(57)【要約】【課題】  温度測定を要することなく効率よく電力を取り出すことを可能とした熱電素子を用いた発電装置を提供する。【解決手段】  熱電素子から電力を取り出す際に、電流値を異ならせて、２組の電流値、電圧値（ｉ１，ｖ１）と（ｉ２，ｖ２）を測定し、測定した２組の電流値、電圧値を基にして予想されるｉ−ｖ特性から、最大電力値Ｗmaxが得られる電流値ｉｔを求め、求めたｉｔになるよう電流を制御して、熱電素子から電力を取り出す。このｉｔは、（ｉ２ｖ１−ｉ１ｖ２）／２（ｖ１−ｖ２）で表せる。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱電素子と、該熱電素子の発電時の電流を制御する電力変換器とを備える発電装置において、
前記電力変換器は、前記熱電素子の発電時の電流を変化させ、少なくとも異なる２つの電流値ｉ１、ｉ２（ｉ１＜ｉ２）に対する電圧値ｖ１、ｖ２を求め、ｉｔ＝（ｉ２ｖ１−ｉ１ｖ２）／２（ｖ１−ｖ２）なる電流値ｉｔで発電を行うことを特徴とする発電装置。
【請求項２】
熱電素子と、該熱電素子の発電時の電流を制御する電力変換器とを備える発電装置において、
前記電力変換器は、前記熱電素子の発電時の電流を変化させ、少なくとも異なる２つの電流値ｉ１、ｉ２（ｉ１＜ｉ２）に対する電力値Ｗ１、Ｗ２を求め、求めたｉ１−Ｗ１、ｉ２−Ｗ２から合致する電流−電力特性を推定して、該特性により最大電力が得られる電流値を求めて、求めた電流値で発電を行うことを特徴とする発電装置。
【請求項３】
前記電力変換器は、求めたｉ１−Ｗ１、ｉ２−Ｗ２に略合致する電流−電力特性が複数存在する場合は、さらに、電流値が異なるｉ３のときの電圧値または電力値を求めて、いずれにも合致する電流−電力特性を選別することを特徴とする請求項２記載の発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電素子を用いた発電装置に関するものであり、例えば、自動車等の排気系に配置されて、排気と冷却媒体の温度差によって生じた電力を電力変換器によって供給する発電装置において、その電力変換器における発電電力の制御に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車のエンジン等の燃焼機器から排出される排気ガス中に含まれる熱エネルギーを電力として回収する熱電発電装置が知られている。この種の装置では、熱電素子の一端を排気ガスによって加熱し、他端を冷却水等の冷却媒体で冷却することで、熱電素子に温度差による電力を発生させる。発生した電力は、電力変換器によって昇圧・平滑化されてバッテリ等へ供給される。
【０００３】
ところで、熱電素子は、出力電力を取り出すときの電流値によって出力電力が変化する。この電流−電力（電圧）特性は、さらに素子の両端それぞれの温度によっても変化する。このため、自動車エンジンの排気により発電を行う場合のように高温側・低温側の条件が変化する条件下で電力を有効に取り出すためには、取り出す際の電流を特性に応じて制御する必要がある（例えば、特許文献１参照）。この技術では、熱電素子の高温側、低温側の温度を測定し、予め求めておいたこれらの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求め、電力取り出し時の電流をこの電流値となるよう制御するものである。
【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】
【０００４】
熱電素子の高温側、低温側に温度センサを熱電素子に密着して配置するためには、スペーサ等の固定部材を必要とするが、このような固定部材、温度センサ自体が熱抵抗となり、熱電素子を流れる熱量が低下して、発電効率が低下してしまう。また、発電量を増大させるため、通常は多数の熱電素子を連結して使用しているが、個々の熱電素子の両端の温度は異なってくるため、少数の温度センサによって全体の温度傾向を把握することは困難である。逆に、温度センサの数を増加させると、コストアップ、発電効率低下につながるため、これも困難である。また、過渡的な温度変化に対しての追従性を高めるには、温度センサの応答性を高める必要があるが、特に耐熱性を要する高温側の温度センサについてコストアップの要因となる。
