CN101701873B

CN101701873B - 一种汽车发动机尾气余热热电转换台架试验装置及控制方法

Info

Publication number: CN101701873B
Application number: CN2009102727471A
Authority: CN
Inventors: 全书海; 全睿; 黄亮; 张清杰; 邓亚东; 唐新峰; 翟鹏程; 苏楚奇; 胡琴; 吴超; 张明利
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2009-11-13
Filing date: 2009-11-13
Publication date: 2012-04-04
Anticipated expiration: 2029-11-13
Also published as: CN101701873A

Abstract

本发明涉及一种汽车发动机尾气余热热电转换台架试验装置及控制方法。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。

Description

一种汽车发动机尾气余热热电转换台架试验装置及控制方法

技术领域

本发明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及控制方法。

背景技术

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℃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Nissan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℃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。

发明内容

本发明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。

为实现上述目的。本发明由汽车发动机单元、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。

本发明还提供一种所述汽车发动机尾气余热热电转换台架试验装置的控制方法，其控制方法是：通过自动或手动控制方式实现智能启动产生尾气余热并进行热传递，采用自适应的恒温度控制方法，保持热电转换模块组冷端和热端一定的温度差进行热电转换，通过调节DC/DC变换器的输出电压和电流实现热电转换效率试验和能量分配最优化研究，其中：

启动前，首先，合上供电开关K1使得汽车发动机单元中的AC/DC转换模块给温度检测单元、单模块巡检单元、主控制单元和装置中相关设备供电以便其进行工作；其次，通过点火钥匙启动汽车发动机转动并驱动同步发电机产生三相交流电；然后，开通自动准同期装置对同步发电机发出的交流电进行调压、调幅、调相和调频，使其与～380V三相市电电网的电压幅值、频率和相角保持尽可能一致，当两者的误差在设定的允许误差范围之内时，通过自动准同期装置的人机交换界面发送指令使汽车发动机单元中的三相隔离刀闸闭合从而实现两种电力并网给室内交流负载及自身相关设备供电；接着，控制汽车发动机的油门开度调节其转速从而将汽车发动机原始排气管排出尾气的温度保持为一定值(低于500℃)，当温度检测单元检测到第一热电转换模块组和第二热电转换模块组中热端梯度温度传感器1A～nA、1B～nB的最大值大于250℃左右时，为了防止热电转换模块被烫坏，主控制单元自动控制三通电磁阀常开输出端关闭同时控制三通电磁阀常闭输出端开通从而直接将尾气排出大气；当温度检测单元检测到温度传感器1A～nA、1B～nB的最大值在230～250℃时，主控制单元控制三通电磁阀常开输出端开通，同时根据第一热电转换模块组和第二热电转换模块组的热端温度每间隔一段时间控制三通电磁阀常闭输出端开通从而将部分高温尾气排出大气；当温度检测单元检测到温度传感器1A～nA、1B～nB的最大值低于230℃时，主控制单元控制三通电磁阀常开输出端开通同时控制三通电磁阀常闭输出端关闭使排出的尾气通入导热管进行热传递；

由于本发明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℃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；本发明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

为了进一步理解本发明，作为说明书一部分的附图指示了本发明的实施例，而所作的说明用于解释本发明的原理。

图1为本发明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为本发明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

