(57)【要約】      （修正有）【課題】温度センサを設けることなく、熱電変換器の発生電力を有効に取り出すことができるようにする。【解決手段】熱電モジュール１２で発生してＤＣ−ＤＣコンバータ１４のトランスの一次側に入力される電力をコントローラ１６がスイッチング素子のオンオフを制御することでＤＣ−ＤＣコンバータ１４へ入力される電力を制御する。また、熱電モジュール１２とＤＣ−ＤＣコンバータ１４間に、直列に接続されたスイッチング素子と２つの抵抗Ｒを、熱電モジュール１２とＤＣ−ＤＣコンバータ１４に対して並列に接続すると共に、熱電モジュール１２とＤＣ−ＤＣコンバータ１４間と、２つの抵抗Ｒ間に、スイッチング素子を接続する。そして、スイッチング素子ＦＥＴ（Ｓ２）をオンした時の１つの抵抗Ｒを流れる電流及び電圧から、短絡電流を求めて、動作電流を決定し、コントローラ１６によってスイッチング素子ＦＥＴ（Ｓ０）を制御する。【選択図】図１
2006129554.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱を電力に変換して出力する熱電変換器と、
前記熱電変換器から出力される電力が供給されるように熱電変換器に並列に接続された第１の擬似負荷回路と、
前記熱電変換器から出力される電力が供給されるように熱電変換器に並列に接続された第２の擬似負荷回路と、
前記第１の擬似負荷回路に電力を供給したときに該第１の擬似負荷回路に流れる電流及び該第１の擬似負荷回路の両端間の電圧の少なくとも一方を検出すると共に、前記第２の擬似負荷回路に電力を供給したときに該第２の擬似負荷回路に流れる電流及び該第２の擬似負荷回路の両端間の電圧の少なくとも一方を検出する検出手段と、
前記検出手段で検出された検出値に基づいて、前記熱電変換器の動作電流を演算し、演算した動作電流に基づいて前記熱電変換器の出力を制御する制御手段と、
を含む熱電発電装置。
【請求項２】
熱を電力に変換して出力する熱電変換器と、
前記熱電変換器から出力される電力が供給される第１の擬似負荷回路と前記熱電変換器から出力される電力が供給される第２の擬似負荷回路とを直列に接続した直列回路と、
前記第１の擬似負荷回路及び第２の擬似負荷回路の何れか一方に電力を供給したときに該電力を供給した擬似負荷回路に流れる電流及び該該電力を供給した擬似負荷回路の両端間の電圧の少なくとも一方を検出すると共に、前記直列回路に電力を供給したときに該直列回路に流れる電流及び該直列回路の両端間の電圧の少なくとも一方を検出する検出手段と、
前記検出手段で検出された検出値に基づいて、前記熱電変換器の動作電流を演算し、演算した動作電流に基づいて前記熱電変換器の出力を制御する制御手段と、
を含む熱電発電装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記検出手段で検出された検出値から算出される前記熱電変換器の電流電圧特性又は電力特性に基づいて、前記動作電流を演算することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の熱電発電装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記電流電圧特性から求められる短絡電流の半分の電流値を前記動作電流として、前記熱電変換器の出力を制御することを特徴とする請求項３に記載の熱電発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電発電装置にかかり、特に、自動車の排気ガスの排気経路に発生する熱や各種熱などを利用して熱電素子を用いて発電する熱電発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から自動車の排気ガスの排気経路やエンジン等の発熱部位に熱電素子等の熱電気変換器を設けて、熱電発電を行う熱電発電装置が提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１に記載の技術では、複数のＢｉＴｅ等で形成された熱電素子を自動車エンジンや工場の炉等の排ガス通路に配置し、この熱エネルギを電力に変換している。また、熱電素子部の高温側の温度と低温側温度を制御部で測定し、制御部が、この測定温度における熱電素子の出力特性から最適な出力となる電流値を決定して、対応する制御信号を電流制御回路に供給し、電流制御回路が熱電素子の発生電力を、制御信号に基づく電流値で取り出して、ＤＣ−ＤＣコンバータで必要な電圧に昇圧及び平滑化してバッテリ等を充電している。
