（光学工程专业论文）基于汽车尾气废热温差发电系统的车载电源能量管理系统研究.pdf

中文摘要 随着我国社会的进步和发展，汽车变得越来越普及，2 0 11 年我国的汽车市 场继续持续增长，全年汽车销量已经突破1 8 5 0 万辆。如何节省燃油的消耗以及 降低污染和排放成为现在汽车行业发展的关键问题。温差发电技术是一种利用 半导体材料实现热能和电能直接转换的绿色技术，而汽车尾气废热含有大量的 热量，可以将其利用起来产生电能，从而提高了汽车的燃油利用率，实现了节 能减排。 本文的研究是基于武汉理工大学的温差发电实验台架，介绍了汽车尾气废 热温差发电系统的结构和原理以及新的车载电源系统的构成。建立了温差发电 器的数学模型，以及温差发电器的输入输出特性。就如何提高温差发电器的发 电量和发电效率，从热电模块和热电材料的性能、热电模块的几何尺寸、热电 模块的拓扑结构和连接方式、热端和冷端的结构以及冷却方式和夹紧方式等方 面进行了讨论和研究。 本文的重点是讨论基于汽车尾气温差发电系统的车载电源系统的能量管理 和控制策略。本文对车载电源的子系统进行了建模，同时基于a d v i s o r 平台，构 建了基于新型车载电源系统的整车仿真模型。在新的电源系统及其管理和控制 模式下，结合不同的电气负载工况进行了仿真，研究了电源系统能量流的情况， 并对仿真结果进行了比较和分析。仿真结果也证实了在新的电源系统及其管理 和控制模式下，整车的燃油经济性确实得到了提高。 本文的另一个重点是车载电源系统各子模型的建立，特别是温差发电模型 的建立及其优化。需要优化的参数很多，且每个参数的优化需要与不同学科进 行交叉以及运用相应的仿真软件，如气箱和水箱结构的优化需要热力学的知识 及c f d 软件，夹紧方式的优化则需要力学知识及a n s y s 软件，热电模块的拓 扑结构和连接方式的优化则涉及到电工学。 关键诃：温差发电，电源系统，控制策略，建模和仿真 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t y t h ev e h i c l ei sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ep o p u l a r i n2 011c h i n a 。sa u t o m o b i l em a r k e tc o n t i n u c st os u s t a i n e dg r o w t h t h ea n n u a lc a r s a l e sh a v ee x c e e d e d 18 5m i l l i o n h o wt or e a l i z et h ee n e r g y - s a v i n ga n d e m i s s i o n r e d u c t i o nh a sb e c o m eak e yp r o b l e mo ft h ea u t o m o b i l ei n d u s t r y t h e t h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t i o ni sag r e e nt e c h n o l o g y ，w h i c hc a l lc o n v e r th e a te n e r g yt o e l e c t r i c a le n e r g yb yu s i n gs e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l s a st h ec a rt a i lg a sc o n t a i n sal o t o fh e a t ，i tc a nb eu s e dt oc r e a me l e c t r i c i t y a sar e s u l t ，w ei m p r o v et h ef u e le f f i c i e n c y o f t h ec a r , r e a l i zi n gt h ee n e r g ys a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o n t h i s s t u d yi s b a s e do nt h et h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t i o nt e s tb e n c ho fw u h a n t m i v e r s 时o ft e c h n o l o g y ，i n t r o d u c i n gt h es t r u c t u r ea n dt h e o r yo fa u t o m o b i l ee x h a u s t w a s t eh e a tt h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t i o ns y s t e m , a sw e l la st h es t r u c t u r eo f v e h i c l ep