摘 要

二十世纪以来，汽车已成为现代人出行普遍使用的交通工具之一，就我国而言，汽车普及数量每年均呈现大幅度增长趋势。在工业社会背景下，伴随着汽车数量剧增而来的是能源消耗的加剧，汽车尾气污染及全球变暖等环境问题。汽车一般使用传统内燃机供能，大部分的能量并没有被汽车用电设备利用，而是随着汽车尾气的排放消散在空气中，实际转化率并不高。与传统内燃机发电相比，温差热电发电无论是在经济性还是环保性方面都有显著提升，不仅能为汽车电力系统提供可靠电能，还是解决汽车尾气余热回收，减少环境污染的有效途径，对节能减排意义重大。本文基于以上背景，提出一种基于热电发电系统的东风商用车新型混合电源系统，主要研究内容如下：

基于温差发电的理论基础，研究商用车热电发电系统的基本原理，并完成基于热电发电的商用车新型混合电源系统拓扑结构设计，重点讨论了新型混合电源系统的能量管理策略，优化能量在热电转换装置和储能电池组之间的分配，确保热电发电机能够在最大功率点跟踪(MPPT)模式下工作，提高温差发电系统输出的电功率和燃油的转化效率，降低商用车的尾气排放，完成整个商用车电源系统的能量流分析及优化，为汽车电气系统和局部空调供电。

基于ADVISOR平台对设计的新型电源系统模型进行建模，并且将其作为子系统嵌入平台传统整车模型得到基于汽车尾气热电发电系统的商用车模型，并在HWFET工况下进行整车仿真，将仿真结果与初始性能进行对比分析，结果验证了本次设计对提升整车燃油经济性等性能的确是行之有效的。

关键词：热电发电；商用车；新型混合电源系统；能量管理策略

Abstract

Since the 20th century, automobiles have become one of the vehicles commonly used by modern people. As far as China is concerned, the number of cars has increased by a large amount every year. In the industrial society, with the rapid increase in the number of cars, environmental problems such as increased energy consumption, automobile exhaust pollution and global warming have emerged. Automobiles generally use traditional internal combustion engines to supply energy. Most of the energy is not used by automotive electrical equipment, but is dissipated in the air as the vehicle exhaust emissions, and the actual conversion rate is not high. Compared with conventional internal combustion engine power generation, thermoelectric power generation has significant improvement in terms of economy and environmental protection. It not only provides reliable power for automotive power systems, but also solves the problem of vehicle exhaust heat recovery and environmental pollution reduction. The reduction of emissions is of great significance. Based on the above background, this paper proposes a new hybrid power supply system for Dongfeng commercial vehicles based on thermoelectric power generation system. The main research contents are as follows:

Based on the theoretical basis of thermoelectric power generation, the basic principle of commercial vehicle thermoelectric generation system is studied, and the topology design of new hybrid power system based on thermoelectric power generation is completed. The energy management strategy of the new hybrid power system is discussed. The energy is optimized in thermoelectric conversion. The distribution between the device and the energy storage battery pack ensures that the thermoelectric generator can work in the maximum power point tracking (MPPT) mode, improve the electric power and fuel conversion efficiency of the thermoelectric power generation system, reduce the exhaust emissions of the commercial vehicle, and complete the entire Energy flow analysis and optimization of commercial vehicle power systems to power automotive electrical systems and local air conditioners.

Based on the ADVISOR platform, the new power supply system model is designed and embedded as a subsystem embedded platform. The vehicle model based on the automobile exhaust thermoelectric generation system is obtained, and the whole vehicle simulation is carried out under the HWFET condition. The simulation results are compared with the initial performance. The results verify that the design is effective in improving the fuel economy and other performance of the vehicle.

Key words:thermoelectric power generation;commercial vehicles; new hybrid power systems; energy management strategies

