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TWI772499B - 剎車控制系統 - Google Patents

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TWI772499B
TWI772499B TW107129779A TW107129779A TWI772499B TW I772499 B TWI772499 B TW I772499B TW 107129779 A TW107129779 A TW 107129779A TW 107129779 A TW107129779 A TW 107129779A TW I772499 B TWI772499 B TW I772499B
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brake
braking
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atc
brake control
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TW107129779A
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Inventor
加藤宏和
小林学志
加藤友哉
Original Assignee
日商東海旅客鐵道股份有限公司
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Abstract

一種剎車控制系統，係可以在利用了自動列車控制(ATC)的鐵道車輛中抑制使用機械剎車。本發明係一種利用了自動列車控制之鐵道車輛的剎車控制系統。剎車控制系統係具備主電動機、主變換裝置、剎車控制部及ATC裝置。主電動機係藉由將鐵道車輛之車輪的動能變換成電能來產生制動力。主變換裝置係使主電動機作動。剎車控制部係對主變換裝置輸出剎車信號。ATC裝置係基於自動列車控制而往剎車控制部輸出剎車指令。又，ATC裝置係在輸出剎車指令之前輸出用以激磁主電動機的剎車預告信號。

Description

剎車控制系統
本發明係關於一種剎車控制系統。
作為鐵道車輛之控制裝置，正普及的有自動列車控制(ATC；Automatic Train Control)。ATC係指自動地使鐵道車輛之速度降低的控制。更具體而言，ATC係在鐵道車輛已超過規定之速度的情況下，會自動進行剎車控制。
在ATC的剎車控制中係與手動剎車同樣，可同時使用：將動能(kinetic energy)變換成電能(electrical energy)的再生剎車(regenerative brake)、以及使機械性地產生制動力的機械剎車(參照日本特開2008-104343號公報)。
作為機械剎車，一般可使用利用了剎車墊片(brake pad)等之摩擦的機械剎車。在如此的機械剎車中，每次發生動作時都會發生襯片磨損(lining wear)且壽命會降低。又，當使用機械剎車時，藉由再生剎車所致的電能之回收量就會降低且成為節能化的阻礙。
本發明之一態樣，較佳是在利用了自動列車控制的鐵道車輛中，提供一種可以抑制使用機械剎車的剎車控制系統。
本發明之一態樣係一種利用了自動列車控制之鐵道車 輛的剎車控制系統。剎車控制系統係具備主電動機、主變換裝置、剎車控制部及ATC裝置。主電動機係藉由將鐵道車輛之車輪的動能變換成電能來產生制動力。主變換裝置係使主電動機作動。剎車控制部係對主變換裝置輸出剎車信號。ATC裝置係基於自動列車控制而往剎車控制部輸出剎車指令。又，ATC裝置係在輸出剎車指令之前輸出用以激磁主電動機的剎車預告信號。
依據如此的構成，則可以在輸出剎車指令之前輸出用以激磁主電動機的剎車預告信號。藉此，在剎車指令被輸出時，能立即產生藉由再生剎車所致的制動力。在以往的剎車控制中係不得不使用機械剎車直至再生剎車起動為止。相對於此，在本發明的剎車控制系統中係能夠由輸出剎車指令之後緊接著進行藉由再生剎車所為的制動。為此，可以抑制使用機械剎車。
