(57)【要約】【課題】  熱電変換素子における発電電力（発電電圧）が変化する場合でも、効率よく電力の回収を行うことができる熱電発電システムを提供する。【解決手段】  熱電発電システム１は、熱電変換モジュール３，４，５を備えており、これらの熱電変換モジュール３，４，５は、スイッチマトリックス６および切替スイッチ７を介して、降圧コンバータ８および昇圧コンバータ９に接続されている。スイッチマトリックス６は、複数のスイッチを備えており、熱電変換モジュール３，４，５の配列を並列または直列に調整可能とされている。コントローラ１０は、熱電変換モジュール３，４，５の開放電圧に基づいて、熱電変換モジュール３，４，５の配列を調整する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電発電システムにおいて、
排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換して電流を発生する複数の熱電変換素子と、
前記熱電変換素子から発生するで電流の電圧を昇圧させる昇圧電力変換器と、
前記熱電変換素子から発生するで電流の電圧を降圧させる降圧電力変換器と、
前記複数の熱電変換素子の配列を直列または並列に調整する配列調整手段と、
前記配列調整手段の配列調整制御を行う制御手段と、
を備えることを特徴とする熱電発電システム。
【請求項２】
前記配列調整手段がスイッチマトリックスである請求項１に記載の熱電発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換することによって発電を行う熱電発電システムに係り、特に、熱電変換素子で変換された電力を効率よく回収することができる熱電発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車のエンジンや工場等から排出された排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換することによって、排熱からエネルギを回収する熱電発電システムが開発されている。熱電発電システムでは、排気ガスの熱エネルギを伝導した高温側と冷却水等で冷却した低温側との間に多数の熱電変換素子を備える熱電変換モジュールを配置し、この高温側と低温側との温度差に応じて熱電変換モジュールの各熱電変換素子で熱電変換による発電を行っている（たとえば、特許文献１，２参照）。さらに、熱電発電システムでは、電力変換器（ＤＣ−ＤＣコンバータ）によって熱電変換モジュールの発電電圧を自動車や工場等で使用可能な電圧に変換している。
【特許文献１】特開２０００−２３６１１７号公報
【特許文献２】特表２０００−５１１３５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、この種の熱電発電システムでは、排気ガスの熱エネルギの大きさによって熱電変換素子における発電電力（発電電圧）がダイナミックに異なっている。ところが、上記特許文献１，２に開示された熱電発電システムでは、電力変換器による電圧の変換について特に考慮されていなかったため、効率よく電力を回収しているとは言い難いという問題があった。
【０００４】
そこで、本発明の課題は、熱電変換素子における発電電力（発電電圧）が変化する場合でも、効率よく電力の回収を行うことができる熱電発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決した本発明は、排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電発電システムにおいて、排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換して電流を発生する複数の熱電変換素子と、熱電変換素子から発生するで電流の電圧を昇圧させる昇圧電力変換器と、熱電変換素子から発生するで電流の電圧を降圧させる降圧電力変換器と、複数の熱電変換素子の配列を直列または並列に調整する配列調整手段と、配列調整手段の配列調整制御を行う制御手段と、を備えるものである。
【０００６】
