JP2014033551A - 電気車制御装置、運転支援装置及び電気車 - Google Patents

Abstract

【課題】運転電力を低減して走行する際の走行時間の延びを抑制する。
【解決手段】実施形態の電気車制御装置は、電気車の速度を検知する速度検知手段と、
複数のノッチ毎の速度および駆動装置が消費する電力との関係を示す電力特性に基づき、駆動装置の電力として許容される許容電力内で走行するための、速度と許容最大ノッチとを示す許容最大ノッチ情報を記憶する記憶手段と、消費する電力を制限する制限情報の入力があると、この制限情報に基づいて記憶された許容最大ノッチ情報から、電気車の走行速度に応じた許容最大ノッチを決定する決定手段と、決定された許容最大ノッチに基づいて、駆動装置に制御指令を出力する制御指令出力手段と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電気車制御装置、運転支援装置及び電気車に関する。

従来、架線からパンタグラフを通して供給される電力で走行する電気車（以下、車両）では、災害発生時などにおける電力の供給不足が生じた時、運行見合わせ後に運転を再開する時、過密運転時など、多数の車両の一斉力行が生じた際に電力需要に対する電力供給が不足することから、車両運転時の使用ノッチの制限を行い、運転電力の低減を図っている。

特開平８−３４２６７号公報

使用ノッチの制限を行った場合には、運転電力の最大値を低減することができる。しかしながら、上述した従来技術では、使用ノッチの制限を車両の速度に関係なく固定的に行なっていたため、力行時の加速性能が大幅に低下し、走行時間が長くなることから輸送力の低下を招くケースがあった。

上述した課題を解決するために、実施形態の電気車制御装置は、電気車の速度を検知する速度検知手段と、複数のノッチ毎の速度および駆動装置が消費する電力との関係を示す電力特性に基づき、前記駆動装置の電力として許容される許容電力内で走行するための、速度と許容最大ノッチとを示す許容最大ノッチ情報を記憶する記憶手段と、消費する電力を制限する制限情報の入力があると、この制限情報に基づいて前記記憶手段に記憶された許容最大ノッチ情報から、前記電気車の走行速度に応じた許容最大ノッチを決定する決定手段と、前記決定手段によって決定された許容最大ノッチに基づいて、前記駆動装置に制御指令を出力する制御指令出力手段と、を備える。

図１は、第１の実施形態にかかる電気車の構成を例示するブロック図である。 図２は、電気車の速度と動力の関係を示す概念図である。 図３は、走行パターンを例示するグラフである。 図４は、第２の実施形態にかかる電気車の構成を例示するブロック図である。 図５は、第３の実施形態にかかる電気車の構成を例示するブロック図である。

以下、添付図面を参照して実施形態の電気車制御装置、運転支援装置及び電気車を詳細に説明する。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態にかかる電気車１の構成を例示するブロック図である。図１に示すように、電気車１は、軌道を走行するための走行装置２と、架線（図示しない）から供給される電力で走行装置２の車輪２０を駆動させる電動機３０と、電動機３０の駆動を制御する電動機制御装置３１と、電動機制御装置３１に制御指令を与える運転制御装置４と、を備える。電気車１は、ＡＴＯ（Automatic Train Operation）などの車上装置である運転制御装置４の制御指令に従って、電動機３０、電動機制御装置３１で構成される駆動装置の駆動を制御することで、架線から供給される電力による走行が制御される鉄道車両である。なお、走行装置２と電動機制御装置３１のそれぞれは、一般的に、台車とインバータである。

運転制御装置４は、電力低減要求検知部４１、速度検知部４２、位置検知部４３、許容最大ノッチ決定部４４、制御指令決定部４５を備える。

電力低減要求検知部４１は、電気車１の駆動にかかる電力の低減を指示する電力低減要求（指令）を示す情報を運転制御装置４の外部から取得し、現時点での電力低減要求の有無を判定する。この電力低減要求検知部４１が判定した判定結果は許容最大ノッチ決定部４４へ出力される。例えば、電力低減要求は、電力供給の不足が予測された場合に、輸送指令から連絡を受けた運転士が、コンソール（図示せず）を介して運転制御装置４に入力する。また、電力低減要求は、無線などを介して受信した輸送指令からの情報を直接運転制御装置４に入力するようにしてもよい。また、電力低減要求において、電気車１の駆動装置の電力として許容する許容最大電力のレベル（電力値）の指定がある場合は、電力低減要求の有無だけではなく、指定された許容最大電力のレベルを示す情報を併せて取得する。例えば、許容最大電力のレベルの指定は、電力低減要求における所定のビット情報に付与されており、ビットのオン／オフの組み合わせから示される許容最大電力のレベルが取得される。

