JP4410722B2

JP4410722B2 - 電源装置

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Publication number: JP4410722B2
Application number: JP2005135014A
Authority: JP
Inventors: 泰明乗松; 玲彦叶田; 睦菊地
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2005-05-06
Filing date: 2005-05-06
Publication date: 2010-02-03
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Description

本発明は、二次電池などの蓄電手段を搭載した電子機器に接続して電力供給を行う電源装置に関する。

近年の電子技術の進歩によって、携帯電話機、携帯型パソコン、オーディオ・ビジュアル機器、モバイル端末機器など携帯電子機器の普及が急速に進んでいる。このような携帯電子機器に使用される二次電池は、従来のシール鉛バッテリからニッケル・カドミウム電池、ニッケル水素電池、さらにはリチウムイオン電池へと発展し、そのいずれにおいても、エネルギー密度を高めるため、電池活物質や高容量の電池構造の開発が行われ、より使用時間の長い電源を実現する努力が払われている。一方、携帯電子機器においては、低消費電力化への努力がなされ、機能当たりの消費電力も低下しているが、ユーザニーズ向上のため、今後も新機能を追加し機能を高めていく必要があるため、トータルの消費電力が益々増加することが予想される。

携帯電子機器においては、スペースの制限から搭載する二次電池に容量が限られている。このため、長い使用時間を確保する場合は、外部から接続して電力供給を行う電源装置を使用する必要がある。サブバッテリとも呼ばれるこの電源装置を使用するとき、特に電池残量の確認が必要のため、従来、電源装置において発光ダイオードや液晶表示器を設けて、発光ダイオードや液晶表示器で電池残量を表示するようになっている。

しかしながら、電源装置に発光ダイオードや液晶表示器などの表示機能を設けた場合、それだけに製造コストが高くなり、また、表示にエネルギーが使用されるため、電源装置のエネルギー密度の低下を招くという問題がある。
本発明は、前記従来の問題に鑑み、コスト高になることなく、またエネルギー密度を低下させずに、電池残量を含めて内部状態を利用者が確認可能な電源装置を提供することを課題としている。

本発明の手段は、入力電力が供給されている状態を表示する電子機器に接続され、電気２重層キャパシタを有する電源装置であって、前記電気２重層キャパシタ、及び前記電子機器に電力供給可能な燃料電池と、前記電気２重層キャパシタの蓄電電圧が上限電圧を超えたときの導通、及び前記電気２重層キャパシタの蓄電電圧が下限電圧に達したときの遮断により、前記電子機器に供給する供給電力を断続的に遮断させる遮断手段と、を備え、
前記燃料電池の出力電力は、前記電子機器の必要とする電力の平均値に合わせると共に、前記電子機器の最大電力よりも小さく設定され、前記電気２重層キャパシタは、前記燃料電池よりも高出力密度であって、前記電子機器に供給される電力は、一定間隔で繰り返される電力供給パルスとなり、前記電力供給パルスは、導通期間が時分割されて前記燃料電池の異常に対応した制御パターンが送信されることを特徴とすることを特徴とした。
これによって、電子機器に対して電力供給を行うとき、出力される電力の変化で電子機器の表示機能で送信された所定の情報を表示することができる。例えば電源装置の電池残量情報を送信すれば、電子機器の表示手段における出力電力の断続に応じた表示で、利用者が電池残量を確認することができる。

本発明によれば、電子機器に出力される電力を断続的に変化させることだけで、電池残量など所定の情報を確認することができるので、電源装置において表示手段の設置を省くことができ、コストの低下を図り、エネルギー密度を向上させることができる。これにより連続使用時間の長い電源装置を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図に基づいて説明する。
≪第１の実施の形態≫
図１は、第１の実施形態における電源装置の回路図である。
第１の実施形態の電源装置１０は、図１に示すように、電力源としての電池１および蓄電手段２と、回路部３と、制御ＩＣ４と、出力スイッチ５とを備えている。電池１は蓄電手段２と並列に接続され、その両端が回路部３の入力端子Ｖｉｎ、グランド（ＧＮＤ）端子に接続される。回路部３のＶｉｎ端子に電池１および蓄電手段２のプラス端子、グランド（ＧＮＤ）端子にマイナス端子が接続され、回路部３はそれらの出力電圧を変圧して電力を出力する回路で、その出力端子Ｖｏｕｔが出力端子Ｖ＋に、グランド端子がＮチャネルパワーＭＯＳＦＥＴで構成された出力スイッチ５を介して出力端子Ｖ−に接続される。出力スイッチ５の制御端子が制御ＩＣ４の出力スイッチ駆動端子に接続される。蓄電手段２のプラス端子が制御ＩＣ４のＥＤＬＣ電圧入力端子に接続される。制御ＩＣ４には、燃料残量検出器６および温度センサ７の検出値が出力される。制御ＩＣ４は、電池１および蓄電手段２の電圧および燃料残量検出器６、温度センサ７の検出値に基づいて、電池１および蓄電手段２の電池残量および電池状態を判断し、判断の結果を情報として、出力スイッチ５をオン／オフさせて送信する。ここで、制御ＩＣ４と出力スイッチ５が請求の範囲における送信手段に相当する。

