專利名稱：電功率產(chǎn)生裝置和電功率產(chǎn)生裝置的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用熱電元件的電功率產(chǎn)生裝置。更特別的是，本發(fā)明涉及電功率產(chǎn)生裝置中電功率轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的電功率的控制。該電功率產(chǎn)生裝置位于汽車等的排氣裝置中，它使用電功率轉(zhuǎn)換器來(lái)提供由于廢氣和冷卻介質(zhì)之間的溫差而產(chǎn)生的電功率。
背景技術(shù)：
熱電的功率產(chǎn)生裝置是眾所周知的，它再生如電功率，包含從燃燒裝置如汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)排放的廢氣中的熱能。在這樣的熱電的功率產(chǎn)生裝置中，熱電元件的一端由廢氣加熱，而熱電元件的另一端通過(guò)冷卻介質(zhì)如冷卻液冷卻，由于廢氣和冷卻介質(zhì)之間的溫差使得在熱電元件中產(chǎn)生電功率。產(chǎn)生的電功率的電壓經(jīng)電功率轉(zhuǎn)換器增加和平滑后，向電池等提供電功率。
同時(shí)，熱電元件的輸出電功率取決于獲得輸出電功率時(shí)的電流值而改變。此外，這種電流-電功率(電壓)特性同樣取決于熱電元件兩端中的每一端的溫度的變化而改變。因此，如日本專利申請(qǐng)公報(bào)JP-A-6-22572中指出的，為了在熱電元件高溫側(cè)的條件和熱電元件低溫側(cè)的條件改變時(shí)有效的獲取電功率，例如，當(dāng)使用汽車的廢氣產(chǎn)生電功率時(shí)，當(dāng)由電流-電功率(電壓)特性獲取電功率時(shí)控制電流是必要的。在這一技術(shù)中，測(cè)量熱電元件高溫側(cè)的溫度和低溫側(cè)的溫度；輸出的電功率成為最佳時(shí)的電流值是基于被測(cè)量溫度的熱電元件的輸出特性而獲得的，該輸出特性是預(yù)先獲得的；控制電流值與獲得電功率時(shí)獲取的電流值相等。
為了在熱電元件的高溫側(cè)和低溫側(cè)緊密地貼上溫度傳感器，需要如定位架一樣的固定裝置。固定裝置和溫度傳感器充當(dāng)熱敏電阻。結(jié)果，傳遞進(jìn)熱電元件的熱量減少，電功率產(chǎn)生效率同樣減少。同樣，一般情況下，為了增加產(chǎn)生的電功率把多個(gè)熱電元件連接起來(lái)。然而，由于熱電元件兩端的溫度隨每一熱電元件的變化而改變，因此使用少量的溫度傳感器測(cè)得全部的溫度趨勢(shì)是困難的。同時(shí)，如果增加溫度傳感器的數(shù)量，就增加了成本，降低了電功率產(chǎn)生效率。因此增加溫度傳感器的數(shù)量也是困難的。同樣，為了精確的檢測(cè)溫度的瞬時(shí)變化，增強(qiáng)溫度傳感器的響應(yīng)性是必要的。特別是當(dāng)增強(qiáng)高溫側(cè)的溫度傳感器的響應(yīng)性時(shí)，會(huì)增加成本。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)是提供一種使用熱電元件的電功率產(chǎn)生裝置，該電功率產(chǎn)生裝置不需溫度測(cè)量而使有效的獲取電功率成為可能。
本發(fā)明的第一個(gè)方面涉及一種電功率產(chǎn)生裝置，它包括熱電元件；和電功率轉(zhuǎn)換器，該電功率轉(zhuǎn)換器在熱電元件產(chǎn)生電功率時(shí)控制電流。該電功率轉(zhuǎn)換器在熱電元件產(chǎn)生電功率時(shí)改變電流，以獲得至少兩個(gè)不同的電流值i1和i2，以及相應(yīng)于所述至少兩個(gè)不同的電流值i1和i2的電壓值和電功率值之一，電流值i1小于電流值i2；該電功率轉(zhuǎn)換器在電流-電功率特性曲線上獲得最大電功率處得到一個(gè)電流值，該電流-電功率特性曲線是基于至少兩個(gè)電流值i1和i2以及相應(yīng)于所述至少兩個(gè)電流值i1和i2的電壓值和電功率值之一而確定的；該電功率轉(zhuǎn)換器控制該電流，使得在熱電元件產(chǎn)生電功率時(shí)，該電流的值與獲得最大電功率處的電流值相等。
本發(fā)明的第二個(gè)方面涉及一種電功率產(chǎn)生裝置，它包括熱電元件；和電功率轉(zhuǎn)換器，該電功率轉(zhuǎn)換器在熱電元件產(chǎn)生電功率時(shí)控制電流。該電功率轉(zhuǎn)換器在熱電元件產(chǎn)生電功率時(shí)改變電流，以獲得相應(yīng)于至少兩個(gè)不同的電流值i1和i2的電壓值V1和V2，電流值i1小于電流值i2；該電功率轉(zhuǎn)換器控制該電流，使得在熱電元件產(chǎn)生電功率時(shí)，該電流的值與電流值it相等，電流值it滿足方程式it＝(i2V1-i1V2)/2(V1-V2)。
