JP2015076911A - 駆動制御システム及び車両 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電装置の放電タイミングを最適化し、架線や蓄電装置の損失を抑制し、力行時における架線電圧低下抑制、回生時の架線電圧上昇抑制を図ることで、力行時の消費電力量を抑制するとともに、回生失効を防止して省エネ効果を高める。【課題手段】車両の駆動を制御する駆動制御システムは、車両が各停止位置から加速する際に、電力供給所位置と停止位置情報から、電力蓄積手段１０４から放電するか、架線１０２から給電するかを決定する。さらに、停止位置前後の電力供給所位置からの架線抵抗と、電力蓄積手段の内部抵抗との関係から、目標蓄電残量を決定し、現在蓄電残量と、各停止位置における目標蓄電残量の大小関係と、架線電圧予測手段１０９からの予測架線電圧と、架線電圧計測手段１０５からの架線電圧の大小関係と、車両の走行状態とに基づいて、電力蓄積手段の充放電を行うかどうかを決定する電力蓄積指令手段１１１とを具備する。【選択図】図１

Description

本発明は、車両の駆動制御システム及びこの駆動制御システムを搭載した車両に関する。

世界的な環境問題から、移動体としては優秀といわれる鉄道分野においても省エネが強く求められている。鉄道システムにおける全電力の約７０％−８０％は、列車運行に関わる電力消費であり、この低減が重要である。その電力低減方法の１つとして、車両の制動時に発生する回生エネルギーを架線に戻し、近接位置を走行する他の車両の力行に最大限活用することが考えられる。

しかし、自車両の制動と他車両の力行のタイミングを合わせることは、現実的には非常に困難であるため、回生電力を蓄積する蓄電装置を活用するシステムが知られている。
蓄電装置を利用して省エネ性能を確保するためには、車両の制動時に発生する回生エネルギーを蓄電装置に余すことなく充電するとともに、他車両の状況を考慮した上で、次の充電に備え、充電したエネルギーの放電を最適なタイミングで行うことが必要である。

さらに、蓄電装置に充電する場合は蓄電装置の内部抵抗によるロスが、そして、架線に回生する場合には架線抵抗によるロスがあるため、それらのロスを考慮した上で、エネルギー損失が最小限となるよう、最適な回生電力の放電タイミングをコントロールする必要がある。

これを解決するための手段として、特許文献１には次のような鉄道車両の駆動システムが記載されている。
「電圧センサ８ｃは、電力線から集電装置３により供給された電力の対地電圧（架線電圧）Esを検出する。電流センサ９ｅは、電力線から集電装置３により供給された電力の電流量（架線電流）Isを検出する。両検出値が入力された統括制御手段１０は、架線電流Esと架線電流Isの所定時間における増加量ΔEs、ΔIsの比率、R_reg(=ΔEs/ΔIs)を算出する。インバータ装置６の回生ブレーキ動作中に、R_regが所定値Ref_dif_ecf_isを超えたとき、以後、蓄電システム７は、インバータ装置６の回生電力を、他列車の力行電力としての消費としてではなく、自列車の蓄電システムへの充電に対して優先的に充電する。車上に蓄電装置を搭載し、回生時の車両の架線電圧上昇と回生電流の大きさから抵抗を求め、その抵抗値と蓄電装置の内部抵抗を基に架線へ回生するか、蓄電装置に充電するかを決定する。」（要約参照）

特開２０１３−５９１４４号公報

しかしながら、特許文献１においては、回生時のロスのみを考慮して蓄電装置に充電するか、あるいは、架線に返すかを決定しており、充電をする上で重要な放電を考慮した充電ではない。通常、蓄電装置の充電電力量と放電電力量は一致するので、放電できなければ充電できないことになる。なお、放電で最も重要なことは、そのタイミングである。
すなわち、他車両が回生中に放電した場合、自車両の蓄電装置において、その蓄電状態がほほ満充電に近い状態で、その放電電力を蓄積するだけの容量が残存しないような場合、本来、他車両が回生可能な電力を低減することもあり得る。さらに、回生している車両に蓄電装置がない場合には、回生電力を自らの蓄電装置で回収できないため、回生を絞り込む軽負荷回生や回生失効を起こし、エネルギーの無駄となる機械式ブレーキが作動することもある。

また、回生している車両が蓄電装置を有している場合には、制御によっては自車両の蓄電装置に回生することもできるが、特許文献１の手法では、架線に返すことを選択するため、蓄電装置がない場合と同じ現象を起こす。このため、蓄電装置の放電量も考慮して充電しなければ、結局のところ、省エネにはならない。
そこで、本発明の目的は、蓄電装置の放電タイミングを最適化し、架線や蓄電装置の損失を抑制し、力行時における架線電圧低下抑制、回生時における架線電圧上昇抑制を図ることで、力行時の消費電力量を抑制するとともに、回生失効を防止し省エネ効果を高めることにある。

上記課題を解決するために、本願発明は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、例えば、特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
その一例を挙げるならば、「本発明は、上記の目的を達成するために、電力蓄積手段と駆動装置を有し、常に電力供給線と接続している車両の駆動を制御する駆動制御システムにおいて、前記車両が各停止位置から加速する際に、走行領域における電力供給所位置及び当該車両の停止位置情報から、前記蓄電装置から放電するか、架線から給電するかを決定する手段と、前記停止位置に対し、その前方及び後方にある前記電力供給所位置からのそれぞれの架線抵抗と、前記電力蓄積手段の内部抵抗との関係から、前記電力蓄積手段の目標蓄電残量を決定する手段と、前記車両の走行位置に基づいて、当該走行位置における架線電圧を予測する架線電圧予測手段と、現在の架線電圧を計測する架線電圧計測手段とを有し、前記電力蓄積手段から入手した現在蓄電残量と、各停止位置における目標蓄電残量の大小関係と、前記架線電圧予測手段から入手した予測架線電圧と、前記架線電圧計測手段から入手した架線電圧の大小関係と、前記車両の走行状態とに基づいて、前記電力蓄積手段の充放電を行うかどうかを決定する電力蓄積指令手段とを、具備する」ようにした。