本発明に係る熱電発電システムは、複数の熱電変換素子を備えており、これらの熱電変換素子の配列を調整する配列調整手段を有している。このため、たとえば熱電変換素子による発電電力が大きくなった場合には、熱電変換素子を並列に配列し、発電電力が小さくなった場合には直列に配列することにより、熱電変換素子における発電電力（発電電圧）が変化する場合でも、効率よく電力の回収を行うことができる。
【０００７】
ここで、配列調整手段が、スイッチマトリックスである態様とすることができる。
【０００８】
このように、配列調整手段としてスイッチマトリックスを用いることにより、熱電変換素子の配列を容易に調整することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係るによれば、熱電変換素子における発電電力（発電電圧）が変化する場合でも、効率よく電力の回収を行うことができる熱電発電システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。本実施形態では、本発明に係る熱電発電システムを、自動車のエンジンから排出される排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電発電システムに適用する。
【００１１】
図１は、本発明の実施形態に係る熱電発電システムのブロック構成図である。
【００１２】
図１に示すように、本実施形態に係る熱電発電システム１は、自動車のエンジンから排出される排気ガスの熱エネルギを電気エネルギとして回収するシステムであり、複数、本実施形態では３つの本発明の熱電変換素子である熱電変換モジュール３，４，５を備えている。また、熱電発電システム１は、熱電変換モジュール３，４，５に接続された本発明の配列調整手段であるスイッチマトリックス６を備えており、さらに、スイッチマトリックス６に接続された切替スイッチ７を備えている。切替スイッチ７には、降圧電力変換器である降圧コンバータ（降圧ＤＤＣ）８と昇圧電力変換器である昇圧コンバータ（昇圧ＤＤＣ）９とが接続されており、スイッチマトリックス６および切替スイッチ７には、本発明の制御手段であるコントローラ１０が電気的に接続されている。
【００１３】
熱電変換モジュール３，４，５は、エンジンの排気ガスが流通する排気流路に設けられている。熱電変換モジュール３，４，５は、それぞれ多数の熱電素子（例えば、Ｂｉ2Ｔｅ3等からなるｐ型とｎ型の２種類の半導体）を備えており、この熱電素子が直列または並列に接続される。また、熱電変換モジュール３，４，５は、平行かつ水平な高温端面と低温端面とを有している。熱電変換モジュール３，４，５では、両端面間の温度差に応じてゼーベック効果により熱エネルギを電気エネルギに変換して電流を発生させ、その電流を図示しない電極から出力する。これらの熱電変換モジュール３，４，５の電極は、それぞれスイッチマトリックス６に接続されている。
【００１４】
スイッチマトリックス６は、複数のスイッチを備えており、これらの複数のスイッチをＯＮ−ＯＦＦすることにより、複数の熱電変換モジュール３，４，５を並列または直列に接続することができるようになっている。具体的に、スイッチマトリックス６は、Ａ′行、Ａ〜Ｅ行、１〜７列の６行７列に配置された電線を有しており、Ａ′行１列、Ａ行２列、Ｂ行１列、Ｂ行３列、Ｃ行４列、Ｄ行１列、Ｄ行５列、Ｅ行６列、およびＥ行７列にそれぞれスイッチが設けられている。これらのスイッチのうち、Ａ′行１列に設けられたスイッチは、常時ＯＮとなっている。スイッチマトリックス６には、コントローラ１０が接続されており、コントローラ１０によってスイッチマトリックス６における各スイッチがＯＮ−ＯＦＦ制御される。
【００１５】
切替スイッチ７は、スイッチマトリックス６から出力される電流を降圧コンバータ８と昇圧コンバータ９のいずれか一方のコンバータに入力させるためのものである。切替スイッチ７は、その入力端にはスイッチマトリックス６が接続され、一方の出力端には降圧コンバータ８の入力端が接続され、他方の出力端には昇圧コンバータ９の入力端が接続される。切替スイッチ７には、コントローラ１０からコンバータ切替信号が入力され、この切替信号に応じて入力端を一方の出力端または他方の出力端に接続する。この切替スイッチ７を降圧コンバータ８に切り替えた際には、降圧動作となり、切替スイッチ７を昇圧コンバータ９に切り替えた場合に昇圧動作となる。
【００１６】
