劉貽華

(肇慶科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 肇慶 526020)

基于溫差發(fā)電的汽車電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉貽華

(肇慶科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 肇慶 526020)

為了減少傳統(tǒng)汽車的燃油消耗以及提高汽車電池的使用壽命，通過對溫差發(fā)電技術(shù)的研究，利用汽車燃燒產(chǎn)生的廢氣熱量進(jìn)行發(fā)電，將溫差發(fā)電系統(tǒng)與傳統(tǒng)汽車電源系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，為汽車的用電設(shè)備進(jìn)行充電，可以有效的減少汽車燃油消耗以及提高車用電池的壽命，同時也達(dá)到相應(yīng)的環(huán)保功用。

溫差發(fā)電;廢氣利用;燃油消耗

0 引言

隨著傳統(tǒng)能源的不斷減少和人們環(huán)保意識的不斷增強(qiáng)，節(jié)能減排已經(jīng)提上了人們的日程。而傳統(tǒng)汽車不僅能源消耗大，并且尾氣的污染也很嚴(yán)重，為了符合節(jié)能環(huán)保的要求，傳統(tǒng)汽車必須進(jìn)行改良，以期獲得節(jié)能環(huán)保的最終目標(biāo)。通過對溫差發(fā)電技術(shù)進(jìn)行研究，并將溫差發(fā)電技術(shù)與傳統(tǒng)汽車電源進(jìn)行結(jié)合優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得傳統(tǒng)汽車在節(jié)能方面得到了進(jìn)一步的提高，同時也有效的減少了有害氣體的排放。

1 溫差發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 溫差發(fā)電介紹

溫差發(fā)電技術(shù)是基于塞貝克效應(yīng)、珀?duì)栃?yīng)和湯姆效應(yīng)這三種基本效應(yīng)發(fā)展起來的一門新技術(shù)，它的原理是通過半導(dǎo)體兩端的溫度差值，利用半導(dǎo)體自身特殊材料的性質(zhì)產(chǎn)生熱電效應(yīng)，最終獲得所需電源的一種方法［1］。它的主要部件是溫差發(fā)電器，該系統(tǒng)有冷源和熱源兩條通道為溫差發(fā)電器提供發(fā)電所需要的能源。溫差發(fā)電器主要采用美國Hi-Z公司生產(chǎn)的HZ系列中的HZ-20熱電模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，HZ-20熱電模塊由于具有體體積大和輸出功率和效率高等優(yōu)點(diǎn)，所以非常適合汽車尾氣的溫差發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用。HZ-20熱電模塊的外形大小為75×75×5mm3，質(zhì)量大小為115g，熱電偶數(shù)為71，單片熱電模塊在熱端和冷鍛溫差為200℃時，至少可以發(fā)出19W的電量［2］。

Hi-Z公司通過實(shí)驗(yàn)，得到了HZ-20熱電模塊與兩端平均溫度值Tm相關(guān)的函數(shù)表達(dá)式以及它的熱電性能曲線，熱電性能曲線如圖1所示:

圖1 HZ－20熱電性能曲線

(其中，ɑp:P材料的塞貝克系數(shù);ɑN:N材料的塞貝克系數(shù);KN:N材料的總熱導(dǎo);KP:P材料的總熱導(dǎo);ρp:P材料的內(nèi)阻;ρN:N材料的內(nèi)阻。)

1.2 溫差發(fā)電器的設(shè)計(jì)

車載電源系統(tǒng)中，溫差發(fā)電主要是利用尾氣排放中的余熱作為熱源，而汽車的水冷系統(tǒng)作為冷源，通過他們之間的溫度差值作為發(fā)電電源的主要途徑［3］。它的主要部件是溫差發(fā)電器，該系統(tǒng)有冷源和熱源兩條通道為溫差發(fā)電器提供發(fā)電所需要的能源。熱源通道主要是汽車的排氣管道，而冷源通道則為發(fā)動機(jī)水冷系統(tǒng)。溫差發(fā)電器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖如圖2所示。

