電子設備和該電子設備所用的電池組件及負載裝置的製作方法
2023-06-01 22:14:41
專利名稱：電子設備和該電子設備所用的電池組件及負載裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及具有燃料電池的電子設備和該電子設備所用的電池組件及負載裝置，具體來說，涉及其合適的電源部的電路構成。
背景技術：
現有的筆記本計算機、手機等電子設備所具有的電源，具有多個電壓變換器，通過使二次電池的電壓降壓的電壓變換器、使二次電池的電壓升壓的電壓變換器輸出多個電壓。作為上述多個電壓變換器的輸入電源，常用的方法是與二次電池連接。
圖10為市售的筆記本PC等現有電子設備的框圖。電池組件400不包括燃料電池，只是由二次電池102組成，二次電池102的兩端子106、108與負載裝置300的兩端子306、308連接。負載裝置300中，4個電壓變換器311～314的輸入電功率全部由二次電池102供給，電壓變換器311～314將經過變換的電壓V1～V4輸出給功能電路303。
另外，近年來，作為筆記本計算機、手機等電子設備的電源，能夠長時間連續供電的燃料電池受到了關注。上述電子設備，與通常負載激烈變動有所不同，燃料電池的發電功率無法急劇變化，所以曾以各種形式提出混合型的燃料電池系統，該系統以燃料電池的發電功率對二次電池充電，同時又由二次電池對電子設備供電。其中，日本特開2004-208344號公報曾揭示一種使用具有燃料電池、多個二次電池、以及多個功能電路的可攜式終端，力求提高能量使用效率的方法。
另一方面，為了以燃料電池的發電功率對二次電池充電，需要將燃料電池的電壓變換為二次電池的電壓的電壓變換器(DC/DC變換器)，這種情況下，作為多個電壓變換器的輸入電源，常用的方法也是與二次電池連接，其中曾提出將燃料電池的輸出電壓控制為一恆量的方法等(參照例如美國專利第6,590,370號說明書)。
圖11示出的是相應於6個電池單元串聯連接的燃料電池其燃料供給量的電流電壓特性圖。圖11中，縱軸表示DMFC(Direct Methanol Fuel Cell直接甲醇燃料電池)的輸出電壓(V)，橫軸表示DMFC的輸出電流(A)。另外，C11、C12、C13分別示出燃料的總供給量為0.6cc/min、1.2cc/min、1.8cc/min情況下的電流電壓特性曲線。
由圖11可知，燃料供給量越多，越能夠得到高輸出電流。另外，如C11～C13所示那樣可知，隨著輸出電流的增大，輸出電壓便減小。
另外，控制燃料電池的輸出電壓為一恆量的情況下，燃料(甲醇)的供給量一旦增加，輸出電流(A)就增加。圖11所示的例子中，將燃料電池的輸出電壓控制為在2.4V固定不變的話，燃料總供給量分別為C11、C12、C13的情況下，各電流(A)便增加為I1、I2、I3。因而，可通過控制燃料的總供給量來控制燃料電池的發電功率。這樣，為了以燃料供給量控制燃料電池的發電功率，希望是將燃料電池的輸出電壓控制為一恆量的方法。
圖12為所用的電池組件具有燃料電池的現有電子設備的框圖。圖12所示的負載裝置300具有與圖10同樣的構成，電池組件500由燃料電池101、電壓變換器103、以及二次電池102所構成。
負載裝置300內具有由12V、10V、1.5V、1.25V四個電壓變換器311～314所組成的電壓變換器組301。12V、10V的電壓變換器311、312是升壓電路，而1.5V、1.25V的電壓變換器313、314是降壓電路，上述4個電壓變換器311～314所消耗的電功率均由二次電池102供給，這一點與圖10相同。
但現有混合型燃料電池系統中，難以由燃料電池對負載變動激烈的功能電路供電。否則即便是使所供給的燃料流量變化，燃料電池的輸出功率也沒有急劇變化，所以在使負載裝置的電流值與急劇的功耗變化相適應方面，燃料電池的輸出電流特性並不理想。
另外，圖12所示的現有電子設備中，例如燃料電池101的輸出電壓為2.4V、二次電池102的輸出電壓為6～8.4V的情況下，1.5V、1.25V的電壓變換器313、314的電力常規狀態下用電壓變換器103通過使燃料電池101的電壓升壓來對二次電池102充電，為此預先降壓至1.5V、1.25V，使燃料電池101的輸出電壓升壓後再降壓使用。由此產生功率損耗、效率低。
另外，燃料電池101的輸出電壓為10V、二次電池102的輸出電壓為6～8.4V的情況下，12V、10V的電壓變換器311、312的電力常規狀態下用電壓變換器103通過使燃料電池101的電壓降壓來對二次電池102充電，為此預先升壓至12V、10V，使燃料電池101的輸出電壓降壓後再升壓使用。由此產生功率損耗、效率低。
這樣，現有混合型燃料電池系統(hybrid-type fuel-cell system)的情況下，對負載裝置300的供電由二次電池102供給，所以功能電路303的電源電壓低於燃料電池101輸出電壓的情況下，例如功能電路303是CPU電路等的情況下，對功能電路303供電的電壓變換器的輸入也需要由二次電池102供給。其結果，使燃料電池101的輸出電壓升壓至二次電池102的輸出電壓後，再進行使該二次電池102的輸出電壓降壓至比燃料電池101的輸出電壓低的功能電路303的電源電壓，或者相反，使燃料電池101的輸出電壓降壓至二次電池102的輸出電壓後，再進行使該二次電池102的輸出電壓升壓至比燃料電池101的輸出電壓高的功能電路303的電源電壓，所以在能量利用效率方面產生電力變換損耗，為所不希望的狀況。
