JP2020174028A - 燃料電池車両 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池車両において、回生摩擦協調ブレーキの使用時に掃気処理する際にも制動力をより安定させる。【解決手段】燃料電池車両は、燃料電池と、ガス供給部と、摩擦ブレーキと、駆動モータと、蓄電装置と、掃気処理の実行を制御する制御部と、を備える。制御部は、燃料電池内に滞留する滞留水の量を推定して、推定した滞留水の量を用いて、掃気処理を実行すべき掃気要求条件を満たすか否かを判断し、掃気要求条件を満たし、且つ、摩擦ブレーキによる摩擦制動力と回生運転によって生じる回生制動力とによって燃料電池車両が制動中であるときに、燃料電池車両の状態が、燃料電池車両の車速および車重から定まる掃気許可条件を満たすか否かを判断し、掃気許可条件を満たす場合には掃気処理を実行し、掃気許可条件を満たさない場合には掃気処理の実行を禁止する。【選択図】図５

Description

本発明は、燃料電池車両に関する。

特許文献１には、燃料電池が発電した電力や、回生ブレーキによる回生電力を蓄電可能な二次電池を搭載した燃料電池車両が記載されている。この燃料電池車両では、燃料電池内に残留する水分を、燃料電池外へ排出させるための掃気処理が行われる。

特開２０１６−０９６０５８号公報

本願の発明者らは、回生ブレーキと摩擦ブレーキとを併用して制動力を発生させる回生摩擦協調ブレーキが用いられる燃料電池車両において、制動中に掃気処理を実行すると、回生ブレーキの制動力が一時的に低減する場合があることを、新たに見出した。したがって、回生摩擦協調ブレーキの制動力を安定させることが望まれている。

本発明は、以下の形態として実現することが可能である。

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、燃料電池と、前記燃料電池に反応ガスを供給するガス供給部と、前記燃料電池車両を制動する摩擦ブレーキと、前記燃料電池車両を駆動する力行運転と、回生電力を発生して前記燃料電池車両を制動する回生運転と、を実行可能な駆動モータと、前記燃料電池が発電した電力と、回生運転時に前記駆動モータが発生した前記回生電力と、を蓄電可能な蓄電装置と、前記ガス供給部を駆動して、前記反応ガスを用いて前記燃料電池の内部に滞留する滞留水を前記燃料電池の外部に排出させる掃気処理の実行を制御する制御部と、を備える。前記制御部は、前記燃料電池内に滞留する滞留水の量を推定して、推定した前記滞留水の量を用いて、前記掃気処理を実行すべき掃気要求条件を満たすか否かを判断し、前記掃気要求条件を満たし、且つ、前記摩擦ブレーキによる摩擦制動力と前記回生運転によって生じる回生制動力とによって前記燃料電池車両が制動中であるときに、前記燃料電池車両の状態が、前記燃料電池車両の車速および車重から定まる掃気許可条件を満たすか否かを判断し、前記掃気許可条件を満たす場合には、前記掃気処理を実行し、前記掃気許可条件を満たさない場合には、前記掃気処理の実行を禁止する。
この形態の燃料電池車両によれば、燃料電池車両の状態が、掃気処理を実行すべき掃気要求条件を満たし、且つ、摩擦制動力と回生制動力とによって燃料電池車両が制動中であるときに、燃料電池車両の状態が、車速および車重から定まる掃気許可条件を満たすか否かを判断する。そして、掃気許可条件を満たす場合には掃気処理を実行し、掃気許可条件を満たさない場合には掃気処理の実行を禁止する。このように、車速と車重から定まる掃気許可条件を用いて、掃気処理を実行するか否かを判断するため、掃気処理を実行することで、燃料電池車両において望ましくない程度の加速度が生じ得る場合には、掃気処理を行なわない判断をすることができる。そのため、回生摩擦協調ブレーキの制動力を、より安定させることができる。
本発明は、燃料電池車両以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池車両の制御方法、燃料電池車両に搭載された燃料電池の掃気方法等の形態で実現することができる。

