【自动化】汽车尾气余热发电系统电压巡检模块设计与开发

学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名2010年6月9日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密囗，在10年解密后适用本授权书2、不保密囗。（请在以上相应方框内打“”）作者签名2010年6月9日导师签名2010年6月9日毕业设计论文任务书学生姓名蔡佳楠专业班级自动化0602班指导老师全书海黄亮工作单位自动化学院设计论文题目汽车尾气余热发电系统电压巡检模块设计与开发设计论文主要内容了解汽车尾气余热发电系统结构，设计电压巡检模块，可检测16路05V电压信号，精度要求10MV，分辨率达到10位，采用CAN总线与主控制器通讯。要求完成的主要任务（1）熟悉余热发电的工作原理；（2）熟悉单片机编程方法；（3）设计电压巡检电路。测量16路电压，电压测量范围为05V，电压检测的精度为10位；CAN传输速率为250KBPS，外部晶振为16MHZ，通讯距离1000米。（4）撰写毕业设计论文，字数15000以上；（5）英文翻译2万字符（其中汉字5000字）。毕业设计图纸毕业设计图纸布局应均称、运用的线条粗细要合理，尺寸要详尽准确，表达设计意图时要符合行业规范。参考资料1刘红丽,张菊秀传感与检测技术M北京国防工业出版社,200762刘和平PIC16F87X单片机实用软件与接口技术M北京北京航天航空大学出版社,200243刘国先PIC单片机原理与接口技术M北京电子工业出版社,2004114马栖秦,徐正中自动检测技术M北京机械工业出版社,20005张征,曾美琴,司广树温差发电技术及其在汽车发动机排气余热利用中的应用J能源技术,2004,253120123指导教师签名系主任签名院长签名章武汉理工大学本科生毕业设计（论文）开题报告1、目的及意义（含国内外的研究现状分析）随着我国汽车数量的增加，汽车尾气排放量日益增多，对石油等不可再生资源消耗量增大，我国已跃居世界石油能源消耗第二大国，同时近年来国际石油供需日益紧张，油价不断上涨。在面临能源危机的形式下，我们要发展新型能源，但是现在新型能源的发展还处在起步阶段，发展很不完善，因此在传统能源消耗的途径下，提高能源利用率是一条节约能源的很好的途径，所以从节能减排的角度来说必须将传统汽车燃料利用率提高。从而利用汽车尾气发电是解决节能问题的最佳实现途径。传统汽车的发动机除了要驱动汽车前进之外，还有一部分能量用来发电，供给汽车上其他用电设备。但是当用尾气发电后，就可以将发动机上的发电装置去掉，这将大大提高发动机的效率，将更多的能量转入到驱动汽车上，同时汽车上其他用电设备的电能由尾气发电供给。汽车尾气发电系统的电压巡检作为尾气发电系统电压检测的关键设备，随着尾气发电的发展，正发挥着越来越重要的作用。热电模块的单片、单组电压巡检不仅在尾气发电系统的研发阶段起着十分重要的作用，即使在投入使用后对热电模块的维护也是不可或缺的。目前国内外很多团体和个人在研究利用汽车尾气发电，大多采用如下几种方方法1、双刀继电器法，每个蓄电池的两端都与一只双刀继电器的两对动合触点相连接。继电器都不动作时，所有蓄电池均与巡检电路断开。当进行电压检测时，由控制器依次使继电器闭合，使对应的蓄电池的阴极接入检测电路地，阳极经缓冲器进入A/D转换器。2）、悬浮地测量法，利用模拟开关对被测量的蓄电池进行切换，两片模拟开关采用差动式连接，模拟开关工作电源均由所测量的蓄电池所提供。这样就解决了蓄电池的电位高于芯片电压的问题。通过单片机对蓄电池切换，两片模拟开关的输出分别就是被选中的蓄电池的正端和负端电压，为了使蓄电池电压不影响巡检系统的工作，采用光电耦合器构成悬浮采样系统，实现采样电路与单片机之间的光电隔离。3）、运放采样电路，采样电路是一个由电阻和运算放大器组成的线性差动运算电路。根据运算放大器的特性通过选取适当电阻，可以将蓄电池电压变换为单片机和A/D的输入范围内。现在国内有很多电压巡检系统，如江苏金帆电源科技有限公司的电池电压巡检系统、江苏大唐科源电气公司的电压巡检技术应用设计、武汉理工大学的光伏电池板巡检系统和燃料电池单片电压巡检系统设计及故障诊断研究、上海交通大学的串联蓄电池组电压巡检模块的设计、同济大学汽车学院的单片电压巡检及在燃料电池发动机中的应用等。国外有很多公司开发了多种燃料电池的电压巡检系统，例如美国的NI公司、加拿大GREENLIGHT公司、日本的HONDA公司，在这些公司中最引人注目的是美国的NI公司，它推出了一些软硬件测试产品，能够兼容多种电池，测得几乎所有涉及指标。总体来说电压巡检系统已经发展的日趋成熟，并且方式趋于多元化。本文针对汽车尾气余热发电系统中热电模块的电压监控技术展开研究，设计了电压巡检模块。该模块既可以在尾气余热发电系统研发阶段对热电模块工作情况进行监控，也可以在尾气余热发电系统投入使用后对热电模块进行维护，因此，电压巡检模块对尾气余热发电系统具有重要意义。2、基本内容和技术方案基本内容毕业设计的电压巡检主要是在线测量热电模块两端的电压。由于尾气从管道经过时温度会相应下降，从而贴在管壁上的热电模块两面温差会相应下降，因此与气体流动方向垂直的一排热电模块是等电压的，将它们并联；与气体流动方向相同的每一组的热电模块的电压随着温差的减小而下降，将这样的热电模块组串联。