JP2008166076A

JP2008166076A - 電子機器システム、および電源制御方法

Info

Publication number: JP2008166076A
Application number: JP2006353371A
Authority: JP
Inventors: Katsuya Oto; 克也大戸
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-12-27
Filing date: 2006-12-27
Publication date: 2008-07-17

Abstract

【課題】燃料電池および二次電池から並列的に出力される電力を用いて消費電力が変化する負荷回路を駆動することを可能にすること。
【解決手段】燃料電池スタック２１からの出力を昇圧すると共に、出力電流の電流値を一定に制御する第１ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２２と、放電モードを有し、前記放電モード時に二次電池１１からの出力を昇圧すると共に、出力電流の電流値に応じて出力電圧の電圧値を制御する第２ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１２と、前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータ回路の出力と前記第２ＤＣ／ＤＣコンバータ回路の出力とを結合するための結合回路１３とを具備する。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池とバッテリによって駆動する電子機器システム、および電源制御方法に関する。

モバイル機器の電源として燃料電池が注目されている。燃料電池から一定の電力を出力させると共に、不足分をバッテリから出力される電力で補うハイブリッド型で駆動させる技術が開示されている（特許文献１）。
特開２００６−７３５０３号

ところで、前述した文献の技術は、負荷の消費電力が変化せず、燃料電池の出力が変動することを前提にした技術である。

ノートブック型パーソナルコンピュータのように、消費電力が変化する機器（負荷回路）の場合のことは考慮されていない。

本発明の目的は、燃料電池および二次電池から並列的に出力される電力を用いて消費電力が変化する負荷回路を駆動することを可能にする電子機器システムおよび電源制御方法を提供することにある。

本発明の一例に係わる電子機器システムは、燃料電池スタックからの出力を昇圧すると共に、入力電流の電流値または前記燃料電池スタックの出力電流値を一定に制御する第１ＤＣ／ＤＣコンバータ回路と、放電モードを有し、前記放電モード時に二次電池からの出力を昇圧すると共に、出力電流の電流値に応じて出力電圧の電圧値を制御する第２ＤＣ／ＤＣコンバータ回路と、前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータ回路の出力と前記第２ＤＣ／ＤＣコンバータ回路の出力とを結合するための結合回路とを具備することを特徴とする。

燃料電池および二次電池から並列的に出力される電力を用いて消費電力が変化する負荷回路を駆動することを可能になる。

まず、図１を参照して、本発明の一実施形態に係る電子機器システムの構成を説明する。

この電子機器１０は、例えば、パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ、ＡＶプレーヤ、のような携帯型機器であり、内蔵電池および外部電池によって駆動可能に構成されている。内蔵電池としては、二次電池から構成されるバッテリ１１が用いられる。また、外部電池としては、燃料電池２０が用いられる。

電子機器１０の本体内には、バッテリ１１に加え、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１２、結合回路、電源制御部１４および負荷回路１５が設けられている。ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１２は、バッテリ１１から負荷回路１５に供給すべき電力を生成するスイッチング電源回路であり、例えば降圧型スイッチングレギュレータなどから構成されている。電子機器１０の本体内には、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１２および燃料電池２０の出力を結合して負荷回路１５に供給する結合回路１３が設けられている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１２は、負荷回路１５に電力を供給する放電モードと、燃料電池２０の電力を用いてバッテリ１１を充電する充電モードとを有する。放電モードにおいては、デューティ比が変化する固定周波数パルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）を用いてスイッチング素子がスイッチング制御される。

負荷回路１５は、例えば、ＣＰＵ、またはＩ／Ｏデバイス等などであり、処理状況に応じて消費電力が変化する。

電源制御部１４は、負荷回路１５の動作状態を監視する。電源制御部１４は、負荷回路１５の消費電力が燃料電池２０の出力電力以上の場合に、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１２に放電モードを設定する。また、電源制御部１４は、負荷回路１５の消費電力が燃料電池２０の出力電力より低く電力が余る場合に、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１２に充電モードを設定する。

