一种汽车发动机尾气余热热电转换台架试验装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术涉及一种汽车发动机尾气余热热电转换台架试验装置。包括：汽车发动机单元、热电转换单元、输出储能单元、温度检测单元、单模块巡检单元、主控制单元，其特点是：汽车发动机单元利用汽车发动机驱动发电机发电与三相市电并网并排出高温尾气；热电转换单元吸收尾气的余热进行热电转换产生直流电能；输出储能单元将产生的直流电能进行电压变换供给负载或加以储存；温度检测单元检测各个单元中的所有温度信息；单模块巡检单元检测各温度梯度下并联的热电转换模块的端电压；主控制单元检测输出电压和电流等参数，发送控制信息并对能量进行综合管理。该装置可模拟车载运行环境，适合汽车发动机尾气余热热电转换的试验与研究。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于一种热电转换装置及控制方法，具体而言，是一种汽车发动机尾 气余热热电转换台架试验装置。
技术介绍
近年来由于在技术上热电材料性能的不断提升，以及环保议题上温室效应和二氧 化碳减排等因素，利用热电转换技术，进一步将大量废热回收转为电能的方式，普遍得到 日、美、欧等先进国家的重视。低温余热、特别是300°C以下的废热再利用，增加了热电发电 的竞争力，一些新兴应用研究诸如垃圾焚烧余热、炼钢厂的余热、特别是利用汽车发动机尾 气的余热进行发电，为汽车提供辅助电源的研究也正在进行，并且已有部分研究成果在国 外投入初步的实际应用。相关研究和计算表明，传统内燃机汽车其发动机在实际运行中产 生的能量约有60%以热量的方式丢失，这些热量大多通过尾气排出，直接导致了汽车发动 机效率和燃油利用率明显偏低，国外在车辆排气发电方面，以Mssan公司研发最为积极， 利用占总废热约30%的排气热能发电提供发动机辅助电源，每台车约能有200W的电力回 充电瓶，据统计可减少5%的燃油支出，这无疑为其今后商品化乃至产业化指明了方向。国 内关于这方面的研究目前大多处于实验室初步阶段，类似成熟的产品或装置少见报道，因 此，若基于热电转换特性将这部分废热加以充分利用给车载相关弱电设备供电，在节约能 源的同时可以提高汽车发动机的效率和燃油利用率，从长远意义上看具有很好的经济效益 和广阔的市场前景。目前已有的汽车发动机尾气余热热电转换装置大多利用发动机自身冷却系统中 90°C左右的冷却水保持热电转换模块的冷端温度不变产生电能，由于冷端温度较高且不可 调节特别是在发动机转速较低时冷热端温差较小，使得热电转换效率和能量利用率不高， 输出功率大多为500W以下，这样造成带负载能力明显不足，因此常常需要外挂大容量的蓄 电池给车载设备供电，这样投入汽车使用后成本回收周期太长(按节省5%的燃油支出计 算至少需要4年)。另外，对热电转换单模块在不同温度差情况下的端电压和内阻缺乏有 效的监测和控制，使得热电转换模块的使用寿命、可靠性和安全性都大打折扣，维护成本过 高，这些综合因素严重阻碍了其未来的市场化和产业化。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种通过改变电网上的室内交流负载功率和发动机 的转速模拟汽车运行工况的热电转换台架试验装置，通过控制发动机的转速、热电转换模 块组的冷端温度以及能量分配，分析与研究汽车发动机用热电转换模块的热电转换效率、 输出特性与冷热端温度差的变化规律以及单模块的衰减特性等，找出不同热冷端温度差条 件下的最优工作区和给定输出功率条件下的最优冷端温度区，控制策略和方法可直接用于 大功率汽车发动机尾气余热热电转换装置中，具有高效节能、安全性高、可靠性强、输出能 力大的优点，以克服上述的不足。6为实现上述目的。