速度検知部４２は、電気車１に車輪２０に連動するタコジェネレータなどの速度センサ（図示しない）からの速度情報に基づいて電気車１の速度を算出する。電気車１の速度は、車上に設置された他の装置で算出した速度情報を車上ネットワーク（図示しない）経由で取得し、速度検知部４２に入力するようにしてもよい。速度検知部４２は算出した電気車１の速度を許容最大ノッチ決定部４４、制御指令決定部４５へ出力する。

位置検知部４３は、例えば、電気車１の軌道上の位置に関する位置情報、すなわち地点情報を発信する地上子（図示しないトランスポンダなど）からの信号を車上子（図示しない）で受信した結果（絶対位置情報）と、電気車１の速度を積算して得られる移動距離とに基づいて、電気車１の現在位置を検知する。電気車１の現在位置は、車上に設置された他の装置（例えばＡＴＣ：自動列車制御装置）で算出した位置情報を、車上ネットワーク経由で取得するようにしてもよい。位置検知部４３は、検知した電気車１の現在位置を制御指令決定部４５へ出力する。

許容最大ノッチ決定部４４は、運転制御装置４に電力低減要求が入力され、電力低減要求検知部４１が電力低減要求ありと判断した場合、速度検知部４２から取得した電気車１の速度に基づいて許容最大ノッチ情報Ｄ１を参照し、電力低減要求を満たす範囲における、電気車１の速度に応じた許容最大ノッチを決定する。

許容最大ノッチ情報Ｄ１は、電気車１の速度、ノッチ、及び動力の関係を用い、電気車１の駆動装置の動力として許容される許容最大動力を設定して、その許容最大動力の範囲で走行するための速度域毎の許容最大ノッチを求め、ＲＯＭ（Read Only Memory）等に予め記録した情報である。動力に駆動装置の損失を加えたものが電気車の消費する電力となるため、電力低減要求に応じた許容最大電力と駆動装置の損失特性あるいは効率特性に基づいて電気車の許容最大動力を設定する。例えば、許容最大動力は、許容最大電力に電気車の駆動装置の効率をかけることによって決定される。

図２は、電気車１の速度と動力の関係を示す概念図である。図２において、１Ｎ〜１０Ｎは電気車１の駆動装置におけるノッチを示し、１Ｎ〜１０Ｎのグラフは各ノッチにおける速度−動力の関係を示している。また、ＮＰは、許容最大動力としてＰａ＿ｍａｘを設定して、速度Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４の速度域に応じてＰａ＿ｍａｘを超えない範囲で最大のノッチを求めたグラフであり、許容最大ノッチ情報Ｄ１に相当する。

図２に示すように、ノッチ制限を行わない場合には、１Ｎ〜１０Ｎのノッチが選ばれることから、最大でＰｍａｘの動力を発生して大きな電力消費が生じる可能性がある。

また、一例として、単純に６Ｎでノッチ制限を行う場合には、最大の動力をＰｂ＿ｍａｘとして電力消費を抑えることができるが、高速域（図示例では速度Ｖ３以上）では動力が大きく低下し、最高速度域では動力がＰｂ＿ｍｉｎとなる。動力の低下は引張力の低下、すなわち加速性能の低下をもたらす。このような固定ノッチ制限では、中速域（図示例では速度Ｖ１〜Ｖ２）での最大動力の低減効果は小さく、高速域での低減効果は大きい。最大動力の低減は全速度域で平均的に５０％程度になるが、中速域では低減効果が小さいので大きな電力消費が生じる可能性がある。逆に、高速域では動力が大きく低下することから、加速時間の延びや最高到達速度の低下により走行時間が大幅に延びることが予想される。

