CN1941468A - 燃料电池装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种燃料电池装置及其控制方法。直接甲醇型燃料电池(DMFC)的特性因种种原因特性会改变，且在DMFC中存在最大功率点，为了稳定地向负载供给功率，必须与上述的特性变化无关，在一直到最大功率点的范围内安全地进行功率供给。将从DMFC的电压电流特性导出的固定电压的一半作为DMFC电压的目标值，可通过为保持上述目标值进行控制而进行最大功率点的跟踪控制。为了在负载的要求功率大于最大功率时也可以实现稳定的功率供给，与负载并联设置蓄电单元。另外，相应于DMFC的温度上升及蓄电单元的电压上升，通过控制使DMFC电压从上述目标值上升，就可以在实现提高燃料利用效率的同时，实现温度限制及蓄电单元电压限制。

Description

燃料电池装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及使用燃料电池的电源装置及其控制方法。
背景技术
由于近年电子技术的进步，便携电话机、笔记本PC(个人计算机)、音频视频机器或移动终端机器等便携电子机器的普及进展迅速。这种便携电子机器一般是由二次电池驱动的系统，新型二次电池的出现，借助小型轻量化及高能量密度化，从密封铅电池起发展到Ni/Cd电池、Ni氢电池、再到Li离子电池。在任何一种二次电池中，为提高其能量密度，都在进行电池活性物质的开发及高容量电池结构的开发，努力实现使用时间更长的电源。
然而，在便携电子机器中，各功能都在努力进一步低功耗化，但是今后由于用户需要的提高也必须增加新功能，便携机器总功耗增加的倾向是可以预期的。因此，需要更高密度的电源，即连续使用时间长的电源是方向。
作为这种电源，燃料电池近年来受到注目。作为该燃料电池的特性，当燃料电池的输出大于等于某一电流时，输出功率具有从增加转为下降的最大功率点。因此，燃料电池的使用范围必须限定在最大功率点之下，例如，已提出在作为使用氢作为燃料的燃料电池的固体高分子型燃料电池(PEFC)中的保护用系统(例如，日本专利特开2003-229138号公报)。
[专利文献1]日本专利特开2003-229138号公报
发明内容
现在作为期待用于移动机器的电源，是可以在比PEFC更低的低温下使用、作为将甲醇作为直接燃料使用的燃料电池的直接甲醇型燃料电池(DMFC)。在图1中示出PEFC和DMFC的电流电压特性(I-V特性)和DMFC的电流功率特性(I-P特性)。作为DMFC的特征，具有开路电压(以下称其为OCV)的值大于等于0.8V的状态，与PEFC大致相同。然而，从现状报告的单个(电池)单体的电压电流特性考虑，则如图1所示，在实际的发电中可使用的区域小于等于0.4V，并且最大功率点在0.2V左右。所以，尽管燃料电池这一名称相同，但是DMFC和PEFC的特性有很大不同，直接将PEFC方式应用于DMFC很困难，必须有专用的控制方式。
另外，DMFC的特性，除了会由于温度及空气极的气体的流速(湿度)而发生很大的改变之外，也有由于某种原因(二氧化碳及水这样的随着反应的生成物发生堵塞等等)输出功率急剧下降的情况。作为电源，可以供给机器必需的功率是最低限度的要求，但是考虑到由于上述燃料电池的状态而不能供给必需功率的场合，因此需要新的系统和控制方式。
另外，在不能供给必需功率的状态中，特别会出现远远超过最大功率点而从燃料电池过度取用电流的状态。在过度取用电流的场合，必需针对由于燃料电池单体的换极引起的燃料电池的劣化、燃料电池的温度上升、二氧化碳及水这样的生成物的增加导致的状态的恶化等等问题的各自的状态进行控制，但除了对燃料电池的状态进行高速预测非常困难之外，装设多个传感器时也存在高成本的问题。
