JP7550955B2 - Thermoelectric conversion control device and method for controlling a thermoelectric conversion device - Google Patents
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Description
本開示は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換装置の制御装置および制御方法に関する。 The present disclosure relates to a control device and a control method for a thermoelectric conversion device that converts thermal energy into electrical energy.
熱電変換装置の従来の制御装置として、熱電変換装置が出力する電力を最大化させるために、熱電変換装置の出力電圧および出力電流を熱電変換装置の内部インピーダンスと一致させるものが知られている(例えば特許文献1)。A conventional control device for a thermoelectric conversion device is known that matches the output voltage and output current of the thermoelectric conversion device with the internal impedance of the thermoelectric conversion device in order to maximize the power output by the thermoelectric conversion device (for example, Patent Document 1).
上記のような熱電変換装置の制御装置は、熱電変換装置と高温熱源との間および熱電変換装置と低温冷却源との間に熱抵抗が存在しない理想的な系においては、熱電変換装置の最大出力動作点(出力電力が最大となる動作点)を取得して出力電力を最大化することが可能であるが、熱抵抗が存在する実際の系においては、最大出力動作点を取得できず、出力電力の最大化を達成することができないという課題を有している。 In an ideal system in which there is no thermal resistance between the thermoelectric conversion device and the high-temperature heat source and between the thermoelectric conversion device and the low-temperature cooling source, the control device for the thermoelectric conversion device as described above is capable of obtaining the maximum output operating point of the thermoelectric conversion device (the operating point at which the output power is at its maximum) and maximizing the output power. However, in an actual system in which there is thermal resistance, there is a problem in that it is not possible to obtain the maximum output operating point and therefore it is not possible to maximize the output power.
本開示はこのような課題を解決するためになされたものであり、熱電変換装置と高温熱源との間および熱電変換装置と低温冷却源との間に熱抵抗が存在する系においても、熱電変換装置の出力電力を最大値に近づけることが可能な制御装置を提供することを目的としている。The present disclosure has been made to solve these problems, and aims to provide a control device that can bring the output power of a thermoelectric conversion device close to its maximum value even in a system in which thermal resistance exists between the thermoelectric conversion device and a high-temperature heat source and between the thermoelectric conversion device and a low-temperature cooling source.
本開示に係る熱電変換制御装置は、熱電変換装置から前記熱電変換装置が出力する電力の変換を行う電力変換部に入力される電流および電圧を計測する電流電圧測定部と、前記電流電圧測定部によって計測された前記電流および前記電圧に基づいて、前記熱電変換装置の出力電力を最大化させるために前記熱電変換装置の出力端子に接続すべき負荷抵抗値である最大出力負荷抵抗値を算出し、前記電力変換部の入力端子側から前記電力変換部を見た抵抗値が前記最大出力負荷抵抗値になるように、前記熱電変換装置から前記電力変換部に入力される前記電流を制御する電力変換制御部と、を備え、前記電力変換制御部は、前記電力変換部に入力される前記電流を一定値だけ変化させ、前記電流を変化させた直後に計測された前記電圧と前記電流を変化させた後に前記電圧が安定してから計測された前記電圧との差分と、前記電流を変化させたときの前記電流の変化量とに基づいて、前記熱電変換装置の前記最大出力負荷抵抗値を算出する。
The thermoelectric conversion control device according to the present disclosure includes a current/voltage measuring unit that measures the current and voltage input from a thermoelectric conversion device to a power conversion unit that converts the power output by the thermoelectric conversion device, and a power conversion control unit that calculates a maximum output load resistance value, which is the load resistance value that should be connected to the output terminal of the thermoelectric conversion device in order to maximize the output power of the thermoelectric conversion device, based on the current and the voltage measured by the current/voltage measuring unit, and controls the current input from the thermoelectric conversion device to the power conversion unit so that the resistance value when the power conversion unit is viewed from the input terminal side of the power conversion unit becomes the maximum output load resistance value. The power conversion control unit changes the current input to the power conversion unit by a constant value, and calculates the maximum output load resistance value of the thermoelectric conversion device based on the difference between the voltage measured immediately after changing the current and the voltage measured after the voltage has stabilized after changing the current, and the amount of change in the current when the current is changed.
本開示によれば、熱電変換装置の最大出力負荷抵抗値を電気計測のみに基づいて取得して、熱電変換装置が出力する電力を最大値に近づけることができる。よって、熱電変換装置と高温熱源との間および熱電変換装置と低温冷却源との間に熱抵抗が存在する系においても、熱電変換装置の出力電力を最大値に近づけることが可能である。According to the present disclosure, the maximum output load resistance value of the thermoelectric conversion device can be obtained based only on electrical measurements, and the power output by the thermoelectric conversion device can be brought close to the maximum value. Therefore, even in a system in which thermal resistance exists between the thermoelectric conversion device and the high-temperature heat source and between the thermoelectric conversion device and the low-temperature cooling source, it is possible to bring the output power of the thermoelectric conversion device close to the maximum value.
本開示の目的、特徴、態様、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。 The objects, features, aspects, and advantages of the present disclosure will become more apparent from the following detailed description and accompanying drawings.