在本發明之一態樣中，ATC裝置亦可為了輸出剎車預告信號而使用鐵道車輛之現在位置和速度來計算至剎車指令為止之時間、距離或鐵道車輛之速度。依據如此的構成，則可以在更適當的時序(timing)起動再生剎車。結果，可以更進一步抑制使用機械剎車。
在本發明之一態樣中，ATC裝置亦可輸出基於剎車模式(brake pattern)所得的剎車指令，前述剎車模式係將在切換對於鐵道車輛之供電系統的區間(section)附近之減速度設為能夠回收通過區間時由主電動機所產生之電力的大小。依據如此的構成，則藉由減低再生電力，即便在通過區間 時仍可以使用再生剎車。結果，可以一邊將再生電力充電至車上電池等，一邊更進一步抑制使用機械剎車。又，可以提高鐵道車輛之乘坐感。
本發明之一態樣，亦可更進一步具備踏面(tread surface)清掃裝置以及陶瓷(ceramic)噴射裝置中的至少一個。又，踏面清掃裝置以及陶瓷噴射裝置亦可藉由剎車預告信號而開始動作。依據如此的構成，則可以由輸出剎車指令之後緊接著抑制車輪之滑行。因當滑行持續時，就會發生由再生剎車往機械剎車之切換，故而只要可以抑制滑行，則亦可以減低由再生剎車往機械剎車之切換。又，亦可以藉由抑制滑行來減低藉由剎車所致的制動距離。
以下，與圖式一起說明本發明之例示的實施形態。
1‧‧‧剎車控制系統
2‧‧‧主電動機
3‧‧‧ATC裝置
4‧‧‧主變換裝置
5‧‧‧剎車控制部
6‧‧‧踏面清掃裝置
7‧‧‧陶瓷噴射裝置
10‧‧‧車輛
11‧‧‧車輪
12‧‧‧集電弓
13‧‧‧車上電池
20‧‧‧架空線
30‧‧‧軌道
31‧‧‧ATC地上元件
D1‧‧‧位置資料
P0‧‧‧剎車預告信號
P1‧‧‧剎車指令
Q0‧‧‧剎車信號
圖1係概略顯示實施形態的剎車控制系統之構成的方塊圖。
圖2係概略顯示圖1的剎車控制系統所執行之處理的流程圖。
圖3係概略顯示圖1的剎車控制系統通過區間時所執行之處理的流程圖。
圖4係概略顯示對圖1的剎車控制系統之踏面清掃裝置及陶瓷噴射裝置所執行之處理的流程圖。
[1.第一實施形態]
[1-1.構成]
圖1所示的剎車控制系統係指已設置於利用了自動列車控制(ATC)之鐵道車輛上的剎車控制系統。剎車控制系統1係具備至少一個主電動機2、至少一個ATC裝置3、至少一個主變換裝置4、至少一個剎車控制部5、至少一個踏面清掃裝置6及至少一個陶瓷噴射裝置7。雖然搭載有本發明之剎車控制系統的鐵道車輛，亦可由一個車輛所構成，但是通常是編組複數個車輛所成。
在由複數個車輛所編組所成的鐵道車輛中，剎車控制系統1中之主電動機2係在各個車輛10各設置有一個。又，主變換裝置4係在各個車輛10各設置有一個或是僅設置於一部分的車輛10。另一方面，ATC裝置3一般是僅配置於前頭的車輛10。ATC裝置3係將信號輸出至各個車輛10之主變換裝置4及剎車控制部5。
車輛10係除了具備剎車控制系統1以外，還具備複數個車輪11、集電弓(pantograph)12及車上電池13。車輛10係透過集電弓12由架空線(overhead line)20接受電力之供給。車輛10係藉由使用該電力以驅動車輪11來行駛於軌道30上。
具體而言，用主變換裝置4之變換器(converter)將來自架空線20的交流電力變換成直流，進而用主變換裝置4之換流器(inverter)來變換成三相交流。藉由該三相交流就能驅動將動力傳遞至車輪11的主電動機2。再者，主電動機2亦被使用作為再生剎車時的發電機。
<主電動機>
主電動機2係藉由將鐵道車輛之車輪的動能變換成電能來產生制動力。藉由該制動力就能減低車輪11之軸速度(shaft speed)。
具體而言，使用主電動機2作為發電機且藉由車輛10之車輪11的旋轉來進行發電。藉此，主電動機2就成為車輪11之旋轉的負載且能減低車輪11之軸速度。
又，主變換裝置4係藉由控制主電動機2之發電量來控制剎車之制動力。亦即，越加大發電量則負載就變越大，藉此制動力就會變大，越減小發電量則負載就變越小，藉此制動力就會變小。