燃料電池車両２０の概略構成を示す説明図。 回生摩擦協調制動力の変化の様子の一例を、模式的に示す説明図。 掃気処理を行なった場合の回生摩擦協調制動力の変化の例を示す説明図。 燃料電池のＩＶ特性と供給空気量との関係を模式的に表わす説明図。 掃気判定処理ルーチンを表わすフローチャート。 掃気処理実行時の車速と加速度変化との関係を示す説明図。 掃気許可条件を満たすか否かの判断に用いるマップの例を示す説明図。

Ａ．車両の全体構成：
図１は、第１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１００と蓄電装置４２１とを含む燃料電池システム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８０と、車速検出部６０と、車重センサ９０と、制御部５００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８０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、燃料電池車両２０を駆動する力行運転を実行する力行モードと、回生電力を発生して燃料電池車両２０を制動する回生運転を実行する回生モードと、において動作可能である。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とを併用して制動力を発生させる回生摩擦協調ブレーキによって制動することができる。摩擦ブレーキによる制動力のことを摩擦制動力と呼び、回生ブレーキによる制動力のことを回生制動力と呼び、これらを合わせた回生摩擦協調ブレーキによる制動力のことを回生摩擦協調制動力と呼ぶ。

本実施形態の燃料電池システム３０は、燃料電池１００と、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り、電気化学反応によって起電力を発生させる。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。

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、レギュレータ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。水素循環ポンプ２２２は、水素循環流路２２１に設けられている。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、水素循環流路２２１と燃料電池１００のアノード流路との間を循環される。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ており、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、未消費の水素ガスおよび窒素ガスと、生成水とが分離される。

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。排気排水弁２３２は、水素排出流路２３１に設けられており、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。本実施形態では、空気給排系３００のことを「ガス供給部」とも呼ぶ。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、エアコンプレッサ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、エアコンプレッサ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。エアコンプレッサ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へと圧送するための圧縮機である。本実施形態のエアコンプレッサ３１３は、ターボコンプレッサである。エアコンプレッサ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、エアコンプレッサ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、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によって発電された電力と、回生モード時に駆動モータ４０によって発電された電力とを蓄電可能である。燃料電池１００によって発電された電力のことを発電電力と呼ぶ。回生モード時に駆動モータ４０によって発電された電力のことを回生電力と呼ぶ。本実施形態の燃料電池車両２０では、駆動モータ４０からの負荷要求が無い回生モード時においても、燃料電池１００は、微小な発電を行なう。回生モード時の微小発電については後述する。回生モード時には、通常は、上記微小発電による発電電力と回生電力とを合計した電力のうち、燃料電池車両２０に搭載される各種補機等で消費される電力を減じた残余の電力が、蓄電装置４２１に蓄電される。蓄電装置４２１に蓄電された電力は、駆動モータ４０や燃料電池補機や車両補機を駆動するために消費可能である。本実施形態の蓄電装置４２１は、充放電可能な二次電池である。二次電池として、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、二次電池以外の充放電可能な装置であってもよく、例えば、キャパシタとすることができる。

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ディスクブレーキである。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。

車重センサ９０は、燃料電池車両２０の車重を検出するセンサである。車重センサ９０は、例えば、燃料電池車両２０の各車輪のサスペンションに取り付けたダイヤフラム方式の圧力センサからなる荷重センサを備えることとすればよい。車両における積載荷重が重くなるほど車体を沈ませる力を上記圧力センサによって検知して積載荷重を推定し、推定した積載荷重に、積載荷重の無い状態の予め記憶しておいた車重を加算して、全体の車重を求めればよい。あるいは、車重センサ９０は、燃料電池車両２０の乗員の数を用いて、車重を推定することとしてもよい。例えば、燃料電池車両２０が、乗客を輸送するバス等の場合には、乗り降りする乗客の数を計測して乗員の数を求め、乗員の数に対して予め定めた基準体重を乗算することにより積載荷重を推定し、車重を求めてもよい。

制御部５００は、ＣＰＵと、メモリと、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。制御部５００は、各種センサから取得した情報に基づいて、燃料電池システム３０の発電を制御し、駆動モータ４０を力行モードや回生モードで制御する。図１に示すように、制御部５００のＣＰＵは、機能ブロックとして、制動制御部５１０および掃気制御部５２０を備える。

