CN102427319A - 一种单模块独立水冷式汽车尾气热电转换装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单模块独立水冷式汽车尾气热电转换装置及方法，该装置由热电转换单元和电压巡检单元构成，其特点是：发动机排出高温尾气，热电转换单元中的多个热电转换模块其热端吸收高温尾气热量，其冷端与一个独立小水箱紧贴利用发动机自身冷却装置的冷却水或外部独立设计的冷却水回路构建其冷热端温度差产生直流电能；电压巡检单元对每个热电转换模块产生的直流电压进行检测；最后，根据各个热电转换模块的输出特性进行最优串并联组合最大程度的提高汽车尾气热电转换装置的输出功率和转换效率。本发明通过单模块独立水冷方式提高了其冷热端温度差，有效利用了汽车排放废气的热量，将产生的电能用于车载设备有助于汽车的节能与减排。

Description

一种单模块独立水冷式汽车尾气热电转换装置及方法

技术领域

本发明属于一种汽车尾气热电转换装置及方法，具体而言，是一种单模块独立水冷式汽车尾气热电转换装置及方法。

背景技术

我国汽车产业发展迅速已成为世界第一大汽车生产国、第二大能源消费国，随着经济的高速发展对化石能源的需求急剧增长，然而，我国化石能源主要依靠国际市场的能源供给，在世界化石能源日益匮乏的今天，开发新能源和替代能源或高效传统能源已成为世界各国研究的重点。

目前，全球能源危机不断加深、汽车尾气污染、全球气候变暖日益加剧、汽车节能减排已成为世界各国关注的焦点，汽车燃油中有高达60％的能量没有被有效利用，其中约40％的能量以废热形式排放到空气中，这样不仅造成了能源的巨大浪费而且加剧了对环境的污染，如果能将这部分汽车尾气余热利用起来，将会产生很好的社会效益和广阔的市场前景。近年来，美、日、欧等发达国家通过利用热电转换技术将废热转换为电能，并应用于汽车发动机实现了车载汽车尾气余热发电取得了一定的成果，但是转换效率和输出功率较低，由于采用一体化控制热电转换模块冷端温度这种方式，热电转换模块冷端表面与冷却设备表面接触不够科学合理导致热量在热电转换模块冷端大量淤积，致使热电转换模块的冷热端温差建立不够明显使得装置的输出功率和总体热电转换效率较小，并且发出的电量只能提供部分车载仪器使用，这样经济效益低且成本回收周期过长，很难进行市场推广和实现产业化，汽车的节能与减排综合效益优势不明显。

发明内容

本发明的目的在于提供一种汽车尾气热电转换装置，设计一种单模块独立水冷式、高转换效率的可用于车载弱混合动力驱动的汽车尾气余热热电转换装置，通过为每个热电转换模块紧贴安装一个独立小水箱、控制其冷端温度增加冷热端温度差，通过电压巡检对每个热电转换模块进行输出电压特性检测并显示分析其输出电压特性，根据检测输出电压特性对每个热电转换模块进行电气拓扑结构最优化串并联组合最大程度的提高汽车尾气热电转换装置的输出功率和转换效率，具有转换效率高、可操作性强、输出功率大等优点，以克服上述的不足。

为实现上述目的，本发明包括热电转换单元和电压检测单元，其特点是：

热电转换单元：包括第一级热电转换模块单元和第二级热电转换模块单元，每一级热电转换模块单元都有五层，第一级热电转换模块单元从上至下依次为第一水箱层、第一热电转换模块层、第一集热器、第二热电转换模块层和第二水箱层，其中第一水箱层和第二水箱层都由多个独立的小水箱构成，各个独立小水箱由导水管相连接，第一水箱层各个小水箱的下表面对应与第一热电转换模块层各个热电转换模块的上表面相连，第一热电转换模块层的下表面与第一集热器的上表面相连，第一集热器的下表面与第二热电转换模块层的上表面相连，第二热电转换模块层各个热电转换模块的下表面对应与第二水箱层各个小水箱的上表面相连；第二级热电转换单元从上至下依次为第三水箱层、第三热电转换模块层、第二集热器、第四热电转换模块层和第四水箱层，其中第三水箱层和第四水箱层都由多个独立的小水箱构成，各个独立小水箱由导水管相连接，第三水箱层各个小水箱的下表面对应与第二热电转换模块层各个热电转换模块的上表面相连，第三热电转换模块层的下表面与第二集热器的上表面相连，第二集热器的下表面与第四热电转换模块层的上表面相连，第四热电转换模块层各个热电转换模块的下表面对应与第四水箱层各个小水箱的上表面相连；第一级热电转换模块单元中的第一水箱层通过导水管与第二级热电转换模块单元中的第三水箱层串联连接，第一级热电转换模块单元中的第二水箱层通过导水管与第二级热电转换模块单元中的第四水箱层串联连接，第一级热电转换模块单元中的第一集热器通过导气管与第二级热电转换模块单元中的第二集热器串联连接，每一级热电转换单元都由热电转换模块冷热两端的温度差产生直流电能，每个热电转换模块正负极都有两条电压高温导线，每16个热电转换模块为一组，由每组32根高温导线与电压巡检单元进行数据传送。

电压检测单元：每组热电转换模块的输出电压通过32根高温导线与所述电压巡检单元中的接线板输入端口相连，接线板输出端口通过每组32根排线与电压巡检单元中的检测从板相连，电压巡检单元中的检测从板通过内部CAN总线与电压巡检单元中的检测主板相连，电压巡检单元中的检测主板由USB或RS232接口向上位机传送各个热电转换模块的电压检测数据并进行实时显示，电压巡检单元中的检测主板通过外部CAN总线与汽车尾气热电发电系统主控制器相连进行通信。

