JP5045809B2 - 熱発電装置、及び電源制御装置 - Google Patents
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Description
熱源の熱エネルギによる熱伝達媒体の膨張又は/及び凝縮によって発生する運動エネルギを利用して電力を発生する熱発電手段を備えるものであって、
熱源から熱伝達媒体に伝達される伝達熱量を取得する伝達熱量取得手段と、
熱伝達媒体を凝縮する際に放熱される放熱熱量を取得する放熱熱量取得手段と、
熱源の冷却に用いられる冷却水を介して、熱源の熱エネルギを熱伝達媒体に伝達する熱伝達手段と、
熱伝達媒体を凝縮する熱伝達媒体凝縮手段と、
熱伝達媒体凝縮手段が熱伝達媒体を凝縮する際、熱伝達媒体の放熱を行う放熱手段と、
熱伝達媒体の流量を取得する熱伝達媒体流量取得手段と、
熱伝達媒体を加圧して、当該熱伝達媒体の流量を制御する熱伝達媒体流量制御手段と、
熱伝達手段、放熱手段、及び熱伝達媒体流量制御手段を含む補機の各々の消費電力を予測する消費電力予測手段と、
熱伝達媒体の流量、伝達熱量、及び放熱熱量から、熱発電手段による発電可能な発電電力を予測する発電電力予測手段と、
熱伝達媒体の膨張又は/及び凝縮による当該熱伝達媒体の圧力及び内部エネルギを予測する状態予測手段と、を備え、
発電電力予測手段は、状態予測手段の予測した内部エネルギに基づいて、発電電力を予測し、
消費電力予測手段は、状態予測手段の予測した内部エネルギに基づいて、消費電力を予測することを特徴とする。
熱伝達媒体の膨張又は/及び凝縮時の圧力を検出する圧力検出手段と、
圧力検出手段の検出した圧力と、状態予測手段の予測した熱伝達媒体の圧力とから、発電電力予測手段の予測した予測発電電力、及び消費電力予測手段の予測した予測消費電力を補正する電力補正手段と、を備えることを特徴とする。
発電電力予測手段は、状態予測手段の予測した内部エネルギに基づいて予測した発電電力から補機の消費電力を差し引く補正を行い、補正した電力を実質発電電力として予測する電力補正手段を備えることを特徴とする。
熱源は移動体に搭載されるエンジンであって、
移動体の速度を検出する速度検出手段を備え、
放熱熱量取得手段は、速度検出手段の検出した速度から放熱手段の周辺を流れる気体の流速を取得することを特徴とする。
冷却水の流量を取得する冷却水流量取得手段と、
エンジンの回転数を検出するエンジン回転数検出手段と、を備え、
冷却水流量取得手段は、冷却水を循環するためのポンプの回転数、及びエンジンの回転数から前記冷却水の流量を取得し、
放熱熱量取得手段は、エンジンの回転数に基づいて放熱熱量を取得することを特徴とする。
発電電力予測手段で予測した電力である予測発電電力を熱発電手段による最大供給可能電力とし、当該熱発電手段の電力コストを算出するとともに、他の電力供給源の最大供給可能電力、及び電力コストを算出する算出手段と、
各電力供給源の最大供給可能電力、及び電力コストから、熱発電手段への要求電力の配分を決定する配分決定手段と、を備え、
配分決定手段は、各電力供給源の電力コストを比較して、熱発電手段の電力コストが他の電力供給源よりも安い場合に、熱発電手段による最大供給可能電力の範囲内で当該熱発電手段による発電電力が優先的に供給されるように、熱発電手段への要求電力の配分を決定することを特徴とする。
また、請求項10に記載の電源制御装置は、請求項3に記載の熱発電装置を含む複数の電力供給源を備えるものであって、
前記電力補正手段で予測した実質発電電力を熱発電手段による最大供給可能電力とし、当該熱発電手段の電力コストを算出するとともに、他の電力供給源の最大供給可能電力、及び電力コストを算出する算出手段と、
各電力供給源の最大供給可能電力、及び電力コストから、熱発電手段への要求電力の配分を決定する配分決定手段と、を備え、
配分決定手段は、各電力供給源の電力コストを比較して、熱発電手段の電力コストが他の電力供給源よりも安い場合に、熱発電手段による最大供給可能電力の範囲内で当該熱発電手段による発電電力が優先的に供給されるように、熱発電手段への要求電力の配分を決定することを特徴とする。
複数の電力供給源は、複数の蓄電器を含むものであって、
複数の蓄電器の少なくとも1つの蓄電器は、熱発電手段にて発電された電力を蓄えるように、熱発電手段と第1の電源バスを介して接続され、
他の蓄電器は、第1の電源バスと異なる第2の電源バスに接続され、
