JP2008178287A - ハイブリッド電力供給装置、ハイブリッド電力供給装置の制御方法、電子機器および記録媒体 - Google Patents

ハイブリッド電力供給装置、ハイブリッド電力供給装置の制御方法、電子機器および記録媒体 Download PDF

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Abstract

【課題】負荷の要求電力の大きさに関係なく、常に主電源部が所望のレベルで動作するように制御する主電源部と補助電源部とを結合することの可能なハイブリッド電力供給装置を提供する。
【解決手段】ハイブリッド電力供給装置は、主電源部210と、補助電源部230と、主電源部210の動作パラメータにより、フィードフォワード駆動モードおよびフィードバック駆動モードのうちいずれか一つによって動作し、主電源部210の出力電圧を第1所定の直流電圧に調整して出力する第1電圧調整部220とを備えて構成される。
【選択図】図2

Description

本発明は、電子機器の電源に係り、特に主電源部として採用される燃料電池を所望のレベルで動作させることができる、主電源部と補助電源部とを結合したハイブリッド電力供給装置、その制御方法およびこれを電源として採用する電子機器に関する。
燃料電池は、メタノール、エタノール、天然ガスのような炭化水素系の物質内に含まれている水素と酸素とによる化学エネルギーを、直接に電気エネルギーに転換する電気化学装置である。燃料電池のエネルギー転換工程は、非常に効率的でありつつ環境親和的であるため、これまで数十年間注目されており、多種の燃料電池の開発が試みられた。
ところで燃料電池は、既存の化学電池に比べて、内部インピーダンスが非常に大きいために、出力電流が増加すれば出力電圧は低下する。また燃料電池は、その応答速度が遅いために、負荷で要求する電流が急激に変化する場合、適切に対応できないという問題がある。このような燃料電池の使用効率を上昇させるためには、燃料電池が最適の動作点、すなわち最大の出力電力を得ることができる動作点で動作するように制御する必要がある。燃料電池の特性上、最適の動作点で動作させるためには、燃料電池の出力電圧が最大の出力電力に相応する最低電圧以下とならないようにしなければならない。
主電源として使われる燃料電池と補助電源として使われるバッテリとを並列に連結し、負荷に電力を供給するハイブリッド電力供給装置では、燃料電池とバッテリとの出力電圧レベルが同じであれば負荷を共有できる。ここで、燃料電池の出力電圧は、いくつの単位電池によって構成されるかによって変わり、負荷の状態によって要求電力が変化する。このため、速かに燃料電池の出力電圧とバッテリの出力電圧との間で均衡を合わせ難いという問題点がある。
一方、ハイブリッド電力供給装置において、補助電源として用いられるバッテリが充電可能である二次電池である場合、補助電源を充電させるためには、別途の充電回路を必要とする。このため、全体装置の複雑度が増大するだけではなく、具現コストがかかるという短所がある。
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、負荷の要求電力の大きさに関係なく、常に主電源部が所望のレベルで動作するように制御する主電源部と補助電源部とを結合することの可能な、新規かつ改良されたハイブリッド電力供給装置、その制御方法およびかかるハイブリッド電力供給装置を電源として採用する電子機器を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、主電源部と、補助電源部と、前記主電源部の少なくとも1つの動作パラメータに基づいて、フィードフォワード駆動モードおよびフィードバック駆動モードのうちいずれか一つによって動作し、主電源部の出力電圧を第1の所定の直流電圧に調整して出力する第1電圧調整部と、を備えることを特徴とする、ハイブリッド電力供給装置が提供される。
ここで、本発明のハイブリッド電力供給装置は、第1電圧調整部と並列に連結され、フィードバック駆動モードにより制御される、補助電源部の出力電圧を第2の所定の直流電圧に調整して出力する第2電圧調整部と、主電源部が所望のレベルで動作されるように、主電源部の動作パラメータに対応して第1電圧調整部および第2電圧調整部の動作を制御する制御部と、をさらに備えることができる。
また、制御部は、第1電圧調整部がフィードフォワード駆動モードで動作する場合、第2電圧調整部を動作させ、第1電圧調整部がフィードバック駆動モードで動作する場合第2電圧調整部を動作させないようにすることもできる。なお、動作パラメータは、例えば主電源部の温度、主電源部の出力電流、および出力電圧のうちいずれか一つを用いることができる。
さらに、第1電圧調整部は、駆動モードに基づいて、主電源部の出力電圧を第1所定の直流電圧に調整するDC−DCコンバータと、主電源部の動作パラメータに基づいて、フィードフォワード駆動モードおよびフィードバック駆動モードのうちいずれか1つの駆動モードを決定する駆動モード決定部と、を備えることもできる。
また、制御部は、主電源部の温度が第1基準値以上である場合、第2電圧調整部を動作させつつ、第1電圧調整部をフィードフォワード駆動モードで動作させ、主電源部の温度が第1基準値より小さい場合、第2電圧調整部を動作させずに、第1電圧調整部をフィードバック駆動モードで動作させるようにしてもよい。
あるいは、制御部は、主電源部の出力電流が第2基準値以上である場合、第2電圧調整部を動作させつつ、第1電圧調整部をフィードフォワード駆動モードで動作させ、主電源部の出力電流が第2基準値より小さい場合、第2電圧調整部を動作させずに、第1電圧調整部をフィードバック駆動モードで動作させるようにしてもよい。
または、制御部は、主電源部の出力電圧が第3基準値以下である場合、第2電圧調整部を動作させつつ、第1電圧調整部をフィードフォワード駆動モードで動作させ、主電源部の出力電圧が第3基準値より大きい場合、第2電圧調整部を動作させずに、第1電圧調整部をフィードバック駆動モードで動作させることもできる。
あるいは、制御部は、主電源部の温度、主電源部の出力電流、および出力電圧のうちから少なくとも二つを動作パラメータとして決定し、各動作パラメータの優先順位に基づいて第1電圧調整部と第2電圧調整部との動作を制御することようにしてもよい。
なお、第1の所定の直流電圧は、第2の所定の直流電圧より大きく設定するのがよい。
また、本発明のハイブリッド電力供給装置は、主電源部が所望のレベルで動作しつつ第1電圧調整部の出力端に接続された補助電源部を充電できるように補助電源部の充電過程を制御し、主電源部の動作パラメータに基づいて第1電圧調整部の駆動モードを制御する制御部をさらに備えることもできる。
ここで、制御部の制御下において、補助電源部が不完全充電である場合に第1電圧調整部と補助電源部とを接続させ、補助電源部が完全充電されて負荷が接続されていない場合に第1電圧調整部と補助電源部との接続を遮断するスイッチング部をさらに具備することもできる。
また、第1電圧調整部は、駆動モードに基づいて主電源部の出力電圧を第1の所定の直流電圧に調整するDC−DCコンバータと、主電源部の動作パラメータに基づいてフィードフォワード駆動モードおよびフィードバック駆動モードのうちいずれか1つの駆動モードを決定する駆動モード決定部と、を備えるようにしてもよい。
さらに、第1電圧調整部は、主電源部の温度が第1基準値以上である場合、フィードフォワード駆動モードで動作し、主電源部の温度が第1基準値より小さい場合、フィードバック駆動モードで動作することもできる。
または、第1電圧調整部は、主電源部の出力電流が第2基準値以上である場合、フィードフォワード駆動モードで動作し、主電源部の出力電流が第2基準値より小さい場合、フィードバック駆動モードで動作するようにしてもよい。
あるいは、第1電圧調整部は、主電源部の出力電圧が第3基準値以下である場合、フィードフォワード駆動モードで動作し、主電源部の出力電圧が第3基準値より大きい場合、フィードバック駆動モードで動作するようにしてもよい。
または、第1電圧調整部は、主電源部の温度、主電源部の出力電流、および出力電圧のうちから少なくとも二つを動作パラメータとして決定し、各動作パラメータの優先順位に基づいて第1電圧調整部の駆動モードを制御することもできる。
このようなハイブリッド電力供給装置を電源として、電子機器に適用することもできる。
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、主電源部と、補助電源部と、フィードフォワード駆動モードおよびフィードバック駆動モードのうちいずれか一つによって動作し、主電源部の出力電圧を第1の所定の直流電圧に調整して出力する第1電圧調整部とを備えるハイブリッド電源供給装置の制御方法が提供される。かかる制御方法は、主電源部の少なくとも1つの動作パラメータを所定の基準値と比較し、主電源部の動作条件を判断する判断段階と、判断結果に基づいて、主電源部が所望のレベルで動作するように、第1電圧調整部の駆動モードを決定する決定段階と、を含むことを特徴とする。
