專利名稱：混合電源系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及由太陽能電池(solar cell)或者燃料電池(fuel cell)以及諸如鋰離子電池之類的二次電池組成的混合電源(hybrid power source)系統。
背景技術：
太陽能電池可以生成的發電能力是根據光的輻射水平來確定的，例如，沒有光輻射時的發電能力為零。另一方面，無論光的輻射水平如何，對于用于驅動電子裝置的電源， 對應于該電子裝置的工作操作狀態的電力是必需的。因此，用于穩定驅動電子裝置的電源顯然無法僅由太陽能電池組成。其中太陽能電池和二次電池被彼此組合并且二次電池被用作電力緩沖的混合電源系統是如下系統，其中用于穩定驅動電子裝置的電源是利用太陽能電池構成的。在該系統中，當太陽能電池的發電能力超過用來驅動電子裝置的電力時，以將太陽能電池生成的過多電力存儲在二次電池中的方式來給二次電池充電。另一方面，當太陽能電池的發電能力降到用于驅動電子裝置的電力之下時，二次電池被放電使得電子裝置被太陽能電池和二次電池驅動。混合電源系統的配置使得太陽能電池無需應對電子裝置的最大功耗，因而太陽能電池僅需要提供電子裝置的平均功耗。因此，可以使太陽能電池的尺寸小型化。由太陽能電池和二次電池組成的混合電源系統可以實現電力的穩定供給以及太陽能電池的小型化兩者，并且因而是對以小型化和便攜性提升為目標的電子裝置非常有效的系統。另一方面，在諸如個人計算機或移動電話之類的便攜式電子裝置中，功耗具有隨著其高性能提升和多功能提升而增長的趨勢。因此，燃料電池被預期作為便攜式電子裝置的下一代電源，其可以應付該趨勢。在燃料電池中，燃料被提供給負電極(陽極)側，使得燃料被氧化，并且空氣或氧氣被提供給正電極(陰極)側，使得氧氣被分解。因此，就整個燃料電池而言在燃料和氧氣之間產生氧化還原反應。此時，燃料所具有的化學能被高效地變換為繼而被取出的電能。燃料電池具有一項特征，即除非燃料電池損壞，否則通過向燃料電池提供燃料，燃料電池可被不斷用作電源。雖然各種燃料電池已被提出，但是使用氫離子導電高分子膜作為電解質的高分子電解質燃料電池(PEFC)由于以下原因而適合作為便攜式電源電解質是固體并且沒有飛散危險，高分子電解質燃料電池可以在比任何其他類型燃料電池更低的溫度(例如在大約 30°C到大約130°C的溫度)工作，其啟動時間較短，等等。諸如氫氣和甲醇之類的各種易燃材料可被用作燃料電池的燃料。然而，諸如氫氣之類的氣體燃料不適于小型化和輕量化，這是因為氣體燃料需要高壓容器或者氫氣存儲合金來存儲。另一方面，雖然諸如甲醇之類的液體燃料具有液體燃料易于存儲的優勢，但是利用通過利用重整器(reformer)從液體燃料中提取氫氣的系統的燃料電池不適于小型化， 這是因為其構造變得復雜。與之相反，其中甲醇被直接提供給陽極以使得在不重整甲醇的情況下做出反應的直接甲醇燃料電池(DMFC)具有如下特征燃料易于存儲，其構造簡單，并且小型化容易。傳統上，DMFC在許多情況下已被與PEFC組合以作為一種PEFC來研究， 并且因而最有希望作為便攜式電子裝置的電源。然而，因為DMFC的輸出密度較小，因此當試圖通過燃料電池本身生成用來驅動便攜式電子裝置的電力時，恐怕燃料電池的尺寸變得過大。因此，即使在諸如DMFC之類的燃料電池中，與諸如鋰離子電池之類的具有大輸出密度的二次電池一起構成混合電源系統也是有效的。于是，在稍后將描述的專利文獻1中提出了混合電源系統，其中燃料電池和二次電池與負載并聯，并且燃料電池和二次電池中的至少一個向負載提供電力。圖4是基于燃料電池和二次電池的電流-電壓特性來說明上面描述的電源系統的操作的示圖。注意到圖 4中示出的燃料電池和二次電池的電壓不是單個電池的電壓，而是電池堆的電壓，在這些電池堆中的每一個電池堆中多個電池串聯。此外，因為在二次電池的電流Ir中，放電方向被看作是正的(Ir > 0)，因此當充電被執行時，電流Ir是負的(Ir < 0)。如圖4所示，燃料電池的電流-電壓曲線具有S狀形狀，因而生成電壓在生成電流增大時被相對大量減小。這是因為，在燃料電池中，活化極化、電阻極化和擴散極化隨著增大的生成電流而依次顯著出現。另一方面，雖然諸如鋰離子電池之類的二次電池的電流一電壓曲線的線性高，因而放電電流在放電電流增大時由于電阻極化等而逐漸減小，但是電流一電壓曲線的斜率較小，因而內部電阻較小。類似地，在充電期間，雖然充電電壓在充電電流增大時逐漸上升，但是其斜率較小。二次電池的開路電壓VrO根據表示二次電池被充電多少的充電狀態而改變。在該電源系統中，當沒有外部負載時，燃料電池所生成的所有電力被用于對二次電池的充電。當令Vc是此時的電壓，Ifc是此時燃料電池的生成電流的大小，并且-Irc是此時二次電池的充電電流的大小時，因為以下關系得到滿足，Ifc = -Irc因此電壓Vc被確定為滿足圖4中的該關系的電壓(>VrO)。當外部負載不為零但是較小時，燃料電池所生成電力的一部分被用于對負載的驅動，并且剩余電力被用于對二次電池的充電。此時的電壓小于Vc，并且大于VrO。當負載更大并且電壓小于VrO時，引起了二次電池的放電，因而負載被燃料電池和二次電池驅動。