汽车尾气余热温差发电技术研究进展与发展趋势

王 宾，赵德龙，陶新良

(军事交通学院 军事物流系，天津300161)

目前，全球绝大部分汽车是燃油内燃机汽车，发动机的排气压力大、温度高，排气温度可达800 ℃左右。燃油在发动机中燃烧产生的能量并未全部转化为动能，其中，25% ～30%转换为机械能，作为动力;33% ～35%为尾气损失;其他为冷却液、机油损失和摩擦损失［1］。因此，汽车尾气余热回收再利用成为国际上的研究热点，主要集中在余热发电、取暖、制冷、改良燃料和废气涡轮增压等方面，但这些研究都有一定的局限性。

基于温差发电原理的汽车尾气余热热电发电技术，利用半导体热电材料直接将低品位的汽车尾气热能转化为电能，是一项绿色环保的发电技术，可以提高汽车燃油经济性，从一定程度上节约能源，减少尾气污染。这项研究是国际前沿课题，目前处于开发的初期阶段，具有很大发展潜力，是未来汽车辅助动力系统的一个发展方向。

1 汽车尾气余热温差发电系统构成

基于温差原理的汽车尾气热电发电系统，主要包括热电发电机换热系统、热电发电组件、热电发电控制器，以及热电发电机与车辆的机械连接装置(如图1 所示)［2］。其中，热电发电组件是整个系统的关键，也是当前国内外的研究热点。热电发电组件是由热电材料加工成的热电偶按照一定的顺序和规则组成，因此热电材料的属性是影响热电发电组件性能的关键因素。

图1 汽车尾气热电发电系统示意

2 汽车尾气余热温差发电关键技术研究进展

2.1 热电材料研究进展

温差发电是利用半导体热电材料的赛贝克效应。赛贝克效应是指在2 种不同导体或导电类型不同的半导体构成的回路中，当2 个连接点温度不同时，这2 个连接点间会有电动势(赛贝克电动势或温差电动势)产生，且在回路中有电流通过［3］。热电材料的热电性能用热电优值Z来描述:

式中:α 为赛贝克系数;σ 为电导率;K为热导率。

各种半导体热电材料都有适宜的工作温度范围，且不同热电材料的最佳温度区间有很大区别，所以通常用ZT这一无量纲值来描述材料的热电性能，其中T为绝对温度。由于系数α、σ、K并非各自独立，无法做到固定其中一项而不干涉其他项。一般增加赛贝克系数时，会降低其电导率;而增加电导率的同时，也会增加其热导率。因此，提高热电材料ZT值是研究热点。

目前，用于温差发电的半导体热电材料主要有低温(300 ℃以下)热电材料Bi2Te3及其固溶体合金，中温(300 ～600 ℃)热电材料PbTe、SnTe，高温(600 ～1 000 ℃)热电材料SiGe、MnTe、SiRe2、CeS 等［4］。

2012 年，美国西北大学无机化学专家Mercouri G. Kanatzidis 领导的研究团队开发出一种新型热电材料，使ZT达到2.2，可将15% ～22%的热能转换为电能，成为目前最有效的热电材料［5］。新材料仍以传统的热电材料碲化铅为基础，因为碲化铅能够最有效地吸收由热引起原子水平振动的长波能量从而驱动电子定向流动。该材料是通过干扰半导体碲化铅长波声子传播过程实现的，其主要做法是在中尺度级别微调材料晶界至大约1μm，在碲化铅中加入了少量碲化锶，以提高它吸收中波能量和微量钠吸收短波能量的能力，ZT值最终在642 ℃情况下达到了2.2。

2. 2 大温度区间梯度功能化热电单元制造技术

由于任何一种温差热电材料的高优值只出现在特定的温度范围内，因此，如何在一个大温度范围下最大限度地发挥热电材料的性能是提高热电材料整体优值的有效途径。将适合不同温度的材料连接起来，让它们各自处于最佳的温度范围，这就是功能梯度材料(functionally gradient materials，FGM)［6］。功能梯度温差热电材料分为载流子浓度FGM 和分段FGM。载流子浓度FGM 是一个整体材料，只是沿着材料的长度方向载流子浓度被优化，使材料的每一部分在各自工作温度区都能达到最大优值。目前，日本在载流子浓度梯度温差电材料研究方面处于世界领先地位。分段FGM由不同材料连接而成，每段材料都工作在最佳温度区。目前，美国在分段复合梯度温差电材料的研究方面处于领先地位。

