JP2009081990A - 情報処理装置システムおよび充電制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池ユニットから電力供給を受ける情報処理装置において、情報処理装置に設けられた二次電池の最適な充電制御を実現する情報処理装置システムを提供する。
【解決手段】充放電可能な二次電池８０を具備する情報処理装置１８と、情報処理装置１８に着脱可能に接続され、化学反応により発電可能な燃料電池を有する電池ユニット１０とを具備する情報処理装置システムであって、情報処理装置１８は二次電池８０を充電する際に、この情報処理装置１８が電源オン状態である場合は二次電池８０の充電の満充電検出を行わずに充電を実行し、情報処理装置１８が電源オフ状態である場合は二次電池８０の満充電検出を行い、満充電を検出した場合充電の停止をおこなう。
【選択図】図８

Description

本発明は、燃料電池ユニットからの電力供給を受ける情報処理装置システムに係り、特に燃料電池ユニットから供給される電力を用いて、情報処理装置が具備する二次電池の充電を行う機器および充電制御方法に関する。

現在、情報処理装置への電源供給源の一つである二次電池として例えばリチウムイオン電池が使用されている。二次電池の有する特徴の一つは、使い捨てタイプである一次電池と比較して、例えば商用電源を用いて充電することで繰り返し使用可能な点にある。

しかしながら、リチウムイオン電池は二次電池であるが故に、例えば商用電源を用いて充電する必要である。

また、近年における情報処理装置の機能性能の向上は著しく、これに伴って情報処理装置の消費電力は増加の傾向にある。そこで、情報処理装置に電力を供給するリチウムイオン電池が提供するエネルギの密度、即ち単位体積或いは単位質量あたりの出力エネルギ量を向上させたいものの、顕著な向上を望むのは難しい状況にある。

一方、燃料電池のエネルギ密度は、理論的にはリチウムイオン電池の１０倍とも言われている（例えば、非特許文献１参照）。これは、燃料電池がリチウムイオン電池に対して、体積或いは質量が同じとすると、より長時間（例えば１０倍）の電力供給が可能となる潜在的能力を有していることを意味する。また、両者の電力供給時間を等しいとするならば、燃料電池の方がリチウムイオン電池に対して小型・軽量化が可能となる潜在的能力を有している事を意味する。

また、燃料電池は、燃料、例えばメタノール等を小型の容器に封入してユニット化し、小型の容器ごと交換して使用すれば、外部からの充電を必要としない。従って、例えばＡＣ電源設備の無い場所において、リチウムイオン電池を使用して電力を確保する場合と比較して燃料電池を使用して電力を確保する場合の方が、より長時間にわたって情報処理装置を使用可能である。

さらに、リチウムイオン電池を使用した情報処理装置（例えばノート型パーソナルコンピュータ）を長時間使用する場合、リチウムイオン電池の供給する電力を用いて長時間使用することは困難であるため、ＡＣ電源による電力供給が可能な環境で情報処理装置を使用しなければならないという制約が課せられる。しかしながら、燃料電池の供給する電力で情報処理装置を使用するとリチウムイオン電池を用いる場合と比較して長時間に渡る情報処理装置の使用が可能になるとともに、上述の制約から解放されることが期待できる。

以上のような観点から、情報処理装置への電力供給を目的とした燃料電池の研究・開発が進められており、これまでにも、例えば特許文献１，特許文献２に開示されている。

燃料電池の方式には種々のものがあるが（例えば非特許文献２参照）、情報処理装置に適するものとして、小型・軽量化、さらに燃料の取り扱いやすさといった観点を考慮すると、ダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ：Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）方式が挙げられる。この方式の燃料電池は、燃料としてメタノールを用いるものであり、メタノールを水素に変換することなく直接、燃料極に注入する方式である。

ダイレクトメタノール型燃料電池においては、燃料極に注入するメタノールの濃度が重要であり、この濃度が高いと発電効率が悪くなり十分な性能が得られない。これは燃料となるメタノールの一部が燃料極（負極）と空気極（正極）とに挟まれる電解質膜（固体高分子電解質膜）を透過してしまう現象（これをクロスオーバ現象と呼んでいる。）に起因するものである。クロスオーバ現象はメタノールの濃度が高濃度の場合に顕著になり、低濃度のメタノールを燃料極に注入した場合は低減される。

一方、低濃度のメタノールを燃料として使用した場合、高性能を確保し易いものの、高濃度メタノールに比べると燃料の容積が大きくなるため（例えば１０倍）、燃料の容器（燃料カートリッジ）が大型となってしまう。

そこで、燃料カートリッジ内には高濃度のメタノールを収納することによって小型化を図りつつ、一方で、発電時に発生する水を小型のポンプやバルブ等で循環させて高濃度メタノールを燃料極に注入する前に希釈することによってメタノールの濃度を下げ、その結果クロスオーバ現象を低減させることができる。この方式によって発電効率を向上させることが可能となる。なお、以降、発生した水等を循環させるためのポンプやバルブ等を補機と呼び、また、このように循環させる方式を循環希釈システムと呼ぶ。

このように、燃料電池ユニット全体としては小型軽量化を図りつつ、希釈されたメタノールによって、発電効率の高い燃料電池ユニットが実現できる（非特許文献１）。
特開２００３−１４２１３７号公報 特開２００２−１６９６２９号公報 「燃料電池２００４」、日経ＢＰ社、２００３年１０月、ｐ．４９−５０，ｐ．６４ 池田宏之助編著、「燃料電池のすべて」、日本実業出版社、２００１年８月

