專利名稱：燃料電池裝置及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用燃料電池的電源裝置及其控制方法。
背景技術(shù)：
由于近年電子技術(shù)的進步，便攜電話機、筆記本PC(個人計算機)、音頻視頻機器或移動終端機器等便攜電子機器的普及進展迅速。這種便攜電子機器一般是由二次電池驅(qū)動的系統(tǒng)，新型二次電池的出現(xiàn)，借助小型輕量化及高能量密度化，從密封鉛電池起發(fā)展到Ni/Cd電池、Ni氫電池、再到Li離子電池。在任何一種二次電池中，為提高其能量密度，都在進行電池活性物質(zhì)的開發(fā)及高容量電池結(jié)構(gòu)的開發(fā)，努力實現(xiàn)使用時間更長的電源。
然而，在便攜電子機器中，各功能都在努力進一步低功耗化，但是今后由于用戶需要的提高也必須增加新功能，便攜機器總功耗增加的傾向是可以預期的。因此，需要更高密度的電源，即連續(xù)使用時間長的電源是方向。
作為這種電源，燃料電池近年來受到注目。作為該燃料電池的特性，當燃料電池的輸出大于等于某一電流時，輸出功率具有從增加轉(zhuǎn)為下降的最大功率點。因此，燃料電池的使用范圍必須限定在最大功率點之下，例如，已提出在作為使用氫作為燃料的燃料電池的固體高分子型燃料電池(PEFC)中的保護用系統(tǒng)(例如，日本專利特開2003-229138號公報)。
日本專利特開2003-229138號公報發(fā)明內(nèi)容現(xiàn)在作為期待用于移動機器的電源，是可以在比PEFC更低的低溫下使用、作為將甲醇作為直接燃料使用的燃料電池的直接甲醇型燃料電池(DMFC)。在圖1中示出PEFC和DMFC的電流電壓特性(I-V特性)和DMFC的電流功率特性(I-P特性)。作為DMFC的特征，具有開路電壓(以下稱其為OCV)的值大于等于0.8V的狀態(tài)，與PEFC大致相同。然而，從現(xiàn)狀報告的單個(電池)單體的電壓電流特性考慮，則如圖1所示，在實際的發(fā)電中可使用的區(qū)域小于等于0.4V，并且最大功率點在0.2V左右。所以，盡管燃料電池這一名稱相同，但是DMFC和PEFC的特性有很大不同，直接將PEFC方式應用于DMFC很困難，必須有專用的控制方式。
另外，DMFC的特性，除了會由于溫度及空氣極的氣體的流速(濕度)而發(fā)生很大的改變之外，也有由于某種原因(二氧化碳及水這樣的隨著反應的生成物發(fā)生堵塞等等)輸出功率急劇下降的情況。作為電源，可以供給機器必需的功率是最低限度的要求，但是考慮到由于上述燃料電池的狀態(tài)而不能供給必需功率的場合，因此需要新的系統(tǒng)和控制方式。
另外，在不能供給必需功率的狀態(tài)中，特別會出現(xiàn)遠遠超過最大功率點而從燃料電池過度取用電流的狀態(tài)。在過度取用電流的場合，必需針對由于燃料電池單體的換極引起的燃料電池的劣化、燃料電池的溫度上升、二氧化碳及水這樣的生成物的增加導致的狀態(tài)的惡化等等問題的各自的狀態(tài)進行控制，但除了對燃料電池的狀態(tài)進行高速預測非常困難之外，裝設(shè)多個傳感器時也存在高成本的問題。
針對以上的問題，在本發(fā)明中提出了有效地裝設(shè)傳感器，可以進行符合燃料電池的狀態(tài)的最大功率點跟蹤控制的電源裝置及控制方法。
為實現(xiàn)上述課題，本發(fā)明的特征在于在具備燃料電池作為輸入電源的電源裝置中，具備進行通電量控制的控制單元，以使上述電源裝置的工作輸入電壓范圍大于等于上述燃料電池的最大功率點電壓。
另外，為實現(xiàn)上述課題，本發(fā)明的特征在于在具備燃料電池作為輸入電源的電源裝置中，具備即使是在負載功率大于上述燃料電池的最大功率時，也可以將上述燃料電池的輸出限制為不大于最大功率的控制單元。
另外，為實現(xiàn)上述課題，本發(fā)明的特征在于在具有從輸入端到輸出端的電壓變換功能的電源裝置的控制方法中，在輸入端一側(cè)具有燃料電池，在輸出端一側(cè)具有蓄電單元，在輸出端的要求功率小于等于上述燃料電池的最大功率時，進行控制使輸出端電壓為恒定的電壓。