每一片热电模块在温差300的情况下电压大约在3V左右，多片等电压的热电模块并联，同时多组不等电压的热电模块组串联，共同构成给汽车供电的电源。所要测量的电压是每一组并联热电模块的电压，读取模拟电压值后经A/D转换为数字信号。同时由于多组热电模块组串联，电压将超过一般测电压芯片的电压最大承受范围，因此这是电压巡检电路设计中要解决的重要问题。所以可采用可以抑制高共模电压的集成易用放大器来测量。技术方案1了解余热发电的由来，介绍余热发电的原理及发展前景。2设计测量一路热电模块电压检测的方案。3设计一路热电模块电压巡检电路。4根据一路热电模块电压检测的原理可以得到整体检测电路。3、进度安排第12周毕业实习，撰写毕业实习报告；第34周翻译外文资料，初步确定方案，完成开题报告；第5周确定最终方案，并进行可行性分析；第68周硬件设计及程序代码得编制；第9周中期检查；第1011周综合调试，根据结果完善系统；第1214周完成论文撰写；第15周论文答辩；第16周论文装订。4、指导教师意见蔡佳楠同学调研比较充分，研究内容充实，技术方案明确可行，现已经具备开始毕业设计的条件。该生能达到预期的目标，同意进入设计阶段。指导教师签名年月日目录摘要IABSTRACTII1绪论111余热发电研究意义112电压巡检发展现状213本文主要研究内容32尾气余热发电原理421热电模块原理4211HZ20热电模块特点5212HZ20热电模块电压电流特性622汽车尾气余热发电方案设计7221余热发电汽车结构7222温差发电器设计7223余热发电热平衡与效率83电压巡检单元结构设计1031信号处理单元12311信号处理单元电路设计12312信号处理单元元件选择1432数据处理单元14321数据处理14321数字处理单元的元件选择1433数据传输1634热电模块单元检测电路174电压巡检系统软件设计1941电压巡检主程序设计1942A/D转换程序设计2343CAN通信软件设计25结束语27致谢29参考文献30附录1程序代码32附录2电压巡检电路原理图37摘要随着我国汽车数量的增长，城市汽车排放污染日益严重，传统汽车燃料的供需矛盾也更加突出。回收尾气余热发电可以有效节约能源，减少污染。电压巡检模块是汽车尾气余热发电系统的一个关键组成部分，本文针对汽车尾气余热发电系统中热电模块的电压监控技术展开研究。主要内容如下本文介绍了利用尾气发电汽车的主要结构，讲述了尾气余热发电的原理。在此基础上，根据电压巡检设计要求设计了一种可以对每一路热电模块进行电压检测的方案，该方案可以克服共模电压干扰。将整个电压巡检系统分成电压检测单元和数据传输单元。根据以上设计方案，最终成功设计出了汽车尾气余热发电系统的电压巡检模块，它可以实现对16路热电模块的电压进行实时检测的目的，并同时将检测的结果通过CAN总线与余热发电的其他控制单元进行数据通信。关键词余热发电电压巡检热电模块PIC单片机ABSTRACTWITHTHEEVERRISINGNUMBEROFTHEAUTOMOBILEINOURCOUNTRY,THEPROBLEMOFTHEPOLLUTIONFROMURBANAUTOMOBILEEXHAUSTISBECOMINGMOREANDMORESERIOUS,ANDTHETRADITIONALCONTRADICTIONBETWEENTHEAUTOMOTIVEFUELSUPPLYANDDEMANDHASBECOMEMOREANDMORECONSPICUOUSTURNINGWASTEHEATFROMMOTORVEHICLESINTOPOWERCANSAVEENERGYANDREDUCEPOLLUTIONVOLTAGEMONITORMODULEISACRITICALCOMPONENTOFWASTEHEATGENERATINGSYSTEM,SOTHISPAPERMAKESARESEARCHONVOLTAGEMONITORTECHNOLOGYOFTHETHERMOELECTRICMODULEINWASTEHEATGENERATINGSYSTEMTHEPRIMARYCOVERAGEISASFOLLOWSTHISPAPERINTRODUCESTHEMAINSTRUCTUREOFAUTOMOBILESTHATGENERATINGELECTRICITYBYUSINGWASTEHEATOFTAILGAS,ANDDESCRIBESTHEPRINCIPLEOFWASTEHEATGENERATINGSYSTEMACCORDINGTOTHEDESIGNREQUIREMENTS,IHAVEDESIGNEDASCHEMETOMEASURETHEVOLTAGEOFEVERYTHERMOELECTRICMODULEONTHISBASIS,ANDTHISDESIGNCANCONQUERTHEDISTURBANCEOFCOMMONMODEVOLTAGETHEVOLTAGEMONITORSYSTEMISDIVIDEDINTOTWOMAINPARTSVOLTAGEDETECTINGUNITANDDATATRANSMISSIONUNITACCORDINGTOTHEABOVESCHEME,IHAVESUCCESSFULLYDESIGNEDTHEVOLTAGEMONITORMODULEOFWASTEHEATGENERATINGSYSTEMITCANMEASURETHEVOLTAGEOFSIXTEENCHANNELTHERMOELECTRICMODULEINREALTIME,ANDTRANSFERTHEMEASUREMENTRESULTTOOTHERCONTROLUNITOFWASTEHEATGENERATINGSYSTEMBYCANBUSKEYWORDSAUTOMOTIVEEXHAUSTWASTEHEATPOWERGENERATIONVOLTAGEMEASURETHERMOELECTRICMODULEPICMCUMODULE1绪论11余热发电研究意义在现代文明的今天，汽车已经成为人类不可缺少的交通运输工具。自从1886年第一辆汽车诞生以来，它给人们的生活和工作带来了极大的便利，也已经发展成为近现代物质文明的支柱之一。但是，我们也应该看到，在汽车产业高速发展、汽车产量和保有量不断增加的同时，汽车也带来了大气污染，即汽车尾气污染。科学分析表明，汽车尾气中含有上百种不同的化合物，其中的污染物有固体悬浮微粒、一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、铅及硫氧化合物等1。一辆轿车一年排出的有害废气比自身重量大3倍。英国空气洁净和环境保护协会曾发表研究报告称，与交通事故遇难者相比，英国每年死于空气污染的人要多出10倍。因此减少尾气排放是我们当前务必要解决的问题。以现有的内燃机评估标准，燃油中60左右的能量没有得到有效的利用，绝大部分以余热的形式排放到大气中，造成巨大的经济损失和严重的环境污染2。这令我们想到，在火力发电厂附近的居民区通常将发电过程中产生的热水用来供暖，将余热有效利用。同样道理我们也可以回收汽车尾气的余热，用余热改善汽车本身的效率。传统汽车燃油燃烧带动发动机，发动机的能量主要有三个去向，一是用于驱动汽车前进；二是带动发电机发电，供给汽车上其他用电设备；三是随高温气体排放到空气中。而第三种消耗了大部分的能量。于是想到如果将这大部分的热量回收利用，将大大节约燃料，提高效率。热量本身不能贮存，汽车本身也不需要供暖，因此最好的回收方式是将热能转换为电能储存起来，这部分电能可以给汽车上的用电设备供电。与此同时，可以将发动机上的发电装置去掉，这将大大提高发动机的效率，将更多的能量转入到驱动汽车上。如果将这60的热能仅回收10，即有6的燃油被节约。以我国2008年的汽车使用情况为例2008年一款海马汽车百公里节油王的耗油量是451升，如果平均每辆汽车年行驶20000公里，则每年每辆汽车将消耗902升燃油。2008年我国的汽车保有量是62893万辆，每年我国汽车耗油将达到5673亿升。如果节约其中的6，那么每年将节约34亿升的燃油，这将是一笔不可忽视的能源。因此利用尾气余热发电将是节约能源的一个有效途径，具有重要的现实意义。在实现这一目的之前我们要找到合适的能量转换模块，将热能转换为电能。12电压巡检发展现状1823年，赛贝克发现，把两种不同的金属导体接成闭合电路时，如果把它的两个接点分别置于温度不同的两个环境中，则电路中就会有电流产生1。这一现象称为塞贝克SEEBECK效应，这样的电路叫做温差电偶，这种情况下产生电流的电动势叫做温差电动势。温差电池就是利用温度差异，使热能直接转化为电能的装置。用半导体制成的温差电池赛贝克效应较强，热能转化为电能的效率也较高，因此，可将多个这样的电池组成温差电堆，作为小功率电源。它的工作原理是，将两种不同类型的热电转换材料N型和P型半导体的一端结合并将其置于高温状态，另一端开路并给以低温时，由于高温端的热激发作用较强，空穴和电子浓度也比低温端高，在这种载流子浓度梯度的驱动下，空穴和电子向低温端扩散，从而在低温开路端形成电势差；如果将许多对P型和N型热电转换材料连接起来组成模块，就可得到足够高的电压，形成一个温差发电机。目前国内外很多团体和个人在研究利用汽车尾气发电，大多采用如下几种方方法1）、双刀继电器法，每个蓄电池的两端都与一只双刀继电器的两对动合触点相连接。继电器都不动作时，所有蓄电池均与巡检电路断开。当进行电压检测时，由控制器依次使继电器闭合，使对应的蓄电池的阴极接入检测电路地，阳极经缓冲器进入A/D转换器。2）、悬浮地测量法，利用模拟开关对被测量的蓄电池进行切换，两片模拟开关采用差动式连接，模拟开关工作电源均由所测量的蓄电池所提供。这样就解决了蓄电池的电位高于芯片电压的问题。通过单片机对蓄电池切换，两片模拟开关的输出分别就是被选中的蓄电池的正端和负端电压，为了使蓄电池电压不影响巡检系统的工作，采用光电耦合器构成悬浮采样系统，实现采样电路与单片机之间的光电隔离。3）、运放采样电路，采样电路是一个由电阻和运算放大器组成的线性差动运算电路。根据运算放大器的特性通过选取适当电阻，可以将蓄电池电压变换为单片机和A/D的输入范围内3。现在国内有很多电压巡检系统，如江苏金帆电源科技有限公司的电池电压巡检系统、江苏大唐科源电气公司的电压巡检技术应用设计、武汉理工大学的光伏电池板巡检系统和燃料电池单片电压巡检系统设计及故障诊断研究、上海交通大学的串联蓄电池组电压巡检模块的设计、同济大学汽车学院的单片电压巡检及在燃料电池发动机中的应用等。