JP7048313B2 - 鉄道車両に備えられた蓄電装置の充放電を制御する制御装置及び制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、概して、鉄道車両に備えられた蓄電装置の充放電の制御に関する。

近年、地球温暖化といった環境問題を背景に、様々な産業分野において、省エネルギー化が一層重要になってきており、同じ輸送システムである自動車や航空機と比べてエネルギー効率が高いとされている鉄道においても、更なる消費電力量の削減が求められている。このような状況を踏まえて、軽負荷時の回生電力を蓄電池に吸収する電車や、エンジンと蓄電池を組み合わせたハイブリッド気動車など、蓄電池を搭載した鉄道車両が普及してきている。

このような鉄道車両に搭載される蓄電装置は、高電圧かつ大容量が要求されるため、複数の蓄電池（以下、電池セルと呼ぶ）を直列に接続して高電圧化し、更にこの直列体（以下、組電池と呼ぶ）を複数並列に接続して大容量化している。

このような電池セルを多直多並列に接続して構成される電池ブロックにおいては、組電池を充放電するとき、組電池に含まれる複数の電池セルのうち、初めに上限電圧又は下限電圧に到達した電池セルによって組電池全体の充放電可能範囲が決まる。

組電池に含まれる複数の電池セル間で充電率（以下、ＳＯＣ（State Of Charge）と呼ぶ）にばらつきがあると、組電池の実使用範囲が狭くなり、電池セルの性能を十分に発揮することができなくなる場合がある。よって電池ブロック内の複数の電池セルのＳＯＣを均等化しながら運用する必要がある。

複数の電池セルを多直多並列に接続して構成される電池ブロック内の電池セルのＳＯＣ均等化の手法（以下、バランシング制御と呼ぶ）としては、例えば下記の特許文献１に記載の技術がある。特許文献１には、電池セルが開放状態にある場合の電圧（以下、ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）と呼ぶ）に対しＳＯＣが単調増加する特性を利用して、電池セル毎に電圧を検出し、最小電圧の電池セルとほぼ同じ電圧となるよう他の電池セルを放電することにより、各電池セルのＳＯＣを均等化するバランシング制御方式が開示されている。

また、各セル電圧を基にＳＯＣを均等化する場合は、各電池セルのＳＯＣに対応するＯＣＶをなるべく正確に測定することが重要である。充放電中の電池セルは、ＯＣＶに電圧降下分に加わる。そして、充放電停止後も分極によりＯＣＶに残留電圧が加わっている。そこで特許文献２には、電動車両のイグニッションスイッチがオフとなってから一定時間経過後にＳＯＣの均等化を実施するバランシング制御方式が開示されている。

特開２００２－０２５６２８号公報 特開２０１５－１５４６３０号公報

特許文献１、及び特許文献２に開示された従来技術の手法によれば、例えば正極材に３元系、負極材に非晶質炭素を用いたリチウムイオン電池の場合、どのＳＯＣ領域においてもＯＣＶに対するＳＯＣの傾き（以下、｜ΔＯＣＶ／ΔＳＯＣ｜と呼ぶ）が大きい。そのため、ＯＣＶの計測誤差がわずかであればＳＯＣ値の差異もわずかである。故に、精度よくＳＯＣを均等化することは難しくない。

しかし、例えば負極材に黒鉛やチタン酸リチウムを用いたリチウムイオン電池の場合、中央のＳＯＣ５０％前後のＳＯＣ領域において、｜ΔＯＣＶ／ΔＳＯＣ｜が小さい。そのため、中央付近のＳＯＣ領域でバランシング制御を実施した場合、僅かなＯＣＶの計測誤差であっても大幅にＳＯＣ値が異なってしまう。故に、精度よくＳＯＣを均等化することが困難である。ハイブリッド車両のように充電と放電の両方を行う車両では、通常、充電と放電のバランスを適切にするためにＳＯＣは中央付近のＳＯＣ領域に維持されるが、ＳＯＣが中央付近のＳＯＣ領域であると、｜ΔＯＣＶ／ΔＳＯＣ｜が小さい中央付近のＳＯＣ領域を持つ電池が採用された場合、精度よくＳＯＣを均等化することが困難である。

本発明はこのような従来技術の実情からなされたもので、その目的は、鉄道車両に備えられる蓄電装置内の蓄電池の種類に関わらずに精度よくＳＯＣを均等化することにある。

上記の目的を達成するために、鉄道車両に備えられる蓄電装置のバランシング制御を含む充放電制御を行う制御装置が、蓄電装置の充電率が第１の閾値以上の場合に蓄電装置を放電し蓄電装置の充電率が第２の閾値（第２の閾値＜第１の閾値）以下の場合に蓄電装置を充電する充放電制御部と、鉄道車両が停車中である場合に当該停車中の場所がバランシング制御を行う可能性のある予め指定した停車場であるかの停車場判定を行う停車場判定部と、停車場判定の結果が真の場合に第１の閾値及び第２の閾値の少なくとも１つを変更する閾値決定部とを備える。

本発明に係る制御装置は、鉄道車両毎に備えられてもよいし、連結した複数の鉄道車両のうちの特定の鉄道車両（例えば運転台のある鉄道車両）にのみ備えられてもよい。

本発明によれば、鉄道車両に備えられる蓄電装置内の蓄電池の種類に関わらずに精度よくＳＯＣを均等化することができる。前述した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の第１実施形態に係る鉄道車両用駆動システムのシステム構成を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る制御装置の機能構成を示す図である。 本発明の第１実施形態に係るバランシング判定部の制御処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の第１実施形態に係るＳＯＣ－ＯＣＶテーブルの一例であって、負極に非晶質炭素を用いたリチウムイオン電池のＳＯＣ－ＯＣＶ特性を示すＳＯＣ－ＯＣＶテーブルを示す図である。 本発明の第１実施形態に係るセルコントローラの制御処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の第１実施形態に係る電池セルの必要放電時間演算を説明するための図である。 本発明の第１実施形態に係るＳＯＣ－ＯＣＶテーブルの一例であって、負極に非晶質炭素又は黒鉛を適用したリチウムイオン電池のＳＯＣ－ＯＣＶ特性を示すＳＯＣ－ＯＣＶテーブルを示す図である。 本発明の第１実施形態に係る電圧センサに計測誤差を含む場合のＯＣＶとＳＯＣの関係を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る停車場と駅コード、駅間距離、走行経路の関係を示す一例である。 本発明の第１実施形態に係る走行距離－駅コードテーブルの一例を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る駅コード－停車場対応テーブルの一例を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る動作モード判定の説明図である。 本発明の第１実施形態に係る指令値対応テーブルの一例を示す図である。 本発明の第１実施形態に係るエンジンノッチ指令値とコンバータ発電電力指令値の対応関係を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る電動機用インバータ指令値算出の説明図である。 本発明の第１実施形態に係る停車中のエンジンノッチ指令値切り替えの説明図である。 本発明の第１実施形態に係る鉄道車両の一例であるハイブリッド気動車に搭載された蓄電装置のＳＯＣ推移の一例を示す図である。 本発明の第２実施形態に係るシステム停止信号入力前後のタイムチャートである。 本発明の第２実施形態に係る鉄道車両の一例であるハイブリッド気動車に搭載された蓄電装置のＳＯＣ推移の一例を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る鉄道車両の運用方法の一例を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る制御装置の機能構成を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る運用パターンの一例を示す図である。 本発明の第４実施形態に係る駅コード－停車場対応テーブルの一例を示す図である。 本発明の第５実施形態に係る鉄道車両用駆動システムのシステム構成を示す図である。 本発明の第５実施形態に係る制御装置の機能構成を示す図である。 本発明の第５実施形態に係る停車中の架線供給電力指令値の切り替えの説明図である。 本発明の第５実施形態に係る軽負荷回生システム電車に搭載された蓄電装置のＳＯＣ推移の一例を示す図である。 本発明の第６実施形態に係るシステム停止信号入力前後のタイムチャートである。 本発明の第６実施形態に係る軽負荷回生システム電車に搭載された蓄電装置のＳＯＣ推移の一例を示す図である。