<実施の形態1>
以下、熱電変換装置の制御装置を「熱電変換制御装置」という。図1は、実施の形態1に係る熱電変換制御装置の構成を示す図である。図1に示すように、熱電変換制御装置12は、熱電変換装置11と負荷13との間に接続され、熱電変換装置11が発生した電力の変換を行い、変換後の電力を負荷13に供給する。
<First embodiment>
Hereinafter, a control device for a thermoelectric conversion device will be referred to as a "thermoelectric conversion control device." Fig. 1 is a diagram showing a configuration of a thermoelectric conversion control device according to a first embodiment. As shown in Fig. 1, a thermoelectric
熱電変換装置11は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する装置であり、熱電変換モジュール11aと、熱電変換モジュール11aの高温側の面に設置された高温側熱交換器11bと、熱電変換モジュール11aの低温側の面に設置された低温側熱交換器11cとを備えている。The thermoelectric conversion device 11 is a device that converts thermal energy into electrical energy, and includes a thermoelectric conversion module 11a, a high-temperature
熱電変換モジュール11aは、高温側の面と低温側の面との間に接続された少なくとも1つの熱電変換素子を含んでいる。熱電変換素子は、熱電材料によって構成され、両端の温度差に応じて起電力が生じるゼーベック効果により発電する。熱電変換モジュール11aが発生した電力は、熱電変換装置11の正極側出力端子および負極側出力端子から出力される。なお、熱電変換モジュール11aが複数の熱電変換素子を有する場合、熱電変換モジュール11a内で複数の熱電変換素子が直列または並列に接続される。The thermoelectric conversion module 11a includes at least one thermoelectric conversion element connected between the high-temperature side and the low-temperature side. The thermoelectric conversion element is made of a thermoelectric material and generates electricity by the Seebeck effect, in which an electromotive force is generated according to the temperature difference between both ends. The power generated by the thermoelectric conversion module 11a is output from the positive output terminal and the negative output terminal of the thermoelectric conversion device 11. When the thermoelectric conversion module 11a has multiple thermoelectric conversion elements, the multiple thermoelectric conversion elements are connected in series or parallel within the thermoelectric conversion module 11a.
高温側熱交換器11bは、工場などで排出される排気ガスなどの高温流体から熱を受け、その熱を熱電変換モジュール11aの高温側の面へ伝達する機能を有する。高温側熱交換器11bとしては、例えば、アルミやステンレス(SUS)から成るフィン状の構造体が用いられる。低温側熱交換器11cは、熱電変換モジュール11aの低温側の面から熱を奪う機能を有する。低温側熱交換器11cとしては、例えば、アルミや銅から成るブロック中に冷却水が流れる構造のものが用いられる。高温側熱交換器11bおよび低温側熱交換器11cの働きにより、熱電変換モジュール11aの高温側の面から低温側の面へ熱が貫通し、熱電変換モジュール11aに起電力が生じる。The high-temperature
熱電変換制御装置12は、熱電変換装置11の正極側出力端子に接続される正極側入力端子と、熱電変換装置11の負極側出力端子に接続される負極側入力端子とを有しており、熱電変換装置11が出力した電力は熱電変換制御装置12に入力される。また、熱電変換制御装置12は、電力変換部12aと、電流電圧測定部12bと、電力変換制御部12cとを備えている。The thermoelectric
電力変換部12aは、熱電変換装置11から熱電変換制御装置12に入力された電力の変換を行う変換回路である。電力変換部12aとしては、熱電変換装置11の起電力と負荷13で必要とされる電圧との関係に応じて、昇圧型、降圧型または昇降圧型のDC-DCコンバータのいずれかが用いられる。図1に示す電力変換部12aの回路は、熱電変換装置11の最適動作点の出力電圧が負荷13で必要な電圧よりも低い場合の、降圧コンバータの回路構成である。電力変換部12aによって変換された電力は、熱電変換制御装置12の正極側出力端子および負極側出力端子から出力される。The
負荷13は、熱電変換制御装置12の正極側出力端子に接続される正極側入力端子と、熱電変換制御装置12の負極側出力端子に接続される負極側入力端子とを有し、熱電変換制御装置12によって変換された電力は負荷13に入力される。負荷13cは、例えば蓄電池などの定電圧源から構成される。The
電流電圧測定部12bは、熱電変換装置11から熱電変換制御装置12に入力される電力に係る電流および電圧を計測する測定回路である。電力変換制御部12cは、電流電圧測定部12bが計測した電流および電圧に基づいて電力変換部12aを制御することにより、熱電変換装置11の出力電力を最大値に近づける最大出力制御を行う制御回路である。The current/
熱電変換制御装置12の入力端子側から見た電力変換部12aの負荷抵抗値(正極側入力端子と負極側入力端子との間の負荷抵抗値)、すなわち(入力電圧)/(入力電流)の値は、電力変換部12aのDC-DCコンバータを構成するスイッチング素子の開閉の時間割合であるデューティ比によって制御できる。例えば図1に示す回路構成の電力変換部12a(降圧コンバータ)では、スイッチング素子のデューティ比を増加させると、電力変換部12aの負荷抵抗値が低くなる。電力変換制御部12cは、PWM(Pulse Width Modulation)波やPFM(Pulse Frequency Modulation)波など、周期的な矩形波のスイッチング信号を電力変換部12aのスイッチング素子のゲートに入力することで、当該スイッチング素子の開閉制御を行い、それによって電力変換部12aの負荷抵抗値を制御する。The load resistance value (load resistance value between the positive input terminal and the negative input terminal) of the
熱電変換制御装置12は、電力変換制御部12cが、電流電圧測定部12bが計測した電流および電圧、すなわち熱電変換装置11の出力電流および出力電圧に基づいて、電力変換部12aの負荷抵抗値を制御することによって、熱電変換装置11の最大出力制御の処理を実施する。The thermoelectric
なお、電力変換部12aは、熱電変換制御装置12の外部構成であってもよい。すなわち、熱電変換制御装置12を、電流電圧測定部12bおよび電力変換制御部12cのみからなる構成とし、熱電変換制御装置12が、外部に接続された電力変換部12aの負荷抵抗値を制御するようにしてもよい。The
以下、熱電変換制御装置12が行う熱電変換装置11の最大出力制御の処理について説明する。
Below, we will explain the processing of maximum output control of the thermoelectric conversion device 11 performed by the thermoelectric
図2は、熱電変換制御装置12の動作を示すフローチャートを示す。以下の説明では、電流電圧測定部12bによって測定される熱電変換装置11の出力電流および出力電圧をそれぞれ電流Iおよび電圧Vと表記する。
Figure 2 shows a flowchart illustrating the operation of the thermoelectric
熱電変換制御装置12が動作を開始すると、ステップS10において、電力変換制御部12cは、電力変換部12aのスイッチング素子に入力するスイッチング信号のデューティ比を制御して、電流電圧測定部12bにより計測される電流Iが任意の一定値I1になるように制御し、電圧Vの変動が小さくなるまで待つ。
When the thermoelectric
