JP2009232511A - 熱電発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力損失が小さい熱電発電装置を提供することを目的とする。
【解決手段】熱を電力に変換し、動作電流に応じた電圧を出力する熱電変換手段と、前記熱電変換手段に前記動作電流を流すと共に、前記熱電変換手段が出力した前記電圧を昇圧又は降圧する電圧変換手段と、前記熱電変換手段が変換した前記電力が最大値であるか否かを判定する最大電力判定手段と、前記熱電変換手段が出力した前記電圧が所定の電圧範囲にあるか否かを判定する電圧判定手段と、前記最大電力判定手段の判定結果及び前記電圧判定手段の判定結果に基づいて、前記熱電変換手段の前記動作電流が所定の値になるように前記電圧変換手段を制御する動作電流制御手段と、を有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱電変換手段によって廃熱エネルギーを電力として回収する熱電発電装置に関する。

近年、エネルギー問題、環境問題等から、車両において、内燃機関の排ガスの廃熱エネルギーを電力に変換し蓄電池に回収することにより、エネルギーを有効利用するシステムが検討されている。

車両用の廃熱回収システムとしては、例えば、熱電変換手段を用いて、熱電変換手段の高温側熱源である内燃機関から排出される排ガスと、熱電変換手段の低温側熱源であるエンジン冷却水との温度差による熱起電力（ゼーベック効果）を利用して発電を行い、得られた電力を電圧変換手段を介して蓄電池に回収する熱電発電装置等が知られている。このような熱電発電装置は、通常、熱電変換手段の発電効率が最大になるように制御されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００７−９７３３５号公報

しかしながら、蓄電池に回収される電力は、熱電変換手段の発電効率と電圧変換手段の変換効率の積で決まるため、熱電変換手段の発電効率が最大になるように制御しても、電圧変換手段の変換効率が悪い状況で動作させた場合には、必ずしも、蓄電池に回収される電力は最大にはならず、熱電発電装置全体としては、電力損失が大きくなるという問題があった。

本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、電力損失が小さい熱電発電装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、第１の発明は、熱を電力に変換し、動作電流に応じた電圧を出力する熱電変換手段と、前記熱電変換手段に前記動作電流を流すと共に、前記熱電変換手段が出力した前記電圧を昇圧又は降圧する電圧変換手段と、前記熱電変換手段が変換した前記電力が最大値であるか否かを判定する最大電力判定手段と、前記熱電変換手段が出力した前記電圧が所定の電圧範囲にあるか否かを判定する電圧判定手段と、前記最大電力判定手段の判定結果及び前記電圧判定手段の判定結果に基づいて、前記熱電変換手段の前記動作電流が所定の値になるように前記電圧変換手段を制御する動作電流制御手段と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、電力損失が小さい熱電発電装置を提供することができる。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。

図１は本発明に係る熱電発電装置１０の概略の構成を例示する図である。図１を参照するに、熱電発電装置１０は、熱電変換手段１１と、電圧変換手段１２と、蓄電手段１３と、制御手段１４とを有する。１２ｊから１２ｎは電圧変換手段１２の端子を示している。Ｖｉｎ、Ｉｉｎ、Ｖｄは制御手段１４の端子を示している。Ａは電流センサを、Ｖは電圧センサを示している。なお、端子１２ｊ〜１２ｎ、Ｖｉｎ、Ｉｉｎ、Ｖｄは便宜上設けた物であり、このような端子は必須ではない。

熱電変換手段１１は、内燃機関の排気ガス等の有する廃熱エネルギーを電力に変換する手段である。熱電変換手段１１は、熱を電力に変換し、動作電流に応じた電圧を出力する。熱電変換手段１１は、例えば、車両の排気ガスの排気経路やエンジン等の熱を発生する部分に設けられ、車両の排気ガスやエンジン等の発熱体の廃熱エネルギーを電力に変換する。

熱電変換手段１１は、一つの素子から構成してもよいし、複数の素子を組み合わせて構成してもよい。熱電変換手段１１は、電流センサＡ及びスイッチング素子１２ａ〜１２ｄを介して、電圧変換手段１２を構成するトランス１２ｉの一次側（以下、トランス１２ｉの一次側を、単に一次側という場合がある）に接続されている。

より具体的には、熱電変換手段１１の一端は、電流センサＡを介して電圧変換手段１２の端子１２ｊに接続され、他端は電圧変換手段１２の端子１２ｋに接続されている。電流センサＡは熱電変換手段１１の動作電流を検出するセンサである。端子１２ｊ及び端子１２ｋは、スイッチング素子１２ａ〜１２ｄを介してトランス１２ｉの一次側と接続されている。熱電変換手段１１と並列に、熱電変換手段１１から出力される発電電圧を検出する電圧センサＶが接続されている。電流センサＡ及び電圧センサＶの検出結果は、それぞれ制御手段１４の入力端子Ｉｉｎ及びＶｉｎに入力される。

