JP6493992B2 - 電動車両の制御装置及び電動車両 - Google Patents

Description

本発明は、電動車両の制御装置及び電動車両に関する。

従来、特許文献１に記載されているように、二次電池からの供給電力を用いて駆動される駆動用モータの出力により走行する電動車両において、二次電池の残存容量（ＳＯＣ：State Of Charge）が低下したときに燃料電池により発電を行わせて二次電池を充電しつつ走行の継続を可能にする電動車両がある。このような電動車両は燃料電池レンジエクステンダー式の電動車両とも言われる。燃料電池レンジエクステンダー式の電動車両では、外部電源により二次電池が充電され、電動車両の走行中に二次電池の残存容量が低下すると燃料電池が起動される。このため、燃料電池レンジエクステンダー式の電動車両に搭載される燃料電池として、比較的小容量の燃料電池が用いられている。

特開２０１４−１４３８５１号公報

しかしながら、燃料電池レンジエクステンダー式の電動車両において、残存容量が低下した二次電池を充電するために燃料電池を最大出力で動作させた場合であっても、過積載や連続登坂走行等、車両の駆動トルクが大きい状態が続いた場合、二次電池の残存容量が引き続き低下する場合が想定される。二次電池の残存容量が低下し続けると電力切れ（以下、「電欠」ともいう。）状態となり、電動車両が走行不能状態となる。走行不能状態では、二次電池があらかじめ設定された容量以上に充電されるまで運転者は走行を再開することができない。これに対して、比較的大きな発電能力を備え、燃料電池のみで走行可能な程度の出力を有する燃料電池を搭載しようとすると、レンジエクステンダー式の電動車両としては必要以上に燃料電池の大容量化が必要になり、レンジエクステンダー式の利点が損なわれる。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、燃料電池レンジエクステンダー式の電動車両が電欠状態に陥ることを抑制可能な、新規かつ改良された電動車両の制御装置及び電動車両を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、駆動用モータ及び燃料電池を搭載した電動車両の制御装置であって、要求指令値に基づいて駆動用モータの出力の目標値を設定する制御出力設定部と、駆動用モータの電力源である二次電池からの供給電力を用いて目標値に基づいて駆動用モータの出力を制御するモータ制御部と、二次電池の残存容量が低下したとき又は二次電池の出力が不足しているときに燃料電池を起動して発電電力の供給を制御する燃料電池制御部と、を備え、制御出力設定部は、燃料電池の起動後においても二次電池の残存容量が低下し得る状況にある場合、駆動用モータの出力の許容最大値を低下させ、過去の所定期間における駆動用モータの平均力行出力と燃料電池の最大出力とに基づいて許容最大値を設定する、電動車両の制御装置が提供される。

制御出力設定部は、燃料電池の起動後においても二次電池の残存容量が低下した場合、許容最大値が低下するよう駆動用モータの出力特性を変更してもよい。

制御出力設定部は、電動車両の加速指令値に応じて許容最大値を設定してもよい。

制御出力設定部は、許容最大値を減少させた後においても二次電池の残存容量が低下する場合、許容最大値をさらに低下させてもよい。

制御出力設定部は、二次電池の残存容量が所定値に到達したときに、許容最大値の低下を解除してもよい。

燃料電池制御部は、燃料電池の発電電力の第１の電圧を第２の電圧に変圧する第１の電力変換器の駆動を制御し、制御装置は、二次電池の出力電力の第３の電圧を第２の電圧に変圧する第２の電力変換器を制御する充放電制御部をさらに備え、燃料電池制御部及び充放電制御部は、許容最大値の低下に伴って第２の電圧を低下させてもよい。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、駆動用モータと、駆動用モータに電力を供給する二次電池と、駆動用モータ及び二次電池に供給する電力を発電する燃料電池と、電動車両を制御する制御装置とを備えた電動車両であって、制御装置は、要求指令値に基づいて駆動用モータの出力の目標値を設定する制御出力設定部と、駆動用モータの電力源である二次電池からの供給電力を用いて目標値に基づいて駆動用モータの出力を制御するモータ制御部と、二次電池の残存容量が低下したとき又は二次電池の出力が不足しているときに燃料電池を起動して発電電力の供給を制御する燃料電池制御部と、を備え、制御出力設定部は、燃料電池の起動後においても二次電池の残存容量が低下し得る状況にある場合、駆動用モータの出力の許容最大値を低下させ、過去の所定期間における駆動用モータの平均力行出力と燃料電池の最大出力とに基づいて許容最大値を設定する、電動車両が提供される。

以上説明したように本発明によれば、燃料電池レンジエクステンダー式の電動車両が電欠状態に陥ることを抑制することができる。

本発明の実施の形態に係る電動車両のシステム構成例を示すブロック図である。 同実施形態に係る電動車両の制御装置の構成例を示すブロック図である。 駆動用モータの平均力行出力を示す図である。 駆動用モータの出力特性を示す図である。 駆動用モータの出力特性と制御電圧とを示す図である。 同実施形態に係る電動車両の制御方法を示すフローチャートである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

＜１．電動車両のシステム構成＞
図１を参照して、本発明の実施の形態に係る電動車両のシステム構成の一例について説明する。図１は、燃料電池レンジエクステンダー式の電動車両１のシステム構成例を示すブロック図である。