针对以上的问题，在本发明中提出了有效地装设传感器，可以进行符合燃料电池的状态的最大功率点跟踪控制的电源装置及控制方法。
为实现上述课题，本发明的特征在于：在具备燃料电池作为输入电源的电源装置中，具备进行通电量控制的控制单元，以使上述电源装置的工作输入电压范围大于等于上述燃料电池的最大功率点电压。
另外，为实现上述课题，本发明的特征在于：在具备燃料电池作为输入电源的电源装置中，具备即使是在负载功率大于上述燃料电池的最大功率时，也可以将上述燃料电池的输出限制为不大于最大功率的控制单元。
另外，为实现上述课题，本发明的特征在于：在具有从输入端到输出端的电压变换功能的电源装置的控制方法中，在输入端一侧具有燃料电池，在输出端一侧具有蓄电单元，在输出端的要求功率小于等于上述燃料电池的最大功率时，进行控制使输出端电压为恒定的电压。
根据本发明，可以提供实现对机器的功率供给稳定及燃料电池的工作稳定的电源装置及其控制方法。
附图说明
图1为示出固体高分子型燃料电池和直接甲醇型燃料电池的输出特性的特性图。
图2为示出直接甲醇型燃料电池的温度变化导致的输出特性的变化的特性图。
图3为示出直接甲醇型燃料电池的空气流量的变化导致的输出特性的变化的特性图。
图4为本发明的燃料电池的直流等效电路模型。
图5为本发明的实施例1的结构。
图6为本发明的实施例1的增加控制IC的功能图的结构的一例。
图7为示出本发明的实施例1的控制IC的限制功能和直接甲醇型燃料电池的输出特性的关系的示图。
图8为在本发明的实施例1的控制IC的功能图中将限制电压设定用电阻更换为热敏电阻的结构的一例。
图9为示出在本发明的实施例1的各温度的限制功能和直接甲醇型燃料电池的输出特性的关系的示图。
图10为示出在现有的控制IC的结构中软启动功能的构成的示图。
图11为示出本发明的实施例2的控制IC的功能图的结构。
图12为本发明的实施例3的结构。
图13为本发明的实施例4的结构。
附图标记说明
1...燃料电池；2...电双层电容器；3...电路部；4...控制IC；11...PWM逻辑电路；12...Vref控制逻辑电路
具体实施方式
下面利用附图对本发明的控制用系统的结构及其控制用IC的规格及其控制方法的详细实施例进行说明。
首先，叙述本发明的DMFC特性的设定方法。图2示出同一DMFC的单个单体的温度变化导致的特性的变化，图3示出空气的流速的变化导致的特性的变化。从图中可知，在图2和图3中画出以点线表示的辅助线时，电流0处的电压为约0.41V，大致是一致的。所以，除了在OCV附近电压急速上升的区域，一般使用的区域中的DMFC的等效电路的直流模型，如图4所示，可以以一定的设定电压E(例如，0.41V)和依DMFC的各状态而改变的DMFC内阻R表示。这种模型的输出功率W可以用下式表示。(RO：负载电阻)
[式1]
W＝E2/(R×[(R/RO)+(RO/R)+2])
从上式中的输出功率W成为最大值的条件是R＝RO，可知DMFC输出电压为E/2与DMFC的状态无关，是恒定最大功率点的条件。
在使用本发明的场合，预先测定所使用的DMFC单个单体的设定电压E，可以利用数倍单体进行设计。当然，也可以将本设定方式应用于PEFC等其他类型的燃料电池进行设计。
[实施例1]
下面利用图5对本发明的实施例1进行说明。
本发明的构成，大致划分为具有燃料电池1、作为蓄电单元的电双层电容器(以下称其为EDLC)2、电路部3及控制IC 4。以下分别予以详细叙述。