本发明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K1、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T1构成。汽车发动机通过传动轴与同步发电机相连并带动其进行发电，自动准同期装置将同步发电机的三相交流电输出端A、B、C与～380V市电电网U、V、W三相进行频率差、相位差和电压差检测并进行调相、调幅、调频控制使两者的频率、电压、相位和相序保持在一定的允许误差范围内，然后通过人机交互界面发送命令控制三相隔离刀闸闭合后实现发动机产生的交流电与～380V三相市电电网并网，～380V三相市电电网的U、V两相交流电一方面与热电转换单元中的循环水泵的供电端相连，另一方面与AC/DC转换模块的输入端相连实现交流直流变换产生+12V直流电，此外，～380V市电电网的U、V、W三相还与室内交流负载相连为其输出功率；AC/DC转换模块的+12V输出端与热电转换单元中的冷却风扇、第一水阀～第四水阀、三通电磁阀、负载开关、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的冷却回路相连，另一方面在开通第一水阀和第二的同时关闭第三水阀和第四水阀，通过管道分别与热电转换单元中上下水套共同的输入端和输出端相连，使冷却装置中的循环水经过旁路管道进入热电转换单元中的冷却回路，将热电转换单元中第一热电转换模块组和第二热电转换模块组的冷端温度保持与汽车发动机90℃左右的冷却水温度一致，这样使得热电转换模块组的冷热端温度差完全由汽车发动机排出的尾气温度决定。汽车发动机的原始排气管出口连接有尾气出口第一温度传感器T1，然后与三通电磁阀的输入端(1)相连，三通电磁阀的常开输出端(2)与导热管的入口相连，三通电磁阀的常闭输出端(3)通过另一旁路管道直接与导热管的出口相连，导热管的出口与消音器相连后直接通向大气，这样可根据尾气的温度值T1的大小选择控制其从三通电磁阀的常开输出端或三通电磁阀常闭输出端排出以保护热电转换单元中热电转换单模块A1_i～Am_i和B1_i～Bm_i免受高温烫坏(其中i＝1～n，n为温度梯度数，m为同一温度梯度下并联的单模块个数)。尾气出口第一温度传感器T1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进行滤波、放大和隔离后送入第一A/D采样模块进行数模转换，作为汽车发动机排出尾气的温度检测信号，当尾气温度值T1大于500℃时主控制单元进行声光报警，并控制三通电磁阀的常开输出端(2)关闭同时控制三通电磁阀的常闭输出端(3)开通，使汽车发动机排出的尾气直接经三通电磁阀的常闭输出端(3)直接排出至导热管的出口处；当尾气温度值T1低于500℃时控制三通电磁阀的常开输出端(2)开通同时控制三通电磁阀常闭输出端关闭，使汽车发动机排出的尾气从三通电磁阀的输入端(1)进然后从三通电磁阀的常开输出端(2)进入导热管的入口，从而供给热电转换单元吸收余热进行热电转换产生直流电能。

热电转换单元(图1)由导热管、第一热电转换模块组A(由热电转换单模块A1_1～Am_n构成)、第二热电转换模块组(由热电转换单模块B1_1～Bm_n构成，m为行数，n为温度梯度数)、上水套、下水套、第一绝缘导热垫片1～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1A～nA、热端梯度温度传感器1B～nB、第三水阀和第四水阀、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2绝缘导热垫片的下表面和第三绝缘导热垫片的上表面分别与导热管的上下表面紧贴接触，导热管的出口与第六温度传感器T6相连，第一热电转换模块组中各单模块A1_1～Am_n的热端沿导热管的入口到出口的温度梯度方向依次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各单模块B1_1～Bm_n的热端沿导热管的入口到出口的温度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表面紧贴接触。第一热电转换模块组(图2)中沿长方体排气管同一温度梯度分布的单模块A1_i～Am_i先并联然后与下一温度梯度分布下并联的单模块A1_i+1～Am_i+1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B1_i～Bm_i先并联然后也与下一温度梯度分布下并联的单模块B1_i+1～Bm_i+1串联(其中i＝1～n，n为温度梯度数，m为同一温度梯度下并联的单模块个数)，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与输出储能单元的输入端相连；另外，第一热电转换模块组中的热电转换单模块A1_i～Am_i的热端与第二绝缘导热垫片的上表面之间依次与热端梯度温度传感器1A～nA的探头相连，第一绝缘导热垫片1的上表面与上水套的下表面之间与冷端第四温度传感器T4探头相连；第二热电转换模块组中的热电转换单模块B1_i～Bm_i的热端与第三绝缘导热垫片的下表面之间依次与热端梯度温度传感器1B～nB的探头相连，第四绝缘导热垫片的上表面与下水套的上表面之间与冷端第五温度传感器T5探头相连(其中，i＝1～n，n为温度梯度数，m为同一温度梯度下并联的单模块个数)。上下水套的共同出口管道连接第二温度传感器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通过管道依次与上下水套的入口循环水第三温度传感器T3、上下水套的入口循环水压力传感器P和上下水套的入口循环水流量传感器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进行滤波、放大和隔离后送入第一A/D采样模块进行数模转换，分别作为上下水套的出口循环水温度、上下水套的入口循环水温度、第一热电转换模块组的冷端温度、第二热电转换模块组的冷端温度、导热管的出口温度和导热管的进口温度检测信号，循环水压力传感器P的输出端与主控制单元的第二信号调理电路的输入端相连，也经过滤波、放大和隔离后送入第三A/D采样模块分别作为上下水套的入口循环水的压力检测信号，循环水流量传感器F的输出端与主控制单元的脉冲捕捉模块相连，通过检测输出的脉冲频率信号计算循环水的流量。

