CN1610871A - 具有燃料电池及二次电池的电子设备、包含所述电子设备的便携式计算机及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
一种电子设备(2)，具有燃料电池(22)、二次电池(23)、被耦合至燃料电池(22)和二次电池(23)的电路(25)和被耦合至该电路的如个人电脑之类的电子装置，该电路用于从燃料电池(22)和二次电池(23)中的至少一个输出电功率。该电子装置可以使用该电路的电功率输出而工作。
Description
相关申请书的交叉引用
本申请基于2002年9月30日提交的第2002-287892号日本专利申请并要求其优先权，其全部内容通过引用结合在本文中。
技术领域
本发明涉及一种产生电功率的燃料电池，以及一种电子设备，例如包含该燃料电池的便携式计算机。
背景技术
近年来，多种可被电池驱动的便携式电子设备，例如被称为PDA(个人数字助理)的移动信息终端、个人(移动)电脑、数码相机等，已经被开发和广泛应用。
此外，近年来，环境问题已经被给予特别关注，并且不妨害生态环境的电池已经被积极开发。作为这种电池，直接甲醇型燃料电池(下文称为DMFC：直接甲醇燃料电池)为大家所熟知。
在DMFC中，作为燃料提供的甲醇和氧经历化学反应，并通过化学反应获得电能。DMFC具有一种结构，其中一种电解液被插入由多孔金属或碳形成的两电极之间。参见通过引用被结合入本文中的Hironosuke IKEDA于2001年8月20发表在Kabushiki-Kaisha NihonJitsugyo Shuppansha第216-217页的“NENRYO DENCHI NOSUBETE”(“ALL ABOUT FUEL CELLS”)。因为DMFC不产生有害废物，它的实际应用有着强烈需求。
现在，在DMFC中，当输出功率的量将增加时，必须增加DMFC组部分的体积，导致与输出功率增加量成比例的化学反应。为此，在DMFC应该被应用于电子装置的情况下，当它的额定功率被设定为满足电子设备的最大功率的值时，DMFC的尺寸变得相当大。特别地，对于移动信息终端而言，产品的尺寸是重要因素，因为终端的市场价值受它的轻便性影响。
此外，在电子设备的日常使用过程中很少需要电子设备的最大功率。
发明内容
本发明的实施方式提供一种包括供应电功率的燃料电池单元和二次电池的电子设备。
根据本发明的实施方式，电子设备包括燃料电池、二次电池、被耦合至燃料电池和二次电池的电路和被耦合至该电路的电子装置，所述电路用于从燃料电池和二次电池中的至少一个输出电功率。电子装置可以使用电路的电功率输出工作。
本发明实施方式的其它特征和优点将在随后的说明中提出，并且部分将从说明中明显可见，或者可以通过本发明的实践理解。通过下文特别指出的手段和组合可以实现和获得本发明实施方式的特征和优点。
附图说明
结合并构成说明书一部分的附图表示本发明的实施方式，并且与以上给出的概述和下文给出的实施方式的详述一起，起到解释本发明原理的作用。
图1的透视图表示根据本发明的一种实施方式的便携式个人电脑；
图2的框图表示根据该实施方式的便携式个人电脑中的燃料电池单元的硬件配置；
图3表示根据该实施方式的燃料电池单元的额定功率与便携式个人电脑的最大需用功率之间的关系；
图4的表格表示根据该实施方式在需用功率为DMFC电池组的额定功率保留额外功率的情况下DMFC电池组和二次电池的操作；
图5的表格表示根据该实施方式在需用功率在DMFC电池组的额定功率内但无额外功率的情况下DMFC电池组和二次电池的操作；
图6的表格表示根据该实施方式在需用功率等于或大于DMFC电池组的额定功率的情况下DMFC电池组和二次电池的操作；
图7的表格表示根据该实施方式在燃料用完(run out)且需用功率小于二次电池的额定功率的情况下DMFC电池组和二次电池的操作；
图8的表格表示根据该实施方式在燃料用完且需用功率大于二次电池的额定功率的情况下DMFC电池组和二次电池的操作；
