JP2008243728A - 電源回路装置 - Google Patents

Abstract

【課題】２つの燃料電池を用いて所望の出力電力を安定して得ることが可能な電源回路装置を実現する。
【解決手段】スイッチング電源回路１１は、燃料電池１０１の出力電流値が基準電流値Iref’1に一致するように燃料電池１０１の出力電流値を一定に制御するという定電流制御モードで動作する。スイッチング電源回路１２は、スイッチング電源回路１１の出力に並列接続されており、燃料電池１０２の出力電流値が基準電流値Iref’２に一致するように燃料電池１０２の出力電流値を一定に制御するという定電流制御モードで動作する。Iref’1， Iref’２は初期状態においては同一値であるが、２つの燃料電池１０１，１０２の出力電圧に差が生じると、燃料電池１０１，１０２の出力電圧値が相等しくなるように基準電流値Iref’１，Iref’２の一方が増加させ、他方が減少される。
【選択図】 図１

Description

本発明はパーソナルコンピュータのような電子機器で用いられる電源回路装置に関し、特に燃料電池を電源ソースとして使用する電源回路装置に関する。

従来、ノート型パーソナルコンピュータ等の携帯型電子機器においては、リチウムイオン電池がバッテリとして用いられている。最近では、携帯型電子機器においても、リチウムイオン電池に代わる新たな電源ソースとして、ＤＭＦＣ（direct methanol fuel cell）のような燃料電池が注目されている。

ＤＭＦＣのような燃料電池は、その出力電流値の増加に伴って出力電圧値が低下するという特徴を有している。このため、燃料電池の出力電力値は、燃料電池の出力電流値がある所定値の時にピークとなる。したがって、燃料電池を電源ソースとして使用するスイッチング電源回路の多くは、燃料電池の出力電力を有効利用するための１手段として、燃料電池の出力電流値を予め決められた基準電流値に一致させるための定電流制御モードで動作するように構成されているものがある。

特許文献１には、２つの燃料電池をそれぞれ電源ソースとして使用し、これら２つの燃料電池から出力電力を得る並列運転システムが開示されている。この並列運転システムにおいては、２つの燃料電池それぞれに対応する２つのスイッチング電源回路の出力が並列接続されており、負荷への出力電力は２つの燃料電池によって分担される。
特開平４−７５４２８号公報

しかし、一般に、燃料電池は、その運転開始から所定時間が経過すると、発電性能が低下し初める。また、発電性能の低下の度合いや発電性能が低下し始めるタイミングは個々の燃料電池の特性ばらつきによって変化する。

したがって、単純に並列運転システムを構成しただけでは、運転開始から所定時間経過後においては、所望の出力電力が得られなくなる場合がある。

本発明は上述の事情を考慮してなされたものであり、２つの燃料電池を用いて所望の出力電力を安定して得ることが可能な電源回路装置を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明は、第１および第２の燃料電池から出力電力を生成する電源回路装置であって、前記第１の燃料電池と前記電源回路装置の出力端子との間に結合された第１のスイッチング電源回路であって、第１のスイッチング素子と、前記第１の燃料電池の出力電流値を検出する第１の出力電流検出部と、前記第１のスイッチング素子をスイッチング制御するための第１のパルス幅変調信号を出力すると共に、前記第１の出力電流検出部によって検出された出力電流値と第１の基準電流値との間の差分値に基づいて、前記第１の出力電流検出部によって検出された出力電流値が前記第１の基準電流値に一致するように前記第１のパルス幅変調信号のデューティ比を制御する第１のスイッチング制御部とを含む、第１のスイッチング電源回路と、前記第２の燃料電池と前記電源回路装置の出力端子との間に結合された第２のスイッチング電源回路であって、第２のスイッチング素子と、前記第２の燃料電池の出力電流値を検出する第２の出力電流検出部と、前記第２のスイッチング素子をスイッチング制御するための第２のパルス幅変調信号を出力すると共に、前記第２の出力電流検出部によって検出された出力電流値と第２の基準電流値との間の差分値に基づいて、前記第２の出力電流検出部によって検出された出力電流値が前記第２の基準電流値に一致するように前記第２のパルス幅変調信号のデューティ比を制御する第２のスイッチング制御部とを含む、第２のスイッチング電源回路と、前記第１の燃料電池の出力電圧値と前記第２の燃料電池の出力電圧値とを比較し、前記前記第１の燃料電池の出力電圧値と前記第２の燃料電池の出力電圧値とが互いに一致する場合には、予め決められた所定の基準電流値を前記第１および第２の基準電流値として前記第１および第２のスイッチング電源回路にそれぞれ供給し、前記第１の燃料電池の出力電圧値と前記第２の燃料電池の出力電圧値とが異なる場合には、前記第１の燃料電池の出力電圧値と前記第２の燃料電池の出力電圧値とが互いに一致するように、前記第１の燃料電池の出力電圧値と前記第２の燃料電池の出力電圧値との間の差分値に応じて、出力電圧値の高い方の燃料電池に対応する前記第１および第２のスイッチング電源回路の一方に入力される前記第１および第２の基準電流値の一方を、前記所定の基準電流値よりも増加させ、且つ前記第１および第２の基準電流値の他方を前記所定の基準電流値よりも低下させる基準電流値補正手段とを具備することを特徴とする。

