JP2019161688A - 車両に搭載される燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】二次電池への充電制限がある場合に、回生によってはずり下がりを停止できない。【解決手段】車両に搭載される燃料電池システムは、燃料電池と二次電池と駆動力を発生するモータとしての機能と回生電力を発生させるジェネレータとしての機能と、を有する駆動モータと、回生電力を消費可能な補機と、アクセルペダルセンサと；シフトポジションセンサと、車速センサと、制御部と、を備える。制御部は、車速が負であり前進要求がありアクセルペダルが踏み込まれた場合、又は、車速が正であり後進要求がありアクセルペダルが踏み込まれた場合に第１状態であると判定し、第１状態である場合に、アクセルペダルの踏込量を用いて算出される駆動モータへの要求電力を含む回生電力を補機に消費させる補機消費処理を実行する。【選択図】図１

Description

本開示は、車両に搭載される燃料電池システムに関する。

車両に搭載される燃料電池システムにおいて、駆動モータからの回生電力を二次電池に充電させるシステムが知られている。特許文献１には、回生電力が二次電池の充電可能な電力を上回った場合には、上回った回生電力を補機に消費させる燃料電池システムが開示されている。

特開２０１３−９９０８１号公報

例えば、燃料電池車両が上り坂で停止している状態から、アクセルペダルが踏み込まれて前進しようとする場合に、車両が進行方向に対して後退する場合がある。このような場合には、駆動モータの出力は正トルクであり、車速が負であるために、駆動モータは回生となり、電力を回生することにより制動力が発生し、車両の後退を抑制して発進が可能となる。しかし、燃料電池システムにおいて、何らかの事情で回生した電力を充電できない事態が生じると、駆動モータの回生を制限せざるを得ない。このような場合には、車両の要求進行方向とは反対の方向に移動してしまうずり下がりを、回生によっては停止することができないおそれがあることを、発明者は見出した。

本開示は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本開示の一形態によれば、車両に搭載される燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池と；前記燃料電池と並列に接続された二次電池と；前記燃料電池と前記二次電池の少なくとも一方からの電力によって駆動力を発生するモータとしての機能と、前記二次電池を充電可能な回生電力を発生させるジェネレータとしての機能と、を有する駆動モータと；前記回生電力を消費可能な補機と；前記車両に設けられたアクセルペダルの踏込量を検出するアクセルペダルセンサと；前記車両に対する前進要求と後進要求とを検出するシフトポジションセンサと；前記車両の車速を検出する車速センサと；前記回生電力を前記補機に消費させることが可能な制御部と、を備え；前記制御部は；前記車速が負であり、前記前進要求があり、前記アクセルペダルが踏み込まれた場合、又は、前記車速が正であり、前記後進要求があり、前記アクセルペダルが踏み込まれた場合に、第１状態であると判定し；前記第１状態である場合に、前記アクセルペダルの踏込量を用いて算出される前記駆動モータへの要求電力を含む前記回生電力を前記補機に消費させる、補機消費処理を実行する。

この形態によれば、燃料電池システムを備える車両が、要求する進行方向とは反対の方向に移動する、ずり下がりが発生した状態から、要求する進行方向に移動しようとしている場合に、回生電力を補機に消費させることができるので、駆動モータに回生電力を発生させて車両のずり下がりを止めることができる。

（２）上記形態において、前記制御部は、前記第１状態であり、かつ、前記二次電池への充電が制限されている場合に、前記補機消費処理を実行してもよい。

この形態によれば、ずり下がりが発生した状態から、要求する進行方向に移動しようとしている場合に、二次電池への充電が制限されていても、回生電力を補機に消費させることができるので、二次電池の保護と、駆動モータに回生電力を発生させて車両のずり下がりを止めることと、を達成できる。

（３）上記形態において、前記車両は、前記車両を制動可能なブレーキ装置を備え；前記制御部は、前記第１状態であり、かつ、前記要求電力に応じて前記補機へ消費を要求する電力が、前記補機において消費可能な電力よりも大きい場合には、前記補機へ消費を要求する電力と、前記補機の消費可能な電力と、の差に対応する制動力を、前記ブレーキ装置に実現させてもよい。

この形態によれば、要求電力が補機で消費可能な電力よりも大きい場合に、ブレーキ装置によって、車両のずり下がりを止めることができる。

（４）上記形態において、前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧センサを備え；前記制御部は、前記燃料電池の出力電圧がその上限として予め定めた高電位回避電圧を超えないように前記燃料電池を発電させる、高電位回避制御を実行しており；前記第１状態である場合には、前記高電位回避制御を実行しなくともよい。

