DE112021007246T5 - Steuerungseinrichtung für thermoelektrische umwandlung und verfahren zum steuern einer thermoelektrischen umwandlungseinrichtung - Google Patents

Abstract

Eine Steuerungseinrichtung (12) für thermoelektrische Umwandlung weist Folgendes auf: eine Strom-Spannungs-Messeinheit (12b), die einen Strom und eine Spannung misst, die von einer thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung (11) in einen Stromrichter (12a)eingegeben werden sollen; und eine Energieumwandlungssteuerung (12c), die den Strom und die Spannung misst, die in den Stromrichter (12a) eingegeben werden sollen. Die Energieumwandlungssteuerung (12c) berechnet den Lastwiderstandswert für maximale Ausgangsleistung der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung (11) auf der Basis der Differenz zwischen der Spannung, die gemessen wird, unmittelbar nachdem der Strom, der in den den Stromrichter (12a) eingegeben werden soll, sich um einen gewissen Wert geändert hat, und der Spannung, die gemessen wird, nachdem sich die Spannung stabilisiert hat, und eines Werts der Änderung des Stroms, und steuert den Strom und die Spannung, die in den Stromrichter (12a) eingegeben werden sollen, so dass der Lastwiderstandswert, der am Eingangsanschluss des Stromrichters (12a) gesehen wird, gleich dem Lastwiderstandswert für maximale Ausgangsleistung ist.

