CN1704868A

CN1704868A - 电子装置系统、燃料电池单元和电源控制方法

Info

Publication number: CN1704868A
Application number: CNA2005100690169A
Authority: CN
Inventors: 尾关明弘; 中村浩二; 涉谷信男; 宫本浩久
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-05-31
Filing date: 2005-04-29
Publication date: 2005-12-07
Also published as: JP2005346984A; US20050266280A1

Abstract

一种燃料电池单元(2)的微型计算机(21)通过驱动辅助机构(222)以控制DMFC(22)在高模式和低模式两个阶段的输出电力。当DC/DC转换器(23)的输出值超过预定值时，微型计算机(21)确定可充电电池(11)处于接近充满水平，该可充电电池(11)与电子装置(1)的二极管“或”电路(12)的一个二极管连接，该二极管“或”电路(12)的另一个二极管与转换器(23)连接，并且微型计算机(21)驱动辅助机构(222)以将输出电力从高模式降低到低模式。之后，当超过了预定时间时，微型计算机(21)确定可充电电池(11)的剩余量降低到预定值，并驱动辅助机构(222)以将输出电力从低模式返回高模式。

Description

电子装置系统、燃料电池单元和电源控制方法

技术领域

本发明涉及一种有效操作的电源控制技术，例如涉及一种直接甲醇系列的燃料电池。

背景技术

近几年来，如笔记本类型的个人计算机的电池驱动电子装置已经广泛面世。最近，已经开发生产一种用于电子设备的比现有燃料电池更有利于环境的燃料电池。

例如，直接甲醇燃料电池(以下称为“DMFC”)是这样一种结构的燃料电池，其中在两个多孔金属或炭的电极之间装有电解液。甲醇作为燃料，与氧进行化学反应，以从该化学反应中产生电能。例如在日本专利申请公布No.5-182675(以下称为“公布”)中已经提出了许多方案，以提高这种结构的燃料电池的工作效率。

在所述公布中披露的技术公开了蓄电池和燃料电池的联合使用，燃料电池以额定输出间歇地工作，不受负载变化的影响。也就是说，该项技术如此设计是为了在确保蓄电池的电量不断供给负载的同时，提高燃料电池的工作效率。

DMFC通常分为蒸发型和辅助机构型。辅助机构型DMFC用于笔记本类型的个人计算机等，且配备有溶液供给泵、鼓气泵等。可以通过可控地驱动辅助机构来控制发电。

在所述公布中披露的技术采用间歇工作(以额定输出工作)，这对于辅助机构型DMFC从效率的角度来讲是不理想的。另外，所述公布中没有考虑DMFC对与之使用的蓄电池的剩余容量的任何关系。

此外，除非电池叠层结构(stack structure)的温度很高，否则DMFC不能有效供电。当DMFC工作在开关控制状态时，实现DMFC中的启动操作需要时间。

发明内容

一种燃料电池单元的微型计算机通过驱动辅助机构，在高模式和低模式两个阶段控制DMFC的输出电力。当DC/DC转换器的输出值超过预定值时，所述微型计算机确定可充电电池处于接近充满水平，所述可充电电池与电子装置的二极管“或”电路的一个二极管连接，所述二极管“或”电路的另一个二极管与所述转换器连接，并且所述微型计算机驱动所述辅助机构以使输出电力从高模式降低到低模式。在这之后，当超过预定时间时，所述微型计算机确定所述可充电电池的剩余量降低到预定值，并驱动所述辅助机构以使输出电力从低模式返回高模式。

附图说明

附图作为说明书的一个组成部分，对本发明的实施例进行说明，并结合上面的概述及下面的具体实施例说明本发明的原理。

图1是根据本发明的一个实施例的典型电子装置系统的外观示意图；

图2是与电子装置系统的实施例的电源控制有关的电路布置图；

图3A和3B是说明电子装置系统的一个实施例在低模式和高模式的发电量的示意图；

图4是电子装置系统的一个实施例中，可充电电池的剩余容量与每个剩余容量处的充电电压值的典型关系的示意图；

图5是示出现有技术控制下DMFC的燃料效率的概念图；

图6是以比较“电压引起的损失”和“渗透(C.O)引起的损失”的方式详细示意图5中“热损失”的图；

图7是说明本发明实施例中电子装置系统上DMFC的基本控制概念的图；

图8是DMFC的燃料浓度和燃料效率之间的典型关系示意图；

图9是电子装置系统实施例的电源控制过程的典型流程图；

图10是设置可充电电池的剩余量的示例图，其中该剩余量是可以调节的，以便在三个阶段控制电子装置系统的实施例；

图11是设置DMFC的输出电压的示例图，其中该输出电压是可以调节的，以便在三个阶段控制电子装置系统的实施例；

图12是控制过程的典型流程图，该控制过程是可以调节的，以便在三个阶段控制电子装置系统的实施例。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行说明。

