DE102006055921B4

DE102006055921B4 - Stromversorgungs-Steuersystem

Info

Publication number: DE102006055921B4
Application number: DE102006055921A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Tamura; Kazuyoshi Obayashi; Atsushi Inaba; Hironori Asa; Katsunori Tanaka
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2005-12-06
Filing date: 2006-11-27
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2026-11-28
Also published as: US20070126236A1; US7531912B2; JP2007154800A; DE102006055921A1; JP4715486B2

Abstract

Stromversorgungssteuersystem für ein Fahrzeug, mit einem Versorgungsleitungssystem; einer ersten Stromerzeugungseinrichtung (3) zum Erzeugen von Strom durch Nutzen einer mechanischen Antriebskraft einer Antriebsquelle des Fahrzeugs, die das Fahrzeug zum Fahren antreibt, wobei die erste Stromerzeugseinrichtung (3) mit dem Versorgungsleitungssystem verbunden ist; einer zweiten Stromerzeugungseinrichtung (5) zum Erzeugen von Strom durch Nutzen einer Wärmeenergie, wobei die zweite Stromerzeugungseinrichtung (5) mit dem Versorgungsleitungssystem verbunden ist; einer dritten Stromerzeugungseinrichtung (3) zum Erzeugen von Strom durch Nutzen einer Nutzbremskraft des Fahrzeugs, wobei die dritte Stromerzeugungseinrichtung (3) mit dem Versorgungsleitungssystem verbunden ist; und einer Steuereinrichtung (3–6) zum Steuern der ersten Stromerzeugungseinrichtung (3), der zweiten Stromerzeugungseinrichtung (5) und der dritten Stromerzeugungseinrichtung (3), wobei die Steuereinrichtung (3–6) derart eingerichtet ist, dass sie die Erzeugung des Stroms von der zweiten Stromerzeugungseinrichtung (5) begrenzt oder stoppt, wenn die dritte Stromerzeugungseinrichtung (3) zum Erzeugen des Stroms betätigt wird, die erste Stromerzeugungseinrichtung (3) zum Erzeugen...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Stromversorgungs-Steuersystem für ein Fahrzeug.
In letzter Zeit werden viele elektrische Vorrichtungen und elektronische Geräte in einem Fahrzeug eingebaut, und ihr Strombedarf wird größer. Unter solchen Umständen bereitete ein herkömmliches Verfahren, durch welches Strom durch Betreiben eines Generators nur durch mechanische Energie eines Motors erzeugt wird, Sorgen bezüglich einer Verschlechterung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs und der Beschleunigungsleistung durch Verbrauchen der meisten mechanischen Energie des Motors für die Stromerzeugung und bezüglich eines Abfalls einer Versorgungsspannung und einer Erschöpfung einer Batterie durch einen Stromversorgungsmangel.
Demgemäß wird eine Technik vorgeschlagen (z. B. JP 10-309002 A ), das obige Problem durch Wiedergewinnen anderer Energie als der mechanischen Energie des Motors, insbesondere der Energie, die herkömmlicher Weise verschwendet wird, und Erzeugen von Strom (z. B. durch Rückgewinnen der Energie) zu lösen zu versuchen. Zum Beispiel erzeugt gemäß der JP 10-309002 A eine Nutzbremsvorrichtung Strom aus kinetischer Energie beim Bremsen des Fahrzeugs.
Neben der Nutzbremsvorrichtung der JP 10-309002 A wird ein Abwärme-Stromgenerator vorgeschlagen, der Strom aus Wärmeenergie eines Kühlmittels des Motors erzeugt. Der thermoelektrische Abwärme-Stromgenerator verwendet einen Clausius-Rankine-Kreis der Kondensation und Expansion eines Kältemittels. Insbesondere wird das Kältemittel durch die Wärmeenergie des Motorkühlmittels ausgedehnt, und dann wird die aus der Ausdehnung des Kältemittels erzeugte kinetische Energie durch einen Expander in Rotationsenergie umgesetzt, um dadurch den Generator anzutreiben, um Strom zu erzeugen. Unter der Annahme, dass der thermoelektrische Abwärme-Stromgenerator mit einem Stromversorgungssystem des Fahrzeugs verbunden ist, um aus Abwärme erzeugten Strom (thermoelektrisch erzeugte Abwärmeenergie) zuzuführen, kann, falls die thermoelektrisch erzeugte Abwärmeenergie kleiner als der für eine elektrische Last des Fahrzeugs (eine Stromlast der Fahrzeugs) erforderliche Strom ist, ein Unterschied zwischen der Stromlast und der thermoelektrisch erzeugten Abwärmeenergie von einem Wechselstromgenerator durch eine Spannungsregelung durch einen Regler des Wechselstromgenerators des Fahrzeugs erzeugt werden. Folglich wird der durch den Wechselstromgenerator erzeugte Strom (mechanisch erzeugter Strom, der durch den Wechselstromgenerator aus der mechanischen Energie des Motors erzeugt wird) um so viel Strom kleiner, als aus der Abwärme erzeugt wird, wodurch eine auf den Wechselstromgenerator ausgeübte Last reduziert und damit ein Kraftstoff des Motors gespart wird.
Nichtsdestotrotz kann beim Zuführen des aus Abwärme thermoelektrisch erzeugten Stroms zum Stromversorgungssystem des Fahrzeugs, in dem die Nutzbremsvorrichtung der JP 10-309002 A eingebaut ist, falls der Strom, der sowohl durch die Nutzbremsvorrichtung als auch durch den Strom aus der Abwärme zugeführt wird, eine obere Spannungsgrenze des Stromversorgungssystems überschreitet, das Stromversorgungssystem nicht beide Ströme auf einmal aufnehmen, wodurch eine Wirkung der Nutzbremsung (oder der thermoelektrischen Stromerzeugung aus Abwärme) reduziert wird.
In einem solchen Fall darf das Stromversorgungssystem den Strom erhöhen, damit es beide Ströme auf einmal empfangen kann, durch Erhöhen einer Obergrenze einer geregelten Spannung beim Steuern der Spannung durch den Regler. Andererseits wird die Batterie etwas überladen, wodurch eine Lebensdauer der Batterie verkürzt wird. Ferner erzeugt, obwohl Hochleistungsbatterien, wie beispielsweise eine Lithiumbatterie und eine Nickelmetallhydrid (NiMH) – Batterie anstelle von Batterien, die eine Ladung schlecht aufnehmen können, wie beispielsweise eine Bleibatterie, eingesetzt werden können, das Einsetzen solcher Hochleistungsbatterien hohe Produktionskosten.
Außerdem muss, falls der thermoelektrisch aus Abwärme erzeugte Strom größer als der für die elektrische Last des Fahrzeugs erforderliche Strom ist, der Wechselstromgenerator überhaupt keinen Strom erzeugen, wohingegen der durch die Nutzbremsung erzeugte Strom auch nicht empfangen wird. Andererseits kann, da die thermoelektrische Stromerzeugung aus Abwärme Wärme aus dem Motorkühlmittel entfernt, eine übermäßige Reduzierung einer Kühlmitteltemperatur durch eine übermäßige Stromerzeugung nicht nur die Menge der Stromerzeugung reduzieren, sondern auch einen negativen Effekt auf den spezifischen Kraftstoffverbrauch und eine Emission haben.
DE 198 06 048 A1 bezieht sich auf ein Stromversorgungssystem mit einer Motorabtriebswellen-Stromgeneratoreinrichtung, die mit der Motorabtriebswelle des Motors zum Antrieb gekoppelt ist, und eine Motorabgas-Stromgeneratoreinrichtung, die elektrische Leistung unter Nutzung von Motorabgasenergie erzeugt.
Das Stromversorgungssystem nach diesem Stand der Technik enthält daher lediglich zwei Einheiten, das heißt, die Motorabtriebswellen-Stromgeneratoreinrichtung und die Motorabgas-Stromgeneratoreinrichtung.
DE 10 2004 012 795 A1 bezieht sich auf ein Abwärmesammelsystem für einen Verbrennungsmotor.
DE 101 50 378 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Ermittlung der in einem Bordnetz verfügbaren elektrischen Leistung.
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit den obigen Nachteilen. Es ist daher ihre Aufgabe, ein Stromversorgungs-Steuersystem vorzusehen, das einen spezifischen Kraftstoffverbrauch eines Fahrzeugs durch effizientes Wiedergewinnen von Energie verbessern kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Stromversorgungs-Steuersystem mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst.
Um die Aufgabe der vorliegenden Erfindung zu lösen, wird ein Stromversorgungssystem für ein Fahrzeug vorgesehen. Das Stromversorgungssystem enthält ein Versorgungsleitungssystem, eine erste Stromerzeugungseinrichtung, eine zweite Stromerzeugungseinrichtung, eine dritte Stromerzeugungseinrichtung und eine Steuereinrichtung. Die erste Stromerzeugungseinrichtung erzeugt Strom durch Nutzen einer mechanischen Antriebskraft einer Antriebsquelle des Fahrzeugs, welche das Fahrzeug zum Fahren antreibt. Die erste Stromerzeugungseinrichtung ist mit dem Versorgungsleitungssystem verbunden. Die zweite Stromerzeugungseinrichtung erzeugt Strom durch Nutzen einer Wärmeenergie. Die zweite Stromerzeugungseinrichtung ist mit dem Versorgungsleitungssystem verbunden. Die dritte Stromerzeugungseinrichtung erzeugt Strom durch Nutzen einer Nutzbremskraft des Fahrzeugs. Die dritte Stromerzeugungseinrichtung ist mit dem Versorgungsleitungssystem verbunden. Die Steuereinrichtung steuert die erste Stromerzeugungseinrichtung, die zweite Stromerzeugungseinrichtung und die dritte Stromerzeugungseinrichtung. Die Steuereinrichtung begrenzt oder stoppt eine Stromerzeugung von der zweiten Stromerzeugungseinrichtung, wenn die dritte Stromerzeugungseinrichtung betätigt wird, um Strom zu erzeugen.
Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen an.
Die Erfindung wird zusammen mit weiteren Aufgaben, Merkmalen und Vorteilen davon aus der folgenden Beschreibung, den anhängenden Ansprüchen und den beiliegenden Zeichnungen besser verständlich. Darin zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines elektrischen Systems eines Fahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Darstellung eines Aufbaus einer thermoelektrischen Abwärme-Stromerzeugungseinrichtung;
3 ein Flussdiagramm eines Ablaufs einer Steuerverarbeitung erzeugter Energie in einer Steuereinrichtung der thermoelektrischen Abwärme-Stromerzeugung;
4 ein Zeitdiagramm einer Funktionsweise eines elektrischen Systems eines Fahrzeugs entsprechend einem Fahrmuster des Fahrzeugs gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 ein Flussdiagramm einer Berechnungsverarbeitung einer maximalen Stromversorgungskapazität (W_{TG_MAX}) der thermoelektrischen Abwärme-Stromerzeugungseinrichtung;
6 eine schematische Darstellung eines Aufbaus der thermoelektrischen Abwärme-Stromerzeugungseinrichtung gemäß einer ersten Modifikation des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
7 ein Flussdiagramm eines Ablauf einer Steuerverarbeitung der Stromerzeugung in der Steuereinrichtung der thermoelektrischen Abwärme-Stromerzeugung gemäß der ersten Modifikation des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
8 ein Zeitdiagramm eines zeitlichen Einschwingvorgangs erzeugten Stroms mittels einer Wechselstromgenerator-Stromerzeugung und thermoelektrischer Abwärme-Stromerzeugung gemäß der ersten Modifikation des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
9 ein Blockschaltbild eines elektrischen Systems eines Fahrzeugs gemäß einer zweiten Modifikation des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
10 ein Zeitdiagramm des zeitlichen Einschwingvorgangs erzeugten Stroms mittels Wechselstromgenerator-Stromerzeugung und thermoelektrischer Abwärme-Stromerzeugung gemäß der zweiten Modifikation des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; und
11 ein Blockschaltbild eines elektrischen Systems eines Fahrzeugs gemäß einer dritten und einer vierten Modifikation des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Bezug nehmend auf die Zeichnungen wird nun ein Ausführungsbeispiel eines Stromversorgungs-Steuersystems der vorliegenden Erfindung beschrieben. In dem Ausführungsbeispiel ist, während eine Anwendung des in einem Kraftfahrzeug eingebauten Stromversorgungs-Steuersystems beschrieben wird, das Stromversorgungs-Steuersystem jedoch nicht nur auf das Kraftfahrzeug anwendbar, sondern kann auch auf irgendein anderes Fahrzeug (z. B. ein Schienenfahrzeug) mit einer Wärmequelle angewendet werden.
1 ist ein Blockschaltbild eines elektrischen Systems des Fahrzeugs gemäß dem Ausführungsbeispiel. Ein Motor 1, eine Motorsteuereinrichtung 2, ein Wechselstromgenerator-Regler 3, eine Nutzbremssteuereinrichtung 4, eine thermoelektrische Abwärme-Stromerzeugungseinrichtung 5, eine Steuereinrichtung der thermoelektrischen Abwärme-Stromerzeugung 6, eine Wassertemperaturerfassungseinrichtung 7, eine Batterie 8, ein Tiefpassfilter 9, ein Bremsensensor 10, ein Gaspedalsensor 11 und eine Anzahl (k) elektrischer Lasten (k = 1, 2, ..., n) sind verbunden und im elektrischen System des Fahrzeugs enthalten.
Der Motor 1 ist ein Verbrennungsmotor, der Benzin, ein Leichtöl oder dergleichen als Kraftstoff benutzt, und ist durch einen Riemen mit dem Wechselstromgenerator-Regler 3 verbunden. Der Wechselstromgenerator-Regler 3 und die thermoelektrische Abwärme-Stromerzeugungseinrichtung 5 sind mit der Batterie 8 und der Anzahl (k) elektrischer Lasten durch einen Stromversorgungsbus 12 (ein Versorgungsleitungssystem) verbunden. Die Motorsteuereinrichtung 2 ist eine Steuervorrichtung zum Steuern des Motors 1, und sie steuert eine Ausgangsleistung des Motors 1 basierend auf verschiedenen Informationsstücken, wie beispielsweise einer Motordrehzahl, die durch einen Sensor (nicht dargestellt) erfasst wird, der verschiedene Zustände des Motors 1 erfasst.
Der Wechselstromgenerator-Regler 3 enthält einen bekannten Wechselstromgenerator und einen Regler, der eine Spannung regelt. Der Wechselstromgenerator ist ein Generator, der Strom aus mechanischer Energie des Motors 1 erzeugt. Der Regler regelt die Spannung so, dass eine Busspannung des Stromversorgungsbusses 12 mit einer vorbestimmten geregelten Spannung übereinstimmt, um mechanisch erzeugten Strom, der aus der mechanischen Energie des Motors durch den Wechselstromgenerator erzeugt wird, dem Stromversorgungsbus 12 zuzuführen.
Auch ist der Wechselstromgenerator-Regler 3 aufgebaut, um Strom aus kinetischer Energie (einer Nutzbremskraft) beim Bremsen des Fahrzeugs zu erzeugen (d. h. um eine Nutzbremsung durchzuführen). Beim Empfang eines Nutzbremssignals von der Nutzbremssteuereinrichtung 4 setzt der Wechselstromgenerator-Regler 3 die geregelte Spannung der Busspannung des Stromversorgungsbusses 12 auf eine etwas höhere Spannung als normal, um so viel Nutzbremsenergie wie möglich dem Stromversorgungsbus 12 zuzuführen. Gleichzeitig wird das Nutzbremssignal von der Nutzbremssteuereinrichtung 4 durch das Tiefpassfilter 9 an die Steuereinrichtung der thermoelektrischen Abwärme-Stromerzeugung 6 übertragen. Beim Empfang des Nutzbremssignals steuert die Steuereinrichtung der thermoelektrischen Abwärme-Stromerzeugung den durch die thermoelektrische Abwärme-Stromerzeugungseinrichtung 5 erzeugten, aus Abwärme thermoelektrisch erzeugten Strom entweder auf Null oder einen Minimalwert.
Die Nutzbremssteuereinrichtung 4 bestimmt basierend auf einem Bremssignal, einem Gaspedalpositionssignal, einem Fahrzeuggeschwindigkeitssignal von einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor (nicht dargestellt), der eine Fahrzeuggeschwindigkeit erfasst, und dergleichen, ob das Fahrzeug langsamer wird (oder eine Schräge hinunterfährt). Das Bremssignal wird vom Bremsensensor 10 übertragen, der das Maß des Niederdrückens eines Bremspedals erfasst. Das Gaspedalpositionssignal wird vom Gaspedalsensor 11, der einen Drosselventilöffnungsgrad (oder das Maß des Niederdrückens eines Gaspedals) erfasst, übertragen. Falls das Fahrzeug langsamer wird, überträgt die Nutzbremssteuereinrichtung 4 ein Kraftstoffunterbrechungsbefehlssignal, um eine Unterbrechung des in einem Injektor (nicht dargestellt) zu benutzenden Kraftstoffs an die Motorsteuereinrichtung 2 zu befehlen, und überträgt auch das Nutzbremssignal auf einem aktiven Pegel (H: hoch), um die Nutzbremsung durchzuführen.
Zusätzlich zu dem Bremssignal, dem Gaspedalpositionssignal, dem Fahrzeuggeschwindigkeitssignal und dergleichen können auch jene Einrichtungen, die eine Veränderung der Fahrzeuggeschwindigkeit oder einer Gaspedalposition erfassen, oder zum Beispiel das Kraftstoffunterbrechungsbefehlssignal als Einrichtung zum Erfassen des Langsamerwerdens des Fahrzeugs eingesetzt werden. Ebenso kann ein Hinunterfahren unter Verwendung von durch ein Navigationsgerät verwendeten Kartendaten, der vorhandenen Position des Fahrzeugs durch ein globales Positionssystem (GPS), einen Neigungssensor, der eine Neigung des Fahrzeugs um seine horizontale Achse erfasst, oder dergleichen vorhergesagt oder erfasst werden.