第１の実施形態では、電池１に燃料電池が使用される。燃料電池としては、電源装置１０が携帯電子機器に接続して使用されるため、メタノール水溶液を燃料とする直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）を使用するが、改質型や直接水素燃料を使用する燃料電池を用いても構わない。
蓄電手段２は電気２重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）が使用される。蓄電手段２は電池１により充電され、電池１単独で供給電力が不足のとき、電力を出力するためのものであることから、蓄電手段２は電気２重層キャパシタでなく例えばリチウム系の二次バッテリを使用することも可能である。この場合、例えばハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）などに用いられる高出力タイプのものを使用するのが望ましい。
電池１と蓄電手段２に関して、その組み合わせで電力供給を行うため、電池１が高エネルギー密度を特徴とする電源で、蓄電手段２が高出力密度を特徴とする電源の組み合わせであればよく、例えば電池１にリチウムイオン電池，蓄電手段２に電気２重層キャパシタという組み合わせを使用することもできる。

回路部３は変圧するためＤＣ／ＤＣコンバータが使用され、その出力電圧は、携帯電子機器の電圧に対応するようになっている。第１の実施形態では電池１および蓄電手段２における直列個数の低減のために昇圧コンバータを使用するが、適用する携帯電子機器の電圧によっては昇降圧型コンバータや降圧型コンバータを用いても構わない。

以下、電池１に直接メタノール型燃料電池、蓄電手段２に電気２重層キャパシタを使用するものとして説明を行う。なお、他の実施形態を含めて以下の説明では、電池１は燃料電池１と称し、蓄電手段２は電気２重層キャパシタ２と称し、回路部３はＤＣ／ＤＣコンバータ３と称することにする。なお、燃料残量検出器６および温度センサ７が燃料電池１の燃料残量および燃料電池１の温度を検出するようになっている。

第１の実施形態では、電源装置１０の電力供給対象として携帯電子機器が用いられ、燃料電池１の出力電力は図示しない携帯電子機器の必要とする電力の平均値に合わせ、その最大電力より小さく設定され、不足分の電力については電気２重層キャパシタ２から供給されるようになっている。このような設定を行うことによって、携帯電子機器の最大電力に合わせて設定した場合より、電源装置１０の小型化を図ることができる。ちなみに、燃料電池１の出力電力を平均値に合わせて設定したため、電源装置１０は、電気２重層キャパシタ２に電力が蓄積されたとき、外部への電力出力を行い、電気２重層キャパシタ２を充電するときは、外部への電力出力を停止する。この制御は、制御ＩＣ４が電気２重層キャパシタ２の電圧を取得し、電気２重層キャパシタ２の電圧に応じて出力スイッチ５をオン／オフさせることによって実現している。

すなわち、制御ＩＣ４は、ＥＤＬＣ電圧入力端子を経由して入力された電気２重層キャパシタ２の電圧をチェックし、電圧が閾値として設定された上限電圧を超えると、出力スイッチ５に制御信号を出力し出力スイッチ５をオンさせる。このとき、燃料電池１と電気２重層キャパシタ２が並列に電力を出力する状態になり、出力端子Ｖ＋、Ｖ−に接続される携帯電子機器に対して電力が出力されることになる。電力の出力に従い電気２重層キャパシタ２の電圧が低下し、同時に燃料電池１の出力電圧も低下する。そして、電気２重層キャパシタ２の電圧が閾値として設定された下限電圧値に達すると、制御ＩＣ４が制御信号の出力を停止し出力スイッチ５をオフさせる。

