノッチの推定方法は上記に限定せず、他の方法で推定してもよい。Ｓ５５〜Ｓ５９は、実施例１と同様のため説明を省略する。以上の処理により、エンジン負荷予測部２２は、路線の勾配に応じてΔｔ秒後以降のエンジン負荷の出力増加を予測できる。
【００３１】
第２の実施例における効果を、図１１を用いて説明する。勾配が０［‰］から４０［‰］へ切り替わる区間を走行している。図１１に示すように、時刻ｔ1秒より前では、勾配は０［‰］で惰行（０ノッチ）で走行している。よって、統合制御装置６は、エンジンの負荷が補機１９だけで小さいと判断し、エンジン（１）だけ起動している。時刻ｔ1で、統合制御装置６は、勾配データからノッチが切り替わりエンジン負荷の増加することを予測し、エンジン（１）だけではエンジンの負荷を負担できないと判断し、エンジン（２），（３）を起動する。エンジン（２），（３）は、時刻ｔ1から起動し始め、時刻ｔ2までに出力できる状態になっている。その結果、時刻ｔ2で、勾配が４０［‰］に切り替わり、運転士がノッチを５［Ｎ］に入れてエンジン負荷が急増加しても、エンジン（１），（２），（３）が全て出力できる状態にあるので、エンジンが過負荷になることはなく、車両は安定に加速することができる。
【００３２】
以上説明した第２の実施形態における車両制御システム２により、負荷が小さい時は、必要最小限のエンジンで負荷を負担し、エンジン負荷予測部２２が勾配に基づいて予測したエンジンの負荷増加よりも前の時点で、前もってエンジンを起動する。その結果、エンジン負荷が小さい時には、全てのエンジンを運転するのではなく必要な台数に制限して運転できる。したがって、エンジンの特性上、効率の高い領域での運転が可能となり、アイドリングストップもできるので、燃費が向上する。さらに、急勾配に突入する前に、停止状態にあるエンジンを運転士のノッチ操作（負荷増加）より前に必要な数だけ起動することができるため、蓄電池を設けることなく、高い加速性能の駆動システムを実現することができる。
【００３３】
（第３の実施形態）
続いて、第３の実施形態について、第１の実施形態と相違のある部分を中心に説明する。第３の実施例は、ＡＴＯ（Automatic Train Operation）が適用されている列車が対象となる。第３の実施形態における車両制御システム２の構成は、路線データベース２０に格納されているデータが、制限速度ではなく図１３に示す目標走行速度パターンである以外は、第１の実施形態と同じため、説明を省略する。
【００３４】
第３の実施形態におけるブロック図を図１２に示す。マスターコントローラ３は、ＡＴＯモードであることを統合制御装置６に入力する。ノッチ決定部２７は、ＡＴＯのノッチ操作を決める役割を担う。ノッチ決定部２７は、実施例１と同様に現在の車両速度を積分して現在の車両位置を推定し、前記目標走行速度パターンと前記現在車両位置から、目標走行速度を求める。次に、ノッチ決定部２７は、前記目標速度と前記車両速度からノッチ指令を決める。なお、ノッチの決定方法は上記に限定する必要はなく、例えば路線の制限速度、勾配などの路線情報の情報も利用して決定されてもよく、他のＡＴＯの方式に従ってもよい。第３の実施形態におけるエンジン負荷予測部２２では、ノッチ決定部２７と同様の処理で所定時間後のノッチを予測し、ノッチから図４を用いてエンジンの負荷を予測する。補機もエンジン負荷になるので、考慮してもよい。第３の実施形態におけるブロック図では、ノッチ決定部２７及びエンジン負荷予測部２２以外は第１の実施形態におけるブロック図と同じため説明を省略する。
【００３５】
第３の実施形態における効果を、図１４に示す。目標走行速度が、時刻ｔ2で急に増加する区間を走行している。図１４に示すように、時刻ｔ1秒より前では、目標走行速度と実速度がほぼ一致しているので、ＡＴＯは惰行（０ノッチ）で走行している。よって、統合制御装置６は、エンジンの負荷が補機１９だけで十分小さいと判断し、エンジン（１）だけ起動している。時刻ｔ1で、統合制御装置６は、時刻ｔ2において目標走行速度が増加してエンジン負荷が増加することを予測し、エンジン（１）だけではエンジンの負荷を負担できないと判断し、エンジン（２），（３）を起動する。エンジン（２），（３）は、時刻ｔ1から起動し始め、時刻ｔ2までに出力できる状態になっている。その結果、時刻ｔ2で、目標走行速度が増加し、ＡＴＯがノッチを５［Ｎ］に入れてエンジン負荷が急増加しても、エンジン（１），（２），（３）が全て出力できる状態にあるので、エンジンが過負荷になることはなく、車両は安定に加速することができる。