输出储能单元(图1)由输入(第一)电压传感器V1、输出(第二)电压传感器V2、输入(第一)电流传感器A1、DC/DC变换器输出(第二)电流传感器A2、蓄电池组输出(第三)电流传感器A3、保险管F1、防反二极管、负载开关、升降压型DC/DC变换器(buck-boost型)、可调电子负载和蓄电池组及其管理系统构成。输出储能单元的输入端与热电转换单元的输出端相连并与第一电压传感器V1并联，另外其输入端与霍尔第一电流传感器A1串联，其正极通过导线依次与保险管F1、防反二极管和负载开关相连，然后与DC/DC变换器输入端的正极相连，输出储能单元输入端的负极直接与DC/DC变换器输入端的负极相连；升降压型DC/DC变换器的输出端与第二电流传感器A2串联，然后与第二电压传感器V2和蓄电池组及其管理系统并联，最后其输出端与可调电子负载相连；升降压型DC/DC变换器中的DC/DC控制器和蓄电池组的管理系统通过CAN总线与温度检测单元、单模块巡检单元和主控制单元的CAN模块相连进行通信；第一电压传感器V1和第二电压传感器V2、第一电流传感器A1～第三电流传感器A3的输出端与主控制单元的第二信号调理电路的输入端相连，经过滤波、放大和隔离后送入第四A/D采样模块进行数模转换，分别作为输出储能单元的输入电压V₁(即热电转换单元的输出总电压)、升降压型DC/DC变换器的输出电压V₂(即输出储能单元的输出总电压)、热电转换单元的输出总电流A₁、升降压型DC/DC变换器的输出电流A₂和蓄电池组输出电流A₃的检测信号，其中升降压型DC/DC变换器的输出电压V₂和输出电流A₂均受其内部的DC/DC控制器控制，并且在过压、欠压、过流和过热时由于DC/DC控制器的保护作用自动关断输出，通过电路连接方式，可以计算得可调电子负载消耗的功率P＝(A₂+A₃)*V₂，升降压型DC/DC 变换器的输出效率η＝P/(V₁*A₁)＝(A₂+A₃)*V₂/(V₁*A₁)，其中蓄电池放电时A₃为正，充电时A₃为负。

温度检测单元(图3)温度检测单元由第一多路选择开关、第一A/D采样模块、第一微控制器MCU1、第一电源模块、第一CAN模块和第一看门狗电路构成；第一多路选择开关的输入端一方面直接与第一温度传感器T1～第七温度传感器T7的输出端相连，另一方面分别与热电转换单元中第一热电转换模块组和第二热电转换模块组的热端梯度温度传感器1A～nA、1B～nB的输出端相连，第一电源模块的输入端与汽车发动机单元中AC/DC转换模块的+12V输出端相连；第一CAN模块与单模块巡检单元、主控制单元、输出储能单元中的DC/DC变换器、蓄电池组中的管理系统相连进行通信；第一看门狗电路通过I/O口与第一微控制器MCU1相连，当检测到在设定的时间内第一微控制器MCU1未进行“喂狗”操作时实现复位防止温度检测单元程序跑飞。

