汽車尾氣熱電發電模塊拓撲優化及實驗測試

楊廣 焦亞田 湯澤波 鄧堅

摘 要： 汽車尾氣熱電發電技術對降低整車油耗具有重要意義，而熱電模塊之間的串并聯拓撲連接方式是影響系統電性能表現的關鍵因素之一。本文以熱電模塊組整體輸出功率峰值最大為優化目標，采用局部逐級優化算法完成熱電模塊的拓撲結構優化。搭建車載尾氣熱電發電系統實驗臺架，對比分析在優化結構下系統的整體輸出功率P'max與全串聯結構時的Pmax，發現在本文所提出的熱電模塊拓撲優化結構下，熱電發電系統的整體最大輸出功率能夠提高將近9.4%。

關鍵詞： 熱電發電；串并聯拓撲；局部逐級優化；最大輸出功率

1 前言

當今世界，全球范圍內的能源危機及環境污染是人類社會不得不面對的兩大難關。傳統汽車發動機的燃料有將近40%的能量以廢熱的形式經由汽車尾氣排出[1-2]。熱電發電技術能夠將原來排放到大氣中的廢熱進行回收利用，既提高了現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電系統的組成部分包括熱端氣箱（即熱交換器）、熱電模塊、冷卻單元、調制裝置及機械連接設備等[4]，而汽車尾氣熱電發電的效率主要受排氣管道內部結構、熱電模塊本身特性及熱電模塊之間拓撲結構的影響[5-6]。

目前，在汽車尾氣熱電發電技術中，對于熱電模塊串并聯拓撲優化的研究，國外的相關研究機構已經取得了一些突出的成果[7]，然而國內的相關研究才是剛剛起步[8]。通過調整各熱電發電模塊的連接組合方式，可以有效提高熱電發電系統的工作效率[9-10]。

2 汽車尾氣熱電發電系統的組成

熱電發電系統主要包括發動機、熱端氣箱、熱電模塊、冷卻系統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進行的編號如圖1所示，熱電模塊組2的編號規則和熱電模塊組1相同，編號范圍為154～306。

3 熱電模塊拓撲結構優化方法研究

3.1 全串聯與并聯電路拓撲結構分析

若將所有的熱電模塊都串聯起來，內阻較大的熱電模塊在同樣的負載下的輸出電壓可能會極小，甚至會出現輸出負壓的情況，降低系統的整體發電性能；若將所有的熱電模塊并聯起來，不同開路電壓等級的熱電模塊之間可能會產生較為嚴重的環流現象而造成熱電電堆能量損耗。

3.2局部逐級優化算法

局部逐級優化的算法以同一行69～85號熱電模塊為例，采取局部逐級優化的方式對其進行串并聯拓撲結構優化，其具體步驟為：①將69～85號熱電模塊全部串聯起來，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阻均較為接近且最大輸出功率點處的電流較小的熱電模塊進行并聯以后，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，然后重復第2步；④對比每次并聯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拓撲結構。

4 熱電發電實驗臺架建立與拓撲優化實驗測試

4.1熱電發電實驗臺架建立

搭建的熱電發電裝置實物包括熱電模塊、熱電氣箱以及冷卻水系統等。搭建的熱電發電系統綜合測試臺架包括發動機、汽車尾氣熱電發電單片電壓實時巡檢系統、電渦流測功機、油耗儀、實驗臺架總控制臺等，主要負責發動機的工況控制及對熱電發電裝置發電情況的在線檢測。

4.2模塊組串并聯拓撲連接結構測試

4.2.1熱電模塊電特性測試

測試環境：室溫15℃，濕度46%；發動機參數：轉速3300r/min，輸出功率29.5kW；氣箱溫度：熱端最高溫度可達237℃。

在設定工況下，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小；而同一行（如1～17號）的熱電模塊之間電性能的差異較大。

4.2.2電特性不同時的結構測試

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特性。69～85號熱電模塊在獨立發電時的最大輸出功率W（調制電流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立發電時最大發電功率總和，為27.15W。

將69～85號熱電模塊全部串聯起來，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%。

采用局部逐級優化算法，對69～85號熱電模塊按照算法模型進行實驗測試，在進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，相比串聯結構提升了將近4.48%的能量利用率。

4.2.3串并聯拓撲優化結構與測試

將電特性基本呈一致狀態的熱電模塊進行串聯或者并聯以后，得到的最大輸出功率基本相同。在并聯結構中，電路的工作電流達到串聯結構下的9倍左右，采用串聯結構更加有利于系統的有效輸出。

經過對熱電模塊之間拓撲電路的性能討論及實驗對比，得到了熱電模塊組1優化后的具體拓撲結構示意圖如圖2所示。

針對圖2所示的拓撲結構，設定一下三種工況分別測量系統的整體最大輸出功率。

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

將熱電模塊組共306個熱電模塊全部串聯起來，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所示拓撲結構連接起來，測得熱電模塊組的整體輸出功率峰值P'max。 結果如下：

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%。

測試結果表明：在所設定的三種工況下，熱電發電系統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，系統整體輸出功率峰值提高了大約9.4%。

5 結束語

本文提出了一種基于局部逐級優化算法的熱電發電模塊拓撲結構。對比分析全串聯和拓撲優化后的系統整體發電功率，發現在本文所提出的熱電模塊拓撲優化結構下，熱電發電裝置的整體輸出功率最大能夠提高大約9.4%，且該拓撲結構具有一定的普遍適用性，在一般工況下均能夠提高熱電發電裝置的整體發電功率，即本文所提出的熱電模塊拓撲方案可行。

參考文獻

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