在本实施例中，由于作为蓄电单元使用的EDLC 2的每一个单体的耐压为2.3V～3.3V，如图5所示，在使用两个单体时，可以应用于利用现有Li电池一个单体及NiMH两个单体驱动的机器(例如，便携电话、PDA、数字相机、多媒体播放器等等)。另外，在Li电池为多个单体的应用的场合(例如，笔记本PC等)，在对Li电池两个单体进行互换时可使用2～4个单体的EDLC 2，或者在对Li电池3个单体进行互换时可使用3～5个单体的EDLC 2。当然，作为代替EDLC2的蓄电单元，也可以使用Li电池等二次电池。如图5所示，通过设置蓄电单元，在负载要求功率大于可从燃料电池1取出的最大功率时，可以支持功率不足的部分。例如，可以考虑的场合有燃料电池暂时的状态恶化及负载的要求功率为便携电话等那种脉冲负载的场合。另外，在脉冲负载多的应用场合，使用EDLC这样的放电特性优异的器件对于改善效率是优选的。
在本实施例中，设想的是在燃料电池1中使用DMFC，但使用其他种类的燃料电池也是可以的。并且，在图5中，使用的是4个单体的燃料电池，不过也可以考虑电路部3的效率而增减单体数目。
电路部3，是使用电感L32、N沟道功率MOSFET 13和P沟道功率MOSFET 14的同步整流方式升压变换器的结构。在这种升压变换器中，因为在N沟道功率MOSFET 13为ON时的开关循环中，燃料电池1的能量贮存在电感L中，在P沟道功率MOSFET 14为ON时的开关循环中，与燃料电池1的能量一起，贮存在电感L中的能量对电双层电容器2进行充电，所以电双层电容器2的充电电压(蓄电电压)高于燃料电池1的输出电压(即升压)。
所以，EDLC 2的电压大于等于燃料电池1的电压。当然，也可以在EDLC 2以外设置使输入输出平滑用的电容器。
控制IC 4，至少具有燃料电池电压限制端子(Vlim)46、EDLC2电压值取得用端子(FBout)41、输出电压值及电源取得用端子(Vout)42、开关电流取得用端子(SENSE)45、经过反相电路24的P沟道功率MOSFET控制端子(TG)43、N沟道功率MOSFET控制端子(BG)44、GND端子(GND)40合计7个端子。当然，除了上述以外，也可以根据需要设置IC的ON/OFF端子及环路补偿用的端子等等。
在图6中示出控制IC 4的功能图的一例。
下面示出作为本结构的第1特征的Vlim的控制处理的动作。由于本结构是升压型，微小的一定电流Ilin从Vout端子42通过恒流电路到达Vlim端子46。占空限制电路(Duty Limit电路)26具有与Vout-Vlin的电压值成比例地限制占空的功能和在Vlin端子的电压小于等于一定电压时控制PWM逻辑电路11使PWM开关动作完全停止的功能。在本结构中，通过设置上述功能，在以上述完全停止的电压为Vstop时，由于Vstop＝Ilin×Rin(50)+Vin，通过将Vin设计为燃料电池1的最大功率点电压，就可以可靠地限制在不大于最大功率点的电流范围内。另外，在燃料电池1的电压Vin由于燃料耗尽及缺乏氧气等原因而低于Vstop时，也可以安全地停止开关动作。
下面示出作为本结构的第2特征的FBout端子41的处理动作。本结构是与一般的DC/DC变换器的输出电压反馈一样的构成，Vref120和FBout端子41输入到比较器22，根据该比较器的输出，在为了使PWM逻辑电路11得到稳定的输出电压而使控制PWM开关动作的输出功率＜＜燃料电池最大功率的场合，将输出电压控制为恒定，与一般的DC/DC变换器没有什么特别不同。在输出功率接近燃料电池最大功率一定值以上的场合(输出功率＜燃料电池的最大功率)，进行限制PWM的占空的控制。在输出功率≥燃料电池功率的场合，利用设置在上述输出端的EDLC 2等的蓄积单元，完成不足部分的输出，也由蓄电单元的充电状态确定输出电压。所以，此时的控制，变成随着以PWM的占空限制的最大值动作而下降的状态。
