JP4791689B2

JP4791689B2 - 電源装置

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Publication number: JP4791689B2
Application number: JP2003347293A
Authority: JP
Inventors: 雅弘高田; 克巳高津; 俊彦市瀬
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-10-06
Filing date: 2003-10-06
Publication date: 2011-10-12
Anticipated expiration: 2023-10-06
Also published as: US6882131B1; US20050073289A1; JP2005115553A

Description

本発明は、電源装置に関する。

燃料電池の出力電力は、主に燃料の供給量の増減に応じて変化する。また、太陽電池の出力電力は、主に日射量の増減に応じて変化する。従来、このように発電条件によって負荷に供給する出力電力が変化する発電装置（電池）を有する電源装置は、発電装置の直流出力電力をＤＣ−ＤＣコンバータ又はＤＣ−ＡＣコンバータを用いて一定電圧又は一定電流の電力に変換し、出力していた。

特開２０００−１７３６３６号公報に、従来例の燃料電池装置が開示されている。従来例の燃料電池装置は、燃料電池本体で生じた直流電力を、直直流変換器（ＤＣ−ＤＣコンバータ）により、所定の電圧の直流電力に変換し、外部負荷出力端子に定常的に供給する。
特開平７−３３６９１０号公報に、従来例の太陽電池発電電力の蓄電装置が開示されている。従来例の太陽電池発電電力の蓄電装置は、太陽電池の発電電圧を変圧し、その出力電力を蓄電池に蓄える。変圧手段は、蓄電池の充電電流（変圧手段の出力電流）が最大となるように制御される。

特開２０００−１７３６３６号公報特開平７−３３６９１０号公報

燃料電池は、燃料電池に供給する燃料の量の増減に対する、出力電力の増減の応答が遅いという特性を持っている。従来例の燃料電池装置においては、負荷が急激に増大した場合に即応できるように、燃料電池に、常に必要量を相当上回る燃料を供給する必要があった。このことは、燃料電池の燃料利用率を劣化させていた。更に、燃料としてメタノールを使用する燃料電池の場合、メタノールが使用されずに相当量排出される。このため、排出されたメタノールの浄化方法が問題となった。従来例の燃料電池装置は、メタノールの排出率を常に所定値以下に制御する動作を行えなかった。
他方、従来例の太陽電池発電電力の蓄電装置を外部負荷に接続して使用する場合、太陽電池のパネルの温度や負荷側の電力の変化で太陽電池の最大効率から外れた条件で使用することがあった。

従来、発電条件によって負荷に供給する出力電力が変動する発電装置に対して、常に所望の動作条件（例えば、燃料電池が排出する燃料量が最小となる動作条件又は太陽電池の出力電力が最大となる動作条件）を満たす動作をさせることができる電源装置を提供することがこの分野の課題であった。
本発明は上記従来の課題を解決するもので、発電条件によって負荷に供給する出力電力が変動する発電装置を有する電源装置において、発電条件が変化しても常に所望の動作条件で発電装置を動作させることができる、汎用性に富んだ電源装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の構成を有する。請求項１に記載の発明は、発電条件によって負荷に供給する出力電力が変動する発電装置と、前記発電装置が出力する電流を検出する電流検出部と、前記発電装置の目標出力電圧を設定する目標出力電圧設定部と、前記発電装置が出力する電圧と前記目標出力電圧との間の誤差を増幅して誤差信号を出力する誤差増幅器と、前記誤差信号を入力し前記誤差信号の絶対値が小さくなるように前記発電装置の出力電圧を調節し外部出力端子に出力する電圧制御部と、少なくとも前記電流検出部が検出した電流を入力パラメータとし、所定の関数により前記発電装置の所望の動作条件となる前記目標出力電圧を算出し、前記目標出力電圧設定部に指示する演算部と、を有し、前記発電装置がメタノールを燃料とする燃料電池であって、前記所望の動作条件は、前記燃料電池が排出する燃料量が最小となる動作条件、もしくは前記燃料電池が排出する燃料量が最小となる動作条件と、前記燃料電池の出力電力が最大となる動作条件の両者をバランスさせた動作条件であることを特徴とする電源装置である。
本発明の電源装置は、燃料電池の持つ出力電流−出力電圧特性と演算部の所定の関数（少なくとも電流を入力パラメータとする電圧設定関数）との交点が燃料電池の動作点になり、燃料電池の温度変化や、燃料供給量の変化など燃料電池の動作条件が変動しても、その動作点を常に最適な点（燃料電池が排出する燃料量が最小点、又は前記バランスさせた動作点）に自動追尾することができる。