ダイレクトメタノール型燃料電池では、希釈循環システムを採用することにより、燃料電池ユニット全体として小型・軽量化が図れるとともに、発電効率が高く、その結果、高出力の燃料電池ユニットが実現される。

しかしながら、希釈循環システムにおいては、水等を循環させるためにポンプやバルブ等の補機が必要とされることから、補機を駆動するための電源が必要となる。燃料電池自体が一旦発電を開始した後は発電した電力で補機を駆動することができるが、少なくとも燃料電池自体が発電を開始する前においては、補機を駆動させるための電源が必要となる。このため、始動時に補機を駆動させるための小電力の電源（例えば小型のリチウムイオン電池）を燃料電池ユニットに別途内蔵する方式も考えられる。

ところで、多くの情報処理装置（例えばノート型パーソナルコンピュータ）には、一定時間の使用を可能とするために二次電源（例えばリチウムイオン電池）が内蔵されている。従って、燃料電池ユニットの始動時には情報処理装置に内蔵された二次電池から電力の供給を受けて補機を駆動すれば、燃料電池ユニット側には補機駆動用の電源を設ける必要はなく、一層の小型軽量化が可能となる。

一旦補機の駆動が開始されて燃料となる希釈されたメタノールや空気が各々燃料極や空気極に注入され始めると燃料電池自体が発電を開始する。燃料電池が発電を開始した後、燃料電池によって発電された電力を情報処理装置に供給することで情報処理装置を動作させるとともに、その一部の電力で補機を駆動することが可能となる。

このように、外部の燃料電池ユニットと情報処理装置内部の二次電池が相互に補われた形態で動作させれば、トータルとして小型・軽量化が可能な最適な電力供給システムを提供することができる。なお、このような方式をハイブリッド方式と呼ぶ場合がある。

このように、（１）希釈循環システムを採用した燃料電池ユニットを情報処理装置に接続し、（２）燃料電池ユニットの内部に補機駆動用の電源を設けずに、燃料電池始動時に必要となる電力（補機の駆動等）は情報処理装置に内蔵されている二次電池から供給を受ける方式（即ちハイブリッド方式）には種々の利点を有している。

しかしながら、二次電池を有する情報処理装置が、燃料電池ユニットから電源供給を受けて動作する場合に、情報処理装置の状態に応じた二次電池の充電制御についてはこれまで考慮されていなかった。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、燃料電池を用いた情報処理装置の二次電池を充電する際に、二次電池の充電制御を最適に実現する情報処理装置システムおよび充電制御方法を提供することを目的とする。

本発明に係る情報処理装置システムは、充放電可能な二次電池を有し、この二次電池の電力で駆動可能な情報処理装置と、前記情報処理装置に着脱可能に接続され、化学反応により発電可能な燃料電池を有する電池ユニットとを具備する情報処理装置システムであって、前記情報処理装置は、前記情報処理装置の電源がオン状態の場合、前記電池ユニット及びまたは前記二次電池から供給される電力で駆動する負荷部と、前記燃料電池が発電した電力を前記二次電池に供給して充電を行う充電部と、前記情報処理装置の前記電源がオン状態であるか否かを判別する判別部と、前記負荷部での消費電力と閾値とを比較する比較部と、前記判別部により前記情報処理装置の前記電源がオン状態ではないと判別された場合であって、かつ前記二次電池が満充電状態であることを示す値に達していなかった場合、前記充電部による前記二次電池の充電を行う第１の制御部と、前記判別部により前記情報処理装置の前記電源がオン状態ではないと判別された場合であって、かつ前記二次電池が満充電状態であることを示す値に達した場合、または、前記情報処理装置がオン状態であると判別された場合であって、かつ前記比較部による比較の結果、前記負荷部での消費電力が、前記閾値より上だった場合には、前記充電部による充電を停止する第２の制御部と、前記判別部により前記情報処理装置がオン状態であると判別された場合であって、かつ前記比較部による比較の結果、前記負荷部での消費電力が、前記閾値以下だった場合、前記二次電池が満充電状態であることを示す値に達した場合であっても、前記二次電池への充電を継続させる第３の制御部とを具備することを特徴とする。

このような構成により燃料電池を用いた情報処理装置の二次電池を充電する際に、二次電池の充電制御を最適に実現することが可能である。

燃料電池ユニットから電源供給を受けることが可能な情報処理装置システムにおいて、燃料電池ユニットから供給される電力を用いて、情報処理装置が具備する二次電池の充電制御を最適に実現する情報処理装置システムおよび充電制御方法を実現する。

本発明に係る燃料電池ユニットの第一の実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は本発明の実施形態に係る燃料電池ユニットの外観を示す図である。この燃料電池ユニット１０は、情報処理装置１８例えばノート型パーソナルコンピュータの後部を載置するための載置部１１と、燃料電池ユニット本体１２とから構成される。燃料電池ユニット本体１２には、電気化学反応で発電を行うＤＭＦＣスタックや、ＤＭＦＣスタックに対して燃料となるメタノールや空気を注入、循環させるための補機（ポンプやバルブ等）を内蔵している。また、燃料電池ユニット本体１２のユニットケース１２ａには、例えば右端に着脱可能な燃料カートリッジ（図示していない）が内蔵されている。この燃料カートリッジを交換できるように、カバー１２ｂは取り外し可能となっている。