o w e r s o u r c e a n di nt h i sp a p e rt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t o ri s e s t a b l i s h e d ，w h o s ei n p u t o u t p u tc h a r a c t e r i s t i c sa r ea l s oc o n t a i n e d o nh o wt oi m p r o v e t h et h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t o r sp o w e ra n de f f i c i e n c y ，t h er e l a t e df a c t o r sa r ed i s c u s s e d a n dr e s e a r c h e d s u c h 舔t h ep e r f o r m a n c eo ft h e t h e r m o e l e c t r i cm o d u l ea n d t h e r m o e l e c t r i cm a t e r i a l s ，t h eg e o m e t r ys i z eo ft h et h e r m o e l e c t r i cm o d u l e ，t h e t o p o l o g ys t r u c t u r ea n dc o n n e c t i o no ft h et h e r m o e l e c t r i cm o d u l e ，t h es t r u c t u r eo ft h e h o ts i d ea n dc o l ds i d e ，t h ec o o l i n gm e t h o d ，t h ec l a m p i n gw a ya n ds oo n t h ef o c u so ft h i s p a p e r i st h er e s e a r c ho fe n e r g ym a n a g e m e n ta n dc o n t r o l s t r a t e g yo fv e h i c l ep o w e rs u p p l ys y s t e mb a s e do na u t o m o b i l ee x h a u s tw a s t eh e a t t h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t i o n t h i sp a p e rb u i l dm o d e l so ft h es u b s y s t e m so ft h ev e h i c l e p o w e rs u p p l ys y s t e m ，a sw e l la st h ev e h i c l es i m u l a t i o nm o d e lb a s e do ni l e wv e h i c l e p o w e rs u p p l ys y s t e mb a s e do nt h ea d v i s o rp l a f f o r m d ot h es i m u l a t i o no ft h en e w v e h i c l ep o w e rs u p p l ys y s t e m , s e l e c t i n gd i f f e r e n te l e c t r i cl o a d s a n dt h e na n a l y s et h e e n e r g yf l o wo ft h ep o w e rs u p p l ys y s t e m m e a n w h i l e t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r e c o m p a r e da n da n a l y s e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sc o n f a mt h a tt h ev e h i c l ef u e le c o n o m y i si m p r o v e db a s e do nt h en e wp o w e rs u p p l ys y s t e ma n dt h en e w c o n t r o ls t r a t e g y a n o t h e re m p h a s i so ft h i sp a p e ri sh o wt ob u i l dt h em o d e l so ft h es u b s y s t e m so f t h ev e h i c l ep o w e rs u p p l ys y s t e m ，e s p e c i a l l yt h et h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t