CN1591948A - 电池单元和电力供应控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种电池单元，包括：能够通过化学反应产生电力的燃料电池(225)，能够反复地充电和放电的二次电池(23)，DC/DC转换器(50)，该转换器能够对来自燃料电池的电力输出进行DC/DC转换，并输出电力，DC/DC转换器监视燃料电池(225)中的电池的输出电压，当燃料电池的被监视的输出电压到达不超过预先确定的值时，降低DC/DC转换器(50)的输出电压；以及二极管“或”电路(52，52)，该电路根据被供应电力的负载从来自DC/DC转换器(50)的电力输出和来自二次电池(23)的电力输出有选择地获得电力，并输出所获得的电力。

Description

电池单元和电力供应控制方法
技术领域
本发明涉及具有例如直接甲醇类型的燃料电池的电池单元，以及电力供应控制方法。
背景技术
近年来，诸如便携式信息终端(例如，叫做PDA：个人数字助理)和数码相机之类的各种电池驱动的便携式电子设备已经开发出来并广泛地使用。
最近，环境问题得到了广泛的注意，还积极开发了对环境无害的电池。一种已知的这种类型的电池是直接甲醇燃料电池(下文称为DMFC)。
DMFC使作为燃料供应的甲醇和氧气彼此起化学反应，并从它们的化学反应中获得电能。DMFC具有这样的结构：其中两个多孔金属或碳电极夹着电解质。为了不产生任何有害废物，强烈需要DMFC的实际应用。
DMFC配备有诸如液体/空气泵之类的辅助设备。在激活DMFC时，必须驱动这些辅助设备。为此，DMFC还包括诸如锂电池之类的二次电池。
DMFC的额定输出不一定总是与向其供应电力的电子设备的功耗一致。例如，电子设备可能会消耗高于DMFC的额定输出的功率。有一种可以处理这种情况的技术，例如，日本专利No.2,717,215(图1等等)。此对比文献公开了“一种燃料电池馈送系统，包括燃料电池、DC/DC转换器，该转换器具有在预先确定的值内抑制燃料电池的输出的下降功能，以及向超过燃料电池的额定值的负载设备输送电力的另一个系统的DC电源，其中，在DC/DC转换器和另一个系统的DC电源中提供了二极管用于执行并行操作”。
根据此对比文献中的技术，DC/DC转换器中的下降起始点S被设置为对应于燃料电池的额定输出的最大值的位置。在某些情况下，最大额定输出状态几乎会持续很长时间，从而在系统中会产生问题。为防止此问题，需要一种有效地供应电源而同时又能确保安全性的技术。
发明内容
本发明的各实施例可以提供一种能够有效地供应电力而同时又能确保安全性的电池单元和电力供应控制方法。根据本发明的一个方面，提供了一种电池单元，包括：能够通过化学反应产生电力的燃料电池；能够充电和放电的二次电池；DC/DC转换器，该转换器能够对来自燃料电池的电力输出进行DC/DC转换，并输出电力，该DC/DC转换器监视燃料电池的输出电压，并且当燃料电池的被监视的输出电压达到不超过预先确定的值时降低DC/DC转换器的输出电压；以及二极管“或”电路，该电路根据被供应电力的负载从来自DC/DC转换器的电力输出和来自二次电池的电力输出有选择地获得电力，并输出所获得的电力。
根据本发明的另一个方面，提供了一种应用于电池单元的电力供应控制方法，该电池单元包括：能够通过化学反应产生电力的燃料电池；能够充电和放电的二次电池；DC/DC转换器，该转换器能够对来自燃料电池的电力输出进行DC/DC转换，并输出电力；以及二极管“或”电路，该电路根据被供应电力的负载从来自DC/DC转换器的电力输出和来自二次电池的电力输出有选择地获得电力，并输出所获得的电力，该方法包括：监视燃料电池的输出电压；当燃料电池的被监视的输出电压达到不超过预先确定的值时，降低DC/DC转换器的输出电压。
附图说明
本说明书收入的并构成本说明书的一部分的附图说明了本发明的实施例，与上文给出的一般说明以及下面给出的实施例的详细说明一起用于说明本发明的原理。
图1是显示根据本发明的一个实施例的电子设备系统的外观的透视图；
图2是显示燃料电池单元的示意布局的方框图；
图3是显示燃料电池单元的另一种示意布局的方框图；
图4是显示一种电子设备的示意布局的方框图；
