(57)【要約】  本発明は、動力装置を駆動するための駆動ユニットに関する。特に本発明は、モータに結合された牽引力発生器を駆動するように設計された内燃機関の形態のエンジンを始動するための向上した駆動に関する。バッテリがたとえば比較的低い供給電圧を提供するようにのみ設計されている場合、エンジンを始動するプロセス中にバッテリによって提供されるエネルギポテンシャルが不十分であるという欠点が先行技術から知られている。したがって、本発明によって対処される課題は、エンジンの確実な始動を可能にし、この場合車両の既存のエンジンおよび駆動ユニットに対する最小限の回路系適合化のみを必要とする向上した、かつより単純な駆動ユニットを提供することである。当該課題は、駆動ユニット（１００）によって解決される。駆動ユニット（１００）は、電力コンバータ（２０）を備え、電力コンバータ（２０）は、作業機械（５０）に接続可能であり、中間回路（６）を含み、中間回路（６）は、まず第１のインバータ（２）に、第２に第２のインバータ（４）に結合可能であり、第１のインバータ（２）は、交流電圧側でモータ（５４）に接続可能であるように設計され、直流電圧側で中間回路（６）に接続され、第２のインバータ（４）は、直流電圧側で中間回路（６）に接続され、交流電圧側で作業機械（５０）に接続可能であり、第２のインバータ（４）は、作業機械（５０）がモータまたは発電機として動作可能であるように作業機械（５０）を駆動するように設計され、さらに、少なくとも１つのエネルギ貯蔵装置（１０）へのリンクと、電力コンバータ（２０）に接続されたスイッチングユニット（８，１３）とを備え、スイッチングユニット（８，１３）は第１の動作モードまたは第２の動作モードで動作可能であり、第１の動作モードでは、スイッチングユニット（８，１３）は、少なくとも１つのエネルギ貯蔵装置（１０）からスイッチングユニット（８，１３）を介して電力コンバータ（２０）の中間回路（６）へのエネルギ流を可能にするために、電力コンバータ（２０）を少なくとも１つのエネルギ貯蔵装置（１０）に結合するように設計され、第２の動作モードでは、スイッチングユニット（８，１３）は、少なくとも１つのエネルギ貯蔵装置（１０）から電力コンバータ（２０）を切断するように設計され、駆動ユニット（１００）は、エネルギ貯蔵装置（１０）にエネルギを提供するために電力コンバータ（２０）に接続可能なエネルギ貯蔵装置充電ユニット（１２）を備える。
2016526368.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動ユニット（１００）であって、
電力コンバータ（２０）を備え、前記電力コンバータ（２０）は、作業機械（５０）に接続可能であり、中間回路（６）を含み、前記中間回路（６）は、まず第１のインバータ（２）に、第２に第２のインバータ（４）に結合可能であり、前記第１のインバータ（２）は、交流電圧側でモータ（５４）に接続可能であるように設計され、直流電圧側で前記中間回路（６）に接続され、前記第２のインバータ（４）は、直流電圧側で前記中間回路（６）に接続され、交流電圧側で前記作業機械（５０）に接続可能であり、前記第２のインバータ（４）は、前記作業機械（５０）がモータまたは発電機として動作可能であるように前記作業機械（５０）を駆動するように設計され、さらに、
少なくとも１つのエネルギ貯蔵装置（１０）へのリンクと、
前記電力コンバータ（２０）に接続されたスイッチングユニット（８，１３）とを備え、前記スイッチングユニット（８，１３）は第１の動作モードまたは第２の動作モードで動作可能であり、前記第１の動作モードでは、前記スイッチングユニット（８，１３）は、前記少なくとも１つのエネルギ貯蔵装置（１０）から前記スイッチングユニット（８，１３）を介して前記電力コンバータ（２０）の前記中間回路（６）へのエネルギ流を可能にするために、前記電力コンバータ（２０）を前記少なくとも１つのエネルギ貯蔵装置（１０）に結合するように設計され、前記第２の動作モードでは、前記スイッチングユニット（８，１３）は、前記少なくとも１つのエネルギ貯蔵装置（１０）から前記電力コンバータ（２０）を切断するように設計され、
前記駆動ユニット（１００）は、前記エネルギ貯蔵装置（１０）にエネルギを提供するために前記電力コンバータ（２０）に接続可能なエネルギ貯蔵装置充電ユニット（１２）を備える、駆動ユニット（１００）。
【請求項２】
前記スイッチングユニット（８，１３）は、前記電力コンバータ（２０）の中間回路（６）から前記スイッチングユニット（８，１３）を介して供給ネットワーク端子（１４）に向かうエネルギ流を可能にするために、前記電力コンバータ（２０）を前記供給ネットワーク端子（１４）に結合するように設計されることを特徴とする、請求項１に記載の駆動ユニット（１００）。
【請求項３】
前記駆動ユニット（１００）は、前記電力コンバータ（２０）の前記中間回路（６）に接続可能な補助エネルギ貯蔵装置（１６）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の駆動ユニット（１００）。
【請求項４】
前記補助エネルギ貯蔵装置（１６）と前記電力コンバータ（２０）の前記中間回路（６）との間にコンバータユニット（９）が接続されることを特徴とする、請求項２に記載の駆動ユニット（１００）。
【請求項５】
前記補助エネルギ貯蔵装置（１６）は、充電または放電動作で動作可能であるように設計され、前記充電モードでは、前記スイッチングユニット（８，１３）は前記第１の動作モードで動作され、前記エネルギ貯蔵装置（１０）からのエネルギが前記スイッチングユニット（８，１３）を介して前記中間回路（６）に供給可能であり、前記エネルギは次いで、前記中間回路（６）から前記コンバータユニット（９）を介して前記補助エネルギ貯蔵装置（１６）へと伝達されるように、前記エネルギ貯蔵装置（１０）が前記スイッチングユニット（８，１３）を介して前記電力コンバータ（２０）の前記中間回路（６）に結合され、前記補助エネルギ貯蔵装置（１６）が前記放電モードで動作される場合、前記補助エネルギ貯蔵装置（１６）からのエネルギが前記電力コンバータ（２０）の前記中間回路（６）に提供されるように、前記補助エネルギ貯蔵装置（１６）が前記コンバータユニット（９）を介して前記電力コンバータ（２０）の前記中間回路（６）に結合されることを特徴とする、請求項３に記載の駆動ユニット（１００）。
