WO2018084309A1

WO2018084309A1 - 排ガスエネルギー回収装置

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Publication number: WO2018084309A1
Application number: PCT/JP2017/040100
Authority: WO
Inventors: 裕司佐々木; 吉田　隆; 達身猪俣; 国彰飯塚; 拓也小篠; 良介湯本
Original assignee: 株式会社Ihi
Priority date: 2016-11-07
Filing date: 2017-11-07
Publication date: 2018-05-11
Also published as: CN109415965A; CN109415965B; JPWO2018084309A1; US20190257234A1; DE112017005590T5; JP6725003B2; US10865687B2

Abstract

排ガスエネルギー回収装置は、排ガスにより回転するタービンで駆動される発電装置と、発電装置に接続されたスイッチング素子と、スイッチング素子を介して発電装置に接続され、第１蓄電装置に接続するための第１端子と、発電装置に接続され、第２蓄電装置に接続するための第２端子と、を備え、第１蓄電装置の端子電圧は、第２蓄電装置の端子電圧よりも小さく、スイッチング素子は、発電装置から出力される直流電圧の大きさに基づいて、発電装置によって充電される充電先を第１蓄電装置及び第２蓄電装置のいずれかに切り替える。

Description

排ガスエネルギー回収装置

　本開示は、排ガスエネルギー回収装置に関する。

　エンジンの排ガスエネルギー回収機構としてターボチャージャがある。例えば、特許文献１には、タービンロータを有するタービン部と、コンプレッサロータを有するコンプレッサ部と、タービンロータとコンプレッサロータとを連結する連結部と、を備えるターボチャージャが記載されている。このようなターボチャージャは、エンジンの排ガスによってタービンロータを回転させ、タービンロータと連結されているコンプレッサロータを回転させて空気を圧縮し、圧縮した空気をエンジンに供給している。

特開２００６－２９１７８２号公報特開２０１１－３１６７２号公報国際公開第９９／５６０１１号特開２００６－１０１６６８号公報特開２００４－２２９４６１号公報特開平９－５１６３７号公報

　車両用に使用されるターボチャージャでは、例えばエンジンが低回転で稼働する場合には、エンジンから排出されるガスの量が少ないので、コンプレッサへ流入する空気量が小さくなり、圧縮効率が低下する傾向にある。一方、エンジンが高回転で稼働する場合には、エンジンから排出されるガスの一部はウェストゲート等によってタービンを経由させずに放出されることがある。このように、排ガスのエネルギーの回収効率には改善の余地がある。

　本開示は、排ガスのエネルギーの回収効率を向上可能な排ガスエネルギー回収装置を提供する。

　本開示の一側面に係る排ガスエネルギー回収装置は、排ガスにより回転するタービンで駆動される発電装置と、発電装置に接続されたスイッチング素子と、スイッチング素子を介して発電装置に接続され、第１蓄電装置に接続するための第１端子と、発電装置に接続され、第２蓄電装置に接続するための第２端子と、を備える。第１蓄電装置の端子電圧は、第２蓄電装置の端子電圧よりも小さい。スイッチング素子は、発電装置から出力される直流電圧の大きさに基づいて、発電装置によって充電される充電先を第１蓄電装置及び第２蓄電装置のいずれかに切り替える。

　本開示によれば、排ガスのエネルギーの回収効率を向上させることができる。

図１は、本実施形態に係る排ガスエネルギー回収装置を含む排ガスエネルギー回収システムの概略構成を示す図である。図２は、図１に示される排ガスエネルギー回収装置の回路構成図である。図３は、タービンの回転数及びタービン発電装置の出力電圧と回生電流との関係を示す図である。図４は、コントローラによる切り替え制御の一連の処理を示すフローチャートである。

　以下に説明される本開示に係る実施形態は本発明を説明するための例示であるので、本発明は以下の内容に限定されるべきではない。

［１］実施形態の概要
　本開示の一側面に係る排ガスエネルギー回収装置は、排ガスにより回転するタービンで駆動される発電装置と、発電装置に接続されたスイッチング素子と、スイッチング素子を介して発電装置に接続され、第１蓄電装置に接続するための第１端子と、発電装置に接続され、第２蓄電装置に接続するための第２端子と、を備える。第１蓄電装置の端子電圧は、第２蓄電装置の端子電圧よりも小さい。スイッチング素子は、発電装置から出力される直流電圧の大きさに基づいて、発電装置によって充電される充電先を第１蓄電装置及び第２蓄電装置のいずれかに切り替える。

　この排ガスエネルギー回収装置では、排ガスにより回転するタービンで発電装置が駆動することによって、排ガスのエネルギーが電気エネルギーに変換される。排ガスエネルギー回収装置の第１端子に第１蓄電装置が接続され、第２端子に第２蓄電装置が接続され、発電装置から出力される直流電圧の大きさに基づいて、発電装置によって充電される充電先が第１蓄電装置及び第２蓄電装置のいずれかに切り替えられる。ターボチャージャのようにタービンの回転をガスの圧縮に用いるよりも、タービンの回転を電気エネルギーに変換する方が、エネルギーの変換効率は高い。しかし、発電装置によって生成される電力の大きさは、タービンの回転数に応じて変動する。このため、発電装置によって生成される電力の直流電圧に応じて、端子電圧の異なる第１蓄電装置及び第２蓄電装置を切り替えて充電することにより、タービンの回転数の広範囲に亘って、電気エネルギーとして回収することができる。その結果、排ガスのエネルギーの回収効率を向上させることが可能となる。

