JP3715608B2 - 電子機器システムおよび電池ユニット - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば可搬型のパーソナルコンピュータなどに適用される電池ユニットの動作制御技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、例えばPDA(Personal Digital Assistant)などと称される携帯情報端末やデジタルカメラなど、バッテリにより駆動可能な携帯型の電子機器が種々開発され、広く普及している。
【0003】
また、最近、環境問題が大きな注目を集めており、環境に配慮したバッテリ開発も盛んに行われている。そして、この種のバッテリとして、ダイレクト・メタノール型燃料電池(以下、DMFC:Direct Methanol Fuel Cell)が良く知られている。
【0004】
このDMFCは、燃料として与えられるメタノールと酸素を反応させ、その化学反応により電気エネルギーを得るものであり、多孔性金属または炭素からなる2つの電極が電解質をはさんだ構造をもつ(例えば、非特許文献1参照)。そして、このDMFCは、有害な廃棄物を発生させないため、その実用化が強く求められている。
【0005】
【非特許文献1】
池田宏之助著「燃料電池のすべて」株式会社日本実業出版社、2001年8月20日、p216−217
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このDMFCは、出力電力量を増やそうとすると、その増加量に比例して、科学反応を行わせるスタック部分の体積を増加させる必要がある。そのため、このDMFCを電子機器に適用しようとした際、その定格を電子機器の最大電力を満足する値とすると、DMFCのサイズは非常に大きなものとなってしまう。特に、携帯情報端末の場合、持ち運び易さが商品価値を左右するため、この問題は重要である。
【0007】
また、電子機器の通常の使用においては、最大電力を必要とすることはまれであるため、最大消費電力を考慮してDMFCを設計した場合、化学反応を行わせるスタック部分を大きくする必要があり、通常の使用においてはDMFCのセルの大半が無駄になってしまうという問題もある。
【0008】
この発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、燃料電池と2次電池とを併用して出力される電力が定格電力となるように構成された電池ユニットを提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するために、この発明の電子機器システムは、化学反応により発電可能であって、出力電力の増加とともに出力電圧が低下する特性を有する燃料電池と、繰り返し充放電可能な2次電池と、前記燃料電池の出力電圧が第1の電圧値を越えている場合、前記燃料電池からの電力供給のみが行われ、前記燃料電池の出力電圧が前記第1の電圧値以下となった場合に、前記燃料電池からの電力供給に加えて前記2次電池からの電力供給が開始されるように前記燃料電池および前記2次電池による電力供給を制御する制御手段と、を具備することを特徴とする。
【0010】
また、この発明の電池ユニットは、電子機器に着脱自在に設けられ、動作用の電力を前記電子機器に供給可能な電池ユニットにおいて、化学反応により発電可能であって、出力電力の増加とともに出力電圧が低下する特性を有する燃料電池と、繰り返し充放電可能な2次電池と、前記燃料電池の出力電圧が第1の電圧値を越えている場合、前記燃料電池からの電力供給のみが行われ、前記燃料電池の出力電圧が前記第1の電圧値以下となった場合に、前記燃料電池からの電力供給に加えて前記2次電池からの電力供給が開始されるように前記燃料電池および前記2次電池による電力供給を制御する制御手段と、を具備することを特徴とする。
【0011】
この発明においては、DMFCとリチウムイオン等の2次電池を併用することで、電池ユニットのトータルサイズを小さくすることが可能である。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照してこの発明の一実施形態を説明する。
【0013】
図1は、この発明の実施形態に係る電子機器の外観を示す図である。
【0014】
