JP2004234903A - 燃料電池の出力制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料電池を電源として有効かつ安定に利用可能にした燃料電池の出力制御装置を提供する。
【解決手段】燃料電池10からの入力電流をトランジスタTrを介して抵抗R2により電圧に変換して検出し、この検出した燃料電池10からの入力電流と燃料電池10からの入力電圧に基づきゲインコントロールアンプAPで燃料電池10からの入力電力情報を検出し、この入力電力を燃料電池10からの目標電力の平均値V*Iaveの2倍の値に制限できるように、基準電圧Vref1を設定してオペアンプOP1で比較し、このオペアンプOP1の出力に基づきトランジスタTrのオン、オフを制御することで、燃料電池10の出力電力の平均値を所望の値に制御する。
【選択図】 図2

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池からの入力を制御して出力する燃料電池の出力制御装置に関し、特に、燃料電池を用いたリチウム電池等の充電回路に適用して好適な燃料電池の出力制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、燃料電池を用いた装置としては、特許文献1に開示されたように電気自動車に採用したもの若しくは特許文献2に示されるように発電システムに採用したもの等がある。
【0003】
ところで、最近、携帯電話機等の小型携帯機器の電源として燃料電池を用いる試みが提案されている。
【0004】
この場合、燃料電池の出力を直接電源として用いたのでは安定性が確保できないために、燃料電池の出力を用いてリチウム電池等の2次電池を充電し、この2次電池の出力から電源を取り出す構成が考えられている。
【0005】
【特許文献1】
特開平6−225406号公報
【特許文献2】
特開平8−213032号公報
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記燃料電池を携帯電話機等の小型携帯機器の電源として利用する場合、この燃料電池により充電されるリチウム電池等の2次電池も小型化が要求され、その容量も制限がある。
【0006】
また、一般に、燃料電池はその電力供給能力に制限があり、この制限を越えた電力が取り出されると、電力供給が停止してしまうという特性がある。
【0007】
そのため、容量が制限された2次電池を燃料電池の出力で充電して小型携帯機器の電源として採用する場合は、燃料電池の電源供給が停止しないように、燃料電池からの出力電力を制限する必要がある。
【0008】
そこで、この発明は、燃料電池を電源として有効かつ安定に利用可能にした燃料電池の出力制御装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項1の発明は、燃料電池からの入力を制御して出力する燃料電池の出力制御装置において、前記燃料電池からの入力電流を検出する入力電流検出回路と、前記入力電流検出回路で検出した入力電流および前記燃料電池からの入力電圧に基づき前記前記燃料電池からの入力電力を検出する入力電力検出回路と、前記入力電力検出回路で検出した入力電力に基づき前記燃料電池からの入力電力のピーク値を制限することにより前記燃料電池からの入力電力の平均値を制御する入力電力制御回路とを具備することを特徴とする。
【0010】
また、請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記入力電力制御回路は、前記入力電力検出回路で検出した前記燃料電池の入力電力のピーク値を目標平均値の略2倍の値に制限することにより前記燃料電池からの入力電力の平均値を前記目標平均値に制御することを特徴とする。
【0011】
また、請求項3の発明は、請求項2の発明において、前記燃料電池の出力を入力するインダクタと、前記インダクタの出力をスイッチングするスイッチング素子と、前記スイッチング素子を制御するスイッチング制御回路とを具備し、前記入力電流検出回路は、前記スイッチング素子の出力に基づき前記燃料電池からの入力電流を検出し、前記入力電力検出回路は、前記入力電流検出回路で検出した入力電流に前記燃料電池からの入力電圧を乗算する乗算器を含むことを特徴とする。
【0012】
また、請求項4の発明は、請求項3の発明において、前記スイッチング制御回路は、前記インダクタを流れる電流に基づき前記スイッチング素子を制御することを特徴とする。
【0013】