单模块巡检单元(图4)由差分放大电路1～2n、第二多路选择开关、第二A/D采样模块、第二电源模块、第二微控制器MCU2、第二CAN模块和第二看门狗电路构成；差分放大电路1～2n(图6)的输入端通过导线依次与导热管上方第一绝缘导热垫片和第二绝缘导热垫片之间的单模块A1_i～Am_i、导热管下方第三绝缘导热垫片和第四绝缘导热垫片之间的单模块B1_i～Bm_i(其中i＝1～n-1，n为温度梯度数，m为同一温度梯度下并联的单模块个数)的两端相连，差分放大电路1～2n的输出端经过第二多路选择开关后与第二A/D采样模块相连；第二电源模块的输入端与汽车发动机单元中AC/DC转换模块的+12V输出端相连；第二CAN模块通过CAN总线与温度检测单元、主控制单元、输出储能单元中的DC/DC变换器、蓄电池组的管理系统相连进行通信；第二看门狗电路通过I/O口与第二微控制器MCU2相连，当检测到在设定的时间内第二微控制器MCU2未进行“喂狗”操作时实现复位防止单模块巡检单元程序跑飞。

主控制单元(图5)由第二信号调理电路、第三A/D采样模块、声光报警电路、第一驱动电路和第二驱动电路、PWM输出模块、D/A输出模块、脉冲捕捉模块、I/O控制模块、第三电源模块、第三CAN模块、SCI模块、第三看门狗电路和第三微控制器MCU3构成。第二信号调理电路的输入端与第一电压传感器V1和第二电压传感器V2、第一电流传感器A1～第三电流传感器A3、压力传感器P的输出端相连，其输出端与第三A/D采样模块相连；PWM输出模块的PWM输出信号通过第一驱动电路后与热电转换单元中的冷却风扇转速控制端相连；D/A输出模块的输出端与热电转换单元中的循环水泵转速控制端相连；脉冲捕捉模块与循环水流量传感器F的输出端相连；I/O控制模块一方面直接与声光报警电路相连，在出现欠压、过压、过流、短路和高温等紧急故障情况下驱动其工作进行声光报警提示工作人员进行故障诊断或检修，另一方面通过第二驱动电路控制输出储能单元中可调电子负载的输出功率档位开关、第一水阀～第四水阀、三通电磁阀和负载开关的断开与闭合；第三电源模块的输入端与汽车发动机单元中AC/DC转换模块的+12V输出端相连；第三CAN模块通过CAN总线与温度检测单元、单模块巡检单元、输出储能单元中的DC/DC变换器、蓄电池组管理系统的CAN通信模块相连，接收来自温度检测单元的所有温度信号、单模块巡检单元温度梯度1～n分布下热电转换模块组A和B并联的每组端电压信号、蓄电池组管理系统有关SOC值、电压、电流和温度等信号，还向升降压型DC/DC变换器中的DC/DC控制器发送电压和电流调节命令；SCI模块通过RS485总线与上位机监控界面进行人机交互，实时显示整个热电转换台架试验装置的各种工作状态和故障信息，实现在线监测和故障诊断，此外还接收来自上位机的参数设定信息、手动启动和自动启动的控制命令、各种执行设备(如负载开关、第一水阀～第四水阀、三通电磁阀、冷却风扇和循环水泵、可调电子负载)的开关命令，然后通过PWM输出模块输出占空比可变的PWM信号控制热电转换单元中冷却风扇的转速、通过D/A输出模块输出可变的模块数模转换信号控制热电转换单元中循环水泵的转速从而改变循环水的流量、通过I/O控制模块输出开关量信号控制相关执行器如第一水阀～第四水阀、三通电磁阀、负载开关和可调电子负载的功率档位开关，从而调节整个装置的运行状态以及进行输出储能单元的输出电压和输出电流、热电转换单元的冷端温度、热电转换单元的循环水压力和流量的闭环控制。

