混合电源系统 技术领域 本发明涉及由太阳能电池 (solar cell) 或者燃料电池 (fuel cell) 以及诸如锂 离子电池之类的二次电池组成的混合电源 (hybrid power source) 系统。
背景技术 太阳能电池可以生成的发电能力是根据光的辐射水平来确定的， 例如， 没有光辐 射时的发电能力为零。另一方面， 无论光的辐射水平如何， 对于用于驱动电子装置的电源， 对应于该电子装置的工作操作状态的电力是必需的。因此， 用于稳定驱动电子装置的电源 显然无法仅由太阳能电池组成。
其中太阳能电池和二次电池被彼此组合并且二次电池被用作电力缓冲的混合电 源系统是如下系统， 其中用于稳定驱动电子装置的电源是利用太阳能电池构成的。在该系 统中， 当太阳能电池的发电能力超过用来驱动电子装置的电力时， 以将太阳能电池生成的 过多电力存储在二次电池中的方式来给二次电池充电。另一方面， 当太阳能电池的发电能 力降到用于驱动电子装置的电力之下时， 二次电池被放电使得电子装置被太阳能电池和二 次电池驱动。
混合电源系统的配置使得太阳能电池无需应对电子装置的最大功耗， 因而太阳能 电池仅需要提供电子装置的平均功耗。因此， 可以使太阳能电池的尺寸小型化。由太阳能 电池和二次电池组成的混合电源系统可以实现电力的稳定供给以及太阳能电池的小型化 两者， 并且因而是对以小型化和便携性提升为目标的电子装置非常有效的系统。
另一方面， 在诸如个人计算机或移动电话之类的便携式电子装置中， 功耗具有随 着其高性能提升和多功能提升而增长的趋势。因此， 燃料电池被预期作为便携式电子装置 的下一代电源， 其可以应付该趋势。在燃料电池中， 燃料被提供给负电极 ( 阳极 ) 侧， 使得 燃料被氧化， 并且空气或氧气被提供给正电极 ( 阴极 ) 侧， 使得氧气被分解。因此， 就整个 燃料电池而言在燃料和氧气之间产生氧化还原反应。此时， 燃料所具有的化学能被高效地 变换为继而被取出的电能。 燃料电池具有一项特征， 即除非燃料电池损坏， 否则通过向燃料 电池提供燃料， 燃料电池可被不断用作电源。
虽然各种燃料电池已被提出， 但是使用氢离子导电高分子膜作为电解质的高分子 电解质燃料电池 (PEFC) 由于以下原因而适合作为便携式电源 ： 电解质是固体并且没有飞 散危险， 高分子电解质燃料电池可以在比任何其他类型燃料电池更低的温度 ( 例如在大约 30℃到大约 130℃的温度 ) 工作， 其启动时间较短， 等等。
诸如氢气和甲醇之类的各种易燃材料可被用作燃料电池的燃料。然而， 诸如氢气 之类的气体燃料不适于小型化和轻量化， 这是因为气体燃料需要高压容器或者氢气存储合 金来存储。 另一方面， 虽然诸如甲醇之类的液体燃料具有液体燃料易于存储的优势， 但是利 用通过利用重整器 (reformer) 从液体燃料中提取氢气的系统的燃料电池不适于小型化， 这是因为其构造变得复杂。与之相反， 其中甲醇被直接提供给阳极以使得在不重整甲醇的 情况下做出反应的直接甲醇燃料电池 (DMFC) 具有如下特征 ： 燃料易于存储， 其构造简单，
并且小型化容易。传统上， DMFC 在许多情况下已被与 PEFC 组合以作为一种 PEFC 来研究， 并且因而最有希望作为便携式电子装置的电源。
然而， 因为 DMFC 的输出密度较小， 因此当试图通过燃料电池本身生成用来驱动便 携式电子装置的电力时， 恐怕燃料电池的尺寸变得过大。因此， 即使在诸如 DMFC 之类的燃 料电池中， 与诸如锂离子电池之类的具有大输出密度的二次电池一起构成混合电源系统也 是有效的。
于是， 在稍后将描述的专利文献 1 中提出了混合电源系统， 其中燃料电池和二次 电池与负载并联， 并且燃料电池和二次电池中的至少一个向负载提供电力。图 4 是基于燃 料电池和二次电池的电流 - 电压特性来说明上面描述的电源系统的操作的示图。注意到图 4 中示出的燃料电池和二次电池的电压不是单个电池的电压， 而是电池堆的电压， 在这些电 池堆中的每一个电池堆中多个电池串联。此外， 因为在二次电池的电流 Ir 中， 放电方向被 看作是正的 (Ir ＞ 0)， 因此当充电被执行时， 电流 Ir 是负的 (Ir ＜ 0)。
如图 4 所示， 燃料电池的电流 - 电压曲线具有 S 状形状， 因而生成电压在生成电流 增大时被相对大量减小。这是因为， 在燃料电池中， 活化极化、 电阻极化和扩散极化随着增 大的生成电流而依次显著出现。另一方面， 虽然诸如锂离子电池之类的二次电池的电流一 电压曲线的线性高， 因而放电电流在放电电流增大时由于电阻极化等而逐渐减小， 但是电 流—电压曲线的斜率较小， 因而内部电阻较小。类似地， 在充电期间， 虽然充电电压在充电 电流增大时逐渐上升， 但是其斜率较小。二次电池的开路电压 Vr0 根据表示二次电池被充 电多少的充电状态而改变。
在该电源系统中， 当没有外部负载时， 燃料电池所生成的所有电力被用于对二次 电池的充电。当令 Vc 是此时的电压， Ifc 是此时燃料电池的生成电流的大小， 并且 -Irc 是 此时二次电池的充电电流的大小时， 因为以下关系得到满足， Ifc ＝ -Irc
因此电压 Vc 被确定为满足图 4 中的该关系的电压 ( ＞ Vr0)。当外部负载不为零 但是较小时， 燃料电池所生成电力的一部分被用于对负载的驱动， 并且剩余电力被用于对 二次电池的充电。此时的电压小于 Vc， 并且大于 Vr0。