【０００５】
そこで本発明は、温度測定を要することなく効率よく電力を取り出すことを可能とした熱電素子を用いた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、本発明に係る発電装置は、熱電素子と、この熱電素子の発電時の電流を制御する電力変換器とを備える発電装置において、電力変換器は、熱電素子の発電時の電流を変化させ、少なくとも異なる２つの電流値ｉ１、ｉ２（ｉ１＜ｉ２）に対する電圧値ｖ１、ｖ２を求め、ｉｔ＝（ｉ２ｖ１−ｉ１ｖ２）／２（ｖ１−ｖ２）なる電流値ｉｔで発電を行うことを特徴とする。
【０００７】
熱電素子の電流（Ｉ）−電圧（Ｖ）特性は、高温側、低温側の温度に応じて変化するが、一般にＶ＝Ｖ０−ｋ×Ｉの形式をとる（ここで、０≦Ｉ≦Ｖ０／ｋであり、Ｖ０、ｋは、高温側、低温側の温度によって変化する。図３参照）。これより、出力電力はＷ＝Ｉ×（Ｖ０−ｋ×Ｉ）＝Ｉ×Ｖ０−ｋ×Ｉ２の形式で表せる。したがって最大電力Ｗmaxが得られるのは、ｄＷ／ｄＩ＝０のときであり、これはｉｔ＝Ｖ０／（２×ｋ）のときである。所定の温度状態の場合に、電流、電圧値の組み合わせ（ｉ１，ｖ１）、（ｉ２，ｖ２）がわかれば、この最大電力が得られる電流値ｉｔは（ｉ２ｖ１−ｉ１ｖ２）／２（ｖ１−ｖ２）として求まる。
【０００８】
あるいは、本発明に係る発電装置は、熱電素子と、この熱電素子の発電時の電流を制御する電力変換器とを備える発電装置において、電力変換器は、熱電素子の発電時の電流を変化させ、少なくとも異なる２つの電流値ｉ１、ｉ２（ｉ１＜ｉ２）に対する電力値Ｗ１、Ｗ２を求め、求めたｉ１−Ｗ１、ｉ２−Ｗ２から電流−電力特性を推定して、この特性により最大電力が得られる電流値を求めて、求めた電流値で発電を行うことを特徴とする。
【０００９】
上述したように、電流−電圧特性は、Ｗ＝Ｉ×（Ｖ０−ｋ×Ｉ）＝Ｉ×Ｖ０−ｋ×Ｉ２の形式で表せる。求めた（ｉ１，Ｗ１）、（ｉ２，Ｗ２）から合致する電流−電圧特性を求め、ｉｔを求める。具体的には、ｋ、Ｖ０を求めて、ｉｔを求めても良く、記憶装置内にｉｔ自体を格納しておいてもよい。
【００１０】
この電力変換器は、求めたｉ１−Ｗ１、ｉ２−Ｗ２に略合致する電流−電力特性が複数存在する場合は、さらに、電流値が異なるｉ３のときの電圧値または電力値を求めて、いずれにも合致する電流−電力特性を選別するとよい。
【００１１】
本来、電流−電力特性を左右するのはＶ０、ｋという２つの定数であるから電流−電圧が２組求まれば、Ｖ０、ｋを確定でき、電流−電力特性を確定できるはずである。しかし、電流値、電力値の検出精度には制限があり、必要以上に高めることはできない。検出精度誤差や変動等を考慮すると電流−電力特性候補が複数存在する場合は、さらにもう１組の電流、電圧値または電力値を求めて、候補中から電流−電力特性を選別する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、電流値と電圧値または電力値を測定するだけで、熱電素子を含む熱電モジュールに付加的なセンサを取り付ける必要がないため、熱抵抗を変えることがなく、発電効率が低下することがない。そして、電流値、電圧値、電力値等は比較的安価なセンサで精度良く測定することが可能であり、また、応答性も良好である。したがって、最大電力が得られる最適な電流値を迅速に求めることが可能であり、過渡的な変化に対しても適切な制御を行うことができる。
【００１３】
また、これらのセンサは電流変換器に内蔵することも可能であり、発電装置の組立が容易になるほか、その製造コストも低減する効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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。
【００１５】