【０００４】
すなわち、特許文献１に記載の技術では、熱電素子の高温側温度と低温側温度をセンサ等で検出して、出力特性テーブルを用いて熱電素子の電流の動作点を決定しており、これによって熱電素子の発生電力を有効に取り出すことが可能となる。
【特許文献１】特開平６−２２５７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、温度検出のための温度センサが必要となり、温度センサは数百度を超える温度を検出する必要があり、高価なものとなってしまう、いう問題がある。
【０００６】
また、熱電素子の高温側温度と低温側温度を正確に測定するには、センサを素子面近くに配置する必要があり、センサの搭載が極めて困難である、という問題がある。
【０００７】
本発明は、上記問題を解決すべく成されたもので、温度センサを設けることなく、熱電変換器の発生電力を有効に取り出すことができるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、熱を電力に変換して出力する熱電変換器と、前記熱電変換器から出力される電力が供給されるように熱電変換器に並列に接続された第１の擬似負荷回路と、前記熱電変換器から出力される電力が供給されるように熱電変換器に並列に接続された第２の擬似負荷回路と、前記第１の擬似負荷回路に電力を供給したときに該第１の擬似負荷回路に流れる電流及び該第１の擬似負荷回路の両端間の電圧の少なくとも一方を検出すると共に、前記第２の擬似負荷回路に電力を供給したときに該第２の擬似負荷回路に流れる電流及び該第２の擬似負荷回路の両端間の電圧の少なくとも一方を検出する検出手段と、前記検出手段で検出された検出値に基づいて、前記熱電変換器の動作電流を演算し、演算した動作電流に基づいて前記熱電変換器の出力を制御する制御手段と、を含むことを特徴としている。
【０００９】
請求項１に記載の発明によれば、熱電変換器では、熱を電力に変換して出力する。例えば、熱電変換器としては、公知の熱電素子を適用することができるが、複数の熱電変換素子を組み合わせて構成してもよい。
【００１０】
熱電変換器には、第１の擬似負荷回路が並列に接続されていると共に、第２の擬似負荷回路が並列に接続されている。第１の擬似負荷回路及び第２の擬似負荷回路は、熱電変換器から出力される電力が供給される。
【００１１】
また、検出手段では、第１の擬似負荷回路に電力を供給したときに該第１の擬似負荷回路に流れる電流及び該第１の擬似負荷回路の両端間の電圧の少なくともが検出されると共に、第２の擬似負荷回路に電力を供給したときに該第２の擬似負荷回路に流れる電流及び該第２の擬似負荷回路の両端間の電圧の少なくとも一方が検出される。
【００１２】
そして、制御手段では、検出手段で検出された検出値に基づいて、熱電変換器の動作電流が演算され、該演算の動作電流に基づいて熱電変換器の出力が制御される。
【００１３】
例えば、制御手段は、請求項３に記載の発明のように、検出手段で検出された検出値から算出される熱電変換器の電流電圧特性又は電力特性に基づいて、熱電変換器の動作電流を演算する。さらに具体的には、一般的に熱電変換器の電力特性が短絡電流の半分の電流値で最高出力となるので、請求項４に記載の発明のように、制御手段は、検出手段で検出された検出値から算出される熱電変換器の電流電圧特性から求められる短絡電流の半分の電流値を動作電流として、熱電変換器の出力を制御することで、熱電変換器の出力を最適にすることが可能となる。
