專利名稱：電源裝置及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用燃料電池的電源裝置及其控制方法。
背景技術(shù)：
燃料電池，一般與柴油機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)相比發(fā)電效率高，作為對環(huán)境有利的發(fā)電機(jī)近年來受到注目。
然而，燃料電池與其他發(fā)電機(jī)不同，為了通過化學(xué)反應(yīng)取用電力，啟動電池需要時(shí)間，所以與其他發(fā)電機(jī)相比啟動性差。
在專利文獻(xiàn)1中，記述了關(guān)于解決固體氧化物型燃料電池的啟動性的問題的內(nèi)容，記述了并用燃料電池和二次電池使用剩余電力對二次電池進(jìn)行充電，通過在燃料電池啟動時(shí)使用該電力，解決啟動性的問題的內(nèi)容。
專利文獻(xiàn)1日本專利特開2004-66917號公報(bào)。

發(fā)明內(nèi)容
由于燃料電池是將化學(xué)能變換為電力的發(fā)電機(jī)，存在為了使燃料電池啟動之后穩(wěn)定供給負(fù)載(比如電子機(jī)器)所要求的電力，需要時(shí)間的問題。
本發(fā)明的目的在于提供一種即使是在燃料電池不能發(fā)出負(fù)載所要求的電力的期間，電源整體也可以穩(wěn)定地供給負(fù)載所要求的電力的電源。
此電源裝置的特征在于，在具有燃料電池和蓄電單元的電源裝置中，從上述蓄電單元和上述燃料電池以并聯(lián)方式向負(fù)載供給電力。
燃料電池，即使是在不能發(fā)出負(fù)載所要求的電力的期間，作為電源整體也可以穩(wěn)定地供給負(fù)載所要求的電力。


圖1為本發(fā)明的實(shí)施例1中的構(gòu)成。
圖2為本發(fā)明的實(shí)施例1中的DC/DC比較器的電路構(gòu)成。
圖3為本發(fā)明的整體流程圖。
圖4為說明本發(fā)明的第一模式、第二模式和第三模式中的電力、電壓和各種信號的關(guān)系的示圖。
圖5為本發(fā)明的第一模式的流程圖。
圖6為本發(fā)明的第二模式的流程圖。
圖7為本發(fā)明的第三模式的流程圖。
圖8為本發(fā)明的第四模式的流程圖。
圖9為本發(fā)明的第五模式的流程圖。
圖10為本發(fā)明的實(shí)施例2中的構(gòu)成。
圖11為本發(fā)明的實(shí)施例3中的構(gòu)成。
圖12為本發(fā)明的實(shí)施例4中的構(gòu)成。
圖13為說明本發(fā)明的第1模式的燃料電池和蓄電單元的電流和電壓的關(guān)系的示圖。
圖14為本發(fā)明的增加了負(fù)載斷路開關(guān)的構(gòu)成。
圖15為本發(fā)明的增加了負(fù)載斷路開關(guān)和接口規(guī)格的構(gòu)成。
圖16為本發(fā)明的實(shí)施例5中的構(gòu)成。
圖17為本發(fā)明的增加了實(shí)施例5中的蓄電單元充電電路的構(gòu)成。
具體實(shí)施例方式
在本實(shí)施例中，提供在具有燃料電池和蓄電單元的機(jī)器中，在實(shí)現(xiàn)上述蓄電單元小型化和系統(tǒng)低價(jià)化的同時(shí)，使燃料電池的高速啟動、輸出及余量判斷、輸出變動時(shí)的對策成為可能的電源裝置及其控制方法。
下面，利用附圖對本發(fā)明的電源裝置及其控制方法的實(shí)施例進(jìn)行說明。
(實(shí)施例1)下面，利用圖1對本發(fā)明的實(shí)施例1進(jìn)行說明。圖1為示出電源裝置的構(gòu)成及電力線、信號線的連接的概略的框圖。
在本實(shí)施例的構(gòu)成中，燃料電池1和蓄電單元2具有兩個(gè)電源，在燃料電池1側(cè)具有防止逆流用的二極管和放電開關(guān)8，在蓄電單元側(cè)具有放電用的二極管和控制充電的ON、OFF的充電開關(guān)4。另外，在圖1中，二極管和充電開關(guān)4與蓄電單元2的“+”側(cè)相連接，但也可以與蓄電單元2的“-”側(cè)相連接，也可以使用P溝道MOSFET及N溝道MOSFET等的開關(guān)元件，與只使用二極管的場合相比可以改善大電流流過時(shí)的效率。
另外，開關(guān)元件的控制由判別控制單元3進(jìn)行或者也可以連接成對燃料電池進(jìn)行檢測并根據(jù)電壓值自動地進(jìn)行ON、OFF。
在以本實(shí)施方式中使用的甲醇作為燃料的燃料電池1中，在以下所示的電化學(xué)反應(yīng)中通過使甲醇具有的化學(xué)能直接變換為電能的形式發(fā)電。
在陽極側(cè)，被供給的甲醇水溶液按照(1)式反應(yīng)分解為二氧化碳?xì)怏w、氫離子及電子。
(1)生成的氫離子在電解質(zhì)膜中從陽極移動到陰極側(cè)，在陰電極上從空氣中擴(kuò)散來的氧氣和電極上的電子按照(2)式發(fā)生反應(yīng)而生成水。
(2)因此，伴隨發(fā)電的全化學(xué)反應(yīng)式，如(3)式所示，甲醇受到氧氣的氧化而生成二氧化碳和水，化學(xué)反應(yīng)式與甲醇著火燃燒一樣。