この形態によれば、車両が、ずり下がりが発生した状態から、要求する進行方向に移動しようとしている場合には、燃料電池が高電位回避制御によって発電しない。そのため、燃料電池の発電電力が補機に供給されないので、回生電力を補機によって消費させることができ、駆動モータに回生電力を発生させて、車両のずり下がりを止めることができる。

（５）上記形態において、前記制御部は；前記要求電力を、前記アクセルペダルの踏込量に応じた前記駆動モータへの要求トルクから算出される電力と、前記駆動モータによる損失分の電力と、を用いて算出し；前記駆動モータのトルク出力を、前記回生電力の上限値である回生制限電力と、前記駆動モータによる損失分の電力と、を用いて算出される回生制限トルク内に制限しており；前記要求電力が、前記補機消費処理が実行されない場合の前記回生制限電力を上回った場合には、前記回生制限トルクによる前記駆動モータのトルク出力制限を解除してもよい。

この形態によれば、要求電力が、補機消費処理が実行されない場合の回生制限電力を上回った場合に、回生制限トルクによる駆動モータのトルク出力制限を解除するので、回生電力を補機によって消費させる必要がなくなった時点で、駆動モータに要求トルクに応じた出力をさせることができる。

本開示は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池車両、車両に搭載される燃料電池システムの制御方法や、その制御方法を実現するコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した一時的でない記録媒体（non-transitory storage medium）等の形態で実現することができる。

燃料電池システムが搭載された車両の概略構成を示す図。 補機消費処理を示す工程図。 補機消費処理において、各種パラメータが変化する様子を模式的に示す図。 第２実施形態における補機消費処理を示す工程図。 高電位回避制御処理について示す工程図。 駆動モータのトルク出力制限処理について示す工程図。 補機消費処理において、各種パラメータが変化する様子を模式的に示す図。

・第１実施形態
図１は、燃料電池システム２０が搭載された車両１０の概略構成を示す図である。車両１０は、燃料電池システム２０に加え、アクセルペダル４１０と、ブレーキペダル４２０と、シフト装置５３０と、ブレーキ装置５２０と、を備える。

燃料電池システム２０は、燃料電池１００と、ＦＣ昇圧コンバータ１１０と、バッテリコンバータ１２０と、モータ用インバータ１３０と、駆動モータ１４０と、ＡＣＰ用インバータ１６０と、エアコンプレッサ１７０と、二次電池２００と、ＦＣ補機用インバータ２３０と、ＦＣ補機２５０と、制御部３００と、電圧センサ１０１と、バッテリセンサ２６１と温度センサ２６２とを備える検出部２６０と、アクセルペダルセンサ３１０と、ブレーキペダルセンサ３２０と、シフトポジションセンサ３３０と、車速センサ３４０と、回転数センサ３５０と、燃料ガス供給部６１０と、酸化剤ガス供給部６２０と、を備える。

燃料電池１００は、燃料ガス供給部６１０から供給される燃料ガスと、酸化剤ガス供給部６２０から供給される酸化剤ガスと、によって発電する固体高分子形燃料電池である。燃料ガス供給部６１０は、燃料ガスタンク、燃料ガス噴射装置、燃料ガスポンプ、各種弁等を備える。酸化剤ガス供給部６２０は、エアコンプレッサ１７０や各種弁等を備える。なお、燃料電池１００としては、固体高分子形燃料電池に限らず、他の種々のタイプの燃料電池を採用してもよい。

ＦＣ昇圧コンバータ１１０は、燃料電池１００の出力電圧を駆動モータ１４０を駆動するための電圧に昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータである。燃料電池１００の出力電圧は、電圧センサ１０１によって計測される。モータ用インバータ１３０は、昇圧された直流電圧を三相交流電圧に変換して、駆動モータ１４０を駆動する。

駆動モータ１４０は、駆動力を発生するモータとしての機能と、回生電力を発生するジェネレータとしての機能と、を有する。駆動モータ１４０は、ロータ軸周りに複数の永久磁石が埋め込まれたロータと、ステータと、を備える。駆動モータ１４０のロータ軸は、車両１０のディファレンシャルギヤを介して車軸に連結されている。ステータの三相コイルにモータ用インバータ１３０を介して三相交流電力が供給されると、ロータがロータ軸と一体に回転して、駆動力が発生する。また、駆動モータ１４０では、ロータ軸が外力によって回転されると、三相コイルの両端に電力が発生し、モータ用インバータ１３０を介して回生電力が発生する。

ＡＣＰ用インバータ１６０は、昇圧された直流電圧を交流電圧に変換して、エアコンプレッサ１７０に供給する。バッテリコンバータ１２０は、双方向のＤＣ／ＤＣコンバータである。バッテリコンバータ１２０は、燃料電池１００の電圧を降圧して二次電池２００に供給したり、二次電池２００の電圧を昇圧してモータ用インバータ１３０とＡＣＰ用インバータ１６０に供給したりする。