　上記排ガスエネルギー回収装置は、スイッチング素子を制御するコントローラをさらに備えてもよい。コントローラは、第１蓄電装置に供給可能な電圧である第１電圧よりも直流電圧が小さい場合にスイッチング素子をオン状態としてもよく、第２蓄電装置を充電可能な電圧である第２電圧よりも直流電圧が大きい場合にスイッチング素子をオフ状態としてもよい。蓄電装置に供給可能な最大の電圧、及び蓄電装置を充電可能な最小の電圧は、予め定められている。この供給可能な最大の電圧を超えた電圧で蓄電装置を充電しようとすると、蓄電装置が損傷するおそれがある。また、蓄電装置の端子電圧よりも小さい電圧では蓄電装置を充電することができない。第１蓄電装置に供給可能な第１電圧よりも直流電圧が小さい場合に、スイッチング素子がオン状態とされることにより、第１蓄電装置が充電される。また、第２蓄電装置を充電可能な第２電圧よりも直流電圧が大きい場合に、スイッチング素子がオフ状態とされることにより、第２蓄電装置が充電される。

　コントローラは、直流電圧が第１電圧以上であり、かつ、第２電圧以下である場合に、スイッチング素子をパルス幅変調制御してもよい。直流電圧が第２電圧以下である場合には、第２蓄電装置を充電することはできない。一方、直流電圧が第１電圧以上である場合に、第１蓄電装置に直流電圧をそのまま供給すると、第１蓄電装置が損傷するおそれがある。このため、スイッチング素子をパルス幅変調制御することにより、第１蓄電装置を損傷させることなく、第１蓄電装置を充電することができる。これにより、直流電圧が第１電圧以上であり、第２電圧以下である場合にも電気エネルギーを回収することができる。その結果、排ガスのエネルギーの回収効率をさらに向上させることが可能となる。このように、直流電圧が低い場合には第１蓄電装置を充電し、直流電圧が高い場合には第２蓄電装置を充電することにより、タービンの回転数の広範囲に亘って電気エネルギーを回収することができる。

　本開示の別の側面に係る排ガスエネルギー回収装置は、排ガスにより回転するタービンで駆動される発電機と、第１蓄電装置に接続するための第１端子と、第２蓄電装置に接続するための第２端子と、発電機の出力に接続された第１ダイオード及び第２ダイオードと、第１ダイオード及び第２ダイオードと並列に接続された第１コンデンサと、第２端子と直列に接続された第３ダイオードと、第１端子と並列に接続された第２コンデンサと、第２コンデンサと並列に接続された第４ダイオードと、第４ダイオードのカソードと第２コンデンサの一端との間に設けられたリアクトルと、第１コンデンサの一端とリアクトルの一端との間に設けられたスイッチング素子と、を備える。第１ダイオードのアノード及び第２ダイオードのカソードは、互いに接続されるとともに、発電機の出力に接続される。第１ダイオードのカソードは、第１コンデンサの一端に接続される。第２ダイオードのアノードは、第１コンデンサの他端に接続される。第３ダイオードのカソードは、第２端子に接続され、第３ダイオードのアノードは、第１コンデンサの一端に接続される。第２端子及び第３ダイオードは、第１コンデンサと並列に接続される。

［２］実施形態の例示
　以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

　図１は、本実施形態に係る排ガスエネルギー回収装置を含む排ガスエネルギー回収システムの概略構成を示す図である。図１に示されるように、排ガスエネルギー回収システム１は、エンジン２と、タービン発電装置３と、充電制御装置４と、低圧蓄電装置５（第１蓄電装置）と、高圧蓄電装置６（第２蓄電装置）と、電動コンプレッサ７と、を備えている。排ガスエネルギー回収システム１は、エンジン２からの排ガスのエネルギー（排熱）を電気エネルギーとして回収するためのシステムである。本実施形態では、排ガスエネルギー回収システム１は、ハイブリッド車両に適用される。排ガスエネルギー回収システム１が適用されるハイブリッド車両は、マイルドハイブリッド車両でもよく、ストロングハイブリッド車両でもよい。

　エンジン２は、ハイブリッド車両の駆動力源である。エンジン２としては、例えばガソリンエンジン及びディーゼルエンジン等が挙げられる。

　タービン発電装置３は、タービンで駆動される発電装置であり、エンジン２からの排ガスのエネルギーを電気エネルギーに変換する。タービン発電装置３は、タービン３１と、タービン３１に連結された発電機３２と、整流回路３３（図２参照）と、コンデンサＣ１（図２参照）と、を含んでいる。図１では、便宜上、整流回路３３及びコンデンサＣ１の図示を省略している。タービン３１は、ラジアルタービンでもよく、アキシャルタービンでもよい。タービン発電装置３では、エンジン２から排出されたガス（排ガス）によりタービン３１が回転することで発電機３２が駆動され、電力が発生する。タービン３１の回転数が大きくなるにつれて、発電機３２によって生成される電力は大きくなる。

