JP2009232665A - 電源装置および電源制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電力損失を十分に低減することができる電源装置を実現する。
【解決手段】燃料電池１の出力に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力と二次電池７の出力とがダイオードＯＲ接続された構成において、短絡ＦＥＴ５がダイオード３に並列に接続され、短絡ＦＥＴ６がダイオード４に並列に接続されている。そして、二次電池電圧７の出力電圧とＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧との関係に基づいて短絡ＦＥＴ５，６それぞれがオン／オフ制御される。これにより、ダイオード損失を著しく削減することができるので、燃料電池１および二次電池７を併用でき、且つ電力損失を十分に低減することができる。
【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装置および電源制御方法に関し、特に燃料電池を電源ソースとして使用する電源装置および電源制御方法に関する。

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燃料電池が注目されている。

携帯型電子機器に適用される燃料電池においては、その小型化が要求される。このため、燃料電池の発電性能を比較的低く抑えることが必要となる。

このことから、最近では、燃料電池の出力電力と二次電池の出力電力とを併用するシステムが開発され始めている。

特許文献１には、燃料電池と二次電池とを併用するシステムが開示されている。このシステムにおいては、燃料電池の出力と二次電池の出力はダイオードＯＲ回路を介して負荷に接続されている。
特開２００５−３４６９８４号公報

しかし、特許文献１のシステムにおいては、ダイオードＯＲ回路に起因する電力損失について考慮されていない。燃料電池を使用する小型電源装置の実現に際しては、その電力損失を十分に低減するための仕組みを設けることが必要である。

本発明は上述の事情を考慮してなされたものであり、電力損失を十分に低減することができる電源装置および電源制御方法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、燃料電池および二次電池から電力を生成する電源装置であって、前記燃料電池の出力に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータであって、前記燃料電池の出力電力を一定に維持するために当該ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流の増加に応じて当該ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が低下される制御特性を有するＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力と電力出力端子との間に接続された第１のダイオードと、前記二次電池の出力と前記電力出力端子との間に接続され、前記第１のダイオードと同じ順方向降下電圧を有する第２のダイオードと、電流通路が前記第１のダイオードに並列に接続された第１のトランジスタと、電流通路が前記第２のダイオードに並列に接続された第２のトランジスタと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧と前記二次電池の出力電圧とを監視し、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が、前記二次電池の出力電圧に、前記順方向降下電圧と等しいか若しくは前記順方向降下電圧よりも所定値だけ高い所定のオフセット電圧を加えた基準電圧以下であることが検出された場合、前記第１のトランジスタおよび前記第２のトランジスタをオフ状態およびオン状態にそれぞれ設定し、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が前記基準電圧値よりも高いことが検出された場合、前記第１のトランジスタおよび前記第２のトランジスタをオン状態およびオフ状態にそれぞれ設定する制御手段とを具備することを特徴とする。

また、本発明は、電子機器に電力を供給する燃料電池装置であって、燃料電池と、二次電池と、前記燃料電池の出力に接続された第１のＤＣ／ＤＣコンバータであって、前記燃料電池の出力電力を一定に維持するために当該第１のＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流の増加に応じて当該ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が低下される制御特性を有する第１のＤＣ／ＤＣコンバータと、前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの出力と電力出力端子との間に接続された第１のダイオードと、前記二次電池の出力と前記電力出力端子との間に接続され、前記第１のダイオードと同じ順方向降下電圧を有する第２のダイオードと、電流通路が前記第１のダイオードに並列に接続された第１のトランジスタと、電流通路が前記第２のダイオードに並列に接続された第２のトランジスタと、前記電力出力端子に接続され、前記電力出力端子の電圧を前記電子機器に供給すべき目的出力電圧に変換する第２のＤＣ／ＤＣコンバータと、前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧と前記二次電池の出力電圧とを監視し、前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が、前記二次電池の出力電圧に、前記順方向降下電圧と等しいか若しくは前記順方向降下電圧よりも所定値だけ高い所定のオフセット電圧を加えた基準電圧以下であることが検出された場合、前記第１のトランジスタおよび前記第２のトランジスタをオフ状態およびオン状態にそれぞれ設定し、前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が前記基準電圧値よりも高いことが検出された場合、前記第１のトランジスタおよび前記第２のトランジスタをオン状態およびオフ状態にそれぞれ設定する制御手段とを具備することを特徴とする。