二次電池２００は、燃料電池１００と並列に接続され、駆動モータ１４０やＦＣ補機２５０を駆動するための電源として機能する。二次電池２００は、燃料電池１００からの電力や、駆動モータ１４０からの回生電力によって充電される。本実施形態における二次電池２００は、リチウムイオン二次電池である。二次電池２００は、ニッケル水素充電池や、マグネシウム電池であってもよい。

ＦＣ補機用インバータ２３０は、二次電池２００からの直流電圧を交流電圧に変換し、ＦＣ補機２５０に供給する。ＦＣ補機２５０としては、燃料ガスを燃料電池１００内で循環させる燃料ガスポンプや、冷却水を燃料電池１００内で循環させる冷却水ポンプや、燃料電池１００内の水が凍結しないように燃料電池１００を加熱する加熱ヒータや、冷却水を冷却するラジエータファンが挙げられる。また、ＦＣ補機２５０以外の車両１０の補機として、空調装置や、ヘッドライト、電飾装置等（図示せず）が挙げられる。エアコンプレッサ１７０と、ＦＣ補機２５０と、ＦＣ補機以外の車両１０の補機と、を総称して、単に「補機」とも呼ぶ。

バッテリセンサ２６１は二次電池２００の電流、電圧を測定し、温度センサ２６２は二次電池２００のバッテリ温度を測定する。検出部２６０は、バッテリセンサ２６１から取得した電流、電圧、バッテリ温度を用いて、二次電池２００へ充電可能な電力量（充電可能電力量）を決定し、制御部３００へ送信する。また、検出部２６０は、充電可能電力量が予め定められた閾値を下回った場合には、二次電池２００への充電を制限する信号を、制御部３００へ送信する。

アクセルペダルセンサ３１０は、アクセルペダル４１０の踏込量を検出する。ブレーキペダルセンサ３２０は、ブレーキペダル４２０の踏込量を検出する。踏込量は、「開度」と言い換えることもできる。シフトポジションセンサ３３０は、シフト装置５３０のシフトポジションを検出する。シフトポジションは、車両１０に対する運転者の前進要求を示すポジション、後進要求を示すポジションを含む。車速センサ３４０は、車両１０のドライブシャフトの回転速度から車速を検出する。車速センサ３４０は、車両１０が前進方向に進んでいる場合は正の車速を出力し、車両１０が後進方向に進んでいる場合は負の車速を出力する。回転数センサ３５０は、駆動モータ１４０のロータ軸の回転数を検出する。

ブレーキ装置５２０は、車両１０の各車輪に備えられ、車両１０を制動可能に構成されている。ブレーキ装置５２０は、例えば、ディスクブレーキ、ドラムブレーキであり、運転者のブレーキペダル４２０の操作に応じて制動ライン（図示しない）を介して供給されるブレーキ液圧に応じた制動力で各車輪を制動し、車両１０の制動を実現する。制動ラインにはブレーキペダル４２０の踏込量に応じたブレーキ液圧を発生させるブレーキピストンおよびブレーキ液ラインが含まれる。なお、制動ラインとしては、ブレーキ装置５２０に備えられているアクチュエータを作動させる構成が採用されてもよい。

制御部３００は、ＣＰＵとメモリとインタフェースとを備えるＥＣＵによって構成されている。制御部３００は、上述した各センサからの検出信号に応じて、燃料電池システム２０内の各部の動作を制御する。図１では、制御部３００から一部の回路への信号経路が破線で描かれている。

制御部３００は、モータ用インバータ１３０を制御して、駆動モータ１４０に、燃料電池１００と二次電池２００の少なくとも一方からの電力によって駆動力を発生させる機能と、回生電力を発生させるジェネレータとしての機能とを実現させる。

また、制御部３００は、アクセルペダル４１０の踏込量を用いて、駆動モータ１４０への要求トルクを算出する。制御部３００は、駆動モータ１４０に要求トルクを実現させるための要求電力を算出する。要求電力は、以下の式（１）を用いて算出される。式（１）における駆動モータ損失は、駆動モータ１４０に関わる電力損失であり、モータ用インバータ１３０による電力損失を含んでいる。駆動モータ損失は、駆動モータ１４０への要求トルクに応じて変化し、要求トルクの増加につれて増加する。駆動モータ損失は、実験やシミュレーションにより予め求めておくことができる。駆動モータ回転数は、車速が正である場合には正値、車速が負である場合には負値である。

