JP7180509B2 - 燃料電池車両 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池車両の技術に関する。

従来、燃料電池と回生可能な駆動モータとを備える燃料電池車両が知られている（特許文献１）。従来の技術では、駆動モータによって発生した電力の全てを二次電池に充電できない場合において、二次電池に充電できない余剰電力から補機に分配した電力を差し引いた余剰電力差がある場合には、回生制御の効率または補機の駆動効率を下げる制御が行われている。

特開２０１７－１５７２７０号公報

燃料電池車両において、発生する電力は、駆動モータの回生制御による電力と、燃料電池の発電による電力（発電電力）とがある。発電電力は、利用者の操作に因らない突発的な発電、例えば掃気処理による発電によって生じる場合がある。ここで、燃料電池車両において、回生制御による回生制動トルクと、摩擦ブレーキによる摩擦制動トルクとを協調作動させてドライバーからの要求制動トルクを実現する場合、協調作動による制動トルクをより安定させる技術が望まれる。

本発明は、以下の形態として実現することが可能である。
［形態１］燃料電池車両であって、回生動作によって回生電力を生成可能であり、前記燃料電池車両を駆動する駆動モータと、カソードとアノードとを有し、前記駆動モータに電力を供給可能な燃料電池と、前記カソードに酸化ガスを送り込むコンプレッサと、前記燃料電池車両を制動する摩擦ブレーキと、前記駆動モータに電力を供給することと、前記燃料電池車両の余剰電力を蓄電することが可能な蓄電装置と、前記燃料電池内に滞留する滞留水の水量を推定する滞留水推定部と、推定した前記滞留水の水量が、予め定めた第１水量以上の場合に、前記コンプレッサによって前記酸化ガスを前記カソードに供給することによって前記滞留水を前記燃料電池外へ排出させる掃気処理であって前記燃料電池の発電を行う掃気処理を実行する掃気処理実行部と、前記摩擦ブレーキと前記駆動モータの回生動作による回生ブレーキとを利用して、前記燃料電池車両の制動要求を満足するように前記摩擦ブレーキと前記回生動作とを制御する制動制御部と、を備え、前記制動制御部は、前記制動要求に応じて前記燃料電池車両の制動を行っている期間において、（ｉ）推定した前記滞留水の水量が前記第１水量よりも少ない予め定めた第２水量未満の場合には、前記回生動作による回生電力の上限制限電力を予め定めた第１の値以下に制限し、（ｉｉ）推定した前記滞留水の水量が前記第２水量以上の場合には、前記上限制限電力を前記第１の値よりも予め定めた値分低くした第２の値に設定する上限変更処理を実行する、燃料電池車両。この形態によれば、掃気処理によって燃料電池が発電する前の段階で、上限制限電力を予め定めた値分低く設定することで、掃気処理によって燃料電池が発電したことに伴って回生電力が減少することを抑制できる。これにより、制動トルクがより安定できる。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池車両が提供される。この燃料電池車両は、回生動作によって回生電力を生成可能であり、前記燃料電池車両を駆動する駆動モータと、カソードとアノードとを有し、前記駆動モータに電力を供給可能な燃料電池と、前記カソードに酸化ガスを送り込むコンプレッサと、前記燃料電池車両を制動する摩擦ブレーキと、前記駆動モータに電力を供給することと、前記燃料電池車両の余剰電力を蓄電することが可能な蓄電装置と、前記燃料電池内に滞留する滞留水の水量を推定する滞留水推定部と、推定した前記滞留水の水量が、予め定めた第１水量以上の場合に、前記コンプレッサによって前記酸化ガスを前記カソードに供給することによって前記滞留水を前記燃料電池外へ排出させる掃気処理を実行する掃気処理実行部と、前記摩擦ブレーキと前記駆動モータの回生動作による回生ブレーキとを利用して、前記燃料電池車両の制動要求を満足するように前記摩擦ブレーキと前記回生動作とを制御する制動制御部と、を備え、前記制動制御部は、前記制動要求に応じて前記燃料電池車両の制動を行っている期間において、（ｉ）推定した前記滞留水の水量が前記第１水量よりも少ない予め定めた第２水量未満の場合には、前記回生動作による回生電力の上限制限電力を予め定めた第１の値以下に制限し、（ｉｉ）推定した前記滞留水の水量が前記第２水量以上の場合には、前記上限制限電力を前記第１の値よりも予め定めた値分低くした第２の値に設定する上限変更処理を実行する。この形態によれば、掃気処理によって燃料電池が発電する前の段階で、上限制限電力を予め定めた値分低く設定することで、掃気処理によって燃料電池が発電したことに伴って回生電力が減少することを抑制できる。これにより、制動トルクがより安定できる。
（２）上記形態であって、前記上限変更処理は、前記上限制限電力を前記第２の値に設定することで前記回生電力を減少させる必要がある場合に、前記回生動作を制御して前記回生電力を予め定めた条件を満たすように前記第２の値まで減少させる回生低減処理を含み、前記予め定めた条件は、前記回生動作による制動トルクである回生制動トルクの変化速度が、前記摩擦ブレーキによる制動トルクである摩擦制動トルクの変化速度以下であるという条件であり、前記制動制御部は、前記回生低減処理によって生じる前記回生制動トルクの減少に応じて、前記摩擦制動トルクを増加させる摩擦増加処理を実行してもよい。この形態によれば、上限制限電力を予め定めた値分低く設定することで回生電力を第２の値まで減少させる必要がある場合において、回生制動トルクの変化量を摩擦制動トルクで補うことができる。これにより、制動トルクを要求制動トルクにより近づけることができる。
（３）上記形態であって、前記予め定めた値は、前記制動を行っている期間に前記掃気処理を実行する際の前記燃料電池の発電電力の増加に起因する前記余剰電力の推定増加分以上の値に設定されてもよい。この形態によれば、制動トルクがより一層安定できる。
（４）上記形態であって、前記摩擦増加処理における前記摩擦制動トルクの増加量は、前記回生低減処理によって生じる前記回生制動トルクの減少量と同じ値に設定されてもよい。この形態によれば、回生制動トルクの減少分を摩擦制動トルクによって補うことができるので、制動トルクを要求制動トルクにより近づけることができる。
（５）上記形態であって、前記制動制御部は、前記上限変更処理の開始後、推定した前記滞留水が第２水量よりも少ない第３水量以下であり、かつ、制動要求が解除された場合に、前記上限変更処理を終了してもよい。この形態によれば、制動要求が解除された場合に上限変更処理を終了することで、回生制動トルクの変化速度と摩擦制動トルクの変化速度とを対応させるための制御を行うことなく、制動トルクがより一層安定できる。
本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、上記の燃料電池システムの他に、例えば、燃料電池システムを搭載する燃料電池車両、燃料電池システムの制御方法、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等の形態で実現することができる。