電圧変換手段１２は、電界効果トランジスタ等からなるスイッチング素子１２ａ〜１２ｈとトランス１２ｉ（変圧器）とを有し、熱電変換手段１１から出力される発電電圧を蓄電手段１３に対応する電圧に昇圧又は降圧する機能を有する。電圧変換手段１２は、例えば、位相制御式ＤＣ−ＤＣコンバータである。

又、電圧変換手段１２は、熱電変換手段１１から所定の電力を引き出すために、熱電変換手段１１に動作電流を流す機能を有する。電圧変換手段１２を構成する電界効果トランジスタ等からなるスイッチング素子１２ａ〜１２ｈは、端子１２ｎを介して制御手段１４の出力端子Ｖｄに接続されている。

なお、端子１２ｎ及び出力端子Ｖｄは便宜上１つの端子として描かれているが、制御手段１４から各スイッチング素子１２ａ〜１２ｈに独立に駆動信号を供給可能に構成されている。スイッチング素子１２ａ〜１２ｈは、制御手段１４の出力端子Ｖｄから出力される、例えば、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）等の駆動信号に応じてＯＮ／ＯＦＦし、対応する回路部分を接続又は遮断する。

蓄電手段１３は、バッテリ等の充電が可能な蓄電池やコンデンサである。蓄電手段１３は、スイッチング素子１２ｅ〜１２ｈを介して、電圧変換手段１２を構成するトランス１２ｉの二次側に接続されている（以下、トランス１２ｉの二次側を、単に二次側という場合がある）。より具体的には、蓄電手段１３の一端は、電圧変換手段１２の端子１２ｌに接続され、他端は電圧変換手段１２の端子１２ｍに接続されている。端子１２ｌ及び端子１２ｍは、スイッチング素子１２ｅ〜１２ｈを介してトランス１２ｉの二次側と接続されている。

制御手段１４は、最大電力判定手段１４ａと、電圧判定手段１４ｂと、動作電流制御手段１４ｃと、図示しない記憶手段（メモリ）等を有し、熱電発電装置１０を制御する。入力端子Ｖｉｎ、Ｉｉｎ、及び、出力端子Ｖｄは便宜上設けた物であり、このような端子は必須ではない。

最大電力判定手段１４ａは、入力端子Ｉｉｎから取り込んだ電流センサＡの出力（熱電変換手段１１の動作電流）及び入力端子Ｖｉｎから取り込んだ電圧センサＶの出力（熱電変換手段１１の発電電圧）に基づいて、熱電変換手段１１が変換した電力が最大値であるか否かを判定する。電圧判定手段１４ｂは、入力端子Ｖｉｎから取り込んだ電圧センサＶの出力（熱電変換手段１１の発電電圧）に基づいて、熱電変換手段１１が出力した電圧が所定の電圧範囲にあるか否かを判定する。

動作電流制御手段１４ｃは、最大電力判定手段１４ａの判定結果及び電圧判定手段１４ｂの判定結果に基づいて、熱電変換手段１１の動作電流が所定の値になるように、出力端子Ｖｄを介して電圧変換手段１２を構成する各スイッチング素子１２ａ〜１２ｄを制御する。各スイッチング素子１２ａ〜１２ｄの制御は、例えば、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）駆動信号により行われる。

ここで、電圧変換手段１２の一次側の電流の実効値について説明する。電圧変換手段１２の一次側の電流の実効値は、熱電変換手段１１の動作電流（直流）がスイッチング素子１２ａ〜１２ｄによりスイッチングされて交流に変換された電流の実効値である。Ｐを電圧変換手段１２の出力する電力、Ｉｒｍｓを電圧変換手段１２の一次側の電流の実効値、Ｅ_Ｌを電圧変換手段１２の一次側の電圧、Ｅ_Ｈを電圧変換手段１２の二次側の電圧、ＴをＰＷＭ信号の周期、Ｔ_Ａを一次側のスイッチング素子１２ａ〜１２ｄに供給されるＰＷＭ信号を基準としたときの、二次側のスイッチング素子１２ｅ〜１２ｈに供給されるＰＷＭ信号の位相差（時間）、Ｌを電圧変換手段１２を構成するトランス１２ｉのインダクタンス、δを一次側のスイッチング素子１２ａ〜１２ｄに供給されるＰＷＭ信号を基準としたときの、二次側のスイッチング素子１２ｅ〜１２ｈに供給されるＰＷＭ信号の位相差（角度）とすると、電圧変換手段１２の出力する電力Ｐは式（数１）で、電圧変換手段１２の一次側の電流の実効値Ｉｒｍｓは式（数３）で表される。なお、電圧変換手段１２の変換効率を１００％とすれば、電圧変換手段１２の出力する電力＝熱電変換手段１１の出力する電力である。