發明內容
本發明其目的在於提供一種能夠由燃料電池對負載變動激烈的負載裝置供電的電子設備和該電子設備所用的電池組件及負載裝置。
本發明所提供的電子設備，包括電源部以及負載裝置，所述電源部包括燃料電池；二次電池；以及連接於所述燃料電池和所述二次電池之間，並對所述燃料電池的輸出電壓和所述二次電池的輸出電壓進行雙向變換的雙向電壓變換器，所述負載裝置與所述燃料電池並聯連接。
該電子設備中，燃料電池所輸出的電壓由雙向電壓變換器調整為一恆定電壓。這時，利用的是雙向電壓變換器，因而燃料電池的發電功率即便是小於負載裝置的消耗功率的情況下，雙向電壓變換器也可以使燃料電池兩端的電壓保持不變，同時由二次電池對燃料電池的輸出側供電。所以，可對負載裝置穩定供電，因而即便是時間上負載裝置的負載變動較大的情況下，也能夠由燃料電池供電，可以由燃料電池對負載變動激烈的負載裝置供電。
本發明還提供一種電池組件，它包括燃料電池；二次電池；以及連接於所述燃料電池和所述二次電池之間，並對所述燃料電池的輸出電壓和二次電池的輸出電壓進行雙向變換的雙向電壓變換器。
該電池組件加裝於負載裝置的情況下，可利用雙向電壓變換器將燃料電池所輸出的電壓調整為固定不變。這時，由於使用雙向電壓變換器，即便是燃料電池的發電功率小於負載裝置所消耗功率的情況下，雙向電壓變換器由二次電池對燃料電池的輸出側供電，燃料電池的兩端電壓可保持固定不變。因此，可對負載裝置穩定供電，因而即便是時間上負載裝置其負載變動較大的情況下，仍能由燃料電池供電。
本發明還提供一種負載裝置，使用具有燃料電池和二次電池的電池組件，包括輸出與所述燃料電池的輸出電壓相比更為接近所述二次電池的輸出電壓的電壓的第1電壓變換器；輸出與所述二次電池的輸出電壓相比更為接近所述燃料電池的輸出電壓的電壓的第2電壓變換器；由所述第1和第2電壓變換器供電，並執行該負載裝置的功能的功能電路；由所述二次電池對所述第1電壓變換器供電用的第1端子；以及由所述燃料電池對所述第2電壓變換器供電用的第2端子。
該負載裝置加裝有包括燃料電池和二次電池的電池組件的情況下，用第1端子由二次電池對第1電壓變換器供電，其中第1電壓變換器輸出與燃料電池的輸出電壓相比更為接近二次電池的輸出電壓的電壓，並用第2端子由燃料電池對第2電壓變換器供電，其中第2電壓變換器輸出與二次電池的輸出電壓相比更為接近燃料電池的輸出電壓的電壓，所以可使第1和第2電壓變換器的升壓比或降壓比儘可能接近1。因此可以提供一種可避免升壓後再降壓利用電力的情形、降壓後再升壓利用電力的情形，減少電壓變換器中的電功率損耗，提高能量利用效率的電子設備。
圖1為本發明第一實施例的電子設備的框圖。
圖2為示出作為圖1所示的雙向電壓變換器所採用的升壓式雙向電壓變換器構成的電路圖。
圖3為說明圖1所示的控制電路所輸出的PWM信號的工作因數用的波形圖。
圖4為相對於6個電池單元串聯連接而成的燃料電池的燃料供給量的電流電壓特性曲線、以及對負載裝置供給電流的狀況的說明圖。
圖5為示出本發明第二實施例的電子設備所用的降壓式雙向電壓變換器構成的電路圖。
圖6為示出本發明第三實施例的電子設備構成的框圖。
圖7為示出本發明第四實施例的電子設備構成的框圖。
圖8為示出本發明第五實施例的電子設備構成的框圖。
圖9為示出本發明第六實施例的電子設備構成的框圖。
圖10為現有的市售筆記本PC等電子設備的框圖。
圖11示出的為相對於6個電池單元串聯連接而成的燃料電池的燃料供給量的電流電壓特性。
圖12為所用的電池組件具有現有燃料電池的電子設備的框圖。
具體實施例方式
下面參照
本發明的各實施例。
(第一實施例)
首先說明本發明第一實施例的電子設備。圖1為本發明第一實施例的電子設備的框圖。
圖1所示的電子設備包括電池組件100和負載裝置600，電池組件100包括燃料電池101、二次電池102、雙向電壓變換器103、控制電路104、以及整流元件110。燃料電池101是有源型DMFC(Direct Methanol Fuel Cell直接甲醇燃料電池)按6個電池單元串聯連接而成，二次電池則是2個鋰離子電池串聯連接而成。
另外，燃料電池和二次電池並非限定於上述例子，作為燃料電池也可以用無源型DMFC、DDFC(Direct DME Fuel Cell直接DME燃料電池)、RMFC(Reformed Methanol Fuel Cell重整甲醇燃料電池)等，而作為二次電池也可以用鎳氫蓄電池，而且，各電池的串聯數目等也可作各種變更。
整流元件連接於燃料電池101和雙向電壓變換器103之間，在燃料電池101所產生的電壓低於作為目標的電壓的情況下，避免電流流入燃料電池101。另外，也可以設置開關來替代整流元件110，以便由二次電池102對負載裝置600供給電流時使該開關成為開路。
負載裝置600具有CPU電路等負載變動激烈的功能電路、以及對功能電路供電的電壓變換器等。作為負載裝置(電子設備)可採用可行動裝置，例如筆記本計算機、手機等。
首先說明將燃料電池101的輸出電壓設定為低於二次電池102的輸出電壓的情形。本實施例中，採用下面將說明的升壓式雙向電壓變換器作為雙向電壓變換器103，而控制電路104則對加到升壓式雙向電壓變換器103上的PWM信號的工作因數進行調整而使燃料電池101的輸出電壓為2.4V。另外，燃料電池和二次電池的輸出電壓並非限定於上述例子，可作各種變更，其他實施例也同樣。
