(57)【要約】【課題】  温度条件の異なる場合でも効率的に電力を蓄えることを可能とした熱発電装置を提供する。【解決手段】  熱電素子を備える熱電モジュール３ａ〜３ｄで発生した電力をＤＣ−ＤＣコンバータ８１ａ、８１ｂにより、所定の電圧へ変換して出力する熱発電装置において、制御装置７は、熱電モジュールの起電力を例えば、温度センサ７３で測定したモジュール温度に基づいて判定し、判定した起電力に応じて、熱電モジュール３ａ〜３ｄをＤＣ−ＤＣコンバータ８１ａに直列接続する状態と、熱電モジュール３ａと３ｂとＤＣ−ＤＣコンバータ８１ａを直列接続する一方、熱電モジュール３ｃと３ｄをＤＣ−ＤＣコンバータ８１ｂに直列接続する状態のいずれかをスイッチＳＷ１、２を制御して切り替える。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の熱媒体とこれより低温の第２の熱媒体との温度差により発電を行う熱電素子を１つないし複数組み合わせた熱電モジュールを複数配置した熱発電装置において、
前記熱電モジュールの起電力を判定する起電力判定手段と、
前記熱電モジュールの起電力に応じて、直列に連結する熱電モジュールの組み合わせを変更する発電制御部を備えており、
前記発電制御部は、前記第１の熱媒体の流れ方向に対する前記熱電モジュール各々の位置関係に基づいて該組み合わせの変更を行うことを特徴とする熱発電装置。
【請求項２】
前記熱電モジュールは、前記第１の熱媒体の流れ方向に直交する１つないし複数の断面上に複数個ずつ配置されており、前記熱電モジュールの起電力が小さい場合には、大きい場合より同一断面内において直列的に接続する熱電モジュールの数を増大させることを特徴とする請求項１記載の熱発電装置。
【請求項３】
前記熱電モジュールが配置される断面を複数有し、熱電モジュールの起電力が所定のしきい値以下の場合には、他の断面内の熱電モジュールと直列的に接続することで直列的に接続する熱電モジュールの数をさらに増大させることを特徴とする請求項２記載の熱発電装置。
【請求項４】
前記熱電モジュールは、前記第１の熱媒体の流れ方向に直交する複数の断面上にそれぞれ複数個ずつ配置されて、同一断面内の熱電モジュールは直列接続されることで複数のグループを形成しており、前記熱電モジュールの起電力が小さい場合には、大きい場合より直列的に接続するグループの数を増大させることを特徴とする請求項１記載の熱発電装置。
【請求項５】
前記熱電モジュールは、前記第１の熱媒体の流れ方向において異なる位置に位置する複数個が１つないし複数のグループにグループ化されており、前記熱電モジュールの起電力が小さい場合には、大きい場合より同一グループ内において直列的に接続する熱電モジュールの数を増大させることを特徴とする請求項１記載の熱発電装置。
【請求項６】
前記グループを複数有し、熱電モジュールの起電力が所定のしきい値以下の場合には、他のグループの熱電モジュールと直列的に接続することで直列的に接続する熱電モジュールの数をさらに増大させることを特徴とする請求項５記載の熱発電装置。
【請求項７】
前記熱電モジュールは、前記第１の熱媒体の流れ方向において異なる位置に位置する複数個が直列的に接続されて複数のグループにグループ化されており、前記熱電モジュールの起電力が小さい場合には、大きい場合より直列的に接続するグループの数を増大させることを特徴とする請求項１記載の熱発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱エネルギーを電気エネルギーへ変換することにより発電を行う熱発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
温度差によって起電力を生ずる熱電素子を用いて熱エネルギーを電気エネルギーへと変換する熱発電装置が知られている。このような熱発電装置は、例えば、自動車のエンジンや各種の燃焼機器等から排出される燃焼ガスの排熱を回収する装置として用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
