(57)【要約】【課題】  バッテリを主電源とし、力行、制動時の負荷の急激な変動に対し迅速に対応することができる電気車を提供。【解決手段】  バッテリ５１の充電状態がその容量の中間状態の下限に達すると、発電システム６０に対して電力の出力を増大させるための指令を出力し、バッテリ５１の充電状態がその容量の中間状態の上限に達すると、発電システム６０に対して電力の出力を減少させるための指令を出力する。また、バッテリ５１の充電状態がその容量の中間状態の下限に達すると、エネルギ蓄積手段７０によって発電して電力をバッテリ５１に供給させ、バッテリ５１の充電状態がその容量の中間状態の上限に達すると、バッテリ５１の電力によってエネルギ蓄積手段７０に電力を吸収させる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バッテリを駆動電源とする電気車において、
走行に用いられ、駆動および制動を行う走行駆動系と、
操作指示を受け付ける操作指示装置と、
マイクロタービンにより駆動される発電システムと、
充放電が可能なバッテリを含む主電源装置と、
電力の吸収／放出を行うことができる補助電源装置と、を備え、
前記主電源装置は、前記バッテリの充電状態を検知するためのセンサと、前記バッテリの充電状態をその容量の中間状態に維持するための制御を行うマネージメントシステムとを有し、
前記補助電源装置は、エネルギを蓄積するための手段と、エネルギを蓄積するための手段の駆動およびそれによる発電とを行う発電電動機と、発電および駆動を制御するコントローラとを有し、
前記マネージメントシステムは、前記センサからの信号に基づいて前記バッテリの充電状態がその容量の中間状態の下限に達することを検出すると、前記発電システムに対して電力の出力を増大させるための指令を出力し、前記センサからの信号に基づいて前記バッテリの充電状態がその容量の中間状態の上限に達することを検出すると、前記発電システムに対して電力の出力を減少させるための指令を出力し、
前記補助電源装置のコントローラは、前記センサからの信号に基づいて前記バッテリの充電状態がその容量の中間状態の下限に達することを検出すると、エネルギ蓄積手段によって発電して電力を前記バッテリに供給させ、前記センサからの信号に基づいて前記バッテリの充電状態がその容量の中間状態の上限に達することを検出すると、前記バッテリの電力によってエネルギ蓄積手段に電力を吸収させること、
を特徴とするハイブリッド・エネルギ電気車。
【請求項２】
請求項１に記載の電気車において、
前記補助電源装置のエネルギ蓄積手段が、フライホイールであることを特徴とするハイブリッド・エネルギ電気車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バッテリを駆動用の主電源とする電気車に係り、特に、電力の需給調整を行うことができる機能を備えたハイブリッド・エネルギ電気車に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
工事用電気車の典型的なものに、バッテリを電源とするものがある。この種の電気車は、走行距離および運行時間についてバッテリの容量に基づく制約がつきまとう。これに対して、内燃機関を動力源とする発電機を搭載して、バッテリを充電しつつ走行する電気車がある。この種の電気車によれば、長時間運行を可能とすることができる。しかし、隧道等の換気が十分ではない空間を走行する電気車の場合、排ガスをできる限り抑える必要がある。そこで、排ガス抑制を目的として、マイクロタービン発電機を搭載した電気車が提案されている（特許文献１）。一方、電動機を駆動するため、エンジンにより駆動されて電力を出力する発電機と、駆動電力の過不足に対応するための電力蓄積手段を備えたハイブリッド・エネルギ機関車が提案されている（特許文献２）
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２６２４０７号公報
