JP7622258B2 - Railroad vehicle drive system and driving method for railroad vehicle drive system - Google Patents
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Description
本発明は、鉄道車両用駆動システムおよび鉄道車両用駆動システムの駆動方法に関する。 The present invention relates to a drive system for a railway vehicle and a drive method for a railway vehicle drive system.
特許文献１には、以下の技術が開示されている。エンジンの駆動によって発電機で発電された電力が、コンバータ、インバータを介してモータに出力されてモータ駆動を行い、コンバータとインバータとを共通に冷却する冷却装置の冷却水温度が過度に上昇したときに、その温度に応じてコンバータとインバータの合計電力を減少して発熱を抑え、その際に電力の減少はまずコンバータから行う。これによって、インバータ単独の発熱に応じて冷却装置の冷却能力を設定すれば、インバータとコンバータが過熱になることを防止するものである。
また、特許文献２には、蓄電池電車に搭載されたコンバータとインバータとを、共通化した冷却器により冷却する構成が示されている。Furthermore,
本発明の発明者が、ハイブリッド鉄道車両の鉄道車両用駆動システムにおける温度低減について鋭意検討した結果、次の知見を得るに至った。
特許文献１に記載の技術では、冷却水温が過度に上昇した時に電力変換装置の出力を制限するため、電力変換装置の温度上昇は抑制できるものの、発車時における蓄電装置の充電量が十分に回復できない可能性があるという問題、電力変換装置の出力を制限することで運転ダイヤを満足しない可能性があるという問題、があった。
The inventors of the present invention have conducted extensive research into temperature reduction in railway vehicle drive systems for hybrid railway vehicles and have come to the following findings.
The technology described in
そこで、本発明では、ハイブリッド車両の駆動用電力変換装置の温度上昇を低減し、省エネルギーでかつ安定した運行を実現するハイブリッド車両の技術を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention aims to provide hybrid vehicle technology that reduces the temperature rise in the driving power conversion device of a hybrid vehicle and achieves energy-saving and stable operation.
上記の課題を解決するために、代表的な本発明の鉄道車両用駆動システムの一つは、内燃機関と、発電機の電力を制御する第一の電力変換装置と、第一の電力変換装置の直流部に接続される蓄電装置と、第一の電力変換装置の出力電力および蓄電装置の出力電力を制御して電動機を駆動する第二の電力変換装置と、第一の電力変換装置および第二の電力変換装置の温度を検出する温度検出器と、少なくとも第一の電力変換装置、第二の電力変換装置、蓄電装置および内燃機関を制御する制御装置とを備え、制御装置は、蓄電装置の充電量が第一の閾値未満の状態で、温度検出器が検出した第一の電力変換装置の温度または第一の電力変換装置および第二の電力変換部の温度が第二の閾値以上に上昇した場合に、内燃機関の少なくとも出力および回転数のいずれかを増加させて内燃機関の動作点を変更するものである。In order to solve the above problems, one representative railway vehicle drive system of the present invention comprises an internal combustion engine, a first power conversion device that controls the power of a generator, a storage device connected to the DC section of the first power conversion device, a second power conversion device that controls the output power of the first power conversion device and the output power of the storage device to drive an electric motor, a temperature detector that detects the temperatures of the first power conversion device and the second power conversion device, and a control device that controls at least the first power conversion device, the second power conversion device, the storage device, and the internal combustion engine, and the control device increases at least one of the output and rotation speed of the internal combustion engine to change the operating point of the internal combustion engine when the temperature of the first power conversion device or the temperature of the first power conversion device and the second power conversion section detected by the temperature detector rises to or above a second threshold when the charge amount of the storage device is less than a first threshold.
本発明によれば、蓄電装置の充電状態および電力変換装置の温度に基づいて、内燃機関の動作点が制御され、内燃機関を動力とする発電が必要な状況で、電力変換装置の温度上昇が一定値を超過すると、効率の良い動作点で発電を行うように制御される。 According to the present invention, the operating point of the internal combustion engine is controlled based on the state of charge of the storage device and the temperature of the power conversion device, and when power generation powered by the internal combustion engine is required and the temperature rise of the power conversion device exceeds a certain value, power generation is controlled to be performed at the most efficient operating point.
これにより、エンジン効率の向上、電力変換効率の向上、動作時間の短縮が可能となり、電力変換装置の温度上昇が抑制される。したがって、本発明によれば、より省エネルギーでかつ走行不能リスクを低減したハイブリッド車両の走行を可能にすることができる。
また、上記した以外の課題、構成および効果は、以下の発明を実施するための形態における説明により明らかにされる。
This makes it possible to improve engine efficiency, improve power conversion efficiency, and shorten operation time, thereby suppressing temperature rise in the power conversion device. Therefore, according to the present invention, it is possible to make it possible to run a hybrid vehicle with more energy savings and reduced risk of being unable to run.
Furthermore, problems, configurations and effects other than those described above will become apparent from the following description of the preferred embodiment of the invention.
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態として実施例について説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付して示している。 Below, examples will be described as a form for carrying out the present invention with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to these examples. In addition, in the description of the drawings, the same parts are indicated by the same reference numerals.
図１は、実施例に係るハイブリッド鉄道車両用の駆動システムの構成を示す図である。
ハイブリッド鉄道車両用の駆動システムは、鉄道車両用の電動機を駆動制御するためのシステムである。図１に示すように、主に、電動機４、内燃機関２、発電機１、蓄電装置８、電力変換装置（コンバータ）３、電力変換装置（インバータ）５および制御装置９から構成される。
FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a drive system for a hybrid railway vehicle according to an embodiment of the present invention.
