基于发动机冷却系的汽车余热温差发电系统研究

詹 华

(福建船政交通职业学院，福州 350007)

基于发动机冷却系的汽车余热温差发电系统研究

詹 华

(福建船政交通职业学院，福州 350007)

为了对发动机冷却系统中蕴含的高温能量进行回收利用，对基于温差发电的发动机余热发电系统进行设计研究，从而有效地改善汽车燃油的经济性，提高燃油利用率，减少废气、余热排放，对解决我国汽车工业快速发展所带来的环境和能源问题具有研究意义。目前，国内外温差发电系统主要是运用在汽车尾气排放系统上，汽车冷却系的热量尚未充分利用。研究的发动机冷却系余热温差发电系统是利用半导体温差发电材料的塞贝克效应直接将低品位的热能转化为电能而开发的一种新型清洁能源回收技术的系统。

温差发电系统；余热发电；多场耦合

1 研究概述

1.1 研究背景及意义

社会现代化的迅速发展使我们对能源的需求大量增加，导致能源危机日益严重，而汽车工业作为国民经济的支柱产业之一，车辆的节能备受关注。提高汽车能源的利用效率对实现我国汽车产业可持续发展具有重要的战略意义。图1是美国 GM 发展研究中心测试的燃油内燃机汽车能量消耗图。汽车的动力转换效率仅为30%，即燃油能量只有 30%用于汽车的驱动、制动、磨擦，而以废热形式排出车外的能量占总能量的70%左右，主要包括循环冷却水和尾气带走的热量，即30%用于汽车冷却系统，剩余的约40%以高温汽车尾气的形式排放到大气中[1]，不仅严重污染环境，造成温室效应，引起酸雨等自然灾害，还造成巨大的能源浪费。

因此，余热回收利用的空间巨大，可利用余热取暖、发电以及废气涡轮增压等[2]，对于余热回收利用的研究逐渐成为关注重点。如果能够有效回收利用这些耗散的能量，将提高汽车能源利用效率，达到节能的目的，同时，它还能产生良好的经济效益和社会效益。温差发电是一种绿色环保的发电方式，可直接提供车内用电或存储于蓄电池，减少汽车部分油耗。该技术具有结构简单、坚固耐用、无运动部件、无噪声、使用寿命长等优点，已成为国际研究热点，具有很大的发展潜力，是汽车未来辅助动力研究的发展方向。

图1 燃料内燃机汽车能量消耗图

1.2 国内外研究现状

由于环境保护、能源科学和技术的进步，引发了以温差发电技术为主要内容的第二次热电学(Thermoelectrics)研发热潮，汽车温差发电系统是一种新型清洁能源回收技术的系统，该系统利用半导体温差发电材料的塞贝克效应直接将低品位热能转化为电能，其中半导体温差发电材料发电性能的好坏直接决定系统功率的输出。能量转换系统是整个温差发电系统的关键部件，主要包括温差发电转换器的研究和温差发电回路的研究。

总的来看，目前国外对于温差热电技术的研究已朝着实用化方向发展，特别是其在汽车领域的应用研究飞速发展，已形成规模化生产。而国内对于温差发电系统的研究工作还不够系统，汽车余热发电系统还处于研究阶段。

目前国内外温差发电系统主要是运用在汽车尾气排放系统中，汽车冷却系的热量尚未充分利用。本论文的主要研究目的是利用半导体温差发电材料的塞贝克效应将低品位的汽车冷却系余热直接转化为电能而开发的一种新型清洁能源回收技术的系统。

2 温差发电原理

温差发电是指当不同的热电材料两端存在温度差时，材料两端会产生电动势形成电流而实现热能到电能的直接转化现象。如图2 所示， P型和N型是两种不同类型的半导体热电材料(P型是富空穴材料，N型是富电子材料)，一端相连形成一个PN结，置于高温热源状态，另一端形成低温冷端；在它们所构成的回路中，如果两个接触点出现温度差(Th、Tc)，在热激发作用下，P、N所构成的闭合回路中形成电动势，产生热电流，热电材料就完成了将高温端输入的热能直接转化成电能的过程[3]。这种现象称为塞贝克效应[4-5]，也称为第一热电效应。其温差电动势可由式(1)计算。