图1示出了根据本发明的一个实施例的电子装置系统的外观。电子装置系统包括电子装置1和燃料电池单元2，燃料电池单元2可分离地附加在电子装置1上。

如图所示，电子装置1是所谓的笔记本类型个人计算机，可以通过燃料电池单元2提供电能运行。燃料电池单元2是直接甲醇类型电池，这样由甲醇与空气(氧)发生化学反应发电。燃料电池单元2配备有盒型燃料罐221(见图2)，燃料罐221可分离地连接到燃料电池单元2。燃料甲醇储存在燃料罐221中。当然，不脱离本发明的精神和范围，除了甲醇之外的其他液体燃料也可以用于该电子装置系统。

图2示出了与电子装置系统上的电源控制有关的示意性电路布置。

燃料电池单元2包括控制单元21(例如：用于说明目的描述的微型计算机或微控制器或处理器)。在微型计算机21的控制下，DMFC 22进行发电。DMFC 22具有称为“电池叠层区”的反应区，燃料罐221内存储的甲醇与空气在该反应区发生化学反应，以实现发电。辅助机构222也设置在DMFC 22内，以将甲醇和空气输送到反应区。微型计算机21可控地驱动辅助机构222，以控制DMFC 22的发电量。

DMFC 22的输出电力提供到DC/DC转换器23中，被转换成由微型计算机21显示的电压。DC/DC转换器23的输出电力提供给电子装置1中二极管“或”电路12的一个二极管，同时另一方面，电子装置1中可充电电池11(如锂离子电池)的输出提供给二极管“或”电路12的另一个二极管。

在电子装置1中主体部分13的负载电力小于当前DMFC 22的发电量的情况下，微型计算机21设置DC/DC转换器23的输出电压高于可充电电池11的电压，这样由DMFC 22供电。另一方面，如果主体部分13的负载电力大于当前DMFC 22的发电量，则微型计算机21设置DC/DC转换器23的输出电压平衡可充电电池11的电压。这样，DC/DC转换器23在微型计算机21的控制下驱动，使得不仅DMFC 22而且可充电电池11都可以供电。

在电子装置1中设置了充电电路14，用于给可充电电池11充电。当主体部分13侧的负载电力低于燃料电池单元2侧提供的电力时，充电电路14向可充电电池11充入其剩余的电力，如同浮充电一样。

也就是说，根据电子装置系统，在DMFC 22的输出出现剩余电力的情况下，该剩余电力被充入可充电电池11中；而另一方面，在DMFC 22的输出出现不足输出的情况下，可充电电池11被放电以补偿不足部分。基于这种考虑，微型计算机21可控地驱动辅助机构222，以控制DMFC 22的发电等级如下所述。

首先，微型计算机21在两个阶段控制DMFC 22：低模式和高模式。低模式和高模式的发电量如图3A和3B所示。

也就是说，低模式的发电量设置为低于主体部分13侧负载电力能量的平均值(图3A)，该平均值是针对各个系统的每一个模型统计计算的。高模式的发电量设置为高于上述平均值(图3B)。因此，在低模式时期，可充电电池11有放电的趋势，而在高模式时期，可充电电池11有充电的趋势。

其次，微型计算机21在DMFC22上执行模式切换操作，以对应可充电电池11的剩余量。当可充电电池11的剩余容量超过n1％接近其全容量时，微型计算机21将DMFC 22从高模式切换到低模式以降低发电量。其后，如果剩余容量下降到n2％，在此处，系统确保在规定时间之后的时间只用可充电电池的电源能量进行工作，那么微型计算机21将DMFC 22从低模式返回到高模式。