在這種情況下，為了使每個電池可以有效運行，如圖4所示，兩個電池的電流-電壓曲線需要在合適的區域彼此交叉。如果該情況被滿足，那么當負載較小并且用來驅動負載的電壓Vl大于交叉點X處的電壓Vx時，那么如圖4所示，從燃料電池和二次電池提供的電流被分別確定為Ifl和Irl。因為Ifl > Irl,因此電力主要從燃料電池提供。 另一方面，當負載大并且驅動電壓V2小于Vx時，如圖4所示，從燃料電池和二次電池提供的電流被分別確定為If2和Ir2。因為If2 < Ir2,因此在這種情況下從二次電池提供的電力超過從燃料電池提供的電力。應當明白，當負載被增大使得驅動電壓被從Vl通過Vx減小到V2時，來自燃料電池的生成電流僅從Ifl增大到If2，而來自二次電池的放電電流從Irl增大到Ir2，在該時段內增加的大部分功耗是從二次電池提供的。此外，當功耗的增長僅由燃料電池承受時，如由圖4可見，燃料電池的生成電壓被減小為小于可用來驅動負載的最小電壓。如上所述，當電源僅由燃料電池組成時，燃料電池的尺寸需要增大以使得生成電壓等于或者大于可維持的最小驅動電壓。此外，當輸出密度極佳的二次電池與燃料電池并聯并由此構成混合電源時，燃料電池可被小型化并且整個電源系統繼而可被小型化。然而，在上述電源系統中，燃料電池和二次電池的電流-電壓曲線需要在合適區域內彼此交叉。此外，系統特性完全由這些電流-電壓特性確定。在其中太陽能電池或燃料電池與二次電池像該示例一樣僅彼此并聯的簡單系統中，因為太陽能電池或燃料電池的特性以及二次電池的特性相互制約，并且二次電池被充電時的特性以及二次電池被放電時的特性相互制約，因此對能量效率、穩定性和便利性的提高有限制。例如，能量效率受每個電池的特性以及二次電池的充電狀態支配，并且穩定性主要受每個電池的特性的長期變化等影響。此外，無法適當使用諸如高效率充電和快速充電之類的各種充電系統。此外，在混合電源系統中，防止對二次電池過充電是非常重要的問題。例如，當鋰離子電池被用作二次電池時，過充電根據具體情況導致諸如煙生成、著火、爆炸之類的危險。因為太陽能電池在光被照射到太陽能電池時生成電力，因此需要某種機制來通常檢測二次電池的充電狀態并且在達到完全充電時停止充電。此外，因為即使在沒有用于穩定控制燃料供給的被動型燃料電池中也執行電力生成，因此相同的機制是必需的。于是，在稍后將描述的專利文獻2中提出了具有電池充電器的便攜式電源裝置， 該電池充電器包括DC/DC轉換器、電流控制電路和過電流預防電路。圖5(a)是示出電源裝置100的配置的示意圖。如圖5(a)所示，在電源裝置100中，通過接收陽光來生成電力的太陽能電池101 通過回流防止二極管102與電氣雙層電容器103相連，并且太陽能電池101生成的電力被臨時存儲在電容器103中。在存儲在電容器103中的電力被DC/DC轉換器105轉換為合適電壓之后，由此得到的電壓被提供給負載104和二次電池106中的每一個。此外，在電源裝置100中，作為其一個特征，電流控制電路107被提供在DC/DC轉換器105與二次電池106和負載104之間，并且過電流防止電路108被提供在電流控制電路107與二次電池106之間。圖5(b)是專利文獻2中例示的電流控制電路107的示意圖。電流控制電路107 的配置類似于一般串聯穩壓器的控制電路。就是說，分割電阻器111和112分割輸出電壓以給出基準電壓Vrefl。恒壓二極管113生成標準電壓。控制晶體管114及其負載電阻器 115放大標準電壓(嚴格地說是標準電壓與控制晶體管114的基極至發射極電壓之和)與基準電壓Vrefl之間的差異，并且根據差異的大小來控制功率晶體管116的操作。功率晶體管116被串聯插入在負載104中，并且其導電屬性受控制晶體管114的控制以使得其輸出電壓變得恒定。過電流防止電路108的具體配置未在專利文獻2中示出。在電源裝置100中，當太陽能電池101所生成的電力超過用來驅動負載104的電力時，利用剩余電力給二次電池106充電。當二次電池106達到完全充電狀態時，對二次電池106的充電被過電流防止電路108停止。因此，防止了二次電池106的過充電。此時，因為剩余電力被累積在電氣雙層電容器103中，因此電容器103的電壓上升。結果，因為即使當來自DC/DC轉換器105的輸出電壓上升時施加于負載104的電壓也被電流控制電路107 控制為預定電壓，因此防止了過量電壓被施加于負載104。在這種情況下，因為太陽能電池101生成的剩余電力沒有地方可去，因此害怕電容器103的電壓由于剩余電力的累積而上升。專利文獻2中描述了電容器103的電壓上升由于剩余電力被控制晶體管114及其負載電阻器115消耗而被抑制。另一方面，在稍后將描述的專利文獻3中，七種裝置被示出為電源裝置，利用該電源裝置在任何天氣下從太陽能電池獲得的電力可以得到最大利用。圖6是示出各自與本發明有關系的兩種電源裝置的配置的示意圖。在圖6(a)中示出的電源裝置200中，太陽能電池模塊201通過回流防止二極管 202被連接到負載203和二次電池204中的每一個。在這種情況下，作為電源裝置200的特征，電源裝置200被配置為使得回流防止二極管202的正向壓降的電壓與二次電池204的電壓之和變得大致等于太陽能電池模塊201的最佳工作電壓。