【００３６】
以上より、第３の実施形態による車両制御システム２により、ＡＴＯが実装された列車においても、負荷が小さい時は、必要最小限のエンジンで負荷を負担し、エンジン負荷予測部２２で予測されたエンジンの負荷が増加されるよりも前の時点で、前もってエンジンを起動する。
【００３７】
その結果、ＡＴＯが実装された列車においても、エンジン負荷が小さい時には、全てのエンジンを運転するのではなく必要な台数に制限して運転できる。したがって、エンジンの特性上、効率の高い領域での運転が可能となり、アイドリングストップもできるので、燃費が向上する。さらに、停止状態にあるエンジンを運転士のノッチ操作（負荷増加）より前に必要な数だけ起動することができるため、蓄電池を設けることなく、高い加速性能の駆動システムを実現することができる。
【００３８】
（第４の実施形態）
図１５は本発明の第４の実施形態による車両制御システム２の構成図である。以後は、第１の実施形態と相違のある部分のみを説明する。第４の実施形態は、路線データベース２０に、制限速度ではなく図１３に示す目標走行速度パターンが格納されている。運転士のノッチ操作をガイダンスする運転士ガイダンス装置３０が新たに設けられており、車両速度及び目標走行速度パターンが入力されている。運転士ガイダンス装置３０は、目標走行速度パターン及び車両速度に基づき、マスターコントローラ３へノッチガイダンスを出力する。上記以外は第１の実施形態と同じなので、説明を省略する。
【００３９】
図１６を用いて、第４の実施形態のブロック図を説明する。運転士ガイダンス装置３０は、まず、現在の車両速度を積分して現在の位置を推定し、前記目標走行速度パターンデータと前記現在車両位置から、目標走行速度を求める。次に、運転士ガイダンス装置３０は、前記目標走行速度と前記車両速度の偏差におおよそ比例したノッチ、すなわち、偏差が大きい時は高いノッチ、偏差が小さい時は低いノッチをノッチガイダンスとして出力する。なお、ノッチガイダンスの決定方法は上記に限定する必要はなく、例えば路線の制限速度、勾配などの路線情報の情報も利用して決定されてもよい。以上により、運転士ガイダンス装置３０は、目標走行速度パターン及び車両速度に基づき、マスターコントローラ３へノッチガイダンスを出力する。マスターコントローラ３は前記ノッチガイダンスを、運転士に明示する。運転士は、明示されたノッチガイダンスを参考にノッチを操作する。第４の実施形態におけるエンジン負荷予測部２２では、運転士ガイダンス装置３０と同様の処理で所定時間後のノッチを予測し、ノッチから図４を用いてエンジンの負荷を予測する。補機もエンジン負荷になるので、考慮してもよい。エンジン負荷予測部２２以降は、第１の実施形態と同様のため説明を省略する。
【００４０】
第４の実施形態の効果は、ノッチガイダンスに基づいて運転士がノッチを決定する以外は、第３の実施形態の効果と同様のため詳細説明を割愛する。以上より、第４の実施形態の車両制御システム２により、運転士ガイダンス装置３０が実装された列車においても、負荷が小さい時は、必要最小限のエンジンで負荷を負担し、エンジン負荷予測部２２で予測されたエンジンの負荷が増加されるよりも前の時点で、前もってエンジンを起動する。
【００４１】
その結果、運転士ガイダンス装置３０が実装された列車においても、エンジン負荷が小さい時には、全てのエンジンを運転するのではなく必要な台数に制限して運転できる。したがって、エンジンの特性上、効率の高い領域での運転が可能となり、アイドリングストップもできるので、燃費が向上する。さらに、停止状態にあるエンジンを運転士のノッチ操作（負荷増加）より前に必要な数だけ起動することができるため、蓄電池を設けることなく、高い加速性能の駆動システムを実現することができる。
（第５の実施形態）
