JP2019038327A - 蓄電池管理装置およびハイブリッド車両 - Google Patents

Abstract

【課題】車両の運行計画に沿って蓄電池装置のＳＯＣを管理する蓄電池管理装置を提供する。【解決手段】蓄電池管理装置は、運行時刻データ、路線データおよび貨物運搬計画データを受け取り、車両が路線を走行する際の必要車両出力計画データを生成し、必要車両出力計画データに基づいて車両が内燃機関の出力のみで走行できない路線の区間ｔ１−ｔ２を特定し、区間ｔ１−ｔ２におけるバッテリの放電電力量Ｅdis_batを算出し、マップＭＰを参照して最小値ＳＯＣ_minに対応する放電可能電力量と放電電力量Ｅdis_batとの和を算出し、和に対応するバッテリの放電可能電力量を実現するＳＯＣ目標値ＳＯＣ_targetを算出し、時刻ｔ１に先立って内燃機関の出力を利用してバッテリの充電を開始し、時刻ｔ１にてバッテリの充電電力量が放電電力量Ｅdis_batよりも大きくなる充電開始期限時刻ｔ０を算出する。【選択図】図９

Description

本発明の実施形態は、蓄電池管理装置およびハイブリッド車両に関する。

例えば、鉄道の貨物車両の運行時刻データ（出発時刻、到着時刻）は、顧客の要求に沿って、路線データ（曲線、勾配）や、貨物の負荷などに基づいて作成される。
近年、例えば内燃機関と蓄電池装置とを搭載したハイブリッド車両が提案されている。ハイブリッド車両を鉄道車両として用いる場合、例えば、運行時刻データに基づいて要求されるトルクが演算され、内燃機関の出力により満たすことができないトルクを蓄電池装置から得られるエネルギーにより補って鉄道車両を走行させることが可能である。

特開２０１５−９１６８３号公報

ハイブリッド車両は、内燃機関と蓄電池装置との両方を組み合わせて構成されるため、搭載される部品点数が多くなる傾向がある。ハイブリッド車両の内燃機関の容量と蓄電池装置のバッテリ容量とは、例えば、車両の製造コストや大きさなどが許容される範囲内で決定される。
ハイブリッド車両は様々な路線を走行する可能性があり、ハイブリッド車両の性能にて出発地から目的地まで運行可能とするために、蓄電池装置の充電状態（ＳＯＣ：state of charge）を制御することが必要であった。

例えば、ハイブリッド車両が勾配の大きい区間を走行するときには、内燃機関の性能のみにより要求トルクを満たすことができず、蓄電池装置から供給されるエネルギーが必須となる状況が想定される。このような場合には、貨物車両が勾配の大きい区間を走行する前に、蓄電装置に十分なエネルギーが充電されていることが必要である。
また、ハイブリッド車両が内燃機関の性能のみで運転可能な区間では、モータからの回生電流により蓄電池装置のバッテリを充電可能とし、エネルギーを有効利用することが望ましい。

本発明の実施形態は、上記事情を鑑みて成されたものであって、車両の運行時刻データに沿って蓄電池装置のバッテリのＳＯＣを管理する蓄電池管理装置およびハイブリッド車両を提供することを目的とする。

実施形態による蓄電池管理装置は、内燃機関の出力と蓄電池装置の出力との少なくとも一方を利用して駆動される車両の前記蓄電池装置のバッテリのＳＯＣ目標値とバッテリ充電開始期限時刻とを算出する装置であって、前記車両の運行時刻データ、路線データ、および、貨物運搬計画データを外部から取得するデータ抽出部と、前記データ抽出部から運行時刻データ、路線データおよび貨物運搬計画データを受け取り、前記車両が路線を走行する際の必要車両出力計画データを生成する必要車両出力計画データ生成部と、前記必要車両出力計画データを受け取り、前記車両が前記内燃機関の出力のみで走行できない前記路線の区間を特定し、前記区間における前記バッテリの放電電力量を算出するバッテリ放電電力量算出部と、前記バッテリのＳＯＣに対応する放電可能電力量のマップを参照し、前記バッテリを充電しなかったときの前記区間の開始時刻における前記バッテリのＳＯＣに対応する放電可能電力量と、前記放電電力量との和を算出し、前記和に対応する前記バッテリの放電可能電力量を実現するＳＯＣを算出し、前記区間の開始時刻における前記バッテリのＳＯＣ目標値を算出するＳＯＣ目標値算出部と、前記区間の開始時刻に先立って前記内燃機関の出力を利用して前記バッテリの充電を開始したとき、前記区間の開始時刻にて前記バッテリの充電電力量が前記バッテリの前記放電電力量よりも大きくなるタイミングを算出するバッテリ充電開始期限時刻算出部と、を備える。

図１は、本実施形態の蓄電池管理装置を搭載した地上システムと、車載システムとの構成例を概略的に示すブロック図である。 図２は、蓄電池管理装置によりＳＯＣを管理されるバッテリを搭載した車両の一構成例を概略的に示すブロック図である。 図３は、通常運転モードおよびハイブリッドパワーモードについて、車両の速度と車両の牽引力との関係の一例を示す図である。 図４は、本実施形態の蓄電池管理装置の構成例を概略的に示すブロック図である。 図５は、本実施形態の蓄電池管理装置の動作の一例を説明するためのフローチャートである。 図６は、バッテリの放電可能電力マップの一例を示す図である。 図７は、バッテリのＳＯＣと放電可能電力量との関係の一例を示す図である。 図８は、実施形態のハイブリッド車両における車両制御装置の動作の一例を説明するためのフローチャートである。 図９は、蓄電池管理装置で演算されたＳＯＣ目標値とバッテリ充電開始期限時刻とを用いて、走行シミュレーションを行った結果の一例を示す図である。 図１０は、蓄電池管理装置で演算されたＳＯＣ目標値とバッテリ充電開始期限時刻とを用いて、走行シミュレーションを行った結果の他の例を説明する図である。

