JP2004335396A

JP2004335396A - 燃料電池を用いた電源装置における燃料電池最適動作点追尾回路、及びこの燃料電池最適動作点追尾回路を備えた電源装置

Info

Publication number: JP2004335396A
Application number: JP2003132885A
Authority: JP
Inventors: Kimisada Kobayashi; 公禎小林; Yutaka Sekine; 豊関根
Original assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2003-05-12
Filing date: 2003-05-12
Publication date: 2004-11-25

Abstract

【課題】本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、出力特性に温度依存性がある燃料電池の最適動作電圧を検出して、燃料電池の最適動作を可能にする燃料電池を用いた電源装置を提供する。
【解決手段】燃料電池ＤＭＦＣの電力を入力とするスイッチング電源からなる電源装置において、燃料電池ＤＭＦＣの近傍にＰＮ接合ダイオードＤ１−１，Ｄ１−２，……Ｄ１−ｎを設け、ＰＮ接合ダイオードＤ１−１，Ｄ１−２，……Ｄ１−ｎに微少電流を給電して得た電圧の負の温度傾斜を、温度変化に対して、正の電圧傾斜を設定するように構成したレベル設定回路１を備えてあり、燃料電池ＤＭＦＣ及びその近傍の温度変化に追随して燃料電池ＤＭＦＣの電力出力を最大となすようにしてあることを特徴とする燃料電池最適動作点追尾回路。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の電力をスイッチング電源を用いて所要の電力を得る電源装置に関するもので、特に燃料電池設置場所の外部環境の変化、即ち、温度などの変化が生じた場合にも、常に燃料電池から最大出力電力を給電できるようにする電源装置における燃料電池最適動作点追尾回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池から発電の状態に応じて、できる限り大きな電力を給電するようにした従来の例えば、図８で示すＤＣ／ＤＣコンバータ装置の最適動作点追尾回路は、装置の入力電源として接続される燃料電池ＤＭＦＣの出力電圧を予め最大電力が得られるように予測して任意設定した固定電圧が使用される。
【０００３】
また、太陽電池の電力を入力とするスイッチング電源装置における太陽電池最適動作点追尾回路で、太陽電池の近傍に設けられた太陽電池の温度特性と略同じ温度特性を有するＰＮ接合ダイオードに電流を給電してＰＮ接合ダイオードの順方向降下電圧を温度補償電圧として検出する温度補償電圧検出回路と、温度補償電圧検出回路により検出された電圧を所要増幅率で増幅して太陽電池の温度補償電圧を出力する増幅器と、増幅器の出力の温度補償電圧と太陽電池の出力電圧とを入力とする差動増幅器と、差動増幅器の出力の制御信号とスイッチング電源の出力を安定制御するための制御信号とを比較してスイッチング電源の制御用スイッチの駆動用信号を出力する比較器Ｆとを備えているものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−３４１６９９号公報（第３−６頁、第１，９図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この場合には、燃料電池の周囲温度や発電に伴う発熱でプラス方向に変化する電池の最大電力給電のための最適動作電圧を追尾することが不可能である。
【０００６】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、出力特性に温度依存性がある燃料電池の最適動作電圧を検出して、燃料電池の最適動作を可能にする燃料電池を用いた電源装置を提供する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、温度変化により変動する燃料電池の最大出力電力を給電する動作電圧を追尾することができる。また、最適動作点追尾回路を使用することで安定した装置構成が実現できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の燃料電池最適動作点追尾回路を備えた電源装置の一実施例を示すもので、燃料電池に接続されるスイッチング電源にＤＣ−ＤＣコンバータを用いた例として示してある。図１において、ＤＭＦＣはＤＣ−ＤＣコンバータの入力に接続された燃料電池、Ｉｃｏｎは定電流給電回路、Ｄ１−１，Ｄ１−２，……Ｄ１−ｎはそれぞれＰＮ接合ダイオードで燃料電池ＤＭＦＣと絶対値的にほぼ同じ温度特性を有するように複数個を縦続接続して構成するか、或いは接続個数を１又は少数の個数として後述する増幅器により調整するようにしてもよい。
