JP5565603B2 - 電力供給システムおよび電子機器 - Google Patents

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Description

本発明は、複数の電力供給デバイスを有する電力供給システム、およびそのような電力供給システムを備えた電子機器に関する。
乾電池をはじめとする1次電池や、リチウムイオン電池などの2次電池、燃料電池もしくは太陽電池等の発電デバイスなどの電力供給デバイスは、電子機器の電力需要に合うように、複数個が互いに直列または並列に接続され、組電池として使用されている。
しかし、各々の電力供給デバイスの特性や劣化度合いにバラツキがあると、特定の電力供給デバイスに過負荷がかかってしまうため、組電池としての特性が低下したり、場合によっては危険な不具合を引き起こしたりすることがある。
例えば、複数のセルを直列接続して組電池を構成する際、セルのバラツキは大きな問題となる。具体的には、セルの内部抵抗にバラツキがあると、内部抵抗の高いセルにおいて発熱量が多くなり、そのセルにおいて特に劣化が速く進行してしまうからである。劣化が進行すると内部抵抗は更に増加し、しまいには内部抵抗による電圧降下が起電力を上回り、端子間電圧が逆転する「転極状態」になってしまう。そして、このような転極状態では、組電池としての出力が大幅に低下してしまうことになる(例えば、特許文献1,2参照)。
一方、複数のセルを並列接続して組電池を構成する際においても、セルのバラツキは大きな問題となる。起電力の異なる複数のセルを並列接続すると、起電力の高いセルから起電力の低いセルへと、電流が流れ込んでしまうからである。このような逆流現象は、原理的にセルの内部抵抗が低い場合ほど起こりやすくなるため、セルが高性能化して内部抵抗が下がれば下がるほど、逆流電流が増大してしまうという、トレードオフが生じてしまう。
ここで、乾電池や燃料電池、太陽電池などの充電(電流の逆流)が許容されない電力供給デバイスを並列接続して組電池を構成する際には、セルのバラツキは、なおいっそう大きな問題となる。例えば乾電池の場合、新しい乾電池と古い乾電池とを並列接続すると、起電力の高い新しい電池から古い電池へ電流が流れ込んでしまうため、古い乾電池の内部で気泡などが発生し、破裂するおそれがある。また、燃料電池や太陽電池の場合には、起電力の大きなセルから小さなセルへ無理やり電流が流し込まれるため、電極材料の劣化が促進してしまうおそれがある(例えば、特許文献3参照)。
また、燃料をポンプなどで供給するアクティブ燃料電池を並列接続して組電池を構成する際は、状況は更に深刻である。アクティブ燃料電池では燃料供給量が脈動しやすく、すなわち、起電力の時間変動が非常に大きいからである。したがって、複数の燃料電池を安定に発電させるためには、燃料噴出を独立に制御できることが望ましいが、この独立制御によって起電力にバラツキが生じてしまうことになる。
さらに、太陽電池を並列接続して組電池を構成する際も、同様に、状況は深刻である。太陽電池では、部分的に日陰になることによって起電力が変動するからである。
特開2008−245481号公報 特開2008−182809号公報 特開昭59−230435号公報
そこで、これらの問題を解決するため、整流器(ダイオード)を用いた方法が考えられる。具体的には、互いに並列接続した各々の電池に対してダイオードを直列接続することにより、高い安定性を示しつつ、他の電池から電流が流れ込むのを防止するというものである。
しかし、この方法では、ダイオードの電圧降下により、無駄な電力損失が生じてしまう。そこで、順方向電圧の小さなショットキーバリアダイオードを用いるようにすれば、そのような電力損失をある程度低減させることは可能である。しかしながら、燃料電池や太陽電池などの起電力の低い発電デバイスでは、ショットキーバリアダイオードを使用した場合であっても相対的な電力損失が大きくなるため、問題となる。
このようにして、複数の電力供給デバイスを用いて電力供給を行う場合において、高い安定性を実現しつつ、電力損失および各電力供給デバイスの劣化を抑えることが望まれる。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、複数の電力供給デバイスを用いて電力供給を行う場合において、高い安定性を実現しつつ、電力損失および各電力供給デバイスの劣化を抑えることが可能な電力供給システム、およびそのような電力供給システムを備えた電子機器を提供することにある。
本発明の電力供給システムは、2次電池からなる複数の電力供給デバイスと、これら複数の電力供給デバイスに対してそれぞれ直列接続されたスイッチング素子と、各電力供給デバイスの端子間電圧に基づいて、複数の電力供給デバイスのうちの端子間電圧が最も高い電力供給デバイスに対応するスイッチング素子が選択的にオン状態となると共に、それ以外の電力供給デバイスに対応するスイッチング素子がいずれもオフ状態となるように、各スイッチング素子のオン・オフ状態を制御する制御回路部とを備えたものである。この制御回路部は、各電力供給デバイスの端子間電圧に基づいて、複数の電力供給デバイスのうち、端子間電圧が最も高い電力供給デバイスに対応するスイッチング素子のみをオン状態として、その電力供給デバイスの端子間電圧を選択的に出力して放電させる放電回路部と、各電力供給デバイスの端子間電圧に基づいて、複数の電力供給デバイスのうち、端子間電圧が最も低い電力供給デバイスに対応するスイッチング素子のみをオン状態として、その電力供給デバイスに対して外部から充電電圧を選択的に入力して充電させる充電回路部とを有すると共に、上記放電回路部と上記充電回路部とが、互いに共通化されて単一の回路からなる。また、上記放電を行うための放電専用端子と、上記充電を行うための充電専用端子と、上記放電および上記充電のうちの一方を行うための充放電兼用端子と、上記放電の際と上記充電の際とで、この充放電兼用端子における端子機能の切り換えを行うための切換回路とを更に備えている。
