JP6193117B2 - 車両空調制御装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、車両空調制御装置に関する。

従来から、鉄道車両運行システムにおいては、複数の鉄道車両を走行させ、任意の鉄道車両の回生ブレーキ時の回生電力を、架線を通して他の鉄道車両で再利用させている。また、近くに他の鉄道車両が力行しておらず、架線に十分な回生負荷がない場合に、回生ブレーキが十分作用せず機械的ブレーキを併用することになり、制動エネルギの一部を熱として放散している。

そこで、回生ブレーキで生じる回生電力を有効に使用するために、鉄道車両に電力貯蔵媒体を搭載し、回生電力を電力貯蔵媒体に蓄積することが考えられる。回生電力を蓄積するための電力貯蔵媒体は、鉄道車両に搭載する必要がある。しかしながら、この回生ブレーキで生じる回生電力を、電力貯蔵媒体に全て蓄積可能にするためには、電力貯蔵媒体を数多く搭載する必要があるため、鉄道車両の重量が増加する。これにより、走行時のエネルギの効率化が低減する。

さらには、回生ブレーキで生じる回生電力による余剰電力を空調装置などの他の機器で利用する技術が提案されている。

特開２００９−１９６４０４号公報

しかしながら、従来技術においては、電力貯蔵媒体の充電許可電力を超えた場合に、余剰電力を消費させる手法の提案であり、積極的に回生電力を消費する技術ではなく、鉄道車両の消費電力を低減させることを考慮した技術ではない。

実施形態の車両空調制御装置は、取得部と、制御部と、を備える。取得部は、鉄道車両の移動状態を取得する。制御部は、取得部が取得した鉄道車両の移動状態で、鉄道車両が回生ブレーキで減速を行っていると判断される間は減速を行う前よりも強く冷房又は暖房運転を行うとともに、当該減速の後で鉄道車両が停止していると判断される間も冷房又は暖房運転を行い、前記停止の後で前記鉄道車両が力行していると判断される間に、冷房及び暖房運転を停止し、前記鉄道車両内で送風運転を行い、前記鉄道車両が回生ブレーキで減速を行っている時間と前記鉄道車両が惰性で走行を行っている時間との比率が大きくなるに従って、前記鉄道車両が惰性で走行を行っている間の冷房又は暖房運転を弱くする制御を行う。

図１は、第１の実施形態の鉄道車両で行われる制御例を示した説明図である。 図２は、第１の実施形態の鉄道車両の電気回路構成例を示した図である。 図３は、第１の実施形態にかかる制御部が鉄道車両の移動状態に応じた制御例を示した図である。 図４は、変形例による制御部による空調制御を示した図である。 図５は、第１の実施形態にかかるマイコン制御器における、空調制御の全体的な処理の手順を示すフローチャートである。 図６は、第２の実施形態にかかるマイコン制御器における、空調制御例を示した図である。 図７は、第２の実施形態にかかる制御部の温度の補正制御を行うための補正係数βの対応テーブルの例を示した図である。 図８は、第２の実施形態にかかる制御部の温度の補正制御を行うための補正係数αの対応テーブルの例を示した図である。 図９は、第２の実施形態にかかるマイコン制御器における、空調制御の全体的な処理の手順を示すフローチャートである。 図１０は、第３の実施形態の制御部による２台の圧縮機を制御する条件の例を示した図である。

以下に示す実施形態では、車両空調制御装置が搭載された鉄道車両について説明する。車両空調制御装置が搭載される鉄道車両は、架線から電力が供給されるものであれば、どのようなものであっても良い。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の鉄道車両で行われる制御例を示した説明図である。図１に示されるように、本実施形態では鉄道車両１が惰行から回生ブレーキによる減速を行わせる。その際に、鉄道車両１では、回生ブレーキで生じる回生エネルギを強制冷暖房に用いる。さらには、鉄道車両１は、駅舎ホーム１０に停車している場合に、強制冷暖房を継続して行わせる。これにより、鉄道車両１内の鉄道車両空調装置の車内の温度は一層低下又は上昇しているため、鉄道車両１の力行時に、鉄道車両１の冷暖房に用いる電力を抑えることができる。本実施形態では、力行時に全車送風制御を行うことで、消費電力を抑えることとした。

例えば、夏期において、鉄道車両１の減速時に、回生ブレーキで生じた回生エネルギを、強制的に最大出力で冷房制御に利用するとともに、鉄道車両１の停止時も冷房制御を行うことで、車内の温度を低下させる。その後に行われる（鉄道車両１が電力を消費する）力行時に、車内温度は既に低下しているため、全車送風制御で電力の消費を抑止することとした。つまり、回生エネルギが生じる減速時に強制冷房を行うことで、余剰電力の消費と室内温度の低下を行い、電力が必要とされる力行時では、送風制御を行うことで、電力の消費を低減させる。この際に、送風制御のみで温度調整を行わないため、車内温度は上昇するが、減速時と停止時に強制的な空調制御により室内温度を低下させているため、快適な車内気温を維持できる。

つまり、本実施形態では、鉄道車両１の減速時に、回生ブレーキで生じた回生エネルギを強制的に車内の冷暖房制御に用いる代わりに、力行時に送風制御を行うことで、消費電力を抑えることで、消費電力の低減と車内の快適な室内温度維持とを両立できる。