載置部１１には情報処理装置１８が載置される。図２は、本発明の実施形態に係る情報処理装置１８の一例として、ノート型パーソナルコンピュータを燃料電池ユニット１０に載置、接続した時の外観を示す図である。

情報処理装置１８は、図１および図３に示すように燃料電池ユニット１０に電気的、機械的に接続される。図１の載置部１１の上面には、情報処理装置１８と電気的、機械的に接続される接続部として単一のコネクタが設けられている。以降、このコネクタをドッキングコネクタ１４と呼ぶものとする。

ちなみに、情報処理装置１８の機能を拡張する目的のために、情報処理装置１８に対して接続可能な機器をドッキングステーション、或いはドッカーを呼ぶことがある。ドッカーには例えばハードディスクを内蔵し、機能拡張を目的としたものや、その他にも、例えばプリンタ等の外部周辺機器との接続を容易にするために情報処理装置１８が保有する外部接続コネクタと同じコネクタを持たせたもの（このタイプのドッカーを更にポートリプリケータと呼ぶことがある。）等がある。燃料電池ユニット１０はこれらのドッカーと機構的には類似したものであり、それ故に、ドッカー型燃料電池ユニットと呼ぶことがある。

図１の燃料電池ユニット１０の載置部１１に設けられるドッキングコネクタ１４の周囲３カ所にはそれぞれ位置決め突起１５とフック１６が配置される。一方、図３は、本発明の実施形態に係る情報処理装置１８の底面後部を示す外観図であり、情報処理装置１８の底面には燃料電池ユニット１０のドッキングコネクタ１４と対応する位置に、開口１９が設けられる。開口１９の奥には情報処理装置１８の接続部としてドッキングコネクタ２１が配置されており、情報処理装置１８が燃料電池ユニット１０の載置部１１に載置されると両者のドッキングコネクタ１４，２１が嵌合される。また、情報処理装置１８の開口１９には、防塵等のため、シャッター２０が設けられており、情報処理装置１８の載置時にはこのシャッター２０が開く。

さらに、情報処理装置１８のケースの底面には、開口１９の周囲３カ所に穴２２が配置されており、穴２２に燃料電池ユニット１０の位置決め突起１５とフック１６が挿入される。フック１６は、燃料電池ユニット１０に情報処理装置１８を載置後、燃料電池ユニット１０と情報処理装置１８とを固定させるために設けられるもので、情報処理装置１８を燃料電池ユニット１０に載置すると、載置部１１の内部のロック機構（図示せず）によって両者はロックされ、燃料電池ユニット１０に情報処理装置１８が取り付けられる。

情報処理装置１８を燃料電池ユニット１０から取り外す時は、図１に示したイジェクトボタン１７を押すことにより、ロックの解除が行われ、容易に取り外すことができる。

なお、図１ないし図３に示した燃料電池ユニット１０の形状や大きさ、或いはドッキングコネクタの形状や位置等は、種々の態様が考えられる。

次に、燃料電池の動作原理について説明する。

動作原理そのものは既に公知文献（例えば、非特許文献１等）に詳しく述べられているのでここでは概略を説明する。

図４は、本発明の実施形態に係る燃料電池ユニット１０を構成する燃料電池の方式であるダイレクトメタノール型燃料電池セル（ＤＭＦＣセル）２５の動作原理を説明したものである。ＤＭＦＣセル２５は中央に電解質膜３０を配置し、この両側から、燃料極（負極）３１と空気極（正極）３２で挟み込んで構成される。

ＤＭＦＣセル２５は、燃料極３１にメタノール水溶液を注入すると、燃料極３１でメタノールの酸化反応が生じ、この結果、電子（ｅ−）と水素イオン（Ｈ＋）と二酸化炭素（ＣＯ２）とが生成される。このうち、水素イオン（Ｈ＋）は電解質膜３０を透過し、空気極３２に達する。また二酸化炭素（ＣＯ２）は燃料極３１の他端から排出される。

一方、電子（ｅ−）は燃料極３１から負荷３３を介して空気極３２に環流する。この電子の流れによって、外部に電力を供給することになる。空気極３２では、外部から注入される空気中の酸素（Ｏ２）が、電解質膜３０を透過してきた水素イオン（Ｈ＋）と負荷を介して環流してきた電子（ｅ−）によって還元され、その結果、水（水蒸気）を生成する。

図４は、本発明の実施形態に係るダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）を構成する１単位を示したもので、ＤＭＦＣセル２５と呼ばれる。実際にはこのＤＭＦＣセル２５を積み重ねて、所定の電圧や電流をうることになる。ＤＭＦＣセル２５を積み重ねたものを、ＤＭＦＣスタックと呼んでいる。

図５は、本発明の実施形態に係る燃料電池ユニット１０の構成を示す系統図であり、特に、燃料電池ユニット１０の発電部４０についての詳細を示したものである。

燃料電池ユニット１０は、発電部４０と制御部４１とから構成される。制御部４１は発電部４０の制御を行うほか、情報処理装置１８との通信機能を有する。

発電部４０は、発電を行うための中心となるＤＭＦＣスタック４２を有する他、燃料となるメタノールを収納する燃料カートリッジ４３を有する。燃料カートリッジ４３には高濃度のメタノールが封入されている。燃料カートリッジ４３は、燃料を消費した時には容易に交換できるよう、着脱可能となっている。

また、ダイレクトメタノール型燃料電池において発電効率をあげるには、クロスオーバ現象を低減する必要がある。このために高濃度メタノールを希釈して低濃度化し、これを燃料極４７に注入することが有効である。この実現のため、燃料電池ユニット１０では、希釈循環システム６２を採用しており、発電部４０に希釈循環システム６２を設けている。希釈循環システム６２は、複数の構成品からなる補機６３によって実現される。