上述热电转换单元还包括第一水阀T1、第二水阀T2、第三水阀T3、第四水阀T4、水泵、风扇、储水箱、进气口、出气口、冷却水进口、冷却水出口、导水管、导气管以及相关导线，所述热电转换单元由前后两级串联单元组成，所述热电转换模块层都为四行八列布局共32个热电转换模块，每个热电转换模块冷端表面都与一个独立小水箱紧贴相连，具体连接方式为：第一热电转换模块层每个中高温型热电转换模块的冷端表面对应与第一水箱层每个小水箱的下表面相连，每个中高温型热电转换模块的热端表面与第一集热器的上表面相连，第二热电转换模块层每个中高温型热电转换模块的热端表面与第一集热器的下表面相连，每个中高温型热电转换模块的冷端表面对应与第二水箱层每个小水箱的上表面相连，第三热电转换模块层每个低温型热电转换模块的冷端表面对应与第三水箱层每个小水箱的下表面相连，每个低温型热电转换模块的热端表面与第二集热器的上表面相连，第四热电转换模块层每个低温型热电转换模块的热端表面与第二集热器的下表面相连，每个低温型热电转换模块的冷端表面对应与第四水箱层每个小水箱的上表面相连；每个热电转换模块的正负极通过高温导线单独引线，16个热电转换模块为一组与电压巡检单元中的接线板上各个对应输入端口相连，具体连接方式为：第一热电转换模块层前四行四列16个中高温型热电转换模块为一组由第一32根高温导线组接到接线板上对应的输入端口，第一热电转换模块层后四行四列16个中高温型热电转换模块为一组由第二32根高温导线组接到接线板上对应的输入端口，第二热电转换模块层前四行四列16个中高温型热电转换模块为一组由第三32根高温导线组接到接线板上对应的输入端口，第二热电转换模块层后四行四列16个中高温型热电转换模块为一组由第四32根高温导线组接到接线板上对应的输入端口，第三热电转换模块层前四行四列16个低温型热电转换模块为一组由第五32根高温导线组接到接线板上对应的输入端口，第三热电转换模块层后四行四列16个低温型热电转换模块为一组由第六32根高温导线组接到接线板上对应的输入端口，第四热电转换模块层前四行四列16个低温型热电转换模块为一组由第七32根高温导线组接到接线板上对应的输入端口，第四热电转换模块层后四行四列16个低温型热电转换模块为一组由第八32根高温导线接到接线板上对应的输入端口；发动机排出的高温尾气通过进气口导气管与第一集热器的进气导气管相连，第一集热器的出气口导气管与第二集热器的进气口导气管相连，第二集热器的出气口导气管与大气相连；汽车发动机冷却装置的冷却水出口依次与第一水阀T1、第一级热电转换模块单元的冷却水公共进口导水管相连，第一级热电转换模块单元的冷却水公共进口导水管分为上下两路分别与第一水箱层和第二水箱层的入口导水管相连，第一水箱层的入口导水管分为四条支路导水管，每一条支路导水管都只与对应的一行8个小水箱依次串联相连，通过第一水箱层后四条支路导水管合成一路与第三水箱层入口导水管相连，第三水箱层的入口导水管分为四条支路导水管，每一条支路导水管都只与对应的一行8个小水箱依次串联相连，在通过第三水箱层后四条支路导水管合成一路与热电转换单元的冷却水公共出口导水管相连，第二水箱层的入口导水管分为四条支路导水管，每一条支路导水管都只与对应的一行8个小水箱依次串联相连，在通过第二水箱层后四条支路导水管合成一路与第四水箱层入口导水管相连，第四水箱层的入口导水管分为四条支路导水管，每一条支路导水管都只与对应的一行8个小水箱依次串联相连，在通过第四水箱层后四条支路导水管合成一路与热电转换单元的冷却水公共出口导水管相连，冷却水公共出口导水管通过第二水阀T2连接到汽车发动机冷却装置或依次与第三水阀T3、储水箱、风扇、水泵、第四水阀T4、第一级热电转换模块单元的冷却水公共进气口导气管道相连。

上述第一、第二、第三和第四热电转换模块层与第一、第二、第三和第四水箱层，第一和第二集热器之间未接触连接的部分均填充耐高温隔热材料，每级热电转换单元露在外面的部分其周围均包裹耐高温隔热材料，防止热电转换单元的热量丢失。

上述电压巡检单元包括接线板、32根排线组1-1、32根排线组2-1、32根排线组3-1、32根排线组4-1、32根排线组5-1、32根排线组6-1、32根排线组7-1、32根排线组8-1、检测从板1、检测从板2、检测从板3、检测从板4、检测从板5、检测从板6、检测从板7、检测从板8、检测主板、上位机；接线板用来连接热电转换单元与电压巡检单元，接线板输入端口连接热电转换模块电压正负极32根高温导线组，输出端口连接对应的32根排线组，具体连接方式为：第一32根高温导线组与接线板上对应的输入端口相连，32根排线组1-1与此输入端口对应的输出端口相连，第二32根高温导线组与接线板上对应的输入端口相连，32根排线组2-1与此输入端口对应的输出端口相连，第三32根高温导线组与接线板上对应的输入端口相连，32根排线组3-1与此输入端口对应的输出端口相连，第四32根高温导线组与接线板上对应的输入端口相连，32根排线组4-1与此输入端口对应的输出端口相连，第五32根高温导线组与接线板上对应的输入端口相连，32根排线组5-1与此输入端口对应的输出端口相连，第六32根高温导线组与接线板上对应的输入端口相连，32根排线组6-1与此输入端口对应的输出端口相连，第七32根高温导线组与接线板上对应的输入端口相连，32根排线组7-1与此输入端口对应的输出端口相连，第八32根高温导线组与接线板上对应的输入端口相连，32根排线组8-1与此输入端口对应的输出端口相连，各个检测从板检测与其对应相连的32根高温导线组所对应的16个热电转换模块的输出电压，32根排线组1-1与检测从板1相连、32根排线组2-1与检测从板2相连、32根排线组3-1与检测从板3相连、32根排线组4-1与检测从板4相连、32根排线组5-1与检测从板5相连、32根排线组6-1与检测从板6相连、32根排线组7-1与检测从板7相连、32根排线组8-1与检测从板8相连，各个检测从板通过内部CAN总线与检测主板相连；检测主板通过USB接口或RS232接口与上位机相连和通过外部CAN总线与汽车尾气热电发电系统主控制器相连。

