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2019 年度 実績報告書

高出力化した環境低負荷型熱電池を車載化するためのブレークスルー要素技術開発

研究課題

研究課題/領域番号 19H00772
研究機関東京理科大学

研究代表者

飯田 努  東京理科大学, 基礎工学部材料工学科, 教授 (20297625)

研究分担者 麻原 寛之  岡山理科大学, 工学部, 准教授 (50709615)
研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2022-03-31
キーワード熱電変換 / マグネシウムシリサイド / DC-DCコンバータ / 窒化ガリウム
研究実績の概要

本開発研究は「車載用小型熱発電システム」の基礎要素技術開発であり、(1) 熱伝導を可変できる熱電池基板構造導入によるMg2Si熱電池発電能力向上、および(2) 熱発電専用高昇圧DC-DCコンバータ開発を実施した。
熱伝達制御型基板開発では、有限要素法を基礎とする熱流体解析ソフトをベースとして、熱伝達制御型基板構造を展開でき、温度分布、熱流束分布をもとに電流が流れることで生じるジュール熱、トムソン発熱、ペルチェ吸発熱を実装した熱-電気連成解析可能な熱電発電特性評価高精度シミュレーターを試構築した。試作した熱電池での精密発電特性評価値とシミュレーター値の精度向上を実施し、実測値に対して92%以上の精度でのモデル計算環境を実現した。熱伝達制御型基板では、伝熱制御パラメータであるサーマルビア径および内層配線層数を変化させた基板を試作し、基礎伝熱特性を把握した。
熱電池に接続することに特化した電力変換回路は、熱電池の低電圧出力特性を補う高い昇圧機能を備えた回路が望ましい。そこで、インターリーブ方式の高昇圧型DC-DCコンバータを提案した。本年度は、高温環境で動作可能かつ低オン抵抗のガリウムナイトライド(GaN)スイッチングデバイスを用いた回路の基本動作検証を行った。
まず、回路設計ソフトを用いて高昇圧型電力変換回路のSchematic図を設計した。次に、PCB図の設計データに基づき基板加工機を用いて回路実装を行った。最後に、熱電池の出力特性を模擬電源で再現し、本回路の動作を検証した。本回路は、電流および電圧センサを用いて熱電池(模擬電源)の出力電力をセンシングし、車載用マイクロコンピュータを用いて最大出力電力点を追従する仕様である。電子負荷を用いて48Vバッテリを模擬し、100W程度の入出力電力で実験を行い、電力変換効率および電力利用率が共に85%以上となることを確認した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

熱伝達制御型基板構造に関する開発内容では、熱電発電特性評価高精度シミュレーション環境の構築、基礎熱電発電モジュールの精密発電特性測定とシミュレーション高精度化へのアルゴリズム開発・修正、シミュレーションによる発電特性・熱流量による損失の評価、熱伝達制御型基板の基礎設計および第1次試作を実施した。
DC-DCコンバータ開発での本年度の目標は、実験環境の構築と、GaNスイッチングデバイスを用いたインターリーブ方式高昇圧型DC-DCコンバータの基本回路動作検証であった。まず、実験環境の構築については、熱電池の出力特性を模擬電源で再現し、電子負荷を用いて48Vバッテリへの電力供給を模擬した。高昇圧型DC-DCコンバータの基本動作検証については、回路実験において、本回路の電力変換効率および電力利用率が共に85%以上(最終目標値は95%)となることを確認し、次年度以降、最適化回路設計により性能向上へつなげる下準備が整ったと考えている。

今後の研究の推進方策

熱伝達制御型基板構造に関する開発では、2019年度に構築したシミュレーターを用いて、熱伝達制御型基板のパラメータであるサーマルビア径および内層配線層数の最適な条件を算出しながら、実際の熱伝達制御型基板試作と試作基板から得られる実測値との比較によりシミュレーター制度をさらに向上させる取組みを実施する。2020年度中には最適なサーマルビア径および内層配線層数を具備した基板の試作を行い、熱伝達率を制御し伝熱応答性改善する熱電池への実装に進めるようにする。さらに、熱電池製作時に必要な発電素子について、基板熱伝導特性に整合して高出力を担保できる調合パラメータによりMg2Si原料を作製する。
DC-DCコンバータ開発に関しては、2019年度の研究取組により、実験環境の構築および高昇圧型DC-DCコンバータの基本回路動作検証は完了した。今後は、電力変換効率および電力利用率の観点から本回路の性能を向上させる。具体的には、回路の配線パターンを見直し、電力変換効率を改善する。また、電流センサおよび電圧センサを高感度な素子に変更すると共に、車載用マイクロコンピュータへ実装する最大電力点追従制御のアルゴリズムを見直し、電力利用率を向上させる。これらの取組を通じて、最終的には電力変換効率および電力利用率が共に95%以上の達成を目指す。

