JP4715458B2 - 熱発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジン等を熱源とし、その熱源の熱エネルギを利用して発電する熱発電機を備えた熱発電装置、電源制御装置、及びその電力管理方法に関するものである。

従来、エンジンから排出される排気ガスの熱エネルギを用いて発電する車両用熱発電器が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この特許文献１に開示されている車両用熱発電器によれば、内燃機関の燃焼ガスの排気通路に熱電変換素子を巻装し、この熱電変換素子に伝えられる熱エネルギを電気エネルギに変換する。
特開平７−１２００９号公報

上記特許文献１の排気ガスの熱エネルギを用いて発電する装置以外にも、例えば、冷媒の凝縮、及び膨張のランキンサイクルを用いた熱発電機がある。これは、エンジンの冷却水の熱エネルギで冷媒を膨張させ、その膨張による運動エネルギを膨張機で回転エネルギに変えて発電機を駆動して発電する、というものである。このように、従来殆ど捨てられていたエンジンの熱エネルギを用いて、車両の電力を賄うようにすれば、供給電力不足の解消につながるばかりでなく、これまでエンジンの駆動力を利用する発電（エンジン発電）に費やしていた燃料を節約でき、燃費を向上させることができる。

しかしながら、このような熱発電機による熱発電システムは、常に一定の電力を発電するものではない。例えば、エンジンの始動直後等においては、冷却水の水温が低いため発電電力は少なく、逆に、高速走行状態では、冷却水の水温が高いため発電電力は大きくなる。従って、熱発電で車両の需要電力を賄うようにしても、実際には、エンジン発電との併用は不可欠であり、熱発電とエンジン発電とで、どのように発電電力を分担すれば、燃費を向上させることができるかが問題となる。

また、発電電力の分担（配分）を決定する際、燃費向上につながる配分を決定するためには、熱発電システムによる発電電力を精度よく予測しなければならない。ここで、熱発電システムにおける発電電力を予測するには、冷媒ランキンサイクルの内部エネルギから膨張機や熱発電機を駆動する機械エネルギを計算する必要があり、そのためには、車速、外気温、冷却水温等を入力条件として、ランキンサイクルのつりあい計算を行う。

しかしながら、上記入力条件の誤差や冷却水の配管等の予測し難い部分での損失や、各種機器の特性の経時変化等の要因により、実際には、予測した発電電力と実際に発電可能な電力との間に誤差が生じる。その結果、予測した発電電力が実際の最大発電電力よりも少ない場合には、熱エネルギを有効に利用できず燃費向上の効果が減少することになる。
その一方、予測した発電電力が実際の最大発電電力よりも多い場合には、膨張機に過大な負荷を与え、ランキンサイクルが維持できなくなる。その結果、膨張機の回転変動が次第に大きくなり、遂には、脱調したり停止したりして発電不可能となってしまう問題がある。

また、熱発電システムには、冷媒ポンプ、ウォーターポンプ、冷却ファン等、電力を消費する補機が存在するため、その補機による消費電力を発電電力から差し引く必要がある。しかしながら、冷却ファン等は、他のシステムと共用するものであるため、そのような補機による消費電力を発電電力から単純に差し引いただけでは、熱発電システムとして、正味どれだけ発電電力を得られるかを正確に把握することができない。また、発電電力が補機の消費電力を下回る場合も想定されるため、その場合の発電電力の扱いも問題となる。

本発明は、上記の問題を鑑みてなされたもので、発電電力を精度よく予測し、電力需要に対応しつつ発電の際の燃費を向上することができる熱発電装置、電源制御装置、及びその電力管理方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた請求項１記載の熱発電装置は、
熱源の熱エネルギによる熱伝達媒体の膨張又は／及び凝縮によって発生する運動エネルギを利用して電力を発生する熱発電手段を備えるものであって、
熱源から熱伝達媒体に伝達される伝達熱量を取得する伝達熱量取得手段と、
熱伝達媒体を凝縮する際に放熱される放熱熱量を取得する放熱熱量取得手段と、
前記熱源の温度を検出する温度検出手段と、
前記熱源の冷却に用いられる冷却水を介して、前記熱源の熱エネルギを前記熱伝達媒体に伝達する熱伝達手段と、
前記冷却水の水温を検出する冷却水温検出手段と、
前記冷却水の流量を取得する冷却水流量取得手段と、を備え、
前記伝達熱量取得手段は、前記熱源の温度、前記冷却水の水温、及び前記冷却水の流量から前記伝達熱量を取得することを特徴とする。

これにより、熱発電手段による発電電力を精度よく予測するための伝達熱量と放熱熱量を取得することができる。また、熱源の温度に加えて、熱源の冷却に用いられる冷却水の水温と冷却水の流量から熱伝達媒体に伝達される伝達熱量を取得することで、実際の伝達熱量との誤差を小さくすることが可能となる。このうち、冷却水の流量については、請求項２に記載のように、冷却水を循環するためのポンプの回転数から冷却水の流量を取得することが可能である。

請求項３に記載の熱発電装置は、
熱伝達媒体を凝縮する熱伝達媒体凝縮手段と、
熱伝達媒体凝縮手段が熱伝達媒体を凝縮する際、熱伝達媒体の放熱を行う放熱手段と、を備え、
放熱熱量取得手段は、放熱手段の周辺を流れる気体の流速、及び熱伝達媒体から放熱される前の当該熱伝達媒体の温度に基づいて、放熱熱量を取得することを特徴とする。

これにより、放熱手段の周辺を流れる気体の流速、及び熱伝達媒体から放熱される前の当該熱伝達媒体の温度に基づいて、放熱熱量を取得することができる。

請求項４に記載の熱発電装置は、
熱伝達媒体凝縮手段に冷却風を送風する冷却ファンと、
冷却ファンの回転数、若しくは送風する風速を制御する冷却ファン制御手段と、を備えることを特徴とする。

このように、冷却ファンと冷却ファン制御手段を備えることで、熱伝達媒体凝縮手段を冷却することができる。

請求項５に記載の熱発電装置は、
熱伝達媒体の流量を取得する熱伝達媒体流量取得手段と、
熱伝達媒体を加圧して、当該熱伝達媒体の流量を制御する熱伝達媒体流量制御手段と、を備えることを特徴とする。

これにより、熱伝達媒体の流量の取得と調整が可能となる。なお、請求項６に記載のように、熱伝達媒体流量制御手段は、冷媒ポンプの回転数を制御するものである場合には、熱伝達媒体流量取得手段は、冷媒ポンプの回転数に基づいて熱伝達媒体の流量を取得することが可能となる。

請求項７に記載の熱発電装置は、熱伝達媒体の流量、伝達熱量、及び放熱熱量から、熱発電手段による発電可能な発電電力を予測する発電電力予測手段を備えることを特徴とする。これにより、熱発電手段による発電電力を精度よく予測することが可能となる。

以下、本発明の熱発電装置、電源制御装置、及びその電力管理方法の実施態様について、図面を参照して説明する。なお、本実施形態では、自動車に搭載された熱発電装置を含む電気系における電源制御装置、及びその電力管理方法の適用例について説明するものであるが、自動車に限らず、鉄道車両、船舶、航空機等の熱源を備える移動体にも適用可能である。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態における車両の電気系を示すブロック図である。同図に示す車両の電気系は、エンジン１、エンジン制御手段２、オルタネータ３、オルタネータ制御手段４、廃熱発電システム５、廃熱発電制御手段６、水温検出手段７、バッテリ８、バッテリ状態検知手段９、バス電圧検出手段１０、電流検出手段１１、負荷制御手段１２、及び車両電源制御手段１３によって構成される。

エンジン１は、ガソリンや軽油等を燃料とする内燃機関であり、ベルトによりオルタネータ３に連結されている。オルタネータ３、及び廃熱発電システム５は、電源バスを通じてバッテリ８、及び負荷制御手段１２に接続される。負荷制御手段１２は、負荷１〜ｎの給電制御を行うもので、上記給電制御を行うのに必要な操作スイッチ（図示せず）やこの給電制御のための各種センサ（図示せず）を含んでおり、外部入力信号やこれらセンサの出力に応じて自己に属する負荷の出力制御又は断続を行う。

エンジン制御手段２は、エンジン１の制御を行うための制御装置であって、車両電源制御手段１３と接続されている。このエンジン制御手段２は、エンジン１の種々の状態を検出するセンサ（図示せず）によって検出されたエンジン回転数等種々の情報を車両電源制御手段１３に送信するとともに、車両電源制御手段１３からの指令にしたがってエンジン１の出力を制御する。

