[发明专利]一种汽车尾气热电转化装置电气拓扑结构的优化方法

说明书

技术领域

本发明属于可再生能源技术领域，更具体地，涉及一种汽车尾气热电转化装置电气拓扑结构的优化方法。

背景技术

传统内燃发动机的燃油能量仅有约30％转化为机械能，其余都以冷却水或尾气方式直接排放。若基于热电转换技术将尾气排出的废热进行回收发电并在车载系统中加以利用，对提高汽车发动机的燃油经济性具有重要意义，其中，利用多个热电模块构建汽车尾气热电转换装置(汽车尾气热电发电器)是回收汽车尾气废热实现发电的一种新技术途径，大功率汽车尾气热电转换装置通常包含有几十个或上百个热电模块，由于受内部流场结构设计因素影响，尾气流过热交换器时其表面温度难以实现完全的均匀化分布，因此各个热电模块的热源温度不同，在相同冷源条件下它们的冷热端温差各异。此外，由于加工制造工艺水平的局限和安装夹紧方式的不一致，各个热电模块的内阻也会有较大差异。在实际输出时，若将所有热电模块进行串联，尽管汽车尾气热电转换装置的开路电压较高，但其内阻也会很大；如将所有热电模块进行随意并联，尽管可以输出较大电流，但不同开路电压等级的热电模块之间会产生环流从而造成汽车尾气热电转换装置内部的功率消耗，降低其性能。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种汽车尾气热电转化装置电气拓扑结构的优化方法，该拓扑结构中结合了各个热电模块的输出特性对它们进行串、并联电气拓扑结构优化，在保证其输出电压不至于为零或负压的同时充分发挥各个热电模块的发电潜能，从而提高汽车尾气热电转换装置的整体效率和性能。

为实现上述目的，本发明提供了一种汽车尾气热电转化装置电气拓扑结构的优化方法，所述优化方法包括以下步骤：

(1)测试单个热电模块的输出性能；

(2)根据步骤(1)测试获得的热电模块的输出性能，创建各个热电模块的等效电路模型，单个热电模块的等效电路模型如附图4所示；

(3)根据步骤(2)创建的热电模块的等效电路模型进行拓扑结构优化计算；

(4)根据步骤(3)优化后的拓扑结构，重新构建汽车尾气热电转换装置，汽车尾气热电转换装置的结构图如附图2所示。

所述步骤(1)具体包括以下子步骤：

(1-1)维持恒定的冷源温度和安装压力；

(1-2)测量不同输出电流条件下单个热电模块一组典型的电压—电流—功率(V-I-P)特性曲线；

(1-3)改变热源温度重复步骤(1-2)。

所述步骤(2)具体包括以下子步骤：

(2-1)假设其内部串联的半导体电偶臂(PN结)对数为g，其内阻r可以表示为：

r＝glp/(σPAp)+glN/(σNAN)(1)

其中，lp、σP、Ap和lN、σN、AN分别为其中P型与N型半导体电偶臂的长度、电导率和横截面积；

(2-2)从附图3可以看出，不同温差条件下，单个热电模块的电压-电流特性曲线的斜率基本保持不变，即其内阻可以认为保持恒定。所以单个热电模块，可以等价为一个与温差相关的可变电压源串联一个恒定内阻，建立等效模型如附图4所示，其开路电压U、实际输出电压U0及其内阻r可以分别表示如下：

U＝gαPN(TH-TL)＝g(αP-αN)(TH-TL)(2)

U0＝U-ir(3)

r＝U/Imax(4)

其中，αPN为半导体的相对塞贝克系数(V/K)，αP和αN分别为P型与N型半导体的塞贝克系数(V/K)，TH和TL分别为热电模块内部半导体电偶臂的实际热端和冷源温度(K)，Imax为热电模块的短路电流(A)，i为热电模块的实际输出电流(A)；

所述步骤(3)具体包括以下子步骤：

(3-1)构造连接矩阵，表中A_i表示模块i的后节点，B_i表示模块i的前节点。x_i,j＝1表示模块i的后节点与模块j的前节点连接，x_i,j＝0表示模块i与模块j的前节点无连接；y_i,j＝1表示模块i的后节点与模块j的后节点连接，且x_i,j+y_i,j＝1以避免模块之间短路。y_i,j＝0则表示后节点直接无连接，z_i,j＝1表示节点i和节点j的前节点连接，z_i,j＝0表示前节点之间无连接。表中-1表示不存在这样的连接。