Description

• Technisches Gebiet
• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuerungseinrichtung für eine thermoelektrische Umwandlungseinrichtung, die Wärmeenergie in elektrische Energie umwandelt, sowie ein Verfahren zum Steuern der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung.
• Stand der Technik
• Steuerungseinrichtungen, die jeweils eine Ausgangsspannung und einen Ausgangsstrom einer thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung mit der Innenimpedanz der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung in Übereinstimmung bringen, so dass die Leistung maximiert wird, die von der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung ausgegeben wird, sind als herkömmliche Steuerungseinrichtungen für thermoelektrische Umwandlungseinrichtungen bekannt (siehe beispielsweise Patentdokument 1).
• Stand-der-Technik-Dokument
• Patentdokument
• Patentdokument 1: Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. JP 2008- 22 688 A
• Mit der Erfindung zu lösendes Problem
• In einem idealen System ohne jeglichen Wärmewiderstand zwischen einer thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung und einer Hochtemperatur-Wärmequelle und zwischen der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung und einer Niedrigtemperatur-Kältequelle, kann die vorgenannte Steuerungseinrichtung für die thermoelektrische Umwandlungseinrichtung den Arbeitspunkt für die maximale Ausgangsleistung (einen Betriebspunkt, an dem die Ausgangsleistung maximiert wird) der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung erhalten und die Ausgangsleistung maximieren. Ein tatsächliches System mit Wärmewiderstand hat jedoch das Problem, dass er beim Erzielen des Arbeitspunkts für die maximale Ausgangsleistung und beim Maximieren der Ausgangsleistung versagt.
• Die vorliegende Erfindung wurde konzipiert, um dieses Problem zu lösen, und es liegt ihr die Aufgabe zugrunde, eine Steuerungseinrichtung bereitzustellen, die die Ausgangsleistung einer thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung näher an den Maximalwert bringen kann, und zwar sogar in einem System mit einem Wärmewiderstand zwischen der thermoelektrische Umwandlungseinrichtung und einer Hochtemperatur-Wärmequelle und zwischen der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung und einer Niedrigtemperatur-Wärmequelle.
• Wege zum Lösen des Problems
• Eine Steuerungseinrichtung für thermoelektrische Umwandlung gemäß der vorliegenden Erfindung weist Folgendes auf: eine Strom-Spannungs-Messeinheit zum Messen eines Stroms und einer Spannung, die von einer thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung in einen Stromrichter eingegeben werden sollen, der die Energie umwandelt, die von der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung ausgegeben wird; und eine Energieumwandlungssteuerung zum Berechnen eines Lastwiderstandswerts für maximale Ausgangsleistung der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung auf der Basis des Stroms und der Spannung, die von der Strom-Spannungs-Messeinheit gemessen werden, und zum Steuern des Stroms und der Spannung, die in den Stromrichter eingegeben werden sollen, so dass der Lastwiderstandswert, der am Eingangsanschluss des Stromrichters gesehen wird, gleich dem Lastwiderstandswert für maximale Ausgangsleistung ist, wobei die Energieumwandlungssteuerung den Strom, der in den Stromrichter eingegeben werden soll, um einen gewissen Wert ändert und den Lastwiderstandswert für maximale Ausgangsleistung der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung berechnet, und zwar auf der Basis der Differenz zwischen der Spannung, die gemessen wird, unmittelbar nachdem der Strom geändert wurde, und der Spannung, die gemessen wird, nachdem der Strom geändert wurde und sich die Spannung stabilisiert hat, und dem Wert der Änderung des Stroms, der geändert wurde.
• Wirkungen der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, den Lastwiderstandswert für maximale Ausgangsleistung einer thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung auf der Basis bloß einer elektrischen Messung zu erhalten, so dass die Leistung, die von der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung ausgegeben wird, näher an den Maximalwert gebracht wird. Folglich kann die Ausgangsleistung der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung sogar in einem System näher an den Maximalwert gebracht werden, bei dem es einen Wärmewiderstand zwischen der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung und einer Hochtemperatur-Wärmequelle und zwischen der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung und einer Niedrigtemperatur-Kältequelle gibt.
• Die Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden noch deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen.
• Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• 1 veranschaulicht die Struktur einer Steuerungseinrichtung für eine thermoelektrische Umwandlungseinrichtung (eine Steuerungseinrichtung für thermoelektrische Umwandlung) gemäß Ausführungsform 1.
• 2 ist ein Ablaufdiagramm, das Vorgänge der Steuerungseinrichtung für thermoelektrische Umwandlung gemäß Ausführungsform 1 veranschaulicht.
• 3 veranschaulicht die Änderung der Ausgangsspannung über der Zeit, wenn sich der Ausgangsstrom der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung geändert hat.
• 4 veranschaulicht die Änderung der Temperaturdifferenz zwischen der Hochtemperatur-Seite und der Niedrigtemperatur-Seite eines thermoelektrischen Umwandlungsmoduls über der Zeit, wenn sich der Ausgangsstrom der thermoelektrische Umwandlungseinrichtung geändert hat.
• 5 veranschaulicht das Verhalten der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung, wenn sich der Ausgangsstrom der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung geändert hat.
• 6 veranschaulicht das Verhalten der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung, wenn sich der Ausgangsstrom der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung geändert hat.
• Beschreibung von Ausführungsformen
• Ausführungsform 1
• In der folgenden Beschreibung wird eine Steuerungseinrichtung für eine thermoelektrische Umwandlungseinrichtung als „Steuerungseinrichtung für thermoelektrische Umwandlung“ bezeichnet. 1 veranschaulicht die Struktur einer Steuerungseinrichtung für thermoelektrische Umwandlung gemäß Ausführungsform 1. Wie in 1 gezeigt, ist eine Steuerungseinrichtung 12 für thermoelektrische Umwandlung zwischen eine thermoelektrische Umwandlungseinrichtung 11 und eine Last 13 geschaltet. Die Steuerungseinrichtung 12 für thermoelektrische Umwandlung wandelt die Energie, die von der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung 11 erzeugt wird, um und führt der Last 13 die umgewandelte Energie zu.
• Die thermoelektrische Umwandlungseinrichtung 11 ist eine Einrichtung, die Wärmeenergie in elektrische Energie umwandelt, und sie weist Folgendes auf: ein thermoelektrisches Umwandlungsmodul 11a, einen Wärmetauscher 11b auf der Hochtemperaturseite, der sich auf einer Fläche auf der Hochtemperatur-Seite des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls 11a befindet, und einen Wärmetauscher 11c auf der Niedertemperaturseite, der sich auf einer Fläche auf der Niedrigtemperatur-Seite des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls 11a befindet.
• Das thermoelektrische Umwandlungsmodul 11a weist mindestens ein thermoelektrisches Umwandlungselement auf, das zwischen die Fläche auf der Hochtemperatur-Seite und die Fläche auf der Niedrigtemperatur-Seite geschaltet ist. Das thermoelektrische Umwandlungselement ist aus einem thermoelektrischen Material hergestellt und erzeugt Energie mit dem Seebeck-Effekt, der eine elektromotorische Kraft aus der Differenz der Temperatur an beiden Enden des thermoelektrischen Umwandlungselements erzeugt. Die Energie, die vom thermoelektrischen Umwandlungsmodul 11a erzeugt wird, wird aus einem positiven Ausgangsanschluss und einem negativen Ausgangsanschluss der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung 11a ausgegeben. Wenn das thermoelektrische Umwandlungsmodul 11a eine Mehrzahl von thermoelektrischen Umwandlungselementen aufweist, sind die thermoelektrischen Umwandlungselemente in Reihe oder parallel geschaltet, und zwar innerhalb des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls 11a.
• Der Wärmetauscher 11b auf der Hochtemperaturseite hat die Funktion, Wärme von einem Hochtemperatur-Fluid wie z. B. Abgas entgegenzunehmen, das beispielsweise aus einer Fabrik ausgestoßen wird, und die Wärme an die Fläche auf der Hochtemperatur-Seite des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls 11a zu übertragen. Der Wärmetauscher 11b auf der Hochtemperaturseite hat beispielsweise eine rippenartige Struktur aus Aluminium oder Edelstahl (SUS). Der Wärmetauscher 11c auf der Niedertemperaturseite hat die Funktion, Wärme von der Fläche auf der Niedrigtemperatur-Seite des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls 11a zu entfernen. Der Wärmetauscher 11c auf der Niedertemperaturseite hat beispielsweise eine Struktur, bei der ein Kühlmittel durch einen Block fließt, der aus Aluminium oder Kupfer gebildet ist. Mit den Funktionen des Wärmetauschers 11b auf der Hochtemperaturseite und des Wärmetauschers 11c auf der Niedertemperaturseite dringt die Wärme von der Fläche auf der Hochtemperatur-Seite zur Fläche auf der Niedrigtemperatur-Seite des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls 11a durch. Demzufolge tritt eine elektromotorische Kraft im thermoelektrischen Umwandlungsmodul 11a auf.
• Die Steuerungseinrichtung 12 für thermoelektrische Umwandlung weist Folgendes auf: einen positiven Eingangsanschluss, der mit dem positiven Ausgangsanschluss der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung 11 verbunden ist, und einen negativen Eingangsanschluss, der mit dem negativen Ausgangsanschluss der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung 11 verbunden ist. Die Steuerungseinrichtung 12 für thermoelektrische Umwandlung nimmt die Energie entgegen, die von der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung 11 ausgegeben wird. Die Steuerungseinrichtung 12 für thermoelektrische Umwandlung weist einen Stromrichter 12a, eine Strom-Spannungs-Messeinheit 12b und eine Energieumwandlungssteuerung 12c auf.
• Den Stromrichter 12a ist eine Umwandlungsschaltung, die die Energie umwandelt, die von der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung 11 in die Steuerungseinrichtung 12 für thermoelektrische Umwandlung eingegeben wird. Einer von einem DC-DC-Aufwärtswandler, einem DC-DC-Abwärtswandler und einem DC-DC-Aufwärts-/Abwärtswandler wird als der Stromrichter 12a verwendet, und zwar auf der Basis der Relation zwischen der elektromotorischen Kraft der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung 11 und der Spannung, die von der Last 13 benötigt wird. Die Schaltung des Stromrichters 12a in 1 hat eine Schaltungskonfiguration eines Abwärtswanlders, wenn die Ausgangsspannung am optimalen Betriebspunkt der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung 11 niedriger ist als die Spannung, die von der Last 13 benötigt wird. Die Energie, die vom Stromrichter 12a umgewandelt wir,d wird aus einem positiven Ausgangsanschluss und einem negativen Ausgangsanschluss der Steuerungseinrichtung 12 für thermoelektrische Umwandlung ausgegeben.