以下、本発明に係る鉄道車両用駆動システムを実施するための形態を図に基づいて説明する。

以下に説明する実施形態では、エンジンと蓄電装置を搭載したハイブリッド気動車や力行中の鉄道車両が少ない軽負荷時に回生電力を蓄電装置に蓄電する軽負荷回生システムを搭載した鉄道車両（以下、軽負荷回生システム電車と呼ぶ）に対して適用した場合を例に挙げて説明する。しかし、本実施形態は、蓄電装置を電車に搭載して非電化区間を蓄電装置の放電電力で走行する蓄電池電車や、停電などの非常時に蓄電装置の放電電力で走行する非常走行システムを搭載した鉄道車両にも同様に適用できる。

また以下に説明する実施形態は、蓄電装置を構成する蓄電池にリチウムイオン電池を適用した場合を例に挙げて説明するが、鉛電池やニッケル水素電池など、その他の蓄電池にも、同様に適用できる。

また以下に説明する実施形態では、「記憶部」は、１以上のメモリを含む。記憶部における少なくとも１つのメモリは、揮発性メモリであってもよいし不揮発性メモリであってもよい。

また以下に説明する実施形態では、「プロセッサ部」は、１以上のプロセッサである。少なくとも１つのプロセッサは、典型的には、ＣＰＵ（Central Processing Unit）のようなマイクロプロセッサであるが、ＧＵＰ（Graphics Processing Unit）のような他種のプロセッサでもよい。少なくとも１つのプロセッサは、処理の一部又は全部を行うハードウェア回路（例えばＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）又はＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit））といった広義のプロセッサでもよい。

また以下に説明する実施形態では、「ｋｋｋ部」（記憶部及びプロセッサ部を除く）の表現にて機能を説明することがあるが、機能は、１以上のコンピュータプログラムがプロセッサ部によって実行されることで実現されてもよいし、１以上のハードウェア回路によって実現されてもよい。各機能の説明は一例であり、複数の機能が１つの機能にまとめられたり、１つの機能が複数の機能に分割されたりしてもよい。また、ｋｋｋ部は、ｋｋｋ手段と呼ばれてもよい。

また、以下の説明では、「ｘｘｘテーブル」といった表現にて情報を説明することがあるが、情報は、どのようなデータ構造で表現されていてもよい。すなわち、情報がデータ構造に依存しないことを示すために、「ｘｘｘテーブル」を「ｘｘｘ情報」と言うことができる。また、以下の説明において、各テーブルの構成は一例であり、１つのテーブルは、２以上のテーブルに分割されてもよいし、２以上のテーブルの全部又は一部が１つのテーブルであってもよい。
［第１実施形態］

図１は、本発明の第１実施形態に係る制御装置を含んだ鉄道車両用駆動システムのシステム構成を示す図である。初めに、鉄道車両用駆動システム（以下、駆動システム）１Ａの各機器の構成について説明する。尚、駆動システム１Ａは、ハイブリッド気動車を想定した際の駆動システムである。

駆動システム１Ａは、エンジン２と、エンジン２によって駆動され交流電力を出力する発電機３と、発電機３からの交流電力を直流電力に変換するコンバータ４と、コンバータ４からの直流電力を交流電力に変換する電動機用インバータ５と、電動機用インバータ５からの交流電力を基に鉄道車両を駆動する電動機６と、電動機６の出力を減速して輪軸８に伝達する減速機７と、コンバータ４からの直流電力を交流電力に変換する補機用インバータ９と、補機用インバータ９からの交流電力を基に車両の照明や空調装置等のサービスに用いる補機１０と、充放電によりエンジン２の出力を平準化する蓄電装置１１と、運転士のノッチ操作に応じて運転指令を生成する運転台１２と、運転台１２から送信された運転指令や蓄電装置１１の状態などを基に、コンバータ４、電動機用インバータ５及び補機用インバータ９についての制御指令を生成する制御装置１３と、を有する。

エンジン２は、制御装置１３からのエンジンノッチ指令値に従って軸トルクを出力する。発電機３は、エンジン２の軸トルクを入力として、これを三相交流電力に変換して出力する。コンバータ４は、発電機３から出力される三相交流電力を入力として、これを指令された電力量に対応した直流電力に変換して出力する。

電動機用インバータ５は、コンバータ４を介して供給される直流電力を三相交流電力に変換して電動機６を駆動する。電動機６は、電動機用インバータ５が出力する三相交流電力を入力として、これを軸トルクに変換して出力する。減速機７は、電動機６の回転速度を、異なる歯数の歯車の組合せ等で減速し、それにより増幅した軸トルクで輪軸８を駆動して車両を加減速する。また、輪軸８には、車両速度を計測するための速度発電機（図示せず）が取り付けられている。

補機用インバータ９は、コンバータ４と電動機用インバータ５間の直流電力を入力としてこれを三相交流電力に変換して出力する。補機１０は、車両の照明や空調装置等のサービス機器であり、補機用インバータ９より供給された電力で稼働する。

蓄電装置１１は、複数のリチウムイオン電池セル（以下、電池セルと呼ぶ）を直並列に接続し、高圧化及び大容量化した電池ブロック１１Ａと、各電池セルの電圧（以下、セル電圧と呼ぶ）を測定し、電池ブロック１１Ａ内の電池セルのＳＯＣにばらつきが生じた場合に、ＳＯＣの均等化を図る機能を有するセルコントローラ１１Ｂとを有する。

運転台１２は、時刻、出力制限状態を表示する表示器のような出力装置（図示せず）や、ボタンのような入力装置を備える。出力装置及び入力装置の少なくとも一部は、マンマシンインターフェースである。

制御装置１３は、運転指令や蓄電装置１１のＳＯＣなどを基に、エンジン２、コンバータ４、電動機用インバータ５及び補機用インバータ９の少なくとも１つへ制御信号を出力し、駆動システム１Ａ全体の電力フローを制御する。

ここで、セルコントローラ１１Ｂ及び制御装置１３の少なくとも１つは、マイコン、アナログ回路、及びＩＣ素子により構成される電子回路でよい。

図２は、本発明の第１実施形態に係る制御装置の機能構成を示す図である。

制御装置１３は、記憶部１３Ａを有する。制御装置１３の機能としては、ＳＯＣ推定部１３Ｂ、バランシング判定部１３Ｃ、駅コード判定部１３Ｄ、停車場判定部１３Ｅ、計時部１３Ｔ、閾値決定部１３Ｙ、及び、充放電制御部１３Ｘがある。充放電制御部１３Ｘは、駆動制御部１３Ｆ及び補機制御部１３Ｇを有する。

記憶部１３Ａには、後述の指令値対応テーブル、ＳＯＣ閾値１（第１の閾値の一例）、ＳＯＣ閾値２（第２の閾値の一例）、走行距離－駅コード対応テーブル、駅コード－-停車場対応テーブル、ＳＯＣ－ＯＣＶテーブルなどのデータが予め格納されている。また、記憶部１３Ａには、制御装置１３の停止シーケンスで、ＳＯＣ推定部１３Ｂで推定したＳＯＣがＳＯＣ推定部１３ＢによりＳＯＣ初期値として格納される（矢印２０１）。また、制御装置１３の次回起動シーケンスで、ＳＯＣ推定部１３Ｂにより記憶部１３ＡからＳＯＣ初期値が読み出される。更に、記憶部１３Ａには、計時部１３Ｔにより測定された時刻（例えば、年月日時分秒で表現される時刻）を示す日時情報も必要に応じて格納されてよい（矢印２７０）。計時部１３Ｔにより測定された時刻は、記憶部１３Ａに格納されることに代えて又は加えて、バランシング判定部１３Ｃや停車場判定部１３Ｅといった機能に入力されてもよい。

ＳＯＣ推定部１３Ｂは、電池ブロック１１Ａに具備された電流センサ（図示せず）で計測したバッテリ電流を特定する（矢印２０２）。また、ＳＯＣ推定部１３Ｂは、記憶部１３Ａから満充電容量、及びＳＯＣ初期値を読み出す（矢印２０３）。ＳＯＣ推定部１３Ｂは、バッテリ電流、満充電容量、及びＳＯＣ初期値を基に、ＳＯＣを算出し、算出したＳＯＣを駆動制御部１３Ｆに出力する（矢印２０４）。ＳＯＣの算出式は、数１の通りである。