図１は、本発明に係る発電装置の概略構成図である。この発電装置１は、自動車の排気系に配置されるものであり、多数の熱電素子２０を連結した熱電モジュール２と電力変換器３を備えている。この熱電素子２０は、図２に示されるように、ｐ型とｎ型の半導体をπ形に多数接続して構成したものである。熱電モジュール２は、排気ガスが流れる排気管４の外側に絶縁材５０を介してその高温端側が固定されており、低温端側には絶縁材５１を介して内部に冷却水が流れる冷却ケース６が接続されている。絶縁材５０、５１は、いずれも熱伝導性が良好な不導体であり、同じ材料であっても構わないが、少なくとも絶縁材５０は、高温になるため、耐熱性の良好な部材である必要がある。
【００１６】
熱電モジュール２の出力端子は電力変換器３に電気的に接続されており、電力変換器３内には、熱電モジュール２に流れる電流値ｉを測定する電流計３０と、出力端子間の電圧値ｖを測定する電圧計３１とが内蔵されている。電力変換器３は、内部に電流制御を行う制御部３２を備えるとともに、ＤＣ−ＤＣコンバータ機能を有し、バッテリ７に接続されている。制御部３２は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵ等によって構成されている。排気管４中には、フィン状に構成されたヒートシンク４１を配置して排気ガスの有する熱を効率よく熱電モジュール２へと伝達する構成とされている。
【００１７】
排気管４内を流れる排気ガスによりヒートシンク４１は加熱され、高温状態とされる。このヒートシンク４１から絶縁材５０を通って伝導してくる熱により各熱電素子２０の高温側端面が加熱される。一方、冷却ケース６内を流れる冷却水により、絶縁材５１を通して低温側端面から伝導によって熱が奪われることで低温側端面は冷却される。こうして高温側端面と低温側端面との間に温度差が生じ、この温度差によるゼーベック効果によって熱電素子２０に電流が流れ、電力が取り出される。
【００１８】
図３は、この熱電モジュール２の電流（Ｉ）−電圧（Ｖ）、電流（Ｉ）−電力（Ｗ）特性を示すグラフである。ここでは、高温側端面温度がＴｈ１、低温側端面温度がＴｃ１の場合を実線で示し、高温側端面温度がＴｈ２、低温側端面温度がＴｃ２の場合を破線で示している。なお、（Ｔｈ１−Ｔｃ１）＞（Ｔｈ２−Ｔｃ２）の関係にある。
【００１９】
図に示されるように、熱電素子のＩ−Ｖ特性は、両端面の温度によって変化する。そして、所定の温度範囲においては、端面の温度差に依存する。特定の端面温度のときの電流Ｉと電圧Ｖとの関係は、以下の式によって表せる。
【００２０】
Ｖ＝Ｖ０−ｋ×Ｉ…（１）  ０≦Ｉ≦Ｖ０／ｋ
Ｖ＝０  Ｉ＞Ｖ０／ｋ
ここで、Ｖ０、ｋは定数であり、高温側、低温側の温度が異なる場合は異なる値をとる。つまり、高温側、低温側の温度に依存する。取り出せる電力ＷはＩ×Ｖで表せるから、０≦Ｉ≦Ｖ０／ｋのときの出力電圧Ｗは以下の式で表せる。
【００２１】
Ｗ＝Ｉ×（Ｖ０−ｋ×Ｉ）＝Ｉ×Ｖ０−ｋ×Ｉ２  …（２）
Ｗが上に凸の２次関数となることから、最大電力Ｗmaxが得られるのは変曲点であるｄＷ／ｄＩ＝０のときである。このときの電流をｉｔとすると、
ｉｔ＝Ｖ０／（２×ｋ）  …（３）
で表せる。電力変換器３により、電力取り出し時の熱電モジュール２に流れる電流をこの電流ｉｔとなるよう制御すると、最も効率よく電力を取り出すことができる。
【００２２】
本実施形態の発電装置は、温度センサを用いることなく、電力取り出し時の電流を最適電流ｉｔとなるよう制御するものである。
【００２３】
この電流制御について具体的に説明する。図４は、電流制御の第１の処理形態の処理フローチャートである。図５は、この処理におけるｉｔの算出方法を説明する図である。この処理は、電力変換器３の制御部３２によって行われる。
【００２４】
まず、ステップＳ１では、熱電モジュール２から電力を取り出す際の電流を電流計３０の測定結果を参照しながら、電流値ｉ１と電流値ｉ２の２種類の状態に変化させる。ここで、ｉ１＜ｉ２であり、例えば、ｉ２≒２×ｉ１とするとよい。そして、電圧計３１によって電流値ｉ１に対応する電圧値ｖ１と電流値ｉ１に対応する電圧値ｖ１を読み出す。
【００２５】