また、本発明は、燃料電池および二次電池から電力を生成する電源装置の動作を制御する電源制御方法であって、前記電源装置は、前記燃料電池の出力に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータであって、前記燃料電池の出力電力を一定に維持するために当該ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流の増加に応じて当該ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が低下される制御特性を有するＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力と電力出力端子との間に接続された第１のダイオードと、前記二次電池の出力と前記電力出力端子との間に接続され、前記第１のダイオードと同じ順方向降下電圧を有する第２のダイオードとを含んでおり、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧と前記二次電池の出力電圧とを監視するステップと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が、前記二次電池の出力電圧に、前記順方向降下電圧と等しいか若しくは前記順方向降下電圧よりも所定値だけ高い所定のオフセット電圧を加えた基準電圧以下であることが検出された場合、前記第１のダイオードに電流通路が並列に接続された第１のトランジスタおよび前記第２のダイオードに電流通路が並列に接続された第２のトランジスタをオフ状態およびオン状態にそれぞれ設定するステップと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が前記基準電圧値よりも高いことが検出された場合、前記第１のトランジスタおよび前記第２のトランジスタをオン状態およびオフ状態にそれぞれ設定するステップとを具備することを特徴とする。

本発明によれば、電力損失を十分に低減することができる。

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装置の構成を説明する。本電源装置は、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の電源として用いられる。本電源装置は、燃料電池（燃料電池セルスタック）１および二次電池７から、負荷１１としての電子機器に供給されるべき電力を生成するように構成されている。

燃料電池１は、例えば、ＤＭＦＣ（direct methanol fuel cell）のような燃料電池スタックから構成されている。この燃料電池１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１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。二次電池７は繰り返し充電可能な電池（バッテリ）である。

本電源装置は、燃料電池１および二次電池７から電力を生成するための動作モードとして、セルスタック出力モードとハイブリッド出力モードを有している。

セルスタック出力モードは、燃料電池１からの出力電力のみを用いて負荷１１に電力を供給するモードである。このセルスタック出力モードは、主に、負荷１１の消費電力が比較的低い低負荷時に用いられる。低負荷時においては、燃料電池１の余剰電力は、二次電池７の充電のためにも用い得る。

ハイブリッド出力モードは、燃料電池１からの出力電力および二次電池７からの出力電力を用いて負荷１１に電力を供給するモードである。このハイブリッド出力モードは、主に、負荷１１の消費電力が大きい高負荷時に用いられる。コンピュータのような電子機器においては、その平均消費電力に比しピーク消費電力が遙かに大きい。このため、高負荷時においては、負荷１１の消費電力が燃料電池１の発電電力を上回り、燃料電池１の出力電力のみを用いたのでは、負荷１１に供給すべき電力する。この電力不足を補うために、ハイブリッド出力モードにおいて、燃料電池１からの出力電力と二次電池７からの出力電力の双方から負荷１１に供給すべき電力が生成される。本電源装置の動作モードは、負荷１１の状況に応じて、セルスタック出力モードとハイブリッド出力モードとの間を自動的に遷移する。

本電源装置は、セルスタック出力モードおよびハイブリッド出力モードそれぞれに対応する動作を実現するために、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２、第１のダイオード３、第２のダイオード４、第１のトランジスタ（短絡ＦＥＴ）５、第２のトランジスタ（短絡ＦＥＴ）６、制御部８、充電回路９、および第１のＤＣ／ＤＣコンバータ１０を備えている。これら第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２、第１のダイオード３、第２のダイオード４、第１のトランジスタ（短絡ＦＥＴ）５、第２のトランジスタ（短絡ＦＥＴ）６、制御部８、充電回路９、および第１のＤＣ／ＤＣコンバータ１０は、セルスタック出力モードまたはハイブリッド出力モードで電力を生成する電源制御回路１１０として機能する。

第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２は、燃料電池１の出力に接続されている。この第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２は、燃料電池１の出力電力を一定に維持するために、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電流の増加に応じて当該第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧が低下される制御特性を有するように構成されている。