要求電力［Ｗ］＝駆動モータ要求トルク［Ｎｍ］×駆動モータ回転数［ｒｐｍ］×２π／６０＋駆動モータ損失［Ｗ］・・・（１）

車両１０が上り坂でブレーキペダル４２０の踏込により停止しており、シフト装置５３０のシフトポジションが前進要求である状態から、アクセルペダル４１０の踏み込みにより前進しようとする場合がある。車両１０の操作者がブレーキペダル４２０からアクセルペダル４１０に踏み換えるまでに、車両１０は後方にずり下がり、車速が負となる場合がある。ずり下がりが発生した状態でアクセルペダル４１０が踏み込まれると、駆動モータ１４０への要求トルクは正であり、車速は負であるので、第４象限運転における逆転回生に相当し、駆動モータ１４０は、回生可能である。

同様に、車両１０が下り坂でブレーキペダル４２０の踏込により停止しており、シフト装置５３０のシフトポジションが後進要求である状態から、アクセルペダル４１０の踏み込みにより後進しようとする場合がある。車両１０の操作者がブレーキペダル４２０からアクセルペダル４１０に踏み換えるまでに、車両１０は前方にずり下がり、車速が正となる場合がある。ずり下がりが発生した状態でアクセルペダル４１０が踏み込まれると、駆動モータ１４０への要求トルクは負であり、車速は正であるので、第４象限運転における正転回生に相当し、駆動モータ１４０は、回生可能である。なお、「車両がずり下がる」とは、坂路において、車両１０が進行しようとする方向と反対の方向に移動することをいう。

制御部３００は、車速が負であり、シフトポジションセンサ３３０が前進要求を検出し、アクセルペダル４１０が踏み込まれた場合、又は、車速が正であり、シフトポジションセンサ３３０が後進要求を検出し、アクセルペダル４１０が踏み込まれた場合に、車両１０が第１状態であると判定する。第１状態は、シフトポジションセンサ３３０が示す進行要求方向と、車速センサ３４０が示す車両１０の実際の進行方向とが相違する状態であって、かつアクセルペダル４１０が踏み込まれて、両方向が一致する状態に移行しようとしていると判断できる状態である。第１状態は、回生電力の充電先や消費先があれば、駆動モータ１４０が回生可能な状態と言い換えることができる。

制御部３００は、第１状態である場合に、駆動モータ１４０の回生電力を補機に消費させる補機消費処理を実行する。

図２は、補機消費処理を示す工程図である。制御部３００は、車両１０が始動すると、上記式（１）を用いて、駆動モータ１４０への要求電力を算出する（ステップＳ１０）。

制御部３００は、第１状態であるか否かを判定する（ステップＳ３０）。ステップＳ３０がＮＯの場合には、制御部３００は、補機消費処理を終了する。ステップＳ３０がＹＥＳの場合には、制御部３００は、以下の式（２）を用いて、補機消費要求電力を算出する（ステップＳ５０）。

補機消費要求電力［Ｗ］＝−要求電力［Ｗ］＋通常補機消費電力［Ｗ］・・・（２）

式（２）の要求電力に負の符号付きで表されているのは、回生時の要求電力が負の値であるためである。通常補機消費電力は、ステップＳ３０の判定結果にかかわらず、車両１０の運転継続に必要な、補機の消費電力である。通常補機消費電力は、例えば、車両１０の各センサを動作させるために必要な電力や、車両１０のヘッドライト等によって消費される電力であり、実験やシミュレーションにより予め算出される。

次に、制御部３００は、算出した補機消費要求電力を補機に消費させるように、補機を駆動させる（ステップＳ７０）。ステップＳ７０が実行されることにより、例えば、エアコンプレッサ１７０の回転数、燃料ガスポンプの回転数、冷却水ポンプの回転数、加熱ヒータの加熱温度等が、要求電力がゼロ、すなわち、補機消費要求電力が通常補機消費電力と等しい場合に比べて増加する。

なお、制御部３００は、補機消費要求電力を、以下の式（３）を用いて算出してもよい。

補機消費要求電力［Ｗ］＝−要求電力［Ｗ］＋通常補機消費電力［Ｗ］＋二次電池放電電力［Ｗ］・・・（３）

二次電池放電電力は、二次電池２００から補機に供給される電力である。二次電池２００からの放電を行うことで、通常補機消費電力が過渡的に増加した場合に回生電力が不足することを抑制できる。

図３は、補機消費処理において、各種パラメータが変化する様子を模式的に示す図である。図３には、シフトポジションセンサ３３０が前進要求を検出しており、車両１０が時刻ｔ０において上り坂で停止している状態から、アクセルペダル４１０が踏み込まれて前進しようとするシーン前後の各種パラメータが示されている。