本発明によれば、現在蓄電残量、各停止位置における目標蓄電残量の大小関係、予測架線電圧と実際の架線電圧の大小関係、そして、車両の走行状態に基づいて、電力蓄積手段の充放電を行うかどうかを決定するので、架線からの供給に伴う架線電圧低下を抑制することができる。これにより、加速性能が向上するため走行時間を遵守する鉄道システムでは、惰行を多く利用した走行が可能となり省エネとなる。しかも、力行時の架線電圧低下を抑制することができるため、ピークカットが可能となり、変電所の電力出力規模を小さくすることも可能となる。

図１は、本発明の実施例１を実現するための駆動システムの一例を示す図である。 図２は、本発明の実施例１を実現するための予測架線電圧算出手段の一例を示す図である。 図３は、本発明の実施例１を実現するための目標蓄電残量データベース作成手段の一例を示す図である。 図４は、本発明の実施例１を実現するための蓄電制御指令手段の処理の一例を示す図である。 図５は、本発明を適用する線区の例を示す図である。 図６は、本発明の実施例１を適用した場合の効果の一例を示す図である。 図７は、本発明の実施例２を実現するための駆動システムの一例を示す図である。 図８は、本発明の実施例２を実現するための目標蓄電残量データベース作成手段の一例を示す図である。 図９は、本発明の実施例２を実現するための目標蓄電残量データの一例を示す図である。 図１０は、本発明の実施例２を適用した場合の効果の一例を示す図である。

以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。

［実施例１］
図１は、本発明の一実施形態による鉄道車両の制御装置の全体を示す概略構成図である。まず、太線で接続された、架線１０２、駆動装置１０３、電力蓄積手段としての蓄電装置１０４、架線電圧計測手段１０５、マスコン１０６からなる動力系から説明する。
車両１０１は、マスコン１０６からの駆動指令１５４に基づいて、架線１０２あるいは電力蓄積手段としての蓄電装置１０４から電力の供給を受け、駆動装置１０３を介して走行する。なお、架線電圧計測手段１０５は、車両１０１が架線１０２と接している地点の架線電圧を計測する。

次に、細線で接続された示す制御系を説明する。
最初に、データベース１０７から得られる変電所データベース１５０とデータ１５１（駅位置データベース、架線抵抗データ、蓄電装置１０４の内部抵抗データを含む）を用いて、位置−蓄電残量データベース作成手段１０８により、位置−目標蓄電残量データ１５２と、駅での力行時における蓄電装置の出力可否情報１５３を作成する。
なお、出力可否情報１５３と、これを作成するための処理の詳細については後述する。

運転士が制御するマスコン１０６からの駆動指令１５４を受け取った駆動装置１０３は、架線１０２あるいは電力蓄積手段１０４からの電力供給を受けて走行し、それに伴って位置１５５が変化する。
駆動装置１０３から算出した新たな位置１５５と、データベース１０７から得られる変電所データベース１５０と、車両特性１５６、及び、位置−蓄電残量データベース作成手段１０８により駅を発車する際の力行時における蓄電装置の出力可否情報１５３を用いて、予測架線電圧算出手段１０９が作成した、新たな位置１５５における予測架線電圧１５７を求める。詳細の処理は後述する。

目標蓄電残量算出手段１１０は、位置−目標蓄電残量データ１５２と位置１５５を用いて、当該位置１５５における目標蓄電残量１５８を算出し、電力蓄積指令手段１１に出力する。なお、位置−目標蓄電残量データ１５２に、一致する位置がない場合には、その前後のデータを用いて線形補完などの手法によりデータを取得する。

電力蓄積指令手段１１１は、駆動指令１５４、予測架線電圧１５７、目標蓄電残量算出手段１１０から得られる目標蓄電残量１５８、架線電圧計測手段１０５から得られる架線電圧１５９、そして、電力蓄積手段１０４から得られる現在蓄電残量１６０に基づいて、電力蓄積手段１０４に対する充放電指令１６１を決定する。なお、自動列車運転装置などを搭載している場合には、マスコン１０６からの出力に代え、自動列車運転装置からの指令を採用する。

図２を用いて、図１に示す予測架線電圧算出手段１０９の処理を説明する。
ステップ２０１では、自車両位置Ｘ０の両端から、それぞれ前後方向で最も近い変電所位置Ｘｔ１、Ｘｔ２を取得し、ステップ２０２に進む。
ステップ２０２では、変電所位置Ｘｔ１、Ｘｔ２及び自列車位置Ｘ０から、それぞれの変電所までの距離Ｘｔ３、Ｘｔ４を求め、それぞれの区間の架線抵抗を考慮して、それぞれの変電所から供給される場合の架線抵抗値Ｒｔ１、Ｒｔ２を算出し、ステップ２０３に進む。

ステップ２０３では、自車両のノッチ操作から列車性能を考慮し、架線からすべての電力供給を受けることを前提にして、必要な電流量Ｉを算出する。なお、この電流量Ｉについては蓄電装置から出力される電力、車両内の冷暖房や照明などに使う補機分について考慮する場合には、これらを電流量Ｉに加え、ステップ２０４に進む。