ここで、ＳＯＣ_０はＳＯＣ初期値、Ｉはバッテリ電流、Ｑｍａｘはバッテリ（電池ブロック１１Ａ）の満充電容量である。

バランシング判定部１３Ｃは、各電池セルの電圧（以下、セル電圧）を特定し（矢印２０５）、記憶部１３ＡからＳＯＣ－ＯＣＶテーブルを読み出し（矢印２０６）、各セル電圧とＳＯＣ－ＯＣＶテーブルとを基に、セル電圧を均等化するバランシング制御の実施可否を判定する。その判定結果が真の場合に、バランシング判定部１３Ｃは、バランシング目標電圧をセルコントローラ１１Ｂに送信する（矢印２０７）。第１実施形態では簡略化のため、セルコントローラ１１Ｂを一つのブロックとして書いているが、実際の大規模な蓄電装置１１においてはセルコントローラ１１Ｂが複数搭載されていることが多いため、一度、制御装置１３に複数のセルコントローラ１１Ｂでそれぞれ取得した各セル電圧を集約し、バランシング目標電圧を規定して各セルコントローラ１１Ｂに送信することで、電池ブロック１１Ａ内の全電池セルの容量均等化を図ることができる。

図３は、本発明の第１実施形態に係るバランシング判定部の制御処理の流れを示すフローチャートである。

まず、バランシング判定部１３Ｃは、全電池セルのセル電圧をセルコントローラ１１Ｂから受信する（Ｓ１０１）。

次に、バランシング判定部１３Ｃは、Ｓ１０２～Ｓ１０４でバランシングを実施するのに適した条件が満たされているか判定する。バランシング制御の実施可否の判定（後述のＳ１０６）では、例えば、ＯＣＶ（電池セルが開放状態にある場合の電圧）に対し、ＳＯＣが単調増加する特性を利用して、ＳＯＣのばらつきが判定される。そのため、バランシング制御は、起動時の回路が開放状態にある高電圧リレー投入前に判定するのが望ましく、また、分極の影響が小さいと考えられる前回システム停止から一定時間（例えば数時間）経過後に実施するのが最適である。そこで、Ｓ１０２において、バランシング判定部１３Ｃは、起動時の高電圧リレー投入前か判定する。Ｓ１０２の判定結果が真の場合に、Ｓ１０３において、バランシング判定部１３Ｃは、前回のシステム停止からの経過時間がＰ時間（Ｐ＞０、例えばＰ＝３）以上か判定する。Ｓ１０３の判定結果が真の場合に、Ｓ１０４において、バランシング判定部１３Ｃは、停車場フラグ（Ｆｓｔ）が“１”（指定停車場）かを判定する。Ｆｓｔは、停車場判定部１３Ｅから入力される（図２の矢印２１１）。Ｓ１０４の判定結果が真の場合に、バランシングを実施するのに適した条件が満たされているとの評価であるため、処理がＳ１０５に移行する。Ｓ１０２～Ｓ１０４の少なくとも１つの判定結果が偽の場合に、処理がＳ１０８に移行する。

Ｓ１０５において、バランシング判定部１３Ｃは、バランシング制御の実施可否の判定を行う。Ｓ１０５において、バランシング判定部１３Ｃは、記憶部１３ＡからＳＯＣ－ＯＣＶテーブルを読み出し、全電池セルのセル電圧のうち、最高値と最低値をそれぞれセルＳＯＣに変換する。図４は、本発明の第１実施形態に係るＳＯＣ－ＯＣＶテーブルの一例を示す図である。図４は、蓄電池を正極に３元系、負極に非晶質炭素を用いたリチウムイオン電池のＳＯＣ－ＯＣＶ特性を示すＳＯＣ－ＯＣＶテーブルの一例を示す図である。全電池セルのセル電圧の最高値及び最低値がそれぞれ３．７８Ｖ及び３．６０Ｖであると仮定した場合、全電池セルのセルＳＯＣの最高値及び最低値はそれぞれ６５％及び５０％となる。

次に、図３に示すように、Ｓ１０６において、バランシング判定部１３Ｃは、セルＳＯＣ最高値とセルＳＯＣ最低値の差分（セルＳＯＣ差）がＱ％（Ｑ＞０、例えばＱ＝１０）以上か判定する。Ｓ１０６の判定結果が真の場合に、バランシング制御が実施すべき状態のため、処理がＳ１０７に移行する。Ｓ１０６の判定結果が偽の場合に、処理がＳ１０８に移行する。

Ｓ１０７において、バランシング判定部１３Ｃは、バランシング目標電圧として全電池セルのセル電圧の最低値を設定する。

一方、Ｓ１０８において、バランシング判定部１３Ｃは、バランシング制御を実施するのに不適切な条件が満たされているため、バランシング目標電圧として“－１”（無効値）を設定する。

最後に、バランシング判定部１３Ｃは、Ｓ１０７又はＳ１０８で設定したバランシング目標電圧をセルコントローラ１１Ｂに送信する（Ｓ１０９）。

セルコントローラ１１Ｂでは、バランシング判定部１３Ｃより受信したバランシング目標電圧を基に、セルコントローラ１１Ｂの基板上に搭載しているバランシングスイッチ（図示せず）と放電抵抗（図示せず）を用いて各電池セルのＳＯＣを均等化する。

図５は、本発明の第１実施形態に係るセルコントローラの制御処理の流れを示すフローチャートである。

Ｓ２０１で、セルコントローラ１１Ｂは、バランシング判定部１３Ｃからバランシング目標電圧を受信する。Ｓ２０２において、セルコントローラ１１Ｂは、バランシング目標電圧が“－１”（無効値）の場合、容量調整を行わずに本制御を終了とする。一方、Ｓ２０２において、バランシング目標電圧が“－１”（無効値）でない場合、処理がＳ２０３に移行する。セルコントローラ１１Ｂは、記憶部１３Ａと同様にＳＯＣ－ＯＣＶテーブルをメモリ（図示せず）に保有しており、Ｓ２０３で、ＳＯＣ－ＯＣＶテーブルを参照し、各セル電圧及びバランシング目標電圧それぞれ各セルＳＯＣ、バランシング目標ＳＯＣに変換する。次に、Ｓ２０４で、セルコントローラ１１Ｂは、電池セル毎にΔＳＯＣ（セルＳＯＣとバランシング目標ＳＯＣの差）を計算し、ΔＳＯＣ、満充電容量及び容量調整電流からそれぞれ必要放電時間を算出する。ここで、「容量調整電流」とは、セルコントローラ１１Ｂの基板上に搭載しているバランシングスイッチを“ＯＮ”とした際に、放電抵抗に印加される電流値である。最後に、Ｓ２０５で、セルコントローラ１１Ｂは、電池セル毎に必要放電時間分だけバランシングスイッチをそれぞれ“ＯＮ”とすることで、各電池セルの容量を均等化する。

図６は、本発明の第１実施形態に係る電池セルの必要放電時間演算を説明するための図である。セルコントローラ１１Ｂが管理する電池セルはセル１～７（Ｎｏ．１～Ｎｏ．７の７個の電池セル）であり、バランシング目標ＳＯＣはセル５の５０％と仮定した時のセル２の必要放電時間を一例とする。ここで、電池セルの満充電容量を１０Ａｈ、セルコントローラ１１Ｂの容量調整電流を５０ｍＡとする。まず、セル２のセルＳＯＣは６５％であることから、セル２のΔＳＯＣは１５％である。これより、セル２をバランシング目標ＳＯＣとするために必要な放電容量（以下、必要放電容量と呼ぶ）の計算式は、数２の通りである。

数２において、満充電容量１０Ａｈ、ΔＳＯＣ１５％より、セル２の必要放電容量は１，５００ｍＡｈとなる（必要放電容量＝１０Ａｈ（満充電容量）×０．１５（ΔＳＯＣ）＝１．５Ａｈ＝１，５００ｍＡｈ）。また、必要放電容量より、バランシング目標ＳＯＣとするために必要なバランシングスイッチの“ＯＮ”継続時間（以下、必要放電時間と呼ぶ）の計算式は、数３の通りである。

数３において、必要放電容量１，５００ｍＡｈ、容量調整電流５０ｍＡより、セル２の必要放電時間は３０時間となる（必要放電時間＝１，５００ｍＡｈ（必要放電容量）÷５０ｍＡ（容量調整電流）＝３０ｈ）。同様にして、各電池セルについて必要放電時間を計算し、この時間分バランシングスイッチを“ＯＮ”とすることで、電池ブロック１１Ａ内の全電池セルの容量均等化を図る。

図４では、正極に３元系、負極に非晶質炭素を用いたリチウムイオン電池のＳＯＣ－ＯＣＶテーブルが例として挙げられた。しかし、ＳＯＣ－ＯＣＶ特性は電池種や正極及び負極の材料の組合せにより変化する。