　充電制御装置４は、タービン発電装置３で生じた電力の充電先を制御する。充電制御装置４は、端子Ｔｌ（第１端子）及び端子Ｔｈ（第２端子）を含んでいる。端子Ｔｌは、低圧蓄電装置５を接続するための接続端子である。端子Ｔｌは、後述のスイッチング素子ＳＷ（図２参照）を介してタービン発電装置３に接続されている。端子Ｔｈは、高圧蓄電装置６を接続するための接続端子である。端子Ｔｈは、タービン発電装置３に接続されている。なお、タービン発電装置３及び充電制御装置４によって、排ガスエネルギー回収装置１０が構成されている。排ガスエネルギー回収装置１０の詳細構成については後述する。

　低圧蓄電装置５は、低電圧の電力を充放電可能に構成されている。低圧蓄電装置５は、例えば１２Ｖバッテリである。この場合、低圧蓄電装置５の端子電圧の下限電圧は、例えば９Ｖである。低圧蓄電装置５の端子電圧の上限電圧は、例えば１６Ｖである。低圧蓄電装置５の端子電圧は、高圧蓄電装置６の端子電圧よりも小さい。低圧蓄電装置５としては、例えば鉛蓄電池が用いられる。低圧蓄電装置５は、排ガスエネルギー回収装置１０によって充電される。低圧蓄電装置５に蓄積された電力は、例えば補機に供給される。

　高圧蓄電装置６は、高電圧の電力を充放電可能に構成されている。高圧蓄電装置６は、例えば４８Ｖバッテリである。この場合、高圧蓄電装置６の端子電圧の下限電圧は、例えば３６Ｖである。高圧蓄電装置６の端子電圧の上限電圧は、例えば６０Ｖである。高圧蓄電装置６としては、例えばリチウムイオン電池が用いられる。高圧蓄電装置６は、排ガスエネルギー回収装置１０によって充電される。高圧蓄電装置６に蓄積された電力は、電動コンプレッサ７、不図示のパワーステアリング機構、及びスタータ等に供給される。

　なお、端子電圧の下限電圧とは、蓄電装置を充電可能な最小の電圧である。端子電圧の上限電圧とは、蓄電装置に供給可能な最大許容端子電圧であり、例えばＶＤＡ３２０、及びＩＳＯ１６７５０－２等の規格によって定められている。

　電動コンプレッサ７は、空気を圧縮し、圧縮した空気をエンジン２に供給する。電動コンプレッサ７は、インバータ７１と、モータ７２と、モータ７２に連結されたコンプレッサ７３と、を含んでいる。インバータ７１は、高圧蓄電装置６から供給された直流の電力を交流電力に変換し、交流電力をモータ７２に供給する。モータ７２は、インバータ７１から交流電力を供給されることにより駆動する。コンプレッサ７３は、モータ７２の回転軸に取り付けられており、モータ７２が駆動することで回転する。コンプレッサ７３の回転により、空気が圧縮される。

　図２は、図１に示される排ガスエネルギー回収装置の回路構成図である。図２に示されるように、排ガスエネルギー回収装置１０は、タービン発電装置３と、充電制御装置４と、を備えている。

　上述のように、タービン発電装置３は、タービン３１と、発電機３２と、整流回路３３と、コンデンサＣ１（第１コンデンサ）と、を含んでいる。発電機３２は、例えば、永久磁石発電機である。発電機３２は、タービン３１の回転により駆動され、電力を生成する。本実施形態では、発電機３２は、３相交流発電機である。

　整流回路３３は、発電機３２によって生成された電力（交流電力）を整流する。整流回路３３は、ダイオードＤｐｕ，Ｄｎｕ，Ｄｐｖ，Ｄｎｖ，Ｄｐｗ，Ｄｎｗを含む。一対のダイオードＤｐｕ，ＤｎｕはＵ相用の整流回路である。ダイオードＤｐｕのアノードとダイオードＤｎｕのカソードとは互いに接続されるとともに、発電機３２のＵ相用出力ラインに接続されている。一対のダイオードＤｐｖ，ＤｎｖはＶ相用の整流回路である。ダイオードＤｐｖのアノードとダイオードＤｎｖのカソードとは互いに接続されるとともに、発電機３２のＶ相用出力ラインに接続されている。一対のダイオードＤｐｗ，ＤｎｗはＷ相用の整流回路である。ダイオードＤｐｗのアノードとダイオードＤｎｗのカソードとは互いに接続されるとともに、発電機３２のＷ相用出力ラインに接続されている。

　コンデンサＣ１は、整流回路３３によって整流された電力を平滑化するためのコンデンサである。具体的には、コンデンサＣ１は、全波整流された電力の電圧を平滑化し、直流電圧を出力する。ダイオードＤｐｕ，Ｄｐｖ，Ｄｐｗ（第１ダイオード）のカソードは互いに接続されるとともに、コンデンサＣ１の一端に接続されている。ダイオードＤｎｕ，Ｄｎｖ，Ｄｎｗ（第２ダイオード）のアノードは互いに接続されるとともに、コンデンサＣ１の他端に接続されている。言い換えると、Ｕ相用のダイオードＤｐｕ，Ｄｎｕと、Ｖ相用のダイオードＤｐｖ，Ｄｎｖと、Ｗ相用のダイオードＤｐｗ，Ｄｎｗと、コンデンサＣ１とは、互いに並列に接続されている。コンデンサＣ１の一端が接続されるラインを正極ラインＰＬと称し、コンデンサＣ１の他端が接続されるラインを負極ラインＮＬと称する。