(3)電池單元的開路電壓約為1.2V，但由于燃料浸透電解質(zhì)膜的影響實(shí)質(zhì)上為0.85～1.0V，雖然沒有特別的限定，但在實(shí)用負(fù)載運(yùn)行下的電壓選擇為在0.2～0.6V左右的區(qū)域。所以，在作為實(shí)際電源使用時(shí)，按照負(fù)載機(jī)器的要求，將電池單元串聯(lián)使用而得到規(guī)定的電壓。電池單元的輸出電流密度因電極催化劑、電極構(gòu)造及其他影響而改變，在實(shí)際效果上是通過設(shè)計(jì)適當(dāng)選擇電池單元的發(fā)電部的面積而得到規(guī)定的電流。另外，在合適時(shí)也可以通過并聯(lián)調(diào)整電池容量。在本實(shí)施方式中，電池單元的額定電壓為0.3V。
燃料電池，由于是通過燃料和氧氣的氧化還原反應(yīng)取出電力的發(fā)電機(jī)，在燃料到達(dá)電極之后一直到得到實(shí)際上穩(wěn)定的電力為止需要時(shí)間。
另外，燃料電池如上所述是發(fā)電機(jī)，所以，對于發(fā)電而言燃料是不可欠缺的。然而，在燃料極上積蓄燃料的狀態(tài)下，由于發(fā)生燃料穿過膜的稱為跨越(crossover)的現(xiàn)象，即使是不使用燃料電池時(shí)，也消耗燃料。
為了使與一般的電池自身放電相當(dāng)?shù)牟皇褂脵C(jī)器時(shí)的燃料消耗完全等于0，可以只在使用時(shí)將燃料送入燃料電池，但需要在使用開始時(shí)用來向燃料電池送入燃料的電力。
其次，作為燃料投入后的燃料電池的特性，輸出與溫度的依賴關(guān)系非常密切，特別是在低溫下的輸出非常低。因此，利用燃料電池保證的額定輸出必須設(shè)計(jì)為大于等于某一溫度(比如40℃)。因此，為了將燃料電池使用于便攜式機(jī)器，必須下工夫盡量快地升溫，在燃料電池達(dá)到上述設(shè)定溫度之前，存在機(jī)器的必需電力不足的問題。
另外，由于燃料電池是與電流成比例地從燃料極排出二氧化碳，而從空氣極排出水，這些生成物聚集時(shí)電壓就會降低。在這種時(shí)候從燃料電池取用電力時(shí)，從燃料電池流出過剩電流而導(dǎo)致生成物更增多使事態(tài)惡化。因此，在這種時(shí)候，必須下工夫使燃料電池的輸出不會過剩。
另外，對蓄電單元2而言，作為包括電氣雙層電容器在內(nèi)的電容器及二次電池，可以采用鋰聚合物電池及通常的鋰離子電池作為Ni系二次電池及Li系二次電池。
然而，有時(shí)為實(shí)現(xiàn)后述的本實(shí)施例的控制方式，必須裝載使機(jī)器的必需電力可能達(dá)到相對于在以通常的2C放電的Li系二次電池輸出的場合實(shí)際上必需的能量容量具有多余容量。在該種場合，能量密度差，但使用可在高比率電流下進(jìn)行充放電的在HEV、EV中廣泛使用的鋰離子電池、Ni系二次電池、質(zhì)子聚合物電池、電氣雙層電容器，對于小型化是優(yōu)選。
在本構(gòu)成中，將供給機(jī)器6的最大電力時(shí)的燃料電池1的下限電壓設(shè)定為大于等于蓄電單元的上限電壓。在將4.3～6.3V設(shè)定為鋰電池的上限電壓時(shí)，考慮到從燃料電池的電池單元最大電壓(約1.2～0.8V)下降的最大輸出設(shè)計(jì)點(diǎn)的電壓(約0.8～0.3V)，對于鋰電池電池單元，燃料電池的串聯(lián)電池單元數(shù)在5～16個(gè)范圍內(nèi)是合適的。
另外，即使是使用不同種類的蓄電單元，也可以根據(jù)設(shè)定電壓進(jìn)行對應(yīng)，在將電氣雙層電容器的電池單元的上限電壓設(shè)定為4.0～2.3V時(shí)，電池單元的個(gè)數(shù)設(shè)定在3～20個(gè)的范圍內(nèi)，在將Ni系二次電池及質(zhì)子聚合物電池的電池單元的上限電壓設(shè)定為1.4～1.0V時(shí)，電池單元的個(gè)數(shù)設(shè)定在2～6個(gè)的范圍內(nèi)是合適的。在將蓄電單元2串聯(lián)時(shí)，也可使燃料電池的電池?cái)?shù)為蓄電單元的串聯(lián)數(shù)的一倍。
如上所述，在考慮到燃料電池1的輸出特性而使燃料電池1和蓄電單元2的上限電壓的對應(yīng)關(guān)系處于上述范圍內(nèi)時(shí)，就可以進(jìn)行尺寸、成本、發(fā)電效率的最優(yōu)化。
將以上兩種電源的電力由DC/DC變換器5進(jìn)行電壓變換以可適合機(jī)器6的電壓進(jìn)行供電。作為DC/DC變換器5，絕緣型、斬波型的升壓變換器在減少電池單元數(shù)目方面是有效的，也可以相應(yīng)于機(jī)器6為降壓變換器、多輸出變換器。
另外，也可以相應(yīng)于機(jī)器6增加軟件開動功能。另外，DC/DC變換器5的電路圖的一例示于圖2。
其構(gòu)成為，從變換器輸入Vin分別進(jìn)行電壓變換成為機(jī)器6用輸出Vout1，判別控制單元用輸出Vout2及燃料電池輔機(jī)(燃料選擇單元13，送液單元14)用輸出Vout3。Vout1和Vout2是升壓斬波型，Vout2是降壓線性調(diào)節(jié)器型。在Vout2是在DC/DC變換器驅(qū)動器9中內(nèi)置降壓調(diào)節(jié)器時(shí)，也可以使用它進(jìn)行輸出。
