汽车尾气废热发电装置的拓扑结构和最大功率输出的算法与建模研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

课题研究背景及意义本选题来源于国家“973”项目和国家重点试验室基金项目:“汽车尾气热电发电回收关键技术及示范轿车研究开发”。在能源问题日益紧张、环境污染状况日趋严重的今天。汽车尾气热电发电回收利用技术因其绿色环保的发电方式受到世界各国的广泛关注。当前，普遍使用的燃油发动机汽车燃油能量约仅30%驱动车辆,在发动机燃料能量转换过程中，65%的化学能以废热的形式被浪费，汽车尾气中的热能占比超过40%，不仅造成资源的极大浪费，同时造成严重的环境污染。如果能将这部分汽车尾气余热进行有效利用并基于现有的混合动力汽车技术可进一步增大传统混合动力汽车的燃油经济性和效率，会产生很好的社会效益和广阔的市场前景。传统混合动力系统将传统发动机尽量做小，让一部分动力由电池-电动机系统承担,发挥了发动机持续工作时间长，动力性好的优点,发挥电动机无污染、低噪声的好处，可以实现节油10%及以上,但并未考虑将汽车发动机排放的尾气废热进行回收利用。由于汽车尾气蕴含有大量的能量，若将热电转换技术和混合动力技术结合在一起构建弱混合动力系统,这样还能回收尾气中的部分废热,达到进一步节能减排的目的。本课题研究的汽车尾气发电是利用热电转换装置将汽车尾气的产生的废热通过热电模块转化为能够直接供汽车使用的电能，是一项绿色环保的发电技术,在能源利用方面，提高了燃油车的燃油经济性，降低燃油的使用量。这项研究是一个前沿课题，随着人类对环境的日益重视，这项研究必然会蓬勃发展，是未来汽车辅助动力系统的一个发展方向。汽车尾气温差发电国内外研究现状

在汽车尾气温差发电的研究和应用上，美国、日本等发达国家已经取得一定的研究成果。最早的汽车尾气温差发电的应用，要追溯到1964年的美国Clarkson大学的Tomarchio的设计的一款使用空气冷却的热电发电装置，当汽车车速高于80km/h时，通过回收汽车尾气进行温差发电理论上可以为整车的电力负载提供足够电源。2001年, Hi-Z公司在250KW康明斯柴油机上进行了相关测试和实验,温差发电器共产生30V/1KW的功率。2004年克拉克森大学和Delphi公司联合开发出一套应用于皮卡上的温差发电装置，发电量约为160w,可以提高整车燃油经济性2%。2008年德国大众汽车公司利用新型热电材料，开发出最大回收功率600W的实验车。2012年在丹麦举行的国际热电会议上，德国宝马公司展示了其开发的汽车尾气热电转换示范汽车，宣称最大节省燃油效率1%。2013 年，日本汽车零部件生产商联合相关科研单位开发出一种尾气温差发电装置。2015年波兹南工业大学的Merkisz,J等人在模拟城市交通条件的基础上，研制出一套基于13L/66KW的柴油机的汽车尾气热电转换装置试验平台。该试验平台在12.6公里的运行周期中累计产生了1.38KW的功率。2016年葡萄牙米尼奥大学的Brito. FP提出了采用温控热电转换装置的策略，并通过对轻型车辆能量分配模型中的热电转换装置的功率输出的分析，测得在汽车驱动周期内平均功率可达550W。 2017 年德国航天航空中心车辆研究所的S.Vale提出--种用于货运柴油车辆废气回收的热电发电机(TEG)的参数化研究和优化方法。将热电转换装置安装在一-辆商用车辆(3.5吨)和一-辆重型车辆(40吨)的排气管中，实验测得商用车辆的最大功率为188 w,重型车辆的最大功率为886W。