制動制御部５１０は、摩擦ブレーキ５０のアクチュエータと、回生モード時の駆動モータ４０とを制御することによって、回生摩擦協調ブレーキを実現する。制動制御部５１０は、ドライバからの制動要求に応じて発生させる回生摩擦協調制動力における、摩擦ブレーキ５０による摩擦制動力と回生モード時の駆動モータ４０による回生制動力との割合を、適宜設定する。本実施形態の制動制御部５１０は、回生電力を蓄電装置４２１に充電することが許容される限り、できるだけ多くの制動力を回生制動力から得つつ、回生制動力だけではドライバからの制動要求に対して不足する制動力を、摩擦制動力によって得ることが望ましい。これにより、回生電力を蓄電装置４２１に充電することによる車両全体としてのエネルギ効率の向上を図りつつ、回生摩擦協調制動力を確保する効果を高めることができる。

掃気制御部５２０は、エアコンプレッサ３１３から燃料電池１００に空気を供給することによって、燃料電池１００の内部に滞留した滞留水を燃料電池１００の外部へ排出させる掃気処理を実行する。すなわち、掃気制御部５２０のＣＰＵは、メモリに記憶された制御プログラムを実行することにより、エアコンプレッサ３１３を制御して、後述する掃気判定処理を実行する。

Ｂ．回生摩擦協調ブレーキを用いた制動と掃気処理：
図２は、回生摩擦協調制動力の変化の様子の一例を、模式的に示す説明図である。横軸は、回生摩擦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、回生摩擦協調制動力を表している。上述したように、回生摩擦協調制動力は、摩擦制動力と、回生制動力とを合わせた制動力である。図２は、掃気処理を行なわない場合の、回生制動力と摩擦制動力の変化の様子を示す。

回生摩擦協調ブレーキによる制動を行なう際には、駆動モータ４０が発電して回生電力が生じると共に、燃料電池１００では、後述する微小発電による発電電力が生じる。蓄電装置４２１には、許容充電電力Ｗｉｎが定められており、制動制御部５１０は、蓄電装置４２１に対する充電電力が許容充電電力Ｗｉｎ以下となるように、回生電力を抑えている。許容充電電力Ｗｉｎとは、蓄電装置４２１の充電電力の上限として定められている値であって、蓄電装置４２１の充電性能を示す値である。許容充電電力Ｗｉｎが大きいほど、充電性能が高いことを示し、より多くの電力を充電可能であることを示す。許容充電電力Ｗｉｎは、蓄電装置４２１の残存容量（ＳＯＣ）と蓄電装置４２１の温度とによって定まる値であり、許容充電電力Ｗｉｎと、蓄電装置４２１の残存容量および温度との関係が、燃料電池１００ごとに予め定められて、当該関係を示すマップが、予め制御部５００のメモリに記憶されている。制御部５００は、図示しない残存容量センサから蓄電装置４２１の残存容量を取得すると共に、図示しない温度センサから蓄電装置４２１の温度を取得し、上記マップを参照することにより、許容充電電力Ｗｉｎを取得する。回生モード時に、燃料電池１００の微小発電による発電電力と回生電力とを合計した電力のうち、燃料電池車両２０に搭載される各種補機等で消費される電力を減じた残余の電力が、許容充電電力Ｗｉｎを超えると予測される場合には、制動制御部５１０は、上記残余の電力が許容充電電力Ｗｉｎ以下となるように、回生制動力を抑える。

図３は、回生摩擦協調ブレーキによる制動中、すなわち、摩擦制動力と回生制動力とによって燃料電池車両２０が制動中であるときに、掃気処理を行なった場合の回生摩擦協調制動力の変化の一例を模式的に示す説明図である。本願発明者等は、回生摩擦協調ブレーキによる制動中に掃気処理が行われたときに、回生制動力が一時的に低減する場合があることを新たに見出した。このような現象の起こる理由は、以下のように考えられる。