【０００９】
本発明に係る燃料電池最適動作点追尾回路は、燃料電池ＤＭＦＣの近傍に設けられたＰＮ接合ダイオードＤに微少電流を給電することで、燃料電池ＤＭＦＣの動作時温度をＰＮ接合ダイオードＤ１−１，Ｄ１−２，……Ｄ１−ｎの順方向降下電圧の形で検出する温度補償電圧検出回路を備えてある。この温度補償電圧検出回路は増幅器＃Ａを備え、この増幅器＃ＡはＰＮ接合ダイオードＤ１−１，Ｄ１−２，……Ｄ１−ｎの順方向降下電圧を所要の温度補償電圧に増幅するものである。
【００１０】
本発明に係る燃料電池最適動作点追尾回路は、検出電圧の負の温度傾斜を、温度変化に対して、正の電圧傾斜を設定するように構成したレベル設定回路１を備えてある。このレベル設定回路１の実施例については、図２及び図３に示してある。図２及び図３図示のレベル設定回路１は傾斜補償回路１１及び直流補償回路１２を備えてある。
【００１１】
傾斜補償回路１１は、減算器ＡＭＰ１を有する。この減算器ＡＭＰ１の一方で前記増幅器＃Ａで検出した信号を入力し、他方で設定温度のダイオード電圧Ｖｄｃ２を基準値として、この基準信号を入力するように構成してある。
【００１２】
図２図示のレベル設定回路１に備えてある直流補償回路１２は、加算器ＡＭＰ２を有する。この加算器ＡＭＰ２の一方で傾斜補償回路１１にてレベル変換された電圧傾斜を入力し、この加算器ＡＭＰ２の他方で補償電圧Ｖｄｃ３を調整印加して最適動作点電圧を生成するように構成してある。
【００１３】
一方、図３図示の直流補償回路１２は、抵抗Ｒ８と補償電圧Ｖｄｃ３を備え、傾斜補償回路１１に備えた減算器ＡＭＰ１の基準側に接続し、傾斜補償回路１１に直流補償回路１２をまとめたような構成になっている。この減算器ＡＭＰ１の一方で前記増幅器＃Ａで検出した信号を入力し、他方で設定温度のダイオード電圧Ｖｄｃ２を基準値として、この基準信号を入力するとともに、補償電圧Ｖｄｃ３を調整印加して電圧傾斜をレベル変換して、最適動作点電圧を生成するように構成してある。
【００１４】
本発明に係る燃料電池最適動作点追尾回路は、差動増幅器＃Ｂを備えてある。この差動増幅器＃Ｂはレベル設定回路１の出力の温度・電流補償電圧と燃料電池の出力電圧とを入力し、制御信号を出力するよう構成してある。
【００１５】
本発明に係る燃料電池最適動作点追尾回路は、比較器＃Ｃを備えてある。この比較器＃Ｃは、差動増幅器＃Ｂの出力の制御信号と、電圧検出器＃Ｄより負荷Ｒの出力電圧をレベル変換してなる電圧信号と、三角波発振器ＯＳＣから発振する安定制御するための制御信号とを比較し、スイッチング電源の制御用スイッチＳに駆動信号を出力するものである。
【００１６】
図４には図１とは別の実施例を示してある。この燃料電池最適動作点追尾回路を備えた電源装置は、動作状態検出回路２を備えてある。この動作状態検出回路２は、補償電圧と燃料電池の出力電圧とを所定時間毎に比較し、燃料電池が使用可能な状態であるかを検出する回路で、燃料電池の出力電圧が補償電圧を下回ったときに、スイッチング電源の制御用スイッチＳの動作を停止して、燃料電池の出力電圧が補償電圧を上回ったときに、スイッチング電源の制御用スイッチＳを正常に動作するもである。なお、この動作状態検出回路２は応急処置的に設けられたものなので、必ずしも必要な回路ではない。
【００１７】
上記のように構成してある燃料電池最適動作点追尾回路を備えた電源装置は、以下のように作用する。なお、燃料電池ＤＭＦＣの出力電流、出力電圧、及び出力電力の特性図を図５に示し、燃料電池ＤＭＦＣの温度と出力電圧との関係図を図６に示し、最適動作電圧の温度依存性についての波形図を図７に示す。本発明に係る燃料電池最適動作点追尾回路を備えた電源装置は、先ず、順方向降下電圧を有するＰＮ接合ダイオードＤ１−１，Ｄ１−２，……Ｄ１−ｎに定電流給電回路Ｉｃｏｎより一定電流を流すことにより順方向降下電圧が得られる。この順方向効果電圧を増幅器＃Ａにて増幅し、これを温度補償電圧としてレベル設定回路１に入力する。
【００１８】
燃料電池は図７に示すように、温度の上昇に比例して出力電圧が上昇する特性を有する。具体例としては、０℃のダイオード電圧を基準とする場合、ダイオードの順方向効果電圧は温度変化に対して、負の係数値−２ｍＶ／℃で変化する。これに対して燃料電池の温度係数は、ほぼ２ｍＶ／℃である。このような特性より、レベル設定回路１では以下のような作用をする。
【００１９】
レベル設定回路１は上記の通り傾斜補償回路１１を有する。この傾斜補償回路１１は減算器ＡＭＰ１を備え、温度補償電圧はこの減算器ＡＭＰ１の一方の端子に入力される。一方、他方の端子側には基準電源を接続してあり、この基準電圧Ｖｄｃ２を入力することにより、基準電源電圧から温度補償電圧を下記（１）式を用いて、減算器ＡＭＰ１で計算して、燃料電池の温度係数を正の値に変換している。
【００２０】
【数１】

