汽車(chē)尾氣溫差發(fā)電裝置及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

齊學(xué)紅

（淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 淮安 223003）

汽車(chē)尾氣溫差發(fā)電裝置及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

齊學(xué)紅

（淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 淮安 223003）

∶針對(duì)汽車(chē)尾氣廢熱回收問(wèn)題，提出一種汽車(chē)尾氣溫差發(fā)電方案。分析了汽車(chē)溫差發(fā)電原理和熱電材料的選擇；研究溫差發(fā)電與三元催化器集成的裝置和控制系統(tǒng)；設(shè)計(jì)了降壓、蓄電池充電、溫度監(jiān)測(cè)等硬件電路和軟件控制系統(tǒng)；對(duì)壓力和溫差與發(fā)電量的關(guān)系進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，設(shè)計(jì)方案能有效減少燃油消耗及提高車(chē)用電池壽命，達(dá)到節(jié)能減排功用。

∶汽車(chē)尾氣；溫差發(fā)電裝置；三元催化器；節(jié)能減排

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.09.024

CLC NO.: U463.6Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)09-65-03

引言

汽車(chē)數(shù)量激增，石油資源緊缺，環(huán)境惡化，使節(jié)能減排成為汽車(chē)行業(yè)的研究熱點(diǎn)。汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)能量約30%～40%隨尾氣排放[1]，汽車(chē)廢熱回收利用是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要途徑，溫差發(fā)電技術(shù)可將尾氣熱能轉(zhuǎn)換為電能，現(xiàn)有溫差發(fā)電系統(tǒng)一般是將發(fā)電模塊加在汽車(chē)排氣管上，存在占用空間大、布置困難、與發(fā)動(dòng)機(jī)排氣兼容性差等問(wèn)題。論文分析汽車(chē)尾氣溫差發(fā)電研究成果基礎(chǔ)上，提出將溫差發(fā)電裝置與發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)三元催化器的集成[2],以減小排氣系統(tǒng)尺寸，減少污染，提高燃油經(jīng)濟(jì)性，為實(shí)現(xiàn)汽車(chē)尾氣溫差發(fā)電大規(guī)模應(yīng)用提供參考。

1、溫差發(fā)電原理及溫差電材料

1.1溫差發(fā)電原理

溫差發(fā)電利用材料熱電效應(yīng)，將高、低溫?zé)嵩粗g的溫差轉(zhuǎn)化為電能。熱電效應(yīng)以塞貝克效應(yīng)[3]， 帕爾帖效應(yīng)和湯姆遜效應(yīng)為理論基礎(chǔ)，通過(guò)開(kāi)爾文關(guān)系三者得以統(tǒng)一。

1.2溫差電材料的選擇

汽車(chē)尾氣溫差發(fā)電效率與熱電材料性能有關(guān)，溫差電材料分為三種：低溫溫差電材料工作溫度約為200℃，以Bi2Te3和Sb2Te3 材料為主；中溫溫差電材料溫度區(qū)間500～600℃，典型材料PbTe；高溫溫差電材料溫度為500～700℃，主要為SiGe。

2、溫差發(fā)電裝置

溫差發(fā)電本質(zhì)是將發(fā)動(dòng)機(jī)排放尾氣熱能轉(zhuǎn)換成電能，半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊高溫面與汽車(chē)排氣管接觸，吸收熱量形成熱端；低溫面與冷卻裝置接觸產(chǎn)生冷端。根據(jù)賽貝克效應(yīng)實(shí)現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換，輸出信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理，為蓄電池充電或車(chē)載設(shè)備供電，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)尾氣熱量的回收利用。系統(tǒng)由熱源、溫差發(fā)電裝置、冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

圖1　汽車(chē)尾氣余熱溫差發(fā)電系統(tǒng)框圖

2.1熱源

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管出口處溫度約為800℃，沿尾氣流動(dòng)方向溫度逐漸降低，出口處約100oC，溫差發(fā)電模塊與排氣管相連，形成模塊熱端[4,5]。

2.2溫差發(fā)電系統(tǒng)集熱器

集熱器是一種換熱器，高溫尾氣流經(jīng)集熱器，通過(guò)對(duì)流、熱傳導(dǎo)方式，熱量由集熱器內(nèi)壁傳至外壁，形成溫差發(fā)電模塊的熱端。主要有平板式和圓筒式，平板式集熱器截面為方形，上下表面為熱端，安裝溫差發(fā)電模塊；圓筒式集熱器結(jié)構(gòu)類(lèi)似于平板式，筒外壁設(shè)計(jì)成多邊形，具有面積利用率高、表面溫度均勻、抗振動(dòng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，本設(shè)計(jì)采用圓筒式集熱器。