補機６３は、図４に示したように、メタノール水溶液や水等を循環させる液体流路と空気等を循環させる気体経路内に配設された燃料供給ポンプ４４、混合タンク４５，送液ポンプ４６，混合タンクバルブ４８，送気ポンプ５０，送気バルブ５１，凝縮器５３，冷却ファン５４，水回収タンク５５，水回収ポンプ５６，排気バルブ５７等を配管接続して構成される。

次に、燃料電池ユニット１０の発電部４０の発電メカニズムについて、燃料と空気（酸素）の流れに沿って説明する。

まず、燃料カートリッジ４３内の高濃度メタノールは、燃料供給ポンプ４４によって、混合タンク４５に流入する。混合タンク４５の内部で高濃度メタノールは、回収された水や燃料極４７からの低濃度メタノール（発電反応の残余分）等と混合されて希釈され、低濃度メタノールが生成される。低濃度メタノールの濃度は発電効率の高い濃度（たとえば３〜６質量％）を保てるように制御される。この制御は、例えば、濃度センサ６０の情報を基に燃料供給ポンプ４４によって混合タンク４５に供給される高濃度メタノールの量を制御する。または、混合タンク４５に環流する水の量を水回収ポンプ５６等で制御することによって実現できる。

混合タンク４５で希釈されたメタノール水溶液は送液ポンプ４６で加圧されて、ＤＭＦＣスタック４２の燃料極（負極）４７に注入される。燃料極４７では、メタノールの酸化反応が行われることで電子が発生する。酸化反応で生成される水素イオン（Ｈ＋）はＤＭＦＣスタック４２内を透過して空気極（正極）５２に達する。

一方、燃料極４７で行われる酸化反応によって生成される二酸化炭素は、反応に供されなかったメタノール水溶液とともに再び混合タンク４５に環流される。二酸化炭素は混合タンク内で気化し、混合タンクバルブ４８を介して、凝縮器５３へ向かい、最終的には排気バルブ５７を介して、排気口５８から外部へ排気される。

他方、空気（酸素）の流れは、吸気口４９から取り込まれ、送気ポンプ５０で加圧され、送気バルブ５１を介し空気極（正極）５２に注入される。空気極５２では、酸素の還元反応が進行し、外部の負荷からの電子（ｅ−）と、燃料極４７からの水素イオン（Ｈ＋）と酸素（Ｏ２）とから水（Ｈ２Ｏ）が水蒸気として生成される。この水蒸気は空気極５２から排出され、凝縮器５３に流入する。凝縮器５３では、冷却ファン５４によって水蒸気が冷却されて水（液体）となり、水回収タンク５５内に一時的に蓄積される。この回収された水は水回収ポンプ５６によって混合タンク４５へと環流する。
このようにして、希釈循環システム６２が構成される。

この希釈循環システム６２による燃料電池ユニット１０の発電メカニズムからわかるように、ＤＭＦＣスタック４２で発電を開始するためには、ポンプ４４，４６，５０，５６やバルブ４８，５１，５７或いは冷却ファン５４等の補機６３を駆動させることが必要である。これによってメタノール水溶液と空気（酸素）がＤＭＦＣスタック４２内に注入されそこで電気化学反応が進行することによって電力が得られる。一方、発電を停止するには、これらの補機６３の駆動を停止させればよい。

ところで、燃料電池ユニット１０の、ポンプ４４，４６，５０，５６やバルブ４８，５１，５７は発電部４０内の複数の箇所に配置されて希釈循環システム６２を構成するものである。したがって、これらの補機６３の駆動を相互に整合をとって適切に制御することは、発電の開始、停止時だけでなく、発電中における例えば情報処理装置１８の負荷変動や異常状態発生時において特に重要となる。これらの補機６３の制御は燃料電池ユニット１０の制御部４１で行われる。

燃料電池ユニット１０の制御部４１の動作について図６を参照して説明する。

図６は、本発明の実施形態に係る燃料電池ユニット１０側に設けられる制御部４１と通信可能な情報処理装置の一例として、たとえば情報処理装置１８の系統を示したものである。

情報処理装置１８は、ＣＰＵ６５、主記憶６６、ディスプレイコントローラ６７、ディスプレイ６８、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｃ Ｄｒｉｖｅ）６９、キーボードコントローラ７０、ポインタデバイス７１、キーボード７２、ＦＤＤ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｄｉｓｃ Ｄｒｉｖｅ）７３、これら構成品間において信号を伝送するバス７４、バス７４を介して伝送される信号を変換するためのノースブリッジ７５、サウスブリッジ７６と呼ばれるデバイス等から構成される。また、情報処理装置１８の内部に、電源部７９を設け、ここに二次電池８０として、例えばリチウムイオン電池を保有している。電源部７９は、電源制御部７７によって制御される。

燃料電池ユニット１０と情報処理装置１８との電気的インタフェースとして制御系インタフェースと電源系インタフェースとを設ける。

制御系インタフェースは情報処理装置１８の電源制御部７７と燃料電池ユニット１０の制御部４１との間にて通信を行うために設けられるインタフェースである。制御系インタフェースを介して情報処理装置１８と燃料電池ユニット１０との間で行われる通信は、例えばＩ２Ｃバス７８といったシリアルバスを介して行われる。このように情報処理装置１８の電源制御部７７は、燃料電池ユニット１０の制御部４１との通信をおこなう制御部としても機能する。