グラフの縦軸として示されたアクセル開度は、アクセルペダル４１０の踏込量を示している。開度０は、アクセルペダル４１０が踏み込まれていないことを示す。

グラフの縦軸として示された駆動モータ電力は、正の場合には駆動モータ１４０が力行動作することを示し、負の場合には回生動作することを示す。グラフＡは、要求電力を示す。グラフＢは、補機消費処理が実行される場合の回生制限電力である。回生制限電力は、回生電力の上限値である。補機消費処理が実行される場合の回生制限電力は、要求電力に相当する補機消費電力と、通常補機消費電力と、を含んだ電力に相当する。なお、グラフＢは、二次電池放電電力を含んだ値を示しているため、時刻ｔ２から時刻ｔ３においてグラフＡよりも負側に位置している。グラフＣは、補機消費処理が実行されない場合の回生制限電力を示す。グラフＣで示す回生制限電力は、通常補機消費電力に相当する。図３に示す補機消費電力は、説明を簡単にするため、通常補機消費電力を含んでいない。

時刻ｔ１から時刻ｔ２の期間は、ブレーキペダル４２０からアクセルペダル４１０へ踏み換えがされる期間である。時刻ｔ１から時刻ｔ２の期間では、車両１０のずり下がりが発生し、車速が次第に低下する。時刻ｔ２においてアクセルペダル４１０の踏込が開始されると、車速が負であり、前進要求があり、アクセルペダル４１０が踏み込まれた第１状態となる。

時刻ｔ２以降、アクセルペダル４１０の踏込に応じた駆動モータ１４０への要求トルクに応じて、回生電力が発生する。時刻ｔ２から時刻ｔ３の期間では、駆動モータ１４０の発生する回生電力が、補機で消費される。また、駆動モータ１４０の回生動作により車両１０に制動力が加わり、車速が次第に増加していく。時刻ｔ３を経過すると、車速が正となり、駆動モータ１４０は力行動作する。

この形態によれば、車両１０が、要求する進行方向とは反対の方向に移動する、ずり下がりが発生した状態から、要求する進行方向に移動しようとしている場合に、回生電力を補機に消費させることができる。そのため、駆動モータ１４０に回生電力を発生させて車両１０のずり下がりを止めることができる。

この形態によれば、回生電力を補機に消費させることができ、二次電池２００への充電が行われないので、二次電池２００としてリチウムイオン二次電池が採用されていても、二次電池２００への過渡な充電による二次電池２００の劣化を抑制することができる。

・第２実施形態
第２実施形態では、制御部３００は、ずり下がりを止めるために、ブレーキ装置５２０を利用する。ブレーキ装置５２０は、車両１０の各車輪に備えられ、車両１０を制動可能に構成されている。ブレーキ装置５２０は、例えば、ディスクブレーキ、ドラムブレーキであり、運転者のブレーキペダル４２０の操作に応じて制動ライン（図示しない）を介して供給されるブレーキ液圧に応じた制動力で各車輪を制動し、車両１０の制動を実現する。制動ラインにはブレーキペダルの踏込量に応じたブレーキ液圧を発生させるブレーキピストンおよびブレーキ液ラインが含まれる。なお、制動ラインとしては、ブレーキ装置に備えられているアクチュエータを作動させる構成が採用されてもよい。

図４は、第２実施形態における補機消費処理を示す工程図である。ステップＳ１０ａ、ステップＳ３０ａ、ステップＳ５０ａでは、それぞれ、第１実施形態におけるステップＳ１０、ステップＳ３０、ステップＳ５０と同様の処理が実行される。

制御部３００は、ステップＳ５０ａで算出された要求電力に応じて補機へ消費を要求する電力（補機消費要求電力）が、補機消費可能電力よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ６０ａ）。補機消費可能電力は、第１状態である場合の、補機による最大消費電力である。補機消費可能電力は、実験やシミュレーションにより予め求められ、制御部３００の備えるメモリに記憶される。

補機消費要求電力が、補機消費可能電力よりも大きい場合（ステップＳ６０ａ、ＹＥＳ）、制御部３００は、補機消費要求電力と補機消費可能電力との差分ΔＷに対応するブレーキ装置５２０への要求制動力Ｇを算出する（ステップＳ６２ａ）。制御部３００は、例えば、上記差分ΔＷと、回転数センサから取得した車輪の回転数とを用いてブレーキ要求トルクＴを算出する（式（４））。制御部３００は、算出したブレーキ要求トルクＴと、車両重量Ｍと、車輪半径Ｒとを用いてブレーキ装置５２０への要求制動力Ｇを算出する（式（５））。