本发明还提供了一种热电转换单元工作方法，其工作方式是：车载应用时，在汽车发动机发动之前，打开第一水阀T1和第二水阀T2，关闭第三水阀T3和第四水阀T4，由发动机自带冷却装置向每个水箱层注入温度约90℃的冷却水，为每个小水箱注入冷却水从而实现对每个热电转换模块的冷端冷却，冷却水首先由公共冷却水进口通入第一水箱层和第二水箱层，然后在由第一水箱层出口通入第三水箱层，由第二水箱层出口通入第四水箱层，最后由公共冷却水出口通入发动机冷却装置，实现对冷却水的循环使用；汽车发动机启动之后，高温尾气通过进气口依次进入第一集热器和第二集热器，通过第一集热器时分别为第一热电转换模块层和第二热电转换模块层每个中高温型热电转换模块热端提供高温，通过第二集热器时分别为第三热电转换模块层和第四热电转换模块层每个低温型热电转换模块热端提供高温，每个热电转换模块通过热端吸收热量从而由冷热端温度差来实现温度差发电，高温尾气经过第一集热器时由导气管通入第二集热器，尾气通过第二集热箱后由出气口排向大气；实验时，在汽车发动机启动之前，打开第三水阀T3和第四水阀T4，关闭第一水阀T1和第二水阀T2，由水泵通过冷却水公共进气口向第一水箱层和第二水箱层提供冷却水，为每个小水箱注入冷却水从而控制第一热电转换模块层和第二热电转换模块层每个中高温型热电转换模块的冷端温度，冷却水再由第一水箱层出水口和第二水箱层出水口通入第三水箱层和第四水箱层，为每个小水箱注入冷却水同时为第三热电转换模块层和第四热电转换模块层每个低温型热电转换模块冷端提供冷端温度，冷却水由第三水箱层和第四水箱层公共出水口通入储水箱，然后经过冷却风扇，最后通过水泵由冷却水进口对热电转换单元提供冷却水，实现对冷却水的循环使用。

本发明还提供了一种电压巡检单元检测方法，其检测方式是：热电转换单元工作时，热电转换模块产生输出电压并通过32根高温导线组和32根排线组把电压信号传送到各个检测从板上，每个检测从板通过A/D采样对每个热电转换模块输出电压信号进行连续采集并对采样信号进行软件滤波处理作为该热电转换模块所对应的温差发电模块的实际电压值，检测从板1用来检测第一热电模块转换层前四列共16个中高温型热电转换模块的输出电压，检测从板2用来检测第一热电模块转换层后四列共16个中高温型热电转换模块的输出电压，检测从板3用来检测第二热电模块转换层前四列共16个中高温型热电转换模块的输出电压，检测从板4用来检测第二热电模块转换层后四列共16个中高温型热电转换模块的输出电压，检测从板5用来检测第三热电模块转换层前四列共16个低温型热电转换模块的输出电压，检测从板6用来检测第三热电模块转换层后四列共16个低温型热电转换模块的输出电压，检测从板7用来检测第四热电转换模块转换层前四列共16个低温型热电转换模块的输出电压，检测从板8用来检测第四热电模块转换层后四列共16个低温型热电转换模块的输出电压，检测主板以一定时间周期通过内部CAN总线进行ID呼叫每一个检测从板，8个检测从板在8个时间周期内呼叫完成，检测从板接收到检测主板通过内部CAN总线发送过来的ID呼叫信号与其自身设定的ID值相同时，检测从板根据一定格式和协议通过内部CAN总线向检测主板发送所采集的热电转换模块输出电压暂存信息，检测主板对8个检测从板发送的电压信息进行软件数据操作后通过USB或RS232接口在上位机上显示每个巡检电压数据，同时检测主板通过外部CAN总线向汽车尾气热电发电系统主控制器发送热电转换模块输出电压信息，根据检测电压信息对装置进行控制操作。

本发明还提供了一种单模块独立水冷式汽车尾气热电转换装置的热电转换模块电气拓扑结构优化处理方法，其优化处理方法是：热电转换单元和电压巡检单元正常工作时，根据所测得的各个热电转换模块电压数据的大小把同一时刻相同热电转换条件下输出电压大小相同或输出特性相近的热电转换模块并联，把输出电压大小不同或输出特性相差较大的热电转换模块进行串联，从而通过优化各个支路串并联的热电转换模块个数使得在相同输出条件下输出功率和输出效率最大的一种组合方式作为汽车尾气热电转换装置热电转换模块的最终电气连接结构。