圖2為示出作為圖1所示的雙向電壓變換器103所採用的升壓式雙向電壓變換器構成的電路圖。圖2所示的升壓式雙向電壓變換器103具有線圈11、開關元件12、13、倒相器14、電容器15、16。
電容器15連接於燃料電池101一側的輸出端和燃料電池101一側同二次電池102一側的共同接地端之間，電容器16連接於二次電池102一側的輸出端和燃料電池101一側同二次電池102一側的共同接地端之間。線圈11的一端與燃料電池101一側的輸出端連接，另一端與開關元件12、13的一端連接。開關元件12的另一端則連接於燃料電池101一側同二次電池102一側的共同接地端，開關元件13的另一端則連接於二次電池102一側的輸出端。
開關元件12的控制端從控制電路104接收PWM信號，開關元件12一旦有高電平信號輸入便導通，而有低電平信號輸入便截止。倒相器14將來自控制電路104的PWM信號倒相輸出給開關元件13的控制端，而開關元件13一旦有高電平信號輸入便導通，而有低電平信號輸入便截止。作為開關元件12、13可採用例如FET。
由上述各元件構成同步整流型雙向DC/DC變換器，雙向電壓變換器103起到升壓式雙向電壓變換器的作用，具體如下面所述使燃料電池101的輸出電壓2.4V升壓至二次電池102的輸出電壓6～8.4V。
圖3為說明圖1所示的控制電路104所輸出的PWM信號的工作因數用的波形圖，控制電路104向雙向電壓變換器103輸出圖3所示的PWM信號，根據PWM信號的高電平期間Ton和1周期時間T，可給出下面式(1)表示的工作因數(duty ratio)Dt。
Dt＝Ton/T…(1)控制電路104在Ton期間以高電平輸出PWM信號，在使開關元件12短路的同時使開關元件13成為開路。另外，控制電路104在Toff期間以低電平輸出PWM信號，使開關元件12成為開路的同時使開關元件13短路。這樣，開關元件12、13一旦動作，燃料電池101的電壓V1(左側)、二次電池102的輸出電壓V2(右側)、以及PWM信號的工作因數Dt之間有下面式(2)關係成立。
V2/V1＝1/(1-Dt)…(2)控制電路104檢測燃料電池101的電壓V1，算出檢測電壓和目標2.4V兩者之差，為了使該差值為零，用式(2)算出PWM信號的工作因數Dt，向雙向電壓變換器103輸出所算出的工作因數Dt的PWM信號。
這樣，本實施例中，可通過對燃料電池101的電壓V1進行檢測，算出與目標2.4V之間的差，並確定工作因數使得該差為零，從而將燃料電池101的電壓V1控制為2.4V的固定值。
下面說明對負載裝置600供給電流的狀況。圖4為相對於6個電池單元串聯連接而成的燃料電池101的燃料供給量的電流電壓特性曲線、以及對負載裝置600供給電流的狀況的說明圖。圖4的上面部分中，縱軸表示燃料電池101的輸出電壓(V)，而橫軸表示燃料電池101的輸出電流(A)。另外，C11、C12、C13分別示出燃料的總供給量為0.8cc/min、1.6cc/min、3.2cc/min時的電流電壓特性曲線。
諸如燃料電池101起動時等發電功率小的時候、負載裝置600所消耗的電流急劇增加等時候，電壓固定不變時燃料電池101的發電電流減小，並且燃料電池101的發電電流小於負載裝置600的消耗電流的情況下，例如圖4所示的發電電流為I1的情況下，燃料電池101的發電電流則由二次電池102供給負載裝置600，但其不足部分由二次電池102對負載裝置600供給電流。
另一方面，燃料電池101的發電穩定，電壓固定不變時的燃料電池101的發電電流足夠大，燃料電池101的發電電流大於負載裝置600的消耗電流的情況下，例如圖4所示的發電電流為I3的情況下，燃料電池101的發電電流供給負載裝置600的同時，其剩餘部分供給二次電池102，對二次電池102充電。
具體來說，燃料電池101的輸出電壓獨立於燃料電池101的發電電流Io、負載裝置600的消耗電流Ic、以及流向二次電池102的電流Is的大小關係，為一恆量，關於各電流有下面式(3)成立。
Io＝Ic+Is …(3)但當流向二次電池102的電流Is為負時則意味著電流從二次電池102流向負載裝置600。
如上所述，本實施例中存在電流從燃料電池101一側(V1側)流向雙向電壓變換器103的情形、和電流從雙向電壓變換器103供給燃料電池101一側(V1側)的情形，無論哪種情形，都可利用具有圖2所示的電路構成的升壓式雙向電壓變換器103將燃料電池101的電壓V1控制為一恆量。因此，可對負載裝置600穩定供電，所以即便是時間上負載裝置600的負載變動較大的情況下，仍能由燃料電池101供電，可以由燃料電池101對負載變動激烈的負載裝置600供電。
(第二實施例)下面說明本發明第二實施例的電子設備。
圖5為示出本發明第二實施例的電子設備所用的降壓式雙向電壓變換器構成的電路圖。本實施例的電子設備中，燃料電池的輸出電壓設定為高於二次電池的輸出電壓，用降壓式雙向電壓變換器調整輸入至雙向電壓變換器的PWM信號的工作因數，使得燃料電池的輸出電壓為10V。因此，本實施例與第一實施例不同之處在於，將圖2所示的升壓式雙向電壓變換器103改變為圖5所示的降壓式雙向電壓變換器103a，其餘均與圖1所示的電子設備一樣，所以使用圖1代為總體構成圖，省略新的圖示和詳細說明。
圖5所示的雙向電壓變換器103a具有線圈11、開關元件12、13、倒相器14、電容器15、16。