次に、ステップS11において、電力変換制御部12cは、スイッチング信号のデューティ比を変化させることで、電流IをI1からI1+ΔIに変化させる。
Next, in step S11, the power
次に、ステップS12において、電流電圧測定部12bは、ステップS11で電流IをI1+ΔIに変化させた直後の電圧Vを計測する。ステップS12で計測された電圧VをV1とする。ここで、「電流Iを変化させた直後」とは、電流Iを変化させてから、熱電変換装置11の熱時定数(例えば10秒)よりも大幅に短い時間が経過するまでの間を意味する。本実施の形態では、電流IをI1+ΔIに変化させてから、0.01秒以内にステップS12を行い、電圧V1を計測する。
Next, in step S12, the current/
なお、熱電変換装置11の熱時定数は、熱電変換装置11の熱応答に対して時間遅れを生じさせるものであり、その値は、高温側熱交換器11bの熱容量および熱抵抗と、低温側熱交換器11cの熱容量および熱抵抗と、熱電変換モジュール11aの熱容量および熱抵抗とによって決まる。熱電変換装置11の熱時定数を事前に推定できない場合は、電流Iを変化させた後、電流電圧測定部12bで可能な限り早いタイミングで電圧V1を計測することが好ましい。
The thermal time constant of the thermoelectric converter 11 causes a time delay in the thermal response of the thermoelectric converter 11, and its value is determined by the heat capacity and thermal resistance of the high-
次に、ステップS13において、電流Iを変化させてから熱電変換装置11の系が熱的に安定して、電圧Vが安定するまで(変動が小さくなるまで)待つ。電流Iを変化させると電圧Vが一時的に変動する理由は、
(1)電流Iが変化して熱電変換装置11の熱バランスが一時的に崩れると、熱電変換モジュール11aが電流Iを増加させる
(2)電流Iが増加すると、ペルチェ効果により熱抵抗が低下し、それに伴って熱電変換モジュール11aの高温側と低温側の温度差ΔTTEGも低下しようとする
(3)しかし、高温側熱交換器11bおよび低温側熱交換器11cはそれぞれ熱容量を持つため温度差ΔTTEGが熱平衡状態の値に達するまでに時間遅れが生じ、それに伴って熱電変換モジュール11aの電圧Vが平衡状態に達するのにも遅れが生じる
というメカニズムによる。
Next, in step S13, after changing the current I, the system of the thermoelectric converter 11 is thermally stabilized and the voltage V is stabilized (fluctuations become small). The reason why the voltage V fluctuates temporarily when the current I is changed is as follows:
(1) When the current I changes and the thermal balance of the thermoelectric conversion device 11 is temporarily disrupted, the thermoelectric conversion module 11a increases the current I. (2) When the current I increases, the thermal resistance decreases due to the Peltier effect, and as a result, the temperature difference ΔT TEG between the high-temperature side and the low-temperature side of the thermoelectric conversion module 11a also tends to decrease. (3) However, because the high-temperature
その後、ステップS14において、電流電圧測定部12bは、安定した後の電圧Vを測定する。ステップS14で計測された電圧VをV2とする。
Thereafter, in step S14, the current/
図3および図4に、熱電変換装置11が出力する電流IをΔIだけ増加させた際の電圧Vおよび熱電変換モジュール11aの温度差ΔTTEGそれぞれの時間変化(過渡特性)の例を示す。図3のように、電流IをΔIだけ増加させると、その直後に電圧Vは電圧V1に遷移するが、その後は熱電変換装置11の熱平衡時の電流-電圧特性に従って電圧Vは電圧V2に漸近する。漸近する際の電圧Vの時定数は、上述した熱電変換装置11の熱時定数と等しい。これは、ゼーベック効果により熱電変換モジュール11aが出力する電圧Vが温度差ΔTTEGに比例することによる。 3 and 4 show examples of the time change (transient characteristics) of the voltage V and the temperature difference ΔT TEG of the thermoelectric conversion module 11a when the current I output by the thermoelectric conversion device 11 is increased by ΔI. As shown in FIG. 3, when the current I is increased by ΔI, the voltage V transitions to voltage V1 immediately thereafter, but thereafter, the voltage V approaches voltage V2 in accordance with the current-voltage characteristics of the thermoelectric conversion device 11 at thermal equilibrium. The time constant of the voltage V when approaching is equal to the thermal time constant of the thermoelectric conversion device 11 described above. This is because the voltage V output by the thermoelectric conversion module 11a is proportional to the temperature difference ΔT TEG due to the Seebeck effect.
従って、ステップS13では、ステップS11から少なくとも熱電変換装置11の熱時定数以上の時間が経過するまで待つことが好ましく、熱電変換装置11の熱時定数をTとすると、3Tの時間以上待つことがより好ましい。なお、ΔIが正の値である場合は、図3のように電圧Vは徐々に減少して一定値に収束するが、ΔIが負の値である場合は、電圧V1は徐々に増加して一定値に収束する。熱電変換装置11の熱時定数Tがあらかじめ取得できている場合は、3T以上の時間待つことで熱電変換装置11が熱平衡状態に近くなり、電圧V2として収束値に近い値を得ることができる。 Therefore, in step S13, it is preferable to wait until at least a time equal to or greater than the thermal time constant of the thermoelectric conversion device 11 has elapsed since step S11, and it is more preferable to wait for a time of 3T or more, where T is the thermal time constant of the thermoelectric conversion device 11. When ΔI is a positive value, the voltage V gradually decreases and converges to a constant value as shown in Fig. 3, but when ΔI is a negative value, the voltage V1 gradually increases and converges to a constant value. When the thermal time constant T of the thermoelectric conversion device 11 can be obtained in advance, waiting for a time of 3T or more brings the thermoelectric conversion device 11 close to a thermal equilibrium state, and a value close to the convergence value can be obtained as the voltage V2 .