Das Tiefpassfilter 9 verzögert eine Reaktion der Steuereinrichtung der thermoelektrischen Abwärme-Stromerzeugung 6 auf das ausgegebene Nutzbremssignal relativ zu jener des Wechselstromgenerator-Reglers 3 auf das ausgegebene Nutzbremssignal. Ein resultierender Unterschied der Reaktion auf das ausgegebene Nutzbremssignal zwischen dem Wechselstromgenerator-Regler 3 und der Steuereinrichtung der thermoelektrischen Abwärme-Stromerzeugung 6 kann eine Interferenz zwischen der Stromerzeugung durch den Wechselstromgenerator-Regler 3 und jener durch die Steuereinrichtung der thermoelektrischen Abwärme-Stromerzeugung 6 und eine Nachbarstörung der Steuerung in der Steuereinrichtung der thermoelektrischen Abwärme-Stromerzeugung 6 reduzieren.
2 zeigt einen Aufbau der thermoelektrischen Abwärme-Stromerzeugungseinrichtung 5. Die thermoelektrische Abwärme-Stromerzeugungseinrichtung 5 des vorliegenden Ausführungsbeispiels führt die thermoelektrische Stromerzeugung aus Abwärme durch einen Kondensations-Expansions-Kreis eines Kältemittels aus. Insbesondere absorbiert das Kältemittel in einem Wärmetauscher 5a Wärmeenergie eines Kühlmittels des Motors, das durch den Motor 1, den Kühler 13 und den Wärmetauscher 5a zirkuliert. Dann dehnt sich das Kältemittel mit der Wärmeenergie des Motorkühlmittels in einem Expander 5b aus. Folglich treibt die kinetische Energie des Kältemittels einen thermoelektrischen Abwärme-Stromgenerator 5c an, wodurch Strom erzeugt wird.
Eine Kältemittelpumpe 5e zirkuliert das Kältemittel im Expander 5b und in einem Kondensator 14. Die Kältemittelpumpe 5e überträgt Informationen über eine Kältemittelpumpen-Drehzahl (Np) an eine Kältemittelpumpenmotor-Steuereinrichtung 5g und wird durch die Kältemittelpumpenmotor-Steuereinrichtung 5g gesteuert. Die Kältemittelpumpenmotor-Steuereinrichtung 5g überträgt die Informationen über die Kältemittelpumpen-Drehzahl (Np) an die Steuereinrichtung der thermoelektrischen Abwärme-Stromerzeugung 6.
Ein Drucksensor 5f erfasst einen Kältemitteldruck (Pp-in) an einer Ansaugöffnung der Kältemittelpumpe 5e und überträgt Informationen über den Kältemitteldruck (Pp-in) an die Steuereinrichtung der thermoelektrischen Abwärme-Stromerzeugung 6. Die Wassertemperaturerfassungseinrichtung 7 erfasst eine Motorkühlmitteltemperatur (Tw) und überträgt die Informationen über die Motorkühlmitteltemperatur (Tw) an die Steuereinrichtung der thermoelektrischen Abwärme-Stromerzeugung 6.
Die Steuereinrichtung der thermoelektrischen Abwärme-Stromerzeugung 6 überträgt einen Drehzahlbefehl an einen Wechselrichter. Dann steuert der Wechselrichter 5d den thermoelektrischen Abwärme-Stromgenerator 5c, um mit einer Drehzahl zu drehen, die dem Drehzahlbefehl entspricht. Außerdem besitzt der Wechselrichter 5d eine Spannungsregelfunktion und steuert den thermoelektrisch aus Abwärme erzeugten Strom auf die vorbestimmte geregelte Spannung. Die Steuereinrichtung der thermoelektrischen Abwärme-Stromerzeugung 6 überträgt einen Rotationsbefehl der elektrischen Wasserpumpe an eine Steuereinrichtung des Wasserpumpenmotors 5h. Dann steuert die Wasserpumpenmotor-Steuereinrichtung 5h als Reaktion auf den Rotationsbefehl für die elektrische Wasserpumpe eine elektrische Wasserpumpe 5k.
Als nächstes wird nun unter Bezug auf ein Flussdiagramm in 3 eine Steuerverarbeitung der erzeugten Energie in der Steuereinrichtung der thermoelektrischen Abwärme-Stromerzeugung 6 beschrieben. Zu Beginn wird in Schritt S10 eine maximale Leistung (Stromversorgungskapazität: W_{TG_MAX}), die durch die thermoelektrische Stromerzeugung aus Abwärme von der thermoelektrischen Abwärme-Stromerzeugungseinrichtung 5 erzeugt werden kann, basierend auf dem aktuellen Betriebszustand des Fahrzeugs berechnet.
Es wird nun genauer unter Bezug auf ein Flussdiagramm in 5 die Berechnungsverarbeitung (S10) der maximalen Stromversorgungskapazität (W_{TG_MAX}) des thermoelektrischen Abwärme-Stromgenerators 5 beschrieben. In Schritt S110 werden die Fahrzeuggeschwindigkeit (Vv), eine Umgebungstemperatur (Ta), eine Generatordrehzahl (Ng) des thermoelektrischen Abwärme-Stromgenerators 5c, die Motorkühlmitteltemperatur (Tw), die Motordrehzahl (Ne), eine Drehzahl der elektrischen Wasserpumpe (Nwp), die Kältemittelpumpendrehzahl (Np) und der Kältemitteldruck (Pp-in) erfasst.
In Schritt S120 wird ein Kühlmitteldurchsatz (Fw) aus der Motordrehzahl (Ne) und der Drehzahl der elektrischen Wasserpumpe (Nwp) berechnet. Ein Massendurchsatz (Gr) des Kältemittels wird als Ergebnis des Multiplizierens der Kältemitteldichte (p), die aus der Umgebungstemperatur (Ta) und dem Kältemitteldruck (Pp-in) berechnet wird, mit der Kältemittelpumpen-Drehzahl (Np), dem Fördervolumen (Vp) und dem Pumpenwirkungsgrad (ηp) berechnet.
In Schritt S130 wird eine maximale Ausgangsleistung (W_{ex_MAX}) des Expanders 5b, der als eine Energiequelle des thermoelektrisch aus Abwärme erzeugten Stroms im aktuellen Betriebszustand des Fahrzeugs funktioniert, aus den Ergebnissen der in den Schritten S110, S120 durchgeführten Berechnungen berechnet. Alternativ kann die maximale mechanische Ausgangsleistung (W_{ex_Max}) durch eine Gleichgewichtsberechnung eines auf das Kältemittel angewendeten Clausius-Rankine-Kreises oder durch eine Karte ihrer Beziehung zu allen Variablen des Kältemitteldrucks (Pp-in) an der Ansaugöffnung der Kältemittelpumpe 5e, des Massendurchsatzes (Gr) und der Motorkühlmitteltemperatur (Tw) berechnet werden. In Schritt S140 erhält man die maximale Stromversorgungskapazität (W_{TG_MAX}) des thermoelektrischen Abwärme-Stromgenerators 5 durch Multiplizieren der maximalen mechanischen Ausgangsleistung (W_{ex_MAX}) des Expanders 5b mit dem Wirkungsgrad des Generators (ηG).
In Schritt S20 in 3 erhält man das Nutzbremssignal und die aktuelle Busspannung (VB) des Stromversorgungsbusses 12. In Schritt S30 wird bestimmt, ob das Fahrzeug langsamer wird (oder die Neigung hinunterfährt). Falls das Nutzbremssignal auf dem aktiven Niveau (H) ist (S30: Y), wird bestimmt, dass das Fahrzeug bremst, und die Steuerung geht weiter zu Schritt S53. In Schritt S53 wird der thermoelektrisch aus Abwärme erzeugte Strom (W_TG) auf Null gesetzt, und die Steuerung geht weiter zu Schritt S60.
Andererseits wird in Schritt S30 bestimmt, falls das Nutzbremssignal auf einem passiven Niveau (L) ist (S30: N), dass das Fahrzeug nicht langsamer wird (d. h. beschleunigt oder mit einer konstanten Geschwindigkeit fährt), und die Steuerung geht weiter zu Schritt S40. In Schritt S40 wird bestimmt, ob die Busspannung (VB) eine obere Grenzspannung (eine dritte Schwellenspannung) (Vu_reg) der geregelten Spannung, die für die Nutzbremsung eingestellt ist, überschreitet.
Falls in Schritt S40 bestimmt wird (N), dass die Busspannung (VB) die obere Grenzspannung der Nutzbremsung (Vu_reg) nicht übersteigt, wird der thermoelektrisch aus Abwärme erzeugte Strom (W_TG) in Schritt S50 auf die maximale Stromversorgungskapazität (W_{TG_MAX}) des thermoelektrischen Abwärme-Stromgenerators 5 gesetzt, und die Steuerung geht weiter zu Schritt S60. Falls dagegen in Schritt S40 bestimmt wird (Y), dass die Busspannung (VB) die obere Grenzspannung der Nutzbremsung (Vu_reg) übersteigt, erhält man in Schritt S51 eine thermoelektrische Abwärme-Stromerzeugungsminderung (ΔW_TG), die eine Ungleichung (Busspannung (VB) ≤ obere Grenzspannung der Nutzbremsung (Vu_reg) erfüllt. In Schritt S52 wird der thermoelektrisch aus Abwärme erzeugte Strom (W_TG) durch Subtrahieren der thermoelektrischen Abwärme-Stromerzeugungsminderung (ΔW_TG) von der maximalen Stromversorgungskapazität (W_{TG_MAX}) des thermoelektrischen Abwärme-Stromgenerators 5 berechnet, und die Steuerung geht weiter zu Schritt S60.
