(57)【要約】【課題】燃料電池を電源として有効かつ安定に利用可能にした燃料電池の出力制御装置を提供する。【解決手段】燃料電池１０からの入力電流をトランジスタＴｒを介して抵抗Ｒ２により電圧に変換して検出し、この検出した燃料電池１０からの入力電流と燃料電池１０からの入力電圧に基づきゲインコントロールアンプＡＰで燃料電池１０からの入力電力情報を検出し、この入力電力を燃料電池１０からの目標電力の平均値Ｖ＊Ｉａｖｅの２倍の値に制限できるように、基準電圧Ｖｒｅｆ１を設定してオペアンプＯＰ１で比較し、このオペアンプＯＰ１の出力に基づきトランジスタＴｒのオン、オフを制御することで、燃料電池１０の出力電力の平均値を所望の値に制御する。【選択図】  図２
2004234903.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池からの入力を制御して出力する燃料電池の出力制御装置において、
前記燃料電池からの入力電流を検出する入力電流検出回路と、
前記入力電流検出回路で検出した入力電流および前記燃料電池からの入力電圧に基づき前記前記燃料電池からの入力電力を検出する入力電力検出回路と、
前記入力電力検出回路で検出した入力電力に基づき前記燃料電池からの入力電力のピーク値を制限することにより前記燃料電池からの入力電力の平均値を制御する入力電力制御回路と
を具備することを特徴とする燃料電池の出力制御装置。
【請求項２】
前記入力電力制御回路は、
前記入力電力検出回路で検出した前記燃料電池の入力電力のピーク値を目標平均値の略２倍の値に制限することにより前記燃料電池からの入力電力の平均値を前記目標平均値に制御する
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池の出力制御装置。
【請求項３】
前記燃料電池の出力を入力するインダクタと、
前記インダクタの出力をスイッチングするスイッチング素子と、
前記スイッチング素子を制御するスイッチング制御回路と
を具備し、
前記入力電流検出回路は、
前記スイッチング素子の出力に基づき前記燃料電池からの入力電流を検出し、
前記入力電力検出回路は、
前記入力電流検出回路で検出した入力電流に前記燃料電池からの入力電圧を乗算する乗算器を含む
ことを特徴とする請求項２記載の燃料電池の出力制御装置。
【請求項４】
前記スイッチング制御回路は、
前記インダクタを流れる電流に基づき前記スイッチング素子を制御する
ことを特徴とする請求項３記載の燃料電池の出力制御装置。
【請求項５】
前記入力電流検出回路は、
前記スイッチング素子に並列に接続され、前記スイッチング素子を流れる電流のＮ分の１の電流を流すカレントミラー回路
を具備し、
該カレントミラー回路を流れる電流に基づき前記燃料電池からの入力電流を検出する
ことを特徴とする請求項３記載の燃料電池の出力制御装置。
【請求項６】
燃料電池からの入力を制御して出力する燃料電池の出力制御装置において、
前記燃料電池の出力を入力するインダクタと前記インダクタの出力をスイッチングするスイッチング素子とを少なくとも有するコンバータと、
前記コンバータの前記スイッチング素子を流れる電流に基づき前記燃料電池からの入力電流を検出する入力電流検出回路と、
前記入力電流検出回路で検出した入力電流および前記燃料電池からの入力電圧に基づき前記前記燃料電池からの入力電力を検出する入力電力検出回路と、
前記入力電力検出回路で検出した電力値と予め設定された目標電力値とを比較する比較回路と、
前記比較回路の出力に基づき前記スイッチング素子のスイッチングを制御することにより前記燃料電池からの入力電力の平均値を前記目標電力値に対応して制御する制御回路と
を具備することを特徴とする燃料電池の出力制御装置。
【請求項７】
前記コンバータの出力に基づき２次電池を充電するための充電電流を出力する
ことを特徴とする請求項６記載の燃料電池の出力制御装置。
【請求項８】
前記目標電力値は、
前記入力電力の目標平均値の略２倍に対応して設定される