根據(jù)本發(fā)明，可以提供實現(xiàn)對機器的功率供給穩(wěn)定及燃料電池的工作穩(wěn)定的電源裝置及其控制方法。


圖1為示出固體高分子型燃料電池和直接甲醇型燃料電池的輸出特性的特性圖。
圖2為示出直接甲醇型燃料電池的溫度變化導致的輸出特性的變化的特性圖。
圖3為示出直接甲醇型燃料電池的空氣流量的變化導致的輸出特性的變化的特性圖。
圖4為本發(fā)明的燃料電池的直流等效電路模型。
圖5為本發(fā)明的實施例1的結(jié)構(gòu)。
圖6為本發(fā)明的實施例1的增加控制IC的功能圖的結(jié)構(gòu)的一例。
圖7為示出本發(fā)明的實施例1的控制IC的限制功能和直接甲醇型燃料電池的輸出特性的關(guān)系的示圖。
圖8為在本發(fā)明的實施例1的控制IC的功能圖中將限制電壓設(shè)定用電阻更換為熱敏電阻的結(jié)構(gòu)的一例。
圖9為示出在本發(fā)明的實施例1的各溫度的限制功能和直接甲醇型燃料電池的輸出特性的關(guān)系的示圖。
圖10為示出在現(xiàn)有的控制IC的結(jié)構(gòu)中軟啟動功能的構(gòu)成的示圖。
圖11為示出本發(fā)明的實施例2的控制IC的功能圖的結(jié)構(gòu)。
圖12為本發(fā)明的實施例3的結(jié)構(gòu)。
圖13為本發(fā)明的實施例4的結(jié)構(gòu)。
附圖標記說明1...燃料電池；2...電雙層電容器；3...電路部；4...控制IC；11...PWM邏輯電路；12...Vref控制邏輯電路具體實施方式
下面利用附圖對本發(fā)明的控制用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其控制用IC的規(guī)格及其控制方法的詳細實施例進行說明。
首先，敘述本發(fā)明的DMFC特性的設(shè)定方法。圖2示出同一DMFC的單個單體的溫度變化導致的特性的變化，圖3示出空氣的流速的變化導致的特性的變化。從圖中可知，在圖2和圖3中畫出以點線表示的輔助線時，電流0處的電壓為約0.41V，大致是一致的。所以，除了在OCV附近電壓急速上升的區(qū)域，一般使用的區(qū)域中的DMFC的等效電路的直流模型，如圖4所示，可以以一定的設(shè)定電壓E(例如，0.41V)和依DMFC的各狀態(tài)而改變的DMFC內(nèi)阻R表示。這種模型的輸出功率W可以用下式表示。(RO負載電阻)[式1]W＝E2/(R×[(R/RO)+(RO/R)+2])從上式中的輸出功率W成為最大值的條件是R＝RO，可知DMFC輸出電壓為E/2與DMFC的狀態(tài)無關(guān)，是恒定最大功率點的條件。
在使用本發(fā)明的場合，預先測定所使用的DMFC單個單體的設(shè)定電壓E，可以利用數(shù)倍單體進行設(shè)計。當然，也可以將本設(shè)定方式應用于PEFC等其他類型的燃料電池進行設(shè)計。
下面利用圖5對本發(fā)明的實施例1進行說明。
本發(fā)明的構(gòu)成，大致劃分為具有燃料電池1、作為蓄電單元的電雙層電容器(以下稱其為EDLC)2、電路部3及控制IC 4。以下分別予以詳細敘述。
在本實施例中，由于作為蓄電單元使用的EDLC 2的每一個單體的耐壓為2.3V～3.3V，如圖5所示，在使用兩個單體時，可以應用于利用現(xiàn)有Li電池一個單體及NiMH兩個單體驅(qū)動的機器(例如，便攜電話、PDA、數(shù)字相機、多媒體播放器等等)。另外，在Li電池為多個單體的應用的場合(例如，筆記本PC等)，在對Li電池兩個單體進行互換時可使用2～4個單體的EDLC 2，或者在對Li電池3個單體進行互換時可使用3～5個單體的EDLC 2。當然，作為代替EDLC2的蓄電單元，也可以使用Li電池等二次電池。如圖5所示，通過設(shè)置蓄電單元，在負載要求功率大于可從燃料電池1取出的最大功率時，可以支持功率不足的部分。例如，可以考慮的場合有燃料電池暫時的狀態(tài)惡化及負載的要求功率為便攜電話等那種脈沖負載的場合。另外，在脈沖負載多的應用場合，使用EDLC這樣的放電特性優(yōu)異的器件對于改善效率是優(yōu)選的。