また、請求項5の発明は、請求項3の発明において、前記入力電流検出回路は、前記スイッチング素子に並列に接続され、前記スイッチング素子を流れる電流のN分の1の電流を流すカレントミラー回路を具備し、該カレントミラー回路を流れる電流に基づき前記燃料電池からの入力電流を検出することを特徴とする。
【0014】
また、請求項6の発明は、燃料電池からの入力を制御して出力する燃料電池の出力制御装置において、前記燃料電池の出力を入力するインダクタと前記インダクタの出力をスイッチングするスイッチング素子とを少なくとも有するコンバータと、前記コンバータの前記スイッチング素子を流れる電流に基づき前記燃料電池からの入力電流を検出する入力電流検出回路と、前記入力電流検出回路で検出した入力電流および前記燃料電池からの入力電圧に基づき前記前記燃料電池からの入力電力を検出する入力電力検出回路と、前記入力電力検出回路で検出した電力値と予め設定された目標電力値とを比較する比較回路と、前記比較回路の出力に基づき前記スイッチング素子のスイッチングを制御することにより前記燃料電池からの入力電力の平均値を前記目標電力値に対応して制御する制御回路とを具備することを特徴とする。
【0015】
また、請求項7の発明は、請求項6の発明において、前記コンバータの出力に基づき2次電池を充電するための充電電流を出力することを特徴とする。
【0016】
また、請求項8の発明は、請求項6の発明において、前記目標電力値は、前記入力電力の目標平均値の略2倍に対応して設定されることを特徴とする。
【0017】
また、請求項9の発明は、請求項6の発明において、前記コンバータは、前記インダクタを流れる電流に基づき前記スイッチング素子のスイッチングを自励的に制御する自励式アップコンバータからなることを特徴とする。
【0018】
また、請求項10の発明は、請求項6の発明において、前記入力電流検出回路は、前記スイッチング素子に並列に接続され、前記スイッチング素子を流れる電流のN分の1の電流を流すカレントミラー回路を具備し、該カレントミラー回路を流れる電流に基づき前記燃料電池からの入力電流を検出することを特徴とする。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係わる燃料電池の出力制御装置の実施の形態を添付図面を参照して詳細に説明する。
【0020】
図1は、この発明に係わる燃料電池の出力制御装置を適用して構成した2次電池の充電装置の全体構成を示すブロック図である。
【0021】
この充電装置は、燃料電池10の出力を充電制御装置20で制御してリチウム電池等の2次電池30を充電するもので、例えば、携帯電話機等の小型携帯機器の電源として利用される。
【0022】
図2は、図1に示した充電制御装置20の詳細構成を示す回路図である。
【0023】
図2に示す回路は、入力端子T11およびT12から図1に示した燃料電池10の出力Vinを入力し、出力端子T21およびT22から2次電池30を充電するための出力Voutを出力するものである。
【0024】
この図2に示す回路は、入力端子T11に接続されたコイル(インダクタ)L1、入力端子T11とコイルL1との接続ラインと接地間に接続されたコンデンサC1、コイルL1と出力端子T21との間に接続されたダイオードD2、ダイオードD2と出力端子T21との接続ラインと接地間に接続されたコンデンサC2、コイルL1とダイオードD2との接続ラインにコレクタが接続されたトランジスタTr(スイッチング素子)、コイルL1に逆相接続されたコイル(補助巻線)L2、コイルL2とトランジスタTrのベースとの間に接続された抵抗R1およびダイオードD1、トランジスタTrのエミッタと接地間に接続された抵抗R2、トランジスタTrのエミッタと抵抗R2との接続ラインに接続されるゲインコントロールアンプAP、ゲインコントロールアンプAPの出力が負正入力に接続され、正入力が基準電圧Vref1に接続されるオペアンプOP1、オペアンプOP1の出力とトランジスタTrのベースとの間に接続された抵抗R3およびダイオードD3、負入力が抵抗R4を介して出力端子T21に接続され、正入力が基準電圧Vref2に接続されるオペアンプOP2、オペアンプOP2の出力とトランジスタTrのベースとの間に接続されたダイオードD4を具備して構成される。
【0025】
ここで、ゲインコントロールアンプAPは、そのゲインコントロール端子に燃料電池10からの入力電圧、すなわち、入力端子T11とコイルL1との接続ラインに生じる電圧が入力され、燃料電池10からの入力電流を燃料電池10からの入力電圧でゲインコントロール、すなわち、燃料電池10からの入力電流に燃料電池10からの入力電圧を乗算することにより燃料電池10からの入力電力を算出して出力している。
【0026】