本発明によれば、２つの燃料電池を用いて所望の出力電力を安定して得ることが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
まず、図１を参照して、本発明の一実施形態に係る電源回路装置の構成を説明する。この電源回路装置は、例えば、パーソナルコンピュータのような携帯型の電子機器内に設けられており、電子機器内の各コンポーネントに動作電源として供給されるべき出力電力を生成する。この電源回路装置は、第１および第２の２つの燃料電池１０１，１０２から出力電力を生成するように構成されている。第１および第２の燃料電池１０１，１０２は、例えば、電子機器内に設けられている。

これら第１および第２の燃料電池１０１，１０２の各々は、例えば、ＤＭＦＣのような燃料電池スタックから構成されている。これら第１および第２の燃料電池１０１，１０２の運転制御は、システム制御マイコンユニット（ＭＰＵ）１２２によって実行される。例えば、第１および第２の燃料電池１０１，１０２の各々がアクティブ型ダイレクトメタノール（ＤＭＦＣ）方式のセルスタックである場合には、システム制御マイコンユニット１２２は、燃料タンク、混合タンク、ポンプ、のような補機装置の制御を行い、２つの燃料電池１０１，１０２の発電を一括して制御する。

電源回路装置は、第１の燃料電池１０１から出力電力を生成する第１のスイッチング電源回路１１の出力と第２の燃料電池１０２から出力電力を生成する第２のスイッチング電源回路１２の出力とが並列接続された並列冗長構成の電源回路として実現されている。

第１のスイッチング電源回路１１は第１の燃料電池１０１と電源回路装置の出力端子ＯＵＴとの間に結合されており、第１の燃料電池１０１から所定の出力電力を生成する。燃料電池１０１はその出力電流値の増加に伴って出力電圧値が低下するという特性を有しているので、第１のスイッチング電源回路１１は、第１の燃料電池１０１から効率よく出力電力を得るために、第１の燃料電池１０１の出力電流値が予め決められた所定の基準電流値に一致するように第１の燃料電池１０１の出力電流値を一定に制御するという定電流制御モードで動作する。この第１のスイッチング電源回路１１は、第１の燃料電池１０１の出力電圧を所定の出力電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータから構成されている。

同様に、第２のスイッチング電源回路１２は第２の燃料電池１０２と電源回路装置の出力端子ＯＵＴとの間に結合されており、第２の燃料電池１０２から所定の出力電力を生成する。燃料電池１０２もその出力電流値の増加に伴って出力電圧値が低下するという特性を有しているので、第２のスイッチング電源回路１１は、第２の燃料電池１０２から効率よく出力電力を得るために、第２の燃料電池１０２の出力電流値が予め決められた所定の基準電流値に一致するように第２の燃料電池１０２の出力電流値を一定に制御するという定電流制御モードで動作する。この第２のスイッチング電源回路１２も、第２の燃料電池１０２の出力電圧を所定の出力電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータから構成されている。

携帯型電子機器に搭載される燃料電池は小型化が要求されるため、通常、燃料電池の出力電圧は、負荷（Ｌｏａｄ）１１８に供給すべき所定の定格出力電圧の範囲よりも低い。このため、本実施形態では、第１および第２のスイッチング電源回路１１，１２として、それぞれ昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータを使用する場合を想定する。この場合、第１および第２のスイッチング電源回路１１，１２は、第１および第２の燃料電池１０１，１０２の出力電圧をそれぞれ昇圧する。