ここで、第1電圧調整部の駆動モードに基づいて、補助電源部の出力電圧を第2の所定の直流電圧に調整して出力する第2電圧調整部の動作を制御する段階をさらに含むこともできる。
また、判断段階は主電源部の温度を測定する段階と、測定された温度を第1基準値と比較する段階とを含み、決定段階は、測定された温度が第1基準値以上である場合、第1電圧調整部をフィードフォワード駆動モードで動作させつつ、第2電圧調整部を動作させる段階と、測定された温度が第1基準値より小さい場合、第1電圧調整部をフィードバック駆動モードで動作させる段階とを含むこともできる。
あるいは、判断段階は、主電源部の出力電流を測定する段階と、測定された出力電流を第2基準値と比較する段階とを含み、決定段階は、測定された出力電流が第2基準値以上である場合、第1電圧調整部をフィードフォワード駆動モードで動作させつつ、第2電圧調整部を動作させる段階と、測定された出力電流が第2基準値より小さい場合、第1電圧調整部をフィードバック駆動モードで動作させる段階とを含むようにしてもよい。
または、判断段階は、主電源部の出力電圧を測定する段階と、測定された出力電圧を第3基準値と比較する段階とを含み、制御段階は、測定された出力電圧が第3基準値以下である場合、第1電圧調整部をフィードフォワード駆動モードで動作させつつ、第2電圧調整部を動作させる段階と、測定された出力電圧が第3基準値より大きい場合、第1電圧調整部をフィードバック駆動モードで動作させる段階とを含むこともできる。
あるいは、主電源部が所望のレベルで動作しつつ第1電圧調整部の出力端に接続された補助電源部を充電できるように補助電源部の充電過程を制御し、主電源部の動作パラメータに基づいて第1電圧調整部の駆動モードを制御する制御段階をさらに含むようにしてもよい。
ここで、判断段階は、主電源部の温度を測定する段階と、測定された温度を第1基準値と比較する段階とを含み、制御段階は、測定された温度が第1基準値以上である場合、第1電圧調整部をフィードフォワード駆動モードで動作させつつ、補助電源部を充電する段階と、測定された温度が第1基準値より小さい場合、第1電圧調整部をフィードバック駆動モードで動作させる段階とを含むようにすることもできる。
または、判断段階は、主電源部の出力電流を測定する段階と、測定された出力電流を第2基準値と比較する段階とを含み、制御段階は、測定された出力電流が第2基準値以上である場合、第1電圧調整部をフィードフォワード駆動モードで動作させつつ、補助電源部を充電する段階と、測定された出力電流が第2基準値より小さい場合、第1電圧調整部をフィードバック駆動モードで動作させる段階とを含むこともできる。
あるいは、判断段階は、主電源部の出力電圧を測定する段階と、測定された出力電圧を第3基準値と比較する段階とを含み、制御段階は、測定された出力電圧が第3基準値以下である場合、第1電圧調整部をフィードフォワード駆動モードで動作させつつ、補助電源部を充電する段階と、測定された出力電圧が第3基準値より大きい場合、第1電圧調整部をフィードバック駆動モードで動作させる段階とを含むこともできる。
このようなハイブリッド電源供給装置の制御方法を実行可能なプログラムを記載して、コンピュータで読み取り可能な記録媒体とすることもできる。
本発明によれば、主電源部と補助電源部とを結合したハイブリッド電力供給装置において、フィードフォワード駆動モードおよびフィードバック駆動モードのうちいずれか一つにより制御され、主電源部の出力電圧を調整する。そして、補助電源部および/または負荷に供給する電圧調整部を具備することにより、主電源部の動作条件を判断し、主電源部が所望のレベルで動作するように制御する。これにより、主電源部の安定した性能および電圧調整部の高効率を保証できる。
また、主電源部が所望のレベルで動作しつつ、電圧調整部から提供される安定した出力電圧を利用して補助電源部を充電させ、補助電源部の過充電を防止することによって、補助電源部の安定した性能を保証しつつ、その寿命を延長させることができる。
以上説明したように本発明によれば、負荷の要求電力の大きさに関係なく、常に主電源部が所望のレベルで動作するように制御する主電源部と補助電源部とを結合することの可能なハイブリッド電力供給装置、その制御方法およびかかるハイブリッド電力供給装置を電源として採用する電子機器を提供することができる。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
(第1の実施形態)
まず、本発明の第1の実施形態にかかるハイブリッド電力供給装置について説明する。
図1に、燃料電池の電流−電圧特性および電流−電力特性を説明するグラフを示す。図1に示すグラフにおいて、TI−VおよびTI−Pは、それぞれ電流−電圧特性曲線および電流−電力特性曲線を表す。図1に示すように、燃料電池は、出力電流によって出力電圧が変化し、出力電流が増大するほど出力電圧が低下する傾向がある。ここで、出力電力が最大値Pmaxであるときの出力電圧と出力電流とをそれぞれVmin、Imaxとし、最適の動作点として設定する。
図2は、本実施形態にかかるハイブリッド電力供給装置の構成を示すブロック図である。本実施形態にかかるハイブリッド電力供給装置は、図2に示すように、主電源として使われる燃料電池部210と、燃料電池部210と負荷260との間に接続された第1電圧調整部220と、一般バッテリあるいは充電用バッテリにより構成される補助電源部230と、補助電源部230と負荷260との間に接続された第2電圧調整部240と、装置の全般的な動作と第1電源調整部220および第2電圧調整部240の動作とを制御する制御部250とからなる。
図2に示すように、第1電圧調整部220は、フィードフォワード駆動モードおよびフィードバック駆動モードのうちいずれか一つにより制御される。第1の電圧調整部220は、燃料電池部210の出力電圧を第1の所定の直流電圧に調整して負荷260に供給する。
第2電圧調整部240は、フィードバック駆動モードにより制御される。第2電圧調整部240は、補助電源部230の出力電圧を第2の所定の直流電圧に調整して負荷260に供給する。
制御部250は、負荷260の要求電力に関係なく、燃料電池部210が最適の動作点、すなわち所望のレベルで動作できるように、第1電圧調整部220と第2電圧調整部240との動作を制御する。ここで、最適の動作点とは、負荷の要求電力とは独立的に、燃料電池部210の動作条件による動作点をいう。制御部250は、燃料電池部210が最適の動作点で動作しているか否かを判断するために、まず、燃料電池部210から各動作パラメータを測定する。そして、測定された動作パラメータと対応する基準値とを比較し、比較結果によって第1電圧調整部220と第2電圧調整部240との動作を制御する。ここで、動作パラメータの例としては、負荷260の要求電力の大きさを推定できるものであり、例えば燃料電池部210の温度、燃料電池部210の出力電流、あるいは出力電圧を挙げることができるが、必ずしもそれらに限定されるものではない。
図3Aは、図2の第1電源調整部220の細部構成要素を示すブロック図であり、図3Bは、図2の第2電圧調整部240の細部構成要素を示すブロック図である。第1電圧調整部220は、図3Aに示すように、DC−DCコンバータ310と、フィードフォワード制御部320と、フィードバック制御部330と、スイッチ制御部340とを備える。また、第2電圧調整部240は、DC−DCコンバータ360と、フィードバック制御部370と、スイッチ制御部380とを備える。ここで、フィードフォワード制御部320、フィードバック制御部330、およびスイッチ制御部340は、駆動モード決定部(図示せず)を構成する。
図2および図3Aを参照すれば、第1電圧調整部220において、DC−DCコンバータ310は、燃料電池部210の出力電圧をスイッチ制御信号によって第1の所定の直流電圧に変換して負荷260に印加する。一例として、DC−DCコンバータ310は、パルス幅変調(PWM:Pulse Width Modulation)によって電圧調整動作を行う。
フィードフォワード制御部320は、燃料電池部210が最適の動作点で動作していない場合、制御部250の制御信号によって燃料電池部210が最適の動作点で動作できるように、DC−DCコンバータ310を制御する。フィードフォワード制御部320が動作する場合、燃料電池部210の温度、出力電流、あるいは出力電圧を測定して対応する基準値と比較し、比較結果によって、フィードフォワード駆動モード信号を生成する。ここで、燃料電池部210の温度は、例えばサーミスタを利用して測定できる。
フィードバック制御部330は、燃料電池部210が最適の動作点で動作していない場合、制御部250の制御信号によってその動作が遮断される。一方、燃料電池部210が最適の動作点で動作する場合、DC−DCコンバータ310の一般的なフィードバック制御に基づいて、フィードバック駆動モード信号を生成する。
スイッチ制御部340は、フィードフォワード制御部320あるいはフィードバック制御部330のうちいずれか一つから出力される駆動モード信号を利用してスイッチ制御信号を生成する。そして、スイッチ制御部340は、スイッチ(図示せず)のオン/オフ動作のためのデューティサイクルを調節するために、スイッチ制御信号をDC−DCコンバータ310に提供する。