図７は、本発明の第１実施形態に係る負極に非晶質炭素又は黒鉛を適用したリチウムイオン電池のＳＯＣ－ＯＣＶ特性を示すＳＯＣ－ＯＣＶテーブルの一例を示す図である。図７において、負極に非晶質炭素を適用したリチウムイオン電池（破線７０１）の場合、どのＳＯＣ領域においても、ＯＣＶに対するＳＯＣの傾き（｜ΔＯＣＶ／ΔＳＯＣ｜）が大きい。一方、負極に黒鉛を適用したリチウムイオン電池（実線７０２）の場合、特にＳＯＣ２０以上６０％以下の領域（以下、中央付近ＳＯＣ領域）７００で｜ΔＯＣＶ／ΔＳＯＣ｜が相対的に小さい（負極が負極に非晶質炭素を適用したリチウムイオン電池についての中央付近ＳＯＣ領域での｜ΔＯＣＶ／ΔＳＯＣ｜に比べて小さい）。この特徴は、負極がチタン酸リチウムのリチウムイオン電池や鉛電池、ニッケル水素電池も同様である。このような｜ΔＯＣＶ／ΔＳＯＣ｜が一定範囲のＳＯＣ領域について相対的に小さい（僅かなＯＣＶの計測誤差であっても大幅にＳＯＣ値が異なってしまう）蓄電池が蓄電装置１１に採用されている場合、バランシング制御の精度が、著しく悪化する可能性がある。

図８は、本発明の第１実施形態に係る電圧センサに計測誤差を含む場合のＯＣＶとＳＯＣの関係を示す図である。参照符号８００Ａは、負極に非晶質炭素を適用したリチウムイオン電池についてのＳＯＣ－ＯＣＶテーブルを示す。参照符号８００Ｂは、負極に黒鉛を適用したリチウムイオン電池についてのＳＯＣ－ＯＣＶテーブルを示す。

電圧センサやセル監視ＩＣ（Integrated Circuit）でセル電圧を計測する場合、センサのオフセット誤差やゲイン誤差、量子化誤差の影響により、測定値には数ｍＶ～数十ｍＶの計測誤差が重畳する。この計測誤差はセンサにより様々だが、電池ブロック内の全ての電池セルのセル電圧を計測する必要があるため、精度の良い高価な電圧センサを適用することは難しく、通常数十ｍＶ程度の誤差が計測値に含まれる。図８では、この電圧センサの計測誤差を２０ｍＶとした場合を例に、負極が非晶質炭素と黒鉛の場合について、それぞれＳＯＣ－ＯＣＶテーブルを参照してセル電圧をセルＳＯＣに変換したことを示す。

まず、テーブル８００Ａによれば、負極が非晶質炭素の場合、セル電圧がそれぞれ３．６０Ｖ（真値）及び３．６２Ｖ（電圧計測誤差含）に対応するセルＳＯＣは５０％（真値）及び５１％（電圧計測誤差含）であり、電圧計測誤差に基づくＳＯＣの誤差（以下、ＳＯＣ誤差と呼ぶ）は１％となる。一方、テーブル８００Ｂによれば、負極が黒鉛の場合、セル電圧がそれぞれ３．６０Ｖ（真値）及び３．６２Ｖ（電圧計測誤差含）に対応するセルＳＯＣは４０％（真値）及び５５％（電圧計測誤差含）であり、ＳＯＣ誤差は１５％となり、負極が非晶質炭素の場合と比べてかなり大きい。そのため、負極が黒鉛の場合にＳＯＣ２０～６０％の｜ΔＯＣＶ／ΔＳＯＣ｜が小さい領域でバランシングの判定をしてしまうと、各電池セルのセルＳＯＣに非常に大きなＳＯＣ誤差が含まれてしまうため、精度よくＳＯＣを均等化することができない。

そこで、図２に示した駅コード判定部１３Ｄ、停車場判定部１３Ｅ、閾値決定部１３Ｙ及び充放電制御部１３Ｘ（駆動制御部１３Ｆ及び補機制御部１３Ｇ）を用いて、バランシング制御を行う可能性のある特定の停車場に停車中に、電池ブロック１１ＡのＳＯＣを、上述した中央付近ＳＯＣ領域の最大ＳＯＣ６０％以上、又は、最低ＳＯＣ２０％以下とすることで、計測精度の高くない安価な電圧センサやセル監視ＩＣであっても、精度よくＳＯＣを均等化することが図られる。以降、図２の制御装置の機能構成を基に、その実現方法について説明する。

駅コード判定部１３Ｄは、輪軸８に取り付けられている速度発電機（図示せず）から受信した車両速度を積算し（矢印２０８）、走行距離を算出する。そして、駅コード判定部１３Ｄは、走行距離－駅コード対応テーブルを記憶部１３Ａから読み出し（矢印２０９）、積算された走行距離と読み出された走行距離－駅コード対応テーブルとを基に、停車場の駅コードを識別する。

図９は、本発明の第１実施形態に係る停車場と駅コード、駅間距離、走行経路の関係を示す一例である。路線の区間内に、Ａ駅、Ｂ駅、Ｃ駅、Ｄ駅、Ｅ駅、Ｆ駅、及び車両基地があり、駅コードがそれぞれ“１”、“２”、“３”、“４”、“５”、“６”、及び“７”と割り当てられている。走行経路は、Ａ駅を出発し、Ｆ駅で折り返し、再度Ａ駅で折り返し、車両基地まで走行する経路である。

図１０は、本発明の第１実施形態に係る走行距離－駅コードテーブルの一例を示す図である。

走行距離－駅コード対応テーブル１０００は、鉄道車両走行中に随時更新される走行距離ｘを入力として、走行距離ｘに応じた駅コードを出力とする。例えば、走行距離の計測値が１０ｋｍを超えた時点で、出力される駅コードが１（Ａ駅）から２（Ｂ駅）に切替わる。これにより鉄道車両がどこの位置にいるかを識別することができる。

尚、第１実施形態では、走行距離を基に鉄道車両の位置が識別されるが、線路上に設置された地上子から送信された位置情報を鉄道車両の車上子で受信することで、位置情報が取得されてもよい。

図２に示すように、停車場判定部１３Ｅは、駅コード判定部１３Ｄから駅コードを受信し（矢印２１０）、駅コード－停車場対応テーブルを記憶部１３Ａから読み出し（矢印２３０）、受信した駅コード及び読み出した駅コード－停車場対応テーブルを基に、走行中又は停車中の場所が、予め指定した場所であるか判定する。

図１１は、本発明の第１実施形態に係る駅コード－停車場対応テーブルの一例を示す図である。

駅コード－停車場対応テーブル１１００は、駅コードを入力として、駅コードに応じた停車場フラグ（Ｆｓｔ）を出力とする。第１実施形態では、バランシング制御の実施条件となるシステムの停止及び起動操作を行う可能性の高い、折り返し駅のＡ駅とＦ駅、及び車両基地について、Ｆｓｔが“１”であり、それ以外の場所についてはＦｓｔが“０”である。Ｆｓｔ“１”に対応した駅コードが、予め指定された停車場の駅コードに相当する。

図２に示す閾値決定部１３Ｙは、停車場判定部１３Ｅから判定結果としてのＦｓｔを受信し（矢印２１２）、Ｆｓｔが“１”の場合に、記憶部１３ＡにおけるＳＯＣ閾値１及び２のうちの少なくとも１つを変更する（矢印２１３）。駆動制御部１３Ｆは、ＳＯＣ推定部１３ＢからＳＯＣを受信したり（矢印２０４）、停車場判定部１３Ｅから判定結果としてのＦｓｔを受信したり（矢印２１４）、記憶部１３Ａから指令値対応テーブル、ＳＯＣ閾値１及び２等を読み出したり（矢印２１５）、運転台１２から運転指令又はシステム停止信号などを受信したり（矢印２１６）、輪軸８から車両速度を受信したりする（矢印２１７）。駆動制御部１３Ｆは、受信した情報や読み出した情報などを基に、エンジン２に対する制御指令値（ノッチ指令値）を生成してエンジン２に送信したり（矢印２１８）、コンバータ４に対する指令値（発電電力指令値）を生成してコンバータ４に送信したり（矢印２１９）、電動機用インバータ５に対する指令値（出力指令値）を生成して電動機用インバータ５に送信したりする（矢印２２０）。

