專利名稱：燃料電池的最大功率點(diǎn)電壓確定方法及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池的最大功率點(diǎn)電壓確定方法、燃料電池控制系統(tǒng)以及在燃料電池控制系統(tǒng)中使用的功率控制裝置。
背景技術(shù)：
由于近年電子技術(shù)的進(jìn)步，便攜電話機(jī)、筆記本PC(個(gè)人計(jì)算機(jī))、音頻視頻機(jī)器或移動(dòng)終端機(jī)器等便攜電子機(jī)器的普及進(jìn)展迅速。作為這些便攜電子機(jī)器的電源的二次電池，通過(guò)進(jìn)行電池活性物質(zhì)的開(kāi)發(fā)及高容量電池結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)，從現(xiàn)有的密封鉛電池起發(fā)展到Ni/Cd電池、Ni氫電池、再到Li離子電池，力圖增加容量。
另一方面，在便攜電子機(jī)器中，在努力實(shí)現(xiàn)低功耗化，在元件中每個(gè)功能的功耗大幅度下降，但是可以認(rèn)為，用戶需要要提高，今后也必須增加新功能，存在整個(gè)機(jī)器的功耗日益增加的傾向。作為電源，需要更高密度，即小型化，驅(qū)動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)的電源。
作為滿足這種要求的電源，最近燃料電池受到注目。燃料電池，一方面具有隨著輸出電流的增加而輸出功率增加的特性，另一方面，具有當(dāng)輸出電流大于等于某一值時(shí)，輸出功率從增加反而轉(zhuǎn)為下降的特性。就是說(shuō)，在燃料電池的輸出特性中，存在發(fā)電效率最佳的最大功率點(diǎn)，在超過(guò)該最大功率點(diǎn)使用時(shí)，由于招致發(fā)電效率下降而輸出功率不足，可能使燃料電池的電極劣化。
作為燃料電池的控制技術(shù)，例如，在專利文獻(xiàn)1中提出，在使燃料電池在最大功率點(diǎn)發(fā)電時(shí)的輸出電壓設(shè)定為預(yù)定電壓值，檢測(cè)到的燃料電池的輸出電壓低于設(shè)定的預(yù)定電壓值時(shí)，為了使輸出電壓保持為大于等于預(yù)定電壓值，從輔助功率單元向負(fù)載供給功率，使燃料電池的輸出功率維持在最大功率點(diǎn)以內(nèi)的范圍的燃料電池系統(tǒng)。
另外，在專利文獻(xiàn)2中，揭示一種為了控制輸出功率，設(shè)定上限電壓和下限電壓，當(dāng)燃料電池的輸出電壓超過(guò)上限電壓時(shí)，使輸出電流增加，而當(dāng)輸出電壓低于下限電壓時(shí)，使輸出電流減小，通過(guò)控制輸出功率使燃料電池的輸出電壓維持在規(guī)定范圍內(nèi)的燃料電池發(fā)電裝置。
日本專利特開(kāi)2003-229138號(hào)公報(bào)(參照第0051段及圖3)[專利文獻(xiàn)2]日本專利特開(kāi)平7-153474號(hào)公報(bào)(參照笫0008段及圖1～圖3)發(fā)明內(nèi)容然而，在專利文獻(xiàn)1中記載的技術(shù)中，將燃料電池在最大功率點(diǎn)發(fā)電時(shí)的輸出電壓(最大功率點(diǎn)電壓)確定為大于等于開(kāi)路電壓的35％小于等于開(kāi)路電壓的50％的范圍內(nèi)，由于設(shè)定預(yù)定電壓值，就存在根據(jù)不同燃料電池不能將輸出功率控制在最大功率點(diǎn)以內(nèi)的范圍內(nèi)的問(wèn)題。
圖12是示出固定高分子型燃料電池(PEFC)、直接甲醇型燃料電池(DMFC)的輸出特性的特性圖。橫軸表示電流密度(A/cm2)，縱軸表示輸出電壓(V)及功率密度(mW/cm2)。特性曲線a，表示直接甲醇型燃料電池的電流-電壓特性，特性曲線b，表示直接甲醇型燃料電池的電流-功率密度特性，特性曲線c，表示固定高分子型燃料電池的電流-電壓特性。
關(guān)于直接甲醇型燃料電池，如特性曲線a所示，其電壓范圍，是從開(kāi)路電壓0.8V至0.2V以下，但從良好的電流-電壓特性考慮，實(shí)際發(fā)電可以使用的區(qū)域?yàn)樾∮诘扔?.4V范圍。此外，由于在最大功率點(diǎn)Q發(fā)電時(shí)的電壓(最大功率點(diǎn)電壓)在0.2V附近，實(shí)際可以使用的電壓范圍在0.4V至0.2V的范圍內(nèi)。
具有這種特性的直接甲醇型燃料電池的控制中，例如，在應(yīng)用上述專利文獻(xiàn)1的技術(shù)時(shí)，由于開(kāi)路電壓為0.8V，最大功率點(diǎn)電壓確定為大于等于0.28V的電壓，其結(jié)果，燃料電池的輸出電壓控制為大于等于0.28V。此時(shí)，如表示電流-功率密度特性的特性曲線b所示，輸出功率離最大功率點(diǎn)Q距離大，不能使燃料電池在高輸出下進(jìn)行發(fā)電。
關(guān)于固定高分子型燃料電池，如特性曲線c所示，開(kāi)路電壓為1V，可以使用的電壓范圍為0.95V至0.50V。
因此，例如，在應(yīng)用上述專利文獻(xiàn)1的技術(shù)進(jìn)行固定高分子型燃料電池的控制時(shí)，由于開(kāi)路電壓為1V，最大功率點(diǎn)電壓確定為大于等于0.35V的電壓，其結(jié)果，燃料電池的輸出電壓控制為大于等于0.35V，由于是在可以使用的電壓范圍外，不僅不能使燃料電池在高效率下進(jìn)行發(fā)電，而且由于輸出功率下降，招致輸出功率的不足，出現(xiàn)使燃料電池的電極劣化的可能性。
特別是，如直接甲醇型燃料電池這樣的輸出電壓變化很大的燃料電池的場(chǎng)合，因?yàn)闀?huì)以輸出電壓的微小差別使輸出功率離開(kāi)最大功率點(diǎn)的距離很大，所以必須正確確定在最大功率點(diǎn)發(fā)電時(shí)的電壓，即最大功率點(diǎn)電壓，但在如上述專利文獻(xiàn)1所示那樣，在基于開(kāi)路電壓的方法中，存在根據(jù)不同燃料電池產(chǎn)生很大誤差而不能正確確定的場(chǎng)合。
另外，直接甲醇型燃料電池除了具有由于燃料電池的溫度及空氣極的氣體的流速而使輸出特性發(fā)生很大的改變的特性之外，例如，也有由于二氧化碳及水這樣的伴隨反應(yīng)的生成物發(fā)生堵塞等的某種原因而使輸出功率急劇下降的情況。在輸出功率急劇下降時(shí)，必須迅速限制輸出電流。然而，此處，例如，在應(yīng)用上述專利文獻(xiàn)2所述的技術(shù)進(jìn)行控制的場(chǎng)合，因?yàn)楫?dāng)燃料電池的輸出電壓超過(guò)上限電壓時(shí)，使電流增加，低于下限電壓時(shí)，使電流減小，這樣逐步使輸出電流增減，所以存在的問(wèn)題是電流的限制跟不上上述的輸出功率的急劇變化。
