汽车尾气温差发电装置及控制系统设计
2016-11-10齐学红
齐学红
(淮安信息职业技术学院,江苏 淮安 223003)
汽车尾气温差发电装置及控制系统设计
齐学红
(淮安信息职业技术学院,江苏 淮安 223003)
∶针对汽车尾气废热回收问题,提出一种汽车尾气温差发电方案。分析了汽车温差发电原理和热电材料的选择;研究温差发电与三元催化器集成的装置和控制系统;设计了降压、蓄电池充电、温度监测等硬件电路和软件控制系统;对压力和温差与发电量的关系进行了实验分析,设计方案能有效减少燃油消耗及提高车用电池寿命,达到节能减排功用。
∶汽车尾气;温差发电装置;三元催化器;节能减排
10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.09.024
CLC NO.: U463.6Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)09-65-03
引言
汽车数量激增,石油资源紧缺,环境恶化,使节能减排成为汽车行业的研究热点。汽车发动机能量约30%~40%随尾气排放[1],汽车废热回收利用是实现节能减排的重要途径,温差发电技术可将尾气热能转换为电能,现有温差发电系统一般是将发电模块加在汽车排气管上,存在占用空间大、布置困难、与发动机排气兼容性差等问题。论文分析汽车尾气温差发电研究成果基础上,提出将温差发电装置与发动机排气系统三元催化器的集成[2],以减小排气系统尺寸,减少污染,提高燃油经济性,为实现汽车尾气温差发电大规模应用提供参考。
1、温差发电原理及温差电材料
1.1温差发电原理
温差发电利用材料热电效应,将高、低温热源之间的温差转化为电能。热电效应以塞贝克效应[3], 帕尔帖效应和汤姆逊效应为理论基础,通过开尔文关系三者得以统一。
1.2温差电材料的选择
汽车尾气温差发电效率与热电材料性能有关,温差电材料分为三种:低温温差电材料工作温度约为200℃,以Bi2Te3和Sb2Te3 材料为主;中温温差电材料温度区间500~600℃,典型材料PbTe;高温温差电材料温度为500~700℃,主要为SiGe。
2、温差发电装置
温差发电本质是将发动机排放尾气热能转换成电能,半导体温差发电模块高温面与汽车排气管接触,吸收热量形成热端;低温面与冷却装置接触产生冷端。根据赛贝克效应实现热电转换,输出信号经信号调理,为蓄电池充电或车载设备供电,实现汽车尾气热量的回收利用。系统由热源、温差发电装置、冷却系统、控制系统等组成,如图1所示。
图1 汽车尾气余热温差发电系统框图
2.1热源
汽车发动机排气管出口处温度约为800℃,沿尾气流动方向温度逐渐降低,出口处约100oC,温差发电模块与排气管相连,形成模块热端[4,5]。
2.2温差发电系统集热器
集热器是一种换热器,高温尾气流经集热器,通过对流、热传导方式,热量由集热器内壁传至外壁,形成温差发电模块的热端。主要有平板式和圆筒式,平板式集热器截面为方形,上下表面为热端,安装温差发电模块;圆筒式集热器结构类似于平板式,筒外壁设计成多边形,具有面积利用率高、表面温度均匀、抗振动性强等优势,本设计采用圆筒式集热器。
2.3冷却系统
模块发电量与热、冷端温度差密切相关,冷端可采用水冷和风冷。风冷利用散热片或空气对流降温,结构简单但散热受到车速影响大,低速时散热效果低且不稳定;水冷利用冷却水循环散热降温,使模块冷端维持低温且稳定,本设计采用水冷式。
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2.4夹紧装置
热电模块与尾气通道、冷却水箱接触状况直接影响模块冷热端的表面温度。设计采用槽钢式夹紧方式,水箱通过压紧螺钉与模块夹紧,保证每行模块都与冷热端接触良好。
3、温差发电装置和三元催化器集成
尾气流经三元催化器,温度约400℃时,载体催化活性最强,装置中发生复杂化学反应:
设计采用正多边形横截面结构的圆筒式管道,实现集热、催化和净化功能。
4、温差发电控制系统
汽车工况变化引起温差发电模块输出电压波动,影响汽车用电设备稳定性;汽车重负荷下高温尾气将损坏发电模块。系统设计DC/DC 转换器调节输出电压为汽车设备供电和蓄电池充电,设计高温监测电路保护发电模块,控制电路如图2所示。