電動車両１は、水素タンク１０と、燃料電池２０と、二次電池３０と、駆動用モータ４０と、駆動輪５０と、補機６０とを備える。また電動車両１は、電力変換器として第１の電力変換器７２と、第２の電力変換器７４と、第３の電力変換器７６とを備える。燃料電池レンジエクステンダー式の電動車両１は、二次電池３０からの供給電力を用いて駆動される駆動用モータ４０を駆動源として駆動トルクを得る。また電動車両１は、二次電池３０の残存容量ＳＯＣが低下したときに燃料電池２０を起動して発電を行い、二次電池３０の充電及び駆動用モータ４０の駆動を行うことにより走行の継続を可能にする。

水素タンク１０には、例えば燃料電池２０に供給される高圧水素が充填されている。燃料電池２０は、水素ガスと酸素ガスとを反応させて発電を行う。水素タンク１０と燃料電池２０とは配管１２を介して接続されており、図示しないモータポンプ等により水素タンク１０から燃料電池２０に水素ガスが供給される。また燃料電池２０には、図示しないコンプレッサ等により酸素ガスとしての空気が供給される。水素ガス及び酸素ガスの供給量は発電電力の電圧（以下、「燃料電池電圧」ともいう。）Ｖｆｃに応じて制御装置１００により制御される。燃料電池２０は、上記の機能を有する限り公知の燃料電池２０であってよい。燃料電池電圧Ｖｆｃは、本発明の第１の電圧に相当する。

第１の電力変換器７２は、燃料電池２０から出力された発電電力の電圧（燃料電池電圧）Ｖｆｃを所定の直流ステージ電圧Ｖｄｃに変換して中間直流部８１に供給する。直流ステージ電圧Ｖｄｃは、本発明の第２の電圧に相当する。燃料電池２０の発電電力は直流電力のままで中間直流部８１に供給される。第１の電力変換器７２は制御装置１００により駆動制御される。第１の電力変換器７２は、いわゆるＤＣＤＣコンバータであり、例えば燃料電池２０側から中間直流部８１側への単方向の電力変換を行う。第１の電力変換器７２は、上記の機能を有する限り公知の電力変換器であってよい。

二次電池３０は、駆動用モータ４０の電力源であり駆動用モータ４０に対して供給される電力を蓄電する。二次電池３０の供給電力は補機６０にも供給可能になっている。また二次電池３０は、燃料電池２０の発電電力及び駆動用モータ４０の回生発電電力を充電可能になっている。さらに二次電池３０は、図示しない充電回路及びコネクタを介して外部電源あるいは外部充電装置に接続可能に構成され、外部電力系から充電する機能を有していてもよい。二次電池３０は、例えば２００Ｖの電圧の電力を出力可能な電池である。二次電池３０としては、例えばリチウムイオン電池、リチウムイオンポリマー電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池又は鉛蓄電池が用いられるが、これら以外の二次電池であってもよい。

二次電池３０にはバッテリ管理装置（ＢＭＳ：Battery Management System）３５が設けられている。本実施形態においてバッテリ管理装置３５は、二次電池３０の出力電圧（以下、「バッテリ電圧」ともいう。）Ｖｂ及び残存容量ＳＯＣ等の情報を算出し、制御装置１００に出力する。バッテリ電圧Ｖｂは、本発明の第３の電圧に相当する。

第２の電力変換器７４は、二次電池３０から出力された直流電力の電圧（バッテリ電圧）Ｖｂを直流ステージ電圧Ｖｄｃに変換して補機６０及び中間直流部８１に供給する。二次電池３０から出力された電力は直流電力のままで補機６０及び中間直流部８１に供給される。また第２の電力変換器７４は、中間直流部８１を介して供給される燃料電池２０の発電電力又は駆動用モータ４０の回生発電電力の電圧（直流ステージ電圧）Ｖｄｃを所定の充電電圧Ｖｂ＿ｃに変換して二次電池３０に充電する。発電電力は直流電力のままで二次電池３０に供給される。例えば二次電池３０の残存容量ＳＯＣが十分であって燃料電池２０が起動していない場合、第２の電力変換器７４は駆動用モータ４０の回生駆動時の発電電力を二次電池３０に充電する。また二次電池３０の残存容量ＳＯＣが低下して燃料電池２０が起動している場合、第２の電力変換器７４は燃料電池２０の発電電力を二次電池３０に充電する。

第２の電力変換器７４は制御装置１００により駆動制御される。第２の電力変換器７４は、いわゆるＤＣＤＣコンバータとしての機能を有し、二次電池３０側から中間直流部８１側、及び中間直流部８１側から二次電池３０側の双方向の電力変換を行う。第２の電力変換器７４は、上記の機能を有する限り公知の電力変換器であってよい。

駆動用モータ４０は、供給される電力によって駆動されて駆動輪５０を駆動させるトルクを出力する。駆動用モータ４０は、例えば三相交流式のモータであり、二次電池３０及び燃料電池２０からの供給電力を用いて駆動（力行駆動）されて駆動輪５０の駆動トルクを生成する。また駆動用モータ４０は、車両の減速時に回生駆動されて駆動輪５０の回転トルクを用いて発電する発電機としての機能（回生機能）を有する。駆動用モータ４０は、上記の機能を有する限り公知の駆動用モータ４０であってよい。なお、本発明において駆動用モータ４０は回生機能を有しないモータであってもよい。

第３の電力変換器７６は、中間直流部８１を介して燃料電池２０又は二次電池３０から供給される直流電力を交流電力に変換して駆動用モータ４０に供給する。また第３の電力変換器７６は、駆動用モータ４０により回生発電された交流電力を直流電力に変換して中間直流部８１に供給する。第３の電力変換器７６は制御装置１００により駆動制御される。