The hybrid railway vehicle drive system is a system for controlling the drive of a railway vehicle electric motor, and is mainly composed of an
電動機４は、発電機１および蓄電装置８から供給されるエネルギーを、電力変換装置（インバータ）５で電力制御を行うことで駆動力を発生する。また、電動機４は、車両の制動時に発電機動作を行うことで、車両の運動エネルギーや位置エネルギーを電気エネルギーへと変換し、電力変換装置（インバータ）５へ出力する。The
電力変換装置（インバータ）５は、制御装置９からの指令信号に基づいて、少なくとも電力変換装置（コンバータ）３および蓄電装置８のいずれかからの直流電力を、三相交流電力に変換して電動機４に出力する。Based on a command signal from the
また、電力変換装置（インバータ）５は、車両の制動時に、制御装置９からの指令信号に基づいて、電動機４から発電された電力を変換し、蓄電装置８に出力する。
In addition, when the vehicle is braking, the power conversion device (inverter) 5 converts the electricity generated by the
電力変換装置（インバータ）５は、例えば、パワー半導体を用いたスイッチング素子を含む三相インバータによって構成され、また、２レベルや３レベルの電圧を出力する構成が考えられる。電力変換装置（インバータ）５のスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ制御としては、例えば、ＰＷＭ制御や同期パルス制御などが考えられる。The power conversion device (inverter) 5 is, for example, a three-phase inverter including switching elements using power semiconductors, and may be configured to output two or three levels of voltage. The ON/OFF control of the switching elements of the power conversion device (inverter) 5 may be, for example, PWM control or synchronous pulse control.
更に、電力変換装置（インバータ）５は、素子や周辺機器の寿命の観点から、温度の上限値が設定され、過温度状態に至らないように保護制御される。 Furthermore, the power conversion device (inverter) 5 has an upper temperature limit set in consideration of the life span of the elements and peripheral equipment, and is protected and controlled to prevent overheating.
発電機１は、内燃機関２によって得られる動力を、電気エネルギーに変換し、電力変換装置（コンバータ）３に出力するものである。
The
電力変換装置（コンバータ）３は、発電機によって発電された三相交流電力を直流電力に変換するものである。電力変換装置（コンバータ）３が出力する直流電力により、電力変換装置（インバータ）５への電力供給や、蓄電装置８の充電動作が行われる。The power conversion device (converter) 3 converts the three-phase AC power generated by the generator into DC power. The DC power output by the power conversion device (converter) 3 is used to supply power to the power conversion device (inverter) 5 and to charge the
また、電力変換装置（コンバータ）３は、例えば、パワー半導体を用いたスイッチング素子を含むコンバータによって構成され、また、２レベルや３レベルの電圧を出力する構成が考えられる。電力変換装置（コンバータ）３のスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ制御としては、例えば、ＰＷＭ制御や同期パルス制御などが考えられる。The power conversion device (converter) 3 may be configured, for example, by a converter including a switching element using a power semiconductor, and may be configured to output two or three levels of voltage. The ON/OFF control of the switching element of the power conversion device (converter) 3 may be, for example, PWM control or synchronous pulse control.
更に、電力変換装置（コンバータ）３は、素子や周辺機器の寿命の観点から、温度の上限値が設定され、過温度状態に至らないように保護制御される。 Furthermore, the power conversion device (converter) 3 has an upper temperature limit set from the viewpoint of the life span of the elements and peripheral equipment, and is protected and controlled to prevent overheating.
蓄電装置８は、再充電可能な直流電源であり、例えば、リチウムイオン電池等の二次電池によって構成される。蓄電装置８は、電力変換装置（コンバータ）３および電力変換装置（インバータ）５の直流部に接続され、発電機１や電動機４の発電時に、電力変換装置（コンバータ）３または電力変換装置（インバータ）５を介して充電される。The
また、蓄電装置８は、走行時には、電力変換装置（インバータ）５へ電力を供給し、制動時には、電動機４を電気ブレーキとして用いることで発電される回生電力によって充電される。
In addition, the
ここで、蓄電装置８は、直流電力変換装置（チョッパ）を介して、電力変換装置（コンバータ）３および電力変換装置（インバータ）５に共通の直流部に接続してもよい。Here, the
更に、蓄電装置８の充電量（ＳＯＣ）は、蓄電装置８に接続される図示しないセンサによる取得情報を基に算出され、その算出値が制御装置９へ出力される。蓄電装置８のＳＯＣは、安全性確保や劣化防止の観点から上限値と下限値が設定され、基本的には設定されたＳＯＣ範囲で使用されることを要し、過充電と過放電を防止するように制御される。
Furthermore, the state of charge (SOC) of the
冷却装置６は、電力変換装置（コンバータ）３において電力変換動作の際に損失として発生する熱エネルギーの冷却を行う。冷却装置６は、例えば、アルミニウムで成形された冷却フィンや冷却用ヒートパイプなどによって構成される。The
一方、冷却装置７は、電力変換装置（インバータ）５において電力変換動作の際に損失として発生する熱エネルギーの冷却を行う。冷却装置７は、例えば、アルミニウムで成形された冷却フィンや冷却用ヒートパイプなどによって構成される。On the other hand, the
ここで、冷却装置６および冷却装置７は、電力変換に伴う熱エネルギーの放熱を行うという目的で一致するので、省スペース化や軽量化を狙って共通としてもよい。図２は、電力変換装置（コンバータ）３側の冷却装置６と電力変換装置（インバータ）５側の冷却装置７とを一つに共通化（６＋７）にした場合の駆動システムの構成を示す図である。Here,
制御装置９は、設計されたプログラムをＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）で実行することにより、電力変換器（コンバータ）３、電力変換装置（インバータ）５、蓄電装置８および内燃機関２を制御する。The
具体的には、制御装置９は、発電機１、電動機４、内燃機関２、電力変換装置（コンバータ）３、電力変換装置（インバータ）５、蓄電装置８および冷却装置６と７の物理量並びに状態を、図示しないセンサによって収集し、収集した情報を基に電力変換器（コンバータ）３および電力変換装置（インバータ）５を動作させるための指令信号を生成し、電力変換装置（コンバータ）３や電力変換装置（インバータ）５へ出力する。Specifically, the