【請求項６】
前記スイッチングユニット（８，１３）は、前記エネルギ貯蔵装置（１０）を電気過負荷から保護するように設計された負荷保護要素（１３）を有することを特徴とする、先行する請求項のうちいずれか１項に記載の駆動ユニット（１００）。
【請求項７】
前記負荷保護要素（１３）はダイオードであることを特徴とする、請求項５に記載の駆動ユニット（１００）。
【請求項８】
前記駆動ユニット（１００）は、前記駆動ユニット（１００）の動作モードに依存して、前記電力コンバータ（２０）、前記スイッチユニット（８，１３）、前記エネルギ貯蔵装置（１０）、前記補助エネルギ貯蔵装置（１６）、および前記供給ネットワーク端子（１４）の間の結合を制御するように設計される制御ユニット（３０）を備えることを特徴とする、先行する請求項のうちいずれか１項に記載の駆動ユニット（１００）。
【請求項９】
前記補助エネルギ貯蔵装置（１６）は、スーパーキャップとして具体化されることを特徴とする、先行する請求項のうちいずれか１項に記載の駆動ユニット（１００）。
【請求項１０】
前記電力コンバータ（２０）の前記中間回路（６）は、直流電圧中間回路として具体化されることを特徴とする、先行する請求項のうちいずれか１項に記載の駆動ユニット（１００）。
【請求項１１】
前記スイッチングユニット（８，１３）は、機械的および／または電気的スイッチング手段を含むことを特徴とする、先行する請求項のうちいずれか１項に記載の駆動ユニット（１００）。
【請求項１２】
前記エネルギ貯蔵装置（１６）はバッテリであることを特徴とする、先行する請求項のうちいずれか１項に記載の駆動ユニット（１００）。
【請求項１３】
請求項１〜１２のうちいずれか１項に記載の駆動ユニット（１００）を備える車両。
【請求項１４】
前記車両は鉄道車両であることを特徴とする、請求項１３に記載の車両。
【請求項１５】
前記車両にはハイブリッド駆動が設けられることを特徴とする、請求項１３に記載の車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械を駆動するための駆動ユニットに関する。特に、本発明は、エンジンに結合されたトラクション発電機を駆動するように設計された、内燃機関の形態のエンジンを始動するための向上した駆動に関する。
【背景技術】
【０００２】
先行技術
たとえば列車または農業機械のための牽引用途などで機械を駆動するために用いられる、たとえばディーゼルエンジンなどの内燃機関の形態の強力なエンジンの始動は、追加的であるがその代わり著しく小さい、つまりそれほど強力でない補助モータを用いて実現されることが多いことが先行技術から知られている。補助モータは、補助モータに接続された追加的なバッテリ、いわゆるスターターバッテリを介してその始動エネルギを得る。そのような配置は、たとえば自動車に見られる。その場合、蓄電池として具体化されるスターターバッテリは、自動車の内燃機関の形態のエンジンのスターターに電流を供給する。しかし、エンジンを始動するために比エネルギポテンシャルまたは電圧レベルを提供するタスクに加え、スターターバッテリは、車両の車載電気ネットワークと、それに接続された多様な負荷との供給を支援するのに補助的に用いられることが多い。
【０００３】
エンジンを始動するための同様の方法がＷＯ２０１２／０９１８３１に記載されている。この場合、エンジンは、交流発電機および追加的な補助モータに接続される。交流発電機は、車両の駆動のために必要な牽引エネルギを生成する。追加的な補助モータは、エンジンを起動し始動するために必要とされるトルクを提供するために、バッテリによって給電される。
【０００４】
先行技術の欠点
しかし、エンジンをスターターバッテリで始動するための、先行技術から知られている方法には様々な欠点がある。バッテリがたとえば２４ボルトという比較的低い供給電圧を提供するようにのみ設計されている場合、エンジンを始動するプロセス中に、バッテリによって提供されるエネルギポテンシャルが不十分であることが多い。そのような場合、たとえば昇圧型コンバータなどの追加的な部品は、バッテリによって提供されるエネルギポテンシャルがより高いエネルギポテンシャルに上げられることを確実にしなければならない。また、バッテリによって提供される比較的低い電圧は、エンジンを始動するプロセス中に高いバッテリ電流を引起す。
【０００５】
スターターバッテリの使用に関するさらなる欠点は、その温度依存性能にある。しかしこの欠点は、一般的にすべてのバッテリに共通する。バッテリが露出される周囲温度が低いほど、バッテリの性能はなおいっそう低下する。
【０００６】
技術的な目標課題
本発明によって対処される技術的な目標課題は、先行技術の上述の欠点を回避するかまたは少なくとも最小化する、エンジンを駆動するためおよび始動するための向上した、かつより単純な駆動ユニットを提供することにある。特に、本発明によって対処される課題は、エンジンの確実な始動を可能にし、この場合、車両の既存のエンジンおよび駆動ユニットに対する最小限の回路系適合化のみを必要とする向上した駆動ユニットを提供するということである。本発明によって対処されるさらなる課題は、エンジンを始動するプロセスを、バッテリ、いわゆる車両バッテリの現在のエネルギポテンシャルと無関係にすることにある。車両バッテリは、通常はエンジンの始動を支援し、車両バッテリに取付けられた車両の車載電気ネットワークへの負荷を減少させる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によって対処される課題は、請求項１の特徴によって解決される。発明の有利な実施形態は、添付の従属請求項に見出される。
【０００８】
特に、課題は、駆動ユニットによって解決される。駆動ユニットは、電力コンバータを備え、電力コンバータは、作業機械に接続可能であり、中間回路を含み、中間回路は、まず第１のインバータに、第２に第２のインバータに結合可能であり、第１のインバータは、交流電圧側でエンジンに接続可能であるように設計され、直流電圧側で中間回路に接続され、第２のインバータは、直流電圧側で中間回路に接続され、交流電圧側で作業機械に接続可能であり、第２のインバータは、作業機械がモータまたは発電機として動作可能であるように作業機械を駆動するように設計される。
【０００９】