国外有很多公司开发了多种燃料电池的电压巡检系统，例如美国的NI公司、加拿大GREENLIGHT公司、日本的HONDA公司，在这些公司中最引人注目的是美国的NI公司，它推出了一些软硬件测试产品，能够兼容多种电池，测得几乎所有涉及指标1。总体来说电压巡检系统已经发展的日趋成熟。近年来，车用发动机余热温差发电技术发展很快，转换规模在数百瓦至几千瓦之间。日本NISSAN汽车公司研究中心研制了排气温差发电器，可以回收11的热量5。美国HIZ公司在能源部资助下进行了柴油机载重车排气余热温差发电的研究，并进行了台架和道路实验。安装在柴油机车的热电发电器，外形像一个立式的消声器，在排气管上用72块HZ14模块按圆周排列布置，冷端用水冷却，形成了250270温差，能提供2000W4000W的功率。另外，俄罗斯联邦科学中心物理与能源工程研究所进行了高寒区载重发动机直接发电的研究，能够产生600W的电能6。13本文主要研究内容我们目前使用的温差电池也称热电模块，常用的是HZ20热电模块。它是基于铋碲化物的半导体材料，设计热端温度230，设计冷端温度30，最大连续温度250，最大温差400，功率19瓦，负载电压238伏，最大开路电压5伏，电流8安。当其电压与电流均达到最优时，此时电压值为3伏左右，这是热电模块最佳的工作点5。这样每一片热电模块的发电电压为3伏左右，不能够为汽车上的设备供电，因此要将他们串/并联，使其电压和功率达到汽车用电设备的要求。由于尾气从管道经过时温度会相应下降，从而贴在管壁上的热电模块两面温差会相应下降，因此与气体流动方向垂直的一排热电模块是等电压的，将它们并联；与气体流动方向相同的每一组的热电模块的电压随着温差的减小而下降，将这样的热电模块组串联。如此便构成了一个大功率大电压的热电模块组。这样数百片热电模块构成的热电模块组要使每一片都正常工作，并且输出正确的电压值才能保证供电系统的稳定。因此要实时对每片热电模块的电压情况进行监控，这就要求必须有电压巡检系统。汽车尾气发电热电模块的电压巡检作为尾气发电系统电压检测的关键设备，随着尾气发电的发展，发挥着越来越重要的作用。热电模块的单片、单组电压巡检不仅在系统的研发阶段起着十分重要的作用，即使在投入使用后对热电模块的维护也是不可或缺的。虽然检测电压的方法越来越多，但是在设计电压巡检系统时都会遇到同样的一个问题就是每一片热电模块的电压很小，在多组热电模块串联后电压将超过一般测电压芯片的电压最大承受范围，因此这是电压巡检电路设计中一个难点问题。为解决这一问题，本文将以一路热电模块的电压测量为例做详细介绍。2尾气余热发电原理汽车工业是我国国民经济的支柱产业之一。随着我国汽车工业的发展，车辆消耗的能源与日俱增，车辆节能也越来越受关注。然而，以现有的内燃机指标估计，燃油中60左右的能量没有得到有效的利用，绝大部分以余热形式排放到大气中，造成了巨大的经济损失和严重的环境污染2。因此，利用发动机余热发电是一个好的节能途径。由于汽车的结构紧凑、发动机排气量小，车用发动机余热的利用相对于大型工业设备余热回收来说难度更大。20世纪70年代以来，一些工业发达国家的学者提出了采用温差发电器来解决上述问题。TEG依据热电直接转换原理，具有结构简单、无运动部件、无噪声等特点，在低品位热能利用方面具有独特的效果2。把它安装在内燃机的排气管上，能够将内燃机运行余热直接转换为电能。其中热电转换器件是余热发电的一个重要研究领域。21热电模块原理热电转换器件是温差发电的基本元件，它的功能是将热能直接转换为电能，效率取决于热电极材料的性能和器件的设计制造水平。自20世纪50年代前苏联科学院的IOFFE院士提出了半导体热电原理以来，用于温差发电的热电材料都是半导体材料，如用于低温（300以下）热电材料BI2TE3及其固溶体合金、中温（300600）热电材料PBTESNTE、高温（6001000）热电材料SIGE、MNTE、SIRE2、CES等7。所谓温差发电就是将热能直接转变成电能，通过高温与低温的温差产生的热，将移动的热能转变成电能，即是发电。半导体热电发电机（简称TEG），实质上是图1一对PN温差电偶发电原理示意图许多P型和N型半导体材料按照一定的排列组合方式构成的半导体堆。因此，半导体热电发电也称为半导体热电对发电。最简单的半导体发电单元如1图所示，它有P型和N型半导体电偶臂以及负载电阻R构成，通过金属导流片（通常是铜）连接起来，热源和冷源通过陶瓷片传递热量，温差电偶就这样工作在高温热源和低温冷源之间。将两种不同类型的热电转换材料N型和P型半导体的一端结合并将其置于高温状态，另一端开路并给以低温时，由于高温端的热激发作用较强，空穴和电子浓度也比低温端高，在这种载流子浓度梯度的驱动下，空穴和电子向低温端扩散，从而在低温开路端形成电势差。如果将许多对P型和N型热电转换材料连接起来组成模块，就可得到足够高的电压，形成一个温差发电机。当导流片间形成回路后就有电流流过负载电阻。电流方向在N极中由冷端流向热端，P极中由热端流向冷端。整个过程还伴随着其他可逆的热点效应和可逆的热效应。