熱電元件的電流(i)-電壓(V)特性取決于熱電元件的高溫側(cè)和熱電元件的低溫側(cè)的溫度而改變。一般情況下，電流(i)-電壓(V)特性可用一個(gè)方程式表示，V＝V0-k×i(在這個(gè)方程式中，0≤i≤V0/k，V0和k的值根據(jù)熱電元件高溫側(cè)和熱電元件低溫側(cè)的溫度而改變，參考圖3)。因此，輸出電功率W用一個(gè)方程式表示為，W＝i×(V0-k×i)＝i×V0-k×i2。因此，當(dāng)“dW/di＝0”時(shí)，也就是說(shuō)，在“it＝V0/(2×k)”的情況下獲得最大電功率Wmax。當(dāng)熱電元件的高溫側(cè)和低溫側(cè)的溫度是給定溫度時(shí)獲得電流和電壓的組合(i1，V1)和(i2，V2)，最大電功率處獲得的電流值it就可以根據(jù)方程式it＝(i2V1-i1V2)/2×(V1-V2)計(jì)算得出。
在本發(fā)明的第二個(gè)方面中，該電功率轉(zhuǎn)換器可以包括一個(gè)安培計(jì)用于測(cè)量熱電元件中的電流值，和一個(gè)伏特計(jì)用于測(cè)量熱電元件輸出端之間的電壓值。
在本發(fā)明的第二個(gè)方面中，熱電元件可以包括一個(gè)高溫側(cè)端面和一個(gè)低溫側(cè)端面，并且可以根據(jù)高溫側(cè)端面和低溫側(cè)端面之間的溫差產(chǎn)生電功率。
在本發(fā)明的第二個(gè)方面中，高溫側(cè)端面設(shè)在汽車排氣通道的附近，冷卻裝置設(shè)在低溫側(cè)端面上。
本發(fā)明的第三個(gè)方面涉及一種電功率產(chǎn)生裝置，它包括熱電元件；和電功率轉(zhuǎn)換器，該電功率轉(zhuǎn)換器在熱電元件產(chǎn)生電功率時(shí)控制電流。該電功率轉(zhuǎn)換器在熱電元件產(chǎn)生電功率時(shí)改變電流，以獲得相應(yīng)于至少兩個(gè)不同的電流值i1和i2的電功率值W1和W2，電流值i1小于電流值i2；該電功率轉(zhuǎn)換器基于電流值i1與獲得的電功率值Wi的組合和電流值i2與獲得的電功率值W2的組合而計(jì)算出電流-電功率特性曲線；該電功率轉(zhuǎn)換器使用電流-電功率特性曲線獲得最大電功率并在此獲得一個(gè)電流值；該電功率轉(zhuǎn)換器控制該電流，使得在熱電元件產(chǎn)生電功率時(shí)，該電流的值與獲得最大電功率處的電流值相等。
如上所述，電流-電壓特性可由方程式W＝i×(V0-k×i)＝i×V0-k×i2表示，電流-電壓特性曲線是基于電流值i1與獲得的電功率值W1的組合和電流值i2與獲得的電功率值W2的組合而獲取的，電流it的值是由這一電流-電壓特性曲線獲得的。更特殊的是，可以在k和V0的值得到之后獲得電流it的值，或者在存儲(chǔ)裝置中存儲(chǔ)電流it的值。
當(dāng)基于電流值i1與獲得的電功率值W1的組合和電流值i2與獲得的電功率值W2的組合計(jì)算出多條電流-電功率特性曲線時(shí)，該電功率轉(zhuǎn)換器可以獲得相應(yīng)于電流i3的電壓值和電功率值之一，電流值i3與電流值i1和i2不同，電功率轉(zhuǎn)換器可以從基于電流值i3與和相應(yīng)于電流值i3的電壓值和電功率值之一的組合而估算出的多條電流-電功率特性曲線中選擇電流-電功率特性曲線。
通常，電流-電功率特性曲線依賴于兩個(gè)常值V0和k的變化而改變。因此，當(dāng)獲得兩個(gè)電流和電壓的組合時(shí)，V0和k的值應(yīng)該確定，電流-電功率特性曲線也應(yīng)該被確定。然而，由于測(cè)量電流值和電壓值的精確度有限制，精確度不能比所需值更高。當(dāng)考慮到每一被測(cè)值的誤差或精確度的改變而估算多條電流-電功率曲線的情況下，獲得另外的電流和電壓或電功率的組合，而電流-電功率特性曲線是從多條估算出的電流-電功率特性曲線中選擇出來(lái)的。
根據(jù)本發(fā)明，測(cè)量出電流值和電壓值或電功率值，不需在包括熱電元件的熱電模塊中提供額外的傳感器。因此，沒(méi)有改變熱阻，沒(méi)有減少電功率產(chǎn)生效率。同樣，使用相對(duì)低成本的傳感器精確地測(cè)量電流值，電壓值，電功率值等成為可能。這些傳感器的響應(yīng)性也是好的。因此，快速的在獲得最大電功率處獲得最佳的電流值是可能的。同樣，在發(fā)動(dòng)機(jī)操作狀態(tài)有一瞬時(shí)變化時(shí)適當(dāng)?shù)貙?shí)施電流控制也是可能的。