これに対して、本実施形態では、電力低減要求がある場合、電気車１の速度に応じた許容最大ノッチが例えばＮＰに沿って決定され、速度域ごとのノッチ制限が行われることとなる。図２の例では、速度Ｖ１以下ではノッチ制限なし、速度Ｖ１〜Ｖ２の範囲では５Ｎ以下に制限、速度Ｖ２〜Ｖ３の範囲では６Ｎ以下に制限、速度Ｖ３〜Ｖ４の範囲では７Ｎ以下に制限、速度Ｖ４以上の範囲では８Ｎ以下に制限される。このように、速度域ごとにノッチ制限を行うことで、最大動力はＰａ＿ｍａｘとなり、６Nに固定する場合のＰｂ＿ｍａｘよりも小さく、電力消費を低減できる。また、速度Ｖ３以上の高速域では、６Ｎに固定する場合と比較して動力の低下を抑制できることから、走行時間の延びを抑制できる。

図１に戻り、許容最大ノッチ情報Ｄ１は、許容最大電力のレベルごとに段階的に設定し（例えば、最大電力から１０％減、２０％減、５０％減等）、そのレベルごとに、許容最大ノッチを求めた情報であってもよい。許容最大ノッチ決定部４４は、電力低減要求がある場合、その電力低減要求とともに指定された許容最大電力のレベルで許容最大ノッチ情報Ｄ１を参照し、指定された許容最大電力を満たす範囲における、電気車１の速度に応じた許容最大ノッチを決定する。このように、許容最大電力のレベルを複数設定することにより、架線に供給される電力量や路線を走行する列車群の状況に応じてきめ細かな電力制限が可能となり、走行時間の延びを最小限に抑えることができる。

制御指令決定部４５は、電気車１の位置及び速度に基づき、勾配や制限速度等の路線に関する情報をＲＯＭ等に記録した路線情報Ｄ２を参照して、自動運転のための制御指令を決定する。ここで、制御指令決定部４５は、電力低減要求がある場合、許容最大ノッチ決定部４４で決定された許容最大ノッチに従って制御指令を決定する。制御指令決定部４５は、決定した制御指令を電動機制御装置３１へ出力する。

例えば、制御指令決定部４５は、現在の走行区間の制限速度に基づいて目標速度を設定し、電気車１の速度が設定した目標速度近傍で保持されるように制御指令を決定する。具体的には、現在の速度と仮定した制御指令とに基づき、勾配を考慮した短時間先の速度予測を行い、予測した速度が目標速度近傍であり、且つ現在の制御指令からの変化が少なくなるような制御指令を選択する。選択された制御指令が電気車１の速度における許容最大ノッチよりも大きい場合は、制御指令を許容最大ノッチで置き換える。また、許容最大ノッチ以下のノッチ範囲で最適な制御指令を選択するようにしてもよい。これにより、速度域別のノッチ制限を確実に実行でき、電力を低減しつつ走行時間の延びを抑制できる。

図３は、走行パターンを例示するグラフである。具体的には、ある駅間を、ノッチ制限を行わずに走行した場合（走行パターンａ）、速度に関係なく固定的にノッチ制限を行なって走行した場合（走行パターンｂ）、速度域ごとのノッチ制限を行なって走行した場合（走行パターンｃ）のグラフを示している。

図３に示すように、固定的にノッチ制限を行った走行パターンｂでは、高速域での動力低下により最高到達速度が低下することから、ノッチ制限を行わない走行パターンａと比較して走行時間が１１３秒（約１０％）伸びている。一方、速度域ごとのノッチ制限を行った走行パターンｃでは、加速時間は長くなったものの、最高到達速度は低下せず、走行パターンａと比較して走行時間の延びは５３秒（約５％）であり、走行時間の延びが大幅に抑制されていることがわかる。

［第２の実施形態］
図４は、第２の実施形態にかかる電気車１ａの構成を例示するブロック図である。図４に示すように、電気車１ａは、運転士により操作される主幹制御器５からの力行指令に従って、電動機３０、電動機制御装置３１で構成される駆動装置の駆動を制御することで、架線から供給される電力による走行が制御される鉄道車両である。具体的には、電気車１ａは、主幹制御器５からの力行指令を受け付けて、その力行指令を補正する運転制御装置４ａを備える。