In Schritt S60 werden die Kältemittelpumpendrehzahl (Np) und die Drehzahl und ein Drehmoment des thermoelektrischen Abwärme-Stromgenerators 5c gesteuert, um den thermoelektrisch aus Abwärme erzeugten Strom (W_TG) zu erhalten, der als Ergebnis der in den Schritten S10 bis S53 durchgeführten Verarbeitung berechnet wird. Um zum Beispiel den thermoelektrisch aus Abwärme erzeugten Strom (W_TG) groß zu machen, können die Sollwerte der Kältemittelpumpendrehzahl (Np) und der Drehzahl des thermoelektrischen Abwärme-Stromgenerators 5c groß gemacht werden. Auf diese Weise kann durch Steuern des thermoelektrischen Abwärme-Stromgenerators 5c und der Kältemittelpumpe 5e der thermoelektrisch aus Abwärme erzeugte Strom (W_TG) dem Stromversorgungsbus 12 zugeführt werden.
Falls der thermoelektrisch aus Abwärme erzeugte Strom (W_TG) in Schritt 560 Null ist, kann der thermoelektrische Abwärme-Stromgenerator 5c mit einer geringen Drehzahl in Leerlauf gesetzt werden, sodass der thermoelektrisch aus Abwärme erzeugte Strom (W_TG) auf etwa Null reduziert wird, anstatt den Antrieb des thermoelektrischen Abwärme-Stromgenerators 5c abzuschalten. Folglich kann, selbst wenn der thermoelektrisch aus Abwärme erzeugte Strom (W_TG) mit der maximalen Stromversorgungskapazität (W_{TG_MAX}) (> 0) des thermoelektrischen Abwärme-Stromgenerators 5 übereinstimmt, nachdem die Bremsung des Fahrzeugs beendet ist, die thermoelektrische Abwärme-Stromerzeugung sofort ausgeführt werden.
Außerdem wird die obere Grenzspannung der Nutzbremsung (Vu_reg) auf eine Spannung gesetzt, die etwas höher als eine normale geregelte Spannung (eine erste Schwellenspannung) (Va_reg) ist, die für die mechanische Stromerzeugung des Motors eingestellt ist (z. B. im Fall des Stromversorgungsbusses 12 auf einer Spannung von 12 V kann die durch den Wechselstromgenerator-Regler geregelte Spannung (Va_reg) auf eine Spannung von 13,5 V gesetzt werden, und die obere Grenzspannung der Nutzbremsung (Vu_reg) kann bei Raumtemperatur auf eine Spannung von etwa 14,5 V gesetzt werden). Außerdem wird im Fall des Stromversorgungsbusses 12 auf einer Spannung von 24 V oder 42 V oder eines Fahrzeugs (z. B. eines Hybridfahrzeugs), in dem ein Hochspannungsstromversorgungssystem (200 V bis 300 V) eingebaut ist, die obere Grenzspannung der Nutzbremsung (Vu_reg) entsprechend ihren Busspannungen eingestellt.
Zeitdiagramme in 4 zeigen eine Funktionsweise des elektrischen Systems des Fahrzeugs entsprechend einem Fahrmuster des Fahrzeugs gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel. In den Diagrammen wird angenommen, dass ein Energieverbrauch konstant ist und dass die Summe der thermoelektrischen Abwärme-Stromerzeugung und der Stromerzeugung durch den Wechselstromgenerator-Regler 3 (Wechselstromgenerator-Stromerzeugung) konstant ist. In 4 ist angegebenen, dass das Fahrzeug während einer Zeit (t0–t1), (t4–t5) und nach einer Zeit (t10) gestoppt ist (Leerlauf), und dass das Fahrzeug während einer Zeit (t1–t2), (t5–t6), (t8–t9) beschleunigt. Ebenso ist dargestellt, dass das Fahrzeug während einer Zeit (t2–t3), (t6–t7) mit der konstanten Geschwindigkeit fährt und dass das Fahrzeug während einer Zeit (t3–t4), (t7–t8), (t9–t10) langsamer wird.
Obwohl eine geringe thermoelektrische Stromerzeugung aus Abwärme durchgeführt werden kann, können, selbst wenn das Fahrzeug steht, sofern der Motor 1 angetrieben wird, eine größere Abwärmemenge des Motors 1 und eine größere durch den Kondensator 14 zu kühlende Abwärmemenge extrahiert werden, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit höher wird, wodurch Strom aus einer größeren Energiemenge unter Verwendung des Clausius-Rankine-Kreises erzeugt wird. Deshalb wird der thermoelektrisch aus Abwärme erzeugte Strom (W_TG) grundsätzlich entsprechend einer hohen oder niedrigen Geschwindigkeit des Fahrzeugs größer oder kleiner, und der vom Wechselstromgenerator erzeugte Strom wird entsprechend einem Anstieg oder einem Abfall des thermoelektrisch aus Abwärme erzeugten Stroms (W_TG) kleiner oder größer.
Genauer wird ein Teil des Energieverbrauchs des Fahrzeugs, der nicht nur durch den thermoelektrisch aus Abwärme erzeugten Strom (W_TG) zugeführt werden kann, durch die Wechselstromgenerator-Stromerzeugung kompensiert, bis die Busspannung die vom Wechselstromgenerator-Regler geregelte Spannung (Va_reg) des Wechselstromgenerators-Reglers 3 (die mechanische Energie des Motors) erreicht, wodurch die Summe des thermoelektrisch aus Abwärme erzeugten Stroms (W_TG) und des vom Wechselstromgenerator erzeugten Stroms (d. h. der Energieverbrauch des Fahrzeugs) konstant gehalten wird. Auch wird, falls der thermoelektrisch aus Abwärme erzeugte Strom (W_TG) den Energieverbrauch des Fahrzeugs übersteigt, die Busspannung größer, selbst wenn der vom Wechselstromgenerator erzeugte Strom auf Null reduziert ist. Daher wird, um die obige Summe konstant zu halten, eine Spannungssteuerung am thermoelektrisch aus Abwärme erzeugten Strom (W_TG) durch den Wechselrichter 5d auf eine geregelte Spannung (eine zweite Schwellenspannung) (Vt_reg) durchgeführt. Außerdem wird, indem die geregelten Spannungen mittels des Wechselstromgenerators-Reglers 3 und des Wechselrichters 5d eine Ungleichung erfüllen (vom Wechselstromgenerator-Regler geregelte Spannung (Va_reg) < vom Wechselrichter geregelte Spannung (Vt_reg)) eine Priorität auf die thermoelektrische Stromerzeugung aus Abwärme eine Hilfsrolle beim Versorgen des Energieverbrauchs des Fahrzeugs gesetzt.
Andererseits wird, während das Fahrzeug langsamer wird, die Priorität auf die Stromerzeugung durch die Nutzbremsung durch den Wechselstromgenerator-Regler 3 gegenüber der thermoelektrischen Stromerzeugung aus Abwärme gesetzt, um den vollen Vorteil der Nutzbremsung zu erfahren. Daher wird, falls das Nutzbremssignal auf dem aktiven Niveau H ist (d. h. die Stromerzeugung durch die Nutzbremsung wird ausgeführt), die geregelte Spannung des Wechselstromgenerators-Reglers 3 auf Vu_reg (= Va_reg (welche für die mechanische Stromerzeugung des Motors eingestellt ist) + α) gesetzt, und der thermoelektrisch aus Abwärme erzeugte Strom (W_TG) wird auf Null gesetzt.
Folglich kann der Wechselstromgenerator-Regler 3 Strom aus der kinetischen Energie zur Bremszeit des Fahrzeugs im vollsten Maße erzeugen, bis die geregelte Spannung (Vu_reg) (die für die Nutzbremsung eingestellt ist) erreicht ist, wodurch der Kraftstoff für den Motor 1 gespart wird. Ferner kann durch Setzen des thermoelektrisch aus Abwärmeerzeugten Stroms (W_TG) auf Null, während das Fahrzeug bremst, die Abwärme, die für die thermoelektrische Stromerzeugung aus Abwärme genutzt werden soll, zurückgehalten werden, wodurch die Motorkühlmitteltemperatur (TW) ansteigt. Wenn die Bremsung beendet ist, kann die thermoelektrische Stromerzeugung aus Abwärme bei der hohen Motorkühlmitteltemperatur (TW) wieder aufgenommen werden. Deswegen kann die Energiemenge, die durch die thermoelektrische Stromerzeugung aus Abwärme erzeugt wird, erhöht werden. Als Ergebnis kann etwas erzeugt werden, was als ein thermischer Speichereffekt bezeichnet wird.
Als nächstes werden nun die Zeitdiagramme in 4 entsprechend dem Zeitablauf beschrieben. Während der Zeit (t0–t1) ist das Fahrzeug im Leerlauf, und daher wird eine kleine Menge thermoelektrisch aus Abwärme erzeugten Stroms (W_TG) erzeugt, während der meiste Stromverbrauch des Fahrzeugs von der mechanischen Energie des Motors durch den Wechselstromgenerator-Regler 3 erzeugt wird. Die Busspannung des Stromversorgungsbusses 12 wird auf einer Spannung der normalen geregelten Spannung (Va_reg) des Wechselstromgenerators-Reglers 3 gehalten.