ところで空調など補助電源装置で消費する電力は走行で消費する電力に比べ小さいものの省エネルギの観点では、できるだけ減速区間で発生する回生エネルギを、自車で有効に使うことが望まれている。そこで、この減速区間では、従来の温度センサによる自動運転ではなく、最も消費電力が大きい強制冷暖房運転とする制御を行うことで、有効な過充電対策を実現できる。

図２は、本実施形態の鉄道車両１の電気回路構成例を示した図である。図２に示されるように、鉄道車両１は、圧縮機２０１Ａ、２０１Ｂ（以下、第１の圧縮機２０１Ａ、第２の圧縮機２０１Ｂとも称す）と、四方弁（ＶＣ）２０２Ａ、２０２Ｂ（以下、第１の四方弁２０２Ａ、第２の四方弁２０２Ｂとも称す）と、室内熱交換器２０３Ａ、２０３Ｂと、室外熱交換器２０４Ａ、２０４Ｂと、室内送風機（ＥＦ）２０５と、室外送風機（ＣＦ）２０６と、補助電源装置２０７と、空調インバータ２０８と、室内温度センサ２０９と、室外温度センサ２１０と、マイコン制御器２１１と、補助リレー２１２と、電力貯蔵媒体２１４と、インバータ主回路装置２１５と、主電動機（ＩＭ）２１６と、接触器２１７と、マスタ・コントローラ２２０と、ＴＣＭＳ（Train Control and Monitoring System）２２１と、パンタグラフ２２２と、フィルタリアクトル２２３と、を備える。そして、鉄道車両１の電気回路構成においては、レール２３１が接地点として機能する。

圧縮機２０１Ａ、２０１Ｂは、冷媒（例えばフロン）を圧縮する。四方弁（ＶＣ）２０２Ａ、２０２Ｂは、冷房、暖房の冷凍サイクルを切り替える弁とする。

室内熱交換器２０３Ａ、２０３Ｂは、低温になった冷媒をフィンアンドチューブの熱交換器に通して、車内の空気と熱交換を行うための機器とする。

室外熱交換器２０４Ａ、２０４Ｂは、高温になった冷媒をフィンアンドチューブの熱交換器に通して、車外の空気と熱交換を行うための機器とする。

室内送風機（ＥＦ）２０５は、車内の空気を取り込み、室内熱交換器２０３Ａ、２０３Ｂに風としてあてる送風機とする。

室外送風機（ＣＦ）２０６は、車外の空気を取り込み、室外熱交換器２０４Ａ、２０４Ｂに風としてあてる送風機とする。

本実施形態では、圧縮機２０１Ａ、２０１Ｂと、四方弁（ＶＣ）２０２Ａ、２０２Ｂと、室内熱交換器２０３Ａ、２０３Ｂと、室外熱交換器２０４Ａ、２０４Ｂと、により温度調整システム２５０を実現できる。つまり、第１の圧縮機２０１Ａと、第１の四方弁２０２Ａと、第１の室内熱交換器２０３Ａと、第１の室外熱交換器２０４Ａと、を（図示しない）配管で接続し、当該配管に冷媒を流すことで、冷暖房制御を実現できる。同様に、第２の圧縮機２０１Ｂと、第２の四方弁２０２Ｂと、第２の室内熱交換器２０３Ｂと、第２の室外熱交換器２０４Ｂと、を（図示しない）配管で接続し、当該配管に冷媒を流すことで、冷暖房制御を実現できる。

このように、本実施形態では、２つの独立した冷凍サイクルからなり、四方弁（ＶＣ）２０２Ａ、２０２Ｂの動作により冷房・暖房を切り替え可能とする。また、２つのサイクルをそれぞれ異なる制御（冷房、暖房）を行うことで、除湿運転も可能とする。

補助電源装置２０７は、空調システム２６０用の電源装置とする。空調インバータ２０８は、空調システム２６０内の圧縮機２０１Ａ、２０１Ｂの回転数を制御する装置とする。

室内温度センサ２０９は、車内の温度、湿度を検知するセンサとする。室外温度センサ２１０は、車外の温度、湿度を検知するセンサとする。

補助リレー２１２は、マイコン制御器２１１に従って、四方弁（ＶＣ）２０２Ａ、２０２Ｂを駆動させるリレーとする。

電力貯蔵媒体２１４は、電力を蓄積するコンデンサであり、本実施形態ではＥＤＬＣ（Electric double-layer capacitor、電気二重層コンデンサ）を用いる。なお、電力貯蔵媒体２１４は、電力を蓄積する媒体であればよく、ＥＤＬＣ以外にもリチウムイオン等の電池や、バッテリを用いることが考えられる。

そして、鉄道車両１で回生ブレーキがかけられた場合に、インバータ主回路装置２１５から電力貯蔵媒体２１４への方向に回生電力が発生するために、電力貯蔵媒体２１４に対する充電が行われる。