運転制御装置４ａは、電力低減要求検知部４１、速度検知部４２、許容最大ノッチ決定部４４、力行指令補正部４６を備える。

力行指令補正部４６は、電力低減要求がある場合、主幹制御器５からの力行指令を許容最大ノッチ決定部４４で決定された許容最大ノッチの範囲内に補正する。力行指令補正部４６は、補正した力行指令を電動機制御装置３１へ出力する。

具体的には、力行指令補正部４６は、主幹制御器５からの力行指令を受け、許容最大ノッチ決定部４４が決定した許容最大ノッチとの比較を行い、主幹制御器５からの力行指令の方が許容最大ノッチよりも大きい場合、主幹制御器５からの力行指令を許容最大ノッチに補正して出力する。また、許容最大ノッチの方が主幹制御器５からの力行指令よりも大きい場合は、主幹制御器５からの力行指令を補正せずに出力する。これにより、運転士が操作する場合であっても、速度域別のノッチ制限を確実に実行でき、電力を低減しつつ走行時間の延びを抑制できる。

［第３の実施形態］
図５は、第３の実施形態にかかる電気車１ｂの構成を例示するブロック図である。図５に示すように、電気車１ｂは、運転支援装置４ｂによりＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等の表示装置６に表示される情報を参考に、運転士により操作される主幹制御器５からの力行指令に従って、電動機３０、電動機制御装置３１で構成される駆動装置の駆動を制御することで、架線から供給される電力による走行が制御される鉄道車両である。

運転支援装置４ｂは、電力低減要求検知部４１、速度検知部４２、許容最大ノッチ決定部４４、報知部４７を備える。

報知部４７は、電力低減要求がある場合、許容最大ノッチ決定部４４で決定された許容最大ノッチを表示装置６に表示して運転士に報知する。なお、報知部４７は、許容最大ノッチを音声（例えば、ノッチ数に応じたブザー音）で運転士に報知してもよい。また、報知部４７は、許容最大ノッチ決定部４４で決定された許容最大ノッチが変化した場合には、チャイムなどの音声を用いて運転士に注意を促すようにしてもよい。運転士は、報知部４７によって報知された許容最大ノッチに基づき、その許容最大ノッチを超えない範囲で主幹制御器５の操作を行う。これにより、速度域別のノッチ制限を確実に実行でき、電力を低減しつつ走行時間の延びを抑制できる。

なお、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成することができる。例えば、実施形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせても良い。

１、１ａ、１ｂ…電気車、２…走行装置、４、４ａ…運転制御装置、４ｂ…運転支援装置、５…主幹制御器、６…表示装置、２０…車輪、３０…電動機、３１…電動機制御装置、４１…電力低減要求検知部、４２…速度検知部、４３…位置検知部、４４…許容最大ノッチ決定部、４５…制御指令決定部、４６…力行指令補正部、４７…報知部、Ｄ１…許容最大ノッチ情報、Ｄ２…路線情報、Ｖ１〜Ｖ４…速度

Claims (9)

