JP2005076584A

JP2005076584A - 排熱発電装置

Info

Publication number: JP2005076584A
Application number: JP2003310640A
Authority: JP
Inventors: Jiro Tsuchiya; 次郎土屋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-09-02
Filing date: 2003-09-02
Publication date: 2005-03-24

Abstract

【課題】入力電圧範囲の拡大により、排熱のエネルギを効率よく回収できる排熱発電装置を提供する。
【解決手段】熱電素子１３の出力電圧を昇圧および降圧可能とする。単一方向の変圧作用を行うコンバータ主回路２１を、スイッチ手段としてのスイッチＳＷ１，ＳＷ２の利用により正逆双方向の変圧に使用できる。熱電素子１３の出力電圧がバッテリ３０の電圧から所定範囲内にあるときに、停止モードとして、スイッチ回路４０のスイッチＳＷ１，ＳＷ２が熱電素子１３とバッテリ３０とを直結することとしたので、昇圧と降圧とが短時間のうちに繰り返されるような不安定な動作を回避できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車のエンジンの排熱を利用して発電を行う排熱発電装置に関する。

自動車のエンジンの排気に含まれる熱エネルギを有効に利用するために、従来から、熱エネルギを電力に変換して取り出す排熱発電装置が種々提案されている。例えば、特許文献１に記載された装置は、排気管に固定された熱電素子により発電を行い、熱電素子の出力電圧をＤＣ−ＤＣコンバータにより昇圧し平滑化して、電力を取り出すようにしている。

特開２００２−１２９９４９号公報

しかし、このような昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータを用いる場合には、その入力電圧が一定の範囲内に制約される。例えば、入力電圧範囲が１．８〜９．０ＶのＤＣ−ＤＣコンバータを用いるとすれば、最大出力１．６Ｖの熱電素子であれば直列に接続できる素子数は２〜５個であり、素子数を更に増やそうとすれば、直列素子数の上限があるために並列回路数を増やさなければならない。また、ＤＣ−ＤＣコンバータの入力可能電圧の上限を超えた電圧を入力すると、過電圧とみなされて動作が停止されてしまう。

他方、降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータ（例えば、７０Ｖから１４Ｖに降圧するもの）を用いることとすれば、昇圧型のコンバータを用いる場合に比べて直列素子数は増やすことができるが、一定負荷の場合の供給電圧低下による過電流から回路を保護するために、入力電圧が出力電圧（例えば１５Ｖ）を下回る場合に電圧変換が行われないように設計されたＤＣ−ＤＣコンバータでは、入力電圧が出力電圧を下回ると、電力が回収できないことになる。

このように、排気温度が走行状態に応じて大きく変化し、熱電素子の出力電圧が広い範囲で変動しうるにもかかわらず、従来の排熱発電装置では入力可能な電圧範囲が狭いため、利用できるエネルギ量が小さくなるという問題点があった。

そこで本発明の目的は、広い電圧範囲で動作でき、排熱のエネルギを効率よく回収できる排熱発電装置を提供することにある。

第１の本発明は、エンジンの排熱を電力に変換する熱電素子と、前記熱電素子の出力電圧を変圧して出力するＤＣ−ＤＣコンバータと、を備えた排熱発電装置であって、前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、単一方向の変圧作用を行うコンバータ主回路と、該コンバータ主回路を正方向または逆方向に選択的に接続するスイッチ回路と、前記熱電素子の発電電圧と前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力側に接続されたバッテリの電圧との比較結果に応じて前記スイッチ回路を制御するモード判別回路と、を備えたことを特徴とする排熱発電装置である。

第１の本発明では、ＤＣ−ＤＣコンバータが熱電素子の出力電圧を昇圧および降圧できるので、入力電圧範囲の拡大により、利用できるエネルギ量を増大することができる。また、スイッチ回路の利用により、単一方向の変圧作用を行うコンバータ主回路を、双方向の変圧に使用することができ、コストを抑制できる。