本発明の電子機器は、上記電力供給システムを備えたものである。
本発明の電力供給システムおよび電子機器では、複数の電力供給デバイスのうちの端子間電圧が最も高い電力供給デバイスに対応するスイッチング素子が選択的にオン状態となると共に、それ以外の電力供給デバイスに対応するスイッチング素子がいずれもオフ状態となるように、各スイッチング素子のオン・オフ状態が制御される。これにより、各電力供給デバイス間の特性のバラツキや劣化度合いのバラツキに起因して、特定の電力供給デバイスに過負荷がかかることが防止される。また、端子間電圧が最も高い電力供給デバイスに対応するスイッチング素子が選択的にオン状態となるため、従来のダイオードを用いた場合とは異なり、無駄な電力損失が生じることなく、異なる電力供給デバイス間での電流の流れ込みが防止される。さらに、端子間電圧が最も高い電力供給デバイスの電力が選択出力されるため、複数の電力供給デバイス同士を互いに直列接続して出力する場合と比べ、各電力供給デバイス間のバラツキがある程度許容されるようになる。
本発明の電力供給システムおよび電子機器によれば、複数の電力供給デバイスのうちの端子間電圧が最も高い電力供給デバイスに対応するスイッチング素子が選択的にオン状態となると共に、それ以外の電力供給デバイスに対応するスイッチング素子がいずれもオフ状態となるように、各スイッチング素子のオン・オフ状態を制御するようにしたので、特定の電力供給デバイスに過負荷がかかることを防止すると共に、無駄な電力損失が生じることなく、異なる電力供給デバイス間での電流の流れ込みを防止することができる。また、端子間電圧が最も高い電力供給デバイスの電力が選択出力されるため、各電力供給デバイス間のバラツキがある程度許容されるようになる。よって、複数の電力供給デバイスを用いて電力供給を行う場合において、高い安定性を実現しつつ、電力損失および各電力供給デバイスの劣化を抑えることが可能となる。
本発明の第1の実施の形態に係る電力供給システムの全体構成を表す図である。 比較例に係る電力供給部の構成および作用を表す回路図である。 図1に示した電力供給部における電力供給デバイスの接続切換動作の一例を説明するための模式図である。 図1に示した電力供給部における電力供給デバイスの接続切換動作の一例を説明するためのタイミング波形図である。 図1に示した電力供給部における電力供給デバイスの接続状態の一例を表す模式図である。 複数の電力供給デバイスにおける電圧および電流の経時特性の一例を表す特性図である。 第1の実施の形態の変形例に係る電力供給部の構成を表す回路図である。 第2の実施の形態に係る電力供給部の構成を表す回路図である。 図8に示した電力供給部における電力供給デバイスの接続切換動作の一例を説明するための模式図である。 第2の実施の形態の変形例に係る電力供給部の構成を表す回路図である。 第3の実施の形態に係る電力供給部の構成を表す回路図である。 図11に示した電力供給部における放電時の電力供給デバイスの接続切換動作の一例を説明するための模式図である。 図11に示した電力供給部における放電時の電力供給デバイスの接続切換動作の他の例を説明するための模式図である。 図11に示した電力供給部における充電時の電力供給デバイスの接続切換動作の一例を説明するための模式図である。 図11に示した電力供給部における充電時の電力供給デバイスの接続切換動作の他の例を説明するための模式図である。 本発明の変形例に係る電力供給デバイスの接続切換動作の一例を説明するための模式図である。 本発明の電力供給システムを適用した燃料電池システムの全体構成例を表すブロック図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
1.第1の実施の形態(電力供給部における接続切換用の基本構成例)
2.第2の実施の形態(電力供給部における接続切換用の多段構成例)
3.第3の実施の形態(2次電池を用いた場合の充放電両用の構成例)
4.変形例および適用例(燃料電池システムへの適用例等)
<1.第1の実施の形態>
[電力供給システムの全体構成例]
図1は、本発明の一実施の形態に係る電力供給システム(電力供給システム4)の全体構成を表すものである。この電力供給システム4は、負荷6を駆動するための電力を、出力端子T2を介して供給するものであり、電力供給部2と、DC/DCコンバータ33と、2次電池34とから構成されている。
電力供給部2は、電力供給のための端子間電圧(起電力)V1を生成するものである。この電力供給部2は、2つの電力供給デバイス1A,1Bと、2つ(1対)のスイッチング素子SW1A,SW1Bと、比較器(コンパレータ)Comp1と、論理否定回路(インバータ)NOT1と、抵抗器R1とを有している。
電力供給デバイス1Aは、端子間電圧V1Aを発生するものであり、電力供給デバイス1Bは、端子間電圧V1Bを発生するものである。電力供給デバイス1Aは、一端が接続点P1Aに接続され、他端は接地されている。電力供給デバイス1Bは、一端が接続点P1Bに接続され、他端は接地されている。このような電力供給デバイス1A,1Bとしては、1次電池、2次電池または発電デバイスや、それらの組み合わせを用いることができる。具体的には、1次電池としては、例えば、マンガン電池やアルカリ電池などの乾電池、水銀電池、酸化銀電池、リチウム電池などが挙げられる。2次電池としては、例えば、リチウムイオン電池やニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、鉛蓄電池などが挙げられる。発電デバイスとしては、例えば、燃料電池や太陽電池、直流ダイナモなどが挙げられる。