在電源裝置200中，當太陽能電池模塊201所生成的電力超過用來驅動負載203的電力時，利用剩余電力給二次電池 204充電。然而，因為電源裝置200以如上所述的方式被配置，因此從太陽能電池模塊201 獲得的電力可以得到最大利用。此外，作為電源裝置200的另一特征，分流穩壓器(shunt regulator) 207與負載 203和二次電池204中的每一個相并聯。分流穩壓器207根據通過由分割電阻器205和206 分割輸出電壓而獲得的基準電壓Vrefl而被控制。另外，分流穩壓器207被設置為使得輸出電壓的最大值被抑制為小于導致二次電池204過充電的過充電電壓的預定電壓。在電源裝置200中，因為在二次電池204未達到完全充電狀態并因而被利用剩余電力正常充電時輸出電壓通過充電而被保持在小于過充電電壓的電壓，因此通過分流穩壓器207的電壓限制未被執行。另一方面，因為剩余電力當二次電池204達到完全充電狀態時未通過充電被消耗而是被累積，因此輸出電壓立即開始增長并且試圖超過二次電池204 的過充電電壓。此時，分流穩壓器207的電壓限制操作被立即展開，并且剩余電力通過分流穩壓器207被分流然后被分流穩壓器207內的電阻組件轉換為熱以被舍棄。結果，因為輸出電壓被保持在小于二次電池204的過充電電壓的預定電壓，因此防止了二次電池204的過充電。在圖6(b)中示出的電源裝置300中，在太陽能電池模塊201生成的電力被DC/DC 轉換器301轉換為合適電壓之后，由此得到的電壓被提供給負載203和二次電池204中的每一個。作為電源裝置300的特征，電源裝置300以如下方式被配置用于通過分割來自太陽能電池模塊201的輸出電壓來給出基準電壓Vref2的分割電阻器302和303被提供在 DC/DC轉換器301的輸入側，基準電壓Vref2與內建標準電壓之間的差異被誤差放大器304 放大，并且DC/DC轉換器的操作基于經放大誤差的大小而被控制，來自太陽能電池模塊201 的輸出電壓由此被保持在其最佳工作電壓。此外，通過分割輸出電壓來給出基準電壓Vrefl的分割電阻器205和206以及通過比較基準電壓Vrefl和標準電壓來檢測二次電池204的過充電的比較器305被提供在 DC/DC轉換器301的輸出側。另外，用于在比較器305檢測到過充電時停止轉換器的操作的“與”(AND)電路被提供在DC/DC轉換器中。因此，來自DC/DC轉換器301的輸出電壓被保持在小于引起二次電池204的過充電的電壓的預定電壓，因而防止了二次電池204的過充電。現有技術文獻專利文獻專利文獻1 日本專利特開平10-40931號公報(第2和7頁，圖1和4)
專利文獻2 日本專利特開2005-210776號公報(第5頁特別是第0031段，圖1和 3)專利文獻3 日本專利特開2006-67759號公報(第5、6及10-13頁，圖1_4及 15-18)。
發明內容
在專利文獻2中提出的電源裝置100中，雖然當太陽能電池101生成的電力超過用來驅動負載104的電力時，二次電池106的過充電被過電流防止電路108防止，但是恐怕出現無處可去的剩余電力的累積。雖然在專利文獻2中描述了剩余電力被控制晶體管114 及其負載電阻器115消耗，但是無法對控制晶體管114尋找可與功率晶體管116的電流容量相比擬的電流容量。如果配置被適應性修改使得具有可與功率晶體管116的電流容量相比擬的電流容量的晶體管被用作控制晶體管114，并且所有剩余電力通過控制晶體管114 及其負載電阻器115被分流，并且隨后被變換為將被丟棄的熱，那么盡管防止了剩余電力的累積，但是即使當二次電池106未處于完全充電狀態時大量電力也通過控制晶體管114 和負載電阻器115被消耗，并且電源性能會惡化到不可接納的程度。因此，在電源裝置100中，當二次電池106變為完全充電狀態時，變得無法取出太陽能電池101生成的剩余電力，太陽能電池101的能量轉換效率因而有效降低。結果，引起太陽能電池101的溫度變得過高的問題。就是說，當太陽能電池101所吸收的光的能量為W 時，轉換為電力的效率是n。，并且所生成的所有電力被取出，在w中，未被轉換為電力而是變成引起太陽能電池ιο 的溫度上升的熱能的能量％是Q0 = (i-n0)w另一方面，當有效轉換效率由于剩余電力無法被取出而減小為η(< n0)時，變成熱能并因而引起太陽能電池101的溫度上升的能量Q變為Q=(I-Jl)W因為以下關系被滿足，Q-Q0= (n0-n)ff >0因此，變為僅用于轉換效率的有效減少的熱能并且引起太陽能電池101的溫度上升的能量增加，太陽能電池101的溫度因而上升。在專利文獻3中提出的電源裝置300的情況下，太陽能電池模塊201所生成的電力超過用來驅動負載203的電力，因為DC/DC轉換器301的操作在比較器305檢測到二次電池204的過充電時被停止，因此變得無法取出太陽能電池模塊201的剩余電力，因而引起相同問題。太陽能電池的溫度上升在染料敏化型太陽能電池中尤其變為問題。雖然在太陽能電池中考慮到諸如遵循電力生成的劣化、光劣化和熱劣化之類的各種劣化原因，但是據報告在染料敏化型太陽能電池中熱劣化由于溫度上升而迅速進行(參考日本專利特開 2005-158621 號公報，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), U004)，137—144.)。因此，在染料敏化型太陽能電池中，有必要抑制溫度上升。