【００２１】
また、図３図示の実施例ではレベル設定回路１に直流補償回路１２を設けてある。この直流補償回路１２は、図７で示すように、例えば、燃料電池の基準温度を０℃に設定した場合に、最適動作点は正であり、下記式（２）を用いて、最適動作点に直流補償値を与える。
【００２２】
ｙ＝０．００２１ｘ＋０．１３５２……（２）
【００２３】
傾斜補償回路１１により出力された傾斜補償電圧は直流補償回路１２に設けた加算器ＡＭＰ２の一方の端子に入力するとともに、基準電圧Ｖｄｃ３を加算器ＡＭＰ２の一方の端子に入力し、前述した式（２）を用いて、加算器ＡＭＰ２で計算し、補償電圧を出力する。出力された補償電圧は図６に示すように、燃料電池の温度に対して正の係数で比例する。以上より、最適動作点電圧を生成することができる。
【００２４】
次に、レベル設定回路１で得られた補償電圧を増幅器＃Ｂの一方の端子に入力し、他方の端子に燃料電池出力電圧を入力する。これらを増幅器＃Ｂに入力することにより、燃料電池出力電圧を補償電圧に制御するよう動作し、増幅器＃Ｂの出力にはそれに必要な制御信号が現れる。また、スイッチング電源の出力に接続された負荷Ｒｏの出力電圧を電圧検出器＃Ｄで検出する。
【００２５】
前記制御信号と、前記出力電圧と、スイッチング電源を定電圧制御する制御信号、本実施例においては三角波発振器ＯＳＣから出力された三角波信号を比較器＃Ｃにそれぞれ入力し、比較器＃Ｃの出力に出力パルス波形が得られ、スイッチング電源の制御用スイッチＳを制御する。従って、増幅器＃Ｂの制御信号が優先される場合に燃料電池の最適動作点追尾が実現され、電圧検出器＃Ｄの制御信号が優先される場合にスイッチング電源の出力定電圧制御が実現できる。
【００２６】
図４図示の実施例では動作状態検出回路２を設けてある。この動作状態検出回路２は、燃料が極端に少ない場合に、スイッチング電源を別に設定する長い周期で動作一停止の繰り返しを行う。具体的には、燃料電池の検出する電圧が基準電圧を下回ると、制御用スイッチＳへの制御パルスは発生せずに、燃料電池が使用できなくなる。つまり燃料が少なくなると、制御用スイッチの動作はパルス発生−停止という状態をランダムに繰り返される。そして、このパルスのランダム発生により電源装置から不快な動作音やノイズが発生し、電源装置は不安定動作を繰り返す。
【００２７】
そこで、燃料が極端に減少した場合には、スイッチング電源を別に設定する長い周期で動作−停止の繰り返しを行う燃料電池の動作状態検出回路２の作用により、設定するタイマーの動作周期に同期して燃料電池の動作状態検出を行う。これにより、スイッチング電源の動作も常に一定周期となるため、例えば、タイマーの動作を１ｓｅｃに設定したとすれば、周波数は１Ｈｚとなり可聴音とならず、ノイズ的に低周波数であり問題とならずに、燃料電池最適動作点追尾動作、及びスイッチング電源の出力定電圧制御を行うことができる。
【００２８】
なお、前述した実施例は、スイッチング電源としてＤＣ−ＤＣコンバータを用いた例で説明したが、スイッチング電源としてＤＣ−ＡＣインバータを用いる場合にも本発明を適用することができる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、温度変化により変動する燃料電池の最大出力電力を給電する動作電圧を追尾することができる効果がある。また、最適動作点追尾回路を使用することで安定した装置構成が実現できる効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る一実施例を示す回路図である。
【図２】本発明の要部を示す回路図である。
【図３】図２とは別の実施例を示す回路図である。
【図４】図１とは別の実施例を示す回路図である。
【図５】燃料電池の出力電流、出力電圧及び出力電力特性図である。
【図６】燃料電池の温度と出力電圧との関係図である。
【図７】最適動作電圧の温度依存性に関する波形図である。
【図８】一従来例を示す回路図である。
【符号の説明】
１レベル設定回路
２動作状態検出回路
１１傾斜補償回路
１２直流補償回路
ＤＭＦＣＤＣ−ＤＣコンバータの入力に接続された燃料電池
Ｉｃｏｎ定電流給電回路
Ｄ１−１，Ｄ１−２，……Ｄ１−ｎＰＮ接合ダイオード
ＡＭＰ１減算器
ＡＭＰ２増幅器
＃Ａ増幅器
＃Ｂ差動増幅器
＃Ｃ比較器
＃Ｄ電圧検出器
ＯＳＣ三角波発振器
Ｓ制御用スイッチＳ