主電動機（ＩＭ）２１６は、鉄道車両１を力行させるためのモータとする。インバータ主回路装置２１５は、主電動機２１６を駆動させるインバータとする。

接触器２１７は、空調インバータ２０８と圧縮機２０１Ａ、２０１Ｂとの間、及び空調インバータ２０８と室外送風機（ＣＦ）２０６との間を、接続又は切り離す機器とする。

ＴＣＭＳ２２１は、鉄道車両１の各構成を制御する。例えば、ＴＣＭＳ２２１は、主電動機２１６を制御して、回生ブレーキを実現する。

マスタ・コントローラ２２０は、鉄道車両１の運転台に設置され、鉄道車両１の速度を遠隔制御するコントローラとする。マスタ・コントローラ２２０により行われた指令は、ＴＣＭＳ２２１に送信される。なお、本実施形態では、マスタ・コントローラ２２０により行われた指令を、ＴＣＭＳ２２１を介して取得する例について説明するが、このような構成に制限するものではなく、マスタ・コントローラ２２０により行われた指令を、マイコン制御器２１１が直接取得しても良い。

パンタグラフ２２２は、架線から鉄道車両１に対して電力を供給する。フィルタリアクトル２２３は、パンタグラフ２２２と、インバータ主回路装置２１５の一端と、を接続する。

パンタグラフ２２２を介して架線から給電される１５００Ｖの直流電力（ＤＣ）は、インバータ主回路装置２１５又は補助電源装置２０７に供給される。そして、インバータ主回路装置２１５を介することで、主電動機２１６、圧縮機２０１Ａ、２０１Ｂ等には、三相交流が提供される。

マイコン制御器２１１は、空調システム２６０を制御する。マイコン制御器２１１は、取得部２９１と、制御部２９２と、を備え、室内温度センサ２０９から入力される鉄道車両１内の温度・湿度と、室外温度センサ２１０から入力される鉄道車両１外の温度・湿度と、ＴＣＭＳ２２１から入力される鉄道車両１の移動状態と、に従って、設定温度及び運転モードを決定し、空調システム２６０を制御する。

取得部２９１は、ＴＣＭＳ２２１から、鉄道車両１の移動状態を取得する。取得する移動状態には、鉄道車両１が力行しているか否か、鉄道車両１が回生ブレーキにより減速しているか否か、鉄道車両１が惰行しているか否か、及び鉄道車両１が停止しているか否かを示す情報が含まれている。さらに、移動状態には、鉄道車両１と駅舎ホーム１０との間の相対的な位置関係を示す情報が含まれている。当該位置関係により、回生ブレーキで減速を行うタイミングを認識できる。

また、取得部２９１は、マスタ・コントローラ２２０により行われた様々な指令を、ＴＣＭＳ２２１を介して取得する。

さらに、取得部２９１は、室内温度センサ２０９から入力される鉄道車両１内の温度・湿度と、室外温度センサ２１０から入力される鉄道車両１外の温度・湿度と、を取得する。

制御部２９２は、取得部２９１が取得した鉄道車両１の移動状態で、鉄道車両１が回生ブレーキで減速を行っていると判断される間は減速を行う前よりも強く冷房又は暖房運転（本実施形態では最大周波数で冷房又は暖房運転）を行い、減速の後で鉄道車両１が停止していると判断される間も冷房又は暖房運転を行う。さらに、制御部２９２は、取得部２９１が取得した鉄道車両１の移動状態で、停止の後、鉄道車両１が力行していると判断される間に、冷房及び暖房運転を停止し、鉄道車両内で送風運転を行う。

また、取得部２９１が、マスタ・コントローラ２２０から、鉄道車両１の位置情報を取得しても良い。そして、制御部２９２が、鉄道車両１と駅との間の距離関係に基づいて、様々な空調制御を行っても良い。

図３は、本実施形態にかかる制御部２９２が鉄道車両１の移動状態に応じた制御例を示した図である。図３に示されるように、鉄道車両１は、時間の遷移に応じて惰行区間３０１、回生ブレーキによる減速区間３０２、停止区間３０３、及び力行区間３０４と変化する。図３に示す例では、２４０秒以上の惰行が続いた後（惰行区間３０１）、９０ｋｍ／ｈから停車までの回生ブレーキによる減速が（約）４５秒間行われ（減速区間３０２）、（約）３０秒停止した後（停止区間３０３）、力行を（約）７０秒行うこと（力行区間３０４）で０ｋｍ/ｈ→１００ｋｍ／ｈまで速度を上昇させている。なお、時間と速度は、図３に示す例に限定するものではなく、実際の運用に応じて異なる。なお、図３に示す例は、夏期で空調として冷房制御を行う場合について説明するが、冬期に暖房制御行う場合も同様の制御が行われるものとして、説明を省略する。

図３に示す例では、惰行区間３０１が終了する１５秒前に、マイコン制御器２１１の制御部２９２が、圧縮機２０１Ａ、２０１Ｂに対して、現在行われている運転を維持させる圧縮機運転固定制御３１１を行う。つまり、本実施形態では、惰行区間が終了する前に、現在行われている温調制御のＯＮ／ＯＦＦ状態を保持させることで、回生ブレーキによる減速が開始された時に、冷房又は暖房の強制運転を指示した際に、圧縮機２０１Ａ、２０１が指示に応じた運転が可能になるよう、換言すれば圧縮機２０１Ａ、２０１が停止して背圧起動が生じることですぐに強制運転ができないことを抑止することとした。