図2および図3Bを参照すれば、第2電圧調整部240において、DC−DCコンバータ360は、その出力端がDC−DCコンバータ310の出力端と並列に接続され、補助電源部230の出力電圧を第2の所定の直流電圧に変換して負荷260に印加する。
フィードバック制御部370は、燃料電池部210が最適の動作点で動作する場合、制御部250の制御信号によって動作が開始され、DC−DCコンバータ360の一般的なフィードバック制御に基づいて、フィードバック駆動モード信号を生成する。一方、フィードバック制御部370は、燃料電池部210が最適の動作点で動作していない場合、制御部250の制御信号によってその動作が遮断される。
スイッチ制御部380は、フィードバック制御部370から出力される駆動モード信号を利用してスイッチ制御信号を生成する。そして、スイッチ制御部380は、スイッチ(図示せず)のオン/オフのためのデューティサイクルを調節するために、スイッチ制御信号をDC−DCコンバータ360に提供する。
ここで、第1の所定の直流電圧は、第2の所定の直流電圧より大きいことが望ましい。これは、燃料電池から得られる電力が負荷が要求する電力より大きい場合、燃料電池からだけ負荷に電力を供給するためである。一例として、第1の所定の直流電圧は約5.0V、第2の所定の直流電圧は約4.8Vとすることができる。
図2、図3Aおよび図3Bによれば、負荷260の要求電力が過度である場合、第1電圧調整部220は、フィードフォワード制御部320が動作し、燃料電池部210の温度、出力電流、あるいは出力電圧を最適の動作点に該当する値になるように誘導できる。このとき、第1電圧調整部220は、フィードバック駆動モードを使用しないために、DC−DCコンバータ310の出力電圧が不安定になる可能性がある。これに対して、第2電圧調整部240を利用し、負荷260に印加される電圧を第2の所定の直流電圧で安定化させることができる。
一方、負荷260の要求電力が燃料電池部210の出力電力範囲内にある場合、第1電圧調整部220は、フィードバック制御部330が動作し、負荷260に印加される電圧を第1の所定の直流電圧で安定化させることができる。この場合には、制御部250の制御信号によって、第2電圧調整部240の動作を遮断させる。
図4Aおよび図4Bは、図2に図示された各構成要素を回路レベルで具現した例を示しており、図4Aは、負荷260の要求電力が燃料電池部210の出力電力以下である場合、すなわち燃料電池部210の出力電圧が最適の動作点に該当する最低電圧Vminより大きい場合の動作状態を表す。図4Bは、負荷260の要求電力が燃料電池部210の出力電力より大きい場合、すなわち燃料電池部210の出力電圧が最適の動作点に該当する最低電圧Vmin以下である場合、第1電源調整部220および第2電圧調整部240の動作状態を表す。
ここで、図2と比較して、同じ構成要素に対しては同じ参照符号が付与され、動作状態にある部分は、太い実線で、非動作状態にある部分は細い破線で表示される。また、制御部250から出力される制御信号によって、第1電圧調整部220のフィードフォワード駆動モードあるいはフィードバック駆動モードのうち一つで制御され、第2電圧調整部240の動作いかんが決定される流れについては明示的に図示されていないが、それは、別途のスイッチをさらに具備したり、各構成要素に制御信号を印加するためのイネーブル端子を具備することにより具現可能である。
図4Aおよび図4Bにおいて、VR−INは、燃料電池部210が最適の動作点で動作しているか否かを判断すると同時に、最適の動作点で動作していない場合、第1電圧調整部220でフィードフォワード駆動モード信号を生成するために、測定された燃料電池部210の動作パラメータを比較するための基準値であり、最適の動作点に対応する最低電圧Vminが望ましい。一方、VR−OUT1およびVR−OUT2は、第1電圧調整部220および第2電圧調整部240のフィードバック駆動モード信号を生成するために、DC−DCコンバータ310、360の出力電圧を比較するための基準値であり、第1所定の直流電流および第2所定の直流電圧が望ましい。
図5は、本実施形態において、負荷の要求電力が燃料電池部210と補助電源部230とに分配された状態を説明するグラフである。図5に示すように、負荷の要求電力Ploadが燃料電池部210の出力電力PFCより大きい場合、すなわち燃料電池部210が最適の動作点を外れる場合には、燃料電池部210には最適の動作点に対応する出力電力Pmaxを、補助電源部230には負荷の要求電力から最適の動作点に対応する出力電力Pmaxを差し引いた残りの出力電力PAUXを分配して負荷260に提供する。一方、負荷の要求電力Ploadが燃料電池部210の出力電力PFC以下である場合、すなわち燃料電池部210が最適の動作点を外れない場合には、燃料電池部210からの出力電力PFCを負荷260に提供する。
図6は、本実施形態にかかるハイブリッド電力供給装置の制御方法を説明するフローチャートである。このハイブリッド電力供給装置の制御は、図2の制御部250で行うことができる。
図2および図6を参照すれば、ステップS610では、燃料電池部210の動作条件を判断する。ここで、燃料電池部210の動作条件は、燃料電池部210の動作パラメータを基準値と比較することによって実行される。動作パラメータの例としては、燃料電池部210の温度、燃料電池部210の出力電流、および出力電圧のうちいずれか一つ、または少なくとも二つであるが、それらに限定されるものではない。
次いで、ステップS630では、ステップS610での判断結果によって、燃料電池部210が最適の動作点で動作するように、第1電圧調整部220と第2電圧調整部240との動作を制御する。
ここで、図6に示すハイブリッド電力供給装置の制御方法における各処理は様々な手法によって行うことができる。そこで、以下、図7〜図10に基づいて、図6に示すハイブリッド電力供給装置の制御方法の具体的な処理例について説明する。
図7は、本実施形態にかかるハイブリッド電力供給装置の制御方法の第1具現例であって、図6の各段階を細部的に説明するフローチャートである。図7に示すように、ステップS610は、ステップS710およびS730の2つの処理からなる。まず、ステップS710では、燃料電池部210の温度を測定する。次いで、ステップS730にて、ステップS710において測定された温度を第1基準値と比較する。
次のステップS630は、ステップS750、S770、S790の処理からなる。まず、ステップS730の比較結果、燃料電池部210の測定された温度が第1基準値以上である場合、第2電圧調整部240を動作させつつ、第1電圧調整部220をフィードフォワード駆動モードで制御して動作させる(ステップS750、S770)。一方、ステップS730段階での比較結果、燃料電池部210の測定された温度が第1基準値より小さい場合、第2電圧調整部240を動作させずに、第1電圧調整部220をフィードバック駆動モードで制御して動作させる(ステップS750、S790)。
これにより、第1基準値は、シミュレーションあるいは実験に基づいて適正な値に設定することができる。また、測定された温度を電圧に変換する場合には、最適の動作点に対応する最低電圧Vminに設定することができる。
次に、図8は、本実施形態にかかるハイブリッド電力供給装置の制御方法の第2具現例であって、図6の各段階を細部的に説明するフローチャートである。図8に示すように、ステップS610は、ステップS810およびS830の2つの処理からなる。まず、ステップS810では、燃料電池部210の出力電流を測定する。次いで、ステップS830では、ステップS810で測定された出力電流を第2基準値と比較する。
次のステップS630は、ステップS850、S870、S890の処理からなる。まず、ステップS830での比較結果、燃料電池部210の測定された出力電流が第2基準値以上である場合、第2電圧調整部240を動作させつつ、第1電圧調整部220をフィードフォワード駆動モードで制御して動作させる(ステップS850、S870)。一方、ステップS830段階での比較結果、燃料電池部210の測定された出力電流が第2基準値より小さい場合、第2電圧調整部240を動作させずに、第1電圧調整部220をフィードバック駆動モードで制御して動作させる(ステップS850、S890)。
これにより、第2基準値は、シミュレーションあるいは実験に基づいて適正な値に設定することができる。また、測定された出力電流を電圧に変換する場合には、最適の動作点に対応する最低電圧Vminに設定することができる。
次に、図9は、本実施形態にかかるハイブリッド電力供給装置の制御方法の第3具現例であって、図6の各段階を細部的に説明するフローチャートである。図9に示すように、ステップS610は、ステップS910およびS930の2つの処理からなる。まず、ステップS910では、燃料電池部210の出力電圧を測定する。次いで、ステップS930段では、ステップS910で測定された出力電圧を第3基準値と比較する。