図1に示すように、この実施形態の電子機器1は、携帯型のパーソナルコンピュータであり、その本体内部に燃料電池ユニット2を収納する。そして、この電子機器1は、この燃料電池ユニット2から電力の供給を受けて動作し、燃料電池ユニット2は、その着脱が電子機器1の側面に設けられた収納口からスライド式に簡単に行えるようになっている。また、この燃料電池ユニット2は、電子機器1への収納時、電子機器1の収納口から一側面が露出するようになっており、その一側面には、後述するインジケータや操作ボタンが設けられる。
【0015】
図2は、この燃料電池ユニット2の概略構成を示す図である。
【0016】
図2に示すように、この燃料電池ユニット2は、マイコン21、DMFCセルスタック22、2次電池23、充電回路24、供給制御回路25、スイッチ回路26、インジケータ27および操作ボタン28を有している。
【0017】
マイコン21は、この燃料電池ユニット2全体を動作制御するものであり、電子機器1からの受信信号に基づき、DMFCセルスタック22および2次電池23を併用した電力供給を実行制御する。
【0018】
DMFCセルスタック22は、図示しない燃料タンクから送り込まれるメタノールと空気(酸素)とを反応させ、その化学反応により発電された電力を出力するものである。一方、2次電池23は、DMFCセルスタック22または外部から供給される電力を蓄積し、必要に応じて、この蓄積した電力を出力する。充電回路24は、この2次電池23の充電を実行する。
【0019】
供給制御回路25は、DMFCセルスタック22および2次電池23の電力を状況に応じて外部出力するものである。スイッチ回路26は、マイコン21からの指示に基づき、DMFCセルスタック22の出力電力を切断するためのものである。そして、インジケータ27は、この燃料電池ユニット2の状態を表示するためのものであり、操作ボタン28は、このインジケータ28の表示内容を指定するためのものである。
【0020】
図3は、この燃料電池ユニット2で定義する定格電力について説明するためのグラフである。
【0021】
燃料電池ユニット2の供給電力量は、電子機器1が要求する電力量を満たす必要がある。しかし、DMFCセルスタック22の発電量は、その体積に比例するため、電子機器1の最大電力で設計を行うと、サイズが大きくなってしまう。また、通常、電子機器1は、最大電力で動作することは少なく、瞬間的なピーク電力として必要とすることが多い。つまり、電子機器1の最大電力を定格として設定すると、通常の使用においては、DMFCセルスタック22は、その性能をほとんど活かせず、無駄な体積、重さを抱えていることになる。
【0022】
そこで、この燃料電池ユニット2では、DMFCセルスタック22の定格を、電子機器1が拡張機器を使用した場合などを考慮した最大電力ではなく、電子機器1が通常良く用いる電力とすることで、DMFCセルスタック22の大型化を抑止する。そして、このDMFCセルスタック22の定格を越える電力は、併用する2次電池23から供給する。また、この2次電池23の容量を、DMFCの不足分を補うだけの小型なものとすることで、燃料電池ユニット2のトータルサイズを小さくすることを実現する。
【0023】
つまり、この燃料電池ユニット2は、以下の関係が成り立つようにDMFCセルスタック22および2次電池23を構成する。
【0024】
次に、図4乃至図8を参照して、各状況におけるDMFCセルスタック22および2次電池23の動作について説明する。
【0025】
なお、2次電池23の状態は、以下のように分けられる。
【0026】
(1)満充電状態:必要なときに電力を供給
(2)十分な容量のある状態:必要なときに電力を供給し、DMFCセルスタック22に余力があるときは充電
(3)残りわずかな状態:必要なときに電力の供給を行うが、DMFCセルスタック22の定格以上の動作を続けると、短時間で電力を供給できなくなるため、ユーザに警告を与える
(4)自動OFF処理状態:DMFCセルスタック22の定格以上の動作を続けると、短時間で電力を供給できなくなるため、データの損失を防ぐために自動的に電源オフを行う。電源オフ処理に必要な電力を供給
(5)起動電力保持状態:外部への電力供給はしないが、DMFCセルスタック22の次回起動に必要な電力および内部回路の保持用の電力を保持
(6)残量なし:完全に放電しきった状態。この状態に陥ると、外部から電力を供給して2次電池の充電を行う必要がある
そこで、図4乃至図8では、この2次電池23の状態別に、DMFCセルスタック22および2次電池23の動作を示す。