また、制御部２９２は、鉄道車両１の路線は予め定められているため、回生ブレーキによる減速が行われる地点（タイミング）も予め定められている。ＴＣＭＳ２２１から送信される鉄道車両１の移動状態にも、回生ブレーキがかけられるタイミングが含まれている。このため、制御部２９２は、ＴＣＭＳ２２１から送信される鉄道車両１の移動状態に基づいて、回生ブレーキをかける位置（時刻）を認識し、その１５秒前に圧縮機運転固定制御３１１を行う。このような圧縮機の運転制限をかけることで、スムーズな空調制御の移行と圧縮機の保護が可能となる。なお、回生ブレーキが行われる位置（時間）は、路線で固定されるため、空調制御の切り替えを容易且つ低コストで実現できる。

そして、制御部２９２は、取得部２９１が取得した移動状態により、鉄道車両１が回生ブレーキによる減速を開始したことを認識した場合に、鉄道車両１の車内温湿度による空調制御を中断し、圧縮機２０１Ａ、２０１Ｂに対して、強制冷房「強」指令３１２を行う。さらには、制御部２９２は、圧縮機２０１Ａ、２０１Ｂが最大周波数で動作するように指令を行う。本実施形態では最大周波数が１１５Ｈｚの例とする。つまり、回生ブレーキで生じた回生エネルギを、強制冷房で使用する制御を行う。

さらに、制御部２９２は、取得部２９１が取得した移動状態により、鉄道車両１が停止したことを認識した場合に、強制冷房「強」指令３１３を行う。ただし、回生ブレーキによる減速時と比べて騒音値を抑えた周波数（例えば、５０Ｈｚ）で動作するように指令を行う。

さらに、制御部２９２は、取得部２９１が取得した移動状態により、鉄道車両１が発車して一定速度に移るまでの力行が行われることを認識した場合に、圧縮機２０１Ａ、２０１Ｂの運転を停止させて、鉄道車両１の全車両に送風を行う強制送風指令３１４を行う。つまり、送風制御は最も消費電力の少ないため、力行で消費電力が必要な区間において、空調による消費電力を抑えることができる。

また、本実施形態では、強制冷房「強」指令３１２、強制冷房「強」指令３１３、及び強制送風指令３１４が行われる間は、回生エネルギ優先モード３２１が設定され、室内温度センサ２０９に基づいた空調制御は抑止される。そして、惰行が行われている区間では、回生エネルギ優先モードがオフになり、室内温度センサ２０９に基づいた空調制御、換言すれば温調モードによる制御が行われる。

つまり、本実施形態では、回生エネルギが生じる減速区間３０２及び停止区間３０３では、強制的に冷房を行うことで積極的にエネルギを消費し、力行区間３０４では、送風制御を行うことで、車内の温度を保ちつつ、車両全体の消費電力を低コストで抑え、電力貯蔵媒体２１４の過充電を緩和できるようにした。

本実施形態は、電力貯蔵媒体２１４の容量を大きくせずとも、従来は大気中へ熱として放出していたエネルギの一部を、空調装置圧縮機の強制運転による消費に振り向けることができるので、省エネルギ化を実現できる。

本実施形態では、停車中は周波数を抑える例について説明したが、鉄道車両１の車内の温度に応じて周波数を異ならせる制御を行っても良い。図４は、変形例による制御部２９２による空調制御を示した図である。図４に示されるように、惰行区間では、室内温度センサ２０９に基づいた空調制御が行われている。このため、惰行区間では、車内の気温に応じて、冷房又は暖房の“弱”指令、冷房又は暖房の“中”指令、冷房又は暖房の“強”指令、冷房及び暖房を使用しない“送風”指令が行われている。

惰行区間で“弱”指令、“中”指令、及び“送風”の場合には、減速区間、停車区間、力行区間で第１の実施形態と同様の制御が行われるが、惰行区間が“強”指令の場合、停車区間においても、最大周波数で“強”指令が行われることとした。つまり、惰行区間で “強”指令が行われている場合、温度を下げる又は上げる必要がある状況と考えられる。そこで、停車区間においても最大周波数で“強”指令で制御を行うこととした。これにより、車内の温度に応じた制御を実現できる。

次に、本実施形態にかかるマイコン制御器２１１における、空調制御の全体的な処理について説明する。図５は、本実施形態にかかるマイコン制御器２１１における上述した処理の手順を示すフローチャートである。図５に示される例では、鉄道車両１が惰行しており、すでに室内温度センサ２０９に基づいた空調制御が行われているものとする。

そして、マイコン制御器２１１の制御部２９２は、取得部２９１が取得した移動状態で、回生が開始される１５秒前か否かを判定する（ステップＳ５０１）。１５秒前でないと判定された場合（ステップＳ５０１：Ｎｏ）、室内温度センサ２０９に基づいた空調制御を継続して行い、再びステップＳ５０１を行う。

制御部２９２が、回生が開始される１５秒前と判定した場合（ステップＳ５０１：Ｙｅｓ）、圧縮機２０１Ａ、２０１Ｂの運転状態を固定させる（ステップＳ５０２）。その後、制御部２９２は、取得部２９１が取得した移動状態で、ＴＣＭＳ２２１で回生指令（回生ブレーキによる減速指令）が行われたか否かを判定する（ステップＳ５０２）。回生指令が行われていないと判定された場合（ステップＳ５０３：Ｎｏ）、再びステップＳ５０２から処理を行う。