以下、実施形態の蓄電池管理装置およびハイブリッド車両について、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態の蓄電池管理装置を搭載した地上システムと、車載システムとの構成例を概略的に示すブロック図である。

地上システムは、運行管理装置１０と蓄電池管理装置２０とを備えている。地上システムは、複数の車載システムと通信可能に構成されている。
運行管理装置１０は、路線データと、貨物運搬計画データと、運行時刻データとを備えている。
路線データは、複数の路線のそれぞれについて、駅の位置情報と線路の曲率の位置情報と、線路の勾配の位置情報とを含む。
運行時刻データは、車両が走行する路線の複数の駅のそれぞれにおける、車両の到着時刻と出発時刻とを含む。
貨物運搬計画データは、車両の運行における各駅での負荷状態（荷物の総重量を示す値）と、負荷状態における速度制限情報とを含む。

蓄電池管理装置２０は、例えば、ＣＰＵ（central processing unit）やＭＰＵ（micro processing unit）などのプロセッサを少なくとも１つと、メモリと、を備えた演算装置である。蓄電池管理装置２０は、運行管理装置１０から路線データと、貨物運搬計画データと、運行時刻データとを取得し、車両に搭載された蓄電池装置（図２に示す）のＳＯＣ目標値とバッテリ充電開始期限時刻とを演算可能である。
なお、蓄電池管理装置２０は、路線を走行する車両の性能に関するデータ（バッテリの容量、バッテリの使用履歴、バッテリおよび内燃機関の最大出力などのデータ）を備えていてもよく、車両の性能に関するデータを外部から取得可能に構成されてもよい。

車載システムは、車両制御装置７を備えている。車両制御装置７は、車両に搭載された様々な機器を協働制御する。
図２は、蓄電池管理装置によりＳＯＣを管理されるバッテリを搭載した車両の一構成例を概略的に示すブロック図である。

車両は、内燃機関１と、発電機２と、コンバータ３と、インバータ４と、蓄電池装置５と、モータ６と、車両制御装置７と、を備えたハイブリッド車両である。
内燃機関１は、例えばディーゼルエンジンである。内燃機関１は、車両制御装置７からの出力指令に基づいて出力を制御可能である。

発電機２は、例えば、内燃機関１の出力により発電し、適切な交流電力（電気エネルギー）に変換してコンバータ３へ出力可能である。また、発電機２は、例えば、コンバータ３から供給された電気エネルギーを変換して得られた機械エネルギーを内燃機関１へ供給し、内燃機関１のシャフトを回転駆動することが可能である。発電機２から出力された交流電力は、コンバータ３へ供給される。発電機２は、車両制御装置７からの制御信号により動作を制御される。

コンバータ３は、直流リンクから供給された直流電力を交流電力に変換して発電機２へ出力可能に構成されている。また、発電機２から供給された交流電力を直流電力に変換して直流リンクへ出力可能に構成されている。コンバータ３は、車両制御装置７からの制御信号により動作を制御される。コンバータ３は、直流リンクを介して、インバータ４と蓄電池装置５と電気的に接続可能に構成されている。

蓄電池装置５は、例えば、バッテリと、バッテリの電圧、電流、および、温度を検出する検出回路と、電池制御回路と、車両制御装置７と通信を行う通信回路と（いずれも図示せず）、を備えている。

バッテリは、例えば、リチウムイオン電池や、ニッケル水素電池、などの電池セルを複数備えている。バッテリの正極端子は高電位側の直流リンクと電気的に接続可能であり、バッテリの負極端子は低電位側の直流リンクと電気的に接続可能である。

電池制御回路は、検出回路から受信するバッテリの電圧、電流、および、温度などの情報から、バッテリの充電状態（ＳＯＣ：state of charge）の推定値を演算することができる。電池制御回路は、演算した充電状態の推定値を、通信回路を介して車両制御装置７へ送信してもよい。電池制御回路は、例えば、車両制御装置７からの制御信号により動作を制御される。電池制御回路は、例えばＣＰＵやＭＰＵなどの少なくとも１つのプロセッサと、メモリとを備えた演算装置である。

インバータ４は、直流リンクを介して、コンバータ３および蓄電池装置５と電気的に接続可能に構成されている。インバータ４は、交流電力ラインを介してモータ６と電気的に接続している。インバータ４は、例えば、直流電力と３相交流電力とを相互に変換可能な電力変換器である。インバータ４は、直流リンクから供給される直流電力を交流電力に変換して交流電力ラインへ出力可能である。また、インバータ４は、交流電力ラインを介してモータ６から供給される交流電力を直流電力に変換して直流リンクへ出力可能である。インバータ４は、車両制御装置７からの制御信号により動作を制御される。

モータ６は、インバータ４から供給される電気エネルギー（交流電力）を機械エネルギーに変換可能であるとともに、車輪から伝達される機械エネルギーを電気エネルギー（交流電力）に変換可能な電動機である。モータ６は、車両制御装置７からの制御信号により動作を制御される。モータ６から出力された軸トルクが車輪に伝達され、車両はモータ６に駆動される。

車両制御装置７は、例えばＣＰＵやＭＰＵなどの少なくとも１つのプロセッサと、メモリとを備えた演算装置である。車両制御装置７は、内燃機関１と、発電機２と、コンバータ３と、蓄電池装置５と、インバータ４と、モータ６と、通信可能であって、車両に含まれる構成の動作を制御可能である。

本実施形態では、車両制御装置７は、通常運転モードと、ハイブリッドパワーモードとを切替えて車両を動作させることが可能である。
図３は、通常運転モードおよびハイブリッドパワーモードについて、車両の速度と車両の牽引力との関係の一例を示す図である。
通常運転モードは、車両制御装置７が内燃機関１の出力を優先して利用して車両を走行させるモードである。通常運転モードでは、車両の出力が内燃機関１の最大出力以下であり、通常運転モードにおける車両の最大出力Ｐsys_norm（ｋｗ）は、内燃機関１の出力を最大とし、蓄電池装置５の出力をゼロとしたときの車両の出力である。

