CN100372214C - 混合电源系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混合电源系统和方法。混合电源系统包括燃料电池和副电源。一个控制器用于对所述燃料电池和所述副电源进行多路转换。操作混合电源系统的方法包括启动燃料电池以及当所述燃料电池启动时，向负载设备发出减少负载的信号。

Description

混合电源系统和方法
技术领域
本发明一般地涉及电源系统，更具体地，涉及包括燃料电池的电源系统。
背景技术
燃料电池代表了一项为移动系统供电的有前景的技术。某些燃料电池的启动需要一段时间，例如那些消耗化学物来产生电能的燃料电池。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种混合电源系统，包括：燃料电池；蓄电池；能够耦合到便携式计算机的接口电缆；电源多路转换器，所述电源多路转换器被耦合到所述燃料电池和所述蓄电池，以通过所述接口电缆从所述燃料电池或所述蓄电池提供电力；和控制器，所述控制器耦合到所述燃料电池和蓄电池以接收电力就绪指示，耦合到所述电源多路转换器以控制所述电源多路转换器，并且耦合到所述接口电缆以当确定出负载需要被降低时向负载设备发出降低负载的信号；其中，所述混合电源系统与所述便携式计算机相分离地封装，并且仅与所述便携式计算机利用所述接口电缆相连。
根据本发明的另一个方面，提供了一种操作混合电源系统的方法，所述混合电源系统包括燃料电池、蓄电池和接口电缆，其中所述燃料电池和蓄电池被用于通过所述接口电缆向便携式计算机提供电力，并且所述混合电源系统与所述便携式计算机相分离地封装，所述方法包括：判断所述燃料电池是否准备好提供电力；判断蓄电池是否准备好提供电力；以及，如果所述燃料电池和所述蓄电池都没有准备好提供电力，则通过所述接口电缆向所述便携式计算机发出减少负载的信号。
根据本发明的另一个方面，提供了一种电子系统，包括：混合电源系统，所述混合电源系统包括燃料电池、蓄电池、被耦合到所述燃料电池和所述蓄电池以从所述燃料电池或所述蓄电池向电力输送接口提供电力的电力多路转换器、以及控制器，所述控制器耦合到所述燃料电池和所述蓄电池以从所述燃料电池和蓄电池接收电力就绪指示，所述控制器还耦合到所述接口电缆以当确定负载需要被降低时通过所述接口电缆发出负载降低请求的信号；和被耦合到所述混合电源系统以通过所述接口电缆从所述混合电源系统接收电力的计算机，其中所述混合电源系统与所述计算机相分离地封装。
附图说明
图1和图2示出了混合电源系统的示图；
图3示出了计算机的框图；
图4示出了根据本发明各种实施例的流程图；
图5示出了具有处理器和存储器的电子系统；以及
图6～图8示出了根据本发明各种实施例的系统图。
具体实施方式
在下面的详细描述中，参考了附图，这些附图以示例的方式示出了在其中可以实现本发明的具体实施例。这些实施例被足够详细地描述，以便使得本领域的技术人员能够实现本发明。应当理解，本发明的各种实施例，尽管不同，也未必是互斥的。例如，这里结合一个实施例所描述的特定特征、结构或特性可以在其他实施例中实现，而不脱离本发明的精神和范围。此外，应当理解，在每个公开的实施例中单个元件的位置和排列可以改变，而不脱离本发明的精神和范围。因此，下面的详细描述不应被认为是限定的涵义，本发明的范围只由被正确解释的所附权利要求连同权利要求所包括的内容的全部等同物来定义。在附图中，所有几幅图中类似的标号表示相同或相似的功能。
图1示出了混合电源系统的示图。混合电源系统100包括燃料电池110、蓄电池(battery)130、电容器140、电源多路转换器(multiplexcr)120、调节器150以及接口电缆160。系统100被称为“混合”(hybrid)电源系统部分地是因为该系统包括主电源和副电源。图1表示的实施例中，燃料电池110是主电源，蓄电池130和电容器140是副电源。
燃料电池110包括燃料盒/储存室102、燃料电池(FC)堆104、配套设备(balance-of-plant，BOP)106以及FC控制器108。燃料盒/储存室102可以用来储存诸如甲醇这样的燃料，并且储存如水这样的无用产物。燃料电池(FC)堆104用来把化学能转化为电能。例如，在某些实施例中，燃料电池110是一个直接的甲醇燃料电池或者一个重整(reformed)甲醇燃料电池，该电池把来自甲醇的能量转化为电能。配套设备(BOP)106包括燃料电池110中的其余组件，包括空气泵、液体泵、换热器等。燃料电池控制器108用于控制燃料电池110的操作，以及控制混合电源系统100的其他方面。
