JP2007097335A - 電源回路 - Google Patents

Abstract

【課題】熱電変換素子と二次電池の出力を併給する電源回路において、熱電変換素子の駆動効率を向上する。
【解決手段】出力電圧制御回路５は出力電流Ｉｏｕｔ（ＴＧ）や出力電圧Ｐｏｕｔ（ＴＧ）から出力電力Ｐｏｕｔ（ＴＧ）を演算する。出力電圧設定値Ｖ１をわずかに変動させる。電圧変換回路２−１の出力Ｐｏｕｔ（ＴＧ）が変動する。この結果をみながら出力電力Ｐｏｕｔ（ＴＧ）が増大する方向に出力電圧設定値Ｖ１を変動させ続ける。出力電力Ｐｏｕｔ（ＴＧ）は熱電変換素子の出力特性曲線の最大値の近傍に整定される。以上の出力電圧設定値Ｖ１の調整を継続することにより特性曲線の変動に追従した制御を行うことができる。
【選択図】図３

Description

この発明は、熱電変換素子と二次電池を組み合わせた電源回路に関し、特に熱電変換素子の駆動効率を向上した技術に関するものである。

一般に熱電変換素子を用いて発電し、外部に電源として供給する電源回路がある。熱電変換素子は、発電能力が外部の温度環境等に依存する不安定要素を有し、しかも立ち上がりの際、素子内部に熱が伝導して温度が安定するまでの過渡期間、十分な発電能力を得られないといった過渡的な不安定要素もある。

従来、この種の回路において二次電池の出力を併給する形態をとることにより、熱電変換素子の出力を補償して安定させる技術が提供されている。この種の従来の技術には、特許文献１〜３に記載されるものがある。
特開平１１−２８８３１９号公報 特開２００３−１３４８０１号公報 特開平８−１１４３２２号公報

上記の熱電変換素子の制御では、外部の温度環境等や素子内部への熱の伝導の度合といった不安定要素により電圧／電流特性が変動し、しかも二次電池との負荷分担や二次電池への充電電流の供給などが関係してくるため、熱電変換素子が最大発電能力を発揮する条件を維持するような制御は難度が高いという問題があった。

この発明は、このような事情に鑑み、熱電変換素子と二次電池の出力を併給する電源回路において、熱電変換素子の駆動効率を向上した技術を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために請求項１記載の発明は、熱電変換素子と、該熱電変換素子の出力を所定の電圧に変換する第１の電圧変換回路と、前記熱電変換素子の出力により充電される二次電池と、該二次電池の出力を所定の電圧に変換する第２の電圧変換回路とを備え、第１および第２の電圧変換回路の出力を加算し電源として外部に供給する電源回路であって、
前記第１の電圧変換回路の出力電圧および出力電流を検出する検出手段と、
検出した出力電圧および出力電流から出力電力を求める電力演算手段と、
求めた出力電力を増加するように、第１および第２の電圧変換回路の少なくとも一方の出力電圧を制御する制御手段と
を備えたことを特徴とする電源回路を提供する。

また請求項２記載の発明は、請求項１記載の電源回路において、
前記求めた出力電力を用いて所定の判定基準に従って、前記熱電変換素子の発電能力が余剰状態にあることを判別する判別手段と、
前記熱電変換素子の発電能力が余剰状態にあるときに前記二次電池の充電を許容し、前記第１の電圧変換回路の出力電圧が降下しない範囲で前記二次電池の充電電流を制御する充電制御手段と
を備えたことを特徴とする電源回路を提供する。

一般に熱電変換素子は、ＰＮ結合部の温度差や負荷によって発電電圧や電流、電力が変動するという特徴がある。
図１は、熱電変換素子の特性を示すグラフであり、横軸は熱電変換素子の電圧値、左縦軸は発電値、右縦軸は電流値を示す。同図において、曲線は電力値−電圧値を示し、直線は電流値−電圧値を示す。同図中には、温度差の異なる３条件に対する発電特性のラインを表示している。同図から判るように熱電変換素子は、最大起電圧値の１／２の電圧値で駆動しているときに最大電力で発電を行う。この最大電力の値を最大発電能力と呼ぶことにする。