2.3冷卻系統(tǒng)

模塊發(fā)電量與熱、冷端溫度差密切相關(guān)，冷端可采用水冷和風(fēng)冷。風(fēng)冷利用散熱片或空氣對(duì)流降溫，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但散熱受到車(chē)速影響大，低速時(shí)散熱效果低且不穩(wěn)定；水冷利用冷卻水循環(huán)散熱降溫，使模塊冷端維持低溫且穩(wěn)定，本設(shè)計(jì)采用水冷式。

此外，除了衣服里面可以放置物品，漢服的腰帶也是可以掛東西的，諸如錢(qián)袋、香囊、印章乃至刀劍等生活必需但塞不到衣服里面的小物件，掛在腰上是男性最方便也是最普遍的選擇。

2.4夾緊裝置

熱電模塊與尾氣通道、冷卻水箱接觸狀況直接影響模塊冷熱端的表面溫度。設(shè)計(jì)采用槽鋼式夾緊方式，水箱通過(guò)壓緊螺釘與模塊夾緊，保證每行模塊都與冷熱端接觸良好。

3、溫差發(fā)電裝置和三元催化器集成

尾氣流經(jīng)三元催化器，溫度約400℃時(shí)，載體催化活性最強(qiáng)，裝置中發(fā)生復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)：

設(shè)計(jì)采用正多邊形橫截面結(jié)構(gòu)的圓筒式管道，實(shí)現(xiàn)集熱、催化和凈化功能。

4、溫差發(fā)電控制系統(tǒng)

汽車(chē)工況變化引起溫差發(fā)電模塊輸出電壓波動(dòng)，影響汽車(chē)用電設(shè)備穩(wěn)定性；汽車(chē)重負(fù)荷下高溫尾氣將損壞發(fā)電模塊。系統(tǒng)設(shè)計(jì)DC/DC 轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)輸出電壓為汽車(chē)設(shè)備供電和蓄電池充電，設(shè)計(jì)高溫監(jiān)測(cè)電路保護(hù)發(fā)電模塊，控制電路如圖2所示。

圖2　溫差發(fā)電控制電路

4.1降壓電路設(shè)計(jì)[6]

選用降壓芯片XIA016，PWM調(diào)制方式分別為電器設(shè)備和蓄電池提供12V與18V電壓，輸入電容CC防止瞬態(tài)大電壓損壞芯片，輸出電容C2和電感降低紋波，續(xù)流二極管選用肖特基二極管。

采用UC3906為12V鉛酸蓄電池充電，輸入18V使功率管TIP42C導(dǎo)通，初始充電電流為500mA，電壓達(dá)到過(guò)充電壓的95%時(shí)轉(zhuǎn)入過(guò)充電狀態(tài)；充電電流降到過(guò)充電終止電流（IOCT）時(shí)UC3906的10腳輸出高電平，比較器LM339輸出低電平，蓄電池轉(zhuǎn)入浮充狀態(tài)。

4.3溫度控制電路設(shè)計(jì)

汽車(chē)重負(fù)荷工況下尾氣溫度升高，導(dǎo)致集熱器外表面溫度過(guò)高，損壞發(fā)電模塊。溫控電路由控制芯片、溫度檢測(cè)、溫度顯示、電源、步進(jìn)電機(jī)等組成。系統(tǒng)選用低功耗、高性能、抗干擾的STCl2C5A60S32芯片，溫度傳感器采用PTl00，放大器采用LM324，多路溫度監(jiān)測(cè)信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，由P1口輸入單片機(jī)，經(jīng)處理后控制旁通管道閥門(mén)開(kāi)閉，分流高溫尾氣而降溫，保護(hù)發(fā)電模塊。

5、軟件設(shè)計(jì)

以STCl2C5A60S2芯片構(gòu)成的控制電路[7]，實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)，處理、顯示和電機(jī)控制。系統(tǒng)設(shè)計(jì)主程序和中斷程序，中斷程序包括AD采樣和LCD顯示，程序流程圖如圖3所示。