さらに、駆動ユニットは、少なくとも１つのエネルギ貯蔵装置へのリンクと、電力コンバータに接続されたスイッチングユニットとを備え、スイッチングユニットは第１の動作モードまたは第２の動作モードで動作可能であり、第１の動作モードでは、スイッチングユニットは、少なくとも１つのエネルギ貯蔵装置からスイッチングユニットを介して電力コンバータの中間回路へのエネルギ流を可能にするために、電力コンバータを少なくとも１つのエネルギ貯蔵装置に結合するように設計され、第２の動作モードでは、スイッチングユニットは、少なくとも１つのエネルギ貯蔵装置から電力コンバータを切断するように設計される。さらに、駆動ユニットは、エネルギ貯蔵装置にエネルギを提供するために電力コンバータに接続可能なエネルギ貯蔵装置充電ユニットを備える。
【００１０】
本発明の本質的な点の１つは、モータの、好ましくは、たとえば気動車ユニットおよび機関車などの鉄道車両のための牽引用途において、また、たとえばハイブリッド駆動を追加的に装備することができるバス車両など牽引に密接に関連する使用分野においても用いられるディーゼルエンジンなどの内燃機関の始動は、すでに存在し、かつモータに結合可能な作業機械によって行われる。この場合、作業機械は、モータまたは発電機のいずれかとして動作可能である。エンジンを始動するために、作業機械はモータ動作で駆動され、上記作業機械は、ディーゼルエンジンを始動するために必要とされる始動トルクを提供する。作業機械の２つの動作モードによって、先行技術から知られている同様の用途において内燃機関の形態のエンジンに必要な始動トルクを提供するのに用いられるであろう追加的な補助モータを省略することが有利に可能である。
【００１１】
作業機械は、必要とされるエネルギポテンシャルを提供するエネルギ貯蔵装置の援助によって起動されることができる。エネルギ貯蔵装置は、作業機械にエネルギを供給する電力コンバータユニットの中間回路にスイッチングユニットを介して結合される。この場合、スイッチングユニットは、機械的および／または電気的スイッチング手段を備えることができる。電力コンバータユニットは、第１のインバータおよび第２のインバータを備え、第１および第２のインバータは、中間回路を介して互いに電気的に結合される。中間回路は、好ましくは、容量性素子を有する直流電圧中間回路として具体化されることができる。この場合、発明に係る駆動ユニットは、低電圧範囲と、１０００ボルトより大きい電圧特性値を有する中間電圧範囲とにおいて中間回路電圧を処理するように設計されることができる。第１のインバータは、好ましくは電力コンバータとして具体化され、交流電圧側でモータに接続可能である。当該モータは、好ましくは、駆動されることができる電動機を構成することができる。電力コンバータユニットの第２のインバータは、出力側で作業機械に結合される。
【００１２】
スイッチングユニットは、エネルギ貯蔵装置が電力コンバータユニットに接続されるかまたは電力コンバータユニットから切断されるように動作されることができる。スイッチングユニットは、それぞれの動作モードへのスイッチングを行なう補助コンバータとして有利に具体化されることができる。スイッチングは、したがって、ある状況下ではすでに存在する補助コンバータによって行われることができる。これには、スイッチングに必要とされる構成部品の数が最低限まで削減され、駆動ユニットについて費用および重量の節減をもたらすことができるという利点がある。また、そのようなスイッチング配置によって、より小さく、より低パワーで、したがってより低価格のスイッチ部品を使用することが可能となる。なぜなら、エネルギ貯蔵装置からの必要とされる充電電流を、エネルギ貯蔵装置なしの直接始動と比較して、極めて小さくなるような大きさにすることができるからである。
【００１３】
スイッチングユニットは、走行動作において、たとえばスイッチングユニットに接続された他の負荷にエネルギを代わりに供給するために、エネルギ貯蔵装置が電力コンバータユニットから切離されるように追加的に作動されることができる。つまり、電力コンバータユニットから、スイッチングユニットを介して、たとえば車載電気ネットワークなどの、スイッチングユニットに接続された負荷へのエネルギ流が生じることができる。
【００１４】
本発明のさらなる局面は、エネルギ貯蔵装置が駆動ユニットの一体部分である必要はないという点である。駆動ユニットは、駆動ユニット外に位置する１つまたは複数のエネルギ貯蔵装置を結合するためのインターフェイスを単に有することもできる。
【００１５】
バッテリ、たとえば鉛−酸蓄電池の形態で具体化されることができるエネルギ貯蔵装置は、作業機械を起動するのに必要とされるエネルギポテンシャルを規定公称電圧の形態で利用可能にする。後者は、たとえば２４ボルト、３６ボルト、または１１０ボルトである。エネルギ貯蔵装置は、エネルギ貯蔵装置からスイッチングユニットを介して電力コンバータユニットおよび第２のインバータの入力側へのエネルギ流が生じるように、スイッチングユニットによって切換えられる。しかしエネルギ貯蔵装置によって提供される公称電圧が始動プロセスに十分ではない場合、ある状況下では、作業機械を始動するために必要とされるエネルギポテンシャルを提供するために、昇圧型コンバータをエネルギ貯蔵装置に追加的に接続しなければならない。
【００１６】
発明の好ましい実施形態
本発明の第１の好ましい実施形態では、駆動ユニットはエネルギ充電ユニットを備える。エネルギ充電ユニットは、エネルギ貯蔵装置にこのようにエネルギを提供するために電力コンバータに接続可能である。この目的のために、エネルギ貯蔵装置はエネルギ充電ユニットに結合され、それによって、電力コンバータユニットの第１のインバータからエネルギ充電ユニットへのエネルギ流を可能にする。しかし、いわゆる可逆的なエネルギ充電ユニットの使用も考えられるであろう。後者は、エネルギ貯蔵装置を介して電力コンバータユニットまたは電力コンバータにエネルギを与える機能を有するであろう。
【００１７】
駆動ユニットの動作中、つまり、たとえば動作される車両の走行中、エネルギ充電ユニットは、エネルギ貯蔵装置が充電されることを確実にする。これにより、有利に、電力コンバータユニットに結合された作業機械が動作されることができるように、必要とされるエネルギがディーゼルエンジンを始動するプロセスに常に利用可能であることを確実にすることが可能となり、ひいては、それに接続されたディーゼルエンジンに、必要とされる始動トルクを提供する。