すなわち、燃料電池１は出力電流の増加に伴って出力電圧が低下するという特性を有してする。このため、燃料電池１の出力電力は、燃料電池１の出力電流値がある所定値の時にピークとなる。この燃料電池１から効率よく電力を得るために、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２は、燃料電池１の出力電力をほぼ一定にするための定電力入力制御モードで動作する。この結果、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２は、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電流の増加に応じて当該第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧が低下するという制御特性を有する。

第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２においては、例えば、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２内に設けられたスイッチング素子（ＦＥＴ）をスイッチング制御するためのパルス幅変調信号のデューティ比は、燃料電池１の出力電力をほぼ一定になるように、燃料電池１の出力電流または出力電圧に応じて制御される。例えば、燃料電池１の出力電流を用いて定電力入力制御を行う場合には、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２は、燃料電池１の出力電流を検出し、その検出された出力電流と基準電流との差分に応じて、検出された出力電流と基準電流とが一致するようにパルス幅変調信号のデューティ比を制御すればよい。

第１のダイオード３は第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力と電源出力端子ＯＵＴとの間に接続されている。すなわち、第１のダイオード３のアノードは第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力に接続され、第１のダイオード３のカソードは電源出力端子ＯＵＴに接続されている。

第２のダイオード４は二次電池７の出力と電源出力端子ＯＵＴとの間に接続されている。すなわち、第２のダイオード４のアノードは二次電池７の出力に接続され、第２のダイオード４のカソードは電源出力端子ＯＵＴに接続されている。第２のダイオード４の順方向降下電圧ＶＦの値は、第１のダイオード３の順方向降下電圧ＶＦの値と同じである。

これら第１のダイオード３および第２のダイオード４により、ダイオードＯＲ回路２０が構成される。このダイオードＯＲ回路２０は、電流の逆流（第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２から二次電池７への電流の流れ込み、二次電池７から第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２への電流の流れ込み）を防止しつつ、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２と二次電池７とを電源出力端子ＯＵＴに共通接続するために用いられる。

第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電流が所定値以下の場合における第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧は、二次電池７の出力電圧よりも高い。したがって、低負荷時においては、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧は二次電池７の出力電圧よりも高く、第２のダイオード４に逆バイアスされる。この結果、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電流のみが負荷１１に供給される（セルスタック出力モード）。

負荷１１の消費電力が増加すると、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧は低下し始める。第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧がある値にまで低下すると、第２のダイオード４が順方向バイアスされ、この結果、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電流と二次電池７の出力電流の双方が負荷１１に供給される（ハイブリッド出力モード）。

しかし、第１のダイオード３および第２のダイオード４の存在は、第１のダイオード３および第２のダイオード４それぞれの順方向電圧降下に起因する電力損失を招くことになる。

本実施形態では、ダイオードＯＲ回路２０による電力損失を低減するために、第１のトランジスタ（短絡ＦＥＴ）５および第２のトランジスタ（短絡ＦＥＴ）６が設けられている。短絡ＦＥＴ５は第１のダイオード３をバイパスするためのＦＥＴであり、そのソース−ドレイン間の電流通路は第１のダイオード３に並列に接続されている。短絡ＦＥＴ６は第２のダイオード４をバイパスするためのＦＥＴであり、そのソース−ドレイン間の電流通路は第２のダイオード４に並列に接続されている。本実施形態においては、これら短絡ＦＥＴ５，６は、本電源装置の動作モード（セルスタック出力モード、ハイブリッド出力モード）の遷移に連動してオン／オフ制御される。

制御部８は、短絡ＦＥＴ５，６の各々を本電源装置の動作モードの切り替えに連動してオン／オフ制御するために、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧Ｖ_ＤＣと二次電池７の出力電圧Ｖ_Ｂとを監視する。なぜなら、本電源装置の動作モードは、ダイオードＯＲ回路２０の働きにより、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧Ｖ_ＤＣと二次電池７の出力電圧Ｖ_Ｂとの関係に応じて、セルスタック出力モードとハイブリッド出力モードとの間を自動的に遷移するからである。

制御部８は、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧Ｖ_ＤＣと二次電池７の出力電圧Ｖ_Ｂとの関係が、次の式（１）で示される関係を満たすか否かを判別する。

