摘 要

随着混合动力汽车的发展，汽车尾气热电发电系统成为一个重要的研究课题。本文对于车用热电发电新型电源系统的综合能量分配与控制的研究，目的在于汽车尾气废热发电功率最大化和弱混合动力系统燃油经济性。

本文首先介绍了温差发电原理，以及汽车尾气热电发电新型车载电源其总体结构，对发电方法有了初步的认识。分析了汽车尾气热电发电装置的结构，从单个热电器件等效电路模型分析，得到它在不同工况条件下的开路电压，最大功率时的对应电流以及平均内阻。求解了物理量对热电器件、热交换器和冷却水箱之间的热应力的分析，从而确定合适的安装压力和布置。用建模提出汽车尾气废热发电弱混合汽车动力系统参数匹配流程，之后对弱混合动力系统和动态工况进行分析，并把分析结果用图表和公式清晰地表现出来，最后利用模糊逻辑控制算法提出车用热电发电新型电源系统的能量控制策略。在车用热电混合动力测试台架和试验车高速巡航中测试了此系统的实际性能。得到了转速，功率，效率，温度等重要指标。并分析数据，得到最高功率点，与最高效率点。实现了节能减排与测定了最大功率输出。

关键词：汽车尾气；温差发电；动态工况；最大功率；节能减排；模糊逻辑控制；能量控制策略

Abstract

With the development of hybrid electric vehicles, automotive exhaust thermoelectric power generation system has become an important research topic. In this paper, the comprehensive energy allocation and control of a new type of power supply system for automotive thermoelectric power generation is studied. The aim is to maximize the power of automotive exhaust heat generation and to improve the fuel economy of a weak hybrid power system.

Firstly, this paper introduces the principle of thermoelectric power generation and the overall structure of a new type of on-board power supply for automotive exhaust gas thermoelectric power generation, and has a preliminary understanding of the power generation method. The structure of automobile exhaust thermoelectric power generation device is analyzed. From the analysis of equivalent circuit model of single thermoelectric device, the open circuit voltage, corresponding current and average internal resistance at maximum power under different working conditions are obtained. The analysis of thermal stress between thermoelectric devices, heat exchangers and cooling water tanks by physical quantities is solved to determine the appropriate installation pressure and layout. The parameter matching process of the weak hybrid power system for automotive exhaust heat power generation is proposed by modeling. Then the weak hybrid power system and dynamic working conditions are analyzed. The analysis results are clearly shown by charts and formulas. Finally, the energy control strategy of the new power system for automotive heat power generation is proposed by using the neural network algorithm. The actual performance of the system is tested on the test bench of vehicle thermoelectric hybrid power and on the high-speed cruise of the test vehicle. The important indexes such as speed, power, efficiency and temperature are obtained. The data are analyzed to get the highest power point and the highest efficiency point. Energy saving, emission reduction and maximum power output are achieved.

Key Words:automobile exhaust; thermal power generation; dynamic working conditions; maximum power; energy saving and emission reduction; fuzzy logic control; energy control strategy