图5是显示图2和3中的供电控制电路25的布局的电路图；
图6是用于说明DC/DC转换器的特征的图形；
图7是用于说明DC/DC转换器的特征的图形；
图8是显示DC/DC转换器的输出电压的斜率的图形；
图9是显示当使用二极管“或”电路时DC/DC转换器的输出功率的图形；
图10是显示当使用二极管“或”电路时DC/DC转换器的输出功率变化的图形；
图11是用于说明DC/DC转换器的另一个特征的图形；
图12是显示二次电池的电压变化的图形；
图13是显示当二次电池通过DC/DC转换器充电时的布局的方框图；以及
图14是用于说明当在图13的布局中系统电力供应处于“打开”状态时在进行充电的单个电池和DC/DC转换器的特征的图形。
具体实施方式
下面将参考附图描述本发明的实施例。
图1是显示根据本发明的实施例的电子设备系统的外观的透视图。
如图1所示，根据该实施例的电子设备系统包括电子设备1、以及可自由地与电子设备1分开的燃料电池单元2。电子设备1例如可以是笔记本个人电脑，在这种电脑中，其内表面上具有LCD(液晶显示器)的盖子通过铰链机构连接到主体，以便可以自由地打开/关闭。电子设备1可以由从燃料电池单元2提供的电力操作。燃料电池单元2包括能够通过化学反应产生电力的燃料电池，以及能够反复地充电和放电的二次电池。
图2是显示燃料电池单元2的示意布局的方框图。
如图2所示，燃料电池单元2包括微计算机21、DMFC 22、二次电池23、充电电路24、供电控制电路25，以及操作按钮26。
微计算机21控制整个燃料电池单元2的操作，并具有在燃料电池单元2和电子设备1之间交换信号的通信功能。微计算机21根据来自电子设备1的指令信号控制DMFC 22和二次电池23的操作，并执行对应于操作按钮26的操作的处理。
DMFC 22允许与盒式燃料箱221连接/分离。DMFC 22输出在燃料箱221中包含的甲醇和空气(氧气)之间起化学反应时所产生的电力。此化学反应在叫做“电池组”等等的反应部分发生。为了有效地向电池组馈送甲醇和空气，DMFC 22包括诸如泵之类的辅助机构。DMFC 22具有一种机制，该机制可以通知微计算机21燃料箱221的安装/未安装、燃料箱221中留下的甲醇量、辅助机构的操作状态、以及当前输出电力的量。
二次电池23通过充电电路24蓄积来自DMFC 22的电力输出，并根据来自微计算机21的指令输出蓄积的电力。二次电池23包括EEPROM 231，其用于保存代表放电特征等等的基本信息。可以从微计算机21访问EEPROM 231，二次电池23具有将当前输出电压值和输出电流值通知给微计算机21的机制。微计算机21根据从EEPROM 231读出的基本信息和从二次电池发送的输出电压值和输出电流值来计算二次电池23的剩余的电池量。微计算机21将计算的值通知给电子设备1。在此情况下，假设二次电池23是锂电池(LIB)。
充电电路24通过使用来自DMFC 22的电力输出给二次电池23充电。是否对二次电池23进行充电是由微计算机21进行控制的。
供电控制电路25根据情况从DMFC 22和二次电池23向外输出电力。关于这一点，稍后将进行描述。
操作按钮26是专用按钮，用于指定DMFC 22或整个燃料电池单元2的操作停止。与操作按钮相同的功能可以由电子设备1的LCD屏幕上的应用程序提供的按钮来实现，或者，也可以通过按下电子设备1的电源按钮一段时间(预先确定的时间或更多)来实施。
图3是显示燃料电池单元2的另一个示意布局的方框图。与图2中的相同的参考编号表示相同的部件。
如图3所示，DMFC 22包括燃料箱221、燃料泵222、混合罐223、液泵224、DMFC电池组225，以及空气泵226。
燃料箱221中的甲醇被燃料泵222馈入混合罐223。甲醇还被液泵224馈入DMFC电池组225。空气被空气泵226馈入DMFC电池组225，空气中的氧气和甲醇彼此起化学反应以产生电力。
微计算机21根据从电子设备1传输的激活指令信号进行控制，以便利用二次电池23的电力驱动诸如燃料泵222、液泵224、空气泵226和风扇之类的辅助设备。此外，微计算机21还对供电控制电路25进行控制，以便将来自DMFC电池组225或二次电池23的电力输出供应到电子设备1。微计算机21根据从电子设备1传输的停止指令信号在DMFC 22的操作停止之前给二次电池23进行充电。