ステップS14にて電圧V2が計測されると、ステップS15において、電力変換制御部12cは、次の式(1)に基づき、熱電変換装置11の出力電力が最大化される負荷抵抗値である最大出力負荷抵抗値Rpmaxを算出する。式(1)において、Rintは熱電変換装置11の内部抵抗値(熱電変換モジュール11aの内部抵抗値)である。
When the voltage V2 is measured in step S14, in step S15, the power
次に、ステップS16において、電力変換部12aの入力端子側から見た負荷抵抗値が、ステップS14で算出した最大出力負荷抵抗値Rpmaxになるように、電力変換制御部12cが、電力変換部12aのスイッチング素子に入力するスイッチング信号のデューティ比を制御する。具体的には、熱電変換装置11が出力する電圧Vおよび電流Iと最大出力負荷抵抗値Rpmaxとの関係がV/I=Rpmaxとなるように、電力変換制御部12cがスイッチング信号のデューティ比を調整して、電流Iを制御する。
Next, in step S16, the power
次に、ステップS17において、V/I=Rpmaxに制御している状態で、熱電変換装置11が熱平衡状態に近くなるように、再び一定時間だけ待つ。ステップS17における待ち時間も、ステップS13の待ち時間と同様に、少なくとも熱電変換装置11の熱時定数T以上であることが好ましく、より好ましくは3T以上である。本実施の形態では、ステップS13およびS17における待ち時間を3Tとする。 Next, in step S17, while controlling V/I=R pmax , the process waits again for a certain period of time so that the thermoelectric converter 11 approaches thermal equilibrium. As with the waiting time in step S13, the waiting time in step S17 is preferably at least equal to or greater than the thermal time constant T of the thermoelectric converter 11, and more preferably equal to or greater than 3T. In this embodiment, the waiting time in steps S13 and S17 is set to 3T.
その後、ステップS18において、電流電圧測定部12bが電圧Vおよび電流Iを計測し、熱電変換装置11の発電量P=V×Iを算出する。Then, in step S18, the current/
さらに、熱電変換制御装置12は、熱電変換装置11の最大出力動作点が熱源や冷却源の温度変化によって変動する場合でも継続して最大出力動作点に追従するために、以下のステップS19~S21を実施する。
Furthermore, the thermoelectric
ステップS19において、任意の一定時間tmだけ待つ。この時間tmは、熱電変換装置11の発電量を継続的にモニタリングする周期となる。 In step S19, the process waits for an arbitrary fixed time tm . This time tm is a period for continuously monitoring the amount of power generated by the thermoelectric converter 11.
次に、ステップS20において、電流電圧測定部12bが電圧Vおよび電流Iを計測し、このときの熱電変換装置11の発電量P’を算出する。ステップS20で計測された電圧Vおよび電流IをそれぞれI'およびV'とすると、P’=I'×V'である。Next, in step S20, the current/
次に、ステップS21において、ステップS18で算出された発電量PとステップS20で算出されたて発電量P'とが一定値ΔP以上乖離しているか否か判定する。PとP’とがΔP以上乖離している場合は(ステップS21でYES)、熱電変換装置11の内部抵抗値Rintまたは最大出力負荷抵抗値Rpmaxに変化が生じて、熱電変換装置11の最大出力動作点が変化した可能性があるため、ステップS10に戻り、再度、最大出力負荷抵抗値Rpmaxを算出する手順に移る。一方、PとP’との乖離がΔP未満である場合は(ステップS21でNO)、ステップS19に戻り、熱電変換装置11にかかる負荷抵抗値(熱電変換制御装置12の負荷抵抗値)を一定に保ったまま、一定時間tmの周期で発電量P'を算出する手順を繰り返し実行する。 Next, in step S21, it is determined whether the power generation amount P calculated in step S18 and the power generation amount P' calculated in step S20 are different by a certain value ΔP or more. If P and P' are different by ΔP or more (YES in step S21), there is a possibility that the internal resistance value R int or the maximum output load resistance value R pmax of the thermoelectric conversion device 11 has changed and the maximum output operating point of the thermoelectric conversion device 11 has changed, so the process returns to step S10 and moves to a procedure of calculating the maximum output load resistance value R pmax again. On the other hand, if the difference between P and P' is less than ΔP (NO in step S21), the process returns to step S19, and the procedure of calculating the power generation amount P' is repeatedly performed at a period of a certain time t m while keeping the load resistance value (load resistance value of the thermoelectric conversion control device 12) applied to the thermoelectric conversion device 11 constant.
以上のように、実施の形態1に係る熱電変換制御装置12は、熱電変換装置11が出力する電流Iおよび電圧Vの電気計測のみに基づいて、熱電変換装置11の最大出力動作点(最大出力負荷抵抗値Rpmax)を取得し、熱電変換装置11の出力電力を最大値に近づける。そのため、熱電変換装置11と高温熱源との間および熱電変換装置11と低温冷却源との間に熱抵抗が存在する系においても、熱電変換装置11の出力電力を最大値に近づけることが可能である。
As described above, the thermoelectric
ここで、上記の式(1)により熱電変換装置11の最大出力負荷抵抗値Rpmaxが得られる原理について説明する。 Here, the principle by which the maximum output load resistance value R pmax of the thermoelectric converter 11 is obtained from the above formula (1) will be described.
熱電変換モジュール11aと高温側の温度固定点との間、および、熱電変換モジュール11aと低温側の温度固定点との間に熱抵抗が存在しない理想状態では、熱電変換モジュール11aの最大出力負荷抵抗値Rpmaxは、熱電変換モジュール11aの内部抵抗値Rintに一致する。これは最大電力供給の定理によるものである。 In an ideal state in which there is no thermal resistance between the thermoelectric conversion module 11a and the high-temperature fixed point and between the thermoelectric conversion module 11a and the low-temperature fixed point, the maximum output load resistance value R pmax of the thermoelectric conversion module 11a coincides with the internal resistance value R int of the thermoelectric conversion module 11a. This is due to the maximum power supply theorem.