Ｖ_ＤＣ≦Ｖ_ｏｆ＋Ｖ_Ｂ …（１）
ここで、Ｖ_ｏｆは予め決められたオフセット電圧である。Ｖ_ｏｆは、順方向降下電圧Ｖ_Ｆと等しい値（Ｖ_ｏｆ＝Ｖ_Ｆ）、若しくは順方向降下電圧Ｖ_Ｆよりも僅かに高い値（Ｖ_ｏｆ＝Ｖ_Ｆ＋α）に予め設定されている。すなわち、Ｖ_ｏｆは、Ｖ_ｏｆ≧Ｖ_Ｆの関係を満たしている。

本実施形態では、Ｖ_ｏｆ＋Ｖ_Ｂで与えられる電圧を基準電圧と称する。すなわち、基準電圧は、二次電池の出力電圧Ｖ_Ｂに、順方向降下電圧Ｖ_Ｂと等しいか若しくはＶ_Ｂよりも所定値だけ高いオフセット電圧Ｖ_ｏｆ（Ｖ_ｏｆ＝Ｖ_Ｆ, ｏｒ Ｖ_ｏｆ＝Ｖ_Ｆ＋α）を加えることによって得られる電圧である。この基準電圧は、本電源装置の動作モードをセルスタック出力モードとハイブリッド出力モードとの間を遷移させるための境界値として考えることができる。

第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧Ｖ_ＤＣが基準電圧（Ｖ_ｏｆ＋Ｖ_Ｂ）よりも高いことを検出した時、制御部８は、短絡ＦＥＴ５をオン状態に設定し、短絡ＦＥＴ６をオフ状態に設定する。一方、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧Ｖ_ＤＣが基準電圧（Ｖ_ｏｆ＋Ｖ_Ｂ）以下であることを検出した時、制御部８は、短絡ＦＥＴ５をオフ状態に設定し、短絡ＦＥＴ６をオン状態に設定する。

ここで、低負荷状態から高負荷状態へ移行する時に実行される短絡ＦＥＴ５，６の制御について説明する。いま、Ｖ_ｏｆ＝Ｖ_Ｆ、つまり基準電圧値がＶ_Ｆ＋Ｖ_Ｂであるとする。

低負荷状態においては、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧Ｖ_ＤＣは、Ｖ_Ｆ＋Ｖ_Ｂよりも高い。したがって、短絡ＦＥＴ５はオンされており、また短絡ＦＥＴ６はオフされている。

負荷１１によって消費される負荷電流が増加すると、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧Ｖ_ＤＣは低下し始める。第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧Ｖ_ＤＣがＶ_Ｆ＋Ｖ_Ｂにまで低下したとする（Ｖ_ＤＣ＝Ｖ_Ｆ＋Ｖ_Ｂ）。短絡ＦＥＴ５はまだオン状態であるので、電源出力端子ＯＵＴの電圧はＶ_ＤＣ（Ｖ_ＤＣ＝Ｖ_Ｆ＋Ｖ_Ｂ）である。制御部８は短絡ＦＥＴ５をオフする。電源出力端子ＯＵＴの電圧はＶ_ＤＣよりもダイオード２の電圧降下Ｖ_ｆだけ低下するので、Ｖ_ＤＣ−Ｖ_ｆとなる。Ｖ_ＤＣ＝Ｖ_Ｆ＋Ｖ_Ｂであるので、電源出力端子ＯＵＴの電圧はＶＢと同じになる。制御部８は短絡ＦＥＴ６をオンする。これにより、本電源装置の動作モードはセルスタック出力モードからハイブリッド出力モードに遷移する。

次に、Ｖ_ｏｆ＝Ｖ_Ｆ＋α、つまり基準電圧値がＶ_Ｆ＋Ｖ_Ｂ＋αである場合を想定して、低負荷状態から高負荷状態へ移行する時に実行される短絡ＦＥＴ５，６の制御について説明する。