在本實施例中，設(shè)想的是在燃料電池1中使用DMFC，但使用其他種類的燃料電池也是可以的。并且，在圖5中，使用的是4個單體的燃料電池，不過也可以考慮電路部3的效率而增減單體數(shù)目。
電路部3，是使用電感L32、N溝道功率MOSFET 13和P溝道功率MOSFET 14的同步整流方式升壓變換器的結(jié)構(gòu)。在這種升壓變換器中，因為在N溝道功率MOSFET 13為ON時的開關(guān)循環(huán)中，燃料電池1的能量貯存在電感L中，在P溝道功率MOSFET 14為ON時的開關(guān)循環(huán)中，與燃料電池1的能量一起，貯存在電感L中的能量對電雙層電容器2進行充電，所以電雙層電容器2的充電電壓(蓄電電壓)高于燃料電池1的輸出電壓(即升壓)。
所以，EDLC 2的電壓大于等于燃料電池1的電壓。當然，也可以在EDLC 2以外設(shè)置使輸入輸出平滑用的電容器。
控制IC 4，至少具有燃料電池電壓限制端子(Vlim)46、EDLC2電壓值取得用端子(FBout)41、輸出電壓值及電源取得用端子(Vout)42、開關(guān)電流取得用端子(SENSE)45、經(jīng)過反相電路24的P溝道功率MOSFET控制端子(TG)43、N溝道功率MOSFET控制端子(BG)44、GND端子(GND)40合計7個端子。當然，除了上述以外，也可以根據(jù)需要設(shè)置IC的ON/OFF端子及環(huán)路補償用的端子等等。
在圖6中示出控制IC 4的功能圖的一例。
下面示出作為本結(jié)構(gòu)的第1特征的Vlim的控制處理的動作。由于本結(jié)構(gòu)是升壓型，微小的一定電流Ilin從Vout端子42通過恒流電路到達Vlim端子46。占空限制電路(Duty Limit電路)26具有與Vout-Vlin的電壓值成比例地限制占空的功能和在Vlin端子的電壓小于等于一定電壓時控制PWM邏輯電路11使PWM開關(guān)動作完全停止的功能。在本結(jié)構(gòu)中，通過設(shè)置上述功能，在以上述完全停止的電壓為Vstop時，由于Vstop＝Ilin×Rin(50)+Vin，通過將Vin設(shè)計為燃料電池1的最大功率點電壓，就可以可靠地限制在不大于最大功率點的電流范圍內(nèi)。另外，在燃料電池1的電壓Vin由于燃料耗盡及缺乏氧氣等原因而低于Vstop時，也可以安全地停止開關(guān)動作。
下面示出作為本結(jié)構(gòu)的第2特征的FBout端子41的處理動作。本結(jié)構(gòu)是與一般的DC/DC變換器的輸出電壓反饋一樣的構(gòu)成，Vref120和FBout端子41輸入到比較器22，根據(jù)該比較器的輸出，在為了使PWM邏輯電路11得到穩(wěn)定的輸出電壓而使控制PWM開關(guān)動作的輸出功率＜＜燃料電池最大功率的場合，將輸出電壓控制為恒定，與一般的DC/DC變換器沒有什么特別不同。在輸出功率接近燃料電池最大功率一定值以上的場合(輸出功率＜燃料電池的最大功率)，進行限制PWM的占空的控制。在輸出功率≥燃料電池功率的場合，利用設(shè)置在上述輸出端的EDLC 2等的蓄積單元，完成不足部分的輸出，也由蓄電單元的充電狀態(tài)確定輸出電壓。所以，此時的控制，變成隨著以PWM的占空限制的最大值動作而下降的狀態(tài)。
匯總上述第1特征和第2特征的燃料電池輸出特性與輸出限制的關(guān)系示于圖7。
由于燃料電池輸出不同在限制電壓上多少會有些差別，但針對表示各溫度狀態(tài)的DMFC的輸出的電壓-電流密度，比較輸出限制值的曲線的場合，在本發(fā)明的實施例中，在大于等于各溫度狀態(tài)的燃料電池輸出和輸出限制值的交點的區(qū)域中電源裝置工作，不會超過最大功率。
另外，下面示出作為本結(jié)構(gòu)的第3特征的Rin 50的處理動作。如在上述第1特征中所述，從Ilin和Vstop的值，通過調(diào)整Rin 50的值，設(shè)計者可根據(jù)燃料電池的單體數(shù)目靈活地設(shè)計限制值。另外，如圖8所示，通過采用NTC熱敏電阻51作為Rin，也可以增加溫度限制功能。此時的燃料電池輸出特性和輸出限制的關(guān)系示于圖9。NTC熱敏電阻51顯示的特性是在低溫時電阻高，在高溫時電阻低。所以通過采用NTC熱敏電阻51作為Rin，可以將在低溫時限制的Vin設(shè)計成為更低，并且可以將在高溫時限制的Vin設(shè)計成為更高。隨著溫度的上升，成為減少從燃料電池1取出的電流的控制動作，因此可以防止燃料電池1，例如，超過45℃而變成燙傷使用者的溫度。