第１のスイッチング電源回路１１は、電流検出抵抗１０３、入力バイパスコンデンサ１０５、昇圧インダクタ１０７、ＤＣ／ＤＣコントローラ１０９、第１のスイッチング素子１１１、スイッチング電流検出抵抗１１３、出力整流ダイオード１１５、および出力平滑コンデンサ１１７から構成されている。第１のスイッチング素子１１１はＤＣ／ＤＣコントローラ１０９から出力されるパルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）によってスイッチング制御される。第１のスイッチング素子１１１がオンされている期間中は昇圧インダクタ１０７にエネルギーが蓄積される。第１のスイッチング素子１１１がオフされると、第１の燃料電池１０１からの出力電流に加え、昇圧インダクタ１０７に蓄積されたエネルギーが電流として、平滑回路（出力整流ダイオード１１５、出力平滑コンデンサ１１７）を介して負荷１１８に送られる。

ＤＣ／ＤＣコントローラ１０９は第１のスイッチング電源回路１１の動作を制御するＤＣ／ＤＣコンバータ制御回路であり、第１の燃料電池１０１の出力電流値（平均出力電流値）が一定になるように定電流モードで第１のスイッチング素子１１１をスイッチング制御する。すなわち、ＤＣ／ＤＣコントローラ１０９は、電流検出抵抗１０３を用いて第１の燃料電池１０１の出力電流値（平均出力電流値）を検出し、その検出された出力電流値とＤＣ／ＤＣコントローラ１０９に入力される第１の基準電流値Iref’1（基準電流値Irefの補正値）との間の差分値に基づいて、第１の燃料電池１０１の出力電流値が第１の基準電流値Iref’1に一致するように、第１のスイッチング素子１１１に供給されるＰＷＭ信号のデューティ比を制御する。

第２のスイッチング電源回路１２は、電流検出抵抗１０４、入力バイパスコンデンサ１０６、昇圧インダクタ１０８、ＤＣ／ＤＣコントローラ１１０、第２のスイッチング素子１１２、スイッチング電流検出抵抗１１４、および出力整流ダイオード１１６から構成されている。第２のスイッチング素子１１２はＤＣ／ＤＣコントローラ１１０から出力されるパルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）によってスイッチング制御される。第２のスイッチング素子１１２がオンされている期間中は昇圧インダクタ１０８にエネルギーが蓄積される。第２のスイッチング素子１１２がオフされると、第２の燃料電池１０２からの出力電流に加え、昇圧インダクタ１０８に蓄積されたエネルギーが電流として、平滑回路（出力整流ダイオード１１６、出力平滑コンデンサ１１７）を介して負荷１１８に送られる。

ＤＣ／ＤＣコントローラ１１０は第２のスイッチング電源回路１２の動作を制御するＤＣ／ＤＣコンバータ制御回路であり、第２の燃料電池１０２の出力電流値（平均出力電流値）が一定になるように定電流モードで第２のスイッチング素子１１２をスイッチング制御する。すなわち、ＤＣ／ＤＣコントローラ１１０は、電流検出抵抗１０４を用いて第２の燃料電池１０２の出力電流値（平均出力電流値）を検出し、その検出された出力電流値とＤＣ／ＤＣコントローラ１１０に入力される第２の基準電流値Iref’２（基準電流値Irefの補正値）との間の差分値に基づいて、第２の燃料電池１０２の出力電流値が第２の基準電流値Iref’２に一致するように、第２のスイッチング素子１１２に供給されるＰＷＭ信号のデューティ比を制御する。

本実施形態においては、燃料電池１０１，１０２それぞれの発電性能の低下度合いには差があることを考慮し、発電性能の高い方の燃料電池からはより多くの電力を取り出し、且つその分、発電性能の低い方の燃料電池から取り出す電力を抑制できるようにするために、燃料電池１０１，１０２の出力電圧値が互いに一致するように、第１および第２の基準電流値Iref’１，Iref’２の値が燃料電池１０１，１０２間の出力電圧値の差分値に応じて自動的に補正される。

第１および第２の基準電流値Iref’１，Iref’２の初期値は互いに等しいが、例えば、燃料電池１０１の性能が燃料電池１０２よりも先に低下し始め、その燃料電池１０１の出力電圧値が下がり始めると、燃料電池１０１，１０２の出力電圧値が相等しくなるように、基準電流値Iref’１は減少される方向に補正され、逆に、基準電流値Iref’２は増加される方向に補正される。

これにより、性能が低下し始めた燃料電池１０１から取り出す電力を抑制できるので燃料電池１０１の運転をより長く継続することができ、また通常性能を維持している側の燃料電池１０２からはより多くの電力が取り出されるので、一方の燃料電池の性能が低下し始めても、トータルでは安定した出力電力を生成することが可能となる。

