專利名稱：電源裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種具備燃料電池的電源裝置。
背景技術：
近年來，作為筆記本電腦及手機等電子設備的電源，可長時間持續供電的燃料電池越來越引人注目。現已開發出各種各樣的燃料電池，但作為要求小型化的筆記本電腦等便攜式電子設備的電源，不通過改質器(reformer)來改質燃料而直接供電的類型的燃料電池，例如直接甲醇型燃料電池(direct methanol fuel cell)(以下稱“DMFC”)被寄予厚望。
另外，DMFC包括回收所供應的甲醇中未使用的燃料電池而予以再利用的燃料循環型，和不再利用未使用的甲醇的燃料非循環型。對于燃料循環型，可以使工作點穩定，從而容易得到穩定的發電電力，但由于需要有用于回收未使用的甲醇的回收機構(循環泵等)，因此存在結構復雜化、裝置大型化的缺點。另一方面，對于燃料非循環型，雖然不需要回收機構，可實現裝置的小型化，但卻存在大量排出有毒物質甲醇這一問題，而且，從提高發電效率的觀點出發，完全消耗所供應的甲醇，也就是使其完全燃燒這一點也極為重要。
圖11是DMFC的甲醇(燃料)供應量的電流電壓特性、電流電力特性以及排出率特性的坐標示意圖。圖11中，縱軸表示DMFC的輸出電壓(V)、輸出電力(W)以及排出率(％)，橫軸表示DMFC的輸出電流(A)。C11～C13分別表示燃料的供應量為0.1cc/min、0.2cc/min和0.3cc/min時的電流電壓特性曲線。C21～C23分別表示燃料的供應量為0.1cc/min、0.2cc/min和0.3cc/min時的電流電力特性曲線。C31表示燃料的供應量為0.3cc/min時的輸出電流與排出率的關系。其中，排出率是以百分率表示排出的燃料相對于供應的燃料的比率。
如圖11所示，可知燃料的供應量越高，可以得到越高的輸出電力。另外，如C11～C13所示，隨著輸出電流的增大，輸出電壓降低。此外，如C31所示，隨著輸出電流的增大，排出率降低。
以下，以燃料的供應量為0.3mm/min時為例進行說明。如C13所示，可知在輸出電流達到A3之前，電壓平緩下降，但輸出電流超過A3后，電壓則急劇下降。另一方面，如C31所示，輸出電流達到A3時，供應的燃料基本上完全消耗。因此，從使燃料完全燃燒的觀點出發，將燃料電池的工作點設定在輸出電流大于A3的點為宜，但此時輸出電流略微增大，輸出電壓即會急劇下降，從而無法向負載裝置提供穩定的輸出電壓。
因此，對于燃料非循環型，要求將工作點設定在電力最大點P附近，同時進行嚴格的控制，不使該工作點發生改變。專利文獻1公開了一種燃料電池電壓發生裝置，該裝置包括被連接在燃料電池輸出側的DC/DC轉換器、被連接在DC/DC轉換器輸出側的二次電池以及向DC/DC轉換器提供脈寬調制信號(以下稱PWM信號)的開關控制器，其中開關控制器基于燃料電池的輸出電壓與基準值的差值來計算PWM信號的占空比。
另外，專利文獻2公開了一種電源裝置，該裝置包括燃料電池、DC轉換器、二次電池以及控制DC轉換器的微處理器，可改變流經DC轉換器的電流的最大值，以便使燃料電池的電壓在包含最大電力的指定的范圍內。
專利文獻1 USP 6,590,370 B1專利文獻2 USP 5,714,874發明內容然而，由于專利文獻1所記載的燃料電池電壓發生裝置及專利文獻2所記載的電源裝置，均以燃料電池輸出的電壓或電流、即輸入到DC/DC轉換器的電壓或電流作為負反饋信號(negative feedback signal)，因此，在負載裝置要求的電壓急劇增大、DC/DC轉換器的增益(gain)急劇增大時，存在從燃料電池輸出的電壓發生振蕩等而使發電電力不穩定的問題。而且，還存在需要用來比較燃料電池的電壓與基準值的電路或根據兩者的差值來改變占空比的電路等，從而導致電路規模增大的問題。
本發明的目的在于，提供一種可以不用由燃料電池輸出的電壓或電流就能使燃料電池的發電電力穩定的電源裝置。
本發明所提供的電源裝置，包括燃料電池、調節由上述燃料電池輸出的電壓將其輸出到并聯的負載裝置的DC/DC轉換器、生成用來控制上述DC/DC轉換器的PWM信號并輸出到上述DC/DC轉換器的信號生成單元、與上述負載裝置并聯的二次電池、測量由上述DC/DC轉換器輸出的電壓的電壓測量單元，其中，上述信號生成單元，基于表示由上述燃料電池輸出的電壓的目標值的電池電壓目標值和由上述電壓測量單元測量的電壓測量值，計算出上述PWM信號的占空比(duty ratio)。
根據該結構，由燃料電池輸出的電壓通過DC/DC轉換器調整后被輸出到并聯的負載裝置。另外，用DC/DC轉換器輸出的電力進行充電的二次電池與負載裝置并聯，當負載裝置的電力不足時，二次電池放電來補充不足的電力。由DC/DC轉換器輸出的電壓通過電壓測量單元而被測量，基于測量到的電壓和表示由燃料電池輸出的電壓的目標值的電池電壓目標值，向DC/DC轉換器輸出的PWM信號的占空比得以計算，根據計算出的占空比的PWM信號，DC/DC轉換器得以控制。由此，負載裝置可得到所需要的電力，并且，燃料電池的工作點可保持固定。
這樣，由于不使用由燃料電池輸出的電壓作為負反饋信號，而使用由DC/DC轉換器輸出的電壓來控制DC/DC轉換器，因此，燃料電池輸出的電壓的振蕩得以避免，從而可以一面向負載裝置供應所需要的電力，一面使燃料電池的發電電力穩定。而且，不需要用來比較燃料電池的電壓與基準值的電路或根據兩者的差值來改變占空比的電路等，從而可謀求電路的小型化。
而且，本發明還提供另一種電源裝置，包括燃料電池、調節由上述燃料電池輸出的電壓將其輸出到并聯的負載裝置的DC/DC轉換器、生成用來控制上述DC/DC轉換器的PWM信號并輸出到上述DC/DC轉換器的信號生成單元、與上述負載裝置并聯的二次電池、測量由上述DC/DC轉換器輸出的電流的電流測量單元，其中，上述信號生成單元，基于表示由上述燃料電池輸出的電流的目標值的電池電流目標值和由上述電流測量單元測量的電流測量值，計算出上述PWM信號的占空比。
根據該結構，由燃料電池輸出的電壓通過DC/DC轉換器調整后被輸出到并聯的負載裝置。另外，用DC/DC轉換器輸出的電力進行充電的二次電池與負載裝置并聯，當負載裝置的電力不足時，二次電池放電來補充不足的電力。由DC/DC轉換器輸出的電流通過電流測量單元而被測量，基于測量到的電流和表示由燃料電池輸出的電流的目標值的電池電流目標值，向DC/DC轉換器輸出的PWM信號的占空比得以計算，根據計算出的占空比的PWM信號，DC/DC轉換器得以控制。由此，負載裝置可得到所需要的電力，并且，燃料電池的工作點可保持固定。
這樣，由于不使用由燃料電池輸出的電壓作為負反饋信號，而使用由DC/DC轉換器輸出的電流來控制DC/DC轉換器，因此，燃料電池輸出的電壓的振蕩得以避免，從而可以一面向負載裝置供應所需要的電力，一面使燃料電池的發電電力穩定。而且，不需要用來比較燃料電池的電壓與基準值的電路或根據兩者的差值來改變占空比的電路等，從而可謀求電路的小型化。
另外，本發明還提供又一種電源裝置，包括燃料電池、調節由上述燃料電池輸出的電壓將其輸出到并聯的負載裝置的DC/DC轉換器、生成用來控制上述DC/DC轉換器的PWM信號并輸出到上述DC/DC轉換器的信號生成單元、與上述負載裝置并聯的二次電池、測量由上述DC/DC轉換器輸出的電壓的電壓測量單元、測量由上述DC/DC轉換器輸出的電流的電流測量單元，其中，上述信號生成單元，基于表示由上述燃料電池輸出的電壓的目標值的電池電壓目標值或表示由上述燃料電池輸出的電流的目標值的電池電流目標值、由上述電壓測量單元測量的電壓測量值以及由上述電流測量單元測量的電流測量值，計算出上述PWM信號的占空比。
根據該結構，由燃料電池輸出的電壓通過DC/DC轉換器調整后被輸出到并聯的負載裝置。另外，用DC/DC轉換器輸出的電力進行充電的二次電池與負載裝置并聯，當負載裝置的電力不足時，二次電池放電來補充不足的電力。由DC/DC轉換器輸出的電壓及電流，分別通過電壓測量單元和電流測量單元而被測量，基于測量到的電壓及電流、表示由燃料電池輸出的電壓的目標值的電池電壓目標值或表示由燃料電池輸出的電流的目標值的電池電流目標值，向DC/DC轉換器輸出的PWM信號的占空比得以計算，根據計算出的占空比的PWM信號，DC/DC轉換器得以控制。由此，負載裝置可得到所需要的電力，并且，燃料電池的工作點可保持固定。