另外，由于本結(jié)構(gòu)的特征是DC/DC變換器的PWM邏輯電路11在通常的控制動作中利用燃料電池電壓進行占空限制，可以使用現(xiàn)存的DC/DC變換器IC實現(xiàn)。
現(xiàn)有的控制IC 4的構(gòu)成例示于圖10?？刂艻C 4具有在軟啟動端子(以下稱其為SS端子)49和GND端子40之間，連接有電容器C62，通過利用IC內(nèi)部的恒流電路及高電阻的開關(guān)使上述電容器C62緩慢充電，一直到SS端子49的電壓上升到大于等于一定值為止進行占空限制及開關(guān)電流限制等的輸出功率限制的軟啟動功能。將此SS端子經(jīng)過電阻Rin 50連接到與上述結(jié)構(gòu)一樣的輸入端，也可以實現(xiàn)與上述示例同樣的效果。
下面利用圖11對本發(fā)明的實施例2進行說明。只要沒有特別指出，符號與上述電路相同的構(gòu)件具有同樣的結(jié)構(gòu)及效果。
本實施例，通過將燃料電池電壓限制用的端子和燃料電池溫度控制用的端子分開，可以分別進行設(shè)計。本實施例，與上述的實施例1相比，在控制IC 4增加了燃料電池溫度控制用的端子(以下稱其為TEMP)48。輸入到TEMP 48的是燃料電池1的溫度信息，利用熱敏電阻及溫度IC等的傳感器60取得溫度信息。另外，控制IC 4的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也不同，將Vout-Vlin和溫度電壓-Vref2(29)兩個反饋信息輸入到占空限制電路26，進行PWM邏輯電路11的最大占空限制。作為控制動作，兼?zhèn)渑c實施例1中舉例示出的一樣的利用作為燃料電池電壓的Vin的限制和利用燃料電池溫度的限制的兩種限制，可相應于各個狀態(tài)而動作。
在本實施例中，由于使用Li電池6作為蓄電單元，可以應用于現(xiàn)有的利用Li電池一個單體及NiMH兩個單體驅(qū)動的機器(例如，便攜電話、PDA、數(shù)字相機、多媒體播放器等等)。當然，作為代替Li電池6的蓄電單元，也可以使用EDLC。
下面利用圖12對本發(fā)明的實施例3進行說明。只要沒有特別指出，符號與上述電路相同的構(gòu)件具有同樣的結(jié)構(gòu)及效果。
本實施例，與上述的實施例1、2相比，不是將電路部3作成同步整流型，而是改變?yōu)槔眯ぬ鼗鶆輭径O管35的升壓斬波方式的一例。通過采用本結(jié)構(gòu)，在輸出端的電壓比第1、第2結(jié)構(gòu)更高的場合是有效的。
下面對控制IC 4予以詳細說明。與實施例1、2比較，不需要P溝道功率MOSFET的控制端子(TG)。另外，關(guān)于控制IC 4的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以使用實施例1的結(jié)構(gòu)及實施例2的結(jié)構(gòu)中的任何一個。
在本實施例中，由于作為蓄電單元使用的EDLC 2，每一個單體的耐壓為2.3V～3.3V，如圖12所示，在使用4個單體時，可以應用于現(xiàn)有的利用Li電池2～3個單體驅(qū)動的機器(例如，筆記本PC等)。當然，作為代替EDLC 2的蓄電單元，也可以使用Li電池等二次電池。
下面利用圖13對本發(fā)明的實施例4進行說明。只要沒有特別指出，符號與上述電路相同的構(gòu)件具有同樣的結(jié)構(gòu)及效果。
本實施例，是將電路部3改變?yōu)榻祲簲夭ǚ绞降囊焕?。通過采用本結(jié)構(gòu)，可以與負載電壓比燃料電池1的電壓低的場合相對應。
下面對本實施例的控制IC 4予以詳細說明。與實施例1至3比較，具有Vin端子47作為IC電源及柵驅(qū)動電壓。由于是降壓型，Vin47為利用分壓設(shè)計限制電壓的方式。另外，關(guān)于控制IC 4的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以使用實施例1的結(jié)構(gòu)及實施例2的結(jié)構(gòu)中的任何一個。
