(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力を生成する電源と、
前記電源に接続され前記電源により出力された出力電圧を所定電圧に変換する電圧変換装置と、
前記電圧変換装置に並列に接続され、充放電を行う蓄電装置と、
前記電圧変換装置と前記蓄電装置の間に直列に接続され、前記蓄電装置から前記電源への出力の逆流を阻止する整流器と、
前記蓄電装置の内部状態を検出する内部状態検出器と、
前記電圧変換装置の動作を制御する制御装置と、を有し、
前記電圧変換装置はスイッチング素子を有するスイッチング電源であって、
前記制御装置は、前記スイッチング電源の動作周期に対する前記スイッチング素子が通電状態の時間の比であるデューティ比自体の制約条件としての上限を設定し、前記電圧変換装置の第１の出力に対応する前記内部状態検出器の検出値が前記蓄電装置において定められている最大値よりも高いと判断すると、前記デューティ比自体の制約条件としての上限を減少させることで前記電圧変換装置の出力を前記第１の出力よりも低下させ、前記検出値を前記最大値以下とすることを特徴とする電源装置。
【請求項２】
電力を生成する電源と、
前記電源に接続され前記電源により出力された出力電圧を所定電圧に変換する電圧変換装置と、
前記電圧変換装置に並列に接続され、充放電を行う蓄電装置と、
前記電圧変換装置と前記蓄電装置の間に直列に接続され、前記蓄電装置から前記電源への出力の逆流を阻止する整流器と、
前記蓄電装置の内部状態を検出する内部状態検出器と、
前記電圧変換装置の動作を制御する制御装置と、を有し、
前記電圧変換装置はスイッチング素子を有するスイッチング電源であって、
前記制御装置は、前記スイッチング電源の動作周期に対する前記スイッチング素子が通電状態の時間の比であるデューティ比自体の制約条件としての上限を設定することで前記スイッチング電源の出力の上限を調整し、前記電圧変換装置の第１の出力に対応する前記内部状態検出器の検出値が前記蓄電装置において定められている最大値よりも低いと判断すると、前記デューティ比自体の制約条件としての上限を増加させることで前記内部状態検出器が検出する検出値が前記蓄電装置において定められている最大値以下である状態を保ち、前記電圧変換装置の出力を増加させることを特徴とする電源装置。
【請求項３】
前記内部状態検出器は、前記蓄電装置と前記整流器の出力側のノードとの間に前記蓄電装置と直列に接続され、前記蓄電装置への充電電流を検出する充電検出器であり、
前記制御装置は、前記充電検出器の検出値を基に前記電圧変換装置を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の電源装置。
【請求項４】
前記内部状態検出器は、前記蓄電装置に並列に接続され、前記蓄電装置の出力電圧を検出する電圧検出器であり、
前記制御装置は、前記電圧検出器の検出値を基に前記電圧変換装置を制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電源装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の電源は、燃料電池であることを特徴とする電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源と電源により出力された出力電圧を所定電圧に変換する電圧変換装置と負荷に供給される電力の大きさに応じて充放電を行う蓄電装置とを備える電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料電池や太陽電池などの電源と、充放電を行う二次電池やキャパシタ等の充放電装置とを組合せた電源装置が種々開発されている。例えば、燃料電池と充放電装置とを組み合わせることで、負荷変動時において充放電装置が燃料電池の出力を補い、燃料電池への負荷を軽減し燃料電池の過渡応答を低減することにより、電源装置として安定した出力を得ることができる。
【０００３】
このような電源装置に対して、負荷変動を検出すると、電流制限手段が燃料電池の出力電流を燃料電池が追従できる速度で変化させ、充放電装置の放電によって負荷に対して必要な電力を供給する技術が知られている。（例えば、特許文献１参照）
このように、負荷変動に対して充放電装置と協働して負荷の変動に追従することができる。