図２は、熱電変換素子の内部抵抗と負荷抵抗の関係を示すグラフであり、横軸は熱電変換素子の内部抵抗Ｒｅと負荷抵抗ＲＬの比ＲＬ／Ｒｅ、縦軸は電力値Ｐと最大発電能力Ｐｍａｘの比Ｐ／Ｐｍａｘを示す。同図から分かるように内部抵抗Ｒｅが負荷抵抗ＲＬと等しい時に最大発電能力Ｐｍａｘを出力できるが、内部抵抗Ｒｅと負荷抵抗ＲＬが異なると発電値は小さくなる。

以上を前提にして説明すると、請求項１記載の発明によれば、熱電変換素子の出力を変換する第１の電圧変換回路の出力電力を演算し、この出力電力の増加制御をもって第１の電圧変換回路の出力電圧を制御することにより、熱電変換素子の出力電力を図１に示す特性曲線上で変化させて最大発電能力の方向に制御することができる。しかも、熱電変換素子の出力電力が上記の特性曲線上の最大値近傍に到達した後もかかる制御を継続することにより、熱電変換素子の特性自体の変動に追従した制御を行うことができ、熱電変換素子を常に最大発電能力近傍で駆動できる効果がある。

また第１の電圧変換回路の出力電圧の代わりに、二次電池の出力を変換する電圧変換回路の出力電圧を操作の対象としても、熱電変換素子側と二次電池側との負荷分担が変化して熱電変換素子の出力電圧が図１の特性曲線上で変化するので、同様の効果を奏する。

また請求項２記載の発明によれば、熱電変換素子の発電能力が余剰状態にあるときに二次電池の充電を許容することにより、二次電池の充電は熱電変換素子の出力に余裕のある状態のときに限定して行うことができる。しかも第１の電圧変換回路の出力電圧が降下しない範囲で二次電池の充電電流を制御することにより、二次電池への充電電力を供給したために負荷への出力電力が不足する事態を回避して安定した電源供給動作を維持しつつ、熱電変換素子の発電能力の余剰分を効率的に取り出して充電に当てることができる。

以下、図面を用いてこの発明の実施の形態について説明する。
図３は、この発明の第１の実施の形態に係る電源回路の概略を示すブロック図である。同図において、熱電変換素子１は、熱電変換により発電を行う素子である。電圧変換回路２−１は、たとえばフォワード方式のＤＣ／ＤＣコンバータであり、熱電変換素子１の出力が入力電圧として与えられ、電圧変換して出力するものである。Ｉ・Ｖセンサ３−１は、電圧変換回路２−１の出力電圧Ｖｏｕｔ（ＴＧ）および出力電流Ｉｏｕｔ（ＴＧ）を検出するものである。

二次電池４は、熱電変換素子１の出力が低いときに電源出力を補償するものである。電圧変換回路２−２は、電圧変換回路２−１と同様にたとえばフォワード型のＤＣ／ＤＣコンバータであり、二次電池４の出力が入力電圧として与えられ、電圧変換して出力するものである。Ｉ・Ｖセンサ３−２は、電圧変換回路２−２の出力電圧Ｖｏｕｔ（Ｂａ）および出力電流Ｉｏｕｔ（Ｂａ）を検出するものである。

出力電圧制御回路５は、Ｉ・Ｖセンサ３−１，３−２が検出する出力電流Ｉｏｕｔ（ＴＧ），Ｉｏｕｔ（Ｂａ）や出力電圧Ｖｏｕｔ（ＴＧ），Ｖｏｕｔ（Ｂａ）を入力とし、所定の演算を行って電圧変換回路２−１，２−２に出力電圧設定値Ｖ１，Ｖ２を指示するものである。電圧変換回路２−１，２−２は、フォワード方式など各種の方式のものを採用できる。電圧変換回路２−１，２−２の出力は、出力点Ｏにおいて加算されて電源回路の出力として負荷６に供給される。負荷６に出力する定格電源電圧Ｖｌｏａｄは予め定められており、電圧変換回路２−１，２−２の負荷分担は変動するが、出力点Ｏにおける電圧は定格電源電圧Ｖｌｏａｄに定電圧制御される。