燃料電池２０は、燃料電池スタック２１およびＤＣ／ＤＣコンバータ回路２２が設けられている。燃料電池２０の本体内には、燃料電池スタック２１から負荷回路１５に供給すべき電力を生成するスイッチング電源回路である。ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２２は、入力電流の電流値または燃料電池スタック２２の出力電流値を一定に制御する。

次に、図２を参照して、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１２，２２、および結合回路１３の具体的な構成例を説明する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１２は、電流検出抵抗３１、第１スイッチング素子３２、第２スイッチング素子３３、インダクタ３４、バッテリ制御部３５、およびキャパシタ３６等を有する。

放電モード時、バッテリ制御部３５は、電流検出抵抗３１によってインダクタ３４に流れる電流Ｉ_L1を検出する。バッテリ制御部３５は、図３に示すように、電流Ｉ_L1に比例して出力電圧Ｖ_outを僅かに下げる制御を行う。

充電モード時、バッテリ制御部３５は、電流Ｉ_L1を制御する。このとき電流Ｉ_L1はバッテリ１１への充電電流となり、バッテリ制御部３５は、充電電流と電圧を所定の充電条件Ｉ_ref1、Ｖ_ref1を満足するようスイッチング素子３２を制御する。

放電モード時には、スイッチング素子３３がオンで且つスイッチング素子３２がオフの状態で、バッテリ１１の出力電圧によってインダクタ３４にエネルギーが蓄えられる。その後、スイッチング素子３３がオフに切り換えられると共にスイッチング素子３２がオンに切り換えられると、インダクタ３４に蓄えられたエネルギーが、スイッチング素子３２ＭＯＳＦＥＴのソース−ドレイン間及び整流素子としてのダイオードを経て、結合回路１３に供給される。この様に同期整流方式によって昇圧放電動作が実行される。

一方、充電モード時には、スイッチング素子３２がオンで且つスイッチング素子３３がオフ状態で、燃料電池スタック２１から出力される電力がインダクタ３４を経てバッテリ１１に供給され、充電が行われる。その後、スイッチング素子３２がオフに切り換えられると共にスイッチング素子３３がオンに切り換えられると、並びにスイッチング素子３３を構成するＭＯＳＦＥＴのソース−ドレイン間及びダイオードに電流が流れて、インダクタ３４に蓄えられたエネルギーがキャンセルされる。この様にして降圧充電動作が実行される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２２は、電流検出抵抗４１、第３スイッチング素子４３、インダクタ４４、ＦＣ制御部４５、およびキャパシタ４６等を有する。

燃料電池ユニットに設けられたＦＣ制御部４５は、図４に示すように電源制御部１４から供給される定電流指令値Ｉ_ref2に従って定電流制御を行う。ＦＣ制御部４５は、電流検出抵抗４１によりインダクタ４４に流れる電流Ｉ_L2の平均値を検出する。ＦＣ制御部４５は、電流Ｉ_L2が定電流指令値Ｉ_ref2に追随するように制御する。

また、ＦＣ制御部４５は、電源制御部１４から供給される燃料電池スタックの下限電圧指令値Ｖ_ref2より燃料電池スタック２１の出力電圧が低下しないよう電流Ｉ_L2を制御する制御を行う。なお、この下限電圧制御は定電流制御よりも優先される。

放電モード時では、２つのＤＣ／ＤＣコンバータ回路１２，２２の出力が平滑コンデンサ５１に入力されることにより結合する。図５に示すように、その出力電圧Ｖ_outの制御は主としてバッテリ制御部３５により為される。ＦＣ制御部４５は燃料電池スタック２１の出力電流Ｉ_L2とその下限電圧を制御する。負荷回路１５の消費電力と燃料電池スタック２１の発電電力の差分の不足分はバッテリ１１から電力供給可能される。

これにより、上記一組の昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータによりスタックとＬ＋バッテリーによるハイブリッド制御が可能となる。

軽負荷等で燃料電池スタック２１の発電電力が余る場合はＤＣ／ＤＣコンバータ回路１２内の電力の流れを反対方向とし、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１２をバッテリ１１が負荷となる降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータとして動作させる。すなわちスイッチング素子３３によるスイッチングを停止し、スイッチング素子３２により電流Ｉ_L1を制御する。このとき電流Ｉ_L1はバッテリ１１への充電電流となり、バッテリ制御部２５は充電電流とバッテリ１１の電圧を電源制御部１４から供給される充電条件Ｉ_ref1、Vref1を満足するようスイッチング素子３２を制御する。