這樣，由于不使用由燃料電池輸出的電壓作為負反饋信號，而使用由DC/DC轉換器輸出的電壓及電流來控制DC/DC轉換器，因此，燃料電池輸出的電壓的振蕩得以避免，從而可以一面向負載裝置供應所需要的電力，一面使燃料電池的發電電力穩定。而且，不需要用來比較燃料電池的電壓與基準值的電路或根據兩者的差值來改變占空比的電路等，從而可謀求電路的小型化。


圖1是本發明第1實施例的電源裝置的方框圖。
圖2是占空比的說明圖。
圖3是表示升壓型DC/DC轉換器結構的電路圖。
圖4是表示降壓型DC/DC轉換器結構的電路圖。
圖5是表示倒相型DC/DC轉換器結構的電路圖。
圖6是表示升降壓型DC/DC轉換器結構的電路圖。
圖7是表示第2實施例的電源裝置結構的方框圖。
圖8是表示第3實施例的電源裝置結構的方框圖。
圖9是表示第4實施例的電源裝置結構的方框圖。
圖10是表示回掃型DC/DC轉換器結構的電路圖。
圖11是DMFC的甲醇(燃料)供應量的電流電壓特性、電流電力特性以及排出率特性的坐標示意圖。
具體實施例方式
以下結合附圖，對實施本發明的具體的實施例進行說明。
(第1實施例)圖1是本發明第1實施例的電源裝置的方框圖。如圖1所示，電源裝置包括燃料電池110、DC/DC轉換器120、開關控制器130、電壓測量器140、二次電池150以及控制部160。
燃料電池110，其輸出端子與DC/DC轉換器120的輸入端子連接。二次電池150及負載裝置200被并聯在DC/DC轉換器120的輸出端子上。在DC/DC轉換器120的輸出端子的陽極一側及開關控制器130的之間連接有電壓測量器140。
燃料電池110為燃料非循環型DMFC，包括電池組(cell stack)111、燃料供應裝置112、凈化部113、稀釋箱114、甲醇箱115以及泵116～119。燃料供應裝置112，按照控制部160發出的指令控制泵116～119，來調節供應給燃料電池110的燃料及空氣量。
電池組111由1個或串聯的多個燃料電池元件111a等組成。燃料電池元件11la包括被供應燃料的燃料極(陰極)及被供應空氣的空氣極(陽極)。燃料極促成甲醇與水反應而形成二氧化碳、氫離子及電子(CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-)。空氣極促成在燃料極形成的氫離子與空氣反應而形成水(3/2O2+6H++6e-→3H2O)。通過該反應而產生的吉布斯能量(gibbs energy)被轉換為電能，直流電流則從燃料電池110予以輸出。
凈化部113，使電池組111排出的未消耗的甲醇轉變為二氧化碳及水，凈化未消耗的甲醇(CH3OH)。
甲醇箱115貯存指定濃度的甲醇。泵117在燃料供應裝置112的控制下，向稀釋箱114供應甲醇。泵116在燃料供應裝置112的控制下，向稀釋箱114供應從電池組111排出的水。稀釋箱114貯存被稀釋至指定濃度的甲醇。泵119在燃料供應裝置112的控制下，向電池組111供應空氣。泵118在燃料供應裝置112的控制下，將稀釋箱114中的甲醇供應給電池組111。
DC/DC轉換器120為升壓型(BOOST型)DC/DC轉換器，可接收由開關控制器130輸出的PWM信號，將由燃料電池110輸出的電壓升壓，使得燃料電池110輸出的電壓成為預先設定的電池電壓目標值，并將其輸出到負載裝置200。
電壓測量器140由A/D轉換器構成，用來測量DC/DC轉換器120輸出的電壓Vout，并輸出到開關控制器130。二次電池150，在DC/DC轉換器120輸出的電力有富余時，用富余的電力充電，而在DC/DC轉換器120輸出的電力不足時，則向負載裝置200供應不足的電力。因此，二次電池150能夠吸收負載裝置200的電力的急劇變化。
開關控制器130由CPU及PWM信號生成器等構成，利用由控制部160設定的電池電壓目標值Vt和電壓測量器140所測量的由DC/DC轉換器輸出的電壓Vout，執行公式(1)所示的演算，計算向DC/DC轉換器120輸出的PWM信號的占空比D，生成計算出的占空比D的PWM信號。
D(％)＝(1-Vt/Vout)×100(％)…… (1)圖2是占空比的說明圖。如圖2所示，占空比是脈沖信號的高電平期間Ton對脈沖信號的周期T的比率。在第1實施例中，PWM信號的周期T為固定。另外，以下所示的第2實施例～第15實施例中，PWM信號的周期T也為固定。而且，對于周期T，通過考慮紋波電流(ripple current)的大小、線圈的大小等，其最佳值可以被預先設定。
負載裝置200可為筆記本電腦、手機等便攜電子設備。控制部160控制燃料供應裝置12，使一定量的甲醇從稀釋箱114供應到電池組111，并且將根據所供應的甲醇量而預先設定的電池電壓目標值Vt輸出到開關控制器130。
詳細而言，控制部160包括存儲裝置(圖略)，存儲將甲醇的供應量與相對于供應量而預先設定的電池電壓目標值對應起來的目標值決定表，參照該目標值決定表，來決定電池電壓目標值Vt。
該目標值決定表中，在圖11所示的每一個供應量的被特別指定的電流電壓特性曲線中，以工作點為電力最大點P的電壓作為電池電壓目標值而予以存儲。該電池電壓目標值是通過實驗等而得到的值。
圖3是表示升壓型DC/DC轉換器結構的電路圖。如圖3所示，升壓型DC/DC轉換器包括線圈L1、兩個開關Q1、Q2以及倒相電路I1。線圈L1，其一端與燃料電池110的輸入端子的陽極連接，另一端與開關Q1連接。開關Q2，其一端與線圈L1及開關Q1連接，另一端與二次電池150的陽極連接。開關Q1、Q2具備被輸入PWM信號的控制端子。
開關Q1及開關Q2由雙極晶體管(bipolar transistor)、場效應晶體管(field-effecttransistor)等晶體管構成，當控制端子中被輸入高電平信號時為“開”，而輸入低電平信號時為“關”。另外，作為開關Q1、Q2，當采用雙極晶體管時，基極端子(base terminal)為控制端子，而采用場效應晶體管時，珊極(gate)為控制端子。
倒相電路I1，以PWM信號的高電平期間為低電平、以其低電平期間為高電平而使PWM信號的邏輯倒相并輸出到開關Q2。因此，開關Q1與Q2聯動地開/關，使得其中一個晶體管為“開”時而另一個晶體管為“關”。
具有這種結構的升壓型DC/DC轉換器，當開關Q1為“開”時，在線圈L1中儲蓄能量，而當開關Q1為“關”時，則使儲蓄的能量疊加到燃料電池110的能量中輸出。由此，燃料電池110輸出的電壓被升高。
下面就公式(1)進行說明。圖3所示的升壓型DC/DC轉換器120，將由燃料電池110輸入的電壓Vin升壓至電壓Vout，并輸出到負載裝置200，而其升壓比則由公式(1-1)來決定。
Vout/Vin＝1/(1-D)……(1-1)若將公式(1-1)變換為求占空比D的形式，則得到公式(1-2)。
D(％)＝(1-Vin/Vout)×100……(1-2)如背景技術中所示，為了不使燃料電池110的工作點發生變動而獲取發電電力，需要將燃料電池的電壓控制為恒定。另外，電壓Vout由二次電池150的電動勢和其充放電電流來決定。
然后，將公式(1-2)的Vin換成燃料電池的電池電壓目標值Vt，即得到公式(1)。因此，將通過公式(1)根據電壓Vout和燃料電池的電池電壓目標值Vt計算出占空比D的PWM信號輸出到DC/DC轉換器120后，燃料電池110輸出的電壓Vin得以控制而成為電池電壓目標值Vt，從而可以使燃料電池110的工作點穩定。
這樣，根據第1實施例的電源裝置，由于不使用燃料電池110輸出的電壓作為負反饋信號，而是測量由DC/DC轉換器120輸出的電壓Vout來計算出占空比D，因此可以避免燃料電池輸出的電壓因振蕩等而變得不穩定，從而可以一面向負載裝置200供應所需要的電力，一面使燃料電池的發電電力穩定。另外，由于使用A/D轉換器作為電壓測量器140，使用CPU作為開關控制器130，因而可以削減部件數目。
但在以往的升壓型DC/DC轉換器中，作為開關Q2使用的是二極管等整流元件。此時，若流經線圈L1的電流減小，則流經線圈L1的電流將不再連續變化。若流經線圈L1的電流不連續變化，公式(1-1)就不成立，即使按照公式(1)決定占空比D，也不能將由燃料電池110輸出的電壓控制為恒定。
另一方面，如圖3所示，作為開關Q2，若采用開關元件，則流經線圈L1的電流連續變化，其結果，如果使用按照公式(1)計算出的占空比D的PWM信號，即可將燃料電池110輸出的電壓控制為恒定。
