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JP2005078925A - 電池ユニットおよび給電制御方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】安全性を確保しつつ効率的な給電を行えるようにする。
【解決手段】
電池ユニットは、化学反応により発電可能なＤＭＦＣセルスタック２２５と、繰り返し充放電可能な２次電池２３と、ＤＭＦＣセルスタック２２５から出力される電力に対してＤＣ／ＤＣ変換を行ってから電力を出力するＤＣ／ＤＣコンバータ５０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０から出力される電力と２次電池２３から出力される電力とから、給電先の負荷に応じた電力を選択的に取得して出力するダイオードＯＲ回路とを有する。ＤＣ／ＤＣコンバータ５０は、ＤＭＦＣセルスタック２２５における単セルの出力電圧を監視し、その電圧が所定値以下となったときに当該ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を垂下させる。
【選択図】 図５

Description

本発明は、例えばダイレクト・メタノール方式の燃料電池を有する電池ユニットおよび給電制御方法に関する。
近年、例えばＰＤＡ（Personal Digital Assistant）などと称される携帯情報端末やデジタルカメラなど、バッテリにより駆動可能な携帯型の電子機器が種々開発され、広く普及している。
また、最近、環境問題が大きな注目を集めており、環境に配慮したバッテリ開発も盛んに行われている。そして、この種のバッテリとして、ダイレクト・メタノール型燃料電池（以下、ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）が良く知られている。
このＤＭＦＣは、燃料として与えられるメタノールと酸素を反応させ、その化学反応により電気エネルギーを得るものであり、多孔性金属または炭素からなる２つの電極が電解質をはさんだ構造をもつ。そして、このＤＭＦＣは、有害な廃棄物を発生させないため、その実用化が強く求められている。
また、ＤＭＦＣには、送液・送風ポンプなどの補機が備えられている。ＤＭＦＣの起動時にはこれらの補機を駆動する必要があるため、一般に、ＤＭＦＣにはリチウム電池などの２次電池が設けられている。
ところで、ＤＭＦＣの定格出力と給電を受ける側の電子機器の消費電力とが一致するとは限らない。例えば、ＤＭＦＣの定格出力を超えて電子機器が電力を消費する場合もあり得る。このように事態に対処できる技術としては、例えば、特許文献１が挙げられる。この文献には、「燃料電池と、該燃料電池の出力を所定値内に抑えるための垂下機能を有するＤＣ／ＤＣコンバータと、該燃料電池の定格を超える負荷装置に対し給電する別系統の直流電源とを設け、該ＤＣ／ＤＣコンバータと該別系統の直流電源とのそれぞれに並列運転するためのダイオードを備えた燃料電池給電システム」が開示されている。
特許第２７１７２１５号公報（第１図など）
しかしながら、上記文献の技術によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータにおける垂下開始点Ｓは、燃料電池の最大定格出力の値に相当する位置に設定されている。このため、場合によっては、ほぼ最大定格出力の状態が長時間継続し、給電系統に異常をきたす等の事態が起こることが考えられる。こうしたことから、安全性を確保しつつ効率的な給電を行える技術の提示が望まれる。
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、安全性を確保しつつ効率的な給電を行うことのできる電池ユニットおよび給電制御方法を提供することを目的とする。
本発明に係る電池ユニットは、化学反応により発電可能な燃料電池と、繰り返し充放電可能な２次電池と、前記燃料電池から出力される電力に対してＤＣ／ＤＣ変換を行ってから電力を出力するＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータから出力される電力と前記２次電池から出力される電力とから、給電先の負荷に応じた電力を選択的に取得して出力するダイオードＯＲ回路とを具備し、前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記燃料電池におけるセルの出力電圧を監視し、その電圧が所定値以下となったときに当該ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を垂下させることを特徴とする。
また、本発明に係る給電制御方法は、化学反応により発電可能な燃料電池と、繰り返し充放電可能な２次電池と、前記燃料電池から出力される電力に対してＤＣ／ＤＣ変換を行ってから電力を出力するＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータから出力される電力と前記２次電池から出力される電力とから、給電先の負荷に応じた電力を選択的に取得して出力するダイオードＯＲ回路とを具備する電池ユニットに適用される給電制御方法であって、前記燃料電池におけるセルの出力電圧を監視し、前記監視される出力電圧が所定値以下となったときに、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を垂下させることを特徴とする。