• Die Last 13 weist Folgendes auf: einen positiven Eingangsanschluss, der mit dem positiven Ausgangsanschluss der Steuerungseinrichtung 12 für thermoelektrische Umwandlung verbunden ist, und einen negativen Eingangsanschluss, der mit dem negativen Ausgangsanschluss der Steuerungseinrichtung 12 für thermoelektrische Umwandlung verbunden ist. Die Last 13 nimmt die Energie entgegen, die von der Steuerungseinrichtung 12 für thermoelektrische Umwandlung umgewandelt wird. Die Last 13 weist beispielsweise eine Konstantspannungsquelle wie z. B. eine Speicherbatterie auf.
• Die Strom-Spannungs-Messeinheit 12b ist eine Messschaltung, die den Strom und die Spannung der Energie misst, die in von der power thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung 11 in die Steuerungseinrichtung 12 für thermoelektrische Umwandlung eingegeben wird. Die Energieumwandlungssteuerung 12c ist eine Steuerungsschaltung, die den Stromrichter 12a auf der Basis des Stroms und der Spannung steuert, die von der Strom-Spannungs-Messeinheit 12b gemessen werden, so dass die Steuerung für maximale Ausgangsleistung durchgeführt wird, so dass die Ausgangsleistung der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung 11 näher an den Maximalwert gebracht wird.
• Der Lastwiderstandswert des Stromrichters 12a, gesehen am Eingangsanschluss der Steuerungseinrichtung 12 für thermoelektrische Umwandlung (der Lastwiderstandswert zwischen dem positiven Eingangsanschluss und dem negativen Eingangsanschluss), d. h. der Wert von (Eingangsspannung)/(Eingangsstrom), wird durch das Tastverhältnis gesteuert, das das Verhältnis der Zeit ist, die die Schaltelemente, die im DC-DC-Wandler als Stromrichter 12a enthalten sind, eingeschaltet sind, verglichen mit der Zeit, die die Schaltelemente ausgeschaltet sind. Beispielsweise gilt Folgendes: Wenn das Tastverhältnis der Schaltelemente im Stromrichter 12a (Abwärtswandlungs-Stromrichter) mit der Schaltungskonfiguration in 1 zunimmt, dann wird der Lastwiderstandswert des Stromrichters 12a niedriger. Auf den Empfang von Schaltsignalen hin, die periodische Rechteckwellen haben, wie z. B. Pulsweitenmodulations-Wellen (PWM) oder Pulsfrequenzmodulations-Wellen (PFM), und zwar an den Gates der Schaltelemente im Stromrichter 12a, steuert die Energieumwandlungssteuerung 12c das Einschalten und Ausschalten der Schaltelemente, und sie steuert dadurch den Lastwiderstandswert des Stromrichters 12a.
• Die Energieumwandlungssteuerung 12c steuert den Lastwiderstandswert des Stromrichters 12a auf der Basis des Stroms und der Spannung, die von der Strom-Spannungs-Messeinheit 12b gemessen werden, d. h. des Ausgangsstroms und der Ausgangsspannung der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung 11. Dadurch führt die Steuerungseinrichtung 12 für thermoelektrische Umwandlung Prozesse für die maximale Ausgangsleistungs-Steuerung an der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung 11 durch.
• Der Stromrichter 12a kann sich in einer externen Struktur der Steuerungseinrichtung 12 für thermoelektrische Umwandlung befinden. Mit anderen Worten: Die Steuerungseinrichtung 12 für thermoelektrische Umwandlung kann auch nur die Strom-Spannungs-Messeinheit 12b und die Energieumwandlungssteuerung 12c aufweisen und den Lastwiderstandswert des extern verbundenen Stromrichters 12a steuern.
• Die Prozesse, die von der Steuerungseinrichtung 12 für thermoelektrische Umwandlung für die maximale Ausgangsleistungs-Steuerung an der thermoelektrische Umwandlungseinrichtung 11 durchgeführt werden sollen, werden beschrieben.
• 2 ist ein Ablaufdiagramm, das Vorgänge der Steuerungseinrichtung 12 für thermoelektrische Umwandlung veranschaulicht. In der folgenden Beschreibung bezeichnen ein Strom I und eine Spannung V den Ausgangsstrom bzw. die Ausgangsspannung der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung 11, die von der Strom-Spannungs-Messeinheit 12b gemessen werden sollen.
• Wenn die Steuerungseinrichtung 12 für thermoelektrische Umwandlung den Betrieb beginnt, steuert im Schritt S10 die Energieumwandlungssteuerung 12c das Tastverhältnis des Schaltsignals, das in die Schaltelemente des Stromrichters 12a eingegeben werden soll, so dass der Strom I, der von der Strom-Spannungs-Messeinheit 12b gemessen wird, einen bestimmten Wert I₁ annimmt, und wartet, bis die Schwankungen in der Spannung V verringert sind.
• Als nächstes ändert die Energieumwandlungssteuerung 12c das Tastverhältnis des Schaltsignals so, dass der Strom I von I₁ zu I₁ + ΔI geändert wird, und zwar im Schritt S11.
• Als nächstes misst im Schritt S12 die Strom-Spannungs-Messeinheit 12b eine Spannung V, unmittelbar nachdem der Strom nach I₁ + ΔI geändert wurde, und zwar in Schritt ST11. V₁ bezeichnet die Spannung V, die in Schritt S12 gemessen wird. Hier bedeutet „unmittelbar, nachdem sich der Strom I geändert hat“ das Verstreichen einer Zeit, die signifikant kürzer als die thermische Zeitkonstante (z. B. 10 Sekunden) der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung 11 nach der Änderung des Stroms I ist. In Ausführungsform 1, misst die Strom-Spannungs-Messeinheit 12b die Spannung V₁ in Schritt S12 innerhalb von 0,01 Sekunden, nachdem der Strom I zu I1 + ΔI geändert wurde.
• Die thermische Zeitkonstante der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung 11 verursacht eine Verzögerung des thermischen Ansprechens der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung 11. Der Wert der thermischen Zeitkonstante wird durch die Wärmekapazität und den Wärmewiderstand des Wärmetauschers 11b auf der Hochtemperaturseite, die Wärmekapazität und den Wärmewiderstand des Wärmetauschers 11c auf der Niedertemperaturseite und die Wärmekapazität und den Wärmewiderstand des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls 11a bestimmt. Wenn die thermische Zeitkonstante der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung 11 nicht im Voraus geschätzt werden kann, misst vorzugsweise die Strom-Spannungs-Messeinheit 12b die Spannung V₁ sobald wie möglich, nachdem der Strom I geändert wurde.
• Im Schritt S13 wartet als nächstes die Steuerungseinrichtung 12 für thermoelektrische Umwandlung, bis das System der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung 11 thermisch stabilisiert ist, und zwar nach der Änderung des Stroms I und bis sich die Spannung V stabilisiert hat (Schwankungen werden verringert). Die Gründe, warum die Spannung V temporär nach der Änderung des Stroms I schwankt, sind der folgende Mechanismus:
• (1) Wenn die Änderung des Stroms I temporär die thermoelektrische Umwandlungseinrichtung 11 aus dem Wärmegleichgewicht wirft, erhöht das thermoelektrische Umwandlungsmodul 11a den Strom I;
• (2) der Anstieg des Stroms I verringert den Wärmewiderstand infolge des Peltier-Effekts, so dass die Temperaturdifferenz ΔTTEG zwischen der Hochtemperatur-Seite und der Niedrigtemperatur-Seite des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls 11a zum Abnehmen neigt; und
• (3) der Wärmetauscher 11b auf der Hochtemperaturseite und der Wärmetauscher 11c auf der Niedertemperaturseite haben jeweils Wärmekapazitäten, und eine Verzögerung tritt auf, bis die Temperaturdifferenz ΔTTEG einen Wert eines Zustands des Wärmegleichgewichts erreicht, was eine Verzögerung der Spannung V des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls 11a verursacht, das das Gleichgewicht erreicht.
• Als nächstes misst im Schritt S14, die Strom-Spannungs-Messeinheit 12b die stabilisierte Spannung V V₂ bezeichnet die Spannung V, die im Schritt S14 gemessen wird.
• 3 und 4 veranschaulichen die Änderungen im Zeitverlauf (die transienten Eigenschaften bzw. Kennlinien) der Spannung V bzw. der Temperaturdifferenz ΔTTEG des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls 11a, wenn der Strom I, der von der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung 11 ausgegeben wird, um ΔI erhöht wird. Wie in 3 veranschaulicht, geht die Spannung V zur Spannung V₁ über, und zwar unmittelbar, nachdem der Strom I um ΔI erhöht wird. Dann nähert die Spannung V die Spannung V₂ gemäß den Strom-Spannungs-Eigenschaften der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung 11 im Wärmegleichgewicht an. Die Zeitkonstante der annähernden Spannung V ist gleich derjenigen der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung 11. Dies rührt daher, dass die Spannung V, die vom thermoelektrischen Umwandlungsmodul 11a ausgegeben wird, proportional zur Temperaturdifferenz ΔT_TEG infolge des Seebeck-Effekts ist.
• Folglich wartet im Schritt S13 die Steuerungseinrichtung 12 für thermoelektrische Umwandlung vorzugsweise, bis ein Zeitraum verstrichen ist, der zumindest länger als oder gleich der thermischen Zeitkonstante der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung 11 seit dem Schritt S11 ist. Angenommen, T bezeichnet die thermische Zeitkonstante der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung 11, dann wartet die Steuerungseinrichtung 12 für thermoelektrische Umwandlung noch bevorzugter eine Zeit länger als oder gleich 3T. Wenn ΔI ein positiver Wert ist, nimmt die Spannung V allmählich ab, wie in 3 gezeigt, und konvergiert gegen einen gewissen Wert. Wenn ΔI ein negativer Wert ist, nimmt die Spannung V allmählich zu und konvergiert gegen einen gewissen Wert. Wenn die thermische Zeitkonstante T der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung 11 im Voraus erhalten wurde und die Steuerungseinrichtung 12 für thermoelektrische Umwandlung eine Zeit länger als oder gleich 3T wartet, nähert sich die thermoelektrische Umwandlungseinrichtung 11 dem Zustand des thermischen Gleichgewichts an und kann einen Wert näher an dem Konvergenzwert als die Spannung V₂ erhalten.
• Wenn die Spannung V₂ im Schritt S14 gemessen wird, berechnet die Energieumwandlungssteuerung 12c den Lastwiderstandswert R_pmax für maximale Ausgangsleistung, der der Lastwiderstandswert ist, an dem die Ausgangsleistung der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung 11 maximiert wird, auf der Basis der untenstehenden Gleichung (1), und zwar im Schritt S15. In Gleichung (1) bezeichnet R_int den Innenwiderstandwert der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung 11 (den Innenwiderstandwert des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls 11a).
  Mathematischer Ausdruck 1 $$R_{pmax}=R_{int}+\frac{V_1-V_2}{\mathrm{\Delta }I}$$