請求項２に記載の発明は、発電条件によって負荷に供給する出力電力が変動する発電装置と、前記発電装置が出力する電圧を検出する電圧検出部と、前記発電装置の目標出力電流を設定する目標出力電流設定部と、前記発電装置が出力する電流と前記目標出力電流との間の誤差を増幅して誤差信号を出力する誤差増幅器と、前記誤差信号を入力し前記誤差信号の絶対値が小さくなるように前記発電装置の出力電流を調節し外部出力端子に出力する電流制御部と、少なくとも前記電圧検出部が検出した電圧を入力パラメータとし、所定の関数により前記発電装置の所望の動作条件となる前記目標出力電流を算出し、前記目標出力電流設定部に指示する演算部と、を有し、前記発電装置がメタノールを燃料とする燃料電池であって、前記所望の動作条件は、前記燃料電池が排出する燃料量が最小となる動作条件、もしくは前記燃料電池が排出する燃料量が最小となる動作条件と、前記燃料電池の出力電力が最大となる動作条件の両者をバランスさせた動作条件であることを特徴とする電源装置である。
本発明の電源装置は、燃料電池の持つ出力電流−出力電圧特性と演算部の所定の関数（少なくとも電圧を入力パラメータとする電流設定関数）との交点が燃料電池の動作点になり、燃料電池の温度変化や、燃料供給量の変化など燃料電池の動作条件が変動しても、その動作点を常に最適な点（燃料電池が排出する燃料量が最小点、又は前記バランスさせた動作点）に自動追尾することができる。

請求項３に記載の発明は、前記所定の関数は、前記所望の動作条件を、予め複数点測定し、前記測定点を補間して求めた関数であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の電源装置である。
発電装置の動作条件の変化に対して、その発電装置の特性が単調に変化する範囲をカバーする複数点の出力電圧と出力電流の測定を行い、所望の最適な動作点を求めるだけで、簡単に「所定の関数」を得ることができる。本発明の電源装置は、発電装置の動作条件が変動しても、所定の関数から動作点を算出し、動作点を常に所望な動作点に自動追尾することができる。

発電装置が燃料電池である場合、予め複数の燃料の供給量で燃料電池を発電させる実験を行い、それぞれの実験において、所望の動作条件を満たす最適な動作点での出力電流及び出力電圧を測定しておく。「所定の関数」は、測定された複数の最適な動作点を補間して得られる、計測電流をパラメータとする電圧設定関数、又は計測電圧をパラメータとする電流設定関数である。
発電装置が太陽電池である場合、予め複数の受光量で太陽電池を発電させる実験を行い、それぞれの実験において、所望の動作条件を満たす最適な動作点での出力電流及び出力電圧を測定しておく。「所定の関数」は、測定された複数の最適な動作点を補間して得られる、計測電流をパラメータとする電圧設定関数、又は計測電圧をパラメータとする電流設定関数である。
演算部は、計測電流をパラメータとする電圧設定関数、又は計測電圧をパラメータとする電流設定関数、又は、数点の測定データを用いて目標出力電圧又は目標出力電流を算出する。従って、演算部は、あらゆる動作条件での最適な動作点のデータテーブルを記憶する場合に比べ、小さなメモリしか必要としない。本発明は、安価な電源装置を実現できるという作用を有する。

本発明によれば、発電条件によって出力電力が変動する発電装置を、常に所望の動作条件で発電させることができる、汎用性に富んだ電源装置を実現できるという有利な効果が得られる。
本発明の電源装置は、発電装置の持つ出力電流−出力電圧特性と演算部の所定の関数（少なくとも電流を入力パラメータとする電圧設定関数、又は、少なくとも電圧をパラメータとする電流設定関数）との交点が発電装置の動作点になり、発電装置の動作条件が変動しても、その動作点を常に最適な点に自動追尾することができる。

以下本発明の実施をするための最良の形態を具体的に示した実施の形態について、図面とともに記載する。

《実施の形態１》
図１、図２及び図３を用いて、本発明の実施の形態１の電源装置を説明する。図１において、１００は電源装置、１８０は二次電池、１９０は本体装置である。電源装置１００は、燃料電池１０１、電流検出部１０３、演算部１２０、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３０、表示部１５０を有する。本体装置１９０は、負荷１９１を有する。

本体装置１９０は、パーソナルコンピュータである。二次電池１８０は、リチウムイオン二次電池である。燃料電池１０１は、メタノールを原料とするバランス式燃料電池（非循環式であって、使用する燃料の量と出力する電力量とをバランスさせる燃料電池）である。燃料電池１０１には、単位時間あたり一定の量の燃料が供給されており、出力電力が最大となる動作点（燃料の供給量によって一意に決まる出力電圧及び出力電流）で動作する。即ち、実施の形態１の電源装置１００は、燃料電池１０１の出力電力が最大となる、所望の動作条件で動作する。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１３０は、設定電圧（目標入力電圧）１３１、誤差増幅器１３２及び電流制御部１４０を有する。電流制御部１４０は、定電流源１４１を有する。
ＤＣ−ＤＣコンバータ１３０は、燃料電池１０１の出力電圧（ＤＣ−ＤＣコンバータ１３０の入力電圧）が目標入力電圧にできるだけ一致するように、その出力電流（ＤＣ−ＤＣコンバータ１３０の入力電流）を制御する。即ち、燃料電池１０１は所定の出力電力（＝燃料電池１０１の出力電流×その出力電流に対応した出力電圧）を出力し、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３０は、燃料電池１０１の出力電力を変換して、負荷１９１及び／又は二次電池１８０に供給する。ＤＣ−ＤＣコンバータ１３０の出力端子は二次電池１８０の出力端子と直接接続されており、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３０の出力電圧は、二次電池１８０の出力電圧（又は充電電圧）に一致する（例えば二次電池１８０の出力電圧が８Ｖであれば、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３０の出力電圧は８Ｖになる。）。