基于如下原理，燃料电池2中的微型计算机21确定电子装置1中可充电电池11的剩余量是否超过n1％。图4显示了可充电电池11的剩余量和每个剩余量处的充电电压值之间的关系。如上所述，利用DC/DC转换器23的输出电力对可充电电池11进行浮充电。在DC/DC转换器23的输出电压超过预定电压电平(m[V])时，微型计算机21确定可充电电池11的剩余量超过n1％。在DMFC 22已从高模式切换到低模式后，微型计算机确定可充电电池11的剩余量是否下降到n2％，而这是在监控从切换时间开始的时间时这样执行的。

也就是说，如果超过预定时间，即估计针对各个系统的每一个模型统计计算的低模式时期的可充电电池11的剩余容量从n1％下降到n2％的时间超过了，那么微型计算机21确定可充电电池11的剩余量降低到n2％。术语“n1”和“n2”是预定的百分比。

换句话说，在DC/DC转换器23的输出电压超过m[V]的第一条件建立时，微型计算机21确定可充电电池11的剩余量超过n1％，并将DMFC22从高模式切换到低模式。之后，如果从那个时间点开始过了预定时间的第二条件建立，则微型计算机确定可充电电池11的剩余量降低到n2％，并将DMFC 22从低模式返回到高模式。

参见图5至图8，以下将说明为什么DMFC 22在高模式和低模式两个阶段按如上所述受控的原因。

图5是示出现有技术控制下DMFC 22的燃料效率的概念图，横坐标表示输出电力，纵坐标表示在有关时间消耗的燃料能量的细节，即表示用作电力的部分和燃料电池装置产生的“热损失”部分。在本例中，诸如燃料溶液的流速的参数保持恒定值，不进行最优化以响应有关的输出电力。

图6示出了表示“电压引起的损失”和“渗透(C.O)引起的损失”的“热损失”的细节。在此，术语“渗透”指燃料甲醇透过燃料电池结构中的固体聚合物薄膜流向对面(氧化极)。众所周知，有一个问题就是氧化侧上的催化剂是无活性(抑制)的，合成的渗透燃料在氧化极侧被氧化。燃料全部转换成热，根本不能发电，因此这导致了燃料效率的降低。在这里，在氧化极侧由于这样的渗透而无效消耗的燃料量与供给燃料极侧的燃料量之比叫做渗透率。

在图6中，横坐标表示的意义与图5的相同，并且为了容易对照，纵坐标表示效率(对应图5的图用总电力标准化)。需要注意的是，这里的电压损失是指反向电压引起的电力损失，而反向电压是由电池结构中阳极/阴极电压相比理论值减少引起的，并与由于燃料电池的内阻而消耗的电力相对应。

图6清楚地表明，渗透引起的损失是降低燃料效率的主要原因。而且，当电池以额定输出全工作时，这种损失最低，当输出电力变得小于额定值时，这种损失会大大地增加。因此，在本实施例的电子装置系统中，DMFC22的控制受到如图7所示的影响。

首先，基本地，DMFC 22以B[W]的额定电力-高模式工作。如果基于这种基本思想设计，那么就遵循：随着DMFC的工作，电子装置1的可充电电池11越接近充满水平。根据这个观点，DMFC 22设计成甚至在输出水平方面远小于额定电力水平-低模式的第二工作点(图7中的输出可变点)也是可工作的。这里，例如假定将该点设置为额定输出水平的一半-A[W]。当电子装置1的可充电电池11越接近充满(超过n1％)时，DMFC 22工作在该第二工作点，如果电子装置1的可充电电池11充分低于充满水平(低于n2％)时，则DMFC 22又返回基本的工作。

如果DMFC 22的各种参数分别在额定输出时间(B[W])和第二工作点(A[W])设计为最佳值，则在图7中“输出可变点”处的效率较图5中工作点的效率大为提高。主要原因是燃料浓度的下降、燃料流量的下降和空气流量的下降。这样做，可以降低渗透率，减少辅助机构的损耗电力，以提高效率。

此外，通过将工作点固定在两个预先优化的点上进行工作可以改进燃料电池。图8是燃料浓度和燃料效率之间的关系示意图。即使执行简单的控制，例如，在稳态工作期间将燃料浓度设定成恒定值，由于目标浓度根据每个工作点改变，从而可以提高燃料效率。