【００１４】
なお、熱電変換器の電流電圧特性は、２種類の擬似負荷回路を流れる電流及び電圧から求めることができるが、検出手段が電流及び電圧の何れか一方のみを検出する場合には、制御手段が、擬似負荷回路の抵抗と検出手段による検出値から他方を算出する算出手段を含むことで、電流電圧特性を求めることが可能となる。
【００１５】
このように制御手段が熱電変換器の出力を制御することによって、熱電変換器の出力を最適な出力とすることができ、温度センサを設けることなく、熱電変換器の発生電力を有効に取り出すことができる。
【００１６】
また、第１及び第２の擬似負荷回路を流れる電流及び電圧の少なくとも一方を検出するだけで、熱電変換器の出力を最適化することができるので、短時間で熱電変換器の出力を最適化することができ、発電効率を向上することができる。
【００１７】
請求項２に記載の発明は、熱を電力に変換して出力する熱電変換器と、前記熱電変換器から出力される電力が供給される第１の擬似負荷回路と前記熱電変換器から出力される電力が供給される第２の擬似負荷回路とを直列に接続した直列回路と、前記第１の擬似負荷回路及び第２の擬似負荷回路の何れか一方に電力を供給したときに該電力を供給した擬似負荷回路に流れる電流及び該該電力を供給した擬似負荷回路の両端間の電圧の少なくとも一方を検出すると共に、前記直列回路に電力を供給したときに該直列回路に流れる電流及び該直列回路の両端間の電圧の少なくとも一方を検出する検出手段と、前記検出手段で検出された検出値に基づいて、前記熱電変換器の動作電流を演算し、演算した動作電流に基づいて前記熱電変換器の出力を制御する制御手段と、を含むことを特徴としている。
【００１８】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明と同様に熱電変換器では、熱を電力に変換して出力する。例えば、熱電変換器としては、公知の熱電素子を適用することができるが、複数の熱電変換素子を組み合わせて構成してもよい。
【００１９】
また、直列回路は、第１及び第２の擬似負荷回路が直列接続されている。第１の擬似負荷回路及び第２の擬似負荷回路は、熱電変換器から出力される電力が供給される。
【００２０】
検出手段では、第１の擬似負荷回路及び第２の擬似負荷回路の何れか一方に電力を供給したときに該電力を供給した擬似負荷回路に流れる電流及び該電力を供給した擬似負荷回路の両端間の電圧の少なくともが検出されると共に、直列回路に電力を供給したときに該直列回路に流れる電流及び該直列回路の両端間の電圧の少なくとも一方が検出される。
【００２１】
そして、制御手段では、検出手段で検出された検出値に基づいて、熱電変換器の動作電流が演算され、該演算の動作電流に基づいて熱電変換器の出力が制御される。
【００２２】
すなわち、請求項１では、第１の擬似負荷回路と第２の擬似負荷回路の２種類の擬似負荷回路をそれぞれ別々に熱電変換器に並列に接続したが、請求項２では、第１の擬似負荷回路と第２の擬似負荷回路で構成される直列回路と、直列回路の一部である第１又は第２の擬似負荷回路と、で２種類の擬似負荷回路（直列回路と第１又は第２の擬似負荷回路の２種類の擬似負荷回路）としており、２種類の擬似負荷回路の一部を共有した回路としている。
【００２３】
このように構成することによっても、制御手段が熱電変換器の出力を制御することによって、熱電変換器の出力を最適な出力とすることができ、温度センサを設けることなく、熱電変換器の発生電力を有効に取り出すことができる。また、２種類の擬似負荷回路が一部を共用しているので、回路構成を簡略化することができる。
【発明の効果】
【００２４】
以上説明したように本発明によれば、熱電変換器に２種類の擬似負荷回路を並列に接続して、それぞれの擬似負荷回路に流れる電流及び電圧の少なくとも一方を検出し、該検出結果に基づいて、熱電変換器の動作電流を演算し、演算した動作電流に基づいて熱電変換器の出力を制御することで、温度センサを設けることなく、熱電変換器の発生電力を有効に取り出すことができる、という効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。
