汽車尾氣熱電發(fā)電模塊拓?fù)鋬?yōu)化及實(shí)驗(yàn)測試

楊廣 焦亞田 湯澤波 鄧堅(jiān)

摘 要： 汽車尾氣熱電發(fā)電技術(shù)對降低整車油耗具有重要意義，而熱電模塊之間的串并聯(lián)拓?fù)溥B接方式是影響系統(tǒng)電性能表現(xiàn)的關(guān)鍵因素之一。本文以熱電模塊組整體輸出功率峰值最大為優(yōu)化目標(biāo)，采用局部逐級優(yōu)化算法完成熱電模塊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化。搭建車載尾氣熱電發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺架，對比分析在優(yōu)化結(jié)構(gòu)下系統(tǒng)的整體輸出功率P'max與全串聯(lián)結(jié)構(gòu)時的Pmax，發(fā)現(xiàn)在本文所提出的熱電模塊拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)下，熱電發(fā)電系統(tǒng)的整體最大輸出功率能夠提高將近9.4%。

關(guān)鍵詞： 熱電發(fā)電；串并聯(lián)拓?fù)?；局部逐級?yōu)化；最大輸出功率

1 前言

當(dāng)今世界，全球范圍內(nèi)的能源危機(jī)及環(huán)境污染是人類社會不得不面對的兩大難關(guān)。傳統(tǒng)汽車發(fā)動機(jī)的燃料有將近40%的能量以廢熱的形式經(jīng)由汽車尾氣排出[1-2]。熱電發(fā)電技術(shù)能夠?qū)⒃瓉砼欧诺酱髿庵械膹U熱進(jìn)行回收利用，既提高了現(xiàn)有能源利用率又能夠減少尾氣污染[3]。

目前典型的汽車尾氣熱電發(fā)電系統(tǒng)的組成部分包括熱端氣箱（即熱交換器）、熱電模塊、冷卻單元、調(diào)制裝置及機(jī)械連接設(shè)備等[4]，而汽車尾氣熱電發(fā)電的效率主要受排氣管道內(nèi)部結(jié)構(gòu)、熱電模塊本身特性及熱電模塊之間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的影響[5-6]。

目前，在汽車尾氣熱電發(fā)電技術(shù)中，對于熱電模塊串并聯(lián)拓?fù)鋬?yōu)化的研究，國外的相關(guān)研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)取得了一些突出的成果[7]，然而國內(nèi)的相關(guān)研究才是剛剛起步[8]。通過調(diào)整各熱電發(fā)電模塊的連接組合方式，可以有效提高熱電發(fā)電系統(tǒng)的工作效率[9-10]。

2 汽車尾氣熱電發(fā)電系統(tǒng)的組成

熱電發(fā)電系統(tǒng)主要包括發(fā)動機(jī)、熱端氣箱、熱電模塊、冷卻系統(tǒng)以及電壓巡檢單元等。

為了便于分析，將熱電模塊分為上下兩組。對熱電模塊組1進(jìn)行的編號如圖1所示，熱電模塊組2的編號規(guī)則和熱電模塊組1相同，編號范圍為154～306。

3 熱電模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化方法研究

3.1 全串聯(lián)與并聯(lián)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

若將所有的熱電模塊都串聯(lián)起來，內(nèi)阻較大的熱電模塊在同樣的負(fù)載下的輸出電壓可能會極小，甚至?xí)霈F(xiàn)輸出負(fù)壓的情況，降低系統(tǒng)的整體發(fā)電性能；若將所有的熱電模塊并聯(lián)起來，不同開路電壓等級的熱電模塊之間可能會產(chǎn)生較為嚴(yán)重的環(huán)流現(xiàn)象而造成熱電電堆能量損耗。

3.2局部逐級優(yōu)化算法

局部逐級優(yōu)化的算法以同一行69～85號熱電模塊為例，采取局部逐級優(yōu)化的方式對其進(jìn)行串并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化，其具體步驟為：①將69～85號熱電模塊全部串聯(lián)起來，求得此時熱電模塊組的最大輸出功率P0；②從69到85號熱電模塊中選取兩個開路電壓及內(nèi)阻均較為接近且最大輸出功率點(diǎn)處的電流較小的熱電模塊進(jìn)行并聯(lián)以后，求得此時熱電模塊組的最大輸出功率P1；③將第2步中并聯(lián)的兩個熱電模塊等效成為一個熱電模塊，并與剩下的熱電模塊組成新的熱電模塊組，然后重復(fù)第2步；④對比每次并聯(lián)后得到的最大輸出功率，尋找其中的最大值，從而確定最終的串并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