一方、制御部２９２は、ＴＣＭＳ２２１で回生指令（回生ブレーキによる減速指令）が行われたと判定した場合（ステップＳ５０３：Ｙｅｓ）、圧縮機２０１Ａ、２０１Ｂに対して強制的に最大周波数で、冷房又は暖房を行うように運転制御を行う（ステップＳ５０４）。これにより回生エネルギの消費が行われる。

その後、制御部２９２は、取得部２９１が取得した移動状態で、鉄道車両１が停車したか否かを判定する（ステップＳ５０５）。停車していないと判定した場合（ステップＳ５０５：Ｎｏ）、再びステップＳ５０４の処理が行われる。

一方、制御部２９２は、鉄道車両１が停車したと判定した場合（ステップＳ５０５：Ｙｅｓ）、強制的に固定周波数（例えば５０Ｈｚ）で冷房又は暖房を行うように運転制御を行う（ステップＳ５０６）。

その後、制御部２９２は、取得部２９１が取得した移動状態で、ＴＣＭＳ２２１で力行指令が行われたか否かを判定する（ステップＳ５０７）。力行指令がないと判定した場合（ステップＳ５０７：Ｎｏ）、ステップＳ５０６による固定周波数による運転制御が継続して行われる。

一方、制御部２９２は、ＴＣＭＳ２２１で力行指令が行われと判定した場合（ステップＳ５０７：Ｙｅｓ）、全車送風運転を行う（ステップＳ５０８）。

その後、制御部２９２は、取得部２９１が取得した移動状態で、力行終了の指令が行われたか否かを判定する（ステップＳ５０９）。力行終了の指令がないと判定した場合（ステップＳ５０９：Ｎｏ）、ステップＳ５０８による全車送風運転が継続して行われる。

一方、制御部２９２は、取得部２９１が取得した移動状態で、力行終了の指令が行われたと判定した場合（ステップＳ５０９：Ｙｅｓ）、室内温度センサ２０９に基づいた空調制御が行われる（ステップＳ５１０）。その後、再びステップＳ５０１から処理を行う。

本実施形態では、通常の通勤・近郊車両では力行区間は１〜２分の間で、回生ブレーキによる減速区間もほぼ同じ時間で、運行時間の多くは惰行区間である。このため、本実施形態では、上述した制御を行った場合に、車内温度への影響は小さく従来と同程度の快適性を維持できる。さらに、停車中にも強制運転を継続しているので、従来と比べて、ドアが開いていることによる熱負荷流入で変動していた温度の変化幅を小さくできる。さらには、体感上も乗車客は良く冷えた車内へ入り、そのあと送風強で汗を鎮める制御となるため乗客の体感要請に合致させることができる。

さらに、本実施形態では、回生ブレーキが終了して駅で停車した際に、鉄道車両１から発生する騒音は減少するが、それに合わせて圧縮機２０１Ａ、２０１Ｂの制御を最大周波数から、低い周波数に波数（例えば５０Ｈｚ）に変更することで、駅舎や乗客に対する騒音の影響を抑えることができる。

さらに、本実施形態では、力行時に全車の強制的に送風制御を行うことで、消費電力が抑えることができるので、変電所が負担するピーク電流を抑え、平準化を促進できる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態では、回生ブレーキが行われる減速区間で強制的に冷房又は暖房を行う例について説明した。このように、減速区間で強制的に冷房又は暖房を行う場合、駅の間隔が短い場合には、強制的に冷房又は暖房が行われる時間が相対的に長くなるため、車内を適切な温度で維持できない可能性がある。そこで、第２の実施形態では、駅間の距離に応じて、空調制御を異ならせる例について説明する。

図６は、本実施形態にかかるマイコン制御器２１１における、空調制御例を示した図である。図６に示される例では、駅間隔の違いに応じて、惰行区間６０１、６０２、６０３が異なるものとする。本実施形態では、制御部２９２が、惰行区間の開始時には、温調モードとして、室内温度センサ２０９に基づいた空調制御が行われる。そして、惰行区間で１００秒経過した後に、温度の補正制御を行うこととした。これにより、例えば、惰行区間６０２の補正区間６１２よりも、惰行区間６０３の補正区間６１３の方が長くなる。

補正区間（例えば補正区間６１１、６１２、６１３）において、制御部２９２は、鉄道車両１が回生ブレーキで減速を行っている時間（以下、減速時間とも称す）の、鉄道車両１が惰性で走行を行っている時間（以下、惰行時間とも称す）に対する比率が大きくなるに従って、冷房又は暖房運転を弱くする制御を行うこととした。なお、本実施形態では、惰行区間で１００秒経過後に温度の補正制御を行う例について説明するが、１００秒経過後に限定するものではなく、鉄道車両１が惰性で走行を行っている間に補正が行われれば良い。

図７は、本実施形態にかかる制御部２９２の温度の補正制御を行うための補正係数βの対応テーブルの例を示した図である。図７に示される例では、鉄道種別例と、比率（ｔ２／ｔ１）と、補正係数βとを対応付けている。図７に示される比率は、惰行時間（ｔ１）に対する、減速時間（ｔ２）の割合を示している。補正係数βは、惰行区間で１００秒経過後に、室内温度センサ２０９に基づいて導出された空調を運転させる周波数に対して乗算する補正係数とする。なお、本実施形態は、温度の補正制御に用いる比率を、惰行時間に対する、減速時間に制限するものではなく、例えば、惰行時間に対する、減速時間及び停止時間の和を用いても良い。