【特許文献１】特開平５―１５１９８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の図５に示されているｔ１からｔ２の期間において、外部負荷がシャットダウンされるなどして負荷が無くなると、燃料電池の出力が全て蓄電装置へ充電される。このときの電流値が、蓄電装置の仕様で定められた最大の充電電流値以上であると、過電流充電となり蓄電装置が劣化してしまう場合があった。
【０００５】
そこで、本発明は以上の点に鑑みて成されたものであり、負荷変動への追従性が良好であって、かつ簡素な構成で蓄電装置への過充電を回避し、蓄電装置の劣化を防止すると共に安定した出力が得られる電源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の電源装置は、電力を生成する電源と、電源に接続され電源により出力された出力電圧を所定電圧に変換する電圧変換装置と、電圧変換装置に並列に接続され、充放電を行う蓄電装置と、電圧変換装置と蓄電装置の間に直列に接続され、蓄電装置から電源への出力の逆流を阻止する整流器と、蓄電装置の内部状態を検出する内部状態検出器と、電圧変換装置の動作を制御する制御装置と、を有し、制御装置は、内部状態検出器の検出値が蓄電装置において定められている最大値以下となるように電圧変換装置の動作を制御することを要旨とする
かかる特徴によれば、制御装置により、内部状態検出器によって検出される蓄電装置の内部状態は蓄電装置において定められている最大値以下に制御されているので、電源装置は、負荷変動への追従性が良好であって、かつ簡素な構成で蓄電装置への過充電を防止することができる。
【０００７】
また本発明の電源装置の制御装置は、電圧変換装置の第１の出力に対応する内部状態検出器の検出値が蓄電装置において定められている最大値よりも高いと判断すると、電圧変換装置の出力を第１の出力よりも低下させ、検出値を最大値以下とすることを要旨とする。
【０００８】
かかる特徴によれば、内部状態検出器が蓄電装置の状態を監視し、制御装置は内部状態検出器の検出値を基に、電圧変換装置の出力を低下させることで、蓄電装置の過充電状態を回避することができる。
【０００９】
また本発明の電源装置の電圧変換装置は、スイッチング素子を有するスイッチング電源であって、制御装置は、スイッチング電源の動作周期に対するスイッチング素子が通電状態の時間の比であるデューティ比の上限を設定し、デューティ比の上限を減少させることで検出値を蓄電装置において定められている最大値以下とすることを要旨とする。
【００１０】
ここで、スイッチング素子とは、その素子の端子間を通電状態（ＯＮ）と非通電状態（ＯＦＦ）とに切り換える素子で、たとえば、ＭＯＳ−ＦＥＴのように物理的に１個の半導体スイッチ素子から構成される場合だけでなく、トランジスタのダーリントン接続のように複数個のスイッチ素子により１つのスイッチ回路が構成される場合も含まれる。また、スイッチング電源とは、スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを制御・整流することで、入力電力から所望の安定した出力電力を得る電源装置である。
【００１１】
かかる特徴によれば、デューティ比の上限値を設定し、デューティ比の上限を低下させ、スイッチング電源の出力を低下させることで蓄電装置の過充電状態を回避することができる。
【００１２】
また本発明の電源装置の制御装置は、電圧変換装置の第１の出力に対応する内部状態検出器の検出値が蓄電装置において定められている最大値よりも低いと判断すると、内部状態検出器が検出する検出値が、蓄電装置において定められている最大値以下である状態を保ち、電圧変換装置の出力を増加させることを要旨とする。
【００１３】
かかる特徴によれば、内部状態検出器が蓄電装置の充電状態を常に監視し、制御装置は内部状態検出器の検出値を基に、電圧変換装置の出力を蓄電装置が過充電状態にならない範囲で上昇させることで、電源装置は最大の出力を得ることができる。
【００１４】
また本発明の電源装置の電圧変換装置は、スイッチング素子を有するスイッチング電源であって、制御装置は、スイッチング電源の動作周期に対するスイッチング素子が通電状態の時間の比であるデューティ比の上限を設定することでスイッチング電源の出力の上限を調整し、デューティ比の上限を増加させることを要旨とする。
【００１５】
かかる特徴によれば、デューティ比の上限値を設定し、デューティ比の上限を上昇させることで、電源装置は出力を増大させることができる。
【００１６】
また本発明の電源装置の内部状態検出器は、蓄電装置と整流器の出力側のノードとの間に蓄電装置と直列に接続され、蓄電装置への充電電流を検出する充電検出器であり、制御装置は、充電検出器の検出値を基に電圧変換装置を制御することを要旨とする。