オルタネータ制御手段４は、オルタネータ３の現在の発電電力や回転数等の情報を車両電源制御手段１３に送信する。また、オルタネータ制御手段４は、図示しない車両コントローラから入力される車両制動情報を受け取り、車両制動情報により認識した車両制動量に相当する値にオルタネータ３の発電電力を制御するため、オルタネータ３の界磁電流を増加させて回生制動を行い、必要な車両制動量（回生制動量）を発生することもできる。

上記車両コントローラは、たとえば図示しないブレーキ踏み量センサなどの制動操作手段の操作量に相当する車両制動量を演算し、この車両制動量から上記回生制動量を差し引いた制動量を発生させるべく、図示しない油圧ブレーキ装置の制御部に指令するものである。

また、オルタネータ制御手段４は、回生制動における発電電力の増加量を、オルタネータ３の発電可能（供給可能）な最大電力（最大供給電力値）の範囲内で決定し、かつ、バッテリ８の最大充電可能電力値（最大充電電力値）の範囲内にて設定する。すなわち、オルタネータ制御手段４は、オルタネータ３の発電を制御し、バッテリ８の充放電を制御し、各電気負荷の消費電力を制御する。

車両電源制御手段１３は、バッテリ温度、バッテリの入出力電流、及びバッテリ電圧等のバッテリ８の状態を検知するバッテリ状態検知手段９、電源バスの電圧レベルを検出するバス電圧検出手段１０、負荷制御手段１２への負荷電流を検出する電流検出手段１１が接続されている。また、車両電源制御手段１３は、多重信号伝送線路を通じて負荷制御手段１２に接続されており、この負荷制御手段１２と多重通信により双方向に情報を授受する。

車両電源制御手段１３は、オルタネータ３、廃熱発電システム５、バッテリ８、電源バス等の状態を監視し、オルタネータ制御手段４、及び廃熱発電制御手段６を通じてオルタネータ３、及び廃熱発電システム５を制御する。オルタネータ３、及び廃熱発電システム５の発電電力は、この車両電源制御手段１３からの指令により制御される。

図２に、廃熱発電システム５の構成を示す。この廃熱発電システム５は、冷媒の凝縮及び膨張サイクルを用いた熱発電を行うものである。すなわち、エンジン冷却水の熱エネルギを熱交換器５ａによって冷媒に吸収させ、この冷媒は、膨張機５ｂ内でエンジン冷却水の熱エネルギで膨張し、その運動エネルギで廃熱発電機５ｃを駆動して発電する。これにより、エンジン冷却水の熱エネルギを利用した発電が可能になる。

冷媒ポンプ５ｅは、膨張機５ｂ及びコンデンサ内の冷媒を循環させるためのポンプであり、冷媒ポンプモータ制御手段５ｇへ冷媒ポンプ回転数（Ｎｐ）を送信し、この冷媒ポンプモータ制御手段５ｇによって制御される。冷媒ポンプモータ制御手段５ｇは、この冷媒ポンプ回転数（Ｎｐ）を廃熱発電制御手段６に対して送信する。

圧力センサ５ｆは、冷媒ポンプ５ｅ入口の冷媒圧力（Ｐｈ）を検出し、廃熱発電制御手段６へ送信する。水温検出手段７は、エンジン冷却水温（Ｔｗ）を検出し、廃熱発電制御手段６へ送信する。

廃熱発電制御手段６は、発電機制御手段５ｄへ発電電力指令を送信し、発電機制御手段５ｄは、この発電電力指令を受けて廃熱発電機５ｃを制御し、廃熱発電機５ｃの発電した発電電力を電源バスへ供給する。また、廃熱発電制御手段６は、ウォータポンプモータ制御手段５ｈへウォータポンプ回転指令を送信し、ウォータポンプモータ制御手段５ｈは、このウォータポンプ回転指令を受けて電動ウォータポンプを制御する。

次に、車両電源制御手段１３により実施される、図１に示した電気系の電力管理について説明する。この電力管理では、電力供給を行う複数の電力供給源（本実施形態では、エンジン１、回生制動装置、バッテリ８、図示しない他電源、及び廃熱発電機５ｃ）における最大供給電力と電力コストを算出し、電気系の需要電力に対し、電力コストの低い電力供給源から優先して最大供給電力の範囲内で電力を供給するように、各電力供給源への要求電力の配分を決定する。この決定された要求電力は、各電力供給源へ送信され、各電力供給源では、この要求電力を供給する。なお、上記電力供給源としての回生制動装置は、回生制動時におけるオルタネータ３とそれを制御するオルタネータ制御手段４とにより構成される。

ここで、電力供給源としてのエンジン１、回生制動装置、バッテリ８、及び他電源における最大発電電力と電力コストの算出方法、及び需要電力の算出方法については、本出願人による特開２００４−２６０９０８号公報に開示されている車両用電気系の管理方法における算出方法を採用すればよいため、その説明を省略する。本実施形態では、廃熱発電制御手段６において実行される、廃熱発電機５ｃによる最大供給電力と電力コストを算出する算出処理について、図３に示すフローチャートを用いて説明する。

先ず、ステップ（以下、Ｓと記す）１０では、圧力センサ５ｆから冷媒ポンプ５ｅ入口の冷媒圧力（Ｐｈ）、冷媒ポンプ５ｅの電動機から冷媒ポンプ回転数（Ｎｐ）、及び水温検出手段７からエンジン冷却水温（Ｔｗ）の各データを収集する。

Ｓ２０では、冷媒ポンプ回転数（Ｎｐ）に、吐出容積（Ｖｐ）、冷媒密度（ρ）、及び冷媒ポンプ効率（ηp）を乗じて冷媒の質量流量（Ｇｒ）を得る。廃熱発電機５ｃにおける最大供給電力（Ｗ_{ＴＧ＿ＭＡＸ}）は、冷媒圧力（Ｐｈ）、冷媒の質量流量（Ｇｒ）、及びエンジン冷却水温（Ｔｗ）から推定する。

例えば、図６に示すように、冷媒圧力（Ｐｈ）、冷媒の質量流量（Ｇｒ）、及びエンジン冷却水温（Ｔｗ）の各変数とのマップを予め用意しておき、このマップから発電可能な最大供給電力（Ｗ_{ＴＧ＿ＭＡＸ}）を求める。このように、冷媒の凝縮及び膨張サイクルを用いた熱発電では、冷媒の膨張前の圧力、冷媒の質量流量、及び冷媒の膨張に利用できるエンジン冷却水の水温から熱発電の最大供給電力を算出することができる。

なお、同図のエンジン冷却水温（Ｔｗ）と最大供給電力（Ｗ_{ＴＧ＿ＭＡＸ}）との関係からわかるように、最大供給電力（Ｗ_{ＴＧ＿ＭＡＸ}）は、エンジン冷却水温（Ｔｗ）の水温制御の下限値を水温制御下限（Ｔｗ_＿ＬＬ）とすれば、理論上、エンジン冷却水温（Ｔｗ）と水温制御下限（Ｔｗ_＿ＬＬ）との差分に略比例した電力となる。従って、次式によって算出するようにしてもよい。なお、次式における変数は、図６に示す通りである。

（数１）
最大供給電力（Ｗ_{ＴＧ＿ＭＡＸ}）＝ｋ×η_ＴＧ×（Ｔｗ−Ｔｗ_＿ＬＬ）
これにより、エンジン冷却水の水温に基づいて最大供給電力を算出することができる。なお、エンジン冷却水温（Ｔｗ）が水温制御下限（Ｔｗ_＿ＬＬ）を下回る場合、最大供給電力（Ｗ_{ＴＧ＿ＭＡＸ}）をゼロとしてもよい。これにより、廃熱発電機５ｃからの電力供給は無いものとすることができるため、熱発電によってエンジン冷却水温を過度に低下させないようにすることができる。その結果、燃費やエミッションの悪化を防ぐことができる。

Ｓ３０では、廃熱発電機５ｃにおける電力コスト（Ｃ_ＴＧ）を算出する。この電力コスト（Ｃ_ＴＧ）は、次式により算出する。なお、次式における変数は、図７に示す通りである。

（数２）
電力コスト（Ｃ_ＴＧ）＝［｛ｋ_Ｆ（Ｔｗ−ａ×Ｗ_ＴＧ）−ｋ_Ｆ（Ｔｗ）｝×Ｆ（ω，τ）］／Ｗ_ＴＧ
上記数式の通り、電力コスト（Ｃ_ＴＧ）は、エンジン冷却水温（Ｔｗ）の温度制御の制御目標（中心）温度（Ｔｗ_＿Ｍ）におけるエンジン１の燃料消費量を基準とし、その消費量からの増分から算出する。すなわち、エンジン冷却水温（Ｔｗ）が制御目標温度（Ｔｗ_＿Ｍ）であるときの燃料消費量をＦ（ω，τ）とし、同一の回転数、及び出力トルクでのエンジン冷却水温（Ｔｗ）における燃料消費量との比をｋ_Ｆ（Ｔｗ）とした場合、温度変化率は発電電力（Ｗ_ＴＧ）に比例することから、燃料消費量の増分は、上記数式の分子で求められる。従って、この燃料消費量の増分を上記発電電力（Ｗ_ＴＧ）で除することで、電力コスト（Ｃ_ＴＧ）が得られる。

