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