摘 要

自从进入21世纪以来，全球能源与环境异常严峻，我国的经济快速增长与资源环境的矛盾日益激化，原来有的所谓粗放式经济增长方式并未得到改变，中央经济工作会议重点部署，转变相关经济发展方式、调整主要经济结构、创新经济发展模式、加快新能源、新材料等战略性新兴产业的发展成为了经济计划工作的重大任务和主攻方向。随着汽车产业的迅猛发展，能源短缺与环境污染问题每天都在加剧。热电模块作为热电的发电单元，对热电模块串并联的拓扑结构进行了大幅优化，可以保证最大限度发挥模块性能。本文以汽车尾气热电发电装置为研究对象，开展了热电模块串并联拓扑结构优化算法和最大功率点跟踪（MPPT）算法研究。

本文提出了一种优化多个热电模块串并联拓扑结构的迭代算法。测试了真实工作情况下模块的开路电压。利用Matlab计算得到最优化的模块串并联拓扑结构。为了让实际中汽车尾气热电发电系统时常以最大功率输出，在此提出了以干扰观测法和二插值曲线拟合法相结合的新型最大功率点跟踪算法，并通过实验验证了可靠性。运用Matlab软件建立了MPPT仿真模型，针对干扰观测法和新型MPPT算法的实现方式以及优缺点充分进行了仿真分析和对比。在硬件平台DC/DC变换器中编辑运用实现了MPPT算法。

关键词：热电发电; 串并联拓扑结构优化; 最大功率点跟踪算法; 仿真计算;实验测试

ABSTRACT

 Since entering twenty-first Century, the global energy and environment is very grim, China's rapid economic growth and environmental resources contradictions increasingly intensified, some of the original so-called extensive mode of economic growth has not changed, the central economic work conference focused on the deployment, change the mode of economic development, adjusting the economic structure, the innovation model of economic development, accelerate the development of new energy, new materials and other strategic emerging industries has become a major task and the main direction of economic work plan. With the rapid development of the automobile industry, the problems of energy shortage and environmental pollution are increasing every day. The thermoelectric module is used as a thermoelectric generating unit, and the topology of the series and parallel connection of the thermoelectric module is greatly optimized, so as to maximize the performance of the module. In this paper, the exhaust gas thermoelectric generator is taken as the research object, and the topology optimization algorithm and the maximum power point tracking (MPPT) algorithm of the thermoelectric modules are developed.

In this paper, an iterative algorithm for optimizing the series parallel topology of multiple thermoelectric modules is proposed. The open circuit voltage of the module under real working conditions is tested. By using Matlab calculation, the optimized module series parallel topology is obtained. In order to make the actual vehicle exhaust thermoelectric system often uses the maximum power output, then put forward a new maximum power point to the disturbance observation method and two interpolation curve fitting method combining tracking algorithm, and the reliability is verified by experiment. The MPPT simulation model is established by using Matlab software, and the simulation method and the advantages and disadvantages of the interference observation method and the new MPPT algorithm are fully simulated and analyzed. In the hardware platform DC/DC converter, the MPPT algorithm is implemented by editing.

Key words: Thermoelectric generation; Serial and parallel topology optimization; Maximum power point tracking algorithm; Simulation calculation; Experimental test

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2课题研究背景及意义 1

1.3国内外研究现状及分析 2

1.4本文主要研究内容 3

第2章 汽车尾气热电发电系统结构及信息采集系统设计 4

2.1热电发电基本原理 4

2.2 汽车尾气热电发电系统整体结构设计 4

2.3 信号采集系统设计 4

2.4 本章小结 6

第3章 热电模块拓扑优化研究 7

3.1 热电模块发电特性主要参数分析 7

3.2 热电模块单模块性能测试 8

3.3 四模块串并联拓扑结构研究与实验测试 9

3.4 最大功率拓扑结构最优解迭代算法设计 10

3.4.1 迭代算法公式推演与实现 10

3.4.2 Matlab算法实现及结果验证 11

3.5本章小结 13

第4章 最大功率点跟踪算法研究与仿真 15

4.1最大功率点跟踪原理 15

4.2最大功率点跟踪基本算法分析 15

4.2.1恒定电压法 16

4.2.2 干扰观测法 16

4.3基于干扰观测法和二插值曲线拟合法的最大功率点跟踪算法 17

4.4值节点的判断条件 18

4.5基于干扰观测法和曲线拟合法相结合的算法的仿真及结果分析 18

4.6本章小结 21

第5章 最大功率点跟踪算法实现与实验测试 22

5.1主拓扑电路 22

5.2主控制电路 23

5.3信号检测及调理电路 24

5.4MPPT算法的软件实现 26

5.5实验结果 27

第6章 总结 28

参考文献 29

致 谢 30

第1章 绪论

1.1 引言

自第一次工业革命之后，蒸汽机的出现使整个人类文明进步了数十年，汽车成为人类文明飞速进步的产物和见证，自诞生至今，经历了数百年的发展与创新，汽车俨然成为人类生活不可缺少的产物。

自进入21世纪以来，全世界的经济猛然增长，社会快速进步，社会能源的消耗愈来愈巨大，能源的应用方式变得越来越多样化，然而根本的方式并没有改变

在交通领域方面，发展节能新能源汽车已成为政府关注的重点和企业研发方向。新能源汽车技术应用，可以减少我们对石油的依赖，得到明显的节能与环保收益。电动汽车产业化和运营商业化的发展，同时也为发展电力相关的类似于汽车发动机电池等相关能动产业提供了良好的平台和基础。另外，电动汽车产业将提供庞大的就业岗位将会为城市带来新的经济增长，同样也能带动相关产业的生产，发展和进化，不仅仅只是能源方面，与能源相关的产业也将兴起，进而推动整个经济实现发展模式的蜕变，促进了经济的相关可持续发展。

新能源汽车的引进会使汽车的价值链发生巨大变化，尤其是由电堆提供热发电商用车的发展尤为令人关注。当前，汽车燃料燃烧释放出的热量中超过30%的热量以废热的形式随汽车尾气而直接排放到环境中，而只有大概25％左右能被有效的收集利用^[1]。若能回收并且再利用这一部分能量，重新利用这些废弃能量，将能大幅提高汽车发动机的效率，减少所造成的环境污染。热电发电是一种可以将热能直接转化为电能进行发电的全固态绿色环保的能量转换方式，它性能稳定，无噪音，寿命长，在汽车尾气余热回收利用方面具有其独特的优势和良好的应用前景。

1.2课题研究背景及意义

在环境污染愈来愈严重，能源短缺越来越明显的今天。汽车尾气热电发电回收利用技术由于其环保绿色的发电方式得到了世界各国的重视。