汽車尾氣熱電轉(zhuǎn)換裝置電氣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化

房 偉 全書海 譚保華 冉 斌 王 力 焦亞田

1.武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，武漢，4300702.太陽(yáng)能高效利用湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢，430068 3.湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院，武漢，430068 4. 威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校環(huán)境與交通工程學(xué)院，麥迪遜，53536

汽車尾氣熱電轉(zhuǎn)換裝置電氣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化

房 偉1全書海1譚保華2,3冉 斌4王 力1焦亞田1

1.武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，武漢，4300702.太陽(yáng)能高效利用湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢，430068 3.湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院，武漢，430068 4. 威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校環(huán)境與交通工程學(xué)院，麥迪遜，53536

針對(duì)汽車尾氣熱電轉(zhuǎn)換裝置多個(gè)熱電器件溫差和自身特性的差異，為了最大化發(fā)揮各熱電器件的發(fā)電潛能，對(duì)熱電轉(zhuǎn)換裝置的熱電模塊進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化，基于圖論的方法將熱電模塊的串并聯(lián)問(wèn)題抽象為數(shù)學(xué)問(wèn)題，再針對(duì)性地設(shè)計(jì)了算法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架實(shí)驗(yàn)測(cè)試和數(shù)據(jù)驗(yàn)證，使得熱電轉(zhuǎn)換裝置對(duì)外輸出最大功率。

汽車尾氣熱電轉(zhuǎn)換裝置；拓?fù)鋬?yōu)化；熱電器件；轉(zhuǎn)換效率

0 引言

傳統(tǒng)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油能量?jī)H有約30%轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，其余都以冷卻水或尾氣方式直接排放[1]。若基于熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)將尾氣廢熱進(jìn)行回收發(fā)電并在車載系統(tǒng)中加以利用，對(duì)提高汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性具有重要意義，其中，利用多個(gè)熱電器件構(gòu)建汽車尾氣熱電轉(zhuǎn)換裝置(汽車尾氣熱電發(fā)電器)是回收汽車尾氣廢熱、實(shí)現(xiàn)發(fā)電的一種新技術(shù)途徑[2-3]。

大功率汽車尾氣熱電轉(zhuǎn)換裝置通常包含幾十或上百個(gè)熱電器件，由于受內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素影響，尾氣流過(guò)熱交換器時(shí)，其表面溫度難以實(shí)現(xiàn)完全的均勻化分布[4]，故各熱電器件的熱源溫度不同，在相同冷源條件下，它們的冷熱端溫差各異。此外，加工制造工藝水平的局限和安裝夾緊方式的不一致使得各熱電器件的內(nèi)阻也會(huì)有較大差異。

本文以自主研制的汽車尾氣熱電轉(zhuǎn)換裝置為研究對(duì)象，在最高熱源溫度達(dá)到熱電器件的最大耐溫值情況下，通過(guò)測(cè)試各熱電器件的開(kāi)路電壓和內(nèi)阻并建立其輸出特性模型，以峰值功率最大為優(yōu)化目標(biāo)，采用遺傳算法對(duì)其串/并聯(lián)電氣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，最后通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 汽車尾氣熱電轉(zhuǎn)換裝置的構(gòu)建

所構(gòu)建的汽車尾氣熱電轉(zhuǎn)換裝置如圖1所示，考慮到水冷方式比風(fēng)冷的效果更佳[5]，汽車尾氣熱電轉(zhuǎn)換裝置采用一套獨(dú)立于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)，由水箱、離心泵、散熱器通過(guò)管道與第一和第二冷源的進(jìn)出口相連，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排出的尾氣流入內(nèi)部類似魚骨狀流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的熱交換器[4](熱電器件的熱源)進(jìn)行熱交換，然后通過(guò)消聲器和三元催化器后排出到大氣中。其中，離心泵參數(shù)如下：揚(yáng)程為7 m，額定電壓為220 V，最大電流為0.72 A，額定體積流量為21 L/min。

圖1 汽車尾氣熱電轉(zhuǎn)換裝置的結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic structure of AETEG