目 录

第1章 绪论 1

1.1本文研究的目的与意义 1

1.2热电发电国内外研究现状综述 2

1.2.1国内研究现状 2

1.2.2国外研究现状 4

1.3本文研究内容 5

第2章 车用热电发电新型电源系统结构设计 6

2.1汽车尾气热电发电的基本概念介绍 6

2.1.1 温差发电原理 6

2.1.2 温差发电材料及器件 8

2.2 车用热电发电新型电源系统的总体结构 10

2.3本章小结 11

第3章 热电发电模块建模 12

3.1汽车尾气热电发电装置的构建 12

3.2单个热电器件等效电路模型分析 13

3.3 热电器件组的布局 16

3.4本章小结 18

第4章 车用热电发电新型电源系统应用于弱混合动力优化控制 19

4.1汽车尾气废热发电弱混合汽车动力系统建模 22

4.2汽车尾气废热发电弱混合汽车动力系统能量分配 22

4.2.1弱混合动力系统状态分析 22

4.2.2动态工况分析 23

4.2.3 能量控制建模与优化策略 26

4.3车用热电发电新型电源系统能量控制 29

4.4本章小结 32

第5章 车用热电发电新型电源系统的测试 33

5.1车用热电混合动力测试台架试验测试数据 33

5.2车用热电发电新型电源系统高速巡航工况测试 35

5.3本章小结 37

第6章 结论与展望 38

6.1研究结论 38

6.2研究展望 38

致谢 39

参考文献 40

第1章 绪论

1.1本文研究的目的与意义

随着社会的进步和发展，汽车已成为越来越受欢迎。在2019年，中国汽车市场有持续的增长。全年汽车销售已经超过2808万。如何节省燃油消耗，减少污染和排放已经成为汽车产业发展的关键问题。温差发电技术是使用半导体材料直接转换热能和电能的绿色技术。来自汽车尾气的废热中含有大量的热量，可以被用来产生电能，从而提高汽车的燃料利用率和实现节能减排。在全球能源危机日益严峻的困境下,为保证经济社会的可持续发展,世界各国均越来越关注节能问题。随着近些年来国内汽车保有量的不断攀升,对石油等不可再生能源的高消耗和过度依赖已经成为制约我国汽车产业持续发展的关键因素。在另一方面,传统内燃机效率相对较低,大量热量伴随着汽车尾气排放散失在大气中,车辆运行对能源的有效利用率不足百分之三十。因此,从汽车尾气回收余热的新技术已经开始应用。热电发电装置使用的高温废气可以建立一个有效的温度差而有效地将热能转换成电能以用于汽车附属电子设备或建立一个混合动力系统。能够有效提高燃油经济性。