同樣，這些傳感器能夠被包括在該電功率轉(zhuǎn)換器中。在這種情況下，裝配電功率產(chǎn)生裝置是容易的，而且能夠減少它的制造成本。
在本發(fā)明的第三個(gè)方面中，當(dāng)基于電流值i1與獲得的電功率值W1的組合和電流值i2與獲得的電功率值W2的組合而估算出多條電流-電功率特性曲線時(shí)，該電功率轉(zhuǎn)換器可以獲得相應(yīng)于電流i3的電壓值和電功率值之一，電流值i3與電流值i1和i2不同，而且該電功率轉(zhuǎn)換器可以從基于電流值i3與和相應(yīng)于電流值i3的電壓值和電功率值之一的組合而估算出的多條電流-電功率特性曲線中選擇電流-電功率特性曲線。
在本發(fā)明的第三個(gè)方面中，該電功率轉(zhuǎn)換器可以包括一個(gè)安培計(jì)用于測(cè)量熱電元件中的電流值，和一個(gè)伏特計(jì)用于測(cè)量熱電元件輸出端之間的電壓值。
在本發(fā)明的第三個(gè)方面中，該電功率轉(zhuǎn)換器可以包括一個(gè)安培計(jì)用于測(cè)量熱電元件中的電流值，和一個(gè)瓦特計(jì)用于測(cè)量熱電元件輸出端之間輸出的電功率值。
在本發(fā)明的第三個(gè)方面中，熱電元件可以包括一個(gè)高溫側(cè)端面和一個(gè)低溫側(cè)端面，而且可以根據(jù)高溫側(cè)端面和低溫側(cè)端面之間的溫差產(chǎn)生電功率。
在本發(fā)明的第三個(gè)方面中，高溫側(cè)端面置于汽車排氣通道的附近，冷卻裝置置于低溫側(cè)端面上。
本發(fā)明的第四個(gè)方面涉及一種電功率產(chǎn)生裝置的控制方法，該電功率產(chǎn)生裝置包括熱電元件；和電功率轉(zhuǎn)換器，該電功率轉(zhuǎn)換器在熱電元件產(chǎn)生電功率時(shí)控制電流。該控制方法包括的步驟有在熱電元件產(chǎn)生電功率時(shí)改變電流，以獲得至少兩個(gè)不同的電流值i1和i2，以及相應(yīng)于所述至少兩個(gè)不同的電流值i1和i2的電壓值和電功率值之一，電流值i1小于電流值i2；在電流-電功率特性曲線上獲得最大電功率處得到一個(gè)電流值，該電流-電功率特性曲線是基于至少兩個(gè)電流值i1和i2以及相應(yīng)于所述至少兩個(gè)電流值i1和i2的電壓值和電功率值之一而確定的；該電功率轉(zhuǎn)換器控制該電流，使得在熱電元件產(chǎn)生電功率時(shí)，該電流的值與獲得最大電功率處的電流值相等。
本發(fā)明的第五個(gè)方面涉及一種電功率產(chǎn)生裝置的控制方法，該電功率產(chǎn)生裝置包括熱電元件；和電功率轉(zhuǎn)換器，該電功率轉(zhuǎn)換器在熱電元件產(chǎn)生電功率時(shí)控制電流。該控制方法包括的步驟有在熱電元件產(chǎn)生電功率時(shí)改變電流，以獲得相應(yīng)于至少兩個(gè)不同的電流值i1和i2的電壓值V1和V2，電流值i1小于電流值i2；和控制該電流，使得在熱電元件產(chǎn)生電功率時(shí)，該電流的值與電流值it相等，電流值it滿足方程式it＝(i2V1-i1V2)/2(V1-V2)。
本發(fā)明的第六個(gè)方面涉及一種電功率產(chǎn)生裝置的控制方法，該電功率產(chǎn)生裝置包括熱電元件；和電功率轉(zhuǎn)換器，該電功率轉(zhuǎn)換器在熱電元件產(chǎn)生電功率時(shí)控制電流。該控制方法包括的步驟有在熱電元件產(chǎn)生電功率時(shí)改變電流，以獲得相應(yīng)于至少兩個(gè)不同的電流值i1和i2的電功率值W1和W2，電流值i1小于電流值i2；和基于電流值i1與獲得的電功率值W1的組合和電流值i2與獲得的電功率值W2的組合而估算出電流-電功率特性曲線；在電流-電功率特性曲線上獲得最大電功率處得到一個(gè)電流值；和控制該電流，使得在熱電元件產(chǎn)生電功率時(shí)，該電流的值與獲得最大電功率處的電流值相等。