なお、中間直流部８１に対して接続される第３の電力変換器７６の数は１台に限定されるものではなく、中間直流部８１に対して複数台の第３の電力変換器７６が接続されていてもよい。また、１台の第３の電力変換器７６に対して接続される駆動用モータ４０の数は１台に限定されるものではなく、１台の第３の電力変換器７６に対して複数台の駆動用モータ４０が接続されていてもよい。

具体的に、駆動用モータ４０を力行駆動させる場合、制御装置１００は第３の電力変換器７６を制御して中間直流部８１を介して供給される直流電力を交流電力に変換して駆動用モータ４０に供給して駆動用モータ４０を駆動する。また駆動用モータ４０を回生駆動させる場合、制御装置１００は第３の電力変換器７６を制御して駆動用モータ４０で発電された交流電力を直流電力に変換し、二次電池３０の充電電力として中間直流部８１に供給する。第３の電力変換器７６は、いわゆるインバータとしての機能を有し、中間直流部８１側から駆動用モータ４０側、及び駆動用モータ４０側から中間直流部８１側の双方向の電力変換を行う。第３の電力変換器７６は、上記の機能を有する限り公知の電力変換器であってよい。

補機６０は、電動車両１に備えられた種々の電気部品、電子機器、車室内の空調機器及び表示機器等の構成部品であって、二次電池３０からの供給電力を用いて駆動される。補機６０は、例えば２０Ｖの定格電圧で駆動される。この場合、補機６０への電流経路の途中に、第２の電力変換器７４から供給される直流ステージ電圧Ｖｂの直流電力を降圧して各構成部品に供給する降圧コンバータとしての機能を有する図示しない電力変換器を有してもよい。

＜２．制御装置の構成＞
次に、本実施形態に係る電動車両１の制御装置１００の構成例について説明する。図２は、制御装置１００の構成例を示すブロック図である。制御装置１００は、主としてＣＰＵ等のプロセッサを有する制御部１１０と記憶部１０５とを備える。なお、図示した制御装置１００は単体の制御装置として構成されているが、制御装置１００は複数の制御装置が相互に通信可能に構成されたものであってもよい。

制御部１１０は、充放電制御部１１２と、燃料電池制御部１１４と、要求指令値算出部１１６と、制御出力設定部１１８と、モータ制御部１２０とを備える。これらの各部は、プロセッサによりソフトウェアプログラムを実行することによって実現される機能である。また記憶部１０５は、例えばＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）等の記憶素子を含む。例えばＲＯＭには、プロセッサにより実行されるソフトウェアプログラム、及び演算処理に用いられる種々のパラメータの情報が記憶される。またＲＡＭには、制御装置１００が取得するセンサ情報及び演算処理結果等の情報が記憶される。

制御装置１００には、電動車両１の加速指令値Ａｃｃの情報及び電動車両１の車速Ｖの情報等が入力される。制御装置１００は、制御装置１００に電気的に接続されたセンサ等からこれらの情報を取得してもよく、ＣＡＮ（Controller Area Network）等の通信手段を介して他の制御装置からこれらの情報を取得してもよい。また制御装置１００には、二次電池３０に設けられたバッテリ管理装置３５からの出力信号が入力される。

充放電制御部１１２は、第２の電力変換器７４の駆動を制御して二次電池３０の充放電を制御する。例えば駆動用モータ４０の力行駆動時において、充放電制御部１１２は、二次電池３０から出力される電力の電圧（バッテリ電圧）Ｖｂを直流ステージ電圧Ｖｄｃに変換して中間直流部８１に供給するよう第２の電力変換部７４を駆動する。また駆動用モータ４０の回生駆動時において、充放電制御部１１２は、中間直流部８１を介して供給される回生発電電力の電圧（直流ステージ電圧）Ｖｄｃを所定の充電電圧Ｖｂ＿ｃに変換して二次電池３０に供給するよう第２の電力変換部７４を駆動する。さらに燃料電池２０の起動後において、充放電制御部１１２は、中間直流部８１を介して供給される燃料電池２０の発電電力の電圧（直流ステージ電圧）Ｖｄｃを所定の充電電圧Ｖｂ＿ｃに変換して二次電池３０に供給するよう第２の電力変換部７４を駆動する。

燃料電池制御部１１４は、二次電池３０の残存容量ＳＯＣが低下したとき又は二次電池３０の出力が不足しているときに燃料電池２０を起動して発電電力の供給を制御する。例えば燃料電池制御部１１４は、バッテリ管理装置３５から取得される二次電池３０の残存容量ＳＯＣがあらかじめ設定された下限閾値ＳＯＣ＿ｍｉｎ（例えば２０％）未満となったときに燃料電池２０を起動する。また燃料電池制御部１１４は、駆動用モータ４０の出力に対して二次電池３０の出力が不足しているときに燃料電池２０を起動する。例えば燃料電池制御部１１４は、あらかじめ設定された所定期間における駆動用モータ４０の出力Ｐ（ｋＷ）が二次電池３０の最大出力Ｐｂ（ｋＷ）を超える場合に燃料電池２０を起動してもよい。あるいは燃料電池制御部１１４は、駆動用モータ４０の出力Ｐが二次電池３０の最大出力Ｐｂを超える状態が所定時間以上継続した場合に燃料電池２０を起動してもよい。

燃料電池制御部１１４は、燃料電池２０の起動後に所定の出力で燃料電池２０に発電を行わせるよう燃料電池２０を制御する。具体的に、燃料電池制御部１１４は、燃料電池２０に供給する水素ガス及び空気の供給量を制御して所定の出力電圧（燃料電池電圧）Ｖｆｃで発電を行わせる。また燃料電池制御部１１４は、燃料電池２０の発電電力の電圧（燃料電池電圧）Ｖｆｃを直流ステージ電圧Ｖｄｃに変換して中間直流部８１に供給するよう第１の電力変換部７２を駆動する。