Claims

燃料電池の電力を入力とするスイッチング電源からなる電源装置において、
該燃料電池の近傍にＰＮ接合ダイオードを有する温度補償電圧検出回路と、
該ＰＮ接合ダイオードに微少電流を給電して得た電圧の負の温度傾斜を、温度変化に対して、正の電圧傾斜を設定するように構成したレベル設定回路とを備えてあり、
該燃料電池及びその近傍の温度変化に追随して該燃料電池の電力出力を最大となすようにしてあることを特徴とする燃料電池最適動作点追尾回路。
前記燃料電池の近傍に設けられたＰＮ接合ダイオードに微少電流を給電することで、該燃料電池の動作時温度をＰＮ接合ダイオードの順方向降下電圧の形で検出する温度補償電圧検出回路を備えてあることを特徴とする請求項１記載の燃料電池最適動作点追尾回路。
前記レベル設定回路は、前記ＰＮ接合ダイオードの順方向電圧を温度変化に対して電圧傾斜を設定する減算器を有する傾斜補償回路を備えてあることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池最適動作点追尾回路。
前記レベル設定回路は、前記傾斜補償回路にてレベル変換された電圧傾斜に、補償電圧を調整印加して最適動作点電圧を生成する加算器を有する直流補償回路を備えてあることを特徴とする請求項３記載の燃料電池最適動作点追尾回路。
前記レベル設定回路の出力の温度・電流補償電圧と前記燃料電池の出力電圧とを入力とする差動増幅器を備えてあることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電池最適動作点追尾回路。
前記差動増幅器の出力の制御信号と前記スイッチング電源の出力を安定制御するための制御信号とを比較して前記スイッチング電源の制御用スイッチの駆動信号を出力する比較器を備えてあることを特徴とする請求項５記載の燃料電池最適動作点追尾回路。
前記補償電圧と前記燃料電池の出力電圧とを所定時間毎に比較し、該燃料電池の出力電圧が該補償電圧を下回ったときに、前記スイッチング電源の制御用スイッチの動作を停止して、該燃料電池の出力電圧が該補償電圧を上回ったときに、該スイッチング電源の制御用スイッチを正常に動作する動作状態検出回路を備えてあることを特徴とする請求項１乃至６記載の燃料電池最適動作点追尾回路。
前記温度補償電圧検出回路を構成する前記ＰＮ接合ダイオードを複数個直列に接続して構成してある請求項１乃至７のいずれかに記載燃料電池最適動作点追尾回路。
燃料電池の電力を入力とするスイッチング電源からなる電源装置において、
該燃料電池の近傍にＰＮ接合ダイオードを設け、
該ＰＮ接合ダイオードに微少電流を給電して得た電圧の負の温度傾斜を、温度変化に対して、正の電圧傾斜を設定するように構成したレベル設定回路を備えてあり、
該燃料電池及びその近傍の温度変化に追随して該燃料電池の電力出力を最大となすようにしたことを特徴とする請求項１乃至８記載の燃料電池最適動作点追尾回路を備えた電源装置。