図２は、電圧変換手段１２の電流電圧特性を例示する図である。図２において、横軸の入力電圧は、トランス１２ｉの一次側の電圧をトランス１２ｉの二次側の電圧に換算した値である。縦軸の電流Ｉｒｍｓは、式（数３）で示した一次側の電流の実効値である。なお、図２は、電圧変換手段１２を構成するトランス１２ｉのインダクタンスＬが３０μＨのときの電流電圧特性を例示したものである。図２に示すように、電圧変換手段１２の一次側の電流の実効値Ｉｒｍｓは、所定の入力電圧（図２の例では２７０［Ｖ］付近）で最小値となり、入力電圧が所定の入力電圧よりも低い領域と高い領域では増加する。

図３は、電圧変換手段１２及び熱電変換手段１１の特性を例示する図である。図３（ａ）は電圧変換手段１２の電流電圧特性及び効率を例示しており、図３（ｂ）は熱電変換手段１１の発電特性を例示している。図３（ａ）において、横軸の電流Ｉｒｍｓは、式（数３）で示した一次側の電流の実効値である。横軸の効率ηは、電圧変換手段１２の効率である。縦軸の電圧Ｖｉｎは、熱電変換手段１１の発電する電圧（電圧センサＶの電圧値）である。図３（ｂ）において、横軸の電流Ｉｉｎは、熱電変換手段１１の動作電流（電流センサＡの電流値）である。縦軸の電圧Ｖｉｎは、熱電変換手段１１の発電する電圧（電圧センサＶの電圧値）である。縦軸の電力Ｐは、熱電変換手段１１の発電する電力である。

図３（ａ）及び図３（ｂ）において、Ｉｒｍｓｘ及びＩｒｍｓｙは電圧変換手段１２の一次側の電流の実効値、Ｉｉｎは熱電変換手段１１の動作電流、Ｖｉｎｘ及びＶｉｎｙは熱電変換手段１１の発電する電圧、Ｐｘ及びＰｙは熱電変換手段１１の出力する電力、η_Ｘ及びη_Ｙは電圧変換手段１２の効率、η_ＸＡ、η_ＸＢ、η_ＸＣは電流Ｉｉｎ＝Ａｘ、Ｂｘ、Ｃｘに対応する電圧変換手段１２の効率、ΔＩａは電流Ｉｉｎ＝Ａｘ及び電流Ｉｉｎ＝Ｃｘに対応する一次側の電流の実効値Ｉｒｍｓｘの変化量、ＶＬ及びＶＨは一次側の電流の実効値Ｉｒｍｓｙが最小値近傍となる電圧（電圧変換手段１２の効率η_Ｙが最大値近傍となる電圧）を示している。なお、一次側の電流の実効値Ｉｒｍｓｘ、電圧Ｖｉｎｘ、電力Ｐｘ、効率η_Ｘは熱電変換手段１１の発電量が小さい場合の特性を、一次側の電流の実効値Ｉｒｍｓｙ、電圧Ｖｉｎｙ、電力Ｐｙ、効率η_Ｙは熱電変換手段１１の発電量が大きい場合の特性を示している。

図３（ｂ）に示すように、熱電変換手段１１の電流Ｉｉｎと熱電変換手段１１の電力Ｐｘ及びＰｙとの関係は二次曲線を描く。発電量が小さい場合の熱電変換手段１１の電力Ｐｘは、熱電変換手段１１の電流Ｉｉｎ＝Ｃｘのときに最大値Ｐｘｍａｘとなるが、電流Ｉｉｎ＝Ｃｘの付近の電流Ｉｉｎ＝Ｃｘ〜Ａｘ及び電流Ｉｉｎ＝Ｃｘ〜Ｂｘでは、電流Ｉｉｎの変化量に対する電力Ｐｘの変化量ΔＰｘは比較的小さい。電流Ｉｉｎ＝Ａｘ及び電流Ｉｉｎ＝Ｂｘにおける電力Ｐｘは等しいが、ＡｘはＢｘよりも電流が少なく、図３（ａ）に示すように、電流Ｉｉｎ＝Ａｘにおける効率η_ＸＡは、電流Ｉｉｎ＝Ｂｘにおける効率η_ＸＢよりも高い。

ここで、電流Ｉｉｎ＝Ａｘ（電力Ｐｘ＝Ｐｘｍａｘ−ΔＰｘ）で動作させた場合と、電流Ｉｉｎ＝Ｃｘ（電力Ｐｘ＝Ｐｘｍａｘ）で動作させた場合との総合的な効率の優劣を比較する。総合的な効率とは、熱電変換手段１１の電力Ｐｘのみではなく、一次側の導通損失（一次側の回路の抵抗成分Ｒと一次側の電流の実効値Ｉｒｍｓｘとの積）も考慮した場合の効率である。電力Ｐｘのみに着目すれば、電力Ｐｘが最大値Ｐｘｍａｘとなる電流Ｉｉｎ＝Ｃｘ（電力Ｐｘ＝Ｐｘｍａｘ）で動作させた場合の方が有利である。しかし、一次側の導通損失（一次側の回路の抵抗成分Ｒと一次側の電流の実効値Ｉｒｍｓｘとの積）を考えると、電流Ｉｉｎ＝Ａｘで動作させた場合の方が有利である。