出力スイッチ５をオフさせることによって外部への電力出力が停止されると、負荷の軽減によって燃料電池１の出力電圧が上昇し、電気２重層キャパシタ２に対して充電が行われる。充電によって電気２重層キャパシタ２の電圧が閾値として設定された上限電圧に達すると、制御ＩＣ４は、制御信号を出力して出力スイッチ５をオンさせる。これによって、燃料電池１と電気２重層キャパシタ２は再び携帯電子機器に対して電力供給を行う。このように携帯電子機器には、図２の（ａ）に示すように、一定の間隔で電力供給パルスＰが繰り返して出力されて、電力供給が行われる。

燃料電池１には燃料残量検出器６および温度センサ７が設けられ、制御ＩＣ４は、それらの検出信号に基づいて、燃料電池１の燃料供給状態または燃料電池１の異常がある否かを判断し、燃料切れまたは燃料電池１の異常があると判断した場合、図２の（ａ）に示す電力供給パルスＰを（ｂ）（ｃ）におけるパルス群Ｐ１、Ｐ２のように時分割して出力させる。すなわち、制御ＩＣ４には燃料切れおよび燃料電池１の異常に対応した複数の制御パターンを備え、燃料切れまたは燃料電池１の異常があると判断した場合、対応した制御パターンを適用し、出力スイッチ５をオン／オフさせることによって電力供給パルスＰを時分割させる。

これによって、燃料切れの場合は、図２の（ｂ）に示すように、通常時の電力供給パルスＰを分割したパルス群Ｐ１が携帯電子機器へ出力される。また燃料電池１の異常の場合には、（ｃ）に示すように通常時の電力供給パルスＰを分割したパルス群Ｐ２が携帯電子機器へ出力される。ここで、燃料切れ時に出力されるパルス幅が燃料電池１の異常時に出力されるパルス幅より小さく設定され、それぞれのパルス群における休止時間は同じように設定されているので、携帯電子機器側でその違いを読み取ることによって、燃料電池１が燃料切れか燃料電池１の異常といった状態を確認することができる。携帯電子機器には通常、電力が供給されたときに点灯する充電指示ランプが備えられているので、充電指示ランプの点滅状態で利用者が電源装置１０の状態が通常ではないと判断でき、その状態が燃料切れまたは燃料電池１の異常を認識することができる。この場合、通常の携帯電子機器に備えられている標準の充電表示機能を利用するだけで電源装置１０側の電池状態を認識することができる。もちろん、携帯電子機器にパルスの数と幅をチェックする機能を設けて、チェックした結果を音声など別の表示手段で表示しても構わない。

また、電力供給パルスの分割は、図２に示すように個々の電力供給パルスＰに対して制御パターンを適用して行うこともできるが、異常などを検出したのち最初の電力供給パルスＰだけに限定して行うことも可能である。制御パターンとしては、分割するパルス数について燃料状態または燃料電池１の異常態様に応じて変化させることもできる。電力供給パルスの分割については、例えば１回目はパルス数２つ、２回目はパルス数３つというように、電力供給パルスＰの回数に応じてパルス数を変化させてもよい。

図３は、時分割の例として燃料残量に応じてパルス数を変化させた場合の出力電力を示す図である。
図３の（ａ）に示す通常時の電力供給パルスＰに対して燃料残量大のときは、（ｂ）のパルス群Ｐ１のように３つのパルスに分割して出力させている。また燃料残量中のときは、（ｃ）のパルス群Ｐ２のように２つのパルスに分割して出力させている。燃料残量小のときは、（ｄ）のパルスＰ３のようにパルス幅を小さくして出力させている。なお、図３では、パルス群Ｐ１とパルス群Ｐ２では、パルス数だけが異なり、パルス幅および休止時間は同じである。
このような場合でも、携帯電子機器側でパルス数を数えることによって燃料電池の燃料状態を確認することができる。携帯電子機器に充電表示ランプが備えられた場合は、充電表示ランプの短い点滅で燃料状態を確認することができる。