【特許文献２】ＵＳＰ６，５９１，７５８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１及び２に開示される技術は、いずれもエンジンにより駆動される発電機によって供給される電力を主電源として、モータを駆動し、バッテリを、電力の過不足時のバッファとして機能させる構成となっている。すなわち、バッテリはあくまでも副電源としての位置づけとなっている。
【０００５】
ところで、エンジン駆動の発電機を主電源とする場合、駆動電力の需給の制御は、主として発電機の運転制御を行うことによってなされることとなる。しかし、エンジン駆動の発電機は、電力指令を受けて出力を増減するための時間遅れが無視できない場合がある。そのため、電気車の運転状況に応じて迅速に出力を制御することには対応し切れていない。
【０００６】
本発明は、発電機による給電をしつつ、バッテリを主電源とし、さらに、力行、制動時の負荷の急激な変動に対しても迅速に対応することができて、制御性のよい電気車を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、
バッテリを駆動電源とする電気車において、
走行に用いられ、駆動および制動を行う走行駆動系と、
操作指示を受け付ける操作指示装置と、
マイクロタービンにより駆動される発電システムと、
充放電が可能なバッテリを含む主電源装置と、
電力の吸収／放出を行うことができる補助電源装置と、を備え、
前記主電源装置は、前記バッテリの充電状態を検知するためのセンサと、前記バッテリの充電状態をその容量の中間状態に維持するための制御を行うマネージメントシステムとを有し、
前記補助電源装置は、エネルギを蓄積するための手段と、エネルギを蓄積するための手段の駆動およびそれによる発電とを行う発電電動機と、発電および駆動を制御するコントローラとを有し、
前記マネージメントシステムは、前記センサからの信号に基づいて前記バッテリの充電状態がその容量の中間状態の下限に達することを検出すると、前記発電システムに対して電力の出力を増大させるための指令を出力し、前記センサからの信号に基づいて前記バッテリの充電状態がその容量の中間状態の上限に達することを検出すると、前記発電システムに対して電力の出力を減少させるための指令を出力し、
前記補助電源装置のコントローラは、前記センサからの信号に基づいて前記バッテリの充電状態がその容量の中間状態の下限に達することを検出すると、エネルギ蓄積手段によって発電して電力を前記バッテリに供給させ、前記センサからの信号に基づいて前記バッテリの充電状態がその容量の中間状態の上限に達することを検出すると、前記バッテリの電力によってエネルギ蓄積手段に電力を吸収させること、を特徴とするハイブリッド・エネルギ電気車が提供される。
【０００８】
ここで、前記補助電源装置のエネルギ蓄積手段は、フライホイールであることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照して、本発明の電気車に関する実施形態について説明する。以下の実施形態では、工事用機関車に適用した例について説明する。もちろん、本発明は、適宜の形状、構造を有する電気車に適用することが可能である。また、用途についても、工事用に限定されない。貨物用、旅客用等の電気車に適宜適用可能である。さらに、機関車に限られない。例えば、自走台車、自走客車、自走作業機等にも適用することができる。
【００１０】
図１は本発明の実施の形態に係る電気車１０の側面図、図２は、一部の覆いを外した状態の平面図である。また、図３に、本実施形態の電気車の電力系統および制御系統を示す。
【００１１】
電気車１０は、本体１１と、本体１１の中央に配置された運転室１２と、本体１１を支持する車輪１３と、連結器１４と、前記車輪１３を駆動する走行駆動系３０とを有する。この電気車１０は、側面から見て凸形を呈する構造を持つ。その中央部に、運転室１２が形成されている。運転室１２には、操作指示受付装置として機能するオペレーション・コントローラ４０が設置されている。また、電気車本体１１には、バッテリ５１を含む主電源システム５０と、マイクロタービン発電機を含む発電機システム６０と、補助電源装置として電力の吸収／放出を行うフライホイールシステム７０とが搭載されている。
【００１２】