差分放大电路(图6)的输入端V+和V-分别和热电转换单元中同一温度梯度分布下并联的单模块A1_i～Am_i和B1_i～Bm_i(其中i＝i～n，n为温度梯度数)的正极和负极相连，经过运算放大器UA和UB后进行电压跟随，然后通过电阻R1和R2分别与运算放大器UC的同相输入端和反相输入端相连，运算放大器UC的输出端与由电阻R5和滤波电容C1构成的RC低通滤波电路相连，其输出信号Vout经过5V的稳压管D1后送入单模块巡检单元的第二多路选择开关，这样既滤除了高频干扰信号又抑制了共模信号，图中R1＝R2，R2＝R4。

第一驱动电路(图7)的输入端信号PWM来自主控制单元第五微处理器MCU5的某个PWM输出引脚，经过光电隔离器件TLP520后经过R7限流后与MOS管D3的栅极相连，当输出PWM信号为高时，冷却风扇供电端为+12V，当输出PWM信号为低时，冷却风扇由于惯性逐渐停止工作，其回路经过续流二极管D2续流，最终其工作电压由PWM信号的占空比决定并与PWM信号的占空比成正比，D4为TVS管用于保护MOS管。

第二驱动电路(图8)的输入端信号Dout为主控制单元第五微处理器MCU5的某个I/O输出引脚经过驱动后的输出信号，当控制Dout为高电平时，继电器线圈得电使触点S1闭合，从而使得从K1和GND两端引出的信号产生12V电压控制相关阀和开关闭合，当控制Dout为低电平时，触点S1断开，线圈通过续流二极管D5续流，相关的阀和开关断电后也通过续流二极管D6续流。

在本发明的实施例中(图9)，启动之前，首先，手动控制供电开关K1闭合，通过～380V三相交流市电的U、V两相经过AC/DC转换模块后给整个装置中的水阀1～4、三通电磁阀、负载开关、冷却风扇、温度检测单元、单模块巡检单元和主控制单元供电，然后，通过点火钥匙启动汽车发动机驱动同步发电机发电，利用自动准同期装置将同步发电机发出的交流电A、B、C三相和～380V市电电网U、V、W三相进行频差、相位差和压差检测，为实现快速电力并网，通过人机交互界面设置发电机的频率f_G与～380V三相市电电网的频率50Hz误差不超过0.2％～0.5％、设置发电机的输出电压U_G和380V的误差不超过5％～10％以及设置发电机的相位角θ_G和～380V市电电网的相位角θ误差尽可能接近为0，通过自动准同期装置对同步发电机进行调压、调幅和调频控制，在计算出相位差和合闸导前时间后，在保证两种电力的频率、电压、相位和相序一致的前提下控制三相隔离刀闸闭合，从而实现同步发电机发出的交流电与～380V三相市电电网并网输出，当实现两种电力并网后，可手动关断～380V三相市电电网使发电机发出的交流电供给AD/DC转换模块输出以及给连接在电网中的室内交流负载供电，通过手动控制室内交流负载的消耗功率同时改变汽车发动机的转速调节排出尾气带走的热量，并将汽车发动机尾气出口温度控制在500℃以下；当温度检测单元检测到热电转换模块组A和B中热端梯度温度传感器1A～nA、1B～nB的最大值大于250℃左右时，为了防止热电转换模块被烫坏，主控制单元自动控制三通电磁阀常开输出端(2)关闭同时控制其常闭输出端(3)开通从而直接将尾气排出大气；当温度检测单元检测到温度传感器1A～nA、1B～nB的最大值在230～250℃时，主控制单元控制三通电磁阀常开输出端(2)开通，同时根据热电转换模块组A和B的热端温度每间隔一段时间控制其常闭输出端(3)开通从而将部分高温尾气排出大气；当温度检测单元检测到温度传感器1A～nA、1B～nB的最大值低于230℃时，主控制单元控制三通电磁阀常开输出端(2)开通同时控制其常闭输出端(3)关闭使排出的尾气通入导热管进行热传递，从而改变热电转换单元中热电转换模块组A和B的热端温度，这样既充分利用了汽车发动机的尾气余热，又保护了热电转换模块。