Das Fahrzeug beschleunigt während der Zeit (t1–t2), der thermoelektrisch aus Abwärme erzeugte Strom (W_TG) wird größer, und folglich sinkt der vom Wechselstromgenerator erzeugte Strom. Während der Zeit (t2–t3) fährt das Fahrzeug mit einer niedrigen konstanten Geschwindigkeit, und der thermoelektrisch aus Abwärme erzeugte Strom (W_TG) übersteigt den vom Wechselstromgenerator erzeugten Strom. Nichtsdestotrotz geht es nicht soweit, dass er den gesamten Strombedarf des Fahrzeugs abdeckt.
Das Fahrzeug wird während der Zeit (t3–t4) langsamer, sodass das Nutzbremssignal auf dem aktiven Niveau H ist. Daher wird der thermoelektrisch aus Abwärme erzeugte Strom (W_TG) auf Null reduziert, und die geregelte Spannung, die für den Wechselstromgenerator-Regler 3 eingestellt wird, wird auf eine Spannung von Vu_reg (= Va_reg + α) geändert, um die Stromerzeugung durch die Nutzbremsung durch den Wechselstromgenerator-Regler 3 durchzuführen. Außerdem zeigt eine gestrichelte Linie einen Zustand an, in dem keine Steuerung durchgeführt wird. Wie die gestrichelten Linien zeigen, sinkt der thermoelektrisch aus Abwärme erzeugte Strom (W_TG), wenn das Fahrzeug langsamer wird, und die Stromerzeugung durch die Nutzbremsung durch den Wechselstromgenerator-Regler 3 ist auf das Ergebnis der Subtraktion des thermoelektrisch aus Abwärme erzeugten Stroms (W_TG) vom Strombedarf des Fahrzeugs begrenzt.
Wie während der Zeit (t0–t1) ist das Fahrzeug während der Zeit (t4–t5) im Leerlauf. Während einer Zeit (t4–t41) steigt jedoch die Motorkühlmitteltemperatur (Tw) als ein Ergebnis des Setzens des thermoelektrisch aus Abwärme erzeugten Stroms (W_TG) auf Null während der Zeit (t3–t4), die unmittelbar vor der Zeit (t4–t41) ist. Demgemäß ist, wie das Zeitdiagramm in 4 zeigt, der thermoelektrisch aus Abwärme erzeugte Strom (W_TG) im Vergleich zum Fall ahne Steuerung etwas größer.
Während der Zeit (t5–t6) beschleunigt das Fahrzeug ähnlich der Zeit (t1–t2), sodass der thermoelektrisch aus Abwärme erzeugte Strom (W_TG) größer wird. Nichtsdestotrotz wird, da der thermoelektrisch aus Abwärme erzeugte Strom (W_TG) den Strombedarf des Fahrzeugs zu einer Zeit (t51) übersteigt, der vom Wechselstromgenerator erzeugte Strom auf Null reduziert, und deshalb kann die Spannungsregelung am Wechselstromgenerator-Regler 3 nicht auf die vom Wechselstromgenerator-Regler geregelte Spannung (Va_reg), die für die mechanische Stromerzeugung des Motors eingestellt ist, durchgeführt werden. Demgemäß ist der Anstieg des erzeugten Stroms durch die Spannungsregelung auf die geregelte Spannung (Vt_reg = Vu_reg) durch den Wechselrichter 5d begrenzt. Als Folge steigt die Busspannung des Stromversorgungsbusses 12 auf die geregelte Spannung (Vu_reg).
Das Fahrzeug fährt mit einer hohen konstanten Geschwindigkeit während der Zeit (t6–t7), sodass der thermoelektrisch aus Abwärme erzeugte Strom (W_TG) den gesamten Strombedarf des Fahrzeugs deckt. Die Busspannung des Stromversorgungsbusses 12 wird auf die geregelte Spannung (Vu_reg) geregelt, welche höher als normal ist. Während der Zeit (t7–t8) wird das Fahrzeug langsamer, sodass das Nutzbremssignal auf dem aktiven Niveau H ist. Daher wird der thermoelektrisch aus Abwärme erzeugte Strom (W_TG) auf Null reduziert, und die geregelte Spannung, die für den Wechselstromgenerator-Regler 3 eingestellt ist, wird auf die Spannung Vu_reg (= Vu_reg + α) geändert, um die Stromerzeugung durch Nutzbremsung durch den Wechselstromgenerator-Regler 3 durchzuführen.
Wie während der Zeit (t5–t6) beschleunigt das Fahrzeug während der Zeit (t8–t9), sodass der thermoelektrisch aus Abwärme erzeugte Strom (W_TG) größer wird. Ähnlich der Zeit (t51) übersteigt der thermoelektrisch aus Abwärme erzeugte Strom (W_TG) den Strombedarf des Fahrzeugs zu einer Zeit (t81), und daher wird der vom Wechselstromgenerator erzeugte Strom auf Null reduziert. Die Spannungsregelung wird durch den Wechselrichter 5d bei der geregelten Spannung (Vu_reg) durchgeführt.
Während der Zeit (t9–t10) wird das Fahrzeug wie während der Zeit (t7–t8) langsamer, sodass das Nutzbremssignal auf dem aktiven Niveau H ist. Deshalb wird der thermoelektrisch aus Abwärme erzeugte Strom (W_TG) auf Null reduziert, und die für den Wechselstromgenerator-Regler 3 eingestellte geregelte Spannung wird auf die Spannung Vu_reg (= Va_reg + α) geändert, um die Stromerzeugung durch Nutzbremsung durch den Wechselstromgenerator-Regler 3 durchzuführen.
Nach der Zeit (t10) ist das Fahrzeug ähnlich der Zeit (t4–t5) im Leerlauf. Während einer Zeit (t10–t101) steigt die Motorkühlmitteltemperatur (Tw) als Ergebnis des Setzens des thermoelektrisch aus Abwärme erzeugten Stroms (W_TG) auf Null während der Zeit (t9–t10), welche unmittelbar vor der Zeit (t10–t101) ist. Aus diesem Grund ist, wie man aus dem Zeitdiagramm in 4 sehen kann, der thermoelektrisch aus Abwärme erzeugte Strom (W_TG) etwas größer als im Fall ohne Steuerung.
Wie oben erläutert, begrenzt die Steuereinrichtung der thermoelektrischen Abwärme-Stromerzeugung 6, während die Nutzbremsenergie dem Stromversorgungsbus 12 durch die Nutzbremsung zugeführt wird, den thermoelektrisch aus Abwärme erzeugten Strom (W_TG) (oder die thermoelektrische Stromerzeugung aus Abwärme selbst) (setzt ihn auf Null).
Das heißt, weil die Nutzbremsenergie nicht ohne eine bestimmte Einrichtung zum Speichern gespeichert werden kann, ist es bevorzugt, dass die Nutzbremsenergie soviel wie möglich empfangen werden sollte, wenn sie dem Stromversorgungsbus 12 zugeführt wird. Da andererseits der thermoelektrisch aus Abwärme erzeugte Strom aus der Abwärmeenergie erzeugt wird, wird die Abwärmeenergie gespeichert, sofern sie nicht aktiv der Wärmequelle entzogen wird.
Deshalb kann die Abwärmeenergie, während der Nutzbremsstrom dem Stromversorgungsbus 12 zugeführt wird, mit so viel Nutzbremsstrom wie durch den Stromversorgungsbus 12 empfangen werden kann gespeichert werden, als Ergebnis des Eindämmens des thermoelektrisch aus Abwärme erzeugten Stroms (W_TG). Demgemäß kann die Energie effizient wiedergewonnen werden, wodurch der spezifische Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs verbessert wird.
Bisher wurde das bevorzugte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. Nichtsdestotrotz ist die vorliegende Erfindung in keiner Weise auf das obige Ausführungsbeispiel beschränkt, und sie kann auch mit verschiedenen Änderungen ohne Verlassen des Schutzumfangs der Erfindung umgesetzt werden.
(Erste Modifikation)
6 zeigt einen Aufbau der thermoelektrischen Abwärme-Stromerzeugungseinrichtung 5 gemäß der vorliegenden Modifikation. Die vorliegende thermoelektrische Abwärme-Stromerzeugungseinrichtung 5 enthält eine(n) Gleichrichterschaltung/Regler 5i anstelle des Wechselrichters 5d und verwendet als thermoelektrischen Abwärme-Stromgenerator 5c einen Generator (z. B. einen Wechselstromgenerator), der eine Ausgangsleistung durch Steuern eines Feldstroms steuern kann. Da die Drehzahl des thermoelektrischen Abwärme-Stromgenerators 5c durch den Aufbau der vorliegenden thermoelektrischen Abwärme-Stromerzeugungseinrichtung 5 nicht direkt gesteuert werden kann, wird der thermoelektrisch aus Abwärme erzeugte Strom (W_TG) durch Steuern der Drehzahl der Kältemittelpumpe 5e geregelt.