これにより、廃熱発電機５ｃの単位発電電力に対する、エンジン１の燃料消費量の増分を廃熱発電機５ｃの電力コスト（Ｃ_ＴＧ）とすることができる。Ｓ４０では、算出した最大供給電力（Ｗ_{ＴＧ＿ＭＡＸ}）、電力コスト（Ｃ_ＴＧ）を車両電源制御手段１３へ送信する。

なお、上記Ｓ２０及びＳ３０における最大供給電力（Ｗ_{ＴＧ＿ＭＡＸ}）、及び電力コスト（Ｃ_ＴＧ）の算出においては、エンジン冷却水の水温制御の制御目標水温（Ｔｗ_＿Ｍ）を上回るエンジン冷却水の熱エネルギにより発電し供給可能な最大供給電力、及び電力コストを算出するようにしてもよい。

すなわち、エンジン冷却水の制御目標温度（Ｔｗ_＿Ｍ）を上回る熱エネルギは、完全に不要な熱エネルギとなる。従って、この完全に不要な熱エネルギを利用して供給可能な最大供給電力と電力コストを算出することで、電力コストがかからず、燃費やエミッションの悪化を起こすことなく供給可能な最大供給電力とすることができる。

Ｓ５０では、車両電源制御手段１３から要求電力（Ｗ_{ＴＧ＿ｒｑ}）を受信し、Ｓ６０では、実際の発電電力（Ｗ_ＴＧ）が要求電力（Ｗ_{ＴＧ＿ｒｑ}）に等しくなるように、廃熱発電機の回転数とトルクを制御する。

続いて、車両電源制御手段１３において実行される、各電力供給源への要求電力の配分を決定する配分決定処理について、図４〜５に示すフローチャートを用いて説明する。先ず、図４に示すＳ１１０では、車両の電気系全体の電力需要（Ｗ_Ｄ）を算出し、Ｓ１２０では、各電力供給源から最大供給電力（Ｗ_{ＸＸ＿ＭＡＸ}）と電力コスト（Ｃ_ＸＸ）の情報を収集する。

Ｓ１３０では、収集した情報から最も電力コストの安い電力供給源（ＡＡ）を抽出し、Ｓ１４０において、電力需要（Ｗ_Ｄ）に対して、まず、その電力供給源（ＡＡ）の最大供給電力（Ｗ_{ＡＡ＿ＭＡＸ}）を割り当てる。従って、廃熱発電機５ｃの電力コストが０の場合は、廃熱発電機５ｃから優先的に負荷１〜ｎへ電力を供給するようになる。

Ｓ１５０では、電力供給源（ＡＡ）の最大供給電力（Ｗ_{ＡＡ＿ＭＡＸ}）で電力需要（Ｗ_Ｄ）をカバーできるか否かを判定する。ここで、肯定判定される場合、すなわち、電力供給源（ＡＡ）の最大供給電力（Ｗ_{ＡＡ＿ＭＡＸ}）で電力需要（Ｗ_Ｄ）をカバーできる場合には、Ｓ１８０へ処理を移行し、否定判定される場合、すなわち、電力供給源（ＡＡ）の最大供給電力（Ｗ_{ＡＡ＿ＭＡＸ}）だけで電力需要（Ｗ_Ｄ）をカバーすることができない場合には、Ｓ１６０へ処理を進める。

Ｓ１８０では、電力供給源（ＡＡ）への要求供給電力（Ｗ_{ＡＡ＿ｒｑ}＝Ｗ_Ｄ）を決定し、この決定した要求電力（Ｗ_{ＡＡ＿ｒｑ}）を電力供給源（ＡＡ）へ送信する。これにより、電力供給源（ＡＡ）では、実発電電力（Ｗ_ＡＡ）が要求電力（Ｗ_{ＡＡ＿ｒｑ}）に等しくなるように電力を供給する。

一方、Ｓ１６０では、電力供給源（ＡＡ）への要求電力（Ｗ_{ＡＡ＿ｒｑ}＝Ｗ_{ＡＡ＿ＭＡＸ}）を決定し、この決定した要求電力（Ｗ_{ＡＡ＿ｒｑ}）を電力供給源（ＡＡ）へ送信する。これにより、電力供給源（ＡＡ）では、実発電電力（Ｗ_ＡＡ）が要求電力（Ｗ_{ＡＡ＿ｒｑ}）に等しくなるように電力を供給する。

Ｓ１７０では、電力供給源（ＡＡ）の最大供給電力（Ｗ_{ＡＡ＿ＭＡＸ}）で賄い切れなかった不足分の要求電力（Ｗ_Ｄ１）を次式により求める。

（数３）
不足分の要求電力（Ｗ_Ｄ１）＝電力需要（Ｗ_Ｄ）−最大供給電力（Ｗ_{ＡＡ＿ＭＡＸ}）
図５に示すＳ１９０では、電力供給源（ＡＡ）に次いで電力コストの安い電力供給源（ＢＢ）を抽出し、Ｓ２００では、不足分の要求電力（Ｗ_Ｄ１）に対して、その電力供給源（ＢＢ）の最大供給電力（Ｗ_{ＢＢ＿ＭＡＸ}）を割り当てる。

Ｓ２１０では、電力供給源（ＢＢ）の最大供給電力（Ｗ_{ＢＢ＿ＭＡＸ}）で不足分の要求電力（Ｗ_Ｄ１）をカバーできるか否かを判定する。ここで、肯定判定される場合には、Ｓ２５０へ処理を移行し、否定判定される場合には、Ｓ２２０へ処理を進める。

Ｓ２５０では、電力供給源（ＢＢ）への要求電力（Ｗ_{ＢＢ＿ｒｑ}＝Ｗ_Ｄ１）を決定し、この決定した要求電力（Ｗ_{ＢＢ＿ｒｑ}）を電力供給源（ＢＢ）へ送信する。これにより、電力供給源（ＢＢ）では、実発電電力（Ｗ_ＢＢ）が要求電力（Ｗ_{ＢＢ＿ｒｑ}）に等しくなるように電力を供給する。

一方、Ｓ２２０では、電力供給源（ＢＢ）への要求電力（Ｗ_{ＢＢ＿ｒｑ}＝Ｗ_{ＢＢ＿ＭＡＸ}）を決定し、この決定した要求電力（Ｗ_{ＢＢ＿ｒｑ}）を電力供給源（ＢＢ）へ送信する。これにより、電力供給源（ＢＢ）では、実発電電力（Ｗ_ＢＢ）が要求電力（Ｗ_{ＢＢ＿ｒｑ}）に等しくなるように電力を供給する。

Ｓ２３０では、電力供給源（ＢＢ）の最大供給電力（Ｗ_{ＢＢ＿ＭＡＸ}）で賄い切れなかった不足分の要求電力（Ｗ_Ｄ２）を次式により求める。

（数４）
不足分の要求電力（Ｗ_Ｄ２）＝電力需要（Ｗ_Ｄ１）−最大供給電力（Ｗ_{ＢＢ＿ＭＡＸ}）
Ｓ２４０では、電力供給源（ＢＢ）に次いで電力コストの安い電力供給源（ＣＣ）を抽出し、以後、不足分の要求電力（Ｗ_Ｄ２）が賄われるように、電力供給源（ＣＣ）から順次、Ｓ２００〜Ｓ２５０の処理を繰り返し実行する。

Ｓ３００では、最も電力コストの高い電力供給源（ＥＥ）（本実施形態では、電力供給源は５つ）に対して、最大供給電力（Ｗ_{ＥＥ＿ＭＡＸ}）＜不足分の要求電力（Ｗ_Ｄ４）となった場合、最大供給電力（Ｗ_{ＥＥ＿ＭＡＸ}）≧不足分の要求電力（Ｗ_Ｄ４）となるように、優先度の低い負荷の電力供給を抑えるように制御する。

このように、本実施形態の車両の電気系では、廃熱発電機５ｃの最大供給電力、及び電力コストを算出するとともに、他の電力供給源の最大供給電力、及び電力コストを算出し、需要電力に対し、電力コストの低い電力供給源から優先して最大供給電力の範囲内で電力を供給するように、各電力供給源への要求電力の配分を決定し、各電力供給源は、この決定した要求電力を供給する。

これにより、電力コストが基本的にかからない（ゼロである）熱発電によって電力が賄われるようになるため、電力コストが抑えられる。これにより、電力需要に対応しつつ発電の際の燃費を向上することができる。

