JP2005117824A - 蓄電装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】発電電圧の変動に対応して適切に蓄電可能な蓄電装置を提供すること。
【解決手段】熱電素子2の発電電圧Vaが所定の電圧値以上であるときにはDC−DCコンバータ3により昇圧された電力をバッテリ20に蓄電させる。一方、熱電素子2の発電電圧Vaが所定の電圧値以上でないときにはDC−DCコンバータ3により昇圧された電力をキャパシタ30に蓄電させる。そして、キャパシタ30に蓄電された電力は、DC−DCコンバータ3により昇圧してバッテリ20に蓄電させる。これにより、熱電素子2の発電電圧が低くバッテリ20に直接蓄電できない場合でもあってもキャパシタ30を介して蓄電することができ、熱電素子2の発電電力を効率よく蓄電することができる。
【選択図】 図1

Description

本発明は、熱電変換により発電した電力を蓄電する蓄電装置に関するものである。
従来、熱電変換により発電した電力を蓄電する蓄電装置として、特開2000−251947号公報に記載されるように、熱発電素子で発電した起電力を昇圧回路により昇圧し、コンデンサに一時的に蓄電した後、そのコンデンサから蓄電池に移動させて蓄電するものが知られている。この蓄電装置は、発電した電力をまずコンデンサに蓄電し、その後充電電流を大きくできない蓄電池に電力を移動し、蓄電池に十分に蓄電を行おうとするものである。
特開2000−251947号公報
上述した蓄電装置にあっては、熱発電素子の発電量の変動が大きい場合、適切な蓄電が行えないという問題点がある。すなわち、熱発電素子の発電量の変動が大きく、発電電圧が変動するような場合、発電電圧が低すぎると昇圧回路で昇圧しても蓄電可能な電圧レベルに達せず、蓄電が行えない。特に、車両の排ガスを熱源として熱電変換した電力を蓄電する場合、熱源の温度変動が大きく、発電電圧が大きく変動するため、発電電圧が低いときに蓄電が行えず、蓄電効率が低下する。
そこで本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、発電電圧の変動に対応して適切に蓄電可能な蓄電装置を提供することを目的とする。
すなわち、本発明に係る蓄電装置は、熱電変換手段により発電された電力の蓄電を行う蓄電装置において、熱電変換手段により発電された電力を昇圧する昇圧手段と、昇圧手段により昇圧された電力を蓄電する第一蓄電手段と、第一蓄電手段に対し低電圧の電力を蓄電可能な第二蓄電手段と、熱電変換手段の発電電圧が所定の電圧値以上であるときに昇圧手段により昇圧された電力を第一蓄電手段に蓄電させ、熱電変換手段の発電電圧が所定の電圧値以上でないときに昇圧手段により昇圧された電力を第二蓄電手段に蓄電させる蓄電制御手段とを備えたことを特徴とする。
この発明によれば、熱電素子の発電電圧が低く第一蓄電手段に蓄電できない場合であっても第二蓄電手段に蓄電することができる。このため、熱電素子の発電電圧が変動しても、熱電素子の発電電力を効率よく蓄電することができ、適切な蓄電が行える。
また本発明に係る蓄電装置は、前述の蓄電制御手段が、第二蓄電手段に蓄電された電力を昇圧手段によって昇圧し第一蓄電手段に蓄電させることを特徴とする。
この発明によれば、熱電変換手段により発電された電力を第一蓄電手段に適切に蓄電することができる。
また本発明に係る蓄電装置は、熱電変換手段により発電された電力の蓄電を行う蓄電装置において、熱電変換手段により発電された電力を昇圧する第一昇圧手段と、第一昇圧手段の出力側に接続される第二昇圧手段と、第一昇圧手段又は第二昇圧手段により出力される電力を蓄電する蓄電手段と、熱電変換手段の発電電圧が所定の電圧値以上であるときには第一昇圧手段及び第二昇圧手段のいずれか一方により発電電圧を昇圧させて蓄電手段に蓄電させ熱電変換手段の発電電圧が所定の電圧値以上でないときには第一昇圧手段及び第二昇圧手段の双方により順次発電電圧を昇圧させて蓄電手段に蓄電させる蓄電制御手段とを備えたことを特徴とする。