图9表示根据该实施方式的DMFC电池组的特征；和
图10表示在根据该实施方式的燃料电池单元上提供的指示器和操作钮。
具体实施方式
下文将参照附图说明如本发明的优选实施方式。
如图1所示，作为电子设备的便携式个人电脑1具有被容纳入它的主体内的燃料电池单元2。个人电脑1中的电子装置接收由燃料电池单元2供应的功率以运转，并且燃料电池单元2的固定/分离可以通过被提供在个人电脑1的侧面提供的装配口以滑动方式被简单执行。此外，在个人电脑1中单元的装配过程中燃料电池单元2的一侧面从个人电脑1的装配口露出，并且下面所述的指示器和操作钮被提供在侧面上。个人电脑1也包括外围装置(未显示)，例如用于扩展自身功能的DVD-ROM驱动器、PC卡连接器和USB连接器。
如图2所示，燃料电池单元2具有微计算机21、DMFC电池组22、EEPROM22a、二次电池23、EEPROM23a、充电电路24、供应控制电路25、开关电路26、指示器27和操作钮28。
微计算机21控制整个燃料电池单元2的操作，并利用DMFC电池组22和二次电池23中的至少一个，基于来自个人电脑1的CPU(未显示)的接收信号和DMFC电池组与二次电池各自的输出电压执行功率供应。为此，微计算机21监测DMFC电池组与二次电池的输出电压。
DMFC电池组22使由燃料罐(未显示)供应的甲醇与空气(氧)互相反应以输出按照化学反应产生的电功率。检测器(未显示)被放置在燃料罐附近，并且当燃料用完时输出空信号至微计算机21。另一方面，二次电池23由从DMFC电池组22和从外部供应的电功率充电，并输出电功率。按照微计算机21的命令，充电电路24执行二次电池23的充电。
二次电池可采取电容器和常规可充电电池(例如镉镍、或金属卤化物)的形式。
EEPROM22a存储指示DMFC电池组22的额定功率的数据，而EEPROM23a存储二次电池23的额定功率指示。
供应控制电路25根据情况向外输出DMFC电池组22和二次电池23中的至少一个的电功率。切换电路26用于按照微计算机21的指令切断DMFC电池组22的输出功率。指示器27显示燃料电池单元2的状态，而操作钮28用于指定该指示器27的显示内容。
燃料电池单元2中所限定的额定功率将如图3说明。
燃料电池单元2的功率供应量可以符合个人电脑1的需用功率。但是，由于DMFC电池组22中所产生的电功率的数量与DMFC电池组22的体积成比例，如果DMFC电池组22被设计以符合个人电脑1的最大功率，它的尺寸变大。此外，在正常操作条件下很少以最大功率操作个人电脑1。在许多情况下最大功率被要求作为瞬时峰值功率。也就是说，当个人电脑1的最大功率被设定为额定功率，DMFC电池组22很少达到它的常规使用的可用性能，这可能导致无用的体积和重量。
鉴于上述情况，在燃料电池单元2中，在外围设备或扩展设备被用于个人电脑1的情况下，在个人电脑1的常规使用过程中DMFC电池组22的额定功率未被设定为最大需用功率而设定为所需功率，因此DMFC电池组22不需要较大。那么，超出DMFC电池组22的额定功率的功率被从与DMFC电池组22一起使用的二次电池23供应。此外，二次电池23可以较小以便它的容量仅补充DMFC的缺少量，因此结果导致减少燃料电池单元2的总尺寸。
也就是说，在燃料电池单元2中，DMFC电池组22和二次电池23被配置为符合以下关系。
燃料电池单元2的额定功率---(X(W))
＝DMFC电池组22的额定功率+二次电池23的额定功率
X(W)＞DMFC电池组22的额定功率---(Y(W))
＝个人电脑1在常规条件下所用功率(除扩展设备(如CD或DVD播放器、外部监视器等)中所用功率之外的功率)
(Y(W))＞二次电池23的额定功率---(Z(W))
＞＝个人电脑1的额定功率(即最大功率)-DMFC电池组22的额定功率
在这种实施方式中，X(W)、Y(W)、和Z(W)分别为60W、35W和25W。