（変形例１）
図８に、本変形例における車両の電気系を示すブロック図を示す。同図に示す車両の電気系は、従来の車両の電気系に廃熱発電システム５、廃熱発電制御手段６、及び水温検出手段７を追加したものである。

本実施例においては、廃熱発電制御手段６が廃熱発電システム５内の廃熱発電機の最大供給電力と電力コストを演算するに加え、同じ電力をオルタネータ３で発電した場合の電力コストを、エンジン制御手段２からの回転数、トルク、エンジン１の燃料消費率をもとに算出し、廃熱発電機の電力コストと比較する。

そして、廃熱発電機の電力コストが安い場合は、廃熱発電機で発電して、電源バスのバス電圧を所定の値以上に保つ。その結果、オルタネータ３での発電は自動的に抑制されるため、廃熱発電機が優先的に要求電力を賄うことになる。仮に、冷却水温が低い等の理由で廃熱発電機の電力コストが高く熱発電による電力を抑制した場合や、最大供給電力が負荷の需要に対して十分でない場合は、バス電圧が低下するのでオルタネータ３の図示しないレギュレータがＯＮしエンジン発電による発電電力を供給することで、バス電圧を所定の値以上に保つ。

次に、本変形例における発熱発電制御手段６において実行される、２つの電力供給源（廃熱発電機とオルタネータ３）への要求電力の配分を決定する配分決定処理について、図９に示すフローチャートを用いて説明する。

先ず、図９に示すＳ３１０では、車両の電気系全体の電力需要（Ｗ_Ｄ）を算出し、Ｓ３２０では、２つの電力供給源から最大供給電力（Ｗ_{ＸＸ＿ＭＡＸ}）と電力コスト（Ｃ_ＸＸ）の情報を収集する。

Ｓ３３０では、収集した情報から電力コストの安い方の電力供給源（ＡＡ）を抽出し、Ｓ３４０において、電力需要（Ｗ_Ｄ）に対して、その電力供給源（ＡＡ）の最大供給電力（Ｗ_{ＡＡ＿ＭＡＸ}）を割り当てる。

Ｓ３５０では、電力供給源（ＡＡ）の最大供給電力（Ｗ_{ＡＡ＿ＭＡＸ}）で電力需要（Ｗ_Ｄ）をカバーできるか否かを判定する。ここで、肯定判定される場合には、Ｓ３９０へ処理を移行し、否定判定される場合には、Ｓ３６０へ処理を進める。

Ｓ３９０では、電力供給源（ＡＡ）への要求電力（Ｗ_{ＡＡ＿ｒｑ}＝Ｗ_Ｄ）を決定し、この決定した要求電力（Ｗ_{ＡＡ＿ｒｑ}）を電力供給源（ＡＡ）へ送信する。これにより、電力供給源（ＡＡ）では、実発電電力（Ｗ_ＡＡ）が要求電力（Ｗ_{ＡＡ＿ｒｑ}）に等しくなるように電力を供給する。

一方、Ｓ３６０では、電力供給源（ＡＡ）への要求電力（Ｗ_{ＡＡ＿ｒｑ}＝Ｗ_{ＡＡ＿ＭＡＸ}）を決定し、この決定した要求電力（Ｗ_{ＡＡ＿ｒｑ}）を電力供給源（ＡＡ）へ送信する。これにより、電力供給源（ＡＡ）では、実発電電力（Ｗ_ＡＡ）が要求電力（Ｗ_{ＡＡ＿ｒｑ}）に等しくなるように電力を供給する。

Ｓ３７０では、電力供給源（ＡＡ）の最大供給電力（Ｗ_{ＡＡ＿ＭＡＸ}）で賄い切れなかった不足分の要求電力（Ｗ_Ｄ１）を次式により求める。

（数５）
不足分の要求電力（Ｗ_Ｄ１）＝電力需要（Ｗ_Ｄ）−最大供給電力（Ｗ_{ＡＡ＿ＭＡＸ}）
Ｓ３８０では、他方の電力供給源（ＢＢ）への要求電力（Ｗ_{ＢＢ＿ｒｑ}＝Ｗ_Ｄ１）を決定する。なお、最大供給電力（Ｗ_{ＢＢ＿ＭＡＸ}）＜不足分の要求電力（Ｗ_Ｄ１）となった場合には、最大供給電力（Ｗ_{ＢＢ＿ＭＡＸ}）≧不足分の要求電力（Ｗ_Ｄ１）となるように、優先度の低い負荷の電力供給を抑えるように制御する。

これにより、電力供給源が廃熱発電機と従来のオルタネータ３に限られる場合である場合には、上述した簡易な構成で電力コストを最小にすることができる。

（変形例２）
本実施形態の車両電源制御手段１３において実行される、各電力供給源への要求電力の配分を決定する配分決定処理は、需要電力に対し、電力コストの低い電力供給源から優先して最大供給電力の範囲内で電力を供給するように、各電力供給源への要求電力の配分を決定するものであるが、本変形例のように、各電力供給源の電力コストの総計である総電力コストが最小となるように、各電力供給源への要求電力の配分を決定してもよい。

図１０は、上述した、本出願人による特開２００４−２６０９０８号公報に開示されている車両電力管理方法に廃熱発電を供給元として追加したものである。同図に示すように、廃熱発電を追加した場合に関しても、他の電力供給源と同様に、発電可能量（最大供給電力：Ｗ_{ＴＧ＿ＭＡＸ}）と電費情報（電力コスト：Ｃ_ＴＧ）を出力し、各電力供給源では、各電力供給源の電力コストの総計である総電力コストが最小となるように決定された配分指令に基づいて発電する。これにより、各電力供給源では、要求電力の配分に従って発電することで、電力需要に対応しつつ電力コストを最小に抑えることができる。

（変形例３）
本実施形態の熱発電は、通常は、完全に捨てられている廃熱を利用して発電するものであるが、車両の電気系の電力不足時（すなわち、最大供給電力よりも電力需要が多い場合）には、エンジン冷却水の水温を通常よりも上昇させ、その上昇分の熱エネルギを用いて熱発電機によって発電したい場合がある。このような場合、例えば、特開平９−８８５６４号公報に開示されているように、エンジンの点火時期を遅角することで、エンジン冷却水の水温を上昇させることができる。

そこで、本変形例では、上記水温上昇制御を実行する際、エンジン軸出力を所定範囲に保ったまま、水温上昇制御によって供給可能な電力に対する、水温上昇制御に必要となるエンジンの追加燃料消費量を求め、これを電力コストに加味する。これにより、水温上昇制御を実行する際に、電力コストへ反映させることができる。

なお、この水温上昇制御（廃熱増加制御）における発電電力（Ｗ_ＴＧ）と追加燃料消費量（Ｆ_＿ａｄｄ）との関係は、予めマップ（図１１）化、若しくはモデル化しておき、廃熱発電制御手段６に持たせておくことで、エンジン冷却水温（Ｔｗ）が低い場合でも、最大供給電力（Ｗ_{ＴＧ＿ＭＡＸ}）を増やすことができる。また、車両の電力負荷増大に対し、オルタネータ供給だけで不足する場合など、燃料を使ってでも熱発電電力を増加したい場合にも対応することが可能になる。

また、上述したように、車両の電気系の電力不足時、すなわち、最大供給電力よりも電力需要が多い場合のみならず、バッテリ８の残存容量（ＳＯＣ）が著しく低下した時には、上記水温上昇制御を行うと同時に、冷却水の水温低下による発電制限を緩和（あるいは解除）して発電を行って、バス電圧の低下による機器の動作不良やバッテリ上がりを回避するようにしてもよい。

すなわち、最大発電電力における水温制限｛（Ｗ_{ＴＧ＿ＭＡＸ}）＝ｋ×η_ＴＧ×（Ｔｗ−Ｔｗ_＿ＬＬ）｝を緩和し、少しでも供給電力を増やすようにする。具体的には、図１２（ａ）に示すように、下限値（Ｔｗ_＿ＬＬ）を（Ｔｗ_＿ＬＬ’）へ下げることによって最大供給電力を増やしたり、図１２（ｂ）に示すように、別途定めたマップやランキンサイクルのつりあい計算等で水温制限（Ｗ_{ＴＧ＿ＭＡＸ}）を算出したりする。

これにより、電力不足時等の非常事態においては、燃費やエミッションの悪化よりも、電力不足によるバッテリ上がりやバス電圧の低下の回避を優先させることができる。なお、この水温制限の緩和（解除）制御については、車両電源制御手段１３から廃熱発電制御手段６への指令や、廃熱発電制御手段６がバス電圧の所定の下限電圧を下回ること、あるいは、要求電力が供給電力を上回ること等を検出することによって起動させればよい。

