混合電源系統和方法

專利名稱：混合電源系統和方法
技術領域：
本發明一般地涉及電源系統，更具體地，涉及包括燃料電池的電源系統。
背景技術：
燃料電池代表了一項為移動系統供電的有前景的技術。某些燃料電池的啟動需要一段時間，例如那些消耗化學物來產生電能的燃料電池。

發明內容
根據本發明的一個方面，提供了一種裝置，包括燃料電池；副電源；和用于對所述燃料電池和所述副電源進行多路轉換的控制器。
根據本發明的另一個方面，提供了一種方法，包括啟動燃料電池；以及當所述燃料電池啟動時，向負載設備發出減少負載的信號。
根據本發明的另一個方面，提供了一種裝置，包括適合保存機器可訪問指令的介質，所述指令當被訪問時，使得機器執行啟動燃料電池；以及當所述燃料電池啟動時，向負載設備發出減少負載的信號。
根據本發明的另一個方面，提供了一種電子系統，包括燃料電池；副電源；用于對所述燃料電池和所述副電源進行多路轉換的控制器；和負載設備，所述負載設備包括天線。


圖1和圖2示出了混合電源系統的示圖；圖3示出了計算機的框圖；圖4示出了根據本發明各種實施例的流程圖；圖5示出了具有處理器和存儲器的電子系統；以及圖6～圖8示出了根據本發明各種實施例的系統圖。
具體實施例方式
在下面的詳細描述中，參考了附圖，這些附圖以示例的方式示出了在其中可以實現本發明的具體實施例。這些實施例被足夠詳細地描述，以便使得本領域的技術人員能夠實現本發明。應當理解，本發明的各種實施例，盡管不同，也未必是互斥的。例如，這里結合一個實施例所描述的特定特征、結構或特性可以在其他實施例中實現，而不脫離本發明的精神和范圍。此外，應當理解，在每個公開的實施例中單個元件的位置和排列可以改變，而不脫離本發明的精神和范圍。因此，下面的詳細描述不應被認為是限定的涵義，本發明的范圍只由被正確解釋的所附權利要求連同權利要求所包括的內容的全部等同物來定義。在附圖中，所有幾幅圖中類似的標號表示相同或相似的功能。
圖1示出了混合電源系統的示圖。混合電源系統100包括燃料電池110、蓄電池(battery)130、電容器140、電源多路轉換器(multiplexer)120、調節器150以及接口電纜160。系統100被稱為“混合”(hybrid)電源系統部分地是因為該系統包括主電源和副電源。圖1表示的實施例中，燃料電池110是主電源，蓄電池130和電容器140是副電源。
燃料電池110包括燃料盒/儲存室102、燃料電池(FC)堆104、配套設備(balance-of-plant，BOP)106以及FC控制器108。燃料盒/儲存室102可以用來儲存諸如甲醇這樣的燃料，并且儲存如水這樣的無用產物。燃料電池(FC)堆104用來把化學能轉化為電能。例如，在某些實施例中，燃料電池110是一個直接的甲醇燃料電池或者一個重整(reformed)甲醇燃料電池，該電池把來自甲醇的能量轉化為電能。配套設備(BOP)106包括燃料電池110中的其余組件，包括空氣泵、液體泵、換熱器等。燃料電池控制器108用于控制燃料電池110的操作，以及控制混合電源系統100的其他方面。
接口電纜160提供混合電源系統100與負載設備(未示出)之間的互連。在某些實施例中，負載設備就是電腦，但是本發明并不局限于此。例如，接口電纜160可以把混合電源系統100耦合到膝上型電腦或者筆記本電腦。在某些實施例中，混合電源系統100可以在負載設備的外部，而在其他實施例中，混合電源系統100可以在負載設備的內部。
蓄電池130可以是任何類型的蓄電池。例如，在某些實施例中，蓄電池130可以是混合蓄電池，例如鋰離子電池或者鎳金屬氫化物電池。在某些實施例中，混合電源系統100不包括蓄電池130。在這些實施例中，副電源不包括蓄電池。
電容器140可以是任何類型的電容器。在某些實施例中，電容器140可以是“標準”電容器，該電容器包括多個導電片或線圈以及干燥的隔離物或絕緣體。在其他實施例中，電容器140可以是“超級電容器”(supercapacitor)。這兒使用的術語“超級電容器”是指包括電極和電解液的任何高電容設備。例如，在某些實施例中，電容器140包括由例如大表面面積活性炭、金屬氧化物或者導電聚合物之類的材料制成的電極。在這些實施例的某些中，大表面面積的電極材料在電極表面附近形成的雙層區域中儲存電荷。又例如，在某些實施例中，電容器140包括水電解液或者有機電解液。
