汽车尾气热电转化装置电气拓扑结构的优化方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种汽车尾气热电转化装置电气拓扑结构的优化方法，测试单个热电模块的输出性能，创建构建汽车尾气热电转换装置中各个热电模块的等效电路模型；根据等效电路模型建立扩展MTSP模型，运用遗传算法进行拓扑结构的优化计算，得到优化的MTSP模型，得到最优结构单元数和最优拓扑结构，构建汽车尾气热电转换装置。本发明专利技术结合各自的输出特性对它们进行拓扑结构优化后，保证每个结构单元都有着较大的开路电压和较小的内阻，这使得各结构单元串联后整体能够获得较大的峰值功率，汽车尾气热电转换装置的整体效率和性能大大提升。

Optimization method of electrical topological structure of thermoelectric conversion device of automobile exhaust

【技术实现步骤摘要】
汽车尾气热电转化装置电气拓扑结构的优化方法
本专利技术属于可再生能源
，具体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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：提供一种汽车尾气热电转化装置电气拓扑结构的优化方法，能够提高汽车尾气热电转换装置的整体效率和性能。本专利技术为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种汽车尾气热电转化装置电气拓扑结构的优化方法，其特征在于：它包括以下步骤：S1、测试单个热电模块的输出性能，创建构建汽车尾气热电转换装置中各个热电模块的等效电路模型；S2、将热电模块编码、划分到若干个结构单元内，根据所述的等效电路模型建立扩展MTSP模型，运用遗传算法进行拓扑结构的优化计算，得到优化的MTSP模型；S3、根据优化的MTSP模型，得到最优结构单元数和最优拓扑结构；S4、根据最优拓扑结构，构建汽车尾气热电转换装置。按上述方法，所述的S1具体包括：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电压—电流—功率特性曲线；1.3，改变热源温度，重复1.2；1.4，根据所得单个热电模块不同温度下的电压—电流—功率特性曲线，将单个热电模块等价为一个与温差相关的可变电压源串联一个恒定内阻，建立等效电路模型。按上述方法，所述的S2具体包括：2.1，对热电模块编码，划分到若干个结构单元内；2.2，对各结构单元内的热电模块进行划分，计算不平衡因子得到最优划分方案；2.3，产生初始种群，并计算适应度；2.4，对种群依次进行选择、交叉、变异运算；2.5，判断是否满足收敛条件，不满足返回步骤2.4，满足则执行步骤2.6；2.6，解码得到最优解，即为优化的MTSP模型。按上述方法，所述的S3具体包括：3.1，设置多组结构单元数；3.2，依次代入S2，利用遗传算法得到不同结构单元数下对应的最优功率值；3.3，将步骤3.2中得到的最优功率值进行三次样条插值，得到最优峰值功率，最优峰值功率对应的结构单元数量及各结构单元中的热电模块组合，就是最优结构单元数和最优拓扑结构。本专利技术的有益效果为：结合各自的输出特性对它们进行拓扑结构优化后，保证每个结构单元都有着较大的开路电压和较小的内阻，这使得各结构单元串联后整体能够获得较大的峰值功率，汽车尾气热电转换装置的整体效率和性能大大提升。附图说明图1为本专利技术一实施例的方法流程图。图2为本专利技术热电模块组的布局和编号示意图。图3为本专利技术汽车尾气热电转换装置的结构图。图4为本专利技术单个热电模块在冷源温度为50℃时不同热源温度的伏安曲线图。图5为本专利技术单个热电模块的等效电路模型示意图。图6为本专利技术不同发动机工况下热电模块的开路电压示意图。图7为本专利技术热电模块的峰值功率对应电流的示意图。图8为本专利技术热电模块的平均内阻图。图9为本专利技术实施例11组结构单元数的最优功率值曲线图。图10为本专利技术结构单元数为12时五次迭代结果图。图11为本专利技术实施例五次优化后不平衡因子与功率关系图。图12为本专利技术算法与一种基于贪婪思想的逐级优化算法结果对比图。具体实施方式下面结合具体实例和附图对本专利技术做进一步说明。本专利技术提供一种汽车尾气热电转化装置电气拓扑结构的优化方法，如图1所示，它包括以下步骤：S1、测试单个热电模块的输出性能，创建构建汽车尾气热电转换装置中各个热电模块的等效电路模型。