また、制御装置９は、上記したセンサ（図示せず）によって収集した情報を基に、内燃機関２を制御するための指令信号を生成し、内燃機関２へ出力する。
In addition, the
更に、制御装置９は、蓄電装置８に接続された図示しないセンサにより、電圧および電流を検出値し、蓄電装置８のＳＯＣを算出し、その算出値に基づいて蓄電装置８のＳＯＣを制御する。
Furthermore, the
例えば、鉄道車両が停車中の状態において、制御装置９は、算出された蓄電装置８のＳＯＣが充電判断閾値ＳＯＣ１以下ならば、内燃機関２を動作させる指令を内燃機関２へ出力すると共に、内燃機関２の動力によって連動する発電機１の動作に対応した信号を生成し、電力変換装置（コンバータ）３へ制御指令を出力する。これにより、内燃機関２、発電機１および電力変換装置（コンバータ）３による発電動作によって、蓄電装置８への充電が開始される。For example, when the railway vehicle is stopped, if the calculated SOC of the
また、制御装置９は、電力変換装置（コンバータ）３および電力変換装置（インバータ）５の温度情報を図示しない温度センサによって取得する。この時、電力変換装置（コンバータ）３および電力変換装置（インバータ）５の各温度情報を、温度センサに替えて、例えば、電流センサによる検出電流値等を基に推定してもよい。In addition, the
図３は、実施例に係るハイブリッド鉄道車両用の駆動システムの停車中における各機器の動作タイムチャートを示す図である。 Figure 3 is a diagram showing an operation time chart of each device in the drive system for a hybrid railway vehicle according to the embodiment when the vehicle is stopped.
停車中においても、車両内の空調や照明等の図示しない機器（以下、「補機」と総称する）への電力供給のため、電力消費は発生する。ここで、停車する場所としては、主に駅が挙げられる。駅における騒音低減および排気ガス低減のために、基本的に駅構内では、蓄電装置８から補機へ電力供給し、内燃機関２を停止させる。Even when the train is stopped, electricity is consumed to supply power to the air conditioning, lighting, and other equipment (not shown) inside the train (collectively referred to as "auxiliary equipment" below). Here, stations are the main places where the train stops. In order to reduce noise and exhaust gases at stations, electricity is basically supplied from the
この期間（Ｔ１）においては、蓄電装置８のＳＯＣは、補機の消費電力に従って減少するが、内燃機関２、電力変換装置（コンバータ）３および電力変換装置（インバータ）５は、動作しない（ＯＦＦ）。この時、電力変換装置（コンバータ）３、電力変換装置（インバータ）５および冷却装置６と７の温度は、車両走行終了時の比較的高い温度から、冷却装置６の性能に応じて減少する。もちろん、車両走行終了時に蓄電装置８のＳＯＣが充電開始閾値ＳＯＣ１を下回っていれば、停車後速やかに充電動作を行うことになる。During this period (T1), the SOC of the
ハイブリッド鉄道車両が走行する路線の運用においては、通常の停車駅と比較して、折返し駅やターミナル駅での停車時間は長めに確保される。これは、鉄道事業者の車両運用の調整都合や、利用客の利便性向上のためである。駅停車時間が長い場合には、停車時の補機の消費電力量も増加する。この時、蓄電装置８のＳＯＣは低下し続け、ＳＯＣが充電開始閾値ＳＯＣ１を下回ると、蓄電装置８は、充電終了閾値ＳＯＣ２に達するまで充電を行う。このようにして、蓄電装置８の過放電を避けつつ、補機への電力供給を継続する。
When operating routes on which hybrid railway vehicles run, longer stop times are ensured at turnaround stations and terminal stations compared to normal stopping stations. This is to facilitate the railway operator's adjustment of vehicle operations and to improve convenience for passengers. When a train stops at a station for a long time, the amount of power consumed by the auxiliary equipment while it is stopped also increases. At this time, the SOC of the
この期間（Ｔ２）においては、内燃機関２、発電機１および電力変換装置（コンバータ）３が動作状態となり（ＯＮ）、内燃機関２で発電した動力を、電力変換装置（コンバータ）３によって制御される発電機１が電力に変換し、蓄電装置８への充電および補機への電力供給を行う。その際に、電力変換装置（コンバータ）３で生じる損失により、電力変換装置（コンバータ）３の温度が上昇し、冷却装置６の温度も上昇する。During this period (T2), the
停車中においては、駆動用途の電力変換装置（インバータ）５は動作しないが、内燃機関２、発電機１および電力変換装置（コンバータ）３の温度上昇の影響を受け、電力変換装置（インバータ）５の温度は上昇する。更に、冷却装置６と７を、２つの電力変換装置（コンバータ３とインバータ５）に対して共通の構成とした場合、電力変換装置（インバータ）５の温度上昇が顕著になる。While the vehicle is stopped, the power conversion device (inverter) 5 used for driving does not operate, but the temperature of the power conversion device (inverter) 5 rises due to the influence of the temperature rises of the
ここで、駆動用途の電力変換装置（インバータ）５の温度が上昇したまま、車両の駅発車時刻となり、車両が走行状態に切り替わる場合がある。車両走行時は、力行動作または回生動作のため、駆動用の電力変換装置（インバータ）５が動作する。この時、電力変換装置（インバータ）５で損失が生じるので、電力変換装置（インバータ）５の温度は上昇する。実際には、電力変換装置（インバータ）５の温度は、冷却装置７の冷却性能との兼ね合いで決定されるが、一般的には、電力変換装置（インバータ）５の温度は上昇する。
Here, the temperature of the power conversion device (inverter) 5 used for driving may remain elevated when the time for the vehicle to depart the station arrives and the vehicle switches to a running state. When the vehicle is running, the power conversion device (inverter) 5 used for driving operates for power running or regeneration. At this time, losses occur in the power conversion device (inverter) 5, so the temperature of the power conversion device (inverter) 5 rises. In reality, the temperature of the power conversion device (inverter) 5 is determined taking into account the cooling performance of the
図４は、実施例に係るハイブリッド鉄道車両用の駆動システムの走行中における各機器の動作タイムチャートを示す図である。 Figure 4 shows a time chart of the operation of each device during running of the drive system for a hybrid railway vehicle according to the embodiment.