作為機(jī)器6，可以應(yīng)用于筆記本PC和PDA、便攜式電話、DVD播放器、MP3播放器等便攜式機(jī)器及清掃機(jī)、電熨斗、野營用電源這樣的無繩機(jī)器、車載用的電池。
下面對燃料電池的構(gòu)成進(jìn)行說明。
作為燃料貯藏部有兩種燃料外部貯藏器11和內(nèi)部貯藏器12。燃料外部貯藏器11，可由用戶裝卸，并附帶可以通過測定根據(jù)燃料的余量而變化的電阻值及靜電容量值檢測燃料余量的余量檢測單元。內(nèi)部貯藏器12，是比燃料外部貯藏器11小型的組裝于燃料電池系統(tǒng)內(nèi)不能取出的貯藏器，貯藏通過燃料電池后的燃料，可利用氣液分離膜及閥門等將反應(yīng)后的二氧化碳排出到貯藏器外。內(nèi)部貯藏器上也設(shè)置有燃料余量檢測單元。
燃料選擇單元13，可通過切換燃料外部貯藏器11和內(nèi)部貯藏器12的流路而切換為使用兩者的狀態(tài)、使用兩者中任何一種的狀態(tài)、全都不使用的狀態(tài)中的任何一個(gè)。另外，在成為兩者都使用的狀態(tài)方面也可以使用燃料的濃度調(diào)整單元。
作為燃料選擇單元13的具體示例，使用步進(jìn)電機(jī)及電磁閥等。送液單元14，是將來自由燃料選擇單元13所切換的流路的燃料送入燃料電池1的單元，可使用隔膜式泵及活塞泵。
另外，這些驅(qū)動電力由蓄電單元2及燃料電池1及DC/DC變換器5供給。另外，圖中雖然未記述，但根據(jù)燃料電池1的實(shí)際安裝形態(tài)，也可以增加空氣泵及風(fēng)扇作為向燃料電池空氣極一側(cè)的送風(fēng)單元。特別是，在層疊型燃料電池的場合是必需的。
下面對控制單元及控制方法進(jìn)行說明。
作為判別控制單元3，使用單片微處理器及比較器等。判別控制單元3的驅(qū)動電力，由蓄電單元及燃料電池1及DC/DC變換器5供給。作為判別控制單元3的輸入信號，取得燃料外部貯藏器11、內(nèi)部貯藏器12的燃料余量信息，送液單元14的狀態(tài)信息，蓄電單元2的狀態(tài)信息，燃料電池1的狀態(tài)信息，DC/DC變換器5的狀態(tài)信息以及來自機(jī)器6的控制信號。
作為判別控制單元3的輸出信號，是發(fā)送到燃料選擇單元13的控制信號，發(fā)送到DC/DC變換器5的控制信號以及發(fā)送到機(jī)器6的控制信號。特別是，在判別控制單元3是微處理器時(shí)，除了一般輸入輸出端子之外，具有用于余量信息發(fā)送的通信用端子(串聯(lián)、I2C、SMBus等)，用于電壓判別的A/D變換用端子，用于啟動信號等中斷的中斷端子(INT)以及計(jì)時(shí)器功能。
本實(shí)施例，是具有一次電池、二次電池、電容器等蓄電單元的結(jié)構(gòu)。不過，由于為實(shí)現(xiàn)小型輕量化，上述蓄電單元盡可能小是優(yōu)選的，所以必須是可以運(yùn)用小容量的蓄電單元的結(jié)構(gòu)及控制方法。
下面對采用此種結(jié)構(gòu)的控制方法進(jìn)行詳細(xì)說明。
作為控制方法，具有以下說明的9種模式。
第一模式是對從裝置停止?fàn)顟B(tài)起一直到蓄電單元開始向機(jī)器6供電使燃料電池1成為可進(jìn)行額定輸出的狀態(tài)為止的上升進(jìn)行判定的啟動模式。
第二模式是對燃料電池1及在機(jī)器驅(qū)動狀態(tài)下對各種信號及狀態(tài)變化進(jìn)行持續(xù)監(jiān)視判定的穩(wěn)定模式。
第三模式是在第一種模式后對燃料電池1的異常時(shí)的電壓降低進(jìn)行支持和輸出恢復(fù)判定的異常時(shí)模式。
第四模式是在燃料余量多而蓄電單元2的電力余量少時(shí)對蓄電單元2進(jìn)行穩(wěn)定充電的模式。
第五模式是在燃料余量少且蓄電單元2的電力余量少時(shí)禁止高負(fù)載進(jìn)行充電的高負(fù)載禁止模式。
第六模式是在燃料變?yōu)榱銜r(shí)停止機(jī)器6的驅(qū)動的燃料零模式。
第七模式是在第六模式后或在用戶的關(guān)閉處理后對燃料電池1進(jìn)行停止處理的燃料電池停止處理模式。
第八模式是機(jī)器6和燃料電池1在停止中的狀態(tài)下對各種信號及狀態(tài)變化進(jìn)行持續(xù)監(jiān)視判定的停止中監(jiān)視模式。
第九模式是在用戶長期放置時(shí)由于自身放電等等放電大于等于一定程度時(shí)啟動燃料電池1對電池進(jìn)行充電的停止中充電模式。
表示九種模式的關(guān)系的流程圖如圖3所示。下面利用附圖對各模式進(jìn)行詳細(xì)說明。
第一模式，由于不向燃料電池供給燃料而使燃料電池的輸出幾乎為零，蓄電單元2和燃料電池從斷電狀態(tài)開動。
當(dāng)然，在燃料電池的燃料供給不停止時(shí)，從后述的第2啟動期間開動。
第一模式的啟動，通過在第八模式或第九模式中，由判別控制單元3檢測由用戶的操作產(chǎn)生的機(jī)器調(diào)機(jī)信號而開始。第一模式的流程圖示于圖5。在從第八模式轉(zhuǎn)移到第一模式時(shí)，首先進(jìn)行第1次啟動判斷。