本技术由汽车发动机单元、热电转换单元、输出储能单元、 温度检测单元、单模块巡检单元、主控制单元构成，其特点是汽车发动机单元通过汽车发动机驱动同步发电机发电，利用自动准同期装置对 同步发动机进行调压、调频以及合闸控制实现与三相市电电网相连，同时排出高温尾气与 热电转换单元进行热传递；热电转换单元利用热电转换模块组吸收导热管中尾气的余热，通过控制循环水 的温度使其冷端和热端保持一定温度差产生直流电能；输出储能单元将产生的直流电能进行降压变换给可调电子负载供电，当蓄电池 组的SOC不足时为其充电进行储能；温度检测单元利用温度传感器检测汽车发动机原始排气管的出口温度以及热 电转换单元中热电转换模块组的冷热端温度和上下水套的进出口水温，与主控制单元进行 CAN通信实现数据传输；单模块巡检单元检测同一温度梯度下并联的每组热电转换模块的端电压，结合 冷热端温度差和输出功率研究热电转换单元的内阻和转换效率等特性，与主控制单元进行 CAN通信实现数据传输；主控制单元检测热电转换单元的循环水压力和流量、输出储能单元的相关电压 和电流，接收上位机的控制命令并对相关执行机构发送控制信息，调节相关过程参数并对 能量流进行综合管理。由于本技术采用了两套冷却方式，既可以实现目前以现有的汽车发动机自身 冷却装置中的冷却水控制热电转换模块冷端温度为恒定值80 90°C实现热电转换，又可 以采用另外设计的冷却回路任意控制热电转换模块冷端温度从而研究不同冷热端温差下 热电转换特性及其效率；利用发动机带动发电机发电供给室内交流负载及其内部消耗，既 可以通过调节发动机的输出功率从而改变排出尾气的温度进行试验，又避免了其它类似试 验台架装置通过带动测功机以热量方式将汽车发动机的机械能白白浪费的不足，从而节约 了能源；采用汽车发动机驱动电动机发电对外输出，在调节尾气带走热量的同时又可以模 拟汽车传动系统的工作情况，从而使台架试验的研究成果和结论可以直接应用到今后的车 载系统中；采用基于PID调节器的风扇转速和循环水流量的控制策略，保证了热电转换模 块组冷端温度控制的精准和稳定；采用单模块巡检单元对各个温度梯度中在不同冷热端温 度差条件下热电转换单模块的输出端电压进行实时监控，并对其输出特性进行研究，有助 于在每一种给定输出功率条件下找到最佳冷端温度工作区从而降低热电转换模块的内阻、 提高其热电转换效率并延长其使用寿命；本技术突破了传统汽车发动机上的热电转 换产品或试验装置输出功率过低带负载能力不足的缺陷，使热电转换模块的输出功率达到 500-1000瓦。该装置水温控制精准、稳定，尾气余热利用率高，监控参数齐全，易于操作，适 合于各种基于汽车发动机尾气余热热电转换的试验，也可以将汽车发动机的传动轴与车身 传动系统相连，进行部分改造后直接将其装车投入使用实现商品化。附图说明为了进一步理解本技术，作为说明书一部分的附图指示了本技术的实施 例，而所作的说明用于解释本技术的原理。图1为本技术的整体结构原理框图。图2为热电转换模块的连接结构与端电压检测示意图。图3为温度检测单元的结构原理框图。图4为单模块巡检单元的结构原理框图。图5为主控制单元的结构原理框图。图6为单模块巡检单元的差分放大电路原理图。图7为第一驱动电路的电路原理图。图8为第二驱动电路的电路原理图。图9为启动过程的控制流程图。图10为能量流管理的控制策略图。图11为本技术PID调节器第一热电转换模块组和第二热电转换模块组冷端 恒温度控制原理框图。具体实施方式本技术的主体部分由汽车发动机单元、热电转换单元、输出储能单元、温度检 测单元、单模块巡检单元、主控制单元构成(图1)；其中汽车发动机单元利用汽车发动机 驱动发电机发电与三相市电并网，并排出高温尾气；热电转换单元吸收排气管中尾气的余 热进行热电转换产生直流电能；输出储能单元将产生的直流电能进行电压变换供给负载或 加以储存；温度检测单元检测各个单元中的所有温度信息；单模块巡检单元检测各温度梯 度下并联的热电转换模块的端电压；主控制单元检测输出电压和电流等参数，发送控制信 息并对能量进行综合管理。