由主電動機2所發電的電力係透過主變換裝置4及集電弓12而回送至架空線20。又，在切換對於鐵道車輛之供電系統的區間內，因無法進行往架空線20之送電，故而再生電力會充電至主變換裝置4之直流中間電路中的電容器(capacitor)或車上電池13。
為此，主變換裝置4之電容器或車上電池13的容量係可事先設為能夠回收通過區間時主電動機2所發電之電力的容量。藉此，就可以在通過區間時持續使用再生剎車。又，藉由與後述的剎車模式(brake pattern)之修正的組合，即便車上電池13等之容量較小仍能夠在通過區間時使用再生剎車。結果，可以避免使用機械剎車。
<ATC裝置>
ATC裝置3係指基於公知的ATC而往剎車控制部5輸出剎車指令的裝置。具體而言，ATC裝置3係對剎車控制 部5輸出剎車指令P1。當被輸入剎車指令P1時，剎車控制部5就將剎車信號Q0傳遞至主變換裝置4，且主變換裝置4會使主電動機2作動。
ATC裝置3係由CPU(Central Processing Unit；中央處理單元)、ROM(Read Only Memory；唯讀記憶體)、RAM(Random Access Memory；隨機存取記憶體)、外部記憶裝置等所構成。在ATC裝置3之外部記憶裝置係記憶有電力系統切換區間資料庫(data base)等。在該電力系統切換區間資料庫係登錄有電力系統切換區間之位置資料。
ATC裝置3係由已被設置於地上的ATC地上元件(ground element)31之位置資料及車輛10之速度資料，指定車輛10之現在位置。又，車輛10之速度資料係藉由用以檢測車輛10之速度的速度發電機所獲得。
ATC地上元件31係埋設於軌道30之二條線路的內側。ATC地上元件31係當車輛10通過ATC地上元件31之上時，就將ATC地上元件31之位置資料D1發送至ATC裝置3。
ATC裝置3係基於以上述之程序所特定的車輛10之現在位置及速度資料，而在例如車輛10之速度已成為容許值以上的情況、或與先行列車之距離間隔已成為容許值以下的情況等的情況下對剎車控制部5輸出剎車指令P1。
又，ATC裝置3係在輸出剎車指令P1之前，將用以激磁主電動機2的剎車預告信號P0輸出至主變換裝置4。被輸入了剎車預告信號P0的主變換裝置4係激磁主電動機 2。
剎車預告信號P0係在剎車指令P1被輸出的一定時間前、至剎車指令P1被輸出之位置為止的距離成為一定以下之前、或是至剎車指令P1被輸出之位置為止的車輛10之速度成為一定以下之前輸出。由剎車預告信號P0至剎車指令P1為止的時間(以下，亦稱為「先行時間」)係被設為起動再生剎車所需要的時間以上，亦即，被設為激磁主電動機2所需要的時間以上。再者，再生剎車之起動係大約1秒至2秒。
在剎車指令P1被輸出之一定時間前輸出剎車預告信號P0的情況下，ATC裝置3係為了輸出剎車預告信號P0，而使用車輛10之現在位置和速度來計算至剎車指令P1為止的先行時間。具體而言，ATC裝置3係基於ATC剎車模式、和所特定的車輛10之現在位置及速度資料來特定剎車指令P1被輸出的指令預定時刻、和上述先行時間，且在指令預定時刻減去先行時間後的時刻輸出剎車預告信號P0。
在至剎車指令P1被輸出之位置為止的距離成為一定以下之前輸出剎車預告信號P0的情況下，ATC裝置3係為了輸出剎車預告信號P0而基於ATC剎車模式、和現在位置及速度資料來算出距離。
在本實施形態中係於ATC剎車模式之對象區間包含有切換對於鐵道車輛之供電系統的區間(亦即，電力系統切換區間)的情況下，ATC裝置3係製作已減小在區間附近之 減速度後的修正剎車模式，且基於該修正剎車模式來將剎車指令P1輸出至剎車控制部5。該修正剎車模式係指以車輛10通過區間時由主電動機2所產生的電力成為能夠由主變換裝置4之電容器及車上電池13所回收的量之方式調整後的剎車模式。
<主變換裝置>
主變換裝置4係基於由剎車控制部5所輸入的剎車信號Q0來進行主電動機2之控制。