スイッチング素子SW1A,SW1Bはそれぞれ、各電力供給デバイス1A,1Bの一端側(接続点P1A,P1B側)に直列接続されている。これらのスイッチング素子SW1A,SW1Bは、例えば電界効果型トランジスタ(FET;Field Effect Transistor)や、バイポーラトランジスタ、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、リレーなどにより構成される。これらのスイッチング素子SW1A,SW1BをFETにより構成した場合、高速なスイッチング動作が可能となる。一方、スイッチング素子SW1A,SW1Bをリレーにより構成した場合、オン状態のときの抵抗(オン抵抗)を低く抑えることが可能となる。ここでは、スイッチング素子SW1A,SW1Bはそれぞれ、PチャネルのMOS−FETにより構成されている。スイッチング素子SW1Aのゲートは論理否定回路NOT1の出力端子に接続され、ドレインは接続ラインL1Hに接続され、ソースは接続点P1Aに接続されている。スイッチング素子SW1Bのゲートは接続点P10に接続され、ドレインは接続ラインL1Hに接続され、ソースは接続点P1Bに接続されている。
比較器Comp1は、接続点P1A,P1Bにおける電位差(端子間電圧V1A,V1Bの電位差)に応じて、「High(Vcc)」または「Low(GND)」の出力電圧を出力するものである。この比較器Comp1の反転入力端子は接続点P1Aに接続され、非反転入力端子は接続点P1Bに接続され、出力端子は接続点P10に接続されている。
論理否定回路NOT1は、比較器Comp1からの出力電圧の論理否定信号となる電圧を出力するものであり、入力端子が接続点P10に接続され、出力端子がスイッチング素子SW1Aのゲートに接続されている。
抵抗器R1は、比較器Comp1に対してヒステリシスを与えるための抵抗器であり、一端が接続点P1Bに接続され、他端が接続点P10に接続されている。
このような構成により、比較器Comp1と、論理否定回路NOT1と、抵抗器R1とにより、各スイッチング素子SW1A,SW1Bのオン・オフ状態を制御する制御回路部(放電回路部)が構成されている。具体的には、この制御回路部により、各電力供給デバイス1A,1Bの端子間電圧V1A,V1Bに基づいて、これら電力供給デバイス1A,1Bのうち、端子間電圧が最も高い(起電力の高いほうの)ものに対応するスイッチング素子が選択的にオン状態となる。また、それ以外の(端子間電圧が低いほうの)電力供給デバイスに対応するスイッチング素子は、いずれもオフ状態となる。すなわち、このような制御回路部(放電回路部)は、各スイッチング素子SW1A,SW1Bを連動スイッチとして動作させるようになっている。
DC/DCコンバータ33は、接続ラインL1Hと、出力ラインLO上の接続点P3との間に配置されており、電力供給部2の端子間電圧V1(直流電圧)に対して電圧変換を行う(例えば、昇圧動作を行う)ことにより、直流電圧V2を生成するものである。
2次電池34は、出力ラインLO上の接続点P3と接地との間に配置されており、DC/DCコンバータ33により生成された直流電圧V2に基づいて蓄電を行うものである。この2次電池34は、例えばリチウムイオン電池などにより構成されている。
[電力供給システムの作用・効果]
次に、本実施の形態の電力供給システム4の作用および効果について詳細に説明する。
(電力供給システムの基本動作例)
この電力供給システム4では、電力供給デバイス1A,1Bにおける端子間電圧V1A,V1Bに基づいて、電力供給電部2から電流(発電電流)I1が取り出される。この電流I1に基づく端子間電圧(直流電圧)V1は、DC/DCコンバータ33によって電圧変換がなされ、直流電圧V2となる。この直流電圧V2は、2次電池34または負荷(例えば、電子機器本体)へ供給される。そして、2次電池34へ直流電圧V2が供給された場合、この電圧に基づいて2次電池34に蓄電がなされる一方、出力端子T2を介して負荷6へ直流電圧V2が供給された場合、負荷6が駆動され、所定の動作がなされる。
この際、電力供給部2では、複数の電力供給デバイス1A,1B間において接続切換動作がなされることにより、電力供給部2全体として電流I1および端子間電圧V1が取り出される。
(比較例における接続切換動作)
ここで、本実施の形態の接続切換動作について説明する前に、図2を参照して、まず、比較例に係る電力供給部における接続切換動作について説明する。図2は比較例に係る電力供給部の構成を表したものであり、図2(A)は比較例1に係る電力供給部102を、図2(B)は比較例2に係る電力供給部202を、それぞれ表している。
図2(A)に示した比較例1では、2つの電力供給デバイス1A,1B同士が互いに並列接続されていると共に、ダイオードD1A,D1Bが、電力供給デバイス1A,1Bに対して直列接続されている。このため、各電力供給デバイス1A,1B間にバラツキがある場合であっても、出力電圧V101を出力する際に、電流の流れ込みが防止される(図中の電流経路I101A,I101B参照)。
ところが、この比較例1では、ダイオードの電圧降下により、無駄な電力損失が生じてしまう。そこで、順方向電圧の小さなショットキーバリアダイオードを用いるようにすれば、そのような電力損失をある程度低減させることは可能である。しかしながら、電力供給デバイス1A,1Bとして、燃料電池や太陽電池などの起電力の低い発電デバイスを用いた場合、ショットキーバリアダイオードを使用した場合であっても相対的な電力損失が大きくなるため、問題となる。