電力変換器３では、熱電モジュール２に供給する電流を瞬時に切り替えることができるため、２組の（電流、電圧）検出は、熱電モジュール２の高温端・低温端側の温度変化速度に比較してきわめて短い時間で行うことができる。そのため、切り替え前後の温度変化はほとんど無視できる。
【００２６】
次に、最適電流値ｉｔを算出する（ステップＳ２）。高温端・低温端側の温度が同一の条件下では、ｉ−ｖ特性は一本の直線で表せる。（ｉ１，ｖ１）と（ｉ２，ｖ２）とは、この直線上の２点であるから、この２点から（１）式におけるＶ０、ｋを以下の式により求めることができる。
【００２７】
Ｖ０＝（ｉ２ｖ１−ｉ１ｖ２）／（ｉ２−ｉ１）  …（４）
ｋ＝（ｖ１−ｖ２）／（ｉ２−ｉ１）  …（５）
Ｖ０、ｋを求めたら、（３）式に基づいて最適電流値ｉｔを求めることができる。
【００２８】
なお、Ｖ０、ｋの値を個別に求めなくとも、（６）式により（ｉ１，ｖ１）と（ｉ２，ｖ２）からｉｔを直接求めてもよい。
【００２９】
ｉｔ＝（ｉ２ｖ１−ｉ１ｖ２）／{２×（ｖ１−ｖ２）}  …（６）
また、直線のｉ軸切片である電圧値が０となる電流値ｉ３（＝Ｖ０／ｋ）を求め、その１／２の値としてｉｔを求めてもよい。
【００３０】
さらに、電力変換器３内に格納されているマップから（ｉ１，ｖ１）と（ｉ２，ｖ２）の組み合わせ値に対応するｉｔの値を読み出すことで算出を行ってもよい。
【００３１】
いずれの場合でも、結果的に求められるｉｔの値は、（６）式により表されるｉｔの値と一致するものであり、本発明の範囲に含まれる。
【００３２】
ステップＳ３では、求めた電流値ｉｔとなるよう電流計３０の出力を参照しながら、熱電モジュール２の発電状態を制御する。
【００３３】
これにより、温度センサを用いることなく最適な電流値で熱電発電を行うことができるため、排気の持つ熱エネルギーを効率よく電気エネルギーへと変換して回収することができる。
【００３４】
冷却水や排ガスの温度、流量等が変化したり、エンジン始動から十分な時間が経過しておらず、熱電モジュール２自体の温度が低く、高温端の温度が十分に上昇していない状況下では、高温端・低温端の温度も変化するため、最適電流値ｉｔの判定もこの過渡的な変化に対応して行うことが好ましい。
【００３５】
そのためには、例えば、所定のタイミングで図４のｉｔの設定処理を行えばよい。ここで、この所定のタイミングとは、常に一定時間ごとに設定処理を繰り返す方法のほか、繰り返しのタイミングを可変する場合も含まれる。例えば、図示していないエンジンを制御するエンジンＥＣＵからエンジンの運転状態が定常状態か過渡状態にあるかを受信し、過渡状態の場合は、定常状態に比べて設定処理の時間間隔を細かくするとよい。あるいは、前回の設定時に対するｉｔの変化量が大きい場合には、設定処理の時間間隔を細かくし、変化量が小さい場合には粗くするとよい。
【００３６】
本発明によれば、簡単な構成で熱電モジュールの最適運転が可能となるので、効率よく発電を行うことができる。また、熱電モジュールと熱源（排気ガス、冷却水）との間の熱伝達を良好な状態に維持することが容易であり、発電効率の向上に繋がる。また、電力変換器３側の換装で既存の発電装置の高効率化を実現することも可能である。
【００３７】
次に、電流制御の第２の処理形態について説明する。図６は、この処理形態の処理フローチャートであり、図７は、この処理におけるｉｔの算出方法を説明する図である。この処理は、第１の処理形態と同様に、電力変換器３の制御部３２によって行われる。
【００３８】
まず、ステップＳ１１では、熱電モジュール２から電力を取り出す際の電流を電流計３０の測定結果を参照しながら、電流値ｉ１と電流値ｉ２の２種類の状態に変化させる。ここで、ｉ１＜ｉ２であり、例えば、ｉ２≦２×ｉ１とするとよい。そして、電圧計３１によって電流値ｉ１に対応する電圧値ｖ１と電流値ｉ１に対応する電圧値ｖ１を読み出す。
【００３９】
次に、それぞれの場合の電力量Ｗ１、Ｗ２を算出する（ステップＳ１２）。ここで、Ｗ１＝ｉ１×Ｖ１であり、Ｗ２＝ｉ２×Ｖ２である。
【００４０】
そして、（０，０）、（ｉ１，Ｗ１）、（ｉ２，Ｗ２）の３点を通過するｉ−Ｗ特性曲線を算出する。この特性曲線は、（２）式で表せ、ここで、式中のＶ０、ｋは次式により求めることができる。