接口电缆160提供混合电源系统100与负载设备(未示出)之间的互连。在某些实施例中，负载设备就是电脑，但是本发明并不局限于此。例如，接口电缆160可以把混合电源系统100耦合到膝上型电脑或者笔记本电脑。在某些实施例中，混合电源系统100可以在负载设备的外部，而在其他实施例中，混合电源系统100可以在负载设备的内部。
蓄电池130可以是任何类型的蓄电池。例如，在某些实施例中，蓄电池130可以是混合蓄电池，例如锂离子电池或者镍金属氢化物电池。在某些实施例中，混合电源系统100不包括蓄电池130。在这些实施例中，副电源不包括蓄电池。
电容器140可以是任何类型的电容器。在某些实施例中，电容器140可以是“标准”电容器，该电容器包括多个导电片或线圈以及干燥的隔离物或绝缘体。在其他实施例中，电容器140可以是“超级电容器”(supercapacitor)。这儿使用的术语“超级电容器”是指包括电极和电解液的任何高电容设备。例如，在某些实施例中，电容器140包括由例如大表面面积活性炭、金属氧化物或者导电聚合物之类的材料制成的电极。在这些实施例的某些中，大表面面积的电极材料在电极表面附近形成的双层区域中储存电荷。又例如，在某些实施例中，电容器140包括水电解液或者有机电解液。
电容器140可以包括以串联或并联的方式耦合在一起的多个超级电容器。电容器140还可以包括电压平衡电路，用来平衡以串联方式耦合在一起的超级电容器上的电压，来防止在任何一个超级电容器上出现过压状态。
控制器108对混合电源系统100的各种操作提供控制。例如，控制器108可以控制BOP 106中的各种设备，由此控制燃料电池110的发电。控制器108还可以检测副电源上存在的电压，以及控制电源多路转换器120和调节器150。在某些实施例中，控制器108从适当的电源向负载提供电力，并且在适当的时候给副电源充电。
在某些实施例中，控制器108还利用节点162上的信号与负载设备通信。例如，当燃料电池110正在启动时，控制器108可以启动BOP 106中的燃料输送泵，并且命令电源多路转换器120从副电源向负载提供电力。在燃料电池110启动期间，控制器108还可以利用导线162与负载设备通信，并且控制器108可以请求负载设备减少加在节点164上的负载。
控制器108可以使用多种不同机构中的任一种来实现。例如，控制器108可以包括处理器，例如微处理器、数字信号处理器、微控制器等。控制器108还可以使用除处理器以外的设备来实现。例如，控制器108可以通过使用状态机、专用顺序控制器等来实现。在某些实施例中，控制器108可以从负载设备接收信息，也可以向负载设备发送信息。
调节器150在节点164上通过接口电缆160向负载提供电力，控制器108在节点162上通过接口电缆160向负载设备提供握手信息和其他信息。虽然在图1中节点162和节点164每个都被表示为单一线路，但是可以有任意数目的物理线路。例如，节点164可以包括两根导线：一根用来供电，另一根用来接地。又例如，节点164可以包括多根导线，以提供多于一种电压的电力。在某些实施例中，节点162也可以包括许多物理导线，用来形成与控制信号的并行数据接口。在其他实施例中，考虑到控制器108和负载设备之间的串行通信，节点162可以包括串行接口。
在某些实施例中，混合电源系统100被封装为能够给任何类型的负载供电的独立的单元。在这些实施例中，控制器108在不和负载设备通信的情况下可以启动燃料电池110并且对副电源充电。在其他实施例中，多种不同负载设备可以包括与接口电缆160的节点162兼容的接口，并且控制器108可以与该负载设备通信。
图2示出了混合电源系统的示图。混合电源系统200包括燃料电池堆104、燃料电池控制器108、调节150以及接口电缆160。混合电源系统200还包括副电源210和电源多路转换器120。副电源210可以包括例如蓄电池130(图1)的蓄电池、例如电容器140(图1)的电容器或者它们的任何组合。在图2所表示的实施例中，电源多路转换器120包括充电器122以及开关124、126和128。
操作中，控制器108可以控制电源多路转换器120内的充电器122以及开关124、126和128。例如，当燃料电池堆104正在启动并且副电源210被充了电时，控制器108可以断开开关124和126，并合上开关128。在这种状态下，副电源210可以向负载供电。当燃料电池堆104正在运行并且提供足够量的电力时，控制器108可以合上开关124并断开开关128。根据负载状态和燃料电池堆104的电流输出，控制器108可以合上开关126，使充电器122对副电源210充电。