熱交換器上下表面分別與多個(gè)低溫型Bi2Te3熱電器件(熱電器件組)的熱面緊貼，第一和第二熱電器件組的冷面分別與第一和第二冷源的表面緊貼。其中，第一和第二冷源均采取單列式冷卻方式，即熱交換器每層表面上每列對(duì)應(yīng)的4個(gè)熱電器件的公共冷面與1個(gè)冷卻水箱的表面緊貼，每層的8個(gè)冷卻水箱構(gòu)成每個(gè)熱電器件組的1個(gè)冷源[6-7]。

目前，還沒(méi)有成熟商業(yè)化的中高溫型熱電器件可用于汽車尾氣熱電轉(zhuǎn)換中，今后，一旦中高溫?zé)犭娖骷炕瘧?yīng)用，可以采用多級(jí)熱交換器布置的方式，在排氣管入口處或高溫區(qū)采用中高溫?zé)犭娖骷?，而遠(yuǎn)離排氣管入口處或低溫區(qū)采用Bi2Te3熱電器件，就可以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷工況的使用需要。所用Bi2Te3熱電器件的最高可承受溫度僅350 ℃左右，為了滿足發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷運(yùn)行工況，當(dāng)熱交換器表面的最高溫度大于350 ℃時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的尾氣通過(guò)所設(shè)計(jì)的旁路排出，以保護(hù)熱電器件。

1.1熱電器件組的布局與編號(hào)

圖1所示的第一和第二熱電器件組均由32個(gè)熱電單器件組成，它們以4行8列在熱交換器的上下表面分布[8]，各熱電器件之間的空隙采用耐高溫絕緣隔熱材料進(jìn)行填充，從尾氣入口到出口方向依次定義為第1列到第8列，每層熱電器件在熱交換器表面的布局及編號(hào)如圖2所示。

(a)上層

(b)下層圖2 熱電器件組的布局和編號(hào)Fig.2 Layoutand number of thermoelectric module groups

1.2系統(tǒng)的主要性能參數(shù)

采用魚骨狀流場(chǎng)結(jié)構(gòu)后通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)：發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率為15 kW，轉(zhuǎn)速為3200 r/min時(shí)，熱交換器最高表面溫度為350 ℃，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成的最大背壓約7.8 kPa，因此，可近似認(rèn)為所設(shè)計(jì)的熱交換器內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能無(wú)明顯影響。為了減小熱交換器對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能的影響，經(jīng)過(guò)消聲器后的尾氣還經(jīng)過(guò)三元催化器對(duì)一氧化碳、碳?xì)浠衔?、氮氧化物和硫化物等進(jìn)行進(jìn)一步處理后再排到大氣中。在試驗(yàn)中，暫不考慮所設(shè)計(jì)的熱交換器的內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原有排放氣流及其輸出轉(zhuǎn)矩等方面的影響，以及汽車尾氣熱電轉(zhuǎn)換裝置回收尾氣熱量的效率等問(wèn)題，僅從最大化回收電能的角度出發(fā)，重點(diǎn)研究多個(gè)熱電器件的電氣串/并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)汽車尾氣熱電轉(zhuǎn)換裝置輸出性能的影響，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，汽車尾氣熱電轉(zhuǎn)換裝置中相關(guān)重要部件的主要性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 汽車尾氣熱電轉(zhuǎn)換裝置相關(guān)部件的主要性能參數(shù)Tab.1 Main performance parameters of relevantcomponents of AETEG

2 熱電器件組電氣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1熱電器件的輸出性能

以冷源溫度穩(wěn)定在50 ℃，安裝壓力為294 N時(shí)(對(duì)應(yīng)壓力為82 kPa)為例，圖3所示為熱源溫度分別為230 ℃、270 ℃、310 ℃ 和 350 ℃時(shí)不同輸出電流條件下單個(gè)熱電器件一組典型的輸出電壓-電流-功率(U-I-P)特性曲線。隨著輸出電流增大，熱電器件的輸出電壓不斷降低，其輸出功率先增大到峰值然后逐漸減小到0(此時(shí)輸出電流等于其短路電流)；當(dāng)輸出電流大于其短路電流時(shí)，熱電器件的輸出電壓變?yōu)樨?fù)值，此時(shí)它在電路中相當(dāng)于一個(gè)耗能負(fù)載而非發(fā)電體。根據(jù)塞貝克效應(yīng)，當(dāng)外部條件相同時(shí)，冷熱源間的溫差越大，相同輸出電流條件下熱電器件的輸出電壓越高，此時(shí)熱電器件最大峰值功率對(duì)應(yīng)的最大可輸出電流也越大。

