JP2006246693A

JP2006246693A - ハイブリッド電源ならびに該ハイブリッド電源に適用されるパワーマネージメントシステムおよび方法

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Publication number: JP2006246693A
Application number: JP2006059694A
Authority: JP
Inventors: Yuh-Fwu Chou; 裕福周; 秋助 ▲らい▼; Chiou-Chu Lai; Sheng-Yong Shen; 聖詠沈
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2005-03-04
Filing date: 2006-03-06
Publication date: 2006-09-14
Anticipated expiration: 2026-03-06
Also published as: TW200633342A; TWI274454B; KR20060096353A; KR100754734B1; US20060197382A1; US7821225B2; JP2009148160A; JP4838017B2

Abstract

【課題】二次電池の電圧がカットオフ電圧であるときに二次電池が調節機能を失うことがなく、かつ二次電池が損壊することがなく、そのうえ燃料電池の燃料を浪費することがないハイブリッド電源のパワーマネージメント方法およびシステムパワーマネージメント方法とシステムを提供すること
【解決手段】本発明のハイブリッド電源のパワーマネージメント方法は、二次電池、一次電池、ＤＣ−ＤＣコンバータを提供する工程と、二次電池の電圧を検出すると共に、二次電池の電圧と電容量の対照表に基づいて、二次電池の容量状態を求める工程と、からなる。二次電池の容量が第一所定値より小さいとき、ＤＣ−ＤＣコンバータは一次電池を制御して、第一電気パラメータの第一固定値を出力する。
【選択図】図４ａ

Description

本発明は、電源ならびに該ハイブリッド電源に適用されるパワーマネージメントシステムおよぶ方法に関する。

近年、電池電源の研究領域上で、体積を小さく、電源供給時間を長くすることが要求されている以外に、環境保全の意識の高まりで、電池は、さらに、繰り返し使用でき、環境に優しいことが求められている。よって、様々な種類の電池が生まれ、太陽電池や燃料電池などがある。しかし、この種の電池は使用上多くの制限があり、例えば、燃料電池の電気エネルギーの生成には、内部の化学反応により起電力を生成すると共に充分な電流を供給することが必要なので、出力する電気パラメータ（例えば、電圧、電流、電力等）が受ける内部の酸化還元反応の各種要素の影響が大きい。この他、燃料電池が高電力出力のとき、燃料電池内の化学エネルギーを電気エネルギーに転換する効率が悪く、燃料電池使用の時間に大きな影響がある。よって、単に燃料電池だけを電源ソースとするのは効率上非常に好ましくないので、その他の電源ソースと合わせて一つのハイブリッド電源にし、これを改善する。

図１は公知のハイブリッド電源１０を示す図である。図１中、燃料電池１１は電気エネルギーをＤＣ−ＤＣコンバータ１２に提供する。このとき、二次電池１３の分圧Ｖと基準電圧Ｖ_REFにより決定される演算増幅器１６の出力電圧は制御ユニット１５に伝送される。制御ユニット１５は演算増幅器１６が伝送する電圧に基づいて、制御信号１７をＤＣ−ＤＣコンバータ１２に送り、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出力電圧Ｖ_outを調節する。しかし、燃料電池１１の最大出力電力がＤＣ−ＤＣコンバータ１２が提供するローダー４の需要をまかなえない場合、または、燃料電池１１自身の燃料変換効率が不足（つまり、容量不足）のとき、燃料電池１１の出力電圧は減少し続け、燃料電池は正常に使用できなくなる。このような状況を防止するため、燃料電池１１は各種状況を満足させなければいけない状況下で、最大出力電力はＤＣ−ＤＣコンバータ１２の需要を超過し、言い換えると、さらに高いコスト、重量、空間でないと燃料電池１１のこのような要求に達しないので、電池エネルギー軽量化が必要である。

図２は特許文献１に開示されたハイブリッド電源の構造を示す図である。本特許は燃料電池２１の状態値（電圧、電流）と基準電圧Ｖ_REFによりフィードバック信号を生成し、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２により燃料電池２１からの電気エネルギーを調整し、燃料電池２１の電気エネルギー変換効率の向上に対し一定の効果を達成し、また、燃料電池２１が正常に使用できない状況が生じるのを防止する。燃料電池２１の操作期間は燃料の濃度の変化、または、電池自身の温度変化により電極電位の変更を生じ、燃料電池２１の電流出力に影響するが、一定範囲内でフィードバックメカニズムと二次電池２３の制御により、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２により派生する電流の大きさを制御し、燃料電池２１の電圧出力を維持する。一定範囲内で、フィードバックメカニズムと二次電池２３は燃料電池の出力電力とローダー２４が必要な電力の差を調節することができるが、二次電池２３がフル充電、または、二次電池２３の電圧がカットオフ電圧であるとき、二次電池２３は調節機能を失い、これにより二次電池２３が損壊する恐れがある。