【００２６】
図１は、本発明の実施の形態に係わる熱電発電装置の構成を示す図である。
【００２７】
本発明の実施の形態に係わる熱電発電装置１０は、熱を電力に変換する本発明の熱電変換器としての熱電モジュール１２を備えている。熱電モジュール１２は、熱を電力に変換する複数の熱電素子を組み合わせて構成されており、例えば、自動車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、自動車の排気ガスやエンジン等の発熱体の熱を電力に変換する。
【００２８】
熱電モジュール１２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１４のトランスの一次側に接続されており、熱電モジュール１２で発生した電力がＤＣ−ＤＣコンバータ１４のトランスの一次側に入力されるようになっている。なお、本実施の形態では、ＤＣ−ＤＣコンバータ１４は、一般的なフライバック式のものを用いた例を説明するがこれに限定されるものではない。また、本実施の形態では、熱電モジュール１２の出力電力をＤＣ−ＤＣコンバータ１４に供給する例を説明するが、熱電モジュール１２の出力電力を他の装置等に供給するようにしてもよい。
【００２９】
熱電モジュール１２とＤＣ−ＤＣコンバータ１４間には、ＦＥＴで構成されたスイッチング素子Ｓ０が設けられている。スイッチング素子Ｓ０のソースは熱電モジュール１２側に接続され、ドレインはＤＣ−ＤＣコンバータ１４のトランスの一次側に接続され、ゲートは熱電発電装置１０を制御するコントローラ１６に接続されている。すなわち、熱電モジュール１２で発生してＤＣ−ＤＣコンバータ１４のトランスの一次側に入力される電力は、コントローラ１６によってスイッチング素子Ｓ０のオンオフを制御することで制御される。換言すれば、コントローラ１６によってスイッチング素子Ｓ０のオンオフを制御することで、熱電モジュール１２からの出力電流を制御することができる。
【００３０】
熱電モジュール１２とＤＣ−ＤＣコンバータ１４との間には、直列に接続されたスイッチング素子ＦＥ１と２つの抵抗Ｒとからなる直列回路が、熱電モジュール１２とＤＣ−ＤＣコンバータ１４に対して並列に接続されている。なお、この直列回路は、本発明の２種類の擬似負荷回路のうちの一方の擬似負荷回路に相当する。
【００３１】
スイッチング素子Ｓ１はＦＥＴからなり、ドレインが熱電モジュール１２とＤＣ−ＤＣコンバータ１４との間に接続され、ソースが抵抗Ｒに接続され、ゲートがコントローラ１６に接続ており、コントローラ１６によってスイッチング素子Ｓ１のオンオフが制御される。
【００３２】
また、熱電モジュール１２とＤＣ−ＤＣコンバータ１４との間と、２つの抵抗Ｒ間には、ＦＥＴで構成されたスイッチング素子Ｓ２が接続されている。スイッチング素子Ｓ２のドレインは熱電モジュール１２とＤＣ−ＤＣコンバータ１４との間に接続され、ソースは２つの抵抗間に接続され、ゲートはコントローラ１６に接続されており、コントローラ１６によってスイッチング素子Ｓ２のオンオフが制御される。なお、スイッチング素子Ｓ２及び１つの抵抗Ｒは、本発明の２種類の擬似負荷回路のうちの他方の擬似負荷回路に相当する。
【００３３】
また、熱電モジュール１２から出力される電流を測定するための電流センサ１８、及び電圧を測定するための電圧検出器２０が接続されており、電流センサ１８及び電圧検出器２０の検出結果がコントローラ１６に入力されるようになっている。
【００３４】
一方、ＤＣ−ＤＣコンバータ１４のトランスの２次側には、バッテリ２２が接続されており、ＤＣ−ＤＣコンバータ１４のトランスの一次側に入力された電力をＤＣ−ＤＣコンバータ１４によって昇圧または降圧してバッテリ２２に供給するようになっている。
【００３５】
ＤＣ−ＤＣコンバータ１４とバッテリ２２間には、バッテリ２２へ供給する電力を整流するためのダイオードＤが直列接続されている。