この発明によれば、熱電素子の発電電圧が低く一回のみの昇圧では蓄電手段の蓄電可電圧に達しない場合でもあっても、第一昇圧手段と第二昇圧手段で二回昇圧することにより蓄電手段に蓄電することができる。このため、熱電素子の発電電圧が変動しても、熱電素子の発電電力を効率よく蓄電することができ、適切な蓄電が行える。
また本発明に係る蓄電装置は、前述の熱電変換手段が車両に搭載されるエンジンの排気ガスの熱を用いて発電することを特徴とする。
この発明によれば、熱電変換手段の発電電圧が変動しやすいが、その発電電圧の変動に応じた適切な蓄電が行える。そして、電力回収が効率よく行え車両の燃費向上を図ることができる。
本発明によれば、発電電圧の変動に対応して適切に蓄電可能な蓄電装置を提供することができる。
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
(第一実施形態)
図1に本実施形態に係る蓄電装置の概略構成図を示す。
本実施形態に係る蓄電装置1は、エンジンの排気ガスGの熱を熱電素子2により熱電変換して得られた電力を蓄電する装置である。熱電素子2は、排気管4の近傍に配置され、排気管4を流れる排気ガスGの熱を熱電変換する熱電変換手段として機能する。この熱電素子2は、例えば加熱部と冷却部を有し、その加熱部と冷却部の温度差に応じて発電するものが用いられる。
蓄電装置1は、DC−DCコンバータ3を備えている。DC−DCコンバータ3は、熱電素子2により発電された電力の電圧Vaを昇圧する昇圧手段として機能するものであり、チョッパ型のものが用いられる。DC−DCコンバータ3の入力端子は、切替スイッチ11を介して熱電素子2及びキャパシタ30と接続されている。切替スイッチ11は、DC−DCコンバータ3の入力端子を熱電素子2及びキャパシタ30のいずれか一方に接続切替を行うスイッチである。
DC−DCコンバータの出力端子は、切替スイッチ12を介してバッテリ20及びキャパシタ30と接続されている。切替スイッチ12は、DC−DCコンバータ3の出力端子をバッテリ20及びキャパシタ30のいずれか一方に接続切替を行うスイッチである。
バッテリ20は、熱電素子2により発電された電力を蓄電する第一蓄電手段として機能するものであり、例えば充放電可能な二次電池が用いられる。キャパシタ30は、熱電素子2により発電された電力を蓄電する第二蓄電手段として機能するものであり、バッテリ20よりも低電圧の電力を蓄電可能なものが用いられる。例えば、このキャパシタ30としては、電気二重層コンデンサが用いられる。
蓄電装置1は、制御器10を備えている。制御器10は、蓄電装置1全体の制御を行うものであり、例えばCPU、ROM、RAMを含むコンピュータを主体として構成されており、蓄電制御手段として機能する。制御器10は、熱電素子2の出力端子に接続され、熱電素子2の発電電圧Vaを入力する。制御器10は、切替スイッチ11及び切替スイッチ12に接続され、切替スイッチ11及び切替スイッチ12にそれぞれ切替制御信号を出力する。制御器10は、DC−DCコンバータ3に接続され、DC−DCコンバータ3に対し作動制御信号を出力する。制御器10は、バッテリ20及びキャパシタ30に接続され、バッテリ20及びキャパシタ30のそれぞれの蓄電電圧を入力する。
次に、本実施形態に係る蓄電装置1の動作について説明する。
