(57)【要約】【課題】二次電池出力を利用してエンジンの始動を行うことができるハイブリッド鉄道車両を提供する。【解決手段】本発明に係るハイブリッド鉄道車両では、通常直流電源として使用する電力変換器４と誘導発電機２をインバータ装置と誘導電動機として使用することにより特別な装置を設けることなくエンジン１の始動を可能とした。また、二次電池６の電圧とエンジン１の回転数からエンジンの始動可否を判定するエンジン始動判定部９３を設け、二次電池情報監視部１０によって二次電池６が異常であると検出される場合でも、電圧検出部７によって二次電池電圧が所定の範囲内であれば、エンジンの始動を可能とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンと該エンジンによって駆動される発電機と、該発電機から出力される交流電力を直流電力に変換する電力変換手段と、該電力変換手段の出力に並列に接続された二次電池と、負荷の状態に基づいて前記電力変換手段を制御する電力変換器制御手段を備えたハイブリッド鉄道車両において、前記二次電池の電力にて前記エンジンを始動することを特徴とするハイブリッド鉄道車両。
【請求項２】
前記エンジンの始動は、前記電力変換手段により前記二次電池の直流電力を交流電力に変換し、変換された前記交流電力によって前記発電機を電動機として駆動することにより行うことを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド鉄道車両。
【請求項３】
前記二次電池の状態を監視する二次電池監視手段と、前記電力変換器制御手段に前記二次電池の電圧を検出する電圧検出手段とを更に備えており、前記二次電池監視手段から出力される二次電池情報が異常な場合においても、前記電圧検出手段から出力される二次電池電圧が所定の範囲にある場合は、前記エンジンの始動が行えるようにしたことを特徴とする請求項１又は２に記載のハイブリッド鉄道車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジン発電機と二次電池を併用したハイブリッド鉄道車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジン発電機と二次電池を併用した、いわゆるハイブリッド鉄道車両の開発により低燃費、低排出ガス、低騒音といった環境にやさしい鉄道車両システムの構築が可能となってきた。
【０００３】
一方、二次電池は常に電気エネルギーを保有するため、異常時には漏電、爆発等の危険性があり、このため、二次電池の電圧、電流、温度、充電状態、劣化状態に関する情報を検出する二次電池監視装置を設け、これらの情報に異常がある場合、或いは二次電池監視装置自体に異常が発生した場合は直ちに二時電池を開放するように構成している。
【０００４】
現状の二次電池は単電池当りの容量が小さいため、鉄道車両に用いる場合、複数個の二次電池を直並列接続して使用することになり、従来の鉄道車両に対して体積、重量、コスト等が増大するといった問題があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ハイブリッド鉄道車両においてエンジンを始動するための始動装置を別途設けると装置が大型化するばかりでなくコストも高くなる。また、二次電池に異常が発生した場合、二次電池が開放されエンジン発電機が始動できなくなるばかりでなく、システムが単独の場合はシステム停止となって電車が起動できず利用者に多大な迷惑をかけてしまう恐れがあった。
【０００６】
そこで、ハイブリッド鉄道車両において、エンジンを始動に二次電池出力を利用する点で解決すべき課題がある。
【０００７】
本発明の目的は、システムの小型化、低コスト化を図ると共に、二次電池に異常が発生した場合においてもシステムの起動が可能なハイブリッド鉄道車両を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明によるハイブリッド鉄道車両は、エンジンと該エンジンによって駆動される発電機と、該発電機から出力される交流電力を直流電力に変換する電力変換手段と、該電力変換手段の出力に並列に接続された二次電池と、負荷の状態に基づいて前記電力変換手段を制御する電力変換器制御手段を備えたハイブリッド鉄道車両において、前記二次電池の電力にて前記エンジンを始動することを特徴としている。
【０００９】
このハイブリッド鉄道車両によれば、エンジン発電機を始動するための特別な始動装置を設けることなく、二次電池の保有電力により発電機を電動機として駆動し、これによりエンジンを始動できるようになる。
【００１０】
このハイブリッド鉄道車両において、前記エンジンの始動は、前記電力変換手段により前記二次電池の直流電力を交流電力に変換し、変換された前記交流電力によって前記発電機を電動機として駆動することにより行うことができる。電力変換手段により二次電池の直流電力を交流電力に変換し、発電機を電動機として駆動することによりエンジンの始動を行うので、電力変換、発電電動というハイブリッド機構を利用して、エンジンの始動を行うことができる。
