摘 要

在人类社会高速发展的阶段，能源一直是人类前进的重要保障。汽车保有量的日渐增加，危机在能源的供应上浮现，汽车能源的改造与发展引起了人们极大的关注，国内外热电研究领域的一个热点项目就是利用汽车尾气废热进行热电发电。塞贝克效应是热电发电器主要应用的原理。由于在车载热电发电器工作过程中，输出电压特性软不稳定，所以必须通过DC/DC转换器转换输出稳定的电能，才能用于电子产品的用电或者用于电能存储高效利用。

本文首先阐述课题的研究的背景与意义，对国内外热点领域的研究成果做了概述，然后对热电发电原理及DC/DC转换器作用进行说明，介绍热电发电系统中BUCK型DC/DC转换器的设计方案，制作出主电路拓扑结构，接着对DSP处理器下的DC/DC转换器数字控制进行说明，最后用Matlab软件进行模拟仿真，分析仿真结果，总结结论。

关键词：热电发电；DC/DC转换器；数字控制；Matlab仿真

Abstract

 With the rapid development of human society into the stage, energy has always been an important guarantee for human progress. With the increasing number of cars, the supply of energy is facing a crisis, the transformation and development of automobile energy has aroused great concern, the use of automobile exhaust waste heat for thermoelectric power generation has become a hot topic in the field of thermal research at home and abroad. The main application of the principle of thermoelectric generator is the Seebeck effect. Because the output voltage characteristic is soft and unstable during the working process of the car thermoelectric generator, it is necessary to convert the output power through the DC / DC converter to use it for the electronic product or for the efficient use of the electric energy storage.

In this paper, the background and significance of the research are expounded, and the research results of the hotspots in China and abroad are summarized. Then the thermoelectric power generation principle and the DC / DC converter are described. The BUCK type DC / DC converter in the thermoelectric power generation system is introduced And then the digital control of the DC / DC converter under the DSP processor is described. Finally, the simulation results are analyzed by Matlab software, and the simulation results are analyzed and the conclusions are summarized.

Key words: Thermoelectric power generation; DC / DC converter; Digital control; Matlab simulation

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

第1章 绪论 1

1.1 研究的背景与意义 1

1.2 国内外汽车尾气热电发电技术现状 2

1.2.1 国外研究现状 2

1.2.2 国内研究现状 3

1.3 本文主要研究内容 3

第2章 车载热电发电系统工作原理 5

2.1 热电发电基本效应 5

2.1.1 塞贝克效应 5

2.1.2 珀尔帖效应 6

2.1.3 汤姆逊效应 6

2.1.4 焦耳效应 7

2.1.5 傅里叶效应 7

2.2 热电发电系统结构 7

2.3 DC/DC转换器的作用 8

第3章 DC/DC转换器主电路的设计 10

3.1 Buck型DC/DC转换器基本原理 10

3.2 调制方式 11

3.2.1 PWM调制方式 11

3.2.2 PFM调制方式 12

3.2.3 PSM调制方式 12

3.3 BUCK型DC/DC转换器主电路设计 12

3.4 Buck型DC/DC转换器小信号模型 15

3.5 硬件设计 17

3.5.1变压器设计 17

3.5.2滤波电感L设计 18

3.5.3 滤波电容C设计 18

第4章 DC/DC转换器数字控制及仿真实验 19

4.1 数字PID的原理研究 19

4.2 PWM型DC/DC转换器的数字控制方法 19

4.3 Matlab 仿真实验 20

4.3.1 Buck型DC/DC转换器模拟电路 20

4.3.2 Matlab参数设置 20

4.3.3 Buck变换器仿真波形 22

4.3.4 仿真结果分析 23

第5章 总结与展望 24

5.1 本文完成内容 24

5.2 后期工作展望 24

参考文献 25

致 谢 26

第1章 绪论

1.1 研究的背景与意义

人类社会赖以生存和发展的物质基础是能源，长久以来，随着人类社会的高速发展，能源的消耗速率日益见长，供不应求让能源的消费陷入尴尬的境地，能源问题也一直都被各个国家所重视。地球上的有限的不可再生资源的总量，在我们不断开采不断使用的情况下存储量只会逐年递减，一旦这些能源走向枯竭，人们的日常生活都将面临严重的威胁。按照目前的趋势能源消耗这样发展下去，不加节制，地球上存储的不可再生能源几十年后就将消耗殆尽，解决能源问题的重要性越来越紧迫。这是整个社会，整个世界所要面临和所要解决的问题。再加上能源利用率不高，人类对于能源的使用率仅仅只有34%，剩余的能量都被作为废热和余热直接排放到大气中去，这就造成了大量的能源浪费，非可再生能源使用后排放的污染对环境来说也是一种巨大的伤害。我国是能源生产和消费大国。最近这些年来，能源的消费量始终位居世界第一，但是能源的利用设备效率偏低，造成了巨大浪费^[1]。我国是以煤炭和石油为主要的能源结构，最近几年，天然气所占的比例正逐年增加，庞大的消费人口给能源供应带来了巨大的压力。社会的飞速发展，在消耗能源的同时也污染了环境，节能减排迫在眉睫，国家也出台了很多政策来减少污染，环保的观念日渐深入人心。因此，不仅要减少能源使用量，更重要的是要提高能源利用率和发展可再生能源。

自从汽车诞生以来，一直是人类重要的生产生活工具。随着国民经济的高速发展，突出发展了作为支柱产业的汽车工业，截止到2017年3月，全国汽车保有量首次达两亿辆，机动车保有量继续保持高速增长态势，近五年年均增加近1400万辆。随着人们不断提高的生活水平，汽车逐渐走进千家万户，拥有的汽车数量也不断增多，虽然近几年电动汽车等新能源汽车发展势头很好，但是主要的能源消耗依然是石油，并且汽车用油也是石油主要的消耗渠道。然而，目前汽车发动机对于石油的利用率却极低，石油燃料燃烧产生的能量只有约30%可以转换成机械能来作为汽车行驶的动力，以废气的形式排放出去约40%，另外还有约30%流失在发动机冷却的过程中^[1]。因此，汽车节能问题备受关注。同时，越来越高的汽车电子化程度，使汽车上车载电子产品不断增多，增大了用电负载，对电能需求增加，但是由发动机和发电机组成的发电系统效率非常低下。通过热电发电的形式将汽车尾气废热充分利用起来，是一种既能提高能源利用水平又能加强改善环境的一举两得的做法。