次のステップS630は、ステップS950、S970、S990の処理からなる。まず、ステップS930での比較結果、燃料電池部210の測定された出力電圧が第3基準値以下である場合、第2電圧調整部240を動作させつつ、第1電圧調整部220をフィードフォワード駆動モードで制御して動作させる(ステップS950、S970)。一方、ステップS930での比較結果、燃料電池部210の測定された出力電圧が第3基準値より大きい場合、第2電圧調整部240を動作させずに、第1電圧調整部220をフィードバック駆動モードで制御して動作させる(ステップS950、S990)。
これにより、第3基準値は、シミュレーションあるいは実験に基づいて適正な値に設定することができ、望ましくは最適の動作点に対応する最低電圧Vminに設定することができる。
次に、図10は、本実施形態にかかるハイブリッド電力供給装置の制御方法の第4具現例であって、図6の各段階を細部的に説明するフローチャートである。図10に示すように、ステップS610は、ステップS1010およびS1030の2つの処理からなる。まず、ステップS1010では、燃料電池部210の温度、燃料電池部210の出力電流、および出力電圧のうちから少なくとも二つを動作パラメータとして測定する。次いで、ステップS1030では、ステップS1010で測定された各動作パラメータと、対応する基準値とを比較する。
次のステップS630は、ステップS1050およびS1070の処理からなる。まず、ステップS1050段階では、燃料電池部210の動作パラメータと関連し、温度、出力電流、および出力電圧に対して優先順位をあらかじめ設定する。優先順位は、ハイブリッド電力供給装置が採用される電子機器、すなわち負荷の特性と燃料電池部210の性能および効率とを考慮して設定でき、その他の要素を考慮することもできる。
そして、ステップS1070では、ステップS1030で実行された測定された各動作パラメータと、対応する基準値との比較結果によって、第1電圧調整部220と第2電圧調整部240との動作を制御する。測定された一つ以上の動作パラメータから、燃料電池部210が最適の動作点で動作すると判断される場合、第1電源調整部220および第2電圧調整部240をいずれも動作させ、負荷260に印加される電圧が第2所定の直流電圧になるように制御する。このとき、二つ以上の動作パラメータから、燃料電池部210が最適の動作点で動作する判断される場合、優先順位を考慮して1つの動作パラメータを選択し、第1電圧調整部220のフィードフォワード駆動モードを行うことができる。一方、測定された全ての動作パラメータから、燃料電池部210が最適の動作点で動作していないと判断される場合、第1電圧調整部220を動作させ、負荷260に印加される電圧が第1所定の直流電圧になるように制御する。
説明の便宜のために、ステップS1010で、温度、出力電流および出力電圧のすべてを動作パラメータとして選択した場合を例にする。かかる場合、燃料電池部210から温度、出力電流および出力電圧を測定し、それぞれ対応する基準値と比較する。比較結果、複数の動作パラメータのうち一つ以上が最適の動作点に該当する場合、すなわち測定された温度が対応する基準値以上であるか、と同じでも大きくても、測定された出力電流が対応する基準値以上であるか、測定された出力電圧が対応する基準値以下である場合、該当する動作パラメータによって、第1電圧調整部220のフィードフォワード駆動モードが実行される一方で第2電圧調整部240のフィードバック駆動モードが実行される。
一方、複数の動作パラメータのうち、少なくとも二つが最適の動作点に該当する場合、最も高い優先順位に該当する動作パラメータによって、第1電圧調整部220のフィードフォワード駆動モードが実行される一方で第2電圧調整部240のフィードバック駆動モードが実行される。さらに、複数の動作パラメータいずれもが最適の動作点を外れる場合、第1電圧調整部220のフィードバック駆動モードが実行される一方、第2電圧調整部240の動作は遮断される。
(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態にかかるハイブリッド電力供給装置について説明する。
図11は、本実施形態にかかるハイブリッド電力供給装置の構成を示すブロック図である。本実施形態にかかるハイブリッド電力供給装置は、図11に示すように、主電源部1110と、主電源部1110の出力端に接続された電圧調整部1120と、補助電源部1130と、電圧調整部1120の出力端と補助電源部1130との間に接続されたスイッチング部1140と、装置の全般的な動作と電圧調整部1120およびスイッチング部1140の動作とを制御する制御部1150とからなる。このとき、負荷1160は補助電源部1130と並列に接続することができる。
図11に示すように、主電源部1110は、燃料電池とのようなソフト電圧/電流特性を有する電池を意味し、二次電池によって具現可能である。ここで、ソフト電圧/電流特性とは、電圧が上昇するにつれて電流が減少することを意味する。
電圧調整部1120は、制御部1150の制御下で動作し、フィードフォワード駆動モードおよびフィードバック駆動モードのうちいずれか一つによって動作し、主電源部1110の出力電圧を所定の直流電圧に調整し、補助電源部1130に供給する。仮に、負荷1160が補助電源部1130に接続された場合、電圧調整部1120の出力電圧は、補助電源部1130と負荷1160とに提供される。具体的には、スイッチング部1140がターンオンされ、制御部1150から電圧調整部1120にイネーブル信号が印加されて充電モードが進められる場合、電圧調整部1120は、主電源部1110が最適の動作点、すなわち所望のレベルで動作しつつ、補助電源部1130を充電させることができるように、二種の駆動モードのうち一つで動作する。ここで、最適の動作点とは、負荷1160の要求電力とは独立的に、主電源部1110の動作条件による動作点をいう。
電圧調整部1120は、主電源部1110が最適の動作点で動作しているか否かを判断するために、主電源部1110から各動作パラメータを測定し、測定された動作パラメータと、対応する基準値とを比較し、比較結果によって駆動モードを決定する。ここで、動作パラメータの例としては、負荷1160の要求電力の大きさ、あるいは主電源部1110の動作条件を推定できるものであり、例えば主電源部1110の温度、主電源部1110の出力電流、あるいは出力電圧を用いることができるが、必ずしもそれらに限定されるものではない。
補助電源部1130は、充電可能である二次電池である。補助電源部1130の一例としては、例えばリチウム−イオン電池を用いることができる。
スイッチング部1140は、制御部1150の制御下で、電圧調整部1120と補助電源部1130との接続および遮断動作を行う。例えば、ハイブリッド電力供給装置の電源がオンになる初期動作時、あるいは補助電源部1130の出力電圧が設定された最大電圧より小さい場合、あるいは補助電源部1130の充電電流が設定された電流値より大きい場合、制御部1150からのターンオン信号をスイッチング部1140に提供する。すなわち、補助電源部1130が完全に充電されていなかったり、または補助電源部1130が完全充電状態になっているとしても、負荷1160が補助電源部1130に連結されている場合には、電圧調整部1120の出力電圧が補助電源部1130に提供されて充電モードを進めるか、あるいは補助電源部1130と負荷1160とに提供される。
一方、補助電源部1130の出力電圧が設定された最大電圧と同じであり、補助電源部1130の充電電流が設定された電流値より小さい場合、制御部1150からのターンオフ信号をスイッチング部1140に提供する。すなわち、補助電源部1130は、完全充電状態になっているか、または負荷1160が連結されていない場合には、電圧調整部1120の出力電圧が補助電源部1130に提供されず、その結果、充電モードが終了する。具体的には、補助電源部1130が例えばリチウムイオン電池である場合、補助電源部1130の出力電圧が約4.2Vより小さいか、充電電流が約0.1Cより大きい場合、充電モードが進み、その他の場合には充電モードが終了する。
制御部1150は、主電源部1110が燃料電池により構成される場合、燃料電池の温度のような動作パラメータによって燃料供給を制御するなど、ハイブリッド電力供給装置の全般的な動作を制御する。併せて、ハイブリッド電力供給装置の電源がオンになる初期動作時、あるいは補助電源部1130の出力電圧が設定された最大電圧より小さい場合、あるいは補助電源部1130の充電電流が設定された電流値より大きい場合、制御部1150は、ターンオン信号をスイッチング部1140に提供しつつ、イネーブル信号を電圧調整部1120に提供し、充電モードを進める一方、負荷1160に電圧を供給する。
一方、補助電源部1130の出力電圧が設定された最大電圧と同じであり、補助電源部1130の充電電流が設定された電流値より小さい場合、制御部1150は、ターンオフ信号をスイッチング部1140に提供しつつ、ディスエーブル信号を電圧調整部1120に提供し、充電モードを終了させる一方、負荷1160への電圧供給を中断する。このとき、イネーブル信号あるいはディスエーブル信号は、後述の電圧調整部1120の任意の構成要素に提供でき、本実施形態では、フィードフォワード制御部1220およびフィードバック制御部1230に印加することを例にする。