图9是本电子装置系统的电源控制过程的流程图。燃料电池单元2的微型计算机21首先控制辅助机构222的驱动，以将DMFC 22设置为高模式(操作A1)。然后，微型计算机21检查电子装置1的可充电电池11的剩余量是否超过n％，即DC/DC转换器23的输出电压是否超过m[V](操作A2)。如果是(操作A2中“是”)，则微型计算机控制辅助机构222的驱动，以将DMFC 22设置为低模式(操作A3)。

在设置到低模式后，微型计算机21检查电子装置1的可充电电池11的剩余量是否变得低于n％，即从低模式设置开始已超过预定时间(操作A4)。如果是(操作A4中“是”)，则控制返回操作A1，微型计算机21控制辅助机构222的驱动，以将DMFC 22设置为高模式。

尽管已经对两个工作点的设置进行了阐述，但这种与可充电电池11配合提高DMFC 22的工作效率的方法不限于两个工作点的设置，当然可以设置三个或更多的工作点，用于多阶段控制。

如图10所示，例如选定三个数值x1％、x2％和x3％(x1≤x2≤x3，“x”是正整数)作为可充电电池11的剩余量的参考值，基于此，DMFC 22在最大模式、中间模式和最小模式三个阶段受控，如图11所示。另外，作为可充电电池的剩余量的判定方法，有几种可用的方法，例如，监控DC/DC转换器23的输出电压，监控模式设置之后超过的时间，以及从电子装置1侧给予注意。

图12为典型的流程图，示出了基于图10和图11的DMFC 22的控制过程的实例。微型计算机21控制辅助机构222的驱动，以将DMFC 22设置为最大模式(操作B1)，并检查可充电电池11的剩余电量是否超过x2％(操作B2)。如果是(操作B2中“是”)，则微型计算机21控制辅助机构222的驱动，以将DMFC 22设置为中间模式(操作B3)。

在设置为中间模式后，微型计算机21检查可充电电池11的剩余量是否超过x3％或低于x1％(操作B4，操作B5)。如果是(操作B4中“是”)，则微型计算机21控制辅助机构222的驱动，以将DMFC 22设置为最小模式(操作B6)。在设置为最小模式后，微型计算机21检查电子装置1的可充电电池11的剩余量是否变得低于x2％(操作B7)。如果是(操作B7中“是”)，则控制返回操作B3，微型计算机控制辅助机构222的驱动，以将DMFC 22设置为中间模式。

在设置为中间模式后，微型计算机检查可充电电池11的剩余量是否变得低于x1％(操作B5)。如果是(操作B5中“是”)，则控制返回操作B1，微型计算机控制辅助机构222的驱动，以将DMFC 22返回到最大模式。

因此，在本实施例的电子装置系统中，可以与电子装置1的可充电电池11配合，来提高燃料电池单元2的DMFC 22的工作效率。

对于本领域技术人员来说，其它的优点和修改是可预见的。因此，本发明的更广泛应用不仅限于此处所示和所描述的特定细节和具代表性的实施例。因此，可以进行各种修改而不超出本发明基本思想的精神和范围，本发明的范围由所附的权利要求及其等同物所确定。

Claims

1.一种电子装置系统，其特征在于包括：

可充电电池；以及

包括燃料电池和控制单元的燃料电池单元，所述控制单元被配置为调节所述燃料电池产生的电量，(i)在所述可充电电池的剩余量超过第一剩余容量等级时，从第一发电量减少到小于所述第一发电量的第二发电量，以及(ii)在所述可充电电池的剩余量减少到小于所述第一剩余容量等级的第二剩余容量等级时，从所述第二发电量增加到所述第一发电量。

2.根据权利要求1所述的电子装置系统，其特征在于，所述燃料电池单元还包括：电力变换器，它与所述燃料电池和所述可充电电池耦合；充电电路，被配置为在所述电力变换器产生的电量超过所述电子装置系统内的负载使用的电量水平时，对所述可充电电池充电。

3.根据权利要求2所述的电子装置系统，其特征在于，所述燃料电池单元还包括二极管“或”电路，其包括与所述可充电电池耦合的第一二极管以及与所述电力变换器和所述充电电路耦合的第二二极管。

