专利名称：燃料电池的最大功率点电压确定方法及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池的最大功率点电压确定方法、燃料电池控制系统以及在燃料电池控制系统中使用的功率控制装置。
背景技术：
由于近年电子技术的进步，便携电话机、笔记本PC(个人计算机)、音频视频机器或移动终端机器等便携电子机器的普及进展迅速。作为这些便携电子机器的电源的二次电池，通过进行电池活性物质的开发及高容量电池结构的开发，从现有的密封铅电池起发展到Ni/Cd电池、Ni氢电池、再到Li离子电池，力图增加容量。
另一方面，在便携电子机器中，在努力实现低功耗化，在元件中每个功能的功耗大幅度下降，但是可以认为，用户需要要提高，今后也必须增加新功能，存在整个机器的功耗日益增加的倾向。作为电源，需要更高密度，即小型化，驱动时间长的电源。
作为满足这种要求的电源，最近燃料电池受到注目。燃料电池，一方面具有随着输出电流的增加而输出功率增加的特性，另一方面，具有当输出电流大于等于某一值时，输出功率从增加反而转为下降的特性。就是说，在燃料电池的输出特性中，存在发电效率最佳的最大功率点，在超过该最大功率点使用时，由于招致发电效率下降而输出功率不足，可能使燃料电池的电极劣化。
作为燃料电池的控制技术，例如，在专利文献1中提出，在使燃料电池在最大功率点发电时的输出电压设定为预定电压值，检测到的燃料电池的输出电压低于设定的预定电压值时，为了使输出电压保持为大于等于预定电压值，从辅助功率单元向负载供给功率，使燃料电池的输出功率维持在最大功率点以内的范围的燃料电池系统。
另外，在专利文献2中，揭示一种为了控制输出功率，设定上限电压和下限电压，当燃料电池的输出电压超过上限电压时，使输出电流增加，而当输出电压低于下限电压时，使输出电流减小，通过控制输出功率使燃料电池的输出电压维持在规定范围内的燃料电池发电装置。
日本专利特开2003-229138号公报(参照第0051段及图3)[专利文献2]日本专利特开平7-153474号公报(参照笫0008段及图1～图3)发明内容然而，在专利文献1中记载的技术中，将燃料电池在最大功率点发电时的输出电压(最大功率点电压)确定为大于等于开路电压的35％小于等于开路电压的50％的范围内，由于设定预定电压值，就存在根据不同燃料电池不能将输出功率控制在最大功率点以内的范围内的问题。
图12是示出固定高分子型燃料电池(PEFC)、直接甲醇型燃料电池(DMFC)的输出特性的特性图。横轴表示电流密度(A/cm2)，纵轴表示输出电压(V)及功率密度(mW/cm2)。特性曲线a，表示直接甲醇型燃料电池的电流-电压特性，特性曲线b，表示直接甲醇型燃料电池的电流-功率密度特性，特性曲线c，表示固定高分子型燃料电池的电流-电压特性。
关于直接甲醇型燃料电池，如特性曲线a所示，其电压范围，是从开路电压0.8V至0.2V以下，但从良好的电流-电压特性考虑，实际发电可以使用的区域为小于等于0.4V范围。此外，由于在最大功率点Q发电时的电压(最大功率点电压)在0.2V附近，实际可以使用的电压范围在0.4V至0.2V的范围内。
具有这种特性的直接甲醇型燃料电池的控制中，例如，在应用上述专利文献1的技术时，由于开路电压为0.8V，最大功率点电压确定为大于等于0.28V的电压，其结果，燃料电池的输出电压控制为大于等于0.28V。此时，如表示电流-功率密度特性的特性曲线b所示，输出功率离最大功率点Q距离大，不能使燃料电池在高输出下进行发电。
关于固定高分子型燃料电池，如特性曲线c所示，开路电压为1V，可以使用的电压范围为0.95V至0.50V。
因此，例如，在应用上述专利文献1的技术进行固定高分子型燃料电池的控制时，由于开路电压为1V，最大功率点电压确定为大于等于0.35V的电压，其结果，燃料电池的输出电压控制为大于等于0.35V，由于是在可以使用的电压范围外，不仅不能使燃料电池在高效率下进行发电，而且由于输出功率下降，招致输出功率的不足，出现使燃料电池的电极劣化的可能性。
特别是，如直接甲醇型燃料电池这样的输出电压变化很大的燃料电池的场合，因为会以输出电压的微小差别使输出功率离开最大功率点的距离很大，所以必须正确确定在最大功率点发电时的电压，即最大功率点电压，但在如上述专利文献1所示那样，在基于开路电压的方法中，存在根据不同燃料电池产生很大误差而不能正确确定的场合。
另外，直接甲醇型燃料电池除了具有由于燃料电池的温度及空气极的气体的流速而使输出特性发生很大的改变的特性之外，例如，也有由于二氧化碳及水这样的伴随反应的生成物发生堵塞等的某种原因而使输出功率急剧下降的情况。在输出功率急剧下降时，必须迅速限制输出电流。然而，此处，例如，在应用上述专利文献2所述的技术进行控制的场合，因为当燃料电池的输出电压超过上限电压时，使电流增加，低于下限电压时，使电流减小，这样逐步使输出电流增减，所以存在的问题是电流的限制跟不上上述的输出功率的急剧变化。