211HZ20热电模块特点图2HZ20热电转换模块基于半导体温差发电的原理制成的单个热电模块的转换功率很小，需要经串/并联组合制成转换模块，并实现产品的标准化、系列化。图2为美国HIZ公司为车辆余热转换研制的一种热电模块HZ20，由71对碲化铋热电偶连接起来，固定在一个被称为“蛋架”的框架上。模块在温差200时输出238V/19W电流。该公司已研制了4中不同规格的产品，形成了一个系列，输出电功率25W至19W2。HZ20热电模块具体设计参数如表1所示表1HZ2019W热电模块各项参数热性能参数误差热端温度230450F1020冷端温度3085F510最大持续温度250480F最小持续温度无最大温差400750F特性参数误差功率19W负载电压238V01内阻03OHM005电流8AMPS1开路电压50V03效率45212HZ20热电模块电压电流特性HZ10热电模块的输出特性如图3所示。由图中可以看出在功率达到最大值的时候，效率不是最大；同时当效率最高的时候功率也没有达到最大值，因此均衡两者的关系，使它们都达到较大值，使热电模块发挥最大的功能，则取在功率与效率曲线的交点处，此时电压值为238V左右，这是热电模块最佳的工作点。图3HZ20热电模块输出特性22汽车尾气余热发电方案设计221余热发电汽车结构普通汽车的发动机内燃油燃烧除了要给汽车提供动力以外，还要带动一个发电机，所发的电储存在蓄电池中，供汽车上的用电设备使用。这样，燃油的燃烧能量一部分用于驱动汽车，一部分用带动发电机发电，还有一部分通过排气筒以高温废气的形式排放到空气中。利用尾气余热发电的汽车可以回收尾气中的一部分热量，将其转化为电能这部分转换的电能对铅酸电池充电，保存到蓄电池中，以供汽车上的用电设备使用。与普通汽车相比，余热发电的汽车可以去掉汽车发动机所要带动的发电机，这样一方面可以减少发电机给发动机带来的阻力，提高发动机的效率；另一方面可以使更多的动力用于驱动汽车；同时还保护了环境，节约了能源。余热发电汽车的主要结构如图4所示。图4利用余热发电汽车的主要结构222温差发电器设计余热发电的主要部分在汽车的排气筒处。余热发电系统通常由四部分组成一个热箱、热电模块、冷端和一些装配部件。热箱是尾气流经的组件，流经的尾气温度可以达到几百摄氏度；冷端由水箱充当，它即可以冷却热电模块，同时水的最高温度不会超过100，这个温度远小于热端的温度，使热电模块两面存在温差，用于发电；装配部件可以提供足够的压力使热电模块与所有其他部件理想的结合在一起。绝热是任何余热发电系统的另一个重要组成部分，用来降低热箱的热量损失，提高热电转换效率4。典型余热发电系统的结构和工作液体的流动如图5所示。图5典型余热发电系统的构造223余热发电热平衡与效率在内燃机中，约有40的在燃料能源浪费在废气中，30是消耗在发动机冷却液上，5在辐射和摩擦中失去，25用于机动车辆及配件。余热发电热量回收系统，往往从第一部分那40中回收能量，但由于诸多因素，在当今的余热发电技术只有56的回收效率4。图6余热发电系统结构的热平衡示意图该系统的热平衡如图6所示。QIN和QOUT分别是汽车尾气通过热箱的入口和出口的热量；Q0是通过热电模块的是有效热量；在该系统的热量损失表示为QLOSS（参见方程（21）及（22）；Q1是来自于热箱没有被利用的表面通过热辐射和对流损失的热量；Q2是热电模块引脚的对流和热辐射造成的热量损失；Q3是通过装配部件热量传导失去的热量；Q4热电模块之间的间隙处的热量散失；Q5是热电模块接触热阻中的传导的热量。在图6中，热平衡模型可以表示为INOUTQ0QLOSS（21）QLOSE12345（22）余热发电系统的整体效率可以表示为OVOMHX（23）其中热电模块的转换效率表现为M发电量热电模块吸收热量M00（24）P0是从余热发电系统中输出的电量。热电转换的热效率可表示为实际转移的热量最大可能转移的热量04（25）004（26）每一个元件的热量损失的百分比以及通过热电模块的有用热量主要取决于余热发电系统的设计4。3电压巡检单元结构设计由于每一片热电模块的电压在不大于3V，电流也很小，这样的电源根本不可能给汽车供电。因此，要将若干片热电模块串联以提高电压，并联以增大电流，从而使整个发电装置的功率变大，达到用电设备的要求。多片热电模块构成的热电模块堆是电源的核心，这里我们把若干片热电模块并联成一组，构成一个3V左右的热电模块单元，将16组这样的热电模块单元串联起来，则构成了一个足够高电压的热电模块组。所要巡检的电压就是每一路热电模块单元的电压。图7热电模块排列如图7所示，为了便于电压测量，采用图中的排列方式。A、B、C热电模块彼此并联，A与A、B与B、C与C彼此串联。C与A相连，实现热电模块单元间的串联。所要检测的电压就是A与B之间的电压。检测每一路热电模块单元的电压时使用差动输入，虽然每个单元的电压不高，只在3V左右，但是由于热电模块堆是有很多热电模块单元串联组成的，热电模块单元电压测量存在累积电势的问题。为解决这一问题，可以采用分组测量的方法，使各个组之间不共地，这样就不存在电势累积过高的问题了。目前，对单个热电模块单元测量的方法有很多，但是都存在一些不足，如1）、双刀继电器法，每个蓄电池的两端都与一只双刀继电器的两对动合触点相连接。继电器都不动作时，所有蓄电池均与巡检电路断开。