【００１７】
かかる特徴によれば、充電検出器の検出値を、蓄電装置において定められている最大の電流値以下となるように電圧変換装置を制御する。
【００１８】
ここで、蓄電装置において定められている最大の電流値とは、蓄電装置の仕様書等で定められた蓄電装置が許容する充電電流の最大電流値であって、制御に若干の余裕を持たせるために、蓄電装置において定められている最大の電流値は、蓄電装置の仕様書等で定められた蓄電装置が許容する充電電流の最大電流値の８０〜１００％に設定することが望ましい。
【００１９】
これにより、充電電流の変化に対して電圧変換装置の出力の応答性が高い制御が可能となる。
【００２０】
また本発明の電源装置の内部状態検出器は、蓄電装置に並列に接続され、蓄電装置の出力電圧を検出する電圧検出器であり、制御装置は、電圧検出器の検出値を基に電圧変換装置を制御することを要旨とする。
【００２１】
かかる特徴によれば、蓄電装置の出力電圧を検出しその検出値を基に電圧変換装置を制御しているため、充電電流を検出しその検出値を基に電圧変換装置を制御する方法と比べ、電力損失が少ない制御が可能となる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、負荷変動への追従性が良好であって、電圧変換装置の出力電圧を調整することにより出力電流をも制御することで、簡素な構成で蓄電装置への過充電を防止し、蓄電装置の劣化を防止すると共に安定した出力が得られる電源装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための形態を説明する。
【００２４】
＜実施の形態１＞
図１は、本発明による電源装置の概略を示す図である。
【００２５】
以下では、電源装置として燃料電池を例に挙げて説明するが、電源装置は燃料電池に限られることはなく、電力を生成する電源であればよい。
【００２６】
図１に示すように、電源装置１は、図示しない燃料供給機構からの燃料の供給によって発電する燃料電池２と、燃料電池２に直列に接続され燃料電池２の出力電圧を所定電圧に調整し出力する電圧変換装置３と、電圧変換装置３の出力端に並列に接続し、充放電を行う蓄電装置４を配置し、負荷５に電力を供給できるように構成した。
【００２７】
燃料電池２には、水素−酸素を燃料とするＰＥＦＣ（固体高分子形燃料電池）を用いた。燃料電池２は、燃料電池の種類によらず、ＤＭＦＣ（ダイレクトメタノール形燃料電池）やＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）、ＭＣＦＣ（溶融炭酸塩形燃料電池）、ＰＡＦＣ（リン酸形燃料電池）等も用いることができる。
【００２８】
電圧変換装置３は、スイッチング制御によって出力電圧を制御する非絶縁形昇圧ＤＣ−ＤＣコンバータを用いた。電圧変換装置３の構成の概略を図４に示す。入力コンデンサ３ａ、インダクタ３ｂ、スイッチング素子３ｃ、整流素子３ｄ、出力コンデンサ３ｅはそれぞれ電源仕様を満たす設計値を満たす素子を選択した。ここでの電源仕様は、８Ｖ・１５Ｗ出力、入力電圧範囲は、１〜８Ｖである。スイッチング素子３ｃは、ＮｃｈのＭＯＳ−ＦＥＴ、整流素子３ｄはショットキバリアダイオードを用いた。
【００２９】
電圧変換装置３の出力の制御は、ＰＷＭ制御回路３ｉによるスイッチング素子３ｃのＯＮ／ＯＦＦ制御によって行われる。ＰＷＭ制御回路３ｉは、電圧リファレンス３ｈと出力電圧を基にしたブリーダ抵抗３ｆの出力の差分を出力する比較器３ｇの出力を基にデューティ比の割合を定める。
【００３０】
蓄電装置４は、鉛蓄電池やニッケル水素二次電池やリチウムイオン二次電池等に代表される繰り返し充放電が可能な二次電池や、コンデンサやキャパシタや電気二重層コンデンサ等の電圧の印加によって電荷・静電エネルギーを蓄え電気容量を得る蓄電器を用いることが可能である。負荷５の動作電圧や最低動作電圧、負荷特性等によって、適切な二次電池あるいは蓄電器の種類を選択し、必要に応じて二次電池あるいは蓄電器を直列接続し負荷５へ供給する電圧を調整することが可能である。
【００３１】
内部状態検出器としてここでは充電検出器６を用い、充電検出器６は蓄電装置４に直列に接続し、蓄電装置４の充放電電流を検出する。充電検出器６は、図示しないが、蓄電装置４に直列に接続された電流検出用のシャント抵抗とシャント抵抗の両端の電圧を検出することにより蓄電装置４の充放電電流を検出する双方向電流検出アンプから構成され、充電検出器６の検出値、すなわち双方向電流検出アンプの出力を制御装置７に入力できるように接続した。