一方、図2(B)に示した比較例2では、2つの電力供給デバイス1A,1B同士が互いに直列接続されているため、上記のようなダイオードD1A,D1B(逆流防止素子)が不要となり、無駄な電力損失は生じない。
ところが、この比較例2では、各電力供給デバイス1A,1B間のバラツキが大きな問題となる。具体的には、電力供給デバイス1A,1Bの内部抵抗(図示せず)にバラツキがあると、内部抵抗の高いほうの電力供給デバイスにおいて発熱量が多くなり、その電力供給デバイスにおいて特に劣化が速く進行してしまうからである。劣化が進行すると内部抵抗は更に増加し、しまいには内部抵抗による電圧降下が起電力を上回り、端子間電圧が逆転する「転極状態」になってしまう。そして、このような転極状態では、電力供給部202全体としての出力(出力電圧V201)が大幅に低下してしまうことになる
これに対し、本実施の形態の電力供給部2では、図3〜図5に示したようにして、スイッチング素子SW1A,SW1Bが各電力供給デバイス1A,1Bに対して直列接続されている。また、電流を引っ張れば引っ張るほど電圧が減少するという電力供給デバイスの特性に注目し、端子間電圧が高いほうの電力供給デバイスに対応するスイッチング素子が選択的にオン状態となるようにしている。具体的には、上記した制御回路部では、2つの電力供給デバイス1A,1B同士の端子間電圧の差(V1A−V1B)に応じて、各スイッチング素子SW1A,SW1Bのオン・オフ状態の接続切換を行うようになっている。
また、本実施の形態では、図3および図4に示したように、そのような接続切換の際の端子間電圧の差(V1A−V1B)における閾値電圧が、端子間電圧の差(V1A−V1B)の増加傾向時と減少傾向時とで、互いに異なる値Vthp,Vthmとなっている。具体的には、端子間電圧の差(V1A−V1B)の増加傾向時には、閾値電圧Vthp(>Vthm;例えば0.2V)において、接続状態が切り換わる。一方、端子間電圧の差(V1A−V1B)の減少傾向時には、閾値電圧Vthm(<Vthp;例えば−0.2V)において、接続状態が切り換わる。
したがって、まず、図4中に示した動作期間ΔTAでは、例えば図5(A)に示したように、端子間電圧が高いほうの電力供給デバイス1Aに対応するスイッチング素子SW1Aが選択的にオン状態となり、他方のスイッチング素子SW1Bがオフ状態となる。これにより、図中の放電電流I1Aによって、電力供給デバイス1Aに対して外部から電流を引っ張ることができ、負荷6に応じて端子間電圧V1Aが低下する。
そして、端子間電圧V1Aが閾値電圧Vthmを下回ると、例えば図5(B)に示したように、スイッチング素子SW1Aがオフ状態になると共に、それと連動してスイッチング素子SW1Bがオン状態となる(図4中の動作期間ΔTB)。したがって、この動作期間ΔTBでは、今度は、図中の放電電流I1Bによって電力供給デバイス1Bが外部から電流を引っ張れられる状態になる。
そして、その後は電力供給デバイス1Bの端子間電圧V1Bが下がる一方、電力供給デバイス1Aの端子間電圧1Aは回復する。したがって、電力供給デバイス1B側のスイッチング素子SW1Bがオフ状態となり、電力供給デバイス1A側のスイッチング素子SW1Aがオン状態となる(図4中の動作期間ΔTA)。このようにして、動作期間ΔTA,ΔTBが繰り返されることになる。
このようにして、2つの電力供給デバイス1A,1Bのうちの端子間電圧が高いほうの電力供給デバイスに対応するスイッチング素子が選択的にオン状態となると共に、端子間電圧が低いほうの電力供給デバイスに対応するスイッチング素子がオフ状態となる。これにより、各電力供給デバイス1A,1B間の特性のバラツキや劣化度合いのバラツキに起因して、特定の電力供給デバイスに過負荷がかかることが防止される。
また、端子間電圧が高いほうの電力供給デバイスに対応するスイッチング素子が選択的にオン状態となるため、従来のダイオードを用いた場合とは異なり、無駄な電力損失が生じることなく、異なる電力供給デバイス1A,1B間での電流の流れ込みが防止される。すなわち、本実施の形態では、電力供給デバイス1A,1Bが互いに高速に切り替わりながら、平均的には両者から電流を引っ張っているという状況になる。もし、電力供給デバイス1Aが電力供給デバイス1Bよりも劣化していて内部抵抗が高かったとすると、端子間電圧が低下する速度は、電力供給デバイス1Aのほうが速くなる。本実施の形態では、電圧低下が速い電力供給デバイス1Aが負荷に繋がっている時間が短くなり、劣化した電力供給デバイス1Aを保護しながら使用することが可能となる。また、スイッチング素子SW1A,SW1Bのオン抵抗としては、数十mΩ程度のものを選択することもできるため、電力損失も最小限に抑えられる。
さらに、端子間電圧が高いほうの電力供給デバイスの電力(発電電力)が選択出力されるため、2つの電力供給デバイス1A,1B同士を互いに直列接続して出力する場合と比べ、各電力供給デバイス1A,1B間のバラツキがある程度許容されるようになる。
ここで、図6は、4つのニッケル水素電池(Cell1〜Cell4)を用いて、本実施の形態の電力供給部2の回路構成において放電試験を行った結果を表すものである。ここで、Cell2およびCell4は満充電に近い状態のものを、Cell1およびCell3は放電されていたものに対応する。なお、図中の符号G4は、Cell1〜Cell4における電圧値(V)を示している。また、図中の符号G1は、Cell2,Cell4における電流値(A)を、符号G2は、Cell1,Cell3における電流値(A)を、符号G3は、Cell1〜4における電流値(A)を、それぞれ示している。これらの符号G1〜G4に示すように、放電初期では、Cell2およびCell4から優先して電流が引っ張られるが、2時間後には、全セルからほぼ均等に引っ張られるようになった。したがって、本実施の形態の回路を使用することにより、充電状態の異なる電池を同時に用いても、安全かつ高効率に放電できることがわかった。