負荷１１によって消費される負荷電流が増加すると、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧Ｖ_ＤＣは低下し始める。第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧Ｖ_ＤＣがＶ_Ｆ＋Ｖ_Ｂ＋αにまで低下したとする（Ｖ_ＤＣ＝Ｖ_Ｆ＋Ｖ_Ｂ＋α）。短絡ＦＥＴ５はまだオン状態であるので、電源出力端子ＯＵＴの電圧はＶ_ＤＣ（Ｖ_ＤＣ＝Ｖ_Ｆ＋Ｖ_Ｂ＋α）である。制御部８は短絡ＦＥＴ５をオフする。これにより、電源出力端子ＯＵＴの電圧は、ダイオード２の電圧降下により、Ｖ_ＤＣ−Ｖ_ｆとなる。すなわち電源出力端子ＯＵＴの電圧はＶ_Ｂ＋αと同じになる。制御部８は短絡ＦＥＴ６をオンする。これにより二次電池７は一旦充電され始めるが、この充電によりＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電力が増え、その出力電圧Ｖ_ＤＣが下がるため、本電源装置の動作モードはセルスタック出力モードからハイブリッド出力モードに遷移する。

充電回路９は、電源出力端子ＯＵＴと二次電池７の出力との間に接続されている。この充電回路９は二次電池７を充電するように構成されている。この充電回路９は制御部８からのイネーブル信号ＥＮに応じてアクティブ状態またはインアクティブ状態に設定される。

さらに、電源出力端子ＯＵＴには、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ１０を接続してもよい。この第２のＤＣ／ＤＣコンバータ１０は、電源出力端子ＯＵＴの電圧を一定の目的電圧に変換する。この第２のＤＣ／ＤＣコンバータ１０は、例えば、電源出力端子ＯＵＴの電圧を昇圧および降圧することが可能な昇降圧型のスイッチングレギュレータから構成されている。この第２のＤＣ／ＤＣコンバータ１０により、一定値の電源電圧を負荷１１に供給することができる。なお、電源出力端子ＯＵＴの出力電力を直接的に負荷１１に供給するようにしてもよいことはもちろんである。

次に、制御部８の構成について説明する。

制御部８は、電圧検出部８１、ＦＥＴ制御部８２、および充電制御部８３を備えている。電圧検出部８１は第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力および二次電池７の出力にそれぞれ接続されており、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧Ｖ_ＤＣおよび二次電池７の出力電圧Ｖ_Ｂをそれぞれ検出する。

ＦＥＴ制御部８２は、電圧検出部８１による出力電圧Ｖ_ＤＣおよび出力電圧Ｖ_Ｂそれぞれの検出結果に応じて、ＦＥＦ制御信号ＣＯＮＴ＃１，ＣＯＮＴ＃２の発生を制御する。ＦＥＦ制御信号ＣＯＮＴ＃１は短絡ＦＥＴ５をオンまたはオフするための制御信号であり、短絡ＦＥＴ５のゲートに供給される。同様に、ＦＥＦ制御信号ＣＯＮＴ＃２は短絡ＦＥＴ６をオンまたはオフするための制御信号であり、短絡ＦＥＴ６のゲートに供給される。

ＦＥＴ制御部８２は、出力電圧Ｖ_ＤＣと出力電圧Ｖ_Ｂとの関係がＶ_ＤＣ≦Ｖ_ｏｆ＋Ｖ_Ｂで与えられる関係を満たすか否か、つまり、出力電圧Ｖ_ＤＣが基準電圧（＝Ｖ_ｏｆ＋Ｖ_Ｂ）以下であるか否か判定する。出力電圧Ｖ_ＤＣが基準電圧（＝Ｖ_ｏｆ＋Ｖ_Ｂ）よりも高いならば、ＦＥＴ制御部８２は、短絡ＦＥＴ５および短絡ＦＥＴ６をそれぞれオン状態およびオフ状態に設定する。一方、出力電圧Ｖ_ＤＣが基準電圧（＝Ｖ_ｏｆ＋Ｖ_Ｂ）以下であるならば、ＦＥＴ制御部８２は、短絡ＦＥＴ５および短絡ＦＥＴ６をそれぞれオフ状態およびオン状態に設定する。

充電制御部８３は、出力電圧Ｖ_ＤＣに従って、充電回路９を制御する。すなわち、充電制御部８３は、出力電圧Ｖ_ＤＣが基準電圧値よりも高い所定の電圧値以上であることを条件に、充電回路９にイネーブル信号ＥＮを供給して充電回路９を動作させる。負荷１１によって消費される負荷電流が僅かである場合には、出力電圧Ｖ_ＤＣの値は比較的高い。このような時に、充電制御部８３は、充電回路９を動作させる。

次に、図２を参照して、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の制御特性について説明する。

図２は、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧−出力電流の静特性と本電源装置の動作モードとを示している。