另外，在燃料電池的溫度上升時(shí)，輸出電壓也增加。然而，在專利文獻(xiàn)2的技術(shù)中，因?yàn)楫?dāng)輸出電壓增加時(shí)，還進(jìn)行使輸出電流增加的控制，存在輸出電壓以發(fā)散方式逐漸增大的問(wèn)題。
本發(fā)明正是鑒于以上的問(wèn)題而完成的，本發(fā)明的目的在于提供一種與燃料電池的種類無(wú)關(guān)地正確確定燃料電池的最大功率點(diǎn)電壓的最大功率點(diǎn)電壓確定方法，可以將燃料電池發(fā)電時(shí)的輸出功率限制在最大功率點(diǎn)以內(nèi)的范圍內(nèi)的燃料電池控制系統(tǒng)或進(jìn)行該控制的功率控制裝置，在燃料電池控制系統(tǒng)或功率控制裝置中，即使是在輸出功率急劇下降的場(chǎng)合或溫度變化的場(chǎng)合也可以應(yīng)付。
因此，本發(fā)明的最大功率點(diǎn)的確定方法，是在除了輸出電流在零附近時(shí)輸出電壓急劇變化的區(qū)域之外的范圍中，以近似線近似表示電流-電壓特性的特性曲線，在其延長(zhǎng)線上，求出輸出電流為零時(shí)的外推電壓，利用該外推電壓確定上述燃料電池在最大功率點(diǎn)發(fā)電時(shí)的輸出電壓作為最大功率點(diǎn)電壓。
最大功率點(diǎn)電壓，例如，可以定為上述外推電壓的50％的電壓。
本發(fā)明的燃料電池控制系統(tǒng)，具有產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓的基準(zhǔn)電壓發(fā)生單元；將上述燃料電池的輸出電壓和上述基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，并在上述輸出電壓低于上述基準(zhǔn)電壓時(shí)，限制上述燃料電池的輸出功率的控制單元；上述基準(zhǔn)電壓發(fā)生單元，以利用上述最大功率點(diǎn)電壓確定方法確定的最大功率點(diǎn)電壓為最小，而將大于等于該值的電壓值作為基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生。
作為上述控制單元，還可以將上述燃料電池的溫度檢測(cè)值與規(guī)定的溫度值進(jìn)行比較，并且在上述燃料電池的溫度檢測(cè)值超過(guò)上述規(guī)定的溫度值時(shí)，限制輸出功率以限制溫度的上升。
本發(fā)明的功率控制裝置，具備至少可以輸入燃料電池的輸出電壓的電壓輸入端子；對(duì)調(diào)整上述燃料電池的輸出功率的功率調(diào)整單元的控制端輸出控制信號(hào)的控制端子；產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓的基準(zhǔn)電壓發(fā)生源；將從上述電壓輸入端子輸入的燃料電池的輸出電壓和上述基準(zhǔn)電壓發(fā)生單元產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，并在上述輸出電壓小于上述基準(zhǔn)電壓時(shí)，為使上述燃料電池的輸出電壓增加而生成用來(lái)限制上述燃料電池的輸出功率的控制信號(hào)并輸出到上述控制端子的控制信號(hào)生成單元；基準(zhǔn)電壓發(fā)生源，以利用上述最大功率點(diǎn)電壓確定方法確定的最大功率點(diǎn)電壓為最小，產(chǎn)生大于等于該值的電壓值作為基準(zhǔn)電壓。
此外，在具備可以將上述燃料電池的溫度檢測(cè)值輸入的溫度端子時(shí)，上述控制信號(hào)生成單元，也可以將從上述溫度端子輸入的溫度檢測(cè)值與預(yù)定的溫度值進(jìn)行比較，并且在上述燃料電池的溫度檢測(cè)值超過(guò)上述預(yù)定的溫度值時(shí)，生成上述控制信號(hào)以使上述燃料電池的輸出功率減小。
在本發(fā)明的最大功率點(diǎn)的確定方法中，因?yàn)槭且越凭€近似電流-電壓特性曲線，在近似線的延長(zhǎng)線上求出輸出電流為零時(shí)的外推電壓，并由外推電壓確定最大功率點(diǎn)電壓，所以可以利用燃料電池的電特性確定其最大功率點(diǎn)電壓。通過(guò)與燃料電池的種類無(wú)關(guān)確定最大功率點(diǎn)電壓，并將燃料電池的輸出電壓控制為大于等于最大功率點(diǎn)電壓，可以將輸出功率限定在大于等于最大功率點(diǎn)的區(qū)域。
在燃料電池控制系統(tǒng)中，以上述的確定方法確定在最大功率點(diǎn)發(fā)電時(shí)的輸出電壓，作為基準(zhǔn)電壓進(jìn)行設(shè)定，并在燃料電池的輸出電壓小于基準(zhǔn)電壓時(shí)，為了控制燃料電池的輸出功率，通過(guò)減小輸出功率，可以將輸出電壓一直維持為大于等于在最大功率點(diǎn)發(fā)電時(shí)的輸出電壓。其結(jié)果，燃料電池，不會(huì)超過(guò)最大功率點(diǎn)發(fā)電。另外，在輸出功率急劇下降及溫度過(guò)度上升時(shí)，可以迅速地進(jìn)行功率限制。
在功率控制裝置中，由于以上述的確定方法確定在最大功率點(diǎn)發(fā)電時(shí)的輸出電壓，作為基準(zhǔn)電壓進(jìn)行設(shè)定，并在經(jīng)電壓輸入端子輸入的燃料電池的輸出電壓小于基準(zhǔn)電壓時(shí)，生成用來(lái)控制燃料電池的輸出功率的控制信號(hào)，從控制端子輸出，所以通過(guò)使用該功率控制裝置，可以將燃料電池的輸出電壓一直維持為大于等于以最大功率發(fā)電時(shí)的輸出電壓。燃料電池不會(huì)超過(guò)最大功率點(diǎn)發(fā)電。另外，在輸出功率急劇下降時(shí)，也可以迅速地進(jìn)行功率限制。


圖1為示出燃料電池的直流等效電路的模型的電路圖。
圖2為示出直接甲醇型燃料電池的溫度變化導(dǎo)致的輸出電壓的變化的特性圖。
圖3為示出直接甲醇型燃料電池的空氣流量的變化導(dǎo)致的輸出電壓特性的變化的特性圖。
圖4為示出本發(fā)明的實(shí)施方式1的燃料電池控制系統(tǒng)的一構(gòu)成例的構(gòu)成圖。
圖5為示出本發(fā)明的實(shí)施方式1的燃料電池控制系統(tǒng)的另一構(gòu)成例的構(gòu)成圖。
圖6為示出在本發(fā)明的實(shí)施方式1的燃料電池控制系統(tǒng)中增加控制IC的功能圖的構(gòu)成圖的一例。
圖7為示出本發(fā)明的實(shí)施方式1的燃料電池控制系統(tǒng)的控制例程的流程圖。
圖8為本發(fā)明的實(shí)施方式2的燃料電池控制系統(tǒng)的構(gòu)成圖。
圖9為示出本發(fā)明的實(shí)施方式2的燃料電池控制系統(tǒng)的控制例程的流程圖。