汇总上述第1特征和第2特征的燃料电池输出特性与输出限制的关系示于图7。
由于燃料电池输出不同在限制电压上多少会有些差别，但针对表示各温度状态的DMFC的输出的电压-电流密度，比较输出限制值的曲线的场合，在本发明的实施例中，在大于等于各温度状态的燃料电池输出和输出限制值的交点的区域中电源装置工作，不会超过最大功率。
另外，下面示出作为本结构的第3特征的Rin 50的处理动作。如在上述第1特征中所述，从Ilin和Vstop的值，通过调整Rin 50的值，设计者可根据燃料电池的单体数目灵活地设计限制值。另外，如图8所示，通过采用NTC热敏电阻51作为Rin，也可以增加温度限制功能。此时的燃料电池输出特性和输出限制的关系示于图9。NTC热敏电阻51显示的特性是在低温时电阻高，在高温时电阻低。所以通过采用NTC热敏电阻51作为Rin，可以将在低温时限制的Vin设计成为更低，并且可以将在高温时限制的Vin设计成为更高。随着温度的上升，成为减少从燃料电池1取出的电流的控制动作，因此可以防止燃料电池1，例如，超过45℃而变成烫伤使用者的温度。
另外，由于本结构的特征是DC/DC变换器的PWM逻辑电路11在通常的控制动作中利用燃料电池电压进行占空限制，可以使用现存的DC/DC变换器IC实现。
现有的控制IC 4的构成例示于图10。控制IC 4具有：在软启动端子(以下称其为SS端子)49和GND端子40之间，连接有电容器C62，通过利用IC内部的恒流电路及高电阻的开关使上述电容器C62缓慢充电，一直到SS端子49的电压上升到大于等于一定值为止进行占空限制及开关电流限制等的输出功率限制的软启动功能。将此SS端子经过电阻Rin 50连接到与上述结构一样的输入端，也可以实现与上述示例同样的效果。
[实施例2]
下面利用图11对本发明的实施例2进行说明。只要没有特别指出，符号与上述电路相同的构件具有同样的结构及效果。
本实施例，通过将燃料电池电压限制用的端子和燃料电池温度控制用的端子分开，可以分别进行设计。本实施例，与上述的实施例1相比，在控制IC 4增加了燃料电池温度控制用的端子(以下称其为TEMP)48。输入到TEMP 48的是燃料电池1的温度信息，利用热敏电阻及温度IC等的传感器60取得温度信息。另外，控制IC 4的内部结构也不同，将Vout-Vlin和温度电压-Vref2(29)两个反馈信息输入到占空限制电路26，进行PWM逻辑电路11的最大占空限制。作为控制动作，兼备与实施例1中举例示出的一样的利用作为燃料电池电压的Vin的限制和利用燃料电池温度的限制的两种限制，可相应于各个状态而动作。
在本实施例中，由于使用Li电池6作为蓄电单元，可以应用于现有的利用Li电池一个单体及NiMH两个单体驱动的机器(例如，便携电话、PDA、数字相机、多媒体播放器等等)。当然，作为代替Li电池6的蓄电单元，也可以使用EDLC。
[实施例3]
下面利用图12对本发明的实施例3进行说明。只要没有特别指出，符号与上述电路相同的构件具有同样的结构及效果。
本实施例，与上述的实施例1、2相比，不是将电路部3作成同步整流型，而是改变为利用肖特基势垒二极管35的升压斩波方式的一例。通过采用本结构，在输出端的电压比第1、第2结构更高的场合是有效的。
下面对控制IC 4予以详细说明。与实施例1、2比较，不需要P沟道功率MOSFET的控制端子(TG)。另外，关于控制IC 4的内部结构，可以使用实施例1的结构及实施例2的结构中的任何一个。