(第2實施例)以下就第2實施例的電源裝置進行說明。由于第2實施例的電源裝置的整體結構與第1實施例的電源裝置的整體結構相同，因此使用圖1進行說明。第2實施例的電源裝置的特征在于在第1實施例的電源裝置中，作為DC/DC轉換器120而使用了降壓型(BOOST型)DC/DC轉換器。圖4是表示降壓型DC/DC轉換器結構的電路圖。降壓型DC/DC轉換器包括線圈L1、兩個開關Q1、Q2以及倒相電路I1。圖4中，與圖3相同的元件標注相同的符號，并省略其說明。
開關Q1，其一端與燃料電池110的陽極側的輸出端子連接，另一端與開關Q2及線圈L1連接。線圈L1的一端與二次電池150的陽極連接。開關Q2的一端與燃料電池110的陰極側的輸出端子及二次電池150的陰極連接。倒相電路I1被連接在開關控制器130及開關Q2的控制端子之間。開關Q1及Q2與圖3所示的開關Q1及Q2相同，按照PWM信號而聯動地開/關。具有這種結構的降壓型DC/DC轉換器，將燃料電池110輸入的電壓降壓后輸出到負載裝置200側。
作為DC/DC轉換器120，若使用了降壓型DC/DC轉換器，則開關控制器130執行公式(2)的演算，計算出PWM信號的占空比D。
D(％)＝(Vt/Vout)×100……(2)其中D表示占空比。Vout表示電壓測量器140測量到的電壓Vout。表示由控制部160設定的電池電壓目標值。
這樣，根據第2實施例的電源裝置，由于可通過公式(2)計算出PWM信號的占空比D，并且連接了開關Q2，因此在使用了降壓型DC/DC轉換器時，也可以取得與第1實施例的電源裝置相同的效果。
(第3實施例)以下就第3實施例的電源裝置進行說明。第3實施例的電源裝置的整體結構與第1實施例的電源裝置的整體結構相同，因此使用圖1進行說明。第3實施例的電源裝置的特征在于，在第1實施例的電源裝置中，作為DC/DC轉換器120而使用了倒相型(INVERTER型)DC/DC轉換器，。圖5是表示倒相型DC/DC轉換器結構的電路圖。另外，圖5中，與圖3相同的元件標注相同的符號，并省略其說明。如圖5所示，倒相型DC/DC轉換器包括兩個開關Q1、Q2、線圈L1以及倒相電路I1。
開關Q1，其一端與燃料電池110的陽極連接，另一端與線圈L1及開關Q2連接。開關Q2的一端與二次電池150的陽極連接。線圈L1的一端與燃料電池110的陰極側的輸出端子及二次電池150的陰極連接。倒相電路I1被連接在開關Q2的控制端子及開關控制器130之間。
作為DC/DC轉換器120，若使用了倒相型DC/DC轉換器，則開關控制器130通過公式(3)所示的演算，計算出PWM信號的占空比D。
D(％)＝(1/(1-Vt/Vout))×100……(3)其中，Vout表示由電壓測量器140測量到的電壓。Vt表示由控制部160設定的電池電壓目標值Vt。
這樣，根據第3實施例的電源裝置，由于可通過公式(3)計算出PWM信號的占空比D，并且連接了開關Q2，因此在使用了降壓型DC/DC轉換器時，也可以取得與第1實施例的電源裝置相同的效果。
(第4實施例)以下就第4實施例的電源裝置進行說明。第4實施例的電源裝置的整體結構與第1實施例的電源裝置的整體結構相同，因此使用圖1進行說明。第3實施例的電源裝置的特征在于在第1實施例的電源裝置中，作為DC/DC轉換器120而使用了升降壓型(SEPIC型)DC/DC轉換器。
圖6是表示升降壓型DC/DC轉換器結構的電路圖。如圖6所示，升降壓型DC/DC轉換器包括兩個開關Q1、Q2、線圈L1、L2、電容器C1以及倒相電路I1。
線圈L1的一端與燃料電池110的陽極連接，另一端與開關Q1及電容器C1連接。電容器C1的一端與線圈L2及開關Q2連接。開關Q1及線圈L2均有一端與燃料電池110的陰極側的輸出端子及二次電池150的陰極連接。倒相電路I1被連接在開關Q2的控制端子及開關控制器130之間。開關Q1、Q2根據PWM信號而聯動地開/關。
在使用了升降壓型DC/DC轉換器時，開關控制器130通過公式(4)所示的演算，計算出PWM信號的占空比D。
D(％)＝(1/(1+Vt/Vout))×100(％)……(4)其中，Vout表示由電壓測量器140測量到的電壓Vout。Vt表示由控制部160設定的電池電壓目標值Vt。
這樣，根據第4實施例的電源裝置，由于可通過公式(4)計算出PWM信號的占空比D，并且連接了開關Q2，因此在使用了升降壓型DC/DC轉換器時，也可以取得與第1實施例的電源裝置相同的效果。
(第5實施例)以下就本發明第5實施例的電源裝置進行說明。圖7是表示第5實施例的電源裝置結構的方框圖。第5實施例的電池裝置的特征在于對于第1實施例的電源裝置，設置了電流測量器170以替代電壓測量器140，根據DC/DC轉換器120輸出的電流Iout和預先設定的燃料電池110的電池電流目標值It，計算出PWM信號的占空比D。圖7中，與第1實施例的電源裝置相同的部件標注相同的符號，并省略其說明。另外，燃料電池110中僅標出了電池組111，而其它部件則省略圖示。
電流測量器170被連接在DC/DC轉換器120的陽極側輸出端子及開關控制器130a之間，測量由DC/DC轉換器120輸出的電流，并輸出到開關控制器130a。電流測量器170由A/D轉換器等構成。
DC/DC轉換器120為圖3所示的升壓型DC/DC轉換器。控制部160a設定根據供應到電池組111的甲醇量而預先設定的電池電流目標值It，并輸出到開關控制器130a。具體而言，控制部160a包括存儲裝置(圖略)，存儲將甲醇供應量與相對于供應量而預先設定的電池電流目標值It的對應起來的目標值決定表，參照該目標值決定表，決定電池電流目標值It。在該目標值決定表中，與第1實施例的電源裝置相同，以燃料電池110的工作點為電力最大點的電流作為電池電流目標值It而予以存儲。
開關控制器130a，利用由電流測量器170測量的電流Iout和由控制部160a設定的電池電流目標值It，執行公式(5)所示的演算，計算出輸出到DC/DC轉換器120的PWM信號的占空比D，生成計算出的占空比D的PWM信號。
D(％)＝(1-Iout/It)×100(％)……(5)然后，將通過公式(5)計算出的占空比D的PWM信號輸出到DC/DC轉換器120后，可以一面向負載裝置200供應所需要的電力，一面控制燃料電池110，使燃料電池110輸出的電流Iin成為電池電流目標值It，從而可以使燃料電池110的工作點穩定，實現燃料電池的發電電力的穩定化。
下面就公式(5)進行說明。DC/DC轉換器120的電力轉換效率η由公式(5-1)來定義。
η＝輸出電力/輸入電力＝(Vout×Iout)/(Vin×Iin)……(5-1)電力轉換效率η通常在1以下，表示DC/DC轉換器120的電力損失。作為產生電力損失的原因，可以例舉出開關、線圈的電阻導致的電力損失等。另外，電力轉換效率η也可以通過以燃料電池110輸出的電流Iin為變量的函數來指定。
將公式(5-1)變形為公式(5-2)。
Iout/Iin＝η×(Vout/Vin)……(5-2)再將公式(1-1)代入公式(5-2)右邊的Vout/Vin，兩邊各乘100，即得到公式(5-3)。
D(％)＝(1-Iout/η×Iin)×100 …… (5-3)若將公式(5-3)的電流Iin換成電池電流目標值It，即得到公式(5-4)。
D(％)＝(1-Iout/η×It)×100 ……(5-4)在公式(5-4)中，如果η＝1，則得到公式(5)。
這樣，根據第5實施例的電源裝置，由于可通過公式(5)計算出占空比D，并且連接了開關Q2，因此，即使在使用升壓型DC/DC轉換器，且利用DC/DC轉換器120輸出的電流Iin來計算出占空比時，也可以取得與第1實施例相同的效果。
(第6實施例)以下就第6實施例的電源裝置進行說明。第6實施例的電源裝置的整體結構與第5實施例的電源裝置的整體結構相同，因此使用圖7進行說明。第5實施例的電源裝置的特征在于在第1實施例的電源裝置中，作為DC/DC轉換器120而使用了圖4所示的降壓型DC/DC轉換器。
開關控制器130a執行公式(6)所示的演算，計算出PWM信號的占空比D。
D(％)＝(Vout/It)×100 ……(6)
