WO2010084835A1 - 電力供給システムおよび電子機器 - Google Patents

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WO2010084835A1
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inter
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重輔 志村
芳明 井上
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ソニー株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a power supply system having a plurality of power supply devices, and an electronic apparatus equipped with such a power supply system.
  • Power supply devices such as primary batteries such as dry batteries, secondary batteries such as lithium ion batteries, and power generation devices such as fuel cells or solar cells are connected in series to meet the power demand of electronic devices. Or it is connected in parallel and used as an assembled battery.
  • an assembled battery is configured by connecting in parallel power supply devices that do not allow charging (reverse current flow) such as dry cells, fuel cells, solar cells, etc.
  • the variation in cells becomes an even greater problem.
  • a dry battery if a new dry battery and an old dry battery are connected in parallel, a current flows from the new battery having a high electromotive force to the old battery.
  • a fuel cell or a solar cell current is forced to flow from a cell with a large electromotive force to a small cell, so that deterioration of the electrode material may be accelerated (see, for example, Patent Document 3).
  • the situation is even more serious when an assembled battery is configured by connecting in parallel active fuel cells that supply fuel by a pump or the like. This is because in an active fuel cell, the fuel supply amount is likely to pulsate, that is, the time variation of the electromotive force is very large. Therefore, in order to stably generate power for a plurality of fuel cells, it is desirable that the fuel ejection can be controlled independently. However, the electromotive force varies due to this independent control.
  • a method using a rectifier can be considered. Specifically, a diode is connected in series to each battery connected in parallel to each other, thereby preventing current from flowing in from other batteries while exhibiting high stability.
  • the present invention has been made in view of such a problem, and the object thereof is to achieve high stability, power loss and deterioration of each power supply device when power is supplied using a plurality of power supply devices. It is an object of the present invention to provide a power supply system capable of suppressing the power consumption and an electronic device including such a power supply system.
  • a power supply system includes a plurality of power supply devices, a switching element connected in series to each power supply device, and a voltage between terminals of each power supply device.
  • the switching element corresponding to the power supply device having the highest voltage between terminals among the power supply devices is selectively turned on, and the switching elements corresponding to other power supply devices are all turned off.
  • a control circuit unit for controlling the on / off state of each switching element.
  • the “power supply device” means, for example, a primary battery, a secondary battery, or a power generation device (such as a fuel cell or a solar cell), and a combination of different types of power supply devices. It may be.
  • An electronic apparatus includes the power supply system.
  • the switching element corresponding to the power supply device having the highest voltage between terminals among the plurality of power supply devices is selectively turned on, and the others The on / off state of each switching element is controlled such that all the switching elements corresponding to the power supply devices are turned off.
  • the switching element corresponding to the power supply device having the highest voltage between terminals is selectively turned on, different power supply devices can be used without causing unnecessary power loss unlike the case of using a conventional diode. Current flow between them is prevented.
  • the power of the power supply device having the highest voltage between terminals is selectively output, variation between the power supply devices is allowed to some extent as compared with the case where a plurality of power supply devices are connected in series with each other. It becomes like this.
  • the switching element corresponding to the power supply device having the highest terminal voltage among the plurality of power supply devices is selectively turned on,
  • the ON / OFF state of each switching element is controlled so that all switching elements corresponding to other power supply devices are in the OFF state, preventing overloading of specific power supply devices.
  • the power of the power supply device having the highest voltage between terminals is selectively output, variations between the power supply devices are allowed to some extent. Therefore, in the case of supplying power using a plurality of power supply devices, it is possible to suppress power loss and deterioration of each power supply device while realizing high stability.
  • FIG. 1 It is a figure showing the whole electric power supply system composition concerning a 1st embodiment of the present invention. It is a circuit diagram showing the structure and effect
  • FIG. 1 shows an overall configuration of a power supply system (power supply system 4) according to an embodiment of the present invention.
  • the power supply system 4 supplies power for driving the load 6 via an output terminal T2, and includes a power supply unit 2, a DC / DC converter 33, and a secondary battery 34. ing.
  • the power supply unit 2 generates a terminal voltage (electromotive force) V1 for power supply.