降圧コンバータ８は、入力電圧をバッテリの充電電圧（たとえば１２Ｖ）まで降圧するＤＣ−ＤＣコンバータである。降圧コンバータ８は、切替スイッチ７を介してスイッチマトリックス６から電流が入力された場合、その電流の電圧を充電電圧まで降圧し、バッテリに出力する。なお、降圧コンバータ８は、熱電変換モジュール３，４，５による最大発電電圧よりも高い電圧まで入力可能である。
【００１７】
昇圧コンバータ９は、入力電圧をバッテリの充電電圧まで昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータである。昇圧コンバータ９は、切替スイッチ７を介してスイッチマトリックス６からの電流が入力された場合、その電流の電圧を充電電流まで昇圧し、バッテリに出力する。
【００１８】
コントローラ１０には、スイッチマトリックス６が接続されており、スイッチマトリックス６におけるすべてのスイッチをＯＦＦにすることにより、熱電変換モジュール３，４，５の開放電圧をコントローラ１０で検出可能となる。また、コントローラ１０は、スイッチマトリックス６に対して、スイッチマトリックス６におけるすべてのスイッチのＯＮ−ＯＦＦ制御信号を出力する。
【００１９】
さらに、コントローラ１０は、切替スイッチ７に接続されており、切替スイッチ７に対して切替信号を出力する。また、コントローラ１０は、降圧コンバータ８および昇圧コンバータ９に接続されており、両コンバータ８，９に作動信号を出力する。コンバータ８，９は、コントローラ１０から作動信号を受けることによって作動する。
【００２０】
以上の構成を有する本実施形態に係る熱電発電システムの動作、作用について説明する。
【００２１】
本実施形態に係る熱電発電システム１では、排気流路を排気ガスが流通すると、熱電変換モジュール３，４，５において熱電変換が行われ、電気エネルギが得られる。熱電変換モジュール３，４，５で得られた電気エネルギは、スイッチマトリックス６および切替スイッチ７を介して降圧コンバータ８または昇圧コンバータ９に供給され、昇圧または降圧処理が施された後、図示しないバッテリに供給される。
【００２２】
ここで、排気流路を流通する排気ガスに含まれる排気エネルギは、ダイナミックに変化するので、熱電変換モジュール３，４，５によって発電される電気エネルギも排気エネルギの変化に追従して変化する。一方、コンバータ８，９では、入力電圧が変換する電圧（本実施形態では１２Ｖ）から遠くなると、変換効率が低下し、ひいては熱エネルギの回収効率の低下につながる。そこで、このように変化する電気エネルギを効率よく回収するために、本実施形態では、低発電領域と高発電領域とで利用するコンバータを選択するとともに、スイッチマトリックス６によって、熱電変換モジュール３，４，５の配列を並列または直列にし、コンバータ８，９に供給する電流の電圧を調整する。以下に、コントローラ１０における制御手順について説明する。
【００２３】
図２は、本実施形態に係る熱電発電システムの制御手順を示すフローチャートである。
【００２４】
制御を始める前、スイッチマトリックス６では各スイッチをＯＦＦにしておく。各スイッチをＯＦＦにすることにより、コントローラ１０では熱電変換モジュール３，４，５の開放電圧を検出する。コントローラ１０では、検出した開放電圧に基づいて、スイッチマトリックス６の各スイッチのＯＮ−ＯＦＦを決定して制御するとともに、両コンバータ８，９のいずれを使うかを決定し、いずれかのコンバータ８，９に作動信号を出力するとともに、切替スイッチ７に切替信号を出力する。
【００２５】
コントローラ１０では、各熱電変換モジュール３，４，５の開放電圧を検出する。ここで、第一熱電変換モジュール３の開放電圧をＶａ、第二熱電変換モジュール４の開放電圧をＶｂ、第三熱電変換モジュール５の開放電圧をＶｃとすると、開放電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃは図３に示すようになる。また、図３に示すように、動作電流Ｉのときの開放電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃに対応するそれぞれの熱電変換モジュール３，４，５の端子電圧をＶａ′，Ｖｂ′，Ｖｃ′とする。
【００２６】