【００３２】
制御装置７は、動作周波数が８ＭＨｚのマイコンを用い、充電検出器６から入力された検出値を基に、電圧変換装置３が生成するスイッチング信号のデューティ比の上限を設定し、電圧変換装置３の動作を制御する構成とした。
【００３３】
蓄電装置４から電圧変換装置３への出力の逆流を防止するために、整流器８を、電圧変換装置３の出力端に直列に接続した。本形態では、整流器８としてショットキダイオードを用いた。
【００３４】
負荷５は、負荷を変化させることのできる電子負荷装置を用い、本形態では、０〜２．０Ａの範囲で負荷変動させるようにした。
【００３５】
この負荷消費電力を供給可能な燃料電池２及び蓄電装置４を準備した。燃料電池２には、負荷の大きさに対して不足のない量の燃料である水素を供給した。
【００３６】
電圧変換装置３の出力電圧を８Ｖに設定し、電圧変換装置３を介して得られる出力が８Ｗ（８Ｖ・１Ａ）となるＰＥＦＣタイプの燃料電池２を用意した。電圧変換装置３の出力が１Ａの時の電圧変換装置３が生成するスイッチング信号のデューティ比をＤ１とする。電圧変換装置３から８Ｗの出力を得たときの燃料電池２の出力は１０Ｗ（４Ｖ・２．５Ａ）であった。このときの電圧変換装置３の電圧変換効率は８０％である。なお、燃料電池２の最大出力は、１８Ｗである。
【００３７】
蓄電装置４は、容量が１０００ｍＡｈのリチウムイオン二次電池を２つ直列接続した。蓄電装置４の電圧は、８．１Ｖであった。蓄電装置４の推奨される充電電流は、仕様上０．６Ｃ充電だったので、６００ｍＡとなる。蓄電装置４を電圧変換装置３で充電を行う場合の電圧変換装置３が出力する最大出力は、８Ｖ×０．６Ａ＝４．８Ｗとなる。電圧変換装置３が負荷５へ１Ａ（８Ｗ）の電力を供給しつつ、蓄電装置４へ０．６Ａの電流で充電を行っているとき、すなわち電圧変換装置３が１．６Ａの電流を出力しているときの電圧変換装置３が生成するスイッチング信号のデューティ比をＤ２とする。
【００３８】
上記の構成の電源装置１に負荷５から負荷（０〜１．０Ａ）を印加した。制御装置７は、電圧変換装置３のデューティ比の最大値がＤ２となるように制御している。電圧変換装置３の設定した出力電圧値よりも蓄電装置４の電圧の方が高いと、整流器４は導通せず、負荷には蓄電装置４から電力が供給される。蓄電装置４の放電と共に蓄電装置４の出力電圧が低下し、蓄電装置４の電圧と整流器４の順方向降下電圧を加えた電圧よりも電圧変換装置３の設定した出力電圧である８Ｖの方が高くなると、負荷５には蓄電装置４と電圧変換装置３から電力が供給される。ここで、負荷５に負荷変動を生じさせると、負荷の大きさと電圧変換装置３の出力インピーダンスと蓄電装置４の出力インピーダンスの大きさと、蓄電装置４の電圧に応じて、電圧変換装置３と蓄電装置４の出力の配分が決まる。本形態では、電圧変換装置３を介して電力を供給する燃料電池２を主電源とし、蓄電装置４は、パルス負荷など急激な負荷変動に対応させ燃料電池２の出力の補助をさせるので、蓄電装置４の出力インピーダンスよりも電圧変換装置３の出力インピーダンスの方が小さくなるように設定した。電圧変換装置３のデューティ比の最大値をＤ２とすれば、負荷５の消費電流が０〜１．０Ａの範囲において、電圧変換装置３は、負荷５へ電流を供給しつつ、蓄電装置４を推奨される電流値（０．６Ａ）で充電を行うことが可能である。
【００３９】
電源装置１に負荷５から１．０〜１．６Ａの負荷を印加すると、負荷５には電圧変換装置３を介して燃料電池２から所望の電力が供給され、蓄電装置４は、負荷５の消費電流値に応じて０〜０．６Ａの範囲の電流で電圧変換装置３を介して燃料電池２から充電される。
【００４０】
電源装置１に負荷５から１．６〜２．０Ａの負荷を印加すると、負荷５には電圧変換装置３を介して燃料電池２から１．６Ａが供給される。このとき電圧変換装置３のデューティ比の上限が設定されていなければ、燃料電池２の最大出力（１８Ｗ）に電圧変換装置の変換効率８０％を乗じた１４．４Ｗ（８Ｖ・１．８Ａ）を供給することが可能であるが、燃料電池２への過負荷を回避するために電圧変換装置３のデューティ比Ｄ２を上限として増加させ、電圧変換装置３から１．６Ａ以上の電流が出力されないように制御している。負荷５が１．６〜２．０Ａの範囲で負荷変動している場合は、電圧変換装置３から１．６Ａが出力され、電流の不足分は蓄電装置４から出力される。蓄電装置４から負荷５へ電力を供給している場合は、蓄電装置４の出力電圧は低下していく。
【００４１】