（変形例４）
図１３は、本変形例における車両の電気系を示すブロック図である。本変形例では、同図に示すように、オルタネータ３に接続される電源バス１と、廃熱発電システム５に接続される電源バス２の各々にバッテリ１、バッテリ２を配置し、その電源バス間をＤＣ／ＤＣコンバータ等の異電圧バス接続手段１４で接続するものである。

バッテリ２は、廃熱発電システム５の電力コストが略０（ゼロ）の電力を蓄える一方、異電圧バス接続手段１４を通じて、電源バス１に電力を供給する。また、本実施例は、車両のアイドルストップに対応し、バッテリ２の放電により、アイドルストップ時の負荷１〜負荷ｎへの電力供給やエンジン始動時のスタータへの電力供給を行う。

これにより、従来はエンジン発電でバッテリに蓄電していた電力の代わりに、熱発電により電力をアイドルストップ時に融通することができるので、車両の燃費を向上させることができる。

また、電源バス２は電圧の変化も大きくなるので、その影響を電源バス１に伝えないようにするため、異電圧バス接続手段１４を備える必要がある。これにより、２つの電源バスをフレキシブルに管理、運用できるため、故障に強い電源システムを構築することができ、また、新たな電力供給源の追加に対しても柔軟に対応できる。なお、バッテリ２はＳＯＣの変化が大きいため、鉛電池よりも劣化しにくいニッケル水素電池やリチウムイオン電池を用いるのが望ましい。

（変形例５）
図１４は、本変形例における車両の電気系を示すブロック図である。本変形例は、図８に示した変形例１の構成を電源バス１と電源バス２に分け、異電圧バス接続手段１４とバッテリ２、アイドルストップ用のスタータを追加したものである。

基本的には、変形例１と同様の動作であるが、バッテリ２の存在により、電力コストを安くするためのよりフレキシブルな運用が可能になる。例えば、アイドルストップ中などでエンジン冷却水温が低く、熱発電でも電力コストが発生する場合は、予めバッテリ２に蓄電された電力コストが安い電力を供給することが可能である。また、走行中において、エンジン冷却水温が高く熱発電の電力コストが０（ゼロ）の場合は、車両の電力需要以上に発電して余剰電力をバッテリ２に蓄えることにより、トータルでの電力コストをより下げることができる。

（変形例６）
図１５は、本変形例におけるハイブリッド電気自動車（ＨＶ）における電気系を示すブロック図である。本変形例は、変形例５において説明したバッテリ２が１２Ｖバッテリに対応し、バッテリ１がＨＶ電池に対応し、異電圧バス接続手段１４がＤＣ／ＤＣコンバータに対応するもので、その動作は変形例５と同様である。

このように、廃熱発電機に接続される電源バスをＨＶ電池の大電力バスに接続することで、熱発電による電力を走行用の電力として利用することができる。また、大容量のＨＶ電池を活用し、車両の使用状況や条件に応じたよりフレキシブルな発電運用が可能になり、ハイブリッド電気自動車（ＨＶ）の燃費をさらに向上することができる。図１６は、図１５の電気系の構成を簡略化した場合のブロック図である。

（第２の実施形態）
第２の実施形態は、第１の実施形態によるものと共通するところが多いので、以下、共通部分についての詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。上述した、第１実施形態では、廃熱発電機５ｃによる最大供給電力（Ｗ_{ＴＧ＿ＭＡＸ}）を算出する際、図６に示したように、冷媒圧力（Ｐｈ）、冷媒の質量流量（Ｇｒ）、及びエンジン冷却水温（Ｔｗ）の各変数とのマップを予め用意しておき、このマップから発電可能な最大供給電力（Ｗ_{ＴＧ＿ＭＡＸ}）を求めている。

これに対し、本実施形態では、廃熱発電機５ｃによる最大供給電力（Ｗ_{ＴＧ＿ＭＡＸ}）を算出する際、冷媒のランキンサイクルのつりあい計算、及び冷媒圧力の実測による補正を行うことで、高精度に最大供給電力（Ｗ_{ＴＧ＿ＭＡＸ}）を算出することを特徴とするものである。

図１７に、本実施形態における廃熱発電システム５の構成を示す。本実施形態の廃熱発電システム５では、膨張機５ｂの入口における冷媒（空調装置に用いられる冷媒）圧力（Ｐｅｘ＿ｉｎ）及び出口における冷媒圧力（Ｐｅｘ＿ｏｕｔ）を検出する圧力センサ５ｉ、５ｊを備えている。このように、実際に冷媒の膨張又は／及び凝縮時の圧力を検出する圧力センサ５ｉ、５ｊを備えることで、後述する発電電力の予測値等について、実測による補正を行うことができる。この圧力センサ５ｉ、５ｊの検出信号は、廃熱発電制御手段６に出力される。

図１７に示す冷却ファン５ｋは、他の車載システムと共用されるもので、同図に示す冷却ファン制御手段を介して負荷制御手段１２から電源供給を受ける。また、冷却ファン５ｋは、冷却ファン制御手段によってその動作が制御される。なお、冷却ファン制御手段は、廃熱発電制御手段６からの指令を受けて制御する。

次に、車両電源制御手段１３により実施される電気系の電力管理について説明する。この電力管理では、電力供給を行う複数の電力供給源（本実施形態では、エンジン１、回生制動装置、バッテリ８、図示しない他電源、及び廃熱発電機５ｃ）における最大供給電力と電力コストを算出し、図１０に示したように、各電力供給源の電力コストの総計である総電力コストが最小となるように、各電力供給源への要求電力の配分を決定する。

なお、この配分決定の際、各電力供給源の電力コストを比較して、廃熱発電機５ｃの電力コストが他の電力供給源よりも安い場合には、廃熱発電機５ｃによる最大供給可能電力の範囲内で廃熱発電機５ｃによる発電電力が優先的に供給されるように廃熱発電機５ｃへの要求電力の配分を決定する。これにより、燃費向上につながる要求電力の配分を決定することが期待できる。

また、配分決定の際、廃熱発電機５ｃの電力負荷の優先度を他の電力負荷よりも高く設定するとよい。これにより、熱発電の起動を優先し、熱発電を実現することができる。廃熱発電機５ｃは、通常、電力コストがゼロ（０）なので優先的に発電しているが、冷間始動後等で廃熱発電機５ｃが起動していない時に電力不足が生じ電力負荷の制御が必要になる場合でも、冷媒ポンプ、電動ウォータポンプ等の熱発電機を起動するための補機類の動作電力を確保し、熱発電を起動させることができる。

ここで、電力供給源としてのエンジン１、回生制動装置、バッテリ８、及び他電源における最大発電電力と電力コストの算出方法、需要電力の算出方法、及び要求電力の配分の決定方法については、本出願人による特開２００４−２６０９０８号公報に開示されている車両用電気系の管理方法における算出方法を採用すればよいため、その説明を省略する。

以下、廃熱発電制御手段６において実行される、廃熱発電機５ｃによる発電可能量（最大供給電力：Ｗ_{ＴＧ＿ＭＡＸ}）、電費情報（電力コスト：Ｃ_ＴＧ）、及び負荷電力（Ｌ_ＴＧ）の算出手順、及び廃熱発電機５ｃによる発電電力の制御手順について、図１８に示すフローチャートを用いて説明する。

先ず、Ｓ１０ａでは、現在の車両の状態から廃熱発電機５ｃの最大供給電力（Ｗ_{ＴＧ＿ＭＡＸ}）及び電力コスト（Ｃ_ＴＧ）を算出する。廃熱発電機５ｃは、従来捨てられていた熱エネルギを用いて発電しているので、電力コスト（Ｃ_ＴＧ）は基本的に０（ゼロ）であるが、第１の実施形態の図７に示すように、冷却水温の低下にともなう燃料消費の増加分に応じた電力コストを定義してもよい。

Ｓ２０ａでは、最大供給電力（Ｗ_{ＴＧ＿ＭＡＸ}）が０（ゼロ）に満たないか否か（負の値であるか否か）、すなわち、エンジン１が始動直後である、或いは廃熱発電機５ｃが起動直後であるため、廃熱発電機５ｃが発電できない状態であるか否かを判定する。ここで、肯定判定される場合には、Ｓ３０ａに処理を進め、否定判定される場合には、Ｓ３１ａに処理を進める。

Ｓ３０ａでは、負の値を示す最大供給電力（Ｗ_{ＴＧ＿ＭＡＸ}）の絶対値を負荷電力（Ｌ_ＴＧ）とするとともに、最大供給電力（Ｗ_{ＴＧ＿ＭＡＸ}）を０（ゼロ）とする。これにより、廃熱発電機５ｃによる発電電力が後述する補機の消費電力を下回る場合、これを電力負荷として取り扱うことができる。一方、Ｓ３１ａでは、負荷電力（Ｌ_ＴＧ）を０（ゼロ）とする。