停車中において、蓄電装置８への充電が十分に行われ、電力変換装置（インバータ）５の温度が上昇したまま、車両の駅発車時刻となり、車両が走行状態に切り替わるとする（期間Ｔ２→期間Ｔ３）。この期間（Ｔ３）においては、車両速度がある制御閾値（Ｖ１）以下で、かつＳＯＣに比較的余裕がある場合、電力変換装置（インバータ）５のみが動作する。すなわち、電力変換装置（インバータ）５自身の損失により、電力変換装置（インバータ）５の温度は更に上昇する。蓄電装置８のＳＯＣが高い場合、電力変換装置（コンバータ）３は動作しないので、電力変換装置（コンバータ）３による発熱は生じない。
While the train is stopped, the
力行中において、車両速度がある制御閾値（Ｖ１）以上となった時（期間Ｔ３→期間Ｔ４）、ＳＯＣの状態によらず、内燃機関２、発電機１および電力変換装置（コンバータ）３による負荷への電力供給が行われる。この期間（Ｔ４）においては、電力変換装置（コンバータ）３および電力変換装置（インバータ）５の温度は、自らの損失により上昇傾向となる。この時、冷却装置６と７とが、２つの電力変換装置（コンバータ３とインバータ５）に対して共通化されている場合や、２つの電力変換装置（コンバータ３とインバータ５）が互いに熱的影響を有する場合においては、電力変換装置（コンバータ）３または電力変換装置（インバータ）５が単独で動作している時に比べて、冷却効果は弱まる。During power running, when the vehicle speed exceeds a certain control threshold (V1) (period T3 to period T4), power is supplied to the load by the
ここで、期間Ｔ３または期間Ｔ４において、駆動用の電力変換装置（インバータ）５の温度上昇が、図示されない過温度抑制制御開始閾値を上回る場合がある。この時、過温度抑制制御により制限される電力変換装置（インバータ）５の出力が、電動機４の要求電力を下回れば、鉄道車両の加速力を制限することとなり、定められた運転時分を守れないリスクが生じる。すなわち、鉄道車両の定時運行性を害することとなり、鉄道利用者の利便性低下や、鉄道事業者の調整業務増加等を招くことになる。Here, in period T3 or period T4, the temperature rise of the driving power conversion device (inverter) 5 may exceed the overtemperature suppression control start threshold (not shown). At this time, if the output of the power conversion device (inverter) 5 limited by the overtemperature suppression control falls below the power required by the
また、期間Ｔ３または期間Ｔ４において、蓄電装置８からの電力供給のみで電動機４の要求電力を満たせない場合、電力変換装置（コンバータ）３からも電力を供給し電動機４を動作させる。この時、発電用の電力変換装置（コンバータ）３の温度上昇が、図示されない過温度抑制制御開始閾値を上回る場合がある。電力変換装置（コンバータ）３の過温度抑制制御により制限される電力変換装置（コンバータ）３の出力と蓄電装置８の電力を加えた合計の電力が、電動機４の要求電力を下回る場合も、鉄道車両の加速力を制限することとなり、定められた運転時分を守れないリスクが生じる。すなわち、鉄道車両の定時運行性を害することとなり、鉄道利用者の利便性低下や、鉄道事業者の調整業務増加等を招く。
In addition, in period T3 or T4, if the power required by the
仮に、期間Ｔ４まで電力変換装置（コンバータ）３および電力変換装置（インバータ）５の温度上昇が問題とならず、力行から惰行状態（期間Ｔ５）へと変化したとする。ここでは、電力変換装置（インバータ）５は動作せず、冷却装置７の冷却性能に応じて、電力変換装置（インバータ）５の温度は低下する。
Let us assume that the temperature rise of the power conversion device (converter) 3 and the power conversion device (inverter) 5 does not cause a problem until the period T4, and then the power conversion device changes from the power running state to the coasting state (period T5). Here, the power conversion device (inverter) 5 does not operate, and the temperature of the power conversion device (inverter) 5 drops according to the cooling performance of the
惰行状態（期間Ｔ５）においても、補機への電力供給は行われるので、蓄電装置８のＳＯＣは徐々に低下する。蓄電装置８のＳＯＣの低下が小さい場合、電力変換装置（コンバータ）３は動作せず、冷却装置６の冷却性能に応じて、電力変換装置３の温度は低下する。内燃機関２、発電機１および電力変換装置（コンバータ）３は、蓄電装置８のＳＯＣが図示されないある閾値以下に低下したら、発電動作を行い、補機および蓄電装置８への電力供給を行う。この場合は、電力変換装置（コンバータ）３の温度は、上昇傾向となる。また、この場合においても、期間Ｔ４から期間Ｔ５への切り替わり時において、電力変換装置（コンバータ）３の温度上昇が、図示しない過温度抑制制御閾値を上回る場合、補機および蓄電装置８への電力供給が制限されることとなる。補機への電力供給が制限された場合、車内サービスの低下や、制御系統の電力源の不安定化および蓄電装置８のＳＯＣ不足を招く。Even during the coasting state (period T5), power is supplied to the auxiliary equipment, so the SOC of the
また、仮に、期間Ｔ５まで電力変換装置（コンバータ）３および電力変換装置（インバータ）５の温度上昇が問題とならず、惰行状態（期間Ｔ５）から回生状態（期間Ｔ６）へと遷移したとする。ここでは、電動機４を発電機動作させることで、鉄道車両の運動エネルギーを電気エネルギーへ変換し、電力変換装置（インバータ）５を通して、蓄電装置８へと充電を行う。この時、蓄電装置８へ充電される電力は、回生エネルギーと呼ばれ、補機への電力供給や次回以降の力行電力として再利用される。これにより、従来の内燃機関のみを備えた気動車に比べて省エネルギーとなり、ハイブリッド鉄道車両の優位性となる。
Let us also assume that the temperature rise of the power conversion device (converter) 3 and the power conversion device (inverter) 5 does not pose a problem until period T5, and that the vehicle transitions from the coasting state (period T5) to the regenerative state (period T6). Here, the