i o ns y s t e m t o i i o p t i m i z et h em o d e lo ft h et h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t o ri sa l s ov e r yd i f f i c u l t ，b e c a u s e t h e r ea l em a n yp a r a m e t e r st o o p t i m i z e w h a t sm o r e ，m o s to ft h ep a r a m e t e r s o p t i m i z i n ga s kf o rd i f f e r e n td i s c i p l i n et h e o r yk n o w l e d g ea n dt h ec o r r e s p o n d i n g s i m u l a t i o ns o f t w a r e f o re x a m p l e ，t oo p t i m i z et h es t r u c t u r eo fg a sb o xa n dt h ew a t e r b o xr e q u i r e st h et h e r m o d y n a m i c sk n o w l e d g ea n dt h ec f ds o f t w a r e t oo p t i m i z et h e c l a m p i n gw a yr e q u i r e st h em e c h a n i c sk n o w l e d g ea n dt h ea n s y ss o f t w a r e t o o p t i m i z et o p o l o g ys t r u c t u r ea n dc o n n e c t i o no ft h et h e r m o e l e c t r i cm o d u l er e q u i r e s e l e c t r i c a lk n o w l e d g e k e yw o r d s ：t h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t i o n ，p o w e rs u p p l ys y s t e m ，c o n u o ls t r a t e g y ， m o d e l i n ga n ds i m u l a t i n g i i i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 随着我国社会的进步和发展，汽车变得越来越普及，2 0 1 1 年我国汽车市场 继续持续增长，平均每月的产销量已经突破1 5 0 万辆，且单独每月的产销量均超 越了1 2 0 万辆，全年汽车销售量突破1 8 5 0 万辆，再次创造了全球纪录m 。而由此 带来了一系列的问题，最主要的一点就是能源的过度消耗和污染排放的增加。 胡锦涛总书记在2 0 0 9 年的联合国大会上向全世界许下承诺，至i j 2 0 2 0 年我国的能 源消耗强度要下降4 0 9 6 _ 4 5 ，同时温室气体的排放强度也要下降4 0 9 卜- 4 5 。可 再生能源比重要提高n 1 5 左右。温家宝总理在2 0 0 9 年年底的哥本哈根气候变化 大会上进一步作出了承诺。作为一个负责任的世界大国，在“十二五”期间我 国要降低能源消耗和温室气体排放的强度，控制和降低主要污染物总量的排放， 同时继续加大节能减排的工作力度。因此，作为约束性的指标，国家提出至u 2 0 1 5 年能源消耗的强度比2 0 1 0 年要下降1 6 ，温室气体的排放强度要下降1 7 。按照 科学发展观和加快转变经济发展方式的要求，建立资源节约型、环境友好型社 会是一个重要的着力点，而节能减排是建设“两型”社会的一个重要举措。节 能减排、建设“两型”社会是科学发展观的内在要求，当然也是应对气候变化 的一个有效手段。 研究表明，现代汽车发动机的热效率只有约3 0 ，其余的能量则以发动机冷 却水、汽车尾气和摩擦损耗等形式耗散了，其中汽车尾气带走的热量约占燃料 燃烧产生的总化学能的4 0 。因此，在节能减排这个特殊的时代背景下，温差发 电技术成为了目前国内外研究的热点，各国政府、汽车厂家、科研单位和高等 院校都在对其进行积极的研究。如果能通过汽车尾气废热温差发电装置将尾气 带走的这部分能量有效地回收和利用，则可以显著地提高整车能源利用率，达 到节能减排的目的。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 汽车尾气废热温差发电国内外研究现状 塞贝克效应于1 8 2 1 年被发现，温差发电技术也已经历了近两个世纪的发展。 温差发电技术是一种利用半导体材料实现热能和电能直接转换的绿色技术，温 武汉理工大学硕士学位论文 差发电技术应用于汽车始于1 9 6 3 年，但发展比较缓慢，随着高性能热电材料的 出现，其开始有了较大的发展。 国内，哈尔滨工业大学的胥大川对热电模块的几何尺寸进行了优化。