這樣，根據第6實施例的電源裝置，由于可通過公式(6)計算出PWM信號的占空比D，并且連接了開關Q2，因此，即使在使用降壓型DC/DC轉換器，且利用DC/DC轉換器120輸出的電流Iout計算出占空比D時，也可以取得與第1實施例的電源裝置相同的效果。
(第7實施例)以下就第7實施例的電源裝置進行說明。第7實施例的電源裝置的整體結構與第5實施例的電源裝置的整體結構相同，因此使用圖7進行說明。第7實施例的電源裝置的特征在于在第5實施例的電源裝置中，作為DC/DC轉換器120而使用了圖5所示的倒相型DC/DC轉換器。
開關控制器130a執行公式(7)所示的演算，計算出PWM信號的占空比D。
D(％)＝(1/(1-Iout/It))×100(％) ……(7)這樣，根據第7實施例的電源裝置，由于可通過公式(7)計算出PWM信號的占空比D，并且連接了開關Q2，因此，即使在使用倒相型DC/DC轉換器，且利用DC/DC轉換器120輸出的電流Iout計算出占空比D時，也可以取得與第1實施例的電源裝置相同的效果。
(第8實施例)以下就第8實施例的電源裝置進行說明。第8實施例的電源裝置的整體結構與第5實施例的電源裝置的整體結構相同，因此使用圖7進行說明。第8實施例的電源裝置的特征在于在第5實施例的電源裝置中，作為DC/DC轉換器120而使用了圖6所示的升降壓型DC/DC轉換器。
開關控制器130a執行公式(8)所示的演算，計算出PWM信號的占空比D。
D(％)＝(1/(1+Vout/It))×100 ……(8)公式(8)與公式(5)相同，可以從公式(5-1)及公式(4)導出。
這樣，根據第8實施例的電源裝置，由于可通過公式(6)計算出PWM信號的占空比D，并且連接了開關Q2，因此，即使在使用升降壓型DC/DC轉換器，且利用DC/DC轉換器120輸出的電流Iout計算出占空比D時，也可以取得與第1實施例的電源裝置相同的效果。
(第9實施例)以下就第9實施例的電源裝置進行說明。第9實施例的電源裝置的特征在于對于第5實施例的電源裝置，進一步將電力轉換功率η考慮進去來計算占空比D。
圖8是表示第9實施例的電源裝置整體結構的方框圖。圖8中，與圖7中相同的部件標注相同的符號，并省略其說明。
開關控制器130b包括η計算部131b。η計算部131b計算DC/DC轉換器120的電力轉換效率η。電力轉換效率η可以用以電池電流目標值It為變量的指定的函數來表示。因此，η計算部131b將由控制部160b設定的電池電流目標值It代入指定的函數，計算出電力轉換效率η。另外，η計算部131b也可將表示電池電流目標值It和對電池電流目標值It的電力轉換效率η的關系的變換表存儲在存儲裝置(圖略)中，利用該變換表來指定電力轉換效率η。
DC/DC轉換器120為圖3所示的升壓型DC/DC轉換器。開關控制器130b利用由控制部160b設定的電池電流目標值It和由電流測量器170測定的電流Iout，執行公式(9)所示的演算，計算出PWM信號的占空比D。
D(％)＝(1-Iout/η×It)100 ……(9)這樣，根據第9實施例，由于在計算PWM信號的占空比D時考慮了電力轉換功率η，因此，除了可以取得第1實施例的效果，還可以生成由晶體管或線圈的電阻所造成的電力損失得以補正的PWM信號，從而可以使燃料電池的發電電力更加穩定。
(第10實施例)以下就第10實施例的電源裝置進行說明。第10實施例的電源裝置的整體結構與第9實施例的電源裝置的整體結構相同，因此使用圖8進行說明。第10實施例的電源裝置的特征在于在第9實施例的電源裝置中，作為DC/DC轉換器120而使用了圖4所示的降壓型DC/DC轉換器。
開關控制器130b執行公式(10)所示的演算，計算出PWM信號的占空比D。
D(％)＝(Vout/ηIt)×100 ……(10)這樣，根據第10實施例的電源裝置，由于可通過公式(10)計算出PWM信號的占空比D，并且連接了開關Q2，所以在使用了降壓型DC/DC轉換器時，也可以取得與第9實施例的電源裝置相同的效果。
(第11實施例)以下就第11實施例的電源裝置進行說明。第11實施例的電源裝置的整體結構與第9實施例的電源裝置的整體結構相同，因此使用圖8進行說明。第10實施例的電源裝置的特征在于在第9實施例的電源裝置中，作為DC/DC轉換器120而使用了圖5所示倒相型DC/DC轉換器。
開關控制器130b執行公式(11)所示的演算，計算出PWM信號的占空比D。
D(％)＝(1/(1-Iout/ηIt))×100 ……(11)這樣，根據第11實施例的電源裝置，由于可通過公式(11)計算出PWM信號的占空比D，并且連接了開關Q2，因此在使用了倒相型DC/DC轉換器時，也可以取得與第9實施例的電源裝置相同的效果。
(第12實施例)以下就第12實施例的電源裝置進行說明。第12實施例的電源裝置的整體結構與第9實施例的電源裝置的整體結構相同，因此使用圖8進行說明。第12實施例的電源裝置的特征在于在第9實施例的電源裝置中，作為DC/DC轉換器120而使用了圖6所示的升降壓型DC/DC轉換器。
開關控制器130b執行公式(12)所示的演算，計算出PWM信號的占空比D。
D(％)＝(1/(1+Vout/ηIt))×100……(12)這樣，根據第12實施例的電源裝置，由于可通過公式(12)計算出PWM信號的占空比D，并且連接了開關Q2，因此在使用了升降壓型DC/DC轉換器時，也可以取得與第9實施例的電源裝置相同的效果。
(第13實施例)以下就第13實施例的電源裝置進行說明。第13實施例的電源裝置的特征在于作為DC/DC轉換器而采用了回掃型(flyback)DC/DC轉換器。
圖9是表示第13實施例的電源裝置結構的方框圖。如圖9所示，電源裝置包括電壓測量器140及電流測量器170。兩測量器的連接關系及功能與第1實施例及第2實施例相同，因此省略其說明。
開關控制器130c，利用由電壓測量器140測量的電壓Vout、由電流測量器170測量的電流Iout及由控制部160c設定的電池電壓目標值Vt，執行公式(13)所示的演算，計算出PWM信號的占空比D。
D(％)＝(Vout/Vt)×[(2×L×Iout/(Vout×T))]1/2×100 ……(13)其中，D表示占空比D。L表示圖10所示的回掃型(flyback type)DC/DC轉換器的初級線圈(primary coil)L1的感應系數。T為PWM信號的周期。
圖10是表示回掃型DC/DC轉換器結構的電路圖。圖10所示的回掃型DC/DC轉換器包括變壓器T、兩個開關Q1、Q2以及倒相電路I1。變壓器T的初級線圈L1的一端與燃料電池110的陽極連接，另一端與開關Q1連接。開關Q1的一端與燃料電池110的陰極連接。變壓器T的二次線圈(secondary coil)L2的一端與開關Q2連接，另一端與二次電池150的陰極連接。線圈L1及L2被配置成為加極性(additive polarity)。
開關Q2的一端與二次電池150的陽極連接。倒相電路I1被連接在開關控制器130c及開關Q2的控制端子之間。開關控制器130c與開關Q1的控制端子連接。開關Q1及Q2接收PWM信號而聯動地開/關。
具有這種結構的回掃型DC/DC轉換器，當開關Q1為“開”時，在變壓器T中儲蓄能量，而當開關Q1為“關”時，儲蓄在變壓器T中的能量被輸出。
如上所述，根據第13實施例的電源裝置，由于可通過公式(13)計算出占空比D，并且設置有開關Q2，因此，在作為DC/DC轉換器120而使用了回掃型DC/DC轉換器時，也可以取得與第1實施例相同的效果。
(第14實施例)以下就第14實施例的電源裝置進行說明。第14實施例的電源裝置的整體結構與第13實施例的電源裝置的整體結構相同，因此使用圖9及圖10進行說明。第14實施例的電源裝置的特征在于不使用電池電壓目標值Vt而使用電池電流目標值It來計算占空比D。
開關控制器130c，利用由電壓測量器140測量的電壓Vout、由電流測量器170測量的電流Iout及由控制部160c設定的電池電流目標值It，執行公式(14)所示的演算，計算出PWM信號的占空比D。
D(％)＝(It/Iout)×[(2×L×Iout/(Vout×T))]1/2×100……(14)
其中，D表示占空比D。圖10所示的L為線圈L1的感應系數。T為PWM信號的周期。
這樣，根據第14實施例的電源裝置，由于可通過公式(14)計算出PWM信號的占空比D，并且連接了開關Q2，因此可以取得與第1實施例的電源裝置相同的效果。