在燃料外部貯藏器11中沒有足夠量的燃料時(shí)(也包含余量為零)及不連接燃料外部貯藏器11時(shí)，判斷為不可能啟動而中止啟動。此時(shí)，附加LED等顯示單元(未圖示)成為用戶可以判斷的結(jié)構(gòu)。在有燃料時(shí)，在使充電開關(guān)4處于ON的同時(shí)，使輔機(jī)即時(shí)開始動作。此時(shí)的輔機(jī)，除了燃料選擇單元和送液單元之外，也可以增加燃料電池空氣極一側(cè)的送風(fēng)機(jī)。
之后，進(jìn)行燃料外部貯藏器11和內(nèi)部貯藏器12相加的燃料余量的判斷。在內(nèi)部貯藏器12容量小于等于一定的下限值時(shí)將燃料外部貯藏器11的燃料全部移送到內(nèi)部貯藏器12，轉(zhuǎn)移到第九模式。在大于等于上述下限值時(shí)，對DC/DC變換器5的驅(qū)動開始，開始向機(jī)器6供電。此時(shí)的電壓，如圖4所示，由于蓄電單元(Li輸出)＞燃料電池(DMFC輸出)，對機(jī)器6的供電全部是蓄電單元2。
第二啟動期間，如圖4所示，是成為蓄電單元的電壓值≈燃料電池的電壓值的期間。成為從燃料電池1和蓄電單元2兩者向機(jī)器6供電的共享(share)模式，此時(shí)進(jìn)行第2次啟動判斷。正常時(shí)從燃料電池1發(fā)出的電力慢慢變大，燃料電池1的電力共享比例變得比蓄電單元2多，順利地轉(zhuǎn)移到下一個(gè)啟動期間。然而，在燃料電池1發(fā)生故障等的異常狀態(tài)下電力不能提高時(shí)，蓄電單元2的電力共享比例變得依舊很大，通過判別控制單元3的A/D端口等檢測到DC/DC變換器5的輸入側(cè)的電壓，即蓄電單元2的電壓低于設(shè)定值時(shí)判別控制單元3就判斷啟動失敗。之后，判別控制單元3向機(jī)器6發(fā)送關(guān)閉信號使機(jī)器6關(guān)閉，根據(jù)來自DC/DC變換器5的負(fù)載信息確認(rèn)關(guān)閉，使DC/DC變換器5停止并在LED等的顯示單元(未圖示)上將故障狀態(tài)通知用戶。另外，在燃料外部貯藏器11和內(nèi)部貯藏器12的合計(jì)燃料余量小于等于下限值時(shí)，轉(zhuǎn)移到第八模式。
第三啟動期間是燃料電池的電壓變得高于蓄電單元的電流為零時(shí)的電壓時(shí)，即蓄電單元(電流0)＜燃料電池的期間。另外，從第二啟動期間向第三啟動期間的切換，并不能明確劃分，在切換附近從相反的第三啟動期間向第二啟動期間的切換也通過機(jī)器6的要求負(fù)載的增減發(fā)生。在從燃料電池1向機(jī)器6供電的同時(shí)也對蓄電單元2進(jìn)行充電。由此，蓄電單元2的電壓與燃料電池1的電壓一起上升。于是，進(jìn)行作為最后的啟動判斷的第3次啟動判斷。通過判別控制單元3的A/D端口等檢測蓄電單元2的電壓已達(dá)到設(shè)定的上限電壓(4.2～4.3V)，就使充電開關(guān)4變?yōu)镺FF而終止對蓄電單元2的充電。在蓄電單元2的充電電力變?yōu)榱銜r(shí)，燃料電池1的電壓上升而轉(zhuǎn)移到燃料電池利用效率良好的穩(wěn)定狀態(tài)，燃料電池1的啟動結(jié)束。另外，由于蓄電單元2的放電一側(cè)是通過二極管相連接，在燃料電池電壓急劇下降時(shí)成為可瞬時(shí)支持的狀態(tài)。
另外，此時(shí)的特性的遷移如圖13所示。如此圖所示，燃料電池，在像溫度T1這樣的低溫時(shí)，不能輸出達(dá)到預(yù)期的電流。然而，通過與蓄電單元并聯(lián)使電力輸出，由于伴隨燃料電池的發(fā)電反應(yīng)的發(fā)熱及燃料電池的內(nèi)部電阻引起的發(fā)熱可使燃料電池的溫度上升，在溫度T1→T2→T3→T4的范圍內(nèi)可輸出大電流。另外，由于燃料電池1的溫度變化引起的輸出變化的特性示于圖18。燃料電池1設(shè)計(jì)成為在圖中所示的電壓電流范圍內(nèi)繼續(xù)改變移動，在啟動后處于燃料利用效率良好的范圍內(nèi)可以供電的狀態(tài)。
另外，在本實(shí)施例中，作為蓄電單元2是以鋰電池為中心進(jìn)行說明的，但應(yīng)用于其他二次電池及包括電氣雙層電容器在內(nèi)的電容器的場合也可以，只改變上限電壓就可以很容易應(yīng)用。
通過執(zhí)行以上的啟動模式，可以實(shí)現(xiàn)提供用戶的燃料電池啟動等待時(shí)間為零，燃料電池啟動中的輸出不穩(wěn)定期間的穩(wěn)定輸出，不需要大量傳感器的燃料電池的簡易的啟動判斷系統(tǒng)。在便攜式機(jī)器用系統(tǒng)中希望使用盡可能小的蓄電單元，但當(dāng)蓄電單元的輸出時(shí)間變長時(shí)，就存在由于隨著放電蓄電單元的電壓降低，就難以產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出的問題。對于這一問題，不是只利用蓄電單元持續(xù)輸出機(jī)器及燃料電池的輔機(jī)的電力一直到燃料電池可以完全輸出的狀態(tài)，即使是在不能產(chǎn)生額定輸出的不完全的狀態(tài)下，通過成為增加燃料電池的輸出的并聯(lián)輸出狀態(tài)，可以使內(nèi)部電阻造成的損耗降低而可以進(jìn)一步減小蓄電單元的容量。另外，由于在蓄電單元為鋰電池時(shí)利用本方式對電流充電區(qū)域進(jìn)行充電，可以進(jìn)行必需程度的充電，并且充電時(shí)間也減小。另外，由于成為與燃料電池的穩(wěn)定時(shí)的電力范圍相比的過載狀態(tài)，也可以做到改善燃料電池的啟動時(shí)間。