図１２は、本発明の第１実施形態に係る動作モード判定の説明図である。

動作モードは、エンジンノッチ指令を選択するためのモード判定であって、車両速度とＳＯＣを基に、４モードに分類される。リチウムイオン電池など蓄電池は、ＳＯＣが１００％や０％付近で使用すると、劣化が加速される傾向があることから、蓄電池メーカーによって推奨するＳＯＣの使用範囲（以下、ＳＯＣ推奨使用範囲）が規定されている。モードＡ及びモードＢは、このＳＯＣ推奨使用範囲内でのモード選択である。車両速度が１０ｋｍ未満の停車に近い状態の場合はモードＡが選択され、車両速度が１０ｋｍ以上の走行状態である場合はモードＢが選択されるとする。一方、ＳＯＣ推奨使用範囲外である場合は、車両速度に関わらずＳＯＣによってモードが選択される。ＳＯＣが使用上限ＳＯＣであるＳＯＣ閾値１（９０％）より大きい場合はモードＣが選択され、ＳＯＣが使用下限ＳＯＣであるＳＯＣ閾値２（１０％）未満の場合はモードＤが選択されるとする。次に、駆動制御部１３Ｆは、動作モードと運転指令を基にエンジンノッチ指令値を生成する。

図１３は、本発明の第１実施形態に係る指令値対応テーブルの一例を示す図である。

第１実施形態では、説明の簡略化のため、運転指令を“１”（力行）、“２”（回生）、“３”（惰行）、“４”（抑速）、“５”（停止）の５種としたが、定速運転などの運転指令を加えてもよい。図１２を基に判定した動作モードと、運転台１２から受信した運転指令を基に、駆動制御部１３Ｆは、図１３の対応テーブル１３００を参照してエンジンノッチ指令値を設定する。また、エンジンノッチ指令値は、“１”（エンジン１Ｎ）、“２”（エンジン２Ｎ）、“３”（エンジン３Ｎ）、“４”（アイドルアップ発電）、“５”（エンジン停止）の５段階とする。

ここで、各、エンジンノッチ指令値における動作を説明する。

エンジンノッチ指令値が“１”（エンジン１Ｎ）、“２”（エンジン２Ｎ）、及び“３”（エンジン３Ｎ）のいずれかの場合は、駆動制御部１３Ｆは、それぞれエンジン出力と発電機負荷出力がバランスする点となるようエンジン２を制御する。エンジンノッチ指令値が“４”（アイドルアップ発電）の場合、駆動制御部１３Ｆは、エンジン２をアイドルアップ時の回転速度（例えば８００ｒｐｍ）程度で安定するようにエンジン２を制御する。エンジンノッチ指令値が“５”（エンジン停止）の場合、駆動制御部１３Ｆは、エンジン２への燃料供給を完全に停止し、エンジン回転自体を停止する。ここで、基本的にエンジンノッチ指令値は運転指令と動作モードにより一意に定まるが、動作モードがモードＡで運転指令が５（停止）の停車中を想定した場合のみ、本実施形態では、“４”（アイドルアップ発電）と“５”（エンジン停止）をＳＯＣに基づいて切り替える仕様が採用される。

図１４は、本発明の第１実施形態に係るエンジンノッチ指令値とコンバータ発電電力指令値の対応関係を示す図である。

通常、エンジン回転速度が一定以上の領域では、エンジン２とコンバータ４の協調制御を行い、コンバータ発電電力指令値を無段階に制御するが、第１実施形態では説明の簡略化のため、コンバータ発電電力指令値をエンジンノッチ指令値に対し、それぞれ一定の値とする。

図１５は、本発明の第１実施形態に係る運転指令とインバータ指令値算出の説明図である。ここで、インバータ指令値についても説明の簡略化のため、無段階の値でなく、それぞれ一定の値とする。インバータ指令値は、正値の際は蓄電池が放電、負値の際は蓄電池が充電動作となる極性とする。ここで、基本的にエンジンノッチ指令値は運転指令と動作モードにより一意に定まるが、動作モードがモードＡで運転指令が５（停止）の停車中を想定した場合のみ、－３０ｋＷと３０ｋＷをＳＯＣに基づいて切り替える仕様とする。

図１６は、本発明の第１実施形態に係る停車中のエンジンノッチ指令値切り替えの説明図である。

上述したように、ＳＯＣ閾値１及び２が存在する。ＳＯＣがＳＯＣ閾値１以上であった場合に、充放電制御部１３Ｘが、蓄電装置１１を強制的に放電する。ＳＯＣ閾値２は、ＳＯＣ閾値１よりも低く設定される。ＳＯＣがＳＯＣ閾値２以下であった場合に、充放電制御部１３Ｘが、蓄電装置１１を強制的に充電する。

第１実施形態の場合、ＳＯＣ閾値１は、Ｆｓｔに関わらず、固定値９０％とする。

一方、ＳＯＣ閾値２は、Ｆｓｔ“０”の場合は４５％であり、Ｆｓｔ“１”の場合は閾値決定部１３ＹによりＦｓｔ“０”よりも高い値、例えば、中央付近ＳＯＣ領域の最高値６０％とする。

また、指令値（エンジンノッチ指令値）の切り替えの際は、図の通りＳＯＣに所定範囲（例えば１０％）のヒステリシス領域を設定することで、エンジン２の動作を安定化させることができる。

図２に示す補機制御部１３Ｇは、運転台１２から扉開閉指令やシステム停止信号を受信した場合に（矢印２２１）、扉開閉に必要な動力を計算する。また、補機制御部１３Ｇは、鉄道車両内に設置した温度センサ（図示せず）からの車内温度から空調機器に必要な動力を計算する。そして、補機制御部１３Ｇは、扉開閉と空調機器に必要な動力から補機用インバータ出力指令値を算出し、当該指令値を補機用インバータ９に送信する（矢印２２２）。尚、補機制御部１３Ｇは、ＳＯＣ閾値１及び２の少なくとも１つやＳＯＣやＦｓｔを駆動制御部１３Ｆから受信してもよい（矢印２８３）。それに代えて、補機制御部１３Ｇは、ＳＯＣ閾値１及び２の少なくとも１つを記憶部１３Ａから読み出したり、ＳＯＣをＳＯＣ推定部１３Ｂから受信したり、Ｆｓｔを停車場判定部１３Ｅから受信したりしてもよい。例えば、補機制御部１３Ｇは、ＳＯＣがＳＯＣ閾値１以上の場合に、補機１０を稼働させることで蓄電装置１１を放電してもよい。これにより、補機１０を稼働させることで強制的な放電が可能である。

図１７は、本発明の第１実施形態に係る鉄道車両の一例であるハイブリッド気動車に搭載された蓄電装置１１のＳＯＣ推移の一例を示す図である。

経過時間０～１５分、２２～４２分、２５２分以降は、いずれも、車両走行中である。駅出発直後は、エンジンアシストによる力行動作を行うためＳＯＣが低下する。駅到着直前は、電動機６を発電機として回生動作を行うためＳＯＣが上昇する。

経過時間１５～２２分、４２～２５２分は、いずれも、車両停車中である。経過時間１５～２２分は、停車時間が短いＥ駅に停車中のため、バランシング制御の実施条件となるシステムの停止及び起動操作を行う可能性の低いことから、Ｅ駅に対応したＦｓｔは“０”とされ、故に、ＳＯＣ閾値２が４５％に維持される。これにより、停車中において、駆動制御部１３Ｆは、ＳＯＣが４５％を下回ることを検出した場合、エンジン２をアイドルアップすることでアイドルアップ充電を行う。結果として、ＳＯＣが上昇する。ＳＯＣが５５％（４５％＋１０％（ヒステリシス範囲））を上回ると、駆動制御部１３Ｆによりエンジン２が停止し、補機１０への電力供給のみとなるためＳＯＣが低下する。そのため、停車中はＳＯＣが４５％～５５％の範囲を行き来する推移となる。

通常、ハイブリッド気動車に搭載する高出力タイプのリチウムイオン電池は、充電側と放電側の両側で高出力が得られるようＳＯＣ範囲の中央（５０％）付近で最適となるよう設計されている。そのため、高いＳＯＣ領域や低いＳＯＣ領域では、充放電サイクルによる劣化や経時劣化がＳＯＣ範囲中央付近の場合と比べて大きくなる傾向がある。また、停車時間の短い駅で高いＳＯＣ領域まで急速充電を行うと、電池温度が高くなり、駅出発直後のエンジンアシストを十分にできない可能性がある。そのため、Ｆｓｔ“０”に対応した通常の駅では、使用するＳＯＣ範囲が、４５％～５５％の中央付近に維持される。