自動車の排気系に設置される熱発電装置は、排気管内にフィン等を有するヒートシンクを配置し、このヒートシンクと熱電素子の高温端側を熱伝導性の良好な素材で接続する。一方、低温端側には、空気または冷水を循環させて冷却することで温度差を生ぜしめて発電を行っている。
【特許文献１】特開平１０−２３４１９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
こうした熱発電装置に用いられる熱電素子の起電力は、高温側と低温側の温度差に依存している。熱発電装置で得られた電力はＤＣ−ＤＣコンバータにより所定の電圧に変換されてバッテリへと送られ、蓄えられるが、ＤＣ−ＤＣコンバータの入力電圧が低いと、変換効率が低くなり、結果的に得られた電力を十分に蓄えられないことがある。
【０００５】
そこで本発明は、温度条件の異なる場合でも効率的に電力を蓄えることを可能とした熱発電装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明に係る熱発電装置は、第１の熱媒体とこれより低温の第２の熱媒体との温度差により発電を行う熱電素子を１つないし複数組み合わせた熱電モジュールを複数配置した熱発電装置において、これら熱電モジュールの起電力を判定する起電力判定手段と、熱電モジュールの起電力に応じて、直列に連結する熱電モジュールの組み合わせを変更する発電制御部を備えており、発電制御部は、第１の熱媒体の流れ方向に対する熱電モジュール各々の位置関係に基づいてこれらの組み合わせの変更を行うことを特徴とする。
【０００７】
熱電モジュールを直列に連結することで、各モジュール単体の場合よりも出力電圧を増大させることができる。本発明では、この直列に連結するモジュールの組み合わせをモジュールごとの起電力に応じて変更することで、ＤＣ−ＤＣコンバータへの入力電圧を、その変換効率が良好になる領域に設定する。
【０００８】
具体的には、熱電モジュールは、第１の熱媒体の流れ方向に直交する１つないし複数の断面上に複数個ずつ配置されており、熱電モジュールの起電力が小さい場合には、大きい場合より同一断面内において直列的に接続する熱電モジュールの数を増大させる。
【０００９】
さらに、熱電モジュールが配置される断面を複数有するときは、熱電モジュールの起電力が所定のしきい値以下の場合には、他の断面内の熱電モジュールと直列的に接続することで直列的に接続する熱電モジュールの数をさらに増大させるとよい。
【００１０】
あるいは、熱電モジュールは、第１の熱媒体の流れ方向に直交する複数の断面上にそれぞれ複数個ずつ配置されて、同一断面内の熱電モジュールは直列接続されることで複数のグループを形成しており、熱電モジュールの起電力が小さい場合には、大きい場合より直列的に接続するグループの数を増大させる。
【００１１】
熱電モジュールは、第１の熱媒体の流れ方向において異なる位置に位置する複数個が１つないし複数のグループにグループ化されており、熱電モジュールの起電力が小さい場合には、大きい場合より同一グループ内において直列的に接続する熱電モジュールの数を増大させてもよい。
【００１２】
これらのグループを複数有し、熱電モジュールの起電力が所定のしきい値以下の場合には、他のグループの熱電モジュールと直列的に接続することで直列的に接続する熱電モジュールの数をさらに増大させるとよい。
【００１３】
熱電モジュールは、第１の熱媒体の流れ方向において異なる位置に位置する複数個が直列的に接続されて複数のグループにグループ化されており、熱電モジュールの起電力が小さい場合には、大きい場合より直列的に接続するグループの数を増大させてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、熱電モジュールの起電力に応じて、直列に接続する熱電モジュールの数を変更することで、起電力が小さい場合でも十分な出力電圧を得ることが可能となる。このため、ＤＣ−ＤＣコンバータの変換効率が良好な領域で動作させることにより、得られた電力を効率よく変換してバッテリに蓄えることができるので、熱電素子の高温側、低温側の温度が異なる場合でも蓄電までのトータルの効率を良好なものとすることができる。このため、排気からの排熱回収に用いる場合には、効率よく熱回収を行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説明は省略する。