第二模式的流程圖如圖6所示。對燃料電池電壓、蓄電單元電壓、燃料余量(外部貯藏器的余量和內(nèi)部貯藏器的余量這兩者)及表示用戶進(jìn)行機(jī)器關(guān)閉操作的機(jī)器側(cè)端子的機(jī)器停止信號進(jìn)行監(jiān)視并根據(jù)需要轉(zhuǎn)移到各個(gè)模式。
第三模式是在第二模式中在電壓檢測單元檢測到燃料電池的電壓因某種原因下降時(shí)轉(zhuǎn)移到其中的模式。作為這種場合的一個(gè)原因，是觀察到伴隨反應(yīng)而產(chǎn)生的二氧化碳和水至少一個(gè)妨礙了反應(yīng)所必需的水和甲醇及氧氣對MEA(膜/電極組合體)的供給。第三模式的流程圖如圖7所示。另外，此模式的電力和電壓的變化示于圖4。首先，將充電開關(guān)置于ON成為可以進(jìn)行充放電的狀態(tài)。在燃料電池1的輸出恢復(fù)并變成向機(jī)器6供電和對蓄電單元2充電這兩者都可能的狀態(tài)時(shí)，在蓄電單元2的電壓上升變成大于等于上限電壓而判斷異常狀態(tài)結(jié)束，使充電開關(guān)變?yōu)镺FF而返回到第二模式。在燃料電池1的輸出保持異常狀態(tài)不變時(shí)，在檢測到小于等于蓄電單元的下限電壓時(shí)判斷為燃料電池的故障而結(jié)束。在第三模式過程中間，當(dāng)燃料外部貯藏器11和內(nèi)部貯藏器12的總和余量變?yōu)榱銜r(shí)轉(zhuǎn)移到第六模式。
第四模式的流程圖示于圖8。在檢測到蓄電單元的電壓小于判斷為必須緊急充電的緊急充電電壓的設(shè)定值并且檢測到燃料外部貯藏器11和內(nèi)部貯藏器12的合計(jì)燃料余量大于設(shè)定值時(shí)就進(jìn)行轉(zhuǎn)移。首先，將充電開關(guān)4置于ON成為可充放電的狀態(tài)。在正常的場合，在蓄電單元2的電壓上升變成大于等于上限電壓而判斷異常狀態(tài)結(jié)束，使充電開關(guān)變?yōu)镺FF而返回到第二模式。在燃料電池1的輸出保持異常狀態(tài)不變時(shí)，在檢測到小于等于蓄電單元2的下限電壓時(shí)判斷為燃料電池的故障而結(jié)束。在第四模式過程中間，當(dāng)燃料外部貯藏器11和內(nèi)部貯藏器12的總和余量變?yōu)榱銜r(shí)轉(zhuǎn)移到第六模式。
第五模式的流程圖示于圖9。在檢測到蓄電單元2的電壓小于判斷為必須緊急充電的緊急充電電壓的設(shè)定值并且檢測到燃料外部貯藏器11和內(nèi)部貯藏器12的合計(jì)燃料余量小于內(nèi)部貯藏器12的容量時(shí)就進(jìn)行轉(zhuǎn)移。首先，向機(jī)器6發(fā)送高負(fù)載禁止的信號，在禁止高負(fù)載應(yīng)用等的使用之后，將充電開關(guān)4置于ON成為可充放電的狀態(tài)。在正常的場合，在蓄電單元2的電壓上升變成大于等于上限電壓而判斷異常狀態(tài)結(jié)束，使充電開關(guān)變?yōu)镺FF而返回到第二模式。在燃料電池1的輸出保持異常狀態(tài)不變時(shí)，在檢測到小于等于蓄電單元2的下限電壓時(shí)判斷為燃料電池的故障而結(jié)束。在第四模式過程中間，當(dāng)燃料外部貯藏器11和內(nèi)部貯藏器12的總和余量變?yōu)榱銜r(shí)轉(zhuǎn)移到第六模式。
第六模式是由于料外部貯藏器11和內(nèi)部貯藏器12的總和余量變?yōu)榱銜r(shí)轉(zhuǎn)移到的模式。首先，向機(jī)器6發(fā)送關(guān)閉信號，使其開始強(qiáng)制關(guān)閉，轉(zhuǎn)移到第七模式。另外，也可以代替關(guān)閉信號，機(jī)器6的OS根據(jù)余量信息判斷實(shí)施強(qiáng)制關(guān)閉。此時(shí)，在余量為零時(shí)，直接轉(zhuǎn)移到第七模式。
第七模式是在第六模式后或在檢測到表示由用戶進(jìn)行關(guān)閉處理的關(guān)閉信號后進(jìn)行轉(zhuǎn)移。將充電開關(guān)4置于ON，利用DC/DC變換器5發(fā)出的輸出信號或機(jī)器6發(fā)出的信號檢測到機(jī)器6關(guān)閉，使DC/DC變換器5變?yōu)镺FF。之后，使作為輔機(jī)的風(fēng)扇及泵動作一定時(shí)間，轉(zhuǎn)移到第八模式。
第八模式是從第一模式或第七模式轉(zhuǎn)移的模式。在機(jī)器6和燃料電池1停止的狀態(tài)下，判別控制單元3對燃料的余量和蓄電單元的余量及來自機(jī)器的調(diào)機(jī)信號進(jìn)行持續(xù)監(jiān)視的同時(shí)，根據(jù)檢測到的信號轉(zhuǎn)移到其他模式。另外，優(yōu)選地，利用判別控制單元3轉(zhuǎn)移到省電動作。