在燃料電池中，剩余電力無法被取出的情況同樣變為非常大的問題。當剩余電力無法被取出時，燃料電池的生成電流減小，并且燃料電池的陰極的電勢隨之上升。結果，造成如下可能性陰極表面上的氧化-還原平衡向氧化側移動，因而諸如鉬之類的作為電極催化劑材料的金屬作為離子被洗脫。當該情況長時間繼續時，害怕陰極催化劑逐步慢慢融化掉(waste away)以至于從電極滴落。此外，還害怕洗脫的離子再沉淀在電解質膜等內以至于破壞電解質膜。另一方面，在專利文獻3中提出的電源裝置200中，當在太陽能電池模塊201所生成的電力超過用來驅動負載203的電力的情況下二次電池204達到完全充電狀態時，剩余電力通過分流穩壓器207被分流，并且隨后被變換為將被丟棄的熱。因此，防止了二次電池 204的過充電。此外，還防止了剩余電力變得無法被取出，太陽能電池模塊201的轉換效率因而有效降低，從而不會引起太陽能電池模塊201的溫度上升。然而，因為電源200不包括諸如DC/DC轉換器等直流電壓轉換裝置，因而對能量效率、穩定性和便利性的提高有限制。例如，當二次電池204中的充電量更少，因而太陽能電池模塊201的最佳工作電壓與二次電池204的電壓之間的差異較大時，在對二次電池204 的充電過程中變為損失的電力變大，因而系統的能量效率降低。此外，當來自太陽能電池模塊201的輸出電壓由于諸如多云天氣等工作條件變化而變得低于二次電池204的電壓時， 用來驅動負載203的電力是從二次電池204獨家提供的，因而可能導致太陽能電池模塊201 生成的電力根本未被利用的狀態。此外，當太陽能電池模塊201的最佳工作電壓以及二次電池204的特性由于長期變化等而改變時，原始性能受到顯著損害的可能性很高。如上所述，如下混合電源系統尚未被提出，其中太陽能電池或燃料電池與二次電池彼此組合，并且二次電池被用作電力緩沖器，并且該系統即使當存在二次電池的充電狀態的變化、工作條件的變化或者成員的長期變化時也可以保持高能量效率，防止二次電池的過充電，并且抑制由于剩余電力的生成無法被取出而引起的太陽能電池的熱劣化或者燃料電池中的陰極催化劑的洗脫。為了解決上述問題而做出本發明，并且因而本發明的一個目的是提供一種混合電源系統，其中太陽能電池或燃料電池與二次電池彼此組合，并且二次電池被用作電力緩沖器，并且該系統即使當存在二次電池的充電狀態的變化、工作條件的變化或者組件的長期變化時也可以保持高能量效率，防止二次電池的過充電，并且抑制由于剩余電力的生成無法被取出而引起的太陽能電池的熱劣化或者燃料電池中的陰極催化劑的洗脫。就是說，本發明涉及一種混合電源系統，包括太陽能電池模塊或者燃料電池模塊；直流電壓轉換裝置，用于在所述太陽能電池模塊或所述燃料電池模塊被連接到輸入側、負載和二次電池被連接到輸出側并且所述太陽能電池模塊或所述燃料電池模塊生成的生成電力被轉換為合適電壓之后向負載和二次電池提供該合適電壓；所述二次電池，其在所述直流電壓轉換裝置的輸出側與所述負載并聯；以及分流電路，其在所述直流電壓轉換裝置的輸出側與所述二次電池并聯，所述分流電路用于當所述二次電池基本上處于完全充電狀態時將所述生成電力中未在所述負載中消耗的基本上所有剩余電力變換為熱以丟棄由此產生的熱。這里，“所述二次電池基本上處于完全充電狀態”中的“基本上處于完全充電狀態”意味著如下充電狀態，其中大致等于完全充電狀態下的電力的電力被累積，并且混合電源系統所需的性能在除了嚴格意義上的完全充電狀態之外的完全充電狀態下可被類似實現， 就是說，意味著在系統性能方面被視為大致等于完全充電狀態的充電狀態也被包括在內。 此外，“基本上所有剩余電力”中的“基本上所有”意味著“除了正常操作諸如短路防止電阻器和電壓檢測電阻器或控制電路之類的電路所需的、在電路中一定消耗的電力之外的所有電力”。在本發明的混合電源系統中，太陽能電池模塊或者燃料電池模塊生成的生成電力被提供給彼此并聯的負載和二次電池中的每一個。另外，當生成電力超過用來驅動負載的電力時，二次電池以剩余電力被存儲在二次電池終端的方式被充電。另一方面，當生成電力降到用來驅動負載的電力之下時，二次電池被放電，并且負載被太陽能電池模塊或燃料電池模塊和二次電池驅動。結果，太陽能電池模塊或燃料電池模塊無需應對負載的最大功耗， 并且僅需要提供電子裝置的平均功耗。因此，可以使太陽能電池模塊或者燃料電池模塊的尺寸最小化。在這種情況下，作為其特征，本發明的混合電源系統具有用于在生成電力被轉換為合適電壓之后向負載和二次電池提供合適電壓的直流電壓轉換裝置。結果，二次電池被充電時的損失可被抑制為最小。此外，當二次電池被放電時，可以有效地利用太陽能電池模塊或燃料電池模塊以及二次電池兩者。此外，即使當諸如好天氣或多云天氣之類的工作條件改變或者即使當組件的特性由于長期變化等而改變時，也可以保持高能量效率。另外，作為其特征，本發明的混合電源系統具有分流電路，該分流電路在直流電壓轉換裝置的輸出側與二次電池并聯，并且該分流電路在二次電池處于完全充電狀態時將未在負載中消耗的基本上所有剩余電力變換為熱以丟棄由此產生的熱。因此，防止了二次電池的過充電。此外，預防無法從太陽能電池模塊或燃料電池模塊中取出剩余電力。結果，當太陽能電池模塊被使用時，防止了轉換到電力的效率被有效降低至引起溫度上升從而加速太陽能電池模塊的熱劣化的程度。此外，當燃料電池被使用時，防止了燃料電池的陰極電勢上升以由于陰極催化劑的洗脫而加速劣化。
