JP2006351285A - 電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】 ＤＭＦＣ及び二次電池のそれぞれの状態情報を簡単に取得でき、適正な対応を速やかに行なうことができる電源システムを提供する。
【解決手段】 ＤＭＦＣ１の出力をＤＣ−ＤＣコンバータ２で昇圧しＬＩＢ３を充電するようにした電源システムであって、ＤＭＦＣ１とＬＩＢ３の状態情報をＤＭＦＣ状態監視部６及びＬＩＢ状態監視部７により取得し、この取得した状態情報に基づいてＤＣ−ＤＣコンバータ２及びＬＩＢ３の制御情報を外部に通知するとともに、システムの全体状態情報を全体状態情報出力端子１０１より出力する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液体燃料を気化させた気化燃料を供給する燃料電池と二次電池を組み合わせた電源システムに関するものである。

近年、パソナルコンピュータや携帯電話などの電子機器の小型化は目覚しいものがあり、これら電子機器の小型化とともに、電源として燃料電池を使用することが試みられている。燃料電池は、燃料と酸化剤を供給するのみで、発電することができ、燃料のみを交換すれば連続して発電できるという利点を有するため、小型化が実現できれば、小型電子機器の電源として極めて有効である。

ところで、最近、燃料電池として、直接メタノール型燃料電池（以下、ＤＭＦＣ；ｄｉｒｅｃｔ ｍｅｔｈａｎｏｌ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌと称する。）が注目されている。ＤＭＦＣは、エネルギー密度の高いメタノールを燃料に用い、メタノールから電極触媒上で直接電流を取出せるため、改質も不要なことから小型化が可能であり、燃料の取り扱いも水素ガスに比べて容易なことから小型電子機器の電源として有望である。

ところが、ＤＭＦＣは、それ自身の起電力が低いため、電子機器の電源として使用するには、ＤＤＣＣコンバータなどの昇圧回路を設けるようにしている。しかし、昇圧回路を設けても、負荷変動が発生すると、昇圧回路の動作によりＤＭＦＣの出力電圧が低下し、場合によっては、動作不能に至ることがある。

そこで、最近では、このような負荷変動にも安定して対応させるため、ＤＭＦＣと二次電池（例えば、リチウムイオン充電池）を組み合わせたハイブリッド電源方式のものが採用されている。つまり、二次電池は、ＤＭＦＣから出力される電力により充電され、給電対象の小型電子機器などの負荷に応じてＤＭＦＣから出力される電力の不足分を補給するようにしている。

しかしながら、ＤＭＦＣと二次電池を組み合わせたハイブリッド電源方式のものでは、電源システムとして安定した動作を行なわせるには、ＤＭＦＣと二次電池のそれぞれの状態を正確に把握する必要がある。このため、例えば、ＤＭＦＣと二次電池にそれぞれ別個に状態検出用のセンサを設け、それぞれのセンサによりＤＭＦＣと二次電池の状態を電気的に検出し、これらの検出結果を総合的に評価してＤＭＦＣと二次電池のそれぞれの状態を判断しており、ＤＭＦＣと二次電池のそれぞれの状態を速やかに把握するのは難しい。また、ＤＭＦＣの燃料残量を測定する場合も、ＤＭＦＣ自身超小形で、測定時の方向性が定まらないため、測定結果に精度を出すのが難しい。これらのことから、これらＤＭＦＣと二次電池のそれぞれの状態に応じた適正な対応を行なうまでに時間がかかるという問題があった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、ＤＭＦＣ及び二次電池のそれぞれの状態情報を簡単に取得でき、適正な対応を速やかに行なうことができる電源システムを提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、直接メタノール型の燃料電池と、前記燃料電池の出力を昇圧する昇圧手段と、前記昇圧手段により昇圧された出力により充電される二次電池と、前記燃料電池と二次電池の状態情報を取得する状態情報取得手段と、前記状態情報取得手段により取得される状態情報に基づいて前記昇圧手段及び二次電池の制御情報を外部に通知する制御手段と、前記制御手段により取得される前記状態情報取得手段からの状態情報に基づいて全体の状態情報を出力する全体状態情報出力手段とを具備したことを特徴としている。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記制御手段は、前記直接メタノール型燃料電池と二次電池の状態情報をアドレスとし、前記前記昇圧手段及び二次電池の制御信号をデータとした制御マトリックスを有することを特徴としている。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記昇圧手段及び二次電池は、前記制御手段より通知される制御情報により昇圧制御及び充放電制御が行なわれることを特徴としている。