由于本发明采用单热电转换模块冷端紧贴一个独立小水箱控制每个热电转换模块冷端温度，使每个热电转换模块冷热端温度差大大增加，相较目前已有的冷却设备一体化控制多个热电转换模块组冷端温度更能有效的增加冷热端温度差从而提高热电转换模块的输出功率；采取前后中高温型热电转换模块单元和低温型热电转换模块单元串联连接方式能更有效的充分吸收汽车尾气余热，提高装置吸收高温尾气余热的利用率；采用分路导水管将冷却水分为四路分别送入每行小水箱，使每个独立小水箱能够同时控制与其对应的热电转换模块冷端温度，不仅能增加热电转换模块冷热端温度差而且能够使所有热电转换模块同时工作，最大程度的增加装置的输出电能；采用发动机自身冷却装置的冷却水或外部独立设计的冷却水回路，使装置的操作变得方便可行同时能够降低装置的开发和回收成本；对每个热电转换模块的输出电压进行独立输出同时通过多个检测从板进行检测，能够及时检测每个热电转换模块的输出电压、准确了解每个热电转换模块的工作效率，同时减少了检测主板的负荷；对每个热电转换模块进行最优化串并联组合，可以最大程度的提高汽车尾气热电转换装置的输出功率和转换效率。本发明经过多次试验与改良，解决了热电转换模块转换效率低、汽车尾气余热利用不充分、输出功率低等难题，提高了热电转换装置的转换效率和输出功率，有助于实现传统汽车发动机的节能与减排。

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示意图。

图2为本发明第一热电转换模块层布局及其电压检测示意图。

图3为本发明第二热电转换模块层布局及其电压检测示意图。

图4为本发明第三热电转换模块层布局及其电压检测示意图。

图5为本发明第三热电转换模块层布局及其电压检测示意图。

图6为本发明检测从板的主程序流程图。

图7为本发明检测主板的主程序流程图。

图8为本发明热电转换模块电气拓扑结构优化组合示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的描述，但该实施例不应理解为对本发明的限制。

本发明的主体部分包括热电转换单元和电压检测单元(如图1所示)，其中：发动机排出的高温尾气通过排气管道和集热器传递热量给所述热电转换单元中的热电转换模块热端，发动机冷却装置中的冷却水或外部独立设计的冷却水回路通过水箱层控制所述热电转换单元中的热电转换模块冷端温度；热电转换单元包括第一级热电转换模块单元和第二级热电转换模块单元，每一级热电转换模块单元都有五层，第一级热电转换模块单元从上至下依次为第一水箱层、第一热电转换模块层、第一集热器、第二热电转换模块层和第二水箱层，其中第一水箱层和第二水箱层都由多个独立的小水箱构成，各个独立小水箱由导水管相连接，第一水箱层各个小水箱的下表面对应与第一热电转换模块层各个热电转换模块的上表面相连，第一热电转换模块层的下表面与第一集热器的上表面相连，第一集热器的下表面与第二热电转换模块层的上表面相连，第二热电转换模块层各个热电转换模块的下表面对应与第二水箱层各个小水箱的上表面相连；第二级热电转换单元从上至下依次为第三水箱层、第三热电转换模块层、第二集热器、第四热电转换模块层和第四水箱层，其中第三水箱层和第四水箱层都由多个独立的小水箱构成，各个独立小水箱由导水管相连接，第三水箱层各个小水箱的下表面对应与第二热电转换模块层各个热电转换模块的上表面相连，第三热电转换模块层的下表面与第二集热器的上表面相连，第二集热器的下表面与第四热电转换模块层的上表面相连，第四热电转换模块层各个热电转换模块的下表面对应与第四水箱层各个小水箱的上表面相连；第一级热电转换模块单元中的第一水箱层通过导水管与第二级热电转换模块单元中的第三水箱层串联连接，第一级热电转换模块单元中的第二水箱层通过导水管与第二级热电转换模块单元中的第四水箱层串联连接，第一级热电转换模块单元中的第一集热器通过导气管与第二级热电转换模块单元中的第二集热器串联连接，每一级热电转换单元都由热电转换模块冷热两端的温度差产生直流电能，每个热电转换模块正负极都有两条电压高温导线，每16个热电转换模块为一组，由每组32根高温导线与电压巡检单元进行数据传送；每组热电转换模块的输出电压通过32根高温导线与所述电压巡检单元中的接线板输入端口相连，接线板输出端口通过每组32根排线与电压巡检单元中的检测从板相连，电压巡检单元中的检测从板通过内部CAN总线与电压巡检单元中的检测主板相连，电压巡检单元中的检测主板由USB或RS232接口向上位机传送各个热电转换模块的电压检测数据并进行实时显示，电压巡检单元中的检测主板通过外部CAN总线与汽车尾气热电发电系统主控制器相连进行通信；最终根据上位机显示的电压数值对各个热电转换模块进行最优化串并联组合，将输出电压特性相同或相近的热电转换模块进行并联，将输出电压特性相差较大的热电转换模块进行串联，最终把所有热电转换模块串联后的产能总值作为热电转换装置的输出总电能。