4 熱電發(fā)電實(shí)驗(yàn)臺架建立與拓?fù)鋬?yōu)化實(shí)驗(yàn)測試

4.1熱電發(fā)電實(shí)驗(yàn)臺架建立

搭建的熱電發(fā)電裝置實(shí)物包括熱電模塊、熱電氣箱以及冷卻水系統(tǒng)等。搭建的熱電發(fā)電系統(tǒng)綜合測試臺架包括發(fā)動機(jī)、汽車尾氣熱電發(fā)電單片電壓實(shí)時巡檢系統(tǒng)、電渦流測功機(jī)、油耗儀、實(shí)驗(yàn)臺架總控制臺等，主要負(fù)責(zé)發(fā)動機(jī)的工況控制及對熱電發(fā)電裝置發(fā)電情況的在線檢測。

4.2模塊組串并聯(lián)拓?fù)溥B接結(jié)構(gòu)測試

4.2.1熱電模塊電特性測試

測試環(huán)境：室溫15℃，濕度46%；發(fā)動機(jī)參數(shù)：轉(zhuǎn)速3300r/min，輸出功率29.5kW；氣箱溫度：熱端最高溫度可達(dá)237℃。

在設(shè)定工況下，測試得到熱電模塊組1中部分熱電模塊的開路電壓。通過對各個熱電模塊輸出特性的分析，可以得知同一列（如1、18、35、52、69、86、103、120、137號）熱電模塊的電性能差異較?。欢恍校ㄈ?～17號）的熱電模塊之間電性能的差異較大。

4.2.2電特性不同時的結(jié)構(gòu)測試

選取69～85號熱電模塊為研究對象，研究同一行（即電特性不一致）的熱電模塊組的串并聯(lián)特性。69～85號熱電模塊在獨(dú)立發(fā)電時的最大輸出功率W（調(diào)制電流A）：1.18（0.8）、1.23（0.65）、1.47（0.75）、2.19（0.8）、2.94（0.95）、3.63（1.1）、2.03（0.8）、1.87（0.8）、1.8（0.8）、1.6（0.75）、1.4（0.75）、1.1（0.65）、0.9（0.6）、0.9（0.6）、0.8（0.55）、0.6（0.5）、0.5（0.5），理論上的最大輸出功率為熱電模塊獨(dú)立發(fā)電時最大發(fā)電功率總和，為27.15W。

將69～85號熱電模塊全部串聯(lián)起來，最大輸出功率24.1W。與理論值相比，輸出功率損耗約為11.2%。

將69～85號熱電模塊并聯(lián)起來，最大輸出功率為22.58W，與理論值相比，損耗約為16.8%。

采用局部逐級優(yōu)化算法，對69～85號熱電模塊按照算法模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，在進(jìn)行了第五次迭代后得到69～85號熱電模塊組最大輸出功率的峰值25.16W，相比串聯(lián)結(jié)構(gòu)提升了將近4.48%的能量利用率。

4.2.3串并聯(lián)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)與測試

將電特性基本呈一致狀態(tài)的熱電模塊進(jìn)行串聯(lián)或者并聯(lián)以后，得到的最大輸出功率基本相同。在并聯(lián)結(jié)構(gòu)中，電路的工作電流達(dá)到串聯(lián)結(jié)構(gòu)下的9倍左右，采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)更加有利于系統(tǒng)的有效輸出。

經(jīng)過對熱電模塊之間拓?fù)潆娐返男阅苡懻摷皩?shí)驗(yàn)對比，得到了熱電模塊組1優(yōu)化后的具體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

針對圖2所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)定一下三種工況分別測量系統(tǒng)的整體最大輸出功率。

工況1：2900r/min@73Nm（發(fā)動機(jī)）；工況2：3200r/min@85Nm（發(fā)動機(jī)）；工況3：3300r/min@91Nm（發(fā)動機(jī)）

將熱電模塊組共306個熱電模塊全部串聯(lián)起來，測得熱電模塊組的整體輸出功率峰值Pmax；將熱電模塊按圖2所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接起來，測得熱電模塊組的整體輸出功率峰值P'max。 結(jié)果如下：

工況1：氣箱溫度198℃；Pmax=189.86W；P'max=205.29W；提升8.13%。

工況2：氣箱溫度221℃；Pmax=282.43W；P'max=307.48W；提升8.87%。

工況3：氣箱溫度235℃；Pmax=402.5W；P'max=440.33W；提升9.4%。

測試結(jié)果表明：在所設(shè)定的三種工況下，熱電發(fā)電系統(tǒng)的整體最大輸出功率值均有一定程度的提高，尤其是在工況3時，系統(tǒng)整體輸出功率峰值提高了大約9.4%。

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于局部逐級優(yōu)化算法的熱電發(fā)電模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。對比分析全串聯(lián)和拓?fù)鋬?yōu)化后的系統(tǒng)整體發(fā)電功率，發(fā)現(xiàn)在本文所提出的熱電模塊拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)下，熱電發(fā)電裝置的整體輸出功率最大能夠提高大約9.4%，且該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有一定的普遍適用性，在一般工況下均能夠提高熱電發(fā)電裝置的整體發(fā)電功率，即本文所提出的熱電模塊拓?fù)浞桨缚尚小?/p>

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