【００１８】
さらなる好ましい実施形態では、スイッチングユニットは、電力コンバータの中間回路からスイッチングユニットを介して供給ネットワーク端子に向かうエネルギ流を可能にするために、電力コンバータを供給ネットワーク端子に結合するように設計される。スイッチングユニットは、好ましくは、対応するスイッチを有する補助コンバータとして具体化される。この目的のために、たとえば、ある状況下ではすでに存在する補助コンバータ上などの既存のハードウェアに対して最小限の適合化を行ないさえすればよい。
【００１９】
スイッチングユニットによるそれぞれのスイッチングは、したがって、電力コンバータユニットに向かって、または電力コンバータユニットから離れる方に通過するエネルギ流の方向を決定する。つまり、スイッチの位置は、電力コンバータユニットからスイッチングユニットを介して供給ネットワーク端子へとエネルギ流が生じるか、またはエネルギ貯蔵装置からスイッチングユニットを介して電力コンバータユニットへとエネルギ流が生じるかを規定する。補助コンバータにおいてスイッチングを行うことができるということにより、より低パワーの、したがってより小さい切換スイッチを用いることができ、費用および空間要件が低減するという利点が与えられる。
【００２０】
発明のさらなる好ましい実施形態では、駆動ユニットは補助エネルギ貯蔵装置を備え、補助エネルギ貯蔵装置は、電力コンバータの中間回路に接続可能である。補助エネルギ貯蔵装置は、たとえばスーパーキャップとして具体化されることができ、スーパーキャップは、エネルギ貯蔵装置よりも、パワーポテンシャルの形態でより大きなエネルギポテンシャルを提供することができる。駆動ユニットはさらに、駆動ユニットとは異なる位置に補助エネルギ貯蔵装置が位置決めされることができるように、補助エネルギ貯蔵装置へのインターフェイスのようなリンクを備えることもできる。補助エネルギ貯蔵装置の使用によって、ディーゼルエンジンの始動のために、エネルギ貯蔵装置の提供されるエネルギポテンシャルとは無関係なエネルギポテンシャルを提供することが可能となる。これは、エネルギ貯蔵装置の性能が温度変動に依存する場合に有利である。これは、特にバッテリについての場合である。たとえば鉛−酸蓄電池などのバッテリの性能、およびしたがって一定のエネルギポテンシャルの提供は、バッテリが低い周囲温度にさらされる場合には阻害されることが先行技術から知られている。
【００２１】
発明の１つの好ましい実施形態では、補助エネルギ貯蔵装置は、エネルギ貯蔵装置を介して充電される。この目的のために、補助エネルギ貯蔵装置は、コンバータユニットを介して電力コンバータユニットの中間回路に接続される。駆動ユニットが用いられる車両においてエネルギを提供するための車載エネルギネットワークの容認できない負荷がこのようにして回避される。この場合、コンバータユニットは、制動抵抗器を追加的に有するＩＧＢＴコンバータとして具体化されることができる。制動抵抗器は、余剰制動エネルギを放散することを追加的に可能にする。
【００２２】
特に、コンバータユニットは、電力コンバータユニットの第２のインバータの直流電圧側入力に結合される。エネルギ貯蔵装置がスイッチングユニットを介して電力コンバータに結合されることから、エネルギ貯蔵装置からスイッチングユニットを介して電力コンバータユニットへ、および電力コンバータユニットからコンバータユニットを介して補助エネルギ貯蔵装置へとエネルギ流が流れる場合、補助エネルギ貯蔵装置はそれによって充電される。そのようなエネルギ流を可能にするこの目的のために、スイッチングユニットを対応して切換えなければならない。そのような補助エネルギ貯蔵装置の充電は、特に車両の走行動作中に好都合である。
【００２３】
余剰制動エネルギを補助エネルギ貯蔵装置に直接与えることもできることが注目されるべきである。
【００２４】
コンバータユニットは、ディーゼルエンジンを始動するプロセスが開始されることが意図される場合に、補助エネルギ貯蔵装置に貯蔵された第１のエネルギポテンシャルを、電力コンバータの中間回路に提供可能な第２のエネルギポテンシャルに引上げるように追加的に設計される。そのような場合、コンバータユニットは、補助エネルギ貯蔵装置から利用可能な電圧電位を上昇させる昇圧型コンバータを有する。
【００２５】
補助エネルギ貯蔵装置は、充電または放電動作において動作可能であるように追加的に設計される。充電モードでは、補助エネルギ貯蔵装置はエネルギ貯蔵装置によって充電される。これは概して、内燃機関を始動するプロセスの前に行われる。この目的のために、スイッチングユニットは、エネルギ貯蔵装置がスイッチングユニットを介して電力コンバータの中間回路に結合される第１の動作モードで動作される。エネルギは次いで、エネルギ貯蔵装置からスイッチングユニットを介して中間回路に与えられる。上記エネルギは次いで、中間回路からコンバータユニットを介して補助エネルギ貯蔵装置に伝えられる。エネルギ貯蔵装置からのエネルギによる補助エネルギ貯蔵装置の充電は、たとえば車両の走行中に生じることもできる。
【００２６】
補助エネルギ貯蔵装置が放電モードで動作される場合は、補助エネルギ貯蔵装置はコンバータユニットを介して電力コンバータの中間回路に結合される。補助エネルギ貯蔵装置からのエネルギは次いで、電力コンバータの中間回路に提供される。補助エネルギ貯蔵装置から電力コンバータユニットへのエネルギ流により、エネルギ貯蔵装置のエネルギポテンシャルに無関係なディーゼルエンジンを始動するためのエネルギポテンシャルを提供することが可能となる。ここでのエネルギポテンシャルは、エネルギ貯蔵装置の利用可能な電圧電位を意味するために用いられる。したがって、このように、さもなければ主に車両バッテリを介して給電されるであろう車両の車載ネットワークへの負荷を減少させることが可能である。また、内燃機関を始動するためのスターターバッテリの温度依存の影響を、結果として最小化することができる。
【００２７】
本発明のさらなる好ましい実施形態では、スイッチングユニットは負荷保護要素を有する。この場合、上記負荷保護要素は、エネルギ貯蔵装置を過負荷から保護するためにダイオードとして具体化されることができる。
【００２８】