5.1主程序模塊

圖a為主程序流程圖，定義P3.5、P3.6、P3.7分別控制步進(jìn)電機(jī)的使能端、電機(jī)方向端、電機(jī)脈沖端，設(shè)置溫度上下限等。

5.2AD采樣模塊

圖b為AD采樣流程圖，實(shí)現(xiàn)五路溫度的精準(zhǔn)采樣，STCl2C5A60S2具有8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換口在P1口。

5.3LCD顯示部分

LCD顯示流程圖如圖c所示，LCD讀寫(xiě)時(shí)對(duì)標(biāo)志位BF忙檢測(cè)，BF=1表示顯示器忙；BF=0時(shí)顯示器接收單片機(jī)數(shù)據(jù)，1602通過(guò)D0～D7傳輸數(shù)據(jù)和指令。

6、溫差發(fā)電模塊性能測(cè)試

系統(tǒng)發(fā)電量由熱電模塊兩端溫度決定，也與其所受壓力有關(guān)。圖4a表明在相同溫度下，壓力越大發(fā)電量越大，溫差發(fā)電裝置由鋼板固定以提升發(fā)電量。

圖4b為模塊在相同壓力下，冷熱端溫度變化時(shí)的發(fā)電量，可見(jiàn)冷熱端溫差越大發(fā)電量越大，選擇耐高溫材料可提升發(fā)電量。

圖4　發(fā)電量印象因素

7、結(jié)論

汽車(chē)產(chǎn)量的提高，尾氣污染加劇，節(jié)能減排已成為汽車(chē)行業(yè)研究重點(diǎn)。隨著熱電材料性能的提高，溫差發(fā)電技術(shù)在汽車(chē)余熱回收中的應(yīng)用前景越來(lái)越廣闊。未來(lái)，可以在新型熱電材料開(kāi)發(fā)、熱電裝置界面連接技術(shù)、熱電裝置可靠性等方面開(kāi)展工作。

[1] GRANDEURD,CRANES,HUNGB,eta1.Automobivewasteheatconversiontoelectricpowerusingskutteru-dite,TAGS,PbTeandBiTelJ].Ther moelectrics,2006(25):343-348.

[2] 劉彪,梁昱,周立迎.催化轉(zhuǎn)化器載體對(duì)流場(chǎng)及壓力損失的影響[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004,31(1):17-20.

[3] SoonseoPark,JunghoYoo,SungkyuCho.LowandhilghTemperature D-ualThermoelectricGenerationWasteHeatRecoverySystemforLight-D utyVehicles[C].DEERConf.Dearborn,2009.

[4] 鄧亞?wèn)|,范韜,郭珣等.汽車(chē)尾氣溫差發(fā)電裝置及熱電模塊的布置研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)·信息與管理工程版,2010(32):265-267.

[5] 田聰,劉丹,張克文等.利用汽車(chē)尾氣余熱溫差的熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)[J],長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2013(34):645-648.

[6] 童詩(shī)白,華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第三版)[M].北京:高等教育出版社,667-675.

[7] 齊學(xué)紅,朱靜,汪東明等.基于多傳感器的植物測(cè)控系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[J].傳感器世界.2015（6）:21-24.

Design on automobile exhaust thermoelectric power generation unit and control system

Qi Xuehong
(Huaian College of Information Technology, Jiangsu Huaian 223003)

A program is introduced on thermoelectric power generation of automobile exhaust in article. Some elements are analyzed on the principle of thermoelectric power generation and auto- motive thermoelectric materials, and a system means is proposed of thermoelectric power genera- tion integrated with catalytic converters. The hardware and software systems are designed such as buck circuit, battery charging circuit and the temperature detection circuit. The relationship between the pressure, the temperature difference between the amount of electricity is analyzed. The program can effectively reduce vehicle fuel consumption and improve battery life, to achieve energy saving function.

Automobile exhaust; thermoelectric power generation unit; catalytic converters; energy conservation

∶U463.6

∶A

∶1671-7988 (2016)09-65-03

齊學(xué)紅（1969年—），男，淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，碩士研究生、碩士學(xué)位，講師/工程師，主要從事汽車(chē)電子控制與信號(hào)處理研究。

淮安市汽車(chē)技術(shù)公共服務(wù)平臺(tái)項(xiàng)目（HAPO201411）子項(xiàng)目：汽車(chē)尾氣余熱溫差發(fā)電裝置研究(KA150807) 資助。