热电转换单元(如图1所示)还包括第一水阀T1、第二水阀T2、第三水阀T3、第四水阀T4、水泵、风扇、储水箱、进气口、出气口、冷却水进口、冷却水出口、导水管、导气管以及相关导线。所述热电转换单元由前后两级串联单元组成，所述热电转换模块层都为四行八列布局共32个热电转换模块(如图2，3，4，5所示)，每个热电转换模块冷端表面都与一个独立小水箱紧贴相连，具体连接方式为：第一热电转换模块层每个中高温型热电转换模块的冷端表面对应与第一水箱层每个小水箱的下表面相连，每个中高温型热电转换模块的热端表面与第一集热器的上表面相连，第二热电转换模块层每个中高温型热电转换模块的热端表面与第一集热器的下表面相连，每个中高温型热电转换模块的冷端表面对应与第二水箱层每个小水箱的上表面相连，第三热电转换模块层每个低温型热电转换模块的冷端表面对应与第三水箱层每个小水箱的下表面相连，每个低温型热电转换模块的热端表面与第二集热器的上表面相连，第四热电转换模块层每个低温型热电转换模块的热端表面与第二集热器的下表面相连，每个低温型热电转换模块的冷端表面对应与第四水箱层每个小水箱的上表面相连；每个热电转换模块的正负极通过高温导线单独引线，16个热电转换模块为一组与电压巡检单元中的接线板上各个对应输入端口相连，具体连接方式为：第一热电转换模块层前四行四列16个中高温型热电转换模块为一组由第一32根高温导线组接到接线板上对应的输入端口，第一热电转换模块层后四行四列16个中高温型热电转换模块为一组由第二32根高温导线组接到接线板上对应的输入端口，第二热电转换模块层前四行四列16个中高温型热电转换模块为一组由第三32根高温导线组接到接线板上对应的输入端口，第二热电转换模块层后四行四列16个中高温型热电转换模块为一组由第四32根高温导线组接到接线板上对应的输入端口，第三热电转换模块层前四行四列16个低温型热电转换模块为一组由第五32根高温导线组接到接线板上对应的输入端口，第三热电转换模块层后四行四列16个低温型热电转换模块为一组由第六32根高温导线组接到接线板上对应的输入端口，第四热电转换模块层前四行四列16个低温型热电转换模块为一组由第七32根高温导线组接到接线板上对应的输入端口，第四热电转换模块层后四行四列16个低温型热电转换模块为一组由第八32根高温导线接到接线板上对应的输入端口；发动机排出的高温尾气通过进气口导气管与第一集热器的进气导气管相连，第一集热器的出气口导气管与第二集热器的进气口导气管相连，第二集热器的出气口导气管与大气相连；汽车发动机冷却装置的冷却水出口依次与第一水阀T1、第一级热电转换模块单元的冷却水公共进口导水管相连，第一级热电转换模块单元的冷却水公共进口导水管分为上下两路分别与第一水箱层和第二水箱层的入口导水管相连，第一水箱层的入口导水管分为四条支路导水管，每一条支路导水管都只与对应的一行8个小水箱依次串联相连，通过第一水箱层后四条支路导水管合成一路与第三水箱层入口导水管相连，第三水箱层的入口导水管分为四条支路导水管，每一条支路导水管都只与对应的一行8个小水箱依次串联相连，在通过第三水箱层后四条支路导水管合成一路与热电转换单元的冷却水公共出口导水管相连，第二水箱层的入口导水管分为四条支路导水管，每一条支路导水管都只与对应的一行8个小水箱依次串联相连，在通过第二水箱层后四条支路导水管合成一路与第四水箱层入口导水管相连，第四水箱层的入口导水管分为四条支路导水管，每一条支路导水管都只与对应的一行8个小水箱依次串联相连，在通过第四水箱层后四条支路导水管合成一路与热电转换单元的冷却水公共出口导水管相连，冷却水公共出口导水管通过第二水阀T2连接到汽车发动机冷却装置或依次与第三水阀T3、储水箱、风扇、水泵、第四水阀T4、第一级热电转换模块单元的冷却水公共进气口导气管道相连。

第一、第二、第三和第四热电转换模块层与第一、第二、第三和第四水箱层，第一和第二集热器之间未接触连接的部分均填充耐高温隔热材料，每级热电转换单元露在外面的部分其周围均包裹耐高温隔热材料，防止热电转换单元的热量丢失。

电压巡检单元(如图1所示)包括接线板、32根排线组1-1、32根排线组2-1、32根排线组3-1、32根排线组4-1、32根排线组5-1、32根排线组6-1、32根排线组7-1、32根排线组8-1、检测从板1、检测从板2、检测从板3、检测从板4、检测从板5、检测从板6、检测从板7、检测从板8、检测主板、上位机；接线板用来连接热电转换单元与电压巡检单元，接线板输入端口连接热电转换模块电压正负极32根高温导线组，输出端口连接对应的32根排线组，具体连接方式为：第一32根高温导线组与接线板上对应的输入端口相连，32根排线组1-1与此输入端口对应的输出端口相连，第二32根高温导线组与接线板上对应的输入端口相连，32根排线组2-1与此输入端口对应的输出端口相连(如图2所示)，第三32根高温导线组与接线板上对应的输入端口相连，32根排线组3-1与此输入端口对应的输出端口相连，第四32根高温导线组与接线板上对应的输入端口相连，32根排线组4-1与此输入端口对应的输出端口相连(如图3所示)，第五32根高温导线组与接线板上对应的输入端口相连，32根排线组5-1与此输入端口对应的输出端口相连，第六32根高温导线组与接线板上对应的输入端口相连，32根排线组6-1与此输入端口对应的输出端口相连(如图4所示)，第七32根高温导线组与接线板上对应的输入端口相连，32根排线组7-1与此输入端口对应的输出端口相连，第八32根高温导线组与接线板上对应的输入端口相连，32根排线组8-1与此输入端口对应的输出端口相连(如图5所示)，各个检测从板检测与其对应相连的32根高温导线组所对应的16个热电转换模块的输出电压，32根排线组1-1与检测从板1相连、32根排线组2-1与检测从板2相连(如图2所示)、32根排线组3-1与检测从板3相连、32根排线组4-1与检测从板4相连(如图3所示)、32根排线组5-1与检测从板5相连、32根排线组6-1与检测从板6相连(如图4所示)、32根排线组7-1与检测从板7相连、32根排线组8-1与检测从板8相连(如图5所示)，各个检测从板通过内部CAN总线与检测主板相连；检测主板通过USB接口或RS232接口与上位机相连和通过外部CAN总线与汽车尾气热电发电系统主控制器相连进行通信(如图1所示)。