本発明の１つの好ましい実施形態では、駆動ユニットは制御ユニットを備える。制御ユニットは、駆動ユニットの動作モードに依存して、電力コンバータユニット、スイッチユニット、エネルギ貯蔵装置、補助エネルギ貯蔵装置、および供給ネットワーク端子の間の結合を制御するように設計される。特に、制御ユニットは、たとえば補助エネルギ貯蔵装置のために充電モードと放電モードとを切換えるために、対応する制御コマンドをスイッチングユニットに供給するように動作されることができる。
【００２９】
図の説明
発明の実施形態は、概略的な図面を参照して以下で詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】発明に係る駆動ユニットの第１の実施形態を示す図である。
【図２】スイッチングユニットの第１の実施形態を示す図である。
【図３】スイッチングユニットの第２の実施形態を示す図である。
【図４】スイッチングユニットの第３の実施形態を示す図である。
【図５】発明に係る駆動ユニットの第２の実施形態を示す図である。
【図６】スイッチングユニットの第４の実施形態を示す図である。
【図７】スイッチングユニットの第５の実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
図面で用いられる参照符号およびそれらの意味は、参照符号のリストに要約してリストされる。原則として、図において同一の部分には同一の参照符号が付される。説明される実施形態は、発明の主題を例として表わし、限定的な作用は有していない。
【００３２】
図１は、発明に係る駆動ユニット１００の第１の実施形態を示す。この例示的な実施形態では、駆動ユニット１００は、電力コンバータユニット２０、制御ユニット３０、エネルギ貯蔵装置１０、エネルギ貯蔵装置充電ユニット１２、およびスイッチングユニット１３で構成される。電力コンバータユニット２０は、第１のインバータ２および第２のインバータ４からなり、第１のインバータ２は、中間回路６を介して第１のインバータ４に電気的に接続される。中間回路６は、容量性素子を有する直流電圧中間回路として具体化されることが好ましい。発明に係る駆動ユニット１００の使用分野に依存して、低電圧範囲および／または他に１０００ボルトを超える電圧値を有する中間電圧範囲において、たとえば発電機として発明を使用することができる。第１のインバータ２は、交流電圧側でモータ５４に、直流電圧側で中間回路６に接続される。モータ５４は、たとえば電動機として具体化されることができる。電動機は、たとえば気動車ユニットまたは機関車などのたとえば列車の牽引車軸などの、たとえば牽引ユニットを駆動するために用いられることができる。
【００３３】
しかし、本発明は牽引用途での使用に制限されない。本発明のさらなる技術分野は、たとえばハイブリッドバスなどの車両での使用であろう。第２のインバータ４は、直流電圧側で中間回路６に接続され、好ましくは、出力側、つまり交流電圧側で作業機械５０に接続される。この場合、作業機械は、非同期機、同期機として、または他に電動機として具体化されることができる。作業機械は、正確であるようにセンサによって追加的に調整されることができるが、好ましくは回転速度調整のためにセンサを使用しなくてもよい。作業機械５０は、動力装置５２に、好ましくはたとえばディーゼルエンジンなどの内燃機関に結合される。作業機械５０は、モータまたは発電機として動作されることができる。発電機動作において、作業機械５０および内燃機関の形態の動力装置５２は、駆動ユニット１００が設置される車両を駆動するための必要なエネルギを提供する。動力装置５２を始動するために、作業機械５０は、動力装置５２を始動するために必要とされる始動トルクを供給するモータとして動作される。
【００３４】
動力装置５２は、したがって、起動するために比エネルギポテンシャルまたは電圧電位を同様に必要とする作業機械５０の援助によって始動される。このエネルギポテンシャルは、スイッチングユニット１３を介して電力コンバータ２０に結合されたエネルギ貯蔵装置１０によって提供される。エネルギ貯蔵装置１０は、エネルギ貯蔵装置１０の充電をもたらすエネルギ貯蔵装置充電ユニット１２に結合される。エネルギ貯蔵装置１０の充電は、好ましくは、駆動ユニット１００によって駆動される車両の走行動作中に行われることができる。エネルギ貯蔵装置充電ユニット１２は、エネルギ流が電力コンバータ２０からエネルギ貯蔵装置充電ユニット１２を介してエネルギ貯蔵装置１０へと流れることができるように、電力コンバータ２０の第１のインバータ２の直流電圧側出力に結合される。
【００３５】
この場合、エネルギ貯蔵装置１０は、好ましくはバッテリとして具体化されることができる。バッテリは、好ましくは２４ボルト、３６ボルト、またはおよそ１１０ボルトの電圧を提供することができ、駆動ユニット１００のそれぞれの用途および動作モードに依存する。しかし、エネルギ貯蔵装置は、別個のスターターバッテリとして、車両に存在する車両バッテリとして、コンデンサを有するスーパーキャップとして、同様に具体化されることができる。その上、１つの特定の実施形態では、いわゆる補給処給電（depot feeding）によってエネルギ貯蔵装置１０にエネルギを供給することができる。補給処給電は、駆動ユニット１００によって動作される車両外に存在し設置されるエネルギネットワークによってエネルギ源が提供されるエネルギの給電を意味するものと理解されるべきである。
【００３６】
スイッチングユニット１３は、必要に応じて、電力コンバータ２０に対するエネルギ貯蔵装置１０の結合を担う。この点について、たとえば、走行動作中にエネルギ貯蔵装置１０を電力コンバータ２０に結合したままにしておくことは必要ではない。エネルギ充電ユニット１２によるエネルギ貯蔵装置１０の充電は、エネルギ貯蔵装置１０がスイッチングユニット１３に電気的に接続されない場合に行われる。エネルギ貯蔵装置１０は例示された実施形態の駆動ユニット１００の一部であるが、これは必ずしもそうである必要はない。駆動ユニット１００が対応する接続インターフェイスを提供するのであれば、エネルギ貯蔵装置１０は駆動ユニット１００の外部に設置されることもできる。スイッチングユニット１３は、エネルギ貯蔵装置１０との目標とする接続およびエネルギ貯蔵装置１０からの切断を引起すが、駆動ユニット１００のそれぞれの動作モードに依存して、たとえば供給ネットワーク端子などの他の負荷または端子からの切断も引起す。