図３は特許文献１に開示されたハイブリッド電源の回路構造図である。図からわかるように、燃料電池３１の出力電圧と基準電圧Ｖ_REFは演算増幅器３２を経た後、制御信号ＶＣＯＮＴＲＯＬを生成し、このＶＣＯＮＴＲＯＬはＤＣ−ＤＣコンバータ３３中に送入される。ＤＣ−ＤＣコンバータ３３は昇圧ＤＣ−ＤＣコンバータ（ｂｏｏｓｔ−ｔｙｐｅＤＣ−ＤＣｐｏｗｅｒｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）で、本実施例中、ＭＡＸＩＭチップ（チップ番号ＭＡＸ１７０１）とその他の素子からＤＣ−ＤＣコンバータ３４を構成する。二次電池３６がフル充電のとき、燃料電池３１が電力を二次電池３６に出力し続けていれば、二次電池３６の損壊を招く恐れがあり、よって、米国特許第６５９０３７０号では、保護回路３５を提供し、二次電池３６を保護している。保護回路３５は分流調整器（ｓｈｕｎｔｖｏｌｔａｇｅｒｅｇｕｌａｔｏｒ）で、二次電池３６の電圧がカットオフ電圧に達したとき（二次電池が既にフル充電である）、僅かなボルトだけが二次電池３６に伝送され（二次電池がフル充電時充電を停止したのではなく、微小の電流で充電する）、残りは保護回路３５に伝送され、保護回路３５中で熱エネルギーに転換されて消失する。このようにして二次電池３６の損壊を防止し、また、燃料電池３１の使用効率を向上させる。これにより、二次電池３６損壊の問題を解決するが、残りの電気エネルギーを熱エネルギーに転換して消耗する方法は、燃料電池３１の燃料を浪費するだけでなく、システム熱エネルギー管理の負担を招く。さらに、二次電池３６の電量が使い尽くされると、電圧がカットオフ電圧になり、電源異常（ｐｏｗｅｒｆａｉｌｕｒｅ）の状況が発生する。

米国特許第６５９０３７０号明細書

本発明は二次電池の電圧がカットオフ電圧であるときに二次電池が調節機能を失うことがなく、かつ二次電池が損壊することがなく、そのうえ燃料電池の燃料を浪費することがなく、二次電池３６の電量が使い尽くされても電源異常（ｐｏｗｅｒｆａｉｌｕｒｅ）の状況が発生しないハイブリッド電源のパワーマネージメント方法およびシステムとりわけ一次電池と二次電池の容量状態を制御因子とするパワーマネージメント方法とシステムを提供することを目的とする。

本発明のハイブリッド電源のパワーマネージメント方法は、二次電池、一次電池、ＤＣ−ＤＣコンバータを提供する工程と、二次電池の電圧を検出すると共に、二次電池の電圧と電容量の対照表に基づいて、二次電池の容量状態を求める工程と、からなる。二次電池の容量が第一所定値より小さいとき、ＤＣ−ＤＣコンバータは一次電池を制御して、第一電気パラメータの第一固定値を出力し、二次電池の容量が第二所定値以上のとき、ＤＣ−ＤＣコンバータが第二電圧を出力する。

本発明のハイブリッド電源装置は、電気エネルギー出力端を有する一次電池と、電気エネルギー入力端を有する二次電池と、一次電池の第一状態信号と二次電池の第二状態信号を取得し、制御信号を出力する制御ユニットと、一次電池の電気エネルギー出力端を結合する第一電気エネルギー入力端、二次電池の電気エネルギー入力端を結合する第一電気エネルギー出力端を有し、制御ユニットが伝送する制御信号を受信し、入力、出力電圧を調整するＤＣ−ＤＣコンバータと、からなる。二次電池の容量が第一所定値より小さいとき、制御ユニットは制御信号を発信し、ＤＣ−ＤＣコンバータは一次電池を制御して、第一電気パラメータの第一固定値を出力し、二次電池の容量が第二所定値より大きいとき、制御ユニットは制御信号を出力して、ＤＣ−ＤＣコンバータは第二固定電圧を出力する。二次電池の容量が第二所定値より大きく、第一所定値より小さいとき、制御ユニットは制御信号を出力して、一次電池がＤＣ−ＤＣコンバータに入力する電圧を増加する。

本発明により、燃料電池の使用効果が向上する。

公知技術の問題を解決するため、本発明はハイブリッド電源装置のハイブリッド電源のマネージメント方法を提供し、二次電池、一次電池、および、ＤＣ−ＤＣコンバータを提供する工程と、二次電池の電圧を検出し、二次電池の電圧と電容量対照表に基づいて、二次電池の容量状態を求める工程と、からなる。二次電池の容量が第一所定値より小さいとき、ＤＣ−ＤＣコンバータは一次電池を制御して、第一電気パラメータの第一固定値を出力し、二次電池の容量が第二所定値以上のとき、ＤＣ−ＤＣコンバータは第二電圧を出力する。

図４ａは本発明の構造を示す図で、構造図はローダー４７を接続するハイブリッド電源装置４０の功能を示し、状態検出器４５、４６は、それぞれ、一次電池４１と二次電池４３の状態値（例えば、電圧、または、電流）を検出し、検出した状態値を電圧信号に転換し、制御ユニット４４に伝送する。制御ユニット４４は受信した電圧信号に基づいて、制御信号４８をＤＣ−ＤＣコンバータ４２に出力するのを決定する。ＤＣ−ＤＣコンバータ４２はこの制御信号４８に基づいて、入力電圧Ｖ_in、または、出力電圧Ｖ_outを調節する。二次電池４３の電圧が第一所定値より小さいとき、制御ユニット４４は制御信号４８を送信し、一次電池４１はＤＣ−ＤＣコンバータ４２に固定電圧を入力する。二次電池４３の電圧が第二所定値以上のとき、制御ユニット４４は制御信号４８を出力して、ＤＣ−ＤＣコンバータ４２は固定電圧を出力する。二次電池４３の電圧が第一所定値より大きく、第二所定値より小さいとき、制御ユニット４４は制御信号４８を出力し、一次電池４１がＤＣ−ＤＣコンバータ４２に入力する電圧を増加する。