Ｔ［Ｎｍ］＝ΔＷ［Ｗ］×６０／（２π・Ｎ［ｒｐｍ］）・・・式（４）

Ｇ＝Ｔ［Ｎｍ］／Ｒ［ｍ］／（Ｍ［ｋｇ］×９．８［Ｎ／ｋｇ］）・・・式（５）

要求制動力を算出すると、制御部３００は、要求制動力に応じた制動を、ブレーキ装置５２０に実現させる（ステップＳ６４ａ）。

また、制御部３００は、ステップＳ６０ａ〜ステップＳ６４ａの処理と並行して、ステップＳ５０ａで算出した補機消費要求電力に応じた電力を、補機に消費させる（ステップＳ７０ａ）。また、補機消費可能電力が、補機消費要求電力以上である場合（ステップＳ６０ａ、ＮＯ）、制御部３００は、ステップＳ６２ａ、ステップＳ６４ａの処理をスキップし、算出した補機消費要求電力を、補機に消費させる（ステップＳ７０ａ）。

この形態によれば、要求電力が、補機において消費可能な電力よりも大きい場合に、補機消費要求電力と、補機消費可能電力と、の差に対応する制動力を、ブレーキ装置５２０に実現させるので、ブレーキ装置５２０によって、車両１０のずり下がりを止めることができる。

・第３実施形態
第３実施形態では、制御部３００は、第１実施形態の補機消費処理に加えて、燃料電池１００の出力電圧が、その上限として予め定めた高電位回避電圧を超えないように燃料電池１００を発電させる、高電位回避制御を実行可能である。高電位回避電圧は、実験やシミュレーションにより予め求められ、制御部３００のメモリに記憶されている。

図５は、補機消費処理が実行される場合の高電位回避制御処理について示す工程図である。この処理は、第１実施形態の補機消費処理と並行して行われる。

ステップＳ３０ｂでは、第１実施形態のステップＳ３０と同様に、第１状態であるか否かが判定される。制御部３００は、ステップＳ３０ｂがＮＯである場合には、高電位回避制御を実行する（ステップＳ９０ｂ）。具体的には、制御部３００は、電圧センサ１０１から検出される燃料電池１００の出力電圧が、高電位回避電圧より小さい所定の電圧値以上となった場合に、高電位回避電圧を超えないように、燃料ガス供給部６１０および酸化剤ガス供給部６２０を制御して燃料電池１００へ燃料ガスと酸化剤ガスの供給を行い、燃料電池１００を発電させる。

制御部３００は、第１状態である場合には（ステップＳ３０ｂ、ＹＥＳ）、高電位回避制御を実行しない（ステップＳ８０ｂ）。具体的には、制御部３００は、電圧センサ１０１から検出される燃料電池１００の出力電圧が、高電位回避電圧より小さい所定の電圧値以上となっても、燃料電池１００への燃料ガスと酸化剤ガスの供給を行わないように、燃料ガス供給部６１０と酸化剤ガス供給部６２０を制御する。

この形態によれば、車両１０が、ずり下がりが発生した状態から、要求する進行方向に移動しようとしている場合には、燃料電池１００が高電位回避制御によって発電しない。そのため、燃料電池１００の発電電力が補機に供給されないので、回生電力を補機によって消費させることができ、駆動モータ１４０に回生電力を発生させて、車両１０のずり下がりを止めることができる。

・第４実施形態
図６は、補機消費処理が実行される場合の駆動モータ１４０のトルク出力制限処理について示す工程図である。第４実施形態では、制御部３００は、補機消費処理において、回生制限トルクを用いて、駆動モータ１４０の出力トルクを決定する。

まず、制御部３００は、回生制限トルクを算出する（図６、ステップＳ１００ｃ）。回生制限トルクは、補機の消費電力を用いて算出される回生制限電力と、駆動モータ１４０による損失分の電力と、を用いて算出される、駆動モータ１４０のトルク出力の上限である。回生制限トルクは、例えば、以下の式（６）を用いて算出される。

回生制限トルク［Ｎｍ］＝（回生制限電力＋駆動モータ損失）［Ｗ］×６０／２π／駆動モータ回転数［ｒｐｍ］・・・式（６）

次に、制御部３００は、要求電力が、補機消費処理が実行されない場合の回生制限電力を上回ったか否かを判定する（ステップＳ１２０ｃ）。要求電力が、補機消費処理が実行されない場合の回生制限電力以下の場合（ステップＳ１２０ｃ、ＮＯ）、制御部３００は、駆動モータ１４０の出力トルクを、回生制限トルク内に設定し（ステップＳ１３５ｃ）、駆動モータ１４０に、設定したトルクを出力させる（ステップＳ１４０ｃ）。

要求電力が、補機消費処理が実行されない場合の回生制限電力を上回った場合には、制御部３００は、回生制限トルクによるトルク出力制限を撤廃し（ステップＳ１３０ｃ）、駆動モータ１４０に要求トルクに応じたトルクを出力させる（ステップＳ１４０ｃ）。