実施形態における燃料電池車両の概略構成を示す説明図。 制御装置の機能ブロック図。 回生協調制動時の制動トルクの変化を模式的に説明するための図。 蓄電装置の充電電力について説明するための図。 回生協調制動時の制動トルクの変化を模式的に示す参考図。 制動期間中に制御装置が実行する上限変更処理を含むフローチャート。 掃気処理、上限変更処理、回生電力および制動要求の第１のタイミングチャート。 掃気処理、上限変更処理、回生電力および制動要求の第２のタイミングチャート。

Ａ．実施形態：
図１は、実施形態における燃料電池車両２０の概略構成を示す説明図である。燃料電池車両２０は、燃料電池システム３０と、駆動モータ４０と、摩擦ブレーキ５０と、アクセルペダル７０と、ブレーキペダル７２と、車速検出部６０と、前輪ＦＷと、後輪ＲＷとを備える。燃料電池システム３０は、燃料電池１００と、蓄電装置４２１と、車速検出部６０と、制御装置８０と、を備えている。

燃料電池車両２０は、アクセルペダル７０やブレーキペダル７２の操作に応じて駆動または制動される。本実施形態の駆動モータ４０は、回生電力を生成可能である。また駆動モータ４０は、燃料電池車両２０を駆動する。つまり、駆動モータ４０は、燃料電池車両２０を駆動する力行モードと、燃料電池車両２０を制動する回生モードとで動作可能である。力行モード時の駆動モータ４０は、燃料電池システム３０から電力の供給を受けて、前輪ＦＷと後輪ＲＷとの少なくとも一方を回転させることによって燃料電池車両２０を駆動する。回生モード時の駆動モータ４０は、燃料電池車両２０の運動エネルギを電力に変換することによって燃料電池車両２０を制動する。回生モード時の駆動モータ４０による制動のことを、回生ブレーキとも呼ぶ。本実施形態の燃料電池車両２０は、回生ブレーキと摩擦ブレーキ５０とを併用した回生協調ブレーキによって制動される。摩擦ブレーキによる制動トルクのことを摩擦制動トルクとも呼び、回生ブレーキによる制動トルクのことを回生制動トルクとも呼び、回生協調ブレーキによる制動トルクのことを回生協調制動トルクとも呼ぶ。

本実施形態の燃料電池システム３０は、燃料電池１００に加え、水素給排系２００と、空気給排系３００と、電力供給系４００とを備えている。本実施形態の燃料電池１００は、固体高分子形の燃料電池である。燃料電池１００は、電気化学反応によって起電力を発生させる。燃料電池１００は、アノードとカソードとを有する。燃料電池１００の反応ガスには、燃料ガスとして水素ガスが用いられ、酸化ガスとして空気が用いられる。燃料電池１００は、複数の単セルが積層したスタック構造を有し、それぞれの単セル同士は直列に接続されている。それぞれの単セルは、電解質膜の両面に電極触媒層を有する膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持する一対のセパレータとを備えている。アノード側における膜電極接合体とセパレータとの間には、水素ガスが流通可能なアノード流路が形成されている。カソード側における膜電極接合体とセパレータとの間には、空気が流通可能なカソード流路が形成されている。燃料電池１００は、駆動モータ４０に電力を供給可能である。