請求項４記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記制御手段は、前記昇圧手段及び二次電池に対する昇圧及び充放電制御の制御情報を外部から書き込み可能としたことを特徴としている。

本発明によれば、ＤＭＦＣ及び二次電池のそれぞれの状態情報を簡単に取得でき、適正な対応を速やかに行なうことができる電源システムを提供できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に従い説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態にかかる電源システムの概略構成を示している。図において、１は直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）で、このＤＭＦＣ１は、アノード極とカソード極との間に電解質膜を配置している。これらのアノード極とカソード極は、ともに集電体及び触媒層からなる。アノード触媒層には、燃料としてメタノール水溶液が供給され、触媒反応によりプロトン（陽子）が発生される。一方、カソード極には空気が供給される。カソード極では、上記電解質を通り抜けたプロトンが、供給された空気に含まれる酸素と触媒上で反応することにより発電が行なわれる。ここでのＤＭＦＣ１は、燃料も空気も対流や濃度勾配などを利用して供給するパッジブ型のものが用いられている。

このようなＤＭＦＣ１には、昇圧手段としてのＤＣ−ＤＣコンバータ２が接続されている。このＤＣ−ＤＣコンバータ２は、ＤＭＦＣ１と直列に昇圧用のコイル２０１が接続され、これらＤＭＦＣ１とコイル２０１の直列回路と並列に入力安定化用のコンデンサ２０２が接続されている。また、コンデンサ２０２と並列に、ＭＯＳＦＥＴからなるスイッチング素子２０３が接続されている。スイッチング素子２０３は、コンバータ主回路２００の一部を構成している。コンバータ主回路２００には、ＰＷＭ変調部２０４、コンパレータ２０５、しきい電圧電源２０６、抵抗分圧回路Ｒ１、Ｒ２が設けられている。抵抗分圧回路Ｒ１、Ｒ２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電圧Ｖｏｕｔを分圧し、分圧された電圧をコンパレータ２０５に入力する。コンパレータ２０５は、分圧された電圧値を、しきい電圧電源２０６と比較する。そして、その差信号をＰＷＭ変調部２０４に与え、所定のパルス幅でスイッチング素子２０３をオンオフし、スイッチング素子２０３の導通中にコイル２０１にエネルギーを蓄え、スイッチング素子２０３の非導通中にコイル２０１のエネルギーを出力電圧に重畳させることで出力電圧Ｖｏｕｔを昇圧制御する。なお、２０７は、出力側からの逆方向の電流の流れを阻止するためのショットキーダイオードである。

ＤＣ−ＤＣコンバータ２には、二次電池としてのリチウムイオン充電池（以下、ＬＩＢと称する。）３が接続されている。ＬＩＢ３は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２により昇圧される電力により充電されるもので、不図示の負荷の状態に応じてＤＭＦＣ１からの電力の不足分を補給するようにしている。ＬＩＢ３には、満充電制御手段４と過放電制御手段５が接続されている。

満充電制御手段４は、ＬＩＢ３の端子電圧を所定値以上にした満充電状態を得るためのもので、満充電制御用パワーＭＯＳＦＥＴを有している。また、過放電制御手段５は、ＬＩＢ３の端子電圧を所定値以下とした過放電状態を得るためのもので、過放電制御用パワーＭＯＳＦＥＴを有している。