ことを特徴とする請求項６記載の燃料電池の出力制御装置。
【請求項９】
前記コンバータは、
前記インダクタを流れる電流に基づき前記スイッチング素子のスイッチングを自励的に制御する自励式アップコンバータからなる
ことを特徴とする請求項６記載の燃料電池の出力制御装置。
【請求項１０】
前記入力電流検出回路は、
前記スイッチング素子に並列に接続され、前記スイッチング素子を流れる電流のＮ分の１の電流を流すカレントミラー回路
を具備し、
該カレントミラー回路を流れる電流に基づき前記燃料電池からの入力電流を検出する
ことを特徴とする請求項６記載の燃料電池の出力制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池からの入力を制御して出力する燃料電池の出力制御装置に関し、特に、燃料電池を用いたリチウム電池等の充電回路に適用して好適な燃料電池の出力制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池を用いた装置としては、特許文献１に開示されたように電気自動車に採用したもの若しくは特許文献２に示されるように発電システムに採用したもの等がある。
【０００３】
ところで、最近、携帯電話機等の小型携帯機器の電源として燃料電池を用いる試みが提案されている。
【０００４】
この場合、燃料電池の出力を直接電源として用いたのでは安定性が確保できないために、燃料電池の出力を用いてリチウム電池等の２次電池を充電し、この２次電池の出力から電源を取り出す構成が考えられている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−２２５４０６号公報
【特許文献２】
特開平８−２１３０３２号公報
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記燃料電池を携帯電話機等の小型携帯機器の電源として利用する場合、この燃料電池により充電されるリチウム電池等の２次電池も小型化が要求され、その容量も制限がある。
【０００６】
また、一般に、燃料電池はその電力供給能力に制限があり、この制限を越えた電力が取り出されると、電力供給が停止してしまうという特性がある。
【０００７】
そのため、容量が制限された２次電池を燃料電池の出力で充電して小型携帯機器の電源として採用する場合は、燃料電池の電源供給が停止しないように、燃料電池からの出力電力を制限する必要がある。
【０００８】
そこで、この発明は、燃料電池を電源として有効かつ安定に利用可能にした燃料電池の出力制御装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、燃料電池からの入力を制御して出力する燃料電池の出力制御装置において、前記燃料電池からの入力電流を検出する入力電流検出回路と、前記入力電流検出回路で検出した入力電流および前記燃料電池からの入力電圧に基づき前記前記燃料電池からの入力電力を検出する入力電力検出回路と、前記入力電力検出回路で検出した入力電力に基づき前記燃料電池からの入力電力のピーク値を制限することにより前記燃料電池からの入力電力の平均値を制御する入力電力制御回路とを具備することを特徴とする。
【００１０】
また、請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記入力電力制御回路は、前記入力電力検出回路で検出した前記燃料電池の入力電力のピーク値を目標平均値の略２倍の値に制限することにより前記燃料電池からの入力電力の平均値を前記目標平均値に制御することを特徴とする。
【００１１】
また、請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記燃料電池の出力を入力するインダクタと、前記インダクタの出力をスイッチングするスイッチング素子と、前記スイッチング素子を制御するスイッチング制御回路とを具備し、前記入力電流検出回路は、前記スイッチング素子の出力に基づき前記燃料電池からの入力電流を検出し、前記入力電力検出回路は、前記入力電流検出回路で検出した入力電流に前記燃料電池からの入力電圧を乗算する乗算器を含むことを特徴とする。