なお、車両制御装置７は、通常運転モードにおいて内燃機関１の出力のみで車両を走行させる必要はなく、内燃機関１と蓄電池装置５との少なくとも一方の出力で車両を走行させることができる。車両制御装置７は、内燃機関１の効率や蓄電池装置５のバッテリのＳＯＣを考慮して内燃機関１の出力と蓄電池装置５の出力との配分を決定することができる。また、車両制御装置７は、通常運転モードにおいて内燃機関１の出力を最大とし、走行に利用されないエネルギーにて蓄電池装置５のバッテリを充電することができる。

ハイブリッドパワーモードは、車両制御装置７が蓄電池装置５の出力を積極的に利用して車両を走行させるモードである。ハイブリッドパワーモードでは、車両の出力が内燃機関１の最大出力よりも大きくなる。ハイブリッドパワーモードにおける車両の最大出力Ｐsys_max（ｋｗ）は、内燃機関１の出力を最大とし、蓄電池装置５の出力を最大としたときの車両の出力である。なお、車両制御装置７は、ハイブリッドパワーモードにおいて内燃機関１の出力を常に最大とする必要はなく、内燃機関１の効率や蓄電池装置５のバッテリのＳＯＣを考慮して内燃機関１の出力と蓄電池装置５の出力との配分を決定することができる。

通常運転モードとハイブリッドパワーモードとのいずれにおいても、車両が走行を開始し所定の速度となるまで牽引力は最大となり、所定の速度を超えると速度が大きくなるほど牽引力が小さくなる。牽引力が低下し始める車両の速度は、通常運転モードよりもハイブリッドパワーモードの方が大きく、高速で走行する車両は、同じ速度であればハイブリッドパワーモードの方が通常運転モードよりも牽引力が大きくなる。

図４は、本実施形態の蓄電池管理装置の構成例を概略的に示すブロック図である。
本実施形態の蓄電池管理装置２０は、データ抽出部２２と、必要車両出力計画データ生成部２４と、バッテリ放電電力量算出部２６と、ＳＯＣ目標値算出部２８と、バッテリ充電開始期限時刻算出部２９と、メモリ２０Ｍと、を備えている。

データ抽出部２２と、必要車両出力計画データ生成部２４と、バッテリ放電電力量算出部２６と、ＳＯＣ目標値算出部２８と、バッテリ充電開始期限時刻算出部２９とは、ハードウエアにより構成されてもよく、ソフトウエアにより構成されてもよく、ハードウエアとソフトウエアとの組み合わせにより構成されてもよい。データ抽出部２２と、必要車両出力計画データ生成部２４と、バッテリ放電電力量算出部２６と、ＳＯＣ目標値算出部２８と、バッテリ充電開始期限時刻算出部２９とは、メモリ２０Ｍにアクセス可能であって、メモリ２０Ｍに記録されたデータを取得することができる。

メモリ２０Ｍは、例えば、蓄電池管理装置２０の各構成でプログラムを実行するために必要な作業領域として用いられるＲＡＭ（Random Access Memory）と、蓄電池管理装置２０の各構成で実行するための基本的なプログラムを記憶するためのＲＯＭ（Read Only Memory）とを含む。また、メモリ２０Ｍは、例えば、運行管理装置１０から取得したデータを記憶してもよい。また、メモリ２０Ｍの記憶領域を補助するための補助記憶装置の記憶媒体として、半導体メモリ（メモリカード、ＳＳＤ（Solid State Drive））などを備えていてもよい。

データ抽出部２２は、運行管理装置１０にアクセスして、例えば所定の車両や所定の路線について、運行時刻データ、路線データ、貨物運搬計画データを要求して、必要なデータを取得可能である。データ抽出部２２は、例えば運行管理装置１０から定期的に必要なデータを取得してもよい。また、データ抽出部２２は、例えば複数の車両について複数の運行時刻データ、路線データおよび貨物運搬計画データを一括して取得してもよい。

必要車両出力計画データ生成部２４は、データ抽出部２２から運行時刻データ、路線データ、および、貨物運搬計画データを受け取り、車両の最大性能にて路線の走行シミュレーションを行い、車両が出発してから目標地点に到着するまでの区間における、時系列に沿った必要車両出力計画データＰrefを生成する。
必要車両出力計画データＰrefは、単位時間毎の必要車両出力の値を複数含む。複数の必要車両出力の値は時刻と関連付けられている。必要車両出力計画データＰrefに含まれる値は、時刻表や、路線の勾配および曲線や、車両の負荷などにより決定される。
例えば車両の出発時刻が１２時であって目的地への到着時刻が１４時であり、必要車両出力計画データＰrefが１秒毎の必要車両出力の値を複数含むものであるとき、必要車両出力計画データＰrefは、１２時から１４時までの１秒毎の車両の出力（ｋＷ）のデータを備えるものである。

バッテリ放電電力量算出部２６は、必要車両出力計画データ生成部２４で算出された必要車両出力計画データＰrefを受信し、車両が通常運転モードにて走行できない区間があるか否か判断し、通常運転モードにて走行できない区間（区間ｔ１−ｔ２）におけるバッテリ放電電力量Ｅdis_bat（ｋＷｈ）を算出する。

ＳＯＣ目標値算出部２８は、バッテリ放電電力量算出部２６で算出されたバッテリ放電電力量Ｅdis_bat（ｋＷｈ）を受信し、バッテリのＳＯＣ放電可能電力マップＭＰ（図６に示す）から得られた放電可能電力量と、バッテリ放電電力量Ｅdis_bat（ｋＷｈ）とを用いて、車両がハイブリッドパワーモードにて走行を開始する時点（時刻ｔ１）において必要なバッテリのＳＯＣ値（ＳＯＣ目標値）を算出して、車両システムの車両制御装置７へ出力する。