図12は、図11における電圧調整部1120の細部構成要素を示すブロック図である。電圧調整部1120は、駆動モード決定部1200とDC−DCコンバータ1210とを備えてなる。ここで、駆動モード決定部1200は、フィードフォワード制御部1220、フィードバック制御部1230、およびスイッチ制御部1240からなる。電圧調整部1120は、イネーブル状態で補助電源部1130の充電モードを進め、ディスエーブル状態で充電モードを終了させる。
図12に示すように、電圧調整部1120において、DC−DCコンバータ1210は、主電源部1110の出力電圧を、駆動モード決定部1200から提供されるスイッチ制御信号、すなわちフィードフォワード駆動モード信号あるいはフィードバック駆動モード信号によって、所定の直流電圧に変換し、スイッチング部1140に提供する。一例として、DC−DCコンバータ1210は、パルス幅変調(Pulse Width Modulation)によって電圧調整動作を実行する。このとき、高効率を得るためには、DC−DCコンバータ1210としてスイッチングタイプ・コンバータを使用することが望ましいが、例えばブーストタイプ、バックタイプ、フライバックタイプ、Cukタイプのような多様なコンバータを使用して具現することも可能である。
駆動モード決定部1200において、フィードフォワード制御部1220は、主電源部1110の出力電圧を制御するためのものである。フィードフォワード制御部1220は、主電源部1110から測定される少なくとも1つの動作パラメータから、主電源部1110の動作条件を判断し、主電源部1110が所望のレベルで動作していない場合、主電源部1110が最適の動作点で動作して安定した出力電圧を提供するように、DC−DCコンバータ1210を制御する。
具体的には、フィードフォワード制御部1220は、主電源部1110のさまざまな動作パラメータのうち、出力電圧があらかじめ設定された基準値、すなわちDC−DCコンバータ1210の基準入力電圧VR−INより小さい場合に動作する。フィードフォワード制御部1220は、フィードフォワード制御部1220の動作により得られる信号を第1駆動モード、すなわちフィードフォワード駆動モード信号として生成してスイッチ制御部1240に提供する。フィードフォワード制御部1220の動作により、主電源部1110の出力電圧はDC−DCコンバータ1210の基準入力電圧VR−INに維持される。このとき、補助電源部1130の出力電圧は、DC−DCコンバータ1210の基準出力電圧VR−OUTよりは小さい値になる。
すなわち、通常フィードバック制御により動作するDC−DCコンバータ1210において、その入力電圧、すなわち主電源部1110の出力電圧が基準入力電圧VR−INより低くなれば、フィードバック制御ではないフィードフォワード制御によりスイッチング動作が実行される。このため、DC−DCコンバータ1210があらかじめ設定された出力電圧を維持できない。その理由は、DC−DCコンバータ1210があらかじめ設定された出力電圧を続けて維持するためには、その出力電圧を続けて測定してスイッチング動作のオン−デューティを調節しなければならないが、その入力電圧が基準入力電圧より低くなれば、フィードフォワード制御が進み、それ以上出力電圧によるスイッチング動作のオン−デューティ調節がなされないためである。結果として、フィードフォワード制御部1220の動作により、DC−DCコンバータ1210の出力電圧は、並列に連結されている補助電源部1130の出力電圧によることとなる。
ここで、負荷1160が存在しない場合、スイッチング部1140を介して補助電源部1130に印加される充電電流Ibは、主電源部1110の出力電圧Vf、主電源部1110の出力電流If、DC−DCコンバータ1210の効率ηと、補助電源部1130の出力電圧Vbとの関数でもって決定される。具体的には、次の数式1のように示すことができる。
Ib=Vf×If×η/Vb ・・・(数式1)
一般的に、補助電源部1130の充電電流Ibは、リチウムイオン電池の場合、1Cを超えないように設計される。
フィードフォワード制御部1220は、主電源部1110の出力電圧以外に、温度あるいは出力電流のような動作パラメータと、対応する基準値との比較結果によって動作する。フィードフォワード制御部1220は、動作により得られる信号をフィードフォワード駆動モード信号として生成してスイッチ制御部1240に提供する。ここで、主電源部1110の温度は、例えばサーミスタを利用して測定できる。
フィードバック制御部1230は、補助電源部1130の出力電圧、すなわち電圧調整部1120の出力電圧を制御するためのものである。主電源部1110が最適の動作点、すなわち所望のレベルで動作していない場合、フィードバック制御部1230は、DC−DCコンバータ1210の一般的なフィードバック制御に基づいて、第2駆動モード、すなわちフィードバック駆動モード信号を生成してスイッチ制御部1240に提供する。フィードバック制御部1230の動作により、DC−DCコンバータ1210の出力電圧、すなわち補助電源部1130の出力電圧はあらかじめ設定されたDC−DCコンバータ1210の基準出力電圧VR−OUTに維持される。
この場合、スイッチング部1140を介して補助電源部1130に印加される充電電流Ibは、補助電源部1130の特性と容量との関数で決定される。一方、主電源部1110の電力Pfは、補助電源部1130の出力電圧Vb、補助電源部1130の充電電流Ib、およびDC−DCコンバータ1210の効率ηで決定される。具体的には、次の数式2のように示すことができる。
Pf=Vb×Ib/η ・・・(数式2)
一方、フィードバック制御部1230が動作する場合、主電源部1110の出力電圧は、あらかじめ設定されたDC−DCコンバータ1210の基準入力電圧VR−INと開放回路電圧Vocvとの間に存在する。
要約すれば、補助電源部1130の充電モードが進められる間、第1駆動モード、すなわちフィードフォワード駆動モードでは、主電源部1110の出力電圧がDC−DCコンバータ1210の基準入力電圧VR−INに維持され、補助電源部1130の出力電圧は、DC−DCコンバータ1210の基準出力電圧VR−OUTより低い値を有する。一方、第2駆動モード、すなわちフィードバック駆動モードでは、主電源部1110の出力電圧がDC−DCコンバータ1210の基準入力電圧VR−INと開放回路電圧Vocvとの間の値を有する一方、補助電源部1130の出力電圧は、DC−DCコンバータ1210の出力基準電圧VR−OUTに維持される。
スイッチ制御部1240は、フィードフォワード制御部1220あるいはフィードバック制御部1230のうちいずれか一つから出力される第1駆動モード信号あるいは第2駆動モード信号を利用してスイッチ制御信号を生成し、スイッチ(図示せず)のオン/オフ動作のためのデューティサイクルを調節するために、DC−DCコンバータ1210に提供する。
図13Aおよび図13Bは、図12に示す各構成要素を回路レベルで具現した例を示しており、図13Aは、主電源部1110の出力電圧が最適の動作点に該当する最低電圧、すなわちDC−DCコンバータ1210の基準入力電圧VR−IN以下である場合、駆動モード決定部1200の動作状態を示す。また、図13Bは、主電源部1110の出力電圧が最適の動作点に該当する最低電圧、すなわちDC−DCコンバータ1210の基準入力電圧VR−INより大である場合、駆動モード決定部1200の動作状態を示す。ここで、動作状態にある部分は太い実線で、非動作状態にある部分は細い破線で示される。
駆動モード決定部1200は、比例積分(PI)制御器1310、比例(P)制御器1320、およびPWM処理器1330からなり、それぞれフィードフォワード制御部1220、フィードバック制御部1230、およびスイッチ制御部1240に対応する構成要素として見ることができる。DC−DCコンバータ1210は、主電源部1110の電圧、例えば約2.8Vから、開放回路電圧Vocvを補助電源部1130の出力電圧である約3V〜4.2Vに調整する役割を行う。一方、インダクタ1340は、充電電流の高周波成分をフィルタリングする役割を行う。インダクタ1340は、スイッチング部1140がターンオンされた場合、スイッチング部1140の内部インダクタンスと、電圧調整部1120と補助電源部1130との連結ワイヤのインダクタンスとを結合した値であり、非常に小さな値を有する。従って、補助電源部1130の出力電圧と電圧調整部1120の出力電圧は、ほぼ同一の値になる。
図13Aおよび図13Bにおいて、VR−INは、主電源部1110である燃料電池が最適の動作点で動作しているか否かを判断すると同時に、最適の動作点で動作していない場合、電圧調整部1120からフィードフォワード駆動モード信号を生成するために、測定された燃料電池の動作パラメータを比較するための基準値であり、最適の動作点に対応する最低電圧Vminが望ましい。一方、VR−OUTは、電圧調整部1120のフィードバック駆動モード信号を生成するために、DC−DCコンバータ1210の出力電圧を比較するための基準値であり、補助電源部1130の最大充電電圧に設定することが望ましい。例えば、リチウムイオン電池である場合、約4.2Vに設定できる。