圖2 溫差發(fā)電器結(jié)構(gòu)圖

圖3 溫差發(fā)電器箱體內(nèi)部設(shè)計(jì)圖

為了能夠高效的利用廢氣的熱量進(jìn)行發(fā)電，得到更高的電能，對溫差發(fā)電器的箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用了如圖3所示的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，它的外形大小為660×400×40mm3，并在廢熱通道內(nèi)設(shè)計(jì)了8塊打孔的擋板，擋板之間間隔為90mm，以使擋板間區(qū)域在儲存熱量的同時實(shí)現(xiàn)溫度的均勻分布;熱電模塊的分上下兩面進(jìn)行對置布置，并以5×7的陣列形式進(jìn)行排列，可以使得溫差發(fā)電器的箱體表面獲得高并且均勻的溫度進(jìn)行利用發(fā)電。

圖4 溫差發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.3 車用溫差發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為了減少發(fā)動機(jī)為了發(fā)電而消耗的燃油量，同時利用溫差發(fā)電器對汽車電源不斷進(jìn)行充電補(bǔ)償，使得車用電池電荷一直處于充滿狀態(tài)，在實(shí)際裝車使用過程中，我們對車用電源進(jìn)行了重新的設(shè)計(jì)與布置，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖如圖4所示。采用此種結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，不僅能夠有效降低汽車的燃油消耗，還因?yàn)檐囉秒姵仉娏恳恢碧幱跐M荷的狀態(tài)，還能增加車用電池的使用壽命，提高發(fā)動機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)的點(diǎn)火能量，使得發(fā)動機(jī)的可燃混合氣得到更為充分的燃燒，同時因?yàn)檐囉冒l(fā)電機(jī)使用的頻率的降低，還可以對發(fā)動機(jī)的廢氣排放起到一定的抑制作用，進(jìn)而提高汽車的環(huán)保能力。

2 車用溫差發(fā)電系統(tǒng)的測試

2.1 系統(tǒng)的測試

根據(jù)前面1.2和1.3的設(shè)計(jì)，對溫差發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了測試。通過測試，得到了溫差發(fā)電系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速下廢氣溫度熱端和冷端的關(guān)系，它們之間的關(guān)系如表1所示:

表1 溫差發(fā)電系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速下廢氣溫度熱端和冷端的關(guān)系

根據(jù)測試得到的廢氣溫度熱端和冷端的關(guān)系，并且采用已知的熱電模塊參數(shù)，同時利用1.1中的公式進(jìn)行換算，我們得到了溫差發(fā)電系統(tǒng)在發(fā)動機(jī)不同轉(zhuǎn)速下的電壓和功率關(guān)系，如表2所示:

表2 溫差發(fā)電系統(tǒng)在發(fā)動機(jī)不同轉(zhuǎn)速下的電壓和功率

2.2 整體系統(tǒng)測試與分析

在整車系統(tǒng)測試中，采用國標(biāo)整車性能測試所采用的歐洲行駛工況進(jìn)行測試，樣車為發(fā)動機(jī)排量1.8L手動擋的桑塔納2000，該車的官方百公里油耗為8.5L，而在實(shí)際使用中的百公里均油耗為8.6L，該車在測試開始時的蓄電池荷電量為80%，測試分白天和晚上兩種不同的工作環(huán)境進(jìn)行，測試的環(huán)境分別為常溫下的白天工況與常溫下的晚上工況兩種，測試時間長度均以20min作為測試周期，樣車的行駛中發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速如圖5所示。

圖5 測試周期發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系圖

2.2.1 常溫下的白天工況測試

在此種工況下，汽車正常行駛，負(fù)載功率主要為點(diǎn)火系統(tǒng)、喇叭及轉(zhuǎn)向燈光等，所以負(fù)載功率不大，經(jīng)過計(jì)算本工況下的負(fù)載功率約為626W。由于負(fù)載功率較小，負(fù)載所需的功率可以由溫差發(fā)電系統(tǒng)及蓄電池進(jìn)行全額提供，并且蓄電池的電量不會下降太多，還會在交流發(fā)電機(jī)充電所需的臨界荷電量(40%)以上，因此發(fā)電機(jī)不需要帶動交流發(fā)電機(jī)發(fā)電而消耗能源。在整個周期中，由圖5總共可以看出，如果汽車在低速下不停的停車及重新起動，根據(jù)表2數(shù)據(jù)可以看出，溫差發(fā)電系統(tǒng)基本上不能為汽車提供多達(dá)的能源(周期中0～900s)之間的曲線;但是在900s以后汽車正常工作狀態(tài)下，溫差發(fā)電系統(tǒng)可以滿足汽車電能所需的要求。通過測試采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行百公里油耗計(jì)算，最后得到該車在白天常溫少負(fù)載情況下的油耗為百公里8.1L，與前面的傳統(tǒng)的汽車的油耗相比，可以節(jié)省燃油0.4～0.5升，符合節(jié)能目標(biāo)。