一方、図5に示すように、熱電変換モジュール11aと高温側の温度固定点との間、および、熱電変換モジュール11aと低温側の温度固定点との間に熱抵抗が存在する場合、熱電変換モジュール11aの最大出力負荷抵抗値Rpmaxは、熱電変換モジュール11aの内部抵抗値Rintよりも高い値となる。このときの最大出力負荷抵抗値Rpmaxは、以下のように導出される。 On the other hand, as shown in Fig. 5, when thermal resistance exists between the thermoelectric conversion module 11a and the high-temperature fixed point and between the thermoelectric conversion module 11a and the low-temperature fixed point, the maximum output load resistance value Rpmax of the thermoelectric conversion module 11a is higher than the internal resistance value Rint of the thermoelectric conversion module 11a. The maximum output load resistance value Rpmax in this case is derived as follows.
熱電変換モジュール11aのペルチェ係数をΠとすると、熱電変換モジュール11aに電流Iが流れるときの熱電変換モジュール11aの貫通熱量Qは、ペルチェ効果により、電流I=0のときと比較してΠIだけ増加する。よって、電流I=0のときの熱電変換モジュール11aの貫通熱量をQ0とすると、熱電変換装置11の貫通熱量Qは、次の式(2)で表される。 If the Peltier coefficient of the thermoelectric conversion module 11a is Π, the amount of heat Q penetrating the thermoelectric conversion module 11a when a current I flows through the thermoelectric conversion module 11a increases by ΠI due to the Peltier effect compared to when the current I = 0. Therefore, if the amount of heat penetrating the thermoelectric conversion module 11a when the current I = 0 is Q0 , the amount of heat penetrating the thermoelectric conversion device 11 is expressed by the following formula (2).
高温側の温度固定点の温度Thと低温側の温度固定点の温度Tcの温度差をΔT0とする。高温側の温度固定点は、高温側熱交換器11bを流れる熱流体の温度であり、低温側の温度固定点は、低温側熱交換器11cを流れる冷却水の温度である。また、図5に示すように、高温側の温度固定点と熱電変換装置11の高温側の面との間の熱抵抗をRth_h、低温側の温度固定点と熱電変換モジュール11aの低温側の面との間の熱抵抗をRth_cとし、Rth_hとRth_cとの和を、付加熱抵抗Rth_addとする。
The temperature difference between the temperature Th of the high-temperature side temperature fixed point and the temperature Tc of the low-temperature side temperature fixed point is ΔT0. The high-temperature side temperature fixed point is the temperature of the thermal fluid flowing through the high-temperature
熱電変換モジュール11aの高温側の面と低温側の面との温度差ΔTTEGは、式(2)のQを用いて、次の式(3)で表される。 The temperature difference ΔT TEG between the high temperature side surface and the low temperature side surface of the thermoelectric conversion module 11a is expressed by the following formula (3) using Q in formula (2).
熱電変換モジュール11aのゼーベック係数Sおよび内部抵抗値Rintを用いると、熱電変換モジュール11aの出力電圧Vは、次の式(4)で表される。 When the Seebeck coefficient S and the internal resistance value R int of the thermoelectric conversion module 11a are used, the output voltage V of the thermoelectric conversion module 11a is expressed by the following formula (4).
式(4)に、式(2)および式(3)を代入すると、次の式(5)が得られる。 By substituting equations (2) and (3) into equation (4), we obtain the following equation (5).
ここで、熱電変換モジュール11aの出力電力Pは、次の式(6)で表される。Here, the output power P of the thermoelectric conversion module 11a is expressed by the following equation (6).
式(6)に式(5)を代入すると、次の式(7)が得られる。 By substituting equation (5) into equation (6), we obtain the following equation (7).
式(7)のPはIの二次関数であるため、熱電変換モジュール11aの出力電力Pが極大となるときの電流Iの値Ipmaxは、上に凸の二次関数の極値大値の点として求めることができ、次の式(8)で表すことができる。 Since P in equation (7) is a quadratic function of I, the value Ipmax of the current I when the output power P of the thermoelectric conversion module 11a becomes maximum can be obtained as the maximum extreme value point of the upward convex quadratic function, and can be expressed by the following equation (8).
また、その際の電圧Vpmaxは、式(4)に式(8)を代入して、次の式(9)で表すことができる。 Moreover, the voltage V pmax at this time can be expressed by the following equation (9) by substituting equation (8) into equation (4).
式(8)および式(9)から、熱電変換モジュール11aの最大出力負荷抵抗値Rpmaxは、次の式(10)で表すことができる。 From equations (8) and (9), the maximum output load resistance value R pmax of the thermoelectric conversion module 11 a can be expressed by the following equation (10).
式(10)から分かるように、熱電変換モジュール11aの最大出力負荷抵抗値Rpmaxは、内部抵抗値RintよりもSΠRth_addだけ高い値となる。 As can be seen from equation (10), the maximum output load resistance value R pmax of the thermoelectric conversion module 11 a is higher than the internal resistance value R int by SΠR th — add .
次に、SΠRth_addを、熱計測をすることなく、熱電変換モジュール11aが出力する電流Iおよび電圧Vの計測のみに基づいて取得する原理について説明する。 Next, the principle of acquiring SπR th_add based only on the measurement of the current I and the voltage V output by the thermoelectric conversion module 11a without performing thermal measurement will be described.