  • 研究成果

    (20件)

すべて 2020 2019 その他

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件) 学会発表 (15件) (うち国際学会 14件、 招待講演 1件) 図書 (1件) 備考 (2件)

  • [雑誌論文] Bifurcation analysis in an interrupted dynamical system with state dependent input2020

    • 著者名/発表者名
      S. Uchino, Y. Maeda, T. Iida, H. Ohtagaki, T. Kousaka, H. Asahara
    • 雑誌名

      Transactions of ISCIE

      巻: 33 ページ: 24-30

    • DOI

      10.5687/iscie.33.24

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Analytical and Experimental Approach for Controlling Unstable Oscillation by Changing Switching Timing in an Interrupted Electric Circuit2020

    • 著者名/発表者名
      S. Uchino, H. Asahara
    • 雑誌名

      Journal of Signal Processing

      巻: In press ページ: In press

    • 査読あり
  • [学会発表] Study for MPPT Algorithm with Amplitude Optimization of Periodic Border to DC-DC Converter with Photovoltaic Module2020

    • 著者名/発表者名
      K.Shinohara, T.Kousaka, N.Kasa, H.Ohtagaki, H.Asahara
    • 学会等名
      2020 International Workshop on Nonlinear Circuits, Communications and Signal Processing
    • 国際学会
  • [学会発表] Controlling an Unstable Periodic Waveform Using Evolution of Perturbation in Hybrid Dynamical Systems2020

    • 著者名/発表者名
      S. Uchino, H. Asahara
    • 学会等名
      2020 International Workshop on Nonlinear Circuits, Communications and Signal Processing
    • 国際学会
  • [学会発表] 周期的に変動する閾値が熱電池を有するDC-DCコンバータに及ぼす安定化効果の検証2020

    • 著者名/発表者名
      内野翔太, 飯田努, 高坂拓司, 太田垣博一, 麻原寛之
    • 学会等名
      電子情報通信学会総合大会
  • [学会発表] Enhancing the thermoelectric characteristics of n-type Mg2Si2019

    • 著者名/発表者名
      T. Iida, T. Kawamura, F. Ikeda, J. Nakano, Y. Minamida, T. Kodama, K. Tani, R. Hatanaka, D. Shiojiri R. Inoue, and Y. Kogo
    • 学会等名
      European Materials Research Society
    • 国際学会
  • [学会発表] Waste Heat Recovery of Diesel Engine System using Thermoelectric Module2019

    • 著者名/発表者名
      Keisuke Yokota, Tsutomu Iida, Takahide Motegi, Jin Kusaka, Yasuhiro Daisho, Ryo Inoue, Yasuo Kogo, Hirofumi Tsuchida, Yasuhiko Izumi, Kei Yoshimura
    • 学会等名
      SAE Thermal Management Systems Symposium
    • 国際学会
  • [学会発表] Examination of the formation of electrodes for mid-temperature thermoelectric MnSix materials2019

    • 著者名/発表者名
      Tomoya Kawamura, Tsutomu Iida, Fuyuko Ikeda, Daishi Shiojiri
    • 学会等名
      2019 International Union of Materials Research Society- International Conference in Asia (IUMRS-ICA)
    • 国際学会
  • [学会発表] Improvement of both thermoelectric and mechanical properties for n-type Mg2Si applicable to practical power generation device fabrication2019