期間Ｔ６における回生動作時には、電力変換装置（インバータ）５が動作する。期間Ｔ３、期間Ｔ４および期間Ｔ５の間に、電力変換装置（インバータ）５の温度が上昇し、期間Ｔ６の電力変換動作において、過温度抑制制御開始閾値を上回る場合がある。この時、回生エネルギーを制限して電池へ充電するので、本来得られるはずだった回生電力量よりも少ない充電量となり、省エネルギー効果が低減される。一般的な鉄道車両においては、安全性や運転性を考慮して、回生ブレーキ力が制限された場合は、所望のブレーキ力に対して不足するブレーキ力を機械ブレーキ等で補う。そのため、回生エネルギーを制限、すなわち回生ブレーキ力を制限しても、運行上の時間に影響は生じない。During regenerative operation in period T6, the power conversion device (inverter) 5 operates. During periods T3, T4, and T5, the temperature of the power conversion device (inverter) 5 rises and may exceed the overtemperature suppression control start threshold during power conversion operation in period T6. At this time, the regenerative energy is limited to charge the battery, resulting in a smaller amount of charged power than would have been obtained originally, reducing the energy saving effect. In general rail vehicles, when regenerative braking force is limited for safety and drivability reasons, the mechanical brake or the like is used to compensate for the insufficient braking force relative to the desired braking force. Therefore, limiting regenerative energy, i.e., limiting regenerative braking force, does not affect the operation time.
また、期間Ｔ６においても、蓄電装置８のＳＯＣが低い場合には、内燃機関２、発電機１および電力変換装置（コンバータ）３によって発電動作を行い、補機および蓄電装置８への電力供給を行う。この場合には、電力変換装置（コンバータ）３の温度は上昇する。Also, during period T6, when the SOC of the
図３および図４からは、車両運用の安定性と省エネルギー効果を得る観点から、走行中の電力変換装置（インバータ）５および電力変換装置（コンバータ）３の温度を低減する必要性が示唆される。しかし、走行中の電力変換装置（インバータ）５および電力変換装置（コンバータ）３の稼働状態は、蓄電装置８および電動機４の要求電力によってほぼ決定されることになる。冷却装置６および冷却装置７に対して、より冷却性能の高いシステムを採用する選択肢もあるが、実際には、コスト、スペースおよび重量等で制限を受ける。そのため、走行中の温度上昇を低減するために、走行開始時の温度を低減する手段を採用することが考えられる。
Figures 3 and 4 suggest the need to reduce the temperature of the power conversion device (inverter) 5 and the power conversion device (converter) 3 while the vehicle is running, from the viewpoint of achieving stable vehicle operation and energy saving effects. However, the operating state of the power conversion device (inverter) 5 and the power conversion device (converter) 3 while the vehicle is running is determined almost entirely by the required power of the
図５は、実施例に係るハイブリッド鉄道車両用の駆動システムの内燃機関の動作特性を示す図である。 Figure 5 shows the operating characteristics of an internal combustion engine of a drive system for a hybrid railway vehicle according to an embodiment.
走行時は、車両速度、蓄電装置８のＳＯＣおよび電力変換装置（インバータ）５の要求電力によって、内燃機関２のエンジンノッチが決定される。エンジンノッチが設定されると、要求される出力に応じた出力および回転数へとマッチングし、動作点が決定される。When traveling, the engine notch of the
駅構内の低速走行時や、駅停車時においては、駅構内での騒音低減および排気ガス低減を目的として、内燃機関２の動作点は、アイドル動作点にて回転数制御されることが一般的である。蓄電装置８のＳＯＣが十分であり、蓄電装置８のみで補機での電力消費をまかなえる場合は、一般的に内燃機関（エンジン）を停止させる。When the train is traveling at low speed within a station or when it is stopped at a station, the operating point of the
ここで、機器効率として、アイドル動作点付近でのエンジン効率は一般的に低い。そのため、同出力を得るための内燃機関（エンジン）の発熱は、高位のノッチに比べて大きくなり、内燃機関（エンジン）周辺の空気温度の上昇を招く。Here, in terms of equipment efficiency, engine efficiency is generally low near the idle operating point. Therefore, the heat generated by the internal combustion engine to obtain the same output is greater than that at higher notches, leading to an increase in the air temperature around the internal combustion engine.