S1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：冷源温度稳定在50℃，安装压力为30kg时(对应压强为0.82Bar)。为更直观的描述本专利技术，构建汽车尾气热电转换装置，其结构图如附图3所示，热电模块布局如附图2所示，进行试验配合讲解；(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；如附图4是单个热电模块在冷源温度为50℃时不同热源温度的伏安曲线；(1-3)改变热源温度，热源温度分别为230℃、270℃、310℃和350℃，改变热源温度时重复(1-2)；(1-4)从附图4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5所示。其内阻r可以表示如下：r＝U/Imax(1)其中，Imax为热电模块的短路电流(A)，U为开路电压；在(1-1)、(1-2)所述的实验条件下结合可调电子负载在不同发动机工况下测试各个热电模块的开路电压和最大峰值功率对应电流分别如附图6、附图7所示。这为不同电压和电流等级的热电模块进行串联提供了如下参考依据：将开路电压和内阻接近并且峰值功率对应电流较低的热电模块进行并联，将峰值功率对应电流较小且内阻较小的热电模块进行串联。基于图5所示的等效电路模型，利用公式(1)计算各个热电模块的平均内阻估值如附图8所示，可见，由于各个热电模块的加工设计工艺和承受安装压力的差异，各个热电模块的平均内阻各异，与它们在热交换器表面的位置分布无直接联系。S2、将热电模块编码、划分到若干个结构单元内，根据所述的等效电路模型建立扩展MTSP模型，运用遗传算法进行拓扑结构的优化计算，得到优化的MTSP模型。S2具体包括以下子步骤：(2-1)采用十进制编码，对L块热电模块编码(L个城市)，划分到M个结构单元内(M个旅行商)，则需要在原有城市的基础上附加，M-1个虚拟符号，表示M-1虚拟城市。由于本专利技术研究的问题中每个邮递员并不存在固定的起始城市与终止城市，因此问题可以简化。下面以一个较小规模的举例说明。例如，有10个热电模块，编号为1-10，有3个结构单元。MTSP的一条染色体编码是：则3个结构单元分配的热电模块编号分别是：*-8-4-**5-9-6-3-10-**-1-7-2-*在算法操作过程中，当遇到虚拟符号在一条染色的两端或虚拟符号相邻出现时，该染色体将无法维持结构单元的设定数目，故自然淘汰。(2-2)设某个结构单元共有N个热电模块，每个热电模块由电压源和内阻构成，由步骤(2-1)知道它已经按照一定的顺序排布好。设此时电压源集合U＝{U1,U2,..Un}，内阻集合R＝{R1,R2,..Rn}。此时，我们的任务就是对其进行合本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种汽车尾气热电转化装置电气拓扑结构的优化方法，其特征在于：它包括以下步骤：S1、测试单个热电模块的输出性能，创建构建汽车尾气热电转换装置中各个热电模块的等效电路模型；S2、将热电模块编码、划分到若干个结构单元内，根据所述的等效电路模型建立扩展MTSP模型，运用遗传算法进行拓扑结构的优化计算，得到优化的MTSP模型；S3、根据优化的MTSP模型，得到最优结构单元数和最优拓扑结构；S4、根据最优拓扑结构，构建汽车尾气热电转换装置。

【技术特征摘要】
1.一种汽车尾气热电转化装置电气拓扑结构的优化方法，其特征在于：它包括以下步骤：S1、测试单个热电模块的输出性能，创建构建汽车尾气热电转换装置中各个热电模块的等效电路模型；S2、将热电模块编码、划分到若干个结构单元内，根据所述的等效电路模型建立扩展MTSP模型，运用遗传算法进行拓扑结构的优化计算，得到优化的MTSP模型；S3、根据优化的MTSP模型，得到最优结构单元数和最优拓扑结构；S4、根据最优拓扑结构，构建汽车尾气热电转换装置。2.根据权利要求1所述的汽车尾气热电转化装置电气拓扑结构的优化方法，其特征在于：所述的S1具体包括：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电压—电流—功率特性曲线；1.3，改变热源温度，重复1.2；1.4，根据所得单个热电模块不同温度下的电压—电流—功率特性曲线，将单个热电模块等价为一个与温差相关的可变电压源串联一个恒定内阻，...

【专利技术属性】
技术研发人员：房伟，谢长君，黄亮，全书海，唐新峰，翟鹏程，张清杰，廖益诚，常晟，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42