(第15實施例)以下就第15實施例的電源裝置進行說明。第15實施例的電源裝置的整體結構與第13實施例的電源裝置的整體結構相同，因此使用圖9及圖10進行說明。第14實施例的電源裝置的特征在于將電力轉換功率η考慮進去來計算占空比D。
開關控制器130c，利用由電壓測量器140測量的電壓Vout、由電流測量器170測量的電流Iout及由控制部160c設定的電池電流目標值It，執行公式(15)所示的演算，計算出PWM信號的占空比D。
D(％)＝(η×It/Iout)×[(2×L×Iout/(Vout×T))]1/2×100 ……(15)其中，D表示占空比D。L為圖10所示的線圈L1的感應系數。T為PWM信號的周期。
這樣，根據第15實施例的電源裝置，由于可通過公式(15)計算出PWM信號的占空比D，并且連接了開關Q2，因此可以取得與第1實施例的電源裝置相同的效果。
另外，本發明的電源裝置，作為DC/DC轉換器也可采用使用變壓器的順向型(forward)、雙開關順向型(two switch forward)、主動鉗位順向型(active clampforward)、半橋型(half bridge)、推挽型(push-pull)、全橋型(full-bridge)、相移型(phase-shift)、以及ZVT型等DC/DC轉換器。
無論哪一種類型的DC/DC轉換器，輸入電壓Vin與輸出電壓Vout的比值(＝Vout/Vin)都可以用如公式(1-1)所示的使用了占空比D的函數來表示，如果將該函數進行如上所述變形，則可以利用由DC/DC轉換器輸出的電壓Vout或電流Iout來計算出占空比D。
(本發明的總結)本發明所提供的電源裝置，包括燃料電池、調節由上述燃料電池輸出的電壓將其輸出到并聯的負載裝置的DC/DC轉換器、生成用來控制上述DC/DC轉換器的PWM信號并輸出到上述DC/DC轉換器的信號生成單元、與上述負載裝置并聯的二次電池、測量由上述DC/DC轉換器輸出的電壓的電壓測量單元，其中，上述信號生成單元，基于表示由上述燃料電池輸出的電壓的目標值的電池電壓目標值和由上述電壓測量單元測量的電壓測量值，計算出上述PWM信號的占空比(duty ratio)。
根據該結構，由燃料電池輸出的電壓通過DC/DC轉換器調整后被輸出到并聯的負載裝置。另外，用DC/DC轉換器輸出的電力進行充電的二次電池與負載裝置并聯，當負載裝置的電力不足時，二次電池放電來補充不足的電力。由DC/DC轉換器輸出的電壓通過電壓測量單元而被測量，基于測量到的電壓和表示由燃料電池輸出的電壓的目標值的電池電壓目標值，向DC/DC轉換器輸出的PWM信號的占空比得以計算，根據計算出的占空比的PWM信號，DC/DC轉換器得以控制。由此，負載裝置可得到所需要的電力，并且，燃料電池的工作點可保持固定。
這樣，由于不使用由燃料電池輸出的電壓作為負反饋信號，而使用由DC/DC轉換器輸出的電壓來控制DC/DC轉換器，因此，燃料電池輸出的電壓的振蕩得以避免，從而可以一面向負載裝置供應所需要的電力，一面使燃料電池的發電電力穩定。而且，不需要用來比較燃料電池的電壓與基準值的電路或根據兩者的差值來改變占空比的電路等，從而可謀求電路的小型化。
而且，上述的電源裝置，以上述信號生成單元利用上述電池電壓目標值和由上述電壓測量單元測量的電壓，通過執行公式(1)所示的演算，計算出上述PWM信號的占空比為宜。
D(％)＝(1-Vt/Vout)×100 ……(1)其中，D表示占空比，Vt表示電池電壓目標值，Vout表示由電壓測量單元測量的電壓。
根據該結構，由于PWM信號的占空比可通過公式(1)計算而來，因此作為DC/DC轉換器而使用升壓型DC/DC轉換器時，可以使燃料電池的發電電力穩定。
上述的電源裝置，還以上述DC/DC轉換器為降壓型DC/DC轉換器，上述信號生成單元利用上述電池電壓目標值和由上述電壓測量單元測量的電壓，通過執行公式(2)所示的演算，計算出上述PWM信號的占空比為宜。
D(％)＝(Vt/Vout)×100 ……(2)其中，D表示占空比，Vt表示電池電壓目標值，Vout表示由電壓測量單元測量的電壓。
根據該結構，由于PWM信號的占空比可通過公式(2)計算而來，因此作為DC/DC轉換器而使用降壓型DC/DC轉換器時，可以使燃料電池的發電電力穩定。
上述的電源裝置，還以上述DC/DC轉換器為倒相型DC/DC轉換器，上述信號生成單元利用上述電池電壓目標值和由上述電壓測量單元測量的電壓，通過執行公式(3)所示的演算，計算出上述PWM信號的占空比為宜。
D(％)＝(1/(1-Vt/Vout))×100 ……(3)其中，D表示占空比，Vt表示電池電壓目標值，Vout表示由電壓測量單元測量的電壓。
根據該結構，由于PWM信號的占空比可通過公式(3)計算而來，因此作為DC/DC轉換器而使用倒相型DC/DC轉換器時，可以使燃料電池的發電電力穩定。
上述的電源裝置，還以上述DC/DC轉換器為升降壓型DC/DC轉換器，上述信號生成單元利用上述電池電壓目標值和由上述電壓測量單元測量的電壓，通過執行公式(4)所示的演算，計算出上述PWM信號的占空比為宜。
D(％)＝(1/(1+Vt/Vout))×100 ……(4)其中，D表示占空比，Vt表示電池電壓目標值，Vout表示由電壓測量單元測量的電壓。
根據該結構，由于PWM信號的占空比可通過公式(4)計算而來，因此使用升降壓型DC/DC轉換器時，可以使燃料電池的發電電力穩定。
而且，本發明還提供另一種電源裝置，包括燃料電池、調節由上述燃料電池輸出的電壓將其輸出到并聯的負載裝置的DC/DC轉換器、生成用來控制上述DC/DC轉換器的PWM信號并輸出到上述DC/DC轉換器的信號生成單元、與上述負載裝置并聯的二次電池、測量由上述DC/DC轉換器輸出的電流的電流測量單元，其中，上述信號生成單元，基于表示由上述燃料電池輸出的電流的目標值的電池電流目標值和由上述電流測量單元測量的電流測量值，計算出上述PWM信號的占空比。
根據該結構，由燃料電池輸出的電壓通過DC/DC轉換器調整后被輸出到并聯的負載裝置。另外，用DC/DC轉換器輸出的電力進行充電的二次電池與負載裝置并聯，當負載裝置的電力不足時，二次電池放電來補充不足的電力。由DC/DC轉換器輸出的電流通過電流測量單元而被測量，基于測量到的電流和表示由燃料電池輸出的電流的目標值的電池電流目標值，向DC/DC轉換器輸出的PWM信號的占空比得以計算，根據計算出的占空比的PWM信號，DC/DC轉換器得以控制。由此，負載裝置可得到所需要的電力，并且，燃料電池的工作點可保持固定。
這樣，由于不使用由燃料電池輸出的電壓作為負反饋信號，而使用由DC/DC轉換器輸出的電流來控制DC/DC轉換器，因此，燃料電池輸出的電壓的振蕩得以避免，從而可以一面向負載裝置供應所需要的電力，一面使燃料電池的發電電力穩定。而且，不需要用來比較燃料電池的電壓與基準值的電路或根據兩者的差值來改變占空比的電路等，從而可謀求電路的小型化。
而且，上述的電源裝置，以上述DC/DC轉換器為升壓型DC/DC轉換器，上述信號生成單元利用上述電池電流目標值和由上述電流測量單元測量的電流，通過執行公式(5)所示的演算，計算出上述PWM信號的占空比為宜。
D(％)＝(1-Iout/It)×100 ……(5)其中，D表示占空比，Iout表示由電流測量單元測量的電流，It表示電池電流目標值。
根據該結構，由于PWM信號的占空比可通過公式(5)計算而來，因此使用升壓型DC/DC轉換器時，可以使燃料電池的發電電力穩定。
上述的電源裝置，還以上述DC/DC轉換器為降壓型DC/DC轉換器，上述信號生成單元利用上述電池電流目標值和由上述電流測量單元測量的電流，通過執行公式(6)所示的演算，計算出上述PWM信號的占空比為宜。
D(％)＝(Iout/It)×100……(6)其中，D表示占空比，Iout表示由電流測量單元測量的電流，It表示電池電流目標值。
根據該結構，由于PWM信號的占空比可通過公式(6)計算而來，因此使用降壓型DC/DC轉換器時，可以使燃料電池的發電電力穩定。
上述的電源裝置，還以上述DC/DC轉換器為倒相型DC/DC轉換器，上述信號生成單元利用上述電池電流目標值和由上述電流測量單元測量的電流，通過執行公式(7)所示的演算，計算出上述PWM信號的占空比為宜。
D(％)＝(1/(1-Iout/It))×100 ……(7)其中，D表示占空比，Iout表示由電流測量單元測量的電流，It表示電池電流目標值。