圖3 冷源溫度為50 ℃時(shí)不同熱源溫度的電壓-電流-功率曲線Fig.3 U-I-P curves with different hot source temperatures when the cold source temperature is 50 ℃

由于汽車尾氣熱電轉(zhuǎn)換裝置的熱交換器表面各處的溫度分布難以實(shí)現(xiàn)完全相同，故會(huì)造成各熱電器件的熱源溫度有高有低，采用上述單列式冷源結(jié)構(gòu)的外部冷卻系統(tǒng)時(shí)，各熱電器件的溫差會(huì)有一定差異(開(kāi)路電壓與峰值功率對(duì)應(yīng)的最大輸出電流不同)，加之加工制造工藝和安裝方式的細(xì)微差別，各熱電器件的自身特性(如內(nèi)阻)也各不相同[9-10]。若將所有熱電器件進(jìn)行串聯(lián)，系統(tǒng)的最大內(nèi)阻最大(各熱電器件內(nèi)阻之和)，由于木桶效應(yīng)，系統(tǒng)的最大輸出電流較小并受溫差較小的熱電器件的影響；若將輸出特性不同的熱電器件進(jìn)行隨意并聯(lián)，由于最終的輸出端電壓必須保持一致，根據(jù)基爾霍夫定律，開(kāi)路電壓不同的熱電器件之間存在一定環(huán)流，流過(guò)熱電器件的內(nèi)阻會(huì)產(chǎn)生一定熱量，從而增加系統(tǒng)的內(nèi)部功耗，降低系統(tǒng)的輸出性能，以上兩種情況都難以發(fā)揮各熱電器件的發(fā)電性能。因此，需要結(jié)合各自的輸出特性對(duì)它們進(jìn)行串/并聯(lián)電氣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化，在保證其輸出電壓不至于為零或負(fù)壓的同時(shí)，充分發(fā)揮各熱電器件的發(fā)電潛能，從而提高汽車尾氣熱電轉(zhuǎn)換裝置的整體效率和性能。

2.2熱電器件的等效電路模型

針對(duì)單個(gè)熱電器件的結(jié)構(gòu)，假設(shè)其內(nèi)部串聯(lián)的半導(dǎo)體電偶臂(PN結(jié))對(duì)數(shù)為n，其內(nèi)阻

r=nlP/(σPAP)+nlN/(σNAN)

(1)

式中，lP、σP、AP和lN、σN、AN分別為P型與N型半導(dǎo)體電偶臂的長(zhǎng)度、電導(dǎo)率和橫截面積。

從圖3可以看出，不同溫差條件下，單個(gè)熱電器件的電壓-電流特性曲線的斜率基本保持不變，即其內(nèi)阻可以認(rèn)為保持恒定。圖4所示為單個(gè)熱電器件的等效電路模型，可以等價(jià)為一個(gè)與溫差相關(guān)的可變電壓源串聯(lián)一個(gè)恒定內(nèi)阻，單個(gè)熱電器件的開(kāi)路電壓U、實(shí)際輸出電壓U0及其內(nèi)阻r可以分別表示為

U=nαPN(TH-TL)=n(αP-αN)(TH-TL)

(2)

U0=U-Ir

(3)

r=U/Imax

(4)

圖4 單個(gè)熱電器件的等效電路模型Fig.4 Equivalent circuit model of thermoelectric module

式中，αPN為半導(dǎo)體的相對(duì)塞貝克系數(shù)；αP、αN分別為P型與N型半導(dǎo)體的塞貝克系數(shù)；TH、TL分別為熱電器件內(nèi)部半導(dǎo)體電偶臂的實(shí)際熱端和冷源溫度；Imax為熱電器件的短路電流；I為熱電器件的實(shí)際輸出電流。