水素給排系２００は、水素供給部２１０と、水素循環部２２０と、水素排出部２３０とを備えている。水素供給部２１０は、水素タンク２１１と、水素供給流路２１２と、主止弁２１３と、減圧弁２１４と、インジェクタ２１５とを備えている。水素タンク２１１は、燃料電池１００に供給するための水素ガスを高圧の状態で貯蔵している。水素供給流路２１２は、水素タンク２１１と燃料電池１００のアノード流路とを接続する流路である。水素供給流路２１２には、上流側から順に、主止弁２１３と、減圧弁２１４とが設けられている。主止弁２１３が開弁されることによって、水素タンク２１１に貯蔵された高圧の水素ガスが、水素供給流路２１２へと流れる。高圧の水素ガスは、減圧弁２１４によって所定の圧力まで減圧された後、燃料電池１００の発電要求に応じてインジェクタ２１５から燃料電池１００へと供給される。

水素循環部２２０は、水素循環流路２２１と、水素循環ポンプ２２２とを備えている。水素循環流路２２１は、燃料電池１００のアノード流路と、水素供給流路２１２におけるインジェクタ２１５よりも下流側とを接続する流路である。水素循環流路２２１には、水素循環ポンプ２２２が設けられている。燃料電池１００から排出されたアノードオフガスに含まれる未消費の水素ガスは、循環ポンプによって、水素供給流路２１２に循環する。尚、アノードオフガスには、未消費の水素ガスの他に、燃料電池１００の発電に伴う生成水や窒素ガスが含まれる。このため、水素循環流路２２１における燃料電池１００と循環ポンプとの間に設けられた図示しない気液分離器によって、未消費の水素ガスと、生成水や窒素ガスとが分離される。

水素排出部２３０は、水素排出流路２３１と、排気排水弁２３２とを備えている。水素排出流路２３１は、水素循環流路２２１における燃料電池１００と水素循環ポンプ２２２との間と、後述する空気排出流路３２１とを接続する流路である。水素排出流路２３１には、排気排水弁２３２が設けられている。排気排水弁２３２が開弁されることによって、アノードオフガスが、空気排出流路３２１を介して大気へと排出される。

空気給排系３００は、空気供給部３１０と、空気排出部３２０とを備えている。空気供給部３１０は、空気導入流路３１１と、エアフローメータ３１２と、コンプレッサ３１３と、分流弁３１４と、空気供給流路３１５と、空気バイパス流路３１６とを備えている。空気導入流路３１１は、大気に連通する流路であり、分流弁３１４によって空気供給流路３１５と空気バイパス流路３１６とに接続されている。空気導入流路３１１には、上流側から順に、エアフローメータ３１２と、コンプレッサ３１３と、分流弁３１４とが設けられている。エアフローメータ３１２は、空気導入流路３１１に導入された空気の流量を検出するセンサである。コンプレッサ３１３は、空気導入流路３１１へと空気を導入して、導入した空気を燃料電池１００へと送り込むための圧縮機である。本実施形態のコンプレッサ３１３は、ターボコンプレッサである。コンプレッサ３１３は、ターボ式圧縮機に限られず、容積式圧縮機であってもよい。分流弁３１４は、空気供給流へと流れる空気の流量と、空気バイパス流路３１６へと流れる空気の流量とを、開度に応じて調節可能である。空気供給流路３１５は、分流弁３１４と燃料電池１００のカソード流路とを接続する流路である。空気バイパス流路３１６は、分流弁３１４と後述する空気排出流路３２１とを接続する流路である。尚、空気バイパス流路３１６は、空気排出流路３２１に接続されずに、大気に連通してもよい。

空気排出部３２０は、空気排出流路３２１と、調圧弁３２２とを備えている。空気排出流路３２１は、燃料電池１００のカソード流路に接続された、大気に連通する流路である。空気排出流路３２１には、調圧弁３２２が設けられている。調圧弁３２２の開度が調節されることによって、燃料電池１００のカソード流路内の空気の圧力や、コンプレッサ３１３によって吐出される空気の流量が調節される。空気排出流路３２１における調圧弁３２２よりも下流側には、上流側から順に、上述した空気バイパス流路３１６と、水素排出流路２３１とが接続されている。燃料電池１００のカソードから排出されたカソードオフガスは、空気バイパス流路３１６から流入した空気や、水素排出流路２３１から流入したアノードオフガスとともに、空気排出流路３２１を流れて、大気へと排出される。

燃料電池システム３０は、さらに、燃料電池１００の温度を調節するための図示しない冷媒循環系を備えている。冷媒循環系は、燃料電池１００を冷却した冷媒が、冷媒を放熱させるラジエータを経由して、燃料電池１００に循環するように構成されている。