一方、経過時間４２～２５２分は、停車時間が長いＦ駅に停車中のため、バランシング制御の実施条件となるシステムの停止及び起動操作を行う可能性の高いことから、Ｆ駅に対応したＦｓｔは“１”とされ、故に、ＳＯＣ閾値２が、閾値決定部１３Ｙにより、通常の閾値（４０％）よりも高い６０％とされる。従って、停車中において、駆動制御部１３Ｆは、ＳＯＣが６０％を下回ることを検出した場合、ＳＯＣが７０％（６０％＋１０％（ヒステリシス範囲））に達するまでアイドルアップ充電を行う（符号１７００を参照）。これにより、ハイブリッド気動車の場合の強制充電が行われ、停車中はＳＯＣが６０％～７０％（６０％＋１０％（ヒステリシス範囲））の範囲を行き来する推移となる。結果として、停車中のどのタイミングでシステム停止が入ってもＳＯＣは６０％以上の状態となる。このため、システム起動時のバランシング制御時のＳＯＣを６０％以上（すなわち、蓄電池の種類によっては｜ΔＯＣＶ／ΔＳＯＣ｜が相対的に小さいＳＯＣ領域（中央付近ＳＯＣ領域）の最高値以上）とすることができ、結果として、バランシング制御の判定を高精度に行うことができる。尚、図１７では、経過時間２４０分でシステムが起動しバランシング制御が行われる（符号１７０１を参照）。

以上の制御により、車両停車中のＳＯＣを常にＳＯＣ範囲の中央付近とする場合と比べて、駅出発直後のエンジンアシスト性能維持や劣化抑制を図りつつ、バランシング制御の判定を高精度に行うことができる。
［第２実施形態］

第２実施形態では、閾値決定部１３Ｙは、停車中の場所が予め指定した停車場である場合に（停車中にＦｓｔ“１”が入力された場合に）必ず停車中のＳＯＣ使用範囲（例えばＳＯＣ閾値２）を高く設定するのではなく、停車中の場所が予め指定した停車場であり且つシステム停止（典型的にはエンジン停止）が入力された場合にＳＯＣ使用範囲を高く設定する。

図１８は、本発明の第２実施形態に係るシステム停止信号入力前後のタイムチャートである。

通常、運転台１２から受信したシステム停止信号が“０”（稼働）から“１”（停止）に切り替わった後は、駆動制御部１３Ｆは、即座にエンジン２を停止させる。第２実施形態では、閾値決定部１３Ｙは、停車中の場所が予め指定した停車場であり且つシステム停止が入力された場合にＳＯＣ閾値２を６０％に高める。これにより、システム停止入力後もＳＯＣが６０％となるまでは、駆動制御部１３Ｆは、エンジン２のアイドルアップ充電を継続し、蓄電装置１１を充電する（符号１８００を参照）。

図１９は、本発明の第２実施形態に係る鉄道車両の一例であるハイブリッド気動車に搭載された蓄電装置のＳＯＣ推移の一例を示す図である。

第１実施形態では、Ｆ駅到着後（４２分付近）にＳＯＣ閾値２が４５％から６０％に変更され、故に、アイドルアップ充電でＳＯＣが７０％まで充電される。第２実施形態では、Ｆ駅到着後でもシステム停止信号が“１”（停止）とならなければ、ＳＯＣ閾値２の変更は行われず、故に、ＳＯＣ使用範囲が４５～５５％に維持される。そして、Ｆ駅到着後でシステム停止信号が“１”（停止）となったタイミングで、閾値決定部１３Ｙが、ＳＯＣ閾値２を６０％に変更し、故に、駆動制御部１３Ｆが、ＳＯＣが６０％（又は、ヒステリシス範囲１０％を加えた７０％）となるまで蓄電装置１１を充電し（符号１９００を参照）、その後システムを完全に停止させる。

以上の制御により、第１実施形態ではシステムの停止及び起動操作を行う可能性の高い駅では常にＳＯＣ使用範囲が高くされるが、第２実施形態では実際にシステムの停止が行われた場合のみＳＯＣ使用範囲が高くされる。このため、より劣化抑制の効果を高めながらバランシング制御の判定を高精度に行うことができる。

その他の第２実施形態の構成は、上述した第１実施形態の構成と同じであり、重複する説明を省略している。
［第３実施形態］

第３実施形態では、停車場の判定に、駅コードに加えて運用情報と時刻が用いられる。電池セルの自己放電量などの個体差により発生する。ＳＯＣのばらつきは、数時間で１０％以上差が出ることは珍しく、通常は一日一回程度バランシング制御の判定を実施していれば十分運用できると考えられる。しかし、第１実施形態ではシステムの停止及び起動操作を行う可能性の高い駅（予め指定された停止場の一例）では常にＳＯＣ使用範囲が高くされる。そこで、第３の実施形態では、停車場判定部１３Ｅが、日毎の最終停車場を特定し、停車中の場所が最終停車場の場合のみ、ＳＯＣ使用範囲（例えばＳＯＣ閾値２）を高く設定する。

図２０は、本発明の第２実施形態に係る鉄道車両の運用方法の一例を示す図である。

通常、鉄道運営においては、一つの路線間を同時に複数の鉄道車両が走行するため、編成ごとに運用パターンを割り当て、ローテーションすることで、路線全体の運用を行う。第３実施形態では、３編成の鉄道車両で運用する場合を例に説明する。１編成目の鉄道車両はＡ駅を出発してＦ駅で折り返し、更にＡ駅でもう一度折り返して車両基地で停泊する（運用１）。２編成目の鉄道車両は車両基地を出発してＦ駅－Ａ駅間を２往復し、Ｆ駅で停泊する（運用２）。３編成目の鉄道車両はＦ駅を出発してＡ駅で折り返し、更にＦ駅でもう一度折り返してＡ駅で停泊する（運用３）。このように、編成ごとに運用パターンを割り当て、ローテーションすることで、路線全体の車両管理を行う。このようにローテーションすることで路線全体の車両管理を行うため、運用毎に、停泊する最終停車場（予め指定された停車場の一例）は異なる。そこで、停車場判定部１３Ｅは、運用情報（運用毎に運用パターン（例えば、始発駅、折り返し駅、最終停車駅、及び、少なくとも１つの駅（例えば最終停車駅）での時刻）を示す情報）と日時情報（例えば現在時刻を示す情報）と基に、最終停車場を特定する。

図２１は、本発明の第３実施形態に係る制御装置の機能構成を示す図である。

第１実施形態との差分は、例えば、主に、運用番号判定部１３Ｈの追加と、停車場判定部１３Ｅが記憶部１３Ａから日時情報及び運用情報を読み出すことと（矢印２３１）、停車場判定部１３Ｅが運用番号判定部１３Ｈから運用番号を受信すること（矢印２３２）である。

運用番号判定部１３Ｈは、運用番号を出力するカウンタ（図示せず）を保有する。運用番号判定部１３Ｈは、記憶部１３Ａから日時情報を読み出し（矢印２３３）、読み出した日時情報を基に（例えば、午前３時などの予め規定した時刻を跨ぐと）、カウンタが保有の運用番号の値をインクリメントする（処理前の運用番号が上限値の場合は１に戻す処理を行う）。このようにして、運用番号判定部１３Ｈは、複数の運用のうちの採用されている運用を判定する。例えば、運用番号として“１”、“２”及び“３”があるとする。運用番号判定部１３Ｈは、始発駅でシステム起動した際に、処理前の運用番号が“１”だった場合は“２”に、処理前の運用番号が“２”だった場合は“３”に、処理前の運用番号が“３”だった場合は“１”にそれぞれ更新する。

図２２は、本発明の第３実施形態に係る運用パターンの一例を示す図である。

停車場判定部１３Ｅは、運用番号と日時情報を基に、停車中の場所が、採用されている運用に対応した最終停車場であるかを判定する。第３実施形態では、運用３（運用番号“３”に対応した運用）の場合を例として説明する。運用３の場合（図２０参照）、最終停車場は駅コード“１”のＡ駅である。第１実施形態では、停車中の場所がＡ駅の場合は常にＦｓｔは“１”である。一方、第３実施形態では、最終停車場の到着予定時刻２３：３０（運用情報における、運用３に対応した情報）を基に、停車場判定部１３Ｅは、例えば、日時情報が２３：００～２４：００内の時刻を示し、且つ、受信した駅コードが“１”の場合に、Ｆｓｔを“１”として出力する（符号２２００を参照）。