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内外研究现状及发展 2

1.2.1热电发电历史回顾 2

1.2.2热电材料研究现状及发展 2

1.2.3汽车尾气废热温差发电技术国内外现状及发展 4

1.3本论文主要研究内容 4

第2章 汽车尾气温差发电原理及系统结构 5

2.1温差发电基本原理 5

2.1.1塞贝克效应 5

2.1.2珀尔帖效应 6

2.1.3汤姆逊效应 6

2.2汽车尾气温差发电系统结构 7

2.3本章小结 7

第3章 新型混合电源系统系统设计 9

3.1新型混合电源系统系统模型 9

3.2基于东风天龙商用车的器件选型及参数设计 10

3.2.1热电发电机的设计 10

3.2.2蓄电池的相关设计 11

3.2.3DC/DC变换电路的设计 12

3.2.4局部空调的设计 13

3.3能量优化控制策略 13

3.3.1能量流管理模式 14

3.3.2模糊逻辑控制策略 14

3.4本章小结 15

第4章 基于ADVISOR的温差发电混合电源系统系统建模及仿真 17

4.1ADVISOR简介 17

4.2系统建模仿真及结果分析 17

4.2.1系统建模 17

4.2.2仿真结果及分析 18

4.3本章小结 20

第5章 总结及展望 21

5.1全文总结 21

5.2工作展望 21

参考文献 23

附录 24

致谢 26

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

随着国民经济的繁荣发展和人民生活水平质量的显著提升，汽车成为人们如今长途旅行、短途出行首选的交通工具，全球汽车数量涨幅近年来都极其可观。调查数据显示，截止2018年底，全国范围内汽车保有量高达2.4亿辆，驾驶人数约3.69亿人次，再创历史新高。工业时代背景下，汽车的高人均数固然可喜，代表着现代人类文明社会科技发展的进步，但与此同时，汽车也是如今频发的环境问题的不可推卸的“幕后黑手”。目前来说，化石燃料的燃烧及汽车尾气的不当排放，致使空气污染、全球变暖等不可逆的环境问题。除了日益恶化的环境问题之外，能源短缺也已引起人们对能源的，特别是对所有类型废热能源的有效回收和利用的广泛关注。大多数汽车采用石油等化石燃料供能，而这些不可再生能源由于汽车的大量需求而加剧能源消耗，造成能源短缺。控制污染源头，重建绿色环境是如今社会共同面临的重中之重的问题。节能减排也是响应国际趋势的发展方向。

传统汽车一般采用内燃机供能，能量来源为化石燃料。在汽车的一般运行过程中，内燃机可用于克服汽车行驶时的阻力以驱动车辆的能量仅仅占燃料燃烧总能量的30%左右，而更多的40%的能量却是随着汽车尾气废热的排放而消散在大气中，造成不可逆的环境污染，余下的30%能量大多是转化成热能，随后被发动机冷却液与机械摩擦所消耗殆尽。传统汽车消耗能量流向如图1.1所示。

燃

料

消

耗

克服阻力 驱动汽车

冷却液 机械摩擦

尾气排放

30%

40%

30%

图1.1 传统汽车消耗能量流

因此，占总燃料能量40%的尾气废热所浪费的能量是巨大的，但回收利用的可操作空间也是极其庞大的，若能够充分回收利用每天汽车废气中蕴含的大量热量，使尾气中低品质被排放的热能可以转化为电能，尤其是能够直接利用的高品质电能，这样能够大大提高燃油的经济性、利用率及发电机的热效率，同时也减少了对环境的污染，对汽车的节能减排与环境保护意义重大。尾气废热回收正慢慢成为汽车工业中日益重要的环保课题，主要方向包括废气涡轮增压、废热发电、空调制冷和加热取暖等。

热电发电（TEG）是当今最清洁的能量转换方法之一。与其他类型的能量转换方法相比，热电发电具有许多优点。由于温差发电系统中不需要机械运动器件，所以结构简便，系统运行过程中也没有噪音的烦扰；不存在机械磨损，机器使用寿命长，性能稳定；热电发电过程清洁无污染，几乎零排放，对环境友好；热源广泛，材料可以随条件不同选择多样。且其他方法一般需要机械能作为能量转换中间媒介，而热电发电不需要过渡过程，直接进行热电转换，避免了这种中间环节中能量的损耗，能量利用率高。

综上所述，热电发电技术由于其出色的技术特点在提高能量利用率，节能减排领域存在着巨大优势，大力发展及优化各种形式热能转换为可供使用的电能已成为国内外学者竞相研究的重点与热点。

1.2国内外研究现状及发展

1.2.1热电发电历史回顾

温差发电是建立在塞贝克效应和半导体热电理论基础上的一门技术。前者是于1821年由德国科学家塞贝克提出，但此后几十年间，由于当时认识的局限性，热电材料的研究多集中于金属及其合金材料上，但其效果的不理想，导致热电发电技术没有真正得到应用。直到20世纪50年代，前苏联科学家Ioffe提出半导体材料可以应用于热电发电技术后，为现代热电发电技术奠定了坚实的理论基础。

热电发电技术正逐渐成为一些国家长期能源计划方向，正是由于其热源范围广、材料多、稳定性高又易于实现的特点。热电发电技术应用范围也非常广泛，例如其中美国致力于热电发电在航空航天、军事技术等高科技领域的应用；日本是最早也是最潜心研究废热回收利用热电发电技术的国家；而欧盟更多着眼于小功率电器和纳米技术等领域发展研究^[1]。汽车热电技术的应用始于1963年，从1995年开始，Hi-Z公司受美国能源部委托，开始研究利用载重汽车废热热电发电计划^[2]。