さらに燃料電池制御部１１４は、燃料電池２０の起動後、二次電池３０の残存容量ＳＯＣがあらかじめ設定された解除閾値ＳＯＣ＿ｏｆｆ（例えば４０％）に到達したときに燃料電池２０による発電を停止する。解除閾値は、燃料電池２０を起動させる下限閾値よりも大きい値に設定される。

モータ制御部１２０は、後述する制御出力設定部１１８により設定された目標値に基づいて駆動用モータ４０の出力を制御する。具体的に、モータ制御部１２０は、駆動用モータ４０を力行駆動させる場合、駆動用モータ４０の出力が目標値となるように第３の電力変換器７６を駆動する。またモータ制御部１２０は、駆動用モータ４０を回生駆動させる場合、駆動用モータ４０の回生発電電力（交流電力）を直流ステージ電圧Ｖｄｃの直流電力に変換するよう第３の電力変換器７６を駆動する。

要求指令値算出部１１６は、加速指令値Ａｃｃの情報に基づいて電動車両１への要求指令値を算出する。例えば要求指令値算出部１１６は、あらかじめ記憶部１０５に記憶された加速指令値Ａｃｃと要求指令値との関係を定めた要求指令値マップを参照して要求指令値を算出してもよい。要求指令値は例えば要求トルクであってもよい。

制御出力設定部１１８は、要求指令値算出部１１６により算出された要求指令値及び車速Ｖの情報に基づいて駆動用モータ４０の出力の目標値を設定する。燃料電池２０が起動していない場合、制御出力設定部１１８は、例えばあらかじめ記憶部１０５に記憶された出力特性マップを参照して、駆動用モータ４０の基本性能に従った最大出力の範囲内で出力の目標値を設定する。また燃料電池２０の起動後に要求指令値に従って駆動用モータ４０の出力を制御しても二次電池３０の残存容量ＳＯＣが上昇し得る状況にある場合において、制御出力制御部１１８は、出力特性マップを参照して、駆動用モータ４０の基本性能に従った最大出力の範囲内で出力の目標値を設定する。

一方燃料電池２０の起動後においても二次電池３０の残存容量ＳＯＣが低下し得る状況にある場合、制御出力設定部１１８は、駆動用モータ４０の出力の許容最大値を低下させて出力の目標値を制限する。これにより燃料電池２０の発電電力のうち駆動用モータ４０で消費される電力量が抑制され、二次電池３０に充電される電力量が増大する。したがって二次電池３０の残存容量ＳＯＣが早期に上昇しやすくなり、二次電池３０の残存容量ＳＯＣが低下し続けて電動車両１が電欠状態に陥ることが抑制される。

制御出力設定部１１８は、例えば二次電池３０の残存容量ＳＯＣを直接監視して残存容量ＳＯＣが低下し得る状況にあるか否かを判定してもよい。具体的に、制御出力設定部１１８は、あらかじめ設定した所定時間ごとに当該所定時間における残存容量ＳＯＣの平均値（平均残存容量）ＳＯＣ＿ａｖｅを算出し、平均残存容量ＳＯＣ＿ａｖｅの推移に基づいて二次電池３０の残存容量ＳＯＣが低下しているか否かを判定してもよい。このとき、直前の期間の平均残存容量ＳＯＣ＿ａｖｅから今回の期間の平均残存容量ＳＯＣ＿ａｖｅを引いた値があらかじめ設定した閾値を超える場合、残存容量ＳＯＣが低下し得る状況にあると判定してもよい。

また制御出力設定部１１８は、例えばあらかじめ設定された現在から過去の所定期間Ｔｉ０における駆動用モータ４０の力行駆動による出力（ｋＷ）の平均値（以下、「平均力行出力」ともいう。）Ｐａに基づいて、燃料電池２０の起動後においても二次電池３０の残存容量ＳＯＣが低下し得るか否かを判定してもよい。具体的に、制御出力設定部１１８は、過去の所定期間Ｔｉ０の平均力行出力Ｐａが燃料電池２０の最大出力Ｐｆｃ＿ｍａｘを超える場合に、二次電池３０の残存容量ＳＯＣが低下し得る状況にあると判定してもよい。燃料電池２０の起動後のある時刻における駆動用モータ４０の力行駆動時の出力Ｐと燃料電池２０の最大出力Ｐｆｃ＿ｍａｘとを比較してもよいが、平均力行出力Ｐａを用いることによって比較的長い期間に亘る二次電池３０の残存容量ＳＯＣの低下を判定することができる。

図３は、過去の所定期間Ｔｉ０における駆動用モータ４０の平均力行出力Ｐａと燃料電池２０の最大出力Ｐｆｃ＿ｍａｘとを示している。図３には現在時刻（Ｔｉ＝０）から所定期間Ｔｉ０遡った時刻−Ｔｉ０までの駆動用モータ４０の力行駆動による出力Ｐの経時変化が示されている。この例では、駆動用モータ４０の出力Ｐの平均である平均力行出力Ｐａが、燃料電池２０の最大出力Ｐｆｃ＿ｍａｘを超えている。この場合、制御出力設定部１１８は、現在の電動車両１の走行状態が継続した場合、燃料電池２０の発電電力の大部分が駆動用モータ４０の力行駆動によって消費され、二次電池３０の残存容量ＳＯＣが低下し得る状況にあると判定する。平均力行出力Ｐａには補機６０による消費電力が含められてもよい。このような過去の所定期間Ｔｉ０における平均力行出力Ｐａを用いることにより、現在の電動車両１の走行状態に応じて二次電池３０の残存容量ＳＯＣの低下の可能性を推定することができる。