蓄電装置４の出力電圧が低下した状態、本形態では８Ｖ以下となった場合、負荷５が軽負荷になると、電圧変換装置３を介して燃料電池２の出力が蓄電装置４へ充電される。電圧変換装置３のデューティ比の上限がＤ２の状態で、負荷５の消費電流が１．０Ａ以上であれば、蓄電装置４への充電電流は、推奨される充電電流値である０．６Ａ以下である。負荷５の消費電流が１．０Ａ以下となると、蓄電装置４への充電電流は、０．６Ａを超えてしまうので、制御装置７が充電検出器６の充電電流の検出値が０．６Ａを超えていると判断すると、制御装置７は、蓄電装置４への充電電流が０．６Ａ以下となるように電圧変換装置３のデューティ比の上限を徐々に減少させる。
【００４２】
蓄電装置４の出力電圧が８Ｖ以下で、電圧変換装置３を介して燃料電池２の出力が蓄電装置４へ充電されているときに、負荷が増加した場合は、蓄電装置４への充電電流が減少し、負荷５へ電力が供給される。さらに大きな負荷が電源装置１へ加わった場合には、蓄電装置４からも負荷５へ電力が供給される。そこで、制御装置７は、充電検出器６が蓄電装置４への充電電流が０．６Ａ以下に減少した場合や、蓄電装置４が放電していることを検出すると、電圧変換装置３のデューティ比の上限をＤ２に増加させる。
【００４３】
図３は図１に示す電源装置１の制御装置７における制御手順を示すフローチャートである。本形態では、制御装置７が蓄電装置４の充放電電流に応じて、電圧変換装置３が生成するスイッチング信号のデューティ比の上限を適宜変更して制御するものである。具体的には次の通りである。
【００４４】
電圧変換装置３が起動すると制御フローが開始され（Ｓ１）、制御装置７は、電圧変換装置３が生成するスイッチング信号のデューティ比の上限をＤ１に設定する（Ｓ２）。なお、本形態では、デューティ比の上限をＤ１に設定したが、設定値はＤ２以下で電圧変換装置３が蓄電装置４の電圧まで電圧変換が可能な値の範囲で設定が可能である。例えば、蓄電装置への過充電の保護を厚くする場合には、充電電流である６００ｍＡが出力の上限となるデューティ比（Ｄ１‘）に設定しても良い。
【００４５】
充電検出器６の検出値により、蓄電装置４が放電しているか充電されているかを制御装置７が判断する（Ｓ３）。Ｓ３において、蓄電装置４が放電していると制御装置７が判断すると、Ｓ３の処理を繰り返す。蓄電装置４が充電されていると制御装置７が判断すると、蓄電装置４への充電電流が、蓄電装置４の充電特性における最大の電流値以上であるか否かを制御装置７が判断する（Ｓ４）。
【００４６】
Ｓ４において、蓄電装置４への充電電流が、蓄電装置４の充電特性における最大の電流値以上であると、制御装置７は、充電検出器６で検出される充電電流値が蓄電装置４における充電特性における最大の電流値以下になるまで電圧変換装置３のデューティ比の上限を減少させて（Ｓ５）、Ｓ３の制御フローへ移行する。
【００４７】
Ｓ４において、蓄電装置４への充電電流が、蓄電装置４での充電特性における最大の電流値以上でなければ、制御装置７は、電圧変換装置３のデューティ比の上限を、Ｄ２を上限に増加させ（Ｓ６）、充電電流が増加すると（Ｓ７）Ｓ３の制御フローへ移行する。充電電流が増加しなければ、電圧変換装置３のデューティ比を規定値に設定し（Ｓ８）、Ｓ３の制御フローへ移行する。
【００４８】
電圧変換装置３の駆動中は、上述の制御フローが行われる。
【００４９】
かかる特徴によれば、蓄電装置４の充放電電流に応じて制御装置７が電圧変換装置３のデューティ比の上限を適切に変化させる構成とすることによって、簡易な構成で蓄電装置４への過電流充電を回避し、蓄電装置の劣化を防止することができ、かつ負荷５へ安定的に電力を供給することのできる電源装置を提供することが可能となった。
＜実施の形態２＞
図２は本発明の第２の実施の形態にかかる電源装置を示す概略図である。
【００５０】
図２の電源装置１１において、図１の電源装置と同一の目的で使用するブロックについては、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。同図に示すように、図２の電源装置１１は、図１の電源装置と異なり、整流器８のダイオードを整流器８１のＰｃｈのＭＯＳ−ＦＥＴに変更し、充電検出器６、および蓄電装置４と直列に切換器９を設け、蓄電装置４の電圧を検出する電圧検出器１０、電圧変換装置３の出力電圧を検出する電圧検出器１２、および電圧変換装置３のデューティ比の制御だけでなく整流器８１と切換器９の導通状態も変更することができる制御装置７１を設置した構成である。制御装置７１は、電圧検出器１０および電圧検出器１２の検出値を基に整流器８１と切換器９の導通状態を変更する構成とした。制御装置７１は、電圧検出器１２の検出値が電圧変換装置に一致し、かつ電圧検出器１０が検出する蓄電装置４の検出値よりも高いときに整流器８１を導通状態とする信号を整流器８１に送信する。また、制御装置７１は、電圧検出器１０の検出値が、蓄電装置４の下限動作電圧以下であることを検出すると、整流器８１および切換器９を非導通状態とする信号をそれぞれに送信する。