  • the power supply unit 2 includes two power supply devices 1A and 1B, two (one pair) switching elements SW1A and SW1B, a comparator (comparator) Comp1, a logic negation circuit (inverter) NOT1, and a resistor. R1.
  • the power supply device 1A generates the inter-terminal voltage V1A
  • the power supply device 1B generates the inter-terminal voltage V1B.
  • the power supply device 1A has one end connected to the connection point P1A and the other end grounded.
  • the power supply device 1B has one end connected to the connection point P1B and the other end grounded.
  • a primary battery include dry batteries such as manganese batteries and alkaline batteries, mercury batteries, silver oxide batteries, and lithium batteries.
  • Examples of the secondary battery include a lithium ion battery, a nickel cadmium battery, a nickel hydride battery, and a lead storage battery.
  • the power generation device include a fuel cell, a solar cell, and a direct current dynamo.
  • Switching elements SW1A and SW1B are connected in series to one end side (connection point P1A and P1B side) of each power supply device 1A and 1B, respectively.
  • These switching elements SW1A and SW1B are configured by, for example, a field effect transistor (FET), a bipolar transistor, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), a relay, or the like.
  • FET field effect transistor
  • IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
  • the switching elements SW1A and SW1B are each configured by a P-channel MOS-FET.
  • the gate of the switching element SW1A is connected to the output terminal of the logic NOT circuit NOT1, the drain is connected to the connection line L1H, and the source is connected to the connection point P1A.
  • the switching element SW1B has a gate connected to the connection point P10, a drain connected to the connection line L1H, and a source connected to the connection point P1B.
  • the comparator Comp1 outputs an output voltage of “High (Vcc)” or “Low (GND)” according to the potential difference (potential difference between the terminal voltages V1A and V1B) at the connection points P1A and P1B.
  • the inverting input terminal of the comparator Comp1 is connected to the connection point P1A, the non-inverting input terminal is connected to the connection point P1B, and the output terminal is connected to the connection point P10.
  • the logic negation circuit NOT1 outputs a voltage that is a logic negation signal of the output voltage from the comparator Comp1, and has an input terminal connected to the connection point P10 and an output terminal connected to the gate of the switching element SW1A. .
  • the resistor R1 is a resistor for providing hysteresis to the comparator Comp1, and one end is connected to the connection point P1B and the other end is connected to the connection point P10.
  • the switching circuit SW1A, SW1B, the comparator Comp1, the logic negation circuit NOT1, and the resistor R1 are used to control the on / off states of the switching elements SW1A, SW1B (discharge circuit). Part).
  • the control circuit unit has the highest inter-terminal voltage (high electromotive force) among the power supply devices 1A and 1B based on the inter-terminal voltages V1A and V1B of the power supply devices 1A and 1B.
  • the switching element corresponding to the first one is selectively turned on.
  • all the switching elements corresponding to the other power supply devices (where the voltage between terminals is lower) are turned off. That is, such a control circuit part (discharge circuit part) operates as an interlocking switch.
  • the DC / DC converter 33 is disposed between the connection line L1H and the connection point P3 on the output line LO, and performs voltage conversion on the inter-terminal voltage V1 (DC voltage) of the power supply unit 2 ( For example, a DC voltage V2 is generated by performing a boosting operation.
  • the secondary battery 34 is disposed between the connection point P3 on the output line LO and the ground, and stores electricity based on the DC voltage V2 generated by the DC / DC converter 33.
  • the secondary battery 34 is composed of, for example, a lithium ion battery.
  • a current (generated current) I1 is extracted from the power supply unit 2 based on the inter-terminal voltages V1A and V1B in the power supply devices 1A and 1B.
  • the inter-terminal voltage (DC voltage) V1 based on the current I1 is converted into a DC voltage V2 by the DC / DC converter 33.
  • the DC voltage V2 is supplied to the secondary battery 34 or a load (for example, an electronic device main body).
  • the DC voltage V2 is supplied to the secondary battery 34, the secondary battery 34 is charged based on this voltage, while when the DC voltage V2 is supplied to the load 6 via the output terminal T2, The load 6 is driven and a predetermined operation is performed.
  • the connection switching operation is performed between the plurality of power supply devices 1A and 1B, whereby the current I1 and the inter-terminal voltage V1 are extracted as the power supply unit 2 as a whole.