【００１１】
このハイブリッド鉄道車両において、前記二次電池の状態を監視する二次電池監視手段と、前記電力変換器制御手段に前記二次電池の電圧を検出する電圧検出手段とを更に備えており、前記二次電池監視手段から出力される二次電池情報が異常な場合においても、前記電圧検出手段から出力される二次電池電圧が所定の範囲にある場合は、前記エンジンの始動が行えるようにすることができる。二次電池監視手段が検出した二次電池の状態の中に異常な情報がある場合であっても、二次電池の電圧が所定の範囲にあることが確保できれば、エンジンの始動を行うようにする。
【００１２】
更に、本発明のハイブリッド鉄道車両では、複数個直列接続された二次電池の両端電圧（全電圧）を検出する二次電池電圧検出手段を設け、当該二次電池電圧検出手段の出力に基づいて、エンジンの始動可否を判定するエンジン始動判定手段を備えた。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、二次電池の保有電力でエンジンを始動できるため、特別な始動装置を設ける必要が無く、装置の小型化、低コスト化が図れる。また、本発明によれば二次電池が異常な場合であってもエンジンを始動できるため、システム停止状態を発生させることが無い。エンジンを始動できれば、鉄道車両は少なくともエンジンにて自力走行することが可能になるので、たとえ、車両や二次電池に何らかの点検・修理の必要があっても、車両整備基地に戻って異常に対する処置を施すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１に本発明の電源システムの構成を示す。図１に示す電源システムにおいて、エンジン１と誘導発電機２は継手等を介して機械的に連結され、誘導発電機２の出力は電力変換器４に接続されている。電力変換器４の一方の出力は開閉スイッチ５の一方の端子と負荷８の一方の入力に接続され、電力変換器４の他方の出力は二次電池６の負側の端子と負荷８の他方の入力に接続されている。また、開閉スイッチ５の他方の端子と二次電池６の正側の端子が接続され、二次電池６の両端には電圧検出器７が接続されている。
【００１５】
ここで、負荷８はインバータ装置と誘導電動機を想定しているが、本発明には直接関係ないため、詳細な説明は省略する。
【００１６】
一方、誘導発電機２に設けられた速度信号発生器３から出力される速度信号Ｎｇは電力変換器制御部９の速度検出部９１に入力され、速度検出部９１から出力される回転周波数Ｆｇは制御部９２及びエンジン始動判定部９３に入力される。また、電圧検出器７から出力される二次電池電圧Ｖｂは電力変換器制御部９のエンジン始動判定部９３に入力され、二次電池６から出力される電池単位の二次電池情報Ｓｂ０は二次電池情報監視部１０に入力される。
【００１７】
更に、二次電池情報監視部１０で整理して出力される二次電池情報Ｓｂ１とエンジン始動判定部９３から出力される始動許可信号Ｓｓとは電力変換器制御部９の制御部９２に入力され、制御部９２から出力される駆動信号Ｓｇとスイッチ開閉信号Ｓｓｗとは、それぞれ電力変換器４と開閉スイッチ５とに入力される。
【００１８】
上記構成において、まずエンジン１が起動している場合の動作について説明する。
エンジン１が起動している場合は機械的に直結された誘導発電機２はエンジン１と同回転数で回転しており、速度信号発生器３よりこの回転数に応じた速度信号Ｎｇ［ｒｐｍ］が出力される。電力変換器制御部９ではこの速度信号Ｎｇを速度検出部９１において回転周波数Ｆｇ［Ｈｚ］に変換して出力する。このときの速度信号Ｎｇと回転周波数Ｆｇの関係を式１に示す。
Ｆｇ＝Ｎｇ／３０  ［Ｈｚ］                  （式１）
制御部９２は上記回転周波数Ｆｇを基に、電力変換器４の駆動周波数Ｆｃを求め、これに応じた駆動信号Ｓｇを出力する。この回転周波数Ｆｇと駆動周波数Ｆｃの関係を式２に示す。
Ｆｃ  ＝  Ｆｇ  ＋  Ｆｓ    ［Ｈｚ］                      （式２）
ここで、Ｆｓ：誘導発電機の滑り周波数
なお、本実施例では誘導発電機２に誘導電動機を、電力変換器４にインバータ装置を用い、これらを電力回生モードで使用することにより直流電力を発生するようにしている。従って、上記数２に示す滑り周波数Ｆｓは通常負の値となっている。
【００１９】
電力変換器４から出力される直流電力は、通常、二次電池６の出力と加算されて負荷８に供給されるが、二次電池６の充電量が低下している場合は開閉スイッチ５を介して二次電池６に充電される。ここで、二次電池６の充電量は後述する二次電池情報Ｓｂ１より得られる。
【００２０】
