一种汽车尾气热电转化装置电气拓扑结构的优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于可再生能源技术领域，更具体地，涉及一种汽车尾气热电转化装置电 气拓择结构的优健方法。
【背景技术】
[0002] 传统内燃发动机的燃油能量巧有约30%转化为机械能，其余都^冷却水或尾气方 式直接排放。若基于热电转换技术蒋尾气排出的废热迸行回軟发电并在车载系统中加^利 用，对提高汽车发动机的燃油经济性具有重耍意义，其中，剖用多个热电模块构建汽车尾气 热电转染装置（汽车尾气热电发电器）是回牧汽车尾气废热实现发电的一种新技术途径， 大功率汽车尾气热电转换装置通常包含有/L十个或上百个热电模块，由于受内部流场结构 设皆因素影鹏，尾气流过热交换器时其表面温度难臥实现完全的巧匀化分布，因化各个热 电模块的燕源温度不同，在相同冷源条件下它fn的冷燕端温差各异。晓外，由于加工鄙造 工艺水平的局限巧安装夹紧方式的不一致，各个鶏电模块的内圍也会有较大差异。在实际 输出时，若将所有热电模块进行阜联，尽管汽车尾气热电转换装置的开路电压较高，但其内 阻包会很大；如蒋所有热电模块进行随意并联，尽管可W输出较大电流，但不同托路电压等 级的热电模块之同会产生环流从而造成汽车尾气燕电转换装置内部的功率消耗，降低其性 能。
【发明内容】
[0003] 针对现有技术的不足，本发明提供了一种汽车尾气热电转化装置电气拓扑结构的 优化方法，该拓扑结构中结合了各个热电模块的输出特性对它们递行串、并联电气拓择结 构优化，在保证其输出电压不至于为零或负压的同时充分发挥各个热电模块的发电潜能， 从而提高汽车尾气热电转换装置的整体效率和性能。
[0004] 为实现上述目的，本发明提供了一种汽车尾气热电转化装置电气拓扑结构的优化 方法，所述优化方法包括IiTF步骤：
[0005] 0_)测试单个热电模块的输出性能；
[0006] 链摄据步骤（1)测试获得的热电模块的输出性能，輕建各个热电模块的等效电 路模型，单个热电模块的等效电路模型如附图4所示； 贿卿 城狠据步骤（2)越建的热电模块的等效电路模型进行拓扣结构优化皆算；
[0008] (4)根据步骤（3)优化后的拓於结构，重新构建汽车尾气热电转换装置，汽车尾气 热电转换装置的结构图如附图2所示。
[000引所述步骤（1)具体包括臥下子步骤；
[0010] (1-1)维持恒定的冷源温度和安装压力；
[00n] 0-2)测量不同输出电流条件下单个热电模块一组輿型的电压------电流------功率 (VH…巧特性曲线；
[0012] (1-巧改变热源湿度重复步骤（1-2)。
[0013] 所述步骤错具体包括劲下子步骤； 防014] (2--1)假设其两部串联的半导体电偶臂（PN结）猜数为g，其内阻r巧W表示为：
[00巧]r-=glp/ (OPAp) +g巧/ (ONM) (1)
[0016] 其中，Ip、OP、Ap和1N、ON、AN分别为其中P型与N型半导体电偶臂的长度、电 导率和横截面积；
[0017] 位-幻从附图3可W看出，不同湿羞条件下，单个热电模块的电压--电流特性曲线 的斜率基本保持不变，即其巧阻可拭认为保持恒定。所W率个燕电模块，可U等餘为-一个与 温差相关的可变电压源阜联一个恒定内阻，建立等效模型如附匿4所巧，其开路电压U、实 际输出电压UO及其內阻r可分别表示如下； 防01引[J -- g a PN (TH--TL) g ( a P- a N) (TH-TL) (2)
[说 1引UO-=U~ir 斌
[0020] r二U/Imax (4)
[002U其中，aPN为半导体的招拇塞贝克系数巧/K)，aP和aN分别为P聖与N型半导 体的塞贝克系数（V/K)，TH和TL分别为热电模块内部半导体电偶臂的实际热端和冷源湿度 化)，Ifflax为热电模块的短路电流（A)，i为热电模块的实际输出电流（A);
[0022] 所述步骤城具体包括W下子步骤；
[0023] (3~1)构渔连接矩阵,表中A康不模块i的后节点，Bi表不模块i的旨I!节点。Xi,j -U表示模块1的后晋点与模块j的前节点连接，0表示模块i与模块j的前节点无 连接巧;1表示模块i的后节点与模块j的后哥点连接，且X 1W避免模块之 轉短路。V。二0則表示后靑点直接无连接，Z_二1表示节点i和节点j的前节点连接， 0表示前节点之f司无连接。表中-1表示不存在这样的连接。
[0024] 位-2)蒋热电转化装置中所有的纯并联模块（前节点相连，后节点相连的模块）等 效成一个模块。假设某个并联模块共有K个模块并联在一起。劍等效电压和等效内阻为： [002引备注；N表示下标，总共从1到k。klk2,k3,k4,k5,kN(N从1到k)。
i5)
[0027] Ri二！/ 〇_/Rd+!/R"+l/R。+. . ' 1/Rj 館）