前述的和更多的本發(fā)明的目標(biāo)、特征和優(yōu)勢(shì)將在下面帶有附圖參考的優(yōu)選實(shí)施例的描述中變得顯而易見(jiàn)。其中相同的數(shù)字用于代表相同的元件，其中圖1是表示本發(fā)明的電功率產(chǎn)生裝置的結(jié)構(gòu)原理圖；圖2是表示圖1中熱電元件結(jié)構(gòu)的圖；圖3是表示熱電模塊的電流(i)-電壓(V)和電流(i)-電功率(W)特性曲線的曲線圖；圖4是表示由圖1中電功率產(chǎn)生裝置實(shí)施的第一個(gè)控制模式的電流控制過(guò)程的流程圖；圖5是解釋第一種控制模式的電流控制過(guò)程中最佳電流值it的計(jì)算方法的圖；圖6是表示由圖1中電功率產(chǎn)生裝置實(shí)施的第二種控制模式的電流控制過(guò)程的流程圖；圖7是解釋第二種控制模式的電流控制過(guò)程中最佳電流值it的計(jì)算方法的圖；圖8是解釋在測(cè)量裝置的精確度低的情況下，當(dāng)在第二種控制模式下實(shí)施電流控制過(guò)程時(shí)特性估算的圖；圖9是表示圖8所示情況下特性辨別過(guò)程的流程圖。
具體實(shí)施例方式
在下文中，將結(jié)合附圖描述本發(fā)明的典型實(shí)施例。為了使其容易理解，只要可能圖中被相同的附圖標(biāo)記指示的部分是相同的，重復(fù)的描述將被省略。
圖1是表示本發(fā)明的電功率產(chǎn)生裝置的結(jié)構(gòu)原理圖。電功率產(chǎn)生裝置1置于汽車排氣系統(tǒng)中。該電功率產(chǎn)生裝置1包括由多個(gè)熱電元件連接在一起而形成的熱電模塊2，和電功率轉(zhuǎn)換器3。如圖2中所示，熱電元件20是由多個(gè)P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體以π型連接起來(lái)而形成的。熱電模塊2的高溫側(cè)通過(guò)絕緣構(gòu)件50固定于其中廢氣流動(dòng)的排氣管4的外側(cè)。熱電模塊2的低溫側(cè)通過(guò)絕緣構(gòu)件51與其中流動(dòng)冷卻液的冷卻箱6連接，兩個(gè)絕緣構(gòu)件50，51都是具有好的熱傳導(dǎo)性的絕緣體，這兩個(gè)絕緣構(gòu)件50，51可以用相同的材料制成。然而，因?yàn)榻^緣構(gòu)件50所處的溫度高，至少絕緣構(gòu)件50需要有好的耐熱性。
熱電模塊2的輸出端與電功率轉(zhuǎn)換器3電連接。該電功率轉(zhuǎn)換器3嵌入了安培表30用于測(cè)量熱電模塊2中的電流值i，和伏特計(jì)31用于測(cè)量輸出端之間的電壓值V。該電功率轉(zhuǎn)換器3包括一個(gè)控制部分32，在這里用于進(jìn)行電流控制。該電功率轉(zhuǎn)換器3具有直流-直流轉(zhuǎn)換器的功能，并與電池7連接?？刂撇糠?2包括ROM，RAM和CPU，等等。在排氣管4中，提供構(gòu)造成翼片狀的散熱裝置41，這樣廢氣中的熱量就能夠有效的傳遞給熱電模塊2。
散熱裝置41由流入廢氣管4的廢氣加熱，并且廢氣的溫度變高。由于熱量從散熱裝置41經(jīng)絕緣構(gòu)件51的傳遞，每一熱電元件20的高溫側(cè)端面端被加熱。同時(shí)，因?yàn)榈蜏貍?cè)端面的熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)經(jīng)絕緣構(gòu)件51被流入冷卻箱的冷卻液帶走。因此，高溫側(cè)端面的溫度和低溫側(cè)端面的溫度變?yōu)楸舜瞬煌?。由于溫度不同而?dǎo)致的塞貝克效應(yīng)使得電流在熱電元件20中流動(dòng)，并獲得了電功率。
圖3是表示熱電模塊的電流(i)-電壓(V)和電流(i)-電功率(W)特性曲線的圖。在圖3中，實(shí)線表示的例子為高溫側(cè)端面的溫度為Th1，低溫側(cè)端面的溫度為Tc1。虛線表示例子的是高溫側(cè)端面的溫度為Th2，低溫側(cè)端面的溫度為Tc2。所有這些溫度的關(guān)系可以用式子來(lái)表示，即(Th1-Tc1)＞(Th2＞Tc2)。
如圖3所示，熱電元件的電流(i)-電壓(V)特性曲線取決于兩端面溫度的變化而改變。當(dāng)溫度在給定的范圍內(nèi)時(shí)，熱電元件的電流(i)-電壓(V)特性曲線依賴于兩端面溫度之間的不同。當(dāng)兩端面的溫度給定時(shí)，電流i和電壓V之間的關(guān)系可用下述的方程式(1)表示，即V＝V0-k×i (1)0≤i≤V0/k V＝0 i＞V0/k在方程式(1)中，V0和k是常值。當(dāng)高溫側(cè)端面的溫度和低溫側(cè)端面的溫度彼此不同時(shí)，V0和k的值也互相不同。也就是說(shuō)，V0和k的值依賴于高溫側(cè)端面和低溫側(cè)端面的溫度。由于輸出功率W可以通過(guò)式子i×V來(lái)獲得，在“0≤i≤V0/k”情況下的電功率可用下述的方程式(2)來(lái)表示。