一方、ＤＭＦＣ１には、状態情報取得手段としてのＤＭＦＣ状態監視部６が接続されている。このＤＭＦＣ状態監視部６は、ＤＭＦＣ１の出力電圧を監視し、この出力電圧の状態からＤＭＦＣ１の待機や停止状態を判断し、それぞれの状態情報を待機状態出力部６０１及び停止状態出力部６０２から出力する。

ＬＩＢ３には、状態情報取得手段としてのＬＩＢ状態監視部７が接続されている。このＬＩＢ状態監視部７は、ＬＩＢ３の出力電圧を監視し、この出力電圧の状態からＬＩＢ３の満充電、出力停止及びパワーダウン状態を判断し、それぞれの状態情報を満充電状態出力部７０１、出力停止状態出力部７０２及びパワーダウン状態出力部７０３より出力する。

ＤＭＦＣ状態監視部６及びＬＩＢ状態監視部７には、制御回路８が接続されている。制御回路８は、主制御回路８１とタイマ８２を有している。主制御回路８１は、ＤＭＦＣ状態入力部８１１、ＬＩＢ状態入力部８１２、ＤＣ−ＤＣ制御部８１３、ＬＩＢ制御部８１４、制御マトリクス８１５、入出力ポート（Ｉ／Ｏポート）８１６、タイマスタート部８１７、タイマアップ部８１８及びリセット部８１９を有している。

ＤＭＦＣ状態入力部８１１は、ＤＭＦＣ状態監視部６の待機状態出力部６０１及び停止状態出力部６０２から出力されるＤＭＦＣ１にかかる状態情報を取り込む。ＬＩＢ状態入力部８１２は、ＬＩＢ状態監視部７の満充電状態出力部７０１、出力停止状態出力部７０２及びパワーダウン状態出力部７０３から出力されるＬＩＢ３にかかる状態情報を取り込む。

ＤＣ−ＤＣ制御部８１３は、ＤＣ−ＤＣ制御信号を発生し、ＤＣ−ＤＣコンバータ２のＰＷＭ変調部２０４のパルス幅を制御し、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電圧Ｖｏｕｔを制御する。ＬＩＢ制御部８１４は、満充電制御信号及び過放電制御信号を発生し、満充電制御手段４と過放電制御手段５を制御する。満充電制御手段４と過放電制御手段５は、ＬＩＢ制御部８１４からの満充電制御信号及び過放電制御信号を受けて、ＬＩＢ３の満充電及び過放電を制御する。タイマスタート部８１７、タイマアップ部８１８は、タイマ８２のスタートとタイマストップを制御する。ここで、タイマ８２は、ＤＭＦＣ１の動作待機、ＬＩＢ３の満充電及び出力停止の際に、タイマスタート部８１７の指示からタイマアップ部８１８の指示までの発振回路９の出力をカウントし、それぞれの動作の立ち上がりを遅らせるためのものである。

制御マトリクス８１５は、ＤＭＦＣ状態入力部８１１からのＤＭＦＣ状態情報、ＬＩＢ状態入力部８１２からのＬＩＢ状態情報及びタイマ８２のタイマ動作情報などの状態情報をアドレスとし、ＤＣ−ＤＣ制御部８１３及びＬＩＢ制御部８１４に対する制御情報をデータとしたメモリである。具体的には、例えば、図２に示すように入力状態８１５ａとして、ＤＭＦＣ状態入力部８１１から入力されるＤＭＦＣ１の動作待機、動作停止、待機タイマの情報及びＬＩＢ状態入力部８１２から入力されるＬＩＢ３の満充電、出力停止、パワーダウン、満充電タイマの状態などの状態情報をＬ又はＨレベルの信号により取得し、この入力状態８１５ａの状態情報をアドレスとして、出力状態８１５ｂに示すようにＤＣ−ＤＣ制御部８１３でのＤＭＦＣ１の充電制御や待機タイマの制御に用いられる制御情報、ＬＩＢ制御部８１４でのＬＩＢ３の満充電、過充電の制御や満充電タイマ、出力停止タイマの制御に用いられる制御情報がＬ又はＨレベルの信号で記憶されている。