圖1是示出基于本發明的實施例1及其修改示例的混合電源系統10(a)和混合電源系統11(b)的配置的示意圖；圖2是示出基于本發明的實施例2的混合電源系統20的配置的示意圖；圖3是示出基于本發明的實施例3的混合電源系統30的配置的示意圖(a)，以及示出太陽能電池模塊的電力生成特性的示圖(b)；圖4是基于燃料電池和二次電池的電流-電壓特性來說明專利文獻1中提出的電源系統的操作的圖示；圖5是示出在專利文獻2中提出的具有電池充電器以及電流控制電路107(b)的便攜式電源裝置100(a)的配置的示意圖；以及圖6是示出在專利文獻3中提出的利用太陽能電池的電源裝置的配置的示意圖。
具體實施方式
在本發明的混合電源系統中，優選將來自直流電壓轉換裝置的輸出電壓設置為略高于二次電池的電壓。或者，優選通過直流電壓轉換裝置來控制直流電壓轉換裝置的輸入側電壓以變成太陽能電池模塊或燃料電池模塊的最佳工作電壓或其附近。此外，分流電路優選由恒壓二極管組成，其齊納電壓是具有使得二次電池能夠基本上處于完全充電狀態的大小并且還具有防止二次電池的過充電狀態的大小的電壓。或者，分流電路優選由多個串聯的二極管組成，并且這些二極管的正向電壓降之和是具有使得二次電池能夠基本上處于完全充電狀態的大小并且還具有防止二次電池的過充電狀態的大小的電壓。或者，分流電路優選由具有由晶體管組成的分流路徑的分流穩壓電路組成，并且施加在二次電池的端子兩側的電壓的最大值被該分流穩壓電路限制為具有使得二次電池能夠基本上處于完全充電狀態的大小并且還具有防止二次電池的過充電狀態的大小的電壓。在這種情況下，優選通過利用分割電阻器分割電壓而獲得的基準電壓與分流穩壓器所具有的內部標準電壓之間的比較來設置受分流穩壓電路限制的電壓的最大值。 此外，太陽能電池優選是染料敏化型太陽能電池。此外，燃料電池優選是直接甲醇燃料電池。此外，二次電池優選是鋰離子電池。接下來，將參考附圖具體并詳細地描述本發明的優選實施例。[實施例1]在實施例1中，將主要描述在權利要求1、2、4和5中描述的混合電源系統的示例。圖1 (a)是示出基于實施例1的混合電源系統10的配置的示意圖。混合電源系統 10由太陽能電池模塊1、作為上面描述的直流電壓轉換裝置的DC/DC轉換器2、二次電池4、 電阻器5和恒壓二極管6組成，并且太陽能電池模塊1被連接到DC/DC轉換器2的輸入側， 并且負載3和二次電池4在DC/DC轉換器2的輸出側彼此并聯。在混合電源系統10中，在太陽能電池模塊1生成的電力被DC/DC轉換器2轉換為合適電壓之后，由此得到的合適電壓被提供給負載3和二次電池4。另外，當生成電力超過用來驅動負載3的電力時，二次電池4被以剩余生成電力被存儲在二次電池4中的方式被充電。另一方面，當生成電力降到用來驅動負載3的電力之下時，二次電池4被放電，使得負載3被太陽能電池模塊1和二次電池4驅動。結果，因為太陽能電池模塊1無需應對負載3的最大功耗，并且僅需要提供負載3的平均功耗，因此可以使太陽能電池模塊1的尺寸最小化。在這種情況下，優選將來自DC/DC轉換器2的輸出電壓設置為略高于二次電池4 的電壓。當這種設定被采用時，二次電池4被充電時的損失可被抑制到最小。此外，當二次電池4被放電時，可以有效地利用太陽能電池模塊1和二次電池4兩者。因為混合電源系統 10具有DC/DC轉換器2，因此可以做出這種精細控制并且可以實現高能量效率。此外，即使當諸如好天氣或多云天氣之類的工作條件改變或者即使當太陽能電池模塊1和二次電池4 的特性由于長期變化等而發生改變時，也可以滿足上面描述的條件并且保持高能量效率。此外，作為其特征，混合電源系統10具有恒壓二極管6，該恒壓二極管6作為分流電路在DC/DC轉換器2的輸出側與二次電池4相并聯。恒壓二極管6的齊納電壓是這樣一個電壓，該電壓具有使得二次電池4能夠基本上處于完全充電狀態的大小并且還具有防止二次電池4的過充電狀態的大小。結果，當太陽能電池模塊1所生成的電力超過用來驅動負載3的電力時，混合電源系統10執行兩種不同操作以對應于二次電池4的充電狀態。就是說，當二次電池4未達到基本上完全充電狀態時，剩余電力通過二次電池4的充電而被消耗。因此，在二次電池4的端子兩側形成的電壓被保持為足夠小于完全充電電壓，并且因而被防止超過齊納電壓。此時，僅導致很小的反向漏電流流過恒壓二極管6，因而大部分剩余電力被用于對二次電池4的充電。另一方面，當二次電池4基本上達到完全充電狀態時，剩余電力未通過充電被消耗而是被累積。因此，在二次電池4的端子兩側形成的電壓立即開始增長，并且試圖超過齊納電壓。此時，立即使得齊納電流流過恒壓二極管6，并使得流經電阻器5的電流增加。結果，因為電阻器5中的電壓降增大，因此在二次電池4的端子兩側形成的電壓被保持在齊納電壓。由于恒壓二極管6的電壓限制操作，二次電池4的充電在端子兩側形成的電壓達到齊納電壓時被自動停止，因而防止了二次電池4被過充電。