  
• Als nächstes steuert im Schritt S16 die Energieumwandlungssteuerung 12c das Tastverhältnis des Schaltsignals, das in die Schaltelemente im Stromrichter 12a eingegeben werden soll, so dass der Lastwiderstandswert, der am Eingangsanschluss des Stromrichters 12a gesehen wird, gleich dem Lastwiderstandswert R_pmax für maximale Ausgangsleistung ist, wie in Schritt S15 berechnet. Genauer gesagt: Die Energieumwandlungssteuerung 12c stellt das Tastverhältnis des Schaltsignals so ein, dass V/I = R_pmax als Relation zwischen der Spannung V und dem Strom I gilt, die von der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung 11 ausgegeben werden, und dem Lastwiderstandswert R_pmax für maximale Ausgangsleistung zum Steuern des Stroms I und der Spannung V
• Als nächstes wartet im Schritt S17 die Steuerungseinrichtung 12 für thermoelektrische Umwandlung wieder einen gewissen Zeitraum, so dass sich die thermoelektrische Umwandlungseinrichtung 11 dem Zustand des thermischen Gleichgewichts annähert, und zwar unter der Steuerung von V/I = R_pmax. Die Wartezeit im Schritt S17 sowie die Wartezeit im Schritt S13 sind vorzugsweise zumindest länger als oder gleich der thermischen Zeitkonstante T der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung 11, und noch bevorzugter länger als oder gleich 3T. In Ausführungsform 1 haben die Wartezeiten im Schritt S13 und S17 einen Wert von 3T.
• Dann misst im Schritt S18 die Strom-Spannungs-Messeinheit 12b die Spannung V und den Strom I, und sie berechnet P = V × I, was der Wert der Leistung ist, die von der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung 11 erzeugt wird.
• Außerdem führt die Steuerungseinrichtung 12 für thermoelektrische Umwandlung die folgenden Schritte S19 bis S21 durch, so dass dem Arbeitspunkt für maximale Ausgangsleistung der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung 11 kontinuierlich gefolgt wird, selbst wenn der Arbeitspunkt für maximale Ausgangsleistung infolge einer Änderung der Temperatur einer Wärmequelle oder einer Kältequelle variiert.
• Im Schritt S19 wartet die Steuerungseinrichtung 12 für thermoelektrische Umwandlung einen gewissen Zeitraum t_m. Dieser Zeitraum t_m ist ein Zeitraum, während dessen der Leistungswert, der von der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung 11 erzeugt wird, kontinuierlich überwacht wird.
• Als nächstes misst im Schritt S20 die Strom-Spannungs-Messeinheit 12b die Spannung V und den Strom I und berechnet einen Leistungswert P', der von der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung 11 erzeugt wird. Angenommen, I' und V' bezeichnen jeweils die Spannung V und den Strom I, die im Schritt S20 gemessen wurden, dann gilt P'=I'×V'.
• Als nächstes bestimmt im Schritt S21 die Steuerungseinrichtung 12 für thermoelektrische Umwandlung, ob die Differenz zwischen dem Wert der erzeugten Leistung P, berechnet im Schritt S18, und dem Wert der erzeugten Leistung P', berechnet im Schritt S20, größer als oder gleich ein gewisser Wert ΔP ist. Wenn die Differenz zwischen P und P' größer als oder gleich ΔP ist (JA im Schritt S21), besteht die Möglichkeit, dass der Arbeitspunkt für maximale Ausgangsleistung der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung 11 infolge einer Änderung des Innenwiderstandwerts R_int oder des Lastwiderstandswerts R_pmax für maximale Ausgangsleistung der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung 11 geändert wird. Folglich springen die Prozesse zu Schritt S10 zurück und durchlaufen erneut die Prozedur zum Berechnen des Lastwiderstandswerts R_pmax für maximale Ausgangsleistung. Wenn die Differenz zwischen P und P' kleiner als ΔP ist (NEIN im Schritt S21), springen die Prozesse zu Schritt S19 zurück. Hier führt die Steuerungseinrichtung 12 für thermoelektrische Umwandlung wiederholt die Prozedur zum Berechnen des Werts der erzeugten Leistung P' mit dem gewissen Zeitraum t_m durch, während der Lastwiderstandswert, der an die thermoelektrische Umwandlungseinrichtung 11 angelegt werden soll (der Lastwiderstandswert der Steuerungseinrichtung 12 für thermoelektrische Umwandlung) konstant gehalten wird.
• Wie oben beschrieben, erhält die Steuerungseinrichtung 12 für thermoelektrische Umwandlung gemäß Ausführungsform 1 den Arbeitspunkt für maximale Ausgangsleistung der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung 11 (den Lastwiderstandswert R_pmax für maximale Ausgangsleistung) auf der Basis nur einer elektrischen Messung des Stroms I und der Spannung V, die von der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung 11 ausgegeben werden, und bringt die Ausgangsleistung der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung 11 näher an den Maximalwert. Folglich kann die Steuerungseinrichtung 12 für thermoelektrische Umwandlung die Ausgangsleistung der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung 11 näher an den Maximalwert bringen, und zwar sogar in einem System mit einem Wärmewiderstand zwischen der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung 11 und einer Hochtemperatur-Wärmequelle und zwischen der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung 11 und einer Niedrigtemperatur-Kältequelle.
• Hier wird das Prinzip beschrieben, auf dem der Lastwiderstandswert R_pmax für maximale Ausgangsleistung der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung 11 aus der obigen Gleichung (1) erhalten wird.
• In einem idealen Zustand ohne jeglichen Wärmewiderstand zwischen dem thermoelektrischen Umwandlungsmodul 11a und einem Temperatur-Fixpunkt auf der Hochtemperatur-Seite und zwischen dem thermoelektrisch Umwandlungsmodul 11a und einem Temperatur-Fixpunkt auf der Niedrigtemperatur-Seite stimmt der Lastwiderstandswert R_pmax für maximale Ausgangsleistung des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls 11a mit dem Innenwiderstandwert R_int des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls 11a überein. Dies basiert auf dem Theorem der maximalen Energieübertragung bzw. des maximalen Leistungstransfers.
• Bei Vorhandensein eines Wärmewiderstands zwischen dem thermoelektrischen Umwandlungsmodul 11a und einem Temperatur-Fixpunkt auf der Hochtemperatur-Seite und zwischen dem thermoelektrischen Umwandlungsmodul 11a und einem Temperatur-Fixpunkt auf der Niedrigtemperatur-Seite, wie in 5 dargestellt, ist der Lastwiderstandswert R_pmax für maximale Ausgangsleistung des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls 11a ein Wert höher als der Innenwiderstandwert R_int des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls 11a. Der Lastwiderstandswert R_pmax für maximale Ausgangsleistung wird in diesem Fall auf die folgende Weise berechnet.
• Angenommen, II bezeichnet den Peltier-Koeffizienten des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls 11a, dann erhöht der Peltier-Effekt den Wert der Wärme Q durch das thermoelektrische Umwandlungsmodul 11a, durch das der Strom I fließt, um III mehr als wenn der Strom I = 0 ist. Angenommen, Q₀ bezeichnet den Wert der Wärme durch das thermoelektrische Umwandlungsmodul 11a, wenn der Strom I = 0 ist, dann wird der Wert der Wärme Q durch die thermoelektrische Umwandlungseinrichtung 11 durch die untenstehende Gleichung (2) ausgedrückt.
  Mathematischer Ausdruck 2 $$Q=Q_0+{\displaystyle \prod I}$$