図４は、この電源回路の理想的な制御パターンを示すタイムチャートである。同図において、実線は熱電変換素子の出力電力Ｐｏｕｔを示し、破線は負荷が必要とする電力Ｐｌｏａｄを示し、説明の便宜上、熱電変換素子は常に最大発電能力Ｐｍａｘを発揮するように制御され、電圧変換回路も変換効率１００％をもって稼働するものとする。熱電変換素子の出力電力Ｐｏｕｔはリニアに増加し、１５分で負荷が必要とする電力Ｐｌｏａｄに到達すると共に、３０分で定常状態に到達して安定するものとする。１５分までは熱電変換素子の出力は不足しており、それ以降は余剰発電状態となっている。

この場合、理想的な制御としては、１５分までは熱電変換素子の最大発電能力Ｐｏｕｔを１００％負荷に供給する（エリア２）と共に、不足分を二次電池から供給する（エリア１）。１５分経過後は、負荷が必要とする電力Ｐｌｏａｄを熱電変換素子の出力から１００％供給する（エリア３）と共に、熱電変換素子の出力のうちの余剰電力（エリア４）を用いて二次電池を充電する。

この制御パターンを前提として動作するように、図３に示す電源回路は制御される。図３に戻って、かかる動作について説明する。出力電圧制御回路５は、立ち上がり時、電圧変換回路２−１，２−２の出力電圧設定値Ｖ１，Ｖ２を定格電源電圧Ｖｌｏａｄとする。このとき、初期状態において、電圧変換回路２−１，２−２の内部特性や回路上の寄生抵抗などの回路固有の特性が原因で、電圧変換回路２−１の出力電力Ｐｏｕｔ（ＴＧ）、電圧変換回路２−２の出力電力Ｐｏｕｔ（Ｂａ）がどのような比率となるかは一意には決まらない。

出力電圧制御回路５は、Ｉ・Ｖセンサ３−１，３−２が検出する出力電流Ｉｏｕｔ（ＴＧ），Ｉｏｕｔ（Ｂａ）や出力電圧Ｖｏｕｔ（ＴＧ），Ｖｏｕｔ（Ｂａ）を読みとった後、電圧変換回路２−１，２−２の出力電力Ｐｏｕｔ（ＴＧ）あるいはＰｏｕｔ（Ｂａ）を演算し、電圧変換回路２−１の出力電圧設定値Ｖ１を初期の値Ｖｌｏａｄから、僅少な電圧変動幅として予め設定された所定の値だけ変動させる。この変動方向の初期値は＋方向でも−方向でも構わない。変動の結果、電圧変換回路２−１の出力電力Ｐｏｕｔ（ＴＧ）が増大するか減少するかを判別し、出力電力Ｐｏｕｔ（ＴＧ）が増大する方向を選択する。すなわち、出力電力Ｐｏｕｔ（ＴＧ）の増大が確認されたら、同じ方向に出力電圧設定値Ｖ１を変動させていく。もし出力電圧設定値Ｖ１の減少が確認されたら、逆方向を選択して出力電圧設定値Ｖ１を変動させていく。

このようにして出力電圧設定値Ｖ１をわずかずつ調整することにより出力電力Ｐｏｕｔ（ＴＧ）が増大する方向に制御し、出力電力Ｐｏｕｔ（ＴＧ）が特性曲線（図１参照）の最大値近傍となる出力電圧設定値Ｖ１，Ｖ２の組み合わせに設定する。上記の特性曲線は熱電変換素子１の温度的な条件等により変動するが、出力電力Ｐｏｕｔ（ＴＧ）が最大値近傍に達した後も出力電圧設定値Ｖ１の調整を継続することにより、特性曲線の変動に追従した制御を行うことができる。したがって熱電変換素子１の出力電力の立ち上がり時の特性が改善され、負荷が必要とする電力Ｐｌｏａｄに短時間で到達するようになる。それゆえ二次電池の容量も小さくて済む。