另外，在燃料电池的温度上升时，输出电压也增加。然而，在专利文献2的技术中，因为当输出电压增加时，还进行使输出电流增加的控制，存在输出电压以发散方式逐渐增大的问题。
本发明正是鉴于以上的问题而完成的，本发明的目的在于提供一种与燃料电池的种类无关地正确确定燃料电池的最大功率点电压的最大功率点电压确定方法，可以将燃料电池发电时的输出功率限制在最大功率点以内的范围内的燃料电池控制系统或进行该控制的功率控制装置，在燃料电池控制系统或功率控制装置中，即使是在输出功率急剧下降的场合或温度变化的场合也可以应付。
因此，本发明的最大功率点的确定方法，是在除了输出电流在零附近时输出电压急剧变化的区域之外的范围中，以近似线近似表示电流-电压特性的特性曲线，在其延长线上，求出输出电流为零时的外推电压，利用该外推电压确定上述燃料电池在最大功率点发电时的输出电压作为最大功率点电压。
最大功率点电压，例如，可以定为上述外推电压的50％的电压。
本发明的燃料电池控制系统，具有产生基准电压的基准电压发生单元；将上述燃料电池的输出电压和上述基准电压进行比较，并在上述输出电压低于上述基准电压时，限制上述燃料电池的输出功率的控制单元；上述基准电压发生单元，以利用上述最大功率点电压确定方法确定的最大功率点电压为最小，而将大于等于该值的电压值作为基准电压产生。
作为上述控制单元，还可以将上述燃料电池的温度检测值与规定的温度值进行比较，并且在上述燃料电池的温度检测值超过上述规定的温度值时，限制输出功率以限制温度的上升。
本发明的功率控制装置，具备至少可以输入燃料电池的输出电压的电压输入端子；对调整上述燃料电池的输出功率的功率调整单元的控制端输出控制信号的控制端子；产生基准电压的基准电压发生源；将从上述电压输入端子输入的燃料电池的输出电压和上述基准电压发生单元产生的基准电压进行比较，并在上述输出电压小于上述基准电压时，为使上述燃料电池的输出电压增加而生成用来限制上述燃料电池的输出功率的控制信号并输出到上述控制端子的控制信号生成单元；基准电压发生源，以利用上述最大功率点电压确定方法确定的最大功率点电压为最小，产生大于等于该值的电压值作为基准电压。
此外，在具备可以将上述燃料电池的温度检测值输入的温度端子时，上述控制信号生成单元，也可以将从上述温度端子输入的温度检测值与预定的温度值进行比较，并且在上述燃料电池的温度检测值超过上述预定的温度值时，生成上述控制信号以使上述燃料电池的输出功率减小。
在本发明的最大功率点的确定方法中，因为是以近似线近似电流-电压特性曲线，在近似线的延长线上求出输出电流为零时的外推电压，并由外推电压确定最大功率点电压，所以可以利用燃料电池的电特性确定其最大功率点电压。通过与燃料电池的种类无关确定最大功率点电压，并将燃料电池的输出电压控制为大于等于最大功率点电压，可以将输出功率限定在大于等于最大功率点的区域。
在燃料电池控制系统中，以上述的确定方法确定在最大功率点发电时的输出电压，作为基准电压进行设定，并在燃料电池的输出电压小于基准电压时，为了控制燃料电池的输出功率，通过减小输出功率，可以将输出电压一直维持为大于等于在最大功率点发电时的输出电压。其结果，燃料电池，不会超过最大功率点发电。另外，在输出功率急剧下降及温度过度上升时，可以迅速地进行功率限制。
在功率控制装置中，由于以上述的确定方法确定在最大功率点发电时的输出电压，作为基准电压进行设定，并在经电压输入端子输入的燃料电池的输出电压小于基准电压时，生成用来控制燃料电池的输出功率的控制信号，从控制端子输出，所以通过使用该功率控制装置，可以将燃料电池的输出电压一直维持为大于等于以最大功率发电时的输出电压。燃料电池不会超过最大功率点发电。另外，在输出功率急剧下降时，也可以迅速地进行功率限制。
图1为示出燃料电池的直流等效电路的模型的电路图。
图2为示出直接甲醇型燃料电池的温度变化导致的输出电压的变化的特性图。
图3为示出直接甲醇型燃料电池的空气流量的变化导致的输出电压特性的变化的特性图。
图4为示出本发明的实施方式1的燃料电池控制系统的一构成例的构成图。
图5为示出本发明的实施方式1的燃料电池控制系统的另一构成例的构成图。
图6为示出在本发明的实施方式1的燃料电池控制系统中增加控制IC的功能图的构成图的一例。
图7为示出本发明的实施方式1的燃料电池控制系统的控制例程的流程图。
图8为本发明的实施方式2的燃料电池控制系统的构成图。
图9为示出本发明的实施方式2的燃料电池控制系统的控制例程的流程图。
图10为本发明的实施方式3的燃料电池控制系统的构成图。
图11为本发明的实施方式4的燃料电池控制系统的构成图。
图12为示出固定高分子型燃料电池(PEFC)、直接甲醇型燃料电池(DMFC)的输出特性的特性图。
附图标记说明1...燃料电池；2...电双层电容器(蓄电单元)；3...电路部；15...肖特基势垒二极管C1...电容器C2...电容器L...电感
具体实施例方式
首先，对本发明的燃料电池在最大功率点发电时的输出电压的确定方法进行说明。