半导体温差发电不仅是为了有效地利用地球的地热能，太阳能，海洋热能。

等非污染能源，将其转化为可以加以利用的电能，而且还可以将工业废热、生

活废热等转化为电能，并达到保护环境、节省能源、改良能源结构的目的。半

导体温差发电具有十分好的综合社会经济效益，是一种新型的绿色环保发电技

术。

如图 1-1 所示，在传统的汽车发动机工作过程中，燃料燃烧所产生的化学

能转化成形式不同的能量。其中约 30%能量转化为有效功，供车载电器使用

和驱动汽车行驶；另一部分由冷却系统排出，包括缸盖、活塞、缸套传出的

通过摩擦等产生的热量。最后，能量约40％是直接从废气中的废热的形式排出。

造成了大量的能量损失。假设以我国每年约 2 亿吨汽车燃油消耗，若能够实

现回收利用尾气废热，我国将可以每年回收利用将近 8000 万吨燃油燃烧产生

的能量，这样的应用价值可以说是非常大的了。有相关的研究表明，当尾气废

热的 10%转换成电能的时候，传统的内燃机燃油经济性会提高 20%以上，因此

可以看出，在高效发电层面与燃油经济性上，温差发电技术都提高了客观的现

实收益。如果能够通过新技术实现汽车尾气废热的回收及利用，不仅能够提高

汽车的燃油经济性和动力性能，而且节约了石油能源，减弱温室效应，带来

巨大的经济效益和社会效益，从而使真正节能减排，可为实现“美丽中国”、实现“中国梦”做出贡献。

1.2 热电发电国内外研究现状

1.2.1 热电发电国外研究现状

早在1963 年，美国 Clarkson 大学的学者 Bauer 发现如果汽车上安装一个 600K 的稳定热源，则可以利用这个热源对车载热电发电机方案进行进一步的探讨。紧接着，同时 Clarkson 大学学者 Tomarchio 设计了一个空气冷却的热电发电机，收集汽车在运行时排放尾气中的热能，根据废热发电理论当车速高于 80km/h 时，发电装置能提供这辆车所有电力负载^[1]。使用汽车废气的热能来发电的研究进展主要是受热电材料，耐高温能力和热电转换效率的耐受性的限制。1949年，一篇文章通过在loffe前苏联科学家公布。对半导体热电效应的文章的出版带来了半导体热电材料的新时代。而在这篇文章发表之前，热电材料的材质只限于塞贝克系数约为10uV/K 的金属合金，且应用领域也只局限于温度测量的领域。经过多年的发展，热电材料所指的范围已经大大扩大，其中常见的有：半导体合金，方钴矿类，氧化物和金属硅化物等等。上个世纪的九十年代，美国加利福尼亚州的喷射推进试验室就提出了使用方钴矿化合物作为热电材料的概念。美国密歇根大学的 Ctirad Uher 教授等学者根据能带结构提出一种基本组成为 AmBmMmX2m n 的热电材料据有关机构预测，由于新材料合成技术不断推陈出新，例如 X 射线衍射技术和计算机技术的加入，使得热电材料发展更加迅猛。自半导体热电理论被提出以来，美国、日本等发达国家在基于热电转换（温差发电）的汽车尾气废热发电的应用与研究上，相继取得了一定的成果，国外取得较大进展的公司及研究机构主要包括美国能源部、BSST、Hi-Z、BMW、FORD、GM、Vigeon、TOYOTA 以及俄亥俄州州立大学等^[2]。美国的 Hi-Z 技术公司从 1984 年开始研究热电发电机，美国能源部与其共同启动了一项关于汽车尾气废热回收的课题^[3]。在这之后，该公司推出了不同功率等级的尾气废热回收热电发电机。2001 年该公司利用 250kW 的康明斯柴油机，搭建了台架测试，并进行了道路实验，该康明斯柴油机的排气管上共有 72 块 HZ-14 模块，散热方式为水冷，实验热冷端温差范围在 250~270，基于此种实验前提发电器的输出功率为 30V/1kW（如图 1-2所示），转换效率约为 5%^[4,5]。

图1-2 1kW 热电发电机样机图示

1988 年，Birkholz 在其发表的文章中指出他们利用 FeSi2 材料作为热电材料并在在 Porche 944 车型上构建实验工况，实验结果显示其所搭建的热电发电机可以产生将近几十瓦的电量。同样在 1988 年，日本的 Ikoma 及其团队对外公布了他们所研发的热电发电机最大发电量为 35.6W 的实验结果。在此之后，Ikoma 通过试验分析出了热电发电机效率低原因，他认为通过改进热电发电机，其效率将能达到 1KW，然而，在此之后，他并没有进一步的研究成果。在1997年，科学家MeletaYeA进行了热电发电和加热用从在高山地区卡车发动机尾气废热研究。在为 210 马力功率的发动机工作情况下，热电发电机很好的提供了车辆电力负载，还能给驾驶室部分提供暖气，其产生的总电能为 600W。美国能源署于2004年发起的一个研究项目：汽车尾气热电转换回收。美国通用汽车公司作为首席单位，具有约4％的效率的低温的Bi2Te3热电装置在通过公司开发的废气热电转换系统中使用。汽车在城市况下的热电转换回收率为 350W，而高速公路路况下为 600W，整车燃油的经济性提高了 5%^[6]。同样在 2004 年，福特汽车公司启动了和美国能源部同样的项目研究，项目的目标是实现回收功率 500W。项目分五个阶段进行，到目前尚还处在热电转系统的缩比实验和优化改进阶段。2004 年，克拉克森（Clarkson）大学和 Delphi 在纽约能源研究发展局和美国能源部的要求下研究出了一套热电转换装置，其温差为 200℃，当冷端温度为50℃，发电量约为 300-330W，当冷端温度为90℃时，发电量约为 150-165W。并应用于通用 Sierra 皮卡上实现 12V 直流电输出给汽车电瓶充电^[7]（如图 1-3所示），试验结果显示，该热电发电机可以通过应用此热电转换装置可以提高整车燃油经济性1~ 2%，并且仍有很大改进的空间。

图 1-3 应用于 Sierra 皮卡的 150-165W 热电发电机样机

2012 年 7 月，在丹麦奥尔堡举行的第 31 届国际热电大会上，德国 BMW公司展示了在发动机排气管外围采用环形结构设计的中温热电器件及其汽车尾气热电转换示范汽车，其热电转换装置最大回收功率约为300W，回收电量给主要给车载电器供电，最大节省燃油效率约 1%。