圖10為本發(fā)明的實(shí)施方式3的燃料電池控制系統(tǒng)的構(gòu)成圖。
圖11為本發(fā)明的實(shí)施方式4的燃料電池控制系統(tǒng)的構(gòu)成圖。
圖12為示出固定高分子型燃料電池(PEFC)、直接甲醇型燃料電池(DMFC)的輸出特性的特性圖。
附圖標(biāo)記說(shuō)明1...燃料電池；2...電雙層電容器(蓄電單元)；3...電路部；15...肖特基勢(shì)壘二極管C1...電容器C2...電容器L...電感
具體實(shí)施例方式
首先，對(duì)本發(fā)明的燃料電池在最大功率點(diǎn)發(fā)電時(shí)的輸出電壓的確定方法進(jìn)行說(shuō)明。
關(guān)于燃料電池的輸出特性，一般，可以利用圖1所示的等效電路的直流模型表示。其中，R是因燃料電池的各狀態(tài)而變化的燃料電池的內(nèi)阻，RO是負(fù)載電阻。
此等效電路的直流模型的輸出功率W可以用下式(1)表示。
W＝E2/(R×[(R/RO+RO/R)+2]) (1)其中，E為燃料電池的設(shè)定電壓。
上式(1)中的輸出功率W成為最大值的條件，從式(1)的(R/RO+RO/R)對(duì)R取微分可知，是R＝RO。就是說(shuō)，從輸出功率為最大的條件是R＝RO可知，燃料電池的輸出電壓(即負(fù)載電阻RO的端子電壓)為E/2，這與燃料電池的種類，發(fā)電狀態(tài)無(wú)關(guān)，是一定的最大功率點(diǎn)的條件。就是說(shuō)，在燃料電池的輸出電壓為設(shè)定電壓的50％時(shí)的輸出功率為最大功率點(diǎn)。所以，通過(guò)確定設(shè)定電壓E，并對(duì)輸出功率進(jìn)行控制使燃料電池的輸出電壓成為設(shè)定電壓E的1/2的電壓，就可以使燃料電池在最大功率點(diǎn)進(jìn)行發(fā)電。輸出功率的控制，例如，可通過(guò)對(duì)輸出電流進(jìn)行控制，或?qū)Πl(fā)電的電池單體數(shù)目進(jìn)行控制而進(jìn)行。
設(shè)定電壓E，可以從燃料電池的電流-電壓特性曲線求得。其方法如下述，例如，對(duì)圖12所示的特性曲線a，在除了輸出電流(電流密度)在零附近時(shí)輸出電壓急劇變化的區(qū)域之外的范圍中，利用以虛線表示的直線的近似線近似，在近似線的延長(zhǎng)線上，求出輸出電流為零時(shí)的外推電壓作為設(shè)定電壓E。所以，外推電壓的50％的電壓，就成為燃料電池在最大功率點(diǎn)發(fā)電時(shí)的輸出電壓。
圖2為示出直接甲醇型燃料電池在不同溫度下的電流-電壓特性的特性圖。橫軸表示電流密度(A/cm2)，縱軸表示電壓(V)。
如圖2所示，直接甲醇型燃料電池的電壓輸出特性，在具有隨著輸出電流的增加而減小的特性的同時(shí)，具有在輸出電流相同時(shí)，溫度越低，輸出電壓也越低的特性。對(duì)于各溫度的不同特性曲線，在與圖12的特性曲線a一樣以虛線的近似線進(jìn)行近似時(shí)，在各個(gè)近似線的延長(zhǎng)線上，輸出電流為零時(shí)的外推電壓為相同的0.41V。這意味著，盡管溫度不同，但外推電壓是相同的。
圖3為示出在直接甲醇型燃料電池的的溫度一定時(shí)，強(qiáng)制供氣時(shí)和自然呼氣時(shí)的電流-電壓特性的特性圖。
如圖3所示，與強(qiáng)制供氣相比，在空氣的流速為零的自然呼氣的場(chǎng)合，燃料電池的輸出電壓下降，與上述一樣，在利用以虛線表示的直線的近似線對(duì)特性曲線進(jìn)行近似時(shí)，在其延長(zhǎng)線上，求得輸出電流為零時(shí)的外推電壓為同樣的0.41V。
從上述可知，在圖1所示的等效電路的直流模型中，與溫度等燃料電池的發(fā)電狀態(tài)無(wú)關(guān)，設(shè)定電壓可以取相同的電壓值。所以，在預(yù)先測(cè)定了燃料電池的外推電壓，并且將該電壓的50％的電壓值作為目標(biāo)電壓來(lái)控制燃料電池的輸出電壓時(shí)，與燃料電池的發(fā)電狀態(tài)無(wú)關(guān)，總是可以使燃料電池在最大功率點(diǎn)進(jìn)行發(fā)電。另外，在將外推電壓的50％的電壓值作為最小值對(duì)輸出電壓進(jìn)行控制時(shí)，可以將輸出功率限定在最大功率點(diǎn)內(nèi)使燃料電池進(jìn)行發(fā)電。
另外，求出外推電壓時(shí)的近似線，并不需要一定是直線，也可以以其他曲線近似。
實(shí)施方式1圖4為示出本發(fā)明的實(shí)施方式1的燃料電池控制系統(tǒng)的一構(gòu)成例的構(gòu)成圖。此燃料電池控制系統(tǒng)，大致劃分，具有燃料電池1、作為蓄電單元的電雙層電容器(EDLC)2、由升壓變換器或降壓變換器構(gòu)成的電路部3、及對(duì)電路部3進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制的控制IC(功率控制裝置)4。此燃料電池控制系統(tǒng)，是應(yīng)用于便攜電子機(jī)器的，燃料電池1是直接甲醇型燃料電池。
在此燃料電池控制系統(tǒng)中，作為蓄電單元使用的電雙層電容器2每一個(gè)單體的耐壓為2.3V～3.3V。因此，如圖4所示，在兩個(gè)單體串聯(lián)使用時(shí)，耐壓為大于等于4.6V，可以將本燃料電池控制系統(tǒng)應(yīng)用于歷來(lái)利用Li離子電池一個(gè)單體及NiMH電池兩個(gè)單體驅(qū)動(dòng)的便攜電話機(jī)、PDA(個(gè)人數(shù)字助理)、數(shù)字靜止相機(jī)、多媒體播放器等電子機(jī)器。另外，在Li離子電池為多個(gè)單體的筆記本PC等的應(yīng)用的場(chǎng)合，對(duì)Li離子電池兩個(gè)單體可使用2～4個(gè)電雙層電容器2單體，或者對(duì)Li離子電池3個(gè)單體可使用3～5個(gè)電雙層電容器2單體。當(dāng)然，作為代替電雙層電容器2的蓄電單元，也可以使用Li離子電池等二次電池。
如圖4所示，通過(guò)在燃料電池1的輸出上設(shè)置電雙層電容器2作為蓄電單元，在負(fù)載30要求功率大于可從燃料電池1取出的最大功率時(shí)，可由電雙層電容器2支持功率不足的部分。例如，燃料電池1暫時(shí)狀態(tài)惡化及負(fù)載30的要求功率為便攜電話機(jī)等那種脈沖負(fù)載的場(chǎng)合，可以利用電雙層電容器2供給功率不足的部分。另外，在脈沖負(fù)載多的應(yīng)用場(chǎng)合，使用電雙層電容器這樣的放電特性優(yōu)異的蓄電單元對(duì)于改善效率是優(yōu)選的。
在本實(shí)施方式中，作為燃料電池1使用的是直接甲醇型燃料電池，但使用固定高分子型燃料電池及其他種類的燃料電池也是可以的。并且，在圖4中，使用的是4個(gè)燃料電池1單體，不過(guò)也可以考慮電路部3的效率而增減單體數(shù)目。
