汽車尾氣溫差發電裝置及控制系統設計

齊學紅

（淮安信息職業技術學院，江蘇 淮安 223003）

汽車尾氣溫差發電裝置及控制系統設計

齊學紅

（淮安信息職業技術學院，江蘇 淮安 223003）

∶針對汽車尾氣廢熱回收問題，提出一種汽車尾氣溫差發電方案。分析了汽車溫差發電原理和熱電材料的選擇；研究溫差發電與三元催化器集成的裝置和控制系統；設計了降壓、蓄電池充電、溫度監測等硬件電路和軟件控制系統；對壓力和溫差與發電量的關系進行了實驗分析，設計方案能有效減少燃油消耗及提高車用電池壽命，達到節能減排功用。

∶汽車尾氣；溫差發電裝置；三元催化器；節能減排

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.09.024

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

引言

汽車數量激增，石油資源緊缺，環境惡化，使節能減排成為汽車行業的研究熱點。汽車發動機能量約30%～40%隨尾氣排放[1]，汽車廢熱回收利用是實現節能減排的重要途徑，溫差發電技術可將尾氣熱能轉換為電能，現有溫差發電系統一般是將發電模塊加在汽車排氣管上，存在占用空間大、布置困難、與發動機排氣兼容性差等問題。論文分析汽車尾氣溫差發電研究成果基礎上，提出將溫差發電裝置與發動機排氣系統三元催化器的集成[2],以減小排氣系統尺寸，減少污染，提高燃油經濟性，為實現汽車尾氣溫差發電大規模應用提供參考。

1、溫差發電原理及溫差電材料

1.1溫差發電原理

溫差發電利用材料熱電效應，將高、低溫熱源之間的溫差轉化為電能。熱電效應以塞貝克效應[3]， 帕爾帖效應和湯姆遜效應為理論基礎，通過開爾文關系三者得以統一。

1.2溫差電材料的選擇

汽車尾氣溫差發電效率與熱電材料性能有關，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、溫差發電裝置

溫差發電本質是將發動機排放尾氣熱能轉換成電能，半導體溫差發電模塊高溫面與汽車排氣管接觸，吸收熱量形成熱端；低溫面與冷卻裝置接觸產生冷端。根據賽貝克效應實現熱電轉換，輸出信號經信號調理，為蓄電池充電或車載設備供電，實現汽車尾氣熱量的回收利用。系統由熱源、溫差發電裝置、冷卻系統、控制系統等組成，如圖1所示。

圖1　汽車尾氣余熱溫差發電系統框圖

2.1熱源

汽車發動機排氣管出口處溫度約為800℃，沿尾氣流動方向溫度逐漸降低，出口處約100oC，溫差發電模塊與排氣管相連，形成模塊熱端[4,5]。

2.2溫差發電系統集熱器

集熱器是一種換熱器，高溫尾氣流經集熱器，通過對流、熱傳導方式，熱量由集熱器內壁傳至外壁，形成溫差發電模塊的熱端。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，安裝溫差發電模塊；圓筒式集熱器結構類似于平板式，筒外壁設計成多邊形，具有面積利用率高、表面溫度均勻、抗振動性強等優勢，本設計采用圓筒式集熱器。

2.3冷卻系統

模塊發電量與熱、冷端溫度差密切相關，冷端可采用水冷和風冷。風冷利用散熱片或空氣對流降溫，結構簡單但散熱受到車速影響大，低速時散熱效果低且不穩定；水冷利用冷卻水循環散熱降溫，使模塊冷端維持低溫且穩定，本設計采用水冷式。

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。設計采用槽鋼式夾緊方式，水箱通過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、溫差發電裝置和三元催化器集成

尾氣流經三元催化器，溫度約400℃時，載體催化活性最強，裝置中發生復雜化學反應：

設計采用正多邊形橫截面結構的圓筒式管道，實現集熱、催化和凈化功能。

4、溫差發電控制系統

汽車工況變化引起溫差發電模塊輸出電壓波動，影響汽車用電設備穩定性；汽車重負荷下高溫尾氣將損壞發電模塊。系統設計DC/DC 轉換器調節輸出電壓為汽車設備供電和蓄電池充電，設計高溫監測電路保護發電模塊，控制電路如圖2所示。

圖2　溫差發電控制電路

4.1降壓電路設計[6]

選用降壓芯片XIA016，PWM調制方式分別為電器設備和蓄電池提供12V與18V電壓，輸入電容CC防止瞬態大電壓損壞芯片，輸出電容C2和電感降低紋波，續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導通，初始充電電流為500mA，電壓達到過充電壓的95%時轉入過充電狀態；充電電流降到過充電終止電流（IOCT）時UC3906的10腳輸出高電平，比較器LM339輸出低電平，蓄電池轉入浮充狀態。

4.3溫度控制電路設計

汽車重負荷工況下尾氣溫度升高，導致集熱器外表面溫度過高，損壞發電模塊。溫控電路由控制芯片、溫度檢測、溫度顯示、電源、步進電機等組成。系統選用低功耗、高性能、抗干擾的STCl2C5A60S32芯片，溫度傳感器采用PTl00，放大器采用LM324，多路溫度監測信號經A/D轉換成數字信號，由P1口輸入單片機，經處理后控制旁通管道閥門開閉，分流高溫尾氣而降溫，保護發電模塊。

5、軟件設計

以STCl2C5A60S2芯片構成的控制電路[7]，實現溫度檢測，處理、顯示和電機控制。系統設計主程序和中斷程序，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分別控制步進電機的使能端、電機方向端、電機脈沖端，設置溫度上下限等。

5.2AD采樣模塊

圖b為AD采樣流程圖，實現五路溫度的精準采樣，STCl2C5A60S2具有8路10位高速A/D轉換器，A/D轉換口在P1口。

5.3LCD顯示部分

LCD顯示流程圖如圖c所示，LCD讀寫時對標志位BF忙檢測，BF=1表示顯示器忙；BF=0時顯示器接收單片機數據，1602通過D0～D7傳輸數據和指令。

6、溫差發電模塊性能測試

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

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

圖4　發電量印象因素

7、結論

汽車產量的提高，尾氣污染加劇，節能減排已成為汽車行業研究重點。隨著熱電材料性能的提高，溫差發電技術在汽車余熱回收中的應用前景越來越廣闊。未來，可以在新型熱電材料開發、熱電裝置界面連接技術、熱電裝置可靠性等方面開展工作。

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

[2] 劉彪,梁昱,周立迎.催化轉化器載體對流場及壓力損失的影響[J].湖南大學學報(自然科學版),2004,31(1):17-20.

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

[4] 鄧亞東,范韜,郭珣等.汽車尾氣溫差發電裝置及熱電模塊的布置研究[J].武漢理工大學學報·信息與管理工程版,2010(32):265-267.

[5] 田聰,劉丹,張克文等.利用汽車尾氣余熱溫差的熱電轉換技術[J],長春工業大學學報（自然科學版）,2013(34):645-648.

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

[7] 齊學紅,朱靜,汪東明等.基于多傳感器的植物測控系統研究與實現[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

齊學紅（1969年—），男，淮安信息職業技術學院，碩士研究生、碩士學位，講師/工程師，主要從事汽車電子控制與信號處理研究。

淮安市汽車技術公共服務平臺項目（HAPO201411）子項目：汽車尾氣余熱溫差發電裝置研究(KA150807) 資助。