コントローラでは、まず、各端子電圧Ｖａ′，Ｖｂ′，Ｖｃ′が、いずれもＶｕ＿ｍｉｎよりも大きく、Ｖｕ＿ｍａｘよりも小さいか否かを判断する（Ｓ１）。ここで、Ｖｕ＿ｍｉｎは昇圧コンバータ９の最小入力電圧、は昇圧コンバータ９の最大入力電圧である。その結果、各端子電圧Ｖａ′，Ｖｂ′，Ｖｃ′が、いずれもＶｕ＿ｍｉｎよりも大きく、Ｖｕ＿ｍａｘよりも小さいと判断した場合には、熱電変換モジュール３，４，５を並列に配列すれば、昇圧コンバータ９で昇圧処理するのに好適な電圧の電流がスイッチマトリックス６から出力されることになる。
【００２７】
したがって、コントローラ１０は、熱電変換モジュール３，４，５が並列に配列されるようにスイッチマトリックス６を配列調整するとともに、昇圧コンバータ９を選択し、切替スイッチ７を昇圧コンバータ９側に接続して昇圧コンバータ９に作動信号を出力する（Ｓ６）。熱電変換モジュール３，４，５が並列に配列されるスイッチマトリックス６の配列は、図４に示すようになる。具体的には、Ａ行７列、Ｂ行１列、Ｃ行７列、Ｄ行１列、Ｅ行７列の各スイッチをＯＮにすると、熱電変換モジュール３，４，５が並列に配列される。こうして、各熱電変換モジュール３，４，５が並列に配列されて、昇圧コンバータ９で昇圧処理するのに好適な電圧の電流が昇圧コンバータ９に供給される。
【００２８】
また、ステップＳ１でＮＯと判断されたときには、熱電変換モジュール３，４，５の各端子電圧Ｖａ′，Ｖｂ′，Ｖｃ′がそれぞれＶｕ＿ｍｉｎよりも小さいか否かを判断する（Ｓ２）。その結果、各端子電圧Ｖａ′，Ｖｂ′，Ｖｃ′がそれぞれＶｕ＿ｍｉｎよりも小さいと判断した場合には、熱電変換モジュール３，４，５を直列に配列すれば、各端子電圧Ｖａ′，Ｖｂ′，Ｖｃ′が加算されるので、昇圧コンバータ９で昇圧処理するのが好適な電圧の電流がスイッチマトリックス６から出力されることになる。
【００２９】
したがって、コントローラ１０は、熱電変換モジュール３，４，５が直列に配列されるようにスイッチマトリックス６を配列調整するとともに、昇圧コンバータ９を選択し、切替スイッチ７を昇圧コンバータ９側に接続して昇圧コンバータ９に作動信号を出力する（Ｓ７）。熱電変換モジュール３，４，５が直列に配列されるスイッチマトリックス６の配列は、図５に示すようになる。具体的には、Ａ行２列、Ｂ行３列、Ｃ行４列、Ｄ行５列、Ｅ行６列の各スイッチをＯＮにすると、熱電変換モジュール３，４，５が直列に配列される。こうして、各熱電変換モジュール３，４，５が直列に配列されて、その電圧が加算され、昇圧コンバータ９で昇圧処理するのに好適となった電圧の電流が昇圧コンバータ９に供給される。
【００３０】
また、ステップＳ２でＮＯと判断されたときには、端子電圧Ｖａ′，Ｖｂ′，Ｖｃ′の総和がＶｄ＿ｍｉｎ以上であるか否かを判断する（Ｓ３）。ここで、Ｖｄ＿ｍｉｎは、降圧コンバータ８の最小入力電圧である。その結果、各端子電圧Ｖａ′，Ｖｂ′，Ｖｃ′の総和が、Ｖｄ＿ｍｉｎ以上であると判断した場合には、熱電変換モジュール３，４，５を直列に配列すれば、降圧コンバータ８で昇圧処理するのに好適な電圧がスイッチマトリックス６から出力されることなる。
【００３１】
したがって、コントローラ１０は、図５に示すように、熱電変換モジュール３，４，５が直列に配列されるようにスイッチマトリックス６を配列調整するとともに、降圧コンバータ８を選択し、切替スイッチ７を降圧コンバータ８側に接続して降圧コンバータ８に作動信号を出力する（Ｓ８）。こうして、各熱電変換モジュール３，４，５が直列に配列されて、その電圧が加算され、昇圧コンバータ９で昇圧処理するのに好適となった電圧の電流が昇圧コンバータ９に供給される。
【００３２】
また、ステップＳ３でＮＯと判断されたときには、熱電変換モジュール３，４，５の各端子電圧Ｖａ′，Ｖｂ′，Ｖｃ′がそれぞれＶｕ＿ｍａｘよりも大きく、Ｖｄ＿ｍｉｎよりも小さいか否かを判断する（Ｓ４）。その結果、各端子電圧Ｖａ′，Ｖｂ′，Ｖｃ′がそれぞれＶｕ＿ｍａｘよりも大きく、Ｖｄ＿ｍｉｎよりも小さいと判断した場合には、熱電変換モジュール３，４，５を並列に配列すれば、コンバータによる電圧調整を行うことなく、直接バッテリに供給するのに好適な電圧の電流がスイッチマトリックス６から出力されることになる。
【００３３】
したがって、コントローラ１０は、図４に示すように、熱電変換モジュール３，４，５が並列に配列されるようにスイッチマトリックス６を配列調整するとともに、切替スイッチ７を降圧コンバータ８または昇圧コンバータ９に接続し、降圧コンバータ８および昇圧コンバータ９には作動信号を出力しない。こうして、スイッチマトリックス６から出力される電流をそのまま電圧変換することなくバッテリに供給するようにする（Ｓ９）。こうして、各熱電変換モジュール３，４，５が並列に配列されて、直接バッテリに供給するのに好適な電圧の電流がバッテリに供給される。