W＝i×(V0-k×i)＝i×V0-k×i2(2)因?yàn)檩敵鲭姽β蔠可用向上凸的二次函數(shù)來(lái)表示，因此最大電功率Wmax可以在拐點(diǎn)獲得。也就是說(shuō)，最大電功率Wmax是在“dW/di＝0”的情況下獲得的。這時(shí)的電流值it可由下述的方程式(3)來(lái)表示。
it＝V0/(2×k)(3)在電功率轉(zhuǎn)換器3控制在熱電模塊2中流動(dòng)的電流，使得電流值與獲得電功率時(shí)的電流值it相等的情況下，能夠最有效地獲得電功率。
依照本具體實(shí)施例中的電功率產(chǎn)生裝置控制電流，使得該電流值與獲得電功率時(shí)的電流值it相等，而不使用溫度傳感器。
該電流的控制將被清楚地描述。圖4是表示第一個(gè)控制模式的電流控制過(guò)程的流程圖；圖5是解釋第一種控制模式的電流控制過(guò)程中計(jì)算電流值it的方法的圖；該電流的控制過(guò)程由電功率轉(zhuǎn)換器3的控制部分32實(shí)施。
首先，在S1步中，當(dāng)從熱電模塊2獲得電功率時(shí)，參考安培計(jì)30測(cè)得的結(jié)果，電流值變?yōu)殡娏髦礽1和電流值i2。電流值i1和電流值i2的關(guān)系可用式子i1＜i2來(lái)表示。也就是說(shuō)，電流值i1小于電流值i2。例如，優(yōu)選的，電流值i2應(yīng)基本上等于通過(guò)式子2×i1獲得的值。然后，使用伏特計(jì)31檢測(cè)出與電流值i1相對(duì)應(yīng)的電壓值V1和與電流值i2相對(duì)應(yīng)的電壓值V2。
電功率轉(zhuǎn)換器3可以立刻地改變供給熱電模塊2的電流值。因此，兩個(gè)電流值和電壓值的組合能夠在非常短的時(shí)間內(nèi)檢測(cè)出來(lái)。也就是說(shuō)，與高溫側(cè)端面和低溫側(cè)端面溫度的變化相比，兩個(gè)電流值和電壓值的組合能夠被檢測(cè)出來(lái)的速度非常高。因此，電流改變之前和之后溫度的變化可以忽略不計(jì)。
下一步，計(jì)算最佳的電流值it(S2步)。當(dāng)高溫側(cè)端面和低溫側(cè)端面的溫度相等時(shí)，電流(i)-電壓(i)特征曲線顯示為一條直線。因?yàn)殡娏髦礽1與電壓值V1的組合(i1，V1)和電流值i2與電壓值V2的組合(i2，V2)顯示為這條直線上的兩個(gè)點(diǎn)，使用這兩個(gè)點(diǎn)，方程式(1)中V0和k的值可以通過(guò)下面的式子計(jì)算出來(lái)。
V0＝(i2V1-i1V2)/(i2-i1)(4)k＝(V1-V2)/(i2-i1) (5)V0的值獲得之后，最佳的電流值it可以根據(jù)方程式(3)計(jì)算出來(lái)。
最佳的電流值it可以基于電流值和電壓值的組合(i1，V1)和(i2，V2)由下述的方程式(6)直接獲得，不需分別計(jì)算V0和k的值。
it＝(i2V1-i1V2)/{2×(V1-V2)} (6)同樣的，當(dāng)電壓值變?yōu)?時(shí)，可以獲得電流值i3(＝V0/k)，也就是i軸的截距。最佳的電流值it可以等于電流值i3的一半。
更進(jìn)一步地，通過(guò)從儲(chǔ)存在電功率轉(zhuǎn)換器3中的圖讀出，可以計(jì)算出最佳的電流值it。最佳的電流值it相應(yīng)于電流值和電壓值的組合(i1，V1)和(i2，V2)。
在每一個(gè)上述的例子中，獲得的最佳的電流值it與方程式(6)表示的最佳的電流值it相符合，包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
在S3步中，參考安培計(jì)30的輸出，控制熱電模塊2的電功率產(chǎn)生狀態(tài)使得電流值與最佳的電流值it相等。
因而，由于不需使用溫度傳感器就能夠在最佳的電流值處實(shí)施熱電發(fā)電，廢氣中的熱能能夠被有效地轉(zhuǎn)換為電能，電能可以再生。
例如，在冷卻液和廢氣的溫度和流量改變的情況下，或者在從發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)開(kāi)始沒(méi)有經(jīng)過(guò)充足的時(shí)間，而且因此熱電模塊2本身的溫度低而高溫側(cè)端面的溫度沒(méi)有被充分地升高的情況下，高溫側(cè)端面的溫度和低溫側(cè)端面的溫度也發(fā)生改變。因此，應(yīng)該考慮在發(fā)動(dòng)機(jī)的操作狀態(tài)中的瞬時(shí)變化來(lái)決定最佳電流值it是更可取的。