電源系インタフェースは、燃料電池ユニット１０と情報処理装置１８との間における電力の授受のために設けられるインタフェースである。例えば、発電部４０のＤＭＦＣスタック４２で発電された電力が制御部４１およびドッキングコネクタ１４を介して情報処理装置１８に供給される（電源供給ライン８２）。また、電源系インタフェースには、情報処理装置１８の電源部７９から、燃料電池ユニット１０内の補機６３等への電力供給ライン８３もある。

燃料電池ユニット１０はその形態によっては、上記電力供給ライン８３の供給数は異なる場合がある。

なお、情報処理装置１８の電源部７９に対してＡＣアダプタ用コネクタ８１を介してＡＣ／ＤＣ変換された直流電源が供給され、これによって情報処理装置１８の動作、二次電池（リチウムイオン電池）８０の充電が可能である。

続いて、図７に本実施形態に係る燃料電池ユニットの出力特性図を示す。

本実施形態では、燃料電池ユニット１０には定電力垂下特性を持たせる。即ち、燃料電池ユニットの出力電力が一定値を越えないように、出力電圧、出力電流が制御される。本実施形態では定電力を１０Wとし、その出力特性図を図７に示す。

続いて図８は、本発明の実施形態に係る情報処理装置システムの充電制御に関する構成図を示す。

燃料電池ユニット１０からの電力は、ドッキングコネクタ１４，２１を介して情報処理装置１８へ供給される。情報処理装置１８では、ドッキングコネクタ２１を介して入力された電源と、ＡＣアダプタ用コネクタ８１から入力される電源と二次電池８０とのダイオードＯＲ回路を通じて電力をシステムの各負荷へ供給する。

情報処理装置１８に接続された入力電源が、燃料電池ユニット１０と二次電池８０の２種類の場合、燃料電池ユニット１０は前述の図７のとおり定電力の垂下特性を持つため、二次電池８０とダイオードOR回路にすることでハイブリッド電源を構成できる。

つまり情報処理装置１８側の負荷が、燃料電池ユニット１０の出力電力より小さい場合（１０W以下）には、燃料電池ユニット１０の出力電圧が１５Vであり情報処理装置１８の負荷へは燃料電池ユニット１０からの出力のみで供給が可能でさらに余剰電力が残る。情報処理装置１８の負荷が燃料電池ユニット１０の出力電力より大きくなると（１０Wより大きい）、燃料電池ユニット１０の出力電圧は情報処理装置１８の二次電池８０と同じ電圧まで低下し、１０Wを保つため電流値が増大する。この場合、情報処理装置１８の負荷に対し、燃料電池ユニット１０のみで供給できない不足分は二次電池８０から供給されることになる。

ＦＥＴスイッチ１０１はＡＣアダプタ用コネクタ８１または燃料電池ユニット１０から入力された電源ラインをＯＮ/ＯＦＦするもので、電源制御部７７から出力されるＣＤＣＩＮ信号によって制御される。

ＦＥＴスイッチ１０２は電源回路の入力ラインをＯＮ/ＯＦＦするもので電源制御部７７から出力されるＰＷＯＮ信号によって制御される。これは情報処理装置１８の電源ＯＮ/ＯＦＦに伴いＯＮ/ＯＦＦされる。

これらのＦＥＴスイッチ１０１、１０２を介して入力された電源は、さらにＤＣ／ＤＣコンバータ１０３で所定の電圧値へ調整された後、情報処理装置１８内の各負荷へ供給される。

さらに電源回路の入力ラインから定電流/定電圧充電回路（以後、充電回路と称す）１０４へ入力され、充電回路１０４は二次電池を充電するための電流、電圧の制御を行う。

充電回路１０４は、電源制御部７７から出力されるＣＣＨＧＯＮ信号によってＯＮ/ＯＦＦされ、定電圧充電、定電流充電を行うものであり、システムの状態に応じて定電圧充電を行うか定電流充電を行うかが切替えられる。バッテリ充電ラインはＦＥＴスイッチ１０５によりラインのＯＮ/ＯＦＦが行われＦＥＴスイッチ１０５は電源制御部７７から出力されるＣＢＣＨＧ信号に基づきＯＮ/ＯＦＦが切替えられる。

充電回路１０４は定電流充電を行う定電流充電部１０６と定電圧充電を行う定電圧充電部１０７が設けられている。定電流充電部１０６は、−側端子に充電電流検出値Ibatが入力され、＋側端子には充電電流の設定電圧値が入力される。これは電源制御部７７から入力されるＣＩＣＨＧ信号に基づいて設定される。ＣＩＣＨＧ信号は定電流充電モードにおける充電電流を設定するアナログ電圧信号である。

定電圧充電を行う場合は、定電圧充電部１０７の−側端子にＡ−ＳＷからの出力値が入力され、＋側端子には定電流充電から定電圧充電に切替える際の基準となる参照電圧（Ｖｒｅｆ）が入力される。参照電圧Vrefは充電回路１０４から出力されても良いし、別の回路から入力されても良い。定電圧充電部１０７は、入力された参照電圧VrefとＡ−ＳＷからの電圧値と比較し、この二つの値が一致した場合に定電流充電から定電圧充電へ切り替える。Ａ−ＳＷには、端子０と端子１夫々に充電電圧Vbatを分圧した電圧値が入力される。これは例えば、充電電圧Vbatを１２．６Ｖに設定する場合、端子０へ参照電圧Ｖｒｅｆと同じ電圧値が入力されるように、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２とが調整されて設けられている。充電電圧Vbatを１２．０Ｖに設定する場合には、端子１へＶｒｅｆと同じ電圧値が入力されるように、抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４とが調整されて設けられている。Ａ−ＳＷは電源制御部７７から出力されたＳＥＬＥＣＴ信号に基づいて、端子０と端子１とを切替えて定電圧充電部１０７の−端子へ充電電圧に対応する電圧を出力する。