図７は、トルク出力制限処理において、各種パラメータが変化する様子を模式的に示す図である。図７には、シフトポジションセンサ３３０が前進要求を検出しており、車両１０が時刻ｔ０において上り坂で停止している状態から、アクセルペダル４１０が踏み込まれて前進しようとするシーン前後の各種パラメータが示されている。

グラフの縦軸として示された駆動モータ電力は、正の場合には駆動モータ１４０が力行動作することを示し、負の場合には回生動作することを示す。グラフＡ１は、要求電力を示す。グラフＢ１は、補機消費処理が実行される場合の回生制限電力である。グラフＢ１は、二次電池放電電力を含んだ値を示しているため、時刻ｔ１１から時刻ｔ１３において、グラフＡ１よりも負側に位置している。グラフＣ１は、補機消費処理が実行されない場合の回生制限電力Ｃ１を示す。グラフＣ１で示す回生制限電力は、通常補機消費電力に相当する。

グラフの縦軸として示されたトルク値は、グラフＤ１は駆動モータ１４０からの出力トルクを示し、グラフＤ２は駆動モータ１４０への要求トルクを示す。グラフＥ１、Ｅ２は回生制限トルクを示す。グラフの縦軸として示された補機消費電力は、第１実施形態と同様であるため説明を省略する。

時刻ｔ１１から時刻ｔ１２の期間は、ブレーキペダル４２０からアクセルペダル４１０へ踏み換えがされる期間である。時刻ｔ１１から時刻ｔ１２の期間では、車両１０のずり下がりが発生し、車速が次第に低下する。時刻ｔ１２においてアクセルペダル４１０の踏込が開始されると、車速が負であり、前進要求があり、アクセルペダル４１０が踏み込まれた第１状態となる。

時刻ｔ１３以前では、要求電力Ａ１が、補機消費処理が実行されない場合の回生制限電力Ｃ１を上回っていないため、制御部３００は、出力トルクＤ１を、回生制限電力Ｂ１から算出される回生制限トルクＥ１内に設定する（図６、ステップＳ１３５ｃ）。時刻ｔ１３を経過すると、要求電力Ａ１が回生制限電力Ｃ１を上回り（図６、ステップＳ１２０ｃ、ＹＥＳ）、制御部３００は、回生制限トルクを、グラフＥ１からグラフＥ２へ設定して、回生制限トルクによる駆動モータ１４０のトルク出力制限を解除する（図６、ステップＳ１３０ｃ）。そのため、時刻ｔ１３を経過すると、駆動モータ１４０からは、要求トルクに応じたトルクが出力されるようになる。なお、上記のように、要求電力Ａ１が、補機消費処理が実行されない場合の回生制限電力Ｃ１を上回った場合に回生制限トルクを解除できるのは、要求電力Ａ１が駆動モータ損失分の電力を含んで算出されるためである。

この形態によれば、要求電力が、補機消費処理が実行されない場合の回生制限電力を上回った場合に、回生制限トルクによる駆動モータ１４０のトルク出力制限を解除するので、回生電力を補機によって消費させる必要がなくなった時点で、駆動モータ１４０に要求トルクに応じた出力をさせることができる。

・他の実施形態１
上記実施形態において、制御部３００は、第１状態である場合に補機消費処理を実行していた。これに対し、制御部３００は、第１状態であり、かつ、二次電池２００への充電が制限されている場合に、補機消費処理を実行してもよい。この場合には、制御部３００は、検出部２６０から二次電池２００への充電を制限する信号が入力されたか否かを、予め定められた時間ごとに繰り返し判定し、上記信号が入力された場合には二次電池２００への充電制限があることを示すフラグをオンにするように構成されていてもよい。制御部３００は、上記実施形態のステップＳ３０、Ｓ３０ａ（図２、図４）において、第１状態であり、かつ、充電制限フラグがオンである場合に、補機消費を実行してもよい（ステップＳ５０〜ステップＳ７０、ステップＳ５０ａ〜ステップＳ７０ａ）。あるいは、制御部３００は、ステップＳ３０ｂ（図５）において、第１状態であり、かつ、充電制限フラグがオンである場合に、高電位回避制御を実行しないようにしてもよい（ステップＳ８０ｂ）。制御部３００は、第１状態であり、充電制限フラグがオフである場合には、駆動モータ１４０に回生電力を発生させ、発生させた回生電力を二次電池２００へ充電してもよい。

この形態によれば、ずり下がりが発生した状態から、要求する進行方向に移動しようとしており、二次電池２００への充電が制限されている場合に、回生電力を補機に消費させることができるので、二次電池２００の保護と、駆動モータ１４０に回生電力を発生させて車両１０のずり下がりを止めることと、を達成できる。また、二次電池２００への充電制限がされていない場合には、駆動モータ１４０に回生電力を発生させて車両１０のずり下がりを止めつつ、回生電力を二次電池２００へ充電することができる。