【0027】
図4は、電子機器1の要求する電力がDMFCセルスタック22の定格に対して余裕のある場合におけるDMFCセルスタック22および2次電池23の動作を示す図である。
【0028】
図4に示すように、電子機器1の要求する電力がDMFCセルスタック22の定格に対して余裕のある場合では、電子機器1の動作中に自動OFFの状態に変化することはない。また、電子機器1の起動条件は、残りわずか以上の残容量とする。そして、起動時に残りわずかの状態の場合、十分な残容量になるまでユーザに警告する。この警告は、燃料電池ユニット2からの通知に応じて電子機器1がユーザへ通知を行うことが可能である。ユーザへの通知手段としては、電子機器1が有するLCD上に視覚的に通知しても良いし、電子機器1が有するスピーカ等を用いて聴覚的に通知しても良い。
【0029】
図5は、電子機器1の要求する電力がDMFCセルスタック22の定格内ではあるが、余裕のない場合におけるDMFCセルスタック22および2次電池23の動作を示す図である。
【0030】
図5に示すように、この場合も、図4と同様、電子機器1の動作中に自動OFFの状態に変化することはない。そして、この場合は、DMFCセルスタック22による2次電池23の充電は行わない。
【0031】
図6は、電子機器1の要求する電力がDMFCセルスタック22の定格以上である場合におけるDMFCセルスタック22および2次電池23の動作を示す図である。
【0032】
図6に示すように、この場合には、自動OFF状態になり、電子機器1の電源オフ処理が完了した場合、充電を開始する。また、動作中に残量なしの状態に変化することはない。
【0033】
また、図7および図8は、燃料が空になった場合におけるDMFCセルスタック22および2次電池23の動作を示す図である。
【0034】
2次電池23が十分な定格をもつ場合、2次電池23のみで動作することも可能である。図7は、2次電池23のみで動作する場合、図8は、2次電池23のみでは動作しない場合であり、2次電池23のみで動作する場合、電子機器1の起動条件は、残りわずか以上の残容量とし、一方、2次電池23のみでは動作しない場合には、DMFCセルスタック22が使用できない場合、無条件で電源OFF処理を実行する。
【0035】
なお、DMFCセルスタック22のスタック数は、スタックの最小電圧が2次電池23の電圧と等しくなるように設計する。そして、供給制御回路25は、ダイオードOR回路によって、DMFCセルスタック22および2次電池23による電力供給を制御する。
【0036】
図9に示すように、DMFCセルスタック22の特性は、出力電力の増加とともに出力電圧が低下する。グラフ中のB点を越えると、DMFCセルスタック22は、正常な動作に復帰できないので、このB点よりも左側の領域で使用するように制御する。一般的には、個体差を考えて、グラフ中のA点を通常使用における最大電力/最小電圧とする。
【0037】
DMFCセルスタック22は、複数のセルを直列に接続し、高い電圧として使用するのが一般的であるので、DMFCセルスタック22のA点の電圧が2次電池23の電圧と等しくなるようにスタック数を定める。この場合、DMFCセルスタック22の電圧が下がりA点に達すると、供給制御回路25により同電位である2次電池23からの供給が始まる。これにより、DMFCセルスタック22の出力電圧は一定となり、不足分が2次電池23から供給されることになる。2次電池23にも残容量による電圧値の変化があるが、DMFCセルスタック22の電圧変化幅よりも小さいため、A点付近の網掛けの領域が、DMFCセルスタック22の最大電力/最小電圧の領域となる。
【0038】
前述したように、DMFCセルスタック22は、電圧増加によりB点を越えると、そのままでは通常の状態に復帰できない。そのため、マイコン21は、このDMFCセルスタック22の電圧を監視し、B点に達した場合、DMFCセルスタック22からの供給ラインをスイッチ回路26により一時的にカットし、DMFCセルスタック22の動作が正常領域に復帰した時点で供給を再開する。
【0039】
また、何らかの理由により、DMFCセルスタック22が異常状態に陥った場合、マイコン21は、スイッチ回路26による供給ラインのカットを行うが、この時、2次電池23は、電子機器1が安全にシャットダウンできるだけの電力を供給する。また、燃料電池ユニット2内部についても、DMFCセルスタック22の動作停止に必要な電力の供給を行う。なお、このB点の情報は、DMFCセルスタック22が内蔵するEEPROMに格納される。