第1の電源バスと第2の電源バスとを接続する電源バス接続手段を備え、
電源バス接続手段によって、第1の電源バスと第2の電源バスとの間の電力移動を行うことを特徴とする。これにより、2つの電源バスをフレキシブルに管理、運用することができる。
第1の電源バスは、ハイブリッド電気自動車の動力電源バスであって、
熱発電手段の発電電力は、動力電源バスを介してハイブリッド電気自動車の走行用の電力として利用されることを特徴とする。
図1は、本実施形態における車両の電気系を示すブロック図である。同図に示す車両の電気系は、エンジン1、エンジン制御手段2、オルタネータ3、オルタネータ制御手段4、廃熱発電システム5、廃熱発電制御手段6、水温検出手段7、バッテリ8、バッテリ状態検知手段9、バス電圧検出手段10、電流検出手段11、負荷制御手段12、及び車両電源制御手段13によって構成される。
最大供給電力(WTG_MAX)=k×ηTG×(Tw−Tw_LL)
これにより、エンジン冷却水の水温に基づいて最大供給電力を算出することができる。なお、エンジン冷却水温(Tw)が水温制御下限(Tw_LL)を下回る場合、最大供給電力(WTG_MAX)をゼロとしてもよい。これにより、廃熱発電機5cからの電力供給は無いものとすることができるため、熱発電によってエンジン冷却水温を過度に低下させないようにすることができる。その結果、燃費やエミッションの悪化を防ぐことができる。
電力コスト(CTG)=[{kF(Tw−a×WTG)−kF(Tw)}×F(ω,τ)]/WTG
上記数式の通り、電力コスト(CTG)は、エンジン冷却水温(Tw)の温度制御の制御目標(中心)温度(Tw_M)におけるエンジン1の燃料消費量を基準とし、その消費量からの増分から算出する。すなわち、エンジン冷却水温(Tw)が制御目標温度(Tw_M)であるときの燃料消費量をF(ω,τ)とし、同一の回転数、及び出力トルクでのエンジン冷却水温(Tw)における燃料消費量との比をkF(Tw)とした場合、温度変化率は発電電力(WTG)に比例することから、燃料消費量の増分は、上記数式の分子で求められる。従って、この燃料消費量の増分を上記発電電力(WTG)で除することで、電力コスト(CTG)が得られる。
不足分の要求電力(WD1)=電力需要(WD)−最大供給電力(WAA_MAX)
図5に示すS190では、電力供給源(AA)に次いで電力コストの安い電力供給源(BB)を抽出し、S200では、不足分の要求電力(WD1)に対して、その電力供給源(BB)の最大供給電力(WBB_MAX)を割り当てる。
不足分の要求電力(WD2)=電力需要(WD1)−最大供給電力(WBB_MAX)
S240では、電力供給源(BB)に次いで電力コストの安い電力供給源(CC)を抽出し、以後、不足分の要求電力(WD2)が賄われるように、電力供給源(CC)から順次、S200〜S250の処理を繰り返し実行する。
図8に、本変形例における車両の電気系を示すブロック図を示す。同図に示す車両の電気系は、従来の車両の電気系に廃熱発電システム5、廃熱発電制御手段6、及び水温検出手段7を追加したものである。
不足分の要求電力(WD1)=電力需要(WD)−最大供給電力(WAA_MAX)
S380では、他方の電力供給源(BB)への要求電力(WBB_rq=WD1)を決定する。なお、最大供給電力(WBB_MAX)<不足分の要求電力(WD1)となった場合には、最大供給電力(WBB_MAX)≧不足分の要求電力(WD1)となるように、優先度の低い負荷の電力供給を抑えるように制御する。
本実施形態の車両電源制御手段13において実行される、各電力供給源への要求電力の配分を決定する配分決定処理は、需要電力に対し、電力コストの低い電力供給源から優先して最大供給電力の範囲内で電力を供給するように、各電力供給源への要求電力の配分を決定するものであるが、本変形例のように、各電力供給源の電力コストの総計である総電力コストが最小となるように、各電力供給源への要求電力の配分を決定してもよい。
本実施形態の熱発電は、通常は、完全に捨てられている廃熱を利用して発電するものであるが、車両の電気系の電力不足時(すなわち、最大供給電力よりも電力需要が多い場合)には、エンジン冷却水の水温を通常よりも上昇させ、その上昇分の熱エネルギを用いて熱発電機によって発電したい場合がある。このような場合、例えば、特開平9−88564号公報に開示されているように、エンジンの点火時期を遅角することで、エンジン冷却水の水温を上昇させることができる。