設定電圧１３１は、燃料電池１０１の目標出力電圧（即ち、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３０の目標入力電圧）を設定するための目標出力電圧設定部として機能する。具体的には、誤差増幅器１３２は、設定電圧（目標入力電圧）１３１とＤＣ−ＤＣコンバータ１３０の入力電圧（即ち、燃料電池１０１の出力電圧Ｖｆｃ）とを比較し、その誤差成分に応じた制御信号（誤差信号）を出力する。電流制御部１４０は、誤差信号に基づき、燃料電池１０１の出力電圧が設定電圧（目標入力電圧）１３１に近づくように（誤差信号の絶対値が小さくなるように）、出力電流を制御する。図１において、電流制御部１４０は、誤差信号のレベルが下がると、出力電流を増大させる。
ＤＣ−ＤＣコンバータ１３０の出力電圧をＶｏｕｔ（二次電池１８０の出力電圧と等しい。）とする。実施の形態１において、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３０の出力電流は、下記の式で表せる。
（ＤＣ−ＤＣコンバータ１３０の出力電流）＝（電力変換効率η）×（燃料電池１０１の出力電流）×（燃料電池１０１の出力電圧）／（二次電池１８０の出力電圧）

電源装置１００は、燃料電池１０１が出力した電力を本体装置１９０に供給し、本体装置１９０に電力を供給してもＤＣ−ＤＣコンバータ１３０から出力された電力が余る場合、余りの電力で二次電池１８０を充電する。本体装置１９０に供給する電力が燃料電池１０１から出力された電力だけでは足りない場合、二次電池１８０は不足分の電力を放電する。電源装置１００は、燃料電池１０１が出力した電力と二次電池１８０が放電した電力とを合わせた電力を、本体装置１９０に供給する。二次電池１８０は、負荷１９１に供給する電力の急激な変化を吸収する。

電流検出部１０３は、燃料電池１０１の出力電流Ｉｆｃ（ＤＣ−ＤＣコンバータ１３０の入力電流）を検出し、その電流値に対応する電圧信号を演算部１２０に送信する。演算部１２０は、燃料電池１０１の出力電流Ｉｆｃ（又は、出力電流Ｉｆｃと燃料の供給量）に基づいて、燃料電池１０１の出力電力が最大になるような燃料電池１０１の出力電圧Ｖｒｅｆを算出し、その出力電圧Ｖｒｅｆを新たな設定電圧（目標入力電圧）１３１とする。
表示部１５０は、燃料電池１０１の動作状態を表示する。

図２及び図３を用いて、設定電圧１３１の設定方法について詳細に説明する。図２（ａ）は、本発明の実施の形態１の電源装置のバランス式燃料電池１０１の燃料の供給量をパラメータとした出力電流−出力電圧特性、出力電流−メタノール排出率特性を示す図、図２（ｂ）は、本発明の実施の形態１の電源装置のバランス式燃料電池１０１の燃料の供給量をパラメータとした出力電圧−出力電力特性を示す図である。図２（ａ）において、横軸は出力電流（Ａ）、縦軸は出力電圧（Ｖ）又はメタノール排出率（％）を表す。２０１、２０２、２０３は、燃料の供給量がそれぞれ０．１ｃｃ／ｍｉｎ、０．２ｃｃ／ｍｉｎ、０．３ｃｃ／ｍｉｎの場合の出力電流−出力電圧特性を示す。２０７は、燃料の供給量が０．３ｃｃ／ｍｉｎの場合の燃料電池１０１の出力電流−メタノール排出率特性を示す。図２（ｂ）において、横軸は出力電圧（Ｖ）、縦軸は出力電力（Ｗ）を表す。２１１、２１２、２１３は、燃料の供給量がそれぞれ０．１ｃｃ／ｍｉｎ、０．２ｃｃ／ｍｉｎ、０．３ｃｃ／ｍｉｎの場合の出力電圧−出力電力特性を示す。燃料電池１０１の出力電流−出力電圧特性及び出力電圧−出力電力特性は、燃料電池１０１に供給される燃料の量によって変化する。燃料の供給量がある値に決まれば、その燃料の供給量での出力電流−出力電圧特性及び出力電圧−出力電力特性は一意に決まる。

以下、燃料の供給量が０．３ｃｃ／ｍｉｎの場合について説明する。出力電流−出力電圧特性２０３において、出力電流が０〜Ａ３の時は、出力電流の増加に伴い出力電圧はやや減少するが、ほぼ安定した電圧が保たれる。出力電流がＡ３の時、出力電圧はＶ３である。出力電流がＡ３を超えると、出力電流の増加に伴い、出力電圧の減少率は増大する。
出力電圧−出力電力特性２１３において、出力電圧が０〜Ｖ３の時は、出力電圧の増加に伴い出力電力も増加する。出力電圧Ｖ３の時、出力電力は最大値となる。出力電圧がＶ３を超えると、出力電圧の増加に伴い出力電力は減少する。