【００１６】
図１は、本発明に係る熱発電装置を搭載した車両の排気系を示す概略構成図であり、図２は、その熱発電装置１部分の断面図（図１のII−II線断面図）である。
【００１７】
この熱発電装置１は、排気管９２上に配置されており、エンジン９４の下流側で、排気浄化触媒９６の上流側に配置されている。なお、排気浄化触媒９６の下流側に配置してもよいし、熱発電装置１のモジュールの一部を排気浄化触媒９６の上流側にその他のモジュールを排気浄化触媒９６の下流側にと、分割して配置してもよい。熱発電装置１は、制御装置７を介して、電力変換部８に接続され、さらに、発電により得られた電力を貯蔵するバッテリ９０へと接続されている。
【００１８】
電力変換部８は、１つないし複数のＤＣ−ＤＣコンバータ８１を備えている。制御装置７は、熱発電装置１全体の動作を制御する制御ＥＣＵ７０と、熱発電装置１内の各熱電モジュール３の起電力を判定する起電力判定部（本発明の起電力判定手段に相当する。）７１と、各熱電モジュール３と電力変換部８内の各ＤＣ−ＤＣコンバータ８１の対応関係（電気的接続）を切り替えるスイッチ素子で構成される切替部７２を備えている。なお、制御ＥＣＵ７０と、切替部７２とが本発明の発電制御部に相当する。
【００１９】
この熱発電装置１は、排気の流れ方向に直交する断面上にそれぞれ４個の熱電ユニット２を配置し（図２参照）、これを排気の流れ方向に４組配置して構成されている。
【００２０】
各熱電ユニット２は、図２に示されるように、熱電素子３０を有する熱電モジュール３と、排気管内に配置される熱回収フィン（集熱フィン）４と、内部に冷却水を循環させる通路を有する冷却ケース５を備えている。集熱フィン４は、その基部に排気の流れ方向に所定の間隔で平行に延びる板状の多数のフィンが一体的に成形されている。この集熱フィン４は、アルミ、銅、ステンレス等の熱伝導性が良好な金属のほか、ＡｌＮ、ＳｉＣ等の高熱伝導性のセラミックスで形成されている。
【００２１】
各フィンの高さ、つまり、先端部から根本までの距離は、中央に位置するフィンが最も高く、周縁部へ行くほど低くなる構成を採る。各フィンの先端部を結んだ線は垂直二等辺三角形の垂直角をはさむ２辺の形状に合致するいわゆる楔形の形状をなしている。
【００２２】
この集熱フィン４のフィン形成面の反対面である平面側には、絶縁材６０をはさんで、熱電モジュール３の高温側端面が配置される。そして、熱電モジュール３の反対面の低温側端面には、絶縁材６２をはさんで、冷却ケース５が配置される。
【００２３】
図３は、熱電モジュール３の構成を示す図である。代表的な熱電モジュール３の構成としてはＢｉ2Ｔｅ3等からなるｐ型とｎ型の２種類の半導体３２、３３（１組で熱電素子３０を構成する。）を複数個用意し、これらを電極３４、３５によって電気的には交互に直列に、熱的には並列に配置することで、熱エネルギーと電気エネルギーの変換を行うものである。
【００２４】
集熱フィン４のフィン先端側を覆うように、断面が略Ｌ字形のガイド板６４が配置されている。４個の熱電ユニット２が排気管８２に固定部材６６によって固定された状態では、４個のガイド板６４の排気流れ方向に直交する断面形状は、図２に示されるようにＸ字状になる。
【００２５】
エンジン９４の動作時には、排気管９２を高温の排気ガスが流れる一方、図示していない冷却水ポンプによって冷却ケース５には、冷却水が供給される。なお、冷却ケース５から排出された温水は、図示していないラジエーター等で冷却されて、冷却ケース５へと戻され、循環される。
【００２６】