此外，剩余電力通過恒壓二極管 6被分流，然后被恒壓二極管6所具有的電阻組件變換為熱并被丟棄。因此，還防止了剩余電力變得無法被從太陽能電池模塊1中取出，這會導致太陽能電池的轉換效率被有效降低從而引起溫度上升，并從而加速太陽能電池模塊1的熱劣化。太陽能電池模塊1的太陽能電池優選是染料敏化型太陽能電池。先前提到，因為染料敏化型太陽能電池中易于產生熱劣化并因而有必要抑制溫度上升，因此本發明可被合適地應用于染料敏化型太陽能電池。此外，雖然在實施例1中已經示出其中電力源是太陽能電池模塊的示例，但是如先前提到，本發明也可被合適地應用于沒有用于控制燃料供給的裝置的被動型燃料電池。雖然燃料電池不受限制，但是燃料電池特別優選是適合作為便攜式裝置的電源的直接甲醇燃料電池。此外，上面描述的二次電池優選是鋰離子電池。鋰離子電池作為用于本系統的二次電池是最優選的，這是因為輸出密度大并且因而由充電電壓與放電電壓之間的差異引起的損失與鎳氫電池、鎳鎘電池等相比更少。雖然根據組成以及電極而不同，但是鋰離子電池的完全充電電壓是大約4. 0至大約4. 2V。此外，過充電電壓是通過向完全充電電壓添加0. 1 至0. 2V而獲得的電平。當完全充電電壓是4. 2V并且過充電電壓是4. 4V的鋰離子電池被用作上面描述的二次電池時，恒壓二極管6的齊納電壓優選被設置在大約4. 1到大約4. 2V 的范圍內。當齊納電壓是4. 2V時，鋰離子電池可被充電至完全充電狀態。當齊納電壓等于或者大于4. IV并且小于4. 2V時，雖然鋰離子電池無法被充電至嚴格意義上的完全充電狀態，但是大約等于完全充電狀態下的電力的電力可被累積，鋰離子電池因而可被充電至基本上完全充電狀態，其中可以實現類似于完全充電狀態的混合電源系統10所需的性能。這些優選實施例基于恒壓二極管6的制造精度、所需的系統性能等被合適地選擇。此外，來自 DC/DC轉換器2的輸出電壓優選被設置為一大小以使得由電池的內部電阻R引起的電壓降 AV(= IR;然而，I是流過電池的充電或放電電流)(在充電階段)被添加到鋰離子電池的開路電壓或者(在放電階段)被從鋰離子電池的開路電壓減去。在這種情況下，混合電源系統10可以最高能量效率操作。
圖1 (b)是示出基于實施例1的修改示例的混合電源系統11的配置的示意圖。該示例對應于權利要求5并且是如下示例，其中正向串聯的多個二極管7被提供作為上面描述的分流電路以代替恒壓二極管6。這些二極管的正向電壓降之和是具有使得二次電池4 能夠基本上處于完全充電狀態的大小并且還具有防止二次電池4的過充電狀態的大小的電壓。在混合電源系統11中，當二次電池4變成完全充電狀態并且來自DC/DC轉換器2的輸出電壓試圖超過引起過充電的電壓時，正向電流立即流過二極管排7。因此，獲得了與混合電源系統10中的那些效果相同的效果。[實施例2]在實施例2中，將主要描述在權利要求6和7中描述的混合電源系統的示例。圖2是示出基于實施例2的混合電源系統20的配置的示意圖。混合電源系統20 由太陽能電池模塊1、作為上面描述的直流電壓轉換裝置的DC/DC轉換器2、二次電池4、電阻器5、分割電阻器21和22以及分流穩壓電路23組成。在混合電源系統20中，分流穩壓電路23被用作上面描述的分流電路以代替恒壓二極管6，并且提供了分割電阻器21和22。 因為除此之外的部分與混合電源系統10中的那些相同，因此將主要描述不同點。如在放大圖中示出，分流穩壓電路23由分流路徑組成，該分流路徑由與二次電池 4并聯的晶體管M、用于生成標準電壓Vs的標準電壓生成部分25、誤差放大器沈等組成。 分割電阻器21和22分割在二次電池4的端子兩側形成的電壓以給出被施加于基準電壓端 REF的基準電壓Vrefl。當Vrefl小于Vs時，因為Vrefl與Vs之間的差異被誤差放大器沈放大并且由此得到的差異隨后被施加于晶體管M的基極端，因此晶體管M變為完全關斷(OFF)狀態。另一方面，當Vrefl大于Vs時，因為Vrefl與Vs之間的差異被誤差放大器沈放大并且由此得到的差異隨后被施加于晶體管M的基極端，因此晶體管M變為導通(ON)狀態。因此， 因為電流流過由晶體管M組成的分流路徑，因此流過電阻器5的電流增大。結果，電阻器 5中的電壓降變大，在分流穩壓電路23的陽極端A與陰極端K兩側形成的電壓因而減小至滿足以下關系的大小Vrefl = Vs當令Vmax是該電壓，并且分割電阻器21和22的電阻值被分別認為是R21和R22 時，Vmax由以下表達式給出Vmax = (R21/R22+1) Vs在混合電源系統20中，R21和R22被合適地選擇，Vmax由此被設置為使得二次電池4能夠變成基本上完全充電狀態并且防止二次電池4的過充電狀態的大小。結果，當太陽能電池模塊1的生成電力超過用來驅動負載3的電力時，混合電源系統20執行兩種不同操作以對應于二次電池4的充電狀態。就是說，當二次電池4未達到基本上完全充電狀態時，剩余電力通過二次電池4的充電而被消耗。因此，在二次電池4的端子兩側形成的電壓被保持為足夠小于完全充電電壓，并且因而防止了變得等于或者大于Vmax。此時，因為以下關系成立Vrefl < Vs因此晶體管M處于完全關斷狀態。因此，流過由晶體管M組成的分流路徑的電流極小，因而幾乎所有剩余電力都被用于對二次電池4的充電。