二次電池８０からの供給電源はＦＥＴスイッチ１０８によりＯＮ/ＯＦＦ制御される。ＦＥＴスイッチ３７はＣＤＣＨＧ信号に基づいてＯＮ/ＯＦＦ制御されるが、過放電検出ＩＣが二次電池８０の各セル電圧値を測定し過放電検出した場合にＦＥＴスイッチ１０８をＯＦＦするようＣＤＣＨＧ信号が入力される。

また燃料電池ユニット１０の制御部４１からは、燃料電池ユニット１０が動作状態にあるときにＤPＣＮＦ信号がＨｉｇｈ状態にアサートされる。電源制御部７７は、ＤPＣＮＦ信号がＨｉｇｈアサートされると、燃料電池ユニット１０が動作状態であることを識別可能である。

次に図９及び図１０を用いて、本実施形態に係る二次電池の充電制御について説明する。図９は本実施形態に係る二次電池の充電制御のフローチャートを示し、図１０は本実施形態に係る情報処理装置システムが電源オン状態時の任意の時間での燃料電池ユニットからの供給電力とシステム負荷電力の簡略関係図を示す。

図１０では、縦軸は電力、横軸は時間を示し、網掛け部分が燃料電池ユニットからの供給電力、太実線がシステム負荷の時間推移を示す。さらに実線円の部分が燃料電池ユニットの供給電力量を上回った部分（X部分）、一点鎖線円の部分が燃料電池ユニットの供給電力量がシステム負荷を上回っている部分（Y部分）を示す。

電源制御部７７は情報処理装置１がオン状態を検出すると（ステップＳ１０１のＹＥＳ）、情報処理装置１８のシステム負荷を検出する。図７で説明したように、燃料電池ユニット１０からの電圧Ｖｄｓは情報処理装置システムの負荷に応じて変動する。例えば、システム負荷が１０Ｗ以下である場合（ステップＳ１０２のＹＥＳ）は、Ｖｄｓは１５Ｖが入力され（ステップＳ１０３）、燃料電池ユニット１０から供給される余剰電力により二次電池８０の充電が行われる（ステップＳ１０４）。これは図１０に示すY部分の電力が二次電池８０の充電に用いられることになる。この充電制御方法の詳細については後述する。

一方、システム負荷が１０Ｗより大きい場合（ステップＳ１０２のＮＯ）、燃料電池ユニット１０から供給される電圧Ｖｄｓは二次電池８０から電源入力ラインへ供給される電圧の値と同じ値となり（ステップＳ１０５）、情報処理装置システムへは燃料電池ユニット１０からの供給不足分を二次電池８０から電力供給で補い、情報処理装置１８が動作する（ステップＳ１０６）。これは図１０のＸ部分であり、１０Ｗを越えた部分の電力は二次電池８０からの供給電力でまかなわれることになる。

情報処理装置１８がオフ状態である場合（ステップＳ１０１のＮＯ）は、燃料電池ユニット１０から供給される電力を用いて二次電池８０の充電を行う（ステップＳ１０７）。この場合の充電制御についても後述する。

次に図１１と図１２とを用いて充電制御の詳細を説明する。図１１は本実施形態に係る情報処理装置が電源オン状態での充電制御のフローチャートであり、図１２は本実施形態に係る情報処理装置が電源オフ状態での充電制御のフローチャートを示す。

図１１において、情報処理装置１８が電源オン状態で充電が行われる場合は、まず電源制御部７７からＳＥＬＥＣＴ信号により、定電圧１２．０Ｖを示す信号が出力される（ステップＳ２０１）。これによりＡ−ＳＷ端子１側の入力電圧を定電圧充電部１０７へ出力することになる。次に、ＣＣＨＧＯＮ信号とＣＢＣＨＧ信号双方がオン状態にアサートされる（ステップＳ２０２）。両方の信号がオンになることで、充電回路３５がオンとなり、且つバッテリ充電ラインも充電経路を形成する。

これにより充電が開始されるが充電開始時は定電流充電を行う。本実施形態では充電電流値Ibatが燃料電池ユニット１０の定格電源（本実施形態では１０Ｗ）と充電回路１０４の電源効率（本実施形態では約８５％とする）との積を、二次電池８０の実放電容量の８０％程度に相当する１２Ｖで割った値となるような充電電流設定するアナログ電圧のCICHG信号を定電流充電部１０６へ出力する（ステップS２０３）。この結果、本実施形態では、（１０W×８５％）/１２．０V＝０．７０８Ａが定電流充電の設定値となる。

この定電流充電を行ってる間（ステップＳ２０４）、充電回路１０４の定電圧充電部１０７が参照電圧Ｖｒｅｆと−端子を介して入力されるＡ−ＳＷの端子１側の電圧値とを比較し、Ｖｒｅｆの値とＡ−ＳＷからの出力電圧値とが等しくなった場合（ステップＳ２０５のＹＥＳ）、定電圧充電に切替えて、定電圧充電を実行する（ステップＳ２０６）。