排気ガスは、ガイド板６４によって、集熱フィン４のフィンの間へと導かれ、フィンに熱を伝える。この熱は、各フィンから基部、絶縁材６０を通じて熱電モジュール３の高温側端面へと伝えられる。このため、高温側端面の温度は高くなる。一方、熱電モジュール３の低温側端面からは、絶縁材６２、冷却ケース５を通じて冷却ケース５を流れる冷却水へと熱が奪われている。このため、低温側端面の温度は低くなる。こうして、高温側端面と低温側端面との間に温度差が発生し、この温度差に応じてゼーベック効果により熱電モジュール内の熱電素子に電力が発生する。この電力をＤＣ−ＤＣコンバータ８１により所定の電圧へと変換してバッテリ９０へと蓄える。これにより、排気ガスの有する熱を電力として回収することができる。
【００２７】
本発明においては、各熱電モジュール３で発生する起電力に応じてＤＣ−ＤＣコンバータ８１へ接続される熱電モジュール３の組み合わせを変更する。以下、この組み合わせの切替について具体例を示しつつ説明する。
【００２８】
図４は、第１の実施形態の熱発電装置１におけるＤＣ−ＤＣコンバータ８１、熱電モジュール３、切替部７２の関係を示す概略図である。ここでは、排気の流れ方向に直交する所定の断面上に位置する４つの熱電モジュール３ａ〜３ｄのみを図示している。ここで、熱電モジュール３ａと３ｂ、３ｃと３ｄが対とされ、直列接続されている。これと対応して２個のＤＣ−ＤＣコンバータ８１ａ、８１ｂと、切替手段となるスイッチＳＷ１〜ＳＷ３を備えている。また、熱電モジュール３ｂには、高温端側温度を測定する温度センサ７３が取り付けられ、その出力は、制御装置７の起電力判定部７１へと入力されている。各スイッチＳＷ１〜ＳＷ３の接続先は、制御装置７の制御ＥＣＵ７０によって切り替えられる。
【００２９】
ＳＷ１は、熱電モジュール３ｂの出力端の接続先をＳＷ２またはＤＣ−ＤＣコンバータ８１ａのいずれかへ切り替えるものであり、ＳＷ２は、熱電モジュール３ｃの出力端の接続先をＳＷ１またはＤＣ−ＤＣコンバータ８１ｂのいずれかへ切り替えるものであり、ＳＷ３は、熱電モジュール３ｄの出力端の接続先をＤＣ−ＤＣコンバータ８１ａと８１ｂのいずれかへ切り替えるものである。なお、熱電モジュール３ａの出力端は、ＤＣ−ＤＣコンバータ８１ａの他方の端部へ接続されている。
【００３０】
図５は、この熱発電装置１における制御動作を示すフローチャートである。この処理は、エンジン９４の作動中、制御ＥＣＵ７０によって所定のタイミングで繰り返し実行される。
【００３１】
まず、ステップＳ１では、起電力判定部７１が温度センサ７３で測定したモジュール温度ＴＭを読み込む。そして、起電力判定部７１は、このＴＭとしきい値Ｔ０とを比較する（ステップＳ３）。ＴＭがＴ０より小さい場合には、ステップＳ５に移行し、制御ＥＣＵ７０は、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３を実線で示すＡ位置に切り替える。これにより、熱電モジュール３ａ〜３ｄの４個がＤＣ−ＤＣコンバータ８１ａに直列に接続される。一方、ＴＭがＴ０以上の場合には、ステップＳ７に移行し、制御ＥＣＵ７０は、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３を破線で示すＢ位置に切り替える。これにより、熱電モジュール３ａと３ｂは、ＤＣ−ＤＣコンバータ８１ａに直列に接続され、熱電モジュール３ｃと３ｄは、ＤＣ−ＤＣコンバータ８１ｂに直列に接続される。
【００３２】