汽车发动机单元(图1)由汽车发动机、冷却装置、第一水阀和第二水阀、同步发电 机、自动准同期装置、三相隔离刀闸、供电开关Kl、AC/DC转换模块、三通电磁阀、发动机尾 气出口第一温度传感器Tl构成。汽车发动机通过传动轴与同步本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种汽车发动机尾气余热热电转换台架试验装置，由汽车发动机单元、热电转换单元、输出储能单元、温度检测单元、单模块巡检单元、主控制单元构成，其特点是：汽车发动机单元：通过汽车发动机驱动同步发电机发电，利用自动准同期装置对同步发动机进行调压、调频以及合闸控制实现与三相市电电网相连，同时排出高温尾气与热电转换单元进行热传递；热电转换单元：利用热电转换模块组吸收导热管中尾气的余热，通过控制循环水的温度使其冷端和热端保持一定温度差产生直流电能；输出储能单元：将产生的直流电能进行降压变换给可调电子负载供电，当蓄电池组的ＳＯＣ不足时为其充电进行储能；温度检测单元：利用温度传感器检测汽车发动机原始排气管的出口温度以及热电转换单元中热电转换模块组的冷热端温度和上下水套的进出口水温，与主控制单元进行ＣＡＮ通信实现数据传输；单模块巡检单元：检测同一温度梯度下并联的每组热电转换模块的端电压，结合冷热端温度差和输出功率研究热电转换单元的内阻和转换效率等特性，与主控制单元进行ＣＡＮ通信实现数据传输；主控制单元：检测热电转换单元的循环水压力和流量、输出储能单元的相关电压和电流，接收上位机的控制命令并对相关执行机构发送控制信息，调节相关过程参数并对能量流进行综合管理。...

【技术特征摘要】
一种汽车发动机尾气余热热电转换台架试验装置，由汽车发动机单元、热电转换单元、输出储能单元、温度检测单元、单模块巡检单元、主控制单元构成，其特点是汽车发动机单元通过汽车发动机驱动同步发电机发电，利用自动准同期装置对同步发动机进行调压、调频以及合闸控制实现与三相市电电网相连，同时排出高温尾气与热电转换单元进行热传递；热电转换单元利用热电转换模块组吸收导热管中尾气的余热，通过控制循环水的温度使其冷端和热端保持一定温度差产生直流电能；输出储能单元将产生的直流电能进行降压变换给可调电子负载供电，当蓄电池组的SOC不足时为其充电进行储能；温度检测单元利用温度传感器检测汽车发动机原始排气管的出口温度以及热电转换单元中热电转换模块组的冷热端温度和上下水套的进出口水温，与主控制单元进行CAN通信实现数据传输；单模块巡检单元检测同一温度梯度下并联的每组热电转换模块的端电压，结合冷热端温度差和输出功率研究热电转换单元的内阻和转换效率等特性，与主控制单元进行CAN通信实现数据传输；主控制单元检测热电转换单元的循环水压力和流量、输出储能单元的相关电压和电流，接收上位机的控制命令并对相关执行机构发送控制信息，调节相关过程参数并对能量流进行综合管理。2.如权利要求1所述的一种汽车发动机尾气余热热电转换台架试验装置，其特征在 于汽车发动机单元由汽车发动机、冷却装置、第一水阀和第二水阀、同步发电机、自动准同 期装置、三相隔离刀闸、供电开关Kl、AC/DC转换模块、三通电磁阀、发动机尾气出口第一温 度传感器Tl构成；汽车发动机通过传动轴与发电机相连驱动其进行发电，自动准同期装置 将发电机的三相交流输出端A、B、C进行调压、调幅和调频控制使之与三相市电电网的频 率、相位、幅值和相序保持一致，当调节后的误差满足设定的误差允许条件后，通过控制三 相隔离刀闸闭合实现与三相市电电网相连，三相市电电网一方面与室内交流负载和热电转 换单元中的循环水泵的供电端相连，另一方面通过供电开关Kl后与AC/DC转换模块的输入 