図3および図4ならびに図5および図6に示すように、電圧V=V1のときの熱電変換モジュール11aの温度差ΔTTEGをΔT1、電圧V=V2のときの熱電変換モジュール11aの温度差ΔTTEGをΔT2とする。熱電変換装置11の最大出力制御において、V1とV2との差分から、ゼーベック効果の式により、熱電変換モジュール11aの温度差ΔTTEGの差分ΔT1-ΔT2を求めることができる。差分ΔT1-ΔT2は、次の式(11)で表される。 3 and 4, as well as 5 and 6, the temperature difference ΔT TEG of the thermoelectric conversion module 11a when the voltage V= V1 is set to ΔT1 , and the temperature difference ΔT TEG of the thermoelectric conversion module 11a when the voltage V= V2 is set to ΔT2 . In maximum output control of the thermoelectric conversion device 11, the difference ΔT 1 -ΔT 2 of the temperature difference ΔT TEG of the thermoelectric conversion module 11a can be calculated from the difference between V1 and V2 using the Seebeck effect formula . The difference ΔT 1 -ΔT 2 is expressed by the following formula (11).
さらに、I=I1+ΔIのときの熱電変換モジュール11aの貫通熱量をQ0+ΔQとすると、ΔQは次の式(12)で表される。 Furthermore, if the amount of heat passing through the thermoelectric conversion module 11a when I=I 1 +ΔI is Q 0 +ΔQ, ΔQ is expressed by the following formula (12).
ここで、I=I1+ΔIのときに付加熱抵抗Rth_addで生じる温度差は、定常状態において、I=I1のときと比較してRth_addΔQだけ増加する。ただし、過渡的には、電流IをΔIだけ変化させた直後のRth_addで生じる温度差は、電流Iの変化直前の温度が熱容量によって保持されているため、電流Iの変化直前と同じRth_addQのままであり、一定時間経過したときにRth_addで生じる温度差は、I=I1のときと比較してRth_addΔQだけ増加する。これは熱電変換素子の温度差のΔTTEGの変化分であるΔT1-ΔT2と等しいので、次の式(13)が成り立つ。 Here, when I= I1 +ΔI, the temperature difference occurring at the heating resistor Rth_add increases by Rth_addΔQ in a steady state compared to when I= I1 . However, in a transient state, the temperature difference occurring at Rth_add immediately after the current I is changed by ΔI remains the same Rth_addQ as it was immediately before the change in current I because the temperature immediately before the change in current I is maintained by the heat capacity, and the temperature difference occurring at Rth_add after a certain time has passed increases by Rth_addΔQ compared to when I= I1 . This is equal to ΔT1 - ΔT2 , which is the change in the temperature difference ΔT TEG of the thermoelectric conversion element, so the following equation (13) holds.
式(13)に式(11)および式(12)を代入すると、次の式(14)が得られる。 By substituting equations (11) and (12) into equation (13), we obtain the following equation (14).
さらに、式(14)を式(10)に代入すると、SとΠが消去されて、次の式(15)が得られる。 Furthermore, by substituting equation (14) into equation (10), S and Π are eliminated and the following equation (15) is obtained.
よって、熱電変換モジュール11aの内部抵抗値Rintが事前に把握できている場合は、熱計測をすることなく、電気計測の結果に基づいて、最大出力負荷抵抗値Rpmaxを算出することができる。 Therefore, when the internal resistance value R int of the thermoelectric conversion module 11a is known in advance, the maximum output load resistance value R pmax can be calculated based on the results of electrical measurement without performing thermal measurement.
<実施の形態2>
実施の形態2では、図2にフローチャートのステップS10において電力変換制御部12cが電流Iを一定値I1に制御するとき、熱電変換モジュール11aを開放状態にして電流I1を0にし、また、ステップS11で電流IをΔIだけ変化させるとき、熱電変換モジュール11aを短絡状態にして、ΔIを熱電変換モジュール11aの短絡時の電流値Iscにする。
<Embodiment 2>
In the second embodiment, when the power
これにより、V1-V2およびΔIを、外部起電力を用いずにできる限り大きな値にすることができ、式(1)から最大出力負荷抵抗値Rpmaxを高い精度で得ることができるため、熱電変換装置11の発電量Pを高い精度で最大値に近づけることが可能になる。 This allows V 1 -V 2 and ΔI to be as large as possible without using an external electromotive force, and the maximum output load resistance value R pmax can be obtained with high accuracy from equation (1), making it possible to bring the power generation amount P of the thermoelectric conversion device 11 close to the maximum value with high accuracy.
<実施の形態3>
実施の形態3では、電力変換制御部12cが、熱電変換モジュール11aの内部抵抗値Rintの値を、電力変換部12aの入力端子側から見た負荷抵抗値を変化させたときに電流電圧測定部12bによって計測された電流Iおよび電圧Vに基づいて算出するように構成する。熱電変換モジュール11aの内部抵抗値Rintは、電力変換部12aの負荷抵抗値が変化したときの電圧Vの変化量を、電流Iの変化量で除すことで算出できる。これにより、電力変換制御部12cは、温度安定後における熱電変換モジュール11aの正確な内部抵抗を取得することができ、熱電変換モジュール11aの正確な状態を監視することが可能になる。
<Third embodiment>
In the third embodiment, the power
熱電変換モジュール11aの内部抵抗値Rintは、温度的に安定した熱電変換モジュール11aにおける2点以上の計測点(測定時刻)での電流Iおよび電圧Vとから求めることができる。例えば、図2のステップS10において、電流Iが一定値I1に制御された後、電圧Vが安定したときに、電流電圧測定部12bがそのときの電圧Vの値V0(図3参照)を計測しておけば、電力変換制御部12cは、ステップS15において式(15)を用いて最大出力負荷抵抗値Rpmaxを算出する際に、次の式(16)により内部抵抗値Rintを算出して、式(15)に適用することができる。
The internal resistance value R int of the thermoelectric conversion module 11a can be obtained from the current I and the voltage V at two or more measurement points (measurement times) in the thermoelectric conversion module 11a that is stable in terms of temperature. For example, in step S10 in Fig. 2, if the current I is controlled to a constant value I1 and then the voltage V is stabilized, and the current/
<実施の形態4>
実施の形態4では、電力変換制御部12cが、電力変換部12aの入力端子側から見た負荷抵抗値を変化させる際に、熱電変換装置11の熱時定数Tを算出するように構成する。算出された熱時定数Tは、例えば図2のステップS13およびS17における待ち時間の決定に用いることができる。
<Fourth embodiment>
In the fourth embodiment, the power
例えば、図2のステップS11で電流Iを変化させてから、ステップS13で電圧Vが安定するまでの間に、電力変換制御部12cは、以下のような処理により熱時定数Tを取得することができる。For example, between changing the current I in step S11 of FIG. 2 and stabilizing the voltage V in step S13, the power
まず、ステップS11で電流IをI1+ΔIに制御してから任意の時間が経過するまでの間に、電流電圧測定部12bが電流Iおよび電圧Vをそれぞれ3点以上の計測点(測定時刻)で計測する。この計測点には、ステップS12の計測点とステップS14の計測点とが含まれてもよい。よって、電流電圧測定部12bは、ステップS12からステップS14までの間に、少なくとも、ステップS12およびステップS14以外の1点の計測点で電流Iおよび電圧Vを計測すればよい。
First, during a period from when the current I is controlled to I1 + ΔI in step S11 until an arbitrary time has elapsed, the current/
例えば、ステップS12で電圧V1を計測した時刻tを0とすると、時刻tに対する電圧Vの変化は、ステップS12で測定された電圧V1、ステップS14で測定された電圧V2、熱電変換装置11を用いて、次の式(17)で表すことができる。 For example, if the time t at which the voltage V1 is measured in step S12 is set to 0, the change in voltage V with respect to time t can be expressed by the following equation (17) using the voltage V1 measured in step S12, the voltage V2 measured in step S14, and the thermoelectric conversion device 11.