　タービン発電装置３では、タービン３１の回転数Ｎｔ（図３参照）とコンデンサＣ１の両端の電圧（電位差）（後述する電圧値Ｖｇｅｎ）とは１対１で対応している。以下、「コンデンサＣ１の両端の電圧」を単に「コンデンサＣ１の電圧」と表現することがある。回転数Ｎｔが上昇するにつれて、電圧値Ｖｇｅｎも大きくなる。タービン発電装置３の出力電圧は、コンデンサＣ１の電圧である。

　充電制御装置４は、降圧チョッパ回路４１と、電圧計４２と、電流計４３と、コントローラ４４と、ダイオードＤ１（第３ダイオード）と、端子Ｔｈと、端子Ｔｌと、を備えている。端子Ｔｈは、高圧蓄電装置６の正極端子を接続するための端子Ｔｈ１と、高圧蓄電装置６の負極端子を接続するための端子Ｔｈ２とを含んでいる。端子Ｔｌは、低圧蓄電装置５の正極端子を接続するための端子Ｔｌ１と、低圧蓄電装置５の負極端子を接続するための端子Ｔｌ２とを含んでいる。端子Ｔｈ２及び端子Ｔｌ２は負極ラインＮＬに接続されている。

　ダイオードＤ１は、逆流防止用のダイオードである。ダイオードＤ１及び端子Ｔｈは直列に接続されており、コンデンサＣ１と並列に接続されている。具体的には、ダイオードＤ１のカソードは端子Ｔｈ１に接続され、ダイオードＤ１のアノードは正極ラインＰＬに接続されている。つまり、ダイオードＤ１のアノードはコンデンサＣ１の一端に接続されている。ダイオードＤ１は、コンデンサＣ１の電圧が高圧蓄電装置６の端子電圧よりも小さい場合に、高圧蓄電装置６からコンデンサＣ１に電流が流れ込むことを防止する。コンデンサＣ１の電圧が高圧蓄電装置６の端子電圧よりも大きい場合には、ダイオードＤ１はオン状態となり、コンデンサＣ１の一端からダイオードＤ１を介して高圧蓄電装置６に電流が流れ込む。

　降圧チョッパ回路４１は、タービン発電装置３の出力電圧を所望の直流電圧に変換するための回路である。降圧チョッパ回路４１は、スイッチング素子ＳＷと、ダイオードＤ２と、ダイオードＤ３（第４ダイオード）と、リアクトルＬと、コンデンサＣ２（第２コンデンサ）と、を備えている。

　スイッチング素子ＳＷは、電気的な開閉を切り替え可能な素子である。すなわち、スイッチング素子ＳＷは、スイッチング素子ＳＷの両端（コレクタ及びエミッタ）の間が導通状態であるオン状態と、遮断状態であるオフ状態と、に切り替えられる。スイッチング素子ＳＷとしては、例えばＩＧＢＴ（Insulated　Gate　Bipolar　Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal　Oxide　Semiconductor　Field　Effect　Transistor）、及びバイポーラトランジスタ等が用いられる。スイッチング素子ＳＷは、タービン発電装置３に接続されており、コンデンサＣ１の一端とリアクトルＬの一端との間に設けられている。具体的には、スイッチング素子ＳＷのコレクタは、正極ラインＰＬに接続され、スイッチング素子ＳＷのエミッタは、リアクトルＬを介して端子Ｔｌ１に接続されている。スイッチング素子ＳＷのベース（制御端子）には、コントローラ４４から駆動信号が供給される。スイッチング素子ＳＷは、コントローラ４４から出力される駆動信号に応じて、オン状態及びオフ状態を切り替える。スイッチング素子ＳＷは、タービン発電装置３の出力電圧の大きさに基づいて、タービン発電装置３によって充電される充電先を低圧蓄電装置５及び高圧蓄電装置６のいずれかに切り替えるように、コントローラ４４によって制御される。

　ダイオードＤ２は、スイッチング素子ＳＷと電気的に並列に接続されている逆流防止用のダイオードである。具体的には、ダイオードＤ２のカソードはスイッチング素子ＳＷのコレクタに接続され、ダイオードＤ２のアノードはスイッチング素子ＳＷのエミッタに接続されている。

　コンデンサＣ２は、低圧蓄電装置５に供給する電圧を一定のレベルに維持するための平滑コンデンサである。コンデンサＣ２は、低圧蓄電装置５（端子Ｔｌ）と並列に接続されている。つまり、コンデンサＣ２の一端は端子Ｔｌ１に接続され、コンデンサＣ２の他端は負極ラインＮＬに接続されている。

　ダイオードＤ３は、スイッチング素子ＳＷがオフ状態である場合に、リアクトルＬに蓄積されたエネルギーを放出させるために電流をフリーホイールする還流ダイオードである。ダイオードＤ３は、コンデンサＣ２と並列に接続されている。つまり、ダイオードＤ３のカソードは、スイッチング素子ＳＷのエミッタに接続され、ダイオードＤ３のアノードは、負極ラインＮＬに接続されている。

　リアクトルＬは、電流の変動を抑制するための素子である。リアクトルＬは、ダイオードＤ３のカソードとコンデンサＣ２の一端との間に設けられる。リアクトルＬの一端はスイッチング素子ＳＷのエミッタに接続され、リアクトルＬの他端は端子Ｔｌ１及びコンデンサＣ２の一端に接続されている。