当负载更大并且电压小于 Vr0 时， 引起了二次电池的放电， 因而负载被燃料电池 和二次电池驱动。在这种情况下， 为了使每个电池可以有效运行， 如图 4 所示， 两个电池的 电流 - 电压曲线需要在合适的区域彼此交叉。如果该情况被满足， 那么当负载较小并且用 来驱动负载的电压 V1 大于交叉点 X 处的电压 Vx 时， 那么如图 4 所示， 从燃料电池和二次电 池提供的电流被分别确定为 If1 和 Ir1。因为 If1 ＞ Ir1， 因此电力主要从燃料电池提供。 另一方面， 当负载大并且驱动电压 V2 小于 Vx 时， 如图 4 所示， 从燃料电池和二次电池提供 的电流被分别确定为 If2 和 Ir2。因为 If2 ＜ Ir2， 因此在这种情况下从二次电池提供的电 力超过从燃料电池提供的电力。
应当明白， 当负载被增大使得驱动电压被从 V1 通过 Vx 减小到 V2 时， 来自燃料电 池的生成电流仅从 If1 增大到 If2， 而来自二次电池的放电电流从 Ir1 增大到 Ir2， 在该时 段内增加的大部分功耗是从二次电池提供的。 此外， 当功耗的增长仅由燃料电池承受时， 如 由图 4 可见， 燃料电池的生成电压被减小为小于可用来驱动负载的最小电压。如上所述， 当 电源仅由燃料电池组成时， 燃料电池的尺寸需要增大以使得生成电压等于或者大于可维持
的最小驱动电压。此外， 当输出密度极佳的二次电池与燃料电池并联并由此构成混合电源 时， 燃料电池可被小型化并且整个电源系统继而可被小型化。
然而， 在上述电源系统中， 燃料电池和二次电池的电流 - 电压曲线需要在合适区 域内彼此交叉。此外， 系统特性完全由这些电流 - 电压特性确定。在其中太阳能电池或燃 料电池与二次电池像该示例一样仅彼此并联的简单系统中， 因为太阳能电池或燃料电池的 特性以及二次电池的特性相互制约， 并且二次电池被充电时的特性以及二次电池被放电时 的特性相互制约， 因此对能量效率、 稳定性和便利性的提高有限制。例如， 能量效率受每个 电池的特性以及二次电池的充电状态支配， 并且稳定性主要受每个电池的特性的长期变化 等影响。此外， 无法适当使用诸如高效率充电和快速充电之类的各种充电系统。
此外， 在混合电源系统中， 防止对二次电池过充电是非常重要的问题。例如， 当锂 离子电池被用作二次电池时， 过充电根据具体情况导致诸如烟生成、 着火、 爆炸之类的危 险。因为太阳能电池在光被照射到太阳能电池时生成电力， 因此需要某种机制来通常检测 二次电池的充电状态并且在达到完全充电时停止充电。此外， 因为即使在没有用于稳定控 制燃料供给的被动型燃料电池中也执行电力生成， 因此相同的机制是必需的。
于是， 在稍后将描述的专利文献 2 中提出了具有电池充电器的便携式电源装置， 该电池充电器包括 DC/DC 转换器、 电流控制电路和过电流预防电路。图 5(a) 是示出电源装 置 100 的配置的示意图。 如图 5(a) 所示， 在电源装置 100 中， 通过接收阳光来生成电力的太阳能电池 101 通过回流防止二极管 102 与电气双层电容器 103 相连， 并且太阳能电池 101 生成的电力被 临时存储在电容器 103 中。在存储在电容器 103 中的电力被 DC/DC 转换器 105 转换为合适 电压之后， 由此得到的电压被提供给负载 104 和二次电池 106 中的每一个。
此外， 在电源装置 100 中， 作为其一个特征， 电流控制电路 107 被提供在 DC/DC 转 换器 105 与二次电池 106 和负载 104 之间， 并且过电流防止电路 108 被提供在电流控制电 路 107 与二次电池 106 之间。
图 5(b) 是专利文献 2 中例示的电流控制电路 107 的示意图。电流控制电路 107 的配置类似于一般串联稳压器的控制电路。就是说， 分割电阻器 111 和 112 分割输出电压 以给出基准电压 Vref1。恒压二极管 113 生成标准电压。控制晶体管 114 及其负载电阻器 115 放大标准电压 ( 严格地说是标准电压与控制晶体管 114 的基极至发射极电压之和 ) 与 基准电压 Vref1 之间的差异， 并且根据差异的大小来控制功率晶体管 116 的操作。功率晶 体管 116 被串联插入在负载 104 中， 并且其导电属性受控制晶体管 114 的控制以使得其输 出电压变得恒定。过电流防止电路 108 的具体配置未在专利文献 2 中示出。
在电源装置 100 中， 当太阳能电池 101 所生成的电力超过用来驱动负载 104 的电 力时， 利用剩余电力给二次电池 106 充电。当二次电池 106 达到完全充电状态时， 对二次电 池 106 的充电被过电流防止电路 108 停止。因此， 防止了二次电池 106 的过充电。此时， 因 为剩余电力被累积在电气双层电容器 103 中， 因此电容器 103 的电压上升。结果， 因为即使 当来自 DC/DC 转换器 105 的输出电压上升时施加于负载 104 的电压也被电流控制电路 107 控制为预定电压， 因此防止了过量电压被施加于负载 104。
在这种情况下， 因为太阳能电池 101 生成的剩余电力没有地方可去， 因此害怕电 容器 103 的电压由于剩余电力的累积而上升。专利文献 2 中描述了电容器 103 的电压上升
由于剩余电力被控制晶体管 114 及其负载电阻器 115 消耗而被抑制。