上記の説明では、出力電圧設定値Ｖ１を調整の対象とする形態について説明したが、出力電圧設定値Ｖ２を調整の対象とする形態をとることも可能である。つまり、電圧変換回路２−１，２−２間の負荷分担率は出力電圧設定値Ｖ１，Ｖ２の組み合わせで決定され、この負荷分担率が変動するに従って熱電変換素子１の出力も変動するからである。また、電圧変換回路２−１，２−２の出力電圧設定値Ｖ１，Ｖ２の両方を調節の対象とする形態をとることもできる。この場合、出力電圧設定値Ｖ１を＋方向に調整しているときは、出力電圧設定値Ｖ２はその反対方向の−方向に調整するというように、変動の方向はＶ１とＶ２で逆となる。

次に図５を用いて第２の実施の形態について説明する。
図５は、この発明の第２の実施の形態に係る電源回路の概略を示すブロック図である。同図において、図３と同様の部分は同一の符号を付して説明を省略する。図５に示すように、この電源回路は、電圧変換回路２−２の出力段にスイッチング回路７を設けている。このスイッチング回路７は、単位時間における通電状態／未通電状態を切り替え、電圧変換回路２−２の出力電力Ｐｏｕｔ（Ｂａ）の出力点Ｏへの供給を制御するものである。通電時間制御回路８は、出力電圧制御回路５の代替として設けられる回路であり、Ｉ・Ｖセンサ３−１，３−２が出力する出力電流Ｉｏｕｔ（ＴＧ），Ｉｏｕｔ（Ｂａ）や出力電圧Ｖｏｕｔ（ＴＧ），Ｖｏｕｔ（Ｂａ）を入力とし、所定の演算を行ってスイッチング回路７に通電時間設定値Ｒｔを出力するものである。この通電時間設定値Ｒｔは、単位期間における通電時間の割合（ＤＵＴＹ ＣＹＣＬＥ）を示すものである。

通電時間制御回路８は、出力電圧制御回路５と同様に、Ｉ・Ｖセンサ３−１，３−２が検出する出力電流Ｉｏｕｔ（ＴＧ），Ｉｏｕｔ（Ｂａ）や出力電圧Ｖｏｕｔ（ＴＧ），Ｖｏｕｔ（Ｂａ）を読みとった後、電圧変換回路２−１の出力電力Ｐｏｕｔ（ＴＧ）を演算し、通電時間指示Ｒｔをわずかずつ変動させて、出力電力Ｐｏｕｔ（ＴＧ）が増大するように制御する。第２の実施の形態では、電圧変換回路２−２としてＤＣ−ＤＣコンバータ等よりも簡素な構成の昇圧回路を使用することができ、スイッチング回路７により電圧変換回路２−２の出力を調整することにより、第１の実施の形態と同様の動作を行うことができる。

次に図６を用いてこの発明の第３の実施の形態について説明する。
図６は、この発明の第３の実施の形態に係る電源回路の概略を示すブロック図である。同図において、図３と同様の部分は同一の符号を付して説明を省略する。図６に示すように、この電源回路は、熱電変換素子１の出力段に充電制御回路９を設けている。この充電制御回路９は、熱電変換素子１の出力を用いて二次電池４の充電を行う回路であり、充電電流指示に従って充電電流Ｉｃを制御しながら充電を行うものである。出力電圧制御回路５は、この実施の形態では、前述のように出力電圧設定値Ｖ１（あるいは出力電圧設定値Ｖ２）の出力を行う他、充電制御回路９に対し充電電流指示の出力を行う。