電容器15連接於燃料電池101一側的輸出端和燃料電池101與二次電池102共同接地端之間，電容器16連接於二次電池102一側的輸出端和燃料電池101與二次電池102共同接地端之間。開關元件13的一端連接於燃料電池101一側的輸出端，而另一端則連接於線圈11的一端和開關元件12的一端。線圈11的另一端則連接於燃料電池101一側的輸出端，開關元件12的另一端則連接於燃料電池101與二次電池102的共同接地端。
開關元件12的控制端子從控制電路104接收PWM信號，開關元件12一旦有高電平信號輸入便導通(on)，而有低電平信號輸入便截止(off)。倒相器14將來自控制電路104的PWM信號倒相輸出給開關元件13的控制端，而開關元件13一旦有高電平信號輸入便導通，而有低電平信號輸入便截止。作為開關元件12、13可採用例如FET。
由上述各元件構成同步整流型雙向DC/DC變換器，雙向電壓變換器103a起到降壓式雙向電壓變換器的作用，具體如下面所述使燃料電池101的輸出電壓10V降壓至二次電池102的輸出電壓6～8.4V。
控制電路104向雙向電壓變換器103a輸出工作因數為Dt的PWM信號(參照圖3)，在Ton期間以高電平輸出PWM信號，在使開關元件12短路的同時使開關元件13成為開路。另外，控制電路104在Toff期間以低電平輸出PWM信號，使開關元件12成為開路的同時使開關元件13短路。這樣，通過讓開關元件12、13動作，燃料電池101的電壓V1(左側)、二次電池102的輸出電壓V2(右側)、以及PWM信號的工作因數Dt之間有下面式(4)關係成立。
V2/V1＝(1-Dt) …(4)控制電路104檢測燃料電池101的電壓V1，算出檢測電壓和目標10V兩者之差，為了使該差值為零，用式(4)算出PWM信號的工作因數Dt，向雙向電壓變換器103a輸出所算出的工作因數Dt的PWM信號。
這樣，本實施例中，可通過對燃料電池101的電壓V1進行檢測，算出與目標10V之間的差，並確定工作因數使得該差為零，從而將燃料電池101的電壓V1控制為10V的固定值。
另外，本實施例中也如用圖4所說明的那樣，與第一實施例同樣燃料電池101的輸出電壓獨立於燃料電池101的發電電流Io、負載裝置600的消耗電流Ic、以及流向二次電池102的電流Is的大小關係，為一恆量，關於各電流有下面式(5)成立。
Io＝Ic+Is …(5)如上所述，本實施例中存在電流從燃料電池101一側(V1側)流向雙向電壓變換器103a的情形、和電流從雙向電壓變換器103a供給燃料電池101一側(V1側)的情形，無論哪種情形，都可利用具有圖5所示的電路構成的降壓式雙向電壓變換器103a將燃料電池101的電壓V1控制為一恆量。因此，可對負載裝置600穩定供電，所以即便是時間上負載裝置600的負載變動較大的情況下，仍能由燃料電池101供電，可以由燃料電池101對負載變動激烈的負載裝置600供電。
(第三實施例)下面說明本發明第三實施例的電子設備。
圖6為示出本發明第三實施例的電子設備構成的框圖。
圖6所示的電子設備包括電池組件100和負載裝置200，電池組件100包括燃料電池101、二次電池102、雙向電壓變換器103、控制電路104、整流元件110、二次電池102的+端子106、燃料電池101的+端子107、以及二次電池102同燃料電池101的共同接地端108。
雙向電壓變換器103與第一實施例一樣，由圖2所示的升壓式雙向電壓變換器103所構成，使燃料電池101的輸出電壓2.4V升壓至二次電池102的輸出電壓6～8.4V。控制電路101通過對燃料電池101的電壓V1進行檢測，算出與目標2.4V之間的差，並確定PWM信號的工作因數使得該差為零，從而將燃料電池101的電壓V1控制為在2.4V保持不變。
負載裝置200包括根據其輸出電壓的大小分配多個電壓變換器的第1電壓變換器組201和第2電壓變換器組202；執行負載裝置200所要實現的功能的功能電路203；連接於二次電池102的+端子106的第1電壓變換器組201的+端子206；連接於燃料電池101的+端子107的第2電壓變換器組202的+端子207；連接於二次電池102同燃料電池101的共同接地端108的第1電壓變換器組201和第2電壓變換器組202兩者間的共同接地端208；以及使第1電壓變換器組201的+端子206和第2電壓變換器組202的+端子207兩者間短路或開路的開關204。
第1電壓變換器組201具有電壓變換器211和電壓變換器212，電壓變換器211的輸出電壓為12V，電壓變換器212的輸出電壓為10V。第2電壓變換器組202具有電壓變換器221和電壓變換器222，電壓變換器221的輸出電壓為1.5V，電壓變換器222的輸出電壓為1.25V。另外，第1和第2電壓變換器組201、202所含的電壓變換器的數目並非限定於上述例子，也可以是1個或3個或以上。另外，本實施例中採用1個功能電路，但並非限定於該例，也可以用多個功能電路，而各功能電路並非由全部電壓變換器供給全部電壓，也可以設法由1個或2個或以上的規定的電壓變換器供給不同電壓。
本實施例中，燃料電池101的輸出電壓設定為低於二次電池102的輸出電壓，與第一實施例一樣，作為雙向電壓變換器103採用圖2所示的升壓式雙向電壓變換器103。控制電路104調整加到升壓式雙向電壓變換器103上的PWM信號的工作因數，使得燃料電池101的輸出電壓為2.4V。
諸如燃料電池101起動時那樣發電功率小的時候、第2電壓變換器組202的消耗功率大的時候，燃料電池101的發電功率相對負載裝置200的消耗功率不足的情況下，雙向電壓變換器103便由二次電池102對燃料電池101一側供電，燃料電池101兩端電壓在2.4V為一恆量。該電壓加到第2電壓變換器組202上並供電。