关于燃料电池的输出特性，一般，可以利用图1所示的等效电路的直流模型表示。其中，R是因燃料电池的各状态而变化的燃料电池的内阻，RO是负载电阻。
此等效电路的直流模型的输出功率W可以用下式(1)表示。
W＝E2/(R×[(R/RO+RO/R)+2]) (1)其中，E为燃料电池的设定电压。
上式(1)中的输出功率W成为最大值的条件，从式(1)的(R/RO+RO/R)对R取微分可知，是R＝RO。就是说，从输出功率为最大的条件是R＝RO可知，燃料电池的输出电压(即负载电阻RO的端子电压)为E/2，这与燃料电池的种类，发电状态无关，是一定的最大功率点的条件。就是说，在燃料电池的输出电压为设定电压的50％时的输出功率为最大功率点。所以，通过确定设定电压E，并对输出功率进行控制使燃料电池的输出电压成为设定电压E的1/2的电压，就可以使燃料电池在最大功率点进行发电。输出功率的控制，例如，可通过对输出电流进行控制，或对发电的电池单体数目进行控制而进行。
设定电压E，可以从燃料电池的电流-电压特性曲线求得。其方法如下述，例如，对图12所示的特性曲线a，在除了输出电流(电流密度)在零附近时输出电压急剧变化的区域之外的范围中，利用以虚线表示的直线的近似线近似，在近似线的延长线上，求出输出电流为零时的外推电压作为设定电压E。所以，外推电压的50％的电压，就成为燃料电池在最大功率点发电时的输出电压。
图2为示出直接甲醇型燃料电池在不同温度下的电流-电压特性的特性图。横轴表示电流密度(A/cm2)，纵轴表示电压(V)。
如图2所示，直接甲醇型燃料电池的电压输出特性，在具有随着输出电流的增加而减小的特性的同时，具有在输出电流相同时，温度越低，输出电压也越低的特性。对于各温度的不同特性曲线，在与图12的特性曲线a一样以虚线的近似线进行近似时，在各个近似线的延长线上，输出电流为零时的外推电压为相同的0.41V。这意味着，尽管温度不同，但外推电压是相同的。
图3为示出在直接甲醇型燃料电池的的温度一定时，强制供气时和自然呼气时的电流-电压特性的特性图。
如图3所示，与强制供气相比，在空气的流速为零的自然呼气的场合，燃料电池的输出电压下降，与上述一样，在利用以虚线表示的直线的近似线对特性曲线进行近似时，在其延长线上，求得输出电流为零时的外推电压为同样的0.41V。
从上述可知，在图1所示的等效电路的直流模型中，与温度等燃料电池的发电状态无关，设定电压可以取相同的电压值。所以，在预先测定了燃料电池的外推电压，并且将该电压的50％的电压值作为目标电压来控制燃料电池的输出电压时，与燃料电池的发电状态无关，总是可以使燃料电池在最大功率点进行发电。另外，在将外推电压的50％的电压值作为最小值对输出电压进行控制时，可以将输出功率限定在最大功率点内使燃料电池进行发电。
另外，求出外推电压时的近似线，并不需要一定是直线，也可以以其他曲线近似。
实施方式1图4为示出本发明的实施方式1的燃料电池控制系统的一构成例的构成图。此燃料电池控制系统，大致划分，具有燃料电池1、作为蓄电单元的电双层电容器(EDLC)2、由升压变换器或降压变换器构成的电路部3、及对电路部3进行开关控制的控制IC(功率控制装置)4。此燃料电池控制系统，是应用于便携电子机器的，燃料电池1是直接甲醇型燃料电池。
在此燃料电池控制系统中，作为蓄电单元使用的电双层电容器2每一个单体的耐压为2.3V～3.3V。因此，如图4所示，在两个单体串联使用时，耐压为大于等于4.6V，可以将本燃料电池控制系统应用于历来利用Li离子电池一个单体及NiMH电池两个单体驱动的便携电话机、PDA(个人数字助理)、数字静止相机、多媒体播放器等电子机器。另外，在Li离子电池为多个单体的笔记本PC等的应用的场合，对Li离子电池两个单体可使用2～4个电双层电容器2单体，或者对Li离子电池3个单体可使用3～5个电双层电容器2单体。当然，作为代替电双层电容器2的蓄电单元，也可以使用Li离子电池等二次电池。
如图4所示，通过在燃料电池1的输出上设置电双层电容器2作为蓄电单元，在负载30要求功率大于可从燃料电池1取出的最大功率时，可由电双层电容器2支持功率不足的部分。例如，燃料电池1暂时状态恶化及负载30的要求功率为便携电话机等那种脉冲负载的场合，可以利用电双层电容器2供给功率不足的部分。另外，在脉冲负载多的应用场合，使用电双层电容器这样的放电特性优异的蓄电单元对于改善效率是优选的。
在本实施方式中，作为燃料电池1使用的是直接甲醇型燃料电池，但使用固定高分子型燃料电池及其他种类的燃料电池也是可以的。并且，在图4中，使用的是4个燃料电池1单体，不过也可以考虑电路部3的效率而增减单体数目。
电路部3，是使用N沟道功率MOSFET 13和P沟道功率MOSFET 14的同步整流方式升压变换器的结构。在这种升压变换器中，因为在N沟道功率MOSFET 13为ON时的开关循环中，燃料电池1的能量贮存在电感L中，在P沟道功率MOSFET 14为ON时的开关循环中与燃料电池1的能量一起贮存在电感L中的能量对电双层电容器2进行充电，所以电双层电容器2的充电电压(蓄电电压)高于燃料电池1的输出电压(即升压)。