根據該結構，由于PWM信號的占空比可通過公式(7)計算而來，因此使用倒相型DC/DC轉換器時，可以使燃料電池的發電電力穩定。
上述的電源裝置，還以上述DC/DC轉換器為升降壓型DC/DC轉換器，上述信號生成單元利用上述電池電流目標值和由上述電流測量單元測量的電流，通過執行公式(8)所示的演算，計算出上述PWM信號的占空比為宜。
D(％)＝(1/(1+Iout/It))×100……(8)其中，D表示占空比，Iout表示由電流測量單元測量的電流，It表示電池電流目標值。
根據該結構，由于PWM信號的占空比可通過公式(8)計算而來，因此使用升降壓型DC/DC轉換器時，可以使燃料電池的發電電力穩定。
上述的電源裝置，還以上述DC/DC轉換器為升壓型DC/DC轉換器，上述信號生成單元，基于上述電池電流目標值來計算表示DC/DC轉換器的電力損失的電力轉換效率，利用計算出的電力轉換效率、上述電池電流目標值和由上述電流測量單元測量的電流，通過執行公式(9)所示的演算，計算出上述PWM信號的占空比為宜。
D(％)＝(1-Iout/(η×It))×100 ……(9)其中，D表示占空比，η表示電力轉換效率，Iout表示由電流測量單元測量的電流，It表示電池電流目標值。
根據該結構，由于PWM信號的占空比可通過考慮了DC/DC轉換器的電力轉換功率的公式(9)計算而來，因此使用升壓型DC/DC轉換器時，可以生成變壓器或線圈的電阻所導致的電力損失得以補正的PWM信號，從而使燃料電池的發電電力穩定。
上述的電源裝置，還以上述DC/DC轉換器為降壓型DC/DC轉換器，上述信號生成單元，基于上述電池電流目標值來計算表示DC/DC轉換器的電力損失的電力轉換效率，利用計算出的電力轉換效率、上述電池電流目標值和由上述電流測量單元測量的電流，通過執行公式(10)所示的演算，計算出上述PWM信號的占空比為宜。
D(％)＝(Iout/(η×It))×100 ……(10)其中，D表示占空比，η表示電力轉換效率，Iout表示由電流測量單元測量的電流，It表示電池電流目標值。
根據該結構，由于PWM信號的占空比可通過考慮了DC/DC轉換器的電力轉換功率的公式(10)計算而來，因此使用降壓型DC/DC轉換器時，可以生成變壓器或線圈的電阻所導致的電力損失得以補正的PWM信號，從而使燃料電池的發電電力穩定。
上述的電源裝置，還以上述DC/DC轉換器為倒相型DC/DC轉換器，上述信號生成單元，基于上述電池電流目標值來計算表示DC/DC轉換器的電力損失的電力轉換效率，利用計算出的電力轉換效率、上述電池電流目標值和由上述電流測量單元測量的電流，通過執行公式(11)所示的演算，計算出上述PWM信號的占空比為宜。
D(％)＝(1-(Iout/(η×It)))×100 ……(11)其中，D表示占空比，η表示電力轉換效率，Iout表示由電流測量單元測量的電流，It表示電池電流目標值。
根據該結構，由于PWM信號的占空比可通過考慮了DC/DC轉換器的電力轉換功率的公式(11)計算而來，因此使用倒相型DC/DC轉換器時，可以生成變壓器或線圈的電阻所導致的電力損失得以補正的PWM信號，從而使燃料電池的發電電力穩定。
上述的電源裝置，還以上述DC/DC轉換器為升降壓型DC/DC轉換器，上述信號生成單元基于上述電池電流目標值來計算表示DC/DC轉換器的電力損失的電力轉換效率，利用計算出的電力轉換效率、上述電池電流目標值和由上述電流測量單元測量的電流，通過執行公式(12)所示的演算，計算出上述PWM信號的占空比為宜。
D(％)＝(1+(Iout/(η×It)))×100 ……(12)其中，D表示占空比，η表示電力轉換效率，Iout表示由電流測量單元測量的電流，It表示電池電流目標值。
根據該結構，由于可通過表示DC/DC轉換器的電力轉換功率的公式(12)來計算PWM信號的占空比，因此使用升降壓型DC/DC轉換器時，可以生成變壓器或線圈的電阻所導致的電力損失得以補正的PWM信號，從而使燃料電池的發電電力穩定。
而且，上述的電源裝置，以上述升壓型DC/DC轉換器包括一端與上述燃料電池的陽極連接的線圈、被連接在上述線圈的另一端及上述燃料電池的陰極之間的第1開關元件、被連接在上述線圈的另一端及上述二次電池的陽極之間的第2開關元件、使由上述信號生成單元輸出的PWM信號的邏輯倒相并輸出到上述第2開關元件的倒相電路，上述第1及第2開關元件按照PWM信號而聯動地開/關為宜。
根據該結構，由于在以往的升壓型DC/DC轉換器中連接有二極管等整流元件的部位，連接了第2開關元件來替代整流元件，因此流經線圈的電流可以不間斷地連續變化，而使燃料電池輸出的電壓恒定。
上述的電源裝置，還以上述降壓型DC/DC轉換器包括一端與上述燃料電池的陽極連接的第1開關元件、被連接在上述第1開關元件的另一端及上述燃料電池的陰極之間的第2開關元件、被連接在上述第1開關元件的另一端及上述二次電池的陽極之間的線圈、使上述PWM信號的邏輯倒相并輸出到上述第2開關元件的倒相電路，上述第1及第2開關元件按照PWM信號而聯動地開/關為宜。
根據該結構，由于在以往的降壓型DC/DC轉換器中連接有二極管等整流元件的部位，連接了第2開關元件來替代整流元件，因此流經線圈的電流可以不間斷地連續變化，而使燃料電池輸出的電壓恒定。
上述的電源裝置，還以上述倒相型DC/DC轉換器包括一端與上述燃料電池的陽極連接的第1開關元件、被連接在上述第1開關元件的另一端及上述燃料電池的陰極之間的線圈、被連接在上述第1開關元件的另一端及上述二次電池的陽極之間的第2開關元件、使上述PWM信號的邏輯倒相并輸出到上述第2開關元件的倒相電路，上述第1及第2開關元件按照PWM信號而聯動地開/關為宜。
根據該結構，由于在以往的倒相型DC/DC轉換器中連接有二極管等整流元件的部位，連接了第2開關元件來替代整流元件，因此流經線圈的電流可以不間斷地連續變化，而使燃料電池輸出的電壓恒定。
上述的電源裝置，還以上述升降壓型DC/DC轉換器包括一端與上述燃料電池的陽極連接的第1線圈、被連接在上述第1線圈的另一端及上述燃料電池的陰極之間的第1開關元件、一端與上述第1線圈的另一端連接的電容器、被連接在上述電容器的另一端及上述燃料電池的陰極之間的第2線圈、被連接在上述電容器的另一端及上述二次電池的陽極之間的第2開關元件、使上述PWM信號的邏輯倒相并輸出到上述第2開關元件的倒相電路，上述第1及第2開關元件按照PWM信號而聯動地開/關為宜。
根據該結構，由于在以往的升降壓型DC/DC轉換器中連接有二極管等整流元件的部位，連接了第2開關元件來替代整流元件，因此流經線圈的電流可以不間斷地連續變化，而使燃料電池輸出的電壓恒定。
另外，本發明還提供又一種電源裝置，包括燃料電池、調節由上述燃料電池輸出的電壓將其輸出到并聯的負載裝置的DC/DC轉換器、生成用來控制上述DC/DC轉換器的PWM信號并輸出到上述DC/DC轉換器的信號生成單元、與上述負載裝置并聯的二次電池、測量由上述DC/DC轉換器輸出的電壓的電壓測量單元、測量由上述DC/DC轉換器輸出的電流的電流測量單元，其中，上述信號生成單元，基于表示由上述燃料電池輸出的電壓的目標值的電池電壓目標值或表示由上述燃料電池輸出的電流的目標值的電池電流目標值、由上述電壓測量單元測量的電壓測量值以及由上述電流測量單元測量的電流測量值，計算出上述PWM信號的占空比。
根據該結構，由燃料電池輸出的電壓通過DC/DC轉換器調整后被輸出到并聯的負載裝置。另外，用DC/DC轉換器輸出的電力進行充電的二次電池與負載裝置并聯，當負載裝置的電力不足時，二次電池放電來補充不足的電力。由DC/DC轉換器輸出的電壓及電流，分別通過電壓測量單元和電流測量單元而被測量，基于測量到的電壓及電流、表示由燃料電池輸出的電壓的目標值的電池電壓目標值或表示由燃料電池輸出的電流的目標值的電池電流目標值，向DC/DC轉換器輸出的PWM信號的占空比得以計算，根據計算出的占空比的PWM信號，DC/DC轉換器得以控制。由此，負載裝置可得到所需要的電力，并且，燃料電池的工作點可保持固定。
這樣，由于不使用由燃料電池輸出的電壓作為負反饋信號，而使用由DC/DC轉換器輸出的電壓及電流來控制DC/DC轉換器，因此，燃料電池輸出的電壓的振蕩得以避免，從而可以一面向負載裝置供應所需要的電力，一面使燃料電池的發電電力穩定。而且，不需要用來比較燃料電池的電壓與基準值的電路或根據兩者的差值來改變占空比的電路等，從而可謀求電路的小型化。