例えば、特急車両等になると惰行区間が長くなるため、比率（ｔ２／ｔ１）が小さく（０．０５以下）となる場合に、補正係数βが１．０と大きい値が設定される。一方、地下鉄・新交通では、惰行区間が短くなるため、比率（ｔ２／ｔ１）が大きく（例えば０．５）以上となるので（換言すれば、強制的に空調を行う時間の割合が大きいので）、補正係数βが０と小さい値が設定される。このように、本実施形態では、比率（ｔ２／ｔ１）に応じた補正係数βが設定される。

さらには、本実施形態の制御部２９２は、空調負荷の状況判断に応じて、空調の補正制御も行う。図８は、本実施形態にかかる制御部２９２の温度の補正制御を行うための補正係数αの対応テーブルの例を示した図である。図８に示される例では、惰行区間で１００秒経過した時点での空調の出力周波数と、補正係数αとが示されている。本実施形態では、図８に示される対応テーブルを参照して、１００秒経過した時点での出力周波数に応じて補正係数αが設定される。これにより、空調制御が強く稼働している場合には、継続して高い周波数で稼働し、空調制御があまり稼働していない場合には、より低い周波数で稼働するように制御が行われる。これにより、例えば、鉄道車両１に人が多く乗車しており、強めに空調制御が働いている場合には、継続して強めの空調制御が行われるため、快適性を確保できる。

そして、制御部２９２は、上述した補正係数α、βに基づいて、惰行区間で１００秒経過した後の空調制御を行うための修正運転周波数ｆを下記の式（１）で導き出す。ｆ₀は、室内温度センサ２０９に基づいて導出された空調を運転させる周波数とする。
ｆ＝α×β×ｆ₀…（１）

これにより、図６の補正区間６１１、６１２、６１３において補正が行われなかった場合に、周波数６２１、６２２、６２３で空調制御が行われるはずだったが、実際には、式（１）で導出された修正運転周波数６３１、６３２、６３３による運転が行われることになる。これにより、補正が行われなかった場合の鉄道車両１の温度遷移６４１が、鉄道車両１の温度遷移６４２に補正される。なお、Ｔｓは、空調制御のための基準となる温度とする。

次に、本実施形態にかかるマイコン制御器２１１における、空調制御の全体的な処理について説明する。図９は、本実施形態にかかるマイコン制御器２１１における上述した処理の手順を示すフローチャートである。図９に示される例では、鉄道車両１が惰行しており、すでに室内温度センサ２０９に基づいた空調制御が行われているものとする。なお、惰行回数ｎの初期値は‘１’とする。

そして、マイコン制御器２１１の制御部２９２は、惰行開始から１００秒後に、今回の惰行回数ｎが‘４’回目より大きいか否かを判定する（ステップＳ９０１）。惰行回数ｎが‘４’回目以下と判定した場合（ステップＳ９０１：Ｎｏ）、制御部２９２は、補正係数αに‘１’を代入し、補正係数βにも‘１’を代入する（ステップＳ９０２）。

一方、制御部２９２は、今回の惰行回数ｎが‘４’回目より大きいと判定した場合（ステップＳ９０１：Ｙｅｓ）、過去４回の惰行時間の平均値ｔ１を算出する（ステップＳ９０３）。次に、制御部２９２は、過去４回の回生ブレーキによる減速時間の平均値ｔ２を算出する（ステップＳ９０４）。そして、制御部２９２は、比率（ｔ２／ｔ１）と、図７に示したテーブルから補正係数βを算出する（ステップＳ９０５）。

そして、制御部２９２は、過去４回の惰行で１００秒経過後に、室内温度センサ２０９に基づいて導出された周波数の平均値に基づいて、補正係数αを算出する（ステップＳ９０６）。

さらに、制御部２９２は、惰行開始から１００秒後の周波数ｆ₀を算出する（ステップＳ９０７）。そして、制御部２９２は、修正運転周波数ｆ＝α×β×ｆ₀を算出する（ステップＳ９０８）。

そして、制御部２９２は、修正運転周波数ｆに従って、運転指令を行う（ステップＳ９０９）。その後、制御部２９２は、取得部２９１が取得した移動状態で、回生が開始される１５秒前か否かを判定する（ステップＳ９１０）。１５秒前でないと判定された場合（ステップＳ９１０：Ｎｏ）、ステップＳ９０９による運転指令を継続する。

制御部２９２が、回生が開始される１５秒前と判定した場合（ステップＳ９１０：Ｙｅｓ）、圧縮機２０１Ａ、２０１Ｂの運転状態を固定させる（ステップＳ９１１）。その後、図５のステップＳ５０３〜５１０と同様の処理手順で空調制御が行われる（ステップＳ９１２〜Ｓ９１９）。その後、制御部２９２は、惰行回数ｎに１増加させた後（ステップＳ９２０）、再びステップＳ９０１から処理を行う。