図４ｂは本発明のもう一つの構造を示す図で、構造図はローダー４０７を接続するハイブリッド電源装置４００の功能を示し、状態検出器４０５、４０６は、それぞれ、一次電池４０１と二次電池４０３の状態値（例えば、電圧、または、電流）を検出し、検出した状態値を電圧信号に転換し、制御ユニット４０４に伝送する。制御ユニット４０４は受信した電圧信号に基づいて、制御信号４０８をＤＣ−ＤＣコンバータ４０２に出力するか、または、制御信号４０９をスイッチ素子４１０に出力する。ＤＣ−ＤＣコンバータ４０２は制御信号４０８に基づいて、入力電圧Ｖ_in、または、出力電圧Ｖ_outを調節する。スイッチ素子４１０は制御信号４０９に基づいて、燃料電池がエネルギーを継続してＤＣ−ＤＣコンバータ４０２に出力するかを決定する。二次電池４０３の電圧が第一所定値より小さいとき、制御ユニット４０４は制御信号４０８を送信し、一次電池４０１はＤＣ−ＤＣコンバータ４０２に固定電圧を入力する。二次電池４０３の電圧が第二所定値以上のとき、制御ユニット４０４は制御信号４０９をスイッチ素子４１０に出力して、一次電池４１０とＤＣ−ＤＣコンバータ４０２間のエネルギー伝送を中止し、二次電池４０３の電圧が第二所定値より小さくなったとき、一次電池４０１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０２へのエネルギー伝送を継続する。二次電池４０３の電圧が第一所定値より大きく、第二所定値より小さいとき、制御ユニット４０４は制御信号４０８を出力し、一次電池４０１がＤＣ−ＤＣコンバータ４０２に入力する電圧を増加する。

本発明が使用する一次電池は燃料電池、または、太陽電池からなり、二次電池はリチウムイオン二次電池、ニッケル水素二次電池、または、鉛酸バッテリーからなる。本明細書中では、燃料電池は一次電池で、リチウムイオン電池は二次電池を例として説明し、一次電池は３２個のダイレクトメタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）ユニットを直列してなり、二次電池は三個のリチウムイオンセルを直列してなる。

図５は本発明の第一実施例の構造を示す図で、制御ユニット５６は回路として詳細に表示されるが、制御ユニット５６をこの回路に制限するものではない。電圧測定ユニット５４は燃料電池５１の電圧Ｖ_Fを測定し、電圧信号Ｖ_inに転換する。電圧測定ユニット５５は二次電池５３の電圧ＶＳを測定し、電圧信号Ｖ_outに転換する。本発明の実施例中、Ｖ_F＝Ｖ_inで説明する。

二次電池の電圧Ｖ_Sが１２．２５Ｖより高い（二次電池がフル充電電圧）とき、電圧信号Ｖ_outが２．５Ｖより高く（所定の制御目標点で、つまり、基準電圧Ｖ_ref）、ダイオードＤ０は導通し、フィードバック電圧Ｖ_FBはＶ_out＝Ｖ_FBになり、ＤＣ−ＤＣコンバータ５２はフィードバック電圧Ｖ_FBを受信した後、燃料電池５１は二次電池５３の電圧が１２．２５ＶになるまでＤＣ−ＤＣコンバータ５２に出力する電気エネルギーを減少させる。

二次電池５３の電圧が１２．２５Ｖより低いとき、ダイオードＤ０は導通せず、フィードバック電圧Ｖ_FBの大きさはＶ_inにより制御される。Ｖ_inが８Ｖ（燃料電池の最低使用電圧で、燃料電池５１は許容できる最低の燃料変換効率を有する）とき、Ｖ_FBは２．５Ｖである。Ｖ_inが高くなるとき、Ｖ_FBは下降し、ＤＣ−ＤＣコンバータ５２はフィードバック電圧Ｖ_FBを受信した後、燃料電池５１に多くの電気エネルギーを汲み取らせ、よって、燃料電池５１の電圧が低下し、フィードバック電圧Ｖ_FBが所定の制御目標点に達する。これにより、本実施例中、二次電池５３がフル充電時、燃料電池５１の電圧Ｖ_Fはローダー５７の電力需要によって変動するが、ＤＣ−ＤＣコンバータ５２は定電圧を出力する。二次電池５３がフル充電に達していないとき、燃料電池５１は予設の最低電圧操作により、この状況下で出力できる最大電力を提供し、二次電池５３を迅速に充電する。

図６は図５の実施例を応用した燃料電池Ｖ_Fと二次電圧Ｖ_Sの対照図である。Ｖ_osは二次電池のカットオフ電圧（フル充電時の電圧）で、Ｖ_isは燃料電池の予設最低電圧で、かつ、電圧Ｖ_isに対応するとき、燃料電池は許容できる最低の燃料変換効率を有する。図６から分かるように、二次電池電圧がＶ_osより低い（二次電池がフル充電でない）とき、燃料電池は固定電圧Ｖ_isを出力し（燃料電池は許容できる最低の燃料変換効率で出力される）、二次電池がＶ_osに等しい（二次電池がフル充電）とき、ＤＣ−ＤＣコンバータ５２の出力電圧をＶ_osに固定し、かつ、ローダーの電力需要に従い、燃料電池の電圧を増加させて、燃料電池の電力出力を低下させ、燃料電池の使用効率を増進する。