バッテリ充電開始期限時刻算出部２９は、ＳＯＣ目標値算出部２８で算出されたＳＯＣ目標値を受信し、バッテリのＳＯＣの最小値ＳＯＣ_min（バッテリを使用可能なＳＯＣの範囲の下限値）からＳＯＣ目標値となるまで充電するために必要な電力量（バッテリ充電電力量）Ｅchg_bat（ｋＷｈ）を、例えば下記式を用いて算出すことができる。
Ｅchg_bat＝∫（Ｐsys_norm−（Ｐref/ηsys_effi−Ｐmargin））ｄｔ
なお、上記式において、ηsys_effiはバッテリから出力されるエネルギーに対する車両出力の割合（システム効率）であり、Ｐmarginは、誤差などによる余剰分や不足分を補うためのマージンである。

バッテリ充電開始期限時刻算出部２９は、区間ｔ１−ｔ２の開始時刻ｔ１に先立って内燃機関１の出力を最大としてバッテリを充電したときに、バッテリ充電電力量Ｅchg_batがバッテリ放電電力量Ｅdis_batよりも大きくなるタイミングを時刻ｔ１から遡って算出し、バッテリ充電開始期限時刻ｔ０として車両システムの車両制御装置７へ出力する。
すなわち、バッテリ充電開始期限時刻ｔ０は、車両制御装置７が蓄電池装置５のバッテリの充電を開始したときに、時刻ｔ１までにバッテリをＳＯＣ目標値まで充電可能な期限である。したがって、車両制御装置７は、バッテリ充電開始期限時刻ｔ０に、若しくは、車両が走行開始してからバッテリ充電開始期限時刻ｔ０よりも前に、蓄電池装置５のバッテリの充電を開始することにより、時刻ｔ１におけるバッテリのＳＯＣがＳＯＣ目標値以上となるようにしている。これによって、車両制御装置７は、蓄電池装置５の出力の補助が必要な時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間、ハイブリッドパワーモードで車両を走行させることができる。

図５は、本実施形態の蓄電池管理装置の動作の一例を説明するためのフローチャートである。
蓄電池管理装置２０は、運行管理装置１０から路線情報、貨物運搬計画、および運行計画を抽出する。（ステップＳＡ１）
続いて、蓄電池管理装置２０は、路線を走行する車両の最大性能にて、走行シミュレーションを行い、出発地点から到着地までのＰref必要車両出力計画データＰrefを生成する。蓄電池管理装置２０は、運行管理装置１０から抽出した情報を用いて、Ｐref必要車両出力計画データＰrefを生成することが可能である。（ステップＳＡ２）

蓄電池管理装置２０は、例えば車両の踏面出力Ｐ（ｋＷ）を演算し、踏面出力Ｐ（ｋＷ）に基づいてＰref必要車両出力計画データＰrefを生成してもよい。時刻ｔにおける車両の踏面出力Ｐ（ｋＷ）は、車両牽引力Ｆtraction（ｋＮ）と時刻（ｔ）での車両速度Ｖ（ｔ）（ｍ／ｓ）との積（Ｐ（ｋＷ）＝Ｆtraction（ｋＮ）ｘＶ（ｔ）（ｍ／ｓ））により演算される。車両速度Ｖ（ｔ）（ｍ／ｓ）は、車両加速度Ａｃｃ（ｍ・ｓ^−２）と時刻との積と車両初期速度Ｖ０（ｔ）（ｍ／ｓ）との和（Ｖ（ｔ）（ｍ／ｓ）＝Ａｃｃ（ｍ・ｓ^−２）ｘｔ＋Ｖ０（ｔ）（ｍ／ｓ））により演算される。

車両加速度Ａｃｃ（ｍ・ｓ^−２）は、車両牽引力Ｆtractionから全体車両抵抗力Ｒres（ｋＮ）を引いた差を車両重量（車両＋貨物）Ｍ（ｋｇ）で除した値（Ａｃｃ＝（Ｆtraction−Ｒres）／Ｍ（ｋｇ））である。
全体車両抵抗力Ｒres（ｋＮ）は、起動抵抗力および勾配抵抗力（Ｒg）と走行抵抗力（Ｒrun）との和（Ｒres＝Ｒg＋Ｒrun）である。

起動抵抗力および勾配抵抗力Ｒｇ（ｋＮ）は、車両および貨物の重量Ｍと重力ｇとの積を勾配Ｘ（‰）で除した値（Ｒｇ（ｋＮ）＝Ｍ×ｇ／Ｘ）である。走行抵抗力Ｒrun（ｋＮ）は、車両および貨物の重量Ｍ（ｋｇ）による係数Ａ（ｋＮ）と、車両および貨物の重量Ｍ（ｋｇ）による係数Ｂと車両速度Ｖ（ｍ／ｓ）との積と、空気抵抗による係数Ｃと車両速度Ｖ（ｍ／ｓ）の二乗との積と、の和（Ｒrun（ｋＮ）＝Ａ＋ＢＶ＋ＣＶ^２）である。

続いて、蓄電池管理装置２０は、Ｐref必要車両出力計画データＰrefを参照して、必要車両出力が、通常運転モードにおける車両最大出力Ｐsys_normよりも大きくなる区間があるか否かを判断する。（ステップＳＡ３）
本実施形態では通常運転モードは、内燃機関１のみにより駆動可能な能力により車両走行を行うモードであり、車両最大出力Ｐsys_normは、内燃機関１のみで出力可能な車両最大出力である。なお、通常運転モードにおいて、内燃機関１の出力と蓄電池装置５の出力との配分は、内燃機関１の運転効率や蓄電池装置５のバッテリＳＯＣを考慮し、車両制御装置７により決定され得る。

蓄電池管理装置２０は、Ｐref必要車両出力計画データＰrefを参照して、必要車両出力が通常運転モードにおける車両最大出力Ｐsys_normよりも大きくなる区間がないと判断したときには、処理を終了する。

蓄電池管理装置２０は、Ｐref必要車両出力計画データＰrefの中で、必要車両出力が通常運転モードにおける車両最大出力Ｐsys_normよりも大きくなる区間ｔ１−ｔ２があると判断したときには、区間ｔ１−ｔ２を特定し、この区間で必要なバッテリ放電電力量Ｅdis_bat（ｋＷｈ）を算出する。（ステップＳＡ４）