当进行电压检测时，由控制器依次使继电器闭合，使对应的蓄电池的阴极接入检测电路地，阳极经缓冲器进入A/D转换器。此方法虽可完成对蓄电池组的电压检测，但当蓄电池数量较多时，需要的继电器也相应增多，使得电路体积大，功耗、成本和故障率也较高。2）、悬浮地测量法，利用模拟开关对被测量的蓄电池进行切换，两片模拟开关采用差动式连接，模拟开关工作电源均由所测量的蓄电池所提供。这样就解决了蓄电池的电位高于芯片电压的问题。通过单片机对蓄电池切换，两片模拟开关的输出分别就是被选中的蓄电池的正端和负端电压，为了使蓄电池电压不影响巡检系统的工作，采用光电耦合器构成悬浮采样系统，实现采样电路与单片机之间的光电隔离。此方法的特点是体积小、功耗低、成本低。但当蓄电池数量较多时，电路会变得复杂，而且所占用的单片机I/O口也较多。3）、运放采样电路，采样电路是一个由电阻和运算放大器组成的线性差动运算电路。根据运算放大器的特性通过选取适当电阻，可以将蓄电池电压变换为单片机和A/D的输入范围内。此方法原理上清晰简单，但测量精度易受电阻阻值影响，因此测量精度不高。另外，由于每节电池都需要接入线性差动运算电路，当电池数量较多时，测量电路体积增大，成本及功耗也会增加。总的来说，当蓄电池组中蓄电池的数量较少时，以上的方法都是可行的。但对于直流电源系统、变电站等大型电力系统，其后备电源中的蓄电池组一般都有上百个蓄电池，假如采用上述的方法，电压巡检电路将会变得复杂，造成系统体积大、成本高，甚至不能正常工作3。因为要对每一个热电模块单元进行电压检测，这样，每一个热电模块的电压检测原理相同。以一路热电模块的电压检测为例，如图8所示。各检测单元用隔离型DCDC供电，彼此不共地。检测单元由信号处理单元、模拟通道多路选择开关、A/D转换器、单片机等组成8。首先从热电模块的正、负极分别引出一条测量线，与信号处理单元相连，并且热电模块负极为信号处理单元的共地端，热电模块单元两端的电压信号经信号处理单元后得到差分电压，即热电模块的模拟信号，模拟信号经A/D转换成数字信号，再被单片机读取并保存，同时单片机控制编码器逐次选通每一个热电模块单元，实现对整个热电模块堆的所有路热电模块的电压巡检。图8检测单元结构图31信号处理单元311信号处理单元电路设计图9差分运算放大电路热电模块单元电压信号为差模小信号，并含有大的共模部分，其数值有时远大于共模信号。因此，为了克服热电模块单元电压巡检系统中高共模电压的问题，单元电压采用可以克服高共模抑制比的集成仪用放大器来检测。但是考虑到每一个热电模块单元都要分配一个差分集成仪用放大器，系统的成本高，故采用三个通用运放构成精密差分运算放大电路，如图9所示。U2、U1分别与热电模块单元的正、负极相连，差分放大后的电压信号由UO输出，经模拟通道多路开关送入A/D转换器中。当R3R4R5R6时，输出电压为0（31）为了提高放大器的输入阻抗，在差动放大器的两个输入端A、B分别接入两个电压跟随器，即图9中RG为无穷大的情况。此时运算放大器A1、A2分别组成两个电压跟随器，放大器的理论输入电阻为无穷大。如图9所示A1、A2分别工作在负反馈状态，其反相输入端的电压与同相输入端的电压相等，则流过RG的电流IG为12（32）式中UIU2U1。设R1R2R，则1212（33）将（33）代入（31），得12（34）当U1U2时，输出电压UO0，电路放大差模信号，抑制共模信号。当输入信号中含有共模噪声时，也将被抑制。从电路的组成可以看出，无论对于U1还是U2，均可认为输入电阻为无穷大8。运放A3输出端为限伏输出保护电路，由限流电阻R6与稳压管DZ组成，它一方面限制了运放的输出电流，另一方面也限制了输出电压的幅值，使运放输出电压钳位于UZ与07V之间，保护监测单元后续器件的安全，以免电路故障输出电压过大损坏其他电路8。取电阻RG的电阻值为无穷大，则UOUI，即差分放大器输出的电压就是热电模块单元两端的电压。所以选定稳定电压UZ为3V的稳压管。312信号处理单元元件选择为降低成本，用3个普通的运算放大器和若干电阻连接代替仪用集成放大器。LM324系列运算放大器是价格便宜的带差动输入功能的四运算放大器。可工作在单电源下，电压范围是30V32V或16V。LM324的特点短路保护输出；真差动输入级；可单电源工作3V32V；低偏置电流最大100NA（LM324A）；每封装含四个运算放大器；具有内部补偿的功能；共模范围扩展到负电源；行业标准的引脚排列；输入端具有静电保护功能。LM324的引脚图如图10所示。图11LM324引脚图32数据处理单元321数据处理由于设计要求对电压测量的精度要达到10位，因此要选择精度在10位以上的A/D转换模块，同时A/D转换模块的输出位数还要与所选的单片机的位数相匹配。同时，为了排除随即干扰，在设计中增加了简单的数字滤波对外部的模拟电压采样10次，求其平均之后作为最后的测量电压。321数字处理单元的元件选择在满足所有要求的同时又不会提高成本，还可以减少整个系统的元件数量，所以选择具有A/D转换功能的单片机。PIC16F877是美国微芯公司的中档产品。它采用14位的类RISC指令系统，在保持低价格的前提下，增加了10位精度的A/D转换器、内部EEPROM存储器、比较输出、捕捉输出、PWM输出、I2C总线和SPI总线接口电路、异步串行通信接口电路、模拟电压比较器、LED驱动、FLASH程序存储器等功能，可方便的多次在线编程和调试10。