郑海山等［7］在假设N、P 温差电材料性能一致的前提下设计制作了一种PbTe/BiTe 分段温差电单偶，在热面500 ℃、冷面50 ℃时实测热电转换效率达到7.31%。任保国等［8］对PbTe/BiTe 分段温差电单偶进行了仿真设计，得到在热面500 ℃、冷面50 ℃时理论热电转换效率达至10.3%。李影［6］采用ANSYS 热分析软件中的热电耦合模块，对分段和级联2 种结构进行模拟仿真，研究结果表明:较大的接触电阻会降低转换效率，所以应设法减少接触效应的影响;在负载优化过程中，最大转换效率与最大输出功率并不能同时得到;热端温度变化时，可根据对输出功率和电流的需要，按分段长度比和截面比选取适当的温差电元件长度和截面积;当不同的热电材料互相兼容时，应采用分段结构;当不同的热电材料兼容性较差时，应采用级联结构;当部分兼容、部分不兼容时，可采用分段、级联相结合的方式。

2.3 高温高密度热电装置封装技术

随着电子封装区域小型化、芯片集成度和集成电路功率的提高，芯片的工作温度也越来越高。此外，需要在高温环境下持续工作的大功率高温芯片的应用要求也越来越多。由于汽车排气温度可达800 ℃左右，所以汽车尾气余热回收利用的温差发电模块关键问题就是芯片的低温封装和大功率高温环境的可靠使用。

对于高温大功率芯片低温封装技术的研究，是当前国内外的研究热点。其主要研究方向是可适用于低温封装和高温工作的钎料，应用于高温芯片封装的界面连接材料需要满足既环保又具有较高熔点2 个要求，以便承载较高的工作温度和拥有良好可靠性［9］。

目前，在微电子封装领域低温烧结纳米银焊膏应用于大功率高温芯片封装的优势很明显。Moon 等［10］合成了20 nm 的银颗粒，研究表明纳米银具有明显的低温烧结性能。Wong 等［11］研究了利用纳米结构的银来降低烧结温度，通过优化纳米银的烧结工艺有望将烧结温度降低到200 ℃。Zhang 等［12］研究表明，用银焊膏作为芯片连接层可以明显降低连接层的界面热阻。

国内清华大学闫剑峰等［13］进行了纳米银焊膏用于铜连接的研究，得到了粒径分布在20 ～80 nm的纳米银焊膏，并用于镀银铜材料的连接。焊接温度250 ℃、时间30 min、外加压力10 MPa，得到了剪切强度为39 MPa 的接头。天津大学的陈露［14］在镀镍层的基础上采用磁控溅射银工艺，得到的镀银层与DBC 基板的结合力很好，且抗高温变色能力强，从而保证使用纳米银焊膏连接半导体器件和DBC 基板的连接强度。

汽车尾气余热温差发电模块采用基于纳米银膏的低温连接技术，对热电单元和热沉之间的界面进行连接，使该界面能够在700 ℃高温下长期可靠工作，是可行的方法。目前，需要研究的是在700 ℃至室温范围内工作的温差发电模块的可靠性。

2.4 汽车尾气余热温差发电机研究进展

2003 年，美国的Tharcher 等采用Hi-Z 公司的HZ-20 热电模块，设计了发电功率为300 W的热电发电机，安装在GM 公司的1999 Sierra 皮卡车型上。试验结果显示，该热电发电机可以通过回收汽车尾气废热发电实现提高整车燃油经济性1% ～2%，并且仍有很大的改进空间［15］。

2004 年，美国能源部启动了运载工具温差发电能量回收工程，并加大了对利用热电发电机回收汽车尾气废热发电项目的支持力度，并且重点奖励了BSST 公司和宝马公司领衔、通用汽车公司领衔和密歇根州立大学领衔的3 个团队［16］。

2010 年，美国普渡大学的研究人员与通用汽车联合开发的温差热能发电机，可给电池充电或直接供车辆电路使用，转而降低引擎的工作量，节约汽车燃油5%。该项目得到美国国家科学基金会和美国能源部为期3a 的资助，金额为140 万美元［17］。2011 年夏末，BSST 采用一种铪和锆混合的热电材料，这种混合物不仅在高温下工作状态良好，还能将热电发电机的效能提高40%。BSST设计热电样机在宝马和福特轿车上进行了测试。同一时间，通用公司采用的热电材料是钴和砷的化合物，其中还参杂了一些稀土元素例如镱，这种材料不但比碲化物便宜，还可在高温下工作。通用公司设计热电样机在雪佛兰SUV 车型上进行了测试，结果显示，将雪佛兰SUV 车燃油经济性提高了3%［18］。