控制器108也可以利用节点162与负载设备通信。例如，当燃料电池堆104正在启动，并且开关128被闭合从而从副电源210向负载供电时，控制器108可以请求负载设备减少在节点164上加在混合电源系统200上的负载。操作中，如果副电源210被充了电并且加在混合电源系统200上的负载是额定的，则控制器108可以不请求减少负载。在决定是否请求减少负载时，控制器108可以考虑很多因素。这些因素包括但不限于：副电源210的充电状态或电容量、燃料电池104的启动速度或对瞬变的反应速度、加在节点164上的负载等。
开关124、126和128可以通过使用任何合适的设备实现。例如，在某些实施例中，开关124、126和128通过使用绝缘栅场效应晶体管(IGFET)或金属氧化物半导体晶体管(MOSFET)实现。
图3示出了一个计算机系统的框图。计算机系统300包括系统电力输送单元310、系统电压调节器330、中央处理单元(CPU)332、芯片组(C/S)334、存储器(MEM)336、风扇338以及其他设备340。如图3所示，系统电力输送单元310从接口电缆160接收电力，并且把电力输送到系统电压调节器330。系统电压调节器330按照需要转换电力，并向该计算机的各种子系统供电。
计算机系统300可以包括任何类型的子系统。例如，在某些实施例中，其他设备340可以包括如无线网络接口这样的网络接口。在这些实施例中，天线342发送并接收无线信号。天线342可以是定向天线或者全向天线。如这里所使用的，术语“全向天线”是指在至少一个平面上有基本上一致的模式的任何天线。例如，在某些实施例中，天线342可以是比如偶极天线或四分之一波天线的全向天线。又例如，在某些实施例中，天线342可以是比如抛物面天线或八木天线的定向天线。
系统电力输送单元310包括蓄电池充电器312、电源选择器314、蓄电池316以及系统电源管理控制器318。操作中，蓄电池充电器312在节点164接收到至少一个直流(DC)电压，并且把该DC电压提供给电源选择器314。蓄电池316也向电源选择器314提供一个DC电压。
在某些实施例中，系统电源管理控制器318使用节点612与混合电源系统通信。例如，当计算机系统300被开启时，系统电源管理控制器318可以通知混合电源系统该计算机正在启动。控制器318还可以控制蓄电池充电器312、电源选择器314和/或系统电压调节器330，来在节点164上对混合电源系统施加负载。在某些实施例中，控制器318还可以控制集成电路、芯片组或者计算机系统300的子系统的功率状态。
操作中，系统电源管理控制器318可以从混合电源系统接收请求，该请求要求减少加在节点164上的负载。响应于这些请求，控制器318可以减少集成电路、芯片组或计算机系统300的子系统的功率消耗；或者可以以其他方式减少由计算机系统300加在节点164上的负载。
系统电源管理控制器318可以以任何合适的方式实现。例如，在某些实施例中，系统电源管理控制器318可以以硬件方式实现，例如状态机或者专用顺序控制器等。又例如，在其他实施例中，系统电源管理控制器318可以以软件方式实现，这些软件作为操作系统或者电源管理软件应用程序的一部分。系统电源管理控制器318也可以以硬件和软件相结合的方式实现。系统电源管理控制器318的实现方式不是对本发明的限制。
在某些实施例中，计算机系统300中不包括蓄电池充电器312、蓄电池316和电源选择器314。例如，在某些实施例中，混合电源系统100(图1)可以在系统电力输送单元310中实现，并且从节点164来的电力可以直接输送到系统电压调节器330。
在框图中用主要组件示出了计算机系统300。计算机系统300可以包括许多其他子系统、组件等，而不脱离本发明的范围。另外，计算机系统300代表包括系统电源管理控制器或可以从被耦合到混合电源系统获益的任何电子系统。
图4示出了根据本发明的各种实施例的流程图。在某些实施例中，方法400可以用来操作混合电源系统。在其他实施例中，方法400可以用于混合电源系统和负载设备之间的通信。在某些实施例中，方法400或它的一部分，由混合电源系统中的燃料电池控制器、诸如计算机之类的负载设备中的电源管理控制器或者它们的任何组合来执行。方法400不受限于特定类型的执行该方法的装置、软件元素或人。方法400中的各种操作可以按示出的顺序执行，或者可以按不同的顺序执行。另外，在某些实施例中，在图4中列出的某些操作可以从方法400中省略。