図13は、本変形例における車両の電気系を示すブロック図である。本変形例では、同図に示すように、オルタネータ3に接続される電源バス1と、廃熱発電システム5に接続される電源バス2の各々にバッテリ1、バッテリ2を配置し、その電源バス間をDC/DCコンバータ等の異電圧バス接続手段14で接続するものである。
図14は、本変形例における車両の電気系を示すブロック図である。本変形例は、図8に示した変形例1の構成を電源バス1と電源バス2に分け、異電圧バス接続手段14とバッテリ2、アイドルストップ用のスタータを追加したものである。
図15は、本変形例におけるハイブリッド電気自動車(HV)における電気系を示すブロック図である。本変形例は、変形例5において説明したバッテリ2が12Vバッテリに対応し、バッテリ1がHV電池に対応し、異電圧バス接続手段14がDC/DCコンバータに対応するもので、その動作は変形例5と同様である。
第2の実施形態は、第1の実施形態によるものと共通するところが多いので、以下、共通部分についての詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。上述した、第1実施形態では、廃熱発電機5cによる最大供給電力(WTG_MAX)を算出する際、図6に示したように、冷媒圧力(Ph)、冷媒の質量流量(Gr)、及びエンジン冷却水温(Tw)の各変数とのマップを予め用意しておき、このマップから発電可能な最大供給電力(WTG_MAX)を求めている。
WTG=Wex×ηG−Wcp={(1/3.6)×ΔHex×Gr×ηex}−Wcp
また、廃熱発電機5cの発電電力の補正値(WTG’)は、上記数式から次式のように示される。なお、次式においては、膨張機5bの機械出力の補正値(Wex’)、膨張機5bの入口と出口の冷媒のエンタルピーの差の補正値(ΔHex’)である。
WTG’=Wex’×ηG−Wcp={(1/3.6)×ΔHex’×Gr×ηex}−Wcp=Wex×(Wex’/Wex)×ηG−Wcp
ここで、膨張機5bの機械出力の予測値(Wex)に予測サイクルと実機のサイクルとの間のエンタルピー差の比を乗じれば、実機の冷媒状態に合った正確な膨張機出力を算出できる。
Aw=(ΔHex’/ΔHex)=(log10Pex_in’−log10Pex_out’)/(log10Pex_in−log10Pex_out)=log10(Pex_in’/Pex_out’)/log10(Pex_in/Pex_out)
このようにして、膨張機5bの出力補正係数(Aw)を取得する。S460では、廃熱発電システム5における消費電力(Wcp)を、冷媒ポンプ5eが消費する冷媒ポンプ入力電力(Wp)とその他の補機消費電力(Wc)の和から計算する。この廃熱発電システム5における消費電力(Wcp)の算出方法について、図23を用いて説明する。
WTG_MAX=Wex_MAX×Aw×ηG−Wcp_MAX
このように、廃熱発電制御手段6からのみ指令を受けて動作している補機による最大消費電力(Wcp_MAX)分を差し引く補正を行うことで、実機の冷媒状態を反映した正確な最大供給電力を予測することが可能になる。
本実施形態におけるつりあい計算によるランキンサイクルの予測は、収束計算となるため計算処理の負荷が大きく、リアルタイムでの計算が困難であることが予想される。このような場合は、つりあい計算の計算結果をマップ化し、そのマップをメモリ等の記憶手段に記憶しておき、このマップを用いて予測するようにしてもよい。
膨張機5b出口における冷媒圧力(Pex_out’)と冷媒ポンプ5e入口における冷媒圧力(Pp_in’)とは、略等しくなることが明らかであるので、図17の圧力センサ5jを備えずに、膨張機5b出口における冷媒圧力(Pex_out’)を冷媒ポンプ5e入口における冷媒圧力(Pp_in’)としてもよい。また、予測精度をより高めたい場合は、サイクル行程D→Aのコンデンサの圧損について、計算或いはマップを参照して冷媒ポンプ5e入口における冷媒圧力(Pp_in’)に加えて膨張機5b出口における冷媒圧力(Pex_out’)としてもよい。
本実施形態では、各電力供給源の電力コストの総計である総電力コストが最小となるように、各電力供給源への要求電力の配分を決定するものであるが、第1実施形態のように、電気系の需要電力に対し、電力コストの低い電力供給源から優先して最大供給電力の範囲内で電力を供給するように、各電力供給源への要求電力の配分を決定するようにしてもよい。
