CN101795011B - 基于发动机废热热电发电的弱混合动力系统 - Google Patents

基于发动机废热热电发电的弱混合动力系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于发动机废热热电发电的弱混合动力系统，它包括起动/发电一体化的电机、车载蓄电池，电机的电流输入/输出端与车载蓄电池连接，其特征在于：它还包括发动机排气废热温差发电装置、控制系统，发动机排气废热温差发电装置的电流输出端与车载蓄电池连接。本发明弱混合动力系统可利用汽车发动机排气废热发电，为汽车起动、电器和空调等用电设备提供电能，减少燃油损耗，实现节能环保。

Description

基于发动机废热热电发电的弱混合动力系统
技术领域
本发明涉及汽车，特别是汽车上的动力系统。
背景技术
当前，世界汽车工业可持续发展所面临的两大难题是环境污染与石油资源匮乏。随着各国排放法规日趋严格，环保和节能成为21世纪汽车技术发展的重要方向。混合动力汽车由于具有低排放、低油耗的特点，成为新一代节能环保车辆。
混合动力车辆中发动机的汽油燃烧产生的能量中只有25％用于汽车行驶及附件，其余能量消耗于摩擦、冷却水及尾气，其中尾气排放所带走的能量约为燃料燃烧产生能量的40％。若将这部分燃烧废热回收利用，也将极大提高燃油经济性，降低排放污染。
混合动力车辆中起动/发电一体化(ISG-Integrated Started Generator)系统用一个电机代替发动机上传统的起动机和发电机，具有起动和发电两种基本功能。该系统可以使发动机结构更紧凑，能实现车辆快速起停、高效发电、辅助动力、减速和制动时能量回收等功能，甚至辅助车辆行走。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于发动机废热热电发电的弱混合动力系统，该系统可利用汽车发动机排气废热发电，为汽车起动、电器和空调等用电设备提供电能，减少燃油损耗，实现节能环保。
本发明为解决上述提出的问题所采用解决方案为：
基于发动机废热热电发电的弱混合动力系统，它包括起动/发电一体化的电机、车载蓄电池，电机的电流输入/输出端与车载蓄电池连接，其特征在于：它还包括发动机排气废热温差发电装置、控制系统，发动机排气废热温差发电装置的电流输出端与车载蓄电池连接；
所述控制系统根据发动机排气废热温差发电装置输出电压、车载蓄电池的输出电压和驾驶员指令控制车载蓄电池输入或输出，根据车载蓄电池的输出电压和驾驶员指令控制电机的输出动力或输出电流或不工作；
发动机排气废热温差发电装置包括尾气通道、热电模块和循环水冷系统，尾气通道进气口与发动机排气管联通，尾气通道排气口与汽车排气管联通，热电模块的高温端紧贴在尾气通道的外壁上，热电模块的低温端与循环水冷系统的水冷管接触；
发动机排气废热温差发电装置还包括三通阀和连接管，三通阀分别与发动机排气管、尾气通道进气口、连接管联通，连接管与汽车排气管联通；
所述三通阀为三通电磁阀，三通电磁阀通过电控单元，根据热电模块高温端的允许温度值控制输送到尾气通道的废气量；当废气量小、温度较低时，废热全部通过阀门流入尾气通道；当废气量大，且温度升高，三通阀分流部分废热。
上述方案中，所述的弱混合动力系统还包括DC/DC变换器，发动机排气废热温差发电装置的电流输出端通过DC/DC变换器与车载蓄电池连接，DC/DC变换器输出电压大小由控制系统控制。
上述方案中，循环水冷系统包括用于驱动冷却水循环的循环水泵、用于为冷却水降温的冷却风扇；控制系统包括温度控制单元，温度控制单元根据冷却水的温度控制循环水泵和冷却风扇的转速。
上述方案中，热电模块与尾气通道之间设有陶瓷片或导热绝缘布。
上述方案中，热电模块与水冷管之间设有陶瓷片或导热绝缘布。
本发明的优点在于：
1、本发明系统为一个将汽车排气废热转化为电能，通过控制系统实现电参数的收集与整理，形成一个可控的车载电源系统，并与一体化起动与发电(ISG)系统构成一个弱混合动力系统。该系统结构紧凑、机电一体化、能量利用率高等特点，可应用于各类内燃机驱动的车辆，实现节能环保。
2、控制系统控制可根据需要控制DC/DC变换器，使得输出电压变换为36V、24V或12V，从而将发动机排气废热温差发电装置产生的电能存储至车载蓄电池或直接向负载输出。
3、通过热电模块，将发动机排气废热转换成电能，提高车辆燃油经济性，节能环保。
4、控制单元可通过控制循环水泵和冷却风扇，方便地控制水冷系统。
5、发动机排气废热温差发电装置包括三通阀，三通阀分别与发动机排气管、连接管、汽车后部排气管联通，当废气量大，且温度升高，可以通过控制三通阀，分流部分尾气和余热，以避免温度过高而损坏热电模块。
6、热电模块与尾气通道之间、热电模块与水冷管之间均设有陶瓷片或导热绝缘布，能起到绝缘导热和保护热电模块的作用。
附图说明
图1为本发明系统实施例的结构框图
图2为发动机排气废热温差发电装置的结构框图
图3为发动机排气废热温差发电装置的结构示意图
图4为热电模块之间的连接关系图
具体实施方式
如图1所示的本发明弱混合动力系统实施例，它包括起动/发电一体化的电机、发动机排气废热温差发电装置、36V车载蓄电池、控制系统、DC/DC变换器。电机的电流输入/输出端与车载蓄电池连接。发动机排气废热温差发电装置发出的电能经DC/DC变换器变换为36V(24V、12V)的电源后输至车载蓄电池，供车载用电设备使用。所述控制系统根据发动机排气废热温差发电装置输出电压、车载蓄电池的输出电压和驾驶员指令控制车载蓄电池输入或输出，根据车载蓄电池的输出电压和驾驶员指令控制电机的输出动力或输出电流或不工作。控制系统包括热电模块单电压检测单元、温度控制单元、蓄电池管理单元以及综合管理与控制单元。
如图1、2、3所示，发动机排气废热温差发电装置包括尾气通道3、上下两层热电模块2和循环水冷系统，尾气通道进气口5与发动机排气管联通，尾气通道排气口1与汽车排气管联通，上下两层热电模块2的高温端分别紧贴在尾气通道3上侧和下侧的外壁上，热电模块2的低温端与循环水冷系统的水冷管4接触，水冷通过冷却水入口6进入水冷管，热水从水冷管出水口排出。热电模块组2的连接方式如图4所示。热电模块与尾气通道之间设有陶瓷片(或导热绝缘布)，热电模块与水冷管之间设有陶瓷片(或导热绝缘布)。
如图2所示，发动机排气废热温差发电装置还包括三通阀和连接管，三通阀分别与发动机排气管、尾气通道进气口、连接管联通，连接管与汽车排气管联通。三通阀为三通电磁阀，三通电磁阀通过电控单元(ECU)，根据热电模块高温端的允许温度值控制输送到尾气通道的废气量。当废气量小、温度较低时，阀门B关闭，废热全部通过阀门A流入尾气通道；当废气量大，且温度升高，阀门B打开，分流部分废热，以避免热电模块(温差发电热电堆)的热端温度过高而损坏热电模块，达到通过控制废气流量来控制热电模块高温端温度的目的。
循环水冷系统包括用于驱动冷却水循环的循环水泵、用于为冷却水降温的冷却风扇；控制系统包括温度控制单元，温度控制单元根据冷却水的温度控制循环水泵和冷却风扇的转速。
综合管理与控制单元是基于DSP2812数字处理器和以太网或CAN总线的车载多能源控制系统，为热电模块单电压监测单元、温度控制单元、蓄电池管理单元的上层控制器，其输入接口为热电模块组的电压、电流信号，温度场的温度信号，电池组的电压、电流及SOC，车辆状况(发动机等)等多信号；输出接口为电机控制信号。综合管理与控制单元将根据车载热电系统的配置参数、车辆控制策略以及车辆行驶工况，实现车辆能源与动力管理和混合动力驱动。所述控制系统根据发动机排气废热温差发电装置输出电压、车载蓄电池的输出电压和驾驶员指令控制车载蓄电池输入或输出，根据车载蓄电池的输出电压和驾驶员指令控制电机的输出动力(电动机)或输出电流(如再生制动发电)或不工作。
温度控制单元由热电偶传感器及温度控制ECU组成，可以监测热电模块高、低温端的温度，控制循环水泵和冷却风扇工作。温度控制单元控制水冷系统，保持热电模块低温端温度的稳定。热电模块电压检测单元由电压监测和控制ECU组成，与排气管三通电磁阀电控单元(ECU)一起，能保持热电模块高温端温度的稳定，以提高热电模块的热电转化效率。
本发明弱混合动力系统实施例将发动机排气废热温差发电装置输出的电能储存至36V蓄电池，可以为车载用电设备提供所需的大容量电能。蓄电池连接有负载(如发动机启动电动机或行走电机等)，与ISG系统构成一个弱混合动力驱动系统，该系统具有功能集成度高、结构紧凑、机电一体化、能量利用率高等特点。