另一方面，當二次電池4基本上達到完全充電狀態時，剩余電力未通過充電被消耗而是被累積。因此，在二次電池4的端子兩側形成的電壓立即開始增大，并且試圖超過 Vmax0此時，因為以下關系成立Vrefl > Vs因此晶體管M立即變為導通狀態，電流流過晶體管24，并且流經電阻器5的電流因而增加。結果，因為電阻器5中的電壓降增大，因此在分流穩壓電路23的陽極端A與陰極端K兩側形成的電壓被保持為等于用來滿足以下關系的大小，Vrefl = Vs即Vmax。由于分流穩壓電路23的電壓限制操作，二次電池4的充電在端子兩側形成的電壓達到Vmax時被自動停止，因而防止了二次電池4的過充電。此外，剩余電力通過晶體管M被分流，然后被晶體管M所具有的電阻組件變換為熱并被丟棄。因此，還防止了剩余電力變得無法被從太陽能電池模塊1中取出，這會導致太陽能電池的轉換效率被有效降低從而引起溫度上升，并從而加速太陽能電池模塊1的熱劣化。當完全充電電壓是4. 2V并且過充電電壓是4. 4V的鋰離子電池被用作上面描述的二次電池時，Vmax優選被設置為大約4. 2V。結果，鋰離子電池可被充電至完全充電狀態，因而可以實現最佳系統性能。雖然在圖2中示出了其中晶體管M是雙極晶體管的示例，但是晶體管M也可以是場效應晶體管。雖然分流穩壓電路23可由一個或多個分立組件組成，但是使用可以商業方式獲得的分流穩壓器IC(集成)元件是方便的。此外，彼此串聯的電阻器和晶體管M可被與二次電池4并聯，并且剩余電力的一部分可變為電阻器中的熱。這種配置的采用是希望的，這是因為晶體管M中的熱生成變小。分流穩壓電路23以如上所述的方式被使用，由此可以類似于實施例1地配置混合電源系統20。使用該分流穩壓電路23的系統20是具有最高實用性的系統，其中Vmax可被精確設置且能量損失小，等等。雖然圖1(a)中示出的使用恒壓二極管6的系統10在電路方面簡單，但是因為即使當二次電池4未處于完全充電狀態時也導致很小的反向電流流動，因此能量效率與使用分流穩壓電路23的系統相比有所降低。圖1(b)中示出的使用一般二極管的系統11具有難以精確確定所要限制的電壓的缺點。[實施例3]在實施例3中，將主要描述在權利要求3中描述的混合電源系統的示例。圖3(a)是示出基于本發明的實施例3的混合電源系統30的配置的示意圖。混合電源系統30由太陽能電池模塊1、作為上面描述的直流電壓轉換裝置的DC/DC轉換器31、 二次電池4、分割電阻器21和22以及分流穩壓電路23組成。在混合電源系統30中，DC/ DC轉換器31被使用以代替在混合電源系統10和20中的每一個中使用的DC/DC轉換器2， 并且電阻器5被省略。因為除此之外的部分與混合電源系統20中的那些相同，因此將主要描述不同點。如先前提到，來自DC/DC轉換器2的輸出電壓被設置為略高于二次電池4的電壓。 在這種情況下，雖然通常可以通過對輸出電流等的限制來對DC/DC轉換器2的輸入側電壓進行某些控制，但是無法精確確定該電壓。就是說，雖然輸出電壓被DC/DC轉換器2保持恒定，但是輸入側電壓是不確定的。
另一方面，在混合電源系統30中使用的DC/DC轉換器31具有將與太陽能電池模塊1相連的輸入側的電壓控制在太陽能電池模塊1的最佳工作電壓或其附近的功能。因此，DC/DC轉換器31被以如下方式配置例如，像圖6(b)中示出的DC/DC轉換器301 — 樣，用于分割來自太陽能電池模塊1的輸出電壓以給出基準電壓的分割電阻器被提供在輸入側，基準電壓與內建標準電壓之間的差異被誤差放大器放大，并且DC/DC轉換器的操作基于由此得到的差異的大小而被控制，輸入側電壓由此被保持在預定大小。具體而言，在商業上作為電池充電器IC提供的LT3652(產品名；由線性技術公司(Linear Technology Corporation)制造)等可被用作DC/DC轉換器31。因為DC/DC轉換器31的輸出側電壓變得不確定，因此可以在混合電源系統30中省略在混合電源系統10和20中的每一個中提供的電阻器5。在這種情況下，當二次電池 4未達到基本上完全充電狀態并且分流穩壓電路23的晶體管M因而處于關斷狀態時，DC/ DC轉換器31的輸出側電壓通過二次電池4的開路電壓、二次電池4的內部電阻和DC/DC轉換器31的輸出阻抗被自動調節。另一方面，當二次電池4達到完全充電狀態時，晶體管M 立即變為導通狀態，并且DC/DC轉換器31的輸出側電壓被保持為等于Vmax。由于分流穩壓電路23的電壓限制操作，防止了二次電池4的過充電。此外，因為剩余電力通過晶體管 M被分流，因此防止了剩余電力變得無法被從太陽能電池模塊1中取出，這會導致造成溫度上升，從而加速太陽能電池模塊1的熱劣化。圖3(b)是示出太陽能電池模塊1的電力生成特性的示例的示圖(b)。因為太陽能電池沒有存儲能量的功能，因此為了充分利用輻射光，優選使太陽能電池針對負載3所要求的電力盡可能多地在高輸出連續生成電力。因此，在具有圖3(b)所示電力生成特性的太陽能電池模塊1的情況下，太陽能電池模塊1優選以生成電壓通常在大約4. IV的電平變得恒定的方式工作。