另一方面， 在稍后将描述的专利文献 3 中， 七种装置被示出为电源装置， 利用该电 源装置在任何天气下从太阳能电池获得的电力可以得到最大利用。图 6 是示出各自与本发 明有关系的两种电源装置的配置的示意图。
在图 6(a) 中示出的电源装置 200 中， 太阳能电池模块 201 通过回流防止二极管 202 被连接到负载 203 和二次电池 204 中的每一个。在这种情况下， 作为电源装置 200 的特 征， 电源装置 200 被配置为使得回流防止二极管 202 的正向压降的电压与二次电池 204 的 电压之和变得大致等于太阳能电池模块 201 的最佳工作电压。在电源装置 200 中， 当太阳 能电池模块 201 所生成的电力超过用来驱动负载 203 的电力时， 利用剩余电力给二次电池 204 充电。然而， 因为电源装置 200 以如上所述的方式被配置， 因此从太阳能电池模块 201 获得的电力可以得到最大利用。
此外， 作为电源装置 200 的另一特征， 分流稳压器 (shunt regulator)207 与负载 203 和二次电池 204 中的每一个相并联。 分流稳压器 207 根据通过由分割电阻器 205 和 206 分割输出电压而获得的基准电压 Vref1 而被控制。另外， 分流稳压器 207 被设置为使得输 出电压的最大值被抑制为小于导致二次电池 204 过充电的过充电电压的预定电压。
在电源装置 200 中， 因为在二次电池 204 未达到完全充电状态并因而被利用剩余 电力正常充电时输出电压通过充电而被保持在小于过充电电压的电压， 因此通过分流稳压 器 207 的电压限制未被执行。另一方面， 因为剩余电力当二次电池 204 达到完全充电状态 时未通过充电被消耗而是被累积， 因此输出电压立即开始增长并且试图超过二次电池 204 的过充电电压。此时， 分流稳压器 207 的电压限制操作被立即展开， 并且剩余电力通过分流 稳压器 207 被分流然后被分流稳压器 207 内的电阻组件转换为热以被舍弃。结果， 因为输 出电压被保持在小于二次电池 204 的过充电电压的预定电压， 因此防止了二次电池 204 的 过充电。
在图 6(b) 中示出的电源装置 300 中， 在太阳能电池模块 201 生成的电力被 DC/DC 转换器 301 转换为合适电压之后， 由此得到的电压被提供给负载 203 和二次电池 204 中的 每一个。作为电源装置 300 的特征， 电源装置 300 以如下方式被配置 ： 用于通过分割来自 太阳能电池模块 201 的输出电压来给出基准电压 Vref2 的分割电阻器 302 和 303 被提供在 DC/DC 转换器 301 的输入侧， 基准电压 Vref2 与内建标准电压之间的差异被误差放大器 304 放大， 并且 DC/DC 转换器的操作基于经放大误差的大小而被控制， 来自太阳能电池模块 201 的输出电压由此被保持在其最佳工作电压。
此外， 通过分割输出电压来给出基准电压 Vref1 的分割电阻器 205 和 206 以及通 过比较基准电压 Vref1 和标准电压来检测二次电池 204 的过充电的比较器 305 被提供在 DC/DC 转换器 301 的输出侧。另外， 用于在比较器 305 检测到过充电时停止转换器的操作 的 “与” (AND) 电路被提供在 DC/DC 转换器中。因此， 来自 DC/DC 转换器 301 的输出电压被 保持在小于引起二次电池 204 的过充电的电压的预定电压， 因而防止了二次电池 204 的过 充电。
现有技术文献
专利文献
专利文献 1 ： 日本专利特开平 10-40931 号公报 ( 第 2 和 7 页， 图 1 和 4)专利文献 2 ： 日本专利特开 2005-210776 号公报 ( 第 5 页特别是第 0031 段， 图1和3)
专利文献 3 ： 日本专利特开 2006-67759 号公报 ( 第 5、 6 及 10-13 页， 图 1-4 及 15-18)。发明内容
在专利文献 2 中提出的电源装置 100 中， 虽然当太阳能电池 101 生成的电力超过 用来驱动负载 104 的电力时， 二次电池 106 的过充电被过电流防止电路 108 防止， 但是恐怕 出现无处可去的剩余电力的累积。虽然在专利文献 2 中描述了剩余电力被控制晶体管 114 及其负载电阻器 115 消耗， 但是无法对控制晶体管 114 寻找可与功率晶体管 116 的电流容 量相比拟的电流容量。如果配置被适应性修改使得具有可与功率晶体管 116 的电流容量相 比拟的电流容量的晶体管被用作控制晶体管 114， 并且所有剩余电力通过控制晶体管 114 及其负载电阻器 115 被分流， 并且随后被变换为将被丢弃的热， 那么尽管防止了剩余电力 的累积， 但是即使当二次电池 106 未处于完全充电状态时大量电力也通过控制晶体管 114 和负载电阻器 115 被消耗， 并且电源性能会恶化到不可接纳的程度。 因此， 在电源装置 100 中， 当二次电池 106 变为完全充电状态时， 变得无法取出太 阳能电池 101 生成的剩余电力， 太阳能电池 101 的能量转换效率因而有效降低。结果， 引起 太阳能电池 101 的温度变得过高的问题。 就是说， 当太阳能电池 101 所吸收的光的能量为 W 时， 转换为电力的效率是 η0， 并且所生成的所有电力被取出， 在 W 中， 未被转换为电力而是 变成引起太阳能电池 101 的温度上升的热能的能量 Q0 是 ：