ε=α(Th-Tc)，

(1)

式中：ε为电动势；Th为热端温度；Tc为冷端温度；α为相对赛贝克系数。

温差发电模块结构如图 3所示，通常在一个温差发电模块中由几十至几百个 PN 结串联而成[6]，发电模块的性能主要包括热电转换效率及其能承受的温度范围。

在汽车余热温差发电系统的温差发电装置中，由于高温油的流场、温度场、压力场相互作用、影响，简单地将各物理场分开单独研究而不考虑其相互耦合的影响，只会得出与实际情况不一致的结论，不能满足汽车余热温差发电装置的设计要求，所以有必要研究多场耦合系统，以反映温差发电装置的实际工作状态。

图2 温差发电原理示意图

图3 温差发电模块示意图

3 汽车余热多场耦合温差发电系统组成结构设计

汽车余热多场耦合温差发电系统主要由发动机、半导体温差发电装置、热电控制系统(包括温度控制单元、冷却装置、电压检测单元和DC/DC转换器)和蓄电池、电源控制系统BMS以及综合管理控制单元组成，如图4所示。

图4 汽车余热多场耦合温差发电系统组成

3.1 半导体温差发电装置

半导体温差发电装置是汽车余热多场耦合温差发电系统的核心部件，负责将“吸收消化”的汽车冷却系统余热转换为电能，获得输出电压、输出电流和输出功率，为车载电气供电，富余电能储存在蓄电池中。其具有结构紧凑、无磨损泄露、清洁无污染、无噪声和寿命长、可靠性高等特点，一般由 3 部分组成: 换热器(热端)、温差发电器和散热(冷端)，如图5所示。

图5 半导体温差发电装置结构

其中，温差发电模块为半导体材料，除了材料性能的研究外，在应用研究方面一般作为性能一定的产品使用[7-10]，主要的应用研究集中在换热器和循环冷却装置方面。发动机提供高温机油作为热源，将半导体温差发电装置设置在汽车发动机油底壳，利用发动机冷却系统中的高温油在流经温差发电装置的换热器时与换热器充分接触，使换热器的温度升高，从而使得半导体温差发电器的热端温度升高，吸收汽车冷却系统的热量。

对于换热器来说，延长换热器内部发动机机油的流动时间可以提高利用率，同时输出功率受到热端热量交换的限制[11]，而利用液态金属能够更好地将余热传递到温差发电器的一端，从而提高利用效率[12]。

循环冷却装置提供冷却水作为冷源，作用是使温差发电模块另一端保持低温。通常采用强制风冷、水冷或者自然冷却方式，同时还需要散热片来改善换热效果[13]。循环冷却组件可以集成到发动机中，也可采用单独的循环水泵和散热器。在温差发电模块工作温度范围内，两端温度差越大，温度场越均匀，其输出功率越大。已有的研究结果表明，采用强制风冷和水冷能够更好地保证两端的温差，提高利用效率[14-15]，如果采用自然风冷，温差发电装置的转换效率为2.5%～3.2%[16]。

通过半导体温差发电装置使机油的部分热能转化为与汽车车载电源相匹配的直流电能，而没有被转化利用的热能通过发动机的冷却水或者散热器排放到大气中。

本研究中汽车余热温差发电系统的换热器采用平板式温差发电换热器。平板式温差发电器是目前研究最深入、应用最为广泛的发电器[17]，既可以利用风冷，也可以利用汽车上原有的散热水箱来降低冷端的温度。主要是由一组封闭的平行排列的矩形薄金属板和根据不同设计要求而设计的翅片组成。翅片主要是通过破坏流体传热边界层和增加传热面积等方式来影响传热效果，同时也可以增加温差发电换热器的刚性。