在混合電源系統30中，因為輸入側電壓可被DC/DC轉換器31的輸入側上提供的分割電阻器控制為通常在大約4. IV的電平變得恒定，因此被輻射到太陽能電池模塊1的光可被以最高效率轉換為電力。雖然目前已經基于實施例描述了本發明，但是不言而喻的是，基于本發明的技術想法在不脫離本發明主題的情況下可以適當地改變上面描述的示例。標號說明1...太陽能模塊，2. ..DC/DC轉換器，3...負載，4... 二次電池，5...電阻器， 6...恒壓二極管，7...多個串聯的二極管，10、11、20...混合電源系統，21、22...分割電阻器，23...分流穩壓電路，24...晶體管，25...標準電壓生成部分，26...誤差放大器， 30...混合電源系統，31...DC/DC轉換器，100...具有電池充電器的便攜式電源裝置， 101...太陽能電池，102. ..DC/DC轉換器(回流防止二極管)，103...電氣雙層電容器， 104. · ·負載，105. · · DC/DC轉換器，106. · · 二次電池，107. · ·電流控制電路，108. · ·過電流防止電路，109. ..DC/DC轉換器，111、112...分割電阻器，113...恒壓二極管，114...控制晶體管，115...負載電阻，116...功率晶體管，200...電源裝置，201...太陽能電池模塊， 202. · ·回流防止二極管，203. · ·負載，204. · · 二次電池，205、206. · ·分割電阻器，207. · ·分流穩壓器，300...電源裝置，301...00/1)(轉換器，302、303...分割電阻器，304...誤差放大器，305...比較器，A...分流穩壓電路23的陽極端，K...分流穩壓電路23的陰極端， REF. · ·分流穩壓電路23的基準電壓端，VrefU Vref2. · ·基準電壓，X. · ·交叉點。
權利要求
1.一種混合電源系統，包括太陽能電池模塊或者燃料電池模塊；直流電壓轉換裝置，用于在所述太陽能電池模塊或所述燃料電池模塊被連接到輸入側、負載和二次電池被連接到輸出側并且所述太陽能電池模塊或所述燃料電池模塊所生成的生成電力被轉換為合適電壓之后向所述負載和所述二次電池提供該合適電壓；所述二次電池，其在所述直流電壓轉換裝置的輸出側與所述負載并聯；以及分流電路，其在所述直流電壓轉換裝置的輸出側與所述二次電池并聯，所述分流電路用于當所述二次電池基本上處于完全充電狀態時將所述生成電力中未在所述負載中消耗的基本上所有剩余電力變換為熱以丟棄由此產生的熱。
2.如權利要求1所述的混合電源系統，其中，來自所述直流電壓轉換裝置的輸出電壓被設置為略高于所述二次電池的電壓。
3.如權利要求1所述的混合電源系統，其中，所述直流電壓轉換裝置的輸入側電壓被控制以變成所述太陽能電池模塊或所述燃料電池模塊的最佳工作電壓或其附近。
4.如權利要求1所述的混合電源系統，其中，所述分流電路由恒壓二極管組成，該恒壓二極管的齊納電壓是具有使得所述二次電池能夠基本上處于完全充電狀態的大小并且還具有防止所述二次電池的過充電狀態的大小的電壓。
5.如權利要求1所述的混合電源系統，其中，所述分流電路由多個串聯的二極管組成， 并且所述二極管的正向電壓降之和是具有使得所述二次電池能夠基本上處于完全充電狀態的大小并且還具有防止所述二次電池的過充電狀態的大小的電壓。
6.如權利要求1所述的混合電源系統，其中，所述分流電路由具有由晶體管組成的分流路徑的分流穩壓電路組成，并且施加在所述二次電池的端子兩側的電壓的最大值被所述分流穩壓電路控制，以變為具有使得所述二次電池能夠基本上處于完全充電狀態的大小并且還具有防止所述二次電池的過充電狀態的大小的電壓。
7.如權利要求6所述的混合電源系統，其中，通過利用分割電阻器分割電壓而獲得的基準電壓與所述分流穩壓器所具有的內部標準電壓之間的比較來設置受所述分流穩壓電路控制的電壓的最大值。
8.如權利要求1所述的混合電源系統，其中，所述太陽能電池是染料敏化型太陽能電池。
9.如權利要求1所述的混合電源系統，其中，所述燃料電池是直接甲醇燃料電池。
10.如權利要求1所述的混合電源系統，其中，所述二次電池是鋰離子電池。
全文摘要
提供了一種混合電源系統，其中太陽能電池或燃料電池與二次電池彼此組合，并且二次電池被用作電力緩沖器，并且該系統即使當存在二次電池的充電狀態的變化、工作條件的變化或者組件的長期變化時也可以保持高能量效率，防止二次電池的過充電，并且抑制由于剩余電力的生成無法被取出而引起的太陽能電池或燃料電池的熱劣化。該混合電源系統包括太陽能電池模塊1或者燃料電池模塊；DC/DC轉換器(2)，其在將模塊生成的電力轉換為合適電壓之后向負載(3)和二次電池(4)提供該合適電壓；二次電池(4)；以及分流電路(恒壓二極管(6)或者分流穩壓IC)，其與所述二次電池(4)并聯，并且當所述二次電池(4)基本上處于完全充電狀態時將所述生成電力中未在所述負載(3)中消耗的基本上所有剩余電力變換為熱以丟棄由此產生的熱。
文檔編號H01M8/04GK102498635SQ20108004041
公開日2012年6月13日 申請日期2010年9月9日 優先權日2009年9月16日
發明者井上芳明, 志村重輔 申請人:索尼公司