一旦發電功率通過加大對燃料電池101的燃料供給量來增加，便可保持燃料電池101兩端電壓固定不變，同時對二次電池102供給燃料電池101的電力。具體來說，與燃料電池101的發電功率和第2電壓變換器組202的消耗功率之間的大小關係無關，燃料電池101的兩端電壓為一恆量。
這樣，本實施例中，1.5V、1.25V的電壓變換器221、222從燃料電池101接收2.4V電壓而工作，而12V、10V的電壓變換器211、212則從燃料電池101接收6～8.4V電壓而工作。
所以，本實施例與圖12的現有例相比，可以避免將燃料電池101的輸出電壓2.4V升壓至二次電池102的輸出電壓6～8.4V、而由第2電壓變換器組202將該電壓降壓至1.25V和1.5V這種效率低的電壓變換，減少電壓變換所造成的電功率損耗。
另外，本實施例中如用圖4所說明的那樣，也與第一和第二實施例同樣，燃料電池101的輸出電壓獨立於燃料電池101的發電電流Io、負載裝置200的消耗電流Ic、以及流向二次電池102的電流Is的大小關係，為一恆量，有下面式(6)成立。
Io＝Ic+Is …(6)這樣，存在電流從燃料電池101一側(V1側)流入雙向電壓變換器103的情形、和電流從雙向電壓變換器103供給燃料電池101一側(V1側)的情形，無論哪種情形，都可利用具有圖2所示的電路構成的升壓式雙向電壓變換器103將燃料電池101的電壓V1控制為一恆量。因此，可對負載裝置200穩定供電，所以即便是時間上負載裝置200的負載變動較大的情況下，仍能由燃料電池101供電，可以由燃料電池101對負載變動激烈的負載裝置200供電。
(第四實施例)下面說明本發明第四實施例的電子設備。
圖7為示出本發明第四實施例的電子設備構成的框圖。另外，本實施例中，除了採用降壓式雙向電壓變換器方面、和在多個電壓變換器當中將輸出電壓低的劃分為第1電壓變換器組而將輸出電壓高的劃分為第2電壓變換器組來進行各自的分配方面以外，其餘構成都與第三實施例相同，所以對相同部分的詳細說明從略。
圖7所示的電子設備包括電池組件100和負載裝置200，電池組件100包括燃料電池101、二次電池102、雙向電壓變換器103a、控制電路104、整流元件110、二次電池102的+端子106、燃料電池101的+端子107、以及二次電池102同燃料電池101的共同接地端108。
雙向電壓變換器103a與第二實施例一樣，由圖5所示的降壓式雙向電壓變換器103a所構成，使燃料電池101的輸出電壓10V降壓至二次電池102的輸出電壓6～8.4V。控制電路104通過對燃料電池101的電壓V1進行檢測，算出與目標10V之間的差，並確定PWM信號的工作因數使得該差為零，從而將燃料電池101的電壓V1控制為在10V保持不變。
負載裝置200包括根據其輸出電壓的大小分配多個電壓變換器的第1電壓變換器組401和第2電壓變換器組402；具有負載裝置200所要實現的功能的功能電路203；連接於二次電池102的+端子106的第1電壓變換器組401的+端子206；連接於燃料電池101的+端子107的第2電壓變換器組402的+端子207；連接於二次電池102和燃料電池101的共同接地端子108的第1電壓變換器組401和第2電壓變換器組402的共同接地端子208；以及使第1電壓變換器組401的+端子206和第2電壓變換器組402的+端子207兩者間短路或開路的開關204。
第1電壓變換器組401具有電壓變換器411和電壓變換器412，電壓變換器411的輸出電壓為1.5V，電壓變換器412的輸出電壓為1.25V。第2電壓變換器組402具有電壓變換器421和電壓變換器422，電壓變換器421的輸出電壓為12V，電壓變換器422的輸出電壓為10V。另外，第1和第2電壓變換器組401、402所含的電壓變換器的數目並非限定於上述例子，也可以是1個或3個或以上。另外，本實施例中採用1個功能電路，但並非限定於該例，也可以用多個功能電路，而各功能電路並非由全部電壓變換器供給全部電壓，也可以設法由1個或2個或以上的規定的電壓變換器供給不同電壓。
本實施例中，燃料電池101的輸出電壓設定為高於二次電池102的輸出電壓，與第二實施例一樣，作為雙向電壓變換器103a採用圖5所示的降壓式雙向電壓變換器103a。控制電路104調整加到降壓式雙向電壓變換器103a上的PWM信號的工作因數，使得燃料電池101的輸出電壓為10V。
諸如燃料電池101起動時那樣發電功率小的時候、第2電壓變換器組402的消耗功率大的時候，燃料電池101的發電功率相對負載裝置200的消耗功率不足的情況下，雙向電壓變換器103a便由二次電池102對燃料電池101一側供電，燃料電池101兩端電壓在10V為一恆量。該電壓加到第2電壓變換器組402上並供電。
燃料電池101的發電功率一旦增加，燃料電池101兩端的電壓一邊維持在一恆量上，一邊對二次電池102供給燃料電池101的電力。具體來說，與燃料電池101的發電功率和第2電壓變換器組402的消耗功率之間的大小關係無關，燃料電池101的兩端電壓維持在一恆量上。這些均與第一至第三實施例相同。
這樣，本實施例中，12V、10V的電壓變換器421、422從燃料電池101接收10V電壓而工作，而1.5V、1.25V的電壓變換器411、412則從燃料電池101接收6～8.4V電壓而工作。