接下来，将参照图4至8解释在各状态下DMFC电池组22和二次电池23的操作。
顺便提及，二次电池23的电池功率将以下面的方式分类。
(1)完全充电状态(90-100％)：当需用功率大于DMFC电池组22所产生电功率时二次电池23补充功率。
(2)充分剩余容量状态(30-90％)：当需用功率大于DMFC电池组22所产生电功率时二次电池23供应功率。当需用功率小于DMFC电池组22所产生电功率时，相反地，二次电池23由充电电路24充电。
(3)警告状态(20-30％)：当需用功率大于DMFC电池组22所产生电功率时二次电池23供应功率。同时，微计算机21传送警告信号至个人电脑1，并且个人电脑1显示通知用户二次电池的电池功率低的信息。然后用户被警告如果需用功率大于DMFC电池组22的额定功率二次电池23仅能操作较短时间。相反地，当需用功率小于DMFC电池组22所产生电功率时，二次电池23由充电电路24充电，与状态(2)一样。
(4)自动关闭处理状态(10-20％)：微计算机21为个人电脑1提供命令个人电脑1关闭的信号，以不损失数据。该信号有用，因为在个人电脑功率操作需要等于或大于DMFC电池组22的额定功率的情况下，很快燃料电池单元2可能难以和不可能供应电功率。
(5)激活功率保持状态(2-10％)：二次电池23不供应功率至外部连接至个人电脑1的任何设备，但是它存储DMFC电池组22的下一激活所需的功率并保持至个人电脑1内的内部电路的功率。
(6)空(0-2％)：它为完全放电状态。当二次电池22处于此状态时，二次电池23不能再供应电功率，并且需要通过外部设备充电。
根据二次电池23的各状态，微计算机21控制DMFC电池组22和二次电池23的操作，如图4至8所示。
如图4所示，当个人电脑1的稳态需用功率小于DMFC电池组22的额定功率时，二次电池23不供应电功率。因此，在个人电脑1的操作过程中二次电池23的状态从不被改变为自动关闭状态。在个人电脑1的激活(加电)过程中(未反映在图4中)，使用二次电池23。在激活时当二次电池23处于警告状态(3)时，那么在激活后，二次电池23被充电电路24充电。同时，向用户发警告直至电池功率达到足够的剩余容量(2)。该警告可根据燃料电池单元2(二次电池23a和微计算机21)的通知从个人电脑1提供至用户。该警告可通过在提供在个人电脑1上的LCD上显示警告指示器可视地提供，或者它可以通过提供在个人电脑1中的扬声器等以语音信息提供。
图5表示在需用功率在DFMC电池组的额定功率内但没有额外功率，即需用功率与DMFC电池组22所产生的功率的差不足以对二次电池充电的情况下DMFC电池组22和二次电池23的操作。
在这种情况下，因为二次电池23不提供电功率，在个人电脑1的操作过程中二次电池23的状态未被改变至自动关闭状态，与图4所示的情况一样。在这种情况下，不执行通过DMFC电池组22对二次电池23的充电。
图6表示在个人电脑1的需用功率等于或大于DMFC电池组22的额定功率的情况下DMFC电池组22和二次电池23的操作。
在这种情况下二次电池23的状态在完全充电状态(1)至自动关闭状态(4)之间的范围改变。当个人电脑1上的功率关闭处理已经在自动关闭状态(4)中完成时，开始对二次电池的充电。那么，二次电池23在个人电脑1的操作过程中未被放电至空状态。
此外，图7和图8表示在燃料用完的情况下DMFC电池组22和二次电池23的操作，然后DMFC电池组22停止产生电功率。
在二次电池23具有足够额定功率的情况下，有可能仅使用二次电池23操作个人电脑1。
图7表示当需用功率小于二次电池23的额定功率时，个人电脑1仅通过二次电池23操作的情况。
另一方面，图8表示即使二次电池23中有功率时个人电脑1也不操作的情况，因为需用功率大于二次电池23的额定功率。
在个人电脑1仅使用二次电池23操作的情况下，当二次电池23处于状态(1)、(2)或(3)任一时个人电脑1可被激活。另一方面，在个人电脑1仅使用二次电池23不能操作(即也需要DMFC电池组22)的情况下，只要DMFC电池组22不可使用，无条件执行功率关闭处理。
