JP4759037B2 - 駆動装置及びエネルギー管理モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、駆動装置に関し、特に、燃料電池を含む駆動装置に関するものである。
燃料電池は、家庭用予備電源システム、可搬型電源システム、または携帯型電子機器に広く用いられている。各燃料電池は、膜電極接合体(MEA)を含む。一定濃度を含む燃料がMEAの陽極に提供され、適量の酸素がMEAの陰極に提供された時、陽極と陰極間の電位差が化学反応により、発生される。よって、電流を外部負荷に提供することができる。燃料電池の製品が二酸化炭素と水を含むことから、有機物が発生されない。よって、燃料電池は、環境に優しくない。
燃料電池の化学反応は、例えば、燃料電池の濃度、温度、または環境温度などの異なる要素によって変化するため、燃料電池は、安定した電流を外部負荷に提供することができない。燃料電池の性能が良くなく、燃料電池がそれでも大きな電流を外部負荷に提供した場合、燃料電池がダメージを受ける可能性がある。燃料電池が小さな電流を外部負荷に提供した場合、燃料電池の性能は、充分に発揮されなくなる。また、燃料電池が長期間、用いられない場合、燃料電池を用いる時に、先に燃料電池を活性化させなければならない。
本発明は、駆動装置とエネルギー管理モジュールを提供する。
負荷を駆動する駆動装置の実施例は、二次電池と、燃料電池と、エネルギー管理モジュールと、を含む。エネルギー管理モジュールは、二次電池と燃料電池に接続され、燃料電池の電圧に基づいて負荷に第1電流または第2電流を発生させる。
負荷を駆動する二次電池と燃料セルに接続されたエネルギー管理モジュールの実施例は、電圧変換ユニットと電流発生ユニットを含む。電圧変換ユニットは、二次電池の電圧、または燃料電池の電圧を変換して電圧信号を発生する。電流発生ユニットは、電圧信号を受けて、燃料電池の電圧に基づいて第1電流または第2電流を発生する。
本発明の駆動装置及びエネルギー管理モジュールによれば、負荷を駆動する時間が負荷を駆動する時間と燃料電池の電圧に基づいて変えられる。負荷を駆動する時間が長く、燃料電池の電圧が既定電圧を超える場合、負荷を駆動する時間は増加される。燃料電池の電圧が低減された場合、燃料電池は不安定になる可能性がある。よって、負荷を駆動する時間は、燃料電池の電圧に基づいて、徐々に減少され、燃料電池の負荷を減少する。燃料電池の電圧が小さすぎた時、燃料電池は、負荷の駆動を停止し、二次電池が用いられて負荷を駆動することで負荷を正常に動作することができる。
本発明についての目的、特徴、長所が一層明確に理解されるよう、以下に実施形態を例示し、図面を参照にしながら、詳細に説明する。
図1は、駆動システムの実施例の概略図である。駆動システム100は、駆動装置110と負荷120を含む。負荷120は、駆動システム100によって提供された電力信号を提供し、関連する機能を実行する。この実施例では、負荷120は、ファン、ポンプ、ヒーター、またはその他の電気機器である。
図2は、駆動装置の実施例の概略図である。駆動装置110は、二次電池210、燃料電池220と、エネルギー管理モジュール230を含む。二次電池210は、例えば、リチウムイオン二次電池、ニッケルカドミウム電池、またはニッケル水素電池などの再充電可能電池である。エネルギー管理モジュール230は、二次電池210によって発生された電圧SSECに基づいて、または燃料電池220によって発生された電圧SFCに基づいて、二次電池210と燃料電池220に接続され、負荷120を駆動する。
この実施例では、燃料電池220が不安定な時、エネルギー管理モジュール230は、二次電池210によって発生された電圧SSECに基づいて、負荷120を駆動する。燃料電池220が安定している時、エネルギー管理モジュール230は、燃料電池220によって発生された電圧SFCに基づいて、負荷120に電流を提供する。1つの実施例では、燃料電池220によって発生された電圧SFCが既定値より小さい時、エネルギー管理モジュール230は、第1電流を負荷120に提供する。燃料電池220によって発生された電圧SFCが既定値を超える時、エネルギー管理モジュール230は、第2電流を負荷120に提供する。第2電流は、第1電流を超える。