理由は以下に述べるとおりである。すなわち、一次側の導通損失は一次側の電流の実効値Ｉｒｍｓｘの２乗に比例する。又、電流Ｉｉｎ＝Ａｘ及び電流Ｉｉｎ＝Ｃｘに対応する図３（ａ）の一次側の電流の実効値Ｉｒｍｓｘの変化量ΔＩａは大きい。そのため、電流Ｉｉｎ＝Ａｘ（電力Ｐｘ＝Ｐｘｍａｘ−ΔＰｘ）で動作させた場合は、電流Ｉｉｎ＝Ｃｘ（電力Ｐｘ＝Ｐｘｍａｘ）で動作させた場合よりも、一次側の導通損失ΔＩａ^２Ｒが大きく減少する。

ところが、前述のように、電流Ｉｉｎ＝Ｃｘ付近では電流Ｉｉｎの変化量に対する電力Ｐｘの変化量ΔＰｘは比較的小さいため、電力Ｐｘはあまり減少しない。従って、電流Ｉｉｎ＝Ｃｘ付近では、電力Ｐｘが最大値Ｐｘｍａｘとなる電流Ｉｉｎ＝Ｃｘ（電力Ｐｘ＝Ｐｘｍａｘ）で動作させるよりも、電流Ｉｉｎ＝Ｃｘから所定の電流値を減じた電流Ｉｉｎ＝Ａｘで動作させた場合の方が総合的な効率の点で有利である。なお、所定の電流値は、電流Ｉｉｎの変化量に対する電力Ｐｘの変化量ΔＰｘが、一次側の導通損失ΔＩａ^２Ｒよりも小さい範囲内で任意に設定することができる。

一方、発電量が大きい場合は、一次側の電流の実効値Ｉｒｍｓｙ、電圧Ｖｉｎｙ、電力Ｐｙ、効率η_Ｙは、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すような特性となり、図３（ｂ）に示す電力Ｐｙが最大値となる電流Ｉｉｎ＝Ｃｙに対応する図３（ａ）に示す一次側の電流の実効値Ｉｒｍｓｙは最小値近傍となる。最小値近傍では電圧Ｖｉｎに対する一次側の電流の実効値Ｉｒｍｓｙの変化量が少ないため、電流Ｉｉｎ＝Ｃｙから所定の電流値を減じて動作させても、一次側の導通損失はほとんど減少しない。従って、電力Ｐｙが最大値Ｐｙｍａｘとなる電流Ｉｉｎ＝Ｃｙで動作させる方が総合的な効率の点で有利である。

そこで、一次側の電流の実効値Ｉｒｍｓが最小値近傍であるか否かを、電圧ＶｉｎがＶＬ〜ＶＨの範囲にあるか否かを検出することにより判定し、電圧ＶｉｎがＶＬ〜ＶＨの範囲にあると判定した場合は、熱電変換手段１１の電力Ｐｙが最大値Ｐｙｍａｘとなるように最大出力制御を行う。又、電圧ＶｉｎがＶＬ〜ＶＨの範囲にないと判定した場合は、電力Ｐｘが最大値Ｐｘｍａｘとなる電流Ｃｘから所定の電流値を減じた電流Ａｘで動作させる。その結果、一次側の電流及び導通損失を最適化することができ、効率の良い電力変換が可能となる。

続いて、図４及び図５を参照しながら、制御手段１４で行われる処理について説明する。図４は、本発明に係る熱電発電装置１０を制御するフローチャートを例示する図である。図５は、電圧変換手段１２をＰＷＭ制御するフローチャートを例示する図である。なお、初期状態では、Ｆｌａｇ＝０であるとする。

ステップ１００において、制御手段１４は、出力端子Ｖｄの電圧を制御することによりスイッチング素子１２ａ〜１２ｄをＯＦＦし、入力端子Ｖｉｎから取り込んだ電圧センサＶの出力により、熱電変換手段１１の開放電圧Ｖｉｎ_ｏｃｖを検出する（Ｓ１００）。

ステップ１０１において、制御手段１４は、初期動作電流Ｉｉｎｉｔを算出する（Ｓ１０１）。初期動作電流Ｉｉｎｉｔは、予め制御手段１４の記憶手段に記憶されている開放電圧Ｖｉｎ_ｏｃｖと初期動作電流Ｉｉｎｉｔとの関係（図６参照）に基づいて、ステップ１００で検出された開放電圧Ｖｉｎ_ｏｃｖに対応する初期動作電流Ｉｉｎｉｔを算出する。ステップ１０２において、制御手段１４は、目標動作電流Ｉｔｇｔをステップ１０１で算出した初期動作電流Ｉｉｎｉｔに設定する（Ｓ１０２）。