なお、通常運転モードにおける車両最大出力Ｐsys_normよりも大きくなる区間が複数ある場合には、蓄電池管理装置２０は、複数の期間について以下のステップＳＡ５−ＳＡ７を行うことができる。

本実施形態では蓄電池管理装置２０は、ハイブリッドパワーモードでの走行を終了する時刻ｔ２において、蓄電池装置５のＳＯＣを最小値ＳＯＣ_minとしている。
蓄電池管理装置２０は、バッテリ放電電力量Ｅdis_batとＳＯＣ放電可能電力マップから得られる電力量とから、時刻ｔ１での蓄電池装置５のバッテリＳＯＣ（ＳＯＣ目標値ＳＯＣ_target）を決定する。

図６は、バッテリの放電可能電力マップの一例を示す図である。
バッテリの放電可能電力マップＭＰはメモリ２０Ｍに記録されている。放電可能電力マップＭＰは、蓄電池装置５のバッテリの複数のＳＯＣ値それぞれに対応する放電可能電力量を格納している。図６に示す例では、放電可能電力マップＭＰは、バッテリの使用可能範囲の複数のＳＯＣ値に対応する放電可能電力量を格納している。放電可能電力量は、バッテリのＳＯＣが所定の最小値（使用可能範囲の下限値）ＳＯＣ_minとなるまで放電したときのバッテリの放電電力量である。

放電可能電力マップＭＰによれば、バッテリのＳＯＣ値が２０％からＳＯＣ値が最小値ＳＯＣ_min（２０％）となるまで放電したときのバッテリの放電可能電力量はＥ２０（ｋＷｈ）であり、Ｅ２０はゼロとなる。バッテリのＳＯＣ値が２１％からＳＯＣ値が最小値ＳＯＣ_min（２０％）となるまで放電したときのバッテリの放電可能電力量はＥ２１（ｋＷｈ）である。なお、図６では、放電可能電力マップＭＰは、１％毎に異なるＳＯＣ値に対応した放電可能電力量を格納しているがこれに限定されるものではない。

図７は、バッテリのＳＯＣと放電可能電力量との関係の一例を示す図である。
蓄電池管理装置２０は、例えば、最小値ＳＯＣ_min（％）に対応する放電可能電力量Ｅ２０（ｋＷｈ）とバッテリ放電電力量Ｅdis_bat（ｋＷｈ）との和を算出する。ここで演算された和（Ｅ２０＋Ｅdis_bat（ｋＷｈ））は、時刻ｔ２におけるバッテリのＳＯＣを最小値ＳＯＣ_min（％）としたときの、時刻ｔ１におけるバッテリの放電可能電力量の目標値である。蓄電池管理装置２０は、演算した和（Ｅ２０＋Ｅdis_bat（ｋＷｈ））を実現するＳＯＣをバッテリの放電可能電力マップＭＰから読み出して、ＳＯＣ目標値ＳＯＣ_target（％）とする。

なお、蓄電池管理装置２０が演算した和（Ｅ２０＋Ｅdis_bat（ｋＷｈ））と等しい放電可能電力量が放電可能電力マップＭＰに格納されていないときには、Ｅ２０＋Ｅdis_bat（ｋＷｈ）よりも大きい値であってＥ２０＋Ｅdis_bat（ｋＷｈ）との差が最も小さい放電可能電力量に対応するＳＯＣ値をＳＯＣ目標値ＳＯＣ_target（％）としてもよい。（ステップＳＡ５）

続いて、蓄電池管理装置２０は、バッテリのＳＯＣが最小値ＳＯＣ_min（％）からＳＯＣ目標値ＳＯＣ_target（％）となるまで充電するために必要なバッテリ充電電力量Ｅchg_bat（ｋＷｈ）を、例えば下記式を用いて算出する。
Ｅchg_bat＝∫（Ｐsys_norm−（Ｐref/ηsys_effi−Ｐmargin））ｄｔ
なお、上記式において、ηsys_effiはバッテリから出力されるエネルギーに対する車両出力の割合（システム効率）であり、Ｐmarginは、誤差などによる不足分を補うためのマージンである。

蓄電池管理装置２０は、内燃機関１の出力を最大としてバッテリを充電したときに、バッテリ充電電力量Ｅchg_bat（ｋＷｈ）がバッテリ放電電力量Ｅdis_bat（ｋＷｈ）よりも大きくなるタイミングを、時刻ｔ１から遡ってバッテリ充電開始期限時刻ｔ０とする。
なお、本実施形態では、充電開始する時点におけるバッテリのＳＯＣを、最小値ＳＯＣ_min（％）としてバッテリ充電電力量Ｅchg_bat（ｋＷｈ）を算出している。実際の車両走行時には、回生電流等によりバッテリが充電された状態となる可能性があるが、上記のように、初期値を最小値ＳＯＣ_min（％）として求めたバッテリ充電電力量Ｅchg_bat（ｋＷｈ）を用いることにより、時刻ｔ１時点におけるバッテリのＳＯＣをＳＯＣ目標値以上とすることが可能である。また、この場合、時刻ｔ２時点におけるバッテリのＳＯＣは最小値ＳＯＣ_min（％）よりも大きくなる。（ステップＳＡ６）

蓄電池管理装置２０は、車両制御装置７へ、バッテリ充電開始期限時刻ｔ０と、ＳＯＣ目標値ＳＯＣ_target（％）とを送信し、処理を終了する。（ステップＳＡ７）

図８は、実施形態のハイブリッド車両における車両制御装置の動作の一例を説明するためのフローチャートである。
車両制御装置７は、蓄電池管理装置２０から、バッテリ充電開始期限時刻ｔ０とＳＯＣ目標値ＳＯＣ_target（％）とを受信する。（ステップＳＢ１）