  
• Angenommen, ΔT₀ bezeichnet die Temperaturdifferenz zwischen einer Temperatur T_h am Temperatur-Fixpunkt auf der Hochtemperatur-Seite und einer Temperatur T_c am Temperatur-Fixpunkt auf der Niedrigtemperatur-Seite. Der Temperatur-Fixpunkt auf der Hochtemperatur-Seite bezeichnet die Temperatur eines thermischen Fluids, das durch den Wärmetauscher 11b auf der Hochtemperaturseite strömt, wohingegen der Temperatur-Fixpunkt auf der Niedrigtemperatur-Seite die Temperatur eines Kühlmittels bezeichnet, das durch den Wärmetauscher 11c auf der Niedertemperaturseite strömt. Wie in 5 veranschaulicht, bezeichnet R_{th_h} den Wärmewiderstand zwischen dem Temperatur-Fixpunkt auf der Hochtemperatur-Seite und der Fläche auf der Hochtemperatur-Seite der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung 11, und R_{th_c} bezeichnet den Wärmewiderstand zwischen dem Temperatur-Fixpunkt auf der Niedrigtemperatur-Seite und der Fläche auf der Niedrigtemperatur-Seite des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls 11a. Die Summe aus R_{th_h} und Rt_{h_c} wird als ein zusätzlicher Wärmewiderstand R_{th_add} ausgedrückt.
• Die Temperaturdifferenz ΔT_TEG zwischen der Fläche auf der Hochtemperatur-Seite und der Fläche auf der Niedrigtemperatur-Seite des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls 11a wird durch die untenstehende Gleichung (3) unter Verwendung von Q in Gleichung (2) ausgedrückt.
  Mathematischer Ausdruck 3 $$\mathrm{\Delta }{T}_{TEG}=\mathrm{\Delta }{T}_0-R_{th\_add}Q$$