在本发明的实施例中，选择手动启动时，通过上位机监控界面向主控制单元发送手动控制命令，然后根据操作意图继续通过上位机发送命令选择发动机冷却装置中的冷却水或热电转换单元自身的冷却水实现第一热电转换模块组和第二热电转换模块组的冷端温度控制；当选择汽车发动机冷却装置中的冷却水实现热电转换模块组A和B的冷端温度控制时，主控制单元通过I/O控制模块输出数字量信号自动打开第一水阀和第二水阀，同时关闭第三水阀和第四水阀、循环水泵、冷却风扇使第一热电转换模块组和第二热电转换模块组的冷端温度保持在恒定的90℃左右；当选择热电转换单元自身的冷却水进行冷端温度控制时，通过上位机监控界面给主控制单元发送命令使之通过I/O控制模块输出数字量信号依次启动循环水泵、冷却风扇、设置冷端温度期望值，当单模块的平均输出电压高于2V即输出总电压大于4n(其中，n为温度梯度数)时，通过上位机监控界面给主控制单元发送命令控制负载开关闭合，然后根据可调电子负载的不同功率，结合蓄电池组的SOC值设置DC/DC变换器输出的目标电压或目标电流值进行能量分配与管理。

在本发明的实施例中，选择自动启动时，直接通过上位机监控界面给主控制单元发送启动命令，此时主控制单元默认为选择汽车发动机冷却装置中的冷却水实现第一热电转换模块组和第二热电转换模块组的冷端温度控制，当单模块的平均输出电压高于2V即输出总电压大于4n(其中，n为温度梯度数)时，主控制单元通过I/O控制模块输出数字量信号自动控制负载开关闭合使热电转换单元开始对输出储能单元进行输出。

在本发明的实施例中，启动完成后，当各种过程参数正常时，工作人员可以根据自己的操作意图通过上位机监控界面给上位机发送控制命令调节各个执行设备的工作状态；当相关过程参数偏离设定的安全区间时，主控制单元通过SCI模块自动向上位机监控界面发送报警信息；当相关过程参数(如温度、电压、电流等)长时间偏离设定的安全区间且不能迅速有效恢复时，主控制单元通过I/O控制模块输出数字量信号自动断开负载开关、关闭三通电磁阀的常开输出端(2)同时打开三通电磁阀常闭输出端(3)、驱动声光报警电路工作进行报警提示，另外通过SCI模块向上位机发送相关故障码提醒工作人员检修；当主控制单元失效时，通过手动方式强制断开供电开关K1、三相隔离刀闸、负载开关、三通电磁阀的供电端进行保护。

在本发明的实施例中(图10)，启动成功后，输出储能单元在主控制单元的控制作用下，根据热电转换单元中第一热电转换模块组和第二热电转换模块组在不同的冷热端温度差条件下的输出能力P_i、可调电子负载的功率P_load和蓄电池组的SOC值进行如下几种情况的能量管理策略：

(1)当P_i＞P_load时，若蓄电池组的SOC低于0.4，主控制单元通过第四CAN模块接收来自蓄电池组管理系统的蓄电池端电压U_bat信息，然后向DC/DC变换器中的DC/DC控制器发送升压控制命令将DC/DC变换器的输出电压调节为U_Charge直至U_Charge≥U_bat+2，一方面给其充电直至SOC达到0.8，另一方面给可调电子负载供电。

(2)当P_i＞P_load时，若蓄电池组的SOC在0.4和0.8之间，主控制单元通过第四CAN模块发送电压控制命令将DC/DC变换器的输出电压与蓄电池组的端电压调节为一致，使可调电子负载的功率由热电转换单元和蓄电池组共同承担，这时操作人员通过上位机发送命令适当降低冷却风扇或循环水泵的转速，或通过手动方式减少油门的开度降低汽车发动机的转速从而减小热电转换模块组A和B的冷热端温差，从而适当减小其输出能力P_i直到略高于可调电子负载的功率P_load从而提高其能量利用率。