  • FIG. 2 shows the configuration of the power supply unit according to the comparative example.
  • FIG. 2 (A) shows the power supply unit 102 according to the comparative example 1
  • FIG. 2 (B) shows the power supply unit according to the comparative example 2.
  • 202 are shown respectively.
  • Comparative Example 1 shown in FIG. 2A the two power supply devices 1A and 1B are connected in parallel to each other, and the diodes D1A and D1B are connected in series to the power supply devices 1A and 1B. Yes. For this reason, even when there is variation between the power supply devices 1A and 1B, current is prevented from flowing when the output voltage V101 is output (see current paths I101A and I101B in the figure).
  • Comparative Example 1 useless power loss occurs due to the voltage drop of the diode. Therefore, if a Schottky barrier diode having a small forward voltage is used, such power loss can be reduced to some extent. However, when a power generation device with low electromotive force such as a fuel cell or a solar cell is used as the power supply devices 1A and 1B, the relative power loss increases even when a Schottky barrier diode is used. It becomes a problem.
  • the variation between the power supply devices 1A and 1B becomes a big problem. Specifically, if the internal resistances (not shown) of the power supply devices 1A and 1B vary, the amount of heat generated in the power supply device with the higher internal resistance increases, and the power supply device deteriorates particularly quickly. Because it will progress. As the deterioration progresses, the internal resistance further increases, and eventually a voltage drop due to the internal resistance exceeds the electromotive force, resulting in a “polarization state” in which the voltage between the terminals is reversed. And in such a reversal state, the output (output voltage V201) as the whole power supply part 202 will fall significantly.
  • the switching elements SW1A and SW1B are connected in series to the power supply devices 1A and 1B. Further, focusing on the characteristics of the power supply device that the voltage decreases as the current is pulled, the switching element corresponding to the power supply device having the higher terminal voltage is selectively turned on. Specifically, in the control circuit unit described above, the connection switching between the ON / OFF states of the switching elements SW1A and SW1B is performed according to the voltage difference (V1A ⁇ V1B) between the two power supply devices 1A and 1B. Is supposed to do.
  • the threshold voltage in the terminal voltage difference (V1A ⁇ V1B) at the time of such connection switching is equal to the terminal voltage difference (V1A ⁇ ).
  • V1B) has different values Vthp and Vthm between the increasing tendency and the decreasing tendency. Specifically, when the voltage difference between terminals (V1A ⁇ V1B) tends to increase, the connection state is switched at the threshold voltage Vthp (> Vthm; for example, 0.2V). On the other hand, when the terminal voltage difference (V1A ⁇ V1B) tends to decrease, the connection state is switched at the threshold voltage Vthm ( ⁇ Vthp; for example, ⁇ 0.2 V).
  • the switching element SW1A corresponding to the power supply device 1A having the higher terminal voltage is selectively turned on. And the other switching element SW1B is turned off.
  • a current can be pulled from the outside to the power supply device 1A by the discharge current I1A in the figure, and the inter-terminal voltage V1A is lowered according to the load 6.
  • the switching element SW1A When the inter-terminal voltage V1A falls below the threshold voltage Vthm, for example, as shown in FIG. 5B, the switching element SW1A is turned off and the switching element SW1B is turned on in conjunction with the switching element SW1B (FIG. 5B). 4 during the operation period ⁇ TB). Therefore, in this operation period ⁇ TB, the power supply device 1B is now pulled from the outside by the discharge current I1B in the figure.
  • the switching element SW1B on the power supply device 1B side is turned off, and the switching element SW1A on the power supply device 1A side is turned on (operation period ⁇ TA in FIG. 4). In this way, the operation periods ⁇ TA and ⁇ TB are repeated.
  • the switching element corresponding to the power supply device having the higher terminal voltage of the two power supply devices 1A and 1B is selectively turned on, and the power supply having the lower terminal voltage is supplied.
  • the switching element corresponding to the device is turned off.