Ｓ４０ａでは、車両電源制御手段１３に最大供給電力（Ｗ_{ＴＧ＿ＭＡＸ}）、電力コスト（Ｃ_ＴＧ）、負荷電力（Ｌ_ＴＧ）を送信する。これを受けて、車両電源制御手段１３では、電力負荷の需要、及びオルタネータ３やバッテリ８等の他の電力供給源からの最大供給電力及び発電コストから各電力供給源の発電分担を決定し、各電力供給源に対する要求電力を送信する。これにより、電力負荷が必要とする負荷要求電力を加味して要求電力の配分を決定することができる。

このように、最大供給電力（Ｗ_{ＴＧ＿ＭＡＸ}）が０（ゼロ）に満たない場合、負の値を示す最大供給電力（Ｗ_{ＴＧ＿ＭＡＸ}）の絶対値を示す負荷電力（Ｌ_ＴＧ）を車両電源制御手段１３に送信することで、車両電源制御手段１３では、廃熱発電機５ｃを負荷の一つとして扱うことができる。

Ｓ５０ａでは、廃熱発電制御手段６では、車両電源制御手段１３からの廃熱発電機５ｃに対する要求電力（Ｗ_{ＴＧ＿ｒｑ}）を受信し、Ｓ６０ａでは、廃熱発電機５ｃの実発電電力（Ｗ_ＴＧ）が要求電力（Ｗ_{ＴＧ＿ｒｑ}）に等しくなるように、冷媒ポンプ５ｅの回転数（Ｎｐ）廃熱発電機５ｃの回転数とトルクを制御する。

なお、この要求電力（Ｗ_{ＴＧ＿ｒｑ}）は、上述したように、廃熱発電機５ｃによる最大供給可能電力の範囲内で廃熱発電機５ｃによる発電電力が優先的に供給されるように配分されたものであり、廃熱発電制御手段６は、その範囲内で発電するように廃熱発電機５ｃの回転数とトルクを制御する。

続いて、図１８のＳ１０ａにおける最大供給電力（Ｗ_{ＴＧ＿ＭＡＸ}）及び電力コスト（Ｃ_ＴＧ）の算出手順の詳細について、図１９を用いて説明する。図１９に示すＳ４１０では、車速（Ｖｖ）、外気温（Ｔａ）、廃熱発電機５ｃの回転数（Ｎｇ）、エンジン冷却水温（Ｔｗ）、エンジン回転数（Ｎｅ）、電動ウォータポンプの回転数（Ｎｗｐ）、冷媒ポンプ５ｅの回転数（Ｎｐ）、及び冷媒の流量を制御する冷媒ポンプ５ｅ入口における冷媒圧力の実測値（Ｐｐ＿ｉｎ）を取得する。

Ｓ４２０では、エンジン回転数（Ｎｅ）と電動ウォータポンプの回転数（Ｎｗｐ）からエンジン冷却水の冷却水流量（Ｆｗ）を算出する。このように、エンジン冷却水の冷却水流量（Ｆｗ）については、電動ウォータポンプの回転数（Ｎｗｐ）から冷却水の流量を取得することができる。

また、外気温（Ｔａ）、冷媒ポンプ５ｅ入口における冷媒圧力の実測値（Ｐｐ＿ｉｎ）から冷媒密度（ρ）を算出し、これに冷媒ポンプ５ｅの回転数（Ｎｐ）、吐出容積（ｖｐ）、ポンプ効率（ηｐ）を乗じて、冷媒の質量流量（Ｇｒ）を算出する。

Ｓ４３０では、上述したＳ４１０及びＳ４２０にて取得・算出した諸量から、図２０に示す冷媒（例えば、ＨＦＣ−１３４ａ）のランキンサイクル（Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ａ→・・・）の定常状態をつりあい計算によって求める。これにより、各状態における冷媒圧力とエンタルピー（内部エネルギ）を予測することができる。

図２１に、その具体的な手順を示す。なお、つりあい計算の手法そのものは周知の技術であるため、以下、図２１に示すＳ４３１〜Ｓ４３８の手順を簡単に説明する。先ず、Ｓ４３１では、初期条件の設定を行う。すなわち、冷媒ポンプ５ｅ入口における冷媒温度の予測値（Ｔｐ＿ｉｎ）として外気温（Ｔａ）＋α（例えば５[℃]程度）とし、冷媒ポンプ５ｅ入口における冷媒圧力の予測値（Ｐｐ＿ｉｎ）として冷媒ポンプ５ｅ入口における冷媒圧力の実測値（Ｐｐ＿ｉｎ’）とする設定を行う。この設定した初期条件に基づいて、図２０に示すモリエル線図における仮のＡの位置「Ａ（１）」を算出する。

Ｓ４３２では、エンジン冷却水温（Ｔｗ）、及び冷媒の質量流量（Ｇｒ）からエントロピーが等しい条件でサイクルＡ（１）からサイクルＢへ向かう行程（すなわち、冷媒ポンプ５ｅによる冷媒の加圧行程）の計算を行い、冷媒ポンプ５ｅ出口における冷媒圧力の予測値（Ｐｐ＿ｏｕｔ）を計算する。そして、図２０に示すモリエル線図におけるＢの位置を算出する。

Ｓ４３３では、エンジン冷却水の冷却水流量（Ｆｗ）と外気温（Ｔｗ）から冷媒への伝達（投入）熱量を計算する。このように、エンジン冷却水の冷却水流量（Ｆｗ）と外気温（Ｔｗ）から冷媒への伝達熱量を計算することで、実際の伝達熱量との予測誤差を小さくすることが可能となる。

また、Ｓ４３３では、膨張機５ｂ入口における冷媒圧力の予測値（Ｐｅｘ＿ｉｎ）と冷媒ポンプ５ｅ出口における冷媒圧力の予測値（Ｐｐ＿ｏｕｔ）とは略等しいものとして、サイクルＢからサイクルＣへ向かう行程（すなわち、熱交換器５ａによる加熱・気化行程）の計算を行い、図２０に示すモリエル線図におけるＣの位置を算出する。

Ｓ４３４では、膨張機５ｂ出口における冷媒圧力の予測値（Ｐｅｘ＿ｏｕｔ）と冷媒ポンプ５ｅ入口における冷媒圧力の予測値（Ｐｐ＿ｉｎ）とは略等しいものとして、エントロピーが等しい条件でサイクルＣからサイクルＤへ向かう行程（すなわち、膨張機５ｂによる膨張行程）の計算を行い、図２０に示すモリエル線図におけるＤの位置を算出する。

Ｓ４３５では、車速（Ｖｖ）、及び外気温（Ｔｗ）からコンデンサの放熱熱量を計算し、サイクルＤからＡ（２）へ向かう行程（すなわち、コンデンサによる凝縮・放熱行程）の計算を行い、図２０に示すモリエル線図におけるＡ（２）の位置を算出する。

これにより、車速（Ｖｖ）からコンデンサの周辺を流れる気体（空気）の流速を取得し、この空気の流速と冷媒から放熱される前の冷媒の温度に基づいて、放熱熱量を計算することができる。

Ｓ４３６では、図２０に示すモリエル線図におけるＡ（１）の位置とＡ（２）の位置とが略一致するか否かを判定する。ここで、肯定判定される場合には、Ｓ４３８においてＡ（１）の位置をＡとして確定して本処理を終了し、否定判定される場合には、Ｓ４３７において、Ａ（２）の位置をＡ（１）の位置とした後、Ａ（１）の位置とＡ（２）の位置とが略一致するまで、Ｓ４３２〜Ｓ４３６の処理を繰り返し行う。

これにより、入力条件におけるランキンサイクルの動作点が決定され、冷媒の状態や各種性能を予測することができるようになる。廃熱発電電力の入力となる膨張機５ｂの機械的な出力の予測値（Ｗｅｘ）は、図２０に示すモリエル線図における膨張機５ｂの入口と出口の冷媒のエンタルピーの予測値の差（ΔＨｅｘ（＝Ｈｅｘ＿ｉｎ−Ｈｅｘ＿ｏｕｔ））に冷媒の質量流量（Ｇｒ）と膨張機効率（ηｅｘ）を乗じることで予測する。

また、これと同様の原理で、サイクルＡからＢへ向かう行程、つまり、冷媒ポンプ５ｅによる冷媒の加圧行程において、冷媒ポンプ５ｅが消費する冷媒ポンプ入力電力（Ｗｐ）も予測できる。これにより、冷媒圧力とエンタルピーの予測結果から、消費電力を予測することができる。