図1において、車両のエンジンの駆動により排気管4に排気ガスGが流通すると、排気ガスGの熱エネルギにより排気管4が高温状態となる。これにより、熱電素子2の加熱部が加熱されて、加熱部と冷却部に大きな温度差が生じ、この温度差に応じて熱電素子2が発電する。ここで、制御器10は、熱電素子2の発電電圧Vaを検出し、その発電電圧Vaに基づいて切替スイッチ11、12に切替制御信号を出力する。
例えば、制御器10は、発電電圧Vaが予め設定される所定の電圧値V1以上か否かを判断し、発電電圧Vaが電圧値V1以上でない場合には、DC−DCコンバータ3の入力端子が熱電素子2に接続されるように切替スイッチ11に対して切替制御信号を出力し、DC−DCコンバータ3の出力端子がキャパシタ30に接続されるように切替スイッチ12に対して切替制御信号を出力する。
一方、制御器10は、発電電圧Vaが電圧値V1以上である場合には、DC−DCコンバータ3の入力端子が熱電素子2に接続されるように切替スイッチ11に対して切替制御信号を出力し、DC−DCコンバータ3の出力端子がバッテリ20に接続されるように切替スイッチ12に対して切替制御信号を出力する。
電圧値V1は、バッテリ20の蓄電可能電圧値に基づき制御器10に予め設定されている。例えばバッテリ20が定格14Vのものである場合、蓄電可能電圧値が14Vとして、電圧値V1は16V程度に設定される。
一方、熱電素子2の発電時において、制御器10は、熱電素子2の発電電圧Vaに基づいてDC−DCコンバータ3の昇圧目標電圧を設定し、DC−DCコンバータ3の出力電圧が昇圧目標電圧になるようにDC−DCコンバータ3に対し作動制御信号を出力する。これにより、DC−DCコンバータ3に入力された発電電圧Vaは、DC−DCコンバータ3により昇圧され、バッテリ20又はキャパシタ30のいずれかに蓄電される。
その際、発電電圧Vaが所定電圧値V1以上である場合にはバッテリ20に蓄電が行われ、発電電圧Vaが所定電圧値V1以上でない場合にはキャパシタ30に蓄電が行われる。
そして、アイドリング時などエンジンが低回転で低負荷の際には、熱電素子2の発電量が低下する。このとき、キャパシタ30に蓄電されている電力は、昇圧されてバッテリ20に蓄電される。すなわち、制御器10は、DC−DCコンバータ3の入力端子がキャパシタ30に接続されるように切替スイッチ11に対して切替制御信号を出力し、DC−DCコンバータ3の出力端子がバッテリ20に接続されるように切替スイッチ12に対して切替制御信号を出力する。
また、制御器10は、バッテリ20の蓄電可能電圧を超えるようにDC−DCコンバータ3の昇圧目標電圧を設定し、DC−DCコンバータ3の出力電圧が昇圧目標電圧になるようにDC−DCコンバータ3に対して作動制御信号を出力する。これにより、キャパシタ30に蓄電された電力がDC−DCコンバータ3により昇圧されバッテリ20に電送され蓄電される。なお、バッテリ20に蓄電する際に、バッテリ20が十分に蓄電されている場合には、過充電を避けるため、キャパシタ30からの電力電送を停止する。
以上のように、本実施形態に係る蓄電装置1によれば、発電電圧Vaが所定電圧値V1以上である場合にはバッテリ20に蓄電を行い、発電電圧Vaが所定電圧値V1以上でない場合にはキャパシタ30に蓄電を行う。このような蓄電を行うことにより、熱電素子2の発電電圧Vaが低くバッテリ20に蓄電できない場合であってもキャパシタ30に蓄電することができる。このため、熱電素子2の発電電圧Vaが変動しても、熱電素子2の発電電力を効率よく蓄電することができ、適切な蓄電が行える。
また、キャパシタ30に蓄電された電力をDC−DCコンバータ3を用いて昇圧し、バッテリ30に蓄電することができ、熱電素子2で発電した電力をバッテリ20に適切に蓄電することできる。
