操作热电式发电机的方法

文档序号:7458987阅读:192来源:国知局
专利名称:操作热电式发电机的方法
技术领域
本公开总体地涉及控制由热电式发电机供应的负载。
背景技术
热电效应包括温度差至电压的直接转换以及相反的转换。热电装置当跨过装置有足够温度差时产生电压。相反,当足够强的电压施加到热电装置时,其产生温度差。热电装置可以用于测量温度、发电、冷却物体或加热物体。热电装置是固态装置并通常没有运动部件。热电式发电机(也称热偶发电机)是使用塞贝克效应(Seebeckeffect)将热(为温度差的形式)直接转换至电能的热电装置
发明内容
提供了一种操作供应电能至可变负载构件的热电式发电机的方法。该方法包括命令可变负载构件以第一输出运行,和以被命令的第一输出运行的同时,确定至可变负载构件的第一负载电流和第一负载电压。该方法还包括命令可变负载构件以第二输出运行,和以被命令的第二输出运行的同时,确定至可变负载构件的第二负载电流和第二负载电压。该方法包括从经确定的第一负载电流和电压及经确定的第二负载电流和电压计算热电式发电机的最大功率输出,及命令可变负载构件以第三输出运行。被命令的第三输出被配置为从热电式发电机抽取经计算的最大功率输出。本发明的上述特征和优势及其他特征和优势将从用于实施本发明的最佳模式和其它实施例的以下详细描述连同附图时显而易见。


图I是热电式发电机的示意性等轴侧视图;图2是使用诸如图I中示出的热电式发电机的功率输送系统的示意框图;及图3示出操作供应如图2中示出的可变负载构件的热电式发电机的算法或方法的示意流程图。
具体实施例方式参考附图,其中在几幅图中相同的附图标记对应于相同或相似的构件,图I中示出热电式(TE)发电机10。TE发电机10有两侧,热吸收侧和热释放侧。热吸收侧保持在比热释放侧更高的温度,因此热能从较热侧流向较冷侧。如果TE发电机10被连接至电负载,则一些流经TE发电机10的热能被转换至电能。取决于配置,TE发电机10还可以被操作为热电加热器或热电冷却器,且由此可以更总体地称为热电装置。第一基板12可以是TE发电机10的热吸收侧或热释放侧。第二基板14形成相对侧。在图I中,第一基板12的一部分示出为被移除或切掉,以更好地示出TE发电机10的内部。例如且不限制,当TE发电机10用在车辆(未示出)中时,第一和第二基板12、14中的一个可以与热废气直接热交换连通,且第一和第二基板12、14中的另一个可以与散热器、散热片或与发动机冷却剂(均未在图I中示出)直接热交换连通。N型热电元件16与P型热电元件18成对。基于半导体的类型掺杂剂和导电性,N型和P型元件是不同的半导体。热电元件16、18的相对位置和类型、热电元件16、18对的确切布局和互连、和示出的热电元件16、18的数量仅是说明性的,并不意图限制要求保护的发明的范围。热电元件16、18对通过多个金属互连件20连接。第一电连接件22和第二电连接件24提供与热电元件16、18的电连通,及由此与TE发电机10的电连通。热电元件16、18对创建直流(DC)电压,该直流电压与跨过TE发电机10的温度差大体成比例,但是不一定成线性比例。热电元件16、18对还具有内部电阻,该内部电阻随着增加TE发电机10的平均温度而增加。
因此,通过将第一和第二基板12、14中的一个相对于另一个加热,DC电压被创建在电连接件22、24之间。通过将TE发电机10连接到电负载,DC电流从TE发电机10被驱动通过电连接件22、24到达负载。由TE发电机10产生的功率可以用于为车辆中的辅助电负载或附属负载提供动力。废气温度和流速可以紧密追踪发动机输出功率。然而,由于TE发电机10的DC电压和电阻总体地与跨过TE发电机10的温度成比例并可随其变化,及TE发电机10可以由废气加热,因此由TE发电机10产生的电压可以大大地波动。由此,TE发电机10的电压和功率输出可以随驱动要求显著地改变。