上述した処理手順により、第１の実施形態の効果に加えて、惰行時間の長さに応じた空調制御が可能となる。

つまり、第１の実施形態の処理では、惰行が２４０秒以上の郊外の近郊電車では効果的な制御が行われるが、地下鉄のような、駅間距離が極めて短い上に、駅に空調制御冷房が完備している状況では、空調制御による効果が強すぎることも考えられる。そこで、第２の実施形態のように、回生ブレーキによる減速時間と停車時間との和ｔ２と惰行時間ｔ１の比率による補正係数βと、力行終了後約１００秒後の空調負荷に基づいた補正係数αと、を用いた空調制御を行うことで、惰行運転後半の温調運転を意識的に車内温度が設定値よりも負荷優勢側へ外れるようにし、定期的に繰り返される強制空調制御（例えば、暖房、又は冷房）が基準温度Ｔｓに応じた空調制御における外乱とならないようにすることができる。なお、図９で示す処理手順では、空調負荷の大きさや路線の特徴（駅間が短いか否かを）を把握するために、惰行回数４回分の平均をとる例について説明したが、４回に制限するものではなく５回以上でも良いし、３回以下でも良い。また、１回分でも良い。

本実施形態は、回生ブレーキによる減速時に行われる強制的な空調の運転が外乱として影響することを緩和するため、室内温度センサ２０９に基づいて導出された周波数に対して、上述した補正係数α、βで一定のバイアスをかけることとした。これにより、総合的回生エネルギを空調負荷として使用すると共に、適切な空調制御を実現できる。

本実施形態では、回生を行う区間の比率が大きい地下鉄の空調などでも車内温度への影響を抑止できる。

さらに、本実施形態では、力行終了後のある時点で空調制御の大きさを周波数に基づいて判断し、惰行運転の後半に強制空調の悪影響が出ないよう補正を行うことで、冷え過ぎや暖め過ぎを抑止できる。

さらに、本実施形態は、補正を行う際にパラメータとして時間（例えば、惰行時間、停車時間、減速時間）及び（室内温度センサ２０９に基づいて導出される）周波数のみ用いて、離散的に処理できるため、簡単且つ低コストに補正処理を実現できる。

さらに、本実施形態は、取得部２９１が取得する鉄道車両１の移動状態や、鉄道車両１の位置、さらにはマスタ・コントローラ２２０による運転指令に基づいて、空調制御に補正をかけるため、車両形態や路線（駅間距離）の違いにかかわらず快適で省エネルギな空調運転を実現できる。

（第３の実施形態）
第２の実施形態では、空調制御の補正により、駅間の距離に応じて強制運転の影響を弱めることができる制御を実現した。しかしながら、強制的な空調制御として、暖房又は冷房を行うことで、例えば端境期や乗客数が少ない時に「寒すぎる」とか「暑すぎる」といった問題が生じる可能性がある。そこで、第３の実施形態では、鉄道車両１の車内温度と湿度に基づいて、強制的な空調制御を調整する例について説明する。なお、本実施形態では、鉄道車両１に複数の圧縮機２０１Ａ、２０１Ｂが搭載されている必要がある。

本実施形態の取得部２９１は、第１の実施形態で行う処理の他に、鉄道車両１内の気温と、車外の湿度とを取得する。

制御部２９２は、鉄道車両１内の気温と基準温度Ｔｓとの差が予め定められた閾値より大きい場合に、複数の圧縮機２０１Ａ、２０１Ｂを共に冷房又は暖房運転を行うよう制御し、閾値以内の場合に、複数の圧縮機２０１Ａ、２０１Ｂのうちいずれか一方を冷房運転し、他方を暖房運転するよう制御を行う。さらに、制御部２９２は、車外の湿度を考慮して、圧縮機２０１Ａ、２０１Ｂの制御を行う。

本実施形態の制御部２９２は、予め定められた条件に基づいて、複数の圧縮機２０１Ａ、２０１Ｂを制御する。図１０は、本実施形態の制御部２９２による圧縮機２０１Ａ、２０１Ｂを制御する条件の例を示した図である。図１０は、夏期（４月から９月）の場合の条件例であり、季節に応じて異なる条件が設定される。

図１０に示されるように、車外の湿度と、惰行を開始してから１００秒後の車内温度Ｔと基準温度Ｔｓとの差と、の組み合わせに基づいて、圧縮機２０１Ａ、２０１Ｂに対する指令を決定する。

図１０に示されるように、惰行が開始してから１００秒後に、現在の鉄道車両１の車内温度Ｔから基準温度Ｔｓを引いた値が５℃以上で湿度が８５％以下の場合に、２つの圧縮機２０１Ａ、２０１Ｂで強制冷房運転（例えば、第１の圧縮機２０１Ａ：冷１１５Ｈｚ、第２の圧縮機２０１Ｂ：冷１１５Ｈｚ）を行い、それ以外の場合には、２つの圧縮機２０１Ａ、２０１Ｂのうち１つを冷房制御し、もう１つを暖房モードとした「除湿」の強制運転を行うことで、車内温度への影響が少なく、またドアが開いたり乗降客の移動で一時的に高まる湿度を抑止できる。

本実施形態では、強制的に温度を低下や上昇させたくない場合に、除湿を行うこととした。除湿でも２台の圧縮機２０１Ａ、２０１Ｂは強で運転（例えば、第１の圧縮機２０１Ａ：冷１１５Ｈｚ、第２の圧縮機２０１Ｂ：暖１１５Ｈｚ）させるため、季節に拘わらず、回生ブレーキによる減速区間で、全車両消費電力の大きい運転ができる。これにより、電力貯蔵媒体２１４の過充電の問題を緩和できる。