電力供給系４００は、昇圧コンバータ４１１と、インバータ４１２と、蓄電装置４２１と、昇降圧コンバータ４２２と、第１配線４３１と、第２配線４３２とを備えている。燃料電池１００と、昇圧コンバータ４１１と、インバータ４１２とが第１配線４３１によってこの順に電気的に接続されている。蓄電装置４２１と、昇降圧コンバータ４２２と、第１配線４３１における昇圧コンバータ４１１とインバータ４１２との間とが第２配線４３２によってこの順に電気的に接続されている。燃料電池１００によって発電された直流電力は、昇圧コンバータ４１１によって昇圧された後に、インバータ４１２によって三相交流電力に変換されて、駆動モータ４０に供給される。蓄電装置４２１によって蓄電された直流電力は、昇降圧コンバータ４２２によって昇圧された後に、インバータ４１２によって三相交流電力に変換されて、駆動モータ４０に供給される。昇降圧コンバータ４２２は、蓄電装置４２１に蓄電された電力を昇圧可能なだけでなく、燃料電池１００によって発電された電力や、回生モード時の駆動モータ４０によって発電された電力を降圧可能に構成されている。インバータ４１２は、直流電力から交流電力に変換可能に構成されているだけでなく、交流電力から直流電力に変換可能に構成されている。

蓄電装置４２１は、燃料電池１００が発電した発電電力と、回生モード時の駆動モータ４０の回生動作によって発生した回生電力と、を蓄電することが可能である。発電電力と回生電力とを合計した電力が、コンプレッサ３１３と水素循環ポンプ２２２とを含む燃料電池システム３０の補機等によって消費される電力を上回る場合、上回った量の電力は、蓄電装置４２１に蓄電される。蓄電装置４２１は、予め定めた上限値以下の蓄電量の範囲で蓄電される。蓄電装置４２１に蓄電された電力は、駆動モータ４０や、燃料電池システム３０の補機に供給可能である。蓄電装置４２１として、例えば、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等を用いることができる。尚、蓄電装置４２１は、二次電池ではなく、キャパシタであってもよい。

摩擦ブレーキ５０は、燃料電池車両２０の運動エネルギを摩擦による熱エネルギに変換することによって、燃料電池車両２０を制動するための減速装置である。本実施形態の摩擦ブレーキ５０は、アクチュエータによって駆動する油圧式ディスクブレーキである。燃料電池車両２０は、摩擦ブレーキ５０のマスタシリンダ圧力であるブレーキ油圧を検出する液圧センサ５２を有する。尚、摩擦ブレーキ５０は、アクチュエータによって駆動するドラムブレーキであってもよい。

車速検出部６０は、燃料電池車両２０の車速を検出する。本実施形態の車速検出部６０は、車輪速センサによって得られた燃料電池車両２０の各車輪の回転速度を用いて車速を検出する。尚、車速検出部６０は、加速度センサによって得られた燃料電池車両２０の加速度を用いて車速を検出してもよいし、ＧＮＳＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ）によって得られた位置情報を用いて車速を検出してもよい。

制御装置８０は、燃料電池車両２０の動作を制御する。制御装置８０は、例えば、コンプレッサ３１３の動作を制御してカソードへの酸化ガスの供給流量を制御する。

図２は、制御装置８０の機能ブロック図である。制御装置８０は、ＣＰＵ８１と、記憶部８９と、各部品が接続されるインターフェース回路と、を備えたコンピュータとして構成されている。記憶部８９は、ＲＯＭやＲＯＭなどによって構成され、燃料電池車両２０を制御するための各種プログラムや、各種データが記憶されている。ＣＰＵ８１は、記憶部８９に記憶された各種プログラムを実行することにより、発電電力推定部８２と、滞留水推定部８３と、掃気処理実行部８４と、電圧維持部８６と、制動制御部８７として機能する。

発電電力推定部８２は、燃料電池１００のカソードへの酸化ガスの供給流量に対する燃料電池１００の発電電力［ｋＷ］を推定する。発電電力推定部８２は、例えば、記憶部８９に記憶された、酸化ガスの供給流量と発電電力の関係を示したマップを用いて、発電電力を推定する。なお、他の実施形態では、発電電力推定部８２は、燃料電池１００の電圧を検出する電圧センサ（図示せず）と、燃料電池１００の電流を検出する電流センサ（図示せず）とを用いて燃料電池１００の発電電力として推定してもよい。

滞留水推定部８３は、燃料電池１００内に滞留する滞留水の水量を推定する。具体的には、滞留水推定部８３は、単位時間当たりの滞留水の増加量を推定し、初期値に対して推定した単位時間当たりの滞留水の増加量を積算することによって滞留水の水量を推定する。初期値は、例えば、ゼロに設定されている。また、滞留水推定部８３は、後述する掃気処理が完了した時点で、滞留水の水量を初期値（本実施形態ではゼロ）に戻す。なお、本実施形態では、掃気処理実行中は、滞留水の水量は掃気処理直前の推定滞留水の水量であるとみなしている。