此外,TE发电机10的电阻将随着改变发动机负载而改变,尽管可能不如电压改变显著。现在参考图2,并继续参考图I,示出功率输送系统50的示意框图。热电式(TE)发电机52(其可以类似于图I中示出的TE发电机10)供应DC电压和电流至可变负载构件,诸如DC-DC转换器54。DC-DC转换器54将由TE发电机52供给的功率转换至电气系统56,该电气系统56可以包括车辆的附属负载。车辆附属负载可以包括但不限于马达、风扇、照明器件、音频和视频系统、控制器、导航系统、和其它在车辆内的电动构件和系统。可替换地,电气系统56可以包括能量存储装置,该能量存储装置至少部分由来自TE发电机52的功率充电。热源58向TE发电机52提供可变温度差输入。如上所述,热源58可以是在车辆废气和散热器流体之间的温度差,或可以是车辆上可用的别的温度差。由此,来自TE发电机52的输出电压和功率也是可变的。图2的框图包括高度示意性控制器或控制系统60。控制系统60可以包括一个或多个具有存储介质和合适量的可编程存储器的构件(未分开示出),所述构件能够储存和执行一个或多个算法和方法,以控制DC-DC转换器54和车辆的其它构件。控制系统60的每个构件可以包括分布式控制器架构,诸如基于微处理器的电子控制单元(ECU)。附加的模块或处理器可以存在于控制系统60内。当车辆是混合动力或混合电动车辆时,可以将控制系统6O并入到混合动力控制处理器(Hybrid Control Processor, HCP)中。 传感器62与至DC-DC转换器54的输入通信,并被配置为测量、感测或以其他方式确定进入DC-DC转换器54的电压或电流中的至少一个。传感器62传递电压和电流至控制系统60,该控制系统60可以读取电压和电流,连同其它信息,以操作功率输送系统50。可以将控制系统60和传感器62并入DC-DC转换器54中,从而DC-DC转换器54知晓输入电压和电流并计算它自身的运行状态。基于来自控制系统60的命令信号,DC-DC转换器54以被命令的输出电流(Icmd)或被命令的输出电压(Vcmd)运行。非命令的输出电压或输出电流将基于被命令的输出电流或被命令的输出电压分别变化。出于示例目的,在图2中示出的DC-DC转换器54将作为基于被命令的输出电流来运转而在此讨论。由此,改变从控制系统60至DC-DC转换器54的被命令的输出电流将改变由TE发电机52供应的负载。至TE发电机52的输入是来自热源58的可变热能,来自TE发电机52的输出是供应至DC-DC转换器54的可变电压和可变电流。至DC-DC转换器54的输入是由TE发电机52供应的可变电压和可变电流,来自DC-DC转换器54的输出是至电气系统56的受控命令电流和产生的输出电压。TE发电机52基于热源58的波动供应可变电压。从TE发电机52供应的瞬时电压,当由TE发电机52输送的电流为零时,可以称为TE发电机52的等效电压(VTE)。为了 最大化由TE发电机52供应至DC-DC转换器54和电气系统56的功率,由DC-DC转换器54抽取的负载电压需要被优化,以允许来自TE发电机52的最大功率输出。当至DC-DC转换器54的输入负载电压大致为TE发电机52的等效电压的一半时,获得来自TE发电机52的最大功率。至DC-DC转换器54的最优负载电压可经由DC-DC转换器54的被命令的输出电流控制,但来自TE发电机52的实际等效电压并不知道,且基于热源58可能难于预测或估计。由此,控制系统60被配置为确定来自TE发电机52的实际等效电压及计算DC-DC转换器54的最优负载电压,以从TE发电机52抽取最大可用功率。现在参考图3,并继续参考图1-2,示出用于操作热电装置的方法或算法100的示意流程图,所述热电装置诸如图2中示出的TE发电机52。图3中示出的方法或算法100的步骤的确切顺序不是必需的。可以重排序步骤,可以省略步骤,及可以包括附加的步骤。此外,算法100可以是另一算法或方法的一部分或子程序。