図７は本発明の第二実施例を示す図で、制御ユニット７６は回路として詳細に表示されるが、制御ユニット７６をこの回路に制限するものではない。電圧測定ユニット７４は燃料電池７１の電圧Ｖ_Fを測定し、電圧信号Ｖ_inに転換する。電圧測定ユニット７５は二次電池７３の電圧Ｖ_Sを測量し、電圧信号Ｖ_outに転換し、
本発明の実施例中、Ｖ_F＝Ｖ_inで説明する。

本実施例中、燃料電池７１の使用効率を向上させるために、燃料電池の電圧に対しマルチポイント（または、多段）制御を実行し、本実施例は二次電池７３が二制御点を提供するのを例として説明する。電圧Ｖ_Sが１１．４Ｖ以下である（二次電池７３の第一制御点、各リチウムイオンセル電圧が３．８Ｖ）のとき、第一実施例と同じように、ＤＣ−ＤＣコンバータ７２は燃料電池７１の出力を制御し、Ｖ_inを８Ｖに維持する。電圧Ｖ_Sが１１．４〜１２．２５Ｖ（二次電池７３の第二制御点）の間であるとき、変換回路により燃料電池７１を調整して、等比例で、８Ｖ（燃料電池７１の最低使用電圧、各燃料電池電圧は０．２５Ｖ）から１１．２Ｖ（本実施例中、二次電池７３がフル充電であるとき、燃料電池７１の対応電圧で、各リチウムイオンセル電圧は０．３５Ｖ）に増加し、最後に、電圧Ｖ_Sが１２．２５Ｖ（各リチウムイオンセル電圧４．０８Ｖ）のとき、ＤＣ−ＤＣコンバータ７２が定出力電圧制御に変わり、電圧Ｖ_Sを１２．２５Ｖに維持する。これにより、本実施例中、二次電池７３がフル充電のとき（二次電池電圧が１２．２５Ｖ）、燃料電池７１の電圧はローダー７７の電力需要により変動し、ＤＣ−ＤＣコンバータ７２は出力電圧を固定する。二次電池７３の電圧が制御電圧より低いとき、燃料電池７１は予設の最低電圧を出力し、燃料電池７１が提供できる最大電力を提供し、迅速に、二次電池７３に替わって充電し、ＤＣ−ＤＣコンバータ７２は入力電圧を固定する。二次電池７３の電圧が制御電圧より高いとき（二次電池７３の第一制御点）、二次電池７３は相当量の電気エネルギーを有するが、フル充電でないとき、燃料電池７１は使用電圧を序々に増加させて、燃料電池７１の出力電力を低下させ、燃料電池７１自身の電気エネルギー変換効率を向上させ、燃料電池７１の使用効果をさらに好ましくする。

図８は図７の実施例を応用した燃料電池Ｖ_Fと二次電圧Ｖ_Sの対照図である。Ｖ_osは二次電池のカットオフ電圧（フル充電時の電圧）で、Ｖ_os1は二次電池の制御基準電圧で、Ｖ_isは燃料電池の予設最低電圧で、かつ、燃料電池が電圧レベルＶ_isであるとき、燃料電池は許容できる最低の燃料変換効率を有する。図８から分かるように、二次電池電圧がＶ_os1より低いとき、燃料電池の出力電圧は予設の最低電圧を維持する。二次電池電圧がＶ_os1より高く、Ｖ_osより低いとき、燃料電池の出力電圧を二次電池電圧がＶ_osになるまで（二次電池がフル充電である）次第に増加し、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧をＶ_osに固定し、かつ、ローダーの電力需要に従い、燃料電池の電圧を増加させる。このような方法は、二次電池のフル充電の時間を増加させるが、燃料電池の特性に基づいて、燃料電池の使用効率がさらに向上する。

図９は本発明の第三実施例を示す図で、制御ユニット９６は回路として詳細に表示されるが、制御ユニット９６をこの回路に制限するものではない。電圧測定ユニット９４は燃料電池９１の電流Ｉ_Fを測定し、電圧信号Ｖ_inに転換する。電圧測定ユニット９５は二次電池９３の電圧Ｖ_Sを測定し、電圧信号Ｖ_outに転換する。本発明の実施例中、電圧測定ユニット９４はホール素子（Ｈａｌｌｅｌｅｍｅｎｔ）を使用し、直接、燃料電池９１の電流の大きさを測定するか、または、燃料電池９１の出力電流が抵抗を経過して電圧降圧により求められる電流の大きさを測量すると共に、電流信号を電圧信号に転換して制御ユニット９６に伝送する。

