基于温差发电的汽车电源系统设计

刘贻华

(肇庆科技职业技术学院，广东 肇庆 526020)

基于温差发电的汽车电源系统设计

刘贻华

(肇庆科技职业技术学院，广东 肇庆 526020)

为了减少传统汽车的燃油消耗以及提高汽车电池的使用寿命，通过对温差发电技术的研究，利用汽车燃烧产生的废气热量进行发电，将温差发电系统与传统汽车电源系统进行优化，为汽车的用电设备进行充电，可以有效的减少汽车燃油消耗以及提高车用电池的寿命，同时也达到相应的环保功用。

温差发电;废气利用;燃油消耗

0 引言

随着传统能源的不断减少和人们环保意识的不断增强，节能减排已经提上了人们的日程。而传统汽车不仅能源消耗大，并且尾气的污染也很严重，为了符合节能环保的要求，传统汽车必须进行改良，以期获得节能环保的最终目标。通过对温差发电技术进行研究，并将温差发电技术与传统汽车电源进行结合优化设计，使得传统汽车在节能方面得到了进一步的提高，同时也有效的减少了有害气体的排放。

1 温差发电系统的设计

1.1 温差发电介绍

温差发电技术是基于塞贝克效应、珀尔效应和汤姆效应这三种基本效应发展起来的一门新技术，它的原理是通过半导体两端的温度差值，利用半导体自身特殊材料的性质产生热电效应，最终获得所需电源的一种方法［1］。它的主要部件是温差发电器，该系统有冷源和热源两条通道为温差发电器提供发电所需要的能源。温差发电器主要采用美国Hi-Z公司生产的HZ系列中的HZ-20热电模块进行设计，HZ-20热电模块由于具有体体积大和输出功率和效率高等优点，所以非常适合汽车尾气的温差发电系统的应用。HZ-20热电模块的外形大小为75×75×5mm3，质量大小为115g，热电偶数为71，单片热电模块在热端和冷锻温差为200℃时，至少可以发出19W的电量［2］。

Hi-Z公司通过实验，得到了HZ-20热电模块与两端平均温度值Tm相关的函数表达式以及它的热电性能曲线，热电性能曲线如图1所示:

图1 HZ－20热电性能曲线

(其中，ɑp:P材料的塞贝克系数;ɑN:N材料的塞贝克系数;KN:N材料的总热导;KP:P材料的总热导;ρp:P材料的内阻;ρN:N材料的内阻。)

1.2 温差发电器的设计

车载电源系统中，温差发电主要是利用尾气排放中的余热作为热源，而汽车的水冷系统作为冷源，通过他们之间的温度差值作为发电电源的主要途径［3］。它的主要部件是温差发电器，该系统有冷源和热源两条通道为温差发电器提供发电所需要的能源。热源通道主要是汽车的排气管道，而冷源通道则为发动机水冷系统。温差发电器的结构设计示意图如图2所示。

图2 温差发电器结构图

图3 温差发电器箱体内部设计图

为了能够高效的利用废气的热量进行发电，得到更高的电能，对温差发电器的箱体内部结构进行了优化设计，采用了如图3所示的结构进行设计，它的外形大小为660×400×40mm3，并在废热通道内设计了8块打孔的挡板，挡板之间间隔为90mm，以使挡板间区域在储存热量的同时实现温度的均匀分布;热电模块的分上下两面进行对置布置，并以5×7的阵列形式进行排列，可以使得温差发电器的箱体表面获得高并且均匀的温度进行利用发电。

图4 温差发电系统结构图

1.3 车用温差发电系统的设计

为了减少发动机为了发电而消耗的燃油量，同时利用温差发电器对汽车电源不断进行充电补偿，使得车用电池电荷一直处于充满状态，在实际装车使用过程中，我们对车用电源进行了重新的设计与布置，结构设计示意图如图4所示。采用此种结构进行设计，不仅能够有效降低汽车的燃油消耗，还因为车用电池电量一直处于满荷的状态，还能增加车用电池的使用寿命，提高发动机点火系统的点火能量，使得发动机的可燃混合气得到更为充分的燃烧，同时因为车用发电机使用的频率的降低，还可以对发动机的废气排放起到一定的抑制作用，进而提高汽车的环保能力。

2 车用温差发电系统的测试

2.1 系统的测试

根据前面1.2和1.3的设计，对温差发电系统进行了测试。通过测试，得到了温差发电系统在不同转速下废气温度热端和冷端的关系，它们之间的关系如表1所示:

表1 温差发电系统在不同转速下废气温度热端和冷端的关系

根据测试得到的废气温度热端和冷端的关系，并且采用已知的热电模块参数，同时利用1.1中的公式进行换算，我们得到了温差发电系统在发动机不同转速下的电压和功率关系，如表2所示:

表2 温差发电系统在发动机不同转速下的电压和功率

2.2 整体系统测试与分析

在整车系统测试中，采用国标整车性能测试所采用的欧洲行驶工况进行测试，样车为发动机排量1.8L手动挡的桑塔纳2000，该车的官方百公里油耗为8.5L，而在实际使用中的百公里均油耗为8.6L，该车在测试开始时的蓄电池荷电量为80%，测试分白天和晚上两种不同的工作环境进行，测试的环境分别为常温下的白天工况与常温下的晚上工况两种，测试时间长度均以20min作为测试周期，样车的行驶中发动机转速如图5所示。

图5 测试周期发动机转速关系图

2.2.1 常温下的白天工况测试

在此种工况下，汽车正常行驶，负载功率主要为点火系统、喇叭及转向灯光等，所以负载功率不大，经过计算本工况下的负载功率约为626W。由于负载功率较小，负载所需的功率可以由温差发电系统及蓄电池进行全额提供，并且蓄电池的电量不会下降太多，还会在交流发电机充电所需的临界荷电量(40%)以上，因此发电机不需要带动交流发电机发电而消耗能源。在整个周期中，由图5总共可以看出，如果汽车在低速下不停的停车及重新起动，根据表2数据可以看出，温差发电系统基本上不能为汽车提供多达的能源(周期中0～900s)之间的曲线;但是在900s以后汽车正常工作状态下，温差发电系统可以满足汽车电能所需的要求。通过测试采集的数据进行百公里油耗计算，最后得到该车在白天常温少负载情况下的油耗为百公里8.1L，与前面的传统的汽车的油耗相比，可以节省燃油0.4～0.5升，符合节能目标。

2.2.2 常温下晚上工况测试

在此工况下，由于晚上要开车灯，所以汽车的负载功率较大，通过统计计算，汽车在此工况下的负载功率约为747W。为了测试数据的准确性及可对比性，测试还是按照图5所示的周期进行试验测试。通过测试，得到了蓄电池的荷电状态图及交流发电机工作图，如图6所示。

图6 蓄电池的荷电状态图及交流发电机工作图

由图6看出在测试中的1195s时蓄电池的荷电量已经低于交流发电机充电所需的临界荷电量(40%)，所以交流发电机开始启动充电，根据测得数据经换算后，该工况的百公里油耗为8.2L。由于交流发电机的工作，所以本工况下所测得的燃油消耗量比第一种工况稍微增加了0.1L。但是经试验测试，交流发电机从充电到结束时间为30s，时间非常短暂，所以油耗上升不大。如果汽车一直处于正常的行驶运动中，比如汽车行驶在3000r/min的工况下，那么温差发电系统得到更好的发挥功效，那交流发电机就不会启动工作，那最终的燃油消耗会比现在试验测出的油耗更为低一些。由这种工况也可以看出，此工况比该车未安装温差发电系统时节约了0.3～0.4L的燃油，也符合设计时的节能目标。

通过上面的数据，我们可以看到，在发动机转速达到2000r/min以后的转速中，温差发电系统发出的电量足以为车用电池进行充电。这样就可以减少了发电机的工作时间，同时可以保证车用电池电量一直处于满荷状态，能够提高汽车点火系统的点火能量，使得汽车可燃混合气的燃烧更为充分，进而满足了提高车用电池的寿命和减少汽车的燃油消耗，同时由于燃烧充分，也可以从侧面减少了汽车尾气中的有害成分的排放，达到了设计的预期效果。

3 结语

通过采用温差发电技术与传统汽车发电系统进行结合，可以有效地减少汽车因为发电而损失的功率，减少了燃油的消耗，同时增大了汽车电池的使用寿命，并且也减少了汽车尾气中有害成分的排放，为汽车的节能与环保指出了一条可行之路。

［1］邓志杰，郑安生.半导体材料［M］.北京:化学工业出版社，2004.

［2］范韬.基于汽车尾气温差发电和太阳能发电的新型车载电源系统［D］.武汉理工大学汽车工程学院，2010.

［3］张征，曾美琴，司广树.温差发电技术及其在汽车发动机排气余热利用中的应用［J］.能源技术，2004，25(3):120-123

Design of Automobile Power System Based on Thermoelectric Generation

LIU Yi-hua
(Zhaoqing Science and Technology Polytechnic，Zhaoqing 526020，China)

In order to reduce the fuel consumption of traditional automobiles and improve the battery life of cars，on the basis of the research of the thermoelectric generation technology，waste heat from cars is used for power generation.The optimization with the combination of thermoelectric power generation system and the traditional automobile power system，which is used for automobile electric equipment charging can effectively reduce vehicle fuel consumption and improve vehicle battery life，at the same time，have corresponding environmental protection function.

thermoelectric power generation;utilization of waste gas，fuel consumption

U463.63

A

1009-3907(2014)04-0431-04

2014-03-07

刘贻华(1982-)，女，广西北流人，助教，主要从事汽车设计及汽车维修方面的研究。

责任编辑:

吴旭云