なお、燃料電池ユニット１０と二次電池８０とのハイブリッド構成であるため、情報処理装置１８内のシステム負荷に応じて二次電池８０は充電/放電が切替えられる。また、燃料電池ユニット１０の余剰電力により充電するため（図９のＹ部分）、システム負荷によっては二次電池８０の充電電流Ibatが、充電終止電流より小さくなる可能性がある。このため、システム電源オン時に二次電池８０を充電する場合は満充電の検出は行わない。代わりに、この場合の充電容量は１００％の充電は行わず約８０％程度の充電量とする。なお、図１１において、ステップＳ２０１とステップＳ２０２の順番はどちらが先に行われても良いものとする。

次に、図１２を用いて情報処理装置１８が電源オフ状態で充電を行う場合について説明する。まず電源制御部７７からＳＥＬＥＣＴ信号により、定電圧１２．６Ｖを示す信号が出力される（ステップＳ３０１）。これによりＡ−ＳＷ端子０側の入力電圧を定電圧充電部１０７へ出力することになる。次に、ＣＣＨＧＯＮ信号とＣＢＣＨＧ信号双方がオン状態にアサートされる（ステップＳ３０２）。両方の信号がオンになることで、充電回路がオンとなり、且つバッテリ充電ラインも充電経路を形成する。

これにより充電が開始されるが充電開始直後は定電流充電を行う（ステップＳ３０２）。本実施形態では充電電流値Ibatが、燃料電池ユニットの電源定格（本実施形態では１０Ｗ）と充電回路の電源効率（本実施形態では約８５％とする）との積を、二次電池８０の実放電容量の８０％である１２．６Ｖで割った値となるような充電電流に設定するアナログ電圧のCICHG信号を定電流充電部１０６へ出力する（ステップS３０３）。この結果、本実施形態では、（１０W×８５％）/１２．６V＝０．６７５Ａが定電流充電の設定電流となる。

この充電電流値Ibatで定電流充電を行ってる間（ステップＳ３０４）、充電回路１０４の定電圧充電部１０７がＶｒｅｆと−端子を介して入力されるＡ−ＳＷの端子０側の電圧値とを比較し、Ｖｒｅｆの値とＡ−ＳＷの端子０の電圧値とが等しくなった場合（ステップＳ３０５のＹＥＳ）、定電圧充電に切替えて、定電圧充電を実行する（ステップＳ３０６）。

情報処理装置１８がオフ状態の場合には、二次電池８０の実放電容量の１００％まで充電可能とし、充電終止電流の検出による満充電検出も行う。この充電終止電流は二次電池８０の定格放電容量の２０分の１から３０分の１の値に設定されており、本実施形態では充電終止電流を２００mAとする。従って、本実施形態では、充電終止電流２００ｍＡを検出した場合（ステップＳ３０７のＹＥＳ）に充電を終了する（ステップＳ３０８）。

続いて図１３と図１４に情報処理装置の電源オン時、オフ時の充電中のバッテリ電圧、バッテリ電流の推移の簡略図を示す。図１３に本実施形態に係る情報処理装置がオン状態でのバッテリ充電におけるバッテリ充電電圧とバッテリ充電電流の推移を示し、図１４に本実施形態に係る情報処理装置がオフ状態でのバッテリ充電におけるバッテリ電圧とバッテリ電流の推移を示す。

図１３、図１４ともに横軸は時間の経過を示し、縦軸は(a)図がバッテリ電圧値、（ｂ）図がバッテリ電流値を示す。

図９に示すように、情報処理装置１の電源がオン状態の場合は、バッテリ電圧が所定値（満充電電圧値よりも低い値：本実施形態では１２．０Ｖ）に達するまでは定電流充電が行われる。１２．０Ｖに達すると、定電圧充電に切替えられ、１２．０Ｖの充電電圧を保ったまま充電が続けられる。この場合、システム負荷によってはバッテリ充電電流値が満充電終止電流より小さくなる可能性があるため、満充電の検出は行わず、充電を継続する。

続いて図１０に示すように情報処理装置１の電源がオフ状態である場合、バッテリ電圧が所定値（本実施形態では１２．６Ｖ）に達するまでは定電流充電が行われる。１２．６Ｖに達すると、定電圧充電に切替えられ、１２．６Ｖの充電電圧を保ったまま充電が続けられる。この場合は、バッテリ電流が満充電終止電流の値まで低下した場合に満充電であることを検出し充電を終了する。

上述のように、本実施形態によれば、燃料電池ユニット１０から供給される電力で情報処理装置の二次電池（二次電池）を充電する場合に、情報処理装置のシステム負荷状態に応じて充電制御を切替えることで、適切な充電制御を行うことが可能である。

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。

本発明の実施形態に係る燃料電池ユニットの外観図。 本発明の実施形態に係る燃料電池ユニットに情報処理装置を接続した時の外観図。 本発明の実施形態に係る燃料電池ユニットに接続される情報処理装置の底面後部の外観図。 本発明の実施形態に係る燃料電池（ＤＭＦＣ）の動作原理説明図。 本発明の実施形態に係る燃料電池ユニットの発電部の系統図。 本発明の実施形態に係る燃料電池ユニットに接続される情報処理装置の一例を示す系統図。 本発明の実施形態に係る燃料電池ユニットの出力特性図。 本発明の実施形態に係る情報処理装置システムの充電制御に関する構成図。 本発明の実施形態に係る二次電池の充電制御のフローチャート。 本発明の実施形態に係る情報処理装置システムが電源オン状態時の任意の時間での燃料電池ユニットからの供給電力とシステム負荷電力の簡略関係図。 本発明の実施形態に係る情報処理装置が電源オン状態での充電制御のフローチャート。 本発明の実施形態に係る情報処理装置が電源オフ状態での充電制御のフローチャート。 本発明の実施形態に係る情報処理装置がオン状態でのバッテリ充電におけるバッテリ電圧とバッテリ電流の推移を示す図。 本発明の実施形態に係る情報処理装置がオフ状態でのバッテリ充電におけるバッテリ電圧とバッテリ電流の推移を示す図。