続いて、第５の実施形態について、第１の実施形態と相違のある部分を中心に説明する。第５の実施形態は、ＡＴＯや運転士ガイダンス装置３０はなく、車両が通常走行する目標走行速度パターンに基づきエンジン負荷を予測する。第５の実施形態における車両制御システム２の構成を図１７に示す。路線データ２０には、制限速度ではなく図１３に示す目標走行速度パターンが格納されており、統合制御装置６に入力される。
【００４２】
第５の実施形態では、制限速度が目標走行速度パターンに置き換わった以外は、第１の実施形態と同じである。すなわち、第１の実施形態では制限速度と車両速度から、エンジンの負荷を予測していたが、第５の実施形態では目標走行速度と車両速度の偏差におおよそ比例したノッチ、すなわち、偏差が大きい時には高いノッチ、偏差が小さい時には低いノッチを予測し、予測したノッチから図４を用いてエンジンの負荷を予測する。第５の実施形態の効果は、ノッチを決めるのが運転士であること以外は、第３の実施形態と同様のため詳細説明を割愛する。以上より、第５の実施形態の車両制御システム２により、負荷が小さい時は、必要最小限のエンジンで負荷を負担し、エンジン負荷予測部２２が予測したエンジンの負荷の増加よりも手前の時点で、前もってエンジンを起動する。
【００４３】
その結果、エンジン負荷が小さい時には、全てのエンジンを運転するのではなく必要な台数に制限して運転できる。したがって、エンジンの特性上、効率の高い領域での運転が可能となり、アイドリングストップもできるので、燃費が向上する。さらに、走行速度パターンの変化点においても、停止状態にあるエンジンを運転士のノッチ操作（負荷増加）より前に必要な数だけ起動することができるため、蓄電池を設けることなく、高い加速性能の駆動システムを実現することができる。
【００４４】
（第６の実施形態）
続いて、第６の実施形態について、第５の実施形態と相違のある部分を中心に説明する。第６の実施形態は、ドアの開閉状態と目標走行速度パターンに基づきエンジン負荷を予測する車両制御システム２である。第６の実施形態における車両制御システム２の構成を図１８に示す。第５の実施形態に対し、マスターコントローラ３からドアの開閉状態が統合制御装置６に入力される点が異なる。
【００４５】
第５の実施形態では、列車位置に関連付けられた目標走行速度に基づきエンジンの負荷を予測する。したがって、駅停車時は、目標走行速度は０であり、その情報だけではどのタイミングで出発するか、すなわちどのタイミングでエンジンの負荷が増加するか予測できない。そこで、駅停車時は、運転士のドアの開閉情報を活用し、ドアが開いた状態から閉めた時に、数秒後に加速すると予測し、目標走行速度の傾きに応じてエンジンの負荷を予測することとする。すなわち、第６の実施形態では、駅停車時にドアの開閉状態と、目標走行速度から、エンジンの負荷を予測する。それ以降は、第５の実施形態と同様のため説明を省略する。
【００４６】
第６の実施形態の車両制御システム２により、駅停車時においても、負荷が小さい時は、必要最小限のエンジンで負荷を負担し、エンジン負荷予測部２２で予測されたエンジンの負荷が増加されるよりも手前のタイミングで、前もってエンジンを起動する。
【００４７】
その結果、エンジン負荷が小さい時には、全てのエンジンを運転するのではなく必要な台数に制限して運転できる。したがって、エンジンの特性上、効率の高い領域での運転が可能となり、アイドリングストップもできるので、燃費が向上する。さらに、駅停車時においても停止状態にあるエンジンを運転士のノッチ操作（負荷増加）より前に必要な数だけ起動することができるため、蓄電池を設けることなく、高い加速性能の駆動システムを実現することができる。
【００４８】
（第７の実施形態）
続いて、第７の実施形態について、第１の実施形態と相違のある部分を中心に説明する。第７の実施形態は、第１の実施形態においてさらに運行ダイヤデータを有し、制限速度と、運行ダイヤ情報に基づきエンジンの負荷を予測する。
【００４９】
図１９に第７の実施形態における車両制御システム２を示す。路線データ２０には、制限速度だけでなく運行ダイヤ情報も格納されており、統合制御装置６に入力される。また、時計３１から時刻が統合制御装置６に入力される。なお、運行ダイヤ情報は、本実施形態のように列車上に記憶されていなくてもよい。例えば、地上の運行管理システムから逐次取得してもよく、その場合はダイヤの乱れ情報などの情報もオンラインで入手可能である。それ以外は、第１の実施形態と同じため説明を割愛する。