【００３６】
また、ＤＣ−ＤＣコンバータ１４とバッテリ２２間には、リップルによる脈動を抑えてＤＣ−ＤＣコンバータ１４の出力を平滑化するためのコンデンサＣが、ＤＣ−ＤＣコンバータ１４とバッテリ２２に対して並列に接続されている。
【００３７】
また、ＤＣ−ＤＣコンバータ１４のトランスの二次側の出力電圧は、コントローラ１６に入力されるようになっており、過電圧を防止すると共に、定格を超えないようにコントローラ１６がスイッチング素子Ｓ０のオンオフを制御するようになっている。
【００３８】
続いて、上述のように構成された熱電発電装置１０のコントローラ１６で行われる処理について詳細に説明する。
【００３９】
図２は、本発明の実施の形態に係わる熱電発電装置１０のコントローラ１６で行われる処理の流れの一例を示すフローチャートである。
【００４０】
まず始めにステップ１００では、スイッチング素子Ｓ０がオフされ、熱電モジュール１２からＤＣ−ＤＣコンバータ１４への電力供給が停止される。
【００４１】
次に、ステップ１０２では、スイッチング素子Ｓ１がオンされて、ステップ１０４へ移行する。すなわち、熱電モジュール１２と２つの抵抗Ｒによって閉ループが形成されて熱電モジュール１２からの電力が２つの抵抗Ｒに供給される。
【００４２】
ステップ１０４では、電流センサ１８及び電圧検出器２０によって電流及び電圧が測定され、測定結果（電流Ｉ１、電圧Ｖ１）がコントローラ１６に入力される。
【００４３】
続いて、ステップ１０６では、スイッチング素子Ｓ１がオフとされると共に、スイッチング素子Ｓ２がオンにされて、ステップ１０８へ移行する。すなわち、熱電モジュール１２と１つの抵抗Ｒによって閉ループが形成されて熱電モジュール１２からの電力が１つの抵抗Ｒに供給される。
【００４４】
ステップ１０８では、ステップ１０４と同様に、電流センサ１８及び電圧検出器２０によって電流及び電圧が測定され、測定結果（電流Ｉ２、電圧Ｖ２）がコントローラ１６に入力される。
【００４５】
続いて、ステップ１１０では、スイッチング素子Ｓ２がオフされて、ステップ１１２へ移行する。
【００４６】
ステップ１１２では、測定結果に基づいて、熱電モジュールの動作電流Ｉが算出される。
【００４７】
ここで動作電流Ｉの算出について詳細に説明する。なお、図３は、熱電モジュール１２の出力特性を示す図である。
【００４８】
まず、ステップ１０４で測定した電流Ｉ１及び電圧Ｖ１、並びにステップ１０８で測定した電流Ｉ２及び電圧Ｖ２から、図３に示す電流電圧特性を算出する。すなわち、図３の（Ｉ１、Ｖ１）と（Ｉ２、Ｖ２）の２点から電流電圧特性の一次式を算出することができる。
【００４９】
そして、算出した一次式で表される電流電圧特性の電圧値が０の時の電流値である短絡電流Ｉｓを求める。この時、熱電モジュール１２の出力が最大出力となるのは、図３に示す熱電モジュール１２の電力特性から、一般的に短絡電流Ｉｓの１／２であることが知られているので、動作電流Ｉを短絡電流Ｉｓの１／２とすることで、熱電モジュール１２から効率的に電力を取り出すことができる。なお、動作電流Ｉは以下の式で表される。また、本実施の形態では、電流電圧特性の一次式を算出してから動作電流Ｉを求めるが、図３に示すように、電力特性が原点（０、０）を通るので、電力特性の二次式を算出するようにしてもよい。
【００５０】
【数１】
2006129554.tif 000003
【００５１】
このように、動作電流Ｉが算出されると、ステップ１１４では、動作電流Ｉとなるようにスイッチング素子Ｓ０のオンオフがコントローラ１６によって制御される。すなわち、算出された動作電流Ｉで熱電モジュール１２が動作することになり、熱電モジュール１２の最大出力で電力がＤＣ−ＤＣコンバータ１４に出力されることになり、熱電発電装置１０を最適に動作させることができる。
【００５２】
従って、温度検出のための高価な温度センサ等を用いることなく、熱電モジュール１２の発生電力を安価な構成で有効に取り出すことができる。また、温度センサ等を設ける必要がないので、自動車等への搭載自由度を向上させることができる。