控制IC 4，至少具有燃料电池的电压输入用的电压输入端子FBin、燃料电池的温度取得用的温度端子TEMP、电双层电容器2的电压值取得用的蓄电电压端子(蓄电端子)Fbout、电路部3的输出电压取得用的端子Vout、开关电流取得用的端子SENSE、P沟道功率MOSFET 14的控制端子TG、N沟道功率MOSFET 13的控制端子BG以及GND端子GND合计8个端子。当然，除了上述8个端子之外，也可以根据需要设置IC的ON/OFF端子及环路补偿用的端子等等。关于此控制IC 4的详细情况见后述。
图5为示出本发明的实施方式1的燃料电池控制系统的另一构成例的构成图。图5所示的燃料电池控制系统的构成，相对图4所示的燃料电池控制系统的构成的不同之处为，在电路部3a的输入侧附加有平滑用的电容器C1，在输出侧附加有同样的平滑用的电容器C2。通过设置电容器C1，即使是在输入到电压输入端子FBin的燃料电池的输出电压过度变动等的场合，控制IC 4的动作也不会不稳定。同样，通过设置电容器C2，即使是在输入到蓄电电压端子Fbout的电双层电容器2的电压及输入到输出电压取得用的端子Vout的电压过度变动，控制IC 4的动作也不会不稳定。
下面，根据图6，对燃料电池控制系统的动作进行说明。
图6为对图5所示的燃料电池控制系统增加控制IC的功能构成的示图。下面对控制IC 4的功能予以详细说明。
此控制IC 4，主要由差动放大器S1、S2、S3及控制部11构成。此功能的第1特征在于电压输入端子FBin的处理的部分。就是说，在控制IC 4中，燃料电池1的电压由电阻R1和电阻R2分压的燃料电池检测电压V，从电压输入端子FBin输入到差动放大器S1，在其中与第1参照电压Vref1进行比较，其差分电压输入到控制部11。
第1参照电压Vref1，根据利用上述的最大功率点电压的确定方法求出的外推电压，相应于电阻R1、电阻R2的分压比设定。就是说，将第1参照电压Vref1设定为在燃料电池的输出电压变为小于等于外推电压的50％时，差动放大器S1反相。
另外，在本实施方式中，由于使用直接甲醇型燃料电池，外推电压，如图2、图3、图12所示，为0.41V。
此处，燃料电池1的输出电压是由电阻R1、电阻R2分压，输入到电压输入端子FBin，但在检测电压V大于作为基准电压的第1参照电压Vref1时(即燃料电池1的输出电压变为大于等于外推电压的50％的电压值时)，控制部11，通过进行控制来提高对电路部3通常进行的PWM(脉冲宽度调制)的占空(duty)而使从燃料电池1取出的电流增大。另外，在检测电压V小于第1参照电压Vref1时(即燃料电池1的输出电压变为小于外推电压的50％的电压值时)，控制部11，通过进行控制来降低PWM的占空而使从燃料电池1取出的电流减小。
由此，可以使燃料电池1一直在最大功率点发电。另外，其结果，燃料电池，因为不会超过最大功率点发电，就可以防止由于发电效率降低而出现输出功率不足和电极劣化。
这种PWM的占空控制是与通常的恒压控制相反的控制。就是说，通过控制部11进行这种控制，就一直跟踪最大功率点进行燃料电池1的发电控制。
所以，即使是由于空气极的气体流速下降，或二氧化碳及水这样的伴随反应的生成物发生堵塞等的某种原因输出功率急剧下降而使电流无法取出时，因为可以迅速限制电流，抑制生成物的发生，也可以使燃料电池1的发电状态趋向恢复。
下面对作为用来检测燃料电池1的输出电压的检测电路的电阻R1和电阻R2的设计例进行说明。
此处，控制IC 4的内部的第1参照电压Vref1为0.6V，燃料电池1的最大功率点电压在4个单体时为0.84V。在此场合，电阻R1和电阻R2的比可以是0.24∶0.6。另外，在第1参照电压Vref1为1.2V，燃料电池1的最大功率点电压为2.0V时，可以使电阻R1为0.8kΩ和电阻R2为1.2kΩ。就是说，电阻R1和电阻R2的电阻比，可以按照最大功率点电压和第1参照电压Vref1的比例适当确定。换言之，电阻R1和电阻R2的分压比，可以相应于最大功率点的电压和第1参照电压Vref1而适当确定。
由此，燃料电池1的单体数及最大功率点的电压改变的场合，通过改变电阻R1和电阻R2的分压比，即使是单体数不同的燃料电池或在一个单体最大功率点电压不同，也可以使用同样的控制IC 4。
另外，既可以使第1参照电压Vref1为小于等于0.6V，也可以在单体数更多的场合使第1参照电压Vref1为1.2V等高电压。另外，如前所述，由于燃料电池1是直接甲醇型燃料电池，所以在输出电流接近零时电压急剧上升，因此在超过电容器C1等的耐压值时，会影响燃料电池1的寿命，因此必须注意使燃料电池1的电流不要变为零。就是说，对于电阻R1、电阻R2，通过将R1+R2的电阻值调整为从燃料电池1一直有数mA左右的电流流过的电阻值(例如，数kΩ～数百Ω左右)，可以防止这种电压上升。