1.2.2热电材料研究现状及发展

塞贝克效应提出后的几十年间，人们开始关注热电转换技术的应用前景。但长期以来热电材料仅局限于金属及其合金，一般用于制作热电偶，仅仅用于测量温度，热电技术发展势头缓慢。在前苏联科学家Ioffe于1949年发表关于半导体热电效应理论后，人们将眼光投向了半导体热电材料。随着、PbTe、硅锗合金等几种典型热电材料进入人们的视线，随之而来的是热电转换技术也取得了可喜进展。

近20余年，热电材料科学发展迅猛，许多热电材料的热电效率指标－热电优值ZT，其数值已经超过1.5甚至达到2.0，正在不断刷新纪录，为热电发电技术的蓬勃发展提供了材料基础。如今国内外在热电材料研究领域都有不小的成就。热电材料发展趋势如图1.2所示。

图1.2 热电材料发展趋势

在国外的研究中，超晶格和单晶热电材料取得了重大突破。2001年，美国RTI研究所的R.Venkatasubramanian等学者制备了一种超晶格薄膜材料，用MOCVD法测量得出在300K条件下其热电优值高达2.4的结论^[3]。日本产业技术综合研究所的Ryoji Funahashi研究小组研制了一种单晶材料5，他们测试得出这种材料的热电优值在高温，即T≥873K时可以达到 1.2~2.7^[4]。2002年，林肯实验室T.C.Harman及其团队合成了一种Bi掺杂的PbSeTe/PbTe高密度量子点超晶格材料，用分子束外延法观测得到这种热电材料在550K条件下热电优值可以达到3^[5]。除了超晶格和单晶热电材料，块体热电材料和二维薄膜结构也取得了很大突破。2008年，Poudel等人利用高能球磨结合热压方法研制了一种粒径为纳米级别的BiSbTe块体纳米晶材料，在室温条件下其热电优值为1.2，在373K条件下最大ZT值可以达到1.4^[6]。

目前就热电材料来说，相关国内研究团队相对并不多，但是部分团队在相关课题上也做出不少卓越成果。比如，中国科学院上海硅酸盐研究所不少优秀团队在类液态热电材料、n型高性能类金刚石结构热电材料、所碳纳米管/杂化热电材料等方面相继有了不小的突破。陈立东课题组就发现作为一种无机-有机杂化热电材料，表现出不俗的热电性能，其ZT值最高达2.4，可与传统热电材料性能媲美，拓宽了热电材料研究方向。武汉理工大学张清杰学者团队研发制备的P型和n型填充式热电材料的热电优值ZT分别在800K和850K条件下最高可以达到1.2和1.25，P型系热电材料的热电优值ZT在300K条件下能够达到1.35^[7]。

近年热电材料学科的发展方向愈发广泛，发展速度也愈加迅猛。

1.2.3汽车尾气废热温差发电技术国内外现状及发展

近年来，国内外对于热电发电技术的研究已经全面展开，方向多集中于实用化层面，其中针对热电发电技术在汽车领域的应用研究也日趋成熟。伴随着热电材料研究的不断突破，回收利用汽车尾气废热温差发电技术已经成为各国研究团队所关注的重中之重。

回收利用汽车尾气废热温差发电技术研究重点包括开发应用优质热电材料、优化温差发电器件结构功能以提高热电转换效率，开发设计合适热电管理控制系统使得能量得以高效利用，以及温差发电系统与汽车原有电气系统的集成优化。

例如，美国Hi-Z公司采用71对碲化铋制作的热电偶，通过串并联连接制成的HZ-20热电模块，在温差为200℃时输出的电压和功率分别为2.38V、19W，这个热电模块已经市场化。国内的哈尔滨工业大学的胥大川考虑到传统热电器件参数模型忽略了接触效应的影响，而温差电偶与热电器件转换效率和输出功率密切相关，于是对热电模块的大小、尺寸和组合等进行了优化。武汉理工大学邓亚东等人在42V汽车电源的基础上，开发了起动机/发电机一体化的弱混合动力系统并提出了相应的控制策略，使汽车燃油经济性提高了2%^[8]。

1.3本论文主要研究内容

本文研究课题为基于热电发电系统的东风商用车能量流分析及优化，研究重点即为通过温差发电技术设计基于热电发电系统的东风商用车新型混合电源系统系统，将汽车废气中的热能回收利用转化为高品质可直接利用的电能，以供汽车电气系统和局部空调调用，剩余电能存储在蓄电池中，优化新型混合电源系统的能量管理策略，提高能量利用率、燃油经济性，减少废气污染，完成系统的建模及仿真。

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