また、電力変換装置（コンバータ）３の効率は、内燃機関（エンジン）の回転数が高い方が、一般に高効率となる。これは、電力変換装置（コンバータ）３における速度域に応じた制御方式の違いによるもので、具体的には、パワー半導体のスイッチング損失が低減されるためである。 In addition, the efficiency of the power conversion device (converter) 3 is generally higher when the internal combustion engine (engine) has a higher rotation speed. This is due to the difference in the control method according to the speed range of the power conversion device (converter) 3, specifically, because the switching loss of the power semiconductors is reduced.
これらのことから、アイドル動作点付近で動作させた場合には、電力変換装置（コンバータ）３の温度上昇が顕著になる傾向が分かる。また、電力変換装置（コンバータ）３および電力変換装置（インバータ）５に対して冷却装置を共有するなど、相互に熱的影響を有する場合には、電力変換装置（インバータ）５の温度も上昇する。From these findings, it can be seen that when operated near the idle operating point, the temperature rise of the power conversion device (converter) 3 tends to be significant. Furthermore, when the power conversion device (converter) 3 and the power conversion device (inverter) 5 share a cooling device, or there is a mutual thermal effect, the temperature of the power conversion device (inverter) 5 also rises.
以上のとおり、省エネルギー性や電力変換装置（インバータ）５の走行開始時の温度上昇抑制のためには、停車中の充電における電力変換器（コンバータ）３および電力変換器（インバータ）５の温度低減が有効である。As described above, in order to save energy and suppress the temperature rise of the power conversion device (inverter) 5 when starting to drive, it is effective to reduce the temperature of the power converter (converter) 3 and the power converter (inverter) 5 when charging while the vehicle is stopped.
そのための手段として、蓄電装置８のＳＯＣが充電を必要とする場合に、電力変換装置（コンバータ）３および電力変換装置（インバータ）５の温度状態に応じて、内燃機関２の動作点を、高回転数側または高出力側、あるいはその両方へと変更するように、制御装置９から指令を出すことを考案した。As a means for achieving this, we have devised a system in which, when the SOC of the
高回転数側へ変更することのメリットは、内燃機関２と電力変換装置（コンバータ）３を効率の良い動作点で動かせることである。特に、電力変換装置（コンバータ）３の効率向上により、内燃機関２からの出力を維持しつつより効率よく負荷および蓄電装置８へと供給できる。このため、アイドル動作点での動作よりも電力変換の損失が少なく、発熱が低減でき、駅発車時の電力変換装置（コンバータ）３の温度が低減可能となる。一方、デメリットとしては、内燃機関２の回転数が上昇するため、騒音が増大してしまう点が挙げられる。
The advantage of changing to a higher rotation speed is that the
次に、高出力側へ変更することのメリットは、内燃機関２の騒音をそのままに、充電時間を短縮できる点である。充電期間の短縮により、駅構内での内燃機関２の稼働率低減や電力変換装置（コンバータ）３の自然冷却時間の確保が可能になる。
The next benefit of switching to a higher output is that the charging time can be shortened while keeping the noise of the
一方、デメリットとしては、同じ効率で出力を上昇させるので、より損失エネルギーの総量が増加し、アイドル動作点に比べて電力変換装置（コンバータ）３の温度の最高点が上昇する点である。駅出発時の電力変換装置（コンバータ）３の温度については、駅での停車時間、補機消費電力および冷却装置６の冷却性能との兼ね合いとなる。
On the other hand, the disadvantage is that since the output is increased with the same efficiency, the total amount of lost energy increases and the maximum temperature of the power conversion device (converter) 3 increases compared to the idle operating point. The temperature of the power conversion device (converter) 3 when departing from the station is determined by a balance between the stop time at the station, the power consumption of the auxiliary equipment, and the cooling performance of the
更に、高回転数側かつ高出力側へ変更することのメリットは、効率の良い動作点で動かしつつ、充電時間を短縮できる点である。アイドル動作点での動作に比べて、騒音は増加するものの、単位充電量当たりの損失が低下する。また、停車中における内燃機関２の稼働率を低減し、駅発車までに電力変換装置（コンバータ）３の温度を低減する時間を長時間確保できる。
Furthermore, the advantage of changing to the higher rotation speed and higher output side is that it is possible to shorten the charging time while operating at an efficient operating point. Although noise increases compared to operation at the idle operating point, the loss per unit charge is reduced. In addition, it is possible to reduce the operating rate of the
上記した手段により、駅出発時の電力変換装置（コンバータ）３および電力変換装置（インバータ）５の温度が低減可能なことをシミュレーションおよび実車にて確認した。もちろん、上記したメリットおよびデメリットを考慮した上で、これらの対策を組み合わせて実施してもよい。It was confirmed through simulations and actual trains that the above-mentioned measures can reduce the temperatures of the power conversion device (converter) 3 and the power conversion device (inverter) 5 when the train departs from the station. Of course, these measures may be combined, taking into account the advantages and disadvantages described above.