滞留水推定部８３は、単位時間当たりに燃料電池１００の発電に伴って生じる生成水の量と、単位時間当たりに燃料電池１００からカソードオフガスとともに排出される水分の量との差を、単位時間当たりの滞留水の増加量として推定する。単位時間当たりに燃料電池１００の発電に伴って生じる生成水の量は、燃料電池１００から出力される電流と、水の分子量などを用いて算出できる。単位時間当たりに燃料電池１００からカソードオフガスとともに排出される水分の量は、燃料電池１００内の温度における飽和水蒸気量と、燃料電池１００内に供給される空気の流量などを用いて算出できる。なお、燃料電池１００から出力される電流は、電流センサを用いて測定できる。燃料電池１００内の温度として、燃料電池１００の冷媒出口近傍における冷媒の温度を用いることができる。燃料電池１００の冷媒出口近傍における冷媒の温度は、温度センサを用いて測定できる。

掃気処理実行部８４は、滞留水推定部８３が推定した滞留水（推定滞留水）の水量が、予め定めた第１水量以上の場合に、掃気処理を実行する。第１水量は、例えば、単セル当たり０．２ｇの滞留水が存在する場合における燃料電池１００の滞留水の水量に設定されている。つまり、第１水量は、０．２ｇ／セルと、燃料電池１００のセル積層数との積である。掃気処理は、燃料電池車両２０からの要求電力に拘わらず、コンプレッサ３１３によって予め定めた目標流量の酸化ガスを予め定めた時間だけカソードに供給することによって燃料電池１００内の滞留水を燃料電池１００外へ排出させる処理である。なお、掃気処理の実行中において、燃料電池１００のアノードへは、予め定めた流量のアノードガスが供給されている。

電圧維持部８６は、燃料電池１００の電圧が予め定めた上限電圧に到達した場合に、燃料電池１００から引く電流を調整して燃料電池１００を発電させることで、燃料電池１００の電圧を上限電圧以下に維持する。具体的には、電圧維持部８６は、図示しない燃料電池１００の電圧センサの検出値が上限電圧に到達した場合に、昇圧コンバータ４１１を制御して、燃料電池１００から電流を引くことで燃料電池１００を発電させて、電圧を上限電圧以下に維持する。例えば、掃気処理が実行された場合、燃料電池１００の電圧が増加するため、燃料電池１００から電流を引いて燃料電池１００を発電させる。燃料電池１００の電圧が予め定めた上限電圧以下に維持されることで、燃料電池１００が劣化することを抑制できる。燃料電池１００の劣化は、燃料電池１００が有する白金などの触媒が溶出することで生じ得る。

制動制御部８７は、摩擦ブレーキ５０と回生ブレーキとを利用して、燃料電池車両２０の制動要求を満足するように摩擦ブレーキ５０と回生動作とを制御する。具体的には制動制御部８７は、摩擦制動トルクと回生制動トルクとの割合を制御する。制動制御部８７は、ブレーキ油圧を制御することで摩擦制動トルクを制御する。また制動制御部８７は、駆動モータ４０における電流値および電流進角を制御することで回生制動トルクを制御する。回生制動トルクと、電流値および電流進角との関係は、マップとして記憶部８９に記憶されている。

また制動制御部８７は、制動要求に応じて燃料電池車両２０の制動を行っている期間において、以下の処理を実行する。つまり、制動制御部８７は、推定した滞留水の水量が第１水量よりも少ない予め定めた第２水量未満の場合には、回生動作による回生電力の上限制限電力を予め定めた第１の値以下に制限する。また制動制御部８７は、推定した滞留水の水量が第２水量以上の場合には、上限制限電力を第１の値よりも予め定めた値分低くした第２の値に設定する上限変更処理を実行する。第２水量は、例えば、単セル当たり０．１５ｇ以上０．１９ｇ以下の範囲で滞留水が存在する場合における、燃料電池１００の滞留水の水量に設定されている。本実施形態では、単セル当たりの滞留水は０．１５ｇに設定されている。つまり、第２水量は、０．１５ｇ／セルと、燃料電池１００のセル積層数との積である。予め定めた値は、制動を行っている期間において、掃気処理を実行する際の燃料電池１００の発電電力の増加に起因する余剰電力の推定増加分以上の値に設定されている。余剰電力の推定増加分以上の値としては、例えば、推定増加分の値であってもよいし、発電電力推定部８２が推定した、掃気処理によって燃料電池１００が発電する掃気推定発電電力であってもよい。制動制御部８７は、発電電力推定部８２が推定した発電電力と、燃料電池１００の補機などによって消費される電力とを用いて推定増加分を推定してもよい。また、制動制御部８７は、予め定めた一定値を推定増加分としてもよい。掃気処理が開始される前の時点において、上限制限電力を推定増加分以上低く設定することで、掃気処理による燃料電池１００の発電電力を蓄電装置４２１に充電することができる。これにより、掃気処理によって燃料電池１００が発電したことに伴って回生電力が減少することを抑制できるので、制動トルクがより安定できる。