图6所示的控制IC 4的功能中的第2特征在于蓄电电压端子Fbout的处理部分。这一部分的处理是电双层电容器2的电压的处理，是与一般的DC/DC变换器的输出电压的反馈一样的构成，第2参照电压Vref2的电压与电双层电容器2的数目相对应，例如，可以是0.6V或1.2V。当然，通过改变电阻R3、R4的分压比，既可以使其成为与第1参照电压Vref1的电压值相同，也可以使其成为与Vref1不同的值。
在输出侧的电双层电容器2中，利用电阻R3和R4分压的输出检测电压V经蓄电电压端子Fbout输入到差动放大器S3，在其中与第2参照电压Vref2进行比较。该差分电压输入到控制部11。在输出检测电压V小于第2参照电压Vref2的部分大于等于预定值时，电双层电容器2的充电未满，控制部11，进行PWM的占空控制以便跟踪最大功率点进行发电。在输出检测电压V接近第2参照电压Vref2时，控制部11，进行限制PWM的占空的控制(就是说，在电双层电容器2的电压上升时，使PWM的占空减小，而在输出电压下降时，使PWM的占空增大)。另外，也可以进行达到输出电压的上限的PWM控制。另外，在输出检测电压V接近第2参照电压Vref2的场合，也可以通过从最大功率点跟踪控制切换到通常的升压变换器动作来实现PWM的占空限制。通过进行这种处理，可以一直保持电双层电容器2的电压，即充电量，为恒定。
图6示出的控制IC 4的功能的第3特征在于温度端子TEMP的处理部分。输入到温度端子TEMP的是燃料电池1的温度信息，此温度信息，例如，可利用未图示的热敏电阻及温度IC取得。
表示燃料电池1的检测温度的值的温度电压V输入到差动放大器S2，在其中与第3参照电压Vref3比较，该差分电压输入到控制部11。可以使第3参照电压Vref3，相应于燃料电池1的单体数，例如，成为0.6V或1.2V。当然，通过设置分压用的电阻，既可以使其成为与Vref1的电压值相同，也可以使其成为与Vref1不同的参照电压。
此处，在温度电压V小于笫3参照电压Vref3时(即燃料电池1的检测温度比设定值低时)，控制部11进行如通常那样在最大功率点发电的控制，但在温度电压V大于第3参照电压Vref3时(即燃料电池1的检测温度比设定值高时)，控制部11进行PWM的占空限制。就是说，在燃料电池1的检测温度高于设定值时，优先于最大功率的跟踪控制进行PWM的占空限制的控制。
这样，由于随着燃料电池1的温度的上升进行减少从燃料电池1取出的电流的控制，可以使燃料电池1的温度保持一定。例如，在设定作为限制温度的设定值为45℃时，就可以防止燃料电池1超过45℃成为烫伤使用者的温度。
图7为示出本发明的实施方式1的燃料电池控制系统的控制例程的流程图。
下面参照图6的燃料电池控制系统的构成图对图7的流程图的流程进行说明。在图7中，控制部11，输入由电阻R1、电阻R2分压的燃料电池1的输出电压和笫1参照电压Vref1的差分电压(步骤S1)，根据该差分电压确定最大电流或最大PWM宽度(步骤S2)。之后，控制部11，输入温度电压V和笫3参照电压Vref3的差分电压(步骤S3)，判定温度电压V和第3参照电压Vref3的差分电压是否大于0(步骤S4)。此处，如果温度电压V和笫3参照电压Vref3的差分电压大于0(步骤S4中的“是”的场合)，因为燃料电池1的温度高于预定值，就进行PWM的占空限制以限制温度的上升(设置限制)(步骤S5)。
之后，控制部11，输入第2参照电压Vref2和输出电压的差分电压(步骤S6)，判定第2参照电压Vref2和由电阻R3、电阻R4分压的电路部3a的输出电压的差分电压是否小于等于设定值(步骤S7)。此处，在第2参照电压Vref2和由电阻R3、电阻R4分压的电路部3a的输出电压的差分电压小于等于设定值的场合(步骤S7中的“是”的场合)，通过对温度的差分电压和输出电压的差分电压的大小进行比较来进行输出功率限制和温度限制中的哪一个限制优先的限制度的大小的比较(优先比较)(步骤S8)，在输出功率限制一方大时(即输出功率限制优先的场合)，设置输出电压限制(步骤S9)，确定输出电流或PWM的占空的指令值(步骤S10)。另外，在步骤S8中，在温度限制一方大时(即温度限制优先的场合)，就根据该温度限制的条件确定输出电流或PWM的占空的指令值(步骤S10)。
另外，在步骤S4中，在温度电压和第3参照电压Vref3的差分电压小于等于0的场合(步骤S4中的“否”的场合)，因为燃料电池1的温度低，控制部11，输入第2参照电压Vref2和输出电压的差分电压(步骤S11)，判定第2参照电压Vref2和输出电压的差分电压是否小于等于设定值(步骤S12)。此处，在第2参照电压Vref2和输出电压的差分电压小于等于设定值的场合(步骤S12中的“是”的场合)，设置输出电压限制(步骤S9)，确定输出电流或PWM的占空的指令值(步骤S10)。另外，在步骤S12中，在第2参照电压Vref2和输出电压的差分电压大于等于设定值时(步骤S12中的“否”的场合)，就根据该设定值确定输出电流或PWM的占空的指令值(步骤S10)。另外，在步骤S7中在第2参照电压Vref2和输出电压的差分电压大于等于设定值时(步骤S7中的“否”的场合)，也根据该设定值确定输出电流或PWM的占空的指令值(步骤S10)。