図13Aおよび図13Bを参照すれば、初期状態あるいは不完全充電状態で、DC−DCコンバータ1210の出力電圧が基準出力電圧VR−OUTより小さい場合、比例制御器1320は、DC−DCコンバータ1210がその出力電力を増大させる方向に動作する。その結果、主電源部1110である燃料電池の出力電流が増大する一方、燃料電池の出力電圧は低下する。一方、燃料電池の出力電圧が基準入力電圧VR−INより小さくなれば、比例積分制御器1310が動作し、比例制御器1320およびPWM処理器1330を介してその出力電力を減少させるように、DC−DCコンバータ1210を支配する第1駆動モードが決定される。第1駆動モードで動作するようになれば、燃料電池の出力電圧は、基準入力電圧VR−INを維持するように制御される一方、DC−DCコンバータ1210の出力電圧、すなわち補助電源部1130の出力電圧は、基準出力電圧VR−OUTより小さい値になる。
第1駆動モードを介して補助電源部1130が完全充電状態に至れば、DC−DCコンバータ1210の出力電圧が出力基準電圧VR−OUTまで上昇し、燃料電池から要求される出力電力が減少する。その結果、燃料電池の出力電圧が上昇して入力基準電圧VR−IN以上になれば、比例積分制御器1310が飽和状態に至る。これにより、比例積分制御器1310は、ほぼ0に近い値を出力するようになって第1駆動モードが終了し、比例制御器1320がDC−DCコンバータ1210を制御する第2駆動モードが開始される。すなわち、燃料電池の出力電圧が入力基準電圧VR−INより大きい場合、比例積分制御器1320がDC−DCコンバータ1210を支配する第2駆動モードが決定される。第2駆動モードで動作されれば、DC−DCコンバータ1210の出力電圧、すなわち補助電源部1130の出力電圧は、出力基準電圧VR−OUTが同じ値に維持される。
図14は、本実施形態を常用ICチップであるステップアップDC−DCコンバータMAX1701(マキシム・インテグレーテッド・プロダクツ社製)の応用回路として具現した例を示す。MAX1701の一般的な応用と比較してみるとき、「FB」端子に連結される信号が、従来にはMAX1701の出力電圧フィードバック信号である一方、本実施形態では、MAX1701の出力電圧フィードバック信号と入力電圧フィードフォワード信号との結合という点に違いがある。
図15は、本実施形態にかかるハイブリッド電力供給装置において、各モードに対する主電源部1110と補助電源部1130との出力電圧を表したグラフである。このとき、主電源部1110、すなわち燃料電池は、約300mWの平均電力を有する。図15を参照すれば、第1駆動モード、すなわちフィードフォワード駆動モードでは、燃料電池が状態変化によって多様な電力値を有する一方、燃料電池の出力値は約2.8Vと、一定の値を維持していることが分かる。一方、第2駆動モード、すなわちフィードバック駆動モードでは、補助電源部1130の出力電圧が約4.17V〜4.18Vと、一定に維持していることが分かる。従って、2つの駆動モードで、ハイブリッド電力供給装置が安定しているだけではなく、電圧調整部における効率を高めることができる。
図16は、本実施形態にかかるハイブリッド電力供給装置の制御方法の充電過程における概略的な概念を説明するフローチャートである。図16に示すように、まず、ステップS1610では、負荷が連結されつつ、ハイブリッド電力供給装置の電源がオンになる初期動作時、あるいは補助電源部1130の出力電圧が設定された最大電圧より小さい場合、あるいは補助電源部1130の充電電流が設定された電流値より大きい場合に、制御部1150は、ターンオン信号をスイッチング部1140に提供しつつ、イネーブル信号を電圧調整部1120に提供して充電モードを進める。
次いで、ステップS1630では、補助電源部1130の出力電圧Vbと充電電流Ibとをモニタリングする。さらに、ステップS1650では、補助電源部1130の出力電圧Vbが設定された最大電圧、すなわちDC−DCコンバータ1210の出力基準電圧VR−OUTと同一であり、補助電源部1130の充電電流Ibがあらかじめ設定された電流値Isetより小さい場合、制御部1150は、ターンオフ信号をスイッチング部1140に提供しつつ、ディスエーブル信号を電圧調整部1120に提供して充電モードを終了する。
ここで、図17は、図16のステップS1610の細部的な構成を説明するフローチャートである。図17を参照すれば、ステップS1710では、主電源部1110、例えば燃料電池の動作条件を判断する。ここで、燃料電池の動作条件判断は、例えば燃料電池の動作パラメータを基準値と比較することによって実行される。動作パラメータの例としては、燃料電池の温度、燃料電池の出力電流、および出力電圧のうち少なくとも一つであり、これに限定されるものではない。その後、ステップS1730にて、ステップS1710での判断結果によって、燃料電池が最適の動作点で動作するように、電圧調整部1120の駆動モードを決定する。
ここで、図17に示すハイブリッド電力供給装置の制御方法における充電処理は、様々な手法によって行うことができる。そこで、以下、図18〜図21に基づいて、図17に示すハイブリッド電力供給装置の制御方法における充電処理の具体的な処理例について説明する。
図18は、本実施形態にかかる充電処理の第1具現例であって、図17の各段階を細部的に説明するフローチャートである。図18に示すように、ステップS1710は、ステップS1810およびS1830の2つの処理からなる。まず、ステップS1810では、燃料電池の温度を測定する。次いで、ステップS1830では、ステップS1810で測定された温度を第1基準値と比較する。
次のステップS1730は、ステップS1850、S1870、S1890の処理からなる。まず、ステップS1830での比較結果、燃料電池の測定された温度が第1基準値以上である場合、電圧調整部1120をフィードフォワード駆動モードで制御して動作させる(ステップS1850、S1870)。一方、ステップS1830での比較結果、燃料電池の測定された温度が第1基準値より小さい場合、電圧調整部1120をフィードバック駆動モードで制御して動作させる(ステップS1850、S1890)。
これにより、第1基準値は、シミュレーションあるいは実験に基づいて適正な値に設定することができる。このとき、測定された温度を電圧に変換する場合には、最適の動作点に対応する最低電圧Vmin、すなわちDC−DCコンバータ1210の基準入力電圧VR−INに設定される。
次に、図19は、本実施形態にかかる充電処理の第2具現例であって、図17の各段階を細部的に説明するフローチャートである。図19に示すように、ステップS1710は、ステップS1810およびS1830の2つの処理からなる。まず、ステップS1910では、燃料電池の出力電流を測定する。次いで、ステップS1930では、ステップS1910で測定された出力電流を第2基準値と比較する。
次のステップS1730は、ステップS1950、S1970、S1990の処理からなる。まず、ステップS1930での比較結果、燃料電池の測定された出力電流が第2基準値と同じであるか大である場合、電圧調整部1120をフィードフォワード駆動モードで制御して動作させる(ステップS1950、S1970)。一方、ステップS1930での比較結果、燃料電池の測定された出力電流が第2基準値より小さい場合、電圧調整部1120をフィードバック駆動モードで制御して動作させる(ステップS1950、S1990)。
これにより、第2基準値は、シミュレーションあるいは実験に基づいて適正な値に設定することができる。このとき、測定された出力電流を電圧に変換する場合には、最適の動作点に対応する最低電圧Vmin、すなわちDC−DCコンバータ1210の基準入力電圧VR−INに設定される。
次に、図20は、本実施形態にかかる充電処理の第3具現例であって、図17の各段階を細部的に説明するフローチャートである。図20に示すように、ステップS1710は、ステップS2010およびS2030の2つの処理からなる。まず、ステップS2010では、燃料電池の出力電圧を測定する。次いで、ステップS2030では、ステップS2010で測定された出力電圧を第3基準値と比較する。
次のステップS1730は、ステップS2050、S2070、S2090の処理からなる。まず、ステップS2030での比較結果、燃料電池の測定された出力電圧が第3基準値以下である場合、電圧調整部1120をフィードフォワード駆動モードで制御して動作させる(ステップS2050、S2070)。一方、ステップS2030での比較結果、燃料電池の測定された出力電圧が第3基準値より大きい場合、電圧調整部1120をフィードバック駆動モードで制御して動作させる(ステップS2050、S2090)。
これにより、第3基準値は、シミュレーションあるいは実験に基づいて適正な値に設定することができ、望ましくは最適の動作点に対応する最低電圧Vmin、すなわちDC−DCコンバータ1210の基準入力電圧VR−INに設定される。