Q0 ＝ (1-η0)W
另一方面， 当有效转换效率由于剩余电力无法被取出而减小为 η( ＜ η0) 时， 变 成热能并因而引起太阳能电池 101 的温度上升的能量 Q 变为 ：
Q ＝ (1-η)W
因为以下关系被满足，
Q-Q0 ＝ (η0-η)W ＞ 0
因此， 变为仅用于转换效率的有效减少的热能并且引起太阳能电池 101 的温度上 升的能量增加， 太阳能电池 101 的温度因而上升。
在专利文献 3 中提出的电源装置 300 的情况下， 太阳能电池模块 201 所生成的电 力超过用来驱动负载 203 的电力， 因为 DC/DC 转换器 301 的操作在比较器 305 检测到二次 电池 204 的过充电时被停止， 因此变得无法取出太阳能电池模块 201 的剩余电力， 因而引起 相同问题。
太阳能电池的温度上升在染料敏化型太阳能电池中尤其变为问题。虽然在太 阳能电池中考虑到诸如遵循电力生成的劣化、 光劣化和热劣化之类的各种劣化原因， 但 是据报告在染料敏化型太阳能电池中热劣化由于温度上升而迅速进行 ( 参考日本专利 特 开 2005-158621 号 公 报，以 及 P.M.Sommeling， M.Spath， H.J.P.Smit， N.J.Bakker， J.M.Kroon， “Long-term stability testing of dye-sensitized solar cells， ” Journal of Photochemistry and Photobiology.A.Chemistry， 164(1-3)， (2004)， 137-144.)。因 此， 在染料敏化型太阳能电池中， 有必要抑制温度上升。
在燃料电池中， 剩余电力无法被取出的情况同样变为非常大的问题。当剩余电力 无法被取出时， 燃料电池的生成电流减小， 并且燃料电池的阴极的电势随之上升。结果， 造 成如下可能性 ： 阴极表面上的氧化 - 还原平衡向氧化侧移动， 因而诸如铂之类的作为电极 催化剂材料的金属作为离子被洗脱。当该情况长时间继续时， 害怕阴极催化剂逐步慢慢融 化掉 (waste away) 以至于从电极滴落。此外， 还害怕洗脱的离子再沉淀在电解质膜等内以 至于破坏电解质膜。
另一方面， 在专利文献 3 中提出的电源装置 200 中， 当在太阳能电池模块 201 所生 成的电力超过用来驱动负载 203 的电力的情况下二次电池 204 达到完全充电状态时， 剩余 电力通过分流稳压器 207 被分流， 并且随后被变换为将被丢弃的热。因此， 防止了二次电池 204 的过充电。此外， 还防止了剩余电力变得无法被取出， 太阳能电池模块 201 的转换效率 因而有效降低， 从而不会引起太阳能电池模块 201 的温度上升。
然而， 因为电源 200 不包括诸如 DC/DC 转换器等直流电压转换装置， 因而对能量效 率、 稳定性和便利性的提高有限制。例如， 当二次电池 204 中的充电量更少， 因而太阳能电 池模块 201 的最佳工作电压与二次电池 204 的电压之间的差异较大时， 在对二次电池 204 的充电过程中变为损失的电力变大， 因而系统的能量效率降低。 此外， 当来自太阳能电池模 块 201 的输出电压由于诸如多云天气等工作条件变化而变得低于二次电池 204 的电压时， 用来驱动负载 203 的电力是从二次电池 204 独家提供的， 因而可能导致太阳能电池模块 201 生成的电力根本未被利用的状态。此外， 当太阳能电池模块 201 的最佳工作电压以及二次 电池 204 的特性由于长期变化等而改变时， 原始性能受到显著损害的可能性很高。 如上所述， 如下混合电源系统尚未被提出， 其中太阳能电池或燃料电池与二次电 池彼此组合， 并且二次电池被用作电力缓冲器， 并且该系统即使当存在二次电池的充电状 态的变化、 工作条件的变化或者成员的长期变化时也可以保持高能量效率， 防止二次电池 的过充电， 并且抑制由于剩余电力的生成无法被取出而引起的太阳能电池的热劣化或者燃 料电池中的阴极催化剂的洗脱。
为了解决上述问题而做出本发明， 并且因而本发明的一个目的是提供一种混合电 源系统， 其中太阳能电池或燃料电池与二次电池彼此组合， 并且二次电池被用作电力缓冲 器， 并且该系统即使当存在二次电池的充电状态的变化、 工作条件的变化或者组件的长期 变化时也可以保持高能量效率， 防止二次电池的过充电， 并且抑制由于剩余电力的生成无 法被取出而引起的太阳能电池的热劣化或者燃料电池中的阴极催化剂的洗脱。
就是说， 本发明涉及一种混合电源系统， 包括 ：
太阳能电池模块或者燃料电池模块 ；
直流电压转换装置， 用于在所述太阳能电池模块或所述燃料电池模块被连接到输 入侧、 负载和二次电池被连接到输出侧并且所述太阳能电池模块或所述燃料电池模块生成 的生成电力被转换为合适电压之后向负载和二次电池提供该合适电压 ；
所述二次电池， 其在所述直流电压转换装置的输出侧与所述负载并联 ； 以及
分流电路， 其在所述直流电压转换装置的输出侧与所述二次电池并联， 所述分流 电路用于当所述二次电池基本上处于完全充电状态时将所述生成电力中未在所述负载中 消耗的基本上所有剩余电力变换为热以丢弃由此产生的热。
这里， “所述二次电池基本上处于完全充电状态” 中的 “基本上处于完全充电状态”