図４は、電源装置を携帯電話に接続して使用する場合の説明図である。
ここで、携帯電子機器として携帯電話２０が使用され、電源装置１０はコード１２によって携帯電話２０に接続される。電源装置１０には図１に示す回路が内蔵され、コード１２は、回路の出力端子Ｖ＋、Ｖ−と接続されている。したがって、電源装置１０側の制御で、携帯電話２０に対して電力供給を行うことが可能である。
携帯電話２０には標準機能として充電表示ランプ２１が搭載されており、充電表示ランプ２１は携帯電話２０内蔵の二次電池に対して充電が行われているとき、点灯する仕組みになっている。したがって、電源装置１０が携帯電子機器としての携帯電話２０に対して電力供給を行うとき、充電表示ランプ２１は図２または図３に示す電力パルスにしたがって点滅することになる。これによって、携帯電子機器に対して改造することなく、利用者は、充電表示ランプ２１の点滅状態で燃料電池１に燃料切れまたは燃料電池１の異常あるいは燃料状態を認識することができる。なお、液晶表示器に充電時に充電マークが表示される携帯電話の場合は、充電マークの点滅で確認することもできる。

燃料電池１の状態は、大きく分けると以上のように燃料残量（燃料切れ）や燃料電池の異常になるが、燃料に関して言えば、メタノール水溶液を用いるが、燃料がほぼゼロに近づいたときは燃料電池１からの電力が低下するため、携帯電話への電力供給のデューティ（Ｄｕｔｙ）比が非常に小さくなる。すなわち、充電表示ランプ２１の点灯時間が短くなる。電池１の異常状態について言うと、燃料電池の温度は反応に伴い上昇するが、ある閾値（例えば４５℃）以上になった場合の制御による出力制限や燃料電池の発電に伴って発生する空気極の水詰まりによる酸素供給の阻害や燃料極の二酸化炭素詰まりによるメタノール水溶液供給の阻害により出力低下した場合が主に挙げられる。

燃料切れや燃料電池異常に共通する点として、出力低下が挙げられるが、前記のように利用者が携帯電話２０に備えられた充電表示ランプ２１の点滅状態によって確認できるので、燃料切れの場合は利用者が燃料カートリッジを交換することで容易に問題解決できる。また、燃料電池１の異常の場合は、図２に示すように、燃料切れ時と異なる幅の電力パルスが出力されるので、ランプ２１の点滅状態により燃料切れと区別して判別することでき、電源を切るなどの対応策をとることが可能である。

次に、燃料残量および燃料電池異常の検出について説明する。
図５は、燃料電池に使用される燃料カートリッジを示す断面図である。
燃料カートリッジ１Ｃの内周面に、電極１Ａ、１Ｂが互いに対向して設けられている。メタノール水溶液によって構成された燃料ＦＲ３は、隔離部材２０Ａを介して圧縮ガスＧＲ３からの圧力を受けるようになっている。燃料ＦＲ３を使用した場合、隔離部材２０Ａが上方へ移動するため、隔離部材２０Ａの上方の空間は常に燃料ＦＲ３で満たされている。燃料カートリッジ１Ｃ内の燃料ＦＲ３の残量によって、燃料ＦＲ３が接触する電極１Ａ、１Ｂの面積が異なるため、電極１Ａ、１Ｂ間の抵抗を測ることによって燃料残量を検出できる。

燃料電池１では、例えば水詰まりや二酸化炭素詰まりが生じると、出力電圧が急激に低下するため、その電圧の急激な低下を検出することによって、水詰まりや二酸化炭素詰まりを検出する。
また、燃料電池１内部で、メタノール濃度が異常に高い場合、出力電圧が上昇しないのに、温度が上昇する現象があるので、出力電圧が低いにも関わらず高い温度を検出したとき、メタノールが高濃度状態であると判断することができる。
また、携帯電子機器から要求する出力電流が増加した場合は、要求に応じた発電を行わず、温度が低いままの場合は、燃料電池１の内部でメタノールが低濃度状態にあると判断できる。
制御ＩＣ４は、これらの異常を検出した場合、前記したように、対応するパターンを適用し、図２示すように電力供給パルスＰを時分割して出力させることにより、例えば携帯電話２０の充電表示ランプ２１の点滅状態で利用者がそれを認識することができる。

以上説明したように、第１の実施形態の電源装置１０によれば、電源装置１０に電池状態の表示機能を設けなくても燃料残量や燃料電池異常などを判断することができるので、コストの低下を図ることができる。また表示のためのエネルギーが使用されないことにより、エネルギー密度を向上させることができる。