而且，上述的電源裝置，以上述DC/DC轉換器為包含變壓器的回掃型DC/DC轉換器，上述信號生成單元利用由上述電壓測量單元測量的電壓、由上述電流測量單元測量的電流以及上述電池電壓目標值，通過執行公式(13)所示的演算，計算出上述PWM信號的占空比為宜。
D(％)＝(Vout/Vt)×[(2×L×Iout/(Vout×T))]1/2×100……(13)其中，D表示占空比，L為上述變壓器的初級線圈的感應系數，Vt表示電池電壓目標值，Vout表示由電壓測量單元測量的電壓，Iout表示由電流測量單元測量的電流，T為PWM信號的周期。
根據該結構，由于PWM信號的占空比可通過公式(13)計算而來，因此使用回掃型DC/DC轉換器時，可以使燃料電池的發電電力穩定。
上述的電源裝置，還以上述DC/DC轉換器為包含變壓器的回掃型DC/DC轉換器，上述信號生成單元利用由上述電壓測量單元測量的電壓、由上述電流測量單元測量的電流以及表示由上述燃料電池輸出的電流的目標值的電池電流目標值，通過執行公式(14)所示的演算，計算出上述PWM信號的占空比為宜。
D(％)＝(It/Iout)×[(2×L×Iout/(Vout×T))]1/2×100……(14)
其中，D表示占空比，L為上述變壓器的初級線圈的感應系數，It表示電池電流目標值，Vout表示由電壓測量單元測量的電壓，Iout表示由電流測量單元測量的電流，T為PWM信號的周期。
根據該結構，由于PWM信號的占空比可通過公式(14)計算而來，因此使用回掃型DC/DC轉換器時，可以使燃料電池的發電電力穩定。
上述的電源裝置，還以上述DC/DC轉換器為包含變壓器的回掃型DC/DC轉換器，上述信號生成單元基于上述電池電流目標值計算出上述電池電壓目標值和表示上述DC/DC轉換器的電力損失的電力轉換效率，利用計算出的電力轉換效率，通過執行公式(15)所示的演算，計算出上述PWM信號的占空比。
D(％)＝(η×It/Iout)×[(2×L×Iout/(Vout×T))]1/2×100 ……(15)其中，η表示電力轉換效率，L為上述變壓器的初級線圈的感應系數，It表示電池電流目標值，Vout表示由電壓測量單元測量的電壓，Iout表示由電流測量單元測量的電流，T為PWM信號的周期。
根據該結構，由于PWM信號的占空比可通過增加了DC/DC轉換器的電力轉換功率的公式(15)計算而來，因此可以生成開關元件或線圈的電阻所導致的電力損失得以補正的PWM信號，從而使燃料電池的發電電力穩定。
上述的電源裝置，還以上述回掃型DC/DC轉換器包括初級線圈的一端與上述燃料電池的陽極連接、而二次線圈的一端與上述二次電池的陰極連接的變壓器、被連接在上述初級線圈的另一端及上述燃料電池的陰極之間的第1開關元件、被連接在上述二次線圈的一端及上述二次電池的陽極之間的第2開關元件、使上述PWM信號的邏輯倒相并輸出到上述第2開關元件的倒相電路，上述第1及第2開關元件按照PWM信號而聯動地開/關為宜。
根據該結構，由于在以往的回掃型DC/DC轉換器中連接有二極管等整流元件的部位，連接了第2開關元件來替代整流元件，因此流經線圈的電流可以不間斷地連續變化，而使燃料電池輸出的電壓恒定。
上述的電源裝置，還以上述燃料電池是燃料非循環型的直接甲醇型燃料電池為宜。
根據該結構，因對于適應小型化的燃料非循環型的直接甲醇型燃料電池，可以穩定工作點，而使發電電力穩定，因此可以提供用于筆記本電腦等便攜電子設備的小型電源裝置。
產業上的利用可能性本發明可提供一種能夠使燃料電池的發電電力穩定的電源裝置。
權利要求
1.一種電源裝置，其特征在于包括燃料電池；DC/DC轉換器，調節由上述燃料電池輸出的電壓、將其輸出到并聯連接的負載裝置；信號生成單元，生成用來控制上述DC/DC轉換器的PWM信號、并將其輸出到上述DC/DC轉換器；二次電池，與上述負載裝置并聯連接；電壓測量單元，測量由上述DC/DC轉換器輸出的電壓；其中，上述信號生成單元，基于表示由上述燃料電池輸出的電壓的目標值的電池電壓目標值和由上述電壓測量單元測量的電壓測量值，計算出上述PWM信號的占空比。
2.根據權利要求1所述的電源裝置，其特征在于上述DC/DC轉換器為升壓型DC/DC轉換器，上述信號生成單元，利用上述電池電壓目標值和由上述電壓測量單元測量的電壓，通過執行公式(1)所示的演算，計算出上述PWM信號的占空比，D(％)＝(1-Vt/Vout)×100…… (1)其中，D表示占空比，Vt表示電池電壓目標值，Vout表示由電壓測量單元測量的電壓。
3.根據權利要求1所述的電源裝置，其特征在于上述DC/DC轉換器為降壓型DC/DC轉換器，上述信號生成單元，利用上述電池電壓目標值和由上述電壓測量單元測量的電壓，通過執行公式(2)所示的演算，計算出上述PWM信號的占空比，D(％)＝(Vt/Vout)×100 …… (2)其中，D表示占空比，Vt表示電池電壓目標值，Vout表示由電壓測量單元測量的電壓。
4.根據權利要求1所述的電源裝置，其特征在于上述DC/DC轉換器為倒相型DC/DC轉換器，上述信號生成單元，利用上述電池電壓目標值和由上述電壓測量單元測量的電壓，通過執行公式(3)所示的演算，計算出上述PWM信號的占空比，D(％)＝(1/(1-Vt/Vout))×100…… (3)其中，D表示占空比，Vt表示電池電壓目標值，Vout表示由電壓測量單元測量的電壓。
5.根據權利要求1所述的電源裝置，其特征在于上述DC/DC轉換器為升降壓型DC/DC轉換器，上述信號生成單元，利用上述電池電壓目標值和由上述電壓測量單元測量的電壓，通過執行式(4)所示的演算，計算出上述PWM信號的占空比，D(％)＝(1/(1+Vt/Vout))×100…… (4)其中，D表示占空比，Vt表示電池電壓目標值，Vout表示由電壓測量單元測量的電壓。
6.一種電源裝置，其特征在于包括燃料電池；DC/DC轉換器，調節由上述燃料電池輸出的電壓、將其輸出到并聯的負載裝置中；信號生成單元，生成用來控制上述DC/DC轉換器的PWM信號并將其輸出到上述DC/DC轉換器中；二次電池，與上述負載裝置并聯連接；電流測量單元，測量由上述DC/DC轉換器輸出的電流；其中，上述信號生成單元，基于表示由上述燃料電池輸出的電流的目標值的電池電流目標值和由上述電流測量單元測量的電流測量值，計算出上述PWM信號的占空比。
7.根據權利要求6所述的電源裝置，其特征在于上述DC/DC轉換器為升壓型DC/DC轉換器，上述信號生成單元，利用上述電池電流目標值和由上述電流測量單元測量的電流，通過執行公式(5)所示的演算，計算出上述PWM信號的占空比，D(％)＝(1-Iout/It)×100…… (5)其中，D表示占空比，Iout表示由電流測量單元測量的電流，It表示電池電流目標值。
8.根據權利要求6所述的電源裝置，其特征在于上述DC/DC轉換器為降壓型DC/DC轉換器，上述信號生成單元，利用上述電池電流目標值和由上述電流測量單元測量的電流，通過執行公式(6)所示的演算，計算出上述PWM信號的占空比，D(％)＝(Iout/It)×100…… (6)其中，D表示占空比，Iout表示由電流測量單元測量的電流，It表示電池電流目標值。
9.根據權利要求6所述的電源裝置，其特征在于上述DC/DC轉換器為倒相型DC/DC轉換器，上述信號生成單元，利用上述電池電流目標值和由上述電流測量單元測量的電流，通過執行公式(7)所示的演算，計算出上述PWM信號的占空比，D(％)＝(1/(1-Iout/It))×100…… (7)其中，D表示占空比，Iout表示由電流測量單元測量的電流，It表示電池電流目標值。
10.根據權利要求6所述的電源裝置，其特征在于上述DC/DC轉換器為升降壓型DC/DC轉換器，上述信號生成單元，利用上述電池電流目標值和由上述電流測量單元測量的電流，通過執行公式(8)所示的演算，計算出上述PWM信號的占空比，D(％)＝(1/(1+Iout/It))×100…… (8)其中，D表示占空比，Iout表示由電流測量單元測量的電流，It表示電池電流目標值。