さて、上記図2に示す回路の動作を示すと以下のようになる。
【0027】
1)いま、コイルLに生じる電圧が零であり、トランジスタTrがオフであると、オペアンプOP1の出力がハイレベルである。
【0028】
2)オペアンプOP1の出力がハイレベルであると、抵抗R3の存在によりトランジスタTrのベースはハイレベルとなり、トランジスタTrがオンしてトランジスタTrに電流が流れ、オペアンプOP1の負入力に入力される電圧が徐々に増加する。
【0029】
3)このとき、補助巻線L2には、コイルL1を流れる電流に対応する電圧が発生し、この電圧は、抵抗R1の存在によりトランジスタTrのベースを更にハイレベルにバイアスする。
【0030】
4)トランジスタTrに電流が流れ、抵抗R2により燃料電池10からの入力電流が検出され、ゲインコントロールアンプAPで算出される燃料電池10からの入力電力が増加し、オペアンプOP1の負入力に入力される電圧が基準電圧Vref1と同電位になると、オペアンプOP1の出力はローレベルになり、その結果、ダイオードD3の存在によりトランジスタTrのベースはローレベルとなり、トランジスタTrはオフになる。
【0031】
5)トランジスタTrのオフにより、補助巻線L2に生じる電圧は反転し、トランジスタTrのベースはダイオードD1によりローレベルに保たれる。
【0032】
6)コイルL1に蓄積されたエネルギーが徐々になくなり、コイルL1に流れる電流が零になり、コイルL1に生じる電圧および補助コイルに生じる電圧が零になると、上記1)の状態に戻る。
【0033】
7)上記1)の状態から6)の状態が繰り返され、トランジスタTrのコレクタ電圧は、ダイオードD2、コンデンサC2で平滑され、出力端子T21、T22には入力端子T11、T12に加わる入力電圧Vinをアップコンバートした出力電圧Voutが生じる。
【0034】
すなわち、図2の回路において、コイルL1、補助コイルL2、ダイオードD1、抵抗R1、トランジスタTr、抵抗R2、オペアンプOP1、ダイオードD3、抵抗R3、ダイオードD2、コンデンサC2、ゲインコントロールアンプAPを含む回路は、自励式のアップコンバータを構成しており、オペアンプOP1の負入力に入力される電位が基準電圧Vref1と同電位になると、オペアンプOP1の出力はローレベルになり、トランジスタTrをオフにするように構成しているので、コイルL1を流れる電流は、基準電圧Vref1の電圧によりそのピーク値が制限される。
【0035】
ここで、抵抗R2は、トランジスタTrを介してコイルL1を流れる電流に対応する電圧を発生する電流検出回路を構成し、ゲインコントロールアンプAPは、燃料電池10からの入力電力を検出する電力検出回路を構成しており、また、オペアンプOP1、ダイオードD1、抵抗R1を含む回路は、コイルL1を流れる電力のピーク値を基準電圧Vref1に対応して制限する電力制限回路を構成している。
【0036】
なお、図2に示す回路において、抵抗R4、オペアンプOP2、ダイオードD4を含む回路は、出力端子T21、T22に生じる電圧Voutが、基準電圧電圧Vref2を越えると、トランジスタTrのベースを強制的にローレベルにして、トランジスタTrをオフにし、出力端子T21、T22からの電圧出力を定電圧に保つ制御回路を構成している。
【0037】
図3は、図2に示した回路の動作を説明する波形図である。
【0038】
図3において、波形Wは、図2に示した回路で、コイルL1に流れる電流波形に入力電圧を乗じた電力波形を示したものである。
【0039】
図2に示した回路においては、上記1)から6)の状態を繰り返すことにより、トランジスタTrがオン、オフして、コイルL1には、図3に波形Wで示したような三角波電力が流れる。
【0040】
ところで、図2に示した回路においては、上記コイルL1に流れる電流を抵抗R2で電圧に変換して検出し、ゲインコントロールアンプで、入力電圧Vinに比例したゲインを乗ずることにより、電力情報に変換し、入力電力のピーク値Vin×Ipeakを基準電圧Vref1の設定電圧に対応して制限している。
【0041】
そこで、制御対象である図1に示した燃料電池10の所望の平均電力の値がV×Iaveであるとすると、図2に示した回路で、Vref1とゲインコントロールアンプのゲインGを次式
G=2×Vref1×Vin/(V×Iave×R2)
の関係に設定することで、入力電力のピーク値が2×V×Iaveに制限され、結果として、燃料電池10からの入力電力を所望の平均値V×Iaveに制限することができる。
【0042】
すなわち、図2に示した回路においては、制御対象である燃料電池10の出力電力のピーク値V×Ipeakをこの燃料電池10が停止せずに安定に動作するために要求される出力電力の平均値V×Iaveの約2倍の値に制限することで、燃料電池10安定動作を保障している。