日本比较注重废热利用的民用方面开发，温差发电技术作为一种能源和环境战略技术而得到了大力支持和发展，其在热电陶瓷材料方面处于世界领先地位［19］。2013 年，日本产业技术综合研究所与汽车零部件厂商ATSUMITEC 共同开发出利用摩托车、汽车尾气发电的技术。该技术通过燃料电池和热电转换元件分别将未充分燃烧的成分和尾气余热转换成电能，力争在2015 年开始推广普及［20］。大众汽车公司于2009 年2 月6 日宣布正式开发出装设有用于废热回收热电发生器的原型汽车，在高速公路驱动条件下，可产出600 W电力［21］。

2011 年，中国科学院上海硅酸盐研究所与全球知名的特殊玻璃和陶瓷材料厂商康宁公司共建的联合实验室，首个项目是研究开发高性能热电转换材料，以推动车辆的余热高效利用与电气化，提高汽车燃油效率、降低尾气排放［22］。

3 汽车尾气余热温差发电发展趋势

具有梯级能量特征的汽车尾气废热非常适合利用温差发电技术回收利用，但是受热电转换效率低的制约和成本高的限制，长期以来温差发电技术主要应用在航天和军事等尖端领域。近年来，随着高性能热电材料的出现，热电技术在汽车上的应用成为可能。以2.0 L 轿车为例，如果利用转换效率为10%左右的热电发电材料，则可将尾气废热能量的8% ～10%直接转换为电能，可降低燃油消耗10%以上。因此，汽车尾气余热温差发电技术对于大幅提高废热能量利用率，推动我国节能减排目标的实现具有越来越重要的意义。目前，温差发电技术在汽车尾气余热回收再利用上的研究越来越多，但是还处在试验阶段，需要解决关键技术难题实现低成本、长期可靠运行。

3.1 新型热电材料开发

高ZT值的新型热电材料具有广泛的应用前景，在环境污染和能源危机日益严重的今天，进行新型热电材料的研究具有很强的重大现实意义。汽车尾气余热温差发电，需要研究开发从室温到700 ℃范围内系列高ZT值热电材料。目前，国际上对新型热电材料的研究十分重视，必将随着研究的深入进一步提高热电材料的性能。我国应该从战略发展角度重视和规划新型热电材料的研究开发。

3.2 优化热电装置热管理设计

利用多种温度范围的高ZT值热电材料，开发热电材料功能梯度化制备技术，在当前对于提高热电材料的热电转换效率具有重要的现实意义。汽车尾气余热温差发电，需要研制在700 ℃到室温范围内具有高ZT值的功能梯度热电单元，而对功能梯度材料的优化热管理设计，最大化能量利用效率是今后一个重要的、现实的研究方向。

3.3 热电装置界面连接技术

基于纳米银膏的热电装置界面连接技术的研究越来越得到重视，但该技术仍处于初步试验阶段，还需进一步对纳米银膏焊接工艺与连接接头的微观机理进行深入研究，以提高纳米银膏热电装置界面连接技术在高温下长期服役的可靠性。

3.4 新型高温高密度热电装置可靠性评价技术

汽车尾气温差发电装置需在高温下长期工作，高的工作温度引起封装单元开裂是需要解决的现实问题。对高温高密度热电装置的连接材料失效、连接材料与基板间的界面失效和基板失效的机理需进行深入研究。发展具有新型界面的高温高密度热电装置的可靠性评价技术，对于保证热电装置的长期可靠性工作具有重要的理论意义和应用价值。

4 结 语

随着全球汽车产量的不断提高，汽车尾气对环境的污染日趋严重，如何治理汽车尾气实现节能减排，成为国际上的研究热点。随着热电材料性能的提高，温差发电技术在汽车尾气余热回收利用中的应用前景越来越广阔。未来，结合目前国内外温差发电技术的研究进展，可以在新型热电材料开发、优化热电装置热管理设计、热电装置界面连接技术、高温高密度热电装置的可靠性评价技术等4 个方面开展工作。

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