式(17)に、ステップS12およびステップS14以外の計測点で測定した電圧Vとその時刻tとを代入すれば、熱電変換装置11の熱時定数Tを求めることができる。 By substituting the voltage V measured at a measurement point other than step S12 and step S14 and the time t into equation (17), the thermal time constant T of the thermoelectric conversion device 11 can be obtained.
また、4点以上の計測点で電圧Vを計測した場合には、最小二乗法などを用いて電圧Vの過渡特性を求めることにより、熱時定数Tを算出してもよい。 In addition, when the voltage V is measured at four or more measurement points, the thermal time constant T may be calculated by determining the transient characteristics of the voltage V using the least squares method or the like.
熱電変換装置11の起電力は、ゼーベック効果により熱電変換モジュール11aの高温側と低温側の温度差ΔTに比例する(V=SΔT)。このため、電圧Vの時間応答は温度差ΔTの時間応答と同じふるまいを示すことになる。このことから、電圧Vの熱時定数Tをそのまま熱時定数Tとしてみなすことができるため、電圧Vの計測のみで熱時定数Tを取得することが可能になる。 The electromotive force of the thermoelectric conversion device 11 is proportional to the temperature difference ΔT between the high-temperature side and the low-temperature side of the thermoelectric conversion module 11a due to the Seebeck effect (V = SΔT). Therefore, the time response of the voltage V shows the same behavior as the time response of the temperature difference ΔT. Because of this, the thermal time constant T of the voltage V can be regarded as the thermal time constant T as it is, so it is possible to obtain the thermal time constant T by measuring only the voltage V.
よって、本実施の形態においては、熱電対などの熱計測のハードウェアを追加することなく、熱電変換制御装置12が、電気計測のみで熱電変換装置11の熱時定数を取得することができ、安価かつ簡便に熱電変換装置11の出力電力を最大値に近づけることができる。
Therefore, in this embodiment, the thermoelectric
なお、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。 In addition, it is possible to freely combine each embodiment, and to modify or omit each embodiment as appropriate.
上記した説明は、すべての態様において、例示であって、例示されていない無数の変形例が想定され得るものと解される。It is understood that the above description is illustrative in all respects and that countless variations not illustrated may be envisaged.
11 熱電変換装置、11a 熱電変換モジュール、11b 高温側熱交換器、11c 低温側熱交換器、12 熱電変換制御装置、12a 電力変換部、12b 電流電圧測定部、12c 電力変換制御部、13 負荷。 11 thermoelectric conversion device, 11a thermoelectric conversion module, 11b high temperature side heat exchanger, 11c low temperature side heat exchanger, 12 thermoelectric conversion control device, 12a power conversion unit, 12b current and voltage measurement unit, 12c power conversion control unit, 13 load.
Claims (11)
前記電流電圧測定部によって計測された前記電流および前記電圧に基づいて、前記熱電変換装置の出力電力を最大化させるために前記熱電変換装置の出力端子に接続すべき負荷抵抗値である最大出力負荷抵抗値を算出し、前記電力変換部の入力端子側から前記電力変換部を見た抵抗値が前記最大出力負荷抵抗値になるように、前記熱電変換装置から前記電力変換部に入力される前記電流を制御する電力変換制御部と、
を備え、
前記電力変換制御部は、前記電力変換部に入力される前記電流を一定値だけ変化させ、前記電流を変化させた直後に計測された前記電圧と前記電流を変化させた後に前記電圧が安定してから計測された前記電圧との差分と、前記電流を変化させたときの前記電流の変化量とに基づいて、前記熱電変換装置の前記最大出力負荷抵抗値を算出する、
熱電変換制御装置。 a current/voltage measuring unit that measures a current and a voltage input from a thermoelectric converter to a power converter that converts the power output from the thermoelectric converter;
a power conversion control unit that calculates a maximum output load resistance value, which is a load resistance value to be connected to an output terminal of the thermoelectric conversion device in order to maximize the output power of the thermoelectric conversion device, based on the current and the voltage measured by the current/voltage measurement unit, and controls the current input from the thermoelectric conversion device to the power conversion unit so that the resistance value of the power conversion unit as viewed from the input terminal side of the power conversion unit becomes the maximum output load resistance value;
Equipped with
the power conversion control unit changes the current input to the power conversion unit by a constant value, and calculates the maximum output load resistance value of the thermoelectric conversion device based on a difference between the voltage measured immediately after the current is changed and the voltage measured after the voltage is stabilized after the current is changed, and an amount of change in the current when the current is changed.