在本實施例中，由于作為蓄電單元使用的EDLC 2，每一個單體的耐壓為2.3V～3.3V，如圖13所示，在使用1個單體時，可以應用于由1.8V的電壓等低電壓驅(qū)動的機器。當然，作為代替EDLC 2的蓄電單元，也可以使用Li電池及Ni氫電池等二次電池。
以上舉出了4個實施例，但在本發(fā)明的實施中，當然可以相應于用途而將上述實施例中的幾個組合使用。
權(quán)利要求
1.一種電源裝置，具備燃料電池作為輸入電源，其特征在于具備進行通電量控制，以使上述電源裝置的工作輸入電壓范圍大于等于上述燃料電池的最大功率點電壓的控制單元。
2.如權(quán)利要求1所述的電源裝置，其特征在于上述電源裝置的控制單元具有使輸出電壓反饋進行PWM控制的功能，具有上述燃料電池電壓和上述控制單元所具有的設(shè)定電壓之差越大，PWM控制的最大占空越大的控制功能。
3.如權(quán)利要求2所述的電源裝置，其特征在于上述電源裝置的控制單元所具有的設(shè)定電壓由電阻構(gòu)成，可以設(shè)定成電阻值越大，設(shè)定電壓越高。
4.如權(quán)利要求3所述的電源裝置，其特征在于上述電源裝置的控制單元具有恒流電路，該恒流電路的輸出端與上述電阻相連接，進行控制以使得施加于上述恒流電路的電壓的大小越大則越限制PWM控制的最大占空。
5.如權(quán)利要求3和4中的一個所述的電源裝置，其特征在于具有檢測上述燃料電池的溫度的溫度檢測單元，且具有相應于上述燃料電池的溫度上升使上述設(shè)定電壓上升的功能。
6.如權(quán)利要求5所述的電源裝置，其特征在于通過使用NTC熱敏電阻作為上述電阻，具有相應于上述燃料電池的溫度上升使上述設(shè)定電壓上升的功能。
7.一種電源裝置，具備燃料電池作為輸入電源，其特征在于具備即使是在負載功率大于上述燃料電池的最大功率時，也將上述燃料電池的輸出限制為不大于最大功率的控制單元。
8.如權(quán)利要求7所述的電源裝置，其特征在于具備存蓄電力的蓄電單元，可以從上述蓄電單元供給不足的功率的電力。
9.一種具有從輸入端到輸出端的電壓變換功能的電源裝置的控制方法，其特征在于在輸入端一側(cè)具有燃料電池，在輸出端一側(cè)具有蓄電單元，在輸出端的要求功率小于等于上述燃料電池的最大功率時，進行控制以使得輸出端電壓為恒定的電壓。
10.如權(quán)利要求9所述的電源裝置的控制方法，其特征在于在負載功率大于上述燃料電池的最大功率時，進行控制將上述燃料電池的輸出限制為不大于最大功率，不足功率部分從上述蓄電單元供給。
11.如權(quán)利要求9和10中的一個所述的電源裝置的控制方法，在輸出端的要求功率大于上述燃料電池的最大功率、負載功率小于上述燃料電池的最大功率時，進行控制將上述燃料電池的輸出限制為不大于最大功率，對于負載的過剩功率部分充電到上述蓄電單元。
全文摘要
提供一種燃料電池裝置及其控制方法。直接甲醇型燃料電池(DMFC)的特性因種種原因特性會改變，且在DMFC中存在最大功率點，為了穩(wěn)定地向負載供給功率，必須與上述的特性變化無關(guān)，在一直到最大功率點的范圍內(nèi)安全地進行功率供給。將從DMFC的電壓電流特性導出的固定電壓的一半作為DMFC電壓的目標值，可通過為保持上述目標值進行控制而進行最大功率點的跟蹤控制。為了在負載的要求功率大于最大功率時也可以實現(xiàn)穩(wěn)定的功率供給，與負載并聯(lián)設(shè)置蓄電單元。另外，相應于DMFC的溫度上升及蓄電單元的電壓上升，通過控制使DMFC電壓從上述目標值上升，就可以在實現(xiàn)提高燃料利用效率的同時，實現(xiàn)溫度限制及蓄電單元電壓限制。
文檔編號H01M8/00GK1941468SQ20061000866
公開日2007年4月4日 申請日期2006年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月30日
發(fā)明者乘松泰明, 葉田玲彥, 菊地睦 申請人:株式會社日立制作所