ステップ１０２における初期動作電流Ｉｉｎｉｔの設定は、図５に従って行われる。すなわち、ステップ２００において、制御手段１４は目標動作電流Ｉｔｇｔを参照する（Ｓ２００）。次いで、ステップ２０１において、制御手段１４は、入力端子Ｉｉｎから取り込んだ電流センサＡの出力により、熱電変換手段１１の電流Ｉｉｎを検出する（Ｓ２０１）。そして、ステップ２０２において、制御手段１４の動作電流制御手段１４ｃは、電流Ｉｉｎ＝目標動作電流ＩｔｇｔとなるようなＰＷＭ駆動信号を、出力端子Ｖｄからスイッチング素子１２ａ〜１２ｄに出力する（Ｓ２０２）。

ステップ１０３において、制御手段１４は、時間Ｔ１（秒）が経過したか否かを判定する（Ｓ１０３）。ここで、時間Ｔ１（秒）は、目標動作電流Ｉｔｇｔを設定してから熱電変換手段１１が応答するために必要な時間である。ステップ１０３では、時間Ｔ１（秒）が経過するまで待機し、時間Ｔ１（秒）が経過したと判定してからステッップ１０４に移行する。

ステップ１０４において、制御手段１４は、Ｆｌａｇ＝１であるか否かを判定する（Ｓ１０４）。Ｆｌａｇは、熱電変換手段１１の出力する電力が最大か否かを示すフラグであり、Ｆｌａｇ＝１は、熱電変換手段１１の出力する電力が最大であることを示し、Ｆｌａｇ＝０は熱電変換手段１１の出力する電力が最大でないことを示す。ステップ１０４でＦｌａｇ＝１でないと判定した場合には、ステップ１０５に移行し、Ｆｌａｇ＝１であると判定した場合には、ステップ１１６に移行する。

ステップ１０５において、制御手段１４の最大電力判定手段１４ａは、入力端子Ｖｉｎから取り込んだ電圧センサＶの出力により、熱電変換手段１１の発電する電圧Ｖｉｎを検出する。そして、目標動作電流Ｉｔｇｔの時の電力Ｐ１（＝Ｉｔｇｔ×Ｖｉｎ）を計算する（Ｓ１０５）。計算した電力Ｐ１は、記憶手段に記憶される。

ステップ１０６において、制御手段１４の最大電力判定手段１４ａは、目標動作電流ＩｔｇｔをＩｔｇｔ＋ΔＩに変更する（Ｓ１０６）。ここで、ΔＩは予め定められた所定値である。ステップ１０６における目標動作電流Ｉｔｇｔの変更は、図５に従って行われる。すなわち、ステップ２００において、制御手段１４は目標動作電流Ｉｔｇｔを参照する（Ｓ２００）。次いで、ステップ２０１において、制御手段１４は、入力端子Ｉｉｎから取り込んだ電流センサＡの出力により、熱電変換手段１１の電流Ｉｉｎを検出する（Ｓ２０１）。そして、ステップ２０２において、制御手段１４の動作電流制御手段は、電流Ｉｉｎ＝目標動作電流ＩｔｇｔとなるようなＰＷＭ駆動信号を、出力端子Ｖｄからスイッチング素子１２ａ〜１２ｄに出力する（Ｓ２０２）。

ステップ１０７において、制御手段１４の最大電力判定手段１４ａは、入力端子Ｖｉｎから取り込んだ電圧センサＶの出力により、熱電変換手段１１の発電する電圧Ｖｉｎを検出する。そして、目標動作電流Ｉｔｇｔの時の電力Ｐ２（＝Ｉｔｇｔ×Ｖｉｎ）を計算する（Ｓ１０７）。計算した電力Ｐ２は、記憶手段に記憶される。

ステップ１０８において、制御手段１４の最大電力判定手段１４ａは、目標動作電流ＩｔｇｔをＩｔｇｔ−２ΔＩに変更する（Ｓ１０８）。ここで、ΔＩは予め定められた所定値である。ステップ１０８における目標動作電流Ｉｔｇｔの変更は、図５に従って行われる。すなわち、ステップ２００において、制御手段１４は目標動作電流Ｉｔｇｔを参照する（Ｓ２００）。次いで、ステップ２０１において、制御手段１４は、入力端子Ｉｉｎから取り込んだ電流センサＡの出力により、熱電変換手段１１の電流Ｉｉｎを検出する（Ｓ２０１）。そして、ステップ２０２において、制御手段１４の動作電流制御手段は、電流Ｉｉｎ＝目標動作電流ＩｔｇｔとなるようなＰＷＭ駆動信号を、出力端子Ｖｄからスイッチング素子１２ａ〜１２ｄに出力する（Ｓ２０２）。