传统 的参数模型没有考虑接触效应的影响，他研究了模块转换效率和输出功率与温 差电偶臂长度之间的关系，运用费用最小原则对热电模块的几何尺寸进行了优 化，构建了测试热电模块性能的试验平台，制定了一套测试温差发电器的内阻、 热阻、转换效率和最大输出功率的方法h 。 华南理工大学研制的温差发电器采用了轴向网状热电偶结构。其冷却方式 为分离式循环水冷，接入到发动机冷却系统。其温差大、热电偶集成度高。流 场、温度场与电场之间的耦合也得到了强化，如图1 - 1 乜引。 i 图卜l 车用内置式高强度温差发电系统 清华大学构建了一套测试热电性能的平台，它可以非常精确的测试温差发电 器的性能。在该平台的基础之上展开了一些测试热电模块性能的实验h 引。 立- 4 醺抟 聱ti 黧箍髯电嚣l 一 囊可 黼_ 螺嗽捧轷 图卜2 车用内置式高强度温差发电系统 2 武汉理工大学硕士学位论文 武汉理工大学依托复合新材料国家重点实验室，对热电材料进行了研究。 b i ：t e 。系低温热电材料的z t 值( 最大性能优值) 达1 5 ，c o s b 3 系中温热电材料 的z t 值( 最大性能优值) 达1 4 5 ，在国际上也处于领先水平。武汉理工大学与 美国通用公司、神龙汽车有限公司合作，强强联合，充分发挥各自的优势，将 资源进行整合，对汽车尾气废热温差发电系统进行深入的研究，在武汉理工大 学汽车学院搭建了汽车尾气废热温差发电系统的实验台架，做了大量的实验和 理论研究，并准备于2 0 1 3 年前将该系统装车。 图卜3 武汉理工大学汽牟尾气废热温差发电实验台架 同济大学以热力学基本理论为基础，分析了半导体温差发电器件的工作性 能，推导出了在内外均不可逆情况下温差发电器的输出功率及转换效率的数学 表达式，在此基础上讨论了温差发电器在工作条件变化时的输出性能的变化情 况，取得了比较好的理论成果姻，。 日本n i s s a n 汽车公司研究中心研制的温差发电器，其外形尺寸为4 4 0 m m 1 8 0 m m x1 7 0 m m ，接在3 0 0 0 c c 汽油机排气管中部。在温差为5 6 3 k 时每个模块 的输出功率为1 2 w ，共用7 2 个模块敷设在内通道的矩形外壁上。该模块为2 0 m m 2 0 m m x 9 2r a m 的s i g e ，每个模块由8 对热电偶组成，当汽车以6 0 k m h 的速度爬坡时，温差发电器可将废气中1 1 的能量转化，模块的转换效率约为 o 9 ，总的转换效率仅为0 1 ，总的发电量为3 5 6 w 1 。 3 武汉理工大学硕士学位论文 p l a n k t o n 大学与d e l p h i 公司以及g m 公司联合组成的研发小组，应美国能 源部的要求，一起合作研发了一套温差发电系统。整个发电器一共包含1 6 块 h z 2 0 模块，预期发电量问3 0 0 w 。热端为碳钢，冷端为铝制水套，冷热两端由 夹紧装置夹紧嘲。 图1 4p l a n k t o n 大学研制的温差发电器 美国强z 技术公司将温差发电系统与载重柴油车结合起来进行研究，且在 功率为2 5 0 k w ( 3 3 5 h p ) 的康明斯柴油机上进行了台架和道路试验。试验中7 2 个 h z 1 4 模块被圆周排列布置在排气管上，冷端则采用水冷却的方式，冷热两端形 成了2 5 0 c - 2 7 0 。c 的温差，试验共产生了3 0 v l k w 的直流电乜。 美国通用汽车公司的研究中，在汽车排气管上安装一种特殊的电镀金属装 置，由于尾气与空气间存在温差，从而产生电流，汽车则由电动机来驱动。目 前，基于此项技术的设备已经进行了约5 万公里的实车测试实验，节省了约4 的燃油i s 。 俄罗斯联邦科学中心物理与能源工程研究所在高寒地区进行了载重发动机 的发电和取暖的研究。温差发电器采用了平板式和圆柱式两种形式，将其应用 于1 5 4 k w ( 2 1 0 h p ) 的俄制发动机，能够产生约6 0 0 w 的电能，不仅能够满足整车用 电，而且还有余热可供驾驶室取暖。 1 2 2 热电材料的研究现状 热电材料是决定和制约温差发电的最关键因素，也是直接影响温差发电效 率的最关键因素。材料性能也直接决定着其将热能转换成电能的能力。目前对 于热电材料的研究，将其分为以下几类【9 】： ( 1 ) 钴酸盐类氧化物类热电材料 4 武汉理工大学硕士学位论文 钴酸盐类氧化物类热电材料主要运用在中温区温差发电领域。它具有以下优 点：具有丰富的原材料资源；可以在很高的温度下使用；不怕氧化和污染，具 有很长的使用寿命；制备方便，成本低。因此，这类氧化物热电材料在中、高 温温差发电领域具有很好的发展潜力，其典型代表是过渡金属氧化物，主要包 括n a c 0 2 04 , c a 3 c 0 4 0 9 n a c 0 2 0 4 具有很低的热导率和晶格热导率，在室温下具有 较高的电动势，而c a 3 c 0 4 0 9 具有更好的高温稳定性。这两种材料均具有很好的 发展潜力和应用前景。 ( 2 ) 半导体合金热电材料 半导体合金材料是目前应用最广泛，产品性能最成熟的热电材料。对半导体 合金材料的研究也比较成熟，这类材料的主要代表有：p b t c ，b i 2 t c 3 和s i g c p b t c 适用于中低温区域，其适用温度为4 5 0 8 0 0 k ，根据理论研究和实验，其z t 值可 达0 5 。