ステップ２０４では、ステップ２０２で算出したＲｔ１、Ｒｔ２及びステップ２０３で算出した必要電流量Ｉ、及びそれぞれの変電所の送り出し電圧ＯＶ１、ＯＶ２から、それぞれの変電所から供給される電流Ｉ１、Ｉ２を求める。なお、その求め方は、
OV1-Rt1・I1=OV2-Rt2・I2
I1+I2=I
の連立方程式によって求められる。次にステップ２０５に進む。

ステップ２０５では、ステップ２０４で求めたＩ１あるいはＩ２、そして、それぞれの変電所の送り出し電圧ＯＶ１、ＯＶ２から、列車の予測パンタ点電圧ＰＶを求める。その求め方は、
PV=OV1-Rt1・I1
もしくは、
PV=OV2-Rt2・I2
で求める。以上で終了となる。

次に、目標蓄電残量データベース作成手段１０８による処理について、図３を用いて説明する。なお、データベース１０７で得られるデータ１５１は、駅位置データベース、架線抵抗、搭載した蓄電装置の内部抵抗である。
ステップ３０１では、駅位置と変電所位置のデータベースを用いて、各駅位置に最も近い変電所位置を求め、ステップ３０２に進む。

ステップ３０２では、求めた各駅位置とステップ３０１で求めた変電所位置との組み合わせから、駅位置毎に最も近い変電所までの距離を求め、ステップ３０３に進む。
ステップ３０３では、ステップ３０２で求めた距離と架線抵抗を用いて、変電所から駅まで電流を流す場合の抵抗値を求め、ステップ３０４に進む。

ステップ３０４では、ステップ３０３で求めた抵抗値と、搭載した蓄電装置の内部抵抗とを比較し、ステップ３０３で求めた抵抗値が小さい場合には、架線から電力を供給した方が省エネであるため、位置−目標蓄電残量データベースとしては、その駅位置における目標蓄電残量は、搭載した蓄電装置の使用範囲下限値とする。また、駅での力行時における蓄電装置の出力可否情報を出力しないにセットする。

一方、ステップ３０３で求めた抵抗値が大きい場合には、蓄電装置から電力を放電した方が省エネであるため、位置−目標蓄電残量データベースとしては、その駅位置における目標蓄電残量は、搭載した蓄電装置の使用範囲上限値とする。また、駅での力行時における蓄電装置の出力可否情報を出力するにセットする。
以上で終了となる。なお、駅での力行時における蓄電装置の出力可否情報は、出力する／出力しないをビット情報で表しても問題はない。

図４は、電力蓄積指令手段１１１の処理内容についての図である。駆動指令によって得られる情報から制動か制動以外かを判別し、目標蓄電残量と現在蓄電残量の大小関係、さらに現在蓄電残量と蓄電装置の使用範囲の上下限の大小関係を用いて、電力蓄積手段に対する充放電指令を決定する。
図４において、充放電指令を決定する縦方向（Ｙｅｓ Ｎｏ Ｙｅｓ Ｎｏ）の条件は、上から順に、
（ａ）目標蓄電残量が現在蓄電残量より大きく、かつ、現在蓄電残量が使用範囲下限値より大きいとき。
（ｂ）目標蓄電残量が現在蓄電残量より大きく、かつ、現在蓄電残量が使用範囲下限値以下のとき。
（ｃ）目標蓄電残量が現在蓄電残量以下であり、かつ、現在蓄電残量が使用範囲上限値より大きいとき。
（ｄ）目標蓄電残量が現在蓄電残量以下であり、かつ、現在蓄電残量が使用範囲上限値以下のとき。
をそれぞれ示している。

図４において、充放電指令を決定する横方向の条件は、左から順に、
（α）架線電圧が予測架線電圧より大きく、かつ、制動時以外のとき。
（β）架線電圧が予測架線電圧より大きく、かつ、制動時。
（γ）架線電圧が予測架線電圧以下であり、かつ、力行時。
（δ）架線電圧が予測架線電圧以下であり、かつ、惰行時。
（ε）架線電圧が予測架線電圧以下であり、かつ、制動時。
をそれぞれ示している。
すなわち、この実施例では、縦方向４通り×横方向５通り＝２０通りの組み合わせに対応して充放電指令が決定される。

ここで、（ａ）〜（ｄ）と（α）〜（ε）の各組み合わせ毎に決定される指令の意味について説明する。「指令なし」は「充放電しないこと」、「充電指令」は「搭載した蓄電装置の最大充電電力の範囲で充電する」、「放電指令」は「搭載した蓄電装置の最大放電電力の範囲で放電すること」をそれぞれ意味する。
「制限付き充電指令」は、（ｄ）かつ（β）のとき、すなわち、目標蓄電残量が現在蓄電残量以下であり、かつ、現在蓄電残量が使用範囲上限値以下で、しかも、架線電圧が予測架線電圧よりも大きい状態で制動中であることから、他車両が回生している可能性が高い。そのため、回生電力を蓄電装置に充電した方がよい。
しかし、現在蓄電残量が使用範囲の上限値以下であるが、目標蓄電残量に比べて現在の蓄電残量が大きいため、充電電力は制限せざるを得ない。このため、充電量を以下の式で制限する。
充電電力＝（使用範囲の上限値−現在の蓄電残量）／（使用範囲の上限値−目標蓄電残量）×通常充電電力
なお、通常充電電力とは、充電指令で回生できる電力の最大値を表す。