  • the switching element corresponding to the power supply device with the higher voltage between terminals is selectively turned on, unlike the case of using a conventional diode, a different power supply without causing unnecessary power loss. Current flow between the devices 1A and 1B is prevented. That is, in the present embodiment, the power supply devices 1A and 1B are switched to each other at high speed, and on average, the current is pulled from both. If the power supply device 1A is deteriorated more than the power supply device 1B and the internal resistance is higher, the power supply device 1A has a higher rate of decrease in the voltage between the terminals.
  • the time during which the power supply device 1A with a fast voltage drop is connected to the load is shortened, and the degraded power supply device 1A can be used while being protected. Further, since the on-resistance of the switching elements SW1A and SW1B can be selected from about several tens of m ⁇ , power loss can be minimized.
  • each power supply device is compared with the case where the two power supply devices 1A and 1B are connected in series with each other and output. Variations between 1A and 1B are allowed to some extent.
  • FIG. 6 shows the result of conducting a discharge test in the circuit configuration of the power supply unit 2 of the present embodiment using four nickel metal hydride batteries (Cell1 to Cell4).
  • Cell2 and Cell4 correspond to those in a state near full charge
  • Cell1 and Cell3 correspond to those that have been discharged.
  • symbol G4 in a figure has shown the voltage value (V) in Cell1-Cell4.
  • G1 represents the current value (A) in Cell2 and Cell4
  • G2 represents the current value (A) in Cell1 and Cell3
  • G3 represents the current value (A) in Cell1 to Cell4. Each is shown.
  • the switching element corresponding to the power supply device having the higher inter-terminal voltage of the two power supply devices 1A and 1B is selectively turned on, and the inter-terminal voltage is Since the ON / OFF state of each switching element SW1A, SW1B is controlled so that the switching element corresponding to the lower power supply device is in the OFF state, the specific power supply device is overloaded. It is possible to prevent current from flowing between the different power supply devices 1A and 1B without causing unnecessary power loss. In addition, since the power of the power supply device having the higher voltage between the terminals is selectively output, variations between the power supply devices 1A and 1B are allowed to some extent. Therefore, in the case of supplying power using a plurality of power supply devices, it is possible to suppress power loss and deterioration of each power supply device while realizing high stability.
  • the threshold voltage in the voltage difference between the terminals (V1A ⁇ V1B) at the time of connection switching is different from each other in the values Vthp and Vthm when the voltage difference between the terminals (V1A ⁇ V1B) is increasing and decreasing.
  • the connection state is frequently switched even when the value of the voltage difference between terminals fluctuates (flutters) in the vicinity of the threshold voltage. Is avoided, and power consumption in the comparison circuit Comp1 or the like is suppressed.
  • capacitors C1A and C1B are connected in parallel to the power supply devices 1A and 1B, for example, as in the power supply unit 2A shown in FIG. preferable.
  • the voltage between the terminals can be stored in the capacitors C1A and C1B, so that each of the power supply devices 1A and 1B is stably discharged. It is possible to continue.
  • FIG. 8 illustrates a circuit configuration of the power supply unit (power supply unit 2B) of the present embodiment.
  • the power supply unit 2B is configured such that a plurality of selection circuit units including the switching element and the control circuit unit described above are provided in the power supply unit 2 of the first embodiment. is there.
  • the selection circuit unit has a multi-stage configuration so that the highest inter-terminal voltage is selectively output among the inter-terminal voltages respectively selected and output by the plurality of selection circuit units. .
  • the power supply unit 2B includes four power supply devices 1A to 1D and six (three pairs) switching elements SW1A, SW1B, SW2A, SW2B, SW3A, and SW3B.
  • the power supply unit 2B also includes three comparators Comp1 to Comp3, three logic negation circuits NOT1 to NOT3, and three resistors R1 to R3.
  • the first-stage configuration of the power supply devices 1A and 1B is the same as that of the first embodiment except that the sources of the switching elements SW1A and SW1B are connected to the connection point P2A instead of the connection line L1H. Since it is the same as that of the structure of the electric power supply part 2, description is abbreviate
  • the configuration of the first stage related to the power supply devices 1C and 1D is basically the same as the configuration of the first stage related to the power supply devices 1A and 1B. That is, the power supply device 1C that supplies the inter-terminal voltage V1C has one end connected to the connection point P1C and the other end grounded. The power supply device 1D that supplies the inter-terminal voltage V1D has one end connected to the connection point P1D and the other end grounded.