ＤＣ−ＤＣコンバータ８１ａ、８１ｂの電圧変換時の変換効率は、入力電圧によって変化する。特に、効率が最大となる電圧を入力電圧が大きく下回ると、変換効率が低下し、熱電モジュール３で発電した電力に対して実際にバッテリ９０へ蓄えられた電力の割合が低下してしまう。一方、熱電モジュール３の起電力は、高温側と低温側の温度差が大きいほど大きい。ここで、自動車のエンジン排気を利用する熱発電装置においては、冷却水の温度変化より排気の温度変化量が大きいため、熱電モジュール３の高温側温度、または、排気そのものの温度から起電力の大小を推定することが可能である。本実施形態では、熱電モジュール３ｂの温度が低く、起電力（電圧）が小さいと推定される場合には、直列に接続される熱電モジュール３の個数を増やして、ＤＣ−ＤＣコンバータ８１ａへの入力電圧を高くして変換効率の良好な領域で使用することにより、熱電モジュール３ａ〜３ｄで発電した電力を効率よくバッテリ９０へと蓄えることができる。また、熱電モジュール３ｂの温度が十分に高く、起電力（電圧）が大きいと推定される場合には、直列に接続される熱電モジュール３の個数を減らして、ＤＣ−ＤＣコンバータ８１ａ、８１ｂへの入力電圧が高くなりすぎるのを抑制し、変換効率の良好な領域で使用することにより、熱電モジュール３ａ〜３ｄで発電した電力を効率よくバッテリ９０へと蓄えることができる。
【００３３】
ここで、排気の流れ方向で異なる位置に存在する他の熱電モジュール３については、排気の流れ方向に直交する断面ごとに同様の構成とするとよい。あるいは、排気の流れ方向に沿って熱電モジュール３をそれぞれグループ化し、各グループ内の熱電モジュール３を直列接続しておき、各グループを図４における個々の熱電モジュール３ａ〜３ｄとして取り扱ってもよい。
【００３４】
図６は、第２の実施形態の熱発電装置１におけるＤＣ−ＤＣコンバータ８１、熱電モジュール３、切替部７２の関係を示す概略図である。ここでは、排気の流れ方向に直交する同一断面上に位置する熱電モジュール３が直列接続されて４つの熱電モジュール３のグループ（３ａ１〜３ｄ１、３ａ２〜３ｄ２、３ａ３〜３ｄ３、３ａ４〜３ｄ４）が形成されている。各グループを代表する熱電モジュール３ａ１〜３ａ４のそれぞれに温度センサ７３１〜７３４が取り付けられている。そして、各グループ間の接続関係を変える３つのスイッチＳＷ１１〜ＳＷ１３が各グループの間にそれぞれ配置されている。
【００３５】
図７は、この熱発電装置１における制御動作を示すフローチャートである。この処理は、エンジン９４の作動中、制御ＥＣＵ７０によって所定のタイミングで繰り返し実行される。
【００３６】
まず、ステップＳ１１では、起電力判定部７１が温度センサ７３１〜７３４で測定したモジュール温度Ｔ１〜Ｔ４を読み込む。そして、起電力判定部７１は、このＴ１〜Ｔ４から起電圧Ｖ１〜Ｖ４を算出する（ステップＳ１２）。そして、スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１３の切り替えによる可能なグループの組み合わせによるＤＣ−ＤＣコンバータ８１の入力電圧と、それに基づく回収電力を算出する（ステップＳ１３）。そして、回収電力が最も多くなる組み合わせを決定し（ステップＳ１４）、この組み合わせが実現されるよう各スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１３を操作する。
【００３７】
例えば、それぞれの起電圧が低い状態では、スイッチＳＷ１１、１２、１３をそれぞれＡ、Ｃ、Ｆ位置へと接続して、４グループ全てを直列接続することで、ＤＣ−ＤＣコンバータ８１への入力電圧を高くして回収電力を増やす。これより起電圧が高くなった場合には、スイッチＳＷ１３をＥ位置へと切り替えて、３グループのみを直列接続することで、合計の起電圧が高くなりすぎるのを防止する。さらに、起電圧が高くなった場合には、スイッチＳＷ１２をＤ位置へと切り替えて、１列目と２列目のグループのみをＤＣ−ＤＣコンバータ８１に接続する。さらに、起電圧が高くなった場合には、スイッチＳＷ１１をＢ位置へと切り替え、ＤＣ−ＤＣコンバータ８１には、１列目のグループのみを接続する。
【００３８】