回生摩擦協調ブレーキによる制動中に掃気処理が行われたときの動作の説明に先立って、まず、車両制動時の燃料電池１００の状態について説明する。車両制動時には、燃料電池車両２０は走行中であるが、アクセル開度は略ゼロとなっている。本実施形態の燃料電池車両２０では、このような車両制動時には燃料電池１００に対する要求電力がゼロとなり、燃料電池１００に対するエアコンプレッサ３１３からの空気の供給が停止される。車両走行中にアクセルオフとなり、エアコンプレッサ３１３が停止されても、燃料電池１００内には空気が残留している。このように、燃料電池１００内に空気が残留する状態で燃料電池１００の発電を停止すると、カソード電位が極めて高くなり得る。カソード電位が過度に上昇すると、電極触媒の劣化が進行し得る。そのため、本実施形態では、車両制動時に空気の供給を停止する際には、燃料電池１００の出力電圧の上限を、許容できる電圧として予め定めた高電位回避電圧Ｖ_ＦＣに設定して、燃料電池１００から微小な電流を掃引することにより、カソード電位の過剰な上昇を抑えている。車両制動時において、高電位回避電圧Ｖ_ＦＣを上限電圧としつつ微小な電流を掃引する燃料電池１００の発電を、「微小発電」とも呼ぶ。微小発電を開始した後、燃料電池１００内にある程度空気が残留している間は、燃料電池１００の出力電圧は高電位回避電圧Ｖ_ＦＣに維持される。微小発電により生じる電力のうち、燃料電池車両２０において消費されない電力は、蓄電装置４２１に充電される。

図４は、燃料電池１００のＩＶ特性と供給空気量との関係を模式的に表わす説明図である。燃料電池のＩＶ特性は、種々の要因によって変化するが、一例として、供給される反応ガス量に応じて変化する。図４では、燃料ガスの供給量が十分であって、酸化ガスである空気の供給量を異ならせた場合のＩＶ特性を示す。図４では、燃料電池１００のＩＶ特性を表わすグラフとしてＡ_１〜Ａ_４の４つのグラフを示しているが、Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３、Ａ_４の順で、供給空気量、すなわち供給酸素量が少ない。図４から分かるように、燃料電池１００の出力電圧が、例えば同じ高電位回避電圧Ｖ_ＦＣであっても、燃料電池１００に供給する酸素量が少ないほど、出力電流（Ｉ_１〜Ｉ_４）は小さくなり、その結果、出力電力も小さくなる。

エアコンプレッサ３１３による空気の供給を停止した後、上記した微小発電を行なうと、発電に伴って酸素が消費されて燃料電池１００内の酸素量が減少する。その結果、出力電圧が同じであれば、燃料電池１００から出力される電流は、次第に減少する。微小発電が開始されると、通常は、燃料電池１００の出力電圧は上限である高電位回避電圧Ｖ_ＦＣとなるため、図４を用いて説明したように、燃料電池１００の出力電流は、Ｉ_１から次第に減少する。このような微小発電であっても、発電に伴って燃料電池１００内で生成水が生じる。そのため、駆動モータ４０からの負荷要求が無い車両制動時であっても、燃料電池１００内の滞留水が次第に増加して、掃気処理を行なう必要が生じる場合がある。

次に、このような車両制動時において微小発電を行なう状態で掃気処理を実行するときの動作について説明する。車両制動時に微小発電を行なう状態で掃気処理を実行すると、エアコンプレッサ３１３から供給される空気量の増大に伴って、出力電流が急激に増大し得る。燃料電池１００の出力電圧の上限値が高電位回避電圧Ｖ_ＦＣに設定されているため、供給される空気量が増大したときに燃料電池１００の出力電圧が上記上限値を越えないように、燃料電池１００から掃引する電流値が制御部５００によって調節されるためである。微小発電を行なっているときに掃気処理を実行することにより、燃料電池１００の出力電流の増加と共に発電電力が増加すると、充電のために蓄電装置４２１に供給される供給電力が、蓄電装置４２１の許容充電電力Ｗｉｎを超える場合がある。充電のために蓄電装置４２１に供給される供給電力は、回生電力の他、燃料電池１００の発電電力を含み得るためである。上記供給電力が許容充電電力Ｗｉｎを超える場合には、制動制御部５１０は、蓄電装置４２１が過充電となる不都合を避けるために、上記供給電力が許容充電電力Ｗｉｎを超えないように、回生電力を削減する。回生電力を削減すると、燃料電池車両２０における回生制動力も減少する。図３では、掃気処理の実行時に、燃料電池１００の発電電力の増加に起因して回生制動力が減少する様子が示されている。

このように回生制動力が減少するときには、制動制御部５１０は、摩擦制動力を増加させて、回生制動力の減少分を補おうとする。しかしながら、摩擦制動力の応答性は回生制動力の応答性に比べて低いため、回生摩擦協調制動力を、より安定させることが望まれる。