上述したように、燃料電池１から電力を効率よく取り出すために、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２は、燃料電池１の出力電圧または出力電流を一定に制御して燃料電池１の出力電力を概ね一定に制御する（定電力入力制御）。このため、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電流Ｉ_ｏｕｔが増加するにつれ、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧Ｖ_ＤＣは低下する。ただし、出力電圧Ｖ_ＤＣには上限値を設ける必要があるため、出力電流Ｉ_ｏｕｔが比較的小さい範囲では、定電力入力制御は行われない。ＤＣ／ＤＣコンバータ２は上記特性を有するため、そのＩ_ｏｕｔ−Ｖ_ＤＣ特性は図２に示すようになる。

低負荷時、つまり出力電圧Ｖ_ＤＣが基準電圧（＝Ｖ_ｏｆ＋Ｖ_Ｂ）よりも高い期間においては、本電源装置はセルスタック出力モード（または充電回路９によって二次電池７を充電する充電モード）で動作する。この状態においては、図３に示すように、短絡ＦＥＴ５はオン、短絡ＦＥＴ６はオフされる。このセルスタック出力モードにおいては、ダイオード４は逆バイアスされているので、二次電池７から出力電流が流れ出すことはない。したがって、充電回路９は二次電池７の充電を行うことが可能となる。一方、ダイオード３は短絡ＦＥＴ５によってバイパスされるので、ダイオード３の電圧降下による電力損失の発生を防ぐことができる。なお、充電回路９による二次電池７の充電は、出力電圧Ｖ_ＤＣが基準電圧（＝Ｖ_ｏｆ＋Ｖ_Ｂ）よりも高い所定電圧である場合、例えば、出力電圧Ｖ_ＤＣが上限値近傍の値である時に実行される。

ピーク消費電力が増加する高負荷時、つまり出力電圧Ｖ_ＤＣが基準電圧（＝Ｖ_ｏｆ＋Ｖ_Ｂ）以下の期間においては、本電源装置はハイブリッド出力モードで動作する。この状態においては、図３に示すように、短絡ＦＥＴ５はオフ、短絡ＦＥＴ６はオンされる。このハイブリッド出力モードにおいては、ダイオード４は短絡ＦＥＴ６によってバイパスされるので、ダイオード４の電圧降下による電力損失の発生を防ぐことができる。出力電圧Ｖ_ＤＣは、二次電池７の出力電圧Ｖ_Ｂの変化に追従するように出力電圧Ｖ_Ｂの変化に沿って変化する。

なお、本実施形態では、動作モードの遷移時には短絡ＦＥＴ５および短絡ＦＥＴ６が同時ＯＦＦする期間を設けており、これにより同時に両ＦＥＴ５，６がオンしないように制御している。

図４は、セルスタック出力モードからハイブリッドモードへの遷移時に行われる、短絡ＦＥＴ５および短絡ＦＥＴ６それぞれのスイッチング制御のタイミングを示している。

制御部８は、短絡ＦＥＴ５および短絡ＦＥＴ６がオン状態およびオフ状態にそれぞれ設定されている状態で第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧Ｖ_ＤＣおよび二次電池７の出力電圧Ｖ_Ｂを監視する。

第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧Ｖ_ＤＣが基準電圧（Ｖ_ｏｆ＋Ｖ_Ｂ）にまで低下すると、制御部８は、短絡ＦＥＴ５をオン状態からオフ状態に切り替え、その後、短絡ＦＥＴ６をオフ状態からオン状態に切り替える。これにより、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電流（Ｉ_ＤＣ）と二次電池７の出力電流（放電電流）Ｉ_Ｂの双方が負荷１１に供給される。負荷１１に供給される負荷電流をＩ_ＯＵＴとすると、Ｉ_ＯＵＴは、Ｉ_ＤＣ＋Ｉ_Ｂとなる。

この後も、制御部８は、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧Ｖ_ＤＣおよび二次電池７の出力電圧Ｖ_Ｂを監視し続けける。負荷電流の低下により、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧Ｖ_ＤＣが基準電圧（Ｖ_ｏｆ＋Ｖ_Ｂ）よりも上昇すると、制御部８は、短絡ＦＥＴ６をオン状態からオフ状態に切り替え、その後、短絡ＦＥＴ５をオフ状態からオン状態に切り替える。