顺便提及，DMFC电池组22中的组数被设计以使电池组的最小电压等于二次电池23的电压。供应控制电路25通过二极管或(OR)电路控制DMFC电池组22和二次电池23的功率供应。
如图9所示，DMFC电池组22具有输出电压随输出功率的增加而降低的特征。当DMFC电池组22的输出功率超过图线上的点B时，DMFC电池组22不能返回它的正常操作状态。因此，微计算机21控制DMFC电池组22以使DMFC电池组22在点B的左侧区域操作。顺便提及，鉴于燃料电池之间的个体差别，图线上的点A通常被设定为最大功率/最大电压。相对于点A和点B的电压数据指示被存储在EEPROM22a中。
通过串联多个电池构成DMFC电池组22，并且DMFC电池组22通过被用作高压源。因此，组的数目被设定以使DMFC电池组22在点A的电压等于二次电池23的电压。在这种情况下，当DMFC电池组22的电压降至点A时，供应控制电路25开始从具有与DMFC电池组22相同电势的二次电池23的功率供应。因此，DMFC电池组22使输出电压保持不变，并且从二次电池23补充电功率的缺少量。
尽管依电池功率的电压变化发生在二次电池23，它的电压变化宽度小于DMFC电池组22的电压变化宽度。这就是点A的附近中的虚线区域成为DMFC电池组22的最大功率/最大电压的区域的原因。
如上所述，当DMFC电池组22的输出功率随电压增加超过点B时，它不能返回它的常规状态。为此，微计算机21监测DMFC电池组22的电压，并且当该电压达到点B时，微计算机21导致开关电路26执行功率供应线从DMFC电池组22的暂时断开。个人电脑1被微计算机21通知功率供应的暂时断开。与之响应，个人电脑1采用低功耗模式。
微计算机21使DMFC电池组22当DMFC电池组22的操作返回至正常区域时重新开始供应功率，并传送通知个人电脑1的CPU重启的信号。个人电脑1然后从低功耗模式变为正常模式。
接下来，当DMFC电池组22由于任何原因已经处于异常状态时，微计算机21导致开关电路26断开供应线。在这种条件下，微计算机21通知个人电脑1的CPU断开供应线，而二次电池23供应足以允许个人电脑1的安全关闭的功率。此外，关闭DMFC电池组22所需的功率被供应至燃料电池单元2内。顺便提及，有关点B的信息被存储在位于DMFC电池组22中的EEPROM22a中。
现在，作为在个人电脑1的关机过程中通知用户DMFC电池组22的状态的装置，燃料电池单元2具有上述指示器27和操作钮27。微计算机21通过指示器27显示以下项目。
(1)目前操作状态：关闭、仅DMFC电池组22的输出、仅二次电池23的输出、DMFC电池组22和二次电池23的联合使用、和二次电池23的充电的开/关状态。
(2)燃料的剩余量。
(3)二次电池的电池功率。
此外，微计算机21根据操作钮28的操作转换指示器27上的显示内容。
因此，根据燃料电池单元2，可以执行DMFC电池组22和二次电池23的正确联合使用。
本发明并不限于上述实施方式。
各DMFC电池组和二次电池的额定功率可被分别改变以适当组合，例如40W和20W，或45W和15W。
此外，根据二次电池23的状态，在自动关闭处理状态(4)、激活功率保持状态(5)、或空状态(6)下，只要需用功率小于DMFC电池组22所产生的电功率，DMFC电池组可以供应电功率至个人电脑1。
本领域的技术人员将容易地想到其它优点和修改。因此，本发明在其更广泛的方面并不限于本文所述的具体细节和实施例。因此，在不偏离由权利要求书及其等价物限定的通常发明概念的精神或领域的前提下，可以做出多种修改。
Claims (27)
1.一种电子设备，该设备包括：
燃料电池；
二次电池；
被耦合至所述燃料电池和所述二次电池的电路，用于从所述燃料电池和所述二次电池中的至少一个输出电功率；和