安全性を確保しつつ効率的な給電を行うことができる。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る電子機器システムの外観を示す図である。
図１に示すように、この実施形態の電子機器システムは、電子機器１と、この電子機器１に着脱自在な燃料電池ユニット２とで構成される。電子機器１は、例えば、内側面にＬＣＤ（Liquid Crystal Display）を配したフタ部がヒンジ機構により開閉自在に本体部に取り付けられたノート型のパーソナルコンピュータであり、燃料電池ユニット２から供給される電力により動作可能である。一方、燃料電池ユニット２は、化学反応により発電可能なＤＭＦＣと、繰り返し充放電可能な２次電池とを内蔵している。
図２は、燃料電池ユニット２の概略構成を示す図である。
図２に示すように、燃料電池ユニット２は、マイコン２１、ＤＭＦＣ２２、２次電池２３、充電回路２４、供給制御回路２５、および操作ボタン２６を有している。
マイコン２１は、この燃料電池ユニット２全体を動作制御するものであり、電子機器１との間で信号を送受信する通信機能を有する。また、マイコン２１は、電子機器１からの指示信号に従ってＤＭＦＣ２２や２次電池２３の動作を制御したり、操作ボタン２６の操作に応じて対応する処理を実行したりする。
ＤＭＦＣ２２は、カートリッジ式の燃料タンク２２１を着脱できるようになっており、この燃料タンク２２１に格納されたメタノールと空気（酸素）とを化学反応させた際に発電される電力を出力する。この化学反応は、セルスタックなどと称される反応部で行われるが、このセルスタックにメタノールと空気とを効率的に送り込むために、このＤＭＦＣ２２は、ポンプなどの補助機構を備えている。また、このＤＭＦＣ２２は、燃料タンク２２１の装着有無、燃料タンク２２１内のメタノールの残量、補助機構の稼働状況および現在の出力電力量をマイコン２１に通知する機構を有する。
２次電池２３は、ＤＭＦＣ２２から出力される電力を充電回路２４経由で蓄積し、マイコン２１からの指示に応じて、この蓄積した電力を出力する。また、この２次電池２３は、その放電特性などを示す基本情報を保持するＥＥＰＲＯＭ２３１を備えている。このＥＥＰＲＯＭ２３１は、マイコン２１からアクセスすることができ、また、２次電池２３は、現在の出力電圧値および出力電流値をマイコン２１に通知する機構を有する。そして、マイコン２１は、ＥＥＰＲＯＭ２３１から読み出した基本情報と２次電池から通知される出力電圧値および出力電流値とから２次電池２３のバッテリ残量を算出し、その値を電子機器１へ通知する。なお、ここでは、この２次電池２３は、リチウム電池（ＬＩＢ）であるものと想定する。
充電回路２４は、ＤＭＦＣ２２から出力される電力を用いて２次電池２３を充電するための回路であり、その充電有無はマイコン２１によって制御される。
供給制御回路２５は、ＤＭＦＣ２２および２次電池２３の電力を状況に応じて外部出力するための回路である。これに関しては、後で詳しく述べる。
操作ボタン２６は、ＤＭＦＣ２２もしくは燃料電池ユニット２全体の動作停止などを指示するための専用ボタンである。なお、この操作ボタンと同じ機能を、例えば電子機器１側のＬＣＤ画面上でアプリケーションが提示するボタンで実現するようにしてもよいし、電子機器１側の電源ボタンを長押しする（所定時間以上押し続ける）ことで実現するようにしてもよい。
図３は、上記燃料電池ユニット２の別の概略構成を示す図である。なお、図２と共通する要素には同一の符号を付している。
図３に示すように、ＤＭＦＣ２２は、燃料タンク２２１、燃料ポンプ２２２、混合タンク２２３、送液ポンプ２２４、ＤＭＦＣセルスタッック２２５および送風ポンプ２２６から構成される。
燃料タンク２２１のメタノールは、燃料ポンプ２２２により混合タンク２２３に送り込まれて気化される。そして、この気化されたメタノールは、送液ポンプ２２４によりＤＭＦＣセルスタック２２５に送り込まれる。また、このＤＭＦＣセルスタック２２５には、送風ポンプ２２６により空気が送り込まれ、この空気中の酸素と気化されたメタノールとが反応して発電が行われる。
前述のマイコン２１は、電子機器１から送信されてくる起動指示信号に応じて燃料ポンプ２２２、送液ポンプ２２４、送風ポンプ２２６やファンなどの補機を２次電池２３の電力により駆動させるための制御を行ったり、ＤＭＦＣセルスタック２２５もしくは２次電池２３から出力される電力が電子機器１へ供給されるよう供給制御回路２５を制御したりする。また、マイコン２１は、電子機器１から送信されてくる停止指示信号に応じて、ＤＭＦＣ２２の動作を停止させる前に２次電池２３の充電を行うための制御を行ったりする。
一方、図４は、電子機器１の概略構成を示す図である。
図４に示すように、電子機器１は、ＣＰＵ１１、ＲＡＭ（主メモリ）１２、ＨＤＤ１３、ディスプレイコントローラ１４、キーボードコントローラ１５および電源コントローラ１６がシステムバスに接続される。
ＣＰＵ１１は、この電子機器１全体の動作制御を司るものであり、ＲＡＭ１２に格納された各種プログラムを実行する。ＲＡＭ１２は、この電子機器１の主記憶となるメモリデバイスであり、ＣＰＵ１１によって実行される各種プログラムとこれらのプログラムに用いられる各種データとを格納する。一方、ＨＤＤ１３は、この電子機器１の外部記憶となるメモリデバイスであり、ＲＡＭ１２の補助装置として各種プログラムや各種データを大量に格納する。