図3は、エネルギー管理モジュールの実施例の概略図である。エネルギー管理モジュール230は、電圧変換ユニット310と電流発生ユニット320を含む。電圧変換ユニット310は、電圧SSECまたは電圧SFCを変換して、電圧信号DCを発生する。この実施例では、電圧変換ユニット310は、DC/DCコンバータである。電流発生ユニット320は、電圧信号SDCを受け、信号グループSCG1に基づいて負荷に異なる電流を発生させる。
この実施例では、エネルギー管理モジュール230は、処理ユニット330を更に含む。処理ユニット330は、燃料電池の状態(電圧SFC、または温度)に基づいて、信号グループSCG1を電流発生ユニット320に提供する。よって、電流発生ユニット320は、燃料電池の状態に基づいて、負荷に異なる電流を提供することができる。また、処理ユニット330は、燃料電池の状態に基づいて、信号グループSCG2をスイッチユニット340に更に提供する。よって、スイッチユニット340は、燃料電池の状態に基づいて、電圧SSECまたは電圧SFCを電圧変換ユニット310に提供する。
図3を参照すると、スイッチユニット340は、スイッチ341と342を含む。スイッチ341は、信号グループSCG2の制御信号Sc1によって制御される。スイッチ342は、信号グループSCG2の制御信号Sc2によって制御される。スイッチ342がオフにされた時、処理ユニット330によって検出された電圧SFCは、開ループ電圧(open loop voltage)である。スイッチ342がオンにされた時、処理ユニット330によって検出された電圧SFCは、閉ループ電圧(close loop voltage)である。この実施例では、処理ユニット330は、開ループ電圧または閉ループ電圧に基づいて信号グループSCG1とSCG2を発生する。
例えば、燃料電池の開ループ電圧が、動作電圧より小さい場合、スイッチユニット340は、電圧SSECを電圧変換ユニット310に出力する。よって、電流発生ユニット320は、電圧SSECに基づいて負荷を駆動する。その他の実施例では、スイッチ342は、一時的(30秒)にオンにされることで、開ループ電圧が動作電圧に迅速に達することができる。この時、燃料電池が二次電池を充電するように、または小さな電流を負荷に提供するように用いられた場合、燃料電池は、活性化されることができる。
燃料電池の開ループ電圧が動作電圧を超えた時、スイッチユニット340は、電圧SFCを電圧変換ユニット310に出力する。この時、処理ユニット330は、燃料電池の閉ループ電圧に基づいて信号グループSCG1を電流発生ユニット320に提供する。よって、電流発生ユニット320は、電圧変換ユニット310によって発生された変換結果を受け、信号グループSCG1に基づいて、負荷を駆動する。
例えば、燃料電池の開ループ電圧が既定値より小さい時、エネルギー管理モジュール230は、より小さな電流を提供する。燃料電池の閉ループ電圧が既定値を超える時、エネルギー管理モジュール230は、より大きな電流を提供する。この実施例では、処理ユニット330は、検出回路331とマイクロプロセッサ332を含む。検出回路331は、燃料電池の電圧SFCを検出する。マイクロプロセッサ332は、検出結果に基づいて信号グループSCG1とSCG2を発生する。
検出回路331は、レジスタR1、R2とアナログ/デジタルコンバータ(ADC)AD1を含む。アナログ/デジタルコンバータAD1は、節点333の電圧を変換し、変換結果をマイクロプロセッサ332に提供する。電圧の節点333が燃料電池の電圧SFCに基づいて変えられることから、マイクロプロセッサ332は、アナログ/デジタルコンバータAD1によって発生された変換結果に基づいて燃料電池の状態を得る。