Ｃ．回生摩擦協調ブレーキ使用時の掃気処理の判断：
図５は、燃料電池車両２０の制御部５００の掃気制御部５２０で実行される掃気判定処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、燃料電池車両２０を走行可能にするために燃料電池システム３０を始動させる指示が入力されたとき、具体的には、運転者によりスタートスイッチ（図示せず）が押されたときに起動され、停止の指示が入力されるまで(例えば、スタートスイッチがオフにされるまで）、繰り返し実行される。

本ルーチンが起動されると、制御部５００のＣＰＵは、燃料電池車両２０が回生摩擦協調ブレーキを用いた制動中であるか否かを判断する（ステップＳ１００）。回生摩擦協調ブレーキを用いた制動中ではないと判断すると(ステップＳ１００：ＮＯ）、制御部５００のＣＰＵは、本ルーチンを終了する。

回生摩擦協調ブレーキを用いた制動中であると判断すると（ステップＳ１００：ＹＥＳ）、制御部５００のＣＰＵは、掃気要求があるか否かを判断する（ステップＳ１１０）。制御部５００は、燃料電池１００内に滞留する滞留水量を推定しており、ステップＳ１１０では、推定した滞留水量が、予め定めた基準値を超えるときに、掃気要求があると判断する。本実施形態では、燃料電池１００の出力電流を検出して積算出力電流を算出しており、この積算出力電流を用いて理論的に算出される生成水量を、ステップＳ１１０で用いる滞留水量の推定値としている。上記のように出力電流を積算して滞留水量としての生成水量を算出する際、滞留水量の初期値は、例えばゼロとすることができる。あるいは、滞留水量の初期値として、掃気処理後に燃料電池１００内に残留する水の量により近い値を設定してもよい。ステップＳ１１０において掃気要求が無いと判断すると（ステップＳ１１０：ＮＯ）、制御部５００のＣＰＵは、ステップＳ１００に戻る。

ステップＳ１１０において掃気要求有りと判断すると（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、制御部５００のＣＰＵは、車速検出部６０および車重センサ９０から、燃料電池車両２０の車速および車重を取得する（ステップＳ１２０）。そして、取得して車速および車重を用いて、燃料電池車両２０の状態が掃気許可条件を満たすか否かを判断する（ステップＳ１３０）。以下では、ステップＳ１３０における掃気許可条件を満たすか否かの判断について説明する。

既述したように、車両制動時に微小発電を行なう状態で掃気処理を実行すると、燃料電池１００の出力電流および出力電力が増大し得る。そして、燃料電池１００の出力電流を蓄電装置４２１に充電できないときには、制御部５００が回生制動力を削減する場合がある。このような回生制動力の低下により、車両の加速度変化が引き起こされることがある。車両制動時の掃気処理によって、車両の加速度がどの程度変化するのかは、蓄電装置４２１の許容充電電力Ｗｉｎや、掃気処理に伴って増加する燃料電池１００の発電量等の、種々の要因により変化する。本実施形態のステップＳ１３０では、車両制動時の掃気処理によって燃料電池１００で生じたエネルギが、燃料電池車両２０の加速度変化に変換されたときに、車両の使用者に違和感を与える程度の加速度変化が起こるか否かを予測している。そして、上記加速度変化が、車両の使用者に違和感を与えるレベルに達しないと予測されるときには、燃料電池車両２０の状態が掃気許可条件を満たすと判断し、車両の使用者に違和感を与えるレベル以上であると予測されるときには、燃料電池車両２０の状態が掃気許可条件を満たさないと判断している。

車両制動時の掃気処理によって燃料電池１００で生じたエネルギが、燃料電池車両２０の加速度に変換される場合であって、微小時間内で速度（車速）が一定であると仮定すると、加速度変化に起因する車両状態の変化は、以下の（１）式および（２）式で表わすことができる。（１）式は、運動方程式を微分して、時間変化量を表わした式である。（２）式は、パワー（仕事率）を表わす式を微分して時間変化量を表わした式である。そして、（１）式および（２）式から、以下の（３）式が導かれる。