【００５３】
また、動作電流Ｉが上述の式に示すように、ステップ１０４及びステップ１０８で測定した電流及び電圧のみを用いて算出できるので、短時間で熱電モジュールの出力を最適化することができ、発電効率を向上させることができる。
【００５４】
なお、上記の実施の形態では、熱電モジュール１２とＤＣ−ＤＣコンバータ１４間に、直列に接続されたスイッチング素子Ｓ１と２つの抵抗Ｒを、熱電モジュール１２とＤＣ−ＤＣコンバータ１４に対して並列に接続する共に、熱電モジュール１２とＤＣ−ＤＣコンバータ１４間と、２つの抵抗Ｒ間に、スイッチング素子Ｓ２を設けて、回路構成を簡略化した例を説明したが、図４に示す変形例のようにしてもよい。なお、図４では、上記の実施の形態と同一構成については同一符号で示す。
【００５５】
すなわち、変形例の熱電発電装置では、熱電モジュール１２とＤＣ−ＤＣコンバータ１４間に、直列に接続されたスイッチング素子Ｓ１と２つの抵抗Ｒが、熱電モジュール１２とＤＣ−ＤＣコンバータ１４に対して並列に接続されると共に、直列に接続されたスイッチング素子Ｓ２と抵抗Ｒが、熱電モジュール１２とＤＣ−ＤＣコンバータ１４に対して並列に接続されている。
【００５６】
このように構成しても、上記の実施の形態と等価回路となり、上記の実施の形態と同様に、コントローラ１６を制御することによって、温度検出のための高価な温度センサ等を用いることなく、熱電モジュール１２の発生電力を安価な構成で有効に取り出すことができる。
【００５７】
また、本実施の形態における２つの抵抗Ｒ、並びに、変形例におけるスイッチング素子Ｓ１に直列に接続された２つの抵抗Ｒ及びスイッチング素子Ｓ２に直列に接続された１つの抵抗Ｒは、温度変化によって抵抗値が変化するためそれぞれ同一の値の抵抗を用いる方が好ましいが、異なる値の抵抗を用いることも可能である。
【００５８】
また、上記の実施の形態及び変形例では、電流センサ１８及び電圧検出器２０を共に設けるようにしたが、何れか一方のみを設けるようにしてもよい。何れか一方のみを設ける場合には、コントローラ１６において、検出電流または電圧と、擬似負荷（本実施の形態では抵抗）の値（詳細には、熱電モジュール１２の内部抵抗の値を含む抵抗値）とから、検出していない電圧または電流を求めることで、上記の実施の形態と同様の効果を得ることができる。そして、電流または電圧の検出の一方が不要となるので、更に安価に熱電発電装置を構成することが可能となる。
【００５９】
更に、本実施の形態では、本発明の擬似負荷回路として抵抗を含んで構成したが、これに限るものではなく、抵抗以外の他の負荷を含んで擬似負荷回路を構成することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の実施の形態に係わる熱電発電装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態に係わる熱電発電装置のコントローラで行われる処理の流れの一例を示すフローチャートである。
【図３】熱電モジュールの出力特性を示すグラフである。
【図４】本発明の実施の形態に係わる熱電発電装置の変形例の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００６１】
１０    熱電発電装置
１２    熱電モジュール
１４    ＤＣ−ＤＣコンバータ
１６    コントローラ
１８    電流センサ
２０    電圧検出器
２２    バッテリ
Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２    スイッチング素子
Ｒ    抵抗
【図１】
2006129554.tif 000004
【図２】
2006129554.tif 000005
【図３】
2006129554.tif 000006
【図４】
2006129554.tif 000007