次に、「制限付き放電指令」について説明する。「制限付き放電指令」は、（ａ）かつ（γ）のとき、すなわち、目標蓄電残量が現在蓄電残量より大きく、かつ、現在蓄電残量が使用範囲下限値より大きく、しかも、架線電圧が予測架線電圧よりも大きい、力行時であることから、想定よりも他車両の多くが力行している可能性が高いと推測されるため、放電した方がよい。しかし、使用範囲の下限値よりは上であるが、目標蓄電残量に比べて現在蓄電残量が小さいため、放電電力は制限せざるを得ない。このため、放電電力を以下の式で制限する。
放電電力＝（現在蓄電残量−使用範囲の下限値）／（目標蓄電残量−使用範囲の下限値）×通常放電電力
なお、通常放電電力とは、放電指令で放電できる電力の最大値を表す。

図５は、本実施例を適用する線区の一例を示すものであり、２変電所５駅で構成されている。図６は、図５に示す線区を走行する際に、本実施例を用いた場合の制御の一例を説明したものであり、上から（ａ）位置−速度パターン、（ｂ）蓄電残量データベース作成手段１０８により作成した、位置−目標蓄電残量、（ｃ）同じく蓄電残量データベース作成手段１０８により作成した、位置−蓄電装置１０４の出力可否情報（駅発車時）、（ｄ）位置−架線電圧（細い実線は実際架線電圧、太い実線は予測架線電圧）、（ｅ）位置−車両蓄電残量（細い実線、破線は目標蓄電残量）、（ｆ）位置−架線電圧（太い実線は本実施例を適用したとき、細い実線は適用しないとき）をそれぞれ示している。

以下、各位置における車両走行状態を区域Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３として記述し、区域毎に説明する。
なお、（ｃ）においては、図３に示す目標で蓄電残量データベース作成手段１０８による処理により、駅での力行時における蓄電装置１０４に対し、Ａ変電所に近いＢ駅までは、「出力しない」、Ｂ駅からＤ駅までは「出力する」、Ｂ変電所に近いＤ駅からＥ駅までは「出力しない」と判断されたものとする。

区域Ａ１は、Ａ駅からＢ駅に向かって進行する際の力行を表している。目標蓄電残量は使用範囲の下限値に設定され、現在蓄電残量よりも大きい値に設定される。
また、（ｄ）では、実際の架線電圧（細い実線）が、他の鉄道車両の力行などの影響で、予測架線電圧（太い実線）よりも小さく、車両の走行状態は力行である。このため、図４の（ｂ）かつ、（γ）の条件となり、蓄電装置１０４には「指令なし」となるため、蓄電残量は維持される。

区域Ａ２は、Ａ駅からＢ駅に向かって進行する際の惰行を表している。図６（ｅ）に示すように、目標蓄電残量は現在蓄電残量よりも大きく、図６（ｄ）に示すように、実際の架線電圧が予測架線電圧よりも小さく、車両の走行状態は惰行である。このため、図４の（ｂ）かつ、（δ）の条件となり、蓄電装置１０４には「指令なし」となるため、蓄電残量は維持される。

区域Ａ３は、Ａ駅からＢ駅に向かって進行する際の制動を表している。このときは、図６（ｅ）に示すように、目標蓄電残量は現在蓄電残量よりも大きく、図６（ｄ）に示すように、架線電圧が予測架線電圧よりも小さく、車両の走行状態は制動である。このため、図４の（ａ）または（ｂ）、かつ、（ε）の条件となり、現在蓄電残量が使用範囲の下限値以上か下限値以下かにかかわらず、蓄電装置１０４に充電指令が出され、蓄電残量が増加する。これにより、架線電圧の増加量が抑制され、架線としては安定方向になる。

区域Ｂ１は、Ｂ駅からＣ駅に向かって進行する際の力行を表している。図６の（ｅ）に示すように、目標蓄電残量が現在蓄電残量よりも大きく、現在蓄電残量が、使用範囲下限値より大きい。しかも、図６の（ｄ）に示すように、実際の架線電圧が予測架線電圧よりも小さく、車両の走行状態は力行である。このため、図４において（ａ）かつ（γ）の条件となり、さらに、図６の（ｃ）に示すように、蓄電装置１０４の出力可否情報が「出力する」に切り替わっているため、蓄電装置１０４に制限付き放電指令が出され、蓄電残量が低減し、架線電圧の低下量が抑制される。

区域Ｂ２は、Ｂ駅からＣ駅に向かって進行する際の惰行を表している。図６の（ｅ）に示すように、目標蓄電残量が現在蓄電残量よりも大きく、実際の架線電圧が予測架線電圧よりも小さく、車両の走行状態は惰行である。このため、図４の（ａ）または（ｂ）、かつ、（δ）の条件となり、現在蓄電残量が使用範囲の下限値以上か下限値以下かにかかわらず、蓄電装置には指令が出力されず、蓄電残量は維持される。また、架線電圧は制御しない場合と同様の値となる。

区域Ｂ３も、区域Ｂ２と同様に、Ｂ駅からＣ駅に向かって進行する際の惰行を表している。区域Ｂ２と異なる点は、図６の（ｄ）に示すように、実際の架線電圧が予測架線電圧よりも大きくなった点である。これにより、図４の（ａ）または（ｂ）、かつ、（α）の条件となり、処理の変更はなく、蓄電装置１０４には指令が出力されず、蓄電残量は維持される。その際、架線電圧は制御しない場合と同様の値となる。

区域Ｂ４は、Ｂ駅からＣ駅に向かって進行する際の制動を表している。図６の（ｅ）に示すように、目標蓄電残量が現在蓄電残量よりも大きく、図６の（ｄ）に示すように、実際の架線電圧が予測架線電圧よりも大きく、車両の走行状態は制動である。このため、図４の（ａ）または（ｂ）、かつ、（β）の条件となり、現在蓄電残量が使用範囲の下限値以上か下限値以下かにかかわらず、蓄電装置１０４に充電指令が出され、蓄電残量が増加する。また、架線電圧の増加量が抑制され、架線としては図６（ｆ）に示すように、安定方向になる。