Thermoelectric conversion control device.
請求項1に記載の熱電変換制御装置。 the power conversion control unit changes the thermoelectric conversion device from an open state to a short-circuit state when changing the current input to the power conversion unit;
The thermoelectric conversion control device according to claim 1 .
前記電力変換制御部は、前記電流および前記電圧の2点以上の計測結果から算出した前記熱電変換装置の内部抵抗値に基づいて、前記熱電変換装置の前記最大出力負荷抵抗値を算出する、
請求項1または請求項2に記載の熱電変換制御装置。 the current/voltage measuring unit measures the current and the voltage input to the power conversion unit at two or more points,
the power conversion control unit calculates the maximum output load resistance value of the thermoelectric conversion device based on an internal resistance value of the thermoelectric conversion device calculated from measurement results of the current and the voltage at two or more points;
The thermoelectric conversion control device according to claim 1 or 2.
Rpmax=Rint+(V1-V2)/ΔI
の関係式を用いて算出する、
請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の熱電変換制御装置。 If the voltage measured immediately after the change in the current is V 1 , the voltage measured after the voltage has stabilized is V 2 , the amount of change in the current is ΔI, and the internal resistance value of the thermoelectric conversion device is R int , the power conversion control unit calculates the maximum output load resistance value R pmax of the thermoelectric conversion device as follows:
R pmax = R int + (V 1 - V 2 )/ΔI
The calculation is performed using the following relation:
The thermoelectric conversion control device according to any one of claims 1 to 3.
請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の熱電変換制御装置。 the power conversion control unit calculates a thermal time constant of the thermoelectric conversion device from the measurement results of the current and the voltage at three or more points, and determines a waiting time until the voltage stabilizes after changing the current based on the calculated thermal time constant.
The thermoelectric conversion control device according to any one of claims 1 to 4.
請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の熱電変換制御装置。 The power conversion unit is further provided.
The thermoelectric conversion control device according to any one of claims 1 to 5.
(b)前記工程(a)の直後に、前記熱電変換装置から前記電力変換部に入力される前記電流および電圧を計測する工程と、
(c)前記工程(b)の後、前記電圧が安定してから、前記熱電変換装置から前記電力変換部に入力される前記電流および前記電圧を計測する工程と、
(d)前記工程(b)で計測された前記電圧と前記工程(c)で計測された前記電圧との差分と、前記工程(a)での前記電流の変化量とに基づいて、前記熱電変換装置の出力電力を最大化させるために前記熱電変換装置の出力端子に接続すべき負荷抵抗値である最大出力負荷抵抗値を算出する工程と、
(e)前記電力変換部の入力端子側から前記電力変換部を見た抵抗値が前記最大出力負荷抵抗値になるように、前記熱電変換装置から前記電力変換部に入力される前記電流を制御する工程と、
を備える熱電変換装置の制御方法。 (a) changing, by a constant value, a current input from a thermoelectric converter to a power converter that converts the power output from the thermoelectric converter;
(b) measuring the current and voltage input from the thermoelectric converter to the power converter immediately after the step (a);
(c) measuring the current and the voltage input from the thermoelectric converter to the power converter after the voltage has stabilized after the step (b);
(d) calculating a maximum output load resistance value, which is a load resistance value to be connected to an output terminal of the thermoelectric conversion device in order to maximize the output power of the thermoelectric conversion device, based on a difference between the voltage measured in the step (b) and the voltage measured in the step (c) and an amount of change in the current in the step (a);
(e) controlling the current input from the thermoelectric converter to the power conversion unit so that a resistance value of the power conversion unit as viewed from an input terminal side of the power conversion unit becomes the maximum output load resistance value;
A control method for a thermoelectric conversion device comprising:
請求項7に記載の熱電変換装置の制御方法。 In the step (a), when the current input to the power conversion unit is changed, the thermoelectric conversion device is changed from an open state to a short-circuit state.
A method for controlling a thermoelectric conversion device according to claim 7.
を含み、
前記工程(d)において、前記電流および前記電圧の2点以上の計測結果から算出した前記熱電変換装置の内部抵抗値に基づいて、前記熱電変換装置の前記最大出力負荷抵抗値を算出する、
請求項7または請求項8に記載の熱電変換装置の制御方法。 (f) measuring the current and the voltage input to the power conversion unit at two or more points;
Including,
In the step (d), the maximum output load resistance value of the thermoelectric conversion device is calculated based on an internal resistance value of the thermoelectric conversion device calculated from measurement results of the current and the voltage at two or more points.
A method for controlling the thermoelectric conversion device according to claim 7 or 8.
Rpmax=Rint+(V1-V2)/ΔI
の関係式を用いて算出される、
請求項7から請求項9のいずれか一項に記載の熱電変換装置の制御方法。 In the step (d), the voltage measured immediately after the change in the current is denoted as V 1 , the voltage measured after the voltage has stabilized is denoted as V 2 , the amount of change in the current is denoted as ΔI, and the internal resistance value of the thermoelectric converter is denoted as R int . Then, the maximum output load resistance value R pmax of the thermoelectric converter is given by:
R pmax = R int + (V 1 - V 2 )/ΔI
It is calculated using the following relation:
A method for controlling the thermoelectric conversion device according to any one of claims 7 to 9.
をさらに備え、
前記工程(d)における前記電圧が安定するまでの待ち時間は、前記工程(g)で算出された前記熱時定数に基づいて決定される、
請求項7から請求項10のいずれか一項に記載の熱電変換装置の制御方法。 (g) calculating a thermal time constant of the thermoelectric conversion device from the measurement results of the current and the voltage at three or more points;
Further equipped with
The waiting time until the voltage is stabilized in the step (d) is determined based on the thermal time constant calculated in the step (g).
A method for controlling the thermoelectric conversion device according to any one of claims 7 to 10.
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