このように、本実施形態の電源回路装置では、燃料電池１０１の出力電流が基準電流値Iref’１と同一値になるような定電流制御を行う第１のスイッチング電源回路１１と燃料電池１０２の出力電流が基準電流値Iref’２と同一値になるような定電流制御を行う第２のスイッチング電源回路１２との並列運転が行われるが、燃料電池１０１，１０２の出力電圧が相等しくなるように各基準電流値Iref’１，Iref’２を自動補正しながら定電流制御が実行される。

第１および第２の基準電流値Iref’１，Iref’２の自動補正を実現するために、本実施形態の電源回路装置は、スタック電圧差増幅回路１１９、および基準電流値補正回路１２０，１２１を備えている。

スタック電圧差増幅回路１１９および基準電流値補正回路１２０，１２１は、基準電流値Iref’１，Iref’２を自動補正するための基準電流値補正部として機能する。すなわち、スタック電圧差増幅回路１１９は、第１の燃料電池１０１の出力電圧値と第２の燃料電池１０２の出力電圧値とを比較し、その差分値を増幅して出力する。第１の燃料電池１０１の出力電圧値と第２の燃料電池１０２の出力電圧値とが等しい場合には、スタック電圧差増幅回路１１９の出力値は零である。

基準電流値補正回路１２０，１２１は、第１の燃料電池１０１の出力電圧値と第２の燃料電池１０２の出力電圧値とが等しい場合には、ＭＰＵ１２２から出力される予め決められた基準電流値Irefをそのまま基準電流値Iref’１，Iref’２としてＤＣ／ＤＣコントローラ１０９，１１０に供給する。この場合、第１のスイッチング電源回路１１は第１の燃料電池１０１の出力電流値が基準電流値Irefに一致するように定電流モードで制御され、第２のスイッチング電源回路１２も第２の燃料電池１０２の出力電流値が基準電流値Irefに一致するように定電流モードで制御される。

第１の燃料電池１０１の出力電圧値と第２の燃料電池１０２の出力電圧値とが異なる場合には、基準電流値補正回路１２０，１２１は、第１の燃料電池１０１の出力電圧値と第２の燃料電池１０２の出力電圧値との間の差分値に応じて、基準電流値Iref’１，Iref’２の一方を増加させ、他方を減少させるという補正処理を行う。例えば、第１の燃料電池１０１の出力電圧値よりも第２の燃料電池１０２の出力電圧値が低い場合には、基準電流値補正回路１２０は基準電流値Iref’１を基準電流値Irefよりも増加させ、基準電流値補正回路１２１は基準電流値Iref’２を基準電流値Irefよりも低下させる。また、第１の燃料電池１０１の出力電圧値の方が第２の燃料電池１０２の出力電圧値よりも低い場合には、基準電流値補正回路１２０は基準電流値Iref’１を基準電流値Irefよりも低下させ、基準電流値補正回路１２１は基準電流値Iref’２を基準電流値Irefよりも増加させる。

ＭＰＵ１２２に入力される入力制御信号は燃料電池１０１，１０２の出力電圧値Vfc1、Vfc2であり、またＭＰＵ１２２から出力される出力制御信号はスタック下限電圧リファレンス信号Vrefと上述の基準電流値（スタック出力電流定電流基準リファレンス信号）Irefである。入力信号Vfc1、Vfc2はＭＰＵ１２２が燃料電池１０１，１０２それぞれの出力電圧（スタック電圧）を監視するために用いられる。一方、出力制御信号であるスタック出力電流定電流基準リファレンス信号Irefは、上述したように、基準電流値補正回路１２０、１２１を経てＤＣ／ＤＣコントローラ１０９，１１０へ入力される。

次に、図２を参照して、ＤＣ／ＤＣコントローラ１０９，１１０の構成例を説明する。

ＤＣ／ＤＣコントローラ１０９，１１０は同一の構成である。図２に示されているＤＣ／ＤＣコントローラ２２６の構成が図１のＤＣ／ＤＣコントローラ１０９，１１０にそれぞれ適用される。また図２に示されている燃料電池２０１、電流検出抵抗２０４、入力バイパスコンデンサ２１１、昇圧インダクタ２１５、スイッチング素子２１６、スイッチング電流検出抵抗２１７、出力整流ダイオード２２４、出力平滑コンデンサ２２３、および負荷２２５は、図１の燃料電池１０１，１０２、電流検出抵抗１０３，１０４、入力バイパスコンデンサ１０５，１０６、昇圧インダクタ１０７，１０８、スイッチング素子１１１，１１２、スイッチング電流検出抵抗１１３，１１４、出力整流ダイオード１１５，１１６、出力平滑コンデンサ１１７、負荷１１８に相当するものである。