車両制御装置７は、車両の出発時刻からバッテリ充電開始期限時刻ｔ０となったら（若しくはバッテリ充電開始期限時刻ｔ０よりも前に）、内燃機関１の出力を最大とし、発電機２、コンバータ３、および直流リンクを介して蓄電池装置５のバッテリの充電を開始する。（ステップＳＢ２）

車両制御装置７は、蓄電池装置５からバッテリのＳＯＣの値を周期的に取得し、バッテリのＳＯＣを監視している。車両制御装置７は、蓄電装置５から取得した現在（時刻ｔ）のバッテリのＳＯＣ（ｔ）とＳＯＣ目標値ＳＯＣ_targetとを比較して、蓄電池装置５のバッテリのＳＯＣ（ｔ）がＳＯＣ目標値ＳＯＣ_target（％）以上か否かを判断する。（ステップＳＢ３）
車両制御装置７は、バッテリのＳＯＣ（ｔ）がＳＯＣ目標値ＳＯＣ_target（％）以上であると判断すると、内燃機関１の出力を走行に必要な値としてバッテリの充電を終了し、ハイブリッドパワーモードでの走行を許可する。（ステップＳＢ７）

車両制御装置７は、バッテリのＳＯＣがＳＯＣ目標値ＳＯＣ_target（％）未満であると判断すると、車両がハイブリッドモードで走行する区間に到達したか否かを判断する。車両制御装置７は、例えば、時刻ｔ１に到達したときに、ハイブリッドモードで走行する区間に到達したと判断することができる。

なお、車両制御装置７は、車両に搭載されたＧＰＳから車両の位置情報を取得可能である場合には、車両の位置情報に基づいて、ハイブリッドモードで走行する区間に到達したか否かを判断することができる。
また、車両制御装置７は、センサにより読み取り可能であり、線路に設置された表示体（文字列、記号、図形、凹凸形状などを含む）などから線路の位置情報を取得可能である場合には、線路の位置情報に基づいて、ハイブリッドモードで走行する区間に到達したか否かを判断することができる。（ステップＳＢ４）

車両制御装置７は、車両がハイブリッドモードで走行する区間に到達していないと判断したときには、上記のステップＳＢ３に戻り、蓄電池装置５のバッテリのＳＯＣ（ｔ）がＳＯＣ目標値ＳＯＣ_target（％）以上か否かを判断する。

車両制御装置７は、車両がハイブリッドモードで走行する区間に到達したと判断したときには、車両の各構成に対して停車するように要求する。車両が停車すると、内燃機関１の出力の全てをバッテリの充電に利用可能となり、バッテリの充電を進めることができる。（ステップＳＢ５）

車両制御装置７は、現在（時刻ｔ）のバッテリのＳＯＣ（ｔ）がＳＯＣ目標値ＳＯＣ_target（％）以上か否かを判断し、ＳＯＣ（ｔ）がＳＯＣ目標値ＳＯＣ_target（％）以上となるまで、車両を停車させる。（ステップＳＢ６）
車両制御装置７は、バッテリのＳＯＣ（ｔ）がＳＯＣ目標値ＳＯＣ_target（％）以上であると判断すると、ハイブリッドパワーモードでの走行を許可する。（ステップＳＢ７）

図９は、蓄電池管理装置で演算されたＳＯＣ目標値とバッテリ充電開始期限時刻とを用いて、走行シミュレーションを行った結果の一例を示す図である。
図９には、必要車両出力計画データＰrefと、バッテリ出力計画（ｋｗ）と、バッテリのＳＯＣ計画（％）とのシミュレーション結果の一例を時系列で示している。

この走行シミュレーションにおいて、バッテリ充電開始期限時刻は時刻ｔ０であり、バッテリのＳＯＣ目標値はＳＯＣ_target（％）である。また、この走行シミュレーションでは、車両は、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの走行区間をハイブリッドパワーモードで走行し、時刻ｔ１以前と時刻ｔ２以降の走行区間を通常運転モードで走行するように設定されている。
なお、バッテリのＳＯＣの初期値は最小値ＳＯＣ_min（％）である。車両制御装置７は、通常運転モードにおいて、バッテリの放電は行わず回生電流によりバッテリの充電を行うことが可能である。

車両制御装置７は、車両の走行を開始してからバッテリ充電開始期限時刻ｔ０まで通常運転モードにて車両を動作させる。この期間、車両制御装置７は、回生電流により蓄電池装置５のバッテリを適宜充電することもあるため、バッテリ充電開始期限時刻ｔ０において、バッテリのＳＯＣは最小値ＳＯＣ_min（％）よりも大きくなっている。

車両制御装置７は、バッテリ充電開始期限時刻ｔ０となったときに、内燃機関１の出力を最大とする。バッテリ充電開始期限時刻ｔ０以降、車両制御装置７は、蓄電池装置５のバッテリのＳＯＣがＳＯＣ目標値ＳＯＣ_target（％）以上となるまで、走行に必要な出力よりも高い出力となるように内燃機関１を動作させる。車両制御装置７は、走行に必要な出力と内燃機関１との出力との差分を利用して蓄電池装置５のバッテリを充電する。

車両制御装置７は、蓄電池装置５からバッテリの現在のＳＯＣ（ｔ）の値を周期的に取得し、バッテリのＳＯＣ（ｔ）がＳＯＣ目標値ＳＯＣ_target（％）以上であるか否か判断する。バッテリのＳＯＣ（ｔ）がＳＯＣ目標値ＳＯＣ_target（％）以上となったときに、車両制御装置７は、内燃機関１の出力を走行に必要な値とし、バッテリの充電を終了する。なお、この例では、時刻ｔ０におけるバッテリのＳＯＣが最小値ＳＯＣ_min（％）よりも大きくなっているため、バッテリの充電は時刻ｔ１よりも前に終了する。