図１９のＳ４４０では、膨張機５ｂ入口及び出口における冷媒圧力の実測値（Ｐｅｘ＿ｉｎ’）、（Ｐｅｘ＿ｏｕｔ’）を取得する。Ｓ４５０では、Ｓ４３０にて予測した膨張機５ｂの機械出力（Ｗｅｘ）、膨張機５ｂ入口及び出口における冷媒圧力の予測値及び実測値（Ｐｅｘ＿ｉｎ）、（Ｐｅｘ＿ｏｕｔ）、（Ｐｅｘ＿ｉｎ’）、（Ｐｅｘ＿ｏｕｔ’）から膨張機５ｂの出力補正係数（Ａｗ）を算出する。

ここで、膨張機５ｂの出力補正係数（Ａｗ）の算出方法について、図２０及び図２２を用いて説明する。図２０において、つりあい計算から予測したサイクルは、破線で示した（Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ａ→・・・）のように推移する。このサイクルのうち、Ａ→Ｂは、冷媒ポンプ５ｅによる冷媒の加圧行程を示し、Ｂ→Ｃは、熱交換器５ａによる加熱・気化行程を示している。また、Ｃ→Ｄは、膨張機５ｂによる膨張行程を示し、Ｄ→Ａは、コンデンサによる凝縮・放熱行程を示している。一方、実機のサイクルは、図２０において実線で示した（Ａ’→Ｂ’→Ｃ’→Ｄ’→Ａ’→・・・）のように推移する、とする。

廃熱発電機５ｃの発電電力の予測値（Ｗ_ＴＧ）は、次式に示すように、膨張機５ｂの機械出力の予測値（Ｗｅｘ）に廃熱発電機５ｃの発電効率（η_Ｇ）を乗じたものから、廃熱発電システム５における消費電力（Ｗｃｐ）の差をとったものとなる。また、膨張機５ｂの機械出力の予測値（Ｗｅｘ）は、膨張機５ｂの入口と出口の冷媒のエンタルピーの予測値の差（ΔＨｅｘ）に冷媒の質量流量（Ｇｒ）と膨張機効率（ηｅｘ）を乗じたものである。

（数６）
Ｗ_ＴＧ＝Ｗｅｘ×η_Ｇ−Ｗｃｐ＝｛（１／３．６）×ΔＨｅｘ×Ｇｒ×ηｅｘ｝−Ｗｃｐ
また、廃熱発電機５ｃの発電電力の補正値（Ｗ_ＴＧ’）は、上記数式から次式のように示される。なお、次式においては、膨張機５ｂの機械出力の補正値（Ｗｅｘ’）、膨張機５ｂの入口と出口の冷媒のエンタルピーの差の補正値（ΔＨｅｘ’）である。

（数７）
Ｗ_ＴＧ’＝Ｗｅｘ’×η_Ｇ−Ｗｃｐ＝｛（１／３．６）×ΔＨｅｘ’×Ｇｒ×ηｅｘ｝−Ｗｃｐ＝Ｗｅｘ×（Ｗｅｘ’／Ｗｅｘ）×η_Ｇ−Ｗｃｐ
ここで、膨張機５ｂの機械出力の予測値（Ｗｅｘ）に予測サイクルと実機のサイクルとの間のエンタルピー差の比を乗じれば、実機の冷媒状態に合った正確な膨張機出力を算出できる。

なお、実機のサイクルの膨張機５ｂの入口と出口の冷媒のエンタルピーの補正値の差（ΔＨｅｘ’）について直接計測することは困難であるが、膨張機５ｂの入口と出口の圧力を計測することで、（ΔＨｅｘ’／ΔＨｅｘ）を推定することができる。

すなわち、図２２（ａ）に示すように、予測サイクルにおけるモリエル線図上の冷媒状態の行程Ｃ→Ｄを斜辺とする直角三角形ＣＤＲと、図２２（ｂ）に示すように、実機サイクルにおけるモリエル線図上の冷媒状態の行程Ｃ’→Ｄ’を斜辺とする直角三角形Ｃ’Ｄ’Ｒ’を考える。

この二つの三角形の斜辺ＣＤ及びＣ’Ｄ’は、図２０において、等エントロピー線上に沿って推移しているので、両者は略平行である（ＣＤ//Ｃ’Ｄ’）とみなすことができ、二つの直角三角形ＣＤＲとＣ’Ｄ’Ｒ’はほぼ相似である。従って、図２２における水平方向の辺の長さの比と垂直方向の辺の長さの比は等しいことから、次式に示すように、エンタルピー差の比を対数軸上の冷媒圧力の比に置換することができる。

（数８）
Ａｗ＝（ΔＨｅｘ’／ΔＨｅｘ）＝（log₁₀Ｐｅｘ＿ｉｎ’−log₁₀Ｐｅｘ＿ｏｕｔ’）／（log₁₀Ｐｅｘ＿ｉｎ−log₁₀Ｐｅｘ＿ｏｕｔ）＝log₁₀（Ｐｅｘ＿ｉｎ’／Ｐｅｘ＿ｏｕｔ’）／log₁₀（Ｐｅｘ＿ｉｎ／Ｐｅｘ＿ｏｕｔ）
このようにして、膨張機５ｂの出力補正係数（Ａｗ）を取得する。Ｓ４６０では、廃熱発電システム５における消費電力（Ｗｃｐ）を、冷媒ポンプ５ｅが消費する冷媒ポンプ入力電力（Ｗｐ）とその他の補機消費電力（Ｗｃ）の和から計算する。この廃熱発電システム５における消費電力（Ｗｃｐ）の算出方法について、図２３を用いて説明する。

図２３に示すＳ４６１では、冷媒ポンプ５ｅが消費する冷媒ポンプ入力電力（Ｗｐ）を取得する。Ｓ４６２では、冷媒ポンプ５ｅ以外の補機を抽出し、廃熱発電制御手段６からのみ指令を受けて動作しているか否かを判定する。ここで、肯定判定される場合にはＳ４６３にて、その補機の消費電力（Ｗｃｉ：ｉ＝１〜ｎ）を取得する。一方、否定判定される場合にはＳ４６４にて、その補機の消費電力（Ｗｃｉ：ｉ＝１〜ｎ）を０（ゼロ）とする。

これは、廃熱発電だけでなく他の目的でも使用される補機（例えば、冷却ファン５ｋは、車内空調装置の運転時にも動作する）も存在するため、Ｓ４６２において、廃熱発電のために消費する電力かどうかを判定し、肯定判定の場合は、その分の消費電力を発電電力から減算するために計上する。Ｓ４６５では、廃熱発電電力から減算する全ての補機の消費電力（Ｗｃｐ）を算出する。

廃熱発電システム５における消費電力（Ｗｃｐ）が得られると、図１９に示すＳ４７０では、次式に示すように、膨張機５ｂの機械出力の予測最大値（Ｗｅｘ_＿ＭＡＸ）、膨張機５ｂの出力補正係数（Ａｗ）、廃熱発電機５ｃの発電効率（η_Ｇ）、廃熱発電システム５における消費電力（Ｗｃｐ）から、廃熱発電機５ｃの廃熱発電機５ｃの最大供給電力（Ｗ_{ＴＧ＿ＭＡＸ}）を得る。

（数９）
Ｗ_{ＴＧ＿ＭＡＸ}＝Ｗｅｘ_＿ＭＡＸ×Ａｗ×η_Ｇ−Ｗｃｐ_＿ＭＡＸ
このように、廃熱発電制御手段６からのみ指令を受けて動作している補機による最大消費電力（Ｗｃｐ_＿ＭＡＸ）分を差し引く補正を行うことで、実機の冷媒状態を反映した正確な最大供給電力を予測することが可能になる。

なお、上記数式９に示すように、最大供給電力（Ｗ_{ＴＧ＿ＭＡＸ}）は、廃熱発電システム５における消費電力（Ｗｃｐ）から差し引いて算出しているが、廃熱発電システム５における消費電力（Ｗｃｐ）を差し引かずに、負荷電力（Ｌ_ＴＧ）として車両電源制御手段１３に送信するようにしてもよい。

この場合、廃熱発電システム５の正味発電量の把握と管理は、車両電源制御手段１３の中で行われることになるが、発電量が十分でない場合も含め、全て電力供給と需要のバランスを車両電源制御手段１３で一元管理できるというメリットがある。

（変形例７）
本実施形態におけるつりあい計算によるランキンサイクルの予測は、収束計算となるため計算処理の負荷が大きく、リアルタイムでの計算が困難であることが予想される。このような場合は、つりあい計算の計算結果をマップ化し、そのマップをメモリ等の記憶手段に記憶しておき、このマップを用いて予測するようにしてもよい。