  
• Die Ausgangsspannung V des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls 11a unter Verwendung eines Seebeck-Koeffizienten S und des Innenwiderstandwerts R_int des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls 11a wird durch die untenstehende Gleichung (4) ausgedrückt.
  Mathematischer Ausdruck 4 $$V=S\mathrm{\Delta }{T}_{TEG}-R_{int}I$$

  
• Einsetzen von Gleichung (2) und Gleichung (3) in Gleichung (4) ergibt die untenstehende Gleichung (5).
  Mathematischer Ausdruck 5 $$\begin{array}{c}\text{V}=\text{S}\left(\mathrm{\Delta }{T}_0-R_{th\_add}\left(Q_0+{\displaystyle \prod I}\right)\right)-R_{int}I\\ =\text{S}\left(\mathrm{\Delta }{T}_0-R_{t{h}_{add}}{Q}_0\right)-\left(S{R}_{th\_add}\prod +R_{int}\right)I\end{array}$$

  
• Hier wird die Ausgangsleistung P des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls 11a durch die untenstehende Gleichung (6) ausgedrückt.
  Mathematischer Ausdruck 6 $$P=VI$$

  
• Einsetzen von Gleichung (5) in Gleichung (6) ergibt die untenstehende Gleichung (7).
  Mathematischer Ausdruck 7 $$P=S\left(\Delta T_0-R_{th\_add}{Q}_0\right)I-\left(S\prod R_{th\_add}+R_{int}\right)I^2$$

  
• Da P in Gleichung (7) die quadratische Funktion von I bezeichnet, kann ein Wert I_pmax des Stroms I, wenn der die Ausgangsleistung P des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls 11a ein lokales Maximum hat, als ein Punkt eines lokalen Maximalwerts einer konvexen quadratischen Funktion erhalten werden und durch die untenstehende Gleichung (8) ausgedrückt werden.
  Mathematischer Ausdruck 8 $$I_{pmax}=\frac{S\left(\Delta T_0-R_{th\_add}{Q}_0\right)}{2\left(S\prod R_{th\_add}+R_{int}\right)}$$

  
• Die Spannung V_pmax in diesem Fall kann durch die untenstehende Gleichung (9) ausgedrückt werden, indem Gleichung (8) in Gleichung (4) eingesetzt wird.
  Mathematischer Ausdruck 9 $$V_{pmax}=\frac{S\left(\Delta T_0-R_{th\_add}{Q}_0\right)}{2}$$

  
• Auf der Basis von Gleichung (8) und Gleichung (9) kann der Lastwiderstandswert R_pmax für maximale Ausgangsleistung des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls 11a durch die untenstehende Gleichung (10) dargestellt werden.
  Mathematischer Ausdruck 10 $$R_{pmax}=\frac{V_{pmax}}{I_{pmax}}=R_{int}+S\prod R_{th\_add}$$

  
• Wie aus Gleichung (10) ersichtlich, ist der Lastwiderstandswert R_pmax für maximale Ausgangsleistung des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls 11a ein Wert höher als der Innenwiderstandwert R_int, und zwar um SIIR_{th_add}.
• Als nächstes wird das Prinzip beschrieben, nach dem SIIR_{th_add} erhalten wird, und zwar nur auf der Messung des Stroms I und der Spannung V, die vom thermoelektrischen Umwandlungsmodul 11a ausgegeben werden, ohne eine Wärme-Messung.
• Wie in 3 bis 6 dargestellt, bezeichnet ΔT₁ die Temperaturdifferenz ΔT_TEG des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls 11a, wenn die Spannung V = V₁ ist, und ΔT₂ bezeichnet die Temperaturdifferenz ΔT_TEG des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls 11a, wenn die Spannung V = V₂ ist. Unter der maximalen Ausgangsleistungs-Steuerung der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung 11 kann eine Differenz ΔT₁ - ΔT₂ der Temperaturdifferenz ΔT_TEG des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls 11a aus der Differenz zwischen V₁ und V₂ erhalten werden, und zwar auf der Basis der Gleichung des Seebeck-Effekts. Die Differenz ΔT₁ - ΔT₂ wird durch die untenstehende Gleichung (11) ausgedrückt.
  Mathematischer Ausdruck 11 $$\mathrm{\Delta }{T}_1-\mathrm{\Delta }{T}_2=\frac{V_1-V_2}{S}$$

  
• Außerdem angenommen, dass Q₀ + ΔQ den Wert der Wärme durch das thermoelektrische Umwandlungsmodul 11a bezeichnet, wenn I = I1 + Δ_I gilt, dann wird ΔQ durch die untenstehende Gleichung (12) ausgedrückt.
  Mathematischer Ausdruck 12 $$\Delta Q={\displaystyle \prod \Delta I}$$

  
• Im stabilen bzw. eingeschwungenen Zustand wird die Temperaturdifferenz, die mit dem zusätzlichen Wärmewiderstand R_{th_add} erzeugt wird, wenn I = I₁ + ΔI gilt, um R_{th_add}ΔQ mehr erhöht, als wenn der Strom I = I₁ ist. Die Temperaturdifferenz, die mit R_{th_add} erzeugt wird, unmittelbar nachdem der Strom I um ΔI geändert wird, verbleibt transient bei R_{th_add}Q, identisch zu derjenigen vor der Änderung des Stroms I, da die Temperatur unmittelbar vor der Änderung des Stroms I durch die Wärmekapazität beibehalten wird. Die Temperaturdifferenz, die mit R_{th_add} nach dem Verstreichen eines gewissen Zeitraums erzeugt wird, wird um R_{th_add}ΔQ mehr erhöht, als wenn der Strom I = I₁ ist. Dies ist gleich ΔT₁ - ΔT₂, was den Wert der Änderung der Temperaturdifferenz ΔT_TEG der thermoelektrischen Umwandlungselemente bezeichnet. Folglich gilt die untenstehende Gleichung (13).
  Mathematischer Ausdruck 13 $$R_{th\_add}\Delta Q=\left(\Delta T_1-\Delta T_2\right)$$

  
• Einsetzen von Gleichung (11) und Gleichung (12) in Gleichung (13) ergibt die untenstehende Gleichung (14).
  Mathematischer Ausdruck 14 $$R_{th\_add}=\frac{\Delta T_1-\Delta T_2}{\Delta Q}=\frac{V_1-V_2}{S{\displaystyle \prod \Delta I}}$$

  
• Ein weiteres Einsetzen von Gleichung (14) in Gleichung (10) löscht S und II aus und ergibt die untenstehende Gleichung (15).
  Mathematischer Ausdruck 15 $$R_{pmax}=R_{int}+\frac{V_1-V_2}{\Delta I}$$