因此，例如，在預(yù)定的時(shí)刻實(shí)施圖4中所示設(shè)定最佳電流值it的過(guò)程。換句話說(shuō)，在不變時(shí)間間隔中可以總是實(shí)施設(shè)定最佳電流值it的過(guò)程，或者重復(fù)地實(shí)施設(shè)定最佳電流值it的過(guò)程的時(shí)間間隔是可變的。例如，基于控制發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)ECU(未示出)的信號(hào)決定是否發(fā)動(dòng)機(jī)的操作狀態(tài)是穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的操作狀態(tài)是瞬態(tài)時(shí)，與發(fā)動(dòng)機(jī)操作狀態(tài)是穩(wěn)態(tài)時(shí)相比，實(shí)施設(shè)定過(guò)程的時(shí)間間隔可以設(shè)短?；蛘撸?dāng)最佳電流值it與預(yù)先設(shè)定的值it相比發(fā)生很大變化時(shí)，實(shí)施設(shè)定過(guò)程的時(shí)間間隔可以設(shè)短，當(dāng)最佳電流值it變化很小時(shí)，時(shí)間間隔可以設(shè)長(zhǎng)。
依照本發(fā)明，由于使用一種簡(jiǎn)單的構(gòu)造就可以實(shí)施熱電模塊的最佳操作，因此可以有效的產(chǎn)生電功率。同樣，由于保持熱電模塊和熱源(例如廢氣和冷卻液)之間的好的熱傳導(dǎo)狀態(tài)是容易的，所以能夠提高電功率產(chǎn)生效率。同樣，通過(guò)裝備電功率轉(zhuǎn)換器3，現(xiàn)有的電功率轉(zhuǎn)換裝置可以高效的運(yùn)行。
接著，將描述第二種控制模式的電流控制過(guò)程。圖6是表示第二種控制模式的電流控制過(guò)程的流程圖；圖7是解釋第二種控制模式的電流控制過(guò)程中最佳電流值it的計(jì)算方法的圖；這種電流控制過(guò)程與第一種控制模式的電流控制過(guò)程一樣是通過(guò)電功率轉(zhuǎn)換器3的控制部分32來(lái)實(shí)施的。
首先，在S11步中，當(dāng)從熱電模塊獲得電功率時(shí)，參考安培計(jì)30測(cè)得的結(jié)果，電流值變?yōu)殡娏髦礽1和電流值i2。電流值i1和電流值i2的關(guān)系可用式子i1＜i2來(lái)表示。也就是說(shuō)，電流值i1小于電流值i2。例如，優(yōu)選的，電流值i2和i1的關(guān)系應(yīng)通過(guò)式子i2≤2×i1來(lái)表示。然后，使用伏特計(jì)31檢測(cè)出與電流值i1相對(duì)應(yīng)的電壓值V1和與電流值i2相對(duì)應(yīng)的電壓值V2。
下一步，計(jì)算出在電流值為i1、電壓值為V1情況下的電功率量W1，和在電流值為i2、電壓值為V2的情況下的電功率量W2(S12步)。電功率量W1用方程式W1＝i1×V1表示，電功率量W2用方程式W2＝i2×V2表示。
然后，進(jìn)行計(jì)算以獲取電流(i)-電功率(W)特性曲線，該曲線經(jīng)過(guò)三點(diǎn)(0，0)，(i1，W1)，和(i2，W2)。該曲線用方程式(2)來(lái)表示。V0和k的值可以根據(jù)下述的方程式(7)和(8)獲得。
V0＝(i22W1-i12W2)/{i1×i2×(i2-i1)} (7)k＝(i2×W1-i1×W2)/{i1×i2×(i2-i1)} (8)V0和k的值獲取之后，最佳的電流值it根據(jù)方程式(3)獲得(S14步)。
通過(guò)從儲(chǔ)存在電功率轉(zhuǎn)換器3中的圖讀出，可以計(jì)算出最佳的電流值it。V0和k的值相應(yīng)于電流值和電功率值的組合(i1，W1)和(i2，W2)，而不是使用方程式(7)和(8)計(jì)算V0和k的值。
在S15步中，參考安培表30的輸出，控制熱電模塊2的電功率產(chǎn)生狀態(tài)使得該電流值與最佳的電流值it相等。
在這種情況下，電功率量基于電流值和電壓值獲得。然而，電功率值可以通過(guò)裝備瓦特計(jì)而不是圖1中所示的伏特計(jì)31獲得。同樣，電功率值可以基于提供給電池7的電功率量來(lái)獲得。
同時(shí)，安培計(jì)、伏特計(jì)和瓦特計(jì)的每一個(gè)輸出值都有誤差?？紤]到誤差，當(dāng)每一測(cè)量裝置的精確度相對(duì)低時(shí)，將會(huì)有多條電流(i)-電功率(W)特性曲線經(jīng)過(guò)兩點(diǎn)(i1，W1)和(i2，W2)，如圖8所示。在下文中，將描述電流控制過(guò)程，通過(guò)這一過(guò)程，甚至在使用相對(duì)低精確度的測(cè)試設(shè)備時(shí)可高精度的獲得最佳電流值it。圖9表示了部分控制過(guò)程的流程圖。這一控制過(guò)程被插入了圖6所示控制過(guò)程的S13步和S14步之間。