意味着如下充电状态， 其中大致等于完全充电状态下的电力的电力被累积， 并且混合电源 系统所需的性能在除了严格意义上的完全充电状态之外的完全充电状态下可被类似实现， 就是说， 意味着在系统性能方面被视为大致等于完全充电状态的充电状态也被包括在内。 此外， “基本上所有剩余电力” 中的 “基本上所有” 意味着 “除了正常操作诸如短路防止电阻 器和电压检测电阻器或控制电路之类的电路所需的、 在电路中一定消耗的电力之外的所有 电力” 。
在本发明的混合电源系统中， 太阳能电池模块或者燃料电池模块生成的生成电力 被提供给彼此并联的负载和二次电池中的每一个。另外， 当生成电力超过用来驱动负载的 电力时， 二次电池以剩余电力被存储在二次电池终端的方式被充电。 另一方面， 当生成电力 降到用来驱动负载的电力之下时， 二次电池被放电， 并且负载被太阳能电池模块或燃料电 池模块和二次电池驱动。 结果， 太阳能电池模块或燃料电池模块无需应对负载的最大功耗， 并且仅需要提供电子装置的平均功耗。因此， 可以使太阳能电池模块或者燃料电池模块的 尺寸最小化。
在这种情况下， 作为其特征， 本发明的混合电源系统具有用于在生成电力被转换 为合适电压之后向负载和二次电池提供合适电压的直流电压转换装置。结果， 二次电池被 充电时的损失可被抑制为最小。 此外， 当二次电池被放电时， 可以有效地利用太阳能电池模 块或燃料电池模块以及二次电池两者。此外， 即使当诸如好天气或多云天气之类的工作条 件改变或者即使当组件的特性由于长期变化等而改变时， 也可以保持高能量效率。 另外， 作为其特征， 本发明的混合电源系统具有分流电路， 该分流电路在直流电压 转换装置的输出侧与二次电池并联， 并且该分流电路在二次电池处于完全充电状态时将未 在负载中消耗的基本上所有剩余电力变换为热以丢弃由此产生的热。因此， 防止了二次电 池的过充电。此外， 预防无法从太阳能电池模块或燃料电池模块中取出剩余电力。结果， 当 太阳能电池模块被使用时， 防止了转换到电力的效率被有效降低至引起温度上升从而加速 太阳能电池模块的热劣化的程度。 此外， 当燃料电池被使用时， 防止了燃料电池的阴极电势 上升以由于阴极催化剂的洗脱而加速劣化。
附图说明 图 1 是示出基于本发明的实施例 1 及其修改示例的混合电源系统 10(a) 和混合电 源系统 11(b) 的配置的示意图 ；
图 2 是示出基于本发明的实施例 2 的混合电源系统 20 的配置的示意图 ；
图 3 是示出基于本发明的实施例 3 的混合电源系统 30 的配置的示意图 (a)， 以及 示出太阳能电池模块的电力生成特性的示图 (b) ；
图 4 是基于燃料电池和二次电池的电流 - 电压特性来说明专利文献 1 中提出的电 源系统的操作的图示 ；
图 5 是示出在专利文献 2 中提出的具有电池充电器以及电流控制电路 107(b) 的 便携式电源装置 100(a) 的配置的示意图 ； 以及
图 6 是示出在专利文献 3 中提出的利用太阳能电池的电源装置的配置的示意图。
具体实施方式在本发明的混合电源系统中， 优选将来自直流电压转换装置的输出电压设置为略 高于二次电池的电压。
或者， 优选通过直流电压转换装置来控制直流电压转换装置的输入侧电压以变成 太阳能电池模块或燃料电池模块的最佳工作电压或其附近。
此外， 分流电路优选由恒压二极管组成， 其齐纳电压是具有使得二次电池能够基 本上处于完全充电状态的大小并且还具有防止二次电池的过充电状态的大小的电压。
或者， 分流电路优选由多个串联的二极管组成， 并且这些二极管的正向电压降之 和是具有使得二次电池能够基本上处于完全充电状态的大小并且还具有防止二次电池的 过充电状态的大小的电压。
或者， 分流电路优选由具有由晶体管组成的分流路径的分流稳压电路组成， 并且 施加在二次电池的端子两侧的电压的最大值被该分流稳压电路限制为具有使得二次电池 能够基本上处于完全充电状态的大小并且还具有防止二次电池的过充电状态的大小的电 压。
在这种情况下， 优选通过利用分割电阻器分割电压而获得的基准电压与分流稳压 器所具有的内部标准电压之间的比较来设置受分流稳压电路限制的电压的最大值。
此外， 太阳能电池优选是染料敏化型太阳能电池。
此外， 燃料电池优选是直接甲醇燃料电池。
此外， 二次电池优选是锂离子电池。
接下来， 将参考附图具体并详细地描述本发明的优选实施例。
[ 实施例 1]
在实施例 1 中， 将主要描述在权利要求 1、 2、 4 和 5 中描述的混合电源系统的示例。
图 1(a) 是示出基于实施例 1 的混合电源系统 10 的配置的示意图。混合电源系统 10 由太阳能电池模块 1、 作为上面描述的直流电压转换装置的 DC/DC 转换器 2、 二次电池 4、 电阻器 5 和恒压二极管 6 组成， 并且太阳能电池模块 1 被连接到 DC/DC 转换器 2 的输入侧， 并且负载 3 和二次电池 4 在 DC/DC 转换器 2 的输出侧彼此并联。
在混合电源系统 10 中， 在太阳能电池模块 1 生成的电力被 DC/DC 转换器 2 转换为 合适电压之后， 由此得到的合适电压被提供给负载 3 和二次电池 4。另外， 当生成电力超过 用来驱动负载 3 的电力时， 二次电池 4 被以剩余生成电力被存储在二次电池 4 中的方式被 充电。另一方面， 当生成电力降到用来驱动负载 3 的电力之下时， 二次电池 4 被放电， 使得 负载 3 被太阳能电池模块 1 和二次电池 4 驱动。结果， 因为太阳能电池模块 1 无需应对负 载 3 的最大功耗， 并且仅需要提供负载 3 的平均功耗， 因此可以使太阳能电池模块 1 的尺寸 最小化。