制御出力設定部１１８は、二次電池３０の残存容量ＳＯＣが低下し得る状況にあると判定すると、駆動用モータ４０の出力Ｐの許容最大値を低下させる。これにより以降の駆動用モータ４０の力行駆動に用いられる出力Ｐの合計量が減少し、燃料電池２０の発電電力のうち駆動用モータ４０により消費される電力を除いた余剰の電力によって二次電池３０の充電が行われる。例えば制御出力設定部１１８は、駆動用モータ４０の出力Ｐの許容最大値を低下させることで、図３に示される平均力行出力Ｐａを低下させて、平均力行出力Ｐａが燃料電池の最大出力Ｐｆｃ＿ｍａｘを少なくとも下回るようにする。その結果、以降の電動車両１の走行による二次電池３０の残存容量ＳＯＣの低下が抑制され、電動車両１が電欠状態に陥ることが抑制される。

図３に示す例において、許容最大値Ｐｘは、例えば下記式（１）により設定される。
Ｐｘ＝Ｐ０×Ｐｆｃ＿ｍａｘ／Ｐａ ・・・（１）
Ｐ０：駆動用モータの基本性能における最大出力
Ｐｆｃ＿ｍａｘ：燃料電池２０の最大出力
Ｐａ：過去の所定期間における平均力行出力

なお、上述のとおり、制御出力設定部１１８は式（１）における平均力行出力Ｐａに補機６０による消費電力を含めて許容最大値Ｐｘを求めてもよい。

一方、平均力行出力Ｐａと燃料電池２０の最大出力Ｐｆｃ＿ｍａｘとに基づいて許容最大値を低下させる方法以外に、許容最大値があらかじめ設定された制限最大出力値に低下されてもよい。図４は、駆動用モータ４０の出力特性を示す図である。横軸は車速Ｖを示し、縦軸は駆動用モータ４０の出力による電動車両１の走行トルク（牽引力）Ｔｑを示している。実線は駆動用モータ４０の基本性能に従った最大出力特性を示しており、駆動用モータ４０は車速Ｖに応じた最大トルク以下の走行トルクを出力することができる。基本性能に従った最大出力特性によれば、電動車両１の車速Ｖが所定の速度以下の領域では、最大トルクは一定の値Ｔｑ０となっており、駆動用モータ４０による出力（馬力）は車速Ｖの増加に伴って増大する。また電動車両１の車速Ｖが所定の車速を超える領域では、駆動用モータ４０の最大出力は基本最大出力Ｐ０で一定となり、最大トルクは車速Ｖに反比例して低下する。電動車両１の車速Ｖに応じて生じる電動車両１の走行抵抗が駆動用モータ４０による走行トルクを超える領域では電動車両１は減速状態になるため、駆動用モータ４０が基本性能に従って最大出力で駆動された場合の最高車速は車速Ｖ０となる。

また第１の制限最大出力Ｐ１、第２の制限最大出力Ｐ２及び第３の制限最大出力Ｐ３の定出力線は、それぞれ駆動用モータ４０の出力の許容最大値を低下させて出力制限を行う場合の最大出力特性を示している。第１の制限最大出力Ｐ１、第２の制限最大出力Ｐ２、第３の制限最大出力Ｐ３の順に駆動用モータ４０の出力の許容最大値の制限度合いが大きくなっている。許容最大値の制限度合いが大きくなるにつれて、各制限性能に従って駆動用モータ４０が最大出力で駆動された場合の最高車速Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３がより小さくなっている。このように駆動用モータ４０の出力の許容最大値が低下することにより、電動車両１の走行に伴う駆動用モータ４０の消費電力量が低下するため、燃料電池２０の発電電力による二次電池３０の充電が促進される。

制御出力設定部１１８は、例えば加速指令値Ａｃｃに基づいて駆動用モータ４０の出力の許容最大値の制限度合いを変えてもよい。例えば加速指令値がアクセル開度である場合、制御出力設定部１１８は、アクセル開度が０〜２５％のときに許容最大値を第３の制限最大出力Ｐ３とし、アクセル開度が２５〜５０％のときに許容最大値を第２の制限最大出力Ｐ２とし、アクセル開度が５０〜７５％のときに許容最大値を第１の制限最大出力Ｐ１とし、アクセル開度が７５〜１００％のときに許容最大値を基本最大出力Ｐ０としてもよい。アクセル開度に応じて許容最大値が設定されることで、駆動用モータ４０から不要な出力が発生しないようにして、駆動用モータ４０の消費電力を低減することができる。

また制御出力設定部１１８は、二次電池３０の残存容量ＳＯＣの低下状況に応じて駆動用モータ４０の出力の許容最大値の制限度合いを変えてもよい。例えば制御出力設定部１１８は、燃料電池２０の起動後に二次電池３０の残存容量ＳＯＣが低下し得る状況で一旦許容最大値を第１の制限最大出力Ｐ１に低下させ、それでもなお二次電池３０の残存容量ＳＯＣが低下し得る状況が続く場合に許容最大値を第２の制限最大出力Ｐ２に低下させる。さらに制御出力設定部１１８は、それでもなお二次電池３０の残存容量ＳＯＣが低下し得る状況が続く場合に許容最大値を第３の制限最大出力Ｐ３に低下させる。許容最大出力を徐々に低下させることにより、電動車両１の走行トルクが必要以上に低下することが抑制される。