第２の本発明は、請求項１に記載の排熱発電装置であって、前記スイッチ回路は前記熱電素子と前記バッテリとを直結可能とされており、前記モード判別回路は、前記熱電素子の出力電圧が前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力側に接続されたバッテリの電圧から所定範囲内にあるときには、前記スイッチ回路に前記熱電素子と前記バッテリとを直結させることを特徴とする排熱発電装置である。

第２の本発明では、熱電素子の出力電圧がバッテリの電圧から所定範囲内にあるときに、スイッチ回路により熱電素子とバッテリとを直結することとしたので、昇圧と降圧とが短時間のうちに繰り返されるような不安定な動作を回避できる。また、熱電素子とバッテリとを直結する場合には、ＤＣ−ＤＣコンバータを動作させる場合の内部損失の影響を受けないので、効率よく充電することができる。

本発明の実施形態につき、以下に図面に従って説明する。図１において、本発明の実施形態の排熱発電装置は、エンジン（不図示）の排気経路に組み込まれた熱電変換ユニット１０と、熱電変換ユニット１０からの出力電圧を変圧して出力する電力変換装置２０とを含んで構成されている。電力変換装置２０には、車両の補機類に給電するための補機バッテリ３０が接続されている。

熱電変換ユニット１０は、ケース１１、ヒートシンク１２、熱電素子１３および水ジャケット１４から構成されている。ケース１１は概ね円筒形に形成されており、その上流側は排気管Ｌ１に、また下流側は排気管Ｌ２に、それぞれ接続されている。これによってケース１１の内部には、エンジンの燃焼室から排出される排ガスが矢印Ａの方向に導入され、外部に排出されることになる。

ケース１１の内側に、略円柱形のヒートシンク１２が配置されている。ヒートシンク１２は、アルミニウムなどの熱伝導率の高い材料から形成されており、その軸線方向に沿って規則的に形成された多数のフィンを有する。

ヒートシンク１２の外周面には、熱電素子１３および水ジャケット１４が、それぞれシート状の絶縁材を介して固定されている。熱電素子１３は、ゼーベック効果を利用した発電装置であって、図２に示されるように、多数のｎ型半導体１６ｎおよびｐ型半導体１６ｐを交互に配列し、ｎ型半導体１６ｎの上端をその一方側に隣接するｐ型半導体１６ｐの上端に結合電極１７ａで結合し、またｎ型半導体１６ｎの下端を、その他方側に隣接するｐ型半導体１６ｐの下端に結合電極１７ｂで結合してなるものである。結合電極１７ａ，１７ｂの外側には、それぞれ冷接点基板１８ａおよび温接点基板１８ｂが接合されている。この熱電素子１３では、結合電極１７ａ，１７ｂ間に温度差が存在すると、これら結合電極１７ａ，１７ｂ間に電位Ｖが発生するため、この熱電素子１３を多数連結することにより、発電電力の大きな発電装置を形成することができる。

再び図１において、水ジャケット１４は、図示しない冷却水経路に接続されて冷却水が矢印Ｂの方向に供給されており、冷却水の循環に伴う冷却によりヒートシンク１２との温度差を生じさせる。熱電素子１３は４個直列に電気的に接続され、その出力は電力変換装置２０に入力される。

電力変換装置２０のコンバータ主回路２１は、単一方向の変圧作用を行う同期整流チョッパ型ＤＣ−ＤＣコンバータであって、２個の電界効果トランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２およびインダクタ２２を含んで構成されている。

バッテリ電圧および熱電素子発電電圧は、それぞれ電圧検出回路２３，２４で検出され、モード判別回路２５に入力される。モード判別回路２５は、例えば周知のコンパレータ回路またはシュミット・トリガ回路として構成されており、電圧の大小判別、すなわちバッテリ電圧と熱電素子１３の出力電圧との比較結果に応じ、昇圧・降圧・停止の３つの動作モードを決定し、切替え信号としてスイッチＳＷ１，ＳＷ２およびＰＷＭコントローラ２６に出力する。スイッチＳＷ１，ＳＷ２は、トランジスタ、トライアックなどにより構成されており、モード判別回路２５からの切替え信号に従って、出力側または入力側の一方に備えられた３端子のうち一つを選択して他方の１端子に接続する。スイッチＳＷ１，ＳＷ２と、これらスイッチＳＷ１，ＳＷ２により接続される３端子間の結線とにより、本発明におけるスイッチ回路４０が構成される。