在这种情况下， 优选将来自 DC/DC 转换器 2 的输出电压设置为略高于二次电池 4 的电压。当这种设定被采用时， 二次电池 4 被充电时的损失可被抑制到最小。此外， 当二次 电池 4 被放电时， 可以有效地利用太阳能电池模块 1 和二次电池 4 两者。 因为混合电源系统 10 具有 DC/DC 转换器 2， 因此可以做出这种精细控制并且可以实现高能量效率。此外， 即使 当诸如好天气或多云天气之类的工作条件改变或者即使当太阳能电池模块 1 和二次电池 4 的特性由于长期变化等而发生改变时， 也可以满足上面描述的条件并且保持高能量效率。
此外， 作为其特征， 混合电源系统 10 具有恒压二极管 6， 该恒压二极管 6 作为分流电路在 DC/DC 转换器 2 的输出侧与二次电池 4 相并联。恒压二极管 6 的齐纳电压是这样一 个电压， 该电压具有使得二次电池 4 能够基本上处于完全充电状态的大小并且还具有防止 二次电池 4 的过充电状态的大小。
结果， 当太阳能电池模块 1 所生成的电力超过用来驱动负载 3 的电力时， 混合电源 系统 10 执行两种不同操作以对应于二次电池 4 的充电状态。
就是说， 当二次电池 4 未达到基本上完全充电状态时， 剩余电力通过二次电池 4 的 充电而被消耗。因此， 在二次电池 4 的端子两侧形成的电压被保持为足够小于完全充电电 压， 并且因而被防止超过齐纳电压。 此时， 仅导致很小的反向漏电流流过恒压二极管 6， 因而 大部分剩余电力被用于对二次电池 4 的充电。
另一方面， 当二次电池 4 基本上达到完全充电状态时， 剩余电力未通过充电被消 耗而是被累积。因此， 在二次电池 4 的端子两侧形成的电压立即开始增长， 并且试图超过齐 纳电压。此时， 立即使得齐纳电流流过恒压二极管 6， 并使得流经电阻器 5 的电流增加。结 果， 因为电阻器 5 中的电压降增大， 因此在二次电池 4 的端子两侧形成的电压被保持在齐纳 电压。由于恒压二极管 6 的电压限制操作， 二次电池 4 的充电在端子两侧形成的电压达到 齐纳电压时被自动停止， 因而防止了二次电池 4 被过充电。此外， 剩余电力通过恒压二极管 6 被分流， 然后被恒压二极管 6 所具有的电阻组件变换为热并被丢弃。因此， 还防止了剩余 电力变得无法被从太阳能电池模块 1 中取出， 这会导致太阳能电池的转换效率被有效降低 从而引起温度上升， 并从而加速太阳能电池模块 1 的热劣化。 太阳能电池模块 1 的太阳能电池优选是染料敏化型太阳能电池。先前提到， 因为 染料敏化型太阳能电池中易于产生热劣化并因而有必要抑制温度上升， 因此本发明可被合 适地应用于染料敏化型太阳能电池。此外， 虽然在实施例 1 中已经示出其中电力源是太阳 能电池模块的示例， 但是如先前提到， 本发明也可被合适地应用于没有用于控制燃料供给 的装置的被动型燃料电池。虽然燃料电池不受限制， 但是燃料电池特别优选是适合作为便 携式装置的电源的直接甲醇燃料电池。
此外， 上面描述的二次电池优选是锂离子电池。锂离子电池作为用于本系统的二 次电池是最优选的， 这是因为输出密度大并且因而由充电电压与放电电压之间的差异引起 的损失与镍氢电池、 镍镉电池等相比更少。 虽然根据组成以及电极而不同， 但是锂离子电池 的完全充电电压是大约 4.0 至大约 4.2V。 此外， 过充电电压是通过向完全充电电压添加 0.1 至 0.2V 而获得的电平。当完全充电电压是 4.2V 并且过充电电压是 4.4V 的锂离子电池被 用作上面描述的二次电池时， 恒压二极管 6 的齐纳电压优选被设置在大约 4.1 到大约 4.2V 的范围内。当齐纳电压是 4.2V 时， 锂离子电池可被充电至完全充电状态。当齐纳电压等于 或者大于 4.1V 并且小于 4.2V 时， 虽然锂离子电池无法被充电至严格意义上的完全充电状 态， 但是大约等于完全充电状态下的电力的电力可被累积， 锂离子电池因而可被充电至基 本上完全充电状态， 其中可以实现类似于完全充电状态的混合电源系统 10 所需的性能。这 些优选实施例基于恒压二极管 6 的制造精度、 所需的系统性能等被合适地选择。此外， 来自 DC/DC 转换器 2 的输出电压优选被设置为一大小以使得由电池的内部电阻 R 引起的电压降 ΔV( ＝ IR ； 然而， I 是流过电池的充电或放电电流 )( 在充电阶段 ) 被添加到锂离子电池的 开路电压或者 ( 在放电阶段 ) 被从锂离子电池的开路电压减去。在这种情况下， 混合电源 系统 10 可以最高能量效率操作。
图 1(b) 是示出基于实施例 1 的修改示例的混合电源系统 11 的配置的示意图。该 示例对应于权利要求 5 并且是如下示例， 其中正向串联的多个二极管 7 被提供作为上面描 述的分流电路以代替恒压二极管 6。这些二极管的正向电压降之和是具有使得二次电池 4 能够基本上处于完全充电状态的大小并且还具有防止二次电池 4 的过充电状态的大小的 电压。在混合电源系统 11 中， 当二次电池 4 变成完全充电状态并且来自 DC/DC 转换器 2 的 输出电压试图超过引起过充电的电压时， 正向电流立即流过二极管排 7。因此， 获得了与混 合电源系统 10 中的那些效果相同的效果。
[ 实施例 2]
在实施例 2 中， 将主要描述在权利要求 6 和 7 中描述的混合电源系统的示例。