【００３７】
この場合、スイッチングユニットは、スイッチングを引起す補助コンバータとして具体化されることができる。切換スイッチは、比較的低い充電電流のために対応して低い電力で寸法決めされることができ、動力装置５２が代りにスターターバッテリを介して排他的に始動されれば、駆動ユニット１００へのコンバータの組込みのための費用および空間を節減させる。
【００３８】
制御ユニット３０は、駆動ユニット１００の動作モードに依存して、駆動ユニット１００の動作モードへの依存の間の結合、電力コンバータ２０、スイッチユニット１３、エネルギ貯蔵装置１０、エネルギ貯蔵装置充電ユニット１２、およびたとえば供給ネットワーク端子（例示せず）などの、スイッチングユニット１３に接続された負荷の間の結合を引起す。一般に、したがって、制御ユニット３０は、所望の動作モードに依存して、駆動ユニット１０の部品を互いに結合するために、スイッチングユニット１３に対して作用することになる。
【００３９】
充電ユニット１２に関して、後者は可逆的な充電ユニットとして具体化されることもできることが注目されるべきである。そのような充電ユニットにより、エネルギがエネルギ貯蔵装置１０から電力コンバータ２０にも流れ得ることが可能となるであろう。たとえばスイッチングユニット８，１３が駆動ユニット１００に存在しない場合は、そのような用途が好ましくは実行可能であろう。
【００４０】
図２は、スイッチングユニット１３の第１の詳細な実施形態を示す。スイッチングユニット１３は、動力装置５２を始動するための規定エネルギポテンシャルを提供するエネルギ貯蔵装置１０と、電力コンバータ２０（例示せず）の中間回路６とに結合される。図示の実施形態において、スイッチングユニット１３は、コイル３１、スイッチ３２、および、通常はコンバータユニット２０に常に存在する電気的ブレーキのための装置、制動抵抗器３３、および電圧アダプタ３４を有する。スイッチ３２は、第１の場合においてエネルギ貯蔵装置１０およびコイル３１を結合するか、または第２の場合において抵抗器３３を電圧アダプタ３４とともに中間回路６に結合する。スイッチ３２は、外部から供給される制御ユニット（例示せず）の制御信号によってその動作挙動が対応して影響される可能性もあることが注目されるべきである。第１の場合には、エネルギ貯蔵装置１０へのコイル３１の結合は、エネルギ貯蔵装置１０によって供給されるエネルギポテンシャルが、より高いエネルギポテンシャルへと特定値だけ引上げられる効果を有する。スイッチングユニット１３は、この第１の場合には昇圧型コンバータとして動作する。これは、エネルギ貯蔵装置１０の使用可能なエネルギポテンシャルが、作業機械５０を起動させるには不十分であるときは常に必要である。コイル３１は、ある状況下ではエネルギ貯蔵装置１０を破損するであろう電流リップルを最小化するために、エネルギ貯蔵装置１０のためのフィルタ機能も追加的に有する。電圧アダプタ３４は、たとえばハーフブリッジとして実現されることができる直流／直流コンバータと見なすことができる。スイッチ３２は抵抗器３３を電圧アダプタ３４に接続する第２の場合には、抵抗器３３はいわゆる制動抵抗器として作用する。このスイッチング構成は、好ましくは制動動作において用いられる。車両にブレーキがかけられると、余剰制動エネルギが制動抵抗器３３で放散される。
【００４１】
図２に示される構成では、したがって、スイッチングユニット１３は、エネルギ貯蔵装置１０によって提供される電圧をより高いレベルに転換するＤＣ−ＤＣコンバータの機能を有することができる。特に牽引用途において、説明される機能を単純なやり方で得るために、電気制動回路などの既存のハードウェア構成をわずかな適合化によって対応して変更することができる。
【００４２】
図３は、エネルギ流がエネルギ貯蔵装置１０からスイッチングユニット１３を介して電力コンバータ２０の中間回路６に流れることができるように、図１に従って動力装置５２を始動するプロセスのために、エネルギ貯蔵装置１０が電力コンバータ２０の中間回路６にどのように結合されることができるかについてのスイッチングユニット１３の第２の代替的な実施形態を示す。この回路変形例では、機械的または電気的スイッチ３５は、エネルギ貯蔵装置１０が電力コンバータ２０の中間回路６に結合されることを確実にする。この非常に単純な、したがって非常に費用効率の高い構成は、エネルギが電力コンバータ２０の中間回路６に伝達される前により高いエネルギレベルにまず転換される必要のない十分な電圧を供給することができるようにエネルギ貯蔵装置１０がすでに寸法決めされている場合に用いられることが好ましい。
【００４３】
図４は、動的制御要素としての負荷保護要素３６がエネルギ貯蔵装置１０とスイッチ３５との間の電気回路に一体化される点でのみ、図３に示されるスイッチングユニット１３の代替的な実施形態と異なる。この場合、負荷保護要素３６は、好ましくは逆バイアスダイオードとして具体化されることができる。後者は、エネルギ貯蔵装置１０を過負荷から保護することが意図される。
【００４４】
図５は、発明に係る駆動ユニット１００の第２のかつ代替的な実施形態を示す。図示の実施形態は、まず、第１のインバータ２の直流電圧側出力にスイッチングユニット１３が接続される点で図１とは異なる。その上、たとえば４００Ｖの供給ネットワーク１４などの負荷のための端子をスイッチングユニット１３に結合可能である。また、駆動ユニット１００は、ここでは電力コンバータ２０の中間回路６に結合されたコンバータユニット９を有する。たとえばスーパーキャップとして具体化されることができる補助エネルギ貯蔵装置１６がコンバータユニット９に接続される。スーパーキャップは、たとえばコンデンサなどのエネルギ貯蔵装置であり得る。この場合、補助エネルギ貯蔵装置１６は、とりわけ車両の車載電気ネットワークへの負荷の減少をもたらすことができる。なぜなら、車両バッテリが動力装置５２を始動するために必要とされるエネルギを独力で提供する必要がなければ、すでに存在する車両バッテリへの負荷が減少されるからである。
【００４５】
駆動ユニット１００のこの代替的な回路変形例では、動力装置５２を始動するために必要なエネルギポテンシャルが補助エネルギ貯蔵装置１６によって提供される。補助エネルギ貯蔵装置１６は、駆動ユニット１００の一部である必要はなく、駆動ユニット１００の外部に装着されることもできる。