方法400被示出为从框410开始，其中负载设备被通电。在某些实施例中，这可以对应于控制器接收了例如膝上型电脑或者笔记本电脑这样的计算机正在被开启的指示。在420，检查燃料电池系统来判断它是否已经开启。如果没有开启，则在430启动燃料电池系统。
在某些实施例中，框420和430可以对应于诸如燃料电池控制器108(图1)这样的燃料电池控制器启动燃料输送泵向燃料电池堆输送燃料。这还可以对应于控制器设置诸如电源多路转换器120(图1、图2)这样的电源多路转换器以从副电源向配套设备提供电力。
在440，检查燃料电池堆来判断输出电力是否就绪。在某些实施例中，准备好输出电力可能需要一段时间，这部分地是因为燃料电池堆可能需要时间来启动。如果燃料电池堆的电力尚未就绪，则在450，检查副电源，判断它是否就绪。450的操作可以对应于检查副电源的充电状态。例如，再参考图1，控制器108可以检查蓄电池130和电容器140的电压水平来判断副电源是否就绪。
如果副电源尚未就绪，则作出减少加在混合电源系统上的负载的请求。在某些实施例中，要求减少负载的请求还可以规定负载被减少的量。例如，如果副电源没有被完全充电，但是在燃料电池启动的时候还是可以提供有效数量的电力，则可以作出部分减少负载的请求。如果在450副电源就绪，则在480，通过使用来自副电源的电力对系统加电。
如果在440燃料电池堆电力就绪，则在480，通过使用来自燃料电池的电力对负载加电。如图4所示，方法400不断监视燃料电池堆电力水平和副电源电力水平，并且如果必要的话，将来自燃料电池或副电源的电力多路转换到负载处。另外，如果在任何时刻，无论什么原因负载被认为太大了，则方法400可以请求减少负载。另外，如果负载状况以及电力输出状况允许的话，副电源可以在470被再充电。
方法400代表诸如混合电源系统100(图1)这样的混合电源系统的智能操作。可能的时候，从燃料电池提供稳态的电力，必要的时候，从副电源提供。另外，如果副电源变得耗尽(become depleted)，则方法400可以请求减少负载。副电源可以在燃料电池启动时用来向负载提供电力，并且副电源在条件允许时可以被再充电。
图5示出了一个具有处理器和存储器的电子系统。图5示出了系统500，它包括处理器510和存储器520。处理器510代表任何类型的处理器，包括但不限于微处理器、微控制器、数字信号处理器、个人计算机、工作站等。处理器510可以是实现诸如控制器108(图1)这样的燃料电池控制器的处理器。例如，处理器510可以启动燃料电池，从副电源向负载提供电力，向负载设备发出增加或减少负载的信号，从主电源向副电源充电等等。
处理器510还可以是这样的处理器：该处理器可以运行操作系统，该操作系统实现例如图3所示的系统电源管理控制器。例如，处理器510可以接收关于混合电源系统状态的信息，包括增加或减少对电源系统的负载的请求。又例如，处理器510可以控制蓄电池的充电，或者可以控制向计算机系统中各种组件提供电力的电压调节器或电力转换器。又例如，处理器510可以执行本发明的任何方法实施例。
存储器520代表包含机器可读介质的制品。例如，存储器520代表下列制品中的任何一个或多个：硬盘、软盘、随机访问存储器(RAM)、动态随机访问存储器(DRAM)、静态随机访问存储器(SRAM)、只读存储器(ROM)、闪存、光盘只读存储器(CDROM)或者任何其他类型的包含处理器520可读取的介质的制品。存储器520能够存储用于执行本发明各种方法实施例的指令。
虽然处理器510和存储器520在图5中被分别地表示，但是在某些实施例中它们是结合在一起的。例如，在某些实施例中，处理器510是嵌入了诸如闪存这样的存储器的微控制器。在这些实施例中，处理器510和存储器520的结合可以构成例如燃料电池控制器108(图1)或系统电源管理控制器318(图3)的控制器。
图6～图8示出了根据本发明各种实施例的电子系统。图6～图8中的每一个可以包括诸如混合电源系统100(图1)或计算机系统300(图3)这样的系统。图6示出了具有外部混合电源系统的计算机。外部混合电源系统610可以是诸如混合电源系统100(图1)这样的混合电源系统。在某些实施例中，外部混合电源系统610通过多根导线被耦合到计算机600。例如，导线可以用来从混合电源系统610接收电力，还可以用来提供混合电源系统610和计算机600之间的通信路径。导线也可以被用来允许混合电源系统610和计算机600之间的通信。