在本发明的实施例中，车载应用时，在汽车发动机发动之前，打开第一水阀T1和第二水阀T2，关闭第三水阀T3和第四水阀T4，由发动机自带冷却装置向每个水箱层注入温度约90℃的冷却水，为每个小水箱注入冷却水从而实现对每个热电转换模块的冷端冷却，冷却水首先由公共冷却水进口通入第一水箱层和第二水箱层，然后在由第一水箱层出口通入第三水箱层，由第二水箱层出口通入第四水箱层，最后由公共冷却水出口通入发动机冷却装置，实现对冷却水的循环使用；汽车发动机启动之后，高温尾气通过进气口依次进入第一集热器和第二集热器，通过第一集热器时分别为第一热电转换模块层和第二热电转换模块层每个中高温型热电转换模块热端提供高温，通过第二集热器时分别为第三热电转换模块层和第四热电转换模块层每个低温型热电转换模块热端提供高温，每个热电转换模块通过热端吸收热量从而由冷热端温度差来实现温度差发电，高温尾气经过第一集热器时由导气管通入第二集热器，尾气通过第二集热箱后由出气口排向大气；实验时，在汽车发动机启动之前，打开第三水阀T3和第四水阀T4，关闭第一水阀T1和第二水阀T2，由水泵通过冷却水公共进气口向第一水箱层和第二水箱层提供冷却水，为每个小水箱注入冷却水从而控制第一热电转换模块层和第二热电转换模块层每个中高温型热电转换模块的冷端温度，冷却水再由第一水箱层出水口和第二水箱层出水口通入第三水箱层和第四水箱层，为每个小水箱注入冷却水同时为第三热电转换模块层和第四热电转换模块层每个低温型热电转换模块冷端提供冷端温度，冷却水由第三水箱层和第四水箱层公共出水口通入储水箱，然后经过冷却风扇，最后通过水泵由冷却水进口对热电转换单元提供冷却水，实现对冷却水的循环使用。

在本发明的实施例中，热电转换单元工作时，热电转换模块产生输出电压并通过32根高温导线组和32根排线组把电压信号传送到电压巡检单元中的各个检测从板上，每个检测从板通过多路选择开关电路选通每个热电转换模块输出电压信号引出端作为一个通道进行连续A/D采集9次(软件设计时可设计不同采样次数)，并对采样信号进行软件滤波处理同时采用冒泡法对采样信号进行从低到高排列，除去最高三组值和最低三组值(可根据实际情况选择除去不同组数)后对中间三组值求平均数并且把平均数暂时存储起来作为该通道所对应的温差发电模块的实际电压值，检测从板1用来检测第一热电模块转换层前四列共16个中高温型热电转换模块的输出电压，检测从板2用来检测第一热电模块转换层后四列共16个中高温型热电转换模块的输出电压，检测从板3用来检测第二热电模块转换层前四列共16个中高温型热电转换模块的输出电压，检测从板4用来检测第二热电模块转换层后四列共16个中高温型热电转换模块的输出电压，检测从板5用来检测第三热电模块转换层前四列共16个低温型热电转换模块的输出电压，检测从板6用来检测第三热电模块转换层后四列共16个低温型热电转换模块的输出电压，检测从板7用来检测第四热电转换模块转换层前四列共16个低温型热电转换模块的输出电压，检测从板8用来检测第四热电模块转换层后四列共16个低温型热电转换模块的输出电压，电压巡检单元中的检测主板以50ms(可根据实际情况选择不同时间周期)为一个周期通过内部CAN总线进行ID呼叫每一个检测从板，8个检测从板在8个时间周期(400ms)内被呼叫完(如图7所示)，检测从板接收到检测主板通过内部CAN总线发送过来的ID呼叫信号与其自身拔码开关电路设定的ID值相同时，检测从板根据一定格式和通信协议通过内部CAN总线向检测主板发送所采集的热电转换模块输出电压暂存信息(如图6所示)，检测主板对8个检测从板发送的电压信息进行格式转换并计算电压的方差分析系统中各个温差发电模块的一致性和耐久性，根据软件数据操作中的需要选择USB或RS232接口，检测主板以500ms为周期向上位机发送各个热电转换模块的电压信息并在上位机监控界面上进行显示(如图7所示)，与此同时检测主板通过外部CAN总线向汽车尾气热电发电系统主控制器发送热电转换模块输出电压信息，根据检测电压信息对装置进行控制操作。

在本发明的实施例中(如图8所示)，热电转换单元和电压巡检单元正常工作时，根据多次循环检测和记录的电压信息对热电转换模块电气连接方式进行最优化串并联，分别把输出电压等级相同、输出特性相近的热电转换模块A1-An、热电转换模块B1-Bn、热电转换模块C1-Cn和热电转换模块D1-Dn、热电转换模块E1-En各自进行并联，然后对并联组合后的热电转换模块A1-An、B1-Bn、C1-Cn、D1-Dn和E1-En依次进行串联，从而通过优化汽车尾气热电转换装置的最大输出电流和输出电压等级，提高其最大输出功率和热电转换效率。

最后应说明，本发明的实施仅用于说明技术方案而非限制。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 (7)