なお、第１の実施形態では、充電表示ランプ２１の点滅状態で利用者が燃料切れや燃料電池１の異常を確認することを例として説明したが、携帯電子機器側で、電力パルスの幅や数を回路によって検出し、別の態様で表示または携帯電子機器を低消費電力モードに切り替えるなどの制御に用いることもできる。
電池１としては、第１の実施形態では燃料電池を使用するため、燃料カートリッジ１Ｃの差し替えなどで燃料を補給することにより使用時間を延ばすことが可能となるのが特徴であるが、同様に連続して使用することを可能とするために燃料電池１の代わりに交換可能な一次電池を使用し、一次電池と電気２重層キャパシタ２との組み合わせで電力供給を行うことも可能である。

制御ＩＣ４としてはその機能を実現するために専用ＩＣが望ましいが、コンパレータやマイコンなどで代替可能である。
最後に、出力スイッチ５は、図１に示すようにグランド側にＮチャネルパワーＭＯＳＦＥＴを使用するが、Ｖ＋側にＰチャネルパワーＭＯＳＦＥＴを使用しても構わないし、その他のスイッチング素子で代替することも可能である。
本実施形態では、供給する電力供給パルスＰを時分割して燃料電池１の燃料状態や燃料電池１の異常などの情報を携帯電話２０に送信し、標準機能として携帯電話２０の充電表示機能を利用して表示させるようにしたが、燃料電池１の電力で賄える場合は、電気２重層キャパシタ２が電力を出力しないため、携帯電子機器には連続した電力が供給されることになるが、この場合でも、一定の時間間隔で、前記したように出力スイッチ５をオン／オフさせて、燃料状態や燃料電池１の異常などの情報を送信し表示させることができる。なお、携帯電子機器に送信する情報としては、燃料電池１の電圧情報、異常電流情報など様々な情報を用いることが可能である。

次に、第２の実施形態について説明する。
図６は、第２の実施形態における電源装置の回路図である。この電源装置は、図１に示す電源装置に対して制御ＩＣ４ａに利用者により操作可能な切り替えスイッチ８ａが追加された点で異なる。燃料電池１と、電気２重層キャパシタ２と、出力スイッチ５などは第１の実施形態と同様である。
切り替えスイッチ８ａは、一般的な直流（ＤＣ）スイッチであるタクトスイッチやプッシュスイッチを使用する。

第１の実施形態では、燃料切れまたは燃料電池１の異常と判断した場合、図２の（ａ）に示す電力供給パルスＰを（ｂ）、（ｃ）のパルス群Ｐ１、Ｐ２のように時分割して出力させるようにしている。このため、異常のあるときは、常に電力供給パルスＰを分割した電力パルスが出力される。第２の実施形態では、電力供給パルスＰの分割、すなわち電池状態の表示は、利用者の操作によって必要に応じて行うようにしている。
すなわち、制御ＩＣ４ａでは、切り替えスイッチ８ａが開いたとき、通常時の制御を行う。このとき、ＥＤＬＣ電圧入力端子を経由して入力された電気２重層キャパシタ２の電圧をチェックし、電圧が設定された上限電圧を超えると、出力スイッチ５に制御信号を出力し出力スイッチ５をオンさせ、燃料電池１と電気２重層キャパシタ２によって電力を出力させる。放電に従い電気２重層キャパシタ２の電圧が低下し、同時に燃料電池１の出力電圧も低下する。そして、電気２重層キャパシタ２の電圧が設定された下限電圧値に達すると、制御ＩＣ４が制御信号の出力を停止させることによって電力供給を停止させる。

この場合は、図２の（ａ）または図３の（ａ）に示すように通常の電力供給パルスＰが出力される。このような制御は、切り替えスイッチ８ａが開いている間に続けられる。そして、切り替えスイッチ８ａを閉じると、図７の（ｅ）に示すように制御ＩＣ４ａに入力信号が入力され、これによって、制御ＩＣ４ａは、燃料残量検出器６および温度センサ７の検出値を入力し、燃料切れまたは燃料電池１の異常と判断した場合、対応した制御パターンを適用して出力スイッチ５をオン／オフさせることによって電力供給パルスＰを時分割させる。
図７は、時分割の例として燃料残量に応じてパルス数を変化させた場合の出力電力を示す図である。
ここでは、図３と同様に、燃料残量大のときは、通常時の電力供給パルスＰを（ｂ）に示すように３つのパルスに分割して出力させる。また燃料残量中のときは、（ｃ）に示すように２つのパルスに分割して出力させる。燃料残量小のときは、（ｄ）に示すようにパルス幅を小さくした１つのパルスに分割して出力させる。