【0040】
ところで、電子機器1の電源オフ中には、DMFCセルスタック22の状態を利用者に報知する手段がなくなるため、この燃料電池ユニット2では、前述のインジケータ27と操作ボタン28とを備える。そして、マイコン21は、このインジケータ27を用いて、以下の項目を表示する。
【0041】
(1)現在の動作:OFF、DMFCセルスタック22のみの出力、2次電池23のみの出力、併用。電子機器OFF時には、2次電池23の充電有無。
【0042】
(2)燃料の残量
(3)2次電池の残量
また、マイコン21は、操作ボタン28の操作に基づき、インジケータ27の表示内容を切り替える。
【0043】
このように、この燃料電池ユニット2によれば、DMFCセルスタック22と2次電池23の適切な併用が行われる。
【0044】
なお、本願発明は、前記実施形態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種々に変形することが可能である。更に、前記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。たとえば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
【0045】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、燃料電池と2次電池との併用により定格電力を出力する電池ユニットを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施形態に係る電子機器の外観を示す図。
【図2】同実施形態の燃料電池ユニットの概略構成を示す図。
【図3】同実施形態の燃料電池ユニットで定義する定格電力について説明するためのグラフ。
【図4】同実施形態の要求電力がDMFCセルスタックの定格に対して余裕のある場合におけるDMFCセルスタックおよび2次電池の動作を示す図。
【図5】同実施形態の要求電力がDMFCセルスタックの定格内ではあるが余裕のない場合におけるDMFCセルスタックおよび2次電池の動作を示す図。
【図6】同実施形態の要求電力がDMFCセルスタックの定格以上である場合におけるDMFCセルスタックおよび2次電池の動作を示す図。
【図7】同実施形態の燃料が空になった場合におけるDMFCセルスタックおよび2次電池の動作を示す第1の図。
【図8】同実施形態の燃料が空になった場合におけるDMFCセルスタックおよび2次電池の動作を示す第2の図。
【図9】同実施形態のDMFCセルスタックの特性を示すグラフ。
【図10】同実施形態の燃料電池ユニットに設けられるインジケータと操作ボタンを示す図。
【符号の説明】
1…電子機器
2…燃料電池ユニット
21…マイコン
22…DMFCセルスタック
23…2次電池
24…充電回路
25…供給制御回路
26…スイッチ回路
27…インジケータ
28…操作ボタン
Claims (18)
- 化学反応により発電可能であって、出力電力の増加とともに出力電圧が低下する特性を有する燃料電池と、
繰り返し充放電可能な2次電池と、
前記燃料電池の出力電圧が第1の電圧値を越えている場合、前記燃料電池からの電力供給のみが行われ、前記燃料電池の出力電圧が前記第1の電圧値以下となった場合に、前記燃料電池からの電力供給に加えて前記2次電池からの電力供給が開始されるように前記燃料電池および前記2次電池による電力供給を制御する制御手段と、
を具備することを特徴とする電子機器システム。 - 前記燃料電池の出力電圧が前記第1の電圧値よりも小さい第2の電圧値以下となった場合に、前記燃料電池による電力供給を一時的に停止する第2の制御手段をさらに具備することを特徴とする請求項1記載の電子機器システム。
- 化学反応により発電可能であって、出力電力の増加とともに出力電圧が低下する特性を有する燃料電池と、
繰り返し充放電可能な2次電池と、
前記燃料電池の出力電圧が第1の電圧値を越えている場合、前記燃料電池からの電力供給のみが行われ、前記燃料電池の出力電圧が第1の電圧値以下となった場合に、前記燃料電池からの電力供給に加えて前記2次電池からの電力供給が開始されるように前記燃料電池および前記2次電池を並列接続するダイオードOR回路と、