次に、図21は、本実施形態にかかる充電処理の実施例の第4具現例であって、図17の各段階を細部的に説明するフローチャートである。図21に示すように、ステップS1710は、ステップS2110およびS2130の2つの処理からなる。まず、ステップS2110では、燃料電池の温度、燃料電池の出力電流、および出力電圧のうちから少なくとも二つを動作パラメータとして測定する。次いで、ステップS2130では、ステップS2110で測定された各動作パラメータを対応する基準値と比較する。
次のステップS1730は、ステップS2150およびS2170の処理からなる。まず、ステップS2150段階では、燃料電池の動作パラメータと関連して、温度、出力電流、および出力電圧に対して優先順位をあらかじめ設定する。優先順位は、ハイブリッド電力供給装置が採用される電子機器、すなわち負荷の特性と燃料電池の性能および効率とを考慮して設定でき、その他の要素を考慮することもできる。
そして、ステップS2170では、ステップS2130で実行された測定された各動作パラメータと、対応する基準値との比較結果によって、電圧調整部1120の動作を制御する。測定された一つ以上の動作パラメータから、燃料電池が最適の動作点で動作していないと判断される場合、電圧調整部1120がフィードフォワード駆動モードで制御される。このとき、二つ以上の動作パラメータから、燃料電池が最適の動作点で動作していないと判断される場合、優先順位を考慮して1つの動作パラメータを選択し、電圧調整部1120のフィードフォワード駆動モードを制御できる。
なお、上記実施形態にかかるハイブリッド電力供給装置は、例えばノート型パソコン、PDA、モバイルホンのような携帯機器、家電製品や軌道車両のような多様な電子機器に電源として採用することができる。
また、上記実施形態にかかるハイブリッド電力供給装置は、コンピュータで読み取り可能な記録媒体にコンピュータで読み取り可能なコードとして具現することが可能である。コンピュータで読み取り可能な記録媒体は、コンピュータシステムによって読み取り可能なデータが保存される全種の記録装置を含む。コンピュータで読み取り可能な記録媒体の例としては、ROM(Read−Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、CD−ROM、磁気テープ、フロッピー(登録商標)ディスク、光データ保存装置などがある。また、コンピュータで読み取り可能な記録媒体は、ネットワークに連結されたコンピュータシステムに分散され、分散方式でコンピュータによる読み取り可能なコードが保存されて実行できる。そして、上記実施形態を具現するための機能的な(functional)プログラム、コードおよびコードセグメントは、本発明の属する技術分野において通常の知識を有するものにより容易に推論されうる。また、ハイブリッド電力供給装置を制御する方法を実行するプログラムは、ハイブリッド電力供給装置内部、またはその外部に存在するマイクロプロセッサ、あるいはコントローラ上に内蔵可能である。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
本発明のハイブリッド電力供給装置、その制御方法およびこれを電源として採用する電子機器は、例えば、高性能電源を必要とする電子機器関連の技術分野に効果的に適用可能である。
燃料電池の電流−電圧特性および電流−電力特性を説明するグラフである。 本発明の第1の実施形態にかかるハイブリッド電力供給装置の構成を示すブロック図である。 図2において、第1電圧調整部の細部構成要素を示すブロック図である。 図2において、第2電圧調整部の細部構成要素を示すブロック図である。 図2に図示された各構成要素を回路レベルで具現した例を示す。 図2に図示された各構成要素を回路レベルで具現した例を示す。 同実施形態において、負荷で要求される電力が分配された状態を説明するグラフである。 同実施形態にかかるハイブリッド電力供給装置の制御方法を説明するフローチャートである。 同実施形態にかかるハイブリッド電力供給装置の制御方法の第1具現例であって、図6の各段階を細部的に説明するフローチャートである。 同実施形態にかかるハイブリッド電力供給装置の制御方法の第2具現例であって、図6の各段階を細部的に説明するフローチャートである。 同実施形態にかかるハイブリッド電力供給装置の制御方法の第3具現例であって、図6の各段階を細部的に説明するフローチャートである。 同実施形態にかかるハイブリッド電力供給装置の制御方法の第4具現例であって、図6の各段階を細部的に説明するフローチャートである。 本発明の第2の実施形態にかかるハイブリッド電力供給装置の構成を示すブロック図である。 図11において、電圧調整部の細部構成要素を示すブロック図である。 図12に図示された各構成要素を回路レベルで具現した例を示す。 図12に図示された各構成要素を回路レベルで具現した例を示す。 同実施形態をMAX1701の応用回路で具現した例を示す。 同実施形態にかかるハイブリッド電力供給装置において、各モードに対する燃料電池部と補助電源部との出力電圧を表したグラフである。 同実施形態にかかるハイブリッド電力供給装置の制御方法のうち、充電過程の概略的な概念を説明するフローチャートである。 図16のステップS1610の細部的な構成を説明するフローチャートである。 同実施形態にかかる充電処理の第1具現例であって、図17の各段階を細部的に説明するフローチャートである。 同実施形態にかかる充電処理の第2具現例であって、図17の各段階を細部的に説明するフローチャートである。 同実施形態にかかる充電処理の第3具現例であって、図17の各段階を細部的に説明するフローチャートである。 同実施形態にかかる充電処理の第4具現例であって、図17の各段階を細部的に説明するフローチャートである。
符号の説明
210 燃料電池部
220 第1電圧調整部
230、1130 補助電源部
240 第2電圧調整部
250、1150 制御部
260、1160 負荷
310、360、1210 DC−DCコンバータ
320、1220 フィードフォワード制御部
330、370、1230 フィードバック制御部
340、380、1240 スイッチ制御部
1110 主電圧部
1120 電圧調整部
1140 スイッチング部
1200 駆動モード決定部
1310 比例積分制御部
1320 比例制御部
1330 PWM処理部
1340 インダクタ

Claims (28)

  1. 主電源部と、
    補助電源部と、
    前記主電源部の少なくとも1つの動作パラメータに基づいて、フィードフォワード駆動モードおよびフィードバック駆動モードのうちいずれか一つによって動作し、前記主電源部の出力電圧を第1の所定の直流電圧に調整して出力する第1電圧調整部と、
    を備えることを特徴とする、ハイブリッド電力供給装置。
  2. 前記第1電圧調整部と並列に連結され、前記フィードバック駆動モードにより制御される、前記補助電源部の出力電圧を第2の所定の直流電圧に調整して出力する第2電圧調整部と、
    前記主電源部が所望のレベルで動作されるように、前記主電源部の動作パラメータに対応して前記第1電圧調整部および前記第2電圧調整部の動作を制御する制御部と、
    をさらに備えることを特徴とする、請求項1に記載のハイブリッド電力供給装置。
  3. 前記制御部は、
    前記第1電圧調整部がフィードフォワード駆動モードで動作する場合、前記第2電圧調整部を動作させ、
    前記第1電圧調整部がフィードバック駆動モードで動作する場合、前記第2電圧調整部を動作させないことを特徴とする、請求項2に記載のハイブリッド電力供給装置。
  4. 前記動作パラメータは、前記主電源部の温度、前記主電源部の出力電流、および出力電圧のうちいずれか一つであることを特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載のハイブリッド電圧供給装置。
  5. 前記第1電圧調整部は、
    前記駆動モードに基づいて、前記主電源部の出力電圧を前記第1所定の直流電圧に調整するDC−DCコンバータと、
    前記主電源部の動作パラメータに基づいて、フィードフォワード駆動モードおよびフィードバック駆動モードのうちいずれか1つの駆動モードを決定する駆動モード決定部と、
    を備えることを特徴とする、請求項1に記載のハイブリッド電力供給装置。
  6. 前記制御部は、
    前記主電源部の温度が第1基準値以上である場合、前記第2電圧調整部を動作させつつ、前記第1電圧調整部を前記フィードフォワード駆動モードで動作させ、
    前記主電源部の温度が前記第1基準値より小さい場合、前記第2電圧調整部を動作させずに、前記第1電圧調整部を前記フィードバック駆動モードで動作させることを特徴とする、請求項2に記載のハイブリッド電圧供給装置。
  7. 前記制御部は、
    前記主電源部の出力電流が第2基準値以上である場合、前記第2電圧調整部を動作させつつ、前記第1電圧調整部を前記フィードフォワード駆動モードで動作させ、