メタノール排出率２０７において、燃料電池１０１の出力電流が０〜Ａ３の時は、出力電流の増加に伴いメタノール排出率は減少する。出力電流がＡ３になった時点で、排出するメタノールの量は微量になる。出力電流がＡ３を超えると、排出するメタノールの量はわずかだが減少する。つまり、出力電流が０〜Ａ３の時は、燃料電池１０１は供給されたメタノールを使い切れず、残りのメタノールを排出する。出力電流がＡ３以上の時、燃料電池１０１は供給されたメタノールをほぼ使い切り、微量のメタノールしか排出しない。
燃料の供給量が０．３ｃｃ／ｍｉｎの場合、燃料電池１０１の出力電力が最大となる、所望の動作条件を満たす動作点（以下、「最適な動作点」と言う。）の出力電圧はＶ３、出力電流はＡ３である。

燃料の供給量が０．１ｃｃ／ｍｉｎ又は０．２ｃｃ／ｍｉｎの場合も、０．３ｃｃ／ｍｉｎの場合と同様である。燃料の供給量が０．１ｃｃ／ｍｉｎの場合、燃料電池１０１の出力電力が最大となる動作点の出力電圧はＶ１、出力電流はＡ１である。燃料の供給量が０．２ｃｃ／ｍｉｎの場合、燃料電池１０１の出力電力が最大となる動作点の出力電圧はＶ２、出力電流はＡ２である。各燃料の供給量での、燃料電池１０１の最適な動作点における出力電圧及び出力電流（Ｖ１とＡ１、Ｖ２とＡ２、Ｖ３とＡ３）は、実験により予め測定されるデータである。バランス式燃料電池では、所定の範囲内の燃料の供給量での最適な動作点は、図２（ａ）の計測電流をパラメータとする電圧設定関数２１０（以下、「電圧設定関数２１０」と言う。）の上に載る。電圧設定関数２１０は、実験データを直線補間して得られる関数である。演算部１２０は、電圧設定関数２１０の傾き及び切片を記憶している。

以上のように構成される実施の形態１の電源装置１００の動作を、図３を用いて具体的に説明する。図３は、実施の形態１の電源装置の動作説明図である。図２（ａ）と同様の、本発明の実施の形態１の電源装置のバランス式燃料電池１０１の燃料の供給量をパラメータとした出力電流−出力電圧特性を示す。図２（ａ）と同じ曲線に同じ符号を付す。
電源装置１００において、燃料電池１０１への燃料の供給量は０．１ｃｃ／ｍｉｎに制御されている。燃料の供給量が０．１ｃｃ／ｍｉｎの場合、燃料電池１０１の最適な動作点Ｐ０での出力電圧はＶ１、出力電流はＡ１である。演算部１２０は、電圧Ｖ１を設定電圧（目標入力電圧）１３１に設定する。

燃料電池１０１の最適な動作点は、燃料の供給量によって一意に決まる。しかし、燃料電池１０１を構成する燃料供給ポンプ（図示しない）に指示される燃料の供給量が一定であっても、電池温度、固体電解質膜の特性のバラツキ、個体電解質膜の経時劣化、燃料供給ポンプの特性のバラツキなどの要因により、燃料電池１０１が発電するために実際に使用する燃料の量は変動する。従って、燃料電池１０１の出力電流−出力電圧特性及び最適な動作点は、時間変化する。

燃料電池１０１が発電に使用する燃料の量が変化し、出力電流−出力電圧特性が曲線２０１から曲線２０３に変化したとする。燃料電池１０１の出力電圧（設定電圧１３１）がＶ１に設定されているので、燃料電池１０１の動作点は出力電流−出力電圧特性２０３上の、動作点Ｐ１（電流Ｉｆｃ１、電圧Ｖ１）となる。演算部１２０は、電流検出部１０３が検出した燃料電池１０１の出力電流Ｉｆｃ１での最適な設定電圧１３１を、電圧設定関数２１０から算出し、電圧Ｖｒｅｆ１を新たな設定電圧１３１とする（動作点Ｐ２）。燃料電池１０１の出力電圧がＶｒｅｆ１に設定されるので、燃料電池１０１の動作点は出力電流−出力電圧特性２０３上の、動作点Ｐ３（電流Ｉｆｃ２、電圧Ｖｒｅｆ２）となる。演算部１２０は、電流検出部１０３が検出した燃料電池１０１の出力電流Ｉｆｃ２での最適な設定電圧１３１を、電圧設定関数２１０から算出し、電圧Ｖｒｅｆ２を新たな設定電圧１３１とする（動作点Ｐ４）。燃料電池１０１の動作点は、Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４・・・のように推移し、出力電流−出力電圧特性２０３と電圧設定関数２１０の交点Ｐｎ（電流Ｉｆｃｎ、電圧Ｖｒｅｆｎ）に収束する。動作点Ｐｎは、出力電流−出力電圧特性２０３上での、燃料電池１０１の出力電力が最大となる最適な動作点である（電流ＩｆｃｎはＡ３と、電圧ＶｒｅｆｎはＶ３と同じ値である。）。
なお、動作点が１点に収束しない場合、演算部１２０は表示部１５０にエラー表示を指令する。表示部１５０は、エラーを表示する。