第九模式是在第八模式中利用蓄電單元2的余量檢測結(jié)果或判別控制單元3具有的計(jì)時(shí)器功能中的至少一個(gè)功能進(jìn)行轉(zhuǎn)移。將燃料發(fā)送到燃料電池1，啟動燃料電池1并對蓄電單元2進(jìn)行充電。在確認(rèn)到達(dá)上限電壓的次數(shù)及在一定時(shí)間內(nèi)從上限電壓未達(dá)到下限電壓時(shí)就轉(zhuǎn)移到第八模式。在中途檢測到了來自用戶的啟動信號時(shí)就轉(zhuǎn)換到第一模式。
另外，以上說明的各模式的控制并不需要全部安裝，可以根據(jù)對各個(gè)模式的對策內(nèi)容的需要而進(jìn)行安裝。
下面對與機(jī)器6的接口的規(guī)格進(jìn)行說明。
向機(jī)器6發(fā)送的信號為燃料外部貯藏器11的燃料余量信息和燃料電池1的狀態(tài)信息這兩種。
燃料余量信息由使用大于等于一個(gè)端子(包括GND在內(nèi)為大于等于兩個(gè)端子)發(fā)送大于等于1位的信息或使用大于等于兩個(gè)端子的端子的通信方式(SMBus、串行、并行等)進(jìn)行發(fā)送。當(dāng)然，也可以是使用一端子(包括GND在內(nèi)為兩個(gè)端子)的通信方式。另外，將上述進(jìn)行組合也可以。
作為燃料電池的狀態(tài)信息，有在蓄電單元的余量和燃料的余量少時(shí)的高負(fù)載可否信號及在故障等等時(shí)用來使機(jī)器強(qiáng)制關(guān)閉的關(guān)閉信號。另外，也可以取代高負(fù)載可否信號，將蓄電單元電壓等的蓄電單元余量信息輸出到端子，由機(jī)器側(cè)的OS判斷高負(fù)載可否。另外，除了上述信號之外，也可以根據(jù)需要增加設(shè)置于燃料電池上的溫度傳感器產(chǎn)生的燃料電池溫度及設(shè)置于蓄電單元上的溫度傳感器產(chǎn)生的檢測溫度。另外，為了形成可以將燃料電池機(jī)器與現(xiàn)有的電池組調(diào)換的結(jié)構(gòu)，也可以增加燃料電池和鋰電池組的識別信號。
從機(jī)器發(fā)送的信號有通過用戶操作產(chǎn)生的機(jī)器調(diào)機(jī)信號和機(jī)器驅(qū)動信息信號這兩種。
機(jī)器調(diào)機(jī)信號，是用戶通過使機(jī)器6的開關(guān)成為ON使?fàn)顟B(tài)改變而判別控制單元3檢測該狀態(tài)改變的信號。另外，比如，機(jī)器調(diào)機(jī)信號，在利用用戶的開關(guān)ON的動作使機(jī)器6從Low改變?yōu)镠igh并通知機(jī)器6的調(diào)機(jī)開始之后，在機(jī)器6的驅(qū)動中，通過維持High的狀態(tài)可兼作機(jī)器驅(qū)動信息信號使用。因此，機(jī)器6即使是處于備用等要求電力幾乎為零時(shí)，判別控制單元3可以判斷機(jī)器6未關(guān)閉。另外，作為用于機(jī)器驅(qū)動信息信號的端子，在機(jī)器6為筆記本PC等之時(shí)，也可以根據(jù)用于連接USB機(jī)器等而使用的USB端口數(shù)設(shè)置判別用的端子(比如，在三端口時(shí)為兩個(gè)端子)。另外，在使用大于等于兩個(gè)端子的通信方式中，也可將連接機(jī)器數(shù)、啟動應(yīng)用程序數(shù)等負(fù)載信息從機(jī)器6的OS一側(cè)進(jìn)行通知。當(dāng)然，此時(shí)的通信端子也可兼作燃料電池的狀態(tài)信息的通信端子使用。
另外，對于上面舉出的信號中要求特別緊急的信號(機(jī)器調(diào)機(jī)信號、關(guān)閉信號、高負(fù)載禁止信號等)，優(yōu)選是將接收側(cè)的端子變成中斷端子(INT)。
在上述之外，在圖14中示出設(shè)置有檢測和機(jī)器6的拆裝，根據(jù)該檢測結(jié)果控制判別控制單元的ON和OFF的負(fù)載斷路開關(guān)7的結(jié)構(gòu)。負(fù)載斷路開關(guān)7也可以使用N溝道功率MOSFET，在負(fù)載的正側(cè)配置使用P溝道功率MOSFET。另外，在此結(jié)構(gòu)中，在DC/DC變換器5不是絕緣型時(shí)，由于在不使用時(shí)電力端子也可能短路，所以也可以從施加于負(fù)載斷路開關(guān)7的電壓進(jìn)行短路檢測。另外，如圖15所示，也可以設(shè)置有通過將機(jī)器6從由虛線圍出的以外的部分(電池組)上拆裝，使負(fù)載斷路開關(guān)7斷路成為OFF的端子。
根據(jù)本實(shí)施例，可實(shí)現(xiàn)蓄電單元的小型輕量化，除了可以與裝載現(xiàn)有的二次電池一樣地可在便攜式機(jī)器上立即使用之外，還可以促進(jìn)燃料電池的升溫。
(實(shí)施例2)下面對采用兩個(gè)燃料外部貯藏器11的實(shí)施例1進(jìn)行說明。