符号の説明

１０・・・燃料電池ユニット
１４、２１・・・コネクタ（ドッキングコネクタ）
１８・・・情報処理装置
４０・・・発電部
４１・・・制御部
７７・・・電源制御部
８０・・・二次電池
８１・・・ＡＣアダプタ用コネクタ
１０１、１０２、１０５、１０８・・・ＦＥＴスイッチ
１０４・・・定電流／定電圧充電回路
１０６・・・定電流充電部
１０７・・・定電圧充電部

Claims (9)

1. 充放電可能な二次電池を有し、この二次電池の電力で駆動可能な情報処理装置と、前記情報処理装置に着脱可能に接続され、化学反応により発電可能な燃料電池を有する電池ユニットとを具備する情報処理装置システムであって、
   前記情報処理装置は、
   前記情報処理装置の電源がオン状態の場合、前記電池ユニット及びまたは前記二次電池から供給される電力で駆動する負荷部と、
   前記燃料電池が発電した電力を前記二次電池に供給して充電を行う充電部と、
   前記情報処理装置の前記電源がオン状態であるか否かを判別する判別部と、
   前記負荷部での消費電力と閾値とを比較する比較部と、
   前記判別部により前記情報処理装置の前記電源がオン状態ではないと判別された場合であって、かつ前記二次電池が満充電状態であることを示す値に達していなかった場合、前記充電部による前記二次電池の充電を行う第１の制御部と、
   前記判別部により前記情報処理装置の前記電源がオン状態ではないと判別された場合であって、かつ前記二次電池が満充電状態であることを示す値に達した場合、または、前記情報処理装置がオン状態であると判別された場合であって、かつ前記比較部による比較の結果、前記負荷部での消費電力が、前記閾値より上だった場合には、前記充電部による充電を停止する第２の制御部と、
   前記判別部により前記情報処理装置がオン状態であると判別された場合であって、かつ前記比較部による比較の結果、前記負荷部での消費電力が、前記閾値以下だった場合、前記二次電池が満充電状態であることを示す値に達した場合であっても、前記二次電池への充電を継続させる第３の制御部と
   を具備することを特徴とする情報処理装置システム。
2. 前記満充電状態を示す値は、前記二次電池の放出電流値であることを特徴とする請求項１に記載の情報処理装置システム。
3. 前記充電部は、前記二次電池が所定電圧値に達するまでは定電流充電を行い、前記所定電圧値に達した場合に定電圧充電に切替えて充電を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の情報処理装置システム。
4. 前記電源オン時と前記電源オフ時とでは前記所定電圧値が異なり、前記電源オン時の場合、前記電源オフ時に設定される所定電圧値より低いことを特徴とする請求項３に記載の情報処理装置システム。
5. 前記所定電圧値は、前記電源オン時の場合、前記電源オフ時に設定される所定電圧値の８０％であることを特徴とする請求項４記載の情報処理装置システム。
6. 充放電可能な二次電池と、供給された電力で駆動する負荷部を具備する情報処理装置と、前記情報処理装置に着脱可能に接続され、化学反応により発電可能な燃料電池を有する電池ユニットとを具備する情報処理装置システムの充電制御方法であって、
   前記情報処理装置の電源がオン状態であるか否かを判別するステップと、
   前記情報処理装置の前記負荷部での消費電力と閾値とを比較するステップと、
   前記情報処理装置の前記電源がオン状態ではないと判別された場合であって、かつ前記二次電池が満充電状態であることを示す値に達していなかった場合、前記二次電池の充電を行うステップと、
   前記情報処理装置の前記電源がオン状態ではないと判別された場合であって、かつ前記二次電池が満充電状態であることを示す値に達した場合、または、前記情報処理装置がオン状態であると判別された場合であって、かつ前記比較部による比較の結果、前記負荷部での消費電力が、前記閾値より上だった場合には、前記充電部による充電を停止するステップと、
   前記判別部により前記情報処理装置がオン状態であると判別された場合であって、かつ前記比較部による比較の結果、前記負荷部での消費電力が、前記閾値以下だった場合、前記二次電池が満充電状態であることを示す値に達した場合であっても、前記二次電池への充電を継続させるステップと
   を特徴とする充電制御方法。
7. 前記充電を行う際、前記二次電池が所定電圧値に達するまでは定電流充電を行い、前記所定電圧値に達した場合に定電圧充電に切替えて充電を行うことを特徴とする請求項６に記載の充電制御方法。
8. 前記電源オン時と前記電源オフ時とでは前記所定電圧値が異なり、前記電源オン時の場合前記電源オフ時に設定される所定電圧値より低いことを特徴とする請求項７に記載の充電制御方法。
9. 前記所定電圧値は、前記電源オン時の場合、前記電源オフ時に設定される所定電圧値の８０％であることを特徴とする請求項８記載の充電制御方法。

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