具體而言，當由ATC裝置3輸入剎車預告信號P0時，主變換裝置4就會激磁主電動機2。亦即，使電流流動至主電動機2之線圈(coil)並成為能夠發電的狀態。在激磁完成之後，主變換裝置4係成為能夠輸出再生電力的狀態(亦即，再生為有效的狀態)。
在接收剎車預告信號P0之後，當由剎車控制部5輸入剎車信號Q0時，主變換裝置4係控制主電動機2之發電量。藉此，就會於主電動機2之旋轉施加負載且在車輪11產生制動力。又，主電動機2係具有作為發電機的功能且能回收電力。
<踏面清掃裝置以及陶瓷噴射裝置>
踏面清掃裝置6係指將研磨件壓抵於車輪11之踏面以去除已附著的灰塵等的裝置。能藉由清掃來確保踏面之粗糙度，且增加軌道30與車輪11之間的磨擦係數。再者，在本實施形態中，踏面清掃裝置6係在車輛10之各個車輪11各設置有一個。
陶瓷噴射裝置7係指將陶瓷粉噴射至軌道30與車輪11之間的裝置。藉由陶瓷粉之噴射，來增加軌道30與車輪11之間的磨擦係數。藉由摩擦係數之增加，來減低剎車時的滑行。
在本實施形態中，踏面清掃裝置6以及陶瓷噴射裝置7係藉由來自ATC裝置3之剎車預告信號P0而開始動作。具體而言，踏面清掃裝置6係藉由剎車預告信號P0之輸入，來使研磨件抵接於車輪11。又，陶瓷噴射裝置7係藉由剎車預告信號P0之輸入來開始陶瓷粉之噴射。
[1-2.處理]
以下，一邊參照圖2、圖3及圖4之流程圖，一邊針對剎車控制系統1所執行的處理加以說明。
<ATC剎車動作>
在圖2所示的ATC剎車動作中，首先是在剎車指令P1之前，ATC裝置3先行將剎車預告信號P0輸出至主變換裝置4(步驟S10)。
當由ATC裝置3輸入剎車預告信號P0時，主變換裝置4就會激磁主電動機2(步驟S11)。之後，主變換裝置4係成為再生剎車為有效的狀態(步驟S12)。
ATC裝置3係在輸出剎車預告信號P0之後，基於ATC來輸出剎車指令P1(步驟S13)。當剎車指令P1輸入至剎車控制部5時，就由剎車控制部5對已成為再生剎車有效狀態的主變換裝置4輸出剎車信號Q0(步驟S14)。被輸入了剎車信號AQ0的主變換裝置4係基於剎車信號Q0來控制 主電動機2，而主電動機2則輸出制動力(步驟S15)。
再者，在圖2之ATC剎車動作中，可不需要使用機械剎車且僅用主電動機2來進行制動。再者，所謂機械剎車係指機械性地抑制車輪11之旋轉的剎車，例如踏面制動式、碟(disc)制動式等的剎車。
<通過區間時的ATC剎車動作>
在圖2之ATC剎車動作中，於ATC剎車模式之對象區間包含有區間的情況下，進行圖3所示的ATC剎車動作。再者，圖3之步驟S10、步驟S11、步驟S12、步驟S13、步驟S14及步驟S15係與圖2相同的步驟。
在圖3之處理中，ATC裝置3係製作已減小在區間附近之減速度後的修正剎車模式，且將基於該修正剎車模式所得的剎車指令P1輸出至剎車控制部5(步驟S21)。被輸入了已考慮修正剎車模式後之剎車指令P1的剎車控制部5係基於此而對主變換裝置4輸出剎車信號Q0(步驟S14)。被輸入了剎車信號Q0的主變換裝置4係控制主電動機2，而主電動機2則輸出制動力(步驟S15)。又，主變換裝置4係將來自主電動機2之再生電力充電至主變換裝置4之電容器或車上電池13(步驟S22)。
<踏面清掃裝置以及陶瓷噴射裝置之動作>
使用圖4來針對與圖2之ATC剎車動作同時進行的踏面清掃裝置6以及陶瓷噴射裝置7之動作加以說明。
在剎車指令P1之前，當ATC裝置3先行輸出剎車預告信號P0(步驟S10)時，踏面清掃裝置6以及陶瓷噴射裝 置7之各自的電磁閥就會動作(步驟S31、步驟S32)。
藉由此等的電磁閥之動作，在踏面清掃裝置6中係使研磨件壓抵於車輪11(步驟S33)。另一方面，在陶瓷噴射裝置7中係噴射陶瓷粉(步驟S34)。此等的步驟係在輸出剎車指令P1之前進行。
[1-3.功效]
依據以上所詳述的實施形態，可獲得以下的功效。
(1a)在輸出剎車指令P1之前，可以事先藉由剎車預告信號P0來激磁主電動機2。藉此，在剎車指令P1被輸出時，就會立即產生藉由主電動機2所致的制動力。結果，能夠由輸出剎車指令P1之後緊接著進行藉由主電動機2所致的制動。為此，可以抑制使用機械剎車。