ステップ１０９において、制御手段１４の最大電力判定手段１４ａは、入力端子Ｖｉｎから取り込んだ電圧センサＶの出力により、熱電変換手段１１の発電する電圧Ｖｉｎを検出する。そして、目標動作電流Ｉｔｇｔの時の電力Ｐ３（＝Ｉｔｇｔ×Ｖｉｎ）を計算する（Ｓ１０９）。計算した電力Ｐ３は、記憶手段に記憶される。

ステップ１１０において、制御手段１４の最大電力判定手段１４ａは、ステップ１０５、１０７及び１０９で計算され、記憶手段に記憶された電力Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を比較し、電力Ｐ１が最大であるか否かを判定する（Ｓ１１０）。電力Ｐ１が最大であると判定した場合には、ステップ１１１に移行し、ステップ１１１において、制御手段１４の最大電力判定手段１４ａは、目標動作電流ＩｔｇｔをＩｔｇｔ＋ΔＩに変更する（Ｓ１１１）。ここで、ΔＩは予め定められた所定値である。

ステップ１１１における目標動作電流Ｉｔｇｔの変更は、図５に従って行われる。すなわち、ステップ２００において、制御手段１４は目標動作電流Ｉｔｇｔを参照する（Ｓ２００）。次いで、ステップ２０１において、制御手段１４は、入力端子Ｉｉｎから取り込んだ電流センサＡの出力により、熱電変換手段１１の電流Ｉｉｎを検出する（Ｓ２０１）。そして、ステップ２０２において、制御手段１４の動作電流制御手段は、電流Ｉｉｎ＝目標動作電流ＩｔｇｔとなるようなＰＷＭ駆動信号を、出力端子Ｖｄからスイッチング素子１２ａ〜１２ｄに出力する（Ｓ２０２）。

ステップ１１２において、制御手段１４の最大電力判定手段１４ａは、熱電変換手段１１の出力する電力が最大か否かを示すフラグＦｌａｇを１に設定し（Ｓ１１２）、ステップ１０３に移行し、上述の処理が繰り返される。

一方、ステップ１１０において電力Ｐ１が最大でないと判定した場合には、ステップ１１３に移行する。ステップ１１３では、制御手段１４の最大電力判定手段１４ａは、ステップ１０７及び１０９で計算され、記憶手段に記憶された電力Ｐ２、Ｐ３を比較し、電力Ｐ３が電力Ｐ２より大きいか否かを判定する（Ｓ１１３）。電力Ｐ３が電力Ｐ２より大きいと判定した場合には、目標動作電流Ｉｔｇｔを現在の値のままとしてステップ１１５へ移行する。ステップ１１５では、制御手段１４の最大電力判定手段１４ａは、熱電変換手段１１の出力する電力が最大か否かを示すフラグＦｌａｇを０に設定し（Ｓ１１５）、ステップ１０３に移行し、上述の処理が繰り返される。

一方、ステップ１１３において電力Ｐ３が電力Ｐ２以下であると判定した場合には、ステップ１１４に移行する。ステップ１１４では、制御手段１４の最大電力判定手段１４ａは、目標動作電流ＩｔｇｔをＩｔｇｔ＋２ΔＩに変更し（Ｓ１１４）、ステップ１１５を経由してステップ１０３に移行し、上述の処理が繰り返される。ここで、ΔＩは予め定められた所定値である。

ステップ１１４における目標動作電流Ｉｔｇｔの変更は、図５に従って行われる。すなわち、ステップ２００において、制御手段１４は目標動作電流Ｉｔｇｔを参照する（Ｓ２００）。次いで、ステップ２０１において、制御手段１４は、入力端子Ｉｉｎから取り込んだ電流センサＡの出力により、熱電変換手段１１の電流Ｉｉｎを検出する（Ｓ２０１）。そして、ステップ２０２において、制御手段１４の動作電流制御手段は、電流Ｉｉｎ＝目標動作電流ＩｔｇｔとなるようなＰＷＭ駆動信号を、出力端子Ｖｄからスイッチング素子１２ａ〜１２ｄに出力する（Ｓ２０２）。

一方、ステップ１０４においてＦｌａｇ＝１であると判定した場合には、ステップ１１６に移行する。ステップ１１６では、制御手段１４の電圧判定手段１４ｂは、入力端子Ｖｉｎから取り込んだ電圧センサＶの出力により、熱電変換手段１１の発電する電圧Ｖｉｎを検出する。そして、電圧ＶｉｎがＶＬよりも小さいか否かを判定する（Ｓ１１６）。

ここで、電圧ＶＬは、図３（ａ）に示す一次側の電流の実効値Ｉｒｍｓが最小値近傍となる低電圧側の閾値電圧である。熱電変換手段１１の電圧ＶｉｎがＶＬよりも小さいと判定した場合には、ステップ１１８に移行する。ステップ１１８では、制御手段１４の電圧判定手段１４ｂは、目標動作電流ＩｔｇｔをＩｔｇｔ−ΔＩａに変更し（Ｓ１１８）、ステップ１１９に移行する。ここで、ΔＩａは予め定められた所定値である。