基于所設(shè)計(jì)的熱電器件電壓巡檢單元[11]和溫度檢測(cè)單元[12-13]，結(jié)合可調(diào)電子負(fù)載，在不同發(fā)動(dòng)機(jī)工況下分別測(cè)試各熱電器件的開(kāi)路電壓和最大峰值功率，如圖5所示。

圖5 不同發(fā)動(dòng)機(jī)工況下熱電器件的開(kāi)路電壓Fig.5 Open circuit voltages of thermoelectric module with different operations of engine

圖5中，工況1表示發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3100 r/min、輸出功率為9 kW，所有熱電器件的最大熱源溫度為318 ℃；工況2表示發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3200 r/min、輸出功率為12 kW，所有熱電器件的最大熱源溫度為350 ℃(熱電器件的最大耐溫值)。結(jié)合圖2中熱電器件的布局可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出功率越大，靠近尾氣入口處的熱電器件的平均熱源溫度越高，在相同冷卻條件下，其冷熱端溫差越大，開(kāi)路電壓也越高。以工況2為例，從小到大改變各熱電器件的輸出電流，得到此時(shí)各熱電器件峰值功率所對(duì)應(yīng)的電流，如圖6所示，其變化規(guī)律與圖5基本相似，即溫差越大，峰值功率對(duì)應(yīng)的電流也越大，單個(gè)熱電器件峰值功率對(duì)應(yīng)電流集中在0.8～1.2 A之間，這為不同電壓和電流等級(jí)的熱電器件進(jìn)行串并聯(lián)提供了如下參考依據(jù)：將開(kāi)路電壓和內(nèi)阻接近并且峰值功率對(duì)應(yīng)電流較低的熱電器件進(jìn)行并聯(lián)，將峰值功率對(duì)應(yīng)電流較小且內(nèi)阻較小的熱電器件進(jìn)行串聯(lián)。

圖6 熱電器件的峰值功率對(duì)應(yīng)電流Fig.6 Peak power current of thermoelectric modules

基于圖4所示的等效電路模型，利用式(4)計(jì)算各熱電器件的平均內(nèi)阻估值，如圖7所示，可見(jiàn)，由于各熱電器件的加工設(shè)計(jì)工藝和承受安裝壓力的差異，各熱電器件的平均內(nèi)阻各異，與它們?cè)跓峤粨Q器表面的位置分布無(wú)直接聯(lián)系。

圖7 熱電器件的平均內(nèi)阻Fig.7 Average inner resistances of thermoelectric modules

2.3優(yōu)化算法

其中，UAETEG為60個(gè)熱電模塊串并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的總等效電壓，X21為60個(gè)熱電模塊串并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的總等效內(nèi)阻。為了獲得最優(yōu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，此處構(gòu)造連接矩陣，見(jiàn)表2。

表2 60個(gè)模塊的拓?fù)溥B接矩陣

表2中，Ai表示模塊i的后節(jié)點(diǎn)，Bi表示模塊i的前節(jié)點(diǎn)。xi,j=1表示模塊i的后節(jié)點(diǎn)與模塊j的前節(jié)點(diǎn)連接，xi,j=0表示模塊i與模塊j的前節(jié)點(diǎn)無(wú)連接；yi,j=1表示模塊i的后節(jié)點(diǎn)與模塊j的后節(jié)點(diǎn)連接，且xi,j+yi,j=1，以避免模塊之間短路。yi,j=0表示后節(jié)點(diǎn)直接無(wú)連接，zi,j=1表示節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j的前節(jié)點(diǎn)連接，zi,j=0表示前節(jié)點(diǎn)之間無(wú)連接。-1表示不存在這樣的連接。現(xiàn)舉例說(shuō)明。

圖8為7個(gè)熱電模塊的一種連接方式，根據(jù)規(guī)則，其連接矩陣見(jiàn)表3。

圖8 7個(gè)熱電模塊的一種連接方式Fig.8 A connection of seven thermoelectric modules

將N個(gè)模塊串并聯(lián)組合，則串并聯(lián)模塊的總等效電壓和總內(nèi)阻的算法過(guò)程如下。

(1)將其中所有的純并聯(lián)模塊(前節(jié)點(diǎn)相連，后節(jié)點(diǎn)相連的模塊)等效成一個(gè)模塊。假設(shè)某個(gè)