在本实施例中，由于作为蓄电单元使用的EDLC 2，每一个单体的耐压为2.3V～3.3V，如图12所示，在使用4个单体时，可以应用于现有的利用Li电池2～3个单体驱动的机器(例如，笔记本PC等)。当然，作为代替EDLC 2的蓄电单元，也可以使用Li电池等二次电池。
[实施例4]
下面利用图13对本发明的实施例4进行说明。只要没有特别指出，符号与上述电路相同的构件具有同样的结构及效果。
本实施例，是将电路部3改变为降压斩波方式的一例。通过采用本结构，可以与负载电压比燃料电池1的电压低的场合相对应。
下面对本实施例的控制IC 4予以详细说明。与实施例1至3比较，具有Vin端子47作为IC电源及栅驱动电压。由于是降压型，Vin47为利用分压设计限制电压的方式。另外，关于控制IC 4的内部结构，可以使用实施例1的结构及实施例2的结构中的任何一个。
在本实施例中，由于作为蓄电单元使用的EDLC 2，每一个单体的耐压为2.3V～3.3V，如图13所示，在使用1个单体时，可以应用于由1.8V的电压等低电压驱动的机器。当然，作为代替EDLC 2的蓄电单元，也可以使用Li电池及Ni氢电池等二次电池。
以上举出了4个实施例，但在本发明的实施中，当然可以相应于用途而将上述实施例中的几个组合使用。

Claims (11)

1.一种电源装置，具备燃料电池作为输入电源，其特征在于：
具备进行通电量控制，以使上述电源装置的工作输入电压范围大于等于上述燃料电池的最大功率点电压的控制单元。
2.如权利要求1所述的电源装置，其特征在于：
上述电源装置的控制单元具有使输出电压反馈进行PWM控制的功能，具有上述燃料电池电压和上述控制单元所具有的设定电压之差越大，PWM控制的最大占空越大的控制功能。
3.如权利要求2所述的电源装置，其特征在于：
上述电源装置的控制单元所具有的设定电压由电阻构成，可以设定成电阻值越大，设定电压越高。
4.如权利要求3所述的电源装置，其特征在于：
上述电源装置的控制单元具有恒流电路，该恒流电路的输出端与上述电阻相连接，进行控制以使得施加于上述恒流电路的电压的大小越大则越限制PWM控制的最大占空。
5.如权利要求3和4中的一个所述的电源装置，其特征在于：
具有检测上述燃料电池的温度的温度检测单元，且具有相应于上述燃料电池的温度上升使上述设定电压上升的功能。
6.如权利要求5所述的电源装置，其特征在于：
通过使用NTC热敏电阻作为上述电阻，具有相应于上述燃料电池的温度上升使上述设定电压上升的功能。
7.一种电源装置，具备燃料电池作为输入电源，其特征在于：
具备即使是在负载功率大于上述燃料电池的最大功率时，也将上述燃料电池的输出限制为不大于最大功率的控制单元。
8.如权利要求7所述的电源装置，其特征在于：
具备存蓄电力的蓄电单元，可以从上述蓄电单元供给不足的功率的电力。
9.一种具有从输入端到输出端的电压变换功能的电源装置的控制方法，其特征在于：
在输入端一侧具有燃料电池，在输出端一侧具有蓄电单元，在输出端的要求功率小于等于上述燃料电池的最大功率时，进行控制以使得输出端电压为恒定的电压。
10.如权利要求9所述的电源装置的控制方法，其特征在于：
在负载功率大于上述燃料电池的最大功率时，进行控制将上述燃料电池的输出限制为不大于最大功率，不足功率部分从上述蓄电单元供给。
11.如权利要求9和10中的一个所述的电源装置的控制方法，
在输出端的要求功率大于上述燃料电池的最大功率、负载功率小于上述燃料电池的最大功率时，进行控制将上述燃料电池的输出限制为不大于最大功率，对于负载的过剩功率部分充电到上述蓄电单元。
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