1.2.2 热电发电国内研究现状

在热电发电技术，国内的研究起步较晚，主要集中在热电发电理论，热电发电模块和准备热电材料的性能，旨在为热电发电设备，并准备与优异的热电材料的优化提供理论指导。但是在温差发电装置结构没计和实际应用方面有一些研究，特别是在汽车排气系统中使用的热电发电装置本身的结构研究较少。因此，对热电发电装置的结构的分析和研究具有重要的科学探索意义。和工程实际应用意义。

目前，中国有不少学校与科研机构在从事温差发电技术的研究，武汉理工大学也是其中之一，并且在近几年也取得了不少的科研成果。

武汉理工大学的汽车尾气余热温差发电课题组对温差发电模块性能、温差发

电系统、温差发电器结构优化设计等发面做了细致的研究和探索，其中武汉理工

大学材料学院进行温差发电材料方面的研究，汽车学院和自动化学院共同开发了温差发电的试验台架，在实验研究阶段，基于一款1.6L排量发动机，成功搭建了应用于其尾气系统的温差发电试验系统，可做单个温差发电模块的各项性能试

验。

基于热电发电的基本原理，华南理工大学的温差发电实验室依据汽车排气管内的温度场和化热形式，使用内置的轴向网状温差发电模块和多级转换结构，构建了一种结构新颖的温差发电试验系统，冷端使用外接循环式冷却水实现冷却，可直接连接发动机的水冷系统，这种结构为温差发电装置和发动机的一体化研究提供了技术指导。

清华大学课题组基于温差发电装置的基本原理，搭建了一套能够准确测定温
差发电装置主要性能指标和参数的实验系统，利用该套系统进行了大量的温差发
电实验和主要性能参数测定，实验结果表明，该测试系统能够准确地测定温差发
电装置的热电性能和主要技术参数，该系统的开发，对开发精确的温差发电装置测试系统具有指导意义。
此外南京工业大学的杨双亮对平板式温差发电器的尾气通道内部结构做了改进，设计了一种内部带翅片的尾气通道，并对其进行了换热性能的数值模拟研
究，发现其具有较高的换热系数和温度场，并以相同的思想对冷却水通道进行的
结构优化。

1.3本文研究内容

本论文主要结构和研究内容如下：本研究提出一种汽车尾气废热发电装置-锂电池组-ISG弱混合动力的多能源动力系统，以汽车尾气废热发电功率最大化和弱混合动力系统燃油经济性最优为目标，重点实现汽车尾气废热发电弱混合动力系统参数匹配与优化、热电-油电混合综合能量分配与控制开展相关理论和方法的技术基础研究，并在汽车尾气废热发电示范汽车试验平台上进行验证及优化。它奠定了汽车尾气余热发电混合动力汽车的发展基础，具有重要的理论意义和工程应用价值，奠定了技术基础。

第 2 章 车用热电发电新型电源系统结构设计

2.1 汽车尾气热电发电的基本概念介绍

2.1.1 温差发电原理

温差发电是由热电效应引起的。有三种不同的热电效应。第一个是塞贝克效应;第二个是珀耳帖效应，又名热电的第二效应，这主要是指两种不同的金属材料形成闭合回路时，如若有直流电流，那么在这两种不同金属材料的接触的地方会产生相应的吸收热量或者释放热量的现象。同时，接触处的热量在很大程度上与电流的强度成正比；第三种为汤姆逊效应，也称为第三效应，即当互相接触的材料由于它们之间的存在的温度梯度而产生吸热或放热的现象，同时在材料冷端和热端的接触区域也会生成对应的电动势^[8]。温差发电的产生主要与赛贝克效应、焦耳效应和傅立叶效应有关。赛贝克效应，有称作第一热电效应，是由1821 年法国物理学家托马斯·约翰·塞贝克在考察 Bi-Cu 和 Bi-Te 回路的电磁效应时发现的^[9,10]。此时的实验现象表明，在两种金属不同的导电材料组成的闭合回路，当节点的两端的温度是不同时，闭环回路产生电流，被称为塞贝克效应。该研究证明，当不同的导电金属或者半导体材料间有温度差存在时，一个与冷热端温度大小成正比的电压差会形成。如图 2-1所示

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