また、このような制御マトリクス８１５の入力状態８１５ａに集められる各種の状態情報は、図３に示すＡ１〜Ａ５のシステム全体の状態情報に置き換えることができる。図３では、縦軸にＤＭＦＣ１の燃料枯渇、動作停止、動作待機、通常状態時におけるＤＭＦＣ電圧、横軸にＬＩＢ３のシステムダウン、パワーダウン、出力停止、通常動作、満充電時におけるＬＩＢ電圧を示している。

まず、全体状態情報Ａ１（出力コード１０）は、ＤＭＦＣ１とＬＩＢ３のいずれも動作している状態である。この場合、ＬＩＢ３が通常動作又は満充電、ＤＭＦＣ１が通常動作の状態にあり、システム全体として、図４に示すように通常の運転が行われていると見なせる。また、全体状態情報Ａ２（出力コード００）は、ＤＭＦＣ１が停止し、ＬＩＢ３が動作していて、ＬＩＢ３のみが出力を発生している状態である。この場合、ＬＩＢ３が通常動作又は満充電、ＤＭＦＣ１が燃料枯渇、動作停止、動作待機の状態にあり、システム全体としては、図４に示すようにＬＩＢ３が満充電、ＤＭＦＣ１がアイドリング又は燃料供給を促すバックアップの状態にあると見なせる。さらに、全体状態情報（出力コード１１）は、ＤＭＦＣ１が動作し、ＬＩＢ３が停止していて、ＤＭＦＣ１のみ出力を発生して状態である。この場合、ＬＩＢ３が出力停止又はパワーダウンで、ＤＭＦＣ１が通常運転の状態にあり、システム全体としては、図４に示すようにＬＩＢ３が補充電又は通常運転と見なせる状態にある。さらに、全体状態情報Ａ４（出力コード０１）は、ＤＭＦＣ１、ＬＩＢ３がともに停止の状態である。この場合、ＬＩＢ３が出力停止又はパワーダウンで、ＤＭＦＣ１が燃料枯渇、動作停止、動作待機の状態にあり、システム全体としては、図４に示すようにＤＭＦＣ１とＬＩＢ３がスリープ又はアイドリングの状態と見なせる。さらに、全体状態情報Ａ５は、ＬＩＢ３、ＤＭＦＣ１ともに動作が定まらない不定の状態であり、システム全体としては、図４に示すようにＬＩＢ３に対し充電禁止の状態にあると見なせる。

これら全体状態情報Ａ１〜Ａ４は、制御マトリクス８１５の入力状態８１５ａの状態情報に対応させてＤＡ出力８１５ｃ（図２参照）として設定されている。また、これら全体状態情報Ａ１〜Ａ４は、Ｉ／Ｏポート８１６を介して全体状態情報出力端子（ＤＡ）１０１に出力される。この場合、全体状態情報出力端子１０１は、２個設けられ、全体状態情報Ａ１〜Ａ４の２ビットの信号が出力される。

Ｉ／Ｏポート８１６には、制御情報入力端子（ＩＤ）１０２が接続されている。この制御情報入力端子１０２は、外部から制御マトリクス８１５の出力状態８１５ｂの各制御情報の書替えを行なうためのもので、ＤＣ−ＤＣ制御部８１３によるＤＣ−ＤＣコンバータ２の制御情報、ＬＩＢ制御部８１４による満充電制御手段４と過放電制御手段５の制御情報を任意に書き込みできるようになっている。