電容器140可以包括以串聯或并聯的方式耦合在一起的多個超級電容器。電容器140還可以包括電壓平衡電路，用來平衡以串聯方式耦合在一起的超級電容器上的電壓，來防止在任何一個超級電容器上出現過壓狀態。
控制器108對混合電源系統100的各種操作提供控制。例如，控制器108可以控制BOP 106中的各種設備，由此控制燃料電池110的發電。控制器108還可以檢測副電源上存在的電壓，以及控制電源多路轉換器120和調節器150。在某些實施例中，控制器108從適當的電源向負載提供電力，并且在適當的時候給副電源充電。
在某些實施例中，控制器108還利用節點162上的信號與負載設備通信。例如，當燃料電池110正在啟動時，控制器108可以啟動BOP 106中的燃料輸送泵，并且命令電源多路轉換器120從副電源向負載提供電力。在燃料電池110啟動期間，控制器108還可以利用導線162與負載設備通信，并且控制器108可以請求負載設備減少加在節點164上的負載。
控制器108可以使用多種不同機構中的任一種來實現。例如，控制器108可以包括處理器，例如微處理器、數字信號處理器、微控制器等。控制器108還可以使用除處理器以外的設備來實現。例如，控制器108可以通過使用狀態機、專用順序控制器等來實現。在某些實施例中，控制器108可以從負載設備接收信息，也可以向負載設備發送信息。
調節器150在節點164上通過接口電纜160向負載提供電力，控制器108在節點162上通過接口電纜160向負載設備提供握手信息和其他信息。雖然在圖1中節點162和節點164每個都被表示為單一線路，但是可以有任意數目的物理線路。例如，節點164可以包括兩根導線一根用來供電，另一根用來接地。又例如，節點164可以包括多根導線，以提供多于一種電壓的電力。在某些實施例中，節點162也可以包括許多物理導線，用來形成與控制信號的并行數據接口。在其他實施例中，考慮到控制器108和負載設備之間的串行通信，節點162可以包括串行接口。
在某些實施例中，混合電源系統100被封裝為能夠給任何類型的負載供電的獨立的單元。在這些實施例中，控制器108在不和負載設備通信的情況下可以啟動燃料電池110并且對副電源充電。在其他實施例中，多種不同負載設備可以包括與接口電纜160的節點162兼容的接口，并且控制器108可以與該負載設備通信。
圖2示出了混合電源系統的示圖。混合電源系統200包括燃料電池堆104、燃料電池控制器108、調節器150以及接口電纜160。混合電源系統200還包括副電源210和電源多路轉換器120。副電源210可以包括例如蓄電池130(圖1)的蓄電池、例如電容器140(圖1)的電容器或者它們的任何組合。在圖2所表示的實施例中，電源多路轉換器120包括充電器122以及開關124、126和128。
操作中，控制器108可以控制電源多路轉換器120內的充電器122以及開關124、126和128。例如，當燃料電池堆104正在啟動并且副電源210被充了電時，控制器108可以斷開開關124和126，并合上開關128。在這種狀態下，副電源210可以向負載供電。當燃料電池堆104正在運行并且提供足夠量的電力時，控制器108可以合上開關124并斷開開關128。根據負載狀態和燃料電池堆104的電流輸出，控制器108可以合上開關126，使充電器122對副電源210充電。
控制器108也可以利用節點162與負載設備通信。例如，當燃料電池堆104正在啟動，并且開關128被閉合從而從副電源210向負載供電時，控制器108可以請求負載設備減少在節點164上加在混合電源系統200上的負載。操作中，如果副電源210被充了電并且加在混合電源系統200上的負載是額定的，則控制器108可以不請求減少負載。在決定是否請求減少負載時，控制器108可以考慮很多因素。這些因素包括但不限于副電源210的充電狀態或電容量、燃料電池104的啟動速度或對瞬變的反應速度、加在節點164上的負載等。
開關124、126和128可以通過使用任何合適的設備實現。例如，在某些實施例中，開關124、126和128通過使用絕緣柵場效應晶體管(IGFET)或金屬氧化物半導體晶體管(MOSFET)實現。