出力電圧制御回路５は、Ｉ・Ｖセンサ３−１，３−２が検出する出力電流Ｉｏｕｔ（ＴＧ），Ｉｏｕｔ（Ｂａ）や出力電圧Ｖｏｕｔ（ＴＧ），Ｖｏｕｔ（Ｂａ）を読みとった後、所定の演算を行い、熱電変換素子１が余剰発電状態にあり、負荷６への電力の供給が実質的に熱電変換素子１側のみで行われている状態であるか否かを判定する。この判定は、たとえば電圧変換回路２−１，２−２の出力電力Ｐｏｕｔ（ＴＧ），Ｐｏｕｔ（Ｂａ）の比率が１００％出力電力Ｐｏｕｔ（ＴＧ）側となることを判定基準にする形態をとることができる。なお比率１００％に該当するか否かは、検出誤差等を考慮して閾値を適宜設けて弁別する等の手法をとることができる。

熱電変換素子１が余剰発電状態であると判定すると出力電圧制御回路５は、充電電流指示の出力を開始し、充電制御回路９の充電動作を開始させる。充電電流Ｉｃの初期値はあまり大きすぎない範囲で適宜設定すればよい。充電開始後、出力電圧制御回路５は出力電圧Ｖｏｕｔ（ＴＧ）を監視する。そして出力電圧Ｖｏｕｔ（ＴＧ）が降下しないなら充電電流Ｉｃを増大方向に制御し、出力電圧Ｖｏｕｔ（ＴＧ）の降下が検出されると充電電流Ｉｃを減少方向に制御する。この制御を継続することにより、二次電池４の充電を熱電変換素子１の余剰発電電力のみによって行うことができ、二次電池４の充電により負荷６への出力が不足する事態を回避することができる。しかも、出力電圧制御回路５により熱電変換素子１の出力電力を最大値近傍に維持する制御との相乗効果によって、定常的な出力電力レベルを超えて最大発電能力に見合った出力を熱電変換素子１から取り出したうえで充電を行うので充電時間を短縮できる利点がある。

この実施の形態では、出力電圧制御回路５が充電制御回路９への充電電流指示を生成する形態を示したが、充電制御回路９が出力電流Ｉｏｕｔ（ＴＧ），Ｉｏｕｔ（Ｂａ）や出力電圧Ｖｏｕｔ（ＴＧ），Ｖｏｕｔ（Ｂａ）をＩ・Ｖセンサ３−１，３−２から直接取り込んで同様の制御を行う形態をとることもできる。

ここで、この発明の実施例について説明する。
第１の実施例に係る電源回路は図３に示す回路構成とし、熱電変換素子１はビスマス（Ｂｉ）・テルル（Ｔｅ）系の熱電半導体を複数配列して構成されるモジュール、二次電池４は定格電圧４Ｖ、容量１ＡＨのリチウムイオン電池、負荷６は定格電圧１２Ｖ、定格電流０．３Ａの冷却ファン、電圧変換回路２−１，２−２は入力電圧・出力電圧共に３〜２８ＶのＤＣ−ＤＣコンバータを使用した。出力電圧制御回路５は出力電圧設定値Ｖ１のみを調整対象とした。また比較例として、図７に示す回路構成の電源回路を同じ部品を用いて組んで使用した。図７は、比較例に係る電源回路の概略を示すブロック図である。

上記の第１の実施例および比較例に係る回路を使用し、熱電変換素子１の片側を５０°Ｃに保ったままで、反対側を５０°Ｃから２３０°Ｃまで６０分かけて温度上昇させた。その後は、２３０°Ｃの温度を維持し続けた。このときの結果を図８，９に示す。図８はこの発明の第１の実施例に係る回路の出力特性を示すグラフ、図９は比較例に係る回路の出力特性を示すグラフである。これらの図において実線は熱電変換素子の最大発電能力Ｐｍａｘ、破線は負荷が必要とする電力Ｐｌｏａｄ、一点鎖線は電圧変換回路の出力電力Ｐｏｕｔ（ＴＧ）を示す。なお、電力Ｐｌｏａｄと出力電力Ｐｏｕｔ（ＴＧ）の差分の電力は、二次電池から供給されている。これらの図から判るように、この実施例では出力電力Ｐｏｕｔ（ＴＧ）の立ち上がりが大幅に改善され、最大発電能力Ｐｍａｘに良好に追従している様子が観察された。