を具備することを特徴とする電子機器システム。 - 前記燃料電池から前記ダイオードOR回路に導かれる電力供給ライン上に設けられ、当該電力供給ラインの接続および切断を切り換え可能なスイッチ回路と、
前記燃料電池の出力電圧が前記第1の電圧値よりも小さい第2の電圧値以下となった場合に、前記電力供給ラインを切断するように前記スイッチ回路を駆動制御する制御手段と、
をさらに具備することを特徴とする請求項3記載の電子機器システム。 - 電子機器に着脱自在に設けられ、動作用の電力を前記電子機器に供給可能な電池ユニットにおいて、
化学反応により発電可能であって、出力電力の増加とともに出力電圧が低下する特性を有する燃料電池と、
繰り返し充放電可能な2次電池と、
前記燃料電池の出力電圧が第1の電圧値を越えている場合、前記燃料電池からの電力供給のみが行われ、前記燃料電池の出力電圧が前記第1の電圧値以下となった場合に、前記燃料電池からの電力供給に加えて前記2次電池からの電力供給が開始されるように前記燃料電池および前記2次電池による電力供給を制御する制御手段と、
を具備することを特徴とする電池ユニット。 - 前記燃料電池の出力電圧が前記第1の電圧値よりも小さい第2の電圧値以下となった場合に、前記燃料電池による電力供給を一時的に停止する第2の制御手段をさらに具備することを特徴とする請求項5記載の電池ユニット。
- 前記燃料電池からの電力で前記2次電池を充電する充電手段をさらに具備することを特徴とする請求項5記載の電池ユニット。
- 前記第2の制御手段は、前記燃料電池による電力供給を一時的に停止する場合、その旨を電力供給先の電子機器に通知する手段を有することを特徴とする請求項7記載の電池ユニット。
- 前記燃料電池は、前記第2の出力電圧値を格納するメモリ装置を具備し、
前記第2の制御手段は、前記第2の出力電圧値を前記燃料電池のメモリ装置から取得することを特徴とする請求項6記載の電池ユニット。 - 表示装置と、
現在の動作状況、燃料の残量および2次電池の残容量のうちの少なくとも1つを前記表示装置に表示する表示制御手段と、
をさらに具備することを特徴とする請求項5記載の電池ユニット。 - 操作ボタンをさらに具備し、
前記表示制御手段は、前記操作ボタンの操作に応じて、前記表示装置に表示する項目を切り換えることを特徴とする請求項10記載の電池ユニット。 - 電子機器に着脱自在に設けられ、動作用の電力を前記電子機器に供給可能な電池ユニットにおいて、
化学反応により発電可能であって、出力電力の増加とともに出力電圧が低下する特性を有する燃料電池と、
繰り返し充放電可能な2次電池と、
前記燃料電池の出力電圧が第1の電圧値を越えている場合、前記燃料電池からの電力供給のみが行われ、前記燃料電池の出力電圧が第1の電圧値以下となった場合に、前記燃料電池からの電力供給に加えて前記2次電池からの電力供給が開始されるように前記燃料電池および前記2次電池を並列接続するダイオードOR回路と、
を具備することを特徴とする電池ユニット。 - 前記燃料電池から前記ダイオードOR回路に導かれる電力供給ライン上に設けられ、当該電力供給ラインの接続および切断を切り換え可能なスイッチ回路と、
前記燃料電池の出力電圧が前記第1の電圧値よりも小さい第2の電圧値以下となった場合に、前記電力供給ラインを切断するように前記スイッチ回路を駆動制御する制御手段と、
をさらに具備することを特徴とする請求項12記載の電池ユニット。 - 前記燃料電池から供給される電力で前記2次電池を充電する充電手段をさらに具備することを特徴とする請求項1記載の電子機器システム。
- 前記第2の制御手段は、前記燃料電池による電力供給を停止する場合、その旨を前記電子機器に通知する手段を有することを特徴とする請求項2記載の電子機器システム。
- 前記燃料電池は、前記第2の出力電圧値を格納するメモリ装置を具備し、
前記第2の制御手段は、前記第2の出力電圧値を前記メモリ装置から取得することを特徴とする請求項2記載の電子機器システム。 - 表示装置と、
現在の動作状況、燃料の残量および2次電池の残容量のうちの少なくとも1つを前記表示装置に表示する表示制御手段と、
をさらに具備することを特徴とする請求項1記載の電子機器システム。 - 操作ボタンをさらに具備し、
前記表示制御手段は、前記操作ボタンの操作に応じて、前記表示装置に表示する項目を切り換えることを特徴とする請求項17記載の電子機器システム。
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