  
• Wenn also der Innenwiderstandwert R_int des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls 11a im Voraus verstanden wird, kann der Lastwiderstandswert R_pmax für maximale Ausgangsleistung berechnet werden, und zwar auf der Basis der Ergebnisse einer elektrischen Messung ohne eine Wärme-Messung.
• Ausführungsform 2
• In Ausführungsform 2 gilt Folgendes: Wenn die Energieumwandlungssteuerung 12c den Strom I auf den gewissen Wert I₁ im Schritt S10 im Ablaufdiagramm aus 2 steuert, gibt ein Verbringen des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls 11a in den geöffneten Zustand den Strom I₁ aus 0 vor. Wenn außerdem die Energieumwandlungssteuerung 12c den Strom I um ΔI im Schritt S11 ändert, gibt ein Verbringen des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls 11a in einen Kurzschlusszustand ΔI auf einen Stromwert I_sc für den Kurzschluss im thermoelektrischen Umwandlungsmodul 11a vor.
• Dadurch können V₁ - V₂ und ΔI auf größere Werte vorgegeben werden, und zwar so stark wie möglich und ohne eine eingeprägte elektromotorische Kraft, und es kann der Lastwiderstandswert R_pmax für maximale Ausgangsleistung aus der Gleichung (1) mit hoher Präzision erhalten werden. Folglich kann der Leistungswert P, der von der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung 11 erzeugt wird, dem Maximalwert weiter angenähert werden.
• Ausführungsform 3
• In Ausführungsform 3 ist die Energieumwandlungssteuerung 12c so konfiguriert, dass sie einen Wert des Innenwiderstandwerts R_int des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls 11a berechnet, auf der Basis des Stroms I und der Spannung V, die von der Strom-Spannungs-Messeinheit 12b gemessen werden, wenn der Lastwiderstandswert geändert wird, der am Eingangsanschluss des Stromrichters 12a gesehen wird. Der Innenwiderstandwert R_int des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls 11a kann berechnet werden, indem der Wert der Änderung der Spannung V, wenn der Lastwiderstandswert des Stromrichter 12a geändert wird, durch den Wert der Änderung des Stroms I geteilt wird. Dies ermöglicht es, dass die Energieumwandlungssteuerung 12c den akkuraten Innenwiderstand des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls 11a erhält, nachdem die Temperatur stabilisiert wurde, und der akkurate Zustand des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls 11a überwacht wird.
• Der Innenwiderstandwert R_int des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls 11a kann aus den Strömen I und den Spannungen V an zwei oder mehr Messpunkten (Messzeiten) in dem thermoelektrischen Umwandlungsmodul 11a erhalten werden, dessen Temperatur stabilisiert wurde. Wenn beispielsweise die Strom-Spannungs-Messeinheit 12b einen Wert V₀ (siehe 3) der Spannung V misst, nachdem der Strom I auf den gewissen Wert I₁ im Schritt S10 in 2 gesteuert wurde, und die Spannung V stabilisiert ist, kann die Energieumwandlungssteuerung 12c den Innenwiderstandwert R_int aus der untenstehenden Gleichung (16) berechnen und R_int auf Gleichung (15) anwenden, beim Berechnen des Lastwiderstandswerts R_pmax für maximale Ausgangsleistung, unter Verwendung von Gleichung (15) im Schritt S15.
  Mathematischer Ausdruck 16 $$R_{int}=-\frac{V_2-V_0}{\Delta \text{I}}$$

  
• Ausführungsform 4
• In Ausführungsform 4 ist die Energieumwandlungssteuerung 12c so konfiguriert, dass sie die thermische Zeitkonstante T der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung 11 berechnet, wenn der Lastwiderstandswert geändert wird, der am Eingangsanschluss des Stromrichters 12a gesehen wird. Die berechnete thermische Zeitkonstante T ist beispielsweise auf das Bestimmen der Wartezeiten in den Schritten S13 und S17 in 2 anwendbar.
• Beispielsweise kann die Energieumwandlungssteuerung 12c die thermische Zeitkonstante T durch die folgenden Prozesse erhalten, zwischen dem Ändern des Stroms I im Schritt S11 und dem Stabilisieren der Spannung V im Schritt S13 in 2.
• Zunächst misst die Strom-Spannungs-Messeinheit 12b den Strom I und die Spannung V an drei oder mehr Messpunkten (Messzeiten) für das Verstreichen einer jeglichen Zeit, nachdem der Strom I auf I₁ + ΔI im Schritt S11 gesteuert wurde. Diese Messpunkte können die Messpunkte in den Schritten S12 und S14 enthalten. Folglich sollte die Strom-Spannungs-Messeinheit 12b den Strom I und die Spannung V zwischen den Schritten S12 und S14 messen, und zwar zumindest an einem Messpunkt mit Ausnahme derjenigen in den Schritten S12 und S14.
• Angenommen beispielsweise, dass die Zeit t, zu der die Spannung V₁ im Schritt S12 gemessen wurde, 0 ist, kann die Änderung der Spannung V zur Zeit t durch die untenstehende Gleichung (17) ausgedrückt werden, unter Verwendung der Spannung V₁, die im Schritt S12 gemessen wird, der Spannung V₂, die im Schritt S14 gemessen wird, und der thermischen Zeitkonstante T der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung 11.
  Mathematischer Ausdruck 17 $$V=V_1-\left(V_2-V_1\right)\left\{1-exp\left(-\frac{t}{T}\right)\right\}$$

  
• Ein Einsetzen der Spannung V, die am Messpunkt mit Ausnahme derjenigen in den Schritten S12 und S14 gemessen wird, und der Zeit t in Gleichung (17) kann die thermische Zeitkonstante T der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung 11 erzeugen.
• Wenn außerdem die Strom-Spannungs-Messeinheit 12b die Spannung V an vier oder mehr Messpunkten misst, kann die Energieumwandlungssteuerung 12c die thermisch Zeitkonstante T berechnen, indem sie transiente Eigenschaften der Spannung V erhält, beispielsweise unter Verwendung des Verfahrens der kleinsten Quadrate.
• Die elektromotorische Kraft der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung 11 ist proportional zur Temperaturdifferenz ΔT zwischen der Hochtemperatur-Seite und der Niedrigtemperatur-Seite des thermoelektrischen Umwandlungsmoduls 11a, und zwar infolge des Seebeck-Effekts (V = SΔT). Folglich zeigt das zeitliche Ansprechen der Spannung V das gleiche Verhalten wie das der Temperaturdifferenz ΔT. Dies zeigt, dass die Zeitkonstante T der Spannung V als die thermische Zeitkonstante T als solche angesehen werden kann. Folglich kann die thermische Zeitkonstante T nur durch Messung der Spannung V erhalten werden.
• Ausführungsform 4 ermöglicht es der Steuerungseinrichtung 12 für thermoelektrische Umwandlung, die thermische Zeitkonstante der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung 11 nur durch elektrische Messung zu erhalten, ohne neue Hardware zur Wärmemessung zu verwenden, wie z. B. ein Thermoelement, und die Ausgangsleistung der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung 11 näher an den Maximalwert zu bringen, und zwar auf einfache Weise und bei niedrigen Kosten.
• Ausführungsformen können frei kombiniert werden und passend modifiziert oder weggelassen werden.
• Die Beschreibung ist in sämtlichen Aspekten anschaulich, und es versteht sich, dass zahlreiche Modifikationen und Variationen ersonnen werden können, die nicht beispielhaft erläutert wurden.
• Beschreibung der Bezugszeichen

11

thermoelektrische Umwandlungseinrichtung,

11a

thermoelektrisches Umwandlungsmodul,

11b

Wärmetauscher auf der Hochtemperaturseite,

11c

Wärmetauscher auf der Niedertemperaturseite,

12

Steuerungseinrichtung für thermoelektrische Umwandlung,

12a

Stromrichter,

12b

Strom-Spannungs-Messeinheit,

12c

Energieumwandlungssteuerung,

13

Last.