Die Steuerung der Drehzahl der Kältemittelpumpe 5e durch das Kältemittel bewirkt jedoch eine langsame Reaktion. Deswegen wird in der vorliegenden Modifikation, um den thermoelektrisch aus Abwärme erzeugten Strom (W_TG) auf Null zu setzen, während das Fahrzeug langsamer wird, eine geregelte Spannung (Vt_reg) der/des Gleichrichterschaltung/Reglers 5i auf eine Spannung (eine vierte Schwellenspannung) (VL = etwa 10 V) geändert, die noch niedriger als eine Untergrenze eines Bereichs der Busspannung (VB) ist, die normalerweise durch den Stromversorgungsbus 12 benutzt wird. Als Ergebnis kann eine Zufuhr des thermoelektrisch aus Abwärme erzeugten Stroms (W_TG) auf etwa diese geregelte Spannung (VL) beschränkt werden, falls die Nutzbremsenergie dem Stromversorgungsbus 12 zugeführt wird.
Außerdem weist die vorliegende thermoelektrische Abwärme-Stromerzeugungseinrichtung 5 einen Bypasskanal, der den Expander 5b zwischen seinem Einlass und seinem Auslass für das Kältemittel umgeht, und ein Expanderbypassventil 5j, das den Bypasskanal öffnet und schließt, auf.
7 zeigt die Steuerverarbeitung durch die Steuereinrichtung der thermoelektrischen Abwärme-Stromerzeugung 6 der vorliegenden Modifikation. Bei dieser Steuerverarbeitung werden die maximale Stromversorgungskapazität (W_{TG_MAX}) der thermoelektrischen Abwärme-Stromerzeugungseinrichtung 5 und der thermoelektrisch aus Abwärme erzeugte Strom (W_TG) nicht geregelt. Stattdessen wird die geregelte Spannung (Vt_reg) der Gleichrichterschaltung (Reglers) (5i) geändert, das Expanderbypassventil 5j wird gesteuert und die Drehzahl der Kältemittelpumpe 5e wird gesteuert.
Zunächst wird das Nutzbremssignal in Schritt S210 erfasst. In Schritt S220 wird bestimmt, ob das Fahrzeug langsamer wird (oder die Neigung hinabfährt). Falls das Nutzbremssignal auf dem aktiven Niveau (H) ist (S220: Y) wird bestimmt, dass das Fahrzeug langsamer wird, und die Steuerung geht weiter zu Schritt S260, während, wenn das Signal auf dem passiven Niveau L ist (S220: N) bestimmt wird, dass das Fahrzeug nicht langsamer wird (d. h. beschleunigt oder mit einer konstanten Geschwindigkeit fährt) und die Steuerung geht weiter zu Schritt S230.
In Schritt S230 wird die geregelte Spannung (Vt_reg) der Gleichrichterschaltung/des Reglers 5i auf eine Spannung (Vt_reg (= Va_reg + α)) gesetzt, die etwas höher als die geregelte Spannung (Va_reg) des Wechselstromgenerators-Reglers 3 ist.
In Schritt S240 wird das Expanderbypassventil 5j geschlossen. In Schritt S250 wird die maximale Stromversorgungskapazitt (W_{TG_MAX}) des thermoelektrischen Abwärme-Stromgenerators 5c so berechnet, dass die maximale Stromversorgungskapazität (W_{TG_MAX}) die geregelte Spannung (Vt_reg) nicht übersteigt, und die Kältemittelpumpen-Drehzahl (Np) wird so gesteuert, dass der thermoelektrische Abwärme-Stromgenerator 5c Strom mit der maximalen Stromversorgungskapazität (W_{TG_MAX}) erzeugt. Als Ergebnis erzeugt der thermoelektrische Abwärme-Stromgenerator 5c Strom so, dass der thermoelektrisch aus Abwärme erzeugte Strom (W_TG) auf Null reduziert wird, während das Fahrzeug langsamer wird, und dass die geregelte Spannung (Vt_reg) in irgendeinem anderen Betriebszustand des Fahrzeugs mit einer Spannung (Vu_reg) zusammenfällt.
Außerdem erzeugt der Wechselstromgenerator-Regler 3, falls der thermoelektrisch aus Abwärme erzeugte Strom (W_TG) kleiner als der Strombedarf des Fahrzeugs ist und demgemäß die Busspannung (VB) nicht auf eine Spannung (Va_reg) ansteigt, Strom aus der mechanischen Energie des Motors, um den übrigen Strombedarf des Fahrzeugs auszugleichen, wodurch die Busspannung (VB) auf der Spannung (Va_reg) gehalten wird. Falls dagegen der thermoelektrisch aus Abwärme erzeugte Strom (W_TG) gleich oder größer als der Strombedarf des Fahrzeugs ist, wird die Busspannung (VB) auf einer Spannung (Vu_reg) gehalten, die höher als die Spannung (Va_reg) ist, sodass der Wechselstromgenerator-Regler 3 keinen Strom aus der mechanischen Energie des Motors erzeugt.
In Schritt S260 wird die geregelte Spannung (Vt_reg) der/des Gleichrichterschaltung/Regler 5i auf die Spannung (VL) gesetzt, die noch niedriger als die Untergrenze des Bereichs der Busspannung (VB) ist, die normalerweise durch den Stromversorgungsbus 12 benutzt wird. In Schritt S270 wird das Expanderbypassventil 5j geöffnet. In Schritt S280 wird die Drehzahl (Np) der Kältemittelpumpe 5e auf Null reduziert, um das in den Expander 5b strömende Kältemittel zu stoppen, wodurch ein Drehen des thermoelektrischen Abwärme-Stromgenerators 5c gestoppt wird. Folglich kann der thermoelektrisch aus Abwärme erzeugte Strom (W_TG) als unmittelbare Reaktion auf einen Start der Zufuhr der Nutzbremsenergie beschränkt werden.
8 zeigt eine Funktionsweise eines elektrischen Systems des Fahrzeugs entsprechend dem Fahrmusters des Fahrzeugs mit einem Zeitdiagramm gemäß der vorliegenden Modifikation. Da die Funktionsweise des elektrischen Systems ähnlich jenem des obigen Ausführungsbeispiels ist, welches mit dem Zeitdiagramm in 4 veranschaulicht ist, außer dass die geregelte Spannung (Vt_reg) der/des Gleichrichterschaltung/Reglers 5i während der Nutzbremsung geändert wird, wird auf ihre Beschreibung verzichtet.
(Zweite Modifikation)
9 ist ein Blockschaltbild eines elektrischen Systems des Fahrzeugs gemäß der vorliegenden Modifikation. Ein Aufbau der vorliegenden Modifikation ist ähnlich jener in 1, außer, dass das in 1 dargestellte Tiefpassfilter 9 und eine Nutzbremssignalleitung, die in die Steuereinrichtung der thermoelektrischen Abwärme-Stromerzeugung 6 über das Tiefpassfilter 9 führt, weggelassen sind.
in der vorliegenden Modifikation ist die geregelte Spannung (Vt_reg), die für die thermoelektrische Abwärme-Stromerzeugungseinrichtung 5 eingestellt ist, unabhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit auf eine konstante Spannung gesetzt. Stattdessen wird die geregelte Spannung des Wechselstromgenerators-Reglers 3 im Fall der Stromerzeugung aus der mechanischen Energie des Motors auf eine Spannung (Va_reg) oder im Fall der Stromerzeugung durch die Nutzbremsung auf eine Spannung (Vu_reg) geändert. Dann ist die vorliegende Modifikation so konstruiert, dass die folge Beziehung erfüllt wird: (Va_reg) < (Vt_reg) < (Vu_reg)
Wie man aus der obigen Beziehung sehen kann, ist die geregelte Spannung (Vt_reg), die für die thermoelektrische Abwärme-Stromerzeugungseinrichtung 5 eingestellt ist, größer als die geregelte Spannung (Va_reg), die für die Stromerzeugung aus der mechanischen Energie des Motors eingestellt ist, und kleiner als die geregelte Spannung (Vu_reg), die für die Stromerzeugung durch die Nutzbremsung eingestellt ist, Demgemäß kann, falls das Fahrzeug nicht langsamer wird und der thermoelektrisch aus Abwärme erzeugte Strom (W_TG) relativ groß ist, die Busspannung des Stromversorgungsbusses 12 mittels des thermoelektrisch aus Abwärme erzeugten Stroms (W_TG) auf der geregelten Spannung (Vt_reg) gehalten werden.
10 zeigt die Funktionsweise des elektrischen Systems des Fahrzeugs entsprechend dem Fahrmuster des Fahrzeugs mit einem Zeitdiagramm gemäß der vorliegenden Modifikation. Während einer Zeit (t0–t3), (t4–t51), (t8–t81) und nach einer Zeit (t10) wird das Fahrzeug nicht langsamer und der thermoelektrisch aus Abwärme erzeugte Strom (W_TG) ist kleiner als der Strombedarf des Fahrzeugs. Folglich erzeugt der Wechselstromgenerator-Regler 3 Strom aus der mechanischen Energie des Motors, um den übrigen Strombedarf des Fahrzeugs auszugleichen, wodurch die Busspannung (VB) des Stromversorgungsbusses 12 auf der geregelten Spannung (Va_reg) gehalten wird.