【００５１】
また、制御装置７１は、充電検出器６、及び電圧検出器１０の検出値を基に、蓄電装置４が、デューティ比の制御にかかわらず、放電電流が蓄電装置の容量に対して大きすぎる場合や、蓄電装置の通常使用における放電下限電圧以下の状態などの過放電状態や、過電流充電や蓄電装置への充電電圧が蓄電装置の仕様の電圧を上回るような過充電状態であることを検出すると、切換器９を非導通状態とする信号を切換器９に送信する。
【００５２】
制御装置７１による電圧変換装置３のデューティ比の上限の制御フローは、実施の形態１と変わりなく、図３に示した通りである。
【００５３】
これにより、実施の形態１におけるショットキダイオードの整流器８による順方向降下電圧による損失を低減し、蓄電装置４の過放電等を防止し、負荷へ安定的に電力を供給することが可能となる。また、制御装置７１は、電圧変換装置３の出力電圧、蓄電装置４の端子間電圧をそれぞれ、電圧検出器１２、電圧検出器１０の検出値より得ることで、蓄電装置４への過充電や過放電を防止することが可能となる。
【００５４】
これによって、電源装置の動作時のエネルギー損失が減少し、燃料電池が有する燃料から、電源装置が得られる電気エネルギーへの変換効率が向上した。
＜実施の形態３＞
図５は本実施例における本発明を適用した電源装置の概略図を示す図である。実施例１から実施例２で示した図１から図４と同一部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００５５】
図５に示すように、電源装置１１１は、図示しない燃料供給機構からの燃料の供給によって発電する燃料電池２と、燃料電池２に直列に接続され燃料電池２の出力電圧を所定電圧に調整し出力する電圧変換装置３と、電圧変換装置３の出力端に並列に接続し、充放電を行う蓄電装置４を配置し、負荷５に電力を供給できるように構成した。
【００５６】
電圧変換装置３は、スイッチング制御によって出力電圧を制御する非絶縁形昇圧ＤＣ−ＤＣコンバータを用いた。電圧変換装置３の構成の概略を図６に示す。入力コンデンサ３ａ、インダクタ３ｂ、スイッチング素子３ｃ、整流素子３ｄ、出力コンデンサ３ｅはそれぞれ電源仕様を満たす設計値を満たす素子を選択した。ここでの電源仕様は、８Ｖ・１５Ｗ出力、入力電圧範囲は、１〜８Ｖである。スイッチング素子３ｃは、ＮｃｈのＭＯＳ−ＦＥＴ、整流素子３ｄはショットキバリアダイオードを用いた。
【００５７】
電圧変換装置３の出力の制御は、ＰＷＭ制御回路３ｉによるスイッチング素子３ｃのＯＮ／ＯＦＦ制御によって行われる。ＰＷＭ制御回路３ｉは、電圧リファレンス３ｈと出力電圧を基にしたブリーダ抵抗３ｆの出力の差分を出力する比較器３ｇの出力を基にデューティ比の割合を定める。
【００５８】
蓄電装置４は、鉛蓄電池やニッケル水素二次電池やリチウムイオン二次電池等に代表される繰り返し充放電が可能な二次電池や、コンデンサやキャパシタや電気二重層コンデンサ等の電圧の印加によって電荷・静電エネルギーを蓄え電気容量を得る蓄電器を用いることが可能である。負荷５の動作電圧や最低動作電圧、負荷特性等によって、適切な二次電池あるいは蓄電器の種類を選択し、必要に応じて二次電池あるいは蓄電器を直列接続し負荷５へ供給する電圧を調整することが可能である。
【００５９】
本実施例では、内部状態検出器として電圧検出器１０を用い、電圧検出器１０は蓄電装置４に並列に接続し、蓄電装置４の出力電圧を検知する。電圧検出器１０と制御装置７２を接続し、制御装置７２に電圧検出器１０が検知した蓄電装置４の出力電圧の情報を入力する。
【００６０】
制御装置７２には、動作周波数が８ＭＨｚのマイコンを用い、電圧検出器１０から入力された検出値から蓄電装置４の電圧変化率を算出し、その電圧変化率を基に電圧変換装置３が生成するスイッチング信号のデューティ比の上限を設定し、電圧変換装置３の動作を制御する構成とした。
【００６１】
蓄電装置４から電圧変換装置３への出力の逆流を防止するために、整流器８を、電圧変換装置３の出力端に直列に接続した。本形態では、整流器８としてショットキダイオードを用いたが、用いなくても良い。