  • Each of the switching elements SW2A and SW2B is configured by, for example, a MOS-FET, a bipolar transistor, an IGBT, a relay, or the like.
  • the switching elements SW2A and SW2B are each configured by a P-channel MOS-FET.
  • the gate of the switching element SW2A is connected to the output terminal of the logic NOT circuit NOT2, the drain is connected to the connection point P2B, and the source is connected to the connection point P1C.
  • the switching element SW2B has a gate connected to the connection point P20, a drain connected to the connection point P2B, and a source connected to the connection point P1D.
  • the inverting input terminal of the comparator Comp2 is connected to the connection point P1C, the non-inverting input terminal is connected to the connection point P1D, and the output terminal is connected to the connection point P20.
  • the logic NOT circuit NOT2 has an input terminal connected to the connection point P20, and an output terminal connected to the gate of the switching element SW2A.
  • the resistor R2 has one end connected to the connection point P1D and the other end connected to the connection point P20.
  • the configuration of the second stage is basically the same as the configuration of the first stage. That is, the switching elements SW3A and SW3B are each configured by, for example, a MOS-FET, a bipolar transistor, an IGBT, a relay, or the like. Here, each of the switching elements SW3A and SW3B is configured by a P-channel MOS-FET.
  • the gate of the switching element SW3A is connected to the output terminal of the logic NOT circuit NOT3, the drain is connected to the connection line L1H, and the source is connected to the connection point P2A.
  • the gate of the switching element SW3B is connected to the connection point P20, the drain is connected to the connection line L1H, and the source is connected to the connection point P2B.
  • the inverting input terminal of the comparator Comp3 is connected to the connection point P2A, the non-inverting input terminal is connected to the connection point P2B, and the output terminal is connected to the connection point P30.
  • the logical NOT circuit NOT3 has an input terminal connected to the connection point P30, and an output terminal connected to the gate of the switching element SW3A.
  • the resistor R3 has one end connected to the connection point P2B and the other end connected to the connection point P30.
  • each selection circuit unit including the switching element and the control circuit unit described above has the same operation by the same operation as in the first embodiment. Produces an effect.
  • the discharge current I1B in the figure flows. That is, as shown in the tournament diagram, the “unique” power supply device (here, power supply device 1B) having the highest voltage between terminals is connected to the outside.
  • the selection circuit unit has a multi-stage configuration so that the highest inter-terminal voltage is selectively output among the inter-terminal voltages selected and output by the plurality of selection circuit units. Therefore, even in the case of having three or more power supply devices, the power supply device having the highest voltage between terminals can be connected to the outside.
  • capacitors C1A to C1D in parallel to each of the power supply devices 1A to 1D, for example, as in the power supply unit 2C shown in FIG.
  • FIG. 11 illustrates a circuit configuration of the power supply unit (power supply unit 2D) of the present embodiment.
  • the power supply device is a secondary battery (secondary batteries 7A and 7B) such as a lithium ion battery.
  • the control circuit unit described above has a charging circuit unit in addition to the discharging circuit unit described in the first and second embodiments. Based on the inter-terminal voltages V7A and V7B of the secondary batteries 7A and 7B, only the switching element corresponding to the secondary battery with the higher inter-terminal voltage among the two secondary batteries 7A and 7B Is a circuit that selectively outputs and discharges the voltage across the terminals of the secondary battery.
  • the charging circuit unit turns on only the switching element corresponding to the secondary battery with the lower inter-terminal voltage among the two secondary batteries 7A and 7B.
  • This is a circuit for selectively charging a secondary battery by externally inputting a charging voltage.
  • the power supply unit 2D has two secondary batteries 7A and 7B, a charge dedicated terminal Tin, a discharge dedicated terminal Tout, and a charge / discharge combined terminal Tinout.
  • Secondary batteries 7A and 7B supply inter-terminal voltages V7A and V7B, respectively.
  • the secondary battery 7A has one end connected to the connection point P1A and the other end grounded.
  • the secondary battery 7B has one end connected to the connection point P1B and the other end grounded.