被耦合至所述电路的电子装置，该电子装置使用电路的电功率输出而工作。
2.如权利要求1的电子设备，其中所述电路的工作用于输出电功率以使所述二次电池的电功率补充所述燃料电池的电功率缺少量。
3.如权利要求1的电子设备，还包括被耦合在所述燃料电池和所述电路之间的开关，用于断开所述燃料电池的功率供应。
4.如权利要求3的电子设备，还包括被耦合至开关和电子装置的微计算机，
其中所述微计算机控制所述开关以断开功率供应，并为所述电子装置提供通知断开的信号。
5.如权利要求1的电子设备，其中所述燃料电池的额定功率大于所述二次电池的额定功率。
6.如权利要求1的电子设备，其中所述燃料电池的额定功率小于所述电子装置的最大需用功率。
7.如权利要求1的电子设备，其中所述燃料电池的额定功率约等于所述电子装置在正常操作状态中所使用的电功率，该正常操作不包括加电操作和外部设备被连接至所述电子装置的操作。
8.如权利要求1的电子设备，还包括被耦合至所述燃料电池和所述二次电池的充电电路。
9.如权利要求8的电子设备，其中当所述电子装置的需用功率小于所述燃料电池所产生的电功率时，充电电路的工作用于使用所述燃料电池的电功率对所述二次电池充电。
10.如权利要求9的电子设备，其中当所述燃料电池所产生的功率与需用功率之间的差低于阀值时，所述充电电路的工作用于停止对所述二次电池充电。
11.如权利要求1的电子设备，还包括被耦合至所述电子装置的微计算机，用于接收需用功率。
12.如权利要求11的电子设备，其中所述微计算机的工作用于在所述二次电池的电池功率小于预定水平的条件下为所述电子装置提供采取关闭所述电子装置操作的信号。
13.如权利要求1的电子设备，其中当被供应至燃料电池的燃料用完时，所述二次电池为电子装置提供电功率。
14.一种电池单元，它包括：
燃料电池；
二次电池；和
被耦合至所述燃料电池和所述二次电池的电路，用于从所述燃料电池和所述二次电池中的至少一个输出电功率。
15.如权利要求14的电池单元，其中所述二次电池的电功率补充所述燃料电池的电功率缺少量。
16.如权利要求14的电池单元，其中所述燃料电池的额定功率大于所述二次电池的额定功率。
17.如权利要求14的电池单元，还包括被耦合至所述燃料电池和所述二次电池的充电单元，用于利用所述燃料电池供应的功率对所述二次电池充电。
18.如权利要求14的电池单元，还包括被耦合在所述燃料电池和所述电路之间的开关，和被耦合至所述开关的微计算机，
其中所述开关根据所述微计算机输出的信号断开从所述燃料电池的功率供应。
19.如权利要求18的电池单元，其中所述微计算机的工作用于在所述燃料电池的输出电压低于预定值时输出信号。
20.如权利要求19的电池单元，还包括被耦合至所述微计算机的存储器，用于存储指示所述预定值的数据。
21.如权利要求14的电池单元，还包括用于显示所述燃料电池和所述二次电池中的至少一个的状态信息的显示器。
22.如权利要求21的电池单元，其中所述状态信息包括目前操作状态、燃料的剩余体积和所述二次电池的电池功率。
23.如权利要求22的电池单元，该电池单元还包括用于改变所显示状态信息的按钮。
24.如权利要求14的电池单元，其中当被供应至燃料电池的燃料用完时，所述二次电池为电子装置提供电功率。
25.一种从燃料电池和二次电池为电子装置提供电功率的方法，该方法包括以下步骤：
当燃料电池的额定功率大于电功率的需用功率时，从燃料电池为电子装置提供电功率；和
当需用功率超过燃料电池的额定功率时，从燃料电池和二次电池同时为电子装置提供电功率。
26.如权利要求25的方法，还包括当燃料电池的输出电压小于预定水平时停止从燃料电池为电子装置提供功率的步骤。
27.如权利要求25的方法，还包括当电子装置的需用功率小于燃料电池所产生的电功率时使用燃料电池的电功率对二次电池充电的步骤。
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