電路部3，是使用N溝道功率MOSFET 13和P溝道功率MOSFET 14的同步整流方式升壓變換器的結(jié)構(gòu)。在這種升壓變換器中，因?yàn)樵贜溝道功率MOSFET 13為ON時(shí)的開(kāi)關(guān)循環(huán)中，燃料電池1的能量貯存在電感L中，在P溝道功率MOSFET 14為ON時(shí)的開(kāi)關(guān)循環(huán)中與燃料電池1的能量一起貯存在電感L中的能量對(duì)電雙層電容器2進(jìn)行充電，所以電雙層電容器2的充電電壓(蓄電電壓)高于燃料電池1的輸出電壓(即升壓)。
控制IC 4，至少具有燃料電池的電壓輸入用的電壓輸入端子FBin、燃料電池的溫度取得用的溫度端子TEMP、電雙層電容器2的電壓值取得用的蓄電電壓端子(蓄電端子)Fbout、電路部3的輸出電壓取得用的端子Vout、開(kāi)關(guān)電流取得用的端子SENSE、P溝道功率MOSFET 14的控制端子TG、N溝道功率MOSFET 13的控制端子BG以及GND端子GND合計(jì)8個(gè)端子。當(dāng)然，除了上述8個(gè)端子之外，也可以根據(jù)需要設(shè)置IC的ON/OFF端子及環(huán)路補(bǔ)償用的端子等等。關(guān)于此控制IC 4的詳細(xì)情況見(jiàn)后述。
圖5為示出本發(fā)明的實(shí)施方式1的燃料電池控制系統(tǒng)的另一構(gòu)成例的構(gòu)成圖。圖5所示的燃料電池控制系統(tǒng)的構(gòu)成，相對(duì)圖4所示的燃料電池控制系統(tǒng)的構(gòu)成的不同之處為，在電路部3a的輸入側(cè)附加有平滑用的電容器C1，在輸出側(cè)附加有同樣的平滑用的電容器C2。通過(guò)設(shè)置電容器C1，即使是在輸入到電壓輸入端子FBin的燃料電池的輸出電壓過(guò)度變動(dòng)等的場(chǎng)合，控制IC 4的動(dòng)作也不會(huì)不穩(wěn)定。同樣，通過(guò)設(shè)置電容器C2，即使是在輸入到蓄電電壓端子Fbout的電雙層電容器2的電壓及輸入到輸出電壓取得用的端子Vout的電壓過(guò)度變動(dòng)，控制IC 4的動(dòng)作也不會(huì)不穩(wěn)定。
下面，根據(jù)圖6，對(duì)燃料電池控制系統(tǒng)的動(dòng)作進(jìn)行說(shuō)明。
圖6為對(duì)圖5所示的燃料電池控制系統(tǒng)增加控制IC的功能構(gòu)成的示圖。下面對(duì)控制IC 4的功能予以詳細(xì)說(shuō)明。
此控制IC 4，主要由差動(dòng)放大器S1、S2、S3及控制部11構(gòu)成。此功能的第1特征在于電壓輸入端子FBin的處理的部分。就是說(shuō)，在控制IC 4中，燃料電池1的電壓由電阻R1和電阻R2分壓的燃料電池檢測(cè)電壓V，從電壓輸入端子FBin輸入到差動(dòng)放大器S1，在其中與第1參照電壓Vref1進(jìn)行比較，其差分電壓輸入到控制部11。
第1參照電壓Vref1，根據(jù)利用上述的最大功率點(diǎn)電壓的確定方法求出的外推電壓，相應(yīng)于電阻R1、電阻R2的分壓比設(shè)定。就是說(shuō)，將第1參照電壓Vref1設(shè)定為在燃料電池的輸出電壓變?yōu)樾∮诘扔谕馔齐妷旱?0％時(shí)，差動(dòng)放大器S1反相。
另外，在本實(shí)施方式中，由于使用直接甲醇型燃料電池，外推電壓，如圖2、圖3、圖12所示，為0.41V。
此處，燃料電池1的輸出電壓是由電阻R1、電阻R2分壓，輸入到電壓輸入端子FBin，但在檢測(cè)電壓V大于作為基準(zhǔn)電壓的第1參照電壓Vref1時(shí)(即燃料電池1的輸出電壓變?yōu)榇笥诘扔谕馔齐妷旱?0％的電壓值時(shí))，控制部11，通過(guò)進(jìn)行控制來(lái)提高對(duì)電路部3通常進(jìn)行的PWM(脈沖寬度調(diào)制)的占空(duty)而使從燃料電池1取出的電流增大。另外，在檢測(cè)電壓V小于第1參照電壓Vref1時(shí)(即燃料電池1的輸出電壓變?yōu)樾∮谕馔齐妷旱?0％的電壓值時(shí))，控制部11，通過(guò)進(jìn)行控制來(lái)降低PWM的占空而使從燃料電池1取出的電流減小。
由此，可以使燃料電池1一直在最大功率點(diǎn)發(fā)電。另外，其結(jié)果，燃料電池，因?yàn)椴粫?huì)超過(guò)最大功率點(diǎn)發(fā)電，就可以防止由于發(fā)電效率降低而出現(xiàn)輸出功率不足和電極劣化。
這種PWM的占空控制是與通常的恒壓控制相反的控制。就是說(shuō)，通過(guò)控制部11進(jìn)行這種控制，就一直跟蹤最大功率點(diǎn)進(jìn)行燃料電池1的發(fā)電控制。
所以，即使是由于空氣極的氣體流速下降，或二氧化碳及水這樣的伴隨反應(yīng)的生成物發(fā)生堵塞等的某種原因輸出功率急劇下降而使電流無(wú)法取出時(shí)，因?yàn)榭梢匝杆傧拗齐娏?，抑制生成物的發(fā)生，也可以使燃料電池1的發(fā)電狀態(tài)趨向恢復(fù)。
下面對(duì)作為用來(lái)檢測(cè)燃料電池1的輸出電壓的檢測(cè)電路的電阻R1和電阻R2的設(shè)計(jì)例進(jìn)行說(shuō)明。
此處，控制IC 4的內(nèi)部的第1參照電壓Vref1為0.6V，燃料電池1的最大功率點(diǎn)電壓在4個(gè)單體時(shí)為0.84V。在此場(chǎng)合，電阻R1和電阻R2的比可以是0.24∶0.6。另外，在第1參照電壓Vref1為1.2V，燃料電池1的最大功率點(diǎn)電壓為2.0V時(shí)，可以使電阻R1為0.8kΩ和電阻R2為1.2kΩ。就是說(shuō)，電阻R1和電阻R2的電阻比，可以按照最大功率點(diǎn)電壓和第1參照電壓Vref1的比例適當(dāng)確定。換言之，電阻R1和電阻R2的分壓比，可以相應(yīng)于最大功率點(diǎn)的電壓和第1參照電壓Vref1而適當(dāng)確定。
由此，燃料電池1的單體數(shù)及最大功率點(diǎn)的電壓改變的場(chǎng)合，通過(guò)改變電阻R1和電阻R2的分壓比，即使是單體數(shù)不同的燃料電池或在一個(gè)單體最大功率點(diǎn)電壓不同，也可以使用同樣的控制IC 4。
另外，既可以使第1參照電壓Vref1為小于等于0.6V，也可以在單體數(shù)更多的場(chǎng)合使第1參照電壓Vref1為1.2V等高電壓。另外，如前所述，由于燃料電池1是直接甲醇型燃料電池，所以在輸出電流接近零時(shí)電壓急劇上升，因此在超過(guò)電容器C1等的耐壓值時(shí)，會(huì)影響燃料電池1的壽命，因此必須注意使燃料電池1的電流不要變?yōu)榱?。就是說(shuō)，對(duì)于電阻R1、電阻R2，通過(guò)將R1+R2的電阻值調(diào)整為從燃料電池1一直有數(shù)mA左右的電流流過(guò)的電阻值(例如，數(shù)kΩ～數(shù)百Ω左右)，可以防止這種電壓上升。