ＤＣ／ＤＣコントローラ２２６は、電流検出増幅部２０５、電流検出出力分圧部２０６，２０７、スタック電圧検出分圧部２０２，２０３、スタック下限電圧制御用誤差増幅器２１０、最大出力電圧制御用誤差増幅器２１３、ＯＲダイオード２０８，２０９、ＰＷＭ部（スイッチング制御部）２２０、ＤＣ／ＤＣコンバータ電圧検出分圧部２０２，２０３
により構成される。

ＰＷＭ部２２０は、スイッチング素子２１６をスイッチング制御するための固定周波数のＰＷＭ信号を出力すると共に、電流検出増幅部２０５および電流検出出力分圧部２０６，２０７によって検出された燃料電池２０１の出力電流値と補正されたスタック定電流制御リファレンス信号Iref’（図１の基準電流値Iref’１，Iref’２に相当）との間の差分値に基づいて、燃料電池２０１の出力電流値がスタック定電流制御リファレンス信号Iref’で示される値に一致するようにＰＷＭ信号のデューティ比（ＰＷＭ信号のオンデューティ、つまりＰＷＭ信号のパルス幅）を制御する。例えば、燃料電池２０１の出力電流値が補正されたスタック定電流制御リファレンス信号Iref’で示される値よりも低い場合には、ＰＷＭ部２２０は、ＰＷＭ信号のデューティ比を増加させる制御を実行し、また燃料電池２０１の出力電流値がIref’で示される値よりも高い場合には、ＰＷＭ部２２０は、ＰＷＭ信号のデューティ比を減少させる制御を実行する。

ＰＷＭ部２２０はエラーアンプ２１２、カレントコンパレータ２１８、ＲＳフリップフロップ２１９等から構成されており、一般的な電流モード制御アーキテクチャを採用したＤＣ／ＤＣコンバータ制御部を用いて実現されている。

ＲＳフリップフロップ２１９およびカレントコンパレータ２１８は、発振器からのトリガ出力に従ってＰＷＭ信号を定期的にオン状態に設定し、且つオン状態のＰＷＭ信号によってオンされたスイッチング素子２１６に流れる電流値（スイッチング電流検出抵抗２１７によって検出されるピーク電流値）が、カレントコンパレータ２１８の負入力端子に入力されるスイッチング基準電流値を超える度にＰＷＭ信号をオフ状態に設定する。スイッチング基準電流値としては、例えば、スロープ補償信号等を用いることができる。

エラーアンプ２１２は、電流検出増幅部２０５および電流検出出力分圧部２０６，２０７によって検出された燃料電池２０１の出力電流値と補正されたスタック定電流制御リファレンス信号Iref’との間の差分値に応じた誤差信号を出力する。そして、このエラーアンプ２１２からの誤差信号はスイッチング基準電流値に加算され、これにより、燃料電池２０１の出力電流値がIref’で示される値よりも小さい場合にはスイッチング基準電流値が増加され、燃料電池２０１の出力電流値がIref’で示される値よりも大きい場合にはスイッチング基準電流値が低下されるように、スイッチング基準電流値の値が変化される。

また、ＤＣ／ＤＣコントローラ２２６は、スタック下限電圧制御用誤差増幅器２１０およびＯＲダイオード２０９を用いることにより、燃料電池２０１の出力電圧がＭＰＵ１２２からのスタック下限電圧リファレンス信号Vrefによって指定される下限電圧を下回らないように、第１の燃料電池２０１の出力電圧が下限電圧にまで低下した時にＰＷＭ信号のデューティ比を減少させる制御も実行する。

これは、上述したように、燃料電池スタックは運転時間の経過に伴い（例えば、運転開始から数時間程度経過した時）、発電能力が低下し出力電圧が低下するため、燃料電池スタックの保護のため下限電圧を設定しそれを下回らない制御も必要となるからである。スタック下限電圧制御用誤差増幅器２１０は、スタック電圧検出分圧部２０２，２０３によって検出される燃料電池２０１の出力電圧とＭＰＵ１２２からのスタック下限電圧リファレンス信号Vrefとを比較する。燃料電池２０１の出力電圧がリファレンス信号電圧Vrefにて指定した電圧値に達したとき、ＯＲダイオード２０６がオンになることにより、電流検出出力分圧部２０６，２０７の接続点の電位が増加される。ＤＣ／ＤＣコントローラ２２６は定電流制御モード（スタック出力電流定電流制御モード）からスタック出力電圧下限電圧制御モードへ遷移し燃料電池スタックを保護する。このスタック出力電圧下限電圧制御モードでは、ＰＷＭ部２２０は、燃料電池２０１の実際の出力電流値とは無関係に、燃料電池２０１の出力電流が基準電流値よりも増加した場合と同様の動作を実行し、燃料電池２０１の出力電圧を上昇させるために、ＰＷＭ信号のデューティ比を減少させる。なお、スタック出力電圧下限電圧制御モードは通常の動作モードではないため、通常はスタック出力電流定電流制御モードにて制御可能な範囲にスタック出力電流定電流基準リファレンス信号Irefが設定されている。