  • Examples of such secondary batteries 7A and 7B include lithium ion batteries, nickel cadmium batteries, nickel metal hydride batteries, lead storage batteries, and the like.
  • capacitors C7A and C7B are connected in parallel to the secondary batteries 7A and 7B, respectively, similarly to the capacitors 1A and 1B described in the first and second embodiments.
  • the inter-terminal voltage can be stored in the capacitors C7A and C7B, so that stable charging / discharging can be performed. It is also possible to reduce the impedance during charging. However, such capacitors C7A and C7B may not be provided.
  • the power supply unit 2D also includes two (one pair) switching elements SW1A and SW1B, a comparator Comp1, a logic negation circuit NOT1, and a resistor R1 that form a circuit for performing a connection switching operation during discharging. And have. Note that these circuit configurations are the same as those of the power supply unit 2 of the first embodiment, except that the drains of the switching elements SW1A and SW1B are connected to the discharge dedicated terminal Tout instead of the connection line L1H. Since it is the same as that of FIG.
  • the power supply unit 2D also includes two (one pair) switching elements SW4A and SW4B that constitute a circuit for performing a connection switching operation during charging.
  • the above-described comparator Comp1, the logic NOT circuit NOT1, and the resistor R1 also constitute a circuit that performs a connection switching operation during charging in addition to during discharging.
  • the switching elements SW4A and SW4B are each composed of, for example, a MOS-FET, a bipolar transistor, an IGBT, a relay, or the like.
  • each of the switching elements SW4A and SW4B is configured by a P-channel MOS-FET.
  • the gate of the switching element SW4A is connected to the connection point P10, the source is connected to the charging dedicated terminal Tin, and the drain is connected to the connection point P1A.
  • the gate of the switching element SW4B is connected to the output terminal of the logic NOT circuit NOT1, the source is connected to the charge dedicated terminal Tin, and the drain is connected to the connection point P1B.
  • the power supply unit 2D further includes two (a pair of) switching elements SW5A and SW5B that constitute a circuit for switching between charging and discharging at the charge / discharge terminal Tinout, and a comparator Comp5. It has a logic NOT circuit NOT5 and resistors R5 and R6.
  • the switching elements SW5A and SW5B are each composed of, for example, a MOS-FET, a bipolar transistor, an IGBT, a relay, or the like.
  • each of the switching elements SW5A and SW5B is composed of a P-channel MOS-FET.
  • the gate of the switching element SW5A is connected to the connection point P40, the source is connected to the connection point P50, and the drain is connected to the connection point P4A.
  • the gate of the switching element SW5B is connected to the output terminal of the logic NOT circuit NOT5, the drain is connected to the connection point P50, and the source is connected to the connection point P4B.
  • the inverting input terminal of the comparator Comp5 is connected to the connection point P50 and one end of the resistor R6, the non-inverting input terminal is connected to the other end of the resistor R6 and the charge / discharge terminal Tinout, and the output terminal is connected to the connection point P40.
  • the logic NOT circuit NOT5 has an input terminal connected to the connection point P40, and an output terminal connected to the gate of the switching element SW5B.
  • the resistor R5 has one end connected to the charge / discharge terminal Tinout and the other end connected to the connection point P40.
  • a discharge current I7A1 flows in a period of V7A> V7B, for example, as shown in FIG.
  • the discharge current I7B1 flows, for example, as shown in FIG.
  • a charging current I7B2 flows in a period of V7A> V7B, for example, as shown in FIG.
  • the charging current I7A2 flows, for example, as shown in FIG.
  • the power supply device is the secondary battery 7A, 7B
  • the control circuit unit has the charging circuit unit in addition to the discharging circuit unit. Only the secondary battery 7A having a high voltage between terminals is connected during discharging, and only the secondary battery 7B having a low voltage between terminals can be connected during charging.
  • a two-stage configuration or a three-stage or more configuration may be used.
  • the threshold voltage in the voltage difference between terminals (V1A ⁇ V1B) at the time of connection switching is increased and decreased when the voltage difference between terminals is increased.
  • the case where the values Vthp and Vthm are different from each other has been described.
  • the present invention is not limited to this case. That is, in some cases, such a hysteresis is not shown, and for example, as shown in FIG. 16, the threshold voltage Vth is made to coincide with when the terminal voltage difference is increasing or decreasing. Also good.