ΔＦ ＝ ｍ×Δａ … （１）
ΔＰ ＝ ΔＦ×ｖ … （２）
Δａ ＝ ΔＰ／（ｍｖ） … （３）
（ただし、ΔＦ：力の変化量、ｍ：質量(車重)、Δａ：加速度変化、ΔＰ：パワー変化、ｖ：速度(車速)）

車両制動時の掃気処理によって燃料電池１００で生じたエネルギの全てが、燃料電池車両２０の加速度に変換されると仮定すると、上記ΔＰは、掃気処理によって生じる燃料電池１００の発電電力に対応する。既述したように、掃気処理の際には、上限電圧である高電位回避電圧Ｖ_ＦＣは一定であり、掃気処理時にエアコンプレッサ３１３から供給される空気量も、予め定められているため、ΔＰは略一定と考えられる。そのため、掃気処理に伴う燃料電池１００の発電電力の大きさが車両の加速度変化Δａに与える影響は小さいと考えられるが、（３）式より、掃気処理に起因する車両の加速度変化は、車両重量が大きいほど小さくなり、また、車速が大きいほど小さくなるといえる。

図６は、回生摩擦協調ブレーキによる制動を行ないながら走行する燃料電池車両２０において、車重を種々異ならせると共に、種々異なる車速において掃気処理を行なって加速度変化を発生させたときに、掃気処理によって燃料電池１００で生じたエネルギの全てが燃料電池車両２０の加速度変化に変換されると仮定したときの、車速と加速度変化との関係をシミュレーションした結果を示す説明図である。図６に示すように、車速が大きいほど加速度変化は小さくなり、また、車重が大きいほど加速度変化が小さくなる。なお、実際の車両において、回生摩擦協調ブレーキによる制動を行ないながら走行させて、種々異なる車速において掃気処理を行なって加速度変化を発生させたときに、当該加速度変化を実測した場合にも、同様の結果が得られた。このように、掃気処理に起因する制動中の車両における加速度変化は、車両重量が重いほど小さくなり、また、車速が大きいほど小さくなることが確認された。

図７は、ステップＳ１３０における掃気許可条件を満たすか否かの判断に用いるマップの例を示す説明図である。図６に示すように、燃料電池車両２０においては、車両の使用者に違和感を与える加速度変化ΔＧの基準値としての基準値ΔＧ１を定めることができる。図６に示したような加速度変化と車速および車重との関係を用いることにより、加速度変化が基準値ΔＧ１となるときの車重と車速の組み合わせを求めることができる。図７に示すグラフは、横軸に車重、縦軸に車速をとり、図６を用いて、加速度変化ΔＧが基準値ΔＧ１となるときの車重と車速の組み合わせをプロットすることにより、得られる。図７に示すグラフに対して、車重がより大きいとき、あるいは車速がより大きいときには、加速度変化ΔＧは基準値ΔＧ１よりも小さくなる。このような条件に対応する領域は、図７では「掃気処理許可領域」として示している。また、図７に示すグラフに対して、車重がより小さいとき、あるいは車速がより小さいときには、加速度変化ΔＧは基準値ΔＧ１よりも大きくなる。このような条件に対応する領域は、図７では「掃気処理禁止領域」として示している。図７に示すマップは、予め作成されて、制御部５００のメモリ内に記憶されている。

ステップＳ１３０では、ステップＳ１２０で取得した車重と車速の組み合わせが、図７の掃気処理許可領域内に存在すれば、掃気許可条件を満たすと判断される。また、上記車重と車速の組み合わせが、図７の掃気処理禁止領域に存在する場合、あるいは、図７のグラフ上に存在する場合には、掃気許可条件を満たさないと判断される。

ステップＳ１３０において掃気処理許可条件を満たすと判断すると（ステップＳ１３０：ＹＥＳ）、制御部５００のＣＰＵは、掃気処理を実行して（ステップＳ１４０）、本ルーチンを終了する。

ステップＳ１３０において掃気処理許可条件を満たさないと判断すると（ステップＳ１３０：ＮＯ）、制御部５００のＣＰＵは、掃気処理の実行を禁止して（ステップＳ１６０）、本ルーチンを終了する。ステップＡ１６０で掃気処理が禁止されると、ステップＳ１００において掃気要求有りと判断されているにもかかわらず、掃気処理は行なわれない。