　電圧計４２は、コンデンサＣ１と並列に接続されており、コンデンサＣ１の両端の電圧（電圧値Ｖｇｅｎ）を計測する。電圧計４２は、コンデンサＣ１の一端の電位が他端の電位よりも大きい場合を正の値とし、コンデンサＣ１の他端の電位が一端の電位よりも大きい場合を負の値として電圧値Ｖｇｅｎを出力する。電圧計４２は、計測した電圧値Ｖｇｅｎをコントローラ４４に出力する。

　電流計４３は、コンデンサＣ１の一端とスイッチング素子ＳＷとの間に直列に設けられており、回生電流を計測する。電流計４３は、タービン発電装置３から充電制御装置４に向かう電流を正の値として電流値Ｉｃｈｇを出力する。電流計４３は、計測した電流値Ｉｃｈｇをコントローラ４４に出力する。

　コントローラ４４は、スイッチング素子ＳＷを制御する制御装置である。コントローラ４４は、例えば、ＣＰＵ（Central　Processing　Unit）、並びに、ＲＡＭ（Random　Access　Memory）及びＲＯＭ（Read　Only　Memory)等のメモリといったハードウェアを含むコンピュータである。メモリに記憶されているコンピュータプログラムに基づくＣＰＵの制御のもとで各ハードウェアを動作させることにより、コントローラ４４の機能が実現される。コントローラ４４は、電圧計４２から出力された電圧値Ｖｇｅｎ及び電流計４３から出力された電流値Ｉｃｈｇに基づいて、スイッチング素子ＳＷを制御する。コントローラ４４は、スイッチング素子ＳＷを制御することによって、タービン発電装置３による充電先を低圧蓄電装置５及び高圧蓄電装置６のいずれかに切り替える。

　コントローラ４４による充電先の切り替え制御について、図３及び図４をさらに参照しながら具体的に説明する。図３は、タービンの回転数及びタービン発電装置の出力電圧と回生電流との関係を示す図である。図４は、コントローラによる切り替え制御の一連の処理を示すフローチャートである。図３の横軸は電圧値Ｖｇｅｎ［Ｖ］及び回転数Ｎｔ［ｋｒｐｍ］を示し、図３の縦軸は電流値Ｉｃｈｇ［Ａ］を示している。図３の例では、低圧蓄電装置５として１２Ｖバッテリが用いられ、高圧蓄電装置６として４８Ｖバッテリが用いられている。ここで、回転数Ｎｔは一例の数値を示しており、タービン３１の特性等によって、電圧値Ｖｇｅｎに対する回転数Ｎｔの対応関係は変化し得る。図４に示される処理は、排ガスエネルギー回収システム１が動作を開始することによって開始される。

　まず、コントローラ４４は、電圧計４２から電圧値Ｖｇｅｎを取得する（ステップＳ０１）。そして、コントローラ４４は、電圧値Ｖｇｅｎと、電圧閾値Ｖｔｈ１及び電圧閾値Ｖｔｈ２と、を比較する。電圧閾値Ｖｔｈ１は、低圧蓄電装置５に応じて定められる値である。電圧閾値Ｖｔｈ１としては、例えば、低圧蓄電装置５の端子電圧の上限電圧が用いられる。図３の例では、電圧閾値Ｖｔｈ１は１６Ｖに設定されている。電圧閾値Ｖｔｈ２は、高圧蓄電装置６に応じて定められる値である。電圧閾値Ｖｔｈ２としては、例えば、高圧蓄電装置６の端子電圧の下限電圧が用いられる。図３の例では、電圧閾値Ｖｔｈ２は３６Ｖに設定されている。

　具体的には、コントローラ４４は、電圧値Ｖｇｅｎが電圧閾値Ｖｔｈ１よりも小さいか否かを判定する（ステップＳ０２）。コントローラ４４は、電圧値Ｖｇｅｎが電圧閾値Ｖｔｈ１よりも小さいと判定した場合（ステップＳ０２：Ｙｅｓ）、スイッチング素子ＳＷをオン状態とする（ステップＳ０３）。このとき、図３の区間Ｐ１に示されるように、コンデンサＣ１の電圧（電圧値Ｖｇｅｎ）が低圧蓄電装置５の端子電圧の下限電圧（この例では、９Ｖ）以下であれば、回生電流は流れず、低圧蓄電装置５は充電されない。この区間Ｐ１では、タービン発電装置３で回収したエネルギーは、専らタービン３１の回転数を上昇させる加速トルクに用いられる。

　一方、コンデンサＣ１の電圧（電圧値Ｖｇｅｎ）が低圧蓄電装置５の端子電圧の下限電圧よりも大きければ、コンデンサＣ１の一端からスイッチング素子ＳＷ及びリアクトルＬを介して低圧蓄電装置５の正極端子に向けて回生電流が流れ込む。図３の区間Ｐ２に示されるように、コンデンサＣ１の電圧が低圧蓄電装置５の端子電圧よりも大きくなるにつれて、回生電流の電流値Ｉｃｈｇが大きくなる。これにより、低圧蓄電装置５が充電される。なお、コンデンサＣ１の電圧は、高圧蓄電装置６の端子電圧よりも小さいので、高圧蓄電装置６は充電されない。また、ダイオードＤ１によって、高圧蓄電装置６からコンデンサＣ１に電流が流れ込むことが防止される。