（変形例８）
膨張機５ｂ出口における冷媒圧力（Ｐｅｘ＿ｏｕｔ’）と冷媒ポンプ５ｅ入口における冷媒圧力（Ｐｐ＿ｉｎ’）とは、略等しくなることが明らかであるので、図１７の圧力センサ５ｊを備えずに、膨張機５ｂ出口における冷媒圧力（Ｐｅｘ＿ｏｕｔ’）を冷媒ポンプ５ｅ入口における冷媒圧力（Ｐｐ＿ｉｎ’）としてもよい。また、予測精度をより高めたい場合は、サイクル行程Ｄ→Ａのコンデンサの圧損について、計算或いはマップを参照して冷媒ポンプ５ｅ入口における冷媒圧力（Ｐｐ＿ｉｎ’）に加えて膨張機５ｂ出口における冷媒圧力（Ｐｅｘ＿ｏｕｔ’）としてもよい。

（変形例９）
本実施形態では、各電力供給源の電力コストの総計である総電力コストが最小となるように、各電力供給源への要求電力の配分を決定するものであるが、第１実施形態のように、電気系の需要電力に対し、電力コストの低い電力供給源から優先して最大供給電力の範囲内で電力を供給するように、各電力供給源への要求電力の配分を決定するようにしてもよい。

（変形例１０）
本実施形態の熱発電システムにおいても、第１の実施形態の変形例３で説明したように、車両の電気系の電力不足時には、エンジン冷却水の水温を通常よりも上昇させ、その上昇分の熱エネルギを用いて熱発電機によって発電するようにしてもよい。

（変形例１１）
本実施形態の熱発電システムにおいても、第１の実施形態の変形例４（図１３）で説明したように、オルタネータ３に接続される電源バス１と、廃熱発電システム５に接続される電源バス２の各々にバッテリ１、バッテリ２を配置し、その電源バス間をＤＣ／ＤＣコンバータ等の異電圧バス接続手段１４で接続するようにしてもよい。

（変形例１２）
本実施形態の熱発電システムにおいても、第１の実施形態の変形例６（図１５）で説明したように、廃熱発電機５ｃに接続される電源バスをＨＶ電池の大電力バスに接続するようにしてもよい。これにより、熱発電による電力を走行用の電力として利用することができる。また、大容量のＨＶ電池を活用し、車両の使用状況や条件に応じたよりフレキシブルな発電運用が可能になり、ハイブリッド電気自動車（ＨＶ）の燃費をさらに向上することができる。

本発明の実施形態における車両の電気系を示すブロック図である。 第１の実施形態に係わる、廃熱発電システム５の構成図である。 廃熱発電機５ｃによる最大供給電力と電力コストを算出する算出処理を示すフローチャートである。 車両電源制御手段１３において実行される、各電力供給源への要求電力の配分を決定する配分決定処理の前半部分を示すフローチャートである。 車両電源制御手段１３において実行される、各電力供給源への要求電力の配分を決定する配分決定処理の後半部分を示すフローチャートである。 廃熱発電機５ｃの最大供給電力と冷媒圧力、冷媒流量、エンジン冷却水温との関係を示すグラフである。 廃熱発電機５ｃの電力コストとエンジン冷却水温との関係を示すグラフである。 第１の実施形態の変形例１における車両の電気系を示すブロック図である。 第１の実施形態の変形例１における、２つの電力供給源への要求電力の配分を決定する配分決定処理を示すフローチャートである 第１の実施形態の変形例２における、車両の電気系の電力管理方法を説明するための図である。 水温上昇制御（廃熱増加制御）を実行した場合の熱発電の電力コストとエンジン冷却水温との関係を説明するための図である。 （ａ）は、下限値（Ｔｗ_＿ＬＬ）を（Ｔｗ_＿ＬＬ’）へ下げることによって最大供給電力を増す場合を示す図であり、（ｂ）は、別途定めたマップやランキンサイクルのつりあい計算等で水温制限（Ｗ_{ＴＧ＿ＭＡＸ}）を算出する場合を示す図である。 第１の実施形態の変形例４における、車両の電気系を示すブロック図である。 第１の実施形態の変形例５における、車両の電気系を示すブロック図である。 第１の実施形態の変形例６における、ハイブリッド電気自動車（ＨＶ）の電気系を示すブロック図である。 第１の実施形態の変形例６における、ハイブリッド電気自動車（ＨＶ）の電気系の構成を簡略化した場合のブロック図である。 第２の実施形態に係わる、廃熱発電システム５の構成図である。 第２の実施形態に係わる、廃熱発電機５ｃにおける最大供給電力（Ｗ_{ＴＧ＿ＭＡＸ}）、電力コスト（Ｃ_ＴＧ）、及び負荷電力（Ｌ_ＴＧ）の算出手順、及び廃熱発電機５ｃによる発電電力の制御手順を示すフローチャートである。 廃熱発電機５ｃにおける最大供給電力（Ｗ_{ＴＧ＿ＭＡＸ}）及び電力コスト（Ｃ_ＴＧ）の算出手順の詳細を示すフローチャートである。 冷媒（ＨＦＣ−１３４ａ）のモリエル線図である。 ランキンサイクルの動作点を決定する手順を示すフローチャートである。 （ａ）は、予測サイクルにおけるモリエル線図上の冷媒状態の行程Ｃ→Ｄを斜辺とする直角三角形ＣＤＲであり、（ｂ）は、実機サイクルにおけるモリエル線図上の冷媒状態の行程Ｃ’→Ｄ’を斜辺とする直角三角形Ｃ’Ｄ’Ｒ’である。 廃熱発電システム５における消費電力（Ｗｃｐ）の算出手順の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１ エンジン
２ エンジン制御手段
３ オルタネータ
４ オルタネータ制御手段
５ 廃熱発電システム
５ａ 熱交換器
５ｂ 膨張機
５ｃ 廃熱発電機
５ｄ 発電機制御手段
５ｅ 冷媒ポンプ
５ｆ、５ｉ、５ｊ 圧力センサ
５ｇ 冷媒ポンプモータ制御手段
５ｈ ウォータポンプモータ制御手段
５ｋ 冷却ファン
６ 廃熱発電制御手段
７ 水温検出手段
８ バッテリ
９ バッテリ状態検知手段
１０ バス電圧検出手段
１１ 電流検出手段
１２ 負荷制御手段
１３ 車両電源制御手段

Claims (7)

1. 熱源の熱エネルギによる熱伝達媒体の膨張又は／及び凝縮によって発生する運動エネルギを利用して電力を発生する熱発電手段を備える熱発電装置であって、
   前記熱源から熱伝達媒体に伝達される伝達熱量を取得する伝達熱量取得手段と、
   前記熱伝達媒体を凝縮する際に放熱される放熱熱量を取得する放熱熱量取得手段と、
   前記熱源の温度を検出する温度検出手段と、
   前記熱源の冷却に用いられる冷却水を介して、前記熱源の熱エネルギを前記熱伝達媒体に伝達する熱伝達手段と、
   前記冷却水の水温を検出する冷却水温検出手段と、
   前記冷却水の流量を取得する冷却水流量取得手段と、を備え、
   前記伝達熱量取得手段は、前記熱源の温度、前記冷却水の水温、及び前記冷却水の流量から前記伝達熱量を取得することを特徴とする熱発電装置。
2. 前記冷却水流量取得手段は、前記冷却水を循環するためのポンプの回転数から、前記冷却水の流量を取得することを特徴とする請求項１記載の熱発電装置。
3. 前記熱伝達媒体を凝縮する熱伝達媒体凝縮手段と、
   前記熱伝達媒体凝縮手段が前記熱伝達媒体を凝縮する際、前記熱伝達媒体の放熱を行う放熱手段と、を備え、
   前記放熱熱量取得手段は、前記放熱手段の周辺を流れる気体の流速、及び前記熱伝達媒体から放熱される前の当該熱伝達媒体の温度に基づいて、前記放熱熱量を取得することを特徴とする請求項１又は２記載の熱発電装置。
4. 前記熱伝達媒体凝縮手段に冷却風を送風する冷却ファンと、
   前記冷却ファンの回転数、若しくは前記送風する風速を制御する冷却ファン制御手段と、を備えることを特徴とする請求項３記載の熱発電装置。
5. 前記熱伝達媒体の流量を取得する熱伝達媒体流量取得手段と、
   前記熱伝達媒体を加圧して、当該熱伝達媒体の流量を制御する熱伝達媒体流量制御手段と、を備えることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の熱発電装置。
6. 前記熱伝達媒体流量制御手段は、冷媒ポンプの回転数を制御するものであって、
   前記熱伝達媒体流量取得手段は、前記冷媒ポンプの回転数に基づいて前記熱伝達媒体の流量を取得することを特徴とする請求項５記載の熱発電装置。
7. 前記熱伝達媒体の流量、前記伝達熱量、及び前記放熱熱量から、前記熱発電手段による発電可能な発電電力を予測する発電電力予測手段を備えることを特徴とする請求項５又は６記載の熱発電装置。

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