さらには、図１０に示されるように、２つの圧縮機２０１Ａ、２０１Ｂのうち１つを冷房制御し、もう１つを暖房モードとして「除湿」を行う際に、周波数を異ならせることで、冷え気味強（例えば、第１の圧縮機２０１Ａ：冷１１５Ｈｚ、第２の圧縮機２０１Ｂ：暖９０Ｈｚ）にしたり、暖気味強（例えば、第１の圧縮機２０１Ａ：冷９０Ｈｚ、第２の圧縮機２０１Ｂ：暖１１５０Ｈｚ）にしたりすることができる。

本実施形態によれば、強制運転を行う区間で、車内温度・車外湿度により除湿としたので、室内温度をあまり変化させたくない場合に、強制空調を行ったとしても、車内温度への影響を抑止できる。さらに、ドアを開いたり、乗降客の移動で一時的に湿度が高まる傾向があるが、当該湿度の上昇を抑えることができる。

さらに、除湿制御は、温度変化は少ないものの、強運転で消費電力が大きいため、回生エネルギを有効に利用できるため、季節を問わずに、回生ブレーキによる減速区間で消費電力の大きくすることができる。これにより、電力貯蔵器の過充電を抑止できる。

上述した実施形態によれば、蓄電量を大きくすることで鉄道車両１の重量を増加させるのではなく、上述した制御を行うことで、通常の除湿機能付き空調装置をそのまま使い、電力貯蔵媒体２１４の過充電を抑止しつつ、車内の温湿度環境を快適に維持し、且つ省エネルギに大きく寄与することが可能となる。

上述した実施形態では、鉄道車両１の移動状態に従って、空調制御を行うことで、鉄道車両１の走行に使用するエネルギの時間的変動と無関係だった空調の消費電力を、移動状態に従って調整可能としたことで、鉄道車両１のピーク消費電力を抑えることを可能とした。これにより、変電所設備の小型化を図ることが可能となるとともに、社会全体の要請である消費電力の平滑化に貢献できる。

さらに、上述した実施形態では、大掛かりな電力貯蔵装置を追加せずとも、現在使用されている空調制御装置のソフトウェアを更新するだけで、電力貯蔵器の過充電の問題を緩和できる。これにより、低コストで消費電力の低減を実現できる。

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…鉄道車両、１０…駅舎ホーム、２０１Ａ、２０１Ｂ…圧縮機、２０２Ａ，２０２Ｂ…四方弁、２０３Ａ，２０３Ｂ…室内熱交換器、２０４Ａ，２０４Ｂ…室外熱交換器、２０５…室内送風機、２０６…室外送風機、２０７…補助電源装置、２０８…空調インバータ、２０９…室内温度センサ、２１０…室外温度センサ、２１１…マイコン制御器、２１２…補助リレー、２１４…電力貯蔵媒体、２１５…インバータ主回路装置、２１６…主電動機、２１７…接触器、２２０…マスタ・コントローラ、２２１…ＴＣＭＳ、２２２…パンタグラフ、２２３…フィルタリアクトル、２３１…レール、２９１…取得部、２９２…制御部。

Claims (4)

1. 鉄道車両の移動状態を取得する取得部と、
   前記取得部が取得した前記鉄道車両の移動状態で、前記鉄道車両が回生ブレーキで減速を行っていると判断される間は減速を行う前よりも強く冷房又は暖房運転を行うとともに、当該減速の後で前記鉄道車両が停止していると判断される間も冷房又は暖房運転を行い、前記停止の後で前記鉄道車両が力行していると判断される間に、冷房及び暖房運転を停止し、前記鉄道車両内で送風運転を行い、前記鉄道車両が回生ブレーキで減速を行っている時間と前記鉄道車両が惰性で走行を行っている時間との比率が大きくなるに従って、前記鉄道車両が惰性で走行を行っている間の冷房又は暖房運転を弱くする制御を行う制御部と、
   を備える車両空調制御装置。
2. 前記制御部は、前記鉄道車両が前記停止していると判断される間について、前記鉄道車両が回生ブレーキで減速を行っていると判断される間と比べて運転周波数を抑えて冷房又は暖房運転を行う、
   請求項１に記載の車両空調制御装置。
3. 前記制御部は、前記鉄道車両が回生ブレーキで減速を開始する、所定の時間前から減速を開始する時間まで、冷房又は暖房運転を行う圧縮機の運転を固定するよう制御する、
   請求項１又は２に記載の車両空調制御装置。
4. 前記取得部は、さらに前記鉄道車両内の気温を取得し、
   前記鉄道車両に複数の圧縮機を備えている場合に、前記制御部は、前記鉄道車両内の前記気温と所定の温度との差が予め定められた閾値より大きい場合に、前記複数の圧縮機を共に冷房又は暖房運転を行うよう制御し、前記閾値以内の場合に、前記複数の圧縮機のうちいずれか一方を冷房運転し、他方を暖房運転するよう制御を行う、
   請求項１乃至３のいずれか１つに記載の車両空調制御装置。

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