　ステップＳ０２の判定において、コントローラ４４は、電圧値Ｖｇｅｎが電圧閾値Ｖｔｈ１以上であると判定した場合（ステップＳ０２：Ｎｏ）、電圧値Ｖｇｅｎが電圧閾値Ｖｔｈ２よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ０４）。コントローラ４４は、電圧値Ｖｇｅｎが電圧閾値Ｖｔｈ２よりも大きいと判定した場合（ステップＳ０４：Ｙｅｓ）、スイッチング素子ＳＷをオフ状態とする（ステップＳ０５）。この場合、コンデンサＣ１の一端からダイオードＤ１を介して高圧蓄電装置６の正極端子に向けて回生電流が流れ込む。これにより、高圧蓄電装置６が充電される。なお、スイッチング素子ＳＷがオフ状態であることから、低圧蓄電装置５は充電されない。図３の区間Ｐ４に示されるように、この状態では、コンデンサＣ１の電圧が高圧蓄電装置６の端子電圧よりも大きくなるにつれて、回生電流の電流値Ｉｃｈｇが大きくなる。コンデンサＣ１の電圧が高圧蓄電装置６の端子電圧（電圧閾値Ｖｔｈ２）と同じであれば、回生電流は流れない。

　ところで、コンデンサＣ１の電圧が高圧蓄電装置６の端子電圧の上限電圧（この例では、６０Ｖ）を超える場合には、高圧蓄電装置６が損傷する可能性があるので、高圧蓄電装置６に充電することができない。このため、タービン３１の回転数Ｎｔの最大値に対応するコンデンサＣ１の電圧（電圧値Ｖｇｅｎ）が、高圧蓄電装置６の端子電圧の上限電圧を超えないように、タービン発電装置３（発電機３２）は設計されている。図３の例では、タービン３１の回転数Ｎｔの最大値に対応するコンデンサＣ１の電圧が高圧蓄電装置６の端子電圧の上限電圧と一致するように、タービン発電装置３は設計されている。

　ステップＳ０４の判定において、コントローラ４４は、電圧値Ｖｇｅｎが電圧閾値Ｖｔｈ２以下であると判定した場合（ステップＳ０４：Ｎｏ）、つまり、電圧値Ｖｇｅｎが電圧閾値Ｖｔｈ１以上であり、かつ、電圧閾値Ｖｔｈ２以下であると判定した場合に、スイッチング素子ＳＷをパルス幅変調（Pulse　Width　Modulation：ＰＷＭ）制御する（ステップＳ０６）。例えば、コントローラ４４は、電流計４３から電流値Ｉｃｈｇを取得する。そして、コントローラ４４は、指定電流値Ｉｃｈｇ^＊と電流値Ｉｃｈｇとの差分を演算し、その差分がゼロになるようにＰＩ（Proportional-Integral）制御を行う。指定電流値Ｉｃｈｇ^＊は、例えば図３の区間Ｐ３に示されるように、電圧値Ｖｇｅｎが電圧閾値Ｖｔｈ１である場合の回生電流の電流値Ｉｃｈｇである。指定電流値Ｉｃｈｇ^＊は、コントローラ４４に予め設定されている。コントローラ４４は、ＰＩ制御の操作量と電圧値Ｖｇｅｎとに基づいてＰＷＭ制御のパルス幅及びデューティ比を決定する。コントローラ４４は、電圧値Ｖｇｅｎが大きいほどデューティ比を下げるように制御する。なお、デューティ比は、スイッチング素子ＳＷのオン状態及びオフ状態を切り替える１周期の時間におけるオン状態の時間の割合である。

　ＰＷＭ制御では、降圧チョッパ回路４１が動作する。具体的には、スイッチング素子ＳＷがオン状態であるときに、コンデンサＣ１の一端からスイッチング素子ＳＷ及びリアクトルＬを介して低圧蓄電装置５の正極端子に回生電流が流れ込む。スイッチング素子ＳＷがオフ状態にされると、リアクトルＬの電流がダイオードＤ３を介して低圧蓄電装置５の正極端子に流れ込む。スイッチング素子ＳＷのオン状態及びオフ状態を繰り返し切り替えることにより、連続的に低圧蓄電装置５が充電される。このように、コンデンサＣ１の電圧が、低圧蓄電装置５の端子電圧の上限電圧以上であり、かつ、高圧蓄電装置６の端子電圧の下限電圧以下であっても、低圧蓄電装置５の端子電圧の上限電圧以下で低圧蓄電装置５が充電される。

　コントローラ４４は、ステップＳ０３、ステップＳ０５、又はステップＳ０６の処理を行った後、再びステップＳ０１から一連の処理を繰り返す。

　以上説明した排ガスエネルギー回収装置１０によれば、排ガスにより回転するタービン３１でタービン発電装置３が駆動することによって、排ガスのエネルギーが電気エネルギーに変換される。排ガスエネルギー回収装置１０の端子Ｔｌに低圧蓄電装置５が接続され、端子Ｔｈに高圧蓄電装置６が接続され、タービン発電装置３の出力電圧の大きさに基づいて、タービン発電装置３によって充電される充電先が低圧蓄電装置５及び高圧蓄電装置６のいずれかに切り替えられる。