以上の動作により、適切且つ安全にＯＲ接続ダイオード３または４を短絡（バイパス）でき、ダイオード順方向電圧降下による損失の発生を抑えることができる。

図５は、本実施形態の電源装置の電源制御回路１１０を内蔵した燃料電池装置１００の構成例を示している。

この燃料電池装置１００は、パーソナルコンピュータのような携帯型の電子機器１１に電力を供給する外部電源として機能する。この燃料電池装置１００の筐体内には、上述の電源制御回路１１０に加え、ＤＭＦＣユニット２００およびコントローラ２０１が内蔵されている。

ＤＭＦＣユニット２００は上述の燃料電池（燃料電池セルスタック）１に加え、燃料タンク１０１、および補機装置１０２を含んでいる。補機装置１０２は、混合タンク、ポンプなどから構成されている。コントローラ２０１は、ＤＭＦＣユニット２００と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２を運転制御するためのコントローラである。コントローラ２０１はＤＭＦＣユニット２００の運転状態に応じてＤＣ／ＤＣコンバータ２の入力電力を設定する。

第２のＤＣ／ＤＣコンバータ１０からの出力電力が電子機器１１に動作電源として供給される。電子機器１１は本体部５１と電源回路５２とを含んでいる。電源回路５２は、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ１０から受け取った電力から、本体部５１を構成する各デバイスに供給すべき電力を生成する。

以上説明したように、本実施形態においては、燃料電池１の出力に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力と二次電池７の出力とがダイオードＯＲ接続された構成において、短絡ＦＥＴ５がダイオード３に並列に接続され、短絡ＦＥＴ６がダイオード４に並列に接続されている。そして、二次電池電圧７の出力電圧とＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧との関係に基づいて短絡ＦＥＴ５，６それぞれがオン／オフ制御される。これにより、ダイオード損失を著しく削減することができるので、燃料電池１および二次電池７を併用でき、且つ電力損失を十分に低減することができる。

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。

本発明の一実施形態に係る電源装置の構成を示す回路図。 図１の電源装置に設けられたＤＣ／ＤＣコンバータの出力特性を示す図。 図１の電源装置に設けられた２つのＦＥＴそれぞれのオン／オフ制御条件を示す図。 図１の電源装置によって実行される、２つのＦＥＴそれぞれのオン／オフ制御動作を説明するためのタイミングチャート。 図１の電源装置に設けられた電源制御回路を含む燃料電池装置の構成を示すブロック図。

符号の説明

１…燃料電池、２…第１のＤＣ／ＤＣコンバータ、３…第１のダイオード、４…第２のダイオード、５…第１のトランジスタ（短絡ＦＥＴ）、６…第２のトランジスタ（短絡ＦＥＴ）、７…二次電池、８…制御部、９…充電回路。

Claims (10)