実施の形態１の電源装置１００は、燃料電池１０１の発電条件の変動に、燃料電池１０１の最適な動作点を追随させるので、常に燃料電池１０１から電力を最大限取り出すことができる。即ち実施の形態１の電源装置１００は、常に所望の動作条件で動作する。

実施の形態１の電源装置１００は、燃料電池１０１の出力電力が最大となる所望の動作条件で動作する。これに代え、メタノール排出率が最小（又は、ごく微量）となる動作条件で燃料電池１０１を動作させても良い。図２（ａ）及び（ｂ）において、燃料電池１０１の出力電力が最大になる点より右側に動作点を設定した場合、燃料電池１０１の出力電力は最大値ではないが、燃料電池１０１は微量のメタノールしか排出しない。出力電流−出力電圧特性２０１、２０２及び２０３における、メタノール排出率がごく微量となる動作点を補間した関数を、電圧設定関数とすれば良い。これにより、排出がクリーンな電源装置を実現できる。

メタノール排出率が所定値以下の条件で且つ燃料電池１０１から電力を最大限取り出すことができる動作条件で燃料電池１０１を動作させても良い。ＤＣ−ＤＣコンバータ１３０の出力電力を一定とする動作条件で、燃料電池１０１を動作させても良い。

電圧設定関数は、「所望の動作条件」によって、実施の形態１の電圧設定関数２１０とは異なる関数となる（直線とは限らない）。
電圧設定関数は、好ましくは予め実験によって燃料電池１０１を所望の動作条件で動作させ、測定した数点のデータを補間して得られる関数である。
演算部１２０は、電圧設定関数又は、数点の測定データを用いて設定電圧１３１を算出する。従って、演算部１２０は、あらゆる燃料の供給量に対する最適な動作点のデータテーブルを記憶する場合に比べ、小さなメモリしか必要とせず、安価な電源装置１００を実現できる。
つまり、燃料電池の持つ出力電流ー出力電圧特性と演算部の所定の関数（少なくとも電流を入力パラメータとする電圧設定関数。実施の形態１では電圧設定関数２１０。）との交点が燃料電池の動作点になり、燃料電池の温度変化や、燃料供給量の変化など燃料電池の動作条件が変動しても、その動作点を常に最適な点（燃料電池が排出する燃料量が最小点又は、出力電力最大点、又は両者をバランスさせた動作点）に自動追尾することができる。

なお、実施の形態１の燃料電池１０１に代えて、出力電力が発電条件によって変動する他の発電装置を使用し、その発電装置における電圧設定関数（直線とは限らない）を用いても良い。

実施の形態１の構成に代えて、以下の構成であっても良い。電圧検出部が燃料電池１０１の出力電圧Ｖｆｃを検出する。演算部１２０は、燃料電池１０１の出力電圧Ｖｆｃに基づいて（又は燃料の供給量及び出力電圧Ｖｆｃに基づいて）、燃料電池１０１の出力電力が最大になるような燃料電池１０１の出力電流Ｉｆｃを算出し、その出力電流を新たな設定電流（目標入力電流）１３１とする。誤差増幅器１３２は、設定電流（目標入力電流）１３１とＤＣ−ＤＣコンバータ１３０の入力電流（即ち、燃料電池１０１の出力電流Ｉｆｃ）とを比較し、その誤差成分に応じた制御信号（誤差信号）を出力する。電流制御部１４０は、誤差信号に基づき、燃料電池１０１の出力電流が設定電流（目標入力電流）１３１に近づくように（誤差信号の絶対値が小さくなるように）、出力電流を制御する。

《実施の形態２》
図４、図５及び図６を用いて、本発明の実施の形態２の電源装置を説明する。図４において、４００は電源装置、１８０は二次電池、１９０は本体装置である。電源装置４００は、太陽電池４０１、電圧検出部４０２、電流検出部４０３、演算部４２０、ＤＣ−ＤＣコンバータ４３０、表示部４５０を有する。本体装置１９０は、負荷１９１を有する。

本体装置１９０は、自動計測装置である。二次電池１８０は、鉛蓄電池である。太陽電池４０１は、光のエネルギーを電気エネルギーに直接変換する。太陽電池４０１は、出力電力が最大となる動作点（受光量によって一意に決まる、出力電圧及び出力電流）で動作している。即ち、実施の形態２の電源装置４００は、太陽電池４０１の出力電力が最大となる、所望の動作条件で動作する。