【００３４】
また、ステップＳ４でＮＯと判断されたときには、各端子電圧Ｖａ′，Ｖｂ′，Ｖｃ′の総和がＶｕ＿ｍａｘ以上Ｖｄ＿ｍｉｎ以下であるか否かを判断する（Ｓ５）。その結果、端子電圧Ｖａ′，Ｖｂ′，Ｖｃ′の総和がＶｕ＿ｍａｘ以上Ｖｄ＿ｍｉｎ以下であると判断したときには、熱電変換モジュール３，４，５を直列に配列すれば、コンバータによる電圧調整を行うことなく、直接バッテリに供給するのに好適な電圧の電流がスイッチマトリックス６から出力されることになる。
【００３５】
したがって、コントローラ１０は、図５に示すように、熱電変換モジュール３，４，５が直列に配列されるようにスイッチマトリックス６を配列調整するとともに、切替スイッチ７を降圧コンバータ８または昇圧コンバータ９に接続し、降圧コンバータ８および昇圧コンバータ９には作動信号を出力しない。こうして、スイッチマトリックス６から出力される電流をそのまま電圧変換することなくバッテリに供給するようにする（Ｓ１０）。こうして、各熱電変換モジュール３，４，５が直列に配列されて、直接バッテリに供給するのに好適な電圧の電流がバッテリに供給される。
【００３６】
このように、本実施形態では、熱電変換モジュール３，４，５から出力される電流の電圧に基づいてスイッチマトリックス６を制御し、熱電変換モジュール３，４，５を並列または直列に接続し、降圧コンバータ８または昇圧コンバータ９に電流を供給している。このため、降圧コンバータ８または昇圧コンバータ９で降圧処理または昇圧処理するのに好適な電圧の電流を降圧コンバータ８または昇圧コンバータ９に供給することができる。したがって、熱電変換モジュール３，４，５における発電電力（発電電圧）が変化する場合でも、効率よく電力の回収を行うことができる。
【００３７】
以上、本発明の好適な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定されるものではない。たとえば、上記実施形態では、熱電変換モジュール３，４，５の端子電圧を所定の演算式（図２のフローにおけるステップＳ１〜Ｓ５）で処理することによって、スイッチマトリックス６および切替スイッチ７の制御を行っているが、各端子電圧に応じたマップを予め作成しておき、このマップを参照してスイッチマトリックス６および切替スイッチ７の制御を行う態様とすることができる。
【００３８】
また、上記実施形態では、３つの熱電変換モジュール３，４，５をいずれも直列または並列に接続する態様としているが、その一部を直列にし、残りを並列に接続する態様とすることもできる。さらに、上記実施形態では３つの熱電変換モジュールを設けているが、２つあるいは４つ以上の熱電変換モジュールとすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施形態に係る熱電熱電システムのブロック構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係る熱電発電システムの制御手順を示すフローチャートである。
【図３】開放電圧と電流との関係を示すグラフである。
【図４】熱電変換モジュールを並列に配列する際のスイッチマトリックスの状態を示す説明図であり、（ａ）は模式図、（ｂ）はＯＮとなるスイッチを示す表である。
【図５】熱電変換モジュールを直列に配列する際のスイッチマトリックスの状態を示す説明図であり、（ａ）は模式図、（ｂ）はＯＮとなるスイッチを示す表である。
【符号の説明】
【００４０】
１…熱電発電システム、３，４，５…熱電変換モジュール、６…スイッチマトリックス、７…切替スイッチ、８…降圧コンバータ、９…昇圧コンバータ、１０…コントローラ。
【図１】
2005176408.tif 000003
【図２】
2005176408.tif 000004
【図３】
2005176408.tif 000005
【図４】
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【図５】
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