Während einer Zeit (t3–t4), (t7–t8), (t9–t10) wird das Fahrzeug langsamer. Daher erzeugt der Wechselstromgenerator-Regler 3 Strom aus der kinetischen Energie, die aus der Fahrzeugbremsung erzeugt wird, wodurch die Busspannung (VB) des Stromversorgungsbusses 12 auf der geregelten Spannung (Vu_reg) gehalten wird, die für die Stromerzeugung durch die Nutzbremsung eingestellt ist. In diesem Fall wird, da die geregelte Spannung (Vu_reg) größer als die geregelte Spannung (Vt_reg) ist, die für die thermoelektrische Abwärme-Stromerzeugungseinrichtung 5 eingestellt ist, die thermoelektrische Stromerzeugung aus Abwärme automatisch gestoppt, sodass kein Strom erzeugt wird.
Während einer Zeit (t51–t7), (t81–t9) wird das Fahrzeug nicht langsamer und der thermoelektrisch aus Abwärme erzeugte Strom (W_TG) deckt den gesamten Strombedarf des Fahrzeugs, und deshalb erzeugt die thermoelektrische Abwärme-Stromerzeugungseinrichtung 5 Strom, um die Busspannung (VB) auf der geregelten Spannung (Vt_reg) zu halten.
(Dritte Modifikation)
Falls eine Busspannungserfassungseinrichtung zum Erfassen der Busspannung (VB) des Stromversorgungsbusses 12 in einem elektrischen System des Fahrzeugs enthalten ist, was in 11 dargestellt ist, ist es bevorzugt, dass die Busspannungserfassungseinrichtung die Busspannung (VB) an einem Punkt B, der naher zur Batterie 8 positioniert ist als ein Verbindungsteil (C), an dem eine von dem Wechselstromgenerator-Regler 3 verlaufende Stromleitung mit dem Stromversorgungsbus 12 verbunden ist, und ein Verbindungsteil A, an dem eine von der thermoelektrischen Abwärme-Stromerzeugungseinrichtung 5 kommende Stromleitung mit dem Stromversorgungsbus 12 verbunden ist, erfassen sollte. Mit anderen Worten ist es bevorzugt, dass die Busspannungserfassungseinrichtung wenigstens auf einer Batterieseite 8 des Verbindungsteils A einer von der Batterie 8 kommenden Stromleitung und der von der thermoelektrischen Abwärme-Stromerzeugungseinrichtung 5 kommenden Stromleitung angeordnet sein sollte.
Aufgrund dieser Anordnung der Busspannungserfassungseinrichtung kann ein Einfluss einer Störung relativ klein gemacht werden, und die Busspannung (VB) kann genau und stabil erfasst werden, wodurch eine Steuerung der Stromerzeugung stabilisiert wird. Außerdem kann die obige Anordnung auch auf die Erfassung einer Spannung des Wechselstromgenerators-Reglers 3 angewendet werden (D in 11).
(Vierte Modifikation)
Wie im elektrischen System des Fahrzeugs in 11 dargestellt, ist es bevorzugt, dass das Verbindungsteil A der von der thermoelektrischen Abwärme-Stromerzeugungseinrichtung 5 kommenden Stromleitung und der Stromversorgungsbus 12 näher zur Batterie 8 als das Verbindungsteil C der vom Wechselstromgenerator-Regler 3 kommenden Stromleitung und des Stromversorgungsbusses 12 angeordnet sein sollte. Mit anderen Worten ist es bevorzugt, dass das Verbindungsteil C auf einer Seite von elektrischen Lasten zum Verbindungsteil A angeordnet sein sollte.
Allgemein ist der durch die thermoelektrische Abwärme-Stromerzeugungseinrichtung 5 erzeugte thermoelektrisch aus Abwärme erzeugte Strom (W_TG) kleiner als der durch den Wechselstromgenerator erzeugte Strom durch die mechanische Energie des Motors vom Wechselstromgenerator-Regler 3. Deshalb kann durch Anordnen des Verbindungsteils A näher zur Batterie 8 als zum Verbindungsteil C, um einen Teil der Stromleitung, durch welche ein hoher elektrischer Strom zwischen dem Wechselstromgenerator-Regler 3 und den elektrischen Lasten des Stromversorgungsbusses 12 fließt, so kurz wie möglich zu machen, ein Stromverlust relativ klein gemacht werden. Ferner kann ein Einfluss eines vom Wechselrichter 5d der thermoelektrischen Abwärme-Stromerzeugungseinrichtung 5 erzeugten Rauschens auf die elektrischen Lasten beschränkt werden.
(Fünfte Modifikation)
Zum Beispiel kann die geregelte Spannung (Va_reg) des Wechselstromgenerators-Reglers konstant gemacht werden, und die für die thermoelektrische Abwärme-Stromerzeugungseinrichtung 5 eingestellte geregelte Spannung (Vt_reg) kann verändert werden. Das heißt, die geregelte Spannung (Vt_reg), die für die thermoelektrische Abwärme-Stromerzeugungseinrichtung 5 eingestellt ist, kann so geregelt werden, dass eine Spannung eines Stromversorgungssystems eine vorbestimmte obere Grenze nicht überschreitet.
Demgemäß kann eine bestimmte Einrichtung, die in die thermoelektrische Stromerzeugung aus Abwärme involviert ist, im Nachhinein einem Stromversorgungssystem eines existierenden Fahrzeugs hinzugefügt werden. Außerdem können, da die Spannung des Stromversorgungssystems so beschränkt werden kann, dass sie die obere Grenze wegen eines Überschusses des thermoelektrisch aus Abwärme erzeugten Stroms (W_TG) nicht überschreitet, der durch die mechanische Energie des Motors vom Wechselstromgenerator-Regler 3 erzeugte Strom und der thermoelektrische Strom auf einmal empfangen werden. Ferner kann eine Überladung der Batterie 8 beschränkt werden, falls die Batterie 8 mit dem Stromversorgungssystem verbunden ist. Als Ergebnis wird erwartet, dass die Abwärmeenergie effizient wiedergewonnen werden kann, um den spezifischen Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs zu verbessern.
Außerdem ist es bevorzugt, dass die Steuereinrichtung der thermoelektrischen Abwärme-Stromerzeugung 6 den thermoelektrisch aus Abwärme erzeugten Strom (W_TG) so steuern sollte, dass er eine obere Grenze nicht überschreitet, welche höher als eine vorbestimmte geregelte Spannung ist, die für die thermoelektrische Abwärme-Stromerzeugungseinrichtung 5 eingestellt ist. Als Folge kann, selbst wenn der thermoelektrisch aus Abwärme erzeugte Strom (W_TG) relativ groß ist, er in einem Bereich ausgenutzt werden, in dem er diese obere Grenze nicht überschreitet, und die Spannung des Stromversorgungssystems kann stabilisiert werden.
(Sechste Modifikation)
Die Batterie 8 ist nicht auf eine Batterie (z. B. eine Bleibatterie) beschränkt, die im Aufnehmen einer Ladung schlecht ist, sondern eine Hochleistungsbatterie (z. B. eine Lithiumbatterie und eine Nickelmetallhydrid (NiMH) – Batterie), die im Empfangen der Ladung gut ist, kann ebenfalls als Batterie 8 eingesetzt werden. Beim Verwenden einer solchen Hochleistungsbatterie ist, selbst wenn sie nicht die Kapazität des Aufnehmens des Wiedergewinnungsstroms hat, weil eine Restkapazität beinahe voll geladen ist, oder selbst wenn sie eine kleine Kapazität zur Kostenreduzierung hat, oder dergleichen, eine Anwendung der vorliegenden Erfindung effektiv.
(Siebte Modifikation)
Falls zum Beispiel das Fahrzeug des vorliegenden Ausführungsbeispiels ein Hybridelektrofahrzeug ist, kann es eine Einrichtung zum Umwandeln des thermoelektrisch aus Abwärme erzeugten Stroms (W_TG), der dem Stromversorgungssystem des Hybridelektrofahrzeug zugeführt wird, in Strom zum Antreiben des Hybridelektrofahrzeug enthalten. Folglich kann der thermoelektrisch aus Abwärme erzeugte Strom (W_TG) als Strom zum Antreiben des Hybridelektrofahrzeugs verwendet werden, indem der thermoelektrisch aus Abwärme erzeugte Strom (W_TG) dem Stromversorgungssystem des Hybridelektrosystem zugeführt wird.
(Achte Modifikation)
Zusätzlich zu der thermoelektrischen Abwärme-Stromerzeugungseinrichtung, die durch Nutzen des Kondensations-Expansions-Clausius-Rankine-Kreises des Kältemittels verwendet wird, kann das vorliegende Stromversorgungssteuersystem auch auf eine thermoelektrische Umwandlungseinrichtung oder -vorrichtung durch die Nutzung zum Beispiel des Seebeck-Effekts und dergleichen angewendet werden. D. h. die thermoelektrische Stromerzeugung aus Abwärme kann während der Nutzbremsung gestoppt werden, um Wärme zu speichern. Demgemäß kann der spezifische Kraftstoffverbrauch des Kraftstoffs ebenfalls verbessert werden.