　ターボチャージャのようにタービンの回転をガスの圧縮に用いるよりも、タービンの回転を電気エネルギーに変換する方が、エネルギーの変換効率は高い。ターボチャージャは一般的に全動作域で高効率に動作させることはできない。例えば大流量用のターボチャージャであれば、低流量域での圧縮効率は低下してしまう。低流量用のターボチャージャであれば、大流量側での圧縮効率が悪く、仕事に変換されないエネルギーの絶対量が多くなる。またエンジンから排出されるガスの一部がウェストゲート等によってタービンを経由させずに放出されることもある。そこで本実施形態のように排ガスのエネルギーを一旦、電気エネルギーに変換すれば、ターボチャージャとしての効率の低い領域での運転を避けることができるので、排ガスのエネルギーの回収効率は改善すると考えられる。

　ここで、タービン発電装置３によって生成される電力の大きさは、タービン３１の回転数Ｎｔに応じて変動する。その一方、蓄電装置では、前述した通り、端子電圧に下限電圧と上限電圧とが存在するので、タービンの回転に応じて発生した電圧の値によっては、その電圧を充電できない場合が発生してしまう。このため、タービン発電装置３の出力電圧に応じて、端子電圧の異なる低圧蓄電装置５及び高圧蓄電装置６を切り替えて充電することにより、タービン３１の回転数Ｎｔの広範囲に亘って、電気エネルギーとして回収することができるようにしている。その結果、排ガスのエネルギーの回収効率の向上を実現することができる。

　蓄電装置に供給可能な最大の電圧（端子電圧の上限電圧）、及び蓄電装置を充電可能な最小の電圧（端子電圧の下限電圧）は、予め定められている。この供給可能な最大の電圧を超えた電圧で蓄電装置を充電しようとすると、蓄電装置が損傷するおそれがある。また、蓄電装置の端子電圧よりも小さい電圧では蓄電装置を充電することができない。排ガスエネルギー回収装置１０では、電圧閾値Ｖｔｈ１は低圧蓄電装置５の端子電圧の上限電圧に設定されており、電圧閾値Ｖｔｈ２は高圧蓄電装置６の端子電圧の下限電圧に設定されている。排ガスエネルギー回収装置１０では、電圧閾値Ｖｔｈ１よりも、タービン発電装置３の出力電圧が小さい場合に、スイッチング素子ＳＷがオン状態とされることにより、低圧蓄電装置５が充電される。また、電圧閾値Ｖｔｈ２よりもタービン発電装置３の出力電圧が大きい場合に、スイッチング素子ＳＷがオフ状態とされることにより、高圧蓄電装置６が充電される。このように、タービン発電装置３の出力電圧が低い場合には低圧蓄電装置５を充電し、タービン発電装置３の出力電圧が高い場合には高圧蓄電装置６を充電することにより、タービン３１の回転数Ｎｔの広範囲に亘って電気エネルギーを回収することができる。

　また、タービン発電装置３の出力電圧が電圧閾値Ｖｔｈ２以下である場合には、高圧蓄電装置６を充電することはできない。一方、タービン発電装置３の出力電圧が電圧閾値Ｖｔｈ１以上である場合に、低圧蓄電装置５に出力電圧をそのまま供給すると、低圧蓄電装置５が損傷するおそれがある。このため、スイッチング素子ＳＷをＰＷＭ制御することにより、低圧蓄電装置５を損傷させることなく、低圧蓄電装置５を充電することができる。これにより、タービン発電装置３の出力電圧が、電圧閾値Ｖｔｈ１以上であり、電圧閾値Ｖｔｈ２以下である場合にも、電気エネルギーを回収することができる。

　なお、降圧チョッパ回路４１を用いることにより、タービン発電装置３で生成された電力を低圧蓄電装置５だけに充電することも可能である。しかし、低圧蓄電装置５によって供給される電力で動作する補機の数は少ない。このため、低圧蓄電装置５に電力を充電しても、低圧蓄電装置５に蓄積された電力の利用効率は十分でない。一方、排ガスエネルギー回収装置１０では、例えば、タービン３１の回転数Ｎｔが低い場合には、タービン発電装置３によって生成される電力は小さいので、低圧蓄電装置５が充電され、タービン３１の回転数Ｎｔが高い場合には、タービン発電装置３によって生成される電力は大きくなるので、高圧蓄電装置６が充電される。そして、タービン発電装置３の出力電圧が電圧閾値Ｖｔｈ１と電圧閾値Ｖｔｈ２との間である場合には、タービン発電装置３の出力電圧をＰＷＭ制御することで低圧蓄電装置５が充電される。このように、エンジン２の低回転稼働時から高回転稼働時に亘る幅広い領域で、エンジン２からの排ガスのエネルギーを電気エネルギーとして回収することができる。その結果、排ガスのエネルギーの回収効率を向上させることが可能となる。

　また、高圧蓄電装置６に蓄積された電力は電動コンプレッサ７に供給されるので、エンジン２の効率をさらに向上させることができる。

　以上、本開示の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られない。例えば、排ガスエネルギー回収システム１は、エンジン２に代えて、燃料電池を備えていてもよい。つまり、排ガスエネルギー回収システム１は燃料電池車両（Fuel　Cell　Vehicle：ＦＣＶ）にも適用することができる。