図６は、実施例に係るハイブリッド鉄道車両用の駆動システムの停車中における内燃機関の動作点決定のフローチャートの一例を示す図である。以下のフローチャートの各ステップの動作主体は、全て制御装置９であるので、以下では、動作主体の記載を省略する。
前回の走行が終了し、車両が停止状態となったタイミングをスタートステップ１０１とする。
6 is a diagram showing an example of a flowchart for determining an operating point of an internal combustion engine when the hybrid railway vehicle drive system according to the embodiment is stopped. Since the
The timing when the previous travel ends and the vehicle comes to a standstill is designated as a
次に、ステップ１０２にて、蓄電装置８の充電量（ＳＯＣ）を判定する。この判定により、ＳＯＣが充電開始閾値ＳＯＣ１未満であった場合は（ＹＥＳ）、内燃機関２、発電機１および電力変換装置（コンバータ）３を動作させ、蓄電装置８への充電を行う。ここで、ステップ１０２におけるＳＯＣの判定に関して、実際には、チャタリング防止のために、制御上安定となる幅でヒステリシス特性を持たせてもよい。Next, in
続いて、ステップ１０３にて、図示しない温度センサ等によって検出した電力変換装置（コンバータ）３の温度と所定の閾値との大小関係を判定する。ここでは、電力変換装置（コンバータ）３の温度が、内燃機関の動作点決定に最も影響が大きいことから、電力変換装置（コンバータ）３の温度を判定対象としたが、これに限定されるものではない。電力変換装置（コンバータ）３に加えて電力変換装置（インバータ）５の検出温度も含めて（以下、総称して「電力変換装置の温度」という）、所定の閾値との大小関係を判定してもよい。
Next, in
電力変換装置の温度が、所定の閾値未満の場合は（ＬＯＷ）、ステップ１０４にて、内燃機関２を従来のアイドル発電動作点で動作する。
一方で、電力変換装置の温度が所定の閾値以上の場合は（ＨＩＧＨ）、ステップ１０５にて、動作点を変更し、電力変換装置（コンバータ）３の温度を、低減可能な内燃機関２の動作点となるように制御する。すなわち、高出力側の発電動作点（図６の（Ａ））、高回転数側の発電動作点（図６の（Ｂ））または高出力側かつ高回転数側の発電動作点（図６の（Ａ）＋（Ｂ））に制御する。
If the temperature of the power converter is below a predetermined threshold (LOW), then in
On the other hand, when the temperature of the power conversion device is equal to or higher than the predetermined threshold value (HIGH), the operating point is changed in
ステップ１０６にて、車両の状態を判断し、まだ停止状態（ＳＴＯＰ）とするならば、ステップ１０２へ戻り、停車を継続する。走行状態（ＲＵＮ）とするならば、ステップ１０７へとフローを遷移し、車両走行を開始する。In
ここで、ステップ１０３で電力変換装置の温度の判定に用いる所定の閾値は、停車中の内燃機関（エンジン）の稼働時間と停止時間との比率に応じて可変としてもよい。また、電力変換装置（コンバータ）３と電力変換装置（インバータ）５とで異なるようにしてもよい。更に、複数の条件に場合分けし、内燃機関２の動作点を全体として最適とする制御方式としてもよい。
Here, the predetermined threshold value used to determine the temperature of the power conversion device in
また、図６に示す内燃機関の動作点決定のフローチャートは、ハイブリッド鉄道車両の停車中における場合を示したが、走行中であっても例えば惰行走行時などに適用することも可能である。 In addition, although the flowchart for determining the operating point of the internal combustion engine shown in Figure 6 shows the case when the hybrid railway vehicle is stopped, it can also be applied while the vehicle is moving, for example when coasting.
上記したフローチャートにより、ステップ１０７のタイミングにおいて、電力変換装置（コンバータ）３の温度または電力変換装置（コンバータ）３および電力変換装置（インバータ）５の温度を低減することで、より省エネルギーかつ走行不能リスクを低減したハイブリッド車両の走行が可能となる。
According to the above flowchart, by reducing the temperature of the power conversion device (converter) 3 or the temperatures of the power conversion device (converter) 3 and the power conversion device (inverter) 5 at the timing of
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。 Although the above describes an embodiment of the present invention, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications are possible without departing from the spirit and scope of the present invention.
１…発電機、２…内燃機関（エンジン）、３…電力変換装置（コンバータ）、４…電動機、５…電力変換装置（インバータ）、６…冷却装置、７…冷却装置、８…蓄電装置、９…制御装置 1...generator, 2...internal combustion engine (engine), 3...power conversion device (converter), 4...electric motor, 5...power conversion device (inverter), 6...cooling device, 7...cooling device, 8...electricity storage device, 9...control device
Claims (12)
前記内燃機関により駆動される発電機と、
前記発電機の電力を制御する第一の電力変換装置と、
前記第一の電力変換装置の直流部に接続される蓄電装置と、
前記第一の電力変換装置の出力電力および前記蓄電装置の出力電力を制御して電動機を駆動する第二の電力変換装置と、
前記第一の電力変換装置および前記第二の電力変換装置の温度を検出する温度検出器と、
少なくとも前記第一の電力変換装置、前記第二の電力変換装置、前記蓄電装置および前記内燃機関を制御する制御装置と
を備えた鉄道車両用駆動システムであって、
前記制御装置は、前記蓄電装置の充電量が第一の閾値未満の状態で、前記温度検出器が検出した前記第一の電力変換装置の温度または前記第一の電力変換装置および前記第二の電力変換装置の温度が第二の閾値以上に上昇した場合に、前記内燃機関の少なくとも出力および回転数のいずれかを増加させて前記内燃機関の動作点を変更する
ことを特徴とする鉄道車両用駆動システム。 An internal combustion engine;
a generator driven by the internal combustion engine;
A first power conversion device that controls the power of the generator;
a power storage device connected to a DC section of the first power conversion device;
a second power conversion device that controls an output power of the first power conversion device and an output power of the power storage device to drive an electric motor;
a temperature detector that detects temperatures of the first power conversion device and the second power conversion device;
A railway vehicle drive system including at least the first power conversion device, the second power conversion device, the power storage device, and a control device that controls the internal combustion engine,
the control device increases at least one of the output and the rotation speed of the internal combustion engine to change an operating point of the internal combustion engine when the temperature of the first power conversion device or the temperatures of the first power conversion device and the second power conversion device detected by the temperature detector rises to or above a second threshold value while the charge amount of the power storage device is less than a first threshold value.