なお、リセット部８１９は、制御部８を最初の状態にリセットするためのリセット信号が入力される。

次に、このように構成した実施の形態の作用を説明する。

いま、ＤＭＦＣ１より出力が発生すると、ＤＣ−ＤＣコンバータ２で昇圧され出力電圧Ｖｏｕｔとして出力される。そして、この出力電圧ＶｏｕｔによりＬＩＢ３は充電され。

この状態で、例えば、ＤＭＦＣ状態監視部６の待機状態出力部６０１の出力がＨレベルで、ＬＩＢ状態監視部７の満充電状態出力部７０１の出力がＨレベルとなる場合、制御マトリクス８１５では、図２に示すＣ１に該当する。つまり、ここでは、ＤＭＦＣ１が停止、ＬＩＢ３が動作で、ＬＩＢ３のみ出力を発生し、図３に示す全体状態情報Ａ２に相当する。これによりＩ／Ｏポート８１６を介して全体状態情報出力端子１０１に全体状態情報Ａ２を表わす信号が出力される。これにより、全体状態情報Ａ２に相当する出力からＬＩＢ３の電圧が通常動作又は満充電にあるものの、ＤＭＦＣ１の電圧が燃料枯渇、動作停止、動作待機のいずれかの状態にあることを通知することができる。つまり、システム全体の状態としては、ＬＩＢ３が満充電（満充電状態出力部７０１の出力がＨレベル）にあるものの、ＤＭＦＣ１の電圧が不足し、燃料の供給を促すバックアップの必要性を知らせることができる。

この場合、制御マトリクス８１５は、出力状態８１５ｂとして、ＤＭＦＣ１によるＬＩＢ３の充電を停止し、待機タイマーをスタートさせるための制御情報を出力する。これらの制御情報は、外部にも通知され、制御の内容を外部でも把握できるようにしている。

同様に、ＤＭＦＣ状態監視部６の待機状態出力部６０１の出力がＨレベルで、ＬＩＢ状態監視部７の満充電状態出力部７０１の出力がＨレベルとなる場合、制御マトリクス８１５では、図２に示すＣ２に該当する。つまり、ここでも、ＤＭＦＣ１が停止、ＬＩＢ３が動作で、ＬＩＢ３のみ出力を発生し、図３に示す全体状態情報Ａ２に相当し、Ｉ／Ｏポート８１６を介して全体状態情報出力端子１０１に全体状態情報Ａ２の信号が出力される。これにより、全体状態情報Ａ２に相当する出力からＬＩＢ３の電圧が通常動作又は満充電にあるものの、ＤＭＦＣ１の電圧が燃料枯渇、動作停止、動作待機のいずれかの状態にあることを通知することができる。しかし、この場合、システム全体の状態としては、ＬＩＢ３が満充電でない（満充電状態出力部７０１の出力がＬレベル）にあることから、ＤＭＦＣ１の電圧が不足し、早急な燃料の供給を促すバックアップの必要性を知らせることができる。ここでも、制御マトリクス８１５は、出力状態８１５ｂとして、ＤＭＦＣ１によるＬＩＢ３の充電を停止し、待機タイマーをスタートさせるための制御情報を出力する。この場合も、これらの制御情報は、外部にも通知され、制御の内容を外部でも把握できるようにしている。

なお、全体状態情報Ａ２の詳細をさらに知りたい場合は、制御マトリクス８１５の入力状態８１５ａ及び出力状態８１５ｂの夫々の情報を直接取出すことにより、システム全体の状態をさらに詳細に知ることができる。

従って、このようにすれば、ＤＭＦＣ状態監視部６及びＬＩＢ状態監視部７によるＤＭＦＣ１及びＬＩＢ３の状態情報に基づいて制御マトリクス８１５よりシステムの全体状態情報Ａ１〜Ａ４を生成し、この全体状態情報Ａ１〜Ａ４をＩ／Ｏポート８１６を介して全体状態情報出力端子１０１に出力することができるので、システム全体の状態を速やかに外部に通知することができる。この場合、全体状態情報Ａ１〜Ａ４は、ＬＩＢ３及びＤＭＦＣ１の出力電圧の状態の情報を含むものであり、これにより、ＬＩＢ３及びＤＭＦＣ１の出力電圧の状態から、残量などを把握することができる。このことは、従来のＬＩＢ３は、バッテリーパックに残量表示が内蔵されることが多く、ＤＭＦＣ１については、残量を知るのに実際に液量を測定する方法をとっていたため、これらＤＭＦＣ１とＬＩＢ３のそれぞれの出力電圧の状態の把握に時間がかかっていたものと比べ、全体状態情報Ａ１〜Ａ４から、ＤＭＦＣ１とＬＩＢ３の出力電圧の状態を速やかに把握することができ、これらＤＭＦＣ１及びＬＩＢ３の状態に応じて、例えば、ＤＭＦＣ１の燃料の補給などの適正な対応を速やかに行なうことができる。