圖3示出了一個計算機系統的框圖。計算機系統300包括系統電力輸送單元310、系統電壓調節器330、中央處理單元(CPU)332、芯片組(C/S)334、存儲器(MEM)336、風扇338以及其他設備340。如圖3所示，系統電力輸送單元310從接口電纜160接收電力，并且把電力輸送到系統電壓調節器330。系統電壓調節器330按照需要轉換電力，并向該計算機的各種子系統供電。
計算機系統300可以包括任何類型的子系統。例如，在某些實施例中，其他設備340可以包括如無線網絡接口這樣的網絡接口。在這些實施例中，天線342發送并接收無線信號。天線342可以是定向天線或者全向天線。如這里所使用的，術語“全向天線”是指在至少一個平面上有基本上一致的模式的任何天線。例如，在某些實施例中，天線342可以是比如偶極天線或四分之一波天線的全向天線。又例如，在某些實施例中，天線342可以是比如拋物面天線或八木天線的定向天線。
系統電力輸送單元310包括蓄電池充電器312、電源選擇器314、蓄電池316以及系統電源管理控制器318。操作中，蓄電池充電器312在節點164接收到至少一個直流(DC)電壓，并且把該DC電壓提供給電源選擇器314。蓄電池316也向電源選擇器314提供一個DC電壓。
在某些實施例中，系統電源管理控制器318使用節點612與混合電源系統通信。例如，當計算機系統300被開啟時，系統電源管理控制器318可以通知混合電源系統該計算機正在啟動。控制器318還可以控制蓄電池充電器312、電源選擇器314和/或系統電壓調節器330，來在節點164上對混合電源系統施加負載。在某些實施例中，控制器318還可以控制集成電路、芯片組或者計算機系統300的子系統的功率狀態。
操作中，系統電源管理控制器318可以從混合電源系統接收請求，該請求要求減少加在節點164上的負載。響應于這些請求，控制器318可以減少集成電路、芯片組或計算機系統300的子系統的功率消耗；或者可以以其他方式減少由計算機系統300加在節點164上的負載。
系統電源管理控制器318可以以任何合適的方式實現。例如，在某些實施例中，系統電源管理控制器318可以以硬件方式實現，例如狀態機或者專用順序控制器等。又例如，在其他實施例中，系統電源管理控制器318可以以軟件方式實現，這些軟件作為操作系統或者電源管理軟件應用程序的一部分。系統電源管理控制器318也可以以硬件和軟件相結合的方式實現。系統電源管理控制器318的實現方式不是對本發明的限制。
在某些實施例中，計算機系統300中不包括蓄電池充電器312、蓄電池316和電源選擇器314。例如，在某些實施例中，混合電源系統100(圖1)可以在系統電力輸送單元310中實現，并且從節點164來的電力可以直接輸送到系統電壓調節器330。
在框圖中用主要組件示出了計算機系統300。計算機系統300可以包括許多其他子系統、組件等，而不脫離本發明的范圍。另外，計算機系統300代表包括系統電源管理控制器或可以從被耦合到混合電源系統獲益的任何電子系統。
圖4示出了根據本發明的各種實施例的流程圖。在某些實施例中，方法400可以用來操作混合電源系統。在其他實施例中，方法400可以用于混合電源系統和負載設備之間的通信。在某些實施例中，方法400或它的一部分，由混合電源系統中的燃料電池控制器、諸如計算機之類的負載設備中的電源管理控制器或者它們的任何組合來執行。方法400不受限于特定類型的執行該方法的裝置、軟件元素或人。方法400中的各種操作可以按示出的順序執行，或者可以按不同的順序執行。另外，在某些實施例中，在圖4中列出的某些操作可以從方法400中省略。
方法400被示出為從框410開始，其中負載設備被通電。在某些實施例中，這可以對應于控制器接收了例如膝上型電腦或者筆記本電腦這樣的計算機正在被開啟的指示。在420，檢查燃料電池系統來判斷它是否已經開啟。如果沒有開啟，則在430啟動燃料電池系統。
在某些實施例中，框420和430可以對應于諸如燃料電池控制器108(圖1)這樣的燃料電池控制器啟動燃料輸送泵向燃料電池堆輸送燃料。這還可以對應于控制器設置諸如電源多路轉換器120(圖1、圖2)這樣的電源多路轉換器以從副電源向配套設備提供電力。
在440，檢查燃料電池堆來判斷輸出電力是否就緒。在某些實施例中，準備好輸出電力可能需要一段時間，這部分地是因為燃料電池堆可能需要時間來啟動。如果燃料電池堆的電力尚未就緒，則在450，檢查副電源，判斷它是否就緒。450的操作可以對應于檢查副電源的充電狀態。例如，再參考圖1，控制器108可以檢查蓄電池130和電容器140的電壓水平來判斷副電源是否就緒。