特にエンジンの排気ガスの熱を用いて発電する場合に有効である。すなわち、熱電素子2の発電電圧が変動しやすいが、その発電電圧の変動に応じた適切な蓄電が行える。そして、電力回収が効率よく行え車両の燃費向上を図ることができる。
(第二実施形態)
次に第二実施形態に係る蓄電装置について説明する。
図2に本実施形態に係る蓄電装置の構成概要図を示す。図2に示すように、本実施形態に係る蓄電装置1aは、第一実施形態に係る蓄電装置1と同様に、エンジンの排気ガスGの熱を熱電素子2により熱電変換して得られた電力を蓄電する装置である。熱電素子2は、排気管4に取り付けられている。熱電素子2は、排気ガスGの熱エネルギを電気エネルギに熱電変換する熱電変換手段として機能するものであり、加熱部と冷却部を有し、その加熱部と冷却部の温度差に応じて発電する。熱電素子2は、排気管4側に加熱部を向け、クーラ5側に冷却部を向けて配設されている。
排気管4は、熱電素子2を加熱する熱源であり、排気ガスGの流通により高温状態となる。排気管4における熱電素子2の取付部分には、集熱部4aを設けることが好ましい。例えば、排気管4における熱電素子2の取付部分の内部にフィン、ハニカム状等の多孔部材など表面積を大きくする集熱部4aが設けられる。このような集熱部4aを設けることにより、排気ガスGの熱を効率よく集めることができる。
クーラ5は、冷却水Wによって冷却する水冷式の冷却手段である。なお、熱電素子2を冷却する冷却手段としては、水冷式のクーラ5に限られるものではなく、熱電素子2を冷却可能なものであればいずれのものを用いてもよい。
蓄電装置1aは、第一DC−DCコンバータ3aと第二DC−DCコンバータ3bを備えている。第一DC−DCコンバータ3aは、熱電素子2により発電された電力を昇圧する第一昇圧手段として機能するものであり、チョッパ型のものが用いられる。第二DC−DCコンバータ3bは、第一DC−DCコンバータ3aの出力側に接続される第二昇圧手段であり、チョッパ型のものが用いられる。
蓄電装置1aは、切替スイッチ13及び切替スイッチ14を備えている。切替スイッチ13は、熱電素子2の出力側に接続され、その切替により熱電素子2の発電電力を第一DC−DCコンバータ3aに入力させ又は切替スイッチ14を介して第二DC−DCコンバータ3bに入力させる。切替スイッチ14は、第二DC−DCコンバータ3bの入力側に接続され、その切替により第一DC−DCコンバータ3aで昇圧される電力又は切替スイッチ13を介して送電される熱電素子2の発電電力を第二DC−DCコンバータ3bに入力させる。
第二DC−DCコンバータ3bの出力側にはバッテリ20が接続されている。バッテリ20は、熱電素子2により発電された電力を蓄電する蓄電手段として機能するものであり、例えば充放電可能な二次電池が用いられる。
蓄電装置1aは、制御器10を備えている。制御器10は、蓄電装置1全体の制御を行うものであり、例えばCPU、ROM、RAMを含むコンピュータを主体として構成されており、蓄電制御手段として機能する。制御器10は、熱電素子2の出力端子に接続され、熱電素子2の発電電圧Vaを入力する。制御器10は、切替スイッチ13及び切替スイッチ14に接続され、切替スイッチ13及び切替スイッチ14にそれぞれ切替制御信号を出力する。制御器10は、第一DC−DCコンバータ3a及び第二DC−DCコンバータ3bにそれぞれ接続され、第一DC−DCコンバータ3a及び第二DC−DCコンバータ3bに対しそれぞれ作動制御信号を出力する。制御器10は、バッテリ20に接続され、バッテリ20の蓄電電圧を入力する。
次に、本実施形態に係る蓄電装置1aの動作について説明する。