区域Ｃ１は、Ｃ駅からＤ駅に向かって進行する際の力行を表している。図６の（ｅ）に示すように、目標蓄電残量は現在蓄電残量よりも大きく、図６の（ｆ）に示すように、架線電圧が予測架線電圧よりも大きく、車両の走行状態は力行（制動以外）である。
このため、図４の（ａ）または（ｂ）、かつ、（α）の条件となり、現在蓄電残量が使用範囲の下限値以上か下限値以下かにかかわらず、蓄電装置には指令が出力されず、蓄電残量は維持される。また、架線電圧は制御しない場合と同様の値となる。

区域Ｃ２は、Ｃ駅からＤ駅に向かって進行する際の惰行を表している。目標蓄電残量は現在蓄電残量よりも大きく、架線電圧が予測架線電圧よりも大きく、車両の走行状態は惰行（制動以外）である。このため、図４の（ａ）または（ｂ）、かつ、（δ）の条件となり、現在蓄電残量が使用範囲の下限値以上か下限値以下かにかかわらず、蓄電装置１０４には指令が出力されず、蓄電残量は維持される。また、架線電圧は制御しない場合と同様の値となる。

区域Ｃ３も、区域Ｃ２と同様に、Ｃ駅からＤ駅に向かって進行する際の惰行を表している。Ｃ２と異なる点は、図６の（ｅ）に示すように、目標蓄電残量が現在蓄電残量よりも小さくなり、図６の（ｄ）に示すように、架線電圧が予測架線電圧より小さくなった点である。このため、図４の（ｃ）または（ｄ）、かつ、（δ）の条件となり、現在蓄電残量が使用範囲の上限値以上か上限値以下かにかかわらず、蓄電装置１０４に放電指令が出され、蓄電残量が低減する。また、架線電圧の低下量が抑制される。

区域Ｃ４は、Ｃ駅からＤ駅に向かって進行する際の制動を表している。図６の（ｅ）に示すように、目標蓄電残量は現在蓄電残量よりも小さく、架線電圧が予測架線電圧よりも小さく、車両の走行状態は制動である。このため、図４の（ｃ）または（ｄ）、かつ、（ε）の条件となり、現在蓄電残量が使用範囲の上限値以上か上限値以下かにかかわらず、蓄電装置１０４には指令が出力されず、蓄電残量は維持される。また、架線電圧は制御しない場合と同様の値となる

区域Ｄ１は、Ｄ駅からＥ駅に向かって進行する際の力行を表している。図６の（ｅ）に示すように、目標蓄電残量が現在蓄電残量よりも小さく、図６の（ｄ）に示すように、架線電圧が予測架線電圧よりも大きく、車両の走行状態は力行（制動以外）である。このため、図４の（ｃ）または（ｄ）、かつ、（α）の条件となり、現在蓄電残量が使用範囲の上限値以上か上限値以下かにかかわらず、蓄電装置１０４には指令が出されず、蓄電残量は維持される。また、架線電圧は制御しない場合と同様の値となる。

区域Ｄ２は、Ｄ駅からＥ駅に向かって進行する際の惰行を表している。図６の（ｅ）に示すように、目標蓄電残量が現在蓄電残量よりも小さく、図６の（ｄ）に示すように、架線電圧が予測架線電圧よりも小さく、車両の走行状態は惰行である。このため、図４の（ｃ）または（ｄ）、かつ、（ε）の条件となり、蓄電装置には指令が出力されず、蓄電残量は維持される。また、架線電圧は制御しない場合と同様の値となる。

最後に、区域Ｄ３は、Ｄ駅からＥ駅に向かって進行する際の制動を表している。図６の（ｅ）に示すように、目標蓄電残量が現在蓄電残量よりも小さく、図６の（ｄ）に示すように、架線電圧が予測架線電圧よりも大きく、車両の走行状態は制動である。さらに、図６（ｅ）に示すように、現在の蓄電残量が使用範囲上限値以下である。このため、図４の（ｃ）または（ｄ）、かつ、（β）の条件となり、しかも、現在の蓄電残量が使用範囲上限値以下であるため、蓄電装置１０４に制限付き充電指令が出され、蓄電残量が増加する。また、架線電圧の増加量が抑制され、架線としては安定方向になる。
以上のように制御することで、力行時の架線電圧低下を抑制することで、省エネ運転を図ることが可能となる。

［実施例２］
図７は、本発明の一実施形態による鉄道車両の制御装置の全体を示す概略構成図である。図１と共通するものには同じ符号を付している。実施例１と異なる点は、データベース７０１、目標蓄電残量データベース作成手段７０２、前記データベース７０１から出力されるデータ７５０、そして、目標蓄電残量データベース作成手段７０２で生成される目標蓄電残量データベース７５１である。
目標蓄電残量データベース作成手段７０２について図８を用いて説明する。
なお、ステップ８０１から８０４までの処理は、図３に示した、実施例１におけるステップ３０１からステップ３０４と同じ処理となる。

すなわち、ステップ８０１では、駅位置と変電所位置のデータベースを用いて、各駅位置に最も近い変電所位置を求め、ステップ８０２に進む。
ステップ８０２では、求めた各駅位置とステップ８０１で求めた変電所位置との組み合わせから、駅位置毎に最も近い変電所までの距離を求める。次にステップ８０３に進む。
また、ステップ８０３では、ステップ８０２で求めた距離と架線抵抗を用いて変電所から駅まで電流を流す場合の抵抗値を求め、ステップ８０４に進む。