图 2 是示出基于实施例 2 的混合电源系统 20 的配置的示意图。混合电源系统 20 由太阳能电池模块 1、 作为上面描述的直流电压转换装置的 DC/DC 转换器 2、 二次电池 4、 电 阻器 5、 分割电阻器 21 和 22 以及分流稳压电路 23 组成。在混合电源系统 20 中， 分流稳压 电路 23 被用作上面描述的分流电路以代替恒压二极管 6， 并且提供了分割电阻器 21 和 22。 因为除此之外的部分与混合电源系统 10 中的那些相同， 因此将主要描述不同点。
如在放大图中示出， 分流稳压电路 23 由分流路径组成， 该分流路径由与二次电池 4 并联的晶体管 24、 用于生成标准电压 Vs 的标准电压生成部分 25、 误差放大器 26 等组成。 分割电阻器 21 和 22 分割在二次电池 4 的端子两侧形成的电压以给出被施加于基准电压端 REF 的基准电压 Vref1。 当 Vref1 小于 Vs 时， 因为 Vref1 与 Vs 之间的差异被误差放大器 26 放大并且由此 得到的差异随后被施加于晶体管 24 的基极端， 因此晶体管 24 变为完全关断 (OFF) 状态。 另 一方面， 当 Vref1 大于 Vs 时， 因为 Vref1 与 Vs 之间的差异被误差放大器 26 放大并且由此 得到的差异随后被施加于晶体管 24 的基极端， 因此晶体管 24 变为导通 (ON) 状态。因此， 因为电流流过由晶体管 24 组成的分流路径， 因此流过电阻器 5 的电流增大。结果， 电阻器 5 中的电压降变大， 在分流稳压电路 23 的阳极端 A 与阴极端 K 两侧形成的电压因而减小至 满足以下关系的大小 ：
Vref1 ＝ Vs
当令 Vmax 是该电压， 并且分割电阻器 21 和 22 的电阻值被分别认为是 R21 和 R22 时， Vmax 由以下表达式给出 ：
Vmax ＝ (R21/R22+1)Vs
在混合电源系统 20 中， R21 和 R22 被合适地选择， Vmax 由此被设置为使得二次电 池 4 能够变成基本上完全充电状态并且防止二次电池 4 的过充电状态的大小。
结果， 当太阳能电池模块 1 的生成电力超过用来驱动负载 3 的电力时， 混合电源系 统 20 执行两种不同操作以对应于二次电池 4 的充电状态。
就是说， 当二次电池 4 未达到基本上完全充电状态时， 剩余电力通过二次电池 4 的 充电而被消耗。因此， 在二次电池 4 的端子两侧形成的电压被保持为足够小于完全充电电 压， 并且因而防止了变得等于或者大于 Vmax。此时， 因为以下关系成立 ：
Vref1 ＜ Vs
因此晶体管 24 处于完全关断状态。因此， 流过由晶体管 24 组成的分流路径的电 流极小， 因而几乎所有剩余电力都被用于对二次电池 4 的充电。
另一方面， 当二次电池 4 基本上达到完全充电状态时， 剩余电力未通过充电被消 耗而是被累积。因此， 在二次电池 4 的端子两侧形成的电压立即开始增大， 并且试图超过 Vmax。此时， 因为以下关系成立 ：
Vref1 ＞ Vs
因此晶体管 24 立即变为导通状态， 电流流过晶体管 24， 并且流经电阻器 5 的电流 因而增加。结果， 因为电阻器 5 中的电压降增大， 因此在分流稳压电路 23 的阳极端 A 与阴 极端 K 两侧形成的电压被保持为等于用来满足以下关系的大小，
Vref1 ＝ Vs
即 Vmax。 由于分流稳压电路 23 的电压限制操作， 二次电池 4 的充电在端子两侧形 成的电压达到 Vmax 时被自动停止， 因而防止了二次电池 4 的过充电。此外， 剩余电力通过 晶体管 24 被分流， 然后被晶体管 24 所具有的电阻组件变换为热并被丢弃。因此， 还防止了 剩余电力变得无法被从太阳能电池模块 1 中取出， 这会导致太阳能电池的转换效率被有效 降低从而引起温度上升， 并从而加速太阳能电池模块 1 的热劣化。
当完全充电电压是 4.2V 并且过充电电压是 4.4V 的锂离子电池被用作上面描述的 二次电池时， Vmax 优选被设置为大约 4.2V。结果， 锂离子电池可被充电至完全充电状态， 因 而可以实现最佳系统性能。 虽然在图 2 中示出了其中晶体管 24 是双极晶体管的示例， 但是晶体管 24 也可以 是场效应晶体管。虽然分流稳压电路 23 可由一个或多个分立组件组成， 但是使用可以商业 方式获得的分流稳压器 IC( 集成 ) 元件是方便的。此外， 彼此串联的电阻器和晶体管 24 可 被与二次电池 4 并联， 并且剩余电力的一部分可变为电阻器中的热。这种配置的采用是希 望的， 这是因为晶体管 24 中的热生成变小。
分流稳压电路 23 以如上所述的方式被使用， 由此可以类似于实施例 1 地配置混合 电源系统 20。使用该分流稳压电路 23 的系统 20 是具有最高实用性的系统， 其中 Vmax 可 被精确设置且能量损失小， 等等。虽然图 1(a) 中示出的使用恒压二极管 6 的系统 10 在电 路方面简单， 但是因为即使当二次电池 4 未处于完全充电状态时也导致很小的反向电流流 动， 因此能量效率与使用分流稳压电路 23 的系统相比有所降低。图 1(b) 中示出的使用一 般二极管的系统 11 具有难以精确确定所要限制的电压的缺点。
[ 实施例 3]
在实施例 3 中， 将主要描述在权利要求 3 中描述的混合电源系统的示例。