图3仅示出算法100的高层次(high-level)图。出于示例目的,算法100可以参考关于图2所示和所述的元件和构件被描述。然而,其它构件可以用于实施算法100,及其它构件可以用于实施在所附的权利要求中限定的发明。任何步骤都可以由在控制系统60或另外的控制架构内的多个构件执行。步骤110 :开始读取电压和电流。算法100可以以起始或初始化步骤开始,在此期间,算法100监控DC-DC转换器54或车辆的运行条件。初始化可以响应来自控制系统60的信号而发生。算法100包括读取正在输入至DC-DC转换器54的经测量的瞬时负载电压和经测量的或经计算的负载电流。传感器62或DC-DC转换器54可以测量被算法100读取的负载电压和负载电流。控制系统60还可以检查负载电压和电流的合理性,从而极端离群点可以不被视为测量或计算的误差。算法100有三个时期或时段第一时期、第二时期和第三时期。第一时期是前时期(ti);第二时期是当前时期(t j),并在算法100的当前迭代期间读取;和第三时期是后续时期(tk),该后续时期将跟随算法100的当前迭代,直到算法再次迭代。由此,算法100读取、测量、或估计当前运行的、至DC-DC转换器54的输入的负载电压(Vj)和负载电流(Ij)。时期的实际长度可以在1-10微秒的量级,从而时期可以实际上被作为瞬时事件模拟。当算法100和控制系统60测量、确定、或读取数量(电压或电流)时,可以假定数量在时期的持续时间上实质地恒定或读取的数量是在时期期间内近似瞬时数量的平均值。在前时期(ti)和当前时期(tj)之间的时间间隔,及由此在算法100的迭代之间的时间间隔,可以被配置为使得来自TE发电机52的等效电压(VTE)不太可能实质上改变。例如,当热源58包括废气时,相邻的排气系统的部分可以由金属形成,且可以提供热惯性以平滑化TE发电机52所经历的温度差的改变。步骤112 :第一次经过算法?算法100确定是否是第一次经过算法100的任何循环或迭代。例如,当车辆在非常近期已起动或开始运行时,算法100将具有初始或第一次循环。车辆使用中的任何时候 算法100可以按特定的时间表运行或循环,或可以被调用为周期性地运行-诸如,但不限于,每I到3秒一次。如在图3中看到的,肯定地回答(为是)的基本判定步骤沿标有“ + ”符号(数学加或加法运算符)的路径。类似地,否定地回答(为否)的决策步骤沿标有符号(数学减或减法运算符)的路径。步骤114:初始化变量。在确定是第一次经过算法100之后,算法100初始化变量。例如,前负载电压(Vi)和前负载电流(Ii)可以被设定为预定值或零,这是由于没有之前的算法100的迭代已设定过所述值。步骤116 :将输出命令设定为零。由于算法100处于它的第一次迭代,没有足够信息来确定DC-DC转换器54的最优运行条件以从TE发电机52抽取最大功率。此外,DC-DC转换器54可能仍未开启。由此,DC-DC转换器54的被命令的输出电流(Icmd)被设定为零。步骤120 :结束写入输出命令,设定下一变量。算法100在它的结束步骤写入DC-DC转换器54的被命令的输出电流。被命令的输出电流是DC-DC转换器54在算法100的下一次迭代之前将运行的水平。算法100还重写经测量的电流量(Vj、Ij),其被认为是下一循环的前量(Vi,Ii)。一旦算法100已迭代过多于一次,则有更多的信息为算法100可用,且被命令的输出电流可以被配置为从TE发电机52抽取经计算的最大功率输出。从当前迭代直到下一迭代以被命令的输出电流(Icmd)运行导致DC-DC转换器54以第三负载电压(Vk)抽取,用于后续时期(tk)。算法100确定被命令的输出电流,以便引起DC-DC转换器54在后续时期以第三负载电压运行。当算法100被调用以再次运行时,其返回到起始步骤110。算法100将再次读取或计算负载电压和负载电流(Vj、Ij),其可以与来自前一迭代的前负载电压和负载电流(Vi、Ii)相比较,并可以用于确定TE发电机52的等效电压。