ステップ８０４では、ステップ８０３で求めた抵抗値と搭載した蓄電装置１０４の内部抵抗を比較し、ステップ８０３で求めた抵抗値が小さい場合には、架線から電力を供給した方が省エネであるため、位置−目標蓄電残量データベースとしては、位置を駅位置、蓄電残量は、搭載した蓄電装置の使用範囲下限値とする。また、駅での力行時における蓄電装置の出力可否情報を出力しないにセットする。ステップ８０３で求めた抵抗値が大きい場合には、蓄電装置１０４から電力を放電した方が省エネであるため、位置−目標蓄電残量データベースとしては、位置を駅位置、蓄電残量は搭載した蓄電装置の使用範囲上限値とする。また、駅での力行時における蓄電装置の出力可否情報を出力するにセットし、ステップ８０５に進む。

ステップ８０５では、ステップ８０４で求めた各駅位置における蓄電残量と、データ７５０を基に、以下の手順ですべての位置の蓄電残量を算出する。なお、このデータ７５０には、予め定められた走行パターンが含まれているとする。
ここで、走行パターンを図９の一番上に示したように定義した場合について説明する。なお、Ａ駅、Ｂ駅とも力行する際に放電をする場合とする。この場合、Ａ駅、Ｂ駅とも使用範囲の上限値となる。この場合に、位置−目標蓄電残量パターンは、力行運転を行う区間Ａでは位置Ｘにおける蓄電残量を次の式１により求め、（ａ）力行中のある位置における蓄電残量の曲線を作成する。
目標蓄電残量＝使用範囲の上限値−∫（Ｔｒ（Ｘ）・Ｖ（Ｘ））・・・・・（式１）
ここで、Ｔｒ（Ｘ）は位置Ｘにおける引張力（Ｎ）、Ｖ（Ｘ）は位置Ｘにおける速度（ｍ／ｓ）である。

次に、区間Ｄの制動区間においては回生中のある位置Ｙにおける蓄電残量を式２により求め、（ｂ）回生中のある位置における基準蓄電残量の曲線を作成する。
蓄電残量＝使用範囲の上限値−∫Ｂｒ（Ｙ）・Ｖ（Ｙ）・・・・・・・・（式２）
ここで、Ｂｒ（Ｙ）は位置Ｙにおける電制力（Ｎ）、Ｖ（Ｙ）は位置Ｙにおける速度（ｍ／ｓ）である。
最後に、惰行及び定速走行をしている区間Ｂ、Ｃでは、力行の終端蓄電残量と回生の始端蓄電残量を直線で結ぶことで、（ｃ）位置−目標蓄電残量パターンを作成する。
このようにして作成したものが、図９の上から２番目に示す位置−目標蓄電残量パターンとなる。

図１０は、電力蓄積指令手段１１１により処理内容を説明するための図である。
駆動指令によって得られる情報から制動か制動以外かを判別し、架線電圧と予測架線電圧の大小関係、目標蓄電残量と現在蓄電残量の大小関係、さらに現在蓄電残量と蓄電装置の使用範囲の上下限の大小関係を用いて、蓄電装置１０４に対する充放電指令を決定する。
ここで、指令の意味について説明する。指令なしは充放電しないことを意味する。また、充電指令は搭載した蓄電装置１０４の最大充電電力の範囲で充電すること、放電指令は搭載した蓄電装置の最大放電電力の範囲で放電することを意味する。

制限付き充電指令について説明する。制限付き充電指令は、架線電圧が予測架線電圧よりも大きいことから、他車両が回生している可能性が高いと考えられるため、充電したほうがよい。しかし、使用範囲の上限値よりは下であるが、目標蓄電残量に比べて現在蓄電残量が大きいため、蓄電残量は制限せざるを得ない。このため、蓄電残量を以下の式で制限する。
蓄電残量＝（使用範囲の上限値−現在蓄電残量）／（使用範囲の上限値−目標蓄電残量）×通常蓄電残量
なお、通常蓄電残量とは、充電指令で回生できる最大値のことを表す。

次に、制限付き放電指令について説明する。制限付き放電指令は、架線電圧が予測架線電圧よりも小さいことから、想定よりも他車両の多くが力行している可能性が高いと推測されるため放電したほうがよい。
しかし、使用範囲の下限値よりは上であるが、目標蓄電残量に比べて現在蓄電残量が小さいため、放電量は制限せざるを得ない。このため、放電量を以下の式で制限する。
放電量＝（現在蓄電残量−使用範囲の下限値）／（目標蓄電残量−使用範囲の下限値）×通常放電量
なお、通常放電量とは、放電指令で放電できる最大値のことを表す。

図１０は、図５を走行する際に、本実施例を用いた場合の制御を説明したものである。
上から（ａ）位置−速度パターン、（ｂ）位置−蓄電残量データベース作成手段１０８により作成した位置−目標蓄電残量データベース、（ｃ）位置−蓄電残量データベース作成手段１０８により作成した位置−駅での力行時における蓄電装置１０４の出力可否情報、（ｄ）位置−架線電圧、（ｅ）位置−車両蓄電残量、（ｆ）位置−架線電圧を示している。
また、各位置における車両走行状態を区域Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３として記述している。区域毎に説明する。

区域Ａ１はＡ駅からＢ駅に向かって進行する際の力行を表している。目標蓄電残量は現在蓄電残量よりも大きく、架線電圧が予測架線電圧よりも小さく、車両の走行状態は力行である。このため、蓄電装置１０４には「指令なし」となるため、蓄電残量は維持され架線電圧は制御しない場合と同様の値となる。

次に、区域Ａ２は、Ａ駅からＢ駅に向かって進行する際の惰行を表している。目標蓄電残量は現在蓄電残量よりも大きく、架線電圧が予測架線電圧よりも小さく、車両の走行状態は惰行である。このため、蓄電装置１０４には「指令なし」となるため、蓄電残量は維持され架線電圧は制御しない場合と同様の値となる。