1. 燃料電池および二次電池から電力を生成する電源装置であって、
   前記燃料電池の出力に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータであって、当該ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流の増加に応じて当該ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が低下されるＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力と電力出力端子との間に接続された第１のダイオードと、
   前記二次電池の出力と前記電力出力端子との間に接続され、前記第１のダイオードと同じ順方向降下電圧を有する第２のダイオードと、
   電流通路が前記第１のダイオードに並列に接続された第１のトランジスタと、
   電流通路が前記第２のダイオードに並列に接続された第２のトランジスタと、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧と前記二次電池の出力電圧とを監視し、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が、前記二次電池の出力電圧に、前記順方向降下電圧と等しいか若しくは前記順方向降下電圧よりも所定値だけ高い所定のオフセット電圧を加えた基準電圧以下であることが検出された場合、前記第１のトランジスタおよび前記第２のトランジスタをオフ状態およびオン状態にそれぞれ設定し、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が前記基準電圧値よりも高いことが検出された場合、前記第１のトランジスタおよび前記第２のトランジスタをオン状態およびオフ状態にそれぞれ設定する制御手段とを具備することを特徴とする電源装置。
2. 前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流が所定値以下の場合における前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧は、前記二次電池の出力電圧よりも高いことを特徴とする請求項１記載の電源装置。
3. 前記制御手段は、前記第１のトランジスタおよび前記第２のトランジスタがオン状態およびオフ状態にそれぞれ設定されている状態で前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が前記基準電圧値以下に低下したことが検出された場合、前記第１のトランジスタおよび前記第２のトランジスタを共に一時的にオフ状態に設定するために、前記第１のトランジスタをオン状態からオフ状態に切り替えた後に前記第２のトランジスタをオフ状態からオン状態に切り替えることを特徴とする請求項２記載の電源装置。
4. 前記制御手段は、前記第１のトランジスタおよび前記第２のトランジスタがオフ状態およびオン状態にそれぞれ設定されている状態で前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が前記基準電圧値よりも上昇したことが検出された場合、前記第１のトランジスタおよび前記第２のトランジスタを共に一時的にオフ状態に設定するために、前記第２のトランジスタをオン状態からオフ状態に切り替えた後に前記第１のトランジスタをオフ状態からオン状態に切り替えることを特徴とする請求項３記載の電源装置。
5. 前記電力出力端子に接続され、前記２次電池を充電するように構成された充電回路をさらに具備し、
   前記制御手段は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が前記基準電圧値よりも高い所定の電圧値である場合、前記充電回路を動作させることを特徴とする請求項１記載の電源装置。
6. 前記電力出力端子に接続され、前記電力出力端子の電圧を目的出力電圧に変換する別のＤＣ／ＤＣコンバータをさらに具備することを特徴とする請求項１記載の電源装置。
7. 電子機器に電力を供給する燃料電池装置であって、
   燃料電池と、
   二次電池と、
   前記燃料電池の出力に接続された第１のＤＣ／ＤＣコンバータであって、当該第１のＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流の増加に応じて当該ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が低下される第１のＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの出力と電力出力端子との間に接続された第１のダイオードと、
   前記二次電池の出力と前記電力出力端子との間に接続され、前記第１のダイオードと同じ順方向降下電圧を有する第２のダイオードと、
   電流通路が前記第１のダイオードに並列に接続された第１のトランジスタと、
   電流通路が前記第２のダイオードに並列に接続された第２のトランジスタと、
   前記電力出力端子に接続され、前記電力出力端子の電圧を前記電子機器に供給すべき目的出力電圧に変換する第２のＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧と前記二次電池の出力電圧とを監視し、前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が、前記二次電池の出力電圧に、前記順方向降下電圧と等しいか若しくは前記順方向降下電圧よりも所定値だけ高い所定のオフセット電圧を加えた基準電圧以下であることが検出された場合、前記第１のトランジスタおよび前記第２のトランジスタをオフ状態およびオン状態にそれぞれ設定し、前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が前記基準電圧値よりも高いことが検出された場合、前記第１のトランジスタおよび前記第２のトランジスタをオン状態およびオフ状態にそれぞれ設定する制御手段とを具備することを特徴とする燃料電池装置。
8. 前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流が所定値以下の場合における前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧は、前記二次電池の出力電圧よりも高いことを特徴とする請求項７記載の燃料電池装置。
9. 燃料電池および二次電池から電力を生成する電源装置の動作を制御する電源制御方法であって、
   前記電源装置は、前記燃料電池の出力に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータであって、当該ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流の増加に応じて当該ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が低下される制御特性を有するＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力と電力出力端子との間に接続された第１のダイオードと、前記二次電池の出力と前記電力出力端子との間に接続され、前記第１のダイオードと同じ順方向降下電圧を有する第２のダイオードとを含んでおり、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧と前記二次電池の出力電圧とを監視するステップと、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が、前記二次電池の出力電圧に、前記順方向降下電圧と等しいか若しくは前記順方向降下電圧よりも所定値だけ高い所定のオフセット電圧を加えた基準電圧以下であることが検出された場合、前記第１のダイオードに電流通路が並列に接続された第１のトランジスタおよび前記第２のダイオードに電流通路が並列に接続された第２のトランジスタをオフ状態およびオン状態にそれぞれ設定するステップと、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が前記基準電圧値よりも高いことが検出された場合、前記第１のトランジスタおよび前記第２のトランジスタをオン状態およびオフ状態にそれぞれ設定するステップとを具備することを特徴とする電源制御方法。
10. 前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流が所定値以下の場合における前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧は、前記二次電池の出力電圧よりも高いことを特徴とする請求項９記載の電源制御方法。

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