所以，本實施例與圖12的現有例相比，12V、10V的電壓變換器421、422其降壓比接近1，可減少電功率損耗。具體來說，對於12V的電壓變換器421而言，可以避免將燃料電池101的輸出電壓10V降壓至二次電池102的輸出電壓6～8.4V，而由12V的電壓變換器將該電壓升壓至12V這種效率低的電壓變換，減少電壓變換所造成的電功率損耗。
另外，本實施例中如用圖4所說明的那樣，也與第一至第三實施例同樣，燃料電池101的輸出電壓獨立於燃料電池101的發電電流Io、負載裝置200的消耗電流Ic、以及流向二次電池102的電流Is的大小關係，為一恆量，有下面式(7)成立。
Io＝Ic+Is …(7)這樣，存在電流從燃料電池101一側(V1側)流入雙向電壓變換器103a的情形、和電流從雙向電壓變換器103a供給燃料電池101一側(V1側)的情形，無論哪種情形，都可利用具有圖5所示的電路構成的降壓式雙向電壓變換器103a將燃料電池101的電壓V1控制為一恆量。因此，可對負載裝置200穩定供電，所以即便是時間上負載裝置200的負載變動較大的情況下，仍能由燃料電池101供電，可以由燃料電池101對負載變動激烈的負載裝置200供電。
(第五實施例)下面說明本發明第五實施例的電子設備。
圖8為示出本發明第五實施例的電子設備構成的框圖。本實施例為將圖10所示的現有的電池組件400與圖6所示的負載裝置200連接的電子設備，下面說明圖6所示的負載裝置200可使用只有2個輸出端106、108的現有電池組件400的情形。
負載裝置200具有使第1電壓變換器組201的+端子206和第2電壓變換器組202的+端子207兩者間短路或開路的開關204。開關204為了在加裝現有電池組件400的情況下短路，通常構成為短路。所以，僅具有二次電池102的2個輸出端106、108的電池組件400加裝於負載裝置200的情況下，開關204短路，第1電壓變換器組201和第2電壓變換器組202一起由二次電池102供電，從而功能電路203工作。
另一方面，具有圖6所示的3個端子106～108的電池組件100加裝於負載裝置200的情況下，為了使電池組件100和負載裝置200工作，最好電池組件100具有機械地使開關204斷開的機構。這種情況下，加裝具有3個端子106～108的電池組件100的情況下，可使開關204成為開路，電池組件100和負載裝置200可以與第三實施例同樣動作。
舉例來說，也可以設法採用通過使2片連接片機械接觸或不接觸來接通或斷開的舌簧開關、機械開關作為開關204，同時對電池組件100設置凸部，電池組件100加裝於負載裝置200上的話，該凸部便按壓於開關204其中之一連接片而處於斷開狀態。
另外，也可以設法根據電氣信號實現同樣的功能，舉例來說，也可以設法採用根據控制信號導通或截止的FET等作為開關204，在電池組件100加裝於負載裝置200上的情況下，由電池組件100對開關204輸出使開關204截止的控制信號。
(第六實施例)下面說明本發明第六實施例的電子設備。圖9為示出本發明第六實施例的電子設備構成的框圖。本實施例是將圖12所示的由燃料電池101和二次電池102所組成的現有電池組件500與圖6所示的負載裝置200連接的電子設備，下面說明圖6所示的負載裝置200可使用只有2個輸出端106、108的現有電池組件500的情形。
僅具有二次電池102的2個輸出端106、108的電池組件500加裝於負載裝置200的情況下，開關204與第五實施例同樣構成，形成為短路。這種情況下，也與第五實施例同樣，第1電壓變換器組201和第2電壓變換器組202一起由二次電池102供電，從而功能電路203工作。
另外，關於上述第五和第六實施例中的負載裝置200和電池組件100的構成也可同樣應用於第四實施例的負載裝置200和電池組件100，能夠獲得同樣的效果。
綜上所述，本發明涉及的電子設備，包括電源部以及負載裝置，所述電源部包括燃料電池；二次電池；以及連接於所述燃料電池和所述二次電池之間，並對所述燃料電池的輸出電壓和所述二次電池的輸出電壓進行雙向變換的雙向電壓變換器，所述負載裝置與所述燃料電池並聯連接。
該電子設備中，可利用雙向電壓變換器將燃料電池所輸出的電壓調整為一恆量。這時，由於使用雙向電壓變換器，所以即便是與燃料電池連接的負載裝置的消耗電流急劇增加而消耗超過燃料電池的發電功率的情況下、燃料電池起動時和燃料流量增加時等燃料電池的發電功率並未急劇增加低於負載裝置的消耗功率等情況下，即燃料電池的發電功率小於負載裝置所消耗功率的情況下，雙向電壓變換器也可由二次電池對燃料電池的輸出側供電，使燃料電池兩端的電壓維持在一恆量上。因而，由於可對負載裝置穩定供電，所以即便是時間上負載裝置其負載變動較大的情況下，仍能夠由燃料電池供電。
最好所述負載裝置包括輸出與所述燃料電池的輸出電壓相比更為接近所述二次電池的輸出電壓的電壓的第1電壓變換器；輸出與所述二次電池的輸出電壓相比更為接近所述燃料電池的輸出電壓的電壓的第2電壓變換器；以及由所述第1和第2電壓變換器供電並執行該負載裝置的功能的功能電路，所述第1電壓變換器與所述二次電池並聯連接，而所述第2電壓變換器與所述燃料電池並聯連接。