二次電池情報監視部１０から出力される二次電池情報Ｓｂ１の内容を図２に示す。図示のように二次電池情報Ｓｂ１は各１バイトデータ（０〜２５５）の電池電圧２０、電池電流２１、電池の平均温度２２、電池の充電状態を示す充電量２３、電池の劣化具合を示す劣化率２４、電池温度及び充電量から求まる許容充電電流２５と許容放電電流２６、電池の異常内容を示す電池状態フラグ２７から成り、更に電池状態フラグ２７は各１ビットデータ（’１’または’０’）の電池準備完了を示す第１初期化完了２７１と第２初期化完了２７２、電池の過電圧を示す過充電異常２７３、電池の低電圧を示す過放電異常２７４、電池の高温異常２７５、過電流異常２７６、電池と二次電池情報監視部１０間の通信異常２７７、電池または二次電池情報監視部１０のハード異常２７８から成る。これより、二次電池６が正常に動作している場合は電池状態フラグ２７が第１初期化完了２７１と第２初期化完了２７２のみ’１’、他の異常情報２７３〜２７８は’０’となっているが、何等かの異常が発生し、異常情報２７３〜２７８のいずれかが’１’となると制御部９２は開閉信号Ｓｓｗにより開閉スイッチ５を開き、二次電池６を開放する。
【００２１】
次に、上記構成において、エンジン１を起動する場合について説明する。
前述のように本実施例では誘導発電機２は一般的な誘導電動機であり、電力変換器４はインバータ装置である。このため、滑り周波数Ｆｓを正の値にして式２で求まる駆動周波数Ｆｃの駆動信号Ｓｇで電力変換器４を駆動することによりエンジン１を起動することができる。
【００２２】
図３にエンジン始動判定部９３の処理をフローチャートで示す。
まず、ステップ１００において電池電圧Ｖｂと回転周波数Ｆｇを取り込み、次に、ステップ１０１において回転周波数Ｆｇが’０’か否かを判定する。Ｆｇ＝０の場合エンジンは停止しているため、ステップ１０２において電池電圧Ｖｂが所定の範囲にあるか否かを判定する。この結果、電池電圧Ｖｂが所定の範囲内であればエンジン始動可能と判断し、ステップ１０３において始動許可信号Ｓｓを’１’にする。ここで、電池電圧Ｖｂの所定の範囲とは図２に示す電池情報の内、過充電異常となる最大電圧値及び過放電異常となる最小電圧値以内に設定すべきであることは言うまでもない。一方、ステップ１０１で回転周波数が’０’でない、すなわちエンジン１が起動している、またはステップ１０２で二次電池電圧Ｖｂが所定範囲外と判断された場合は、ステップ１０４において始動許可信号Ｓｓを’０’とする。
【００２３】
図４に制御部９２の処理の一部をフローチャートで示す。
制御部９２ではエンジン始動判定部９３から出力される始動許可信号Ｓｓにより、電力変換器４の制御を実行する。まず、ステップ１１０においてエンジンが動作中の場合、ステップ１１１において図２に示す二次電池情報により電池が正常か否かを判定し、正常な場合はエンジンを通常運転モードで運転する。しかし、ステップ１１１において二次電池が異常と判断した場合はステップ１１３において開閉スイッチ５に与えるスイッチ開閉信号Ｓｓｗを’０’にすることにより二次電池を開放する。
【００２４】
一方、ステップ１１０においてエンジンが停止中と判断した場合、ステップ１１４においてエンジン始動か否かを判定し、エンジン始動の場合、エンジン始動判定部９３から出力される始動許可信号Ｓｓが’１’か否かを判定し、Ｓが’１’の場合はステップ１１６においてエンジンを始動する。しかし、Ｓｓが’０’の場合はステップ１１７においてステップ１１３と同様に二次電池を開放する。ステップ１１４においてエンジン始動でない場合はステップ１１８においてエンジン停止を維持する。
【００２５】
以上のように、本実施例によれば、二次電池６の保有電力でエンジン１を始動できるため、特別な始動装置を設ける必要が無く、装置の小型化、低コスト化が図れる。また、本実施例によれば二次電池情報６が異常な場合であっても二次電池電圧が所定の範囲内にあればエンジン１を始動できるため、システム停止状態を発生させることが無い極力回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態を示す図。
【図２】二次電池情報監視部１０の出力内容を示す図。
【図３】エンジン始動判定部９３の処理を示すフローチャート。
【図４】制御部９２の処理の一部を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００２７】
１…エンジン
２…誘導発電機
３…速度信号発生器
４…電力変換器
５…開閉スイッチ
６…二次電池
７…電圧検出器
８…負荷
９…電力変換器制御部
１０…二次電池情報監視部
９１…速度検出部
９２…制御部
９３…エンジン始動判定部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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