以上のように構成された本実施形態の燃料電池車両２０によれば、燃料電池車両２０の状態が、掃気処理を実行すべき掃気要求条件を満たし、且つ、回生摩擦協調ブレーキを用いた制動中であるときに、燃料電池車両２０の状態が、車速と車重から定まる掃気許可条件を満たすか否かを判断し、掃気許可条件を満たす場合には掃気処理を実行し、掃気許可条件を満たさない場合には掃気処理の実行を禁止する。このように、車速と車重から定まる掃気許可条件を用いて、掃気処理を実行するか否かを判断するため、掃気処理を実行することで、燃料電池車両２０において望ましくない程度の加速度が生じる場合には、掃気処理を行なわない判断をすることができる。そのため、回生摩擦協調制動力を、より安定させることができる。

Ｄ．他の実施形態：
（Ｄ１）上述した実施形態における燃料電池車両２０では、回生摩擦協調ブレーキによる制動中には、エアコンプレッサ３１３による空気の供給を停止すると共に、燃料電池１００の上限電圧を高電位回避電圧Ｖ_ＦＣに維持して電流を掃引することによって燃料電池１００を発電させているが、異なる制御を行なってもよい。例えば、回生摩擦協調ブレーキによる制動中において、燃料電池１００に供給する酸化ガス量を停止することなく抑制し、且つ、燃料電池１００の上限電圧を設定して電流を掃引する状態で、掃気処理を行なうならば、供給酸化ガス量の増大により燃料電池１００の発電電力が増大し得る。このように、回生摩擦協調ブレーキによる制動中の掃気処理に伴って燃料電池１００の発電電力が増大し得る場合には、回生モード時に掃気処理を実行する際に本願発明を適用することで、実施形態と同様の効果が得られる。

（Ｄ２）上述した実施形態における燃料電池車両２０では、掃気制御部５２０は、カソード側流路において掃気処理を実行する際に、車速および車重から定まる掃気許可条件に基づいて掃気処理の実行の可否を判断したが、異なる構成としてもよい。すなわち、アノード側の掃気処理を実行する際に、同様の判断を行なってもよい。このとき、水素給排系２００のことを、ガス供給部とも呼ぶ。掃気制御部５２０は、例えば、水素循環ポンプ２２２を駆動制御することによって、燃料電池１００内に滞留した滞留水を燃料電池１００外へと排出させることができる。また、インジェクタ２１５を駆動制御することによって、燃料電池１００内に滞留した滞留水を燃料電池１００外へと排出させてもよい。回生協摩擦調ブレーキによる制動時に、アノード流路側の掃気処理によって燃料電池１００の発電量が増大し得る場合には、回生モード時にアノード流路側の掃気処理を実行する際に本願発明を適用することで、実施形態と同様の効果が得られる。

本発明は、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。

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、６０…車速検出部、７０…アクセルペダル、８０…ブレーキペダル、９０…車重センサ、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…エアコンプレッサ、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、５００…制御部、５１０…制動制御部、５２０…掃気制御部

Claims (1)

1. 燃料電池車両であって、
   燃料電池と、
   前記燃料電池に反応ガスを供給するガス供給部と、
   前記燃料電池車両を制動する摩擦ブレーキと、
   前記燃料電池車両を駆動する力行運転と、回生電力を発生して前記燃料電池車両を制動する回生運転と、を実行可能な駆動モータと、
   前記燃料電池が発電した電力と、回生運転時に前記駆動モータが発生した前記回生電力と、を蓄電可能な蓄電装置と、
   前記ガス供給部を駆動して、前記反応ガスを用いて前記燃料電池の内部に滞留する滞留水を前記燃料電池の外部に排出させる掃気処理の実行を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記燃料電池内に滞留する滞留水の量を推定して、推定した前記滞留水の量を用いて、前記掃気処理を実行すべき掃気要求条件を満たすか否かを判断し、
   前記掃気要求条件を満たし、且つ、前記摩擦ブレーキによる摩擦制動力と前記回生運転によって生じる回生制動力とによって前記燃料電池車両が制動中であるときに、前記燃料電池車両の状態が、前記燃料電池車両の車速および車重から定まる掃気許可条件を満たすか否かを判断し、
   前記掃気許可条件を満たす場合には、前記掃気処理を実行し、
   前記掃気許可条件を満たさない場合には、前記掃気処理の実行を禁止する
   燃料電池車両。

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