4.根据权利要求1所述的电子装置系统，其特征在于，所述第一发电量高于所需的平均电量，所述第二发电量低于所需的平均电量。

5.根据权利要求2所述的电子装置系统，其特征在于，所述控制单元在所述充电电路对具有所述第一剩余容量等级的可充电电池进行充电时，保持所述电力变换器的输出电压电平在预定的电压上，并且在所述输出电压电平超过所述预定电压时，确定所述可充电电池的剩余量超过所述第一剩余容量等级。

6.根据权利要求2所述的电子装置系统，其特征在于，如果所述燃料电池的发电量从所述第一发电量减少到所述第二发电量后已超过预定时间，则所述控制单元确定所述可充电电池的剩余量已经减少到所述第二剩余容量等级。

7.根据权利要求1所述的电子装置系统，其特征在于，所述控制单元还调节所述燃料电池产生的电量，(iii)在所述可充电电池的剩余量超过高于所述第一剩余容量等级的第三剩余容量等级时，从所述第二发电量减少到低于所述第二发电量的第三发电量，以及(iv)在所述可充电电池的剩余量变得比所述第一剩余容量等级低时，从所述第三发电量增加到所述第二发电量。

8.一种附加在包括可充电电池的电子装置上的燃料电池单元，其特征在于，包括：

燃料电池；以及

控制单元，其被配置为当所述可充电电池的剩余量超过第一剩余容量等级时，调节所述燃料电池产生的电量从第一发电量减少到小于所述第一发电量的第二发电量，以及当所述可充电电池的剩余量比小于所述第一剩余容量等级的第二剩余容量等级低时，调节所述燃料电池产生的电量从所述第二发电量增加到所述第一发电量。

9.根据权利要求8所述的燃料电池单元，其特征在于，所述第一发电量高于所述电子装置的负载所需的平均电量，所述第二发电量低于所需的平均电量。

10.根据权利要求8所述的燃料电池单元，其特征在于，还包括辅助机构，其中所述控制器控制所述辅助机构，以调节所述燃料电池产生的电量。

11.根据权利要求8所述的燃料电池单元，其特征在于，还包括DC/DC转换器，其耦合到所述燃料电池，并受所述控制单元的控制。

12.根据权利要求10所述的燃料电池单元，其特征在于，当所述燃料电池产生的电量从所述第一发电量减少到所述第二发电量后已经超过预定时间时，所述控制单元确定所述可充电电池的剩余量已经减少到所述第二剩余容量等级。

13.根据权利要求8所述的燃料电池单元，其特征在于，当所述可充电电池的剩余量超过高于所述第一剩余容量等级的第三剩余容量等级时，所述控制单元还调节所述燃料电池产生的电量从所述第二发电量减少到低于所述第二发电量的第三发电量，以及当所述可充电电池的剩余量低于所述第一剩余容量等级时，所述控制单元还调节所述燃料电池产生的电量从所述第三发电量增加到所述第二发电量。

14.一种用于控制具有燃料电池的燃料电池单元供电的方法，所述燃料电池单元配置为连接到包括可充电电池的电子装置，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

控制所述燃料电池单元，以响应基于所述可充电电池的剩余量的第一条件，调节所述燃料电池产生的电量从第一发电量减少到低于所述第一发电量的第二发电量；以及

控制所述燃料电池单元，以响应基于所述可充电电池的剩余量的第二条件，调节所述燃料电池产生的电量从所述第二发电量增加到所述第一发电量。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述第一条件包括所述可充电电池的剩余量超过所述可充电电池的全容量的第一百分比的状态。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述第二条件包括所述可充电电池的剩余量超过所述可充电电池的全容量的第二百分比的状态，所述第二百分比低于所述第一百分比。

17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括：

控制所述燃料电池单元，以响应基于所述可充电电池的剩余量的第三条件，调节所述燃料电池产生的电量从所述第二发电量减少到低于所述第二发电量的第三发电量。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述第三条件包括所述可充电电池的剩余量超过所述可充电电池的全容量的第二百分比的状态，其中所述第二百分比高于所述全容量的第一百分比。

19.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述控制所述燃料电池单元包括控制辅助机构，以控制所述燃料电池提供给所述燃料电池单元的电力变换器的输出。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，还包括：使用所述电力变换器提供的电力，以同时向所述电子装置的负载供电和对所述可充电电池充电。