以上の制御により、第１実施形態ではシステムの停止及び起動操作を行う可能性の高い駅では常にＳＯＣ使用範囲が高くされるが、第３実施形態では最終停車場といったより限られた状況でのみＳＯＣ使用範囲が高くされる。このため、より劣化抑制の効果を高めながらバランシング制御の判定を高精度に行うことができる。

その他の第３実施形態の構成は、上述した第１実施形態の構成と同じであり、重複する説明を省略している。
［第４実施形態］

第４実施形態では、停車場の判定に、駅コードに加えて運用情報と駅到着毎にカウントアップするカウンタを用いた場合について説明する。

図２３は、本発明の第４実施形態に係る駅コード－停車場対応テーブルの一例を示す図である。

第４実施形態に係る駅コード－停車場対応テーブル２３００によれば、駅カウンタ毎に、停車場、駅コード及びＦｓｔが記録されている。

第４実施形態において、停車場判定部１３Ｅは、駅到着毎にカウントアップする駅カウンタを保有している。停車場判定部１３Ｅは、駅カウンタとして、始発駅では“１”をセットし、駅到着毎に駅カウンタをインクリメントしていく。第４実施形態では、運用３の場合を例として説明する。運用３の場合（図２０参照）、最終停車場は１６番目の停車場であり、駅コード“１”のＡ駅である。そこで、最終停車場でのみＳＯＣ使用範囲を高くするには、駅カウンタが“１”～“１５”の場合は、停車場判定部１３Ｅは、Ｆｓｔ“０”を出力し、駅カウンタが“１６”の場合に、停車場判定部１３Ｅは、Ｆｓｔ“１”を出力すればよい。

以上の制御により、第１実施形態ではシステムの停止及び起動操作を行う可能性の高い駅では常にＳＯＣ使用範囲が高くされるが、第４実施形態では最終停車場といったより限られた状況でのみＳＯＣ使用範囲が高くされる。このため、より劣化抑制の効果を高めながらバランシングの判定を高精度に行うことができる。

その他の第４実施形態の構成は、上述した第１実施形態の構成と同じであり、重複する説明を省略している。
［第５実施形態］

第５実施形態では、鉄道車両は、ハイブリッド気動車ではなく、力行中の鉄道車両が少ない軽負荷時に回生電力を蓄電装置に蓄電する軽負荷回生システムを搭載した鉄道車両（つまり、軽負荷回生システム電車）である。

図２４は、本発明の第５実施形態に係る駆動システムのシステム構成を示す図である。尚、駆動システム１Ｂは、軽負荷回生システム電車を想定した際の鉄道車両用駆動システムである。

駆動システム１Ｂは、エンジン２、発電機３及びコンバータ４を有さず、集電装置１４と昇降圧チョッパ１５を有する。駆動システム１Ｂは、電動機用インバータ５、補機用インバータ９、及び昇降圧チョッパ１５の出力を制御することで、駆動システム１Ｂ全体のエネルギーフローを管理する。

図２５は、本発明の第５実施形態に係る制御装置の機能構成を示す図である。

ハイブリッド気動車では、制御装置１３は、コンバータ４の発電電力指令値を基に、エネルギー供給源であるエンジン２の軸トルクから得られる供給電力を制御するが、軽負荷回生システム電車では、制御装置１３は、昇降圧チョッパ１５の昇降圧チョッパ出力指令値を基にエネルギー供給源である集電装置１４に接続されている架線（図示せず）から供給される電力を制御する（矢印２５０）。

図２６は、本発明の第５実施形態に係る停車中の架線供給電力指令値の切り替えの説明図である。尚、図２６において、指令値（架線供給電力指令値）“４”は、架線供給電力で充電を意味する。指令値“５”は、架線供給電力による充電の停止を意味する。指令値“６”は、架線供給電力を増やして強制充電を意味する（モードＤ）。

ＳＯＣ推奨使用範囲内で車両速度１０ｋｍ／ｈ以下のモードＡの領域において、軽負荷回生システム電車では、充放電制御部１３Ｘは、ＳＯＣがＳＯＣ閾値１以上となった場合に、架線供給電力による充電を停止しつつ補機１０を稼働させることでＳＯＣを低下させる。また、ＳＯＣがＳＯＣ閾値２（１０％）未満の場合（状態がモードＤの場合）は、充放電制御部１３Ｘは、架線供給電力を増やすことで電池ブロック１１Ａを強制的に充電する。

第５実施形態の場合、ＳＯＣ閾値２は、Ｆｓｔに関わらず、固定値１０％とする。

一方、ＳＯＣ閾値１は、Ｆｓｔ“０”の場合は５５％であり、Ｆｓｔ“１”の場合は閾値決定部１３ＹによりＦｓｔ“０”よりも低い値、例えば、中央付近ＳＯＣ領域の最低値２０％とする。

また、架線供給電力指令値を切り替えの際は、図の通りＳＯＣに所定範囲（例えば１０％）のヒステリシス領域を設定することで、車両動作の安定化を図る。

図２７は、本発明の第５実施形態に係る軽負荷回生システム電車に搭載された蓄電装置のＳＯＣ推移の一例を示すである。

経過時間０～１５分、２２～４２分、２５２分以降は、いずれも、車両走行中である。

経過時間１５～２２分、４２～２５２分は、いずれも、車両停車中である。経過時間１５～２２分は、停車時間が短いＥ駅に停車中のため、バランシング制御の実施条件となるシステムの停止及び起動操作を行う可能性の低いことから、Ｆｓｔは“０”とされ、故に、ＳＯＣ閾値１が５５％に維持される。これにより、停車中において、駆動制御部１３Ｆは、ＳＯＣが５５％を上回ると架線供給電力による充電を停止する。結果として、補機１０を稼働させるためＳＯＣが低下する。ＳＯＣが４５％（５５％－１０％（ヒステリシス範囲））を下回ると、駆動制御部１３Ｆが架線供給電力による充電を再開するため、ＳＯＣが上昇する。そのため、停車中はＳＯＣが４５％～５５％の範囲を行き来する推移となる。

一方、経過時間４２～２５２分は、停車時間が長いＦ駅に停車中のため、バランシング制御の実施条件となるシステムの停止及び起動操作を行う可能性の高いことから、Ｆ駅に対応したＦｓｔは“１”とされ、故に、ＳＯＣ閾値１が、閾値決定部１３Ｙにより、通常の閾値（５５％）よりも低い２０％とされる。これにより、軽負荷回生システム電車の場合の強制放電が行われ（符号２７００を参照）、停車中はＳＯＣが１０％（２０％－１０％（ヒステリシス範囲））～２０％の範囲を行き来する推移となる。結果として、停車中のどのタイミングでシステム停止が入ってもＳＯＣは２０％以下の状態となる。このため、システム起動時のバランシング制御時のＳＯＣを２０％以下（すなわち、蓄電池の種類によっては｜ΔＯＣＶ／ΔＳＯＣ｜が相対的に小さいＳＯＣ領域（中央付近ＳＯＣ領域）の最低値以下）とすることができ、結果として、バランシング制御の判定を高精度に行うことができる。

以上の制御により、車両停車中のＳＯＣを常にＳＯＣ範囲の中央付近とする場合と比べて、劣化抑制を図りつつ、バランシングの判定を高精度に行うことができる。

その他の第５実施形態の構成は、上述した第１実施形態の構成と同じであり、重複する説明を省略している。
［第６実施形態］

第６実施形態では、閾値決定部１３Ｙは、停車中の場所が予め指定した停車場である場合に（停車中にＦｓｔ“１”が入力された場合に）必ず停車中のＳＯＣ使用範囲（例えばＳＯＣ閾値１）を低く設定するのではなく、停車中の場所が予め指定した停車場であり且つシステム停止が入力された場合にＳＯＣ使用範囲を低く設定する。

図２８は、本発明の第６実施形態に係るシステム停止信号入力前後のタイムチャートである。

通常、運転台１２から受信したシステム停止信号が“０”（稼働）から“１”（停止）に切り替わった後は、補機制御部１３Ｇは、即座に補機１０を停止させる。第６実施形態では、閾値決定部１３Ｙは、停車中の場所が予め指定した停車場であり且つシステム停止が入力された場合にＳＯＣ閾値１を２０％に低くする。これにより、システム停止入力後もＳＯＣが２０％となるまでは、補機制御部１３Ｇは、補機１０の使用を継続し、蓄電装置１１を放電する（符号２８００を参照）。