ディスプレイコントローラ１４は、この電子機器１におけるユーザインタフェースのアウトプット側を担うものであり、ＣＰＵ１１が作成した画像データをＬＣＤ１４１に表示制御する。一方、キーボードコントローラ１５は、この電子機器１におけるユーザインタフェースのインプット側を担うものであり、キーボード１５１やポインティングデバイス１５２の操作を数値化し、内蔵するレジスタを介してＣＰＵ１１に引き渡す。
電源コントローラ１６は、この電子機器１内の各部に対する電力供給を制御するものであり、燃料電池ユニット２からの電力供給を受ける受電機能と、燃料電池ユニット２との間で信号を送受信する通信機能とを有する。この電源コントローラ１６との間で信号を送受信する燃料電池ユニット２側の相手は、図２及び図３に示したマイコン２１である。
図５は、図２及び図３中に示される供給制御回路２５の構成を示す回路図である。
供給制御回路２５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ（例えば、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ）５０、２つのダイオード（整流器）５１，５２、およびスイッチ５３を備えている。
ＤＣ／ＤＣコンバータ５０は、昇圧回路等を含み、ＤＭＦＣセルスタック２２５から出力される電力に対してＤＣ／ＤＣ変換を行ってから電力を出力するものである。特に、このＤＣ／ＤＣコンバータ５０は、ＤＭＦＣセルスタック２２５における単セル（あるいはセルスタック）の出力電圧を監視し、その電圧が所定値（しきい値）以下となったときに当該ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を垂下させる特性を有している。但し、この場合の所定値は、上記単セルの出力電力のピーク値における電圧値よりも少しだけ高い値であるものとする。また、上記ＤＣ／ＤＣコンバータ５０は、前記単セルの出力電圧が前記所定値以下となったときには、出力電流の増加に伴って低下する出力電圧を形成する。このとき、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０は、出力電流の値にかかわらず一定の出力電力を形成する。
ダイオード５１およびダイオード５２の組合せは、ダイオードＯＲ回路を形成しており、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０から出力される電力と２次電池（ＬＩＢ）２３から出力される電力とから、給電先の負荷に応じた電力を選択的に取得して出力するものとなっている。
スイッチ５３は、例えば前述のマイコン２１（図２及び図３）によって制御され、負荷機器（ここでは、電子機器１）への電力の供給／停止を切り替えるものである。
次に、図６を参照して、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０の特性について説明する。
まず、使用するＤＭＦＣセルスタック２２５における単セルのスペックが次のようになっているものとする。
・無負荷時の電圧＝Ｖ1
・0.2A−1.0Aの負荷に応じて電圧はＶ2−Ｖ3に降下
・電力ピークは1.0A
このスペックによる単セルの出力電圧−出力電流の特性を図６（ａ）に示す。なお、この特性は、セルの温度や燃料濃度によって多少変化するものである。
出力電流が0.9A（但し、セル端子電圧での出力電流が0.9Aであるとする）に達するまでの間は、図６（ｂ）に示されるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０の出力電圧は一定である（なお、このときの出力電圧は、２次電池２３の電圧範囲よりも高い）。また、図６（ｃ）及び図６（ｄ）に示されるように、このときのＤＣ／ＤＣコンバータ５０の出力電流および出力電力は増加する傾向にある。ところが、出力電流が0.9Aに達すると（即ち、単セルの出力電圧がＶ3＋α （α：ばらつき）にまで下がると）、図６（ｂ）に示されるようにＤＣ／ＤＣコンバータ５０は、自身の出力電圧を垂下させる。
また、セルの出力電圧が所定値以下（図ではＶ3以下）になると異常状態となるので、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０は、監視される単セルの出力電圧が当該単セルの出力電力のピーク値における電圧値に達した場合、自身をシャットダウンさせる。シャットダウンの後において、単セルの出力電圧が所定値以上に戻った場合、マイコン（図２及び図３）の制御によってリセットを行い、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを再起動して電力の出力を再開させる。
ＤＣ／ＤＣコンバータ５０が出力電圧の垂下を実行した後は、出力電流の増加に伴い、出力電圧は図７（ａ）に示されるように下降し、出力電力は図７（ｂ）に示されるように一定に保たれる。
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０は、図８に示されるように、負荷電力の増加に伴って出力電圧が下降する。ここで、ＤＭＦＣセルスタック２２５における定格出力のときの出力電圧が２次電池２３の出力電圧に合わさると、ダイオードＯＲ回路を通じて両方の電力による給電を行える。この場合、図９に示されるように、ＤＭＦＣセルスタック２２５の出力電力は一定に保たれ、ＤＭＦＣセルスタック２２５の電力が有効に使用されるので、効率が良いと言える。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０の定格出力より大きい電力が要求されるときには、２次電池２３の出力電力だけが使用されるのではなく、ＤＭＦＣセルスタック２２５の出力電力も併せて無駄無く使用されるので、２次電池２３の残量の減りが遅くなるという利点もある。