這種情況下，輸出與燃料電池的輸出電壓相比更為接近二次電池的輸出電壓的電壓的第1電壓變換器與二次電池並聯連接，輸出與二次電池的輸出電壓相比更為接近所述燃料電池的輸出電壓的電壓的第2電壓變換器與燃料電池並聯連接，所以可以使第1和第2電壓變換器的升壓比或降壓比儘可能接近1。因而，可以避免在電源部內升壓後再由第1和第2電壓變換器降壓來利用電力、在電源部內降壓後再由第1和第2電壓變換器升壓來利用電力，所以可以提供一種減少第1和第2電壓變換器的電功率損耗，並使能量利用效率提高的電子設備。另外，與現有的情形相比，還可以延長電子設備的連續使用時間。
最好所述電源部包含可相對於所述負載裝置裝卸的電池組件，所述負載裝置還具有使所述第1電壓變換器的輸入和所述第2電壓變換器的輸入兩者間短路或開路的開關，所述開關只在所述電池組件加裝到所述負載裝置上的情況下開路，而除此以外的情況下則短路。
這種情況下，未加裝包含與上述第2電壓變換器並聯連接的燃料電池在內的電池組件時，通過使第1電壓變換器的輸入和第2電壓變換器的輸入短路，從而將第1和第2電壓變換器當作如同現有電子設備的一個電壓變換器組的構成，調換為現有的不含燃料電池的電池組件或包含燃料電池的現有電池組件來替代包含與上述第2電壓變換器並聯連接的燃料電池在內的電池組件的情況下，也可以確保互換性來使用負載裝置。
最好所述第1電壓變換器包含輸出與所述燃料電池的輸出電壓相比更為接近所述二次電池的輸出電壓的電壓的多個第1電壓變換器，所述第2電壓變換器包含輸出與所述二次電池的輸出電壓相比更為接近所述燃料電池的輸出電壓的電壓的多個第2電壓變換器，所述多個第1電壓變換器與所述二次電池並聯連接，而所述多個第2電壓變換器與所述燃料電池並聯連接。
這種情況下，可通過將多個電壓變換器劃分為第1和第2電壓變換器組使得各組中所包含的電壓變換器的升壓比或降壓比儘可能接近1，來避免在電源部內升壓後再由第1和第2電壓變換器組降壓來利用電力、或在電源部內降壓後再由第1和第2電壓變換器組升壓來利用電力，可以減少多個電壓變換器中的電功率損耗，並進一步提高能量利用效率。
最好所述雙向電壓變換器在所述燃料電池所產生的電流小於所述負載裝置所消耗的電流的情況下由所述二次電池對所述負載裝置供給所述負載裝置所消耗電流的不足部分，在所述燃料電池所產生的電流大於所述負載裝置所消耗的電流的情況下對所述二次電池供給所述燃料電池所產生電流的過剩部分。
這種情況下，燃料電池所產生的電流小於負載裝置所消耗的電流時，由二次電池對負載裝置供給負載裝置所消耗電流的不足部分，所以可以使燃料電池兩端電壓維持在一恆量上，並對負載裝置供電，而燃料電池所產生的電流大於負載裝置所消耗的電流時，由於對二次電池供給燃料電池所產生電流的剩餘部分，所以可以將燃料電池的剩餘電力貯存於二次電池，從而可有效利用燃料電池的電力。
最好所述燃料電池的輸出電壓低於所述二次電池的輸出電壓，所述雙向電壓變換器包含使所述燃料電池的輸出電壓升壓至所述二次電池的輸出電壓的升壓式雙向電壓變換器，所述電源部還包括檢測所述燃料電池的輸出電壓並控制所述升壓式雙向電壓變換器而使所述燃料電池的輸出電壓為一恆量的控制電路。
這種情況下，檢測燃料電池的輸出電壓並控制升壓式雙向電壓變換器使得燃料電池的輸出電壓固定不變，所以在燃料電池的輸出電壓低於二次電池的輸出電壓的情況下，可使燃料電池兩端的電壓保持固定不變，同時對負載裝置供電，而且可以將燃料電池的剩餘電力貯存於二次電池，能夠有效利用燃料電池的電力。
最好所述升壓式雙向電壓變換器包含同步整流型雙向DC/DC電壓變換器，在所述燃料電池一側的電壓為V1、所述二次電池一側的電壓為V2、PWM信號的工作因數為Dt時，滿足V2/V1＝1/(1-Dt)的關係，所述控制電路控制所述PWM信號的工作因數Dt，使所述燃料電池的輸出電壓為一恆量。
這種情況下，由於使PWM信號的工作因數Dt變化而使燃料電池的輸出電壓固定不變，對所述升壓式雙向電壓變換器的輸出電壓進行控制，所以在燃料電池的輸出電壓低於二次電池的輸出電壓的情況下，可以利用使PWM信號的工作因數變化這種簡單的控制方法來使燃料電池兩端的電壓保持固定不變，同時對負載裝置供電，而且還可以將燃料電池的剩餘電力貯存於二次電池，能夠有效利用燃料電池的電力。
所述燃料電池的輸出電壓高於所述二次電池的輸出電壓，所述雙向電壓變換器也可以設法包含使所述燃料電池的輸出電壓降壓至所述二次電池的輸出電壓的降壓式雙向電壓變換器，所述電源部還包括檢測所述燃料電池的輸出電壓並控制所述降壓式雙向電壓變換器而使所述燃料電池的輸出電壓固定不變的控制電路。
這種情況下，檢測燃料電池的輸出電壓並控制降壓式雙向電壓變換器使得燃料電池的輸出電壓固定不變，所以在燃料電池的輸出電壓高於二次電池的輸出電壓的情況下，可使燃料電池兩端的電壓保持固定不變，同時對負載裝置供電，而且可以將燃料電池的剩餘電力貯存於二次電池，能夠有效利用燃料電池的電力。
最好所述降壓式雙向電壓變換器包含同步整流型雙向DC/DC電壓變換器，令所述燃料電池一側的電壓為V1、所述二次電池一側的電壓為V2、PWM信號的工作因數為Dt時滿足V2/V1＝(1-Dt)的關係，所述控制電路控制所述PWM信號的工作因數Dt，使所述燃料電池的輸出電壓為一恆量。
這種情況下，由於使PWM信號的工作因數Dt變化並控制降壓式雙向電壓變換器的輸出電壓而使燃料電池的輸出電壓固定不變，所以在燃料電池的輸出電壓高於二次電池的輸出電壓的情況下，可以利用使PWM信號的工作因數變化這種簡單的控制方法來使燃料電池兩端的電壓保持固定不變，同時對負載裝置供電，而且還可以將燃料電池的剩餘電力貯存於二次電池，能夠有效利用燃料電池的電力。
所述燃料電池最好包括直接式甲醇燃料電池。這種情況下，可以使燃料電池小型化，進而使電源部小型化，所以也可使電子設備小型化。