【００４１】
Ｖ０＝（ｉ２２Ｗ１−ｉ１２Ｗ２）／｛ｉ１×ｉ２×（ｉ２−ｉ１）｝  …（７）
ｋ＝（ｉ２×Ｗ１−ｉ１×Ｗ２）／｛ｉ１×ｉ２×（ｉ２−ｉ１）｝  …（８）
Ｖ０、ｋを求めたら、（３）式に基づいて最適電流値ｉｔを求めることができる（ステップＳ１４）。
【００４２】
なお、Ｖ０、ｋの値を（７）（８）式により求めなくとも、電力変換器３内に格納されているマップから（ｉ１，Ｗ１）と（ｉ２，Ｗ２）の組み合わせ値に対応するＶ０、ｋを読み出して、ｉｔの値を算出してもよい。
【００４３】
ステップＳ１５では、求めた電流値ｉｔとなるよう電流計３０の出力を参照しながら、熱電モジュール２の発電状態を制御する。
【００４４】
ここでは、電流値と電圧値とから電力量を求めたが、図１に示される電圧計３１に代えて電力計を備えることで電力値を求めてもよい。また、バッテリ７に供給した電力量から電力値を求めてもよい。
【００４５】
ところで、電流計、電圧計、電力計の出力にはそれぞれ誤差が含まれる。各測定装置の精度が比較的低い場合、その誤差分を考慮すると、同じ（ｉ１，ｗ１）（ｉ２，ｗ２）を通るｉ−ｗ特性線図が、図８に示されるように、複数存在する場合がありうる。このように精度が比較的粗い測定機器を用いた場合でも精度良く最適な電流値ｉｔを求めることが可能な電流制御の処理方法を説明する。図９は、この処理の処理フローの一部を示している。この処理は、図６に示される処理のステップＳ１３とＳ１４との間に挿入される。
【００４６】
ステップＳ１３では、ｉ−Ｗ特性として、図８に示されるＡ、Ｂ２つの特性が候補とされる。ステップＳ２１では、さらに、電流計３０の測定結果を参照しながら、電流値を２×ｉ２に変化させ、その際の電圧値Ｖ３を求める。
【００４７】
ステップＳ２２では、Ｖ３と０とを比較する。Ｖ３が０でない場合には、Ｂの特性を選択し（ステップＳ２３）、０の場合には、Ａの特性を選択する（ステップＳ２２）。これにより、最適電流値ｉｔを精度良く求めることができる。
【００４８】
ここでは、さらに、２×ｉ２のときの電流値を求めたが、電力計を有する場合は電力値を求めてもよい。また、追加で求める際の電流値は２×ｉ２に限られるものではなく、２組の電流値から求めたいずれかの最適電流値候補としたり、ｉ２のｋ倍の電流値（ｋは１より大きく、２以下であることが好ましい。）としてもよい。
【００４９】
これらの処理形態においても、第１の処理形態と同様の効果が得られる。
【００５０】
以上の説明では、自動車の排気系に配置される熱電発電装置について説明してきたが、これに限られるものではなく、本発明は、例えば、各種の内燃機関や燃焼機器の燃焼ガスや各種の排温水等の熱エネルギーを電気エネルギーに変換して回収する熱電発電装置に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明に係る発電装置の概略構成図である。
【図２】図１の熱電素子の構成図である。
【図３】図１の熱電モジュールのの電流（Ｉ）−電圧（Ｖ）、電流（Ｉ）−電力（Ｗ）特性を示すグラフである。
【図４】図１の装置による電流制御の第１の処理形態の処理フローチャートである。
【図５】この処理におけるｉｔの算出方法を説明する図である。
【図６】図１の装置による電流制御の第２の処理形態の処理フローチャートである。
【図７】この処理におけるｉｔの算出方法を説明する図である。
【図８】図６の処理において測定機器の精度が粗いときの特性推定について説明する図である。
【図９】図８の場合の特性選別処理のフローチャートである。
【符号の説明】
【００５２】
１…発電装置、２…熱電モジュール、３…電力変換器、４…排気管、６…冷却ケース、７…バッテリ、２０…熱電素子、３０…電流計、３１…電圧計、３２…制御部、４１…ヒートシンク、５０、５１…絶縁材。
【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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