また、制御マトリクス８１５は、入力状態８１５ａのＤＭＦＣ１及びＬＩＢ３などの状態情報をアドレスとして、出力状態８１５ｂに記憶されたＤＭＦＣ１の充電制御やＬＩＢ３の満充電、過充電の制御のための制御情報を外部に通知しているので、ＤＭＦＣ１及びＬＩＢ３の状態に対応した制御の内容が外部において容易に把握することができる。

さらに、外部の制御情報入力端子１０２から、ＤＭＦＣ１の充電制御やＬＩＢ３の満充電、過充電の制御のための制御情報を書き換えることもできるので、緊急を要する制御が必要な場合も、速やかに対応することができる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、実施段階では、その要旨を変更しない範囲で種々変形することが可能である。

さらに、上記実施の形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示されている複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出できる。例えば、実施の形態に示されている全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題を解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出できる。

本発明の一実施の形態の電源システムの概略構成を示す図。 第１の実施の形態に用いられる制御マトリクスを示す図。 第１の実施の形態に用いられる全体状態情報を説明するための図。 第１の実施の形態の動作を説明するための図。

符号の説明

Ａ１〜Ａ５…全体状態情報、１…ＤＭＦＣ
２…ＤＣ−ＤＣコンバータ、３…ＬＩＢ
４…満充電制御手段、５…過放電制御手段
６…ＤＭＦＣ状態監視部、６０１…待機状態出力部
６０２…停止状態出力部、７…ＬＩＢ状態監視部
７０１…満充電状態出力部
７０２…出力停止状態出力部、７０３…パワーダウン状態出力部
８…制御回路、８１…主制御回路、８２…タイマ、
８１１…ＤＭＦＣ状態入力部、８１２…ＬＩＢ状態入力部
８１３…ＤＣ−ＤＣ制御部、８１４…ＬＩＢ制御部
８１５…制御マトリクス、８１５ａ…入力状態
８１５ｂ…出力状態、８１５ｃ…ＤＡ出力
８１６…Ｉ／Ｏポート、８１７…タイマスタート部
８１８…タイマアップ部、８１９…リセット部
９…発振回路、１０１…全体状態情報出力端子
１０２…制御情報入力端子、２００…コンバータ主回路
２０１…コイル、２０２…コンデンサ
２０３…スイッチング素子、２０４…ＰＷＭ変調部
２０５…コンパレータ、２０６…しきい電圧電源
２０７…ショットキーダイオード、

Claims (4)

1. 直接メタノール型の燃料電池と、
   前記燃料電池の出力を昇圧する昇圧手段と、
   前記昇圧手段により昇圧された出力により充電される二次電池と、
   前記燃料電池と二次電池の状態情報を取得する状態情報取得手段と、
   前記状態情報取得手段により取得される状態情報に基づいて前記昇圧手段及び二次電池の制御情報を外部に通知する制御手段と、
   前記制御手段により取得される前記状態情報取得手段からの状態情報に基づいて全体の状態情報を出力する全体状態情報出力手段と、
   を具備したことを特徴とする電源システム。
2. 前記制御手段は、前記直接メタノール型燃料電池と二次電池の状態情報をアドレスとし、前記前記昇圧手段及び二次電池の制御信号をデータとした制御マトリックスを有することを特徴とする請求項１記載の電源システム。
3. 前記昇圧手段及び二次電池は、前記制御手段より通知される制御情報により昇圧制御及び充放電制御が行なわれることを特徴とする請求項１記載の電源システム。
4. 前記制御手段は、前記昇圧手段及び二次電池に対する昇圧及び充放電制御の制御情報を外部から書き込み可能としたことを特徴とする請求項１記載の電源システム。

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