上限変更処理は、上限制限電力を第２の値に設定することで、実際の回生電力を減少させる必要がある場合に、回生動作を制御して予め定めた条件を満たすように回生電力を第２の値まで減少させる回生低減処理を含む。予め定めた条件は、回生制動トルクの変化速度が、摩擦制動トルクの変化速度以下であるとう条件である。摩擦制動トルクの変化速度は、例えば、摩擦ブレーキ５０のブレーキ油圧に応じて変化させてもよいし、予め定めた一定速度としてもよい。回生低減処理によって、摩擦制動トルクの応答性に対応させて回生制動トルクを変化させることができるので、回生制動トルクの変化量を摩擦制動トルクで補うことができる。これにより、制動トルクを要求制動トルクにより近づけることができる。

また制動制御部８７は、回生低減処理によって生じる回生制動トルクの減少に応じて、摩擦制動トルクを増加させる摩擦増加処理を実行する。摩擦増加処理は、要求制動トルクから大きく逸脱しないように、回生制動トルクの減少分を摩擦制動トルクで補う処理である。本実施形態において、摩擦増加処理における摩擦制動トルクの増加量は、回生低減処理によって生じる回生制動トルクの減少量と同じ値に設定されている。これにより、回生制動トルクの減少分を摩擦制動トルクによって補うことができるので、制動トルクを要求制動トルクにより近づけることができる。

図３は、回生協調制動時の制動トルクの変化を模式的に説明するための図である。横軸は、回生協調ブレーキによる制動を開始してから燃料電池車両２０が停車するまでの時間を表している。縦軸は、回生協調制動トルクを表している。一般に、駆動モータ４０が回生電力を発生させるための駆動輪からのトルクが、十分に得られない低速度域では、回生制動トルクは低下する。そのため、本実施形態の制御装置８０は、安定した回生協調制動トルクを確保するために、燃料電池車両２０が低速になるにつれて、回生制動トルクの割合を減少させる。

図４は、蓄電装置４２１の充電電力について説明するための図である。蓄電装置４２１は、予め定めた上限値Ｃｕ以下の範囲で蓄電できるように制御装置８０によって制御される。回生協調ブレーキが実行されている協調制動期間において、燃料電池１００の発電が停止している場合には、より多くの回生電力を蓄電装置４２１に蓄電できる。一方で、協調制動期間において、掃気処理が実行され、電圧を上限電圧以下に維持するために燃料電池１００を発電させた場合、燃料電池車両２０の動作に用いられない余剰の発電電力が発生する場合がある。このため、余剰分の発電電力を蓄電装置４２１で蓄電するために、蓄電できる回生電力が減少する。

図５は、回生協調制動時の制動トルクの変化を模式的に示す参考図である。図５では、回生制動トルクが発生した状態で掃気処理が実行された場合における、回生協調制動トルクの変化を表している。掃気処理が実行されると、掃気処理によって生じた発電電力の余剰電力を蓄電するために、蓄電装置４２１において回生電力の蓄電量が減少する（図４）。これにより、蓄電装置４２１の充電電力が上限値Ｃｕに達した場合、回生電力の蓄電または消費先がなくなって、駆動モータ４０からの電流が流れなくなる。そのため、燃料電池システム３０において、燃料電池１００の発電電力が増加するに伴って、駆動モータ４０が駆動輪の回転を制動するための磁力が低下して、回生制動トルクが低下する。回生制動トルクが低下した場合、摩擦ブレーキ５０の摩擦制動トルクを上げて、要求制動トルクを補うように制御される。

本実施形態の制動制御部８７は、回生協調ブレーキによって燃料電池車両２０が制動されている期間において、掃気処理が実行される前に、掃気処理による燃料電池１００の発電電力を蓄電できるように回生動作による回生電力の上限制限電力を予め定めた値分低く設定する上限設定処理を実行する。以下に燃料電池システム３０が実行する上限設定処理を含む処理の具体例を説明する。

図６は、制動期間中に制御装置８０が実行する上限変更処理を含むフローチャートである。図７は、掃気処理、上限変更処理、回生電力および制動要求の第１のタイミングチャートである。図８は、掃気処理、上限変更処理、回生電力および制動要求の第２のタイミングチャートである。図６に示すフローチャートは、ブレーキペダル７２が踏み込まれることで制動要求が生じたことをトリガーに開始される。つまり図７および図８に示すように、時刻ｔ０において制動要求がＯＮとなることで図６のフローチャートが開始される。図７は、ステップＳ１２，Ｓ１４の処理を行う場合のフローチャートである。図８は、ステップＳ１２，１６の処理を行う場合のフローチャートである。また図７および図８において、第１水量Ｌ１は、掃気処理を実行するための閾値である。第２水量Ｌ２は、上限変更処理を実行するための閾値である。第３水量Ｌ３は、第２水量よりも少ない値に設定されており、本実施形態ではゼロである。上限制限電力は、蓄電装置４２１に蓄電する上限の電力であり、第１の値Ｐ１は上限変更処理前の値であり、第２の値Ｐ２は上限変更処理を実行したときの値である。