このように、回収電力が最大となるよう熱電モジュール３の直列接続数を変更することで、効率よく熱エネルギーを電力として回収することができる。ここでは、排気流の下流側から直列接続数を単純に減らしていく形式を説明したが、切替はこれに限られるものではない。図８は、この第２の実施形態の変形形態を示す概略図である。この変形形態では、２つのＤＣ−ＤＣコンバータ８１ａと８１ｂとを有し、熱電モジュール３の各グループの両端（１列目のグループの１端を除く）に、スイッチＳＷ２１〜ＳＷ２７が配置されている。これらのスイッチＳＷ２１〜ＳＷ２７を切り替えることで、例えば、１列目と４列目のグループをＤＣ−ＤＣコンバータ８１ａに直列接続し、２列目と３列目のグループをＤＣ−ＤＣコンバータ８１ｂに直列接続したり、１列目のグループを単独でＤＣ−ＤＣコンバータ８１ａに接続し、２列目から４列目のグループはＤＣ−ＤＣコンバータ８１ｂに直列接続することが可能となる。この実施形態では、各ＤＣ−ＤＣコンバータ８１ａ、８１ｂに接続される熱電モジュール３のグループの組み合わせを１〜４グループの組み合わせの中から自在に選択できる。なお、切替部７２によって可能な組み合わせの種類は、熱電モジュール３の特性や作動条件等によって適宜設定すればよい。
【００３９】
図９は、第３の実施形態の熱発電装置１におけるＤＣ−ＤＣコンバータ８１、熱電モジュール３、切替部７２の関係を示す概略図である。この実施形態では、排気の流れ方向に沿って熱電モジュール３を４個ずつグループ化している。具体的な組み合わせは、熱電モジュール３ａ１〜３ａ４を第１グループ、熱電モジュール３ｂ１〜３ｂ４を第２グループ、熱電モジュール３ｃ１〜３ｃ４を第３グループ、熱電モジュール３ｄ１〜３ｄ４を第４グループとし、それぞれのグループ内の熱電モジュール３は直列に接続されている。第１グループの各熱電モジュール３ａ１〜３ａ４には、温度センサ７３１〜７３４が取り付けられており、各グループの直列、並列関係を切り替えるスイッチＳＷ３１〜ＳＷ３６を備えている。
【００４０】
図１０は、この熱発電装置１における制御動作を示すフローチャートである。この処理も、エンジン９４の作動中、制御ＥＣＵ７０によって所定のタイミングで繰り返し実行される。
【００４１】
まず、ステップＳ２１では、起電力判定部７１が温度センサ７３１〜７３４で測定したモジュール温度Ｔ１〜Ｔ４を読み込む。そして、起電力判定部７１は、このＴ１〜Ｔ４から起電圧Ｖ１〜Ｖ４を算出する（ステップＳ２２）。次に、起電圧Ｖ１〜Ｖ４の総和としきい値ＶＴ１とを比較する（ステップＳ２３）。このＶＴ１は、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ８１の電力変換効率が適正範囲となる最低電圧の１／２に設定される。総和電圧値がＶＴ１未満の場合には、ステップＳ２４へと移行して、スイッチＳＷ３１〜Ｓ３６を操作して、全ての熱電モジュール３ａ１〜３ｄ４（１６個）を直列に接続して処理を終了する。
【００４２】
ステップＳ２３で総和電圧値がＶＴ１以上と判定された場合には、さらに、起電圧Ｖ１〜Ｖ４の総和としきい値ＶＴ２とを比較する（ステップＳ２５）。このＶＴ２はＶＴ１より大きく、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ８１の電力変換効率が適正範囲となる最低電圧に設定される。総和電圧値がＶＴ２未満の場合には、ステップＳ２６へと移行して、スイッチＳＷ３１〜Ｓ３６を操作して、第１グループの熱電モジュール３ａ１〜３ａ４と第２グループの熱電モジュール３ｂ１〜３ｂ４を８個直列に、第３グループの熱電モジュール３ｃ１〜３ｃ４と第４グループの熱電モジュール３ｄ１〜３ｄ４を８個直列に接続するとともに、両者を並列に接続して処理を終了する。
【００４３】
本実施形態では、排気の流れ方向に沿って熱電モジュール３をグループ化することで、排気の流れに直交する同一の断面上に存在する熱電モジュール３をグループ化した場合と異なり、各グループの起電力および起電圧を同一とすることができる。このため、並列化が容易になる。このため、個々の熱電モジュール３の起電圧が低い場合には並列数を減らして直列数を増やし、起電圧が高い場合には直列数を減らして並列数を増やすことで１個のＤＣ−ＤＣコンバータ８１で効率よく電力を回収することができる。
【００４４】