相對于實(shí)施例1大的改變部分是有關(guān)燃料方面的結(jié)構(gòu)。圖10示出此時(shí)的結(jié)構(gòu)。在圖10的結(jié)構(gòu)中，具有兩個(gè)燃料外部貯藏器11和內(nèi)部貯藏器12這兩種燃料貯藏部。燃料外部貯藏器11，具有可由用戶拆裝并可以側(cè)燃料的余量的余量檢測單元。內(nèi)部貯藏器12，是比組裝于燃料電池系統(tǒng)內(nèi)不能取出的貯藏器小型的貯藏器，可貯藏通過燃料電池1后的燃料。
燃料選擇單元13，可通過切換兩個(gè)燃料外部貯藏器11和內(nèi)部貯藏器12的流路而切換為使用兩者的狀態(tài)、使用兩者中任何一種的狀態(tài)、全都不使用的狀態(tài)中的任何一個(gè)。在使用任何一種時(shí)，使用余量最少的燃料貯藏部。所以，在內(nèi)部貯藏器12中有余量時(shí)，使用內(nèi)部貯藏器12的燃料，而在內(nèi)部貯藏器12的沒有余量時(shí)，使用兩個(gè)燃料外部貯藏器11中的余量少的那一個(gè)燃料外部貯藏器。另外，在燃料外部貯藏器11中的一個(gè)的余量為零或未連接時(shí)，就使用另一個(gè)燃料外部貯藏器11。另外，作為燃料選擇單元13，可使用步進(jìn)電機(jī)及電磁閥等。送液單元14，是將來自由燃料選擇單元13所切換的流路的燃料送入燃料電池1的單元，可使用隔膜式泵及活塞泵。另外，這些驅(qū)動電力由蓄電單元2及燃料電池1及DC/DC變換器5供給。
另外，圖中雖然未記述，但根據(jù)燃料電池1的實(shí)際安裝形態(tài)，也可以增加空氣泵及風(fēng)扇作為向燃料電池空氣極一側(cè)的送風(fēng)單元。特別是，在層疊型燃料電池的場合是必需的。
結(jié)構(gòu)以外的部分與實(shí)施例1相比無變化。不過，具有兩個(gè)燃料外部貯藏器11與具有一個(gè)燃料外部貯藏器11的構(gòu)成相比，由于可以將檢測到余量為零的燃料外部貯藏器的交換時(shí)間設(shè)定為更長，所以具有燃料完全為零的幾率減小的優(yōu)點(diǎn)。
(實(shí)施例3)本發(fā)明的實(shí)施例3示于圖11。在本實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)中，虛線所示的部分內(nèi)置于機(jī)器主體內(nèi)，虛線部分以外是稱為電池組的結(jié)構(gòu)。本實(shí)施例的特征在于聯(lián)系機(jī)器6和燃料電池1的接口規(guī)格。除了燃料電池1的電力端子和輔機(jī)的電力端子之外，接口還具有燃料外部貯藏器11和內(nèi)部貯藏器12的余量信號端子、通到輔機(jī)的控制信號端子、燃料電池1的溫度等的狀態(tài)信號端子以及燃料電池1和蓄電單元2的識別信號端子。
(實(shí)施例4)本發(fā)明的實(shí)施例4示于圖12。在本實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)中，虛線所示的部分內(nèi)置于機(jī)器主體內(nèi)，虛線部分以外是稱為電池組的結(jié)構(gòu)，但內(nèi)置于機(jī)器主體的主要部分與圖11的不同。本實(shí)施例的特征在于聯(lián)系機(jī)器6和燃料電池1的接口規(guī)格。接口具有燃料電池1的電力端子和余量信號端子、DC/DC變換器5的雙向信號端子、燃料電池1的溫度等的狀態(tài)信號端子、以及燃料電池1和蓄電單元2的識別信號端子。
(實(shí)施例5)本發(fā)明的實(shí)施例5示于圖16。本實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)是在家庭等中從插座供給機(jī)器驅(qū)動用的電力的結(jié)構(gòu)。在本實(shí)施例中，在檢測出AC適配器21與機(jī)器相連接時(shí)，控制方法與上述實(shí)施例1相比沒有改變，在連接了AC適配器21的狀態(tài)下，在用戶將機(jī)器的開關(guān)置于ON時(shí)，燃料電池1開始啟動。不管有無AC適配器21，與上述實(shí)施例1一樣，通過使燃料電池1啟動，即使是在AC適配器21突然未連接的場合，對機(jī)器的供電也不會停止。
另外，AC適配器的連接檢測，可以通過與機(jī)器側(cè)的通信及對DC/DC變換器5的機(jī)器側(cè)施加的電壓變高而實(shí)現(xiàn)。
另外，也可以檢測AC適配器21的連接而從機(jī)器側(cè)進(jìn)行蓄電單元2的充電。此時(shí)的結(jié)構(gòu)如圖17所示。蓄電單元充電電路22也可具有與蓄電單元2的特性相應(yīng)的充電控制單元?？梢允抢媒祲鹤儞Q器進(jìn)行恒流恒壓充電的結(jié)構(gòu)，也可以是只以恒流二極管只施加電流限制的結(jié)構(gòu)、利用恒流二極管和恒壓二極管施加電流限制和電壓限制的結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種電源裝置，具有燃料電池和蓄電單元，其特征在于從上述蓄電單元和上述燃料電池以并聯(lián)方式向負(fù)載供給電力。
2.如權(quán)利要求1所述的電源裝置，其特征在于上述燃料電池的輸出電力和上述蓄電單元的放電電力之和滿足上述負(fù)載的要求電力。