・他の実施形態２
上記実施形態において、制御部３００は、駆動モータ１４０の回生電力の一部を、充電可能電力分だけ、二次電池２００への充電に割り当ててもよい。この場合には、上記式（２）で表される補機消費要求電力は、以下の式（７）のように変形可能であり、上記式（４）、（５）の補機消費要求電力には、以下の式（７）で算出された補機消費要求電力を代入することができる。

補機消費要求電力［Ｗ］＝−要求電力［Ｗ］＋通常補機消費電力［Ｗ］−充電可能電力［Ｗ］・・・（７）

・他の実施形態３
上記実施形態において、回生制限電力は、充電可能電力を含んでもよい。

・他の実施形態４
上記第２実施形態において、ブレーキ装置５２０は、車両１０を制動させるためのモータを備えていてもよく、補機消費可能電力と、補機消費要求電力との差分の電力を消費して作動するように構成されていてもよい。

・他の実施形態５
上記種々の実施形態は、適宜組み合わせてもよい。例えば、第２実施形態と第３実施形態を組み合わせてもよい。

本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、他の実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…車両
２０…燃料電池システム
１００…燃料電池
１０１…電圧センサ
１１０…ＦＣ昇圧コンバータ
１２０…バッテリコンバータ
１３０…モータ用インバータ
１４０…駆動モータ
１６０…ＡＣＰ用インバータ
１７０…エアコンプレッサ
２００…二次電池
２３０…ＦＣ補機用インバータ
２５０…ＦＣ補機
２６０…検出部
２６１…バッテリセンサ
２６２…温度センサ
３００…制御部
３１０…アクセルペダルセンサ
３２０…ブレーキペダルセンサ
３３０…シフトポジションセンサ
３４０…車速センサ
３５０…回転数センサ
４１０…アクセルペダル
４２０…ブレーキペダル
５２０…ブレーキ装置
５３０…シフト装置
６１０…燃料ガス供給部
６２０…酸化剤ガス供給部

Claims (5)

1. 車両に搭載される燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   前記燃料電池と並列に接続された二次電池と、
   前記燃料電池と前記二次電池の少なくとも一方からの電力によって駆動力を発生するモータとしての機能と、前記二次電池を充電可能な回生電力を発生させるジェネレータとしての機能と、を有する駆動モータと、
   前記回生電力を消費可能な補機と、
   前記車両に設けられたアクセルペダルの踏込量を検出するアクセルペダルセンサと、
   前記車両に対する前進要求と後進要求とを検出するシフトポジションセンサと、
   前記車両の車速を検出する車速センサと、
   前記回生電力を前記補機に消費させることが可能な制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記車速が負であり、前記前進要求があり、前記アクセルペダルが踏み込まれた場合、又は、前記車速が正であり、前記後進要求があり、前記アクセルペダルが踏み込まれた場合に、第１状態であると判定し、
   前記第１状態である場合に、前記アクセルペダルの踏込量を用いて算出される前記駆動モータへの要求電力を含む前記回生電力を前記補機に消費させる、補機消費処理を実行する、
   燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、前記第１状態であり、かつ、前記二次電池への充電が制限されている場合に、前記補機消費処理を実行する、燃料電池システム。
3. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記車両は、前記車両を制動可能なブレーキ装置を備え、
   前記制御部は、前記第１状態であり、かつ、前記アクセルペダルの踏込量を用いて算出される前記回生電力に応じて前記補機へ消費を要求する電力が、前記補機において消費可能な電力よりも大きい場合には、前記補機へ消費を要求する電力と、前記補機の消費可能な電力と、の差に対応する制動力を、前記ブレーキ装置に実現させる、燃料電池システム。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧センサを備え、
   前記制御部は、前記燃料電池の出力電圧がその上限として予め定めた高電位回避電圧を超えないように前記燃料電池を発電させる、高電位回避制御を実行しており、
   前記第１状態である場合には、前記高電位回避制御を実行しない、燃料電池システム。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、
   前記要求電力を、前記アクセルペダルの踏込量に応じた前記駆動モータへの要求トルクから算出される電力と、前記駆動モータによる損失分の電力と、を用いて算出し、
   前記駆動モータのトルク出力を、前記回生電力の上限値である回生制限電力と、前記駆動モータによる損失分の電力と、を用いて算出される回生制限トルク内に制限しており、
   前記要求電力が、前記補機消費処理が実行されない場合の前記回生制限電力を上回った場合には、前記回生制限トルクによる前記駆動モータのトルク出力制限を解除する、燃料電池システム。

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