ＤＣ−ＤＣコンバータ４３０は、設定電圧４３１（目標入力電流Ｉｒｅｆ）、誤差増幅器４３２及び電流制御部４４０を有する。電流制御部４４０は、定電流源４４１を有する。
電流検出部４０３は、太陽電池４０１の出力電流Ｉｐｖを検出し、電流Ｉｐｖに対応する電圧信号を誤差増幅器４３２に出力する。ＤＣ−ＤＣコンバータ４３０は、太陽電池４０１の出力電流Ｉｐｖ（ＤＣ−ＤＣコンバータ４３０の入力電流）が、目標入力電流Ｉｒｅｆにできるだけ一致するように、その出力電流（ＤＣ−ＤＣコンバータの入力電流）を制御する。即ち、太陽電池４０１は所定の出力電力（＝太陽電池４０１の出力電圧×その出力電圧に対応した出力電流）を出力し、ＤＣ−ＤＣコンバータ４３０は、太陽電池４０１の出力電力を変換して、負荷１９１及び／又は二次電池１８０に供給する。ＤＣ−ＤＣコンバータ４３０の出力端子は二次電池１８０の出力端子と直接接続されており、ＤＣ−ＤＣコンバータ４３０の出力電圧は、二次電池１８０の出力電圧（又は充電電圧）に一致する（例えば二次電池１８０の出力電圧が８Ｖであれば、ＤＣ−ＤＣコンバータ４３０の出力電圧は８Ｖになる。）。

電圧検出部４０２は、太陽電池４０１の出力電圧Ｖｐｖを検出し、演算部４２０に送信する。演算部４２０は、太陽電池４０１の出力電圧Ｖｐｖに基づき、太陽電池４０１の出力電力が最大となる目標入力電流Ｉｒｅｆを算出し、設定電圧（目標入力電流に対応する電圧）４３１を変更する。誤差増幅器４３２は、設定電圧（目標入力電流）４３１とＤＣ−ＤＣコンバータ４３０の入力電流（即ち、太陽電池４０１の出力電流Ｉｐｖ）とを比較し、その誤差成分に応じた制御信号（誤差信号）を出力する。定電流源４４１は、誤差信号に基づき、太陽電池４０１の出力電流が目標入力電流に近づくように（誤差信号の絶対値が小さくなるように）、出力電流を制御する。設定電圧４３１は、太陽電池４０１の目標出力電流（即ち、ＤＣ−ＤＣコンバータ４３０の目標入力電流）を設定するための目標出力電流設定部として機能する。ＤＣ−ＤＣコンバータ４３０の出力電圧をＶｏｕｔ（二次電池１８０の出力電圧と等しい。）とする。

電源装置４００は、太陽電池４０１が出力した電力を本体装置１９０に供給し、本体装置１９０に電力を供給してもＤＣ−ＤＣコンバータ４３０から出力された電力が余る場合、余りの電力で二次電池１８０を充電する。本体装置１９０に供給する電力が太陽電池４０１から出力された電力だけでは足りない場合、二次電池１８０は不足分の電力を放電する。電源装置４００は、太陽電池４０１が出力した電力と二次電池１８０が放電した電力とを合わせた電力を、本体装置１９０に供給する。二次電池１８０は、負荷１９１に供給する電力の急激な変化を吸収する。
表示部４５０は、太陽電池４０１の動作状態を表示する。

図５及び図６を用いて、設定電圧４３１（目標入力電流）の設定方法について詳細に説明する。図５（ａ）は、本発明の実施の形態２の電源装置の太陽電池の受光量をパラメータとする出力電圧−出力電流特性を示す図、図５（ｂ）は、本発明の実施の形態２の電源装置の太陽電池の受光量をパラメータとする出力電圧−出力電力特性を示す図である。図５（ａ）において、横軸は出力電圧（Ｖ）、縦軸は出力電流（Ａ）を表す。５０１、５０２、５０３は、受光量がそれぞれ小、中、大の場合の出力電圧−出力電流特性を示す。図５（ｂ）において、横軸は出力電圧（Ｖ）、縦軸は出力電力（Ｗ）を表す。５１１、５１２、５１３は、受光量がそれぞれ小、中、大の場合の出力電圧−出力電力特性を表す。太陽電池４０１の出力電圧−出力電流特性及び出力電圧−出力電力特性は、太陽電池４０１に供給される受光量によって変化する。受光量がある値に決まれば、その受光量での出力電圧−出力電流特性及び出力電圧−出力電力特性は一意に決まる。

太陽電池４０１は、光強度の増加と共に、出力電流及び出力電圧が増加していく。また、光強度が一定の場合、出力電圧が小さいうちは出力電流値がほぼ一定であり、出力電圧が所定値を超えると出力電流が低下する。このため、出力電圧と出力電流の積である電力が最大となる電流及び電圧が存在する。例えば、受光量が”小”の場合、出力電圧がＶ１、出力電流がＡ１の時に出力電力が最大になり（出力電圧−出力電流特性５０１、出力電圧−出力電力特性５１１）、受光量が”中”の場合、出力電圧がＶ２、出力電流がＡ２の時に出力電力が最大になり（出力電圧−出力電流特性５０２、出力電圧−出力電力特性５１２）、受光量が”大”の場合、出力電圧がＶ３、出力電流がＡ３の時に出力電力が最大になる（出力電圧−出力電流特性５０３、出力電圧−出力電力特性５１３）。太陽電池４０１の出力電力が最大となる、所望の動作条件を満たす動作点（以下、「最適な動作点」と言う。）は、受光量によって一意に決まる。