いくつかの実施例では、エネルギー管理モジュール230は、燃料電池の温度、または燃料電池の環境温度を検出する温度検出ユニット350を更に含む。温度検出ユニット350は、レジスタ351、352と、アナログ/デジタルコンバータAD2を含む。レジスタ352は、サーマルレジスタまたはその他の温度測定素子である。アナログ/デジタルコンバータAD2は、節点353の電圧を変換し、変換結果をマイクロプロセッサ332に伝送する。節点353の電圧が例えば、燃料電池の温度、または燃料電池の環境温度の温度に基づいて変えられることから、マイクロプロセッサ332は、温度検出ユニット350によって発生された検出結果に基づいて、信号グループSCG1とSCG2を発生する。
例えば、燃料電池の温度が低過ぎた場合、スイッチユニット340は、処理ユニット330によって発生された信号グループSCG2に基づいて二次電池の電圧SSECを電圧変換ユニット310に出力する。よって、燃料電池の温度が低過ぎた場合、燃料電池の温度は、活性化の手順に基づいて上げられる。1つの実施例では、燃料電池の温度が既定温度より小さい時、燃料電池は、二次電池を充電、または小さな電流を負荷に提供することで、燃料電池の温度が上げられる。
図4は、電流発生ユニットの実施例の概略図である。電流発生ユニット320は、電流制限ユニット410と制御器420を含む。電流制限ユニット410は、燃料電池の電圧SFCに基づいて異なるインピーダンス値を提供する。制御器420は、電流制限ユニット410によって提供されたインピーダンス値に基づいて、対応する電流を負荷に発生する。この実施例では、制御器420は、Linearによって製造されたLTC4065、またはMaximによって製造されたMAX1870AまたはMAX8724であることができるが、これを限定するものではない。
また、電流制限ユニット410は、レジスタ411(第1レジスタ)、およびレジスタ412(第2レジスタ)と、スイッチ413(第1スイッチ)を含み、第1インピーダンス値または第2インピーダンス値を制御器420に提供する。スイッチ413は、信号グループSCG1の制御信号SC3によって制御される。スイッチ413がオンにされた時、制御器420は、インピーダンス値を受ける。スイッチ413がオフにされた時、制御器420は、その他のインピーダンス値を受ける。スイッチ413は、レジスタ412に直列接続されるスイッチであって、そのスイッチがオンにされた時、レジスタ411がレジスタ412に並列接続される。いくつかの実施例では、電流制限ユニット410は、レジスタ414(第3レジスタ)と、レジスタ415(第4レジスタ)と、スイッチ416(第2スイッチ)と、スイッチ417(第3スイッチ)と、を更に含む。スイッチ416は、信号グループSCG1の制御信号SC4によって制御される。スイッチ417は、信号グループSCG1の制御信号SC5によって制御される。スイッチ413、416と、417がオンまたはオフにされた時、制御器420は、異なるインピーダンス値を受けることができる。
制御器420は、電流制限ユニット410によって提供されたインピーダンス値に基づいて、対応する電流を発生する。例えば、燃料電池の電圧(閉ループ電圧)が既定値より小さい時、処理ユニット330は、信号グループSCG1の制御信号SC3に基づいてスイッチ413をオフにする。よって、制御器420は、レジスタ411のインピーダンス値に基づいて第1電流を発生する。燃料電池の電圧(閉ループ電圧)が既定値を超えた時、処理ユニット330は、スイッチ413をオンにする。よって、制御器420は、インピーダンス値に基づいて第2電流を発生する。第1電流は、第2電流を超える。