【００４６】
補助エネルギ貯蔵装置１６がエネルギで充電されるように、スイッチングユニット１３は、たとえば走行中にエネルギ貯蔵装置充電ユニット１２によって充電されたエネルギ貯蔵装置１０を電力コンバータユニット２０に補足的に接続し、エネルギ貯蔵装置１０からスイッチングユニット１３を介して電力コンバータユニット２０の中間回路６へと電力流が生じることを確実にする。伝達された電力流は、電力コンバータユニット２０の中間回路６から、コンバータユニット９を介して補助エネルギ貯蔵装置１６に最終的に伝えられる。したがって、充電モードでは、エネルギ貯蔵装置１０により、補助エネルギ貯蔵装置１６への電力流はスイッチングユニット１３を介して伝えられる。駆動ユニットの通常の動作では、中間回路６から負荷１４へと電力流が生じることができるように、スイッチングユニット１３はエネルギ貯蔵装置１０を切断し、代りに負荷１４をスイッチングユニット１３に結合する。この場合、負荷１４は、電圧または電気ネットワークへの端子接続として具体化されることができる。しかし負荷１４は、補給処給電のための補給処ソケット用の端子として具体化されることもできる。
【００４７】
補助エネルギ貯蔵装置１６が充電されれば、そのエネルギは、動力装置５２を始動するプロセスに使用されることができる。この目的のために、補助エネルギ貯蔵装置１６からコンバータユニット９を介して中間回路６へと電力流が生じるように、コンバータユニット９が、たとえば制御ユニット３０によって、対応して接続される。このようにして実現されるのは、エネルギ貯蔵装置１０の現在のエネルギポテンシャルまたは現在の電圧電位とは無関係に、モータとして動作される作業機械５０を始動することによって動力装置５２を始動するプロセスが行なわれるということである。これは特に、たとえば、エネルギ貯蔵装置１０が場合によっては露出される低い周囲温度によってエネルギ貯蔵装置１０の性能が損なわれる場合に必須の局面とされることができる。補助エネルギ貯蔵装置１６のみを用いてエネルギ貯蔵装置１０なしに行なわれる始動プロセスも考えられるであろう。
【００４８】
コンバータユニット９は、たとえば、生成された制動エネルギを同時に吸収する制動抵抗器を有するＩＧＢＴコンバータとして具体化されることができる。
【００４９】
図５に示される構成は、好ましくは車両バッテリとして具体化されることができるスターターバッテリによる直接始動が動力装置５２を始動するために回避されるという利点を有する。車両バッテリからの大きな充電電流がこのようにして回避され、車両の車載エネルギネットワークの軽減に寄与する。図１に例示される構成では、動力装置５２は、電力コンバータ２０と動力装置５２との間に接続された作業機械５０によって始動される。
【００５０】
図６は、好ましくは図５で使用されることができるようなスイッチングユニット１３の第４の実施形態を示す。スイッチングユニット１３は、負荷１４またはエネルギ貯蔵装置１０のいずれかをコイル３１および電圧アダプタ３４に結合するスイッチ３２を有し、ＤＣ−ＤＣコンバータとして具体化されることもできる。後者は、低出力のエネルギ貯蔵装置１０が用いられる場合、エネルギ貯蔵装置１０によって提供されるエネルギポテンシャルが中間回路６に通される前に増大されることを確実にする。スイッチングユニット１３はしたがって、昇圧型コンバータの機能も有する。スイッチ３２は、好ましくは三極スイッチでもあり得る。
【００５１】
フィルタとしてのコイル３１は、たとえば補助動作ネットワークなどの負荷１４が電圧アダプタ３４に結合される場合、高調波の減衰をもたらす。電圧アダプタ３４がエネルギ貯蔵装置１０に結合される場合は、コイル３１は電圧アダプタ３４と共同して昇圧型コンバータとして作用する。
【００５２】
昇圧型コンバータの機能に関し、スターターまたは車両バッテリとして具体化されることができるバッテリなどのエネルギ貯蔵装置によってあらかじめ充電されることができるスーパーキャップによって上記機能を提供することができると本発明について要約して述べることができる。しかし、バッテリによってあらかじめ充電される中間回路によって昇圧型コンバータの機能を提供することも考えられるであろう。しかし、個々の構成部品が対応して寸法決めされるとすれば、本発明は、昇圧型コンバータを使用しなくてもよい。
【００５３】
図７は、図５に示されるように補助エネルギ貯蔵装置１６および電力コンバータユニット２０の中間回路６に結合されるコンバータユニット９の一実施形態を示す。コンバータユニット９は、コイル３１、制動抵抗器として用いられる抵抗器３３、およびハーフブリッジとして実現されることができるＤＣ−ＤＣコンバータ３４を有する。ＤＣ−ＤＣコンバータ３４は、信号伝達に関してまずコイル３１および抵抗器３３の両方に、第２に中間回路６に結合される。
【００５４】
動力装置５２（例示せず）の始動中に、補助エネルギ貯蔵装置１６からスイッチングユニット１３を介して中間回路６へとエネルギが伝達される。車両がブレーキをかけると、中間回路６を介してコンバータユニット９のブレーキ抵抗器３３へとエネルギが伝えられる。
【符号の説明】
【００５５】
２  電力コンバータ
４  インバータ
６  中間回路
８，１３  スイッチングユニット
９  コンバータユニット
１０  エネルギ貯蔵装置
１２  エネルギ貯蔵装置充電ユニット
１３  負荷保護要素
１４  供給ネットワーク端子
１６  補助エネルギ貯蔵装置
２０  電力コンバータユニット
３０  制御ユニット
３１  コイル
３２  スイッチ
３３  抵抗器
３４  ＤＣ−ＤＣコンバータ
３５  スイッチ
３６  負荷保護要素
５０  作業機械
５２  動力装置（ディーゼルエンジン）
５４  （牽引用）駆動モータ
１００  駆動ユニット
【図１】
2016526368.tif 000003
【図２】
2016526368.tif 000004
【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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【手続補正書】
【提出日】平成28年1月7日(2016.1.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動ユニット（１００）であって、