(3)当P_i＞P_load时，若蓄电池组的SOC高于0.8，主控制单元通过第四CAN模块发送降压控制命令调节DC/DC变换器的输出电压U_Charge略低于蓄电池组的端电压U_bat，使蓄电池组单独为负载供电直到其端电压U_bat最后降低到与DC/DC变换器的输出电压U_Charge一致，最终使热电转换单元和蓄电池组共同给可调电子负载供电。

(4)当P_i＜P_load时，若蓄电池组的SOC低于0.4，主控制单元通过第四CAN模块发送电压控制命令将DC/DC变换器的输出电压U_Charge与蓄电池组的端电压U_bat调节为一致，此时，若主控制单元未收到来自上位机的冷端温度设定信息，则通过PWM输出模块和D/A输出模块自动将冷却风扇和循环水泵的转速调至最大，使冷端温度保持最低从而提高第一热电转换模块组和第二热电转换模块组的冷热端温度差，另外，操作人员可以通过增大油门踏板的开度提高汽车发动机的转速从而提高热端温度形成更大的温度差，从而提高热电转换单元的输出能力P_i使其大于P_load，然后主控制单元向DC/DC变换器中的DC/DC控制器发送升压控制命令将DC/DC变换器的输出电压调节为U_Charge直至U_Charge≥U_bat+2。

(5)当P_i＜P_load时，若蓄电池组的SOC在0.4和0.8之间，主控制单元通过第四CAN模块发送电压控制命令将DC/DC变换器的输出电压U_Charge与蓄电池组的端电压U_bat调节为一致，使可调电子负载的功率P_load由热电转换单元和蓄电池组共同承担，然后操作人员可以通过手动方式增大油门踏板的开度提高汽车发动机的转速，或通过上位机发送命令增大冷却风扇和循环水泵的转速从而提高冷热端温度差，使热电转换单元的输出能力足够提供可调电子负载的功率。

(6)当P_i＜P_load时，若蓄电池组的SOC高于0.8，主控制单元通过第四CAN模块发送电压控制命令适当降低DC/DC变换器的输出电压U_Charge，使可调电子负载的全部功率P_i由蓄电池组承担直至其SOC值降为0.8左右，然后可以通过手动方式增大油门踏板的开度提高汽车发动机的转速，或通过上位机设定冷却风扇和循环水泵的给定转速从而提高冷热端温度差，使热电转换单元的输出能力P_i略大于可调电子负载的功率P_i。

在本发明的实施例中，热电转换单元在模拟汽车发动机冷却环境进行热电转换时，主控制单元通过I/O控制模块输出数字量信号控制第一水阀和第二水阀开通的同时关闭第三水阀和第四水阀，从而选择汽车发动机冷却装置中的冷却水使第一热电转换模块组和第二热电转换模块组的冷端温度保持在90℃左右；当研究热电转换模块组在不同温度差的输出特性和热电转换效率时，主控制单元通过I/O控制模块输出数字量信号控制第三水阀和第四水阀开通的同时关闭第一水阀和第二水阀选择水箱中的冷却水回路，采用基于PID调节器的热电转换模块组冷端温度控制(图11)，结合热电转换单元中各个温度梯度的热端温度值，考虑到在特定输出功率下热电转换效率最高时的温度差ΔT_opt，从上位机输入给定热电转换模块组冷端温度T_i，T_i与第一热电转换模块组和第二热电转换模块组的冷端温度传感器T4的输出值进行比较，得到温度偏差ΔT，通过PID调节器整定比例P、积分I和微分参数，一方面可在将循环水泵的转速控制在一个固定值后，改变PWM输出信号的占空比σ控制冷却风扇的转速进行冷端温度的控制，另一方面可在控制PWM输出信号占空比σ的同时，利用D/A输出模块输出的数模转换信号控制循环水泵的转速，从而改变循环水流量的同时调节散热量调节冷端温度，将不同温度梯度下的热电转换模块其冷端和热端保持一定的温度差。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本专业领域技术人员公知的现有技术。