可替换地说明,与当以第一输出运行时、确定至DC-DC转换器54的第一负载电流和第一负载电压相比较,当以第二输出运行时、算法100确定至DC-DC转换器54 (可变负载构件)的第二负载电流和第二负载电压。步骤122 :负载电压小于最小电压?在算法100确定不是第一次迭代之后,算法100行进至将经测量的负载电压(Vj)与最小电压(Vmin)相比较。最小电压是如下所述的水平在该水平下,没有运行DC-DC转换器54的尝试。在最小电压之下,DC-DC转换器的低效可以导致没有用于电气系统56的可用功率输出。最小电压可以是预定值或可以大致等于另一运行特征,诸如车辆或电气系统56的总DC电压(额定地,14伏)。如果负载电压在最小电压之下,则算法100在此行进至在步骤116处的将DC-DC转换器54的被命令的输出电流设定为零。随后算法100行进到步骤120以写入被命令的输出电流和重写经测量的电流量(Vj、Ij),其被认为是下一循环的前量(Vi、Ii)。步骤124 :负载电流等于前一负载电流?如果负载电压在最小电压之上,算法100确定TE发电机52是以证明DC-DC转换器54运行的水平运行。算法100将随后行进至确定经测量的负载电流(Ij)是否实质地等于前负载电流(H)。算法100可以请求经测量的负载电流(Ij)和前负载电流(Ii)以一预定量(诸如,但不限于,百分之5到10)分开。算法100基于在两个不同时期、至DC-DC转换器54的负载电压和负载电流输入来计算TE发电机52的等效电压(VTE),所述两个时期是前时期(ti),和当前的、经测量的时期(tj)。然而,为了克服DC-DC转换器54的噪声水平和进行计算,经测量的负载电流(Ij)必须不同于前负载电流(Ii)。由此,被命令的第一输出电流和被命令的第二输出电流必须足够不同,以使得经测量的负载电流足够不同于前一负载电流。步骤126 :增加输出命令。如果经测量的负载电流实质地等于前负载电流,则算法100将通过增加或减少DC-DC转换器54的被命令的输出电流来修正这种情况。可以通过加上预定命令差而进行改变,其被配置为导致DC-DC转换器54以足够不同的经测量的负载电流、在算法100的后续迭代上运行。改变负载电流以获得不同的当前量(Vj、Ij)和前量(Vi、Ii),可以称为振动(dithering)由DC-DC转换器54抽取的负载。在以预定命令差改变被命令的输出电流之后,算法100将再次行进至步骤120,以写入至DC-DC转换器54的被命令的输出电流和开始以经增加的被命令的输出电流运行。算法100还重写经测量的电流量(Vj、Ij),其被认为是下一循环的前量(Vi、Ii)。步骤128 :计算等效电压、后续负载电压和最优输出命令。如果经测量的负载电流实际上不等于前负载电流,则数据足以实际计算由TE发电机52供应的等效电压(VTE)。从由TE发电机52供应的等效电压,控制系统60可以还计算DC-DC转换器54的第三或后续负载电压(Vk)。既然已知TE发电机52的等效电压输出,该后续负载电压被计算,以从TE发电机52抽取最大量的功率。DC-DC转换器54的最优被命令的输出电流被计算,以从DC-DC转换器54产生后续负载电压。然而,仅基于最大化来自TE发电机52的功率输出所需要的,后续负载电压和最优被命令的输出电流两者均为非约束值。然而,DC-DC转换器54可以具有对DC-DC转换器54可以实际掌控的实际后续负载电压或电流的限制。步骤130 :后续负载电压在范围内?算法100将确定后续负载电压是否在预定范围内或在约束限制内。该范围可以基于DC-DC转换器54的运行约束或基于其他考虑而设定。该范围可包括最大和最小后续负 载电压两者(或相关联的负载电流),从而算法100将被命令的后续负载电压与最小负载电压约束和与最大负载电压约束相比较。