なお、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

本発明の一実施形態に係る電子機器システムの構成を示すブロック図。図１の電子機器システムに設けられたＤＣ／ＤＣコンバータ回路の構成を示す回路図。バッテリの出力を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータ回路に流れる電流Ｉ_L1に対する出力電圧Ｖ_outを示す図。出力電流に対する燃料電池スタックの出力を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータ回路に流れる電流Ｉ_L2を示す図。出力電力に対する、出力電圧、バッテリの出力を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータ回路に流れる電流Ｉ_L1、燃料電池スタックの出力を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータ回路に流れる電流Ｉ_L2、および出力電流を示す図。

符号の説明

１０…電子機器，１１…バッテリ，１２…ＤＣ／ＤＣコンバータ回路，１３…結合回路，１４…電源制御部，１５…負荷回路，２０…燃料電池，２１…燃料電池スタック，２２…ＤＣ／ＤＣコンバータ回路，３１…電流検出抵抗，３２…スイッチング素子，３３…スイッチング素子，３４…インダクタ，３５…バッテリ制御部，３６…キャパシタ，４３…スイッチング素子，４４…インダクタ，４５…ＦＣ制御部，４６…キャパシタ，５１…平滑コンデンサ。

Claims

燃料電池スタックからの出力を昇圧すると共に、入力電流の電流値または前記燃料電池スタックの出力電流値を一定に制御する第１ＤＣ／ＤＣコンバータ回路と、
放電モードを有し、前記放電モード時に二次電池からの出力を昇圧すると共に、出力電流の電流値に応じて出力電圧の電圧値を制御する第２ＤＣ／ＤＣコンバータ回路と、
前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータ回路の出力と前記第２ＤＣ／ＤＣコンバータ回路の出力とを結合するための結合回路と
を具備することを特徴とする電子機器システム。
前記第２ＤＣ／ＤＣコンバータ回路は、同期整流方式によって前記出力電圧の電圧値を制御することを特徴とする請求項１記載の電子機器システム。
前記第２ＤＣ／ＤＣコンバータ回路は、前記二次電池を充電するための充電モードを有し、前記充電モード時に前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータ回路からの出力を降圧することを特徴とする請求項１記載の電子機器システム。
前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータ回路は、前記燃料電池スタックの出力電圧の電圧値がしきい値以上となるよう制御を実行することを特徴とする請求項１記載の電子機器システム。
前記負荷回路の消費電力に応じて、前記第２ＤＣ／ＤＣコンバータ回路のモードを設定する制御部を更に具備することを特徴とする請求項１記載の電子機器システム。
第１ＤＣ／ＤＣコンバータ回路によって、燃料電池スタックからの出力電圧を昇圧すると共に、入力電流の電流値または前記燃料電池スタックの出力電流値を一定に制御する、
第２ＤＣ／ＤＣコンバータ回路によって、放電モード時に二次電池からの出力電圧を昇圧すると共に、出力電流の電流値に応じて出力電圧の電圧値を制御し、
前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータ回路からの出力と前記第２ＤＣ／ＤＣコンバータ回路の出力とを結合して負荷回路に出力する電源制御方法。
前記第２ＤＣ／ＤＣコンバータ回路は、同期整流方式によって前記出力電圧の電圧値を制御することを特徴とする請求項６記載の電源制御方法。
前記第２ＤＣ／ＤＣコンバータ回路は、前記二次電池を充電するための充電モード時に前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータ回路からの出力を降圧することを特徴とする請求項６記載の電源制御方法。
前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータ回路は、前記燃料電池スタックの出力電圧の電圧値がしきい値以上となるよう制御を実行することを特徴とする請求項６記載の電源制御方法。
前記負荷回路の消費電力に応じて、前記第２ＤＣ／ＤＣコンバータ回路のモードを設定するを更に具備することを特徴とする請求項６記載の電源制御方法。