图4是显示电子设备1的示意布局的方框图。
如图4所示，在电子设备1中，CPU11、RAM(主存储器)12、HDD13、显示控制器14、键盘控制器15，以及电力控制器16都连接到系统总线。
CPU11控制整个电子设备1的操作，并执行RAM12中存储的各种程序。RAM12是充当电子设备1的主存储器的存储设备。RAM12存储了要被CPU11执行的各种程序和这些程序所使用的各种数据。HDD13是充当电子设备1的外部存储器的存储设备。作为RAM12的辅助设备，HDD13存储了各种程序和各种数据。
显示控制器14控制电子设备1中的用户界面的输出端。显示控制器14进行控制，以便将CPU11创建的图像数据显示在LCD141上。键盘控制器15控制电子设备1中的用户界面的输入端。键盘控制器15将对键盘151或指示设备152的操作转换为数字值，并通过内部寄存器将数字值传输到CPU11。
电力控制器16控制到电子设备1内的每一部分的电力供应。电力控制器16具有接收来自燃料电池单元2的电力的电力接收功能，以及在电子设备1和燃料电池单元2之间交换信号的通信功能。燃料电池单元2中的与电力控制器16交换信号的合作伙伴是图2和3所示的微计算机21。
图5是显示图2和3中的供电控制电路25的布局的电路图。
供电控制电路25包括DC/DC转换器(例如，升压型DC/DC转换器)50、两个二极管(整流器)51和52，以及开关53。
DC/DC转换器50包括升压电路等等。DC/DC转换器50对来自DMFC电池组225的电力输出进行DC/DC转换，并输出电力。具体来说，DC/DC转换器50监视DMFC电池组225中的单个电池(或电池组)的输出电压，当电池的被监视的输出电压到达预先确定的值(阈值)或更小时，降低DC/DC转换器的输出电压。预先确定的值稍微高于单个电池的输出电力的峰值时的电压值。在单个电池的输出电压到达预先确定的值或更小之后，DC/DC转换器50形成随着输出电流的增大而降低的输出电压，并形成预先确定的输出电力，不管输出电流值如何。
二极管51和52的组合形成了二极管“或”电路。此电路根据被供应电力的负载，从来自DC/DC转换器50的电力输出和来自二次电池(LIB)23的电力输出有选择地获得电力，并输出所获得的电力。
开关53例如由微计算机21(图2和3)进行控制，并在向负载设备(在此情况下为电子设备1)提供/停止提供电力之间进行切换。
下面将参考图6说明DC/DC转换器50的特征。
DMFC电池组225中使用的单个电池具有下列规格：
在没有任何负载的情况下电压＝V1
根据0.2A到1.0A的负载，电压降到V2或V3。
电力峰值是1.0A。
图6的图形6A中显示了具有这些规格的单个电池的输出电压-输出电流特征。此特征随着电池温度或燃料浓度的变化而变化。
如图6的图形6B所示，DC/DC转换器50的输出电压保持恒定，直到输出电流到达0.9A(电池端电压处的输出电流为0.9A)(请注意，输出电压高于二次电池23的电压范围)。如图6中的图形6C和6D所示，DC/DC转换器50的输出电流和输出电力趋于增大。当输出电流到达0.9A(即，单个电池的输出电压降低到V3+α(α：耗散))时，DC/DC转换器50降低其输出电压，如图6中的图形6B所表示的。
如果电池输出电压到达预先确定的值或更小(图6中的V3或更小)，则设备就会变得异常。如此，当被监视的单个电池的输出电压到达单个电池的输出电力的峰值时的电压值时，DC/DC转换器50就会自己关闭。如果在关闭之后单个电池的输出电压返回到预先确定的值或更高，则DC/DC转换器50就会在微计算机的控制下复位(图2和3)。DC/DC转换器被重新激活以重新开始输出电力。
在DC/DC转换器50降低输出电压之后，输出电压随着输出电流的增大而下降，如图7的图形7A所示。输出电力保持恒定，如图7的图形7B所表示的。