图2 温差发电控制电路
4.1降压电路设计[6]
选用降压芯片XIA016,PWM调制方式分别为电器设备和蓄电池提供12V与18V电压,输入电容CC防止瞬态大电压损坏芯片,输出电容C2和电感降低纹波,续流二极管选用肖特基二极管。
采用UC3906为12V铅酸蓄电池充电,输入18V使功率管TIP42C导通,初始充电电流为500mA,电压达到过充电压的95%时转入过充电状态;充电电流降到过充电终止电流(IOCT)时UC3906的10脚输出高电平,比较器LM339输出低电平,蓄电池转入浮充状态。
4.3温度控制电路设计
汽车重负荷工况下尾气温度升高,导致集热器外表面温度过高,损坏发电模块。温控电路由控制芯片、温度检测、温度显示、电源、步进电机等组成。系统选用低功耗、高性能、抗干扰的STCl2C5A60S32芯片,温度传感器采用PTl00,放大器采用LM324,多路温度监测信号经A/D转换成数字信号,由P1口输入单片机,经处理后控制旁通管道阀门开闭,分流高温尾气而降温,保护发电模块。
5、软件设计
以STCl2C5A60S2芯片构成的控制电路[7],实现温度检测,处理、显示和电机控制。系统设计主程序和中断程序,中断程序包括AD采样和LCD显示,程序流程图如图3所示。
5.1主程序模块
图a为主程序流程图,定义P3.5、P3.6、P3.7分别控制步进电机的使能端、电机方向端、电机脉冲端,设置温度上下限等。
5.2AD采样模块
图b为AD采样流程图,实现五路温度的精准采样,STCl2C5A60S2具有8路10位高速A/D转换器,A/D转换口在P1口。
5.3LCD显示部分
LCD显示流程图如图c所示,LCD读写时对标志位BF忙检测,BF=1表示显示器忙;BF=0时显示器接收单片机数据,1602通过D0~D7传输数据和指令。
6、温差发电模块性能测试
系统发电量由热电模块两端温度决定,也与其所受压力有关。图4a表明在相同温度下,压力越大发电量越大,温差发电装置由钢板固定以提升发电量。
图4b为模块在相同压力下,冷热端温度变化时的发电量,可见冷热端温差越大发电量越大,选择耐高温材料可提升发电量。
图4 发电量印象因素
7、结论
汽车产量的提高,尾气污染加剧,节能减排已成为汽车行业研究重点。随着热电材料性能的提高,温差发电技术在汽车余热回收中的应用前景越来越广阔。未来,可以在新型热电材料开发、热电装置界面连接技术、热电装置可靠性等方面开展工作。
[1] GRANDEURD,CRANES,HUNGB,eta1.Automobivewasteheatconversiontoelectricpowerusingskutteru-dite,TAGS,PbTeandBiTelJ].Ther moelectrics,2006(25):343-348.
[2] 刘彪,梁昱,周立迎.催化转化器载体对流场及压力损失的影响[J].湖南大学学报(自然科学版),2004,31(1):17-20.
[3] SoonseoPark,JunghoYoo,SungkyuCho.LowandhilghTemperature D-ualThermoelectricGenerationWasteHeatRecoverySystemforLight-D utyVehicles[C].DEERConf.Dearborn,2009.
[4] 邓亚东,范韬,郭珣等.汽车尾气温差发电装置及热电模块的布置研究[J].武汉理工大学学报·信息与管理工程版,2010(32):265-267.
[5] 田聪,刘丹,张克文等.利用汽车尾气余热温差的热电转换技术[J],长春工业大学学报(自然科学版),2013(34):645-648.
[6] 童诗白,华成英.模拟电子技术基础(第三版)[M].北京:高等教育出版社,667-675.
[7] 齐学红,朱静,汪东明等.基于多传感器的植物测控系统研究与实现[J].传感器世界.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
齐学红(1969年—),男,淮安信息职业技术学院,硕士研究生、硕士学位,讲师/工程师,主要从事汽车电子控制与信号处理研究。
淮安市汽车技术公共服务平台项目(HAPO201411)子项目:汽车尾气余热温差发电装置研究(KA150807) 资助。