　また、排ガスエネルギー回収装置１０は、過給機に設けられてもよい。例えば、排ガスエネルギー回収装置１０は、ウェストゲートによって放出されたガスのエネルギーを電気エネルギーとして回収してもよい。

　電圧閾値Ｖｔｈ１は、低圧蓄電装置５の端子電圧の上限電圧に限られず、低圧蓄電装置５に供給可能な電圧であればよい。電圧閾値Ｖｔｈ２は、高圧蓄電装置６の端子電圧の下限電圧に限られず、高圧蓄電装置６を充電可能な電圧であればよい。

　低圧蓄電装置５は１２Ｖバッテリに限られず、高圧蓄電装置６は４８Ｖバッテリに限られない。低圧蓄電装置５の端子電圧が、高圧蓄電装置６の端子電圧よりも低ければよい。具体的には、低圧蓄電装置５に供給可能な最大の電圧（低圧蓄電装置５の端子電圧の上限電圧）が高圧蓄電装置６を充電可能な最小の電圧（高圧蓄電装置６の端子電圧の下限電圧）よりも低ければよい。

　発電機３２は、３相交流電力を出力しているが、これに限られない。交流電力の相数は、２相及び６相等でもよく、３相に限られない。整流回路３３は、相数に応じて一対のダイオードを有していればよい。また、発電機３２は、直流電力を出力してもよい。この場合、タービン発電装置３は、整流回路３３を備えていなくてもよい。

１　排ガスエネルギー回収システム
２　エンジン
３　タービン発電装置（発電装置）
４　充電制御装置
５　低圧蓄電装置（第１蓄電装置）
６　高圧蓄電装置（第２蓄電装置）
７　電動コンプレッサ
１０　排ガスエネルギー回収装置
３１　タービン
３２　発電機
３３　整流回路
４１　降圧チョッパ回路
４４　コントローラ
７１　インバータ
７２　モータ
７３　コンプレッサ
Ｃ１　コンデンサ（第１コンデンサ）
Ｃ２　コンデンサ（第２コンデンサ）
Ｄ１　ダイオード（第３ダイオード）
Ｄ２　ダイオード
Ｄ３　ダイオード（第４ダイオード）
Ｄｐｕ、Ｄｐｖ、Ｄｐｗ　ダイオード（第１ダイオード）
Ｄｎｕ、Ｄｎｖ、Ｄｎｗ　ダイオード（第２ダイオード）
Ｌ　リアクトル
ＰＬ　正極ライン
ＮＬ　負極ライン
ＳＷ　スイッチング素子
Ｔｈ　端子（第２端子）
Ｔｈ１　端子
Ｔｈ２　端子
Ｔｌ　端子（第１端子）
Ｔｌ１　端子
Ｔｌ２　端子

Claims

　排ガスにより回転するタービンで駆動される発電装置と、
　前記発電装置に接続されたスイッチング素子と、
　前記スイッチング素子を介して前記発電装置に接続され、第１蓄電装置に接続するための第１端子と、
　前記発電装置に接続され、第２蓄電装置に接続するための第２端子と、
を備え、
　前記第１蓄電装置の端子電圧は、前記第２蓄電装置の端子電圧よりも小さく、
　前記スイッチング素子は、前記発電装置から出力される直流電圧の大きさに基づいて、前記発電装置によって充電される充電先を前記第１蓄電装置及び前記第２蓄電装置のいずれかに切り替える、排ガスエネルギー回収装置。
　前記スイッチング素子を制御するコントローラをさらに備え、
　前記コントローラは、前記第１蓄電装置に供給可能な電圧である第１電圧よりも前記直流電圧が小さい場合に前記スイッチング素子をオン状態とし、前記第２蓄電装置を充電可能な電圧である第２電圧よりも前記直流電圧が大きい場合に前記スイッチング素子をオフ状態とする、請求項１に記載の排ガスエネルギー回収装置。
　前記コントローラは、前記直流電圧が前記第１電圧以上であり、かつ、前記第２電圧以下である場合に、前記スイッチング素子をパルス幅変調制御する、請求項２に記載の排ガスエネルギー回収装置。
　排ガスにより回転するタービンで駆動される発電機と、
　第１蓄電装置に接続するための第１端子と、
　第２蓄電装置に接続するための第２端子と、
　前記発電機の出力に接続された第１ダイオード及び第２ダイオードと、
　第１ダイオード及び第２ダイオードと並列に接続された第１コンデンサと、
　前記第２端子と直列に接続された第３ダイオードと、
　前記第１端子と並列に接続された第２コンデンサと、
　前記第２コンデンサと並列に接続された第４ダイオードと、
　前記第４ダイオードのカソードと前記第２コンデンサの一端との間に設けられたリアクトルと、
　前記第１コンデンサの一端と前記リアクトルの一端との間に設けられたスイッチング素子と、
を備え、
　前記第１ダイオードのアノード及び前記第２ダイオードのカソードは、互いに接続されるとともに、前記発電機の出力に接続され、
　前記第１ダイオードのカソードは、前記第１コンデンサの一端に接続され、
　前記第２ダイオードのアノードは、前記第１コンデンサの他端に接続され、
　前記第３ダイオードのカソードは、第２端子に接続され、
　前記第３ダイオードのアノードは、前記第１コンデンサの一端に接続され、
　前記第２端子及び第３ダイオードは、前記第１コンデンサと並列に接続される、排ガスエネルギー回収装置。