在S13步中，選定圖8中所示的特性曲線A和B作為電流(i)-電功率(W)特性曲線的候選曲線。此外，在S21步中，參考由安培計(jì)30測(cè)得的結(jié)果，電流值改變?yōu)橛?×i2獲得的值。這時(shí)獲得了電壓值V3。
在S22步中，電壓值V3和0互相比較。當(dāng)電壓值V3非0時(shí)，選擇特性曲線B(S23步)，當(dāng)電壓值V3為0時(shí)，選擇特性曲線A(S22步)。因此，可以高精度地獲得最佳電流值it。
在這種情況下，又獲得了與電流值2×i2相應(yīng)的電壓值。然而，當(dāng)裝備瓦特表時(shí)，可以獲得與電流值2×i2相應(yīng)的電功率值。同樣，當(dāng)另外獲取電壓值或電功率值時(shí)，電流值不局限于通過(guò)2×i2獲得的值。兩個(gè)電流值之一可以做為最佳電流值的候選，或者可以使用k×i2(優(yōu)選的，k值應(yīng)大于1，并小于或等于2)。
同樣在這些控制模式中，可以獲得與第一種控制模式相同的結(jié)果。
汽車排氣系統(tǒng)中裝備的熱電功率產(chǎn)生裝置已經(jīng)進(jìn)行了描述。然而，本發(fā)明不僅局限于此，例如，本發(fā)明可以應(yīng)用到一個(gè)熱電功率發(fā)生裝置，例如，該裝置將各種類型的內(nèi)燃機(jī)或燃燒裝置的燃燒氣體的熱能、或者熱污水的熱能轉(zhuǎn)化成為電能并重新生成電能。
權(quán)利要求
1.一種電功率產(chǎn)生裝置，它包括熱電元件(2)；和電功率轉(zhuǎn)換器(3)，該電功率轉(zhuǎn)換器在熱電元件(2)產(chǎn)生電功率時(shí)控制電流，其特征在于該電功率轉(zhuǎn)換器(3)在熱電元件(2)產(chǎn)生電功率時(shí)改變電流，以獲得至少兩個(gè)不同的電流值i1和i2，以及相應(yīng)于所述至少兩個(gè)不同的電流值i1和i2的電壓值和電功率值之一，電流值i1小于電流值i2；該電功率轉(zhuǎn)換器(3)在電流—電功率特性曲線上獲得最大電功率處得到一個(gè)電流值，該電流—電功率特性曲線是基于至少兩個(gè)電流值i1和i2以及相應(yīng)于所述至少兩個(gè)電流值i1和i2的電壓值和電功率值之一而確定的，并且該電功率轉(zhuǎn)換器(3)控制該電流，使得在熱電元件(2)產(chǎn)生電功率時(shí)，該電流的值與獲得最大電功率處的電流值相等。
2.如權(quán)利要求1所述的電功率產(chǎn)生裝置，其特征在于該電功率轉(zhuǎn)換器(3)在熱電元件(2)產(chǎn)生電功率時(shí)控制電流，其中，該電功率轉(zhuǎn)換器(3)在熱電元件(2)產(chǎn)生電功率時(shí)改變電流，以獲得相應(yīng)于至少兩個(gè)不同的電流值i1和i2的電壓值V1和V2，電流值i1小于電流值i2；并且在熱電元件(2)產(chǎn)生電功率時(shí)，該電功率轉(zhuǎn)換器(3)控制電流使得電流值與電流值it相等，電流值it滿足等式it＝(i2V1-i1V2)/2(V1-V2)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的電功率產(chǎn)生裝置，其特征在于該電功率轉(zhuǎn)換器(3)包括一個(gè)安培計(jì)(30)用于測(cè)量熱電元件(2)中流動(dòng)的電流值，和一個(gè)伏特計(jì)(31)用于測(cè)量熱電元件(2)輸出端之間的電壓值。
4.如權(quán)利要求1所述的電功率產(chǎn)生裝置，其特征在于熱電元件(2)包括一個(gè)高溫側(cè)端面和一個(gè)低溫側(cè)端面，并且根據(jù)高溫側(cè)端面和低溫側(cè)端面之間的溫差產(chǎn)生電功率。
5.如權(quán)利要求4所述的電功率產(chǎn)生裝置，其特征在于，高溫側(cè)端面置于汽車排氣通道(4)的附近，冷卻裝置(6)置于低溫側(cè)端面上。
6.如權(quán)利要求1所述的電功率產(chǎn)生裝置，其特征在于該電功率轉(zhuǎn)換器(3)在熱電元件(2)產(chǎn)生電功率時(shí)控制電流，其中，該電功率轉(zhuǎn)換器(3)在熱電元件(2)產(chǎn)生電功率時(shí)改變電流，以獲得相應(yīng)于至少兩個(gè)不同的電流值i1和i2的電功率值W1和W2，電流值i1小于電流值i2；該電功率轉(zhuǎn)換器(3)基于電流值i1與獲得的電功率值W1的組合和電流值i2與獲得的電功率值W2的組合而估算出電流—電功率特性曲線；該電功率轉(zhuǎn)換器(3)在電流—電功率特性曲線上獲得最大電功率處得到一個(gè)電流值；該電功率轉(zhuǎn)換器(3)控制該電流，使得在熱電元件(2)產(chǎn)生電功率時(shí)，該電流的值與獲得最大電功率處的電流值相等。