11.根據權利要求6所述的電源裝置，其特征在于上述DC/DC轉換器為升壓型DC/DC轉換器，上述信號生成單元，基于上述電池電流目標值來計算表示DC/DC轉換器的電力損失的電力轉換效率，利用計算出的電力轉換效率、上述電池電流目標值和由上述電流測量單元測量的電流，通過執行公式(9)所示的演算，計算出上述PWM信號的占空比，D(％)＝(1-Iout/(η×It))×100…… (9)其中，D表示占空比，η表示電力轉換效率，Iout表示由電流測量單元測量的電流，It表示電池電流目標值。
12.根據權利要求6所述的電源裝置，其特征在于上述DC/DC轉換器為降壓型DC/DC轉換器，上述信號生成單元，基于上述電池電流目標值來計算表示DC/DC轉換器的電力損失的電力轉換效率，利用計算出的電力轉換效率、上述電池電流目標值和由上述電流測量單元測量的電流，通過執行公式(10)所示的演算，計算出上述PWM信號的占空比，D(％)＝(Iout/(η×It))×100…… (10)其中，D表示占空比，η表示電力轉換效率，Iout表示由電流測量單元測量的電流，It表示電池電流目標值。
13.根據權利要求6所述的電源裝置，其特征在于上述DC/DC轉換器為倒相型DC/DC轉換器，上述信號生成單元，基于上述電池電流目標值來計算表示DC/DC轉換器的電力損失的電力轉換效率，利用計算出的電力轉換效率、上述電池電流目標值和由上述電流測量單元測量的電流，通過執行公式(11)所示的演算，計算出上述PWM信號的占空比，D(％)＝(1-(Iout/(η×It)))×100…… (11)其中，D表示占空比，η表示電力轉換效率，Iout表示由電流測量單元測量的電流，It表示電池電流目標值。
14.根據權利要求6所述的電源裝置，其特征在于上述DC/DC轉換器為升降壓型DC/DC轉換器，上述信號生成單元，基于上述電池電流目標值來計算表示DC/DC轉換器的電力損失的電力轉換效率，利用計算出的電力轉換效率、上述電池電流目標值和由上述電流測量單元測量的電流，通過執行公式(12)所示的演算，計算出上述PWM信號的占空比，D(％)＝(1+(Iout/(η×It)))×100…… (12)其中，D表示占空比，η表示電力轉換效率，Iout表示由電流測量單元測量的電流，It表示電池電流目標值。
15.根據權利要求2、7及11中任一項所述的電源裝置，其特征在于上述升壓型DC/DC轉換器包括，一端與上述燃料電池的陽極連接的線圈；被連接在上述線圈的另一端及上述燃料電池的陰極之間的第1開關元件；被連接在上述線圈的另一端及上述二次電池的陽極之間的第2開關元件；使上述信號生成單元輸出的PWM信號的邏輯倒相并輸出到上述第2開關元件的倒相電路；其中，上述第1及第2開關元件按照PWM信號而聯動地開/關。
16.根據權利要求3、8及12中任一項所述的電源裝置，其特征在于上述降壓型DC/DC轉換器包括，一端與上述燃料電池的陽極連接的第1開關元件；被連接在上述第1開關元件的另一端及上述燃料電池的陰極之間的第2開關元件；被連接在上述第1開關元件的另一端及上述二次電池的陽極之間的線圈；使上述PWM信號的邏輯倒相并輸出到上述第2開關元件的倒相電路；其中，上述第1及第2開關元件，按照PWM信號而聯動地開/關。
17.根據權利要求4、9及13中任一項所述的電源裝置，其特征在于上述倒相型DC/DC轉換器包括，一端與上述燃料電池的陽極連接的第1開關元件；被連接在上述第1開關元件的另一端及上述燃料電池的陰極之間的線圈；被連接在上述第1開關元件的另一端及上述二次電池的陽極之間的第2開關元件；使上述PWM信號的邏輯倒相并輸出到上述第2開關元件的倒相電路；其中，上述第1及第2開關元件，按照PWM信號而聯動地開/關。
18.根據權利要求5、10及14中任一項所述的電源裝置，其特征在于上述升降壓型DC/DC轉換器包括，一端與上述燃料電池的陽極連接的第1線圈；被連接在上述第1線圈的另一端及上述燃料電池的陰極之間的第1開關元件；一端與上述第1線圈的另一端連接的電容器；被連接在上述電容器的另一端及上述燃料電池的陰極之間的第2線圈；被連接在上述電容器的另一端及上述二次電池的陽極之間的第2開關元件；使上述PWM信號的邏輯倒相并輸出到上述第2開關元件的倒相電路；其中，上述第1及第2開關元件，按照PWM信號而聯動地開/關。
19.一種電源裝置，其特征在于包括燃料電池；DC/DC轉換器，調節由上述燃料電池輸出的電壓、將其輸出到并聯的負載裝置中；信號生成單元，生成用來控制上述DC/DC轉換器的PWM信號并輸出到上述DC/DC轉換器中；二次電池，與上述負載裝置并聯；電壓測量單元，測量由上述DC/DC轉換器輸出的電壓；電流測量單元，測量由上述DC/DC轉換器輸出的電流；其中，上述信號生成單元，基于表示由上述燃料電池輸出的電壓的目標值的電池電壓目標值或表示由上述燃料電池輸出的電流的目標值的電池電流目標值、由上述電壓測量單元測量的電壓測量值以及由上述電流測量單元測量的電流測量值，計算出上述PWM信號的占空比。
20.根據權利要求19所述的電源裝置，其特征在于上述DC/DC轉換器為包含變壓器的回掃型DC/DC轉換器，上述信號生成單元，利用由上述電壓測量單元測量的電壓、由上述電流測量單元測量的電流以及上述電池電壓目標值，通過執行公式(13)所示的演算，計算出上述PWM信號的占空比，D(％)＝(Vout/Vt)×[(2×L×Iout/(Vout×T))]1/2×100…… (13)其中，D表示占空比，L為構成上述變壓器的初級線圈的感應系數，Vt表示電池電壓目標值，Vout表示由電壓測量單元測量的電壓，Iout表示由電流測量單元測量的電流，T為PWM信號的周期。
21.根據權利要求19所述的電源裝置，其特征在于上述DC/DC轉換器為包含變壓器的回掃型DC/DC轉換器，上述信號生成單元，利用由上述電壓測量單元測量的電壓、由上述電流測量單元測量的電流以及表示由上述燃料電池輸出的電流的目標值的電池電流目標值，通過執行公式(14)所示的演算，計算出上述PWM信號的占空比，D(％)＝(It/Iout)×[(2×L×Iout/(Vout×T))]1/2×100…… (14)其中，D表示占空比，L為上述變壓器的初級線圈的感應系數，It表示電池電流目標值，Vout表示由電壓測量單元測量的電壓，Iout表示由電流測量單元測量的電流，T為PWM信號的周期。
22.根據權利要求19所述的電源裝置，其特征在于上述DC/DC轉換器為包含變壓器的回掃型DC/DC轉換器，上述信號生成單元，基于上述電池電流目標值來計算上述電池電壓目標值和表示上述DC/DC轉換器的電力損失的電力轉換效率，利用計算出的電力轉換效率，通過執行公式(15)所示的演算，計算出上述PWM信號的占空比，D(％)＝(η×It/Iout)×[(2×L×Iout/(Vout×T))]1/2×100…… (15)其中，η表示電力轉換效率，L為上述變壓器的初級線圈的感應系數，It表示電池電流目標值，Vout表示由電壓測量單元測量的電壓，Iout表示由電流測量單元測量的電流，T為PWM信號的周期。
23.根據權利要求19至22中任一項所述的電源裝置，其特征在于上述回掃型DC/DC轉換器包括，初級線圈的一端與上述燃料電池的陽極連接、二次線圈的一端與上述二次電池的陰極連接的變壓器；被連接在上述初級線圈的另一端及上述燃料電池的陰極之間的第1開關元件；被連接在上述二次線圈的一端及上述二次電池的陽極之間的第2開關元件；使上述PWM信號的邏輯倒相并輸出到上述第2開關元件的倒相電路；其中，上述第1及第2開關元件，按照PWM信號聯動地開/關。
24.根據權利要求1至23中任一項所述的電源裝置，其特征在于上述燃料電池是燃料非循環型的直接甲醇型燃料電池。
全文摘要
本發明提供一種電源裝置，可以不用燃料電池輸出的電壓或電流作為負反饋信號，使燃料電池的發電電力穩定。該電源裝置包括燃料電池(110)、基于PWM信號調節由燃料電池(110)輸出的電壓將其輸出到負載裝置(200)的DC/DC轉換器(120)、生成PWM信號并輸出到DC/DC轉換器(120)的開關控制器(130)、測量由DC/DC轉換器120輸出的電壓Vout的電壓測量器(140)以及與負載裝置(200)并聯的二次電池(150)，其中，DC/DC轉換器(120)利用電壓Vout和電池電壓目標值Vt執行指定的演算，計算出PWM信號的占空比。
文檔編號H01M8/10GK1989644SQ20058002435
公開日2007年6月27日 申請日期2005年9月16日 優先權日2004年11月2日
發明者高田雅弘, 市瀨俊彥, 高津克巳, 島本健 申請人:松下電器產業株式會社