[发明专利]一种汽车发动机尾气余热热电转换台架试验装置及控制方法

说明书

技术领域

本发明属于一种热电转换装置及控制方法，具体而言，是一种汽 车发动机尾气余热热电转换台架试验装置及控制方法。

背景技术

近年来由于在技术上热电材料性能的不断提升，以及环保议题上 温室效应和二氧化碳减排等因素，利用热电转换技术，进一步将大量 废热回收转为电能的方式，普遍得到日、美、欧等先进国家的重视。 低温余热、特别是300℃以下的废热再利用，增加了热电发电的竞争 力，一些新兴应用研究诸如垃圾焚烧余热、炼钢厂的余热、特别是利 用汽车发动机尾气的余热进行发电，为汽车提供辅助电源的研究也正 在进行，并且已有部分研究成果在国外投入初步的实际应用。相关研 究和计算表明，传统内燃机汽车其发动机在实际运行中产生的能量约 有60％以热量的方式丢失，这些热量大多通过尾气排出，直接导致了 汽车发动机效率和燃油利用率明显偏低，国外在车辆排气发电方面， 以Nissan公司研发最为积极，利用占总废热约30％的排气热能发电提 供发动机辅助电源，每台车约能有200W的电力回充电瓶，据统计可减 少5％的燃油支出，这无疑为其今后商品化乃至产业化指明了方向。 国内关于这方面的研究目前大多处于实验室初步阶段，类似成熟的产 品或装置少见报道，因此，若基于热电转换特性将这部分废热加以充 分利用给车载相关弱电设备供电，在节约能源的同时可以提高汽车发 动机的效率和燃油利用率，从长远意义上看具有很好的经济效益和广 阔的市场前景。

目前已有的汽车发动机尾气余热热电转换装置大多利用发动机 自身冷却系统中90℃左右的冷却水保持热电转换模块的冷端温度不 变产生电能，由于冷端温度较高且不可调节特别是在发动机转速较低 时冷热端温差较小，使得热电转换效率和能量利用率不高，输出功率 大多为500W以下，这样造成带负载能力明显不足，因此常常需要外挂 大容量的蓄电池给车载设备供电，这样投入汽车使用后成本回收周期 太长(按节省5％的燃油支出计算至少需要4年)。另外，对热电转换 单模块在不同温度差情况下的端电压和内阻缺乏有效的监测和控制， 使得热电转换模块的使用寿命、可靠性和安全性都大打折扣，维护成 本过高，这些综合因素严重阻碍了其未来的市场化和产业化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过改变电网上的室内交流负载功 率和发动机的转速模拟汽车运行工况的热电转换台架试验装置，通过 控制发动机的转速、热电转换模块组的冷端温度以及能量分配，分析 与研究汽车发动机用热电转换模块的热电转换效率、输出特性与冷热 端温度差的变化规律以及单模块的衰减特性等，找出不同热冷端温度 差条件下的最优工作区和给定输出功率条件下的最优冷端温度区，控 制策略和方法可直接用于大功率汽车发动机尾气余热热电转换装置 中，具有高效节能、安全性高、可靠性强、输出能力大的优点，以克 服上述的不足。

为实现上述目的。本发明由汽车发动机单元、热电转换单元、输 出储能单元、温度检测单元、单模块巡检单元、主控制单元构成，其 特点是：

汽车发动机单元：通过汽车发动机驱动同步发电机发电，利用自 动准同期装置对同步发动机进行调压、调频以及合闸控制实现与三相 市电电网相连，同时排出高温尾气与热电转换单元进行热传递；

热电转换单元：利用热电转换模块组吸收导热管中尾气的余热， 通过控制循环水的温度使其冷端和热端保持一定温度差产生直流电 能；

输出储能单元：将产生的直流电能进行降压变换给可调电子负载 供电，当蓄电池组的SOC不足时为其充电进行储能；

温度检测单元：利用温度传感器检测汽车发动机原始排气管的出 口温度以及热电转换单元中热电转换模块组的冷热端温度和上下水 套的进出口水温，与主控制单元进行CAN通信实现数据传输；

单模块巡检单元：检测同一温度梯度下并联的每组热电转换模块 的端电压，结合冷热端温度差和输出功率研究热电转换单元的内阻和 转换效率等特性，与主控制单元进行CAN通信实现数据传输；

主控制单元：检测热电转换单元的循环水压力和流量、输出储能 单元的相关电压和电流，接收上位机的控制命令并对相关执行机构发 送控制信息，调节相关过程参数并对能量流进行综合管理。