第２の実施形態によれば、制御ＩＣ４ａが利用者の操作による入力スイッチ８ａの状態変化を検出し、燃料残量情報などの電源装置内部の情報を携帯電子機器への電力供給パルスＰを時分割することによって表示させている。なお、ここでは、図７に示すように通常の電力供給パルスＰを時分割して送信するが、同間隔または一定以上の間隔を持った電力供給パルスの回数により実現してもよい。以上の電力供給パルス制御を行うための制御ＩＣ４ａの制御としては上限電圧から下限電圧（もしくは上限電流から下限電流）の間隔を数等分することで実現したり、タイマ機能などで実現したりすることができる。なお、図７では、利用者の操作後に１周期において変化させた電力供給パルスを送信するが、何周期か連続で送信してもよいし、通常のパルス数回分で、例えば１回目はパルス２回、２回目はパルス３回のように利用者に情報表示する方法でも構わない。

次に、第３の実施形態について説明する。
図８は、第３の実施形態における電源装置の回路図である。図８に示す電源装置１０は、図１に示す電源装置に対して切り替えスイッチ（パルス変更スイッチ）８ｂを設けた点で異なる。それ以外は同じである。切り替えスイッチ８ｂは、スライドスイッチなどを使用する。もちろん、スライドスイッチの代わりに、プッシュスイッチなどを複数使用してもよい。

この切り替えスイッチ８ｂの切り替えによって、制御ＩＣ４ｂにおいて、電気２重層キャパシタ２の電圧を判断するための上限電圧または下限電圧を変えるようにしている。
燃料電池は、図９に示すように出力電流の増加にしたがって出力電圧が低下する出力特性を有する。このため、電気２重層キャパシタ２の電圧を制御するための下限電圧、上限電圧を、例えば図９において使用範囲１に合わせて設定すれば、例えば上限電圧を低い方に切り替え使用範囲２または使用範囲３を使用した場合、図２の（ａ）に示す電力供給パルスＰの周期が早まり、その結果、図２の（ｂ）、（ｃ）に示すパルス群Ｐ１、Ｐ２の周期も早まるので、利用者の好みに応じて表示の周期を変更できる効果が得られる。もちろん、上限電圧と下限電圧の両方の閾値を変化させてもよい。また、各入力スイッチ８ｂの状態をそれぞれ携帯電子機器に割り当てて、利用者の操作により、選択した携帯電子機器の特性に対応した電力供給パルスを供給するようにしても構わない。

次に、第４の実施形態について説明する。
図１０は、第４の実施形態における電源装置の回路図である。
携帯電子機器として例えば図１１に示す携帯型パソコン２０’の場合、通常、接続端子３１に割り込み信号の出力端子を設けるようになっている。このため、電源装置１０にそれに対応して、電力出力端子のほかに割り込み信号の入力端子としてＩＮＴ１２を設けることによって、割り込み信号の入力が可能である。この割り込み信号は、接続端子３１に電源装置１０が正しく接続され、電力の供給が行われたときに出力されるものである。したがって、このような割り込み信号が出力される携帯型パソコン２０’に使用する場合は、図１０に示すように電力供給用の出力端子Ｖ＋とＶ−の二端子に加えて、割り込み信号を入力可能なＩＮＴ端子を備えて構成し、この割り込み信号は、ＩＮＴ端子によって制御ＩＣ４ｃに入力される。電源装置１０は、割り込み信号が入力されたときのみ、電池状態をチェックし電力供給パルスＰを時分割して送信する。携帯型パソコン２０’から割込信号が入力されてからの動作は第２の実施形態と同様である。

すなわち、第２の実施形態では、図６に示すように制御ＩＣ４ａに切り替えスイッチ８ａを接続し利用者が切り替えスイッチ８ａを操作することによって、燃料残量または燃料電池１の異常を携帯電子機器側に表示するようにしたが、第４の実施形態では、利用者が操作可能な入力スイッチ８ａの代わりに携帯電子機器側からの割り込み信号（入力信号）で、図７に示すように電力供給パルスＰを時分割し、燃料電池１の状態を表示させている。