[0028] 位-3)蒋其中并联支路中存在的率联模块（后节点与前节点精连）等效成一个模 块。。假设某一个并联支路中有M个模块串联，赌等效电压和等效内阻为：
[00 巧]Uj二UJ,+U巧巧巧+...+% (7)
[00说]R;二民"-哺心哺,3+--..+R带(8)
[0031] 仪-4)再将巧中的序巧釣许制學块巧兴巧-?个模块，；
(梦）
[0033] Rk- 1/(1/R,：+1/Rk2+1/Rk3+- - ? 1/Rkn) (I的
[0034] (3-巧现在将所有的串联模块相加得到总等效电压U和等效内阻R，计算此时可从 输出的最大功率：
(叫
[0036] 位--巧不断进行Xi,j，y,,,和Z1,,的0---!组合得到不同的阜并联模块组合得到每一 个串并联模块的最大输出功率PqgyU)，并在中取最大值，其最大功率值猜应的模块 组合就是相应的最优模块组合。 贿巧考虑到上述方法是一个NP难度问题，在此对上述步骤提出筒化步骤，采取局部逐 级优化的方法；
[0038] 1;将所有的热电模块全部串联，根据各个热电模块的开路电压和内阻求得功率 Pl:
[0039] 2;从N个模块中选取两个热电模块并联并与其値的N-2个热电模块串联起来获 得最大功率Pl'。
[0040] 3;蒋2中使电路获得最大功率的两个热电模块等效成新的--个热电模块，并与剩 下的N-2个热电模块组成新的N'个模块，并重复过程2; 贿41] 4;当N二1时，最大功率P二MAXIP1'};并根据每次的并联方'式鶴定最终的拓扑 结构。 的042] 简健步骤的算法具体实现步骤：
[0043] I.第一轮砖先求出N个热电模块串联的总功率：
(12)
[004引Ii.找出两个并联的热电模块使其与剩下的模块串联后获得最大功率：
(巧)
[0047] 1円.更新热点模块总数，N二N--1;
[0048]IV.重复步骤II，化直到N1，得到的，并根据每次的并联方式确定 最终的拓择结构。
[0049] 通过本发明所猫述的W上技术方案，与现有技术報比，本发明具有从下的有益效 果；
[0050] 热电转换装置的整体效率和性能大为提升；直于汽车尾气热电转换装置的热交 换器表面各处的温度分布难W实现完全精同，该样会造成各个热电模块的热源温度有高有 低，采屬现有单列式冷源结构的外轟冷却系统时，各个热电模块的温差会有一定差异，从而 造成开路电压与峰值功率拇应的最大输出电流稱会不同，加么原本加工副造工艺和安装方 式的细微羞别，各个热电模块的自身特性，如；内阻等参数包各不相同。若蒋所有热电模块 进行串联，系统的最大内阻也最大（各个热电模块内阻之和），臣于木補效应，系统的最大 输出电流较小并受温差较小的热电模块影响；若将输出特性不同的热电模块进行随意并 联，由于最终的输化靖电压必须保持一致，根据基尔霍夫定偉可知，开路电压不同的热电模 块么间存在一定环流，流过热电模块的内阻会产生一定热量从而增加系统的构部功耗，降 低系统的输出性能，这两种情况都难W发挥各个热电模块的发电'津能。通过本发明结合各 自的输出特性对它们遥行串、并联皂气拓扑结构优化后，在保化其输出电压不至于为零或 负压的同时充分发挥各个热电模块的发电潜能，使得汽车尾气热电转换装置的整俸效率和 '津能大大提升。 前图说明
[0051]图1为本发明热电模块组的布局和编号示意图。
[00巧]图2为本发明汽车尾气热电转换装置的结构图。
[0053] 匿3为本发明单个热电模块在冷源温度为50C时不同热源温度的伏安曲线匿。
[0054] 匿4为本发明单个热电模块的等效电路模型示意图。
[0055] S5为本发明不同发动机工况下热电模块的开路电压示意图。
[0056] 匿6为本发明燕电模块的峰值功率对应电流的示意图。 贿巧匿7为本发明热电模块的平均内阻图。
[0058] 匿8为本发明实施例屯个热电模块的一种连接方式匿。
[0059] 图9为本发明优化方法的描述图。
[0060] 图10为本发明实施例60个模块经过多次送代后最大功率输出图。
【具体实施方式】
[0061] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下结合附图及实施例，对 本发明迸行进一步详细说明。应当理解，化处所摇述的具体实施例仅仅用W解禪本发明，并 通过一些实验提供具体的理论和实践支持，并不周于限定本发明。
[0062] (1)如图1所示，本发明一种优化汽车尾气热皂转化装置电气拓扑结构的优化方 法，包括W下步骤：测试阜个热电模块的输出性能；
[006幻步骤a)具体包括^下子步骤：
[0064] (H)维持恒定的冷源温度和安装压力；冷源温度稳定在50U，安装压力为30kg 时（对应压强为0. 82Bax)。为更直观的描述本发明，构建汽车尾气热电转换装置，其结构图 如附图2所示，热电模块布局如附图2所示，进行试验配合讲解；
[006引 （1-2)测量不同输出电流条钟下单个热电模块一纽典型的电压一电流一功率 (V…I-巧特性曲线；如附匿3是ift