以上のように本実施の形態では、2つの電力供給デバイス1A,1Bのうちの端子間電圧が高いほうの電力供給デバイスに対応するスイッチング素子が選択的にオン状態となると共に、端子間電圧が低いほうの電力供給デバイスに対応するスイッチング素子がオフ状態となるように、各スイッチング素子SW1A,SW1Bのオン・オフ状態を制御するようにしたので、特定の電力供給デバイスに過負荷がかかることを防止すると共に、無駄な電力損失が生じることなく、異なる電力供給デバイス1A,1B間での電流の流れ込みを防止することができる。また、端子間電圧が高いほうの電力供給デバイスの電力が選択出力されるため、各電力供給デバイス1A,1B間のバラツキがある程度許容されるようになる。よって、複数の電力供給デバイスを用いて電力供給を行う場合において、高い安定性を実現しつつ、電力損失および各電力供給デバイスの劣化を抑えることが可能となる。
また、接続切換の際の端子間電圧の差(V1A−V1B)における閾値電圧が、端子間電圧の差(V1A−V1B)の増加傾向時と減少傾向時とで、互いに異なる値Vthp,Vthmとなっているようにしたので、(ヒステリシスを示すようにしたので)、閾値電圧付近で端子間電圧の差の値が上下する(バタつく)場合にも、接続状態が頻繁に切り換わってしまうことが回避され、比較回路Comp1等での消費電力が抑えられる。
なお、本実施の形態では、例えば図7に示した電力供給部2Aのように、各電力供給デバイス1A,1Bに対して、コンデンサC1A,C1B(容量素子)を並列接続するようにするのが好ましい。このように構成した場合、対応するスイッチング素子がオフ状態のときにおいても、端子間電圧をコンデンサC1A,C1Bに蓄電しておくことができるため、各電力供給デバイス1A,1Bが安定して放電し続けることが可能となる。
<2.第2の実施の形態>
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。なお、第1の実施の形態における構成要素と同一のものには同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
[電力供給部の構成例]
図8は、本実施の形態の電力供給部(電力供給部2B)の回路構成を表すものである。この電力供給部2Bは、第1の実施の形態の電力供給部2において、スイッチング素子と前述した制御回路部とを含んで構成される選択回路部が、複数設けられているようにしたものである。そして、これら複数の選択回路部によってそれぞれ選択出力された端子間電圧のうち、更に最も高い端子間電圧が選択出力されるように、選択回路部が多段構成となっているようにしたものである。
すなわち、電力供給部2Bは、4つの電力供給デバイス1A〜1Dと、6つ(3対)のスイッチング素子SW1A,SW1B,SW2A,SW2B,SW3A,SW3Bを有している。電力供給部2Bはまた、3つの比較器Comp1〜Comp3と、3つの論理否定回路NOT1〜NOT3と、3つの抵抗器R1〜R3とを有している。なお、電力供給デバイス1A,1B係る1段目の構成については、スイッチング素子SW1A,SW1Bのソースが接続ラインL1Hの代わりに接続点P2Aに接続されていることを除き、第1の実施の形態の電力供給部2の構成と同様であるので、説明を省略する。
電力供給デバイス1C,1D係る1段目の構成についても、基本的には電力供給デバイス1A,1B係る1段目の構成と同様となっている。すなわち、端子間電圧V1Cを供給する電力供給デバイス1Cは、一端が接続点P1Cに接続され、他端は接地されている。端子間電圧V1Dを供給する電力供給デバイス1Dは、一端が接続点P1Dに接続され、他端は接地されている。スイッチング素子SW2A,SW2Bはそれぞれ、例えばMOS−FETやバイポーラトランジスタ、IGBT、リレーなどにより構成される。ここでは、スイッチング素子SW2A,SW2Bはそれぞれ、PチャネルのMOS−FETにより構成されている。スイッチング素子SW2Aのゲートは論理否定回路NOT2の出力端子に接続され、ドレインは接続点P2Bに接続され、ソースは接続点P1Cに接続されている。スイッチング素子SW2Bのゲートは接続点P20に接続され、ドレインは接続点P2Bに接続され、ソースは接続点P1Dに接続されている。比較器Comp2の反転入力端子は接続点P1Cに接続され、非反転入力端子は接続点P1Dに接続され、出力端子は接続点P20に接続されている。論理否定回路NOT2は、入力端子が接続点P20に接続され、出力端子がスイッチング素子SW2Aのゲートに接続されている。抵抗器R2は、一端が接続点P1Dに接続され、他端が接続点P20に接続されている。
また、2段目の構成についても、基本的には1段目の構成と同様となっている。すなわち、スイッチング素子SW3A,SW3Bはそれぞれ、例えばMOS−FETやバイポーラトランジスタ、IGBT、リレーなどにより構成される。ここでは、スイッチング素子SW3A,SW3Bはそれぞれ、PチャネルのMOS−FETにより構成されている。スイッチング素子SW3Aのゲートは論理否定回路NOT3の出力端子に接続され、ドレインは接続ラインL1Hに接続され、ソースは接続点P2Aに接続されている。スイッチング素子SW3Bのゲートは接続点P20に接続され、ドレインは接続ラインL1Hに接続され、ソースは接続点P2Bに接続されている。比較器Comp3の反転入力端子は接続点P2Aに接続され、非反転入力端子は接続点P2Bに接続され、出力端子は接続点P30に接続されている。論理否定回路NOT3は、入力端子が接続点P30に接続され、出力端子がスイッチング素子SW3Aのゲートに接続されている。抵抗器R3は、一端が接続点P2Bに接続され、他端が接続点P30に接続されている。