所述二次電池最好包含鋰離子電池。這種情況下，可以使二次電池小型化，進而使電源部小型化，所以也可使電子設備小型化。
根據本發明，可針對用燃料電池和二次電池的電子設備，提供一種可由燃料電池對負載變動激烈的功能電路供電，而且消除升壓後再將電壓降壓使用、降壓後再將電壓升壓使用這種徒勞的電壓變化，來實現高效的電壓變換，減少電功率損耗的電子設備，所以對於筆記本PC、手機這種需要多個電壓輸出電源的電子設備相當有用。
權利要求
1.一種電子設備，包括電源部以及負載裝置，其特徵在於，所述電源部包括燃料電池；二次電池；以及連接於所述燃料電池和所述二次電池之間，並對所述燃料電池的輸出電壓和所述二次電池的輸出電壓進行雙向變換的雙向電壓變換器，所述負載裝置與所述燃料電池並聯連接。
2.如權利要求1所述的電子設備，其特徵在於，所述負載裝置包括輸出與所述燃料電池的輸出電壓相比更為接近所述二次電池的輸出電壓的電壓的第1電壓變換器；輸出與所述二次電池的輸出電壓相比更為接近所述燃料電池的輸出電壓的電壓的第2電壓變換器；以及由所述第1和第2電壓變換器供電，並執行該負載裝置的功能的功能電路，所述第1電壓變換器與所述二次電池並聯連接，所述第2電壓變換器與所述燃料電池並聯連接。
3.如權利要求2所述的電子設備，其特徵在於，所述電源部包含可相對於所述負載裝置裝卸的電池組件，所述負載裝置還具有使所述第1電壓變換器的輸入和所述第2電壓變換器的輸入兩者間短路或開路的開關，所述開關只在所述電池組件加裝到所述負載裝置上的情況下開路，而除此以外的情況下則短路。
4.如權利要求2所述的電子設備，其特徵在於，所述第1電壓變換器包含輸出與所述燃料電池的輸出電壓相比更為接近所述二次電池的輸出電壓的電壓的多個第1電壓變換器，所述第2電壓變換器包含輸出與所述二次電池的輸出電壓相比更為接近所述燃料電池的輸出電壓的電壓的多個第2電壓變換器，所述多個第1電壓變換器與所述二次電池並聯連接，所述多個第2電壓變換器與所述燃料電池並聯連接。
5.如權利要求1所述的電子設備，其特徵在於，所述雙向電壓變換器，在所述燃料電池所產生的電流小於所述負載裝置所消耗的電流的情況下，由所述二次電池對所述負載裝置供給所述負載裝置所消耗電流的不足部分，在所述燃料電池所產生的電流大於所述負載裝置所消耗的電流的情況下，對所述二次電池供給所述燃料電池所產生電流的過剩部分。
6.如權利要求1所述的電子設備，其特徵在於，所述燃料電池的輸出電壓低於所述二次電池的輸出電壓，所述雙向電壓變換器包含使所述燃料電池的輸出電壓升壓至所述二次電池的輸出電壓的升壓式雙向電壓變換器，所述電源部還包括檢測所述燃料電池的輸出電壓並控制所述升壓式雙向電壓變換器而使所述燃料電池的輸出電壓為一恆量的控制電路。
7.如權利要求6所述的電子設備，其特徵在於，所述升壓式雙向電壓變換器包含同步整流型雙向DC/DC電壓變換器，在所述燃料電池一側的電壓為V1、所述二次電池一側的電壓為V2、PWM信號的工作因數為Dt時，滿足V2/V1＝1/(1-Dt)的關係，所述控制電路控制所述PWM信號的工作因數Dt，使所述燃料電池的輸出電壓為一恆量。
8.如權利要求1所述的電子設備，其特徵在於，所述燃料電池的輸出電壓高於所述二次電池的輸出電壓，所述雙向電壓變換器包含使所述燃料電池的輸出電壓降壓至所述二次電池的輸出電壓的降壓式雙向電壓變換器，所述電源部還包括檢測所述燃料電池的輸出電壓並控制所述降壓式雙向電壓變換器而使所述燃料電池的輸出電壓為一恆量的控制電路。
9.如權利要求8所述的電子設備，其特徵在於，所述降壓式雙向電壓變換器包含同步整流型雙向DC/DC電壓變換器，在所述燃料電池一側的電壓為V1、所述二次電池一側的電壓為V2、PWM信號的工作因數為Dt時，滿足V2/V1＝(1-Dt)的關係，所述控制電路控制所述PWM信號的工作因數Dt，使所述燃料電池的輸出電壓為一恆量。
10.如權利要求1所述的電子設備，其特徵在於，所述燃料電池包括直接式甲醇燃料電池。
11.如權利要求1所述的電子設備，其特徵在於，所述二次電池包括鋰離子電池。
12.一種電池組件，其特徵在於，包括燃料電池；二次電池；以及連接於所述燃料電池和所述二次電池之間，並對所述燃料電池的輸出電壓和所述二次電池的輸出電壓進行雙向變換的雙向電壓變換器。
13.一種負載裝置，使用具有燃料電池和二次電池的電池組件，其特徵在於，包括輸出與所述燃料電池的輸出電壓相比更為接近所述二次電池的輸出電壓的電壓的第1電壓變換器；輸出與所述二次電池的輸出電壓相比更為接近所述燃料電池的輸出電壓的電壓的第2電壓變換器；由所述第1和第2電壓變換器供電，並執行該負載裝置的功能的功能電路；由所述二次電池對所述第1電壓變換器供電用的第1端子；以及由所述燃料電池對所述第2電壓變換器供電用的第2端子。
全文摘要
雙向電壓變換器連接於燃料電池和二次電池之間，負載裝置與燃料電池並聯連接。此外，具有多個電壓變換器的情況下，各自的輸出電壓與燃料電池的輸出電壓相比更為接近二次電池的輸出電壓的話，便劃分為第1電壓變換器組，而與二次電池的輸出電壓相比更為接近燃料電池的輸出電壓的話，則劃分為第2電壓變換器組，第1電壓變換器組並聯連接有二次電池，而第2電壓變換器組則並聯連接有燃料電池。
文檔編號H04M1/73GK1893216SQ200610095950
公開日2007年1月10日 申請日期2006年6月20日 優先權日2005年6月30日
發明者高田雅弘, 市瀨俊彥, 嶋本健 申請人:松下電器產業株式會社