Claims (5)

1.基于发动机废热热电发电的弱混合动力系统，它包括起动/发电一体化的电机、车载蓄电池，电机的电流输入/输出端与车载蓄电池连接，其特征在于：它还包括发动机排气废热温差发电装置、控制系统，发动机排气废热温差发电装置的电流输出端与车载蓄电池连接；
所述控制系统根据发动机排气废热温差发电装置输出电压、车载蓄电池的输出电压和驾驶员指令控制车载蓄电池输入或输出，根据车载蓄电池的输出电压和驾驶员指令控制电机的输出动力或输出电流或不工作；
发动机排气废热温差发电装置包括尾气通道、热电模块和循环水冷系统，尾气通道进气口与发动机排气管联通，尾气通道排气口与汽车排气管联通，热电模块的高温端紧贴在尾气通道的外壁上，热电模块的低温端与循环水冷系统的水冷管接触；
发动机排气废热温差发电装置还包括三通阀和连接管，三通阀分别与发动机排气管、尾气通道进气口、连接管联通，连接管与汽车排气管联通；
所述三通阀为三通电磁阀，三通电磁阀通过电控单元，根据热电模块高温端的允许温度值控制输送到尾气通道的废气量；当废气量小、温度较低时，废热全部通过阀门流入尾气通道；当废气量大，且温度升高，三通阀分流部分废热。
2.如权利要求1所述的弱混合动力系统，其特征在于：它还包括DC/DC变换器，发动机排气废热温差发电装置的电流输出端通过DC/DC变换器与车载蓄电池连接，DC/DC变换器输出电压大小由控制系统控制。
3.如权利要求1所述的弱混合动力系统，其特征在于：循环水冷系统包括用于驱动冷却水循环的循环水泵、用于为冷却水降温的冷却风扇；控制系统包括温度控制单元，温度控制单元根据冷却水的温度控制循环水泵和冷却风扇的转速。
4.如权利要求1所述的弱混合动力系统，其特征在于：热电模块与尾气通道之间设有陶瓷片或导热绝缘布。
5.如权利要求1所述的弱混合动力系统，其特征在于：热电模块与水冷管之间设有陶瓷片或导热绝缘布。
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