また、ＤＣ／ＤＣコントローラ２２６は、最大出力電圧制御用誤差増幅器２１３およびＯＲダイオード２０８を用いることにより、出力端子ＯＵＴの出力電圧が所定の出力電圧上限値（最大出力電圧制御リファレンス電圧値）よりも下回るように、出力端子ＯＵＴの出力電圧が最大出力電圧制御リファレンス電圧値にまで上昇した時にＰＷＭ信号のデューティ比を減少させる制御も実行する。

これは、図１のスイッチング電源回路１１，１２は、スイッチング素子１１１，１１２に流れる電流のピーク値を抵抗１１３，１１４により検出し、そのピーク電流値を制御するため昇圧インダクタ１０７、１０８に流れる電流を直接制御するという電流モード制御アーキテクチャを採用したＤＣ／ＤＣコンバータであり、補正された値Iref’1、Iref’2に基づき、燃料電池１０１，１０２から一定の出力電流が安定的に取り出される構成であるため、負荷１１８が軽くなるにつれ、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電力値を維持するため出力端子０ＵＴの出力電圧は上昇方向に制御される。このため、このＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧の最大値を設定し、出力電圧の最大値がこの設定値に収束するよう、最大出力電圧制御用誤差増幅器２０６により制御される。このときスタック出力電流定電流制御はＯＲダイオード２０４がオンすることにより切り離され、制御は最大出力電圧制御モードとなる。

次に、二つの燃料電池１０１，１０２（図１）の出力電圧を等しくするための具体的な制御について説明する。

この制御モードは２つの上記燃料電池１０１，１０２の出力電圧が下限電圧値に達しておらず、且つＤＣ／ＤＣコンバータ出力電圧が上限値に達しない負荷状態および発電状態の場合に実行される。

図３に燃料電池１０１，１０２の各々の出力電流Ｉに対する出力電圧Ｖおよび出力電力Ｐの特性（Ｉ−Ｖ特性、Ｉ−Ｐ特性）とその経時変化を示す。このように燃料電池１０１，１０２は発電時間の経過につれ初期状態に比べ出力が低下する特性を有するため、ＤＣ／ＤＣコンバータにより燃料電池１０１，１０２の出力電流を一定にするための定電流制御を行っている一方で、燃料電池１０１，１０２の出力電圧は時間経過に伴い低下傾向となる。燃料電池１０１，１０２は同一のＩ−Ｖ特性、Ｉ−Ｐ特性を有するように設計されている。

図１に示すＭＰＵ１２２より出力される定電流制御基準リファレンス信号値Irefは、燃料電池１０１，１０２のＩ−Ｖ特性のばらつき、発電時間経過に対する出力低下を考慮し、燃料電池１０１，１０２の最大発電電力が得られる電流値よりも少し低い値に予め設定されている。

図４は、図１に示すシステムを一定時間定電流制御にて定格運転を続けた場合に生じる燃料電池１０１，１０２間の発電性能の差の例を示している。

２つの燃料電池１０１，１０２を運転した場合、燃料や空気の供給経路の都合や元々の特性ばらつき等により、燃料電池１０１，１０２間に出力低下傾向の度合いの差が生じる。この場合、スタック出力電流（燃料電池の出力電流）が増加するほど燃料電池スタック出力電圧（燃料電池の出力電圧）が低下するという燃料電池スタックのＩ−Ｖ特性を利用し、２つの燃料電池１０１，１０２のスタック出力電圧が互いに等しくなるよう制御を行う。２つの燃料電池１０１，１０２間の出力電圧差が０の場合、スタック電圧差増幅回路１１９の出力が０となるため、基準電流補正回路１２０，１２１はスタック出力電流定電流基準リファレンス信号Irefを補正せずにそのままＤＣ／ＤＣコントローラ１０９，１１０へ入力する。この定常状態から図４に示すように、燃料電池スタックの発電出力低下が進み、燃料電池１０１の出力電圧よりも燃料電池１０２の出力電圧の方が低下傾向が大きくなったとする。このとき、スタック電圧差増幅回路１１９の出力は増大するため、基準電流補正回路１２０の出力Iref’1は増大するが、反対に基準電流補正回路１２１の出力Iref’2は減少する。これにより出力電圧の高い方の燃料電池１０１の出力電流定電流制御基準信号Iref’1は増加方向に補正され、反対に出力電圧の低い方の燃料電池１０２の出力電流定電流制御基準信号Iref’2は減少方向に補正される。