【００１２】
また、請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記スイッチング制御回路は、前記インダクタを流れる電流に基づき前記スイッチング素子を制御することを特徴とする。
【００１３】
また、請求項５の発明は、請求項３の発明において、前記入力電流検出回路は、前記スイッチング素子に並列に接続され、前記スイッチング素子を流れる電流のＮ分の１の電流を流すカレントミラー回路を具備し、該カレントミラー回路を流れる電流に基づき前記燃料電池からの入力電流を検出することを特徴とする。
【００１４】
また、請求項６の発明は、燃料電池からの入力を制御して出力する燃料電池の出力制御装置において、前記燃料電池の出力を入力するインダクタと前記インダクタの出力をスイッチングするスイッチング素子とを少なくとも有するコンバータと、前記コンバータの前記スイッチング素子を流れる電流に基づき前記燃料電池からの入力電流を検出する入力電流検出回路と、前記入力電流検出回路で検出した入力電流および前記燃料電池からの入力電圧に基づき前記前記燃料電池からの入力電力を検出する入力電力検出回路と、前記入力電力検出回路で検出した電力値と予め設定された目標電力値とを比較する比較回路と、前記比較回路の出力に基づき前記スイッチング素子のスイッチングを制御することにより前記燃料電池からの入力電力の平均値を前記目標電力値に対応して制御する制御回路とを具備することを特徴とする。
【００１５】
また、請求項７の発明は、請求項６の発明において、前記コンバータの出力に基づき２次電池を充電するための充電電流を出力することを特徴とする。
【００１６】
また、請求項８の発明は、請求項６の発明において、前記目標電力値は、前記入力電力の目標平均値の略２倍に対応して設定されることを特徴とする。
【００１７】
また、請求項９の発明は、請求項６の発明において、前記コンバータは、前記インダクタを流れる電流に基づき前記スイッチング素子のスイッチングを自励的に制御する自励式アップコンバータからなることを特徴とする。
【００１８】
また、請求項１０の発明は、請求項６の発明において、前記入力電流検出回路は、前記スイッチング素子に並列に接続され、前記スイッチング素子を流れる電流のＮ分の１の電流を流すカレントミラー回路を具備し、該カレントミラー回路を流れる電流に基づき前記燃料電池からの入力電流を検出することを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係わる燃料電池の出力制御装置の実施の形態を添付図面を参照して詳細に説明する。
【００２０】
図１は、この発明に係わる燃料電池の出力制御装置を適用して構成した２次電池の充電装置の全体構成を示すブロック図である。
【００２１】
この充電装置は、燃料電池１０の出力を充電制御装置２０で制御してリチウム電池等の２次電池３０を充電するもので、例えば、携帯電話機等の小型携帯機器の電源として利用される。
【００２２】
図２は、図１に示した充電制御装置２０の詳細構成を示す回路図である。
【００２３】
図２に示す回路は、入力端子Ｔ１１およびＴ１２から図１に示した燃料電池１０の出力Ｖｉｎを入力し、出力端子Ｔ２１およびＴ２２から２次電池３０を充電するための出力Ｖｏｕｔを出力するものである。
【００２４】