図２９は、本発明の第６実施形態に係る軽負荷回生システム電車に搭載された蓄電装置のＳＯＣ推移の一例を示すである。

第５実施形態では、Ｆ駅到着後（４２分付近）にＳＯＣ閾値１が５５％から２０％に変更され、故に、架線供給電力による充電が停止することでＳＯＣが１０％になるまで放電される。第６実施形態では、Ｆ駅到着後でシステム停止信号が“１”（停止）となったタイミングで、閾値決定部１３Ｙが、ＳＯＣ閾値２を２０％に変更し、故に、補機制御部１３Ｇが、ＳＯＣが２０％（又は、ヒステリシス範囲１０％を引いた１０％）となるまで放電し（符号２９００を参照）、その後システムを完全に停止させる。

以上の制御により、第５実施形態ではシステムの停止及び起動操作を行う可能性の高い駅では常にＳＯＣ使用範囲が低くされるが、第６実施形態では実際にシステムの停止が行われた場合のみＳＯＣ使用範囲が低くされる。このため、より劣化抑制の効果を高めながらバランシング制御の判定を高精度に行うことができる。

その他の第６実施形態の構成は、上述した第５実施形態の構成と同じであり、重複する説明を省略している。

尚、本発明は上記した各実施形態に限定されるものではなく、様々な変形形態が含まれる。例えば、上記した実施形態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、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態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。具体的には、例えば、本発明は、鉄道車両以外の車両として、鉄道車両のように決まったルートで走行する他種の車両（例えばバス）にも適用可能である。また、第１実施形態～第６実施形態のうちの任意の２以上の実施形態が組み合わされてもよい。例えば、第３又は第４の実施形態の観点が、軽負荷回生システム電車に適用された場合、最終停車場といったより限られた状況でのみＳＯＣ使用範囲が低くされる（例えばＳＯＣ閾値１が低くされる）。

１Ａ、１Ｂ…鉄道車両用駆動システム、２…エンジン、３…発電機、４…コンバータ、５…電動機用インバータ、６…電動機、７…減速機、８…輪軸、９…補機用インバータ、１０…補機、１１…蓄電装置、１２…運転台、１３…制御装置、１３Ａ…記憶部、１３Ｂ…ＳＯＣ推定部、１３Ｃ…バランシング判定部、１３Ｄ…駅コード判定部、１３Ｅ…停車場判定部、１３Ｘ…充放電制御部、１３Ｙ…閾値決定部

Claims (15)

1. 複数の蓄電池から構成され鉄道車両に備えられる蓄電装置のバランシング制御を含む充放電制御を行う制御装置において、
   前記蓄電装置の充電率が第１の閾値以上の場合に前記蓄電装置を放電し、前記蓄電装置の充電率が第２の閾値（第２の閾値＜第１の閾値）以下の場合に前記蓄電装置を充電する充放電制御部と、
   前記鉄道車両が停車中である場合に、当該停車中の場所がバランシング制御を行う可能性のある予め指定した停車場であるかの停車場判定を行う停車場判定部と、
   前記停車場判定の結果が真の場合に、前記第１の閾値及び前記第２の閾値の少なくとも１つを変更する閾値決定部と
   を備えることを特徴とする制御装置。
2. 請求項１に記載の制御装置において、
   前記停車場判定は、複数の駅にそれぞれ割り当てられている駅コードのうち前記停車中の場所の駅コードが前記予め指定した停車場の駅コードであるかの判定である
   ことを特徴とする制御装置。
3. 請求項２に記載の制御装置において、
   同一路線間を走行する複数の鉄道車両にそれぞれ割り当てられた複数の運用のうちの各々について、予め停車場が指定されており、
   前記複数の鉄道車両の各々は、当該鉄道車両に割り当てられた運用に従って走行し、
   前記停車中の場所の駅コードは、前記複数の運用の各々についてどの駅をどの時刻に出発又は停車するかを示す運用情報と、現在時刻とから、採用されている運用について推定される場所の駅コードであり、
   前記停車場判定は、前記停車中の場所の駅コードが、前記採用されている運用に対応した予め指定した停車場の駅コードであるかの判定である
   ことを特徴とする制御装置。
4. 請求項２に記載の制御装置において、
   前記停車場判定は、前記停車中の場所の駅コードが前記予め指定した停車場の駅コードであって、駅に到着する都度に更新されるカウント値が、前記予め指定した停車場の駅コードに対応した所定のカウント値であるかの判定である
   ことを特徴とする制御装置。
5. 請求項１乃至４のうちのいずれか１項に記載の制御装置において、
   前記鉄道車両は、発電機と、前記発電機を駆動するエンジンとを備え、
   前記充放電制御部は、前記蓄電装置の充電率が前記第２の閾値以下の場合に、前記エンジンをアイドルアップすることで前記蓄電装置を充電する
   ことを特徴とする制御装置。
6. 請求項１乃至５のうちのいずれか１項に記載の制御装置において、
   前記蓄電装置は、架線からの供給電力で充電可能であり、
   前記充放電制御部は、前記蓄電装置の充電率が前記第２の閾値以下の場合に、前記架線からの供給電力を増やすことで前記蓄電装置を充電する
   ことを特徴とする制御装置。
7. 請求項１乃至６のうちのいずれか１項に記載の制御装置において、
   前記鉄道車両は、前記鉄道車両の照明又は空調に用いられる補機を備え、
   前記充放電制御部は、前記蓄電装置の充電率が前記第１の閾値以上の場合に、前記補機を稼働させることで前記蓄電装置を放電する
   ことを特徴とする制御装置。
8. 請求項１乃至７のうちのいずれか１項に記載の制御装置において、
   前記鉄道車両は、発電機と、前記発電機を駆動するエンジンとを備え、
   前記閾値決定部は、前記鉄道車両が前記予め指定した停車場で停車中にエンジン停止が入力された場合に、前記第２の閾値を他の停車場に比して高く設定する
   ことを特徴とする制御装置。
9. 請求項１乃至７のうちのいずれか１項に記載の制御装置において、
   前記鉄道車両は、発電機と、前記発電機を駆動するエンジンとを備え、
   前記閾値決定部は、前記鉄道車両が前記予め指定した停車場で停車中にエンジン停止が入力された場合に、前記第１の閾値を他の停車場に比して低く変更する
   ことを特徴とする制御装置。
10. 請求項１乃至９のうちのいずれか１項に記載の制御装置において、
    前記閾値決定部は、前記停車場判定の結果が真の場合に、前記第２の閾値を、前記予め指定した停車場以外の停車場と比べて、高くする
    ことを特徴とする制御装置。
11. 請求項１０に記載の制御装置において、
    前記閾値決定部は、前記第２の閾値を６０％以上とする
    ことを特徴とする制御装置。
12. 請求項１乃至９のうちのいずれか１項に記載の制御装置において、
    前記閾値決定部は、前記停車場判定の結果が真の場合に、前記第１の閾値を、前記予め指定した停車場以外の停車場と比べて、低くする
    ことを特徴とする制御装置。
13. 請求項１２に記載の制御装置において、
    前記閾値決定部は、前記第１の閾値を２０％以下とする
    ことを特徴とする制御装置。
14. 請求項１乃至１３のうちのいずれか１項に記載の制御装置において、
    前記複数の蓄電池の各々は、負極材が黒鉛又はチタン酸リチウムのリチウムイオン電池、鉛電池、又は、ニッケル水素電池である
    ことを特徴とする制御装置。
15. 複数の蓄電池から構成され鉄道車両に備えられる蓄電装置のバランシング制御を含む充放電制御を行う制御装置において、
    前記鉄道車両が停車中である場合に、当該停車中の場所がバランシング制御を行う可能性のある予め指定した停車場であるかの停車場判定を行うステップと、
    前記停車場判定の結果が真の場合に、第１の閾値と第２の閾値との少なくとも１つを変更するステップと
    前記蓄電装置の充電率が前記第１の閾値以上の場合に前記蓄電装置を放電し、前記蓄電装置の充電率が前記第２の閾値（第２の閾値＜第１の閾値）以下の場合に前記蓄電装置を充電するステップと
    を備えることを特徴とする制御方法。

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