よって、出力電圧の低い燃料電池１０２の出力電流を小さくしてその出力電圧を上昇させ、出力電圧の高い燃料電池１０１の出力電流を増加させてその出力電圧を下げることにより、２つの燃料電池１０１，１０２の出力電圧を均衡させることができる。また、もし燃料電池１０２の出力電圧に対し燃料電池１０１の出力電圧が低下した場合には、上記と反対の制御が行われる。

上記制御状態が継続するにつれ、２つの燃料電池１０１，１０２の出力電圧は利用可能限界である下限電圧へ至る方向となり、定電流制御されている各々のスタック出力電流は各々のスタック出力電力ピーク値を得る値へ近づいていき、図１に示すＤＣ／ＤＣコントローラ１０９，１１０は定電流制御を維持することが出来ず下限電圧制御モードへ移行する。なお、燃料電池１０１，１０２の発電制御を所定の回復運転に切り替えて燃料電池１０１，１０２をリフレッシュすることにより、燃料電池１０１，１０２の特性回復を行うことができる。

以上のように、本実施形態においては、二つの燃料電池を並列冗長運転することにより、単一または直列構成の燃料電池スタック構成に比べ燃料電池システムの信頼度を向上することができる。また、二つの燃料電池に対し各々の発電電圧を基に出力定電流制御量を自動補正して、出力電力の分担を行っているので、発電能力の高い方の燃料電池から多く電力を取り出し、その分低い方の燃料電池から取り出す電力を抑えることができ、運転開始から所定時間経過して二つの燃料電池間に性能差が生じてからも、ある定格範囲内の出力電力を安定して出力することが可能となる。

なお、本実施形態では、スイッチング電源回路１１，１２の各々が昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータから構成されている場合を例示して説明したが、スイッチング電源回路１１，１２の各々を降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータで構成してもよく、この場合においても、本実施形態の定電流制御を適用することができる。

また、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わせにより、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。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の一実施形態に係る電源回路装置の構成を示す回路図。 図１の電源回路装置に設けられた各スイッチング電源回路の構成例を示す回路図。 図１の電源回路装置で電源ソースとして使用される２つの燃料電池の特性を示す図。 図１の電源回路装置で電源ソースとして使用される２つの燃料電池間に生じる性能差の例を示す図。

符号の説明

１１，１２…スイッチング電源回路、１０１，１０２…燃料電池、１０９，１１０…ＤＣ／ＤＣコントローラ、１１１，１１２…スイッチング素子、１１９…スタック電圧差増幅回路、１２０，１２１…基準電流値補正回路。

Claims (6)