如果副電源尚未就緒，則作出減少加在混合電源系統上的負載的請求。在某些實施例中，要求減少負載的請求還可以規定負載被減少的量。例如，如果副電源沒有被完全充電，但是在燃料電池啟動的時候還是可以提供有效數量的電力，則可以作出部分減少負載的請求。如果在450副電源就緒，則在480，通過使用來自副電源的電力對系統加電。
如果在440燃料電池堆電力就緒，則在480，通過使用來自燃料電池的電力對負載加電。如圖4所示，方法400不斷監視燃料電池堆電力水平和副電源電力水平，并且如果必要的話，將來自燃料電池或副電源的電力多路轉換到負載處。另外，如果在任何時刻，無論什么原因負載被認為太大了，則方法400可以請求減少負載。另外，如果負載狀況以及電力輸出狀況允許的話，副電源可以在470被再充電。
方法400代表諸如混合電源系統100(圖1)這樣的混合電源系統的智能操作。可能的時候，從燃料電池提供穩態的電力，必要的時候，從副電源提供。另外，如果副電源變得耗盡(become depleted)，則方法400可以請求減少負載。副電源可以在燃料電池啟動時用來向負載提供電力，并且副電源在條件允許時可以被再充電。
圖5示出了一個具有處理器和存儲器的電子系統。圖5示出了系統500，它包括處理器510和存儲器520。處理器510代表任何類型的處理器，包括但不限于微處理器、微控制器、數字信號處理器、個人計算機、工作站等。處理器510可以是實現諸如控制器108(圖1)這樣的燃料電池控制器的處理器。例如，處理器510可以啟動燃料電池，從副電源向負載提供電力，向負載設備發出增加或減少負載的信號，從主電源向副電源充電等等。
處理器510還可以是這樣的處理器該處理器可以運行操作系統，該操作系統實現例如圖3所示的系統電源管理控制器。例如，處理器510可以接收關于混合電源系統狀態的信息，包括增加或減少對電源系統的負載的請求。又例如，處理器510可以控制蓄電池的充電，或者可以控制向計算機系統中各種組件提供電力的電壓調節器或電力轉換器。又例如，處理器510可以執行本發明的任何方法實施例。
存儲器520代表包含機器可讀介質的制品。例如，存儲器520代表下列制品中的任何一個或多個硬盤、軟盤、隨機訪問存儲器(RAM)、動態隨機訪問存儲器(DRAM)、靜態隨機訪問存儲器(SRAM)、只讀存儲器(ROM)、閃存、光盤只讀存儲器(CDROM)或者任何其他類型的包含處理器520可讀取的介質的制品。存儲器520能夠存儲用于執行本發明各種方法實施例的指令。
雖然處理器510和存儲器520在圖5中被分別地表示，但是在某些實施例中它們是結合在一起的。例如，在某些實施例中，處理器510是嵌入了諸如閃存這樣的存儲器的微控制器。在這些實施例中，處理器510和存儲器520的結合可以構成例如燃料電池控制器108(圖1)或系統電源管理控制器318(圖3)的控制器。
圖6～圖8示出了根據本發明各種實施例的電子系統。圖6～圖8中的每一個可以包括諸如混合電源系統100(圖1)或計算機系統300(圖3)這樣的系統。圖6示出了具有外部混合電源系統的計算機。外部混合電源系統610可以是諸如混合電源系統100(圖1)這樣的混合電源系統。在某些實施例中，外部混合電源系統610通過多根導線被耦合到計算機600。例如，導線可以用來從混合電源系統610接收電力，還可以用來提供混合電源系統610和計算機600之間的通信路徑。導線也可以被用來允許混合電源系統610和計算機600之間的通信。
圖7示出了帶有在“可插拔機架(swappable bay)”中的混合電源系統的計算機。如這里所使用的，術語“可插拔機架”是指實質上在計算機700的形狀因素內的機架。可插拔機架可以接受或者可以不接受除混合電源系統710以外的設備。例如，可插拔機架可以接受諸如DVD驅動器、蓄電池等的設備。
混合電源系統710可以是諸如混合電源系統100(圖1)這樣的混合電源系統。在某些實施例中，可插拔機架包括一個或多個帶有多根電導線的連接器。例如，導線可以用來從混合電源系統710接收電力，還可以用來提供混合電源系統710和計算機700之間的通信路徑。