オペレーション・コントローラ４０には、表示パネル４１と、各種操作部材４３が設けられている操作盤４２と、図示していない制御装置とが設けられる。表示パネル４１には、運転操作に必要な情報を表示する表示灯、ディスプレイ等が設置される。ディスプレイには、例えば、バッテリの端子電圧、発電システム６０の出力電圧、発電システム６０の出力電流と、フライホイールシステム７０のフライホイール回転数等が表示される。図示していない制御装置は、操作盤４２からの指示を受け付けて、後述する走行駆動系３０の制御に対する指令を出力する。また、操作部材４３として、操作する際に必要なスイッチ、レバー、スティック等が設置されている。
【００１３】
運転室１２を挟んで電気車本体１１の上部の一方側には、主電源システム５０が有するバッテリ５１が搭載されている。他方側には、発電機システム６０と、電源制御装置１０とが搭載されている。
【００１４】
走行駆動系３０は、車輪１３を駆動する駆動モータ３２と、駆動モータ３２の駆動を制御するドライバ３１とを有する。駆動モータ３２は、電動機と発電機として機能する回転機であって、具体的には、車輪１３が取り付けられている車軸の駆動および制動を行う。本実施形態では、直流サーボモータを用いている。ドライバ３１は、オペレーション・コントローラ４０からの操作指令に応じて、駆動モータ３２を駆動させる。具体的には、始動、停止、加速、減速等の指示に応じて、速度に対応する駆動パルスを生成して、駆動モータ３２に供給する。また、制動時には、回生電流を主電源システム５０に送る。
【００１５】
主電源システム５０は、駆動用電流の出力および回生電流の吸収を行うバッテリ５１と、このバッテリ５１の充電状態を管理するためのバッテリ・マネージメントシステム５２と、バッテリ５１の端子電圧、および、バッテリ５１の入出力電流を検出するセンサ５３とを有する。バッテリ・マネージメントシステム５２は、バッテリ５１の充電状態を、その容量（満充電時の電荷量）の中間状態、例えば、上限８０％から下限５０％の幅に収まる状態に維持するよう管理する。具体的には、充電状態が中間状態の下限（例えば、容量の５０％）に達すると、発電システム６０に対して、出力電力を増加させる電力指令を出力する。一方、充電状態が中間状態の上限（例えば、容量の８０％）に達すると、発電システム６０に対して、出力電力を減少させる電力指令を出力する。これらの電力指令は、発電システム６０のマイクロタービン・パワー・コントローラ６２に送られる。
【００１６】
バッテリ・マネージメントシステム５２は、中央処理ユニット（ＣＰＵ）５２１と、メモリ５２２と、インタフェース５２３とを含むコンピュータシステムにより構成される。メモリ５２２には、それ自身の動作プログラムと、管理のためのデータとが格納される。管理のためのデータとしては、バッテリの中間状態の上限および下限の設定に関するデータ、バッテリの充電状態を示すデータ等が挙げられる。バッテリの充電状態を示すデータは、例えば、センサ５３からの情報、それに基づく演算結果等が挙げられる。センサ５３からの情報としては、例えば、バッテリ５１の端子電圧、入出力電流値が挙げられる。動作プログラムとしては、充電状態を判定するための演算プログラムと、充電状態に応じて中間状態を維持するための電力指令を生成するプログラム、その出力タイミングを判定するプログラム等を有する。
【００１７】
発電システム６０は、マイクロタービン発電機６１と、マイクロタービン・パワー・コントローラ６２とを有する。マイクロタービン発電機６１は、マイクロタービン６１１と、このマイクロタービン６１１により駆動されて発電を行う発電機６１２とを有する。マイクロタービンは、燃料タンク６１３に格納された燃料と、エアータンク６１４に格納された圧縮空気とを燃焼器に導いて燃焼させて、タービンを高速回転させることにより、回転力を得る。この回転力により発電機６１２を駆動して、発電を行う。マイクロタービン６１１からの排ガスは、エアフィルタ６１５を通して外部に排出される。
【００１８】
マイクロタービン６１１は、燃焼効率が高い。そのため、その排ガス中に含まれる酸化窒素ＮＯxは１４ＰＰｍ程度であり、基準規定値の１／２５と極めて少ない量である。また、運転時には、排ガス中に浮遊粒子物質はほとんど見られない。
【００１９】