如图8所示，DC/DC转换器50随着负载功率的增大而降低输出电压。如果DMFC电池组225中的额定输出的输出电压与二次电池23的输出电压结合，则两种电力都可以通过二极管“或”电路来提供。在此情况下，如图9所示，DMFC电池组225的输出电压保持恒定，DMFC电池组225的电力可以有效地得到使用，从而可以提高效率。当需要大于DC/DC转换器50的额定输出的电力时，不仅二次电池23的输出电力，而且DMFC电池组225的输出电力都可以得到有效的利用。这就会使二次电池23的剩余量的减少速度变慢。
下面将参考图11说明DC/DC转换器50的特征的另一个设置示例。
假设DMFC电池组225中的单个电池具有如图11的图形11A所示的输出电压-输出电流特征(类似于图6中的图形6A)。
当被监视的单个电池的输出电压到达V4或更小时，将输出电压乘以差值的预先确定的倍数(乘以一个补偿电压)以构成如图11的图形11B所示的电压斜率。
DC/DC转换器50的输出电压被设置为等于单电池输出电流为0.9A时的二次电池23的输出电压。在此示例中，单个电池的输出电力的峰值为1.0A，且可以确保0.1A的余量。如果单个电池的输出电流超过0.9A，则DC/DC转换器50关闭。
如图11的图形11C所表示的，DC/DC转换器50的输出电压在微计算机21的控制下得到正确的校正(图2和3)。校正是必需的，因为二次电池的输出电压根据其剩余量的变化而变化，如图12所示。
图13是显示当二次电池23通过DC/DC转换器50充电时的布局示例的方框图。与图5中的相同的参考编号表示相同的部件。如图13所示，二极管54、充电IC 55，以及开关56串联连接在DC/DC转换器50和二次电池23之间。此时，系统电力供应被关闭，并且输出电压被固定到例如V11上。在DC/DC转换器50中，电压斜率和补偿电压在关闭系统电力供应时失效。
图14是显示当在图13的布局中系统电力供应处于“打开”状态时在进行充电时单个电池和DC/DC转换器50的特征的图形。
图14的图形14A中显示了单个电池的特征。图14的图形14B中显示了DC/DC转换器50的特征。在此示例中，DC/DC转换器50在电力为W11或更大以及电池电压为V4或更小处构成了电压斜率。DC/DC转换器50将电力限制在W12和电池电压V3。充电电流的最小值是0.4A。利用这些设置，当DC/DC转换器50的输出电力为预置值或更小时，充电开始。当在充电过程中DC/DC转换器50的输出电力到达W11或更小时，充电停止。
如此，根据本实施例，供电控制电路采用了二极管“或”电路和DC/DC转换器，该DC/DC转换器监视DMFC电池组中的单个电池的输出电压，并且当电池的输出电压到达预先确定的值或更小时，降低DC/DC转换器的输出电压。这样，可以有效地提供电力，同时又能确保安全性。
如上文所描述的，本发明可以有效地提供电力，而同时又能确保安全性。
那些精通本技术的人可以轻松地实现其他优点，并进行各种修改。因此，本发明的更广的方面不仅局限于这里显示和描述的具体细节和代表性的实施例。相应地，在不偏离所附权利要求和它们的等同内容所定义的一般发明概念的精神或范围的情况下，可以进行各种修改。

Claims (21)

1.一种电池单元，其特征在于包括：
能够通过化学反应产生电力的燃料电池；
能够充电和放电的二次电池；
DC/DC转换器，该转换器能够对来自燃料电池的电力输出进行DC/DC转换，并输出电力，该DC/DC转换器监视燃料电池的输出电压，并且当燃料电池的被监视的输出电压到达不超过预先确定的值时，降低DC/DC转换器的输出电压；以及
二极管“或”电路，该电路根据被供应电力的负载从来自DC/DC转换器的电力输出和来自二次电池的电力输出有选择地获得电力，并输出所获得的电力。
2.根据权利要求1所述的电池单元，其特征在于，预先确定的值高于燃料电池的输出电力的峰值时的电压值。
3.根据权利要求1所述的电池单元，其特征在于，在燃料电池的被监视的输出电压到达不超过预先确定的值之后，DC/DC转换器形成随着输出电流的增大而降低的输出电压。
4.根据权利要求1所述的电池单元，其特征在于，在燃料电池的被监视的输出电压到达不超过预先确定的值之后，DC/DC转换器形成预先确定的输出电力，而不管输出电流值如何。
5.根据权利要求1所述的电池单元，其特征在于，进一步包括至少根据二次电池的剩余量校正DC/DC转换器的输出电压的电路。