圖6所示的控制IC 4的功能中的第2特征在于蓄電電壓端子Fbout的處理部分。這一部分的處理是電雙層電容器2的電壓的處理，是與一般的DC/DC變換器的輸出電壓的反饋一樣的構(gòu)成，第2參照電壓Vref2的電壓與電雙層電容器2的數(shù)目相對(duì)應(yīng)，例如，可以是0.6V或1.2V。當(dāng)然，通過(guò)改變電阻R3、R4的分壓比，既可以使其成為與第1參照電壓Vref1的電壓值相同，也可以使其成為與Vref1不同的值。
在輸出側(cè)的電雙層電容器2中，利用電阻R3和R4分壓的輸出檢測(cè)電壓V經(jīng)蓄電電壓端子Fbout輸入到差動(dòng)放大器S3，在其中與第2參照電壓Vref2進(jìn)行比較。該差分電壓輸入到控制部11。在輸出檢測(cè)電壓V小于第2參照電壓Vref2的部分大于等于預(yù)定值時(shí)，電雙層電容器2的充電未滿，控制部11，進(jìn)行PWM的占空控制以便跟蹤最大功率點(diǎn)進(jìn)行發(fā)電。在輸出檢測(cè)電壓V接近第2參照電壓Vref2時(shí)，控制部11，進(jìn)行限制PWM的占空的控制(就是說(shuō)，在電雙層電容器2的電壓上升時(shí)，使PWM的占空減小，而在輸出電壓下降時(shí)，使PWM的占空增大)。另外，也可以進(jìn)行達(dá)到輸出電壓的上限的PWM控制。另外，在輸出檢測(cè)電壓V接近第2參照電壓Vref2的場(chǎng)合，也可以通過(guò)從最大功率點(diǎn)跟蹤控制切換到通常的升壓變換器動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)PWM的占空限制。通過(guò)進(jìn)行這種處理，可以一直保持電雙層電容器2的電壓，即充電量，為恒定。
圖6示出的控制IC 4的功能的第3特征在于溫度端子TEMP的處理部分。輸入到溫度端子TEMP的是燃料電池1的溫度信息，此溫度信息，例如，可利用未圖示的熱敏電阻及溫度IC取得。
表示燃料電池1的檢測(cè)溫度的值的溫度電壓V輸入到差動(dòng)放大器S2，在其中與第3參照電壓Vref3比較，該差分電壓輸入到控制部11。可以使第3參照電壓Vref3，相應(yīng)于燃料電池1的單體數(shù)，例如，成為0.6V或1.2V。當(dāng)然，通過(guò)設(shè)置分壓用的電阻，既可以使其成為與Vref1的電壓值相同，也可以使其成為與Vref1不同的參照電壓。
此處，在溫度電壓V小于笫3參照電壓Vref3時(shí)(即燃料電池1的檢測(cè)溫度比設(shè)定值低時(shí))，控制部11進(jìn)行如通常那樣在最大功率點(diǎn)發(fā)電的控制，但在溫度電壓V大于第3參照電壓Vref3時(shí)(即燃料電池1的檢測(cè)溫度比設(shè)定值高時(shí))，控制部11進(jìn)行PWM的占空限制。就是說(shuō)，在燃料電池1的檢測(cè)溫度高于設(shè)定值時(shí)，優(yōu)先于最大功率的跟蹤控制進(jìn)行PWM的占空限制的控制。
這樣，由于隨著燃料電池1的溫度的上升進(jìn)行減少?gòu)娜剂想姵?取出的電流的控制，可以使燃料電池1的溫度保持一定。例如，在設(shè)定作為限制溫度的設(shè)定值為45℃時(shí)，就可以防止燃料電池1超過(guò)45℃成為燙傷使用者的溫度。
圖7為示出本發(fā)明的實(shí)施方式1的燃料電池控制系統(tǒng)的控制例程的流程圖。
下面參照?qǐng)D6的燃料電池控制系統(tǒng)的構(gòu)成圖對(duì)圖7的流程圖的流程進(jìn)行說(shuō)明。在圖7中，控制部11，輸入由電阻R1、電阻R2分壓的燃料電池1的輸出電壓和笫1參照電壓Vref1的差分電壓(步驟S1)，根據(jù)該差分電壓確定最大電流或最大PWM寬度(步驟S2)。之后，控制部11，輸入溫度電壓V和笫3參照電壓Vref3的差分電壓(步驟S3)，判定溫度電壓V和第3參照電壓Vref3的差分電壓是否大于0(步驟S4)。此處，如果溫度電壓V和笫3參照電壓Vref3的差分電壓大于0(步驟S4中的“是”的場(chǎng)合)，因?yàn)槿剂想姵?的溫度高于預(yù)定值，就進(jìn)行PWM的占空限制以限制溫度的上升(設(shè)置限制)(步驟S5)。
之后，控制部11，輸入第2參照電壓Vref2和輸出電壓的差分電壓(步驟S6)，判定第2參照電壓Vref2和由電阻R3、電阻R4分壓的電路部3a的輸出電壓的差分電壓是否小于等于設(shè)定值(步驟S7)。此處，在第2參照電壓Vref2和由電阻R3、電阻R4分壓的電路部3a的輸出電壓的差分電壓小于等于設(shè)定值的場(chǎng)合(步驟S7中的“是”的場(chǎng)合)，通過(guò)對(duì)溫度的差分電壓和輸出電壓的差分電壓的大小進(jìn)行比較來(lái)進(jìn)行輸出功率限制和溫度限制中的哪一個(gè)限制優(yōu)先的限制度的大小的比較(優(yōu)先比較)(步驟S8)，在輸出功率限制一方大時(shí)(即輸出功率限制優(yōu)先的場(chǎng)合)，設(shè)置輸出電壓限制(步驟S9)，確定輸出電流或PWM的占空的指令值(步驟S10)。另外，在步驟S8中，在溫度限制一方大時(shí)(即溫度限制優(yōu)先的場(chǎng)合)，就根據(jù)該溫度限制的條件確定輸出電流或PWM的占空的指令值(步驟S10)。
另外，在步驟S4中，在溫度電壓和第3參照電壓Vref3的差分電壓小于等于0的場(chǎng)合(步驟S4中的“否”的場(chǎng)合)，因?yàn)槿剂想姵?的溫度低，控制部11，輸入第2參照電壓Vref2和輸出電壓的差分電壓(步驟S11)，判定第2參照電壓Vref2和輸出電壓的差分電壓是否小于等于設(shè)定值(步驟S12)。此處，在第2參照電壓Vref2和輸出電壓的差分電壓小于等于設(shè)定值的場(chǎng)合(步驟S12中的“是”的場(chǎng)合)，設(shè)置輸出電壓限制(步驟S9)，確定輸出電流或PWM的占空的指令值(步驟S10)。另外，在步驟S12中，在第2參照電壓Vref2和輸出電壓的差分電壓大于等于設(shè)定值時(shí)(步驟S12中的“否”的場(chǎng)合)，就根據(jù)該設(shè)定值確定輸出電流或PWM的占空的指令值(步驟S10)。另外，在步驟S7中在第2參照電壓Vref2和輸出電壓的差分電壓大于等于設(shè)定值時(shí)(步驟S7中的“否”的場(chǎng)合)，也根據(jù)該設(shè)定值確定輸出電流或PWM的占空的指令值(步驟S10)。