ここでは、排気の流れ方向に沿ってグループ化を行ったが、排気の流れ方向に対して異なる位置にある熱電モジュール３を同じようにグループ化すれば良く、排気管に対して熱電モジュール３を配置した位置を結んだ線が直線になる場合に限られるものではなく、例えば、らせん状やジグザグ状になってもよい。
【００４５】
図１１は、第４の実施形態の熱発電装置１におけるＤＣ−ＤＣコンバータ８１、熱電モジュール３、切替部７２の関係を示す概略図である。この実施形態では、各熱電モジュール３ａ１〜３ｄ４に対応してそれぞれスイッチＳＷ４１〜５６を設けることで、排気の流れ方向に沿って４個ずつの熱電モジュール３をグループとして、４つのグループを並列に接続するとともに、各グループ内における直列連結数を変更可能な構成としている。さらに、第３の実施形態と同様に、第１グループの各熱電モジュール３ａ１〜３ａ４には、温度センサ７３１〜７３４が取り付けられている。
【００４６】
図１２は、この熱発電装置１における制御動作を示すフローチャートである。この処理も、エンジン９４の作動中、制御ＥＣＵ７０によって所定のタイミングで繰り返し実行される。
【００４７】
まず、ステップＳ３１では、起電力判定部７１が温度センサ７３１〜７３４で測定したモジュール温度Ｔ１〜Ｔ４を読み込む。そして、起電力判定部７１は、このＴ１〜Ｔ４から起電圧Ｖ１〜Ｖ４を算出する（ステップＳ３２）。そして、スイッチＳＷ４１〜ＳＷ５６の切り替えによる可能なグループの組み合わせによるＤＣ−ＤＣコンバータ８１の入力電圧と、それに基づく回収電力を算出する（ステップＳ１３）。ここで、排気の流れ方向に直交する略同一断面上に配置される４個のスイッチ（例えば、ＳＷ４１、４５、４９、５３）は同期して作動させるものとする。これにより、各グループは同様の熱電モジュール３の組み合わせとなるよう制御される。このように制御すると、各グループの熱電モジュールの起電力を同一とすることができるので、各グループの並列接続により電流が逆流するのを予防できる。そして、回収電力が最も多くなる組み合わせを決定し（ステップＳ３４）、この組み合わせが実現されるよう各スイッチＳＷ４１〜ＳＷ５６を操作する。
【００４８】
例えば、それぞれの起電圧が低い状態では、各グループ内において４個の熱電モジュール３全てを直列接続する。また、排気流量が少ないなどの理由で、下流側の熱電モジュール３ａ４〜３ｄ４の温度が低い場合のように、同一グループ内の熱電モジュール３間の起電圧が大きく異なるような場合、起電圧の小さい熱電モジュール３を起電圧の大きい熱電モジュールに直列接続すると、流れる電流が小さくなり、取り出すことのできる電力が低下してしまう。そこで、起電圧の小さい熱電モジュール３（通常は下流側の熱電モジュールとなる。）を切り離して、起電圧の大きい熱電モジュール３のみを連結して作動させる。
【００４９】
このように、回収電力が最大となるようグループ化した熱電モジュール３の直列接続数を変更することで、効率よく熱エネルギーを電力として回収することができる。
【００５０】
図１３は、第５の実施形態の熱発電装置１におけるＤＣ−ＤＣコンバータ８１、熱電モジュール３、切替部７２の関係を示す概略図である。この実施形態では、各熱電モジュール３ａ１〜３ｄ４に対応してグループ内およびグループ間で横断して接続を行うスイッチＳＷ６１〜８８を設けている。これにより、各熱電モジュール３ａ１〜３ｄ４の直列、並列接続関係を自在に変更することができる。
【００５１】
図１４は、この熱発電装置１における制御動作を示すフローチャートである。この処理も、エンジン９４の作動中、制御ＥＣＵ７０によって所定のタイミングで繰り返し実行される。
【００５２】