ここで、携帯電子機器として携帯型パソコン２０’が使用されているが、携帯型パソコン２０’では、電力供給パルスが入力されることにより、電源装置１０をサブバッテリとして認識し、画面上に例えば図１１に示すようにメインバッテリとサブバッテリが接続されていることを画像で同時に表示する。そして電力供給パルスＰの入力後に、携帯型パソコン２０’が割込入力端子に接続されたＩＮＴ端子に割り込み信号を出力し、これによって、電源装置１０が電力供給パルスＰを送信し、携帯型パソコン２０’が例えばパルス数をカウントすることによって画面上で電源装置１０の燃料残量を表示する。携帯型パソコン２０’がＩＮＴ端子に割り込みをかけたときに、通常時の電力供給期間と重なる場合がありえるので、パルス数のカウントは立ち上がりである方が望ましい。なお、ＩＮＴ端子に割り込み信号を出力した後、例えば一定期間応答がない場合や燃料電池１の異常が送信された場合は、携帯型パソコン２０で電源装置１０から電力が供給されていないとしてサブバッテリの表示を画面上から削除する。これによって、利用者は電源装置１０が電力供給していないことを認識することができる。なお、このときにポップアップ表示などでユーザに情報表示を行っても構わない。

次に、変形例として、電池１に燃料電池１ではなく、一次電池や二次電池を使用した場合を説明する。
例えば図１に示す回路において、電池１は、燃料電池１でなく、一次電池または二次電池を使った場合、放電に伴い一次電池または二次電池の電圧が低下するため、電池残量を判定するためにその電圧を監視することによって行うことができる。その電池残量を表示させるため、例えば下限電圧を電池の放電停止電圧（リチウム電池の場合は２．７Ｖや３．０Ｖ）に設定する。上限電圧は前記下限電圧付近の電圧（下限電圧＋０．１Ｖなど）にしてもよいし、上限電圧は特に設けずに下限電圧以上の電圧になった時間をカウントするタイマ機能で設定してもよい。

上限電圧と下限電圧を前記のように設定することにより、携帯電子機器への残量検知を実現することができる。まず、一次電池または二次電池１の電圧が下限電圧に達したのを制御ＩＣ４が検知し、出力スイッチ５をオフに制御することで放電を止める。次に、一次電池または二次電池１は放電が止められたため電圧が上昇する。このとき一次電池または二次電池１の電圧が上限電圧に到達した場合は放電を再開し、上限電圧まで電圧が回復しなかった場合は放電終了となる。このとき、携帯電子機器側の充電表示ランプが点灯している時間は次第に短くなり、利用者は電池１の残量切れを検知することができる。

次に、電気２重層キャパシタの保護回路を説明する。
前記各実施の形態では、燃料電池１が直接メタノール型燃料電池を使用するため、その特性は、図９の特性図に示すように特に最大電圧である開路電圧（ＯＣＶ）と使用する下限電圧との差が非常に大きい。そのため、特に図９において、上限電圧の高い使用範囲１または使用範囲２を制御範囲とする場合には、電気２重層キャパシタ２はその耐電圧の限界付近で使われる可能性がある。この場合、電気２重層キャパシタ２を保護するために回路に電圧を制限する保護回路を搭載することが望ましい。
図１２は、保護回路を設けた電源装置の回路図である。この保護回路９ａはＤＣ／ＤＣコンバータ３の入力端子Ｖｉｎ側に接続され、燃料電池１の電圧が設定されたカット電圧以上に上昇すると導通し、燃料電池１の最高出力電圧をカット電圧以下に制限する。

この場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ３が昇圧コンバータである場合は保護回路９ａがカットする電流値が大きくなり、保護回路９ａにおける各素子の許容損失の大きなものが必要となる。
このようなことを防止するために、図１３に示すようにＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力端子Ｖｏｕｔに保護回路９ｂを接続する構成にしてもよい。この場合、出力端子Ｖｏｕｔの電圧は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の入力端子Ｖｉｎよりも高いため、カットする電流を小さくすることができ、したがって許容損失の小さな素子が使えるため小型化に有利である。

保護回路としては、例えば図１４に示すように、制御ＩＣ４ｃにＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力を電源として使用した場合、出力端子を抵抗９ｃを介してグランド（ＧＮＤ）に接続し、制御ＩＣ４ｃが出力端子をオンさせることによって、電圧をカットすることもできる。

次に、変形例について説明する。
図１５は、図１の電源装置に対して出力スイッチを省略した場合の電源装置の回路図である。
ここでは、制御ＩＣ４の出力スイッチ駆動端子がＤＣ／ＤＣコンバータ３ａの制御端子と直接に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ３ａの出力電力のオン／オフは、制御ＩＣ４がＤＣ／ＤＣコンバータ３ａの出力電圧を制御することによって実現する。