一方、ステップ１１６において電圧Ｖｉｎが電圧ＶＬ以上であると判定した場合には、ステップ１１７に移行する。ステップ１１７では、制御手段１４の電圧判定手段１４ｂは、入力端子Ｖｉｎから取り込んだ電圧センサＶの出力により、熱電変換手段１１の発電する電圧Ｖｉｎを検出する。そして、電圧Ｖｉｎが電圧ＶＨよりも大きいか否かを判定する（Ｓ１１７）。ここで、電圧ＶＨは、図３（ａ）に示す一次側の電流の実効値Ｉｒｍｓが最小値近傍となる高電圧側の閾値電圧である。電圧ＶｉｎがＶＨよりも大きいと判定した場合には、ステップ１１８に移行する。ステップ１１８では、制御手段１４の電圧判定手段１４ｂは、目標動作電流ＩｔｇｔをＩｔｇｔ−ΔＩａに変更し（Ｓ１１８）、ステップ１１９に移行する。ここで、ΔＩａは予め定められた所定値である。

ステップ１１８における目標動作電流Ｉｔｇｔの変更は、図５に従って行われる。すなわち、ステップ２００において、制御手段１４は目標動作電流Ｉｔｇｔを参照する（Ｓ２００）。次いで、ステップ２０１において、制御手段１４は、入力端子Ｉｉｎから取り込んだ電流センサＡの出力により、熱電変換手段１１の電流Ｉｉｎを検出する（Ｓ２０１）。そして、ステップ２０２において、制御手段１４の動作電流制御手段は、電流Ｉｉｎ＝目標動作電流ＩｔｇｔとなるようなＰＷＭ駆動信号を、出力端子Ｖｄからスイッチング素子１２ａ〜１２ｄに出力する（Ｓ２０２）。

一方、ステップ１１７において電圧ＶｉｎがＶＨ以下であると判定した場合には、ステップ１１９に移行する。ステップ１１９では、制御手段１４の電圧判定手段１４ｂは、熱電変換手段１１の出力する電力が最大か否かを示すフラグＦｌａｇを０に設定し（Ｓ１１９）、ステップ１０３に移行し、上述の処理が繰り返される。なお、図４のフローチャートに示す一連の処理は、例えば、イグニッションスイッチがＯＦＦされた時等に終了する。

ここで、図４のフローチャートに示す一連の処理を理解するために、一部の処理に関して補足説明をする。前述の図３（ｂ）に示すように、熱電変換手段１１の電流Ｉｉｎと熱電変換手段１１の電力Ｐとの関係は二次曲線を描く。図７は、熱電変換手段１１の電流Ｉｉｎと熱電変換手段１１の電力Ｐとの関係を例示する図である。図７において、Ｐ１はステップ１０５で計算された電力を示し、Ｐ２はステップ１０７で、ステップ１０５でＰ１を計算したときの電流よりもΔＩ大きな電流で計算された電力を示し、Ｐ３はステップ１０９で、ステップ１０７でＰ２を計算したときの電流よりも２ΔＩ小さな電流で計算された電力を示している。

電力Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の関係は、図７（ａ）の（１）、（２）、（３）に示すように、右肩上がりの部分にある場合（１）と、熱電変換手段１１の電力が最大値付近にある場合（２）と、左肩下がりの部分にある場合（３）の３種類の場合となる。例えば、右肩上がりの部分にある場合（１）には、ステップ１１０、ステップ１１３、Ｓ１１４が実行され、その後、ステップ１０３以降の処理が繰り返される。すなわち、図７（ｂ）に示すように、（１）−１の状態から、（１）−２の状態に移行し、更に同様の処理が繰り返され、何れは図７（ａ）の（２）の状態に達し、熱電変換手段１１の電力の最大値を探索することができる。

又、熱電変換手段１１の電力が最大値付近にある場合（２）には、ステップ１１０が実行され、熱電変換手段１１の電力の最大値を探索することができる。又、左肩下がりの部分にある場合（３）には、ステップ１１０、ステップ１１３が実行され、その後、ステップ１０３以降の処理が繰り返される。すなわち、図７（ｃ）に示すように、（３）−１の状態から、（３）−２の状態に移行し、更に同様の処理が繰り返され、何れは図７（ａ）の（２）の状態に達し、熱電変換手段１１の電力の最大値を探索することができる。このように、ステップ１０５〜ステップ１１５の処理を繰り返し実行することにより、図７（ａ）の（１）、（２）、（３）に示す何れの場合においても、熱電変換手段１１の電力の最大値を探索することができる。