就是說(shuō)，如圖7的控制例程所示，在控制IC 4內(nèi)的控制部11工作在電流模式時(shí)，通過(guò)從3個(gè)反饋信息(即燃料電池的電壓信息、輸出電壓的信息及燃料電池的溫度信息)確定從SENSE端子反饋的開(kāi)關(guān)電流的最大電流值，可以實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤。當(dāng)然，也可以采用使PWM的寬度改變來(lái)代替電流模式而實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤的方式。另外，在輸入燃料電池的溫度表示高的值的溫度信息及輸出電壓表示低的值的輸出電壓信息時(shí)，優(yōu)先于利用燃料電池的電壓信息的最大功率跟蹤控制，強(qiáng)制地進(jìn)行減少PWM的占空的控制。
實(shí)施方式2圖8為本發(fā)明的實(shí)施方式2的燃料電池控制系統(tǒng)的構(gòu)成圖。在此燃料電池控制系統(tǒng)中使用控制IC 4a，此控制IC 4a，與圖6所示的實(shí)施方式1的燃料電池控制系統(tǒng)的控制IC 4相比，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同。電路部3a等其他結(jié)構(gòu)，與圖6所示的燃料電池控制系統(tǒng)一樣。
控制IC 4a，由控制部11a和基準(zhǔn)電壓設(shè)定部12構(gòu)成。由電阻R3、電阻R4分壓，從蓄電電壓端子Fbout輸入的電路部3a的輸出電壓和第2參照電壓Vref2由差動(dòng)放大器S3進(jìn)行比較，該差分電壓(以下稱其為輸出電壓差分)輸出到基準(zhǔn)電壓設(shè)定部12的一個(gè)端子。燃料電池1的溫度電壓從溫度端子TEMP輸入，由差動(dòng)放大器S2與笫3參照電壓Vref3進(jìn)行比較，該差分電壓(以下稱其為溫度電壓差分)輸入到基準(zhǔn)電壓設(shè)定部12的另一個(gè)端子。這兩個(gè)反饋信息輸入到基準(zhǔn)電壓設(shè)定部12，基準(zhǔn)電壓設(shè)定部12根據(jù)輸出電壓差分和溫度電壓差分，使作為燃料電池的輸出電壓的基準(zhǔn)電壓的第1參照電壓Vref1的電壓值變化?？刂撇?1a，根據(jù)來(lái)自差動(dòng)放大器S1的差分電壓，控制電路部3a的PWM的占空。
具體言之，如在實(shí)施方式1中舉例說(shuō)明的，以與最大功率點(diǎn)電壓相對(duì)應(yīng)的0.6V的電壓作為第1參照電壓Vref1的最低值，利用輸出電壓接近目標(biāo)值的場(chǎng)合和燃料電池1的溫度電壓超過(guò)設(shè)定值的場(chǎng)合中的至少一個(gè)條件，通過(guò)使第1參照電壓Vref1的電壓值上升進(jìn)行從燃料電池1取出的電流的限制。就是說(shuō)，通過(guò)利用輸出電壓的條件和溫度電壓的條件中的至少一個(gè)使燃料電池1的目標(biāo)電壓值(第1參照電壓Vref1)改變，可以實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤控制、輸出電壓恒定控制和溫度限制控制三種控制。另外，通過(guò)使控制PWM的占空的控制部11a和基準(zhǔn)電壓設(shè)定部12分離，控制部11a可以原樣不變使用現(xiàn)存的(即圖6所示的控制IC 4)控制方式的裝置。
下面，根據(jù)流程圖對(duì)控制IC 4a的控制的流程進(jìn)行說(shuō)明。
圖9為示出本發(fā)明的實(shí)施方式2的燃料電池控制系統(tǒng)的控制例程的流程圖。
在圖9中，基準(zhǔn)電壓設(shè)定部12，從差動(dòng)放大器S2輸入溫度電壓和第3參照電壓Vref3的差分電壓(步驟S21)，判定溫度電壓和第3參照電壓Vref3的差分電壓是否大于0(步驟S22)。此處，如果溫度電壓和第3參照電壓Vref3的差分電壓大于0(步驟S22中的“是”的場(chǎng)合)，因?yàn)槿剂想姵?的溫度高于預(yù)定值，就進(jìn)行PWM的占空限制以設(shè)置溫度限制(步驟S23)。
之后，基準(zhǔn)電壓設(shè)定部12，從差動(dòng)放大器S3輸入第2參照電壓Vref2和輸出電壓的差分電壓(步驟S24)，判定第2參照電壓Vref2和輸出電壓的差分電壓是否小于等于設(shè)定值(步驟S25)。此處，在第2參照電壓Vref2和電雙層電容器2的輸出電壓的差分電壓小于等于設(shè)定值的場(chǎng)合(步驟S25中的“是”的場(chǎng)合)，進(jìn)行對(duì)輸出功率限制和溫度限制中的哪一個(gè)限制優(yōu)先的限制量大小的比較(步驟S26)，在輸出功率限制一方大時(shí)(即輸出功率限制優(yōu)先的場(chǎng)合)，設(shè)置輸出電壓限制(步驟S27)，確定第1參照電壓Vref1的指令值(步驟S28)。另外，在步驟S26中，在溫度限制一方大時(shí)，就根據(jù)該溫度限制的條件確定第1參照電壓Vref1的指令值(步驟S28)。
另外，在步驟S22中，如果溫度電壓和第3參照電壓Vref3的差分電壓小于0(步驟S22中的“否”的場(chǎng)合)，基準(zhǔn)電壓設(shè)定部12，輸入第2參照電壓Vref2和輸出電壓的差分電壓(步驟S29)，判定第2參照電壓Vref2和輸出電壓的差分電壓是否小于等于設(shè)定值(步驟S30)。此處，在第2參照電壓Vref2和輸出電壓的差分電壓小于等于設(shè)定值的場(chǎng)合(步驟S30中的“是”的場(chǎng)合)，設(shè)置輸出電壓限制(步驟S27)，確定第1參照電壓Vref1的指令值(步驟S28)。另外，在步驟S30中，在第2參照電壓Vref2和輸出電壓的差分電壓大于設(shè)定值時(shí)(步驟S30中的“否”的場(chǎng)合)，就根據(jù)該設(shè)定值確定第1參照電壓Vref1的指令值(步驟S28)。另外，在步驟S25中在第2參照電壓Vref2和輸出電壓的差分電壓大于設(shè)定值時(shí)(步驟S25中的“否”的場(chǎng)合)，也根據(jù)該設(shè)定值確定第1參照電壓Vref1的指令值(步驟S28)。
就是說(shuō)，如圖9的控制例程所示，在不存在輸出電壓和溫度電壓兩方面的限制時(shí)，第1參照電壓Vref1，由于以最大功率點(diǎn)為目標(biāo)，成為0.6V等的最低值。另外，在只限制輸出電壓的場(chǎng)合，Vref1相應(yīng)于該限制值成為比0.6V等的電壓高的電壓，從燃料電池1取出的電流下降而可以抑制電雙層電容器2的電壓的上升。此外，在只限制溫度的場(chǎng)合，Vref1相應(yīng)于該限制值成為比0.6V等的電壓高的電壓，從燃料電池1取出的電流下降而可以抑制燃料電池1的溫度的上升。