(1b)由於ATC裝置3係為了輸出剎車預告信號P0，而使用鐵道車輛之現在位置和速度來計算至煞車指令P1為止的時間、距離或鐵道車輛之速度，所以可以在更適當的時序起動再生剎車。結果，可以更進一步抑制使用機械剎車。
(1c)由於ATC裝置係輸出已減小在切換對於鐵道車輛之供電系統的區間附近之減速度後的修正剎車模式，所以即便是在通過區間時仍可以使用再生剎車。為此，能減低再生剎車與機械剎車之切換次數且能改善乘坐感。又，由於增加往電池等的充電電力，所以亦能提高節能功效。
(1d)由於踏面清掃裝置6以及陶瓷噴射裝置7係藉由剎車預告信號P0而開始動作，所以由此等裝置之起動至功 效被發揮為止的時滯(time lag)能藉由由剎車預告信號P0至剎車指令P1為止的時間所抵銷。為此，可以由輸出剎車指令P0之後緊接著抑制車輪11之滑行。又，亦可以藉由抑制滑行來減低藉由剎車所致的制動距離。
[2.其他實施形態]
以上，雖然已針對本發明之實施形態加以說明，但是本發明係未被限定於上述實施形態，而是當然可能採取各種的形態。
(2a)在上述實施形態之剎車控制系統1中，剎車預告信號P0之輸出時序並不一定有必要使用鐵道車輛之現在位置和速度來計算。如此，亦可用其他的程序來決定剎車預告信號P0之輸出時序。
(2b)在上述實施形態之剎車控制系統1中，ATC裝置3並不一定有必要製作已減小在切換對於鐵道車輛之供電系統的區間附近之減速度後的修正剎車模式。如此，即便是在ATC剎車模式之對象區間有區間的情況下仍可輸出基於ATC剎車模式所得的剎車指令P1。
(2c)在上述實施形態之剎車控制系統1中，踏面清掃裝置6以及陶瓷噴射裝置7並非是必須的構成要件。如此，既可僅使用踏面清掃裝置6以及陶瓷噴射裝置7中之一方，或亦可雙方都不使用。又，踏面清掃裝置6以及陶瓷噴射裝置7亦可如以往般地藉由剎車指令P1而開始動作。
(2d)在上述實施形態之剎車控制系統1中，亦可同時使用再生剎車和機械剎車。在此情況下，剎車控制部5亦 對機械剎車輸出剎車信號Q0。
(2e)亦可使上述實施形態中之一個構成要素所具有的功能分散作為複數個構成要素，或使複數個構成要素所具有的功能合併成一個構成要素。又，亦可省略上述實施形態的構成之一部分。又，亦可將上述實施形態的構成之至少一部分附加、置換於其他的上述實施形態之構成。再者，由申請專利範圍所記載之文意所特定的技術思想中所包含的所有態樣皆為本發明的實施形態。
1‧‧‧剎車控制系統
2‧‧‧主電動機
3‧‧‧ATC裝置
4‧‧‧主變換裝置
5‧‧‧剎車控制部
6‧‧‧踏面清掃裝置
7‧‧‧陶瓷噴射裝置
10‧‧‧車輛
11‧‧‧車輪
12‧‧‧集電弓
13‧‧‧車上電池
20‧‧‧架空線
30‧‧‧軌道
31‧‧‧ATC地上元件
D1‧‧‧位置資料
P0‧‧‧剎車預告信號
P1‧‧‧剎車指令
Q0‧‧‧剎車信號

Claims (3)

  1. 一種剎車控制系統，係利用了自動列車控制之鐵道車輛的剎車控制系統，且具備：主電動機，係藉由將鐵道車輛之車輪的動能變換成電能來產生制動力；主變換裝置，係使前述主電動機作動；剎車控制部，係對前述主變換裝置輸出剎車信號；以及自動列車控制裝置，係基於自動列車控制而往前述剎車控制部輸出剎車指令；前述自動列車控制裝置係在輸出前述剎車指令之前輸出用以激磁前述主電動機的剎車預告信號；其中，前述自動列車控制裝置係為了輸出前述剎車預告信號而使用鐵道車輛之現在位置和速度來計算至前述剎車指令為止之時間、距離或鐵道車輛之速度。
  2. 如請求項1所記載之剎車控制系統，其中前述自動列車控制裝置係輸出基於剎車模式所得的剎車指令，前述剎車模式係將在切換對於鐵道車輛之供電系統的區間附近之減速度設為能夠回收通過區間時由前述主電動機所產生之電力的大小。
  3. 如請求項1所記載之剎車控制系統，其中更進一步具備踏面清掃裝置以及陶瓷噴射裝置中的至少一個； 前述踏面清掃裝置以及前述陶瓷噴射裝置係藉由前述剎車預告信號而開始動作。
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