就是说，如图7的控制例程所示，在控制IC 4内的控制部11工作在电流模式时，通过从3个反馈信息(即燃料电池的电压信息、输出电压的信息及燃料电池的温度信息)确定从SENSE端子反馈的开关电流的最大电流值，可以实现最大功率点的跟踪。当然，也可以采用使PWM的宽度改变来代替电流模式而实现最大功率跟踪的方式。另外，在输入燃料电池的温度表示高的值的温度信息及输出电压表示低的值的输出电压信息时，优先于利用燃料电池的电压信息的最大功率跟踪控制，强制地进行减少PWM的占空的控制。
实施方式2图8为本发明的实施方式2的燃料电池控制系统的构成图。在此燃料电池控制系统中使用控制IC 4a，此控制IC 4a，与图6所示的实施方式1的燃料电池控制系统的控制IC 4相比，内部结构不同。电路部3a等其他结构，与图6所示的燃料电池控制系统一样。
控制IC 4a，由控制部11a和基准电压设定部12构成。由电阻R3、电阻R4分压，从蓄电电压端子Fbout输入的电路部3a的输出电压和第2参照电压Vref2由差动放大器S3进行比较，该差分电压(以下称其为输出电压差分)输出到基准电压设定部12的一个端子。燃料电池1的温度电压从温度端子TEMP输入，由差动放大器S2与笫3参照电压Vref3进行比较，该差分电压(以下称其为温度电压差分)输入到基准电压设定部12的另一个端子。这两个反馈信息输入到基准电压设定部12，基准电压设定部12根据输出电压差分和温度电压差分，使作为燃料电池的输出电压的基准电压的第1参照电压Vref1的电压值变化。控制部11a，根据来自差动放大器S1的差分电压，控制电路部3a的PWM的占空。
具体言之，如在实施方式1中举例说明的，以与最大功率点电压相对应的0.6V的电压作为第1参照电压Vref1的最低值，利用输出电压接近目标值的场合和燃料电池1的温度电压超过设定值的场合中的至少一个条件，通过使第1参照电压Vref1的电压值上升进行从燃料电池1取出的电流的限制。就是说，通过利用输出电压的条件和温度电压的条件中的至少一个使燃料电池1的目标电压值(第1参照电压Vref1)改变，可以实现最大功率点的跟踪控制、输出电压恒定控制和温度限制控制三种控制。另外，通过使控制PWM的占空的控制部11a和基准电压设定部12分离，控制部11a可以原样不变使用现存的(即图6所示的控制IC 4)控制方式的装置。
下面，根据流程图对控制IC 4a的控制的流程进行说明。
图9为示出本发明的实施方式2的燃料电池控制系统的控制例程的流程图。
在图9中，基准电压设定部12，从差动放大器S2输入温度电压和第3参照电压Vref3的差分电压(步骤S21)，判定温度电压和第3参照电压Vref3的差分电压是否大于0(步骤S22)。此处，如果温度电压和第3参照电压Vref3的差分电压大于0(步骤S22中的“是”的场合)，因为燃料电池1的温度高于预定值，就进行PWM的占空限制以设置温度限制(步骤S23)。
之后，基准电压设定部12，从差动放大器S3输入第2参照电压Vref2和输出电压的差分电压(步骤S24)，判定第2参照电压Vref2和输出电压的差分电压是否小于等于设定值(步骤S25)。此处，在第2参照电压Vref2和电双层电容器2的输出电压的差分电压小于等于设定值的场合(步骤S25中的“是”的场合)，进行对输出功率限制和温度限制中的哪一个限制优先的限制量大小的比较(步骤S26)，在输出功率限制一方大时(即输出功率限制优先的场合)，设置输出电压限制(步骤S27)，确定第1参照电压Vref1的指令值(步骤S28)。另外，在步骤S26中，在温度限制一方大时，就根据该温度限制的条件确定第1参照电压Vref1的指令值(步骤S28)。
另外，在步骤S22中，如果温度电压和第3参照电压Vref3的差分电压小于0(步骤S22中的“否”的场合)，基准电压设定部12，输入第2参照电压Vref2和输出电压的差分电压(步骤S29)，判定第2参照电压Vref2和输出电压的差分电压是否小于等于设定值(步骤S30)。此处，在第2参照电压Vref2和输出电压的差分电压小于等于设定值的场合(步骤S30中的“是”的场合)，设置输出电压限制(步骤S27)，确定第1参照电压Vref1的指令值(步骤S28)。另外，在步骤S30中，在第2参照电压Vref2和输出电压的差分电压大于设定值时(步骤S30中的“否”的场合)，就根据该设定值确定第1参照电压Vref1的指令值(步骤S28)。另外，在步骤S25中在第2参照电压Vref2和输出电压的差分电压大于设定值时(步骤S25中的“否”的场合)，也根据该设定值确定第1参照电压Vref1的指令值(步骤S28)。