図2において、車両のエンジンの駆動により排気管4に排気ガスGが流通すると、排気ガスGの熱エネルギにより排気管4が高温状態となる。一方、クーラ5には冷却水Wが流れており、低温状態となっている。このため、排気管4により熱電素子2の加熱部が加熱され、クーラ5により熱電素子2の冷却部が冷却される。
これにより、熱電素子2の加熱部と冷却部に大きな温度差が生じ、この温度差に応じて熱電素子2が発電する。ここで、制御器10は、熱電素子2の発電電圧Vaを検出し、その発電電圧Vaに基づいて切替スイッチ13、14に切替制御信号を出力する。
例えば、制御器10は、発電電圧Vaが予め設定される所定の電圧値V2以上か否かを判断し、発電電圧Vaが電圧値V2以上である場合には、熱電素子2の発電電力が直接第二DC−DCコンバータ3bに入力されるように、切替スイッチ13及び切替スイッチ14に対して切替制御信号を出力する。これにより、熱電素子2の発電電力は、切替スイッチ13、14を介して、第一DC−DCコンバータ3aを経ることなく、第二DC−DCコンバータ3bに直接入力される。
一方、発電電圧Vaが電圧値V2以上でない場合には、制御器10は、熱電素子2の発電電力が第一DC−DCコンバータ3aに入力されるように切替スイッチ13に対して切替制御信号を出力すると共に、第一DC−DCコンバータ3aの出力が第二DC−DCコンバータ3bに入力されるように切替スイッチ14に対して切替制御信号を出力する。
電圧値V2は、第二DC−DCコンバータ3bの昇圧能力及びバッテリ20の蓄電可能電圧値に基づいて設定される。例えば、第二DC−DCコンバータ3bが入力電圧に対して3倍の電圧で出力でき、バッテリ20の蓄電可能電圧値が14Vである場合、電圧値V2は5V程度に設定される。このような設定により、熱電素子2の発電電圧Vaが電圧値V2以上のときには第二DC−DCコンバータ3bで発電電圧Vaを直接昇圧してもバッテリ20の蓄電可能電圧値以上の電圧で蓄電が可能となる。
一方、制御器10は、熱電素子2の発電電圧Vaに基づいて第一DC−DCコンバータ3a、第二DC−DCコンバータ3bの昇圧目標電圧を設定し、第一DC−DCコンバータ3a、第二DC−DCコンバータ3bの出力電圧が昇圧目標電圧になるように第一DC−DCコンバータ3a、第二DC−DCコンバータ3bに対し作動制御信号を出力する。
すなわち、制御器10は、熱電素子2の発電電圧Vaが電圧値V2以上である場合には、第二DC−DCコンバータ3bの昇圧目標電圧を設定し、第二DC−DCコンバータ3bのみに対しそれぞれ作動制御信号を出力する。このとき、例えば第二DC−DCコンバータ3aの昇圧目標電圧は15Vに設定される。これに対し、熱電素子2の発電電圧Vaが電圧値V2以上でない場合には、制御器10は、第一DC−DCコンバータ3a及び第二DC−DCコンバータ3bにそれぞれ昇圧目標電圧を設定し、第一DC−DCコンバータ3a及び第二DC−DCコンバータ3bに対しそれぞれ作動制御信号を出力する。このとき、例えば第一DC−DCコンバータ3aの昇圧目標電圧は5Vに設定され、第二DC−DCコンバータ3bの昇圧目標電圧は15Vに設定される。
このように熱電素子2の発電電圧Vaに応じて、切替スイッチ13及び切替スイッチ14の切替制御を行い、第一DC−DCコンバータ3a及び第二DC−DCコンバータ3bの作動制御を行うことにより、熱電素子2の発電電圧Vaが設定電圧値Va以上であるときには第二DC−DCコンバータ3bのみで発電電圧Vaを昇圧してバッテリ20に蓄電し、熱電素子2の発電電圧Vaが設定電圧値Va以上でないときには第一DC−DCコンバータ3aで発電電圧Vaを昇圧した後、第二DC−DCコンバータ3bでさらに昇圧してバッテリ20に蓄電することができる。