[電力供給部の作用・効果]
このような構成により本実施の形態の電力供給部2Bでは、スイッチング素子と前述した制御回路部とを含んで構成される各選択回路部では、第1の実施の形態と同様の作用により同様の効果を生ずる。
したがって、この電力供給部2Bでは、例えば図9に示したように、端子間電圧V1A〜V1Dのうちで端子間電圧V1Bが最も高い場合、図中の放電電流I1Bが流れることになる。すなわち、トーナメント図のように、最も端子間電圧の高い「唯一の」電力供給デバイス(ここでは、電力供給デバイス1B)が、外部と接続されることになる。
以上のように本実施の形態では、複数の選択回路部によってそれぞれ選択出力された端子間電圧のうち、更に最も高い端子間電圧が選択出力されるように、選択回路部が多段構成となっているようにしたので、3つ以上の電力供給デバイスを有する場合においても、最も端子間電圧の高い電力供給デバイスを、外部と接続することができる。
なお、本実施の形態においても、例えば図10に示した電力供給部2Cのように、各電力供給デバイス1A〜1Dに対して、コンデンサC1A〜C1Dを並列接続するようにするのが好ましい。
また、本実施の形態では2段構成の場合で説明したが、3段以上の構成としてもよい。
<3.第3の実施の形態>
次に、本発明の第3の実施の形態について説明する。なお、第1または第2の実施の形態における構成要素と同一のものには同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
[電力供給部の構成例]
図11は、本実施の形態の電力供給部(電力供給部2D)の回路構成を表すものである。この電力供給部2Dでは、電力供給デバイスが、リチウムイオン電池などの2次電池(2次電池7A,7B)となっている。また、前述した制御回路部は、第1および第2の実施の形態で説明した放電回路部に加え、充電回路部を有している。放電回路部は、各2次電池7A,7Bの端子間電圧V7A,V7Bに基づいて、2つの2次電池7A,7Bのうち、端子間電圧が高いほうの2次電池に対応するスイッチング素子のみをオン状態として、その2次電池の端子間電圧を選択的に出力して放電させる回路である。一方、充電回路部は、端子間電圧V7A,V7Bに基づいて、2つの2次電池7A,7Bのうち、端子間電圧が低いほうの2次電池に対応するスイッチング素子のみをオン状態として、その2次電池に対して外部から充電電圧を選択的に入力して充電させる回路である。
具体的には、電力供給部2Dは、2つの2次電池7A,7Bと、充電専用端子Tinと、放電専用端子Toutと、充放電兼用端子Tinoutとを有している。
2次電池7A,7Bはそれぞれ、端子間電圧V7A,V7Bを供給するものである。2次電池7Aは、一端が接続点P1Aに接続され、他端は接地されている。2次電池7Bは、一端が接続点P1Bに接続され、他端は接地されている。このような2次電池7A,7Bとしては、例えば、リチウムイオン電池やニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、鉛蓄電池などが挙げられる。なお、これらの2次電池7A,7Bにはそれぞれ、第1および第2の実施の形態で説明したコンデンサ1A,1B等と同様に、コンデンサC7A,C7Bが並列接続されている。これにより、対応するスイッチング素子がオフ状態のときにおいても端子間電圧をコンデンサC7A,C7Bに蓄電しておくことができるため、安定した充放電を行うことが可能となる。また、充電時のインピーダンスを低減することも可能となる。ただし、このようなコンデンサC7A,C7Bが設けられていなくてもよい。
電力供給部2Dはまた、放電時の接続切換動作を行うための回路を構成する、2つ(1対)のスイッチング素子SW1A,SW1Bと、比較器Comp1論理否定回路NOT1および抵抗器R1(放電回路部)とを有している。なお、これらの回路構成については、スイッチング素子SW1A,SW1Bのドレインが接続ラインL1Hの代わりに放電専用端子Toutに接続されていることを除き、第1の実施の形態の電力供給部2の回路構成と同様であるため、説明を省略する。
電力供給部2Dはまた、充電時の接続切換動作を行うための回路を構成する、2つ(1対)のスイッチング素子SW4A,SW4Bを有している。なお、上記した比較器Comp1、論理否定回路NOT1および抵抗器R1(放電回路部)もまた、放電時に加えて、充電時の接続切換動作を行う回路を構成している(充電回路部)
スイッチング素子SW4A,SW4Bはそれぞれ、例えばMOS−FETやバイポーラトランジスタ、IGBT、リレーなどにより構成される。ここでは、スイッチング素子SW4A,SW4Bはそれぞれ、PチャネルのMOS−FETにより構成されている。スイッチング素子SW4Aのゲートは接続点P10に接続され、ソースは充電専用端子Tinに接続され、ドレインは接続点P1Aに接続されている。スイッチング素子SW4Bのゲートは論理否定回路NOT1の出力端子に接続され、ソースは充電専用端子Tinに接続され、ドレインは接続点P1Bに接続されている。
電力供給部2Dはさらに、充放電兼用端子Tinoutにおける充電時と放電時との端子切り換えを行うための回路を構成する、2つ(1対)のスイッチング素子SW5A,SW5Bと、比較器Comp5と、論理否定回路NOT5と、抵抗器R5,R6とを有している。