また、この実施例では、制御器420によって提供された電流は、スイッチ431によって負荷に伝送される。スイッチ431は、信号グループSCG1の制御信号SC6によって制御される。よって、制御ユニット330は、燃料電池の状態に基づいて、燃料電池から負荷への電流を得るかどうかを決定する。
負荷がファンとポンプを含むことができることから、スイッチ433と434は、その他の実施例でファンとポンプにそれぞれ接続される。燃料電池の開ループ電圧が動作電圧より小さい時、制御ユニット330は、信号グループSCG1の制御信号SC8とSc9に基づいて、スイッチ433または434を一時的にオンにする。よって、燃料電池の開ループ電圧が動作電圧に迅速に達することができる。
燃料電池の開ループ電圧が動作電圧に達し、二次電池の温度が既定温度より低い時、信号グループSCG1の制御信号SC7は、スイッチ432をオンにするように用いられる。よって、二次電池が充電され、二次電池の温度が上げられる。
図5は、制御方法の実施例の概略図である。制御方法500は、二次電池または燃料電池を用いて負荷を駆動する。燃料電池が不安定な時、二次電池が用いられて負荷を駆動する。燃料電池が安定している時、燃料電池が用いられて負荷を駆動する。また、制御方法500は、燃料電池を迅速に安定させるために用いられる。先ず、二次電池がオンにされる(ステップS510)。続いて、二次電池が用いられて負荷を駆動する(ステップS520)。燃料電池は、長期間用いられていないことから、負荷に安定した電圧を発生することができない。よって、開始時に二次電池が用いられて負荷を駆動する。
続いて、燃料電池の開ループ電圧が動作電圧に達するかどうかを判断する(ステップS530)。燃料電池の開ループ電圧が動作電圧より小さい時、燃料電池が用いられて負荷の一部を駆動し(ステップS540)、続いてステップS530が再度実行される。
例えば、負荷がファンとポンプを含んだ場合、ファンが小さな駆動電流(例えば、20mA)を要することから、燃料電池は先ずファンを駆動して、燃料電池の開ループ電圧を増加する。燃料電池が一時期(例えば30秒)、負荷を駆動した後、再度、燃料電池の開ループ電圧が動作電圧に達するかどうかが判断される(ステップS530)。
燃料電池の開ループ電圧が動作電圧に達した場合、燃料電池の温度が検出される(ステップS550)。燃料電池の温度が既定温度より低い時、燃料電池が用いられて二次電池を充電し(ステップS560)、燃料電池の温度を上げられる。二次電池が一時期、充電された後、燃料電池の温度が再度検出される。
燃料電池の温度が既定温度に達した場合、燃料電池が安定した状態となる。よって、燃料電池がオンになり(ステップS570)、二次電池が負荷の駆動を停止する(ステップS580)。燃料電池が安定することから、負荷を駆動するのに燃料電池が用いられる(ステップS590)。
図6は、駆動電流を発生する実施例の概略図である。燃料電池の開ループ電圧が動作電圧に達した場合、燃料電池は、燃料電池の電圧に基づいて、対応する電流を負荷に提供する。よって、燃料電池は、過剰に用いられることがなく、燃料電池の寿命が増加される。
負荷を駆動する時間は、第1プリセット時間(ステップS611)によって判断される。負荷を駆動する時間が第1プリセット時間に達した場合、第1電流が提供される(ステップS621)。続いてステップS631が実行され、燃料電池の電圧が第1プリセット電圧より小さいかどうかを判断する。燃料電池の電圧が第1プリセット電圧より小さい場合、燃料電池は、負荷を正常に駆動できない。よって、燃料電池は、負荷の駆動を停止する(ステップS641)。燃料電池の電圧が第1プリセット電圧を超える場合、ステップ611が実行される。