另外，在存在輸出電壓和溫度兩者的限制的場(chǎng)合，對(duì)兩個(gè)限制值進(jìn)行比較，Vref1相應(yīng)于更大的一者的限制值成為比0.6V等的電壓高的電壓，從燃料電池1取出的電流下降而可以對(duì)電雙層電容器2的電壓的上升和燃料電池1的溫度上升兩者進(jìn)行抑制。
實(shí)施方式3圖10為本發(fā)明的實(shí)施方式3的燃料電池控制系統(tǒng)的構(gòu)成圖。圖10所示的實(shí)施方式3的燃料電池控制系統(tǒng)，與實(shí)施方式1和實(shí)施方式2的燃料電池控制系統(tǒng)相比，電路部3b，不是同步整流型，而是改變?yōu)槭褂眯ぬ鼗鶆?shì)壘二極管15的升壓斬波方式的結(jié)構(gòu)。就是說(shuō)，在圖10的電路部3b中，將圖6的電路部3a的P溝道功率MOSFET 14更換為肖特基勢(shì)壘二極管15。通過(guò)采用這種結(jié)構(gòu)，與圖6的實(shí)施方式1及圖8的實(shí)施方式2的結(jié)構(gòu)相比，對(duì)于輸出端的電壓更高的場(chǎng)合是有效的。
下面對(duì)圖10所示的實(shí)施方式3的控制IC 4b予以詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施方式3的控制IC 4b，與圖4及圖6所示的實(shí)施方式1的控制IC 4及圖8所示的實(shí)施方式2的控制IC 4a比較，不需要用來(lái)控制P溝道功率MOSFET 14的控制端子TG，存在電源取得用端子Vin代替輸出電壓取得用的端子Vout。電源取得用端子Vin，在圖10中與輸入側(cè)相連接成為可以降低端子耐壓的設(shè)計(jì)，在輸出電壓為小于等于20V這樣低的場(chǎng)合也可以與輸出側(cè)相連接。另外，控制IC 4b的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以使用圖6所示的實(shí)施方式1的控制IC 4結(jié)構(gòu)和圖8所示的實(shí)施方式2的控制IC 4a的結(jié)構(gòu)中的任何一個(gè)。
在實(shí)施方式3中，由于作為蓄電單元使用的電雙層電容器2a每個(gè)單體的耐壓為2.3V～3.3V，如圖10所示，在使用4個(gè)單體的場(chǎng)合，可以應(yīng)用于歷來(lái)利用Li離子電池2～3個(gè)單體驅(qū)動(dòng)的筆記本PC等這樣的便攜電子機(jī)器。當(dāng)然，作為代替電雙層電容器2a的蓄電單元，也可以使用Li離子電池等二次電池。
實(shí)施方式4圖11為本發(fā)明的實(shí)施方式4的燃料電池控制系統(tǒng)的構(gòu)成圖。圖11所示的實(shí)施方式4的燃料電池控制系統(tǒng)示出的是在電路部3c中使用降壓斬波器的示例。通過(guò)采用將電路部3c作成降壓斬波器的結(jié)構(gòu)，可以應(yīng)付負(fù)載電壓比燃料電池1的電壓低的場(chǎng)合。就是說(shuō)，圖11的電路部3c，在N溝道功率MOSFET 16為ON和N溝道功率MOSFET13為OFF時(shí)，燃料電池1的電流通過(guò)電感L，流入負(fù)載30，而在N溝道功率MOSFET 16為OFF和N溝道功率MOSFET 13為ON時(shí)，貯存于電感L中的能量向負(fù)載30循環(huán)。這樣，可以向負(fù)載30供給比燃料電池1的電壓低的電壓。
在圖11所示的實(shí)施方式4中，由于作為蓄電單元使用的電雙層電容器2b每個(gè)單體的耐壓為2.3V～3.3V，如圖11所示，在使用1個(gè)單體電雙層電容器2b的場(chǎng)合，可以應(yīng)用于以1.8V電壓等低電壓驅(qū)動(dòng)的便攜電子機(jī)器。當(dāng)然，作為代替電雙層電容器2b的蓄電單元，也可以使用Li離子電池及Ni氫電池等二次電池。另外，在圖11中，也可以將N溝道功率MOSFET 13更換為肖特基勢(shì)壘二極管。另外，控制IC 4的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以使用圖6所示的實(shí)施方式1的控制IC 4結(jié)構(gòu)和圖8所示的實(shí)施方式2的控制IC 4a的結(jié)構(gòu)中的任何一個(gè)。
如上所述，列舉的示例是由4個(gè)實(shí)施方式組成的燃料電池控制系統(tǒng)，但也可以相應(yīng)于便攜電子機(jī)器中的用途，將這些實(shí)施方式中的幾個(gè)組合使用。
在實(shí)施方式中，是使用直接甲醇型燃料電池作為便攜電子機(jī)器的電源，但并不限定于此，例如，也可以使用固定高分子型燃料電池。在使用固定高分子型燃料電池等直接甲醇型燃料電池以外的燃料電池的場(chǎng)合，最大功率點(diǎn)電壓不同，但通過(guò)以本實(shí)施方式的方法確定，可以同樣進(jìn)行最大功率的跟蹤控制進(jìn)行發(fā)電。此外，在具有針對(duì)負(fù)載電流的變化保持最大功率點(diǎn)的特性的電池，例如，太陽(yáng)能電池等等之中，也可以利用確定最大功率點(diǎn)電壓進(jìn)行最大功率的跟蹤控制。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池的最大功率點(diǎn)電壓確定方法，其特征在于根據(jù)燃料電池的電流-電壓特性，在表示上述電流-電壓特性的特性曲線中除了輸出電流在零附近時(shí)輸出電壓急劇變化的區(qū)域之外的范圍中，以預(yù)定的近似線近似上述特性曲線，在該近似線的延長(zhǎng)線上，求出輸出電流為零時(shí)的外推電壓，利用該外推電壓確定燃料電池在最大功率點(diǎn)發(fā)電時(shí)的輸出電壓作為最大功率點(diǎn)電壓。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池的最大功率點(diǎn)電壓確定方法，其特征在于在上述最大功率點(diǎn)發(fā)電時(shí)的輸出電壓是上述外推電壓的50％的電壓。
3.如權(quán)利要求1或2所述的燃料電池的最大功率點(diǎn)電壓確定方法，其特征在于上述燃料電池使用直接甲醇型燃料電池。