  • the power supply system of the present invention can be applied to, for example, a fuel cell system (fuel supply system 5) as shown in FIG.
  • the fuel supply system 5 includes a fuel cell 1, a current detector 31, a voltage detector 32, a booster circuit 33, a secondary battery 34, and a controller 35.
  • the fuel cell 1 includes a power generation unit 2 (or power generation units 2A to 2C) as a power supply unit, a fuel tank 40, and a fuel pump 42.
  • a fuel cell with a pulsating fuel supply amount may be used for the fuel cell 1 as a power generation device. This is because when the fuel supply amount pulsates, the electromotive force in the fuel cell greatly increases or decreases.
  • the present invention is applied to such a pulsating fuel cell, it is possible to positively extract current from where the fuel is abundant and current can be easily extracted.
  • the power supply system of the present invention can be applied to, for example, a solar cell system including a solar cell as a power generation device. This is because in the case of a solar cell, if a specific cell enters the shade, energy cannot be extracted from that cell.
  • a solar cell if a specific cell enters the shade, energy cannot be extracted from that cell.
  • the present invention is applied to such a solar cell system, it is possible to selectively extract electric power from a place where it can generate electricity in the sun.
  • the power supply system (for example, the fuel cell system 5 described above) of the present invention can be suitably used for portable electronic devices such as a mobile phone, an electrophotographic machine, an electronic notebook, or a PDA (Personal Digital Assistants). It is.

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Abstract

　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を提供する。２つの電力供給デバイス１Ａ，１Ｂのうち、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を、選択的にオン状態とする。また、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をオフ状態とする。これにより、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。

Description

電力供給システムおよび電子機器
　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。
　本発明の一実施の形態による電力供給システムは、複数の電力供給デバイスと、各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。
　ここで、「電力供給デバイス」とは、例えば、１次電池、２次電池または発電デバイス（燃料電池もしくは太陽電池など）のことを意味しており、異なる種類の電力供給デバイス同士を組み合わせたものであってもよい。
　本発明の一実施の形態による電子機器は、上記電力供給システムを備えたものである。
　本発明の一実施の形態による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。
　本発明の一実施の形態による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（InsulatedGate 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、スイッチング素子ＳＷ１Ａ，ＳＷ１Ｂと、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、連動スイッチとして動作す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と、論理否定回路ＮＯＴ１と、抵抗器Ｒ１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。
　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。

 

Claims (13)

  1. 　複数の電力供給デバイスと、
    　各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、前記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、前記選択回路部が多段構成となっている
    　請求項１に記載の電力供給システム。
  3. 　前記電力供給デバイスが２次電池であり、
    　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、複数の２次電池のうち、前記端子間電圧が最も高い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２次電池のうち、前記端子間電圧が最も低い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充電回路部とを有する
    　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２次電池が、リチウムイオン電池である
    　請求項３に記載の電力供給システム。
  5. 　前記制御回路部は、２つの電力供給デバイスのうち、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のオン・オフ状態を制御する
    　請求項１に記載の電力供給システム。
  6. 　前記制御回路部は、２つの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５に記載の電力供給システム。
  7. 　各電力供給デバイスに対して、容量素子が並列接続されている
    　請求項１に記載の電力供給システム。
  8. 　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に記載の電力供給システム。
  9. 　各電力供給デバイスが、１次電池、２次電池または発電デバイスである
    　請求項１に記載の電力供給システム。
  10. 　各電力供給デバイスが、前記発電デバイスとしての燃料電池であり、
    　燃料電池システムとして構成されている
    　請求項９に記載の電力供給システム。
  11. 　前記発電デバイスとしての燃料電池が、燃料供給量が脈動する燃料電池である
    　請求項１０に記載の電力供給システム。
  12. 　各電力供給デバイスが、前記発電デバイスとしての太陽電池であり、
    　太陽電池システムとして構成されている
    　請求項９に記載の電力供給システム。
  13. 　電力供給システムを備え、
    　前記電力供給システムは、
    　複数の電力供給デバイスと、
    　各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、前記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
    　を有する電子機器。
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