基于实时巡检的商用车热电模块拓扑优化与实验测试研究

摘要

近年来，利用热电发电技术对汽车尾气余热进行回收利用的研究已经受到了各国科研人员的高度重视。而在热电发电系统中，热电器件之间的拓扑连接方式是影响系统电性能表现的关键因素之一。本文从寻找热电模块最优拓扑结构的方向出发，对热电模块间的串并联电路连接方式展开理论研究和实验测试分析，并搭建汽车尾气热电发电系统试验台架，对热电模块进行电性能实验，寻找最优的热电模块电能收集方案，从而达到提高汽车尾气热电发电系统转换效率的目的。本文的主要研究成果如下： 阐述了热电发电技术的基本原理，并简要介绍了热电材料的基本性能，在此基础上对热电器件的结构及电性能进行了总结分析，完成了包括热电气箱、热电器件、冷却液通道等在内的商用车热电发电装置结构设计。 利用自主设计的单热电器件测试平台，对不同压紧力及不同温度场下Bi2Te3器件的发电情况进行了测试，验证了热电器件的电性能特性，并完成对热电器件组的布局与编号，建立热电器件等效数学模型。在此基础上分析拓扑优化所需的实验条件与优化方法：以热电器件组整体输出功率峰值最大为优化目标，采用局部逐级优化算法及实验测试对比研究来完成拓扑结构设计。 为了测量并监控各个热电器件的工作状态，设计了一套完整的热电发电单片电压实时巡检系统，结合实际应用环境，完成巡检系统的硬件设计与软件编写，实现了对热电发电系统中306块热电模块电压的实时采集与在线显示。 建立热电发电系统试验台架，并在实时巡检数据的基础上对热电模块内阻进行数学建模，通过实验测试的方法对气箱表面热电器件的输出特性进行研究与验证。在所搭建的热电发电系统实验台架上对所得到的拓扑优化结构进行实验验证：对比分析在拓扑优化结构下系统的整体发电量P'max与全串联结构时的Pmax，发现在本文所提出的热电模块拓扑优化结构下，热电发电装置的整体输出功率最大能够提高将近9.4%。最后在上述一系列研究的基础上，对商用车热电发电装置进行了巡航工况测试。

目录

声明

第1章 绪论

1.1课题研究背景和意义

1.2国内外研究现状

1.2.1汽车尾气回收利用现状

1.2.2热电发电技术研究现状

1.2.3热电发电系统模块拓扑优化研究现状

1.3目前存在的问题

1.4本文主要研究内容

（2）热电发实验台架建立与测试方法研究

（3）气箱热电模块拓扑优化与实验测试

第2章 商用车热电发电装置结构分析与设计

2.1热电发电原理

（1）Seebeck 效应

（2）Peltier 效应

（3）Thomson 效应

2.2热电器件特性分析

2.2.1热电材料简介

2.2.2热电器件结构及电性能分析

2.3商用车热电发电装置结构设计

2.3.1基本组成单元

2.3.2整体结构搭建

2.4本章小结

第3章 热电模块拓扑结构分析与优化方法研究

3.1单热电器件试验平台搭建与测试

3.1.1单热电器件试验平台

3.1.2单热电器件压紧力测试

3.1.3单器件多温度场下性能测试

3.2热电模块拓扑结构分析

3.2.1热电器件布局与编号

3.2.2单热电器件等效电路模型

3.3拓扑优化方法研究与分析

3.3.1拓扑优化方法

3.3.2热电器件等效辨识模型

3.3.3串联与并联电路模型

3.3.4局部逐级优化算法

3.4本章小结

第4章 热电发电单片电压实时巡检系统设计

4.1巡检系统总体方案设计

4.1.1电压检测方案分析

4.1.2巡检系统任务分析

4.1.3巡检系统总体设计

4.2巡检系统硬件电路设计

4.2.1检测从板总体设计

4.2.2检测从板模块设计

4.2.3控制主板硬件设计

4.3巡检系统软件设计

4.3.1巡检系统软件总体设计

4.3.2控制主板软件设计

4.3.3检测从板软件设计

4.4系统通讯协议

4.4.1 CAN通讯协议

4.4.2 SPI通讯协议

4.4.3 SCI应用层协议

4.5本章小结

第5章 热电发电实验台架建立与拓扑优化实验测试

5.1热电发电实验台架建立

5.2实时电压巡检系统搭建与测试

5.2.1巡检系统搭建

5.2.2巡检系统功能测试

5.3器件组串并联结构测试

5.3.1热电器件最大功率测试

5.3.2电特性不同时的结构测试

5.3.3电特性一致时的结构测试

5.3.4串并联拓扑优化结构与测试

5.4商用车热电发电装置道路实验

5.5本章小结

第6章 结论与展望

6.1全文总结

6.2工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的术论文