本実施例中、電流測定ユニット９４は必要な最大電流を１．２Ａに設定し、かつ、この電流に対応する転換後の電圧信号Ｖ_inは２．５Ｖである。第一実施例中の制御ユニット５６と同じように、本実施例中、制御ユニット９６と制御ユニット５６の操作は類似し、異なるのは、第一実施例中、制御ユニット５６は燃料電池５１の電圧に基づいて操作し、本実施例中の制御ユニット９６は燃料電池９１の電流に基づいて操作することである。二次電池９３の電圧Ｖ_Sが１２．２５Ｖより高い（二次電池９３がフル充電）とき、電圧信号Ｖ_outは２．５Ｖより高く、ダイオードＤ１は導通し、フィードバック電圧Ｖ_FB＝Ｖ_outになる。ＤＣ−ＤＣコンバータ９２はフィードバック電圧信号Ｖ_FBを受信した後、燃料電池９１は二次電池９３の電圧が１２．２５ＶになるまでＤＣ−ＤＣコンバータに出力する電気エネルギーを減少する。電圧Ｖ_outが１２．２５Ｖより低いとき、ＤＣ−ＤＣコンバータ９２に伝送されるフィードバック電圧Ｖ_FBは２．５Ｖで、Ｖ_inは２．５Ｖに固定されなければならず、つまり、燃料電池９１は固定電流１．２Ａ（燃料電池９１の最大出力電流で、燃料電池９１が許容できる最低の変換効率下の最大電流出力を示す）により出力されなければならない。これにより、本実施例中、二次電池９３がフル充電時、燃料電池９１の出力電流Ｉ_Fはローダーの電力需要により変動するが、ＤＣ−ＤＣコンバータ９２は定電圧を出力する。二次電池９３がフル充電に達しないとき、燃料電池９１は予設の最大電流出力により、この状況下で出力できる最大電力を提供し、二次電池９３を迅速に充電する。

図１０は図９の実施例を応用した燃料電池の電流Ｉ_Fと二次電池の電圧Ｖ_Sの対照図である。Ｖ_osは二次電池のカットオフ電圧（フル充電時の電圧）で、電流Ｉ_isは燃料電池の予設最大出力電流で、かつ、この電流に対応するとき、燃料電池は許容できる最低の燃料変換効率下の最大出力電力を有する。図１０から分かるように、二次電池電圧がＶ_osより低いとき（二次電池がフル充電でない）、燃料電池は固定電流Ｉ_isを出力する（最大電力）。二次電池電圧がＶ_osと等しい（二次電池がフル充電）とき、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧をＶ_osに固定し、かつ、ローダーの電力需要に従い、燃料電池の出力電流を減少させて、燃料電池の電力出力を低下させて、燃料電池の使用効率を増進する。

図１１は本発明の第四実施例を示す図である。電力測定ユニット１１５は一次電池１１１の電力を測定した後、電圧信号に転換して制御ユニット１１４に伝送し、電圧測定ユニット１１６は二次電池１１３の電圧を測定した後、電圧信号に転換して制御ユニット１１４に伝送する。本実施例において、電力測定ユニット１１５中、燃料電池１１１の最大出力電力を１０Ｗに設定し、対応する電圧は２．５Ｖである。二次電池１１３の電圧が１２．２５Ｖより小さい（二次電池がフル充電でない）とき、制御ユニット１１４は制御信号１１８を出力し、燃料電池１１１はＤＣ−ＤＣコンバータ１１２に最大出力電力を入力する。二次電池１１３の電圧が１２．２５Ｖ以上（二次電池がフル充電）のとき、制御ユニット１１４は制御信号１１８を出力し、ＤＣ−ＤＣコンバータは固定電圧（１２．２５Ｖ）を出力する。本実施例中、燃料電池１１１に対し、マルチポイント（または、多段）制御を実行する。二次電池の電圧が１１．４〜１２．２５Ｖ間であるとき、制御ユニット１１４は制御信号１１８を出力し、一次電池がＤＣ−ＤＣコンバータ１１２に入力する電力を減少する。よって、本実施例中、二次電池１１３がフル充電時（二次電池の電圧が１２．２５Ｖ）、燃料電池１１１の電圧はローダー１１７の電力需要によって変動し、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１２は出力電圧を固定する。二次電池１１３の電圧が制御電圧より低いとき、制御ユニット１１４は制御信号１１８を出力し、燃料電池１１１は、最大電力をＤＣ−ＤＣコンバータ１１２に出力し、迅速に二次電池１１３に替わって充電し、このとき、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１２は入力電力を固定する。二次電池１１３の電圧が制御電圧より高く（二次電池１１３の第一制御点）、二次電池１１３が相当な電気エネルギーを有するがフル充電でないとき、燃料電池１１１は出力電力を低下させて、燃料電池１１１自身の電気エネルギー変換効率を向上させて、使用功能をさらに好ましくする。

図１２は本発明の第五実施例を示す図である。本実施例中、最大電力点追従（ＭＰＰＴ：ＭａｘｉｍｕｍＰｏｗｅｒＰｏｉｎｔＴｒａｃｋｉｎｇ）ユニット１２５により一次電池１２１の最大電力を追随し、制御ユニット１２４は電圧測定ユニット１２６の信号に基づいてこのときのＤＣ−ＤＣコンバータ１２２の動作を決定する。二次電池１２３がフル充電のとき、制御ユニット１２４は制御信号１２８を出力し、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２２の出力電圧を固定し、このとき、燃料電池１２１の出力電力はローダー１２７の需要により決定される。二次電池１２３の電圧が所定値より低いとき、制御ユニット１２４は制御信号１２８を出力し、一次電池１２１はこのときの最大電力をＤＣ−ＤＣコンバータ１２２に出力し、二次電池１２３を迅速に充電する。