图7示出了带有在“可插拔机架(swappable bay)”中的混合电源系统的计算机。如这里所使用的，术语“可插拔机架”是指实质上在计算机700的形状因素内的机架。可插拔机架可以接受或者可以不接受除混合电源系统710以外的设备。例如，可插拔机架可以接受诸如DVD驱动器、蓄电池等的设备。
混合电源系统710可以是诸如混合电源系统100(图1)这样的混合电源系统。在某些实施例中，可插拔机架包括一个或多个带有多根电导线的连接器。例如，导线可以用来从混合电源系统710接收电力，还可以用来提供混合电源系统710和计算机700之间的通信路径。
图8示出了带有半永久固定(semi-permanently affixed)混合电源系统的计算机。如这里所使用的，术语“半永久固定”是指不是被设计为可以被用户容易地拆除的设备。虽然混合电源系统810在计算机800中是半永久固定的，但是在混合电源系统810中的或者被耦合到混合电源系统810的燃料盒可以被用户容易地拆除。例如，在包括由甲醇提供能量的燃料电池的实施例中，一次性或可再填充的甲醇罐可以容易地拆除。混合电源系统810可以是诸如混合电源系统100(图1)这样的混合电源系统。
虽然已经结合某些实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员可以理解，可以对其进行修改和变化，而不脱离本发明的精神和范围。这样的修改和变化被认为是在本发明和所附权利要求的范围之内。

Claims (11)

1.一种混合电源系统，包括：
燃料电池；
蓄电池；
能够耦合到便携式计算机的接口电缆；
电源多路转换器，所述电源多路转换器被耦合到所述燃料电池和所述蓄电池，以通过所述接口电缆从所述燃料电池或所述蓄电池提供电力；和
控制器，所述控制器耦合到所述燃料电池和蓄电池以接收电力就绪指示，耦合到所述电源多路转换器以控制所述电源多路转换器，并且耦合到所述接口电缆以当确定出负载需要被降低时向负载设备发出降低负载的信号；
其中，所述混合电源系统与所述便携式计算机相分离地封装，并且仅与所述便携式计算机利用所述接口电缆相连。
2.如权利要求1所述的混合电源系统，其中所述电源多路转换器包括用所述燃料电池对所述蓄电池充电的电路。
3.如权利要求1所述的混合电源系统，其中所述接口电缆包括：
至少一根电源导线；和
用于所述控制器向负载设备发出降低负载的信号的至少一根信号导线。
4.如权利要求1所述的混合电源系统，其中所述蓄电池包括锂离子电池。
5.如权利要求1所述的混合电源系统，其中所述蓄电池包括镍金属氢化物电池。
6.如权利要求1所述的混合电源系统，还包括与所述蓄电池并联耦合的电容器。
7.一种操作混合电源系统的方法，所述混合电源系统包括燃料电池、蓄电池和接口电缆，其中所述燃料电池和蓄电池被用于通过所述接口电缆向便携式计算机提供电力，并且所述混合电源系统与所述便携式计算机相分离地封装，所述方法包括：
启动燃料电池；
判断所述燃料电池是否准备好提供电力；
判断蓄电池是否准备好提供电力；以及
如果所述燃料电池和所述蓄电池都没有准备好提供电力，则通过所述接口电缆向所述便携式计算机发出减少负载的信号。
8.如权利要求7所述的方法，还包括：
如果所述燃料电池没有准备好提供电力并且所述蓄电池准备好提供电力，则从所述蓄电池提供电力。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述混合电源系统还包括与所述蓄电池并联耦合的电容器，并且从所述蓄电池提供电力包括从蓄电池和电容器的组合提供电力。
10.如权利要求8所述的方法，还包括如果所述燃料电池没有准备好提供电力并且所述蓄电池变得耗尽，则向所述便携式计算机发出减少负载的信号。
11.一种电子系统，包括：
混合电源系统，所述混合电源系统包括燃料电池、蓄电池、被耦合到所述燃料电池和所述蓄电池以从所述燃料电池或所述蓄电池向接口电缆提供电力的电力多路转换器、以及控制器，所述控制器耦合到所述燃料电池和所述蓄电池以从所述燃料电池和蓄电池接收电力就绪指示，所述控制器还耦合到所述接口电缆以当确定负载需要被降低时通过所述接口电缆发出负载降低请求的信号；和
耦合到所述混合电源系统以通过所述接口电缆从所述混合电源系统接收电力的计算机，其中所述混合电源系统与所述计算机相分离地封装。
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