まず、ステップＳ４１では、起電力判定部７１が温度センサ７３１〜７３４で測定したモジュール温度Ｔ１〜Ｔ４を読み込む。そして、起電力判定部７１は、このＴ１〜Ｔ４から起電圧Ｖ１〜Ｖ４を算出する（ステップＳ４２）。次に、スイッチＳＷ６１〜ＳＷ６４の切り替えにより同一グループ内での可能な組み合わせによるＤＣ−ＤＣコンバータ８１への入力電圧と、それに基づく回収電力を算出する（ステップＳ４３）。そして、回収電力が最も多くなる組み合わせを決定する（ステップＳ４４）。ここで、排気の流れ方向に直交する略同一断面上に配置される４個のスイッチ（例えば、ＳＷ６１、６５、６９、７３）は同期して作動させるものとする。これにより、各グループは同様の熱電モジュール３の組み合わせとなるよう制御される。このように制御すると、各グループの熱電モジュールの起電力を同一とすることができるので、各グループを並列接続した際に電流が逆流するのを予防できる。
【００５３】
次に、各グループの組み合わせが決定したら、スイッチＳＷ７７〜８８の切り替えにより、可能なグループ同士の組み合わせによるＤＣ−ＤＣコンバータ８１の入力電圧と、それに基づく回収電力を算出する（ステップＳ４５）。そして、回収電力が最も多くなる組み合わせを決定し（ステップＳ４６）、この組み合わせが実現されるよう各スイッチＳＷ６１〜ＳＷ８８を操作する。
【００５４】
グループ内での接続関係は基本的に第４の実施形態と同一である。さらに、本実施形態では、決定したグループ全体での起電圧が小さく、ＤＣ−ＤＣコンバータ８１の電力変換効率の低い領域にある場合には、グループ相互を直列接続することで、起電圧を上げて電力変換効率の高い領域で作動させることにより、効率よく熱エネルギーを電力として回収することができる。
【００５５】
なお、切替部７２によって可能な組み合わせの種類は、熱電モジュール３の特性や作動条件等によって適宜設定すればよい。
【００５６】
さらに、複数のＤＣ−ＤＣコンバータを使用する場合には、変換効率特性の異なるものを用いて効率にあわせて適宜接続される熱電モジュールを変更すると好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明に係る熱発電装置を搭載した車両の排気系を示す概略構成図である。
【図２】図１の熱発電装置１部分の断面図（図１のII−II線断面図）である。
【図３】図２の熱電モジュール３の構成を示す図である。
【図４】第１の実施形態の熱発電装置１におけるＤＣ−ＤＣコンバータ８１、熱電モジュール３、切替部７２の関係を示す概略図である。
【図５】図４の装置の制御動作のフローチャートである。
【図６】第２の実施形態の熱発電装置１におけるＤＣ−ＤＣコンバータ８１、熱電モジュール３、切替部７２の関係を示す概略図である。
【図７】図６の装置の制御動作のフローチャートである。
【図８】第２の実施形態の変形形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータ８１、熱電モジュール３、切替部７２の関係を示す概略図である。
【図９】第３の実施形態の熱発電装置１におけるＤＣ−ＤＣコンバータ８１、熱電モジュール３、切替部７２の関係を示す概略図である。
【図１０】図９の装置の制御動作のフローチャートである。
【図１１】第４の実施形態の熱発電装置１におけるＤＣ−ＤＣコンバータ８１、熱電モジュール３、切替部７２の関係を示す概略図である。
【図１２】図１１の装置の制御動作のフローチャートである。
【図１３】第５の実施形態の熱発電装置１におけるＤＣ−ＤＣコンバータ８１、熱電モジュール３、切替部７２の関係を示す概略図である。
【図１４】図１３の装置の制御動作のフローチャートである。
【符号の説明】
【００５８】
１…熱発電装置、２…熱電ユニット、３…熱電モジュール、４…集熱フィン、５…冷却ケース、７…制御装置、８…電力変換部、１０…特開平、３０…熱電素子、３２…半導体、３４…電極、６０…絶縁材、６２…絶縁材、６４…ガイド板、６６…固定部材、７０…制御ＥＣＵ、７１…起電力判定部、７２…切替部、７３…温度センサ、８１…ＤＣ−ＤＣコンバータ、８２…排気管、９０…バッテリ、９２…排気管、９４…エンジン、９６…排気浄化触媒、ＳＷ…スイッチ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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