    前記主電源部の出力電流が前記第2基準値より小さい場合、前記第2電圧調整部を動作させずに、前記第1電圧調整部を前記フィードバック駆動モードで動作させることを特徴とする、請求項2に記載のハイブリッド電圧供給装置。
  8. 前記制御部は、
    前記主電源部の出力電圧が第3基準値以下である場合、前記第2電圧調整部を動作させつつ、前記第1電圧調整部を前記フィードフォワード駆動モードで動作させ、
    前記主電源部の出力電圧が前記第3基準値より大きい場合、前記第2電圧調整部を動作させずに、前記第1電圧調整部を前記フィードバック駆動モードで動作させることを特徴とする、請求項2に記載のハイブリッド電圧供給装置。
  9. 前記制御部は、前記主電源部の温度、前記主電源部の出力電流、および出力電圧のうちから少なくとも二つを動作パラメータとして決定し、前記各動作パラメータの優先順位に基づいて前記第1電圧調整部と前記第2電圧調整部との動作を制御することを特徴とする、請求項2に記載のハイブリッド電圧供給装置。
  10. 前記第1の所定の直流電圧は、前記第2の所定の直流電圧より大きいことを特徴とする、請求項2に記載のハイブリッド電圧供給装置。
  11. 前記主電源部が所望のレベルで動作しつつ前記第1電圧調整部の出力端に接続された前記補助電源部を充電できるように前記補助電源部の充電過程を制御し、前記主電源部の動作パラメータに基づいて前記第1電圧調整部の駆動モードを制御する制御部をさらに備えることを特徴とする、請求項1に記載のハイブリッド電力供給装置。
  12. 前記制御部の制御下において、前記補助電源部が不完全充電である場合に前記第1電圧調整部と前記補助電源部とを接続させ、前記補助電源部が完全充電されて負荷が接続されていない場合に前記第1電圧調整部と前記補助電源部との接続を遮断するスイッチング部をさらに具備することを特徴とする、請求項11に記載のハイブリッド電力供給装置。
  13. 前記第1電圧調整部は、
    前記駆動モードに基づいて前記主電源部の出力電圧を前記第1の所定の直流電圧に調整するDC−DCコンバータと、
    前記主電源部の動作パラメータに基づいてフィードフォワード駆動モードおよびフィードバック駆動モードのうちいずれか1つの駆動モードを決定する駆動モード決定部と、
    を備えることを特徴とする、請求項11に記載のハイブリッド電力供給装置。
  14. 前記第1電圧調整部は、
    前記主電源部の温度が第1基準値以上である場合、前記フィードフォワード駆動モードで動作し、
    前記主電源部の温度が前記第1基準値より小さい場合、前記フィードバック駆動モードで動作することを特徴とする、請求項11に記載のハイブリッド電力供給装置。
  15. 前記第1電圧調整部は、
    前記主電源部の出力電流が第2基準値以上である場合、前記フィードフォワード駆動モードで動作し、
    前記主電源部の出力電流が前記第2基準値より小さい場合、前記フィードバック駆動モードで動作することを特徴とする、請求項11に記載のハイブリッド電力供給装置。
  16. 前記第1電圧調整部は、
    前記主電源部の出力電圧が第3基準値以下である場合、前記フィードフォワード駆動モードで動作し、
    前記主電源部の出力電圧が前記第3基準値より大きい場合、前記フィードバック駆動モードで動作することを特徴とする、請求項11に記載のハイブリッド電力供給装置。
  17. 前記第1電圧調整部は、前記主電源部の温度、前記主電源部の出力電流、および出力電圧のうちから少なくとも二つを動作パラメータとして決定し、前記各動作パラメータの優先順位に基づいて前記第1電圧調整部の駆動モードを制御することを特徴とする、請求項11に記載のハイブリッド電力供給装置。
  18. 請求項1〜17のうちいずれか1つに記載のハイブリッド電力供給装置を電源として使用することを特徴とする、電子機器。
  19. 主電源部と、補助電源部と、フィードフォワード駆動モードおよびフィードバック駆動モードのうちいずれか一つによって動作し、前記主電源部の出力電圧を第1の所定の直流電圧に調整して出力する第1電圧調整部とを備えるハイブリッド電源供給装置の制御方法であって、
    前記主電源部の少なくとも1つの動作パラメータを所定の基準値と比較し、前記主電源部の動作条件を判断する判断段階と、
    前記判断結果に基づいて、前記主電源部が所望のレベルで動作するように、前記第1電圧調整部の駆動モードを決定する決定段階と、
    を含むことを特徴とする、ハイブリッド電力供給装置の制御方法。
  20. 前記第1電圧調整部の駆動モードに基づいて、前記補助電源部の出力電圧を第2の所定の直流電圧に調整して出力する第2電圧調整部の動作を制御する制御段階をさらに含むことを特徴とする、請求項19に記載のハイブリッド電力供給装置の制御方法。
  21. 前記判断段階は
    前記主電源部の温度を測定する段階と、
    前記測定された温度を第1基準値と比較する段階とを含み、
    前記決定段階は、
    前記測定された温度が前記第1基準値以上である場合、前記第1電圧調整部をフィードフォワード駆動モードで動作させつつ、前記第2電圧調整部を動作させる段階と、
    前記測定された温度が前記第1基準値より小さい場合、前記第1電圧調整部をフィードバック駆動モードで動作させる段階と、
    を含むことを特徴とする、請求項20に記載のハイブリッド電力供給装置の制御方法。
  22. 前記判断段階は、
    前記主電源部の出力電流を測定する段階と、
    前記測定された出力電流を第2基準値と比較する段階とを含み、
    前記決定段階は、
    前記測定された出力電流が前記第2基準値以上である場合、前記第1電圧調整部をフィードフォワード駆動モードで動作させつつ、前記第2電圧調整部を動作させる段階と、
    前記測定された出力電流が前記第2基準値より小さい場合、前記第1電圧調整部をフィードバック駆動モードで動作させる段階と、
    を含むことを特徴とする、請求項21に記載のハイブリッド電力供給装置の制御方法。
  23. 前記判断段階は、
    前記主電源部の出力電圧を測定する段階と、
    前記測定された出力電圧を第3基準値と比較する段階とを含み、
    前記制御段階は、
    前記測定された出力電圧が前記第3基準値以下である場合、前記第1電圧調整部をフィードフォワード駆動モードで動作させつつ、前記第2電圧調整部を動作させる段階と、
    前記測定された出力電圧が前記第3基準値より大きい場合、前記第1電圧調整部をフィードバック駆動モードで動作させる段階と、
    を含むことを特徴とする、請求項21に記載のハイブリッド電力供給装置の制御方法。
  24. 前記主電源部が所望のレベルで動作しつつ前記第1電圧調整部の出力端に接続された前記補助電源部を充電できるように前記補助電源部の充電過程を制御し、前記主電源部の動作パラメータに基づいて前記第1電圧調整部の駆動モードを制御する制御段階をさらに含むことを特徴とする、請求項19に記載のハイブリッド電力供給装置の制御方法。
  25. 前記判断段階は、
    前記主電源部の温度を測定する段階と、
    前記測定された温度を第1基準値と比較する段階とを含み、
    前記制御段階は、
    前記測定された温度が前記第1基準値以上である場合、前記第1電圧調整部をフィードフォワード駆動モードで動作させつつ、前記補助電源部を充電する段階と、
    前記測定された温度が前記第1基準値より小さい場合、前記第1電圧調整部をフィードバック駆動モードで動作させる段階と、
    を含むことを特徴とする、請求項24に記載のハイブリッド電力供給装置の制御方法。
  26. 前記判断段階は、
    前記主電源部の出力電流を測定する段階と、
    前記測定された出力電流を第2基準値と比較する段階とを含み、
    前記制御段階は、
    前記測定された出力電流が前記第2基準値以上である場合、前記第1電圧調整部をフィードフォワード駆動モードで動作させつつ、前記補助電源部を充電する段階と、
    前記測定された出力電流が前記第2基準値より小さい場合、前記第1電圧調整部をフィードバック駆動モードで動作させる段階と、
    を含むことを特徴とする、請求項24に記載のハイブリッド電力供給装置の制御方法。
  27. 前記判断段階は、
    前記主電源部の出力電圧を測定する段階と、
    前記測定された出力電圧を第3基準値と比較する段階とを含み、
    前記制御段階は、
    前記測定された出力電圧が前記第3基準値以下である場合、前記第1電圧調整部をフィードフォワード駆動モードで動作させつつ、前記補助電源部を充電する段階と、
    前記測定された出力電圧が前記第3基準値より大きい場合、前記第1電圧調整部をフィードバック駆動モードで動作させる段階と、
    を含むことを特徴とする、請求項24に記載のハイブリッド電力供給装置の制御方法。
  28. 請求項19〜27のうちいずれか1つに記載のハイブリッド電源供給装置の制御方法を実行可能なプログラムを記載したコンピュータで読み取り可能な記録媒体。
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