2.2.2 常溫下晚上工況測試

在此工況下，由于晚上要開車燈，所以汽車的負(fù)載功率較大，通過統(tǒng)計(jì)計(jì)算，汽車在此工況下的負(fù)載功率約為747W。為了測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及可對比性，測試還是按照圖5所示的周期進(jìn)行試驗(yàn)測試。通過測試，得到了蓄電池的荷電狀態(tài)圖及交流發(fā)電機(jī)工作圖，如圖6所示。

圖6 蓄電池的荷電狀態(tài)圖及交流發(fā)電機(jī)工作圖

由圖6看出在測試中的1195s時蓄電池的荷電量已經(jīng)低于交流發(fā)電機(jī)充電所需的臨界荷電量(40%)，所以交流發(fā)電機(jī)開始啟動充電，根據(jù)測得數(shù)據(jù)經(jīng)換算后，該工況的百公里油耗為8.2L。由于交流發(fā)電機(jī)的工作，所以本工況下所測得的燃油消耗量比第一種工況稍微增加了0.1L。但是經(jīng)試驗(yàn)測試，交流發(fā)電機(jī)從充電到結(jié)束時間為30s，時間非常短暫，所以油耗上升不大。如果汽車一直處于正常的行駛運(yùn)動中，比如汽車行駛在3000r/min的工況下，那么溫差發(fā)電系統(tǒng)得到更好的發(fā)揮功效，那交流發(fā)電機(jī)就不會啟動工作，那最終的燃油消耗會比現(xiàn)在試驗(yàn)測出的油耗更為低一些。由這種工況也可以看出，此工況比該車未安裝溫差發(fā)電系統(tǒng)時節(jié)約了0.3～0.4L的燃油，也符合設(shè)計(jì)時的節(jié)能目標(biāo)。

通過上面的數(shù)據(jù)，我們可以看到，在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到2000r/min以后的轉(zhuǎn)速中，溫差發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電量足以為車用電池進(jìn)行充電。這樣就可以減少了發(fā)電機(jī)的工作時間，同時可以保證車用電池電量一直處于滿荷狀態(tài)，能夠提高汽車點(diǎn)火系統(tǒng)的點(diǎn)火能量，使得汽車可燃混合氣的燃燒更為充分，進(jìn)而滿足了提高車用電池的壽命和減少汽車的燃油消耗，同時由于燃燒充分，也可以從側(cè)面減少了汽車尾氣中的有害成分的排放，達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期效果。

3 結(jié)語

通過采用溫差發(fā)電技術(shù)與傳統(tǒng)汽車發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合，可以有效地減少汽車因?yàn)榘l(fā)電而損失的功率，減少了燃油的消耗，同時增大了汽車電池的使用壽命，并且也減少了汽車尾氣中有害成分的排放，為汽車的節(jié)能與環(huán)保指出了一條可行之路。

［1］鄧志杰，鄭安生.半導(dǎo)體材料［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

［2］范韜.基于汽車尾氣溫差發(fā)電和太陽能發(fā)電的新型車載電源系統(tǒng)［D］.武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，2010.

［3］張征，曾美琴，司廣樹.溫差發(fā)電技術(shù)及其在汽車發(fā)動機(jī)排氣余熱利用中的應(yīng)用［J］.能源技術(shù)，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

劉貽華(1982-)，女，廣西北流人，助教，主要從事汽車設(shè)計(jì)及汽車維修方面的研究。

責(zé)任編輯:

吳旭云