次に、図１１を参照して、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０の特性に関する他の設定例について説明する。
まず、ＤＭＦＣセルスタック２２５における単セルの出力電圧−出力電流の特性は、図１１（ａ）に示すようになっているものとする（図６（ａ）と同様）。
ここで、監視される単セルの出力電圧がＶ4以下になったら、図１１（ａ）に示すように、差分の一定倍を出力電圧にかけて（オフセット電圧をかけて）、電圧スロープを形成する。
また、単セルの出力電流0.9AでＤＣ／ＤＣコンバータ５０の出力電圧が２次電池２３の出力電圧と同じになるようにする。なお、この例では、単セルの出力電力のピークは1.0Aであるため、0.1A分をマージンとしている。また、単セルの出力電流が0.9Aを超えると、シャットダウンする。
また、 図１１（ｃ）に示されるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０の出力電圧を、例えばマイコン２１（図２及び図３）の制御によって適度に補正する。補正が必要となるのは、図１２に示されるように、２次電池の出力電圧が残量に応じて変わるためである。
図１３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０を介して２次電池２３を充電する場合の構成例を示す図である。なお、図５と共通する要素には、同一の符号を付している。図１３に示されるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０と２次電池２３との間に、ダイオード５４、充電ＩＣ５５、スイッチ５６が直列に接続される。このとき、システム電源をオフの状態にし、出力電源を例えば15V固定とする。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０においては、システム電源オフ時に電圧スロープ、オフセット電圧を無効の状態にする。
図１４は、図１３の構成においてシステム電源オンの状態で充電を行う場合の単セルおよびＤＣ／ＤＣコンバータ５０の特性を示す図である。
このときの単セルの特性を、図１４（ａ）に示す。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０の特性を、図１４（ｂ）に示す。この例では、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０においては、15W以上、セル電圧Ｖ4以下で電圧スロープを形成するものとする。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０において、20W、セル電圧Ｖ3でリミットをかけるものとする。また、充電電流の最小値を0.4A（5W相当）とする。この設定によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０の出力電力が10W以下の場合に充電が開始される。また、充電中にＤＣ／ＤＣコンバータ５０の出力電力が15W以下になると、充電が停止される。
このように、本実施形態によれば、ＤＭＦＣセルスタックおける単セルの出力電圧を監視し、その電圧が所定値以下となったときに自身の出力電圧を垂下させるＤＣ／ＤＣコンバータと、ダイオードＯＲ回路とを、供給制御回路に設けることにより、安全性を確保しつつ効率的な給電を行うことができる。
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
本発明の一実施形態に係る電子機器システムの外観を示す図。 燃料電池ユニットの概略構成を示す図。 燃料電池ユニットの別の概略構成を示す図。 電子機器の概略構成を示す図。 図２及び図３中に示される供給制御回路２５の構成を示す回路図。 ＤＣ／ＤＣコンバータの特性を説明するための図。 ＤＣ／ＤＣコンバータの特性を説明するための図。 ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧のスロープを示す図。 ダイオードＯＲ回路を採用した場合のＤＣ／ＤＣコンバータの出力電力を示す図。 ダイオードＯＲ回路を採用した場合のＤＣ／ＤＣコンバータの出力電力の変化を示す図。 ＤＣ／ＤＣコンバータの他の特性を説明するための図。 ２次電池の電圧変化を示す図。 ＤＣ／ＤＣコンバータを介して２次電池を充電する場合の構成を示す図。 図１３の構成においてシステム電源オンの状態で充電を行う場合の単セルおよびＤＣ／ＤＣコンバータの特性を示す図。
符号の説明
１…電子機器、２…燃料電池ユニット、３…メインバッテリ、２１…マイコン、２２…ＤＭＦＣ、２３…２次電池、２４…充電回路、２５…供給制御回路、２６…操作ボタン、５０…ＤＣ／ＤＣコンバータ、５１，５２…ダイオード（整流器）、５３…スイッチ、５４…ダイオード、５５…充電ＩＣ、５６…スイッチ、１４１…ＬＣＤ、１５１…キーボード、１５２…ポインティングデバイス、２２１…燃料タンク、２２２…燃料ポンプ、２２３…混合タンク、２２４…送液ポンプ、２２５…ＤＭＦＣセルスタック、２２６…送風ポンプ、２３１…Ｅ２ＰＲＯＭ。