あるいは制御出力設定部１１８は、予測される二次電池３０の残存容量ＳＯＣの低下度合いに応じて駆動用モータ４０の出力の許容最大値の制限度合いを変えてもよい。例えば図３に示した駆動用モータ４０の平均力行出力Ｐａから燃料電池２０の最大出力Ｐｆｃ＿ｍａｘを引いた値ΔＰに３段階で閾値を設定し、当該値ΔＰが大きくなるほど制限度合いがより大きい制限最大出力が設定されるようにしてもよい。

また駆動用モータ４０の出力の許容最大値を低下させる場合の制限最大出力として一つの固定値が設定されていてもよい。具体的に、例えば図４に示した出力特性における第３の制限最大出力Ｐ３のみが設定されていてもよい。この場合、制御出力設定部１１８は、燃料電池２０の起動後に二次電池３０の残存容量ＳＯＣが低下し得る状況において、駆動用モータ４０の出力の許容最大値を常に第３の制限最大出力Ｐ３に設定する。第３の制限最大出力Ｐ３は、制限度合いが比較的大きく設定された値であり、駆動用モータ４０による消費電力が確実に低減して二次電池３０の充電電力が確保されやすくなる。したがって、二次電池３０の残存容量ＳＯＣを早期に増加させることができる。第３の制限最大出力Ｐ３は、例えば平坦路での電動車両１の走行抵抗で、車速Ｖ３で均衡する出力特性となるように設定されてもよい。あるいは第３の制限最大出力Ｐ３は、燃料電池２０の最大出力Ｐｆｃ＿ｍａｘの２倍の値に設定されてもよい。

制御出力設定部１１８が駆動用モータ４０の出力の許容最大値を低下させた場合、充放電制御部１１２及び燃料電池制御部１１４は中間直流部８１の直流ステージ電圧Ｖｄｃを低下させてもよい。これにより、第３の電力変換器７６で出力可能なモータ制御電圧の最大値が低下する。図５は駆動用モータ４０の出力の許容最大値の低下に伴って直流ステージ電圧Ｖｄｃを低下させて、モータ制御電圧Ｕの最大値をＵ０からＵ３へと低下させた例を示している。駆動用モータ４０の出力の許容最大値が低下すると、第３の電力変換器７６から出力されるモータ制御電圧Ｕの最大値も小さい値でよくなるため、第３の電力変換器７６に供給される直流ステージ電圧Ｖｄｃも小さくすることができる。

直流ステージ電圧Ｖｄｃを小さくすることにより、第１の電力変換器７２における燃料電池電圧Ｖｆｃから直流ステージ電圧Ｖｄｃへの昇圧割合を小さくすることができる。また直流ステージ電圧Ｖｄｃを小さくすることにより、第２の電力変換器７４による充電制御時の直流ステージ電圧Ｖｄｃから充電電圧Ｖｂ＿ｃへの降圧割合を小さくすることができるとともに、第３の電力変換器７６における直流ステージ電圧Ｖｄｃからモータ制御電圧Ｕへの降圧割合を小さくすることができる。したがって、第１の電力変換器７２、第２の電力変換器７４及び第３の電力変換器７６で発生する電力損失が減少し、各電力変換器の効率を向上させることができる。

制御出力設定部１１８は、駆動用モータ４０の出力の許容最大値を低下させた場合、二次電池３０の残存容量ＳＯＣが解除閾値ＳＯＣ＿ｏｆｆに到達して燃料電池２０による発電を停止させる際に駆動用モータ４０の出力制限も解除する。このように、制御出力設定部１１８は、燃料電池２０の起動後においても二次電池３０の残存容量ＳＯＣが低下し得る状況で駆動用モータ４０の出力を制限して駆動用モータ４０での消費電力を低下させる。これにより、燃料電池２０の発電電力による二次電池３０への充電が優先されることになり、電動車両１が電欠状態に陥ることを抑制することができる。

＜３．電動車両の制御方法＞
次に、図６に基づいて、本実施形態に係る制御装置１００による電動車両１の制御方法のフローチャートの一例について説明する。図６は、電動車両１の制御方法を示すフローチャートである。

まず制御装置１００の要求指令値算出部１１６は、電動車両１の要求指令値を算出する（ステップＳ１１）。例えば要求指令値算出部１１６は、加速指令値Ａｃｃの情報に基づいて電動車両１への要求指令値を算出する。例えば要求指令値算出部１１６は、加速指令値Ａｃｃと要求指令値との関係を定めた要求指令値マップを参照して要求指令値を算出してもよい。

次いで制御装置１００の燃料電池制御部１１４は、二次電池３０の残存容量ＳＯＣの情報を取得し（ステップＳ１３）、燃料電池２０を起動する必要があるか否かを判別する（ステップＳ１５）。燃料電池制御部１１４は、二次電池３０の残存容量ＳＯＣが低下したとき又は二次電池３０の出力が不足しているときに燃料電池２０を起動する必要があると判定する。

例えば燃料電池制御部１１４は、二次電池３０の残存容量ＳＯＣがあらかじめ設定された下限閾値ＳＯＣ＿ｍｉｎ（例えば２０％）を下回っている場合、燃料電池２０を起動する必要があると判定してもよい。また燃料電池制御部１１４は、あらかじめ設定された所定期間における駆動用モータ４０の出力Ｐ（ｋＷ）が二次電池３０の最大出力Ｐｂ（ｋＷ）を超える場合に燃料電池２０を起動する必要があると判定してもよい。あるいは燃料電池制御部１１４は、駆動用モータ４０の出力Ｐが二次電池３０の最大出力Ｐｂを超える状態が所定時間以上継続した場合に燃料電池２０を起動する必要があると判定してもよい。