圖8示出了帶有半永久固定(semi-permanently affixed)混合電源系統的計算機。如這里所使用的，術語“半永久固定”是指不是被設計為可以被用戶容易地拆除的設備。雖然混合電源系統810在計算機800中是半永久固定的，但是在混合電源系統810中的或者被耦合到混合也源系統810的燃料盒可以被用戶容易地拆除。例如，在包括由甲醇提供能量的燃料電池的實施例中，一次性或可再填充的甲醇罐可以容易地拆除。混合電源系統810可以是諸如混合電源系統100(圖1)這樣的混合電源系統。
雖然已經結合某些實施例描述了本發明，但是本領域的技術人員可以理解，可以對其進行修改和變化，而不脫離本發明的精神和范圍。這樣的修改和變化被認為是在本發明和所附權利要求的范圍之內。
權利要求
1.一種裝置，包括燃料電池；副電源；和用于對所述燃料電池和所述副電源進行多路轉換的控制器。
2.如權利要求1所述的裝置，其中所述控制器適合向負載設備發出減少負載的信號。
3.如權利要求1所述的裝置，其中所述控制器適合啟動所述燃料電池，并當所述燃料電池啟動時，從所述副電源提供電力。
4.如權利要求1所述的裝置，其中所述控制器適合啟動所述燃料電池，并向負載設備發出所述燃料電池正在啟動的信號。
5.如權利要求1所述的裝置，其中所述控制器適合用所述燃料電池對所述副電源充電。
6.如權利要求1所述的裝置，還包括與負載設備的接口，所述接口包括至少一根電源導線；和用于發出所述控制器狀態的信號的至少一根信號導線。
7.如權利要求6所述的裝置，其中所述至少一根信號導線包括向負載設備發出減少負載的信號的導線。
8.如權利要求1所述的裝置，其中所述副電源包括蓄電池。
9.如權利要求8所述的裝置，其中所述蓄電池包括鋰離子電池。
10.如權利要求8所述的裝置，其中所述蓄電池包括鎳金屬氫化物電池。
11.如權利要求1所述的裝置，其中所述副電源包括電容器。
12.如權利要求11所述的裝置，其中所述電容器包括超級電容器。
13.如權利要求1所述的裝置，其中所述副電源包括蓄電池和超級電容器。
14.一種方法，包括啟動燃料電池；以及當所述燃料電池啟動時，向負載設備發出減少負載的信號。
15.如權利要求14所述的方法，還包括當所述燃料電池啟動時，從副電源提供電力。
16.如權利要求15所述的方法，其中從副電源提供電力包括從蓄電池提供電力。
17.如權利要求15所述的方法，其中從副電源提供電力包括從電容器提供電力。
18.如權利要求15所述的方法，其中從副電源提供電力包括從蓄電池和電容器的組合提供電力。
19.如權利要求15所述的方法，還包括如果所述副電源變得耗盡，則向負載設備發出減少負載的信號。
20.一種裝置，包括適合保存機器可訪問指令的介質，所述指令當被訪問時，使得機器執行啟動燃料電池；以及當所述燃料電池啟動時，向負載設備發出減少負載的信號。
21.如權利要求20所述的裝置，還包括當所述燃料電池啟動時，從副電源提供電力。
22.如權利要求21所述的裝置，其中從副電源提供電力包括從蓄電池和電容器的組合提供電力。
23.一種電子系統，包括燃料電池；副電源；用于對所述燃料電池和所述副電源進行多路轉換的控制器；和負載設備，所述負載設備包括天線。
24.如權利要求23所述的電子系統，其中所述控制器適合向所述負載設備發出減少負載的信號。
25.如權利要求23所述的電子系統，其中所述控制器適合啟動所述燃料電池，并當所述燃料電池啟動時，從所述副電源提供電力。
26.如權利要求23所述的電子系統，其中所述電子系統包括計算機。
27.如權利要求26所述的電子系統，其中所述燃料電池在所述計算機的外部。
28.如權利要求26所述的電子系統，其中所述燃料電池在所述計算機的可插拔機架中。
29.如權利要求28所述的電子系統，其中所述燃料電池在所述計算機中是半永久固定的。
全文摘要
本發明公開了一種混合電源系統和方法。混合電源系統包括燃料電池和副電源。一個控制器用于對所述燃料電池和所述副電源進行多路轉換。操作混合電源系統的方法包括啟動燃料電池以及當所述燃料電池啟動時，向負載設備發出減少負載的信號。
文檔編號H01M16/00GK1617420SQ20041007461
公開日2005年5月18日 申請日期2004年9月7日 優先權日2003年9月15日
發明者邁克爾·J·羅克, 唐·J·源 申請人:英特爾公司