并聯(lián)模塊共有K個(gè)模塊并聯(lián)在一起。則等效電壓和等效內(nèi)阻分別為

Ri=(1/Ri1+1/Ri2+…+1/Ri,K)-1

(2)將其中并聯(lián)支路中存在的串聯(lián)模塊(后節(jié)點(diǎn)與前節(jié)點(diǎn)相連)等效成一個(gè)模塊。假設(shè)某一個(gè)并聯(lián)支路中有M個(gè)模塊串聯(lián)，則等效電壓和等效內(nèi)阻分別為

信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)是數(shù)學(xué)、信息科學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)三者交叉的學(xué)科，它以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，計(jì)算機(jī)為工具，解決信息和工程計(jì)算方面的實(shí)際問(wèn)題．這一專業(yè)設(shè)置較好地適應(yīng)了以信息技術(shù)為核心的全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展格局下的人才培養(yǎng)與專業(yè)發(fā)展[1-4]．

Uj=Uj1+Uj2+…+UjM

Rj=Rj1+Rj2+…+RjM

(3)步驟(2)中等效之后再將并聯(lián)模塊等效成一個(gè)模塊：

(4)將所有的串聯(lián)模塊相加，得到總等效電壓U和等效內(nèi)阻R。

(5)計(jì)算此時(shí)可以輸出的最大功率P=U2/(4R)。

(6)不斷進(jìn)行xi,j，yi,j和zi,j的0-1組合，得到不同的串并聯(lián)模塊組合，得到每一個(gè)串并聯(lián)模塊的最大輸出功率Pmax(i)，并取Pmax(i)中最大值，其最大功率值對(duì)應(yīng)的模塊組合就是相應(yīng)的最優(yōu)模塊組合。

考慮到這是一個(gè)NP難度問(wèn)題，在此作出簡(jiǎn)化。采取局部逐級(jí)優(yōu)化的方法，具體過(guò)程如下:

(1)將所有的熱電模塊全部串聯(lián)，根據(jù)各熱電模塊的開(kāi)路電壓和內(nèi)阻求得功率P1。

(3)將步驟(2)中使電路獲得最大功率的兩個(gè)熱電模塊等效成新的一個(gè)熱電模塊，并與剩下的N-2個(gè)熱電模塊組成新的N′個(gè)模塊，并重復(fù)步驟(2)。

算法具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下。

(1)第一輪時(shí)先求出N個(gè)熱電模塊串聯(lián)的總功率：

(2)找出兩個(gè)并聯(lián)的熱電模塊，使其與剩下的模塊串聯(lián)后獲得最大功率：

(3)更新熱點(diǎn)模塊總數(shù)：N←N-1。

(4)當(dāng)N=1時(shí),Pmax=max(P)。

算法圖解過(guò)程如圖9所示。

圖9 算法描述圖Fig.9 Algorithm description diagram

2.4算法實(shí)現(xiàn)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得60個(gè)熱電模塊在某一溫度下的開(kāi)路電壓以及內(nèi)阻(數(shù)據(jù)見(jiàn)附件)。按照簡(jiǎn)化的算法模型，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 60個(gè)模塊的迭代計(jì)算結(jié)果Tab.3 Iterative calculation results of 60 modules

最大輸出功率的輸出圖像如圖10所示。

圖10 60個(gè)模塊經(jīng)過(guò)多次迭代后最大功率輸出圖Fig.10 Maximum power output diagram of 60 modules after many iterations

由上可知，經(jīng)過(guò)第6輪迭代后，獲得最大輸出功率，而對(duì)于此溫度下60個(gè)熱電模塊的最佳組合方式：(3，33)模塊并聯(lián)，(5，38，43，8)模塊并聯(lián)，(13，7)模塊并聯(lián)，(14，42)模塊并聯(lián)，并且這些并聯(lián)模塊與剩下的熱電模塊進(jìn)行串聯(lián)。