1. 電気車の速度を検知する速度検知手段と、
   複数のノッチ毎の速度および駆動装置が消費する電力との関係を示す電力特性に基づき、前記駆動装置の電力として許容される許容電力内で走行するための、速度と許容最大ノッチとを示す許容最大ノッチ情報を記憶する記憶手段と、
   消費する電力を制限する制限情報の入力があると、この制限情報に基づいて前記記憶手段に記憶された許容最大ノッチ情報から、前記電気車の走行速度に応じた許容最大ノッチを決定する決定手段と、
   前記決定手段によって決定された許容最大ノッチに基づいて、前記駆動装置に制御指令を出力する制御指令出力手段と、
   を備える電気車制御装置。
2. 電気車の速度を検知する速度検知手段と、
   複数のノッチ毎の速度および駆動装置が消費する電力との関係を示す電力特性に基づき、前記駆動装置の電力として許容される許容電力内で走行するための、速度と許容最大ノッチとを示す許容最大ノッチ情報を記憶する記憶手段と、
   消費する電力を制限する制限情報の入力があると、この制限情報に基づいて前記記憶手段に記憶された許容最大ノッチ情報から、前記電気車の走行速度に応じた許容最大ノッチを決定する決定手段と、
   前記決定手段によって決定された許容最大ノッチに基づいて、主幹制御器からの力行指令を、前記決定された許容最大ノッチの範囲内に補正する力行指令補正手段と、
   を備える電気車制御装置。
3. 前記決定手段は、前記消費する電力を制限する制限情報で指定された許容電力のレベルに基づいて前記許容最大ノッチ情報を参照し、前記検知された速度に応じた許容最大ノッチを決定する、
   請求項１又は２に記載の電気車制御装置。
4. 電気車の速度を検知する速度検知手段と、
   複数のノッチ毎の速度および駆動装置が消費する電力との関係を示す電力特性に基づき、前記駆動装置の電力として許容される許容電力内で走行するための、速度と許容最大ノッチとを示す許容最大ノッチ情報を記憶する記憶手段と、
   消費する電力を制限する制限情報の入力があると、この制限情報に基づいて前記記憶手段に記憶された許容最大ノッチ情報から、前記電気車の走行速度に応じた許容最大ノッチを決定する決定手段と、
   前記決定手段によって決定された許容最大ノッチを運転士に報知する報知手段と、
   を備える運転支援装置。
5. 前記決定手段は、前記消費する電力を制限する制限情報で指定された許容電力のレベルに基づいて前記許容最大ノッチ情報を参照し、前記検知された速度に応じた許容最大ノッチを決定する、
   請求項４に記載の運転支援装置。
6. 自車の速度を検知する速度検知手段と、
   複数のノッチ毎の自車の速度および駆動装置が消費する電力との関係を示す電力特性に基づき、前記駆動装置の電力として許容される許容電力内で走行するための、自車の速度と許容最大ノッチとを示す許容最大ノッチ情報を記憶する記憶手段と、
   消費する電力を制限する制限情報の入力があると、この制限情報に基づいて前記記憶手段に記憶された許容最大ノッチ情報から、前記検知された速度に応じた許容最大ノッチを決定する決定手段と、
   前記決定手段によって決定された許容最大ノッチに基づいて、前記駆動装置に制御指令を出力する制御指令出力手段と、
   を備える電気車。
7. 自車の速度を検知する速度検知手段と、
   複数のノッチ毎の自車の速度および駆動装置が消費する電力との関係を示す電力特性に基づき、前記駆動装置の電力として許容される許容電力内で走行するための、自車の速度と許容最大ノッチとを示す許容最大ノッチ情報を記憶する記憶手段と、
   消費する電力を制限する制限情報の入力があると、この制限情報に基づいて前記記憶手段に記憶された許容最大ノッチ情報から、前記検出された速度に応じた許容最大ノッチを決定する決定手段と、
   前記決定手段によって決定された許容最大ノッチに基づいて、主幹制御器からの力行指令を、前記決定された許容最大ノッチの範囲内に補正する力行指令補正手段と、
   を備える電気車。
8. 自車の速度を検知する速度検知手段と、
   複数のノッチ毎の自車の速度および駆動装置が消費する電力との関係を示す電力特性に基づき、前記駆動装置の電力として許容される許容電力内で走行するための、自車の速度と許容最大ノッチとを示す許容最大ノッチ情報を記憶する記憶手段と、
   消費する電力を制限する制限情報の入力があると、この制限情報に基づいて前記記憶手段に記憶された許容最大ノッチ情報から、前記検出された速度に応じた許容最大ノッチを決定する決定手段と、
   前記決定手段によって決定された許容最大ノッチを運転士に報知する報知手段と、
   を備える電気車。
9. 前記決定手段は、前記消費する電力を制限する制限情報で指定された許容電力のレベルに基づいて前記許容最大ノッチ情報を参照し、前記検知された速度に応じた許容最大ノッチを決定する、
   請求項６乃至８のいずれか一項に記載の電気車。

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