b i 2 t e 3 是典型的低温材料，在室温下具有很高的z t 值，该材料的热电模 块已经大规模使用，主要应用于低温区域的温差发电和制冷方面。采取先进的 制各工艺，也将大大提高其z r 值，据麻省理工学院的h i c k s 研究，将某些绝缘 物质插入b i 2 t e 3 的层状结构，其z t 值将增加3 倍。s i g e 的物理性质特点是可以 形成连续固溶体，它主要用于高温领域，适用温度在7 0 0 k 以上。当温度在1 2 0 0 k 以上时，其z t 值可达到1 ，它可用于航天领域，可以作为航空器中同位素温差 发电系统的模块材料。 ( 3 ) 梯度结构热电材料 热电模块的工作环境温度常常是变化的，往往具有一定的温度梯度，复合 热电组元的最佳工作温度是呈梯度变化的，因此能大大提高能量转化效率。现 在人们也越来越重视和关注对于梯度结构热电材料的制备及研究。该材料可分 为2 种，载流子浓度梯度材料和层状梯度材料。 ( 4 ) s k u t t e m d i t e 类热电材料 s k u t t e m d i t c 热电材料即方钴矿材料，其晶体结构类似c o a s 3 ，该材料电性 能突出，载流子迁移率高，塞贝克系数中等。但是该材料的热导率比其它热电 材料的热导率要高，不过由于它的晶体结构特殊，可以采取合金化、置入填充 原子等措施来降低其热导率，从而大大提高其热电性能。s k u t t e m d i t e 热电材料 具有很好的发展前途。 以上是热电材料的大致分类情况，也是目前国内外热电材料的研究和发展现 状。对于不同工作温度范围热电模块的选择可遵照下表。 5 武汉理工大学硕士学位论文 表1 1 类型温度范围 热电材料 低温( 3 0 0 b i 2 t e 3 及其同溶体合金 中温 3 0 0 一6 0 0 p b t e 、s n t e 高温 6 0 0 一l0 0 0 s i g e 、m n t e 、c e s 为了不断提高热电材料的性能，对于热电材料的研究技术还在不断创新和进 步，现在的主流研究方向分为以下几个方面：掺杂化、薄膜化、梯级化。 1 2 3 车载电源系统研究现状 传统的车载电源系统主要由蓄电池和发电机组成。蓄电池的电压为1 2 v ，发 电机一般则为1 4 v 硅整流发电机。然而随着电气设备和电子装置的增多，需要 电源系统提供的功率越来越大，对车载电源系统的要求也越来越高。目前车载 电源系统的研究趋势是功率大、效率高、功能多。 目前的研究主要从蓄电池和发电机这两个方面入手。比较流行的是4 2 v 车 载电源系统，即将蓄电池和发电机的电压提高到4 2 v ，通过d c d c 转换器来调 整输出电压。 也有研究提出将一种双电源方案，蓄电池的电压仍为1 2 v ，而发电机的电枢 绕组则采用1 4 v 和4 2 v 两组。蓄电池的功用与原先一样，主要是启动发动机、 储存电能以及协同供电。发电机的1 4 v 电压给部分传统电器供电以及给蓄电池 充电，而发电机的4 2 v 电压则为大功率的新型电器供电。这种方案是一种过渡 方案。但不管是哪一种方案，要实现起来均困难重重，面临安全性、可靠性以 及成本等诸多问题，同时要求人量新技术配套产品的出现，势必对诸多供应商 产生巨大的影响和冲击。 因此，目前车载电源系统真正实用的研究还是从传统的车载电源系统上进 行改进，主要包括以下措施：将有电刷励磁电路改为无电刷励磁电路；将六管 整流电路改为九管和十一管整流电路；转换绕组二整流桥串并联关系。以上这 些改进措施能够提高系统的输出功率，但整个电源系统仍存在很多问题，如发 电机效率低、低速发电性能差、可靠性差等。 温差发电器的出现则是对车载电源系统的一个很好的改进和补充，作为供 电装置的一部分，它提高了车载电源系统的输出功率，在传统的1 2 v 电源系统 模式下也能够很好的满足大功率用电需要，很好的弥补了以上诸多方案的不足。 6 武汉理工大学硕士学位论文 同时也很好的改善了整车的燃油经济性，实现了节能的目的。并且随着日后技 术的发展，实现和4 2 v 电源系统的耦合也不是问题。 因此，对于基于汽车尾气温差发电的车载电源系统研究，是非常有意义的， 可行性也非常高。 1 3 本课题的主要研究内容及意义 截至2 0 11 年9 月，我国的机动车保有量已经达n 2 1 9 亿辆。而汽车作为机动 车的主要构成部分，保有量首次突破l 亿辆大关，占机动车总量的4 6 。随着社 会经济的不断发展和人民生活水平的持续提高，我国汽车化进程的速度也在不 断提升，汽车市场需求量持续上升，汽车保有量持续快速增长。2 0 0 6 年至2 0 1 0 年，汽车保有量年均增力1 ：1 9 5 l 万辆，如此庞大的汽车保有量势必会对资源和环境 提出巨大的挑战。节能和新能源汽车的发展是当务之急，国家的节能与新能 源汽车产业发展规划( 2 0 1 卜2 0 2 0 年) 也在酝酿出台之中。汽车尾气废热温差 发电系统这一课题的研究对于节能汽车领域是一个很好的探究和扩充，它不仅 积极响应了政府建立“资源节约型、环境友好型 社会的号召，也是时代发展 的要求。一旦该技术研究成熟，成功应用于实车，将会对汽车行业甚至整个社 会产生极其积极的影响。 