負荷を駆動する時間が第1プリセット時間に達した場合、負荷を駆動する時間が第2プリセット時間に達するべきかどうかが判断される(ステップS612)。負荷を駆動する時間が第2プリセット時間に達する場合、第2電流が提供される(ステップS622)。続いてステップS632が実行され、燃料電池の電圧が第2プリセット電圧より小さいかどうかを判断する。燃料電池の電圧が第2プリセット電圧より小さい場合、ステップ621が実行される。燃料電池の電圧が第2プリセット電圧を超える場合、ステップ612が実行される。この実施例では、第2プリセット時間は、第1プリセット時間を超え、第2電流は、第1電流を超え、第2プリセット電圧は、第1プリセット電圧を超える。
負荷を駆動する時間が第2プリセット時間に達した場合、負荷を駆動する時間が第3プリセット時間に達するべきかどうかが判断される(ステップS613)。負荷を駆動する時間が第3プリセット時間に達する場合、第3電流が提供される(ステップS623)。続いてステップS633が実行され、燃料電池の電圧が第3プリセット電圧より小さいかどうかを判断する。燃料電池の電圧が第3プリセット電圧より小さい場合、ステップ622が実行される。燃料電池の電圧が第3プリセット電圧を超える場合、ステップ613が実行される。この実施例では、第3プリセット時間は、第2プリセット時間を超え、第3電流は、第2電流を超え、第3プリセット電圧は、第2プリセット電圧を超える。
負荷を駆動する時間が第3プリセット時間に達した場合、第4電流が提供される(ステップS624)。この実施例では、第4電流は、第3電流を超える。続いてステップS634が実行され、燃料電池の電圧が第4プリセット電圧より小さいかどうかを判断する。燃料電池の電圧が第4プリセット電圧を超える場合、ステップ634が再度、実行される。
燃料電池の電圧が第4プリセット電圧より小さい場合、ステップS614が実行され、負荷を駆動する時間が第4プリセット時間より小さいかどうかを判断する。負荷を駆動する時間が第4プリセット時間より小さい時、ステップS623が実行される。負荷を駆動する時間が第4プリセット時間を超える時、第3電流が提供される(ステップS625)。
続いて、ステップS635が実行され、燃料電池の電圧が第3プリセット電圧より小さいかどうかを判断する。燃料電池の電圧が第3プリセット電圧を超える場合、ステップS625が実行される。燃料電池の電圧が第3プリセット電圧より小さい場合、第2電流が提供される(ステップS626)。続いてステップS636が実行され、燃料電池の電圧が第2プリセット電圧より小さいかどうかを判断する。燃料電池の電圧が第2プリセット電圧を超える場合、ステップS626が実行される。燃料電池の電圧が第2プリセット電圧より小さい場合、第1電流が提供される(ステップS627)。続いてステップS637が実行され、燃料電池の電圧が第1プリセット電圧より小さいかどうかを判断する。燃料電池の電圧が第1プリセット電圧を超える場合、ステップS627が実行される。燃料電池の電圧が第1プリセット電圧より小さい場合、ステップS641が実行される。
負荷を駆動する時間は、負荷を駆動する時間と燃料電池の電圧に基づいて変えられる。負荷を駆動する時間が長く、燃料電池の電圧が既定電圧を超える場合、負荷を駆動する時間は増加される。燃料電池の電圧が低減された場合、燃料電池は不安定になる可能性がある。よって、負荷を駆動する時間は、燃料電池の電圧に基づいて、徐々に減少され、燃料電池の負荷を減少する。燃料電池の電圧が小さすぎた時、燃料電池は、負荷の駆動を停止し、二次電池が用いられて負荷を駆動することで負荷が正常に動作することができる。
以上、本発明の好適な実施例を例示したが、これは本発明を限定するものではなく、本発明の精神及び範囲を逸脱しない限りにおいては、当業者であれば行い得る少々の変更や修飾を付加することは可能である。従って、本発明が保護を請求する範囲は、特許請求の範囲を基準とする。
駆動システムの実施例の概略図である。 駆動装置の実施例の概略図である。 エネルギー管理モジュールの実施例の概略図である。 電流発生ユニットの実施例の概略図である。 制御方法の実施例の概略図である。 駆動電流を発生する実施例の概略図である。
符号の説明
100 駆動システム
110 駆動装置