此外,从DC-DC转换器54 流至电气系统56的被命令的输出电流也可以具有约束。例如,过剩的电流可以不利地影响在电气系统56内的附件的运行。如果在确定TE发电机52的等效电压之后计算的非约束被命令的输出电流或非约束后续负载电压违反运行限制,则算法100可以必须使被命令的输出电流离开最优水平。取决于比较,算法100将约束或直接行进至结束步骤120,以写入被命令的输出电流。步骤132 :约束输出命令。如果算法100确定后续负载电压在最小负载电压约束或最大负载电压约束之外,则它将调整以使后续负载电压回到可接受范围内。如果后续负载电压在范围之外,则算法100将减少或增加被命令的输出电流,直到DC-DC转换器54的负载电压正好在所述范围内。不论算法100必须减少或增加后续负载电压以使它在可接受范围内,算法100将随后行进到步骤120,以写入至DC-DC转换器54的受约束被命令的输出电流及以被命令的输出电流运行。算法100还重写经测量的电流量(Vj、Ij),其被认为是下一循环的前量(Vi、Ii)。由此,如果被命令的第三负载电压(S卩,非约束后续负载电压)在最小负载电压约束之下,则算法100将命令DC-DC转换器54以第四输出电流运行。被命令的第四输出电流被配置为使得DC-DC转换器54以最小负载电压约束运行。类似地,如果被命令的第三负载电压在最大负载电压之上,则算法100将命令DC-DC转换器54以第五输出电流运行,其被配置为使得DC-DC转换器54以最大负载电压约束运行。然而,如果算法100确定后续负载电压在最小负载电压约束和最大负载电压约束的范围内,则它将直接行进至写入最优被命令的输出电流。由此,如果被命令的第三负载电压处于最小负载电压约束和最大负载电压约束之间,则算法100将命令DC-DC转换器54以最优输出电流运行。算法100将随后行进至步骤120,并写入至DC-DC转换器54的最优(非约束)被命令的输出电流,并以最优被命令的输出电流运行。算法100还重写经测量的电流量(Vj、Ij),其被认为是下一循环的前量(Vi、Ii)。算法100的后续循环将试图确定TE发电机52的等效电压和DC-DC转换器54的后续负载电压,其将最大化来自TE发电机52的功率输出。算法100的后续循环还将确定,DC-DC转换器54的最优命令电流在开始DC-DC转换器54以该水平的运行之前是否需要被约束。尽管关于汽车应用详细描述了本发明,但本领域技术人员将认识到本发明的更宽的适用性。具有本领域常规技术的人将认识到,诸如“之上”、“之下”、“向上”、“向下”等的术语用来描述附图,且不表示对本发明的范围的限制,所述范围如由所附的权力要求所限定的。尽管已经对执行要求保护的发明的较佳模式和其它模式进行了详尽的描述,但是本领域技术人员可得知在所附的权利要求的范围内的用来实施本发明的许多替换设计和实施例。关于联邦资助的研究或开发的声明本发明在美国政府的支持下根据由能源部批准的协议/项目号DE-FC26-04NT42278进行。美国政府对本发明具有一定的权利。
权利要求
1.一种操作供应功率至可变负载构件的热电式发电机的方法,包括 命令可变负载构件以第一输出运行; 在以被命令的第一输出运行的同时,确定至可变负载构件的第一负载电流和第一负载电压; 命令可变负载构件以第二输出运行; 在以被命令的第二输出运行的同时,确定至可变负载构件的第二负载电流和第二负载电压; 从经确定的第一负载电流和电压及经确定的第二负载电流和电压计算热电发电机的最大功率输出 '及 命令可变负载构件以第三输出运行,其中,被命令的第三输出被配置为从热电式发电机抽取经计算的最大功率输出。
2.如权利要求I所述的方法, 其中,计算热电式发电机的最大功率输出包括计算热电式发电机的等效电压;且 其中,命令可变负载构件以被命令的第三输出运行包括计算第三负载电压,其中,所述第三负载电压是经计算的热电式发电机的等效电压的大致两倍,且被命令的第三输出被配置为使得可变负载构件以经计算的第三负载电压运行。