具体到本课题的研究内容，主要是对基于汽车尾气温差发电的车载电源进 行研究，涉及以下几个方面： ( 1 ) 建立汽车尾气废热温差发电器的物理模型和数学模型，研究温差发电器 的发电量与发动机转速、工况、环境、热冷端结构、热电模块连接方式等相关 因素的关系，即温差发电器模型的输出与输入的关系的研究。 ( 2 ) 对所构建的整车电源系统进行建模和仿真，对系统的热传递及能量流的 变化进行仿真分析及优化，对装有温差发电系统的汽车与传统汽车在动力性和 燃油经济型等方面做出比较，并对其结果进行评价。 ( 3 ) 对整个温差发电系统能量的产生、收集、应用、管理和控制策略进行研 究。 ( 4 ) 对系统进行整体性能评价及效果分析。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章汽车尾气温差发电系统的结构和原理 2 1 温差发电的基本原理 温差发电是指当半导体材料的两个表面存在温差时，其能产生电动势的现 象。这一现象的出现主要是基于3 种基本的效应，即塞贝克效应、珀尔帖效应 和汤姆逊效应。同时根据电学中的焦耳效应和传热学中的傅里叶效应，实现电 能与热能的转化。 ( 1 ) 塞贝克效应 德国物理学家塞贝克( s c c b a c k ) 于1 9 世纪初发现，在两种不同半导体材料构 成的闭合回路中，当两个接点存在温差时，回路中将产生电动势，即温差电动 势。这种现象称为塞贝克效应，又称作第一热电效应。两种半导体接触时会产 生电势差，这是塞贝克效应的实质。而决定该电势差大小的两个基本因素是半 导体的电子溢出功和有效电子密度。 图2 - i塞贝克效应 当材料两端温差在允许范围之类时，产生的温差电动势v 与冷热两端的 温差t 存在如下关系： 矿= 娣n = 口p n ( 磊j - t a ) a 删。口尸一口 式中，v 一回路产生的温差电动势( v ) ； ( 公式2 一1 ) ( 公式2 2 ) 口朋一半导体相对塞贝克系数( v k ) ； a 户，a ，_ p 、n 极两种材料的塞贝克系数( v k ) 。 塞贝克系数通常较小，常用单位为p v k 。塞贝克系数与电动势一样，也分 8 武汉理工大学硕士学位论文 正负，其数值大小取决于两种导体的热电特性。 表2 - 1 常用材料的塞贝克系数 车| 辩赛贝克系效( u v ，鬈)备注 2 6 0p b 踟 - 2 7 0 n s b 2 阳1 3 3p b i 2 s e 37 7 n 3 8 0p 骶 3 2 0n s 幻g c _ , e o 25 4 0p b , t c2 5 0p ( 2 ) 珀尔帖效应 法国科学家珀尔帖于1 8 3 4 年发现，两种不同的半导体构成闭合回路，若回 路中存在直流电流，则两个接头之间将产生温差，其中一个接头吸热，一个接 头放热，这种现象称为珀尔帖效应，又称作第二热电效应，它是塞贝克效应的 逆效应。 客鬟鬟 纛麓 图2 2 帕尔贴效应 接头发热量的大小与电流的大小成正比，吸热和放热则取决于电流的方向。 接头处的放( 吸) 热量q 可用下式表示： 夕= ( 公式2 3 ) 式中，7 r 玉一珀尔帖系数( w a ) ； i 一回路中电流大小( a ) 珀尔帖系数取决于材料本身的特性，且其是随温度的变化而变化的。温度不 同时，接头处的吸放热量也不同。 9 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 汤姆逊效应 汤姆逊效应由爱尔兰科学家威廉汤姆逊于1 8 5 6 年发现，又称第三热电效 应。当电流在温度不均匀的导体中流过时，导体在产生不可逆的焦耳热同时， 还会吸收或放出一定的热量( 称为汤姆逊热) 。反之，当导体的两端温度不同 时，其两端也将会形成电势差，这就是汤姆逊效应。 图2 3 汤姆逊效应 当电流i 流经导体时，若电流方向与温度方向一致，则吸热，反之则放热。 单位长度的导体吸收( 释放) 的汤姆逊热可由下式表示： 夕= z l a t( 公式2 4 ) 式中，f 一汤姆逊系数( v k ) ； 卜通过导体的电流强度( a ) ； 卜电流方向的温度差( k ) 与塞贝克系数相比，汤姆逊系数的单位也是v k ，数值也是可正可负，但 存在一点不同，即汤姆逊系数只涉及到一种材料的性质。 ( 4 ) 焦尔效应 当导体中有电流流经时，导体将会产生一定的热量，这就是焦耳效应，且 焦耳热q j ( w ) 可用下式表示： 易= 尸刀= 尸譬 ( 公式2 5 ) ) 式中，卜导体的长度( m ) ； p 一导体的电阻率( q m ) ； s 一导体的横截面积( m 2 ) ； r 导体的电阻( q ) ； i 一流经导体的电流( a ) 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 傅立叶效应 热导体在单位时间内沿某个方向传导的热量正比于该方向上的法向面积和 温度梯度，这就是傅里叶效应。其产生的热功率( w ) 可由下式表示： 纺= 傲乃一乃) ( 公式2 6 ) 眉：鲨 ( 公式2 - 7 ) l 式中，卜导体的总导热； a 一导体的导热率； s _ 导体的截面积； 卜导体的长度； 乃一热端的温度； 乃一冷端的温度。 ( 6 ) 开尔文关系式 热力学研究表明，塞贝克电动势与可逆的热电效应存在某种关系，这种关 系可以用开尔文关系式表示。 ( 7 ) 优值系数 优值系数是描述热电材料性能非常重要的参数，它直接反应了材料热电性 能的强弱。该系数由德国科学家阿特克希于1 9 世纪末提出皓，用z t 表示，z t 值 没有量纲。 z t = o e j t | p a ( 公式2 - 8 ) 式中，口一材料的塞贝克系数( i zv k ) ； p 一电阻率( q 朋) ； a 热导率( w m k ) ； 丁= ( 乃+ 乃) 2 。 从上式可以看出，z t 值与塞贝克系数成正比，与电阻率和热导率成反比， 这是指导热电材料研究的基础。 2 2 汽车尾气温差发电系统的结构 汽车尾气温差发电系统是将温差发电用于汽车上，利用汽车尾气产生的热 量作为热源，主要由以下几个基本板块构成：热源、冷却系统、温差发电器、 武汉理工大学硕士学位论文 能量管理系统。在此基础上，具体到细节，各科研机构的研究又各有不同。本 课题的研究是基于武汉理工大学的汽车尾气温差发电实验台架，因此以该台架 展开论述。 副瀵芦器 图2 4 武汉理工大学汽车尾气温差发电系统台架 图2 5 为武汉理工大学尾气温差发电实验台架的一部分，除此之外，还有 控制柜、油耗仪、油箱、蓄电池、测功器台架管道等，未包含在图中。 ( 1 ) 热源 。 汽车尾气温差发电系统 的热源是发动机排出的废气， i v， 一 o ， 发动机排气歧管出口的温度 约为1 0 0 0 k ，根据实验研究，一， 民g u i d et p s s 红外热像仪。影。- - 。w e 瓣亨黧冀臻0i 瑟囊-况进行了拍摄和研究。实验采礴夏：毒j 墨i 二曩z ! 乏：篡：二= = ， 用某2 0 l 排量的发动机，且：- ! 二二二要二二二：二w 二- 二：二：二二： 发动机空载。 一一7 ：，。，一 +1 图2 5 排气管温度分布情况 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 冷却系统 温差发电器比较常见的冷却方式有风冷和水冷两种。风冷是利用空气对流 通过散热器散热。风冷的弊端是汽车低俗行驶或发动机空转时冷却效率低下， 从而极大的降低了温差发电器的工作效率。因此通常采用水冷的冷却方式，武 汉理工大学的实验台架也是采用水冷的冷却方式。 水冷也可分为两种，一种是利用发动机的冷却水循环，即和发动机共用一 套冷却循环系统；另一种是采取单独的冷却循环系统，这种冷却的效果当然要 更好，但是要占据更大的空间。目前本课题的研究还处于是实验认证阶段，对 于温差发电系统的研究也是以实验台架为基础，还没有与实车结合，因此暂时 还没有考虑装车时立体空间的影响，采用的是单独的一套冷却循环系统，由水 泵、散热器、风扇、冷却剂等构成。若研究进行到将温差发电系统装车时，具 体的冷却方式还需进一步研究和论证。 ( 3 ) 温差发电器 温差发电器将尾气流经时携带的热能转化成电能，是温差发电系统最为关 键、也是核心部分。目前主流的温差发电器的结构主要有两种结构：平板式和 圆桶式。 平板式温差发电器 平板式温差发电器是目前研究比较成熟、应用也比较广泛的结构。平板式 温差发电器又可以分为单层和多层两种结构。典型的平板式温差发电器结构见 下图。 废 冷却水鳍 热电模块 图2 - 6 典型的平板式温差发电器结构 口 美国通用公司和b s s t 公司研制的温差发电器( 见下图) 均是采用这种结构。 同样对于平板式结构，多层式结构对于热能的利用率要高于单层式结构。且多 层式结构的空间利用率也更高，同样空间大小中，多层式温差发电器可以放置 更多的模块，从而提高温差发电器的发电量。但如果层数过多，则热量将会分 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 散，降低每个模块的发电效率。因此，采用单层还是多层、多层采用几层、以 及各层的体积大小，需要根据发动机的功率大小和常用工况进行优化设计，这 需要大量的理论仿真和实验研究。 图2 7 通用公司研发的温差发电器 缀 j 1 图2 8b s s t 公司研制的单层和多层温差发电器 圆桶式温差发电器 若将排气管从原来的圆形改成正多边形，那么可以把热电模块平铺在排气 管上，这样减少了之前的专门的废热通道，尾气流通过对流换热直接将热量传 递给铺在排气管壁上的模块，这就是圆桶式温差发电器的基本机构。其优点是 热能利用率高，温度分布均匀。但是它改变的排气管的结构，增大了制造成本 也增加了排气阻力。 、盛滔鲻滋逸鑫玉2 ；5 。笺。k l i 图2 9h i z 和b s s t 公司研制的圆桶式温差发电器 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 目前武汉理工的温差发电实验台架采取的是多层平板式温差发电器。采取2 层气箱、3 层水箱的结构。该结构综合考虑了能量的利用率、空间的利用率、热 电转化的效率等因素。其结构见下图。 鬟委鬟薹， i 黧： ： ：蒸耋蔓j 图2 1 0 武汉理工大学温差发电器结构 ( 4 ) 能量管理系统 从广义的能量管理来讲，系统的能量管理分为热能和电能两个大的方面。热 能管理的关键是如何将尾气的热能有效的传递给模块，包括尾气的分流管理、 冷端的温度控制，以及模块的状态监控。冷端的水温控制主要是通过控制水泵 的转速来实现，模块的监控包括其电压、电流、输出功率、内阻、转化效率等 参数，同时还要监控其冷热端的温度，若热端的温度过高，则将尾气部分分流， 以降低模块热端的温度。 