発電機６１２は、本実施形態では、交流発電機が用いられる。もちろん、直流発電機としてもよい。この発電機６１２により発電された電力は、マイクロタービン・パワー・コントローラ６２に送られる。
【００２０】
マイクロタービン・パワー・コントローラ６２は、交流電力を直流電力に変換する電力変換器６２１と、マイクロタービン６１１の運転を制御するタービンコントローラ６２２とを有する。なお、電力変換器６２１は、直流電力を交流に変換する機能を持たせてもよい。これにより、バッテリ５１の電力により、発電機６１２をモータとして用いて、マイクロタービン６１１の始動を行うようにしてもよい。タービンコントローラ６２２は、マイクロタービンの回転数、発電機出力等を、図示してないセンサを介してモニタする。タービンコントローラ６２２は、前述したバッテリ・マネージメントシステム５２からの電力指令に応じてマイクロタービンの回転を制御する。この際、前述したように、マイクロタービンの動作をモニタして、発電機６１２が目的の出力となるように、フィードバック制御を行う。
【００２１】
フライホイールシステム７０は、フライホイール７１と、このフライホイール７１を駆動し、または、フライホイール７１によって駆動される発電電動機７２と、フライホールへのエネルギの蓄積および放出を制御するフライホイールコントローラ７３とを有する。
【００２２】
フライホイール７１は、例えば、カーボン組成物等で構成されたものが用いられる。本実施形態では、フライホイール７１と発電電動機７２とが回転軸を共通する構造となっている。
【００２３】
フライホールコントローラ７３は、発電電動機７２とバッテリ５１との間で電力変換を行う電力変換器を備え、センサ５３の出力信号に応じて、発電電動機７２を、発電機として駆動させ、または、電動機として駆動させて、バッテリ５１に対して、電力の需要または供給を行う。このフライホイールコントローラ７３の制御部分は、例えば、コンピュータにより構成することができる。また、プログラマブル・ロジック・アレー等によって構成することもできる。
【００２４】
フライホイールコントローラ７３は、例えば、バッテリ５１の充電状態が前述した中間状態の下限に達したか、または、上限に達したかの判定をそれぞれ行う。このフライホイールコントローラ７３は、バッテリ５１の充電状態が中間状態の下限に達したと判定した場合、発電電動機７２を発電機として機能させ、フライホイール７１の回転トルクにより発電電動機７２により発電を行わせる。一方、このフライホイールコントローラ７３は、バッテリ５１の充電状態が中間状態の上限に達したと判定した場合、発電電動機７２を電動機として機能させ、フライホイール７１の回転数を増加させて、電力を吸収させる。
【００２５】
このフライホイールシステム７０は、目的に応じて種々の仕様のものを用いることができる。ここで、仕様の一例を示す。
【００２６】
最大持続電力…１２０ｋＷ
最大電力供給継続期間…２０秒
使用可能エネルギ蓄積…０．６７ｋＷｈ（２４００ｋＷｓ）
最大再充電レート…１２０Ｗ
典型的アイドル消費電力…１２０Ｗ
フライホイールシステム７０は、前掲の仕様に示すように、大きな電力の放出または吸収が、短時間の間、可能であり、かつ、放出と吸収の際の立ち上がりと立ち下がりとが急峻である。本実施形態では、この性質を利用して、電力の放出または吸収を迅速に行うこととしている。発電システム６０に応答遅れが生じても、これを補完することができる。そのために、フライホイールコントローラ７３が、バッテリ５１の中間状態の上限に達すると電力の吸収を行い、下限に達すると電力の放出を行うよう、発電電動機７２の動作の制御を行う。また、バッテリ５１が中間状態に維持されている間は、アイドリング状態にあり、少ない消費電力で、発電電動機７２を駆動させて、フライホイール７１の回転を維持する。バッテリ５１の中間状態の上限および下限は、フライホイールコントローラ７３に予め設定しておく。なお、この上限および加減は、バッテリ・マネージメントシステムにおいて設定されている上限および下限と同じでなくてもよい。本実施形態では、同じ値に設定してある。
【００２７】
次に、本実施形態の電気車の動作について説明する。ここでは、先ず、発電システム６０の動作特性について、図４および図５を参照して説明する。なお、図４および図５の縦軸は任意尺度である。