120 負荷
210 二次電池
220 燃料電池
230 エネルギー管理モジュール
310 電圧変換ユニット
320 電流発生ユニット
330 処理ユニット
340 スイッチユニット
331 検出回路
332 マイクロプロセッサ
350 温度検出ユニット
410 電流制限ユニット
420 制御器
AD1、AD2 アナログ/デジタルコンバータ
341、342、413、416、417 431〜434 スイッチ
R1、R2、351、352、411、412、414、415 レジスタ

Claims (11)

  1. 負荷を駆動する駆動装置であって、
    二次電池と、
    燃料電池と、
    前記二次電池と前記燃料電池に接続され、
    前記燃料電池の開ループ電圧が動作電圧に達しない場合、前記二次電池を用いて前記負荷を駆動し、
    前記燃料電池を用いて第1電流よりも小さな電流を前記負荷の一部に提供し、前記燃料電池の前記開ループ電圧が動作電圧に達した場合、
    前記燃料電池の閉ループ電圧が規定値より小さいとき、前記燃料電池のみを用いて前記負荷に第1電流を提供し、
    前記燃料電池の閉ループ電圧が規定値を超えるとき、前記燃料電池のみを用いて前記負荷に第1電流より大きい第2電流を提供するエネルギー管理モジュールと、を含む駆動装置。
  2. 前記エネルギー管理モジュールは、前記二次電池の電圧、または前記燃料電池の閉ループ電圧を変換し、電圧信号を発生する電圧変換ユニットを含む請求項1に記載の駆動装置。
  3. 前記エネルギー管理モジュールは、前記電圧信号を受け、前記燃料電池の状態に基づいて第1または第2電流を発生する電流発生ユニットを更に含む請求項2に記載の駆動装置。
  4. 前記電流発生ユニットは、
    前記燃料電池の閉ループ電圧に基づいて第1インピーダンス値または第2インピーダンス値を提供する電流制限ユニットと、
    前記電流制限ユニットが前記第1インピーダンス値を提供した時に第1電流を発生し、前記電流制限ユニットが前記第2インピーダンス値を提供した時に第2電流を発生する制御器と、を含む請求項3に記載の駆動装置。
  5. 前記電流発生ユニットは、
    第1レジスタと、
    第2レジスタと、
    前記第2レジスタに直列接続されるスイッチであって、そのスイッチがオンにされた時、前記第1レジスタが前記第2レジスタに並列接続されるスイッチと、を含む請求項4に記載の駆動装置。
  6. 前記スイッチは、前記燃料電池の閉ループ電圧が既定値より小さい時、オフにされ、前記燃料電池の閉ループ電圧が前記既定値を超える時、オンにされる請求項5に記載の駆動装置。
  7. 前記エネルギー管理モジュールは、前記燃料電池の状態を検出し、前記検出結果に基づいて、前記電流発生ユニットを制御して第1または第2電流を発生する処理ユニットを更に含む請求項3に記載の駆動装置。
  8. 前記処理ユニットは、
    前記燃料電池の開ループ電圧と、閉ループ電圧を検出する検出回路と、
    前記燃料電池の閉ループ電圧が既定値より小さい時、前記電流発生ユニットを制御して第1電流を発生し、前記燃料電池の閉ループ電圧が前記既定値を超える時、前記電流発生ユニットを制御して第2電流を発生するマイクロプロセッサと、を更に含む請求項7に記載の駆動装置。
  9. 前記エネルギー管理モジュールは、前記燃料電池と前記電圧変換ユニットとの間に接続され、前記マイクロプロセッサによって制御された第1スイッチを更に含む請求項8に記載の駆動装置。
  10. 前記エネルギー管理モジュールは、前記燃料電池の温度を検出する温度検出ユニットを更に含む請求項9に記載の駆動装置。
  11. 前記マイクロプロセッサは、前記燃料電池の温度に基づいて前記第1スイッチをオンにする請求項10に記載の駆動装置。
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