また第２の実施例は図５に示す回路構成をとり、構成部品は第１の実施例と同じものを使用した。温度プロファイルも第１の実施例と同じとした。この結果を図１０に示す。図１０は、この発明の第２の実施例に係る回路の出力特性を示す。同図から判るように、第１の実施例よりも出力電力Ｐｏｕｔ（ＴＧ）の立ち上がりがなだらかであるが、比較例の結果（図９）と比較すると、熱電変換素子１の発電能力がより発揮され、出力電力Ｐｏｕｔ（ＴＧ）の立ち上がりが明確に改善されているのが確認された。

また第３の実施例は図６に示す回路構成をとり、構成部品は第１の実施例と同じものを使用した。温度プロファイルも第１の実施例と同じとした。この結果を図１１に示す。図１１は、この発明の第３の実施例に係る回路の出力特性を示す。同図において二点鎖線は、充電のために二次電池に供給された電力Ｐｃを示す。同図から判るように、余剰電力を二次電池に充電している際も、負荷への電力の供給は安定しているのが確認された。また６０分以降の熱電変換素子側から負荷へ供給された電力と充電電力の和は、最大発電能力（理論値）の８０％以上であり、熱電変換素子の発電能力を高い効率をもって発揮させ、電力として取り出せていることが確認された。

以上、この発明の実施の形態について詳述してきたが、具体的な構成は上述した実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

熱電変換素子の特性を示すグラフである。 熱電変換素子の内部抵抗と負荷抵抗の関係を示すグラフである。 この発明の第１の実施の形態に係る電源回路の概略を示すブロック図である。 この電源回路の理想的な制御パターンを示すタイムチャートである。 この発明の第２の実施の形態に係る電源回路の概略を示すブロック図である。 この発明の第３の実施の形態に係る電源回路の概略を示すブロック図である。 比較例に係る電源回路の概略を示すブロック図である。 この発明の第１の実施例に係る電源回路の出力特性を示すグラフである。 比較例に係る電源回路の出力特性を示すグラフである。 この発明の第２の実施例に係る電源回路の出力特性を示すグラフである。 この発明の第３の実施例に係る電源回路の出力特性を示すグラフである。

符号の説明

１…熱電変換素子 ２−１，２−２…電圧変換回路 ３−１，３−２…Ｉ・Ｖセンサ ４…二次電池 ５…出力電圧制御回路 ６…負荷 ７…スイッチング回路 ８…通電時間制御回路 ９…充電制御回路

Claims (2)

1. 熱電変換素子と、該熱電変換素子の出力を所定の電圧に変換する第１の電圧変換回路と、前記熱電変換素子の出力により充電される二次電池と、該二次電池の出力を所定の電圧に変換する第２の電圧変換回路とを備え、第１および第２の電圧変換回路の出力を加算し電源として外部に供給する電源回路であって、
   前記第１の電圧変換回路の出力電圧および出力電流を検出する検出手段と、
   検出した出力電圧および出力電流から出力電力を求める電力演算手段と、
   求めた出力電力を増加するように、第１および第２の電圧変換回路の少なくとも一方の出力電圧を制御する制御手段と
   を備えたことを特徴とする電源回路。
2. 前記求めた出力電力を用いて所定の判定基準に従って、前記熱電変換素子の発電能力が余剰状態にあることを判別する判別手段と、
   前記熱電変換素子の発電能力が余剰状態にあるときに前記二次電池の充電を許容し、前記第１の電圧変換回路の出力電圧が降下しない範囲で前記二次電池の充電電流を制御する充電制御手段と
   を備えたことを特徴とする請求項１記載の電源回路。
   

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