1.一种单模块独立水冷式汽车尾气热电转换装置，包括热电转换单元和电压巡检单元，其特征在于：

发动机排出的高温尾气通过排气管道和集热器传递热量给所述热电转换单元中的热电转换模块热端，发动机冷却装置中的冷却水或外部独立设计的冷却水回路通过水箱层控制所述热电转换单元中的热电转换模块冷端温度；所述热电转换单元包括第一级热电转换模块单元和第二级热电转换模块单元，每一级热电转换模块单元都有五层，第一级热电转换模块单元从上至下依次为第一水箱层、第一热电转换模块层、第一集热器、第二热电转换模块层和第二水箱层，其中第一水箱层和第二水箱层都由多个独立的小水箱构成，各个独立小水箱由导水管相连接，第一水箱层各个小水箱的下表面对应与第一热电转换模块层各个热电转换模块的上表面相连，第一热电转换模块层的下表面与第一集热器的上表面相连，第一集热器的下表面与第二热电转换模块层的上表面相连，第二热电转换模块层各个热电转换模块的下表面对应与第二水箱层各个小水箱的上表面相连；第二级热电转换单元从上至下依次为第三水箱层、第三热电转换模块层、第二集热器、第四热电转换模块层和第四水箱层，其中第三水箱层和第四水箱层都由多个独立的小水箱构成，各个独立小水箱由导水管相连接，第三水箱层各个小水箱的下表面对应与第二热电转换模块层各个热电转换模块的上表面相连，第三热电转换模块层的下表面与第二集热器的上表面相连，第二集热器的下表面与第四热电转换模块层的上表面相连，第四热电转换模块层各个热电转换模块的下表面对应与第四水箱层各个小水箱的上表面相连；第一级热电转换模块单元中的第一水箱层通过导水管与第二级热电转换模块单元中的第三水箱层串联连接，第一级热电转换模块单元中的第二水箱层通过导水管与第二级热电转换模块单元中的第四水箱层串联连接，第一级热电转换模块单元中的第一集热器通过导气管与第二级热电转换模块单元中的第二集热器串联连接，每一级热电转换单元都由热电转换模块冷热两端的温度差产生直流电能，每个热电转换模块正负极都有两条电压高温导线，每16个热电转换模块为一组，由每组32根高温导线与电压巡检单元进行数据传送；每组热电转换模块的输出电压通过32根高温导线与所述电压巡检单元中的接线板输入端口相连，接线板输出端口通过每组32根排线与电压巡检单元中的检测从板相连，电压巡检单元中的检测从板通过内部CAN总线与电压巡检单元中的检测主板相连，电压巡检单元中的检测主板由USB或RS232接口向上位机传送各个热电转换模块的电压检测数据并进行实时显示，电压巡检单元中的检测主板通过外部CAN总线与汽车尾气热电发电系统主控制器相连进行通信；最终根据上位机显示的电压数值对各个热电转换模块进行最优化串并联组合，将输出电压特性相同或相近的热电转换模块进行并联，将输出电压特性相差较大的热电转换模块进行串联，最终把所有热电转换模块串联后的产能总值作为热电转换装置的输出总电能。

2.如权利要求1所述的一种单模块独立水冷式汽车尾气热电转换装置，其特征在于：热电转换单元还包括第一水阀T1、第二水阀T2、第三水阀T3、第四水阀T4、水泵、风扇、储水箱、进气口、出气口、冷却水进口、冷却水出口、导水管、导气管以及相关导线，所述热电转换单元由前后两级串联单元组成，所述热电转换模块层都为四行八列布局共32个热电转换模块，每个热电转换模块冷端表面都与一个独立小水箱紧贴相连，具体连接方式为：第一热电转换模块层每个中高温型热电转换模块的冷端表面对应与第一水箱层每个小水箱的下表面相连，每个中高温型热电转换模块的热端表面与第一集热器的上表面相连，第二热电转换模块层每个中高温型热电转换模块的热端表面与第一集热器的下表面相连，每个中高温型热电转换模块的冷端表面对应与第二水箱层每个小水箱的上表面相连，第三热电转换模块层每个低温型热电转换模块的冷端表面对应与第三水箱层每个小水箱的下表面相连，每个低温型热电转换模块的热端表面与第二集热器的上表面相连，第四热电转换模块层每个低温型热电转换模块的热端表面与第二集热器的下表面相连，每个低温型热电转换模块的冷端表面对应与第四水箱层每个小水箱的上表面相连；每个热电转换模块的正负极通过高温导线单独引线，16个热电转换模块为一组与电压巡检单元中的接线板上各个对应输入端口相连，具体连接方式为：第一热电转换模块层前四行四列16个中高温型热电转换模块为一组由第一32根高温导线组接到接线板上对应的输入端口，第一热电转换模块层后四行四列16个中高温型热电转换模块为一组由第二32根高温导线组接到接线板上对应的输入端口，第二热电转换模块层前四行四列16个中高温型热电转换模块为一组由第三32根高温导线组接到接线板上对应的输入端口，第二热电转换模块层后四行四列16个中高温型热电转换模块为一组由第四32根高温导线组接到接线板上对应的输入端口，第三热电转换模块层前四行四列16个低温型热电转换模块为一组由第五32根高温导线组接到接线板上对应的输入端口，第三热电转换模块层后四行四列16个低温型热电转换模块为一组由第六32根高温导线组接到接线板上对应的输入端口，第四热电转换模块层前四行四列16个低温型热电转换模块为一组由第七32根高温导线组接到接线板上对应的输入端口，第四热电转换模块层后四行四列16个低温型热电转换模块为一组由第八32根高温导线接到接线板上对应的输入端口；发动机排出的高温尾气通过进气口导气管与第一集热器的进气导气管相连，第一集热器的出气口导气管与第二集热器的进气口导气管相连，第二集热器的出气口导气管与大气相连；汽车发动机冷却装置的冷却水出口依次与第一水阀T1、第一级热电转换模块单元的冷却水公共进口导水管相连，第一级热电转换模块单元的冷却水公共进口导水管分为上下两路分别与第一水箱层和第二水箱层的入口导水管相连，第一水箱层的入口导水管分为四条支路导水管，每一条支路导水管都只与对应的一行8个小水箱依次串联相连，通过第一水箱层后四条支路导水管合成一路与第三水箱层入口导水管相连，第三水箱层的入口导水管分为四条支路导水管，每一条支路导水管都只与对应的一行8个小水箱依次串联相连，在通过第三水箱层后四条支路导水管合成一路与热电转换单元的冷却水公共出口导水管相连，第二水箱层的入口导水管分为四条支路导水管，每一条支路导水管都只与对应的一行8个小水箱依次串联相连，在通过第二水箱层后四条支路导水管合成一路与第四水箱层入口导水管相连，第四水箱层的入口导水管分为四条支路导水管，每一条支路导水管都只与对应的一行8个小水箱依次串联相连，在通过第四水箱层后四条支路导水管合成一路与热电转换单元的冷却水公共出口导水管相连，冷却水公共出口导水管通过第二水阀T2连接到汽车发动机冷却装置或依次与第三水阀T3、储水箱、风扇、水泵、第四水阀T4、第一级热电转换模块单元的冷却水公共进气口导气管道相连。