燃料電池２０を起動する必要がない場合（Ｓ１５：Ｎｏ）、制御装置１００は通常モードで駆動用モータ４０の出力を制御する（ステップＳ３１）。具体的に、通常モードにおいて、制御出力設定部１１８は、駆動用モータ４０の基本性能による出力特性（図４を参照）に従って、要求指令値及び車速Ｖに基づいて駆動用モータ４０の出力の目標値を設定する。モータ制御部１２０は、設定された目標値に基づいて第３の電力変換器７６の駆動を制御し、駆動用モータ４０から駆動トルクを出力させる。以降、制御装置１００はステップＳ１１に戻って上記の各ステップの処理を繰り返す。

一方、燃料電池２０を起動する必要がある場合（Ｓ１５：Ｙｅｓ）、燃料電池制御部１１４は燃料電池２０を起動して発電を開始させる（ステップＳ１７）。次いで制御出力設定部１１８は、あらかじめ設定した所定期間ごとに当該所定期間における平均残存容量ＳＯＣ＿ａｖｅを算出する（ステップＳ１９）。次いで制御出力設定部１１８は、燃料電池２０の起動後においても二次電池３０の残存容量ＳＯＣが低下し得る状況にあるか否かを判別する（ステップＳ２１）。例えば制御出力設定部１１８は、平均残存容量ＳＯＣ＿ａｖｅの推移に基づいて二次電池３０の残存容量ＳＯＣが低下しているか否かを判定してもよい。このとき、制御出力設定部１１８は、直前の期間の平均残存容量ＳＯＣ＿ａｖｅから今回の期間の平均残存容量ＳＯＣ＿ａｖｅを引いた値があらかじめ設定した閾値を超える場合、残存容量ＳＯＣが低下し得る状況にあると判定してもよい。

あるいはステップＳ１９において平均残存容量ＳＯＣ＿ａｖｅを算出する代わりに、制御出力設定部１１８は、現在から過去の所定期間Ｔｉ０における駆動用モータ４０の平均力行出力Ｐａを求め、当該平均力行出力Ｐａが燃料電池２０の最大出力Ｐｆｃ＿ｍａｘを超えている場合、残存容量ＳＯＣが低下し得る状況にあると判定してもよい（図３を参照）。

二次電池３０の残存容量ＳＯＣが低下し得る状況にある場合（Ｓ２１：Ｙｅｓ）、制御装置１００は、駆動用モータ４０の出力を制限するモード（以下、「モータ出力制限モード」ともいう。）に移行する（ステップＳ２３）。モータ出力制限モードにおいて、制御出力設定部１１８は、駆動用モータ４０の出力の許容最大値を基本最大出力Ｐ０から制限最大出力に低下させる。例えば制御出力設定部１１８は、上記式（１）を用いて許容最大値Ｐｘを設定してもよい。

あるいは制御出力設定部１１８は、駆動用モータ４０の出力の許容最大値を、あらかじめ複数段階の制限度合いで設定された制限最大出力に設定してもよい（図４を参照）。この場合、制御出力設定部１１８は、加速指令値Ａｃｃに基づいて許容最大値の制限度合いを変えてもよく、二次電池３０の残存容量ＳＯＣの低下状況に応じて許容最大値の制限度合いを変えてもよい。さらに制御出力設定部１１８は、許容最大値を、あらかじめ制限度合いが比較的大きく設定された固定値に設定してもよい。

制御出力設定部１１８は、駆動用モータ４０の出力の許容最大値を低下させた出力特性（図４を参照）に従って、要求指令値及び車速Ｖに基づいて駆動用モータ４０の出力の目標値を設定する。モータ制御部１２０は、設定された目標値に基づいて第３の電力変換器７６の駆動を制御し、駆動用モータ４０から駆動トルクを出力させる。このように駆動用モータ４０の出力の許容最大値が制限されることにより、燃料電池２０の発電電力のうち駆動用モータ４０で消費される電力が低減し、二次電池３０に充電される電力を増加させることができる。したがって、二次電池３０の残存容量ＳＯＣを早期に解除閾値ＳＯＣ＿ｏｆｆに到達させやすくなり、電動車両１が電欠状態に陥ることが抑制される。

またステップＳ２３のモータ出力制限モードにおいて、充放電制御部１１２及び燃料電池制御部１１４は駆動用モータ４０の出力の許容最大値の低下に伴って、モータ制御電圧Ｕの最大値を低下させてもよい。これにより第１の電力変換器７２、第２の電力変換器７４及び第３の電力変換器７６で発生する電力損失が減少し、各電力変換器の効率を向上させることができる。その結果二次電池３０の充電効率も向上させることができる。モータ出力制限モードに移行した後、制御装置１００はステップＳ１９に戻って上述した各ステップの処理を繰り返す。

一方、ステップＳ２１において二次電池３０の残存容量ＳＯＣが低下し得る状況にない場合（Ｓ２１：Ｎｏ）、制御装置１００は通常モードで駆動用モータ４０の出力を制御する（ステップＳＸ２５）。この通常モードにおいては、上述したステップＳ３１で説明した内容に沿って駆動用モータ４０の出力が制御される。次いで燃料電池制御部１１４は、燃料電池２０の停止条件が成立しているか否かを判別する（ステップＳ２７）。例えば燃料電池制御部１１４は、二次電池３０の残存容量ＳＯＣの情報を取得し、当該残存容量ＳＯＣが解除閾値ＳＯＣ＿ｏｆｆに到達している場合に燃料電池２０の停止条件が成立していると判定してもよい。燃料電池２０の停止条件が成立していない場合（Ｓ２７：Ｎｏ）、制御装置１００はステップＳ１９に戻って上述した各ステップの処理を繰り返す。