車両制御装置７は、時刻ｔ１において、車両をハイブリッドパワーモードにて運転しなければならない区間にさしかかる。この時刻において、蓄電池装置５のバッテリのＳＯＣが目標値ＳＯＣ_target（％）以上であり、時刻ｔ１から時刻ｔ２までは、車両は内燃機関１の出力のみで走行することができないため、車両制御装置７はハイブリッドパワーモードにて車両を動作させる。すなわち、蓄電池装置５のバッテリに蓄えられたエネルギーが放電され、走行のために利用される。

時刻ｔ２にて、バッテリのＳＯＣは最小値ＳＯＣ_min（％）となり、時刻ｔ２以降、車両制御装置７は、通常運転モードにて車両を動作させる。このシミュレーションによれば、車両制御装置７は、事前に（バッテリ充電開始期限時刻ｔ０までに）バッテリの充電を開始することにより、時刻ｔ１の時点（ハイブリッドパワーモードで走行開始するとき）のバッテリのＳＯＣを所定の目標値以上とし、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの走行区間において車両をバッテリパワーモードにて走行させることが可能である。

図１０は、蓄電池管理装置で演算されたＳＯＣ目標値とバッテリ充電開始期限時刻とを用いて、走行シミュレーションを行った結果の他の例を説明する図である。
ここでは、車両走行時に必要車両出力計画データ通りに運転が成されなかった場合を想定し、例えば、時刻ｔ０以降に走行に利用される内燃機関１の出力が、演算された必要車両出力計画の値Ｐrefより大きくなるように、変更した必要車両出力計画Ｐref´を用いてシミュレーションを行った結果について説明する。

図１０には、変更後の必要車両出力計画データＰref´と、バッテリ出力計画（ｋｗ）と、バッテリのＳＯＣ計画（％）とのシミュレーション結果の一例を時系列で示している。
この走行シミュレーションにおいて、バッテリ充電開始期限時刻はｔ０であり、バッテリのＳＯＣ目標値はＳＯＣ_target（％）である。この走行シミュレーションでは、車両は、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの区間にハイブリッドパワーモードで走行するように設定され、時刻ｔ１以前と時刻ｔ２以降は通常運転モードで走行する。
なお、バッテリのＳＯＣの初期値は最小値ＳＯＣ_min（％）である。車両制御装置７は、通常運転モードにおいて、バッテリの放電は行わず、回生電流によりバッテリの充電を行うことが可能である。

本シミュレーションにおいて、車両制御装置７は、車両の走行を開始してからバッテリ充電開始期限時刻ｔ０まで通常運転モードにて車両を動作させる。この期間、車両制御装置７は、回生電流により蓄電池装置５のバッテリを適宜充電することもあるため、バッテリ充電開始期限時刻ｔ０において、バッテリのＳＯＣは最小値ＳＯＣ_min（％）よりも大きくなっている。

続いて、車両制御装置７は、バッテリ充電開始期限時刻ｔ０となったときに、内燃機関１の出力を最大とする。
バッテリ充電開始期限時刻ｔ０以降、車両制御装置７は、蓄電池装置５のバッテリのＳＯＣがＳＯＣ目標値ＳＯＣ_target（％）以上となるまで、走行に必要な出力よりも高い出力となるように内燃機関１を動作させる。車両制御装置７は、走行に必要な出力と内燃機関１との出力との差分を利用して蓄電池装置５のバッテリを充電する。

車両制御装置７は、蓄電池装置５からバッテリの現在のＳＯＣ（ｔ）の値を周期的に取得し、バッテリのＳＯＣ（ｔ）がＳＯＣ目標値ＳＯＣ_target（％）以上であるか否か判断する。バッテリのＳＯＣ（ｔ）がＳＯＣ目標値ＳＯＣ_target（％）以上となったときに、車両制御装置７は、内燃機関１の出力を、走行に必要な値としバッテリの充電を終了する。

車両制御装置７は、上述のバッテリの充電の動作と並行して、車両がハイブリッドパワーモードで走行する区間に到達したか否かを判断する。車両制御装置７は、時刻ｔ１に到達したときに、ハイブリッドパワーモードで走行する区間に到達したと判断することができる。
なお、車両制御装置７は、車に搭載したＧＰＳにより取得した車両の位置情報に基づいて判断することが可能であり、また、線路に設置された表示体等から得られる線路の位置情報に基づいて判断することが可能である。図１０に示す例では、車両制御装置７は、時刻ｔ１にてハイブリッドパワーモードで走行する区間に到達したものと判断する。

ハイブリッドパワーモードで走行する区間に到達したと判断した場合、車両制御装置７は、バッテリのＳＯＣ（ｔ）がＳＯＣ目標値ＳＯＣ_target（％）以上か否かを判断する。
この例では、時刻ｔ０以降に内燃機関１の出力が走行に利用される分が当初算出された値よりも大きくなっており、時刻ｔ１におけるバッテリのＳＯＣ（ｔ１）がＳＯＣ目標値ＳＯＣ_target（％）に到達せず、時刻ｔ１時点にてバッテリの充電が継続されている。
時刻ｔ１時点にて、バッテリのＳＯＣ（ｔ１）がＳＯＣ目標値ＳＯＣ_target（％）以上となっていないため、車両制御装置７は、車両の各構成に対して停車するように要求し、車両を停車させる。

車両が停車すると、内燃機関１の出力が全てバッテリの充電に利用されることとなり、バッテリの充電が進む。車両制御装置７は、現在（時刻ｔ）のバッテリのＳＯＣ（ｔ）を監視し、バッテリのＳＯＣ（ｔ）がＳＯＣ目標値ＳＯＣ_target（％）以上となるまで車両を停車させる。

バッテリのＳＯＣ（ｔ）がＳＯＣ目標値ＳＯＣ_target（％）以上となると、車両制御装置７は、バッテリの充電を終了し、車両の各構成に対してハイブリッドパワーモードで走行することを許可する。
これにより、蓄電池装置５のバッテリのＳＯＣが目標値ＳＯＣ_target（％）以上となった状態で車両のハイブリッドパワーモードによる走行が開始され、車両制御装置７は、車両が内燃機関１の出力のみで走行することができない区間を、蓄電池装置５の出力を利用してハイブリッドパワーモードにて車両を動作させることができる。すなわち、蓄電池装置５のバッテリに蓄えられたエネルギーが放電され、走行のために利用される。