前記制御装置は、前記内燃機関の動作点を変更する前記態様を鉄道車両の停車時に実行する
ことを特徴とする鉄道車両用駆動システム。 2. The rail vehicle drive system according to claim 1,
The control device executes the above-mentioned aspect of changing the operating point of the internal combustion engine when the railway vehicle is stopped.
前記第二の閾値を、前記鉄道車両の停車中の前記内燃機関の稼働時間と停止時間との比率に応じて可変とする
ことを特徴とする鉄道車両用駆動システム。 3. A rail vehicle drive system according to claim 2,
A railway vehicle drive system, comprising: a train control unit for controlling a train speed of the train; a control unit for controlling a train speed of the train;
前記制御装置は、前記内燃機関の回転数を、当該内燃機関の出力を維持しつつ増加させる
ことを特徴とする鉄道車両用駆動システム。 A railway vehicle drive system according to any one of claims 1 to 3,
The control device increases the rotation speed of the internal combustion engine while maintaining an output of the internal combustion engine.
前記制御装置は、前記内燃機関の複数のエンジンノッチのいずれのノッチでも要求された出力に応じた前記動作点を決定する
ことを特徴とする鉄道車両用駆動システム。 A railway vehicle drive system according to any one of claims 1 to 3,
A railway vehicle drive system, wherein the control device determines the operating point according to a required output at any one of a plurality of engine notches of the internal combustion engine.
前記蓄電装置は、第三の電力変換装置を介して前記直流部に接続される
ことを特徴とする鉄道車両用駆動システム。 A railway vehicle drive system according to any one of claims 1 to 3 ,
The power storage device is connected to the DC section via a third power conversion device.
前記内燃機関により駆動される発電機と、
前記発電機が出力する電力を制御する第一の電力変換装置と、
前記第一の電力変換装置の直流電力線に接続される蓄電装置と、
前記第一の電力変換装置の出力電力および前記蓄電装置の出力電力を制御して電動機を駆動する第二の電力変換装置と
を備えた鉄道車両用駆動システムの駆動方法であって、
前記第一の電力変換装置の第一の温度または前記第一の電力変換装置および前記第二の電力変換装置の第二の温度を検出し、
前記蓄電装置の充電量が第一の閾値未満の状態で、前記第一の温度または前記第二の温度が第二の閾値以上に上昇した場合に、前記内燃機関の少なくとも出力および回転数のいずれかを増加させて前記内燃機関の動作点を変更する
ことを特徴とする鉄道車両用駆動システムの駆動方法。 An internal combustion engine;
a generator driven by the internal combustion engine;
A first power conversion device that controls the power output by the generator;
a power storage device connected to a DC power line of the first power conversion device;
a second power conversion device that controls an output power of the first power conversion device and an output power of the power storage device to drive an electric motor,
Detecting a first temperature of the first power conversion device or a second temperature of the first power conversion device and the second power conversion device;
a driving method for a railway vehicle drive system, characterized in that, when the first temperature or the second temperature rises to or above a second threshold while the charge amount of the power storage device is less than a first threshold, at least one of an output and a rotation speed of the internal combustion engine is increased to change an operating point of the internal combustion engine.
鉄道車両の停車時に、前記内燃機関の動作点を変更する前記態様を実行する
ことを特徴とする鉄道車両用駆動システムの駆動方法。 A method for driving a railway vehicle drive system according to claim 8, comprising the steps of:
A driving method for a railway vehicle drive system, comprising: executing the above-described aspect of changing an operating point of the internal combustion engine when the railway vehicle is stopped.
前記鉄道車両の停車中の前記内燃機関の稼働時間と停止時間との比率に応じて、前記第二の閾値を可変とする
ことを特徴とする鉄道車両用駆動システムの駆動方法。 A method for driving a railway vehicle drive system according to claim 9, comprising the steps of:
A driving method for a railway vehicle drive system, comprising: varying the second threshold value in accordance with a ratio of an operating time of the internal combustion engine to an stopped time of the internal combustion engine while the railway vehicle is stopped.
前記内燃機関の回転数を、当該内燃機関の出力を維持しつつ増加させる
ことを特徴とする鉄道車両用駆動システムの駆動方法。 A method for driving a railway vehicle drive system according to any one of claims 8 to 10, comprising the steps of:
A driving method for a railway vehicle drive system, comprising: increasing the rotation speed of the internal combustion engine while maintaining an output of the internal combustion engine.
前記内燃機関の複数のエンジンノッチのいずれのノッチでも要求された出力に応じた前記動作点を決定する
ことを特徴とする鉄道車両用駆動システムの駆動方法。 A method for driving a railway vehicle drive system according to any one of claims 8 to 10, comprising the steps of:
A driving method for a railway vehicle drive system, comprising determining the operating point according to a required output at any one of a plurality of engine notches of the internal combustion engine.
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