区域Ａ３は、Ａ駅からＢ駅に向かって進行する際の制動を表している。目標蓄電残量は現在蓄電残量よりも大きく、架線電圧が予測架線電圧よりも小さく、車両の走行状態は制動である。このため、蓄電装置１０４に充電指令が出力され、蓄電残量が増加し、これにより、架線電圧の増加量が抑制され、架線としては安定方向になる。

区域Ｂ１は、Ｂ駅からＣ駅に向かって進行する際の力行を表している。目標蓄電残量が現在蓄電残量よりも大きく、架線電圧が予測架線電圧よりも小さく、車両の走行状態は力行である。このため、蓄電装置１０４に放電指令が出力され、蓄電残量が低減し、これにおり架線電圧の低下量が抑制される。

区域Ｂ２は、Ｂ駅からＣ駅に向かって進行する際の惰行を表している。Ｂ駅からＣ駅に向かって進行する際の惰行を表している。目標蓄電残量は現在蓄電残量よりも大きく、架線電圧が予測架線電圧よりも小さく、車両の走行状態は惰行である。このため、蓄電装置１０４には指令が出力されず、蓄電残量は維持され、架線電圧は制御しない場合と同様の値となる。

区域Ｂ３は、区域Ｂ２と同様に、Ｂ駅からＣ駅に向かって進行する際の惰行を表している。Ｂ２と異なる点は、架線電圧が予測架線電圧よりも大きくなった点である。これによる処理の変更は無く、蓄電装置には指令が出されず、蓄電残量は維持され、架線電圧は制御しない場合と同様の値となる。

区域Ｂ４は、Ｂ駅からＣ駅に向かって進行する際の制動を表している。目標蓄電残量は現在蓄電残量よりも大きく、しかも、架線電圧が予測架線電圧よりも大きく、車両の走行状態は制動である。このため、蓄電装置１０４に充電指令が出され、蓄電残量が増加し、これにより、架線電圧の増加量が抑制され、架線としては安定方向になる。

区域Ｃ１は、Ｃ駅からＤ駅に向かって進行する際の力行を表している。目標蓄電残量は現在蓄電残量よりも大きく、架線電圧が予測架線電圧よりも大きく、車両の走行状態は力行である。このため、蓄電装置１０４には指令が出されず、蓄電残量は維持され、架線電圧は制御しない場合と同様の値となる。

区域Ｃ２も、区域Ｃ１と同様に、Ｃ駅からＤ駅に向かって進行する際の力行を表している。Ｃ２と異なる点は、目標蓄電残量が現在蓄電残量よりも小さくなった点である。これによる制御の変更はなく、蓄電装置１０４には指令が出されず、蓄電残量は維持される。また、架線電圧は制御しない場合と同様の値となる。

区域Ｃ３は、Ｃ駅からＤ駅に向かって進行する際の惰行を表している。目標蓄電残量は現在蓄電残量よりも小さく、架線電圧が予測架線電圧よりも大きく、車両の走行状態は惰行である。このため、蓄電装置１０４には指令が出されず、蓄電残量は維持される。また、架線電圧は制御しない場合と同様の値となる。
区域Ｃ４も、区域Ｃ３と同様に、Ｃ駅からＤ駅に向かって進行する際の惰行を表している。Ｃ３と異なる点は、架線電圧が予測架線電圧よりも小さくなった点である。このため、蓄電装置１０４に放電指令が出され、蓄電残量が低減する。また、架線電圧の低下量が抑制される。

区域Ｃ５は、Ｃ駅からＤ駅に向かって進行する際の制動を表している。目標蓄電残量は現在蓄電残量よりも小さく、架線電圧が予測架線電圧よりも小さく、車両の走行状態は制動である。このため、蓄電装置１０４には指令が出力されず、蓄電残量は維持される。また、架線電圧は制御しない場合と同様の値となる。

区域Ｄ１は、Ｄ駅からＥ駅に向かって進行する際の力行を表している。目標蓄電残量は現在蓄電残量よりも小さく、架線電圧が予測架線電圧よりも大きく、車両の走行状態は力行である。このため、蓄電装置１０４には指令が出されず、蓄電残量は維持される。また、架線電圧は制御しない場合と同様の値となる。

区域Ｄ２は、Ｄ駅からＥ駅に向かって進行する際の力行を表している。目標蓄電残量が現在蓄電残量よりも小さく、架線電圧が予測架線電圧よりも小さく、車両の走行状態は惰行である。このため、蓄電装置１０４には指令が出されず、蓄電残量は維持される。また、架線電圧は制御しない場合と同様の値となる。

最後に、区域Ｄ３は、Ｄ駅からＥ駅に向かって進行する際の制動を表している。目標蓄電残量は現在蓄電残量よりも小さく、架線電圧が予測架線電圧よりも大きく、車両の走行状態は制動である。このため、蓄電装置１０４に充電指令が出され、蓄電残量が増加する。また、架線電圧の増加量が抑制され、架線としては安定方向になる。
以上のように制御することで、力行時の架線電圧低下を抑制することで、省エネ運転を図ることが可能となる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１０１：車両、 １０２：架線、 １０３：駆動制御装置、
１０４：蓄電装置（電力蓄積手段）、 １０５：架線電圧計測手段、
１０６：マスコン、１０７：データベース、１０８：目標蓄電残量データベース算出手段、
１０９：予測架線電圧算出手段、 １１０：目標蓄電残量算出手段、
１１１：電力蓄積指令手段、 １５０:変電所データ、 １５１：データ、
１５２：位置−目標蓄電残量データベース、
１５３：駅での力行時における蓄電装置の出力可否情報、 １５４：駆動指令、
１５５：車両位置、 １５６：車両特性、 １５７：予測架線電圧、
１５８：目標蓄電残量、 １５９：架線電圧、 １６０：電力蓄積手段の蓄電残量、
１６１：充放電指令、 ７０１：データベース、
７０２：目標蓄電残量データベース作成手段、 ７５０：データ、
７５１：目標蓄電残量データベース