本実施形態の熱発電システムにおいても、第1の実施形態の変形例3で説明したように、車両の電気系の電力不足時には、エンジン冷却水の水温を通常よりも上昇させ、その上昇分の熱エネルギを用いて熱発電機によって発電するようにしてもよい。
本実施形態の熱発電システムにおいても、第1の実施形態の変形例4(図13)で説明したように、オルタネータ3に接続される電源バス1と、廃熱発電システム5に接続される電源バス2の各々にバッテリ1、バッテリ2を配置し、その電源バス間をDC/DCコンバータ等の異電圧バス接続手段14で接続するようにしてもよい。
本実施形態の熱発電システムにおいても、第1の実施形態の変形例6(図15)で説明したように、廃熱発電機5cに接続される電源バスをHV電池の大電力バスに接続するようにしてもよい。これにより、熱発電による電力を走行用の電力として利用することができる。また、大容量のHV電池を活用し、車両の使用状況や条件に応じたよりフレキシブルな発電運用が可能になり、ハイブリッド電気自動車(HV)の燃費をさらに向上することができる。
2 エンジン制御手段
3 オルタネータ
4 オルタネータ制御手段
5 廃熱発電システム
5a 熱交換器
5b 膨張機
5c 廃熱発電機
5d 発電機制御手段
5e 冷媒ポンプ
5f、5i、5j 圧力センサ
5g 冷媒ポンプモータ制御手段
5h ウォータポンプモータ制御手段
5k 冷却ファン
6 廃熱発電制御手段
7 水温検出手段
8 バッテリ
9 バッテリ状態検知手段
10 バス電圧検出手段
11 電流検出手段
12 負荷制御手段
13 車両電源制御手段
Claims (16)
- 熱源の熱エネルギによる熱伝達媒体の膨張又は/及び凝縮によって発生する運動エネルギを利用して電力を発生する熱発電手段を備える熱発電装置であって、
前記熱源から熱伝達媒体に伝達される伝達熱量を取得する伝達熱量取得手段と、
前記熱伝達媒体を凝縮する際に放熱される放熱熱量を取得する放熱熱量取得手段と、
前記熱源の冷却に用いられる冷却水を介して、前記熱源の熱エネルギを前記熱伝達媒体に伝達する熱伝達手段と、
前記熱伝達媒体を凝縮する熱伝達媒体凝縮手段と、
前記熱伝達媒体凝縮手段が前記熱伝達媒体を凝縮する際、前記熱伝達媒体の放熱を行う放熱手段と、
前記熱伝達媒体の流量を取得する熱伝達媒体流量取得手段と、
前記熱伝達媒体を加圧して、当該熱伝達媒体の流量を制御する熱伝達媒体流量制御手段と、
前記熱伝達手段、前記放熱手段、及び前記熱伝達媒体流量制御手段を含む補機の各々の消費電力を予測する消費電力予測手段と、
前記熱伝達媒体の流量、前記伝達熱量、及び前記放熱熱量から、前記熱発電手段による発電可能な発電電力を予測する発電電力予測手段と、
前記熱伝達媒体の膨張又は/及び凝縮による当該熱伝達媒体の圧力及び内部エネルギを予測する状態予測手段と、を備え、
前記発電電力予測手段は、前記状態予測手段の予測した内部エネルギに基づいて、前記発電電力を予測し、
前記消費電力予測手段は、前記状態予測手段の予測した内部エネルギに基づいて、前記消費電力を予測することを特徴とする熱発電装置。 - 前記熱伝達媒体の膨張又は/及び凝縮時の圧力を検出する圧力検出手段と、
前記圧力検出手段の検出した圧力と、前記状態予測手段の予測した前記熱伝達媒体の圧力とから、前記発電電力予測手段の予測した予測発電電力、及び前記消費電力予測手段の予測した予測消費電力を補正する電力補正手段と、を備えることを特徴とする請求項1記載の熱発電装置。 - 前記発電電力予測手段は、前記状態予測手段の予測した内部エネルギに基づいて予測した前記発電電力から前記補機の消費電力を差し引く補正を行い、前記補正した電力を実質発電電力として予測する電力補正手段を備えることを特徴とする請求項1記載の熱発電装置。
- 前記電力補正手段は、前記補機が前記熱発電手段からのみの指令によって動作する場合に限り、前記予測発電電力から前記消費電力予測手段で予測した消費電力である予測消費電力を差し引く補正を行うことを特徴とする請求項3記載の熱発電装置。
- 前記熱発電手段が前記発電電力予測手段の予測する発電可能な電力の範囲内で発電するように、当該熱発電手段の発電電力を制御する熱発電電力制御手段を備えることを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の熱熱電装置。
- 前記熱伝達媒体は、空調装置に用いられる冷媒であることを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載の熱発電装置。