【0043】
また、図2に示す回路においては、コイルL1に流れる電流をトランジスタTrがオンのときのみ検出し、トランジスタTrがオフのときは検出しないようにしているので、このコイルL1に流れる電流の検出に要するロスは小さくすることができる。
【0044】
図4は、図1に示した充電制御装置20の他の詳細構成を示す回路図である。
【0045】
この図4に示す回路は、スイッチング素子として電界効果トランジスタ(FET)を用いた点およびコイルL1を流れる電流をカレントミラー回路を用いて検出している点が図2に示した回路と異なるだけで、他の点はその動作原理も含めて基本的は図2に示した回路と同一である。
【0046】
すなわち、図4に示した回路においては、コイルL1とダイオードD2との接続ラインにFETQ1を接続するとともに、このFETQ1に並列にゲートが共通接続されたFETQ2を接続し、このFETQ2のドレインに電流検出用の抵抗R2を接続する。また、ダイオードD1とFETQ1およびFETQ2のゲートとの間にコンデンサC3を接続している。その他の構成は図2に示した回路と同一である。なお、図4においては、説明の簡略化のために、図2と共通する回路部分には、図2で用いた符号と同一の符号を付する。
【0047】
この図4に示した回路においては、FETQ1とFETQ2とでカレントミラー回路を構成することで、コイルL1に流れる電流の検出に要するロスは小さくしている。
【0048】
すなわち、図4に示した回路で、カレントミラー回路を構成するFETQ2のサイズ(電流量)をFETQ1のサイズの1/Nに設定している。
【0049】
例えば、図2の回路において、抵抗R2の抵抗値をR、トランジスタTrを流れる電流をIとすると、コイルL1に流れる電流を検出するために抵抗R2で生じる損失は、I^2×Rとなる。
【0050】
これに対して、図4に示す回路においては、FETQ2を流れる電流I’は、FETQ1を流れる電流の1/Nになる。ここで、R2で発生する電圧レベルを同じにするために、R2の抵抗値をN×Rとすると、図4に示す回路において抵抗R2で生じる損失は、I^2×R/Nとなり、抵抗R2で生じる損失を1/Nに低減することができる。
【0051】
なお、図2に示した回路においても、バイポーラトランジスタを用いることで、図4の回路と同様のカレントミラー回路を構成することができ、この構成によっても、抵抗R2で生じる損失を大幅に低減することができる。
【0052】
図5は、図1に示した充電制御装置20の更に他の詳細構成を示す回路図である。
【0053】
図5に示した回路においては、図4に示した回路のコイルL1に電磁的に結合した補助巻線L2を用いた構成をなくし、制御回路COの出力によりFETQ1のオン、オフを制御するように構成したものである。なお、図5においても、説明の簡略化のために、図4と共通する回路部分には、図4で用いた符号と同一の符号を付する。
【0054】
図5に示した回路においては、図4に示した自励式のアップコンバータに代えて、制御回路COにより制御される他励式のアップコンバータを採用する。
【0055】
すなわち、この図5に示した構成においては、制御回路COに、所定の周波数のクロックパルスを発振する発振器OSの出力を入力するとともに、オペアンプOP1およびOP2の出力を入力し、この制御回路COの出力でFETQ1のオン、オフを制御する。
【0056】
この図5に示した回路も自励式のアップコンバータを採用するか他励式のアップコンバータを採用するかの点において異なるだけで、他の構成は図4に示したものと同様である。
【0057】
なお、上記実施の形態においては、この発明を2次電池の充電装置に提供した場合について示したが、燃料電池を用いる他の構成においても同様に適用できるのは勿論である。
【0058】
【発明の効果】
以上説明したようにこの発明によれば、燃料電池からの入力電力を検出し、この検出した燃料電池からの入力電力のピーク値を制限することで燃料電池からの入力電力の平均値を制御するように構成したので、燃料電池を電源として有効かつ安定に利用可能にした燃料電池の出力制御装置を提供することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明に係わる燃料電池の出力制御装置を適用して構成した2次電池の充電装置の全体構成を示すブロック図である。
【図2】図1に示した充電制御装置20の詳細構成を示す回路図である。
【図3】図2に示した回路の動作を説明する波形図である。