6.根据权利要求1所述的电池单元，其特征在于，进一步包括控制器，当燃料电池的被监视的输出电压到达燃料电池的输出电力的峰值时的电压值时，该控制器关闭DC/DC转换器。
7.根据权利要求6所述的电池单元，其特征在于，当在关闭之后燃料电池的输出电压返回到不小于预先确定的值时，控制器重新激活DC/DC转换器并重新开始输出电力。
8.一种应用于电池单元的电力供应控制方法，该电池单元包括能够通过化学反应产生电力的燃料电池；能够充电和放电的二次电池；DC/DC转换器，该转换器能够对来自燃料电池的电力输出进行DC/DC转换，并输出电力；以及二极管“或”电路，该电路根据被供应电力的负载从来自DC/DC转换器的电力输出和来自二次电池的电力输出有选择地获得电力，并输出所获得的电力，该方法的特征在于包括：
监视燃料电池的输出电压；以及
当燃料电池的被监视的输出电压到达不超过预先确定的值时，降低DC/DC转换器的输出电压。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，预先确定的值高于燃料电池的输出电力的峰值时的电压值。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在燃料电池的被监视的输出电压到达不超过预先确定的值之后，DC/DC转换器形成随着输出电流的增大而降低的输出电压。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在燃料电池的被监视的输出电压到达不超过预先确定的值之后，DC/DC转换器形成预先确定的输出电力，不管输出电流值如何。
12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，至少根据二次电池的剩余量校正DC/DC转换器的输出电压。
13.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，当燃料电池的被监视的输出电压到达燃料电池的输出电力的峰值时的电压值时，关闭DC/DC转换器。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，当在关闭之后燃料电池的输出电压返回到不小于预先确定的值时，重新激活DC/DC转换器以重新开始输出电力。
15.一种包括电子设备和电池单元的电子系统，其特征在于该系统包括：
能够通过化学反应产生电力的燃料电池；
能够充电和放电的二次电池；
DC/DC转换器，该转换器能够对来自燃料电池的电力输出进行DC/DC转换，并输出电力，该DC/DC转换器监视燃料电池的输出电压，并且当燃料电池的被监视的输出电压到达不超过预先确定的值时，降低DC/DC转换器的输出电压；以及
二极管“或”电路，该电路根据被供应电力的负载从来自DC/DC转换器的电力输出和来自二次电池的电力输出有选择地获得电力，并输出所获得的电力。
16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，预先确定的值高于燃料电池的输出电力的峰值时的电压值。
17.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，在燃料电池的被监视的输出电压到达不超过预先确定的值之后，DC/DC转换器形成随着输出电流的增大而降低的输出电压。
18.根据权利要求17所述的系统，其特征在于，在燃料电池的被监视的输出电压到达不超过预先确定的值之后，DC/DC转换器形成预先确定的输出电力，而不管输出电流值如何。
19.根据权利要求17所述的系统，其特征在于，进一步包括至少根据二次电池的剩余量校DC/DC转换器的输出电压的电路。
20.根据权利要求17所述的系统，其特征在于，进一步包括控制器，当燃料电池的被监视的输出电压到达燃料电池的输出电力的峰值时的电压值时，该控制器关闭DC/DC转换器。
21.根据权利要求17所述的系统，其特征在于，当在关闭之后燃料电池的输出电压返回到不小于预先确定的值时，控制器重新激活DC/DC转换器并重新开始输出电力。
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