3.如權(quán)利要求1所述的電源裝置，其特征在于在上述燃料電池的輸出電力比上述負(fù)載的要求電力低時(shí)，要求電力和上述燃料電池的輸出的差是上述蓄電單元的放電電力。
4.如權(quán)利要求1所述的電源裝置，其特征在于在上述燃料電池的輸出電力比上述負(fù)載的要求電力高時(shí)，要求電力和上述燃料電池的輸出電力的差是上述蓄電單元的充電電力。
5.一種信息機(jī)器，具有如權(quán)利要求1所述的具有燃料電池和蓄電單元的電源裝置，利用上述電源裝置的輸出電力進(jìn)行機(jī)器的動作，其特征在于上述燃料電池的輸出電力是由上述蓄電單元的放電電力和上述燃料電池的輸出電力構(gòu)成的。
6.如權(quán)利要求5所述的信息機(jī)器，其特征在于上述燃料電池的輸出電力和上述蓄電單元的放電電力之和滿足上述機(jī)器的要求電力。
7.如權(quán)利要求5所述的信息機(jī)器，其特征在于在上述燃料電池的輸出電力比上述機(jī)器要求的電力低時(shí)，上述電力和上述輸出電力的差是上述蓄電單元的放電電力。
8.如權(quán)利要求5所述的信息機(jī)器，其特征在于在上述燃料電池的輸出電力比上述機(jī)器要求的電力高時(shí)，上述電力和上述輸出電力的差是上述蓄電單元的充電電力。
9.如權(quán)利要求1所述的電源裝置，其特征在于在上述燃料電池的輸出電壓和上述蓄電單元的放電電壓相等之后，向上述負(fù)載供電。
10.一種電源裝置，是具有燃料電池和蓄電單元，向負(fù)載供電的便攜式電子機(jī)器用電源裝置，其特征在于在從啟動上述燃料電池直到達(dá)到上述負(fù)載驅(qū)動電力值的期間，從上述蓄電單元和上述燃料電池以并聯(lián)方式向上述負(fù)載供電。
11.如權(quán)利要求10所述的電源裝置，其特征在于根據(jù)上述燃料電池的燃料余量，控制成使上述燃料電池可發(fā)電的發(fā)電量和上述蓄電單元的蓄電量的總和不低于上述負(fù)載必需的電力量。
12.一種電源裝置，是具有燃料電池和蓄電單元，向負(fù)載供電的便攜式電子機(jī)器用電源裝置，其特征在于在接通上述便攜式電子機(jī)器的電源之后，經(jīng)過只由上述蓄電單元向上述負(fù)載供電的第1期間和由上述蓄電單元和上述燃料電池并聯(lián)向上述負(fù)載供電的第2期間，只由上述燃料電池向上述負(fù)載供電。
13.如權(quán)利要求12所述的電源裝置，其特征在于在上述燃料電池的電壓值和上述蓄電單元的電壓值相等時(shí)，從上述第1期間向上述第2期間轉(zhuǎn)移。
14.如權(quán)利要求1所述的電源裝置，其特征在于在上述第2期間后，具有在從上述燃料電池向上述負(fù)載供電的同時(shí)，向上述蓄電單元進(jìn)行充電的第3期間。
15.如權(quán)利要求12所述的電源裝置，其特征在于在經(jīng)過上述第1、第2、第3期間使燃料電池的溫度上升成為可輸出預(yù)期的穩(wěn)定輸出的狀態(tài)。
16.如權(quán)利要求12所述的電源裝置，其特征在于在只由上述燃料電池向上述負(fù)載供電時(shí)，上述負(fù)載的輸出上升時(shí)，由上述蓄電單元和上述燃料電池以并聯(lián)方式向上述負(fù)載供電。
17.如權(quán)利要求5所述的電源裝置，其特征在于在從與上述機(jī)器相連接的上述燃料電池以外向上述負(fù)載供電時(shí)，還與用戶的上述機(jī)器的ON、OFF操作連動地使燃料電池ON、OFF。
18.一種電源裝置，是具有燃料電池和蓄電單元的便攜式電子機(jī)器用電源裝置，其特征在于燃料電池的串聯(lián)電池單元數(shù)使得燃料電池的設(shè)計(jì)下限電壓值是比上述蓄電單元的最大電壓值高的電壓值。
19.如權(quán)利要求7所述的電源裝置，其特征在于上述蓄電單元是鋰系二次電池，上述燃料電池的串聯(lián)電池單元數(shù)為6～22個(gè)。
20.如權(quán)利要求7所述的電源裝置，其特征在于上述蓄電單元是電氣雙層電容器，上述燃料電池的串聯(lián)電池單元數(shù)為4～20個(gè)。
全文摘要
提供一種電源裝置及其控制方法，在燃料電池和蓄電單元的混合結(jié)構(gòu)中，使蓄電單元小型化而不會引起功能不全。在本發(fā)明中，可以提供在具有燃料電池和蓄電單元的機(jī)器中，在取得上述蓄電單元的小型化和系統(tǒng)低價(jià)化的同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)燃料電池的高速啟動、輸出及余量判斷及在輸出變動時(shí)采取對策的電源裝置及其控制方法。可實(shí)現(xiàn)蓄電單元的小型輕量化，除了可以與裝載現(xiàn)有的二次電池一樣地可在便攜式機(jī)器上立即使用之外，還可以促進(jìn)燃料電池的升溫。
文檔編號H01M8/04GK1738087SQ200510054119
公開日2006年2月22日 申請日期2005年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月16日
發(fā)明者乘松泰明, 葉田玲彥, 菊地睦 申請人:株式會社日立制作所