この図２に示す回路は、入力端子Ｔ１１に接続されたコイル（インダクタ）Ｌ１、入力端子Ｔ１１とコイルＬ１との接続ラインと接地間に接続されたコンデンサＣ１、コイルＬ１と出力端子Ｔ２１との間に接続されたダイオードＤ２、ダイオードＤ２と出力端子Ｔ２１との接続ラインと接地間に接続されたコンデンサＣ２、コイルＬ１とダイオードＤ２との接続ラインにコレクタが接続されたトランジスタＴｒ（スイッチング素子）、コイルＬ１に逆相接続されたコイル（補助巻線）Ｌ２、コイルＬ２とトランジスタＴｒのベースとの間に接続された抵抗Ｒ１およびダイオードＤ１、トランジスタＴｒのエミッタと接地間に接続された抵抗Ｒ２、トランジスタＴｒのエミッタと抵抗Ｒ２との接続ラインに接続されるゲインコントロールアンプＡＰ、ゲインコントロールアンプＡＰの出力が負正入力に接続され、正入力が基準電圧Ｖｒｅｆ１に接続されるオペアンプＯＰ１、オペアンプＯＰ１の出力とトランジスタＴｒのベースとの間に接続された抵抗Ｒ３およびダイオードＤ３、負入力が抵抗Ｒ４を介して出力端子Ｔ２１に接続され、正入力が基準電圧Ｖｒｅｆ２に接続されるオペアンプＯＰ２、オペアンプＯＰ２の出力とトランジスタＴｒのベースとの間に接続されたダイオードＤ４を具備して構成される。
【００２５】
ここで、ゲインコントロールアンプＡＰは、そのゲインコントロール端子に燃料電池１０からの入力電圧、すなわち、入力端子Ｔ１１とコイルＬ１との接続ラインに生じる電圧が入力され、燃料電池１０からの入力電流を燃料電池１０からの入力電圧でゲインコントロール、すなわち、燃料電池１０からの入力電流に燃料電池１０からの入力電圧を乗算することにより燃料電池１０からの入力電力を算出して出力している。
【００２６】
さて、上記図２に示す回路の動作を示すと以下のようになる。
【００２７】
１）いま、コイルＬに生じる電圧が零であり、トランジスタＴｒがオフであると、オペアンプＯＰ１の出力がハイレベルである。
【００２８】
２）オペアンプＯＰ１の出力がハイレベルであると、抵抗Ｒ３の存在によりトランジスタＴｒのベースはハイレベルとなり、トランジスタＴｒがオンしてトランジスタＴｒに電流が流れ、オペアンプＯＰ１の負入力に入力される電圧が徐々に増加する。
【００２９】
３）このとき、補助巻線Ｌ２には、コイルＬ１を流れる電流に対応する電圧が発生し、この電圧は、抵抗Ｒ１の存在によりトランジスタＴｒのベースを更にハイレベルにバイアスする。
【００３０】
４）トランジスタＴｒに電流が流れ、抵抗Ｒ２により燃料電池１０からの入力電流が検出され、ゲインコントロールアンプＡＰで算出される燃料電池１０からの入力電力が増加し、オペアンプＯＰ１の負入力に入力される電圧が基準電圧Ｖｒｅｆ１と同電位になると、オペアンプＯＰ１の出力はローレベルになり、その結果、ダイオードＤ３の存在によりトランジスタＴｒのベースはローレベルとなり、トランジスタＴｒはオフになる。
【００３１】
５）トランジスタＴｒのオフにより、補助巻線Ｌ２に生じる電圧は反転し、トランジスタＴｒのベースはダイオードＤ１によりローレベルに保たれる。
【００３２】
６）コイルＬ１に蓄積されたエネルギーが徐々になくなり、コイルＬ１に流れる電流が零になり、コイルＬ１に生じる電圧および補助コイルに生じる電圧が零になると、上記１）の状態に戻る。
【００３３】
７）上記１）の状態から６）の状態が繰り返され、トランジスタＴｒのコレクタ電圧は、ダイオードＤ２、コンデンサＣ２で平滑され、出力端子Ｔ２１、Ｔ２２には入力端子Ｔ１１、Ｔ１２に加わる入力電圧Ｖｉｎをアップコンバートした出力電圧Ｖｏｕｔが生じる。
【００３４】
すなわち、図２の回路において、コイルＬ１、補助コイルＬ２、ダイオードＤ１、抵抗Ｒ１、トランジスタＴｒ、抵抗Ｒ２、オペアンプＯＰ１、ダイオードＤ３、抵抗Ｒ３、ダイオードＤ２、コンデンサＣ２、ゲインコントロールアンプＡＰを含む回路は、自励式のアップコンバータを構成しており、オペアンプＯＰ１の負入力に入力される電位が基準電圧Ｖｒｅｆ１と同電位になると、オペアンプＯＰ１の出力はローレベルになり、トランジスタＴｒをオフにするように構成しているので、コイルＬ１を流れる電流は、基準電圧Ｖｒｅｆ１の電圧によりそのピーク値が制限される。
【００３５】
ここで、抵抗Ｒ２は、トランジスタＴｒを介してコイルＬ１を流れる電流に対応する電圧を発生する電流検出回路を構成し、ゲインコントロールアンプＡＰは、燃料電池１０からの入力電力を検出する電力検出回路を構成しており、また、オペアンプＯＰ１、ダイオードＤ１、抵抗Ｒ１を含む回路は、コイルＬ１を流れる電力のピーク値を基準電圧Ｖｒｅｆ１に対応して制限する電力制限回路を構成している。