Claims (14)

  1. 化学反応により発電可能な燃料電池と、
    繰り返し充放電可能な２次電池と、
    前記燃料電池から出力される電力に対してＤＣ／ＤＣ変換を行ってから電力を出力するＤＣ／ＤＣコンバータと、
    前記ＤＣ／ＤＣコンバータから出力される電力と前記２次電池から出力される電力とから、給電先の負荷に応じた電力を選択的に取得して出力するダイオードＯＲ回路とを具備し、
    前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記燃料電池におけるセルの出力電圧を監視し、その電圧が所定値以下となったときに当該ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を垂下させることを特徴とする電池ユニット。
  2. 前記所定値は、前記セルの出力電力のピーク値における電圧値よりも高い値であることを特徴とする請求項１記載の電池ユニット。
  3. 前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記セルの出力電圧が前記所定値以下となったときには、出力電流の増加に伴って低下する出力電圧を形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の電池ユニット。
  4. 前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記セルの出力電圧が前記所定値以下となったときには、出力電流の値にかかわらず一定の出力電力を形成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電池ユニット。
  5. 少なくとも前記２次電池の残量に応じて前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を補正する手段を更に具備することを特徴とする請求項１乃至４に記載の電池ユニット。
  6. 前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、監視される前記セルの出力電圧が、当該セルの出力電力のピーク値における電圧値に達した場合、当該ＤＣ／ＤＣコンバータをシャットダウンさせることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の電池ユニット。
  7. 前記シャットダウンの後において、前記セルの出力電圧が所定値以上に戻った場合、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを再起動して電力の出力を再開させる手段を更に具備することを特徴とする請求項６記載の電池ユニット。
  8. 化学反応により発電可能な燃料電池と、繰り返し充放電可能な２次電池と、前記燃料電池から出力される電力に対してＤＣ／ＤＣ変換を行ってから電力を出力するＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータから出力される電力と前記２次電池から出力される電力とから、給電先の負荷に応じた電力を選択的に取得して出力するダイオードＯＲ回路とを具備する電池ユニットに適用される給電制御方法であって、
    前記燃料電池におけるセルの出力電圧を監視し、
    前記監視される出力電圧が所定値以下となったときに、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を垂下させる、
    ことを特徴とする給電制御方法。
  9. 前記所定値は、前記セルの出力電力のピーク値における電圧値よりも高い値であることを特徴とする請求項８記載の給電制御方法。
  10. 前記セルの出力電圧が前記所定値以下となったときには、前記ＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、出力電流の増加に伴って低下する出力電圧を形成することを特徴とする請求項８又は９に記載の給電制御方法。
  11. 前記セルの出力電圧が前記所定値以下となったときには、前記ＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、出力電流の値にかかわらず一定の出力電力を形成することを特徴とする請求項８乃至１０のいずれかに記載の給電制御方法。
  12. 少なくとも前記２次電池の残量に応じて前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を補正することを特徴とする請求項８乃至１１に記載の給電制御方法。
  13. 監視される前記セルの出力電圧が、当該セルの出力電力のピーク値における電圧値に達した場合、前記ＤＣ／ＤＣコンバータをシャットダウンさせることを特徴とする請求項８乃至１２のいずれかに記載の給電制御方法。
  14. 前記シャットダウンの後において、前記セルの出力電圧が所定値以上に戻った場合、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを再起動して電力の出力を再開させることを特徴とする請求項１３記載の給電制御方法。
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