PIC16F877引脚图如图12所示。40引脚的PIC16F877芯片内含有8个模拟通道，而电压巡检要检测16路的电压，同时由于运算放大器的选择，每3片LM324可以测量4路电压，因此可以每一片单片机控制测量4路电压，共选用4片PIC16F877。图1240引脚PIC16F877该单片机具有如下显著的特点开发容易，周期短。由于PIC采用类RISC指令集，指令数目少，仅35条指令，且全为单字长指令，易学易用。相对于采用CISC结构的单片机，可节省30以上的开发时间、2倍以上的程序空间。高速。PIC采用哈佛总线和类精简指令，逐步建立了一种新的工业标准，指令的执行速度比一般的单片机速度快45倍。低功耗。PIC采用CMOS电路设计，结合了诸多的节电特性，使其功耗很低；100的静态设计可进入休眠省电状态，而不会影响激活后的正常运行。微芯公司的单片机是各类单片机中低功耗设计最好的产品之一。低价实用PIC配备有OTP型、EPROM型及FLASH型等多种形式的芯片。其中OTP型的芯片的价格低；还提供程序监视器和程序可分区保密的保密位等功能；提供了基于WINDOWS98/NT/2000的、方便易用的、全系列产品开发工具的大量子程序库和应用实例，使产品开发更容易、快捷11。在此次设计中主要用到了PIC16F877单片机的A/D转换器和串行通信接口SPI。33数据传输CAN是ISO国际标准化的串行通信协议。在当前的汽车产业中，出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求，各种各样的电子控制系统被开发了出来。由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同，由多条总线构成的情况很多，线束的数量也随之增加。为适应“减少线束的数”、“通过多个LAN，进行大量数据的高速通信”的需要，1986年德国电气商博世公司开发出面向汽车的CAN通信协议。此后，CAN通过ISO11898及ISO11519进行了标准化，现在在欧洲已是汽车网络的标准协议。现在，CAN的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。PIC16F877单片机没有集成CAN功能模块，可以通过SPI方式和MCP2510芯片实现CAN通信。MCP2510是MICROCHIP公司生产的一种CAN控制器，可通过SPI方式与单片机接口，实现CAN通信。它支持CAN技术范围20A/B，通信速率高，可靠性高，实时性好，且连接方便；因而在工业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗仪器、建筑及环境控制当中得到广泛的应用。PCA82C250是CAN控制器与物理总线之间的接口，它最初为汽车高速（最高达1MBPS）通信应用设计。器件可以提供对总线的差动发送能力和对CAN控制器的差动接受能力。PCA82C250主要特性与ISO/DIS11989标准完全兼容；高速（最高达1MBPS）；具有抗汽车环境下的瞬间干扰，保护总线能力；降低射频干扰的斜率控制；热保护；防止电流与地之间发生短路；低电流待机方式；某一个节点掉电不会影响总线；可有110个节点相连接10。82C250驱动电路内部具有限流电路，可防止输出级对电流的正端和负端短路。虽然在这种故障条件出现时，功耗增加，但是这种特性可以防止发送输出级的破坏。PIC16F877微控制器通过SPI接口对MCP2510芯片进行操作，在时钟SCK的上升沿，命令和数据通过SPI引脚送入MCP2510；同时MCP2510通过SO引脚在SCK的下降沿送出数据。当然，执行任何一种操作都要使片选引脚CS为低电平。CAN通信硬件简图如图13所示。图13CAN通信简图34热电模块单元检测电路图14热电模块单元检测电路综合以上设计过程可以得到热电模块单元检测电路如图14所示。热电模块单元的正、负极分别引出两条测量线与差分运算放大电路相连，从UOUT输出的电压即为热电模块单元的电压，这是一个模拟信号，模拟信号通过PIC16F877单片机的RA2端口被送入A/D转换器，将模拟信号读取并转换为数字信号，数字信号经过CAN总线传输出去，以作进一步处理。以上是对一路热电模块的电压检测，同理可以用以上方法对16路热电模块进行循环检测。16路热电模块串联以后会存在电势累积问题，累积的电势将超出测量元件所能承受的最大电压。因此将这16路电压分成4组，每4路热电模块为一组，每组由3片LM324和1片PIC单片机构成测量单元，采取分组测量的方法对电压进行检测。每组内的4路热电模块的电势累积只有十几伏，这是在LM324正常工作的电压范围内。4组测量单元都有独立的供电电源，并且彼此不共地，这就解决了电势累积的问题。然后通过对每组内的单片机进行编程，使其轮流读取RAI端口的输入电压，实现对组内的4路电压进行循环检测。4组测量单元分别采用这种方法，实现对16路电压的循环检测。4电压巡检系统软件设计41电压巡检主程序设计检测单元软件设计是整个巡检系统软件设计的基础，大体来说可以分为数据采集处理和CAN通信两个部分，图15为检测单元软件程序流程图，图16为中断服务程序。