【００６２】
負荷５は、負荷を変化させることのできる電子負荷装置を用い、本形態では、０〜２．０Ａの範囲で負荷変動させるようにした。
【００６３】
この負荷消費電力を供給可能な燃料電池２及び蓄電装置４を準備した。燃料電池２には、負荷の大きさに対して不足のない量の燃料である水素を供給した。
【００６４】
電圧変換装置３の出力電圧を８Ｖに設定し、電圧変換装置３を介して８Ｗ（８Ｖ・１Ａ）の電力が十分に得られるＰＥＦＣタイプの燃料電池２を用意した。
【００６５】
電圧変換装置３から８Ｗの出力得たときの燃料電池２の出力は１０Ｗ（４Ｖ・２．５Ａ）であった。このときの電圧変換装置３の電圧変換効率は８０％である。なお、燃料電池２の最大出力は、１８Ｗである。
【００６６】
蓄電装置４は、容量が１０００ｍＡｈのリチウムイオン二次電池を２つ直列接続した。蓄電装置４の電圧は、８．１Ｖであった。蓄電装置４の推奨される充電電流は、仕様上０．６Ｃ充電だったので、６００ｍＡとなる。このときの電圧上昇率は、０．４ｍＶ／ｓｅｃであった。
【００６７】
ここで、蓄電装置４において推奨される充電電流値での充電を行っている際の蓄電装置４の電圧上昇率を電圧変化率の設定値とする。実施の形態３においては、電圧変化率の設定値を０．４ｍＶ／ｓｅｃと設定する。
【００６８】
制御装置７２は制御装置７２が算出した電圧変化率と電圧変化率の設定値とを比較し、電圧変換装置３が生成するスイッチング信号のデューティ比の上限を設定する。
【００６９】
図７は図６に示す電源装置の制御装置７２における制御手順を示すフローチャートである。本形態では、制御装置７２が蓄電装置４の電圧変化率に応じて、電圧変換装置３が生成するスイッチング信号のデューティ比の上限を適宜変更して制御するものである。具体的には次の通りである。
【００７０】
電圧変換装置３が起動すると制御フローが開始され（ＳＳ１）、制御装置７２は、電圧変換装置３が生成するスイッチング信号のデューティ比の上限を電圧変換装置３において設定可能な最小のデューティ比に設定する（ＳＳ２）。
【００７１】
続いて電圧検出器１０が検出した値を制御装置７２が定期的にサンプリングを行い、蓄電装置４の電圧変化率を算出し、電圧変化率が負であれば蓄電装置４が放電状態であると制御装置７２が判断しＳＳ４のステップに進み、電圧変化率が正であれば蓄電装置４が充電状態であると判断しＳＳ５のステップに進む（ＳＳ３）。ＳＳ４では、制御装置７２は予め設定した電源装置１１１の定格出力時のデューティ比を上限値として設定する。ＳＳ５では蓄電装置４の電圧変化率と予め設定した電圧変化率の設定値とを比較する。このとき電圧変化率の設定値より蓄電装置４の電圧変化率のほうが大きい場合は、デューティ比の上限値を減少させ（ＳＳ６）、ＳＳ３のステップへ進む。ＳＳ５において、電圧変化率の設定値より蓄電装置４の電圧変化率のほうが小さい場合は、ＳＳ７のステップに進み電圧検出器１０の検出値が電源装置１１１の最大出力電圧である場合、ステップＳＳ８に進み、制御装置７２はデューティ比を所定値に設定する。ＳＳ７で電圧検出器１０の検出値が電源装置１１１の最大出力電圧より低い場合、ステップＳＳ９に進み、制御装置７２が設定するデューティ比の上限値が、所定値であるか否かを判断し、制御装置７２が設定するデューティ比の上限値が所定値の場合、ＳＳ３のステップへ進み、制御装置７２が設定するデューティ比の上限値が、所定値より小さい場合は、デューティ比の上限の設定値を増加させ（ＳＳ１０）、ＳＳ３のステップへ進む。
【００７２】
電圧変換装置３の駆動中は、上述の制御フローが行われる。
【００７３】
かかる特徴によれば、蓄電装置４の充放電状態を電圧変化率で検出し、その電圧変化率に応じて制御装置７２が電圧変換装置３のデューティ比の上限を適切に変化させる構成とすることによって、簡易な構成で蓄電装置４への過充電を回避し、蓄電装置の劣化を防止することができ、かつ負荷５へ安定的に電力を供給することのできる燃料電池装置を提供することが可能となった。また、蓄電装置４の充放電状態を抵抗器を用いて電流値として検出しデューティ比を制御する実施の形態１と比較して、実施の形態３では、抵抗器を用いない分、電力損失が減少するため、効率的に電源装置１１１を運転することが可能となった。
＜実施の形態４＞
図８は本実施例における本発明を適用した電源装置の概略図を示す図である。実施例１から実施例３で示した図１から図７と同一部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００７４】