3.2 热电控制系统

热电控制系统(如图4所示)包括温度控制单元、冷却装置、电压检测单元和DC/DC转换器。

温度控制单元检测半导体温差发电器的低温端，并控制冷却装置，实现半导体温差发电器冷端的温度的恒定。冷却装置和半导体温差发电器分别与温度控制单元通信连接，冷却装置优选的为水泵或者风扇。

电压检测单元与综合管理控制单元通信连接，实时检测半导体温差发电器的输出电压，保证输出电压在一定的幅值范围内。

DC/DC转换器调节半导体温差发电器的输出电压；与用电负载、蓄电池电连接；与综合管理控制单元通信连接。

3.3 综合管理控制单元

综合管理系统和外部电路是整个汽车余热温差发电系统的“大脑”和“神经”，负责管理半导体温差发电装置，所以汽车余热温差发电系统的电控部分主要包括综合管理控制单元、DC/DC转换器、热电控制系统中的电压、温度检测单元和电源控制系统BMS，其电控系统框图如图6所示。

图6 电控系统框图

综合管理控制单元功能：1)通过温度检测单元来控制循环冷却装置(循环水泵冷却水的流速和冷却风扇的转速)，实现半导体温差发电器热电转换模块冷端的温度恒定；2)通过电压检测单元来实时检测半导体温差发电器热电转换模块的输出电压，使输出电压控制在一定的幅值范围内，提高热电转换模块的转换效率；3) 当汽车发动机机油油温超过热电转换模块的温度范围时，通过直接控制发动机润滑油系统的油量，节流一部分进入余热发电系统的油量，以保证半导体温差发电器的使用寿命；4)通过DC/DC变换器来调节半导体温差发电器的输出电压，并且根据蓄电池的状态、热电模块的输出功率、发动机的工作状况和外接负载的要求，来实现整个系统能量的合理配置管理，以提高燃油的利用效率。

4 结语

半导体温差发电技术在工业及生活余热、汽车发动机余热、地热能等低品位能源利用上的优势使其成为研究热点，随着高性能半导体材料的不断研发和温差发电器参数及结构的优化，使得温差发电系统的转换效率不断提高，其应用前景日益广阔，在提高能源利用率、改善能源结构和保护环境方面发挥显著功效。

本文的主要研究内容：

1)基于温差发电原理，将汽车发动机冷却系统的余热回收转换成与汽车车载电源相匹配的直流电能，将汽车燃料耗散的能量进行有效地回收利用，供汽车电器设备使用，可以减轻发动机负载，降低燃油消耗率，提高汽车的综合燃油经济性，达到节能减排、提高经济效益和社会效益的目的。

2)在不损害原车的结构，不改变原车发动机冷却系统结构及控制电路的前提下，增加汽车余热多场耦合温差发电系统。

3)利用半导体温差发电装置的高温端吸收汽车润滑油的余热，起到冷却发动机机油的作用。

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TheResearchonAutomobile’sWasteHeatThermoelectricGeneratingSystemBasedonEngineCoolingSystem

ZHAN Hua

(FujianChuanzhengCommunicationCollege，Fuzhou350007，China)

In order to recycle the waste heat energy from the cooling system of the engine，one thermoelectric generator system(TEG) based on the TEG technology has been studied，which can effectively improve the vehicles’ fuel economy，improving the utilization of fuel oil and cutting exhaust emission.It is of great significance to solve the environmental and energy problems caused by the rapid development of China’s automobile industry.At present，the thermoelectric generation system is mainly used in automobile exhaust emission system，and the heat of the automobile cooling system is not fully utilized.The research of thermoelectric generating system has been used the Seebeck effect of semiconductor thermoelectric generating materials to convert low-grade heat energy into electricity.A new system of clean energy recovery technology is developed.

thermoelectric generating system；waste heat power generation；multi-field coupling

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.03.014

2017-08-22

福建省教育厅项目(JB14146)

詹华(1982-)，女(汉)，福建三明，讲师 主要研究电气控制。

U27

A

1009-8984(2017)03-0059-04