3.如权利要求2所述的方法,其中,所述可变负载构件是DC-DC转换器。
4.如权利要求3所述的方法,其中,所述被命令的第一输出是第一输出电流,所述被命令的第二输出是第二输出电流,且所述被命令的第三输出是第三输出电流。
5.如权利要求4所述的方法,其中,所述被命令的第一输出电流和所述被命令的第二输出电流以至少一预定命令差分开。
6.如权利要求5所述的方法,还包括 将被命令的第三负载电压与最小负载电压约束和最大负载电压约束相比较; 如果被命令的第三负载电压处于最小负载电压约束和最大负载电压约束之间,则命令DC-DC转换器以第三输出电流运行; 如果被命令的第三负载电压在最小负载电压之下,则命令DC-DC转换器以第四输出电流运行,其中,被命令的第四输出电流被配置为使得DC-DC转换器54以最小负载电压约束运行;和 如果被命令的第三负载电压在最大负载电压之上,则命令DC-DC转换器以第五输出电流运行,其中,被命令的第五输出电流被配置为使得DC-DC转换器以最大负载电压约束运行。
7.一种操作供应功率至可变负载构件的热电式发电机的方法,包括 命令可变负载构件以第一输出电流运行; 在以被命令的第一输出电流运行的同时,确定至可变负载构件的第一负载电流和第一负载电压; 命令可变负载构件以第二输出电流运行,其中,被命令的第一输出电流和被命令的第二输出电流以至少一预定命令差分开; 在以被命令的第二输出电流运行的同时,确定至可变负载构件的第二负载电流和第二负载电压;从经确定的第一负载电流和电压及经确定的第二负载电流和电压计算热电发电机的最大功率输出;和 命令可变负载构件以第三输出电流运行,其中,被命令的第三输出电流被配置为从热电式发电机抽取经计算的最大功率输出。
8.如权利要求7所述的方法,其中,所述可变负载构件是DC-DC转换器。
9.如权利要求8所述的方法, 其中,计算热电式发电机的最大功率输出包括计算热电式发电机的等效电 压;且 其中,命令可变负载构件以被命令的第三输出电流运行包括计算第三负载电压,其中,所述第三负载电压是经计算的热电式发电机的等效电压的大致两倍,且被命令的第三输出电流被配置为使得可变负载构件以经计算的第三负载电压运行。
10.如权利要求9所述的方法,还包括 将被命令的第三负载电压与最小负载电压约束和最大负载电压约束比较; 如果被命令的第三负载电压处于最小负载电压约束和最大负载电压约束之间,则命令DC-DC转换器以第三输出电流运行; 如果被命令的第三负载电压在最小负载电压之下,则命令DC-DC转换器以第四输出电流运行,其中,被命令的第四输出电流被配置为使得DC-DC转换器以最小负载电压约束运行;及 如果被命令的第三负载电压在最大负载电压之上,则命令DC-DC转换器以第五输出电流运行,其中,被命令的第五输出电流被配置为使得DC-DC转换器以最大负载电压约束运行。
全文摘要
一种操作供应可变负载构件的热电式发电机的方法,包括命令可变负载构件以第一输出运行,和在以被命令的第一输出运行的同时,确定至可变负载构件的第一负载电流和第一负载电压。该方法还包括命令可变负载构件以第二输出运行,和在以被命令的第二输出运行的同时,确定至可变负载构件的第二负载电流和第二负载电压。该方法包括从经确定的第一负载电流和电压及经确定的第二负载电流和电压计算热电发电机的最大功率输出,及命令可变负载构件以第三输出运行。被命令的第三输出被配置为从热电式发电机抽取经计算的最大功率输出。
文档编号H02N11/00GK102647121SQ20121003621
公开日2012年8月22日 申请日期2012年2月17日 优先权日2011年2月17日
发明者J.D.科吉尔, M.G.雷诺兹 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司
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