端相连，AC/DC转换模块的+12V输出端与热电转换单元中的冷却风扇、各种阀和开关、温度 检测单元、单模块巡检单元和主控制单元的供电端相连为其供电；冷却装置一方面通过管 道与汽车发动机自身的冷却回路相连，另一方面经过第一水阀和第二水阀后通过旁路管道 分别与热电转换单元中上下水套的输入端和输出端相连；汽车发动机的原始排气管的尾气 出口与第一温度传感器Tl相连，然后与三通电磁阀的输入端相连，三通电磁阀的常开输出 端与导热管的入口相连，三通电磁阀的常闭输出端通过管道直接与导热管的出口相连；第 一温度传感器Tl的输出端与温度检测单元中的第一多路选择开关的输入端相连，经过第 一信号调理电路后送入第一 A/D采样模块，作为汽车发动机尾气的温度检测信号对三通电 磁阀和热电转换模块进行热保护防止烧坏。3.如权利要求1所述的一种汽车发动机尾气余热热电转换台架试验装置，其特征 在于热电转换单元由导热管、第一热电转换模块组、第二热电转换模块组、上水套、下水 套、第一绝缘导热垫片 第四绝缘导热垫片、压力传感器P、流量传感器F、第二温度传感器 T2 第七温度传感器T7、热端梯度温度传感器IA nA、热端梯度温度传感器IB ηΒ、第三水阀和第四、冷却风扇、水箱、循环水泵、消音器以及相关导线和管道构成；导热管的入口与 第七温度传感器T7相连，第二绝缘导热垫片和第三绝缘导热垫片分别与导热管上下表面 紧贴接触相连，导热管的出口与第六温度传感器T6相连然后与消音器相连进行降噪直接 将尾气通向大气；第一热电转换模块组中的每个单模块的热端沿导热管的入口到出口方向 与第二绝缘导热垫片的上表面紧贴接触，其冷端与第一绝缘导热垫片的下表面紧贴接触， 第一绝缘导热垫片的上表面与上水套的底部紧贴接触；第二热电转换模块组中的每个单 模块的热端沿导热管的入口到出口方向与第三绝缘导热垫片的下表面紧贴接触，其冷端与 第四绝缘导热垫片的上表面紧贴接触，第四绝缘导热垫片的下表面与下水套的顶部紧贴接 触；第一热电转换模块组中沿长方体排气管同一温度梯度分布的单模块先并联然后与下一 温度梯度分布下并联的单模块串联，第二热电转换模块组中沿长方体排气管同一温度梯度 分布的单模块先并联然后与下一温度梯度分布下并联的单模块串联，最后第一热电转换模 块组和第二热电转换模块组的输出端进行串联作为热电转换单元直流电能的总输出端；第 一热电转换模块组中的热电转换单模块的热端与第二绝缘导热垫片的上表面之间分别与 热端梯度温度传感器的探头相连，第一绝缘导热垫片的上表面与上水套的下表面之间与 第四温度传感器T4的探头相连；第二热电转换模块组中的热电转换单模块的热端与第二 绝缘导热垫片的上表面之间分别与热端梯度温度传感器的探头相连，第四绝缘导热垫片的 下表面与下水套的上表面之间与第五温度传感器T5的探头相连；上下水套的共同出口管 道连接有第二温度传感器T2，然后与第二水阀和第三水阀的入口相连；第三水阀的出口经 过冷却风扇后通过管道依次与水箱和循环水泵的入口相连；循环水泵的出口与第四水阀的 入口相连，第四水阀的出口和第一水阀的出口汇合后依次与第三温度传感器T3、压力传感 器P和流量传感器F相连，然后和上下水套的共同入口相连；第二温度传感器T2 第七温 度传感器T7的输出端与温度检测单元的第一多路选择开关的输入端相连，经过第一信号 调理电路后送入第一 A/D采样模块，分别作为上下水套的出口温度、上下水套的进口温度、 第一热电转换模块组和第二热电转换模块组的冷端温度、导热管...

【专利技术属性】
技术研发人员：全书海，全睿，黄亮，张清杰，邓亚东，唐新峰，翟鹏程，苏楚奇，胡漾，熊竟涛，杨柳春，王月，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：实用新型
国别省市：83[]