Claims (12)

1. 電力蓄積手段と駆動装置を有し、常に電力供給線と接続している車両の駆動を制御する駆動制御システムにおいて、
   前記車両が各停止位置から加速する際に、走行領域における電力供給所位置及び当該車両の停止位置情報から、前記蓄電装置から放電するか、架線から給電するかを決定する手段と、
   前記停止位置に対し、その前方及び後方にある前記電力供給所位置からのそれぞれの架線抵抗と、前記電力蓄積手段の内部抵抗との関係から、前記電力蓄積手段の目標蓄電残量を決定する手段と、
   前記車両の走行位置に基づいて、当該走行位置における架線電圧を予測する架線電圧予測手段と、
   現在の架線電圧を計測する架線電圧計測手段とを有し、
   前記電力蓄積手段から入手した現在蓄電残量と、各停止位置における目標蓄電残量の大小関係と、前記架線電圧予測手段から入手した予測架線電圧と、前記架線電圧計測手段から入手した架線電圧の大小関係と、前記車両の走行状態とに基づいて、前記電力蓄積手段の充放電を行うかどうかを決定する電力蓄積指令手段とを、
   具備することを特徴とする駆動制御システム。
2. 前記架線電圧が前記予測架線電圧よりも大きく、かつ、前記車両の走行状態が制動以外である場合には、前記電力蓄積指令手段が、前記電力蓄積手段の充放電を停止することを特徴とする請求項１に記載の駆動制御システム。
3. 前記架線電圧が前記予測架線電圧以下であり、かつ、前記目標蓄電残量が前記現在蓄電残量よりも大きく、車両の走行状態が制動である場合には、前記電力蓄積指令手段が、前記電力蓄積手段に対し、充電指令を送出することを特徴とする請求項１に記載の駆動制御システム。
4. 前記架線電圧が前記予測架線電圧以下であり、かつ、前記目標蓄電残量が前記現在蓄電残量以下であり、しかも、前記車両の走行状態が制動である場合には、前記電力蓄積指令手段が、前記電力蓄積手段の充放電指令を停止することを特徴とする請求項１に記載の駆動制御システム。
5. 前記架線電圧が前記予測架線電圧よりも大きく、かつ、前記目標蓄電残量が前記現在蓄電残量よりも大きく、しかも、前記車両の走行状態が制動である場合には、前記電力蓄積指令手段が、前記電力蓄積手段に対し充電指令を送出するように制御することを特徴とする請求項１に記載の駆動制御システム。
6. 前記架線電圧が前記予測架線電圧以下であり、かつ、前記目標蓄電残量が前記現在蓄電残量以下であり、かつ、前記車両の走行状態が制動以外である場合には、前記電力蓄積指令手段が、前記電力蓄積手段に対し放電指令を送出することを特徴とする請求項１に記載の駆動制御システム。
7. 前記架線電圧が前記予測架線電圧よりも大きく、かつ、前記目標蓄電残量が現在蓄電残量以下であり、しかも、前記現在蓄電残量が前記電力蓄積手段の使用範囲の上限値よりも大きく、かつ、前記車両の走行状態が制動である場合には、前記電力蓄積指令手段が、前記電力蓄積手段に対し、制限された電力の充電を行うように制限付き充電指令を送出することを特徴とする請求項１に記載の駆動制御システム。
8. 前記架線電圧が前記予測架線電圧以下であり、かつ、目標蓄電残量が現在蓄電残量よりも大きく、しかも、現在蓄電残量が前記電力蓄積手段の使用範囲の下限値以下であり、かつ、前記車両の走行状態が制動以外である場合には、前記電力蓄積指令手段が、前記電力蓄積手段の充放電を停止することを特徴とする請求項１に記載の駆動制御システム。
9. 前記架線電圧が前記予測架線電圧よりも大きく、前記目標蓄電残量が前記現在蓄電残量以下であり、かつ、現在蓄電残量が前記電力蓄積手段の使用範囲の上限値以下であり、しかも、前記車両の走行状態が制動である場合には、前記電力蓄積指令手段が、前記電力蓄積手段に対して現在蓄電残量、目標蓄電残量、前記電力蓄積手段の使用範囲上限値を用いて蓄電残量を制御することを特徴とする請求項１に記載の駆動制御システム。
10. 前記架線電圧が前記予測架線電圧以下であり、かつ、目標蓄電残量が現在蓄電量よりも大きく、現在蓄電残量が前記電力蓄積手段の使用範囲の下限値よりも大きく、車両の走行状態が力行である場合には、前記電力蓄積手段に対して現在蓄電残量、目標蓄電残量、前記電力蓄積手段の使用範囲下限値を用いて、制限された電力の放電を行うよう制限付き放電指令を創出することを特徴とする請求項１に記載の駆動制御システム。
11. 請求項１の駆動システムにおいて、前記架線電圧が前記予測架線電圧以下であり、かつ、目標蓄電残量が現在蓄電残量よりも大きく、現在蓄電残量が前記電力蓄積手段の使用範囲の下限値よりも大きく、車両の走行状態が惰行である場合には、前記電力蓄積手段に対して充放電を行わないように制御することを特徴とする駆動制御システム。
12. 請求項１〜１１に記載の駆動制御システムを備えた車両。

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