通過(guò)每層熱電器件組中除C1、C2、C3和C4之外的其他各列熱電器件在上述整體式、單列式和獨(dú)立式冷源結(jié)構(gòu)中空載電壓和最大輸出功率的測(cè)試同樣可以發(fā)現(xiàn)，采用獨(dú)立式冷源結(jié)構(gòu)時(shí)熱電器件的輸出性能最好，單列式結(jié)構(gòu)條件下性能次之，整體式結(jié)構(gòu)條件下性能最差，變化規(guī)律和與上述測(cè)試結(jié)果完全相同，基于篇幅原因，對(duì)除C1、C2、C3和C4之外的其他各列熱電器性能測(cè)試結(jié)果不再贅述。

3 結(jié)語(yǔ)

目前，低溫型熱電材料的熱電優(yōu)值普遍不高，熱電器件自身的性能有待提高，利用熱電器件實(shí)現(xiàn)汽車尾氣溫差發(fā)電的難點(diǎn)和關(guān)鍵在于如何最大化建立各熱電器件的冷熱端實(shí)際溫差。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的尾氣溫度通常可達(dá)幾百℃，在經(jīng)過(guò)熱交換器儲(chǔ)熱和熱傳導(dǎo)后可以保證熱電器件的熱面較高的接觸溫度，但同時(shí)熱端向冷端的熱傳導(dǎo)會(huì)影響實(shí)際溫差降低熱電轉(zhuǎn)換性能。本文設(shè)計(jì)了整體式、單列式和獨(dú)立式三種冷源結(jié)構(gòu)進(jìn)行汽車尾氣熱電轉(zhuǎn)換裝置的性能對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明，相同條件下，冷源采用獨(dú)立式和小型化設(shè)計(jì)更有利于熱電器件的冷面與冷源表面的接觸和散熱，能得到更大的溫差以提高系統(tǒng)性能，為今后進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)汽車尾氣熱電轉(zhuǎn)換裝置提供了借鑒思路。

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EffectofCoolingStructureontheOutputPerformanceofAutomobileExhaustThermoelectricGenerator

FANG Wei1QUAN Shuhai1TAN Baohua2,3RAN Bin4WANG Li1JIAO Yatian1

1.Automobile Engineering Institute, Wuhan University of Technology, Wuhan,430070 2.Hubei Collaborative Innovation Center for High-efficiency Utilization of Solar Energy，Wuhan，430068 3.School of Science, Hubei University of Technology,Wuhan, 430068 4.School of Enviroment and Transportation Engineering, University of Wisconsin-Madison, Madison, 53536

Aiming at the differences among the temperature differences and different characteristics of the thermoelectric devices of an automobile exhaust thermoelectric generator,in order to maximize the power generation potential of each thermoelectric device,the thermoelectric module of the thermoelectric generator was optimized by an topological structure research method,and the serial and parallel problems of the thermoelectric module were abstracted as a mathematical problem based on the graph theory,then the algorithm was targeted designed .The experimental results show that,compared with other simple series or parallel structures, the electrical topology optimized by this method may fully utilize the power generation potentials of each thermoelectric devices under the same conditions and are improved the output powers of the automobile exhaust thermoelectric generators.

automobile exhaust thermoelectric generator；topological optimization；thermoelectric module；transfer efficiency

N33

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.21.018

2016-12-12

國(guó)家國(guó)際科技合作重大項(xiàng)目 (2011DFB60150);國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2013CB632505)

(編輯陳勇)

房偉，男，1988年生。武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院講師、博士。主要研究方向?yàn)樾滦蛣?dòng)力裝置與智能控制。獲發(fā)明專利2項(xiàng)，發(fā)表論文16篇。E-mail: fangwei49@163.com。全書海，男，1955年生。武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。譚保華，男，1978年生。湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院教授、博士。冉斌，男,1965年生。威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校環(huán)境與交通工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師，國(guó)家千人計(jì)劃特聘專家。王力，男，1993年生。武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院碩士研究生。焦亞田，女，1993年生。武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院碩士研究生。