ＰＷＭコントローラ２６は、図示されないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポートおよび記憶装置等を含んだマイクロプロセッサとして構成されている。ＰＷＭコントローラ２６の入力ポートには、上記モード判別回路２５のほか、電流検出回路２７および電流目標値設定器２８が接続され、また出力ポートにはＦＥＴ１，ＦＥＴ２のゲート端子が接続されている。ＰＷＭコントローラ２６は、ＦＥＴ１，ＦＥＴ２のゲート電流をＯＮ／ＯＦＦすることでこれらをＤＵＴＹ制御するものであり、その動作はＰＷＭコントローラ２６のＲＯＭに記憶されている所定の動作プログラムに従って後述のとおり行われる。

以上のとおり構成された本実施形態の動作について説明する。いま、エンジンの運転により排気温度が上昇すると、ヒートシンク１２の温度が上昇し、水ジャケット１４により低温に保たれている冷接点基板１８ａとの間に温度差が生じる。これによって、熱電素子１３において、排気中の熱エネルギの電気エネルギへの変換、すなわち発電が行われる。

ここで、エンジンの始動直後など、エンジンや排気管があまり暖気されていない段階では、排ガスの温度が低いため、熱電素子１３による発電電圧も小さい。このため、熱電素子１３の出力電圧をバッテリ電圧にレベル合わせするために、電力変換装置２０では昇圧動作が行われる。

すなわち、モード判別回路２５における比較の結果、熱電素子発電電圧がバッテリ電圧より低く且つ両者の差が所定値以上である場合には、モード判別回路２５の出力により、昇圧モードとして、スイッチ回路４０のスイッチＳＷ１，ＳＷ２において、いずれも端子３が選択される。その結果、主回路２１は順方向に接続され、昇圧コンバータとして動作する。

コンバータ主回路２１は定電流制御を基本としており、電流検出用シャント抵抗２９における電圧降下が、増幅器である電流検出回路２７で増幅され、ＰＷＭコントローラ２６にフィードバック入力される。ＰＷＭコントローラ２６には、モード判別回路２５からの昇圧指示信号が入力され、これに応答して、検出電流が電流基準値設定器２８の設定値と一致するように、ＦＥＴ１がＤＵＴＹ制御される。ＦＥＴ２は同期整流用ＦＥＴとして、ＦＥＴ１と同時に導通しないように適度なデッドタイムを設けて制御される。その結果、ＦＥＴ１のスイッチングによりインダクタ２２に蓄積された電力がＦＥＴ２のオンに応じて放出され、これによって昇圧が行われる。

また、市街地走行などによりエンジンが暖気されてある程度の発電電圧が発生し、バッテリ電圧と発電電圧がほぼ同じ状態になった場合には、ＤＣ−ＤＣコンバータとしての主回路２１の作動を停止し、熱電素子１３をバッテリ３０に直結する。

すなわち、モード判別回路２５における比較の結果、熱電素子発電電圧がバッテリ電圧から所定範囲内である場合（すなわち、両者の差が所定の基準値ΔＶ以下である場合）には、モード判別回路２５の出力により、停止モードとして、スイッチＳＷ１，ＳＷ２において、いずれも端子１が選択される。その結果、熱電素子１３とバッテリ３０とが直結され、また主回路２１は動作されず休止状態となる。すなわち、停止モード時には、発電エネルギはＤＣ−ＤＣコンバータを介さずにバッテリ３０に直接供給される。

また、高速走行中などで発電電力が大きい場合には、発電電圧がバッテリ電圧を上回ることがある。この場合には、コンバータは降圧コンバータとして動作する。

すなわち、モード判別回路２５における比較の結果、熱電素子発電電圧がバッテリ電圧より高く且つ両者の差が所定値以上である場合には、降圧モードとして、スイッチＳＷ１，ＳＷ２において、いずれも端子２が選択される。その結果、主回路２１は逆方向に接続され、降圧コンバータとして動作する。