Claims

Stromversorgungssteuersystem für ein Fahrzeug, mit einem Versorgungsleitungssystem; einer ersten Stromerzeugungseinrichtung (3) zum Erzeugen von Strom durch Nutzen einer mechanischen Antriebskraft einer Antriebsquelle des Fahrzeugs, die das Fahrzeug zum Fahren antreibt, wobei die erste Stromerzeugseinrichtung (3) mit dem Versorgungsleitungssystem verbunden ist; einer zweiten Stromerzeugungseinrichtung (5) zum Erzeugen von Strom durch Nutzen einer Wärmeenergie, wobei die zweite Stromerzeugungseinrichtung (5) mit dem Versorgungsleitungssystem verbunden ist; einer dritten Stromerzeugungseinrichtung (3) zum Erzeugen von Strom durch Nutzen einer Nutzbremskraft des Fahrzeugs, wobei die dritte Stromerzeugungseinrichtung (3) mit dem Versorgungsleitungssystem verbunden ist; und einer Steuereinrichtung (3–6) zum Steuern der ersten Stromerzeugungseinrichtung (3), der zweiten Stromerzeugungseinrichtung (5) und der dritten Stromerzeugungseinrichtung (3), wobei die Steuereinrichtung (3–6) derart eingerichtet ist, dass sie die Erzeugung des Stroms von der zweiten Stromerzeugungseinrichtung (5) begrenzt oder stoppt, wenn die dritte Stromerzeugungseinrichtung (3) zum Erzeugen des Stroms betätigt wird, die erste Stromerzeugungseinrichtung (3) zum Erzeugen des Stroms betätigt, wenn eine Spannung des Versorgungsleitungssystems unter einer ersten Schwellenspannung (Va_reg) liegt; die erste Stromerzeugungseinrichtung (3) stoppt, wenn die Spannung des Versorgungsleitungssystems gleich oder größer als die erste Schwellenspannung (Va_reg) ist; die zweite Stromerzeugungseinrichtung (5) zum Erzeugen des Stroms betätigt, wenn die Spannung des Versorgungsleitungssystems unter einer zweiten Schwellenspannung (Vt_reg) liegt, welche höher als die erste Schwellenspannung (Va_reg) ist; die zweite Stromerzeugungseinrichtung (5) stoppt, wenn die Spannung des Versorgungsleitungssystems gleich oder größer als die zweite Schwellenspannung (Vt_reg) ist; die dritte Stromerzeugungseinrichtung (3) zum Erzeugen des Stroms betätigt, wenn die Spannung des Versorgungsleitungssystems unter einer dritten Schwellenspannung (Vu_reg) liegt, welche höher als die zweite Schwellenspannung (Vt_reg) ist; und die dritte Stromerzeugungseinrichtung (3) stoppt, wenn die Spannung des Versorgungsleitungssystems gleich oder größer als die dritte Schwellenspannung (Vu_reg) ist.
Stromversorgungs-Steuersystem nach Anspruch 1, bei welchem die Steuereinrichtung (3–6) die erste Stromerzeugungseinrichtung (3) zum Erzeugen des Stroms betätigt, wenn die Spannung des Versorgungsleitungssystems unter der ersten Schwellenspannung (Va_reg) liegt; die Steuereinrichtung (3–6) die erste Stromerzeugungseinrichtung (3) stoppt, wenn die Spannung des Versorgungsleitungssystems gleich oder größer als die erste Schwellenspannung (Va_reg) ist; die Steuereinrichtung (3–6) die zweite Stromerzeugungseinrichtung (5) zum Erzeugen des Stroms in einem ersten Betriebszustand betätigt, in dem die dritte Stromerzeugungseinrichtung (3) nicht betätigt wird, wenn die Spannung des Versorgungsleitungssystems unter der zweiten Schwellenspannung (Vt_reg) liegt, welche höher als die erste Schwellenspannung (Va_reg) ist; die Steuereinrichtung (3–6) die zweite Stromerzeugungseinrichtung (5) im ersten Betriebszustand stoppt, wenn die Spannung des Versorgungsleitungssystems gleich oder größer als die zweite Quellenspannung (Vt_reg) ist; die Steuereinrichtung (3–6) die zweite Stromerzeugungseinrichtung (5) zum Erzeugen des Stroms in einem zweiten Betriebszustand betätigt, in dem die dritte Stromerzeugungseinrichtung (3) betätigt wird, wenn die Spannung des Versorgungsleitungssystems unter einer vierten Schwellenspannung (VL) liegt, die niedriger als die erste Schwellenspannung (Va_reg) ist; die Steuereinrichtung (3–6) die zweite Stromerzeugungseinrichtung (5) im zweiten Betriebszustand stoppt, wenn die Spannung des Versorgungsleitungssystems gleich oder größer als die vierte Schwellenspannung (VL) ist; die Steuereinrichtung (3–6) die dritte Stromerzeugungseinrichtung (3) zum Erzeugen des Stroms betätigt, wenn die Spannung des Versorgungsleitungssystems unter der dritten Schwellenspannung (Vu_reg) liegt, welche höher als die vierte Schwellenspannung (VL) ist; und die Steuereinrichtung (3–6) die dritte Stromerzeugungseinrichtung (3) stoppt, wenn die Spannung des Versorgungsleitungssystems gleich oder größer als die dritte Schwellenspannung (Vu_reg) ist.
Stromversorgungs-Steuersystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, ferner mit einer Bremsmesseinrichtung (10, 11) zum Messen eines Langsamerwerdens des Fahrzeugs und Ausgeben eines Nutzbremssignals, wenn das Langsamerwerden des Fahrzeugs gemessen wird, wobei, wenn die Steuereinrichtung (3–6) das Nutzbremssignal von der Bremsmesseinrichtung (10, 11) erfasst, die Steuereinrichtung (3–6) die dritte Stromerzeugungseinrichtung (3) zuerst zum Erzeugen des Stroms betätigt und dann die zweite Stromerzeugungseinrichtung (5) beschränkt oder stoppt.
Stromversorgungs-Steuersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner mit einer Spannungserfassungseinrichtung zum Erfassen der Spannung des Versorgungsleitungssystems, wobei die Spannungserfassungseinrichtung die Spannung an einem Punkt, der näher zu einer Batterie (8), die mit dem Versorgungsleitungssystem verbunden ist, als ein erstes Verbindungsteil, an dem eine von der ersten Stromerzeugungseinrichtung (3) kommende erste Stromleitung mit dem Versorgungsleitungssystem verbunden ist, positioniert ist, und als ein zweites Verbindungsteil, an welchem eine von der zweiten Stromerzeugungseinrichtung (5) kommende zweite Stromleitung mit dem Versorgungsleitungssystem verbunden ist, erfasst.
Stromversorgungs-Steuersystem nach Anspruch 4, bei welchem das zweite Verbindungsteil näher zur Batterie (8) als das erste Verbindungsteil positioniert ist.
Stromversorgungs-Steuersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem die zweite Stromerzeugungseinrichtung (5) eine Einrichtung zum Erzeugen des Stroms durch Antreiben eines thermoelektrischen Stromgenerators (5b, 5c) enthält, der den Strom unter Verwendung einer durch Expansion und/oder Kondensation eines Wärmeübertragungsmediums erzeugten kinetischen Energie erzeugt, wobei die Expansion und die Kondensation aus der Wärmeenergie erzeugt werden.
Stromversorgungs-Steuersystem nach Anspruch 6, bei welchem das Wärmeübertragungsmedium ein Kältemittel einer Klimaanlage ist, die im Fahrzeug eingebaut ist, wobei das Stromversorgungs-Steuersystem ferner aufweist: eine Stromberechnungseinrichtung zum Berechnen einer maximalen Stromerzeugungskapazität, die die zweite Stromerzeugungseinrichtung (5) zu erzeugen in der Lage ist, aus einem Druck, einem Durchsatz und einer Temperatur des Kältemittels vor der Expansion des Kältemittels; eine Kältemittelpumpe (5e), die einen Druck auf das zu zirkulierende Kältemittel ausübt; und eine Einrichtung zum Steuern einer Drehzahl des thermoelektrischen Stromgenerators (5b, 5c), eines Drehmoments des thermoelektrischen Stromgenerators (5b, 5c) und einer Drehzahl der Kältemittelpumpe (5e), um die durch die Stromberechnungseinrichtung berechnete maximale Stromerzeugungskapazität auszugeben.
Stromversorgungs-Steuersystem nach Anspruch 6 oder 7, ferner mit einer Strömungskanal-Bypasseinrichtung zum Umgehen eines Strömungskanals des Wärmeübertragungsmediums im thermoelektrischen Stromgenerator (5b, 5c); und einer Bypassströmungssteuereinrichtung (5j) zum Steuern einer Strömung des Wärmeübertragungsmediums, das durch die Strömungskanal-Bypasseinrichtung strömt, wobei die Steuereinrichtung (3–6) den durch die Nutzung der Wärmeenergie erzeugten Strom durch Leiten des Wärmeübertragungsmediums durch die Strömungskanal-Bypasseinrichtung begrenzt.
Stromversorgungs-Steuersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welchem das Fahrzeug ein Hybridelektrofahrzeug ist, wobei das Stromversorgungs-Steuersystem ferner eine Einrichtung zum Umwandeln des durch die zweite Stromerzeugungseinrichtung (5) erzeugten Stroms, der einem Versorgungsleitungssystem des Hybridelektrofahrzeug zugeführt wird, in Strom zum Antreiben des Hybridelektrofahrzeugs aufweist.