图2 - 11 热电控制系统示意图 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 电能管理的关键是如何将温差发电器产生的电能有效的存储和利用起来。 温差发电器发出的电能首先经过d c d c 转换器转化，然后储存到蓄电池，也可 以直接供车载电器使用，这需要根据蓄电池的s o c 状态及车载电器的用电状况 进行综合的管理，合理的控制温差发电器的输出，以及对能量进行合理的分配 和管理，这也是本论文研究的重点。 2 3 本章小结 本章介绍了温差发电的基本原理，同时对汽车尾气废热温差发电系统的组 成和结构做了详细介绍。对本论文的研究重点车载电源系统的能量管理研究做 了初步的理论探讨，为论文的后续研究打下了理论基础。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章温差发电模型的建立 3 1 温差发电的数学模型 3 1 1 热电模块的数学模型 热电模块是温差发电器最基本的组成单元。电导率较高的金属导流片将数 对两种不同类型的p 型和n 型半导体材料串联起来，导流片则被固定在两端的 陶瓷基覆铜板上，它们一起构成了单个的热电模块。 魄妻冬 ，x 肇事镑体 陇澎托yj ，p 警车转镰 囊瓣：敬 ，蓐 弱缓 图3 1 热电模块的结构 h o 臼一主片 图3 - 2 热电模块温差发电示意图 当热电模块两端存在温差，且高温端温度为咒、低温端温度为k ，根据塞 贝克效应可得其产生的温差电动势为： = 巧n = 仅p n ( 磊j - t 廿) 在回路中接入负载，则回路中产生的电流为： ， a 朋( 一乃) 口乃一乃) ( 最+ 吃)( 吃+ 吃)雕1 + 9 ) 式中，r 。为热电模块内阻，r l 为负载电阻。 r i 。可由下式表示： 以：掣 式中，p 一材料的电阻率( q m ) ： 肿个热电偶臂的长度( m ) ： 如一单个热电偶臂的截面积( m ) 。 热电模块的输出功率为： 1 7 ( 公式3 - 1 ) ( 公式3 2 ) ( 公式3 - 3 ) 武汉理工大学硕士学位论文 忍= 圪厶= ( a 一乃) 一凡厶) 以= 口肼2 ( 一乃) 2 高 ( 公式3 4 ) 当负载电阻r 。= r ；。时，热电模块的输出功率最大，且 = 掣 俭式3 _ 5 ) 同时，热电模块的p 极和n 极的塞贝克系数、电阻率以及热导率与温度存 在着非线性关系，而是存在一定的函数关系。 p 极和n 极塞贝克系数a ( p 与温度存在如下的关系式： 口p = 1 6 1 - 1 8 2 t , 曙+ 1 1x 1 0 。2 乞，- 2 0 4x 1 0 弓乙3 + 1 1 3x l o 乙， ( 公式3 6 ) a r = 4 4 2 7 6 + 3 4 7 t 。t - 1 4 2 x 1 0 t 乞2 + 2 3 3 x 1 0 巧t 哪3 - 1 3 x 1 0 8 0 ( 公式3 7 ) p 极和n 极电阻率p ( f 2 w m ) 与温度存在如下的关系式： p ，= 5 0 1 + 0 0 3 5 乙- 7 7 4 x 1 0 一t 叼2 + 8 9 x 1 0 4 t 唧3 - 4 3 x 1 0 。1 1 乞， ( 公式3 - 8 ) p = - 0 8 + 4 5 x 1 0 3 无笞+ 7 8 3 x1 0 - 6 乙2 - 2 3 x1 0 d 巧+ 1 3 2 x1 0 - 1 1 ，m , 9 4 ( 公式3 - 9 ) p 极和n 极热导率兄( w r e k ) 与温度存在如下的关系式： 以= o 1 2 ( 4 6 9 7 + 4 5 7 乙一1 5 8 l0 2 乞? + 2 3 x 1 0 5 乙? 一1 3 l o 。乃，) ( 公式3 1 0 ) 以= o 1 2 ( 1 0 1 2 0 7 4 t 譬+ 2 2 5 x 1 0 - 3 t 哪2 3 0 l 酽o + 1 5 4 l o - 9 - 。弩4 ) ( 公式3 1 1 ) 3 1 2 热电模块的转化效率 当热电模块产生感应电动势并在回路中产生电流时，根据珀尔帖效应，热 电模块将在热端节点处吸收热量，在冷端节点处释放热量。同时热量在热电偶 中也存在传导。因此热电模块从热端和冷端吸收的热量应为珀尔帖热、焦耳热 以及传导热三者的总和旧1 。 热电模块的转化效率可以定义为模块发出的有用功率和热源消耗的热功率 的比值。 热电模块的热导( w k ) 和陶瓷片的热导( w k ) 分别为： 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 矿一2 r l ：e ： 墨2 1 - 以：生：墨：( 公式3 - 6 ) l i l 式中，入熟电模块电极的导热系数( w k m ) ；卜单个热电偶臂的长度( m ) ： 厶一单个热电偶臂的截面积( m ) ； t 一陶瓷片的导热系数( w m k ) ； 4 一陶瓷片的表面积( 所2 ) ：h 厂陶瓷片的厚度( m ) 。 根据傅里叶效应以及非平衡态热力学的相关理论，可以推导出热电模块的 转化效率为： 。一一 a 删2 卢2 a s 电r , ”= = 二二= 二_ = - - ： 。 绋陋刖砒+ 髟( 乃一乃