スイッチング素子SW5A,SW5Bはそれぞれ、例えばMOS−FETやバイポーラトランジスタ、IGBT、リレーなどにより構成される。ここでは、スイッチング素子SW5A,SW5Bはそれぞれ、PチャネルのMOS−FETにより構成されている。スイッチング素子SW5Aのゲートは接続点P40に接続され、ソースは接続点P50に接続され、ドレインは接続点P4Aに接続されている。スイッチング素子SW5Bのゲートは論理否定回路NOT5の出力端子に接続され、ドレインは接続点P50に接続され、ソースは接続点P4Bに接続されている。比較器Comp5の反転入力端子は接続点P50および抵抗器R6の一端に接続され、非反転入力端子は抵抗器R6の他端および充放電兼用端子Tinoutに接続され、出力端子は接続点P40に接続されている。論理否定回路NOT5は、入力端子が接続点P40に接続され、出力端子がスイッチング素子SW5Bのゲートに接続されている。抵抗器R5は、一端が充放電兼用端子Tinoutに接続され、他端が接続点P40に接続されている。
[電力供給部の作用・効果]
このような構成により本実施の形態の電力供給部2Dでは、放電時には端子間電圧の高い2次電池7Aのみが繋がり、充電時には端子間電圧の低い2次電池7Bのみが繋がるように動作する。
(放電時の接続切換動作)
具体的には、放電時には、V7A>V7Bの期間には、例えば図12に示したようにして放電電流I7A1が流れる。一方、V7A<V7Bの期間には、例えば図13に示したようにして、放電電流I7B1が流れる。
(充電時の接続切換動作)
また、充電時には、V7A>V7Bの期間には、例えば図14に示したようにして、充電電流I7B2が流れる。一方、V7A<V7Bの期間には、例えば図15に示したようにして、充電電流I7A2が流れる。
以上のように本実施の形態では、電力供給デバイスが2次電池7A,7Bとなっていると共に、制御回路部が、放電回路部に加えて充電回路部を有しているようにしたので、放電時には端子間電圧の高い2次電池7Aのみが繋がり、充電時には端子間電圧の低い2次電池7Bのみが繋がるようにすることができる。
なお、本実施の形態では、充電専用端子Tinと、放電専用端子Toutと、充放電兼用端子Tinoutとを有している場合について説明したが、兼用端子のみ、あるいは充電専用端子Tinおよび放電専用端子Toutのみが設けられているようにしてもよい。
また、第2の実施の形態と同様に、2段構成や3段以上の構成としてもよい。
<4.変形例および適用例>
以上、第1〜第3の実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。
例えば、上記実施の形態では、図3に示したように、接続切換の際の端子間電圧の差(V1A−V1B)における閾値電圧が、端子間電圧の差の増加傾向時と減少傾向時とで、互いに異なる値Vthp,Vthmとなっている場合について説明したが、この場合には限られない。すなわち、場合によってはそのようなヒステリシスを示さずに、例えば図16に示したように、閾値電圧Vthが、端子間電圧の差の増加傾向時と減少傾向時とで一致しているようにしてもよい。
また、本発明の電力供給システムは、例えば、図17に示したような燃料電池システム(燃料供給システム5)に適用することが可能である。この燃料供給システム5は、燃料電池1と、電流検出部31と、電圧検出部32と、昇圧回路33と、2次電池34と、制御部35とから構成されている。燃料電池1は、電力供給部としての発電部2(または発電部2A〜2C)と、燃料タンク40と、燃料ポンプ42とを有している。なお、このような燃料電池システム5において、発電デバイスとしての燃料電池1に、燃料供給量が脈動する燃料電池を用いるようにしてもよい。これは、燃料供給量が脈動すると、燃料電池における起電力が大幅に増減してしまうためである。このような脈動のある燃料電池に対して本発明を適用した場合、燃料が潤沢にあって電流を取り出しやすいところから積極的に電流を取り出すことが可能となる。
さらに、本発明の電力供給システムは、例えば、発電デバイスとしての太陽電池を含む太陽電池システムにも適用することが可能である。これは、太陽電池の場合、特定のセルが日陰に入ってしまうと、そのセルからはエネルギーを取り出すことができなくなってしまうからである。このような太陽電池システムに対して本発明を適用した場合、日なたにあって発電できるところから選択的に電力を取り出すことが可能となる。
本発明の電力供給システム(例えば、上記した燃料電池システム5)は、例えば、携帯電話、電子写真機、電子手帳またはPDA(Personal Digital Assistants)等の携帯型の電子機器に好適に用いることが可能である。
1…燃料電池スタック、1A〜1D…電力供給デバイス、10…発電部、2,2A〜2D…電力供給部、31…電流検出部、32…電圧検出部、33…DC/DCコンバータ、34…2次電池、35…制御部、40…燃料タンク、42…燃料ポンプ)、5…燃料電池システム、6…負荷、7A,7B…2次電池、V1…端子間電圧(起電力)、V1A〜V1D,V7A,V7B…端子間電圧(起電力)、V2…直流電圧、I1…電流(発電電流)、I1A,I1B,I1C,I7A1,I7A2,I7B1,I7B2…電流、P1〜P4,P1A〜P1D,P2A,P2B,P4A,P4B,P10,P20,P30,P40,P50…接続点、T2,T3…出力端子、Tin…充電専用端子、Tout…放電専用端子、Tinout…充放電兼用端子、L1L,L1H…接続ライン、LO…出力ライン、LG…接地ライン、SW1A,SW1B,SW2A,SW2B,SW3A,SW3B,SW4A,SW4B,SW5A,SW5B…スイッチング素子(FET)、Comp1〜Comp3,Comp5…比較器(コンパレータ)、NOT1〜NOT3,NOT5…論理否定回路(インバータ)、R1〜R3,R5…抵抗器、C1A〜C1D,C7A,C7B…コンデンサ、Vth,Vthp,Vthm…閾値電圧、ΔTA,ΔTB…動作期間。