因为程序中应用到很多的变量，因此将寄存器与变量定义列于表2中。表2寄存器与变量定义变量寄存器注释TXBYTES0X20SPI发送数据寄存器RXBYTES0X30SPI接收数据寄存器BSPICNT0X40待接收数据寄存器PSPIBUF0X41指向缓冲器的指针寄存器B2510REGADR0X42寄存器地址B2510REGDATA0X43寄存器数据B2510REGMASK0X44屏蔽位BINTSAVEST0X47暂存状态STATUSBINTSAVEFSR0X48暂存FSRBINTSAVEPCLATH0X49暂存高位指针BINTSAVEW00X7F暂存工作寄存器W的值COUNT0X50计数器TIMES0X60A/D采样次数DEYTIMES1ACCALOTIMES2存放加数低8位ACCAHITIMES3存放加数高8位ACCBLOTIMES4存放被加数低8位ACCBHITIMES5存放被加数高8位BEGFSR0X70间接寻址FSR的起始值初始化各个芯片开中断A/D转换数据处理发送数据请求发送数据否是开始图15检测单元软件程序流程图在程序开始最重要的是要对各个芯片进行初始化，然后设置中断，将中断打开。当收到启动A/D的指令后，打开A/D转换器，把模拟通道RA2输入的模拟电压值转换成数字值，数据经处理后判断数据是否发送，当接收到同意发送信号时，通过单片机的串行端口SPI传输给CAN，若没有收到发送数据信号，则返回到电压读取环节，等待下一次读取电压值。每发送一路电压的数据后再返回到中断处，等待对下一路的电压进行电压检测。清除中断标志位CAN接受中断呼叫标志位置位是否呼叫检测中断结束开始否是是否图16中断服务程序流程图进入中断程序后，先检验CAN是个否接受中断请求，若接受请求时，将中断标志位清零，再判断是否对检测单元进行呼叫，当对检测单元进行呼叫时，呼叫标志位被置为，则使A/D转换器开启，对数据进行采集，否则退出中断。若CAN不接受请求，则直接结束中断程序。根据流程图，主程序如下MAINCALLINIT877；初始化PIC16F877芯片CALLADINT；初始化A/D转换器MOVLW0XC0MOVWFINTCON；开中断BANKSELPIE1DSFPIE1，3CALLINITSPIPORT；初始化SPI端口CALLINIT2510；初始化MPC2510LOOPBANKSELADCON1MOVLW0X80；转换结果右移，ADRESH寄存器的高6位为“0”，且把RA2口设置为模拟输入式MOVWFADCON1BANKSELBEGFSRMOVLWBEGFSRMOVWFFSR；给出间接寻址时FSR的初值MOVLW0X0AMOVWFTIMES；每一轮A/D连续采样10次BSFINTCON，GIE；总中断打开，可以进行A/D转换中断BSFADCON0，2；启动A/D转换LOOP1MOVFTIMES，WBTFSSSTATUS，ZGOTOLOOP1；等待A/D转换中断BCFINTCON，GIENOPCLRFACCBLICLRFACCBLO；双精度加法的结果寄存器清0，为后面准备MOVLW0X0AMOVEFTIMESMOVLWBEGFSRMOVWFFSRLOOP15MOVFINDF，WMOVWFACCAHIINCFFSRMOVFINDF，WMOVWFACCALOINCFFSRCALLD_ADDDECFSZTIMESGOTOLOOP15NOP；计算得到10次A/D转换的和BANKSELADCON1MOVLW0X84CALLTXMSG；发送CALLRXMSG；接受CALLDELAY；软件延时，使电压检测不要过于频繁GOTOLOOP；重复检测输入的直流电压值END42A/D转换程序设计初始化A/D转换器，设置RA2为输入，采样次数TIMES10次开始返回启动A/D转换器检测次数小于等于10次将10次检测的结果取平均值否是图17A/D转换器流程图数据采集通过内部的A/D模块实现，内部的A/D转换过程采用的是“逐次逼近”法，一次转换所需要的时间最短为十几微妙，速度很快。但在热电模块单元电压巡检时，会存在很多的干扰，在进行信号的A/D转换的时候也存在一定的干扰，因此采用简单的滤波方法，即采样10次，取10次的平均值作为最终的转换结果。A/D转换程序流程图如图17所示，A/D中断服务子程序如图18所示。保护W和STAUS内容清除A/D中断标志读取并保存转换数据运行延时程序开始启动A/D转换恢复保护W和STAUS内容返回图18A/D中断服务程序进入到A/D中断程序后，将标志寄存器和其他数据压入堆栈进行保护，将A/D中断标志位清零，使A/D停止数据转换，将刚刚采集并已经转换为数字信号的电压数据读取并保存。运行延时子程序，进行延时，使数据采集的频率不至于太频繁，增加系统负担。然后再将A/D转换器启动，准备下一次对数据的转换。同时将进入中断时保护起来的数据从堆栈中弹出。43CAN通信软件设计MCP2510共有5种操作模式配置模式、正常模式、休眠模式、监听模式及自检模式。可以通过CANCTRLREQOP位选择某一种模式。当芯片复位时，MCP2510默认为配置模式。需要注意的是，当从一种模式转入到另一种模式时，要等到所有数据都传输完毕后才能生效。1