【００２８】
図４（ｂ）に示すように、バッテリ・マネージメントシステム５２からパルス状の電力指令ｐ１およびｐ２がタービンコントローラ６２２に送られると、タービンコントローラ６２２はマイクロタービン６１１に供給される燃料量を増加するよう指示する。これに伴って、図４（ａ）に示すように、マイクロタービン６１１の回転数がｒ１およびｒ２のように変化する。また、それに対応してマイクロタービン出口排ガス温度ｔが変化する。マイクロタービン６１１の回転数の増減に伴って、図４（ｂ）に示すように、発電機６１２の出力がｇ１およびｇ２のように変化する。
【００２９】
ここで、図４（ｂ）に示すように、電力指令のパルスｐ１，ｐ２に比べて発電機出力ｇ１およびｇ２は応答遅れを持っている。これは、マイクロタービン６１１が燃料の燃焼によってトルクを得ていることに伴って生じるものである。これに対して、フライホイールシステム７０では、フライホイール７１の回転運動と電力との変換を発電電動機７２により迅速に行いうる。そこで、前述した電力指令を送らなければならない事情、すなわち、バッテリ５１がその中間状態の上限または下限に至ったことに伴って、フライホイールコントローラ７３が発電電動機７２の動作を、発電および電動のいずれかのモードとすることにより、迅速に対応することができる。
【００３０】
また、電気車停止時には、図５（ａ）に示すように、タービンコントローラ６２２によりマイクロタービン６１１への燃料の供給量を減少させて、低出力に保持するように制御が行われる。これに伴って、タービン出口排ガス温度ｔが低下し、その後ほぼ一定の温度が保持される。一方、温度タービン回転数ｒは発電機６１２の負荷が減少するため、その回転数ｒを若干増加した状態で維持される。ここで、図５（ｂ）に示すように、発電機出力が低下して、一定の値に保持される。このとき、バッテリ５１に対する充電が行われる。その後、マイクロタービン６１１を冷気運転に切り替えて、運転を終了する。
【００３１】
次に、電気車の動作について説明する。先ず、オペレーション・コントローラ４０から電気車の始動指示を受け付けると、タービンコントローラ６２２は、マイクロタービン６１１の始動操作を実行する。その後、運行可能状態に至った時、オペレーション・コントローラの表示パネル４１にその旨を示す表示を行う。
【００３２】
この状態で、オペレーション・コントローラ４０から走行指示が入力されると、これを受けてドライバ３１は、バッテリ５１の電力を用いて、駆動パルスを生成して、駆動モータ３２に供給する。駆動モータ３２は、駆動パルスに基づいてトルクを発生し、車輪１３を駆動する。このとき、センサ５３はバッテリ５１の端子電圧を検出している。バッテリ・マネージメントシステム５２は、センサ５３の出力信号に基づいて、バッテリの充電状態が中間状態にあるか、すなわち、中間状態の上限および下限内にあるかを判定する。中間状態にある間は、そのまま運行を継続する。このとき、フライホイールシステム７０には、バッテリ５１からフライホール７１の回転を維持するアイドリングのための電力が供給されている。
【００３３】
バッテリ・マネージメントシステム５２は、センサ５３からの信号に基づいて、バッテリ５１の充電状態が中間状態にあるかを監視する。この監視は、前述したように、バッテリ５１の端子電圧、入出力電流の積算等により行い得る。ここでは、簡単のため、端子電圧によって監視することとする。センサ５３が検出したバッテリ５１の端子電圧が中間状態の下限に相当する値に達したと判定すると、バッテリ・マネージメントシステム５２は、電力指令を生成して、発電システム６０のタービンコントローラ６２２に送る。タービンコントローラ６２２は、マイクロタービン発電機６１に回転数を上昇させるための指令を出力する。例えば、マイクロタービン６１１に供給される燃料量を増加させる等の制御を行う。ただし、前述したように、マイクロタービン６１１による発電は、立ち上がりに若干の遅れを生じる。
【００３４】