図１３は本発明の第六実施例を示す図である。本実施例の制御方法と前述の実施例の差異は、前述の実施例の制御方式は元のアナログ制御をデジタル制御に変えたことである。アナログデジタルコンバータ１３５と１３６は、それぞれ、一次電池１３１と二次電池１３３の電気パラメータ、例えば、電圧、電流、または、電力などを測定し、それをデジタル信号に転換して制御ユニット１３４（制御ユニット１３４は、８０５１、ＰＩＣシリーズ、または、ＤＳＰチップなどのマイクロプロセッサである）に伝送する。制御ユニット１３４はアナログデジタルコンバータ１３５と１３６の信号に基づいて、出力信号を決定すると共に、デジタルアナログコンバータ（図示しない）により制御信号１３８に転換して、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３２を制御する。本実施例の制御方式を利用して、回路の複雑性を減少させ、また、ソフトやファームウェアの更新により、制御ユニット１３４の制御方式を変更する。この他、デジタル方式を利用して、精確に燃料電池１３１と二次電池１３３の電圧を制御し、燃料電池１３１に対しマルチポイント制御する場合、さらに好ましい効果が得られる。

図１４は本発明の第七実施例を示す図である。本実施例中、一次電池１４１と二次電池ユニット１４３からなるハイブリッド電源装置１４０を提供し、二次電池ユニット１４３は一つ、または、複数の二次電池セルを有する。ハイブリッド電源装置１４０はさらに、ＤＣ−ＤＣコンバータ１４２を有し、ＤＣ−ＤＣコンバータ１４２は制御ユニット１４４が出力する制御信号Ｚを受信し、ＤＣ−ＤＣコンバータ１４２の入力と出力を調節する。制御ユニット１４４は入力測定ユニット１４５が出力する第一信号Ｘと出力測定ユニット１４６が出力する第二信号Ｙを受信し、制御信号Ｚを生成すると共に、ＤＣ−ＤＣコンバータ１４２に出力する。入力測定ユニット１４５は一次電池１４１に結合され、一次電池１４１の電流、電圧、電力を測定し、第一信号Ｘに転換する。出力測定ユニット１４６は二次電池ユニット１４３に結合され、二次電池ユニット１４３の総電圧、単一の二次電池の電圧、または、二次電池１４３の残り容量を測定すると共に、第二信号Ｙに転換する。

図１５は図１４中の制御ユニット１４４の回路を示す図である。本実施例中、第一信号Ｘと第二信号Ｙは比較器１５１により、制御信号Ｚが第一信号がＸなのか第二信号がＹなのか決定する。本実施例中、二次電池１４３の容量が第一所定値より小さいとき、制御信号Ｚは第二信号Ｙで、二次電池１４３の容量が第二所定値より大きいとき、制御信号Ｚは第一信号Ｘである。制御ユニット１４４が出力する制御信号Ｚは、ＤＣ−ＤＣコンバータ１４２が二次電池ユニット１４３の容量が第一所定値より小さいとき、燃料電池１４１はＤＣ−ＤＣコンバーに固定電圧、電流、または、電力を出力する。二次電池ユニット１４３の容量が第二所定値より大きいとき、ＤＣ−ＤＣコンバータ１４２は固定電圧を二次電池１４３に出力する。

図１６は図１４中の制御ユニット１４４のもう一つの回路図である。制御ユニット１４４の回路図中、演算増幅器１６１と１６２、および、ダイオード１６３により、第一信号Ｘと第二信号Ｙの大きさを比較すると共に、両者の信号が大きいものを制御信号Ｚとする。制御信号Ｚが第二信号Ｙであるとき、ＤＣ−ＤＣコンバータ１４２は固定電圧を二次電池１４３に出力する。制御信号Ｚが第一信号Ｘであるとき、燃料電池１４１はＤＣ−ＤＣコンバータに固定電圧、電流、または、電力を出力する。

本実施例をさらに分かりやすくするため、本実施例は、さらに入力測定ユニット１４５と出力測定ユニット１４６の回路図を提供する。図１７は図１４中の入力測定ユニット１４５の回路図である。一次電池１４１の電圧Ｖ_fcは比較器により基準電圧Ｖ_refと比較して、第一信号Ｘを得る。図１８は図１４中の出力測定ユニット１４６の回路図である。二次電池ユニットの電圧Ｖ_Sは抵抗Ｒ１、Ｒ２の分圧により第二信号Ｙを生成する。本実施例は図１７と図１８の入力測定ユニット１４５と出力測定ユニット１４６を例としているが、これに限定するものではない。図１７中の入力測定ユニットは電圧測定ユニットであるが、必要に応じて、電流測定ユニット、または、電力測定ユニットに変更できる。図１８の出力測定ユニットは電圧測定ユニットで、二次電池ユニットの電圧測定ユニット、または、二次電池１４３の残容量を測定する。

本実施例がさらに好ましい制御を得るため、本実施例はさらに、フィードバック信号生成回路を提供する。本回路中、二次電池１４３の総電圧Ｖ_Sはフィードバック電圧で、少なくとも一つの比較器と基準電圧Ｖ_refを比較して、フィードバック信号Ｑを生成する。図２０で示されるように、フィードバック信号Ｑは図１７中の基準電圧Ｖ_refを代替し、第一信号Ｘを変更する。このようなフィードバック制御は、二次電池１４３の容量が第一所定値と第二所定値間にあるとき、一次電池１４１がＤＣ−ＤＣコンバータ１４２に入力する電圧、電流、または、電力を調整する。図２１は図１４中の出力測定ユニット１４６がフィードバック信号を加えたことを示す図で、本実施例中、出力測定ユニット１４６が加入したフィードバック信号Ｑの制御において、本実施例中のフィードバック信号Ｑは図１９のフィードバック信号が回路中の二次電池１４３に生成する総電圧Ｖ_Sを一次電池の電圧Ｖ_fcに変更し、さらに、基準電圧Ｖ_refと比較して生成され、第二信号Ｙを変更し、このようなフィードバック制御により二次電池１４３の容量が第一に入力する電圧、電流、電力を調整する。