【００５０】
第７の実施形態におけるブロック図を図２０に示す。エンジン負荷予測部２２に運行ダイヤと時刻が入力されている。エンジン負荷予測部２２では、まず、第１の実施形態と同じく図３のＳ５２，５３にて制限速度を算出する。次に、前記時刻と前記運行ダイヤに基づき、現在運行ダイヤに対して列車が遅れているか、早いかを判断する。その判断結果に基づき、列車が運行ダイヤに対して大幅に遅れている場合は、ダイヤを挽回するために高いノッチが入力されやすくなるので、通常より高いノッチが出力されるように図６のマップを補正する。逆に、列車が運行ダイヤに対して大幅に早い場合は、通常より低いノッチが出力されるように図６のマップを補正する。以上補正したマップを用いて、Ｓ５４及びＳ５５でエンジン負荷を予想する。但し、他列車のダイヤも乱れている場合、自列車が運行ダイヤに対して大幅に遅くても、通常より高いノッチが入れられるとは限らないので、その場合はダイヤ乱れ情報や引き直された運行ダイヤを図示しない地上システムから受信し、それらの情報に基づいて図６を補正し、ノッチを予測する。上記以外は、第１の実施形態と同じため説明を省略する。
【００５１】
以上は、図６のマップを補正しているが、運行ダイヤ情報に基づきエンジン負荷の予測値を補正することになり、エンジン負荷を高精度に予測することが可能になる。
【００５２】
その結果、エンジン負荷が小さい時には、全てのエンジンを運転するのではなく必要な台数に制限して運転できる。したがって、エンジンの特性上、効率の高い領域での運転が可能となり、アイドリングストップもできるので、燃費が向上する。さらに、ダイヤがどういう状況にあっても停止状態にあるエンジンを運転士のノッチ操作（負荷増加）より前に必要な数だけ起動することができるため、蓄電池を設けることなく、高い加速性能の駆動システムを実現することができる。
【００５３】
本実施形態では、路線データとして制限速度を用いたが、勾配情報、走行速度パターンであってもよい。また、ＡＴＯや運転士ガイダンス装置と組み合わせてもよい。
【００５４】
以上説明したように、本発明によれば、エンジン負荷が小さい時には、全てのエンジンを運転するのではなく必要な台数に制限して運転でき、燃費性能の高いシステムが構築できる。さらに、エンジンの負荷上昇の予測に基づいて、エンジンの負荷上昇に先立って、必要なエンジンを起動することにより、蓄電池を設けることなく、高い加速性能の駆動システムを実現することができる。すなわち、蓄電池を設けることなく、燃費性能と加速性能を高い次元で両立することができる。
【００５５】
また、この観点から、路線の特殊性や、車両の仕様等に対応して、実施形態１ないし７を組み合わせたり、さまざまな変形を行うことが可能である。
【符号の説明】
【００５６】
１  電気気動車
２  車両制御システム
３  マスターコントローラ
４  速度検出装置
５  路線データベース
６  統合制御装置
７  エンジン制御装置
８  エンジン
９  発電機
１０  コンバータ
１１  コンバータ制御装置
１２  インバータ
１３  インバータ制御装置
１４  電動機
１５  駆動システム制御装置
１６  動作モード切り替え装置
１７  動作モード表示装置
１８  車輪
１９  補機
２１  インバータ出力指令演算部
２２  エンジン負荷予測部
２３  インバータ出力指令配分部
２４  エンジン出力指令演算部
２５  エンジン回転数指令演算部
２７  ノッチ決定部
３０  運転士ガイダンス装置
３１  時計
【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】
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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】
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