就是说，如图9的控制例程所示，在不存在输出电压和温度电压两方面的限制时，第1参照电压Vref1，由于以最大功率点为目标，成为0.6V等的最低值。另外，在只限制输出电压的场合，Vref1相应于该限制值成为比0.6V等的电压高的电压，从燃料电池1取出的电流下降而可以抑制电双层电容器2的电压的上升。此外，在只限制温度的场合，Vref1相应于该限制值成为比0.6V等的电压高的电压，从燃料电池1取出的电流下降而可以抑制燃料电池1的温度的上升。
另外，在存在输出电压和温度两者的限制的场合，对两个限制值进行比较，Vref1相应于更大的一者的限制值成为比0.6V等的电压高的电压，从燃料电池1取出的电流下降而可以对电双层电容器2的电压的上升和燃料电池1的温度上升两者进行抑制。
实施方式3图10为本发明的实施方式3的燃料电池控制系统的构成图。图10所示的实施方式3的燃料电池控制系统，与实施方式1和实施方式2的燃料电池控制系统相比，电路部3b，不是同步整流型，而是改变为使用肖特基势垒二极管15的升压斩波方式的结构。就是说，在图10的电路部3b中，将图6的电路部3a的P沟道功率MOSFET 14更换为肖特基势垒二极管15。通过采用这种结构，与图6的实施方式1及图8的实施方式2的结构相比，对于输出端的电压更高的场合是有效的。
下面对图10所示的实施方式3的控制IC 4b予以详细说明。实施方式3的控制IC 4b，与图4及图6所示的实施方式1的控制IC 4及图8所示的实施方式2的控制IC 4a比较，不需要用来控制P沟道功率MOSFET 14的控制端子TG，存在电源取得用端子Vin代替输出电压取得用的端子Vout。电源取得用端子Vin，在图10中与输入侧相连接成为可以降低端子耐压的设计，在输出电压为小于等于20V这样低的场合也可以与输出侧相连接。另外，控制IC 4b的内部结构，可以使用图6所示的实施方式1的控制IC 4结构和图8所示的实施方式2的控制IC 4a的结构中的任何一个。
在实施方式3中，由于作为蓄电单元使用的电双层电容器2a每个单体的耐压为2.3V～3.3V，如图10所示，在使用4个单体的场合，可以应用于历来利用Li离子电池2～3个单体驱动的笔记本PC等这样的便携电子机器。当然，作为代替电双层电容器2a的蓄电单元，也可以使用Li离子电池等二次电池。
实施方式4图11为本发明的实施方式4的燃料电池控制系统的构成图。图11所示的实施方式4的燃料电池控制系统示出的是在电路部3c中使用降压斩波器的示例。通过采用将电路部3c作成降压斩波器的结构，可以应付负载电压比燃料电池1的电压低的场合。就是说，图11的电路部3c，在N沟道功率MOSFET 16为ON和N沟道功率MOSFET13为OFF时，燃料电池1的电流通过电感L，流入负载30，而在N沟道功率MOSFET 16为OFF和N沟道功率MOSFET 13为ON时，贮存于电感L中的能量向负载30循环。这样，可以向负载30供给比燃料电池1的电压低的电压。
在图11所示的实施方式4中，由于作为蓄电单元使用的电双层电容器2b每个单体的耐压为2.3V～3.3V，如图11所示，在使用1个单体电双层电容器2b的场合，可以应用于以1.8V电压等低电压驱动的便携电子机器。当然，作为代替电双层电容器2b的蓄电单元，也可以使用Li离子电池及Ni氢电池等二次电池。另外，在图11中，也可以将N沟道功率MOSFET 13更换为肖特基势垒二极管。另外，控制IC 4的内部结构，可以使用图6所示的实施方式1的控制IC 4结构和图8所示的实施方式2的控制IC 4a的结构中的任何一个。
如上所述，列举的示例是由4个实施方式组成的燃料电池控制系统，但也可以相应于便携电子机器中的用途，将这些实施方式中的几个组合使用。
在实施方式中，是使用直接甲醇型燃料电池作为便携电子机器的电源，但并不限定于此，例如，也可以使用固定高分子型燃料电池。在使用固定高分子型燃料电池等直接甲醇型燃料电池以外的燃料电池的场合，最大功率点电压不同，但通过以本实施方式的方法确定，可以同样进行最大功率的跟踪控制进行发电。此外，在具有针对负载电流的变化保持最大功率点的特性的电池，例如，太阳能电池等等之中，也可以利用确定最大功率点电压进行最大功率的跟踪控制。
权利要求
1.一种燃料电池的最大功率点电压确定方法，其特征在于根据燃料电池的电流-电压特性，在表示上述电流-电压特性的特性曲线中除了输出电流在零附近时输出电压急剧变化的区域之外的范围中，以预定的近似线近似上述特性曲线，在该近似线的延长线上，求出输出电流为零时的外推电压，利用该外推电压确定燃料电池在最大功率点发电时的输出电压作为最大功率点电压。
2.如权利要求1所述的燃料电池的最大功率点电压确定方法，其特征在于在上述最大功率点发电时的输出电压是上述外推电压的50％的电压。
3.如权利要求1或2所述的燃料电池的最大功率点电压确定方法，其特征在于上述燃料电池使用直接甲醇型燃料电池。