本発明では好ましい実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本発明に限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本発明の精神と領域を脱しない範囲内で各種の変動や潤色を加えることができ、従って本発明の保護範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。

公知技術の燃料電池ハイブリッド電源装置を示す図である。米国特許第６５９０３７０号の構造図である。米国特許第６５９０３７０号の回路図である。本発明の構造図である。本発明のもう一つの構造図である。本発明の第一実施例の構造を示す図である。図５の実施例を応用した燃料電池電圧Ｖ_Fと二次電池電圧Ｖ_Sの対照図である。本発明の第二実施例の構造を示す図である。図７の実施例を応用した燃料電池電圧Ｖ_Fと二次電池電圧Ｖ_Sの対照図である。本発明の第三実施例の構造を示す図である。図９の実施例を応用した燃料電池電流Ｉ_Fと二次電池電圧Ｖ_Sの対照図である。本発明の第四実施例の構造を示す図である。本発明の第五実施例の構造を示す図である。本発明の第六実施例の構造を示す図である。本発明の第七実施例の構造を示す図である。図１４の制御ユニット１４４の回路図である。図１４の制御ユニット１４４のもう一つの回路図である。図１４の入力測定ユニット１４５の回路図である。図１４の出力測定ユニット１４６の回路図である。フィードバック信号生成回路を示す図である。図１４中の入力測定ユニット１４５がフィードバック信号を加入したことを示す図である。図１４中の出力測定ユニット１４６がフィードバック信号を加入したことを示す図である。

符号の説明

１０、４０、４００、１４０ハイブリッド電源装置
１１、２１、３１、５１、７１、９１燃料電池
１２、２２、３３、３４、４２、４０２、５２、７２、９２、１１２、１２２、１３２、１４２ＤＣ−ＤＣコンバータ
１３、２３、３６、４３、４０３、５３、７３、９３、１１３、１２３、１３３二次電池
１４、２４、３７、４７、４０７、５７、７７、９７、１１７、１２７、１３７ローダー
１５、２６、４４、５６、７６、９６、４０４、１１４、１２４、１３４、１４４制御ユニット
１６、２５、３２、１６１、１６２演算増幅器
１７、４８、４０８、４０９、１１８、１２８、１３８制御信号
３５保護回路
４１、４０１、１１１、１２１、１３１、１４１一次電池
４５、４６、４０５、４０６状態検出器
４１０スイッチ素子
５４、５５、７４、７５、９５、１１６、１２６電圧測定ユニット
９４、９６電流測定ユニット
１１５電力測定ユニット
１２５最大電力点追従
１３５、１３６アナログデジタルコンバータユニット
１４３二次電池ユニット
１４５入力測定ユニット
１４６出力測定ユニット
１５１比較器
１６３ダイオード