Claims (8)

  1. 2次電池からなる複数の電力供給デバイスと、
    前記複数の電力供給デバイスに対してそれぞれ直列接続されたスイッチング素子と、
    各電力供給デバイスの端子間電圧に基づいて、各スイッチング素子のオン・オフ状態を制御する制御回路部と
    を備え、
    前記制御回路部は、
    各電力供給デバイスの端子間電圧に基づいて、前記複数の電力供給デバイスのうち、前記端子間電圧が最も高い電力供給デバイスである最高電圧電力供給デバイスに対応するスイッチング素子を選択的にオン状態とすると共に、それ以外の電力供給デバイスに対応するスイッチング素子をいずれもオフ状態とすることにより、前記最高電圧電力供給デバイスにおける前記端子間電圧を選択的に出力して放電を行う放電回路部と、
    各電力供給デバイスの端子間電圧に基づいて、前記複数の電力供給デバイスのうち、前記端子間電圧が最も低い電力供給デバイスである最低電圧電力供給デバイスに対応するスイッチング素子を選択的にオン状態とすると共に、それ以外の電力供給デバイスに対応するスイッチング素子をいずれもオフ状態とすることにより、前記最低電圧電力供給デバイスに対して外部からの充電電圧を選択的に入力して充電を行う充電回路部と
    を有すると共に、
    前記放電回路部と前記充電回路部とが、互いに共通化されて単一の回路からなり、
    前記放電を行うための放電専用端子と、
    前記充電を行うための充電専用端子と、
    前記放電および前記充電のうちの一方を行うための充放電兼用端子と、
    前記放電の際と前記充電の際とで、前記充放電兼用端子における端子機能の切り換えを行うための切換回路と
    を更に備えた
    電力供給システム。
  2. 前記スイッチング素子と前記制御回路部とを含んで構成される選択回路部が複数設けられ、
    複数の前記選択回路部によってそれぞれ選択出力された前記端子間電圧のうち、更に最も高い端子間電圧が選択出力されるように、前記選択回路部がトーナメント型の多段構成となっている
    請求項に記載の電力供給システム。
  3. 前記2次電池が、リチウムイオン電池である
    請求項1または請求項2に記載の電力供給システム。
  4. 前記放電回路部は、2つの前記電力供給デバイスのうち、前記端子間電圧が高いほうの電力供給デバイスに対応するスイッチング素子が選択的にオン状態となると共に、前記端子間電圧が低いほうの電力供給デバイスに対応するスイッチング素子がオフ状態となるように、各スイッチング素子のオン・オフ状態を制御する
    請求項1ないし請求項のいずれか1項に記載の電力供給システム。
  5. 前記制御回路部は、2つの前記電力供給デバイス同士の端子間電圧差に応じて、各スイッチング素子のオン・オフ状態の接続切換を行うようになっており、
    前記接続切換の際の前記端子間電圧差における閾値電圧が、前記端子間電圧差の増加傾向時と減少傾向時とで、互いに異なる値となっている
    請求項に記載の電力供給システム。
  6. 前記複数の電力供給デバイスに対してそれぞれ、容量素子が並列接続されている
    請求項1ないし請求項のいずれか1項に記載の電力供給システム。
  7. 前記スイッチング素子が、電界効果型トランジスタ(FET)またはリレーにより構成されている
    請求項1ないし請求項のいずれか1項に記載の電力供給システム。
  8. 電力供給システムを備え、
    前記電力供給システムは、
    2次電池からなる複数の電力供給デバイスと、
    前記複数の電力供給デバイスに対してそれぞれ直列接続されたスイッチング素子と、
    各電力供給デバイスの端子間電圧に基づいて、各スイッチング素子のオン・オフ状態を制御する制御回路部と
    を備え、
    前記制御回路部は、
    各電力供給デバイスの端子間電圧に基づいて、前記複数の電力供給デバイスのうち、前記端子間電圧が最も高い電力供給デバイスである最高電圧電力供給デバイスに対応するスイッチング素子を選択的にオン状態とすると共に、それ以外の電力供給デバイスに対応するスイッチング素子をいずれもオフ状態とすることにより、前記最高電圧電力供給デバイスにおける前記端子間電圧を選択的に出力して放電を行う放電回路部と、
    各電力供給デバイスの端子間電圧に基づいて、前記複数の電力供給デバイスのうち、前記端子間電圧が最も低い電力供給デバイスである最低電圧電力供給デバイスに対応するスイッチング素子を選択的にオン状態とすると共に、それ以外の電力供給デバイスに対応するスイッチング素子をいずれもオフ状態とすることにより、前記最低電圧電力供給デバイスに対して外部からの充電電圧を選択的に入力して充電を行う充電回路部と
    を有すると共に、
    前記放電回路部と前記充電回路部とが、互いに共通化されて単一の回路からなり、
    前記放電を行うための放電専用端子と、
    前記充電を行うための充電専用端子と、
    前記放電および前記充電のうちの一方を行うための充放電兼用端子と、
    前記放電の際と前記充電の際とで、前記充放電兼用端子における端子機能の切り換えを行うための切換回路と
    を更に備えた
    電子機器。
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