このため、熱電素子2の発電電圧Vaが変動しても、熱電素子2の発電電力をバッテリ20に適切に蓄電することができ、蓄電効率の向上が図れる。特にエンジンの排気ガスの熱を用いて発電する場合に有効である。すなわち、熱電素子2の発電電圧が変動しやすいが、その発電電圧の変動に応じた適切な蓄電が行える。そして、電力回収が効率よく行え車両の燃費向上を図ることができる。
なお、上述した第二実施形態に係る蓄電装置1aでは、熱電素子2の発電電圧Vaが所定の電圧値V2以上である場合に第二DC−DCコンバータ3bでのみ昇圧して蓄電する場合について説明したが、第一DC−DCコンバータ3aでのみ昇圧して蓄電する場合であってもよい。この場合でも、本実施形態に係る蓄電装置1aと同様な作用効果が得られる。
また、上述した各実施形態では、エンジンの排気ガスの熱を用いて発電した電力を蓄電する蓄電装置について説明したが、本発明に係る蓄電装置はそのようなものに限られるものではなく、熱電変換手段により発電された電力の蓄電を行う蓄電装置であればその他の熱源を用いて発電された電力を蓄電するものであってもよい。
また、上述した各本実施形態では、昇圧手段がDC−DCコンバータである場合について説明したが、本発明に係る蓄電装置はそのようなものに限られるものではなく、昇圧手段がDC−DCコンバータ以外のものである場合であってもよい。
本発明の第一実施形態に係る蓄電装置の構成概要図である。 第二実施形態に係る蓄電装置の構成概要図である。
符号の説明
1…蓄電装置、2…熱電素子(熱電変換手段)、3…DC−DCコンバータ(昇圧手段)、4…排気管、11…切替スイッチ、12…切替スイッチ、10…制御器、20…バッテリ(第一蓄電手段)、30…キャパシタ(第二蓄電手段)、G…排気ガス。

Claims (4)

  1. 熱電変換手段により発電された電力の蓄電を行う蓄電装置において、
    前記熱電変換手段により発電された電力を昇圧する昇圧手段と、
    前記昇圧手段により昇圧された電力を蓄電する第一蓄電手段と、
    前記第一蓄電手段に対し低電圧の電力を蓄電可能な第二蓄電手段と、
    前記熱電変換手段の発電電圧が所定の電圧値以上であるときに前記昇圧手段により昇圧された電力を前記第一蓄電手段に蓄電させ、前記熱電変換手段の発電電圧が所定の電圧値以上でないときに前記昇圧手段により昇圧された電力を前記第二蓄電手段に蓄電させる蓄電制御手段と、
    を備えたことを特徴とする蓄電装置。
  2. 前記蓄電制御手段は、前記第二蓄電手段に蓄電された電力を前記昇圧手段によって昇圧し前記第一蓄電手段に蓄電させることを特徴とする請求項1に記載の蓄電装置。
  3. 熱電変換手段により発電された電力の蓄電を行う蓄電装置において、
    前記熱電変換手段により発電された電力を昇圧する第一昇圧手段と、
    前記第一昇圧手段の出力側に接続される第二昇圧手段と、
    前記第一昇圧手段又は前記第二昇圧手段により出力される電力を蓄電する蓄電手段と、
    前記熱電変換手段の発電電圧が所定の電圧値以上であるときには前記第一昇圧手段及び前記第二昇圧手段のいずれか一方により前記発電電圧を昇圧させて前記蓄電手段に蓄電させ、前記熱電変換手段の発電電圧が所定の電圧値以上でないときには前記第一昇圧手段及び前記第二昇圧手段の双方により順次前記発電電圧を昇圧させて前記蓄電手段に蓄電させる蓄電制御手段と、
    を備えたことを特徴とする蓄電装置。
  4. 前記熱電変換手段が車両に搭載されるエンジンの排気ガスの熱を用いて発電することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の蓄電装置。
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