一方燃料電池２０の停止条件が成立している場合（Ｓ２７：Ｙｅｓ）、燃料電池制御部１１４は燃料電池２０を停止して発電を終了する（ステップＳ２９）。このときモータ出力制限モードに移行している場合、制御装置１００はモータ出力制限モードを解除する。以降、制御装置１００はステップＳ１１に戻って上述した各ステップの処理を繰り返す。

以上説明したように、本実施形態に係る電動車両１の制御装置１００は、二次電池３０の残存容量ＳＯＣが低下し又は二次電池３０の出力が不足して燃料電池２０を起動させた後においてもなお二次電池３０の残存容量ＳＯＣが低下し得る状況にある場合に駆動用モータ４０の出力の許容最大値を低下させる制御出力設定部１１８を備える。これにより、燃料電池２０の発電電力のうち駆動用モータ４０で消費される電力量が減少し、二次電池３０への充電電力を増加させることができる。したがって、二次電池３０の残存容量ＳＯＣを早期に増大させることができ、電動車両１が電欠状態に陥ることを抑制することができる。

例えば制御出力設定部１１８は、電動車両１の加速指令値に応じて駆動用モータ４０の出力の許容最大値を設定してもよい。この場合、要求指令値に対応する出力以上の余分な出力の発生が抑制され、駆動用モータ４０の消費電力を低下させることができる。

また制御出力設定部１１８は、二次電池３０の残存容量ＳＯＣの低下状況に応じて駆動用モータ４０の出力の許容最大値を低下させてもよい。この場合、必要以上に駆動用モータ４０の出力が制限されることが抑制され、電動車両１の走行性能への影響を低減することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば上記実施形態では、電動車両として自動車を例に採って説明したが、本発明は係る例に限定されない。例えば電動車両は、燃料電池を搭載した鉄道やその他の輸送機械であってもよい。

１ 電動車両
２０ 燃料電池
３０ 二次電池
４０ 駆動用モータ
７２ 第１の電力変換器
７４ 第２の電力変換器
７６ 第３の電力変換器
１００ 制御装置
１１２ 充放電制御部
１１４ 燃料電池制御部
１１６ 要求指令値算出部
１１８ 制御出力設定部
１２０ モータ制御部

Claims (7)

1. 駆動用モータ及び燃料電池を搭載した電動車両の制御装置であって、
   要求指令値に基づいて前記駆動用モータの出力の目標値を設定する制御出力設定部と、
   前記駆動用モータの電力源である二次電池からの供給電力を用いて前記目標値に基づいて前記駆動用モータの出力を制御するモータ制御部と、
   前記二次電池の残存容量が低下したとき又は前記二次電池の出力が不足しているときに前記燃料電池を起動して発電電力の供給を制御する燃料電池制御部と、を備え、
   前記制御出力設定部は、前記燃料電池の起動後においても前記二次電池の残存容量が低下し得る状況にある場合、前記駆動用モータの出力の許容最大値を低下させ、過去の所定期間における前記駆動用モータの平均力行出力と前記燃料電池の最大出力とに基づいて前記許容最大値を設定する、電動車両の制御装置。
2. 前記制御出力設定部は、前記燃料電池の起動後においても前記二次電池の残存容量が低下した場合、前記許容最大値が低下するよう前記駆動用モータの出力特性を変更する、請求項１に記載の電動車両の制御装置。
3. 前記制御出力設定部は、前記電動車両の加速指令値に応じて前記許容最大値を設定する、請求項１又は２に記載の電動車両の制御装置。
4. 前記制御出力設定部は、前記許容最大値を減少させた後においても前記二次電池の残存容量が低下する場合、前記許容最大値をさらに低下させる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電動車両の制御装置。
5. 前記制御出力設定部は、前記二次電池の残存容量が所定値に到達したときに、前記許容最大値の低下を解除する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電動車両の制御装置。
6. 前記燃料電池制御部は、前記燃料電池の発電電力の第１の電圧を第２の電圧に変圧する第１の電力変換器の駆動を制御し、
   前記制御装置は、前記二次電池の出力電力の第３の電圧を前記第２の電圧に変圧する第２の電力変換器を制御する充放電制御部をさらに備え、
   前記燃料電池制御部及び前記充放電制御部は、前記許容最大値の低下に伴って前記第２の電圧を低下させる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の電動車両の制御装置。
7. 駆動用モータと、前記駆動用モータに電力を供給する二次電池と、前記駆動用モータ及び前記二次電池に供給する電力を発電する燃料電池と、電動車両を制御する制御装置とを備えた電動車両であって、
   前記制御装置は、
   要求指令値に基づいて前記駆動用モータの出力の目標値を設定する制御出力設定部と、
   前記駆動用モータの電力源である前記二次電池からの供給電力を用いて前記目標値に基づいて前記駆動用モータの出力を制御するモータ制御部と、
   前記二次電池の残存容量が低下したとき又は前記二次電池の出力が不足しているときに前記燃料電池を起動して発電電力の供給を制御する燃料電池制御部と、を備え、
   前記制御出力設定部は、前記燃料電池の起動後においても前記二次電池の残存容量が低下し得る状況にある場合、前記駆動用モータの出力の許容最大値を低下させ、過去の所定期間における前記駆動用モータの平均力行出力と前記燃料電池の最大出力とに基づいて前記許容最大値を設定する、電動車両。

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