    • 著者名/発表者名
      Tsutomu Iida, Koki Kaita, Hiroto Hamba, Fuyuko Ikeda, Tomoya Kawamura, Tomoyuki Kadono, Jyunki Nakano, Yuya Minamida, Takuya Kodama, Kenki Tani, Reina Hatanaka, Daishi Shiojiri, Ryo Inoue, Masato Kotsugi, and Yasuo Kogo
    • 学会等名
      2019 International Union of Materials Research Society- International Conference in Asia (IUMRS-ICA)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Analysis of the electronic states and the local structure of Mg2Si using synchrotron radiation2019

    • 著者名/発表者名
      Tomoyuki Kadono, Tadashi Nishio, Shingo Yamazawa, Naoto Oki, Yoshinobu Takahashi, Ntsumi Takikawa, Akira Yasui, Kiyohumi NItta, Oki Sekizawa, Mako Tokumura, Shoji Takemoto, Naomi Hirayama, Tsutomu Iida, Masato Kotsugi
    • 学会等名
      2019 International Union of Materials Research Society- International Conference in Asia (IUMRS-ICA)
    • 国際学会
  • [学会発表] Evaluating the thermoelectric performance of sintered Mg2Si co-doped with donor and isoelectric impurities2019

    • 著者名/発表者名
      Shuntaro Shiiba, Shunsuke Kondo, Mitsunobu Nakatani, Hiroki Kakio, Daishi Shiojiri, Tsutomu Iida
    • 学会等名
      2019 International Union of Materials Research Society- International Conference in Asia (IUMRS-ICA)
    • 国際学会
  • [学会発表] Investigation of electrode-matrix interface stability for mid-temperature thermoelectric material of Mg2Si2019

    • 著者名/発表者名
      Fuyuko Ikeda, Koki Kaita, Tomoya Kawamura, Daishi Shiojiri, Tsutomu Iida
    • 学会等名
      2019 International Union of Materials Research Society- International Conference in Asia (IUMRS-ICA)
    • 国際学会
  • [学会発表] Thermoelectric Performance of n-type Mg2Si Grown by the Vertical Bridgman Method2019

    • 著者名/発表者名
      Yuki Kayama, Seiya Yamaguchi, Takuya Kodama, Hiroto Hamba, Daishi Shiojiri, and Tsutomu Iida
    • 学会等名
      Materials Research Meeting 2019
    • 国際学会
  • [学会発表] Refinement of the calculated power generation characteristics of a unileg-type Mg2Si thermoelectric module using thermal-electric analysis2019

    • 著者名/発表者名
      Yuki Shiojima, Takeaki Harada, Kenki Tani, Tatsuya Yamashita, Daishi Shiojiri, and Tsutomu Iida
    • 学会等名
      Materials Research Meeting 2019
    • 国際学会
  • [学会発表] Thermoelectric performance of Mg2Si doped with an isoelectric impurity2019

    • 著者名/発表者名
      Daishi Shiojiri, Mitsunobu Nakatani, Shuntaro Shiiba, Hiroki Kakio, and Tsutomu Iida
    • 学会等名
      Materials Challenges in Alternative and Renewable Energy 2019
    • 国際学会
  • [学会発表] Behavior of Current-Controlled DC-DC Converter with TEM2019

    • 著者名/発表者名
      S. Uchino, T. Kousaka, H. Ohtagaki, K. Shinohara, H. Asahara
    • 学会等名
      IEEE Workshop on Nonlinear Circuit Networks
    • 国際学会
  • [学会発表] Basic circuit design of high step-up ratio DC-DC converter2019

    • 著者名/発表者名
      S. Uchino, T. Yamamoto, F. Mohamad, K. Shinohara, T. Iida, T. Kousaka, H. Ohtagaki, H. Asahara
    • 学会等名
      16th International SoC Conference
    • 国際学会
  • [図書] サーマルデバイス~新素材・新技術による熱の高度制御と高効率利用~2019

    • 著者名/発表者名
      飯田努、塩尻 大士、阿武 宏明(12章分担著者名)
    • 総ページ数
      346-356
    • 出版者
      NTS
    • ISBN
      978-4-86043-602-5
  • [備考] 岡山理科大学 工学部 電気電子システム学科 麻原研究室

    • URL

      https://nonlineargroup.jp

  • [備考] 東京理科大学 基礎工学部 材料工学科 飯田研究室

    • URL

      http://www.tus-iidalab.net/jpn/home-jpn.html

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公開日: 2023-12-25  

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