7.如權(quán)利要求1或6所述的電功率產(chǎn)生裝置，其特征在于當(dāng)基于電流值i1與獲得的電功率值W1的組合和電流值i2與獲得的電功率值W2的組合而估算出多條電流—電功率特性曲線時(shí)，該電功率轉(zhuǎn)換器(3)獲得相應(yīng)于電流i3的電壓值和電功率值之一，電流值i3與電流值i1和i2不同，并且該電功率轉(zhuǎn)換器(3)從基于電流值i3與相應(yīng)于電流值i3的電壓值和電功率值之一的組合而估算出的多條電流—電功率特性曲線中選擇電流—電功率特性曲線。
8.如權(quán)利要求1所述的電功率產(chǎn)生裝置，其特征在于該電功率轉(zhuǎn)換器(3)包括一個(gè)安培計(jì)(30)用于測(cè)量熱電元件(2)中流動(dòng)的電流值，和一個(gè)伏特計(jì)(31)用于測(cè)量熱電元件(2)輸出端之間的電壓值。
9.如權(quán)利要求1所述的電功率產(chǎn)生裝置，其特征在于該電功率轉(zhuǎn)換器(3)包括一個(gè)安培計(jì)(30)用于測(cè)量熱電元件(2)中流動(dòng)的電流值，和一個(gè)瓦特計(jì)用于測(cè)量從熱電元件(2)輸出的電功率值。
10.如權(quán)利要求6所述的電功率產(chǎn)生裝置，其特征在于熱電元件(2)包括一個(gè)高溫側(cè)端面和一個(gè)低溫側(cè)端面，并且根據(jù)高溫側(cè)端面和低溫側(cè)端面之間的溫差產(chǎn)生電功率。
11.如權(quán)利要求10所述的電功率產(chǎn)生裝置，其特征在于高溫側(cè)端面置于汽車排氣通道(4)的附近，冷卻裝置(6)置于低溫側(cè)端面上。
12.一種電功率產(chǎn)生裝置的控制方法，該電功率產(chǎn)生裝置包括熱電元件(2)；和電功率轉(zhuǎn)換器(3)，該電功率轉(zhuǎn)換器在熱電元件(2)產(chǎn)生電功率時(shí)控制電流，其特征在于包括以下步驟當(dāng)熱電元件(2)產(chǎn)生電功率時(shí)改變電流以獲得至少兩個(gè)不同的電流值i1和i2，和相應(yīng)于所述至少兩個(gè)不同的電流值i1和i2的電壓值和電功率值之一，電流值i1小于電流值i2；在電流—電功率特性曲線上獲得最大電功率處得到一個(gè)電流值，該電流—電功率特性曲線是基于至少兩個(gè)電流值i1和i2以及相應(yīng)于所述至少兩個(gè)電流值i1和i2的電壓值和電功率值之一而確定的，并且控制該電流，使得在熱電元件(2)產(chǎn)生電功率時(shí)，該電流的值與獲得最大電功率處的電流值相等。
13.如權(quán)利要求12所示的控制方法，其特征在于在熱電元件(2)產(chǎn)生電功率時(shí)改變電流，以獲得相應(yīng)于至少兩個(gè)不同的電流值i1和i2的電壓值V1和V2，電流值i1小于電流值i2；并且在熱電元件(2)產(chǎn)生電功率時(shí)，這樣控制電流，使得電流值與電流值it相等，電流值it滿足等式it＝(i2V1-i1V2)/2(V1-V2)。
14.如權(quán)利要求12所示的控制方法，其特征在于在熱電元件(2)產(chǎn)生電功率時(shí)改變電流，以獲得相應(yīng)于至少兩個(gè)不同的電流值i1和i2的電功率值W1和W2，電流值i1小于電流值i2；電流—電功率特性曲線基于電流值i1與獲得的電功率值W1的組合和電流值i2與獲得的電功率值W2的組合而估算出；利用電流—電功率特性曲線，在獲得最大電功率處得到一個(gè)電流值；控制該電流，使得在熱電元件(2)產(chǎn)生電功率時(shí)，該電流的值與獲得最大電功率處的電流值相等。
全文摘要
當(dāng)由熱電元件獲得電功率時(shí)，電流的值發(fā)生變化，獲得兩個(gè)電流和電壓值的組合(i
文檔編號(hào)H01L35/30GK1658488SQ200510008360
公開(kāi)日2005年8月24日 申請(qǐng)日期2005年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月17日
發(fā)明者井藤裕二, 村田清仁 申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車株式會(huì)社