4.一種燃料電池控制系統(tǒng)，具有產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓的基準(zhǔn)電壓發(fā)生單元；和在燃料電池的輸出電壓低于上述基準(zhǔn)電壓時(shí)，控制上述燃料電池的輸出功率以使上述輸出電壓增加的控制單元，其特征在于上述基準(zhǔn)電壓發(fā)生單元產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓，以上述燃料電池在最大功率點(diǎn)發(fā)電時(shí)的最大功率點(diǎn)電壓為最小，并設(shè)定為大于等于該值的電壓值；上述最大功率點(diǎn)電壓，是根據(jù)上述燃料電池的電流-電壓特性，在表示上述電流-電壓特性的特性曲線中除了輸出電流在零附近時(shí)輸出電壓急劇變化的區(qū)域之外的范圍中，以預(yù)定的近似線近似上述特性曲線，并在該近似線的延長(zhǎng)線上，求出輸出電流為零時(shí)的外推電壓，利用該外推電壓確定的。
5.如權(quán)利要求4所述的燃料電池控制系統(tǒng)，其特征在于上述控制單元，將上述燃料電池的溫度檢測(cè)值與預(yù)定的溫度值進(jìn)行比較，并且在上述燃料電池的溫度檢測(cè)值超過(guò)上述預(yù)定的溫度值時(shí)，控制上述燃料電池的輸出功率以使上述燃料電池的溫度不上升。
6.如權(quán)利要求5所述的燃料電池控制系統(tǒng)，其特征在于上述控制單元，是可以相應(yīng)于上述燃料電池的溫度檢測(cè)值和預(yù)定的溫度值的差分值，控制上述燃料電池的輸出功率的單元，并進(jìn)行校正以使得上述差分值越小則上述基準(zhǔn)電壓越大。
7.如權(quán)利要求4至權(quán)利要求6中的任一項(xiàng)所述的燃料電池控制系統(tǒng)，其特征在于上述燃料電池與利用上述燃料電池充電的蓄電單元相連接，上述控制單元，將上述蓄電單元的輸入電壓與預(yù)定的電壓進(jìn)行比較，并且在上述蓄電單元的輸入電壓超過(guò)上述預(yù)定的電壓時(shí)，對(duì)上述燃料電池的輸出功率進(jìn)行限制。
8.如權(quán)利要求7所述的燃料電池控制系統(tǒng)，其特征在于上述控制單元，為了限制上述燃料電池的輸出功率，求出上述蓄電單元的電壓和規(guī)定的電壓的差分值，并相應(yīng)于該差分值進(jìn)行校正以使得上述差分值越小則上述基準(zhǔn)電壓越大。
9.如權(quán)利要求7或8所述的燃料電池控制系統(tǒng)，其特征在于上述控制單元，通過(guò)對(duì)上述基準(zhǔn)電壓進(jìn)行校正，使上述蓄電單元的輸入電壓成為恒定。
10.一種在燃料電池控制系統(tǒng)中使用的功率控制裝置，其特征在于具有至少可以輸入燃料電池的輸出電壓的電壓輸入端子；對(duì)調(diào)整上述燃料電池的輸出功率的功率調(diào)整單元的控制端輸出控制信號(hào)的控制端子；產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓的基準(zhǔn)電壓發(fā)生源；將從上述電壓輸入端子輸入的燃料電池的輸出電壓和上述基準(zhǔn)電壓發(fā)生單元產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，并在上述輸出電壓小于上述基準(zhǔn)電壓時(shí)，為使上述燃料電池的輸出電壓增加而生成用來(lái)限制上述燃料電池的輸出功率的控制信號(hào)并輸出到上述控制端子的控制信號(hào)生成單元，且上述基準(zhǔn)電壓發(fā)生源產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓，以上述燃料電池在最大功率點(diǎn)發(fā)電時(shí)的最大功率點(diǎn)電壓為最小，并設(shè)定為大于等于該值的電壓值；上述最大功率點(diǎn)電壓，是根據(jù)上述燃料電池的電流-電壓特性，在表示上述電流-電壓特性的特性曲線中除了輸出電流在零附近時(shí)輸出電壓急劇變化的區(qū)域之外的范圍中，以預(yù)定的近似線近似上述特性曲線，并在該近似線的延長(zhǎng)線上，求出輸出電流為零時(shí)的外推電壓，利用該外推電壓確定的。
11.如權(quán)利要求10所述的功率控制裝置，其特征在于還具有可以輸入上述燃料電池的溫度檢測(cè)值的溫度端子；且上述控制信號(hào)生成單元，將從上述溫度端子輸入的溫度檢測(cè)值與規(guī)定的溫度值進(jìn)行比較，并且在上述燃料電池的溫度檢測(cè)值超過(guò)上述規(guī)定的溫度值時(shí)，生成上述控制信號(hào)以使上述燃料電池的輸出功率減小。
12.如權(quán)利要求10或權(quán)利要求11所述的功率控制裝置，其特征在于上述控制信號(hào)生成單元，求出上述燃料電池的溫度檢測(cè)值和預(yù)定的溫度值的差分值，并相應(yīng)于該差分值進(jìn)行校正以使得差分值越小則上述基準(zhǔn)電壓越大。
13.如權(quán)利要求9至權(quán)利要求11中的任一項(xiàng)所述的功率控制裝置，其特征在于還具有輸入利用上述燃料電池充電的蓄電單元的電壓的蓄電端子，上述控制信號(hào)生成單元，相應(yīng)于從上述蓄電端子輸入的上述蓄電單元的電壓和預(yù)定的電壓的差分，生成上述控制信號(hào)。
14.如權(quán)利要求10至權(quán)利要求12中的任一項(xiàng)所述的功率控制裝置，其特征在于還具有輸入利用上述燃料電池充電的蓄電單元的電壓的蓄電端子，上述控制信號(hào)生成單元，求出上述蓄電單元的電壓和規(guī)定的電壓的差分值，并相應(yīng)于該差分值進(jìn)行校正以使得差分值越小則上述基準(zhǔn)電壓越大。
全文摘要
提供一種燃料電池的最大功率點(diǎn)電壓確定方法及其應(yīng)用，以高精度確定在最大功率點(diǎn)發(fā)電時(shí)的輸出電壓，并進(jìn)行不超過(guò)最大功率點(diǎn)的功率控制。利用電阻(R1)、(R2)的分壓在差動(dòng)放大器(S1)中比較燃料電池(1)的檢測(cè)電壓和第1參照電壓(Vref1)，將該差分值輸入到控制部(11)?？刂撇?11)相應(yīng)于該差分值對(duì)電路部(3a)進(jìn)行PWM控制。第1參照電壓(Vref1)是根據(jù)燃料電池(1)在以最大功率發(fā)電時(shí)的輸出電壓，與電阻R1、R2的分壓相對(duì)應(yīng)地進(jìn)行設(shè)定的。在以最大功率發(fā)電時(shí)的輸出電壓是在電流－電壓特性曲線中除了輸出電流在零附近的區(qū)域之外的范圍中，以近似線近似特性曲線，在該近似線的延長(zhǎng)線上，求出輸出電流為零時(shí)的外推電壓，確定該外推電壓的50％作為燃料電池在最大功率點(diǎn)發(fā)電時(shí)的輸出電壓。
文檔編號(hào)H01M8/00GK1841823SQ20061000866
公開(kāi)日2006年10月4日 申請(qǐng)日期2006年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月31日
發(fā)明者乘松泰明, 葉田玲彥, 菊地睦 申請(qǐng)人:株式會(huì)社日立制作所