各受光量での、太陽電池４０１の最適な動作点における出力電圧及び出力電流（Ｖ１とＡ１、Ｖ２とＡ２、Ｖ３とＡ３）は、実験により予め測定されるデータである。太陽電池４０１の、任意の受光量での最適な動作点は、図５（ａ）の計測電圧をパラメータとする電流設定関数５１０（以下、「電流設定関数５１０」と言う。）の上に載る。電流設定関数５１０は、実験データを直線補間して得られる関数である。演算部５２０は、電流設定関数５１０の傾き及び切片を記憶している。

以上のように構成される実施の形態２の電源装置４００の動作を、図６を用いて具体的に説明する。図６は、実施の形態２の電源装置の動作説明図である。図５（ａ）と同様の、本発明の実施の形態２の電源装置の太陽電池の受光量をパラメータとする出力電流−出力電圧特性を示す。図５（ａ）と同じ曲線に同じ符号を付す。
電源装置４００の初期の動作点をＰ０（出力電圧Ｖ２、出力電流Ａ２）とする。動作点Ｐ０は、受光量が”中”の時の太陽電池４０１の最適動作点である。目標入力電流Ｉｒｅｆは、Ａ２に設定されている。

太陽電池４０１の出力電力は、受光量、温度等の要因によって変化する。受光量が変化し、出力電圧−出力電流特性が曲線５０２から曲線５０３に変化したとする。太陽電池４０１の出力電流（設定電圧４３１）がＡ２に設定されているので、太陽電池４０１の動作点は、出力電圧−出力電流特性５０３上の、動作点Ｐ１（電圧Ｖｐｖ１、電流Ａ２）となる。演算部４２０は、電圧検出部４０２が検出した太陽電池４０１の出力電圧Ｖｐｖ１での最適な設定電圧１３１（目標入力電流）を、電流設定関数５１０から算出し、電流Ｉｒｅｆ１を新たな目標入力電流とする（動作点Ｐ２）。太陽電池４０１の出力電流がＩｒｅｆ１に設定されるので、太陽電池４０１の動作点は、出力電圧−出力電流特性５０３上の、動作点Ｐ３（電圧Ｖｐｖ２、電流Ｉｒｅｆ１）となる。演算部４２０は、電圧検出部４０２が検出した太陽電池４０１の出力電圧Ｖｐｖ２での最適な設定電圧１３１（目標入力電流）を、電流設定関数５１０から算出し、電流Ｉｒｅｆ２を新たな目標入力電流とする（動作点Ｐ４）。太陽電池４０１の動作点は、Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４・・・のように推移し、出力電圧−出力電流特性５０３と電流設定関数５１０の交点Ｐｎ（電流Ｉｒｅｆｎ、電圧Ｖｐｖｎ）に収束する。動作点Ｐｎは、太陽電池４０１の出力電力が最大となる最適な動作点である（電流ＩｒｅｆｎはＡ３と、電圧ＶｐｖｎはＶ３と同じ値である。）。
なお、動作点が１点に収束しない場合、演算部４２０は表示部４５０にエラー表示を指令する。表示部４５０は、エラーを表示する。

実施の形態２の電源装置４００は、発電条件の変動に、太陽電池４０１の最適な動作点を追随させるので、常に太陽電池４０１から電力を最大限取り出すことができる。即ち実施の形態２の電源装置４００は、常に所望の動作条件で動作する。
つまり、太陽電池の持つ出力電流−出力電圧特性と演算部の所定の関数（少なくとも電流を入力パラメータとする電圧設定関数又は少なくとも電圧を入力パラメータとする電流設定関数。実施の形態２では電流設定関数５１０。）との交点が太陽電池の動作点になり、太陽電池の受光強度や温度などの発電装置の動作条件が変動しても、その動作点を常に出力電力が最大になる点に自動追尾することができる。
実施の形態２では、太陽電池４０１の出力電力が最大となる所望の動作条件で動作する。これに代え、ＤＣ−ＤＣコンバータ４３０の出力電力を一定とする動作条件で、太陽電池４０１を動作させても良い。

電流設定関数は、「所望の動作条件」によって、実施の形態２の電流設定関数５１０とは異なる関数となる（直線とは限らない）。
電流設定関数は、好ましくは予め実験によって太陽電池４０１を所望の動作条件で動作させ、測定した数点のデータを補間して得られる関数である。
演算部４２０は、電流設定関数又は、数点の測定データを用いて設定電圧４３１を算出する。従って、演算部４２０は、受光量に対する最適な動作点のデータテーブルを記憶する場合に比べ、小さなメモリしか必要とせず、安価な電源装置４００を実現できる。