電力コンバータ（２０）を備え、前記電力コンバータ（２０）は、作業機械（５０）に接続可能であり、中間回路（６）を含み、前記中間回路（６）は、まず第１のインバータ（２）に、第２に第２のインバータ（４）に結合可能であり、前記第１のインバータ（２）は、交流電圧側でモータ（５４）に接続可能であるように設計され、直流電圧側で前記中間回路（６）に接続され、前記第２のインバータ（４）は、直流電圧側で前記中間回路（６）に接続され、交流電圧側で前記作業機械（５０）に接続可能であり、前記第２のインバータ（４）は、前記作業機械（５０）がモータまたは発電機として動作可能であるように前記作業機械（５０）を駆動するように設計され、さらに、
少なくとも１つのエネルギ貯蔵装置（１０）へのリンクと、
前記電力コンバータ（２０）に接続されたスイッチングユニット（８，１３）とを備え、前記スイッチングユニット（８，１３）は第１の動作モードまたは第２の動作モードで動作可能であり、前記第１の動作モードでは、前記スイッチングユニット（８，１３）は、前記少なくとも１つのエネルギ貯蔵装置（１０）から前記スイッチングユニット（８，１３）を介して前記電力コンバータ（２０）の前記中間回路（６）へのエネルギ流を可能にするために、前記電力コンバータ（２０）を前記少なくとも１つのエネルギ貯蔵装置（１０）に結合するように設計され、前記第２の動作モードでは、前記スイッチングユニット（８，１３）は、前記少なくとも１つのエネルギ貯蔵装置（１０）から前記電力コンバータ（２０）を切断するように設計され、
前記駆動ユニット（１００）は、前記エネルギ貯蔵装置（１０）にエネルギを提供するために前記電力コンバータ（２０）に接続可能なエネルギ貯蔵装置充電ユニット（１２）を備え、
前記エネルギ充電ユニット（１２）による前記エネルギ貯蔵装置（１０）の充電は、前記スイッチングユニット（８，１３）がその第２の動作モードにある場合に行われ、
前記スイッチングユニット（８，１３）は、前記電力コンバータ（２０）の前記中間回路（６）から前記スイッチングユニット（８，１３）を介して供給ネットワーク端子（１４）に向かうエネルギ流を可能にするために、前記電力コンバータ（２０）を前記供給ネットワーク端子（１４）に結合するように設計される、駆動ユニット（１００）。
【請求項２】
前記エネルギ貯蔵装置（１０）が前記スイッチングユニット（８，１３）に電気的に接続されない場合、前記スイッチングユニット（８，１３）は前記第２の動作モードにあることを特徴とする、請求項１に記載の駆動ユニット（１００）。
【請求項３】
前記駆動ユニット（１００）は、前記電力コンバータ（２０）の前記中間回路（６）に接続可能な補助エネルギ貯蔵装置（１６）を備えることを特徴とする、請求項１または２に記載の駆動ユニット（１００）。
【請求項４】
前記補助エネルギ貯蔵装置（１６）と前記電力コンバータ（２０）の前記中間回路（６）との間にコンバータユニット（９）が接続されることを特徴とする、請求項３に記載の駆動ユニット（１００）。
【請求項５】
前記補助エネルギ貯蔵装置（１６）は、充電または放電動作で動作可能であるように設計され、前記充電モードでは、前記スイッチングユニット（８，１３）は前記第１の動作モードで動作され、前記エネルギ貯蔵装置（１０）からのエネルギが前記スイッチングユニット（８，１３）を介して前記中間回路（６）に供給可能であり、前記エネルギは次いで、前記中間回路（６）から前記コンバータユニット（９）を介して前記補助エネルギ貯蔵装置（１６）へと伝達されるように、前記エネルギ貯蔵装置（１０）が前記スイッチングユニット（８，１３）を介して前記電力コンバータ（２０）の前記中間回路（６）に結合され、前記補助エネルギ貯蔵装置（１６）が前記放電モードで動作される場合、前記補助エネルギ貯蔵装置（１６）からのエネルギが前記電力コンバータ（２０）の前記中間回路（６）に提供されるように、前記補助エネルギ貯蔵装置（１６）が前記コンバータユニット（９）を介して前記電力コンバータ（２０）の前記中間回路（６）に結合されることを特徴とする、請求項４に記載の駆動ユニット（１００）。
【請求項６】
前記スイッチングユニット（８，１３）は、前記エネルギ貯蔵装置（１０）を電気過負荷から保護するように設計された負荷保護要素（１３）を有することを特徴とする、請求項１〜５に記載の駆動ユニット（１００）。
【請求項７】
前記負荷保護要素（１３）はダイオードであることを特徴とする、請求項５に記載の駆動ユニット（１００）。
【請求項８】
前記駆動ユニット（１００）は、前記駆動ユニット（１００）の動作モードに依存して、前記電力コンバータ（２０）、前記スイッチユニット（８，１３）、前記エネルギ貯蔵装置（１０）、前記補助エネルギ貯蔵装置（１６）、および前記供給ネットワーク端子（１４）の間の結合を制御するように設計される制御ユニット（３０）を備えることを特徴とする、請求項１〜７に記載の駆動ユニット（１００）。
【請求項９】
前記補助エネルギ貯蔵装置（１６）は、スーパーキャップとして具体化されることを特徴とする、請求項１〜８に記載の駆動ユニット（１００）。
【請求項１０】
前記電力コンバータ（２０）の前記中間回路（６）は、直流電圧中間回路として具体化されることを特徴とする、請求項１〜９に記載の駆動ユニット（１００）。
【請求項１１】
前記スイッチングユニット（８，１３）は、機械的および／または電気的スイッチング手段を含むことを特徴とする、請求項１〜１０に記載の駆動ユニット（１００）。
【請求項１２】
前記エネルギ貯蔵装置（１６）はバッテリであることを特徴とする、請求項１〜１１に記載の駆動ユニット（１００）。
【請求項１３】
請求項１〜１２のうちいずれか１項に記載の駆動ユニット（１００）を備える車両。
【請求項１４】
前記車両は鉄道車両であることを特徴とする、請求項１３に記載の車両。
【請求項１５】
前記車両にはハイブリッド駆動が設けられることを特徴とする、請求項１３に記載の車両。
【国際調査報告】
2016526368.tif 000010
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2016526368.tif 000012
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