【００３６】
なお、図２に示す回路において、抵抗Ｒ４、オペアンプＯＰ２、ダイオードＤ４を含む回路は、出力端子Ｔ２１、Ｔ２２に生じる電圧Ｖｏｕｔが、基準電圧電圧Ｖｒｅｆ２を越えると、トランジスタＴｒのベースを強制的にローレベルにして、トランジスタＴｒをオフにし、出力端子Ｔ２１、Ｔ２２からの電圧出力を定電圧に保つ制御回路を構成している。
【００３７】
図３は、図２に示した回路の動作を説明する波形図である。
【００３８】
図３において、波形Ｗは、図２に示した回路で、コイルＬ１に流れる電流波形に入力電圧を乗じた電力波形を示したものである。
【００３９】
図２に示した回路においては、上記１）から６）の状態を繰り返すことにより、トランジスタＴｒがオン、オフして、コイルＬ１には、図３に波形Ｗで示したような三角波電力が流れる。
【００４０】
ところで、図２に示した回路においては、上記コイルＬ１に流れる電流を抵抗Ｒ２で電圧に変換して検出し、ゲインコントロールアンプで、入力電圧Ｖｉｎに比例したゲインを乗ずることにより、電力情報に変換し、入力電力のピーク値Ｖｉｎ×Ｉｐｅａｋを基準電圧Ｖｒｅｆ１の設定電圧に対応して制限している。
【００４１】
そこで、制御対象である図１に示した燃料電池１０の所望の平均電力の値がＶ×Ｉａｖｅであるとすると、図２に示した回路で、Ｖｒｅｆ１とゲインコントロールアンプのゲインＧを次式
Ｇ＝２×Ｖｒｅｆ１×Ｖｉｎ／（Ｖ×Ｉａｖｅ×Ｒ２）
の関係に設定することで、入力電力のピーク値が２×Ｖ×Ｉａｖｅに制限され、結果として、燃料電池１０からの入力電力を所望の平均値Ｖ×Ｉａｖｅに制限することができる。
【００４２】
すなわち、図２に示した回路においては、制御対象である燃料電池１０の出力電力のピーク値Ｖ×Ｉｐｅａｋをこの燃料電池１０が停止せずに安定に動作するために要求される出力電力の平均値Ｖ×Ｉａｖｅの約２倍の値に制限することで、燃料電池１０安定動作を保障している。
【００４３】
また、図２に示す回路においては、コイルＬ１に流れる電流をトランジスタＴｒがオンのときのみ検出し、トランジスタＴｒがオフのときは検出しないようにしているので、このコイルＬ１に流れる電流の検出に要するロスは小さくすることができる。
【００４４】
図４は、図１に示した充電制御装置２０の他の詳細構成を示す回路図である。
【００４５】
この図４に示す回路は、スイッチング素子として電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を用いた点およびコイルＬ１を流れる電流をカレントミラー回路を用いて検出している点が図２に示した回路と異なるだけで、他の点はその動作原理も含めて基本的は図２に示した回路と同一である。
【００４６】
すなわち、図４に示した回路においては、コイルＬ１とダイオードＤ２との接続ラインにＦＥＴＱ１を接続するとともに、このＦＥＴＱ１に並列にゲートが共通接続されたＦＥＴＱ２を接続し、このＦＥＴＱ２のドレインに電流検出用の抵抗Ｒ２を接続する。また、ダイオードＤ１とＦＥＴＱ１およびＦＥＴＱ２のゲートとの間にコンデンサＣ３を接続している。その他の構成は図２に示した回路と同一である。なお、図４においては、説明の簡略化のために、図２と共通する回路部分には、図２で用いた符号と同一の符号を付する。
【００４７】
この図４に示した回路においては、ＦＥＴＱ１とＦＥＴＱ２とでカレントミラー回路を構成することで、コイルＬ１に流れる電流の検出に要するロスは小さくしている。
【００４８】
すなわち、図４に示した回路で、カレントミラー回路を構成するＦＥＴＱ２のサイズ（電流量）をＦＥＴＱ１のサイズの１／Ｎに設定している。
【００４９】
例えば、図２の回路において、抵抗Ｒ２の抵抗値をＲ、トランジスタＴｒを流れる電流をＩとすると、コイルＬ１に流れる電流を検出するために抵抗Ｒ２で生じる損失は、Ｉ＾２×Ｒとなる。