ハイブリッドパワーモードにて走行する区間の終了時刻ｔ２´にて、バッテリのＳＯＣは最小値ＳＯＣ_min（％）となり、時刻ｔ２´以降、車両制御装置７は、通常運転モードにて車両を動作させる。なお、この例では、時刻ｔ２´は、車両が停車していた分だけ時刻ｔ２よりも遅れた時刻となる。

上記シミュレーションのように、車両制御装置７は、車両が当初の必要車両出力計画データ通りに運転されず、ハイブリッドパワーモードにて走行する区間が開始する時点にてバッテリのＳＯＣがＳＯＣ目標値に到達しなかった場合であっても、バッテリのＳＯＣが所定の目標値となるまで充電を行った後に、車両をバッテリパワーモードにて走行させることが可能である。

例えば、車両が勾配の大きい上り坂を走行する場合、内燃機関の性能のみにより車両の要求トルクを満たすことができず、蓄電池装置５から供給されるエネルギーが必須となる状況が想定される。このように蓄電池装置５からのエネルギー供給が必須となる状況において、勾配が大きい上り坂の走行を開始する時点で蓄電池装置５のバッテリが十分充電されていないと、坂を上りきる前に車両が走行不可能となる可能性がある。車両が走行不可能となり停止するとメンテナンス作業が必要となるため、貨物を計画通りに運搬することができない。
そこで、本実施形態では、車両が勾配の大きい上り坂等を走行する前に、予め、内燃機関１の出力を利用して蓄電池装置５のバッテリに十分なエネルギーを充電し、内燃機関１と蓄電池装置５との出力を利用して車両を目的地まで走行させている。

また、例えば、内燃機関１の出力により十分走行可能な区間において蓄電池装置５のバッテリが充電された状態であって、回生電流によりバッテリを充電することができない場合、車両のエネルギー利用効率が低下する可能性がある。
そこで、本実施形態では、車両制御装置７は、蓄電池装置５のバッテリのＳＯＣを必要最低限の値とし、通常運転モードで走行する期間において蓄電池装置５のバッテリを満充電とせずに、回生エネルギーや走行に必要な出力と内燃機関１との出力との差分を充電可能としている。

上述の実施形態は、バッテリ充電開始期限時刻ｔ０時点で、蓄電池装置５のバッテリのＳＯＣが使用可能範囲の最小値ＳＯＣ_minであったとしても、車両は時刻ｔ１からハイブリッドパワーモードで走行可能である。また、時刻ｔ２には蓄電池装置５のバッテリのＳＯＣは最小値ＳＯＣ_minとなり、時刻ｔ２以降に車両が通常運転モードにて走行中に回生エネルギーを充電可能となる。

すなわち、本実施形態によれば、車両の運行時刻データに沿って蓄電池装置のバッテリのＳＯＣを管理する蓄電池管理装置およびハイブリッド車両を提供することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…内燃機関、２…発電機、３…コンバータ、４…インバータ、５…蓄電池装置、６…モータ、７…車両制御装置、１０…運行管理装置、２０…蓄電池管理装置、２０Ｍ…メモリ、２２…データ抽出部、２４…必要車両出力計画データ生成部、２６…バッテリ放電電力量算出部、２８…ＳＯＣ目標値算出部、２９…バッテリ充電開始期限時刻算出部、ｔ０…バッテリ充電開始期限時刻、ＳＯＣ_target…ＳＯＣ目標値

Claims (2)

1. 内燃機関の出力と蓄電池装置の出力との少なくとも一方を利用して駆動される車両の前記蓄電池装置のバッテリのＳＯＣ目標値とバッテリ充電開始期限時刻とを算出する装置であって、
   前記車両の運行時刻データ、路線データ、および、貨物運搬計画データを外部から取得するデータ抽出部と、
   前記データ抽出部から運行時刻データ、路線データおよび貨物運搬計画データを受け取り、前記車両が路線を走行する際の必要車両出力計画データを生成する必要車両出力計画データ生成部と、
   前記必要車両出力計画データを受け取り、前記車両が前記内燃機関の出力のみで走行できない前記路線の区間を特定し、前記区間における前記バッテリの放電電力量を算出するバッテリ放電電力量算出部と、
   前記バッテリのＳＯＣに対応する放電可能電力量のマップを参照し、前記バッテリを充電しなかったときの前記区間の開始時刻における前記バッテリのＳＯＣに対応する放電可能電力量と、前記放電電力量との和を算出し、前記和に対応する前記バッテリの放電可能電力量を実現するＳＯＣを算出し、前記区間の開始時刻における前記バッテリのＳＯＣ目標値を算出するＳＯＣ目標値算出部と、
   前記区間の開始時刻に先立って前記内燃機関の出力を利用して前記バッテリの充電を開始したとき、前記区間の開始時刻にて前記バッテリの充電電力量が前記バッテリの前記放電電力量よりも大きくなるタイミングを算出するバッテリ充電開始期限時刻算出部と、を備えたことを特徴とする蓄電池管理装置。
2. 内燃機関と、
   前記内燃機関の出力により発電する発電機と、
   バッテリを含む蓄電池装置と、
   直流リンクを介して前記蓄電池装置および前記発電機と電気的に接続し、前記直流リンクから供給される直流電力を交流電力に変換して出力可能なインバータと、
   前記インバータから出力された交流電力により駆動されるモータと、
   前記モータの出力が伝達される車輪と、
   外部から前記バッテリのＳＯＣ目標値とバッテリ充電開始期限時刻と、を受信し、走行開始後であって前記バッテリ充電開始期限時刻以前に、前記内燃機関の出力を利用して前記バッテリを充電し、前記内燃機関と前記バッテリとから得られるエネルギーを利用して走行を開始するときの前記バッテリのＳＯＣを前記ＳＯＣ目標値以上とする
   ことを特徴とするハイブリッド車両。