- 前記熱源は移動体に搭載されるエンジンであって、
前記移動体の速度を検出する速度検出手段を備え、
前記放熱熱量取得手段は、前記速度検出手段の検出した速度から前記放熱手段の周辺を流れる気体の流速を取得することを特徴とする請求項1〜6の何れか1項に記載の熱発電装置。 - 前記冷却水の流量を取得する冷却水流量取得手段と、
前記エンジンの回転数を検出するエンジン回転数検出手段と、を備え、
前記冷却水流量取得手段は、前記冷却水を循環するためのポンプの回転数、及び前記エンジンの回転数から前記冷却水の流量を取得し、
前記放熱熱量取得手段は、前記エンジンの回転数に基づいて前記放熱熱量を取得することを特徴とする請求項7記載の熱発電装置。 - 請求項1〜8の何れか1項に記載の熱発電装置を含む複数の電力供給源を備える電源制御装置であって、
前記発電電力予測手段で予測した電力である予測発電電力を前記熱発電手段による最大供給可能電力とし、当該熱発電手段の電力コストを算出するとともに、他の電力供給源の最大供給可能電力、及び電力コストを算出する算出手段と、
前記各電力供給源の最大供給可能電力、及び電力コストから、前記熱発電手段への要求電力の配分を決定する配分決定手段と、を備え、
前記配分決定手段は、前記各電力供給源の電力コストを比較して、前記熱発電手段の電力コストが他の前記電力供給源よりも安い場合に、前記熱発電手段による最大供給可能力の範囲内で当該熱発電手段による発電電力が優先的に供給されるように、前記熱発電手段への要求電力の配分を決定することを特徴とする電源制御装置。 - 請求項3に記載の熱発電装置を含む複数の電力供給源を備える電源制御装置であって、
前記電力補正手段で予測した実質発電電力を前記熱発電手段による最大供給可能電力とし、当該熱発電手段の電力コストを算出するとともに、他の電力供給源の最大供給可能電力、及び電力コストを算出する算出手段と、
前記各電力供給源の最大供給可能電力、及び電力コストから、前記熱発電手段への要求電力の配分を決定する配分決定手段と、を備え、
前記配分決定手段は、前記各電力供給源の電力コストを比較して、前記熱発電手段の電力コストが他の前記電力供給源よりも安い場合に、前記熱発電手段による最大供給可能力の範囲内で当該熱発電手段による発電電力が優先的に供給されるように、前記熱発電手段への要求電力の配分を決定することを特徴とする電源制御装置。 - 前記配分決定手段は、前記発電手段の最大供給可能電力が負の値を示す場合、前記最大供給可能電力の絶対値を電力負荷として扱うことを特徴とする請求項9または10記載の電源制御装置。
- 電力負荷の必要とする負荷要求電力を算出する負荷要求電力算出手段を備え、
前記配分決定手段は、前記負荷要求電力を加味して前記熱発電手段への要求電力の配分を決定することを特徴とする請求項10〜12の何れか1項に記載の電源制御装置。 - 前記配分決定手段は、前記熱発電手段の電力負荷の優先度を他の電力負荷よりも高く設定することを特徴とする請求項11又は12記載の電源制御装置。
- 前記算出手段は、前記冷却水の水温が前記冷却水の水温制御の下限値を下回る場合、前記熱発電手段の最大供給電力をゼロと算出し、
前記冷却水の水温が前記冷却水の水温制御の下限値を上回る場合、前記熱発電手段の最大供給電力として、前記冷却水の水温と前記下限値との差分に略比例した電力を算出することを特徴とする請求項9〜13の何れか1項に記載の電源制御装置。 - 前記複数の電力供給源は、複数の蓄電器を含むものであって、
前記複数の蓄電器の少なくとも1つの蓄電器は、前記熱発電手段にて発電された電力を蓄えるように、前記熱発電手段と第1の電源バスを介して接続され、
他の蓄電器は、前記第1の電源バスと異なる第2の電源バスに接続され、
前記第1の電源バスと前記第2の電源バスとを接続する電源バス接続手段を備え、
前記電源バス接続手段によって、前記第1の電源バスと前記第2の電源バスとの間の電力移動を行うことを特徴とする請求項9〜14の何れか1項に記載の電源制御装置。 - 前記第1の電源バスは、ハイブリッド電気自動車の動力電源バスであって、
前記熱発電手段の発電電力は、前記動力電源バスを介して前記ハイブリッド電気自動車の走行用の電力として利用されることを特徴とする請求項15記載の電源制御装置。
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