又、ステップ１１６からステップ１１９の処理では、制御手段１４の電圧判定手段１４ｂは、電圧Ｖｉｎが電圧ＶＬ〜ＶＨの範囲にあるか否かを判定する。そして、電圧ＶｉｎがＶＬ〜ＶＨの範囲にあると判定した場合は、一次側の電流の実効値Ｉｒｍｓが最小値近傍である（電圧変換手段１２の効率ηが最大値近傍である）ため、目標動作電流Ｉｔｇｔをそのままにし、熱電変換手段１１の電力が最大値となるように最大出力制御を行う。電圧ＶｉｎがＶＬ〜ＶＨの範囲にないと判定した場合は、一次側の電流の実効値Ｉｒｍｓが最小値近傍でない（電圧変換手段１２の効率ηが最大値近傍でない）ため、電力が最大値となる目標動作電流ＩｔｇｔからΔＩａ減じる処理を行う。このようにすることで、一次側の電流及び導通損失を最適化することができ、効率の良い電力変換が可能となる。

本発明によれば、熱電変換手段１１の発電する電圧ＶｉｎがＶＬ〜ＶＨの範囲にあるか否かを判定する。そして、電圧ＶｉｎがＶＬ〜ＶＨの範囲にあると判定した場合は、熱電変換手段１１の電力が最大値となる動作電流で動作させる。一方、電圧ＶｉｎがＶＬ〜ＶＨの範囲にないと判定した場合は、熱電変換手段１１の電力が最大値となる動作電流から所定値を減じた動作電流で動作させる。その結果、一次側の電流及び導通損失を最適化することができ、効率の良い電力変換が可能となり、電力損失が小さい熱電発電装置を実現することができる。

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳説したが、本発明は、上述した実施の形態に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、本発明の実施の形態では、電圧ＶｉｎがＶＬ〜ＶＨの範囲にないと判定した場合には、熱電変換手段１１の電力が最大値となる動作電流から所定値を減じた動作電流で動作させた。しかし、電圧ＶｉｎがＶＬ〜ＶＨの範囲にないと判定した場合に、熱電変換手段１１の電力が最大値となる電流に所定の係数（１よりも小さい値）を乗じた動作電流で動作させても構わない。

本発明に係る熱電発電装置１０の概略の構成を例示する図である。 電圧変換手段１２の電流電圧特性を例示する図である。 電圧変換手段１２及び熱電変換手段１１の特性を例示する図である。 本発明に係る熱電発電装置１０を制御するフローチャートを例示する図である。 電圧変換手段１２をＰＷＭ制御するフローチャートを例示する図である。 開放電圧Ｖｉｎ_ｏｃｖと初期動作電流Ｉｉｎｉｔとの関係を例示する図である。 熱電変換手段１１の電流Ｉｉｎと熱電変換手段１１の電力Ｐとの関係を例示する図である。

符号の説明

１０ 熱電発電装置
１１ 熱電変換手段
１２ 電圧変換手段
１２ａ〜１２ｈ スイッチング素子
１２ｉ トランス
１２ｊ〜１２ｎ 電圧変換手段１２の端子
１３ バッテリ
１４ 制御手段
１４ａ 最大電力判定手段
１４ｂ 電圧判定手段
１４ｃ 動作電流制御手段
Ａ 電流センサ
Ｖ 電圧センサ

Claims (5)

1. 熱を電力に変換し、動作電流に応じた電圧を出力する熱電変換手段と、
   前記熱電変換手段に前記動作電流を流すと共に、前記熱電変換手段が出力した前記電圧を昇圧又は降圧する電圧変換手段と、
   前記熱電変換手段が変換した前記電力が最大値であるか否かを判定する最大電力判定手段と、
   前記熱電変換手段が出力した前記電圧が所定の電圧範囲にあるか否かを判定する電圧判定手段と、
   前記最大電力判定手段の判定結果及び前記電圧判定手段の判定結果に基づいて、前記熱電変換手段の前記動作電流が所定の値になるように前記電圧変換手段を制御する動作電流制御手段と、を有することを特徴とする熱電発電装置。
2. 前記所定の値は、前記電圧判定手段が前記電圧が所定の電圧範囲にあると判定した場合には、前記最大電力判定手段が前記電力が最大値であると判定したときの動作電流の値であり、前記電圧判定手段が前記電圧が所定の電圧範囲にないと判定した場合には、前記最大電力判定手段が前記電力が最大値であると判定したときの動作電流から所定値を減じた動作電流の値であることを特徴とする請求項１記載の熱電発電装置。
3. 前記電圧変換手段は、変圧器と、前記変圧器の一次側に接続された複数のスイッチング素子と、前記変圧器の二次側に接続された複数のスイッチング素子と、を有することを特徴とする請求項１又は２記載の熱電発電装置。
4. 前記所定の電圧範囲は、前記変圧器の一次側の電流の実効値が最小値近傍となる電圧範囲であることを特徴とする請求項３記載の熱電発電装置。
5. 更に、前記電圧変換手段で昇圧又は降圧された前記電圧により充電される蓄電手段を有することを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項記載の熱電発電装置。

Images