4.一种燃料电池控制系统，具有产生基准电压的基准电压发生单元；和在燃料电池的输出电压低于上述基准电压时，控制上述燃料电池的输出功率以使上述输出电压增加的控制单元，其特征在于上述基准电压发生单元产生的基准电压，以上述燃料电池在最大功率点发电时的最大功率点电压为最小，并设定为大于等于该值的电压值；上述最大功率点电压，是根据上述燃料电池的电流-电压特性，在表示上述电流-电压特性的特性曲线中除了输出电流在零附近时输出电压急剧变化的区域之外的范围中，以预定的近似线近似上述特性曲线，并在该近似线的延长线上，求出输出电流为零时的外推电压，利用该外推电压确定的。
5.如权利要求4所述的燃料电池控制系统，其特征在于上述控制单元，将上述燃料电池的温度检测值与预定的温度值进行比较，并且在上述燃料电池的温度检测值超过上述预定的温度值时，控制上述燃料电池的输出功率以使上述燃料电池的温度不上升。
6.如权利要求5所述的燃料电池控制系统，其特征在于上述控制单元，是可以相应于上述燃料电池的温度检测值和预定的温度值的差分值，控制上述燃料电池的输出功率的单元，并进行校正以使得上述差分值越小则上述基准电压越大。
7.如权利要求4至权利要求6中的任一项所述的燃料电池控制系统，其特征在于上述燃料电池与利用上述燃料电池充电的蓄电单元相连接，上述控制单元，将上述蓄电单元的输入电压与预定的电压进行比较，并且在上述蓄电单元的输入电压超过上述预定的电压时，对上述燃料电池的输出功率进行限制。
8.如权利要求7所述的燃料电池控制系统，其特征在于上述控制单元，为了限制上述燃料电池的输出功率，求出上述蓄电单元的电压和规定的电压的差分值，并相应于该差分值进行校正以使得上述差分值越小则上述基准电压越大。
9.如权利要求7或8所述的燃料电池控制系统，其特征在于上述控制单元，通过对上述基准电压进行校正，使上述蓄电单元的输入电压成为恒定。
10.一种在燃料电池控制系统中使用的功率控制装置，其特征在于具有至少可以输入燃料电池的输出电压的电压输入端子；对调整上述燃料电池的输出功率的功率调整单元的控制端输出控制信号的控制端子；产生基准电压的基准电压发生源；将从上述电压输入端子输入的燃料电池的输出电压和上述基准电压发生单元产生的基准电压进行比较，并在上述输出电压小于上述基准电压时，为使上述燃料电池的输出电压增加而生成用来限制上述燃料电池的输出功率的控制信号并输出到上述控制端子的控制信号生成单元，且上述基准电压发生源产生的基准电压，以上述燃料电池在最大功率点发电时的最大功率点电压为最小，并设定为大于等于该值的电压值；上述最大功率点电压，是根据上述燃料电池的电流-电压特性，在表示上述电流-电压特性的特性曲线中除了输出电流在零附近时输出电压急剧变化的区域之外的范围中，以预定的近似线近似上述特性曲线，并在该近似线的延长线上，求出输出电流为零时的外推电压，利用该外推电压确定的。
11.如权利要求10所述的功率控制装置，其特征在于还具有可以输入上述燃料电池的温度检测值的温度端子；且上述控制信号生成单元，将从上述温度端子输入的温度检测值与规定的温度值进行比较，并且在上述燃料电池的温度检测值超过上述规定的温度值时，生成上述控制信号以使上述燃料电池的输出功率减小。
12.如权利要求10或权利要求11所述的功率控制装置，其特征在于上述控制信号生成单元，求出上述燃料电池的温度检测值和预定的温度值的差分值，并相应于该差分值进行校正以使得差分值越小则上述基准电压越大。
13.如权利要求9至权利要求11中的任一项所述的功率控制装置，其特征在于还具有输入利用上述燃料电池充电的蓄电单元的电压的蓄电端子，上述控制信号生成单元，相应于从上述蓄电端子输入的上述蓄电单元的电压和预定的电压的差分，生成上述控制信号。
14.如权利要求10至权利要求12中的任一项所述的功率控制装置，其特征在于还具有输入利用上述燃料电池充电的蓄电单元的电压的蓄电端子，上述控制信号生成单元，求出上述蓄电单元的电压和规定的电压的差分值，并相应于该差分值进行校正以使得差分值越小则上述基准电压越大。
全文摘要
提供一种燃料电池的最大功率点电压确定方法及其应用，以高精度确定在最大功率点发电时的输出电压，并进行不超过最大功率点的功率控制。利用电阻(R1)、(R2)的分压在差动放大器(S1)中比较燃料电池(1)的检测电压和第1参照电压(Vref1)，将该差分值输入到控制部(11)。控制部(11)相应于该差分值对电路部(3a)进行PWM控制。第1参照电压(Vref1)是根据燃料电池(1)在以最大功率发电时的输出电压，与电阻R1、R2的分压相对应地进行设定的。在以最大功率发电时的输出电压是在电流－电压特性曲线中除了输出电流在零附近的区域之外的范围中，以近似线近似特性曲线，在该近似线的延长线上，求出输出电流为零时的外推电压，确定该外推电压的50％作为燃料电池在最大功率点发电时的输出电压。
文档编号H01M8/00GK1841823SQ20061000866
公开日2006年10月4日 申请日期2006年2月20日 优先权日2005年3月31日
发明者乘松泰明, 叶田玲彦, 菊地睦 申请人:株式会社日立制作所