相对于国外的研究发展，国内关于汽车尾气温差发电的研究则起步较迟。最早的是1999年吉林工业大学的董桂田教授对汽车尾气的回收进行了理论上的运算，验证了汽车尾气回收的可行性。从2004年开始，华南理工大学的张征提出了新型的热电转换系统，将热电模块热端置于汽车尾气之中，使两者直接接触，从而达到高废热转化率的效果，但这种新型系统安装复杂，对热电材料的耐高温性，耐腐蚀性有一定的要求。2007年吉林大学的刘洪阳等改造了发动机排气管,为了提高导热率，手指形吸热器安装在热端，冷端由一个冷水箱组成的循环水冷系统提供低温环境，最后将产生的电能在车载蓄电池中进行存储。杭州电子科技大学的徐江荣等人研究了热电器件在利用发动机废热时的摆放位置对热电转换功率的影响，并利用相关软件对排气管进行模拟测试。2010年武汉理工大学的邓亚东等对汽车的排气管表面温度的分布做了测定，提出了热电转换装置在汽车排气管的安装位置的要求以及热电模块之间的串并联方法。武汉理工大学的全睿等设计了一种4层平板型串联结构的汽车温差发电装置，通过汽车尾气温差发电台架进行了测试，发现中间两层的热电模块输出功率较高，适当减小热交换器的尺寸，可以提高温差发电装置的输出性能。上海工程技术大学的季晓峰等人设计了一种网格状多通道的热电转换装置，仿真测试得到该装置的热能转换效率达到4.389%，而热电转换装置的输出功率最高达到了1000W。基于汽车尾气热电弱混合动力控制系统的研究现状随着汽车尾气温差发电技术的成熟，汽车尾气温差发电效率较之前有了明显的提升，但是功率仍然偏小，当汽车尾气热电转换装置应用于汽车上时，只能作为混合动力的辅助部分，即为弱混合动力。在汽车尾气热电转换技术与汽车混合动力相结合的方面，现代汽车零部件技术湖北省重点实验室的李浩等人建立了基于热电转换装置的并联式混合动力汽车整车仿真模型，发现了热电转换装置的应用能够降低汽车的燃油消耗，热电模块的最佳数量为180个。武汉理工大学的凌凯利用温差发电技术，并结合起动机/发动机一体化(ISG)型42V混合动力汽车(HEV)，建立了基于汽车尾气热电转换的ISG型的HEV整车控制模型，在Advisor汽车开发平台上验证了该方案对汽车的燃油消耗和尾气排放均有改善。武汉理工大学的范文结合热电模块连接方式的优化，设计了一套完整的热电模块模型，并将热电模块模型移植到整车模型中，运用局部模糊逻辑控制策略将热电模块的功率整合到整车动力系统中，最后利用仿真验证了策略的可行性。武汉理工大学的代宏伟提出汽车尾气温差发电和光伏发电多元混合作为汽车能源的一部分，并在此基础上建立了轻度混合系统，对其性能进行了详尽的测试和仿真分析，验证了新型混合系统有较大的发展潜力。综上所述，国内外对汽车尾气热电转换、弱混合动力的研究已经取得了一定的成果，证明汽车尾气废热回收利用的可行性。同时，考虑到热电材料和热电器件的性能，目前回收的电能相对较低(几十瓦到几百瓦)，只能满足少量车载电器的使用，一般作为汽车能源的辅助部分，而将其作为动力源应用于混合动力的研究才刚刚起步。

2. 研究的基本内容与方案

本研究提出一种汽车尾气废热发电装置-锂电池组-ISG弱混合动力的多能源动力系统，为实现汽车尾气废热发电功率最大化和弱混合动力系统燃油经济性，对汽车尾气热点发电原理进行分析，了解汽车尾气热电系统的整体结构。对汽车尾气废热发电装置-锂电池组-ISG弱混合动力的多能源动力系统的提出与计算方法进行深入研究，并提出复杂工程问题的解决方案，分析与社会、安全、法律及文化的关系，体现节能环保意识和技术经济性能，并提出对重点设备运行维护等措施。具体包含：

（1）研究汽车尾气温差发电系统的构成及主要子系统特性。（2）对一种汽车尾气废热发电装置-锂电池组-ISG弱混合动力的多能源动力系统的提出及计算方法进行深入研究。（3）提出复杂工程问题的解决方案，分析与社会、安全、法律及文化的关系，体现节能环保意识和技术经济性能，并提出对重点设备运行维护等措施。（4）利用仿真软件进行仿真，对设计要求的复杂工程问题进行预测与模拟，并分析其局限性。以汽车尾气废热发电功率最大化和弱混合动力系统燃油经济性最优为目标，重点实现汽车尾气废热发电装置的拓扑结构,最大功率输出，并在汽车尾气废热发电示范汽车试验平台上进行验证及优化，为汽车尾气废热发电混合动力汽车的研制奠定技术基础。并通过考虑复杂工程问题解决方案与社会（或者健康、安全、法律）以及文化的关系，体现节能环保意识和技术经济性能，提出加强重点设备运行维护等措施。

3. 研究计划与安排

2019.12.26-2020.01.07学生进行选题，教师确认学生选题。

2020.02.23-2020.03.20开题报告提交。

2020.03.21-2020.04.05熟悉汽车尾气废热发电装置-锂电池组-isg弱混合动力的多能源动力系统。

4. 参考文献（不低于12篇）

[1]张征,黎启柏.排气流强化热电转换系统传热特性数值研究[j].机床与液压,2011,(05): 59-61.

[2]刘洪阳,刘万钊,贺强,等.发动机排气管余热发电研究[j].长春理工大学学报,2007,30(3):70-72.

[3]明臣魁, 徐江荣, 刘斌. 汽车尾气-热电材料耦合传热过程的cht模拟[j]. 杭州电子科技大学学报, 2011,(1): 91-93.