【図4】図1に示した充電制御装置の他の詳細構成を示す回路図である。
【図5】図1に示した充電制御装置の更に他の詳細構成を示す回路図である。
【符号の説明】
10 燃料電池
20 充電制御装置
30 2次電池
T11、T12 入力端子
T21、T22 出力端子
L1 コイル(インダクタ)
L2 コイル(補助巻線)
C1、C2 コンデンサ
D1、D2、D3、D4 ダイオード
Tr トランジスタ(スイッチング素子)
Q1、Q2 電界効果トランジスタ(FET)
OS 発振器
CO 制御回路

Claims (10)

  1. 燃料電池からの入力を制御して出力する燃料電池の出力制御装置において、
    前記燃料電池からの入力電流を検出する入力電流検出回路と、
    前記入力電流検出回路で検出した入力電流および前記燃料電池からの入力電圧に基づき前記前記燃料電池からの入力電力を検出する入力電力検出回路と、
    前記入力電力検出回路で検出した入力電力に基づき前記燃料電池からの入力電力のピーク値を制限することにより前記燃料電池からの入力電力の平均値を制御する入力電力制御回路と
    を具備することを特徴とする燃料電池の出力制御装置。
  2. 前記入力電力制御回路は、
    前記入力電力検出回路で検出した前記燃料電池の入力電力のピーク値を目標平均値の略2倍の値に制限することにより前記燃料電池からの入力電力の平均値を前記目標平均値に制御する
    ことを特徴とする請求項1記載の燃料電池の出力制御装置。
  3. 前記燃料電池の出力を入力するインダクタと、
    前記インダクタの出力をスイッチングするスイッチング素子と、
    前記スイッチング素子を制御するスイッチング制御回路と
    を具備し、
    前記入力電流検出回路は、
    前記スイッチング素子の出力に基づき前記燃料電池からの入力電流を検出し、
    前記入力電力検出回路は、
    前記入力電流検出回路で検出した入力電流に前記燃料電池からの入力電圧を乗算する乗算器を含む
    ことを特徴とする請求項2記載の燃料電池の出力制御装置。
  4. 前記スイッチング制御回路は、
    前記インダクタを流れる電流に基づき前記スイッチング素子を制御する
    ことを特徴とする請求項3記載の燃料電池の出力制御装置。
  5. 前記入力電流検出回路は、
    前記スイッチング素子に並列に接続され、前記スイッチング素子を流れる電流のN分の1の電流を流すカレントミラー回路
    を具備し、
    該カレントミラー回路を流れる電流に基づき前記燃料電池からの入力電流を検出する
    ことを特徴とする請求項3記載の燃料電池の出力制御装置。
  6. 燃料電池からの入力を制御して出力する燃料電池の出力制御装置において、
    前記燃料電池の出力を入力するインダクタと前記インダクタの出力をスイッチングするスイッチング素子とを少なくとも有するコンバータと、
    前記コンバータの前記スイッチング素子を流れる電流に基づき前記燃料電池からの入力電流を検出する入力電流検出回路と、
    前記入力電流検出回路で検出した入力電流および前記燃料電池からの入力電圧に基づき前記前記燃料電池からの入力電力を検出する入力電力検出回路と、
    前記入力電力検出回路で検出した電力値と予め設定された目標電力値とを比較する比較回路と、
    前記比較回路の出力に基づき前記スイッチング素子のスイッチングを制御することにより前記燃料電池からの入力電力の平均値を前記目標電力値に対応して制御する制御回路と
    を具備することを特徴とする燃料電池の出力制御装置。
  7. 前記コンバータの出力に基づき2次電池を充電するための充電電流を出力する
    ことを特徴とする請求項6記載の燃料電池の出力制御装置。
  8. 前記目標電力値は、
    前記入力電力の目標平均値の略2倍に対応して設定される
    ことを特徴とする請求項6記載の燃料電池の出力制御装置。
  9. 前記コンバータは、
    前記インダクタを流れる電流に基づき前記スイッチング素子のスイッチングを自励的に制御する自励式アップコンバータからなる
    ことを特徴とする請求項6記載の燃料電池の出力制御装置。
  10. 前記入力電流検出回路は、
    前記スイッチング素子に並列に接続され、前記スイッチング素子を流れる電流のN分の1の電流を流すカレントミラー回路
    を具備し、
    該カレントミラー回路を流れる電流に基づき前記燃料電池からの入力電流を検出する
    ことを特徴とする請求項6記載の燃料電池の出力制御装置。
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