1. 第１および第２の燃料電池から出力電力を生成する電源回路装置であって、
   前記第１の燃料電池と前記電源回路装置の出力端子との間に結合された第１のスイッチング電源回路であって、第１のスイッチング素子と、前記第１の燃料電池の出力電流値を検出する第１の出力電流検出部と、前記第１のスイッチング素子をスイッチング制御するための第１のパルス幅変調信号を出力すると共に、前記第１の出力電流検出部によって検出された出力電流値と第１の基準電流値との間の差分値に基づいて、前記第１の出力電流検出部によって検出された出力電流値が前記第１の基準電流値に一致するように前記第１のパルス幅変調信号のデューティ比を制御する第１のスイッチング制御部とを含む、第１のスイッチング電源回路と、
   前記第２の燃料電池と前記電源回路装置の出力端子との間に結合された第２のスイッチング電源回路であって、第２のスイッチング素子と、前記第２の燃料電池の出力電流値を検出する第２の出力電流検出部と、前記第２のスイッチング素子をスイッチング制御するための第２のパルス幅変調信号を出力すると共に、前記第２の出力電流検出部によって検出された出力電流値と第２の基準電流値との間の差分値に基づいて、前記第２の出力電流検出部によって検出された出力電流値が前記第２の基準電流値に一致するように前記第２のパルス幅変調信号のデューティ比を制御する第２のスイッチング制御部とを含む、第２のスイッチング電源回路と、
   前記第１の燃料電池の出力電圧値と前記第２の燃料電池の出力電圧値とを比較し、前記前記第１の燃料電池の出力電圧値と前記第２の燃料電池の出力電圧値とが互いに一致する場合には、予め決められた所定の基準電流値を前記第１および第２の基準電流値として前記第１および第２のスイッチング電源回路にそれぞれ供給し、前記第１の燃料電池の出力電圧値と前記第２の燃料電池の出力電圧値とが異なる場合には、前記第１の燃料電池の出力電圧値と前記第２の燃料電池の出力電圧値とが互いに一致するように、前記第１の燃料電池の出力電圧値と前記第２の燃料電池の出力電圧値との間の差分値に応じて、出力電圧値の高い方の燃料電池に対応する前記第１および第２のスイッチング電源回路の一方に入力される前記第１および第２の基準電流値の一方を、前記所定の基準電流値よりも増加させ、且つ前記第１および第２の基準電流値の他方を前記所定の基準電流値よりも低下させる基準電流値補正手段とを具備することを特徴とする電源回路装置。
2. 前記第１および第２のスイッチング電源回路はそれぞれ昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータであることを特徴とする請求項１記載の電源回路装置。
3. 前記第１および第２の燃料電池の各々は、出力電流値の増加に伴って出力電圧値が低下する特性を有するものであることを特徴とする請求項１記載の電源回路装置。
4. 前記第１のスイッチング制御部は、前記第１のパルス幅変調信号を定期的にオン状態に設定し、オン状態の前記第１のパルス幅変調信号によってオンされた前記第１のスイッチング素子に流れる電流値が、所定の第１のスイッチング基準電流値を超える度に前記第１のパルス幅変調信号をオフ状態に設定する回路と、前記第１の出力電流検出部によって検出された出力電流値が前記第１の基準電流値よりも小さい場合には前記第１のスイッチング基準電流値が増加され、前記第１の出力電流検出部によって検出された出力電流値が前記第１の基準電流値よりも大きい場合には前記第１のスイッチング基準電流値が低下されるように、前記第１の出力電流検出部によって検出された出力電流値と前記第１の基準電流値との間の差分値に基づいて前記第１のスイッチング基準電流値の値を変化させる回路とを含み、
   前記第２のスイッチング制御部は、前記第２のパルス幅変調信号を定期的にオン状態に設定し、オン状態の前記第２のパルス幅変調信号によってオンされた前記第２のスイッチング素子に流れる電流値が、所定の第２のスイッチング基準電流値を超える度に前記第２のパルス幅変調信号をオフ状態に設定する回路と、前記第２の出力電流検出部によって検出された出力電流値が前記第２の基準電流値よりも小さい場合には前記第２のスイッチング基準電流値が増加され、前記第２の出力電流検出部によって検出された出力電流値が前記第２の基準電流値よりも大きい場合には前記第２のスイッチング基準電流値が低下されるように、前記第２の出力電流検出部によって検出された出力電流値と前記第２の基準電流値との間の差分値に基づいて前記第２のスイッチング基準電流値の値を変化させる回路とを含むことを特徴とする請求項１記載の電源回路装置。
5. 前記第１のスイッチング電源回路は、前記第１の燃料電池の出力電圧と所定の下限電圧とを比較する回路を含み、前記第１のスイッチング制御部は、前記第１の燃料電池の出力電圧が前記所定の下限電圧を下回らないように、前記第１の燃料電池の出力電圧が前記所定の下限電圧にまで低下した時に前記第１のパルス幅変調信号のデューティ比を減少させるように構成されており、
   前記第２のスイッチング電源回路は、前記第２の燃料電池の出力電圧と前記所定の下限電圧とを比較する回路を含み、前記第２のスイッチング制御部は、前記第２の燃料電池の出力電圧が前記所定の下限電圧を下回らないように、前記第２の燃料電池の出力電圧が前記所定の下限電圧にまで低下した時に前記第２のパルス幅変調信号のデューティ比を減少させるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の電源回路装置。
6. 前記第１のスイッチング電源回路は、前記出力端子の出力電圧と所定の出力電圧上限値とを比較する回路を含み、前記第１のスイッチング制御部は、前記出力端子の出力電圧が前記所定の出力電圧上限値よりも下回るように、前記出力端子の出力電圧が前記所定の出力電圧上限値にまで上昇した時に前記第１のパルス幅変調信号のデューティ比を減少させるように構成されており、
   前記第２のスイッチング電源回路は、前記出力端子の出力電圧と前記所定の出力電圧上限値とを比較する回路を含み、前記第２のスイッチング制御部は、前記出力端子の出力電圧が前記所定の出力電圧上限値よりも下回るように、前記出力端子の出力電圧が前記所定の出力電圧上限値にまで上昇した時に前記第２のパルス幅変調信号のデューティ比を減少させるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の電源回路装置。

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