図６に示すように、滞留水推定部８３は、推定滞留水の水量が第２水量Ｌ２以上か否かを判定する（ステップＳ１０）。推定滞留水の水量が第２水量Ｌ２未満である場合には、滞留水推定部８３は繰り返しステップＳ１０を実行する。

一方で、推定滞留水の水量が第２水量Ｌ２以上である場合には、制動制御部８７は上限変更処理を実行する（ステップＳ１２，Ｓ１４，Ｓ１６，Ｓ１８）。まず制動制御部８７は、上限制限電力を第１の値Ｐ１から予め定めた値△Ｐ分低い第２の値Ｐ２に設定した場合に、現時点の回生電力を減少させる必要があるか否かを判定する（ステップＳ１２）。つまり制動制御部８７は、現時点の回生制御によって生じている回生電力が、予め定めた値△Ｐ分低く設定した第２の値Ｐ２よりも高いか否かを判定する。回生電力を減少させる必要がある場合に（ステップＳ１２：Ｙｅｓ）、回生低減処理と摩擦増加処理とを実行する（ステップＳ１６）。回生低減処理では、制動制御部８７は、回生電力を第２の値Ｐ２まで徐々に減少させることで、上限制限電力を変更する。つまり、上限制限電力を第１の値Ｐ１から予め定めた値△Ｐ分だけ減少させて第２の値Ｐ２に変更する場合において、回生制動トルクの減少速度が、摩擦制動トルクの変化速度以下となるように回生制動トルクを減少させることで、回生電力を減少させる。図８に示す例は、上限変更処理が開始される時刻ｔ１において、回生電力が上限制限電力である第１の値Ｐ１であった場合であり、この場合には回生電力を上限制限電力の減少に伴って徐々に減少させている。また摩擦増加処理では、回生低減処理による回生制動トルクの減少量と同じ値だけ摩擦制動トルクが増加するように、摩擦ブレーキ５０が制御される。回生低減処理および摩擦増加処理によって、回生制動トルクの減少分を摩擦制動トルクで補うことができるので、制動トルクを要求制動トルクにより近づけることができる。

回生電力を減少させる必要が無い場合には（ステップＳ１２：Ｎｏ）、上限制限電力を、予め定めた値△Ｐ分減少させることで第２の値Ｐ２に設定することで上限制限電力を変更する（ステップＳ１４）。ステップＳ１４においては、上限制限電力の変更速度は、任意の値をとることができる。本実施形態では、図７に示すように、上限変更処理が開始される時刻ｔ１において、上限制限電力を値Ｐ分減少させることで第２の値に設定している。

図６に示すように、上限変更処理を開始した後に、制動制御部８７は終了条件を満たすか否かを判定する（ステップＳ１８）。終了条件は、推定滞留水が第２水量Ｌ２よりも少ない第３水量Ｌ３以下であり、かつ、燃料電池車両２０の制動要求が解除されたという条件である。第３水量Ｌ３は、掃気処理が終了したときの推定滞留水である初期値、本実施形態ではゼロに設定されている。また、ブレーキペダル７２の踏込量がゼロになることで、運転者からの制動要求が解除される。

終了条件を満たさない場合には、繰り返しステップＳ１８が実行される。一方で、終了条件を満たした場合には、制動制御部８７は上限制限電力を減少させる前の値、すなわち、第１の値Ｐ１に変更することで、上限変更処理を終了する（ステップＳ２０）。図７および図８では、時刻ｔ４において終了条件が満たされることで、上限変更処理が終了されている。図７および図８では、時刻ｔ４において上限変更処理が終了されることで、上限制限電力が第２の値Ｐ２から第１の値Ｐ１へと徐々に変更されている。

上記実施形態によれば、掃気処理によって燃料電池１００が発電する前の段階で、上限制限電力を予め定めた値△Ｐ分低く設定することで、掃気処理によって燃料電池１００が発電したことに伴って回生電力が減少することを抑制できる。これにより、制動トルクがより一層安定できるので、燃料電池車両２０のドライバビリティが低下することを抑制できる。

ここで、推定滞留水が第２水量Ｌ２よりも少ない第３水量Ｌ３以下となった場合に、上限変更処理を終了した場合、要求制動トルクによっては、回生制動トルクが急激に増加する場合がある。一方で、摩擦制動トルクの減少速度が回生制動トルクの増加速度よりも低いために、制動トルクが変動する恐れが生じ得る。この形態によれば、推定滞留水が第２水量Ｌ２よりも少ない予め定めた第３水量Ｌ３以下であり、かつ、制動要求が解除された場合に、上限変更処理を終了している（図６のステップＳ２０）。これにより、上限変更処理の終了後に回生制動トルクが急激に増加することが無いため、回生制動トルクの変化速度と摩擦制動トルクの変化速度とを対応させるための制御を行うことなく、制動トルクがより一層安定できる。