Claims

ハイブリッド電源装置のパワーマネージメント方法であって、
二次電池を設ける工程と、
一次電池を設ける工程と、
ＤＣ−ＤＣコンバータを設ける工程と、
前記二次電池の容量状態を取得する工程
とを含み、
前記二次電池の容量が第一所定値より小さいとき、ＤＣ−ＤＣコンバータは一次電池を制御して、第一電気パラメータの第一固定値を出力する
ことを特徴とする方法。
前記二次電池の容量が第二所定値以上であるとき、前記ＤＣ−ＤＣコンバータが制御されて、前記一次電池に第二電気パラメータの第２の電圧を出力させる工程をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記第二電池の容量が第二所定値以上のとき、前記一次電池とＤＣ−ＤＣコンバータ間のエネルギー伝送を中止する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記第一電気パラメータは電圧で、かつ、前記二次電池の容量が前記第一所定値より大きく、前記第二所定値より小さいとき、前記二次電池の容量の増加に基づいて、前記一次電池は前記ＤＣ−ＤＣコンバータへ出力する電圧を増加することを特徴とする請求項２に記載の方法。
前記第一電気パラメータは電流または電力で、かつ、前記二次電池の容量が前記第一所定値より大きく、かつ、前記第二所定値より小さいとき、前記二次電池の容量の増加に基づいて、前記一次電池は前記ＤＣ−ＤＣコンバータへ出力する電流または電力を減少することを特徴とする請求項２に記載の方法。
二次電池電圧と電容量対照表を設ける工程と、
前記二次電池の電圧を検出し、前記二次電池電圧と電容量対照表に基づいて、前記二次電池の容量状態を求める工程と、
からなることを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記第一所定値は前記第二所定値に等しいことを特徴とする請求項２に記載の方法。
ハイブリッド電源装置であって、
電気エネルギー出力端を有する一次電池と、
電気エネルギー出力端を有する二次電池と、
前記一次電池の電力状態と前記二次電池の容量状態を取得し、制御信号を出力する制御ユニットと、
前記一次電池の電気エネルギー出力端を結合する第一電気エネルギー入力端、前記二次電池の電気エネルギー入力端を結合する第一電気エネルギー出力端、前記制御ユニットが伝送する前記制御信号を受信する制御端を有し、パワーマネージメント手段として機能するＤＣ−ＤＣコンバータ
とからなり、
前記二次電池の容量が第一所定値より小さいとき、前記制御ユニットは前記制御信号を送信し、前記制御ユニットは一次電池を制御して、第一電気パラメータの第一固定値を出力する
ことを特徴とする装置。
前記パワーマネージメント手段が、
前記二次電池の容量が第二所定値より大きいとき、制御ユニットは制御信号を伝送し、前記一次電池を制御して、第２の電圧を出力する機能をさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
前記第一の値は前記第二の値に等しいことを特徴とする請求項９に記載の装置。
前記パワーマネージメント手段が、
前記第一電気パラメータが電圧で、かつ、前記二次電池の容量が前記第二所定値より大きく、前記第二所定値より小さいとき、前記制御ユニットは前記制御信号を出力し、前記二次電池容量の増加に基づいて、前記一次電池を制御して前記ＤＣ−ＤＣコンバータに出力する電圧を増加する機能を含むことを特徴とする請求項９に記載の装置。
前記パワーマネージメント機能が、さらに
前記第一電気パラメータが電流または電力で、かつ、前記二次電池の容量が前記第一所定値より大きく、前記第二所定値より小さいとき、前記制御ユニットは前記制御信号を出力し、前記二次電池の容量の増加に基づいて、前記一次電池を制御して前記ＤＣ−ＤＣコンバータに入力する電流または電力を減少する機能をさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の装置。
さらに
前記一次電池の第一電気パラメータを検出すると共に、前記第一電気パラメータに対応する第一状態信号に転換する第一状態検出器と、
前記二次電池の第二電気パラメータを検出すると共に、前記第二電気パラメータに対応する第二状態信号に転換する第２の電圧測定ユニット
とをさらに備えてなる
ことを特徴とする請求項９に記載の装置。
前記第一状態検出器が、電圧測定ユニット、電流測定ユニット、電力測定ユニットまたは最大電力点追従ユニットであることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
前記第一状態信号および第二状態信号が、電圧信号であることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
ハイブリッド電源装置であって、
一次電池と、
前記一次電池に電気的に接続され、前記一次電池の第一電気パラメータに基づいて第一信号を出力する入力測定ユニットと、
一または２以上の二次電池セルを有する二次電池と、
前記二次電池に接続され、前記二次電池の第二電気パラメータに基づいて第二信号を出力する出力測定ユニットと、
前記第一信号と前記第二信号を受信すると共に、第三信号を出力し、前記第三信号は前記第一信号と前記第二信号のどちらかである制御ユニットと、
前記一次電池と前記二次電池に電気的に接続され、前記第三信号に基づいてＤＣ−ＤＣコンバータの入力が第一電気パラメータを有し、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を調節し、前記二次電池ユニットの容量が第一所定値より小さいとき、前記第三信号に基づいて、前記一次電源を制御して第一電気パラメータの第一の値を出力し、前記二次電池ユニットの容量が第一所定値以上のとき、前記第三信号に基づいて、第二電圧を出力するＤＣ−ＤＣコンバータ
とからなることを特徴とする装置。
前記制御ユニットが、さらに比較ユニットをさらに有し、前記第二信号が基準信号より大きいとき、前記第三信号は前記第一信号で、前記第二信号が基準信号より小さいとき、前記第三信号は前記第二信号であることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
前記制御ユニットが、さらに比較ユニットをさらに有し、前記比較ユニットは前記第一信号と前記第二信号を比較して、前記制御ユニットは前記比較器の比較結果に基づいて、前記第一信号と前記第二信号のどちらかを前記第三信号に選択することを特徴とする請求項１６に記載の装置。
前記第一所定値が前記第二所定値に等しいことを特徴とする請求項１６に記載の装置。
前記第二電気パラメータは前記二次電池ユニット中の少なくとも１つの二次電池セルの電圧であることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
さらに
制御信号生成回路をさらに有し、前記制御信号生成回路は基準信号と前記第二信号を受信して、制御信号を出力し、前記第三信号を調節することを特徴とする請求項１６に記載の装置。
前記入力測定ユニットはさらに前記制御信号に基づいてさらに前記第一信号を調節することを特徴とする請求項２１に記載の装置。
前記第一電気パラメータが電圧で、かつ、前記二次電池の容量が第二所定値より小さく、第一所定値より大きいとき、前記第三信号は前記ＤＣ−ＤＣコンバータを制御して、前記一次電池から前記ＤＣ−ＤＣコンバータが入力する電圧を増加させることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
前記第一電気パラメータが電流または電力で、かつ、前記二次電池の容量が第二所定値より小さく、第一所定値より大きいとき、前記第三信号は前記ＤＣ−ＤＣコンバータを制御して、前記一次電池から前記ＤＣ−ＤＣコンバータが入力する電流または電力を減少させることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
さらに
制御信号生成回路をさらに有し、前記制御信号生成回路は基準信号と前記第一信号を受信して、制御信号を出力し、前記第三信号を調節することを特徴とする請求項１６に記載の装置。
前記入力測定ユニットは前記制御信号に基づいて前記第二信号を調節することを特徴とする請求項２５に記載の装置。
前記第一電気パラメータが電圧で、かつ、前記二次電池の容量が第二所定値より小さく、第一所定値より大きいとき、前記第三信号は前記ＤＣ−ＤＣコンバータを制御して、前記一次電池から前記ＤＣ−ＤＣコンバータが入力する電圧を増加させることを特徴とする請求項２５に記載の装置。
前記第一電気パラメータが電流で、かつ、前記二次電池の容量が第二所定値より小さく、第一所定値より大きいとき、前記第三信号は前記ＤＣ−ＤＣコンバータを制御して、前記一次電池から前記ＤＣ−ＤＣコンバータが入力する電流を減少させることを特徴とする請求項２５に記載の装置。