图 3(a) 是示出基于本发明的实施例 3 的混合电源系统 30 的配置的示意图。混合 电源系统 30 由太阳能电池模块 1、 作为上面描述的直流电压转换装置的 DC/DC 转换器 31、 二次电池 4、 分割电阻器 21 和 22 以及分流稳压电路 23 组成。在混合电源系统 30 中， DC/ DC 转换器 31 被使用以代替在混合电源系统 10 和 20 中的每一个中使用的 DC/DC 转换器 2， 并且电阻器 5 被省略。因为除此之外的部分与混合电源系统 20 中的那些相同， 因此将主要 描述不同点。
如先前提到， 来自 DC/DC 转换器 2 的输出电压被设置为略高于二次电池 4 的电压。 在这种情况下， 虽然通常可以通过对输出电流等的限制来对 DC/DC 转换器 2 的输入侧电压 进行某些控制， 但是无法精确确定该电压。就是说， 虽然输出电压被 DC/DC 转换器 2 保持恒 定， 但是输入侧电压是不确定的。
另一方面， 在混合电源系统 30 中使用的 DC/DC 转换器 31 具有将与太阳能电池模 块 1 相连的输入侧的电压控制在太阳能电池模块 1 的最佳工作电压或其附近的功能。因 此， DC/DC 转换器 31 被以如下方式配置 ： 例如， 像图 6(b) 中示出的 DC/DC 转换器 301 一 样， 用于分割来自太阳能电池模块 1 的输出电压以给出基准电压的分割电阻器被提供在输 入侧， 基准电压与内建标准电压之间的差异被误差放大器放大， 并且 DC/DC 转换器的操作 基于由此得到的差异的大小而被控制， 输入侧电压由此被保持在预定大小。具体而言， 在 商业上作为电池充电器 IC 提供的 LT3652( 产品名 ； 由线性技术公司 (Linear Technology Corporation) 制造 ) 等可被用作 DC/DC 转换器 31。
因为 DC/DC 转换器 31 的输出侧电压变得不确定， 因此可以在混合电源系统 30 中 省略在混合电源系统 10 和 20 中的每一个中提供的电阻器 5。在这种情况下， 当二次电池 4 未达到基本上完全充电状态并且分流稳压电路 23 的晶体管 24 因而处于关断状态时， DC/ DC 转换器 31 的输出侧电压通过二次电池 4 的开路电压、 二次电池 4 的内部电阻和 DC/DC 转 换器 31 的输出阻抗被自动调节。另一方面， 当二次电池 4 达到完全充电状态时， 晶体管 24 立即变为导通状态， 并且 DC/DC 转换器 31 的输出侧电压被保持为等于 Vmax。由于分流稳 压电路 23 的电压限制操作， 防止了二次电池 4 的过充电。此外， 因为剩余电力通过晶体管 24 被分流， 因此防止了剩余电力变得无法被从太阳能电池模块 1 中取出， 这会导致造成温 度上升， 从而加速太阳能电池模块 1 的热劣化。
图 3(b) 是示出太阳能电池模块 1 的电力生成特性的示例的示图 (b)。 因为太阳能 电池没有存储能量的功能， 因此为了充分利用辐射光， 优选使太阳能电池针对负载 3 所要 求的电力尽可能多地在高输出连续生成电力。因此， 在具有图 3(b) 所示电力生成特性的太 阳能电池模块 1 的情况下， 太阳能电池模块 1 优选以生成电压通常在大约 4.1V 的电平变得 恒定的方式工作。在混合电源系统 30 中， 因为输入侧电压可被 DC/DC 转换器 31 的输入侧 上提供的分割电阻器控制为通常在大约 4.1V 的电平变得恒定， 因此被辐射到太阳能电池 模块 1 的光可被以最高效率转换为电力。
虽然目前已经基于实施例描述了本发明， 但是不言而喻的是， 基于本发明的技术 想法在不脱离本发明主题的情况下可以适当地改变上面描述的示例。
标号说明
1... 太 阳 能 模 块， 2...DC/DC 转 换 器， 3... 负 载， 4... 二 次 电 池， 5... 电 阻 器， 6... 恒压二极管， 7... 多个串联的二极管， 10、 11、 20... 混合电源系统， 21、 22... 分割电 阻器， 23... 分流稳压电路， 24... 晶体管， 25... 标准电压生成部分， 26... 误差放大器， 30... 混合电源系统， 31...DC/DC 转换器， 100... 具有电池充电器的便携式电源装置， 101... 太阳能电池， 102...DC/DC 转换器 ( 回流防止二极管 )， 103... 电气双层电容器， 104... 负载， 105...DC/DC 转换器， 106... 二次电池， 107... 电流控制电路， 108... 过电流 防止电路， 109...DC/DC 转换器， 111、 112... 分割电阻器， 113... 恒压二极管， 114... 控制 晶体管， 115... 负载电阻， 116... 功率晶体管， 200... 电源装置， 201... 太阳能电池模块， 202... 回流防止二极管， 203... 负载， 204... 二次电池， 205、 206... 分割电阻器， 207... 分 流稳压器， 300... 电源装置， 301...DC/DC 转换器， 302、 303... 分割电阻器， 304... 误差放 大器， 305... 比较器， A... 分流稳压电路 23 的阳极端， K... 分流稳压电路 23 的阴极端， REF... 分流稳压电路 23 的基准电压端， Vref1、 Vref2... 基准电压， X... 交叉点。