なお、実施の形態２の太陽電池４０１に代えて、出力電力が発電条件によって変動する他の発電装置を使用し、その発電装置における電流設定関数（直線とは限らない）を用いても良い。

実施の形態２の構成に代えて、以下の構成であっても良い。電圧検出部が太陽電池４０１の出力電圧Ｖｐｖを検出する。演算部４２０は、出力電圧Ｖｐｖに基づいて、太陽電池４０１の出力電力が最大になるような太陽電池４０１の出力電流Ｉｐｖを算出し、その出力電流を新たな設定電流（目標入力電流）４３１とする。誤差増幅器４３２は、設定電流（目標入力電流）４３１とＤＣ−ＤＣコンバータ４３０の入力電流（即ち、太陽電池４０１の出力電流Ｉｐｖ）とを比較し、その誤差成分に応じた制御信号（誤差信号）を出力する。電流制御部４４０は、誤差信号に基づき、太陽電池４０１の出力電流が設定電流（目標入力電流）４３１に近づくように（誤差信号の絶対値が小さくなるように）、出力電流を制御する。

実施の形態１及び実施の形態２において、二次電池１８０は、ニッケルカドミウム蓄電池、ニッケル水素蓄電池などの他の二次電池又は商用交流電力を直流電力に変換した電力でも良い。

本発明の電源装置は、燃料電池、太陽電池等の発電装置を有する汎用の電源装置として有用である。

実施の形態１の電源装置の構成を示すブロック図図２（ａ）は、本発明の実施の形態１の電源装置のバランス式燃料電池の燃料の供給量をパラメータとする出力電流−出力電圧特性、出力電流−メタノール排出率特性を示す図、図２（ｂ）は、本発明の実施の形態１の電源装置のバランス式燃料電池の燃料の供給量をパラメータとする出力電圧−出力電力特性を示す図実施の形態１の電源装置の動作説明図実施の形態２の電源装置の構成を示すブロック図図５（ａ）は、本発明の実施の形態２の電源装置の太陽電池の受光量をパラメータとする出力電圧−出力電流特性を示す図、図５（ｂ）は、本発明の実施の形態２の電源装置の太陽電池の受光量をパラメータとする出力電圧−出力電力特性を示す図実施の形態２の電源装置の動作説明図

符号の説明

１００、４００電源装置
１０１燃料電池
１０３、４０３電流検出部
１２０、４２０演算部
１３０、４３０ＤＣ−ＤＣコンバータ
１３１設定電圧（目標入力電圧）
１３２、４３２誤差増幅器
１４０、４４０電流制御部
１４１、４４１定電流源
１５０、４５０表示部
１８０二次電池
１９０本体装置
１９１負荷
４０１太陽電池
４０２電圧検出部
４３１設定電圧（目標入力電流）

Claims

発電条件によって負荷に供給する出力電力が変動する発電装置と、
前記発電装置が出力する電流を検出する電流検出部と、
前記発電装置の目標出力電圧を設定する目標出力電圧設定部と、
前記発電装置が出力する電圧と前記目標出力電圧との間の誤差を増幅して誤差信号を出力する誤差増幅器と、
前記誤差信号を入力し前記誤差信号の絶対値が小さくなるように前記発電装置の出力電圧を調節し外部出力端子に出力する電圧制御部と、
少なくとも前記電流検出部が検出した電流を入力パラメータとし、所定の関数により前記発電装置の所望の動作条件となる前記目標出力電圧を算出し、前記目標出力電圧設定部に指示する演算部と、
を有し、
前記発電装置がメタノールを燃料とする燃料電池であって、
前記所望の動作条件は、
前記燃料電池が排出する燃料量が最小となる動作条件、もしくは
前記燃料電池が排出する燃料量が最小となる動作条件と、前記燃料電池の出力電力が最大となる動作条件の両者をバランスさせた動作条件であることを特徴とする電源装置。
発電条件によって負荷に供給する出力電力が変動する発電装置と、
前記発電装置が出力する電圧を検出する電圧検出部と、
前記発電装置の目標出力電流を設定する目標出力電流設定部と、
前記発電装置が出力する電流と前記目標出力電流との間の誤差を増幅して誤差信号を出力する誤差増幅器と、
前記誤差信号を入力し前記誤差信号の絶対値が小さくなるように前記発電装置の出力電流を調節し外部出力端子に出力する電流制御部と、
少なくとも前記電圧検出部が検出した電圧を入力パラメータとし、所定の関数により前記発電装置の所望の動作条件となる前記目標出力電流を算出し、前記目標出力電流設定部に指示する演算部と、
を有し、
前記発電装置がメタノールを燃料とする燃料電池であって、
前記所望の動作条件は、
前記燃料電池が排出する燃料量が最小となる動作条件、もしくは
前記燃料電池が排出する燃料量が最小となる動作条件と、前記燃料電池の出力電力が最大となる動作条件の両者をバランスさせた動作条件であることを特徴とする電源装置。
前記所定の関数は、前記所望の動作条件を、予め複数点測定し、前記測定点を補間して求めた関数であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の電源装置。