Ｂ．他の実施形態：
上記実施形態によれば、摩擦増加処理における摩擦制動トルクの増加量は、回生低減処理によって生じる回生制動トルクの減少量と同じ値に設定されていたがこれに限定されるものではない。例えば、制動トルクが要求制動トルクから大きく逸脱しない範囲で、摩擦制動トルクの増加量と回生制動トルクの減少量とを異なる値に設定してもよい。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明をわかりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した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変形態様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変形態様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。また、実施形態と変形態様と変形例とを組み合わせてもよい。

２０…燃料電池車両、３０…燃料電池システム、４０…駆動モータ、５０…摩擦ブレーキ、５２…液圧センサ、６０…車速検出部、７０…アクセルペダル、７２…ブレーキペダル、８０…制御装置、８１…ＣＰＵ、８２…発電電力推定部、８３…滞留水推定部、８４…掃気処理実行部、８６…電圧維持部、８７…制動制御部、８９…記憶部、１００…燃料電池、２００…水素給排系、２１０…水素供給部、２１１…水素タンク、２１２…水素供給流路、２１３…主止弁、２１４…減圧弁、２１５…インジェクタ、２２０…水素循環部、２２１…水素循環流路、２２２…水素循環ポンプ、２３０…水素排出部、２３１…水素排出流路、２３２…排気排水弁、３００…空気給排系、３１０…空気供給部、３１１…空気導入流路、３１２…エアフローメータ、３１３…コンプレッサ、３１４…分流弁、３１５…空気供給流路、３１６…空気バイパス流路、３２０…空気排出部、３２１…空気排出流路、３２２…調圧弁、４００…電力供給系、４１１…昇圧コンバータ、４１２…インバータ、４２１…蓄電装置、４２２…昇降圧コンバータ、４３１…第１配線、４３２…第２配線、Ｃｕ…上限値、ＦＷ…前輪、ＲＷ…後輪

Claims (5)

1. 燃料電池車両であって、
   回生動作によって回生電力を生成可能であり、前記燃料電池車両を駆動する駆動モータと、
   カソードとアノードとを有し、前記駆動モータに電力を供給可能な燃料電池と、
   前記カソードに酸化ガスを送り込むコンプレッサと、
   前記燃料電池車両を制動する摩擦ブレーキと、
   前記駆動モータに電力を供給することと、前記燃料電池車両の余剰電力を蓄電することが可能な蓄電装置と、
   前記燃料電池内に滞留する滞留水の水量を推定する滞留水推定部と、
   推定した前記滞留水の水量が、予め定めた第１水量以上の場合に、前記コンプレッサによって前記酸化ガスを前記カソードに供給することによって前記滞留水を前記燃料電池外へ排出させる掃気処理であって前記燃料電池の発電を行う掃気処理を実行する掃気処理実行部と、
   前記摩擦ブレーキと前記駆動モータの回生動作による回生ブレーキとを利用して、前記燃料電池車両の制動要求を満足するように前記摩擦ブレーキと前記回生動作とを制御する制動制御部と、を備え、
   前記制動制御部は、前記制動要求に応じて前記燃料電池車両の制動を行っている期間において、
   （ｉ）推定した前記滞留水の水量が前記第１水量よりも少ない予め定めた第２水量未満の場合には、前記回生動作による回生電力の上限制限電力を予め定めた第１の値以下に制限し、
   （ｉｉ）推定した前記滞留水の水量が前記第２水量以上の場合には、前記上限制限電力を前記第１の値よりも予め定めた値分低くした第２の値に設定する上限変更処理を実行する、燃料電池車両。
2. 請求項１に記載の燃料電池車両であって、
   前記上限変更処理は、前記上限制限電力を前記第２の値に設定することで前記回生電力を減少させる必要がある場合に、前記回生動作を制御して前記回生電力を予め定めた条件を満たすように前記第２の値まで減少させる回生低減処理を含み、
   前記予め定めた条件は、前記回生動作による制動トルクである回生制動トルクの変化速度が、前記摩擦ブレーキによる制動トルクである摩擦制動トルクの変化速度以下であるという条件であり、
   前記制動制御部は、
   前記回生低減処理によって生じる前記回生制動トルクの減少に応じて、前記摩擦制動トルクを増加させる摩擦増加処理を実行する、燃料電池車両。
3. 請求項２に記載の燃料電池車両であって、
   前記予め定めた値は、前記制動を行っている期間に前記掃気処理を実行する際の前記燃料電池の発電電力の増加に起因する前記余剰電力の推定増加分以上の値に設定される、燃料電池車両。
4. 請求項２または請求項３に記載の燃料電池車両であって、
   前記摩擦増加処理における前記摩擦制動トルクの増加量は、前記回生低減処理によって生じる前記回生制動トルクの減少量と同じ値に設定される、燃料電池車両。
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車両であって、
   前記制動制御部は、前記上限変更処理の開始後、推定した前記滞留水が前記第２水量よりも少ない予め定めた第３水量以下に低下し、かつ、前記制動要求が解除された場合に、前記上限変更処理を終了する、燃料電池車両。

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