【００５０】
これに対して、図４に示す回路においては、ＦＥＴＱ２を流れる電流Ｉ’は、ＦＥＴＱ１を流れる電流の１／Ｎになる。ここで、Ｒ２で発生する電圧レベルを同じにするために、Ｒ２の抵抗値をＮ×Ｒとすると、図４に示す回路において抵抗Ｒ２で生じる損失は、Ｉ＾２×Ｒ／Ｎとなり、抵抗Ｒ２で生じる損失を１／Ｎに低減することができる。
【００５１】
なお、図２に示した回路においても、バイポーラトランジスタを用いることで、図４の回路と同様のカレントミラー回路を構成することができ、この構成によっても、抵抗Ｒ２で生じる損失を大幅に低減することができる。
【００５２】
図５は、図１に示した充電制御装置２０の更に他の詳細構成を示す回路図である。
【００５３】
図５に示した回路においては、図４に示した回路のコイルＬ１に電磁的に結合した補助巻線Ｌ２を用いた構成をなくし、制御回路ＣＯの出力によりＦＥＴＱ１のオン、オフを制御するように構成したものである。なお、図５においても、説明の簡略化のために、図４と共通する回路部分には、図４で用いた符号と同一の符号を付する。
【００５４】
図５に示した回路においては、図４に示した自励式のアップコンバータに代えて、制御回路ＣＯにより制御される他励式のアップコンバータを採用する。
【００５５】
すなわち、この図５に示した構成においては、制御回路ＣＯに、所定の周波数のクロックパルスを発振する発振器ＯＳの出力を入力するとともに、オペアンプＯＰ１およびＯＰ２の出力を入力し、この制御回路ＣＯの出力でＦＥＴＱ１のオン、オフを制御する。
【００５６】
この図５に示した回路も自励式のアップコンバータを採用するか他励式のアップコンバータを採用するかの点において異なるだけで、他の構成は図４に示したものと同様である。
【００５７】
なお、上記実施の形態においては、この発明を２次電池の充電装置に提供した場合について示したが、燃料電池を用いる他の構成においても同様に適用できるのは勿論である。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したようにこの発明によれば、燃料電池からの入力電力を検出し、この検出した燃料電池からの入力電力のピーク値を制限することで燃料電池からの入力電力の平均値を制御するように構成したので、燃料電池を電源として有効かつ安定に利用可能にした燃料電池の出力制御装置を提供することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係わる燃料電池の出力制御装置を適用して構成した２次電池の充電装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示した充電制御装置２０の詳細構成を示す回路図である。
【図３】図２に示した回路の動作を説明する波形図である。
【図４】図１に示した充電制御装置の他の詳細構成を示す回路図である。
【図５】図１に示した充電制御装置の更に他の詳細構成を示す回路図である。
【符号の説明】
１０    燃料電池
２０    充電制御装置
３０    ２次電池
Ｔ１１、Ｔ１２    入力端子
Ｔ２１、Ｔ２２    出力端子
Ｌ１    コイル（インダクタ）
Ｌ２    コイル（補助巻線）
Ｃ１、Ｃ２    コンデンサ
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４    ダイオード
Ｔｒ    トランジスタ（スイッチング素子）
Ｑ１、Ｑ２    電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）
ＯＳ    発振器
ＣＯ    制御回路
【図１】
2004234903.tif 000003
【図２】
2004234903.tif 000004
【図３】
2004234903.tif 000005
【図４】
2004234903.tif 000006
【図５】
2004234903.tif 000007