一方、フライホイールコントローラ７３においても、センサ５３からの信号に基づいて、バッテリの端子電圧が中間状態の下限に相当する値に達したと判定すると、フライホイール７１により発電電動機７２を駆動させて発電を行う。発電電動機７２の出力は、フライホイールコントローラ７３を介して直流としてバッテリ５１に給電される。これにより、前述した発電システム６０の立ち上がりの遅れを補うことができる。なお、このフライホイールシステム７０は、前述したように、出力できる時間が短時間に限られる。しかし、短時間持ちこたえれば、その後は、前述した発電システムから電力が供給されることになるため、十分対応できる。
【００３５】
ここで、フライホイールシステム７０は、その出力電圧がバッテリ５１の端子電圧に達した時点で、出力を止めて、アイドリング状態に戻る。
【００３６】
一方、バッテリ・マネージメントシステム５２は、センサ５３が検出したバッテリの端子電圧が中間状態の上限に相当する値に達したと判定すると、タービンコントローラ６２２に対して、発電システム６０の出力電力を減少するよう指令する電力指令を出力する。その結果、マイクロタービン発電機６１からの出力が減少して、バッテリ５１に給電される電力が減少し、当該バッテリ５１の端子電圧の上昇が抑えられる。この時点では、フライホイールシステムは、アイドリング状態にあり、わずかな電力を消費して、発電電動機７２がフライホイールの回転を維持している。
【００３７】
次に、オペレーション・コントローラ４０から制動指示がなされた場合、ドライバ２１は、駆動モータ３２を発電機として機能させて、車輪の運動により駆動モータ３２を駆動させて発電を行う。ここで発電された電力は、ドライバ３１を介してバッテリ５１に給電される。このとき、バッテリ・マネージメントシステム５２は、センサ５３からの信号に基づいて、バッテリ５１の端子電圧が、中間状態の上限に相当する電圧に達したと判定すると、タービンコントローラ６２２に対して、発電システム６０の出力電力をさらに減少するよう指令する電力指令を出力する。また、フライホイールシステム７０において、フライホイールコントローラ７３は、発電電動機７２を電動機として機能させ、バッテリ５１の電力によってフライホイールをさらに回転させる。これにより、バッテリ５１に流入している駆動モータ３２の回生制動による電力をフライホイール７１の回転エネルギとして吸収する。その結果、駆動モータ３２の回生電流を吸収することができるため、制動効果を確保することができる。
【００３８】
以上に述べたように、本実施形態によれば、バッテリを主電源として駆動モータの駆動および制動を制御することにより、マイクロタービン発電機による給電を行いつつ、バッテリを主電源として電気車の制御を行うことができる。さらに、力行、制動時の負荷の急激な変動に対しても迅速に対応することができて、制御性のよい電気車を実現することができる。
【００３９】
以上において述べた実施形態は、軌道を走行する電気車の例であるが、本発明はこれに限られない。例えば、バス、トラック等の軌道を有しない電気車にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】図１は本発明の実施の形態に係る電気車の側面図。
【図２】図２は一部の覆いを外した状態の平面図。
【図３】図３は本実施形態の電気車の電力系統および制御系統を示すブロック図。
【図４】図４（ａ）はマイクロタービンの回転数と排ガス温度との関係を示すグラフ、図４（ｂ）は電力指令パルスに対する発電機出力の関係を示すグラフ。
【図５】図５（ａ）はマイクロタービンの回転数と排ガス温度との関係を示すグラフ、図５（ｂ）は発電機出力とバッテリ充電タイミングとの関係を示すグラフ。
【符号の説明】
【００４１】
１０…電気車、３０…走行駆動系、３１…ドライバ、３２…駆動モータ、４０…オペレーション・コントローラ、５０…主電源システム、５１…バッテリ、５２…バッテリ・マネージメントシステム、６０…発電システム、６１…マイクロタービン発電機、６２…マイクロタービン・パワー・コントロールシステム、７０…フライホイールシステム、７１…フライホイール、７２…発電電動機、７３…フライホイールコントローラ。
【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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