ＰＷＭコントローラ２６には、モード判別回路２５からの降圧指示信号が入力され、これに応答して、検出電流が電流基準値設定器２８の設定値と一致するように、ＦＥＴ２がＤＵＴＹ制御される。ＦＥＴ１は同期整流用ＦＥＴとして、ＦＥＴ２と同時に導通しないように適度なデッドタイムを設けて制御される。その結果、ＦＥＴ２のスイッチングによりインダクタ２２に蓄積された電力がＦＥＴ１のオンにより放出され、これによって降圧が行われる。なお、降圧モードでは、電流が昇圧モードの場合と逆向きであるため、極性が反転することになる。

図３は本実施形態におけるバッテリ電圧および熱電素子１３の発電電圧と、上述の各動作モードとの関係を概略的に表したグラフである。図示のとおり、熱電変換ユニット１０のＤＣ−ＤＣコンバータとしての動作は、バッテリ電圧が所定の下限値ＶＬと上限値ＶＨの間にある場合において行われる。また、バッテリ電圧が熱電素子発電電圧より高い領域では昇圧モードが選択され、逆に低い領域では降圧モードが選択される。そして、バッテリ電圧と熱電素子発電電圧とがほぼ等しい（両者の差が基準値ΔＶ以下である）領域では停止モードが選択され、これにより昇圧モードと降圧モードとの間に不感帯が形成されることになる。

以上詳述したとおり、本実施形態では、ＤＣ−ＤＣコンバータを含んだ電力変換装置２０を熱電素子１３の出力電圧を昇圧および降圧できるので、入力電圧範囲の拡大により、利用できるエネルギ量を増大することができる。

また本実施形態では、スイッチ回路４０の利用により、単一方向の変圧作用を行うコンバータ主回路２１を、正逆双方向の変圧に使用することができ、コストを抑制できる。

また本実施形態では、熱電素子１３の出力電圧がバッテリ３０の電圧から所定範囲内にあるときに、停止モードとして、スイッチ回路４０が熱電素子１３とバッテリ３０とを直結することとしたので、昇圧と降圧とが短時間のうちに繰り返されるような不安定な動作を回避できる。また、この場合、主回路２１を動作させる場合の内部損失の影響を受けないので、効率よく充電することができる。

なお、上記実施形態では主回路２１として同期整流チョッパ型のＤＣ−ＤＣコンバータを用いたが、本発明におけるＤＣ-ＤＣコンバータとしては、フライバック型など従来公知の他の各種の方式のものを用いることができる。また、本発明におけるヒートシンク１２・熱電素子１３・モード判別回路２５などの構成も、実施形態に示されたものに代えて種々のものを任意に採用することができる。

本発明の本実施形態の排熱発電装置の概略を示すブロック図である。熱電素子の要部を示す正面図である。本実施形態におけるバッテリ電圧および熱電素子の発電電圧と、各動作モードとの関係を概略的に表したグラフである。

符号の説明

１０熱電変換ユニット
２０電力変換装置
２１コンバータ主回路
２３，２４電圧検出回路
２５モード判別回路
２６ＰＷＭコントローラ
３０補機バッテリ
Ｌ１，Ｌ２排気管

Claims

エンジンの排熱を電力に変換する熱電素子と、前記熱電素子の出力電圧を変圧して出力するＤＣ−ＤＣコンバータと、を備えた排熱発電装置であって、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、単一方向の変圧作用を行うコンバータ主回路と、該コンバータ主回路を正方向または逆方向に選択的に接続するスイッチ回路と、前記熱電素子の発電電圧と前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力側に接続されたバッテリの電圧との比較結果に応じて前記スイッチ回路を制御するモード判別回路と、を備えたことを特徴とする排熱発電装置。
請求項１に記載の排熱発電装置であって、
前記スイッチ回路は前記熱電素子と前記バッテリとを直結可能とされており、前記モード判別回路は、前記熱電素子の出力電圧が前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力側に接続されたバッテリの電圧から所定範囲内にあるときには、前記スイッチ回路に前記熱電素子と前記バッテリとを直結させることを特徴とする排熱発電装置。