図１６は、図１の電源装置に対して蓄電手段を省略した場合の電源装置の回路図である。
この回路には、蓄電手段がないため、燃料電池１の出力は、携帯電子機器の最大電力より大きく設定する必要がある。この場合、前記各実施形態のように電力供給パルスで電力供給する必要がなくなり、連続した電力供給を行うことができる。ここで、燃料残量および燃料電池１の異常を表示するために、前記同様に出力スイッチ５またはＤＣ／ＤＣコンバータ３を制御することによって、出力電力に所定のデューティ比で、一定数の電力供給パルスを形成することによって実現する。

前記各実施形態では、燃料電池１の電圧を制御することによって、燃料電池の出力電力を制御したが、前記制御は電圧値，電流値どちらを基にしても実現可能である。特に電流値を基にする場合は、温度や湿度などの環境に影響される出力変化が大きいため、環境情報をセンシングして上限値と下限値を変化させることが望ましい。

図１７は、燃料電池の出力電流に基づいて制御を行った場合の電源装置の回路図である。
前記各実施形態および変形例では、燃料電池１の出力電圧に基づいて制御ＩＣ４が出力スイッチ５を制御して出力電力をオン／オフさせたが、ここでは、燃料電池１と電気２重層キャパシタ２の間に抵抗Ｒを設け、燃料電池１の出力電流を抵抗Ｒで電圧に変えて、制御ＩＣ４の電流入力端子に入力させる。制御ＩＣ４では、燃料電池１の出力電流値に基づいて下限電流値で出力スイッチ５をオンし電力を出力させる。上限電流値では出力スイッチをオフにし、電力の出力を遮断させる。これによっても、電圧に基づいた制御を行う前記実施の形態と同様な効果が得られる。

第１の実施形態における電源装置の回路図である。燃料切れおよび燃料電池異常に応じてパルス数を変化させた場合の出力電力を示す図である。時分割の例として燃料残量に応じてパルス数を変化させた場合の出力電力を示す図である。電源装置を携帯電話に使用した場合の説明図である。燃料カートリッジの構成を示す断面図である。第２の実施形態における電源装置の回路図である。時分割の例として燃料残量に応じてパルス数を変化させた場合の出力電力を示す図である。第３の実施形態における電源装置の回路図である。燃料電池の出力特性を示す図である。第４の実施形態における電源装置の回路図である。電源装置を携帯型パソコンに使用した場合の説明図である。保護回路を設けた電源装置の回路図である。別の保護回路を設けた電源装置の回路図である。保護回路として、制御ＩＣの制御機能を利用した場合の電源装置の回路図である。出力スイッチを省略した場合の電源装置の回路図である。蓄電手段を省略した場合の電源装置の回路図である。燃料電池の出力電流に基づいて制御を行った場合の電源装置の回路図である。

符号の説明

１電池（燃料電池）
１Ｃ燃料カートリッジ
２蓄電手段（電気２重層キャパシタ）
３回路部（ＤＣ／ＤＣコンバータ）
５出力スイッチ
６燃料残量検出器
７温度センサ
９保護回路
１０電源装置
１２入力端子
２０携帯電話
２０’ 携帯型パソコン
２１充電表示ランプ
３１接続端子
４、４ａ、４ｂ、４ｃ制御ＩＣ
Ｐ電力供給パルス
Ｐ１パルス群
Ｐ２パルス群

Claims

入力電力が供給されている状態を表示する電子機器に接続され、電気２重層キャパシタを有する電源装置であって、
前記電気２重層キャパシタ、及び前記電子機器に電力供給可能な燃料電池と、
前記電気２重層キャパシタの蓄電電圧が上限電圧を超えたときの導通、及び前記電気２重層キャパシタの蓄電電圧が下限電圧に達したときの遮断により、前記電子機器に供給する供給電力を断続的に遮断させる遮断手段と、を備え、
前記燃料電池の出力電力は、前記電子機器の必要とする電力の平均値に合わせると共に、前記電子機器の最大電力よりも小さく設定され、
前記電気２重層キャパシタは、前記燃料電池よりも高出力密度であって、
前記電子機器に供給される電力は、一定間隔で繰り返される電力供給パルスとなり、
前記電力供給パルスは、導通期間が時分割されて前記燃料電池の異常に対応した制御パターンが送信されることを特徴とする電源装置。