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• JP 200822688 A [0003]

Claims (11)

1. Steuerungseinrichtung für thermoelektrische Umwandlung, die Folgendes aufweist: eine Strom-Spannungs-Messeinheit zum Messen eines Stroms und einer Spannung, die von einer thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung in einen Stromrichter eingegeben werden sollen, der die Energie umwandelt, die von der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung ausgegeben wird; und eine Energieumwandlungssteuerung zum Berechnen eines Lastwiderstandswerts für maximale Ausgangsleistung der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung auf der Basis des Stroms und der Spannung, die von der Strom-Spannungs-Messeinheit gemessen werden, und zum Steuern des Stroms und der Spannung, die in den Stromrichter eingegeben werden sollen, so dass der Lastwiderstandswert, der am Eingangsanschluss des Stromrichters gesehen wird, gleich dem Lastwiderstandswert für maximale Ausgangsleistung ist, wobei die Energieumwandlungssteuerung den Strom, der in den Stromrichter eingegeben werden soll, um einen gewissen Wert ändert und den Lastwiderstandswert für maximale Ausgangsleistung der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung berechnet, und zwar auf der Basis der Differenz zwischen der Spannung, die gemessen wird, unmittelbar nachdem der Strom geändert wurde, und der Spannung, die gemessen wird, nachdem der Strom geändert wurde und sich die Spannung stabilisiert hat, und dem Wert der Änderung des Stroms, der geändert wurde.
2. Steuerungseinrichtung für thermoelektrische Umwandlung nach Anspruch 1, wobei die Energieumwandlungssteuerung die thermoelektrische Umwandlungseinrichtung aus einem geöffneten Zustand in einen Kurzschlusszustand übergehen lässt, wenn sie den Strom ändert, der in den Stromrichter eingegeben wird.
3. Steuerungseinrichtung für thermoelektrische Umwandlung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Strom-Spannungs-Messeinheit jeden von dem Strom und der Spannung misst, die in den Stromrichter eingegeben werden soll, und zwar an zwei oder mehr Punkten, und die Energieumwandlungssteuerung den Lastwiderstandswert für maximale Ausgangsleistung der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung auf der Basis eines Innenwiderstandswerts der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung berechnet, wobei der Innenwiderstandwert aus den Ergebnissen der Ströme und der Spannungen berechnet wird, die an den zwei oder mehr Punkten gemessen werden.
4. Steuerungseinrichtung für thermoelektrische Umwandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei, unter der Annahme, dass V₁ die Spannung bezeichnet, die gemessen wird, unmittelbar nachdem sich der Strom geändert hat, V₂ die Spannung bezeichnet, die gemessen wird, nachdem sich der Strom stabilisiert hat, ΔI den Wert der Änderung des Stroms bezeichnet und R_int den Innenwiderstandwert der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung bezeichnet, die Energieumwandlungssteuerung den Lastwiderstandswert R_pmax für maximale Ausgangsleistung der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung unter Verwendung des untenstehenden relationalen Ausdrucks berechnet: $${\text{R}}_{\text{pmax}}={\text{R}}_{\text{int}}+\left({\text{V}}_1-{\text{V}}_2\right)\text{/}\Delta \text{I}.$$

   
5. Steuerungseinrichtung für thermoelektrische Umwandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Energieumwandlungssteuerung die thermische Zeitkonstante der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung aus den Ergebnissen der Ströme und der Spannungen berechnet, die an drei oder mehr Punkten gemessen werden, und die Wartezeit bestimmt, bis sich die Spannung stabilisiert hat, nachdem der Strom geändert wurde, und zwar auf der Basis der berechneten thermischen Zeitkonstante.
6. Steuerungseinrichtung für thermoelektrische Umwandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die ferner Folgendes aufweist: den Stromrichter.
7. Verfahren zum Steuern einer thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: (a) Ändern, um einen gewissen Wert, des Stroms, der von einer thermoelektrische Umwandlungseinrichtung in einen Stromrichter eingegeben werden soll, der die Energie umwandelt, die von der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung ausgegeben wird; (b) Messen des Stroms und einer Spannung, die von der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung in den Stromrichter eingegeben werden sollen, unmittelbar nach dem Schritt (a); (c) Messen des Stroms und der Spannung, die aus der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung in den Stromrichter eingegeben werden sollen, nachdem sich die Spannung stabilisiert hat, und zwar nach Schritt (b); (d) Berechnen eines Lastwiderstandswert für maximale Ausgangsleistung der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung auf der Basis der Differenz zwischen der Spannung, die in Schritt (b) gemessen wird, und der Spannung, die in Schritt (c) gemessen wird, und des Werts der Änderung des Stroms in Schritt (a); und (e) Steuern des Stroms und der Spannung, die in den Stromrichter eingegeben werden sollen, so dass der Lastwiderstandswert, der am Eingangsanschluss des Stromrichters gesehen wird, gleich dem Lastwiderstandswert für maximale Ausgangsleistung ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei in Schritt (a) die thermoelektrische Umwandlungseinrichtung aus dem offenen Zustand in den Kurzschlusszustand verbracht wird, wenn der Strom, der in den Stromrichter eingegeben werden soll, geändert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, das Folgendes aufweist: (f) Messen des Stroms und der Spannung, die in den Stromrichter eingegeben werden sollen, an zwei oder mehr Punkten, wobei in Schritt (d) der Lastwiderstandswert für maximale Ausgangsleistung der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung auf der Basis des Innenwiderstandwerts der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung berechnet wird, wobei der Innenwiderstandwert aus den Ergebnissen der Ströme und der Spannungen berechnet wird, die an den zwei oder mehr Punkten gemessen werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei, unter der Annahme, dass V₁ die Spannung bezeichnet, die gemessen wird, unmittelbar nachdem sich der Strom geändert hat, V₂ die Spannung bezeichnet, die gemessen wird, nachdem sich der Strom stabilisiert hat, ΔI den Wert der Änderung des Stroms bezeichnet und R_int den Innenwiderstandwert der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung bezeichnet, der Lastwiderstandswert R_pmax für maximale Ausgangsleistung der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung in Schritt (d) unter Verwendung des untenstehenden relationalen Ausdrucks berechnet wird: $${\text{R}}_{\text{pmax}}={\text{R}}_{\text{int}}+\left({\text{V}}_1-{\text{V}}_2\right)\text{/}\Delta \text{I}.$$

    
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, das ferner Folgendes aufweist: (g) Berechnen der thermischen Zeitkonstante der thermoelektrischen Umwandlungseinrichtung aus den Ergebnissen der Ströme und der Spannungen, die an drei oder mehr Punkten gemessen werden, wobei die Wartezeit, bis sich die Spannung in Schritt (d) stabilisiert hat, auf der Basis der thermischen Zeitkonstante bestimmt wird, die in Schritt (g) berechnet wird.

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