Claims

1.一种汽车发动机尾气余热热电转换台架试验装置的控制方法，所述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，所述热电转换单元包括第一热电转换模块组和第二热电转换模块组，所述输出储能单元包括DC/DC变换器、可调电子负载和蓄电池组，其特征在于：所述试验装置启动成功后，根据热电转换单元中第一热电转换模块组和第二热电转换模块组的输出能力、可调电子负载的功率和蓄电池组的SOC值进行如下几种情况的能量管理策略：

当热电转换单元中第一热电转换模块组和第二热电转换模块组的输出能力大于可调电子负载的功率时，若蓄电池组的SOC值低于0.4，主控制单元发送升压控制命令将DC/DC变换器的输出电压调节为略高于蓄电池组的电压2V左右，一方面给其充电直至蓄电池组的SOC值达到0.8，另一方面给可调电子负载供电；

当热电转换单元中第一热电转换模块组和第二热电转换模块组的输出能力大于可调电子负载的功率时，若蓄电池组的SOC值在0.4和0.8之间，主控制单元发送电压控制命令将DC/DC变换器的输出电压与蓄电池组的端电压调节为一致，使可调电子负载的功率由热电转换单元和蓄电池组共同承担，这时操作人员通过上位机发送命令适当降低冷却风扇或循环水泵的转速，或通过减少油门的开度降低汽车发动机的转速从而减小第一热电转换模块组和第二热电转换模块组的冷热端温差，适当减小其输出能力直到足够提供可调电子负载的功率从而提高其能量利用率；

当热电转换单元中第一热电转换模块组和第二热电转换模块组的输出能力大于可调电子负载的功率时，若蓄电池组的SOC值高于0.8，主控制单元发送降压控制命令调节DC/DC变换器的输出电压值略低于蓄电池组的端电压，使蓄电池组单独为负载供电直到电压值最后降低到与DC/DC变换器的输出电压值一致，最终使热电转换单元和蓄电池组共同给可调电子负载供电；

当热电转换单元中第一热电转换模块组和第二热电转换模块组的输出能力小于可调电子负载的功率时，若蓄电池组的SOC值低于0.4，主控制单元发送电压控制命令将DC/DC变换器的输出电压与蓄电池组的端电压调节为一致，此时，若主控制单元未收到来自上位机的冷端温度设定信息，则自动将冷却风扇和循环水泵的转速调至最大，使冷端温度保持最低从而提高第一热电转换模块组和第二热电转换模块组的冷热端温度差，另外，操作人员可以通过增大油门踏板的开度提高汽车发动机的转速从而提高热端温度形成更大的温度差，从而提高热电转换时的输出能力；

当热电转换单元中第一热电转换模块组和第二热电转换模块组的输出能力小于可调电子负载的功率时，若蓄电池组的SOC值在0.4和0.8之间，主控制单元发送电压控制命令将DC/DC变换器的输出电压与蓄电池组的端电压调节为一致，使可调电子负载的功率由热电转换单元和蓄电池组共同承担，然后操作人员可以通过增大油门踏板的开度提高汽车发动机的转速，或通过上位机发送命令增大冷却风扇和循环水泵的转速从而提高冷热端温度差，使热电转换单元的输出能力足够提供可调电子负载的功率；

当热电转换单元中第一热电转换模块组和第二热电转换模块组的输出能力小于可调电子负载的功率时，若蓄电池组的SOC值高于0.8，主控制单元适当降低DC/DC变换器的输出电压，使可调电子负载的全部功率由蓄电池组承担直至其蓄电池组的SOC值降为0.8左右，然后可以通过增大油门踏板的开度提高汽车发动机的转速，或通过上位机给定冷却风扇和循环水泵的转速从而提高冷热端温度差，使热电转换单元的输出能力略大于可调电子负载的功率。