電源装置１１２の電源として太陽電池２１を用い、内部状態検出器として電圧検出器１０を用いた。
【００７５】
太陽電池２１に直列に接続され太陽電池２１の出力電圧を所定電圧に調整し出力する電圧変換装置３と、電圧変換装置３の出力端に並列に接続し、充放電を行う蓄電装置４を配置し、負荷５に電力を供給できるように構成した。
【００７６】
蓄電装置４は、容量が１０００ｍＡｈのリチウムイオン二次電池を２つ直列接続した。蓄電装置４の推奨される充電電流は６００ｍＡであり、このときの電圧上昇率は、０．４ｍＶ／ｓｅｃであった。
【００７７】
電圧検出器１０は、蓄電装置４に並列に接続し、蓄電装置４の出力電圧を検知する。電圧検出器１０と制御装置７３を接続し、制御装置７３に電圧検出器１０が検知した蓄電装置４の出力電圧の情報を入力する。
【００７８】
制御装置７３には、動作周波数が８ＭＨｚのマイコンを用い、電圧検出器１０から入力された検出値から蓄電装置４の電圧変化率を算出し、その電圧変化率を基に電圧変換装置３が生成するスイッチング信号のデューティ比の上限を設定し、電圧変換装置３の動作を制御する構成とした。
【００７９】
蓄電装置４から電圧変換装置３への出力の逆流を防止するために、整流器８を、電圧変換装置３の出力端に直列に接続した。本形態では、整流器８としてショットキダイオードを用いた。
【００８０】
負荷５は、負荷を変化させることのできる電子負荷装置を用い、本形態では、０〜２．０Ａの範囲で負荷変動させるようにした。
【００８１】
この負荷消費電力を供給可能な太陽電池２１及び蓄電装置４を準備した。太陽電池２１には、負荷の大きさに対して不足のない量の光量を照射した。
【００８２】
ここで、蓄電装置４において推奨される充電電流値での充電を行っている際の蓄電装置４の電圧上昇率を電圧変化率の設定値とする。実施の形態４においては、電圧変化率の設定値を０．４ｍＶ／ｓｅｃと設定する。
【００８３】
制御装置７３は制御装置７３が算出した電圧変化率と電圧変化率の設定値とを比較し、電圧変換装置３が生成するスイッチング信号のデューティ比の上限を設定する。
【００８４】
太陽電池装置２１の制御装置７３における制御手順を示すフローチャートは、実施の形態３で示した図７の通りで、制御フローは実施の形態３と同等のフローである。本形態においても、制御装置７３が蓄電装置４の電圧変化率に応じて、電圧変換装置３が生成するスイッチング信号のデューティ比の上限を適宜変更して制御することで、蓄電装置４の充放状態を電圧変化率で検出し、その電圧変化率に応じて制御装置７３が電圧変換装置３のデューティ比の上限を適切に変化させる構成とすることによって、簡易な構成で蓄電装置４への過充電を回避し、蓄電装置の劣化を防止することができ、かつ負荷５へ安定的に電力を供給することのできる電源装置を提供することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明の実施例１に係る電源装置の概略構成図である。
【図２】本発明の実施例２に係る電源装置の概略構成図である。
【図３】本発明の実施例１に係る電源装置の制御フローチャートである。
【図４】図１に示す電圧変換装置３の内部の概略構成を示す図である。
【図５】本発明の実施例３に係る電源装置の概略構成図である。
【図６】図５に示す電圧変換装置３の内部の概略構成を示す図である。
【図７】本発明の実施例３および実施例４に係る電源装置の制御フローチャートである。
【図８】本発明の実施例４に係る電源装置の概略構成図である。
【符号の説明】
【００８６】
１…電源装置、２…燃料電池、３…電圧変換装置、４…蓄電装置、５…負荷、６…充電検出器、７…制御装置、８…整流器、９…切換器、１０…電圧検出器、１１…電源装置、１２…電圧検出器、２１…太陽電池、７１…制御装置、７２…制御装置、７３…制御装置、８１…整流器、１１１…電源装置、１１２…電源装置
【図１】
0005336791.tif 000002
【図２】
0005336791.tif 000003
【図３】
0005336791.tif 000004
【図４】
0005336791.tif 000005
【図５】
0005336791.tif 000006
【図６】
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【図７】
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【図８】
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