3.如权利要求1或2所述的一种单模块独立水冷式汽车尾气热电转换装置，其特征在于：第一、第二、第三和第四热电转换模块层与第一、第二、第三和第四水箱层，第一和第二集热器之间未接触连接的部分均填充耐高温隔热材料，每级热电转换单元露在外面的部分其周围均包裹耐高温隔热材料，防止热电转换单元的热量丢失。

4.如权利要求1所述的一种单模块独立水冷式汽车尾气热电转换装置，其特征在于：所述电压巡检单元包括接线板、32根排线组1-1、32根排线组2-1、32根排线组3-1、32根排线组4-1、32根排线组5-1、32根排线组6-1、32根排线组7-1、32根排线组8-1、检测从板1、检测从板2、检测从板3、检测从板4、检测从板5、检测从板6、检测从板7、检测从板8、检测主板、上位机；接线板用来连接热电转换单元与电压巡检单元，接线板输入端口连接热电转换模块电压正负极32根高温导线组，输出端口连接对应的32根排线组，具体连接方式为：第一32根高温导线组与接线板上对应的输入端口相连，32根排线组1-1与此输入端口对应的输出端口相连，第二32根高温导线组与接线板上对应的输入端口相连，32根排线组2-1与此输入端口对应的输出端口相连，第三32根高温导线组与接线板上对应的输入端口相连，32根排线组3-1与此输入端口对应的输出端口相连，第四32根高温导线组与接线板上对应的输入端口相连，32根排线组4-1与此输入端口对应的输出端口相连，第五32根高温导线组与接线板上对应的输入端口相连，32根排线组5-1与此输入端口对应的输出端口相连，第六32根高温导线组与接线板上对应的输入端口相连，32根排线组6-1与此输入端口对应的输出端口相连，第七32根高温导线组与接线板上对应的输入端口相连，32根排线组7-1与此输入端口对应的输出端口相连，第八32根高温导线组与接线板上对应的输入端口相连，32根排线组8-1与此输入端口对应的输出端口相连，各个检测从板检测与其对应相连的32根高温导线组所对应的16个热电转换模块的输出电压，32根排线组1-1与检测从板1相连、32根排线组2-1与检测从板2相连、32根排线组3-1与检测从板3相连、32根排线组4-1与检测从板4相连、32根排线组5-1与检测从板5相连、32根排线组6-1与检测从板6相连、32根排线组7-1与检测从板7相连、32根排线组8-1与检测从板8相连，各个检测从板通过内部CAN总线与检测主板相连；检测主板通过USB接口或RS232接口与上位机相连和通过外部CAN总线与汽车尾气热电发电系统主控制器相连。

5.如权利要求1或2所述的一种单模块独立水冷式汽车尾气热电转换装置，其热电转换单元工作方法是：车载应用时，在汽车发动机发动之前，打开第一水阀T1和第二水阀T2，关闭第三水阀T3和第四水阀T4，由发动机自带冷却装置向每个水箱层注入温度约90℃的冷却水，为每个小水箱注入冷却水从而实现对每个热电转换模块的冷端冷却，冷却水首先由公共冷却水进口通入第一水箱层和第二水箱层，然后在由第一水箱层出口通入第三水箱层，由第二水箱层出口通入第四水箱层，最后由公共冷却水出口通入发动机冷却装置，实现对冷却水的循环使用；汽车发动机启动之后，高温尾气通过进气口依次进入第一集热器和第二集热器，通过第一集热器时分别为第一热电转换模块层和第二热电转换模块层每个中高温型热电转换模块热端提供高温，通过第二集热器时分别为第三热电转换模块层和第四热电转换模块层每个低温型热电转换模块热端提供高温，每个热电转换模块通过热端吸收热量从而由冷热端温度差来实现温度差发电，高温尾气经过第一集热器时由导气管通入第二集热器，尾气通过第二集热箱后由出气口排向大气；实验时，在汽车发动机启动之前，打开第三水阀T3和第四水阀T4，关闭第一水阀T1和第二水阀T2，由水泵通过冷却水公共进气口向第一水箱层和第二水箱层提供冷却水，为每个小水箱注入冷却水从而控制第一热电转换模块层和第二热电转换模块层每个中高温型热电转换模块的冷端温度，冷却水再由第一水箱层出水口和第二水箱层出水口通入第三水箱层和第四水箱层，为每个小水箱注入冷却水同时为第三热电转换模块层和第四热电转换模块层每个低温型热电转换模块冷端提供冷端温度，冷却水由第三水箱层和第四水箱层公共出水口通入储水箱，然后经过冷却风扇，最后通过水泵由冷却水进口对热电转换单元提供冷却水，实现对冷却水的循环使用。

6.如权利要求1或4所述的一种单模块独立水冷式汽车尾气热电转换装置，所述电压巡检单元检测方法是：热电转换单元工作时，热电转换模块产生输出电压并通过32根高温导线组和32根排线组把电压信号传送到各个检测从板上，每个检测从板通过A/D采样对每个热电转换模块输出电压信号进行连续采集并对采样信号进行软件滤波处理作为该热电转换模块所对应的温差发电模块的实际电压值，检测从板1用来检测第一热电模块转换层前四列共16个中高温型热电转换模块的输出电压，检测从板2用来检测第一热电模块转换层后四列共16个中高温型热电转换模块的输出电压，检测从板3用来检测第二热电模块转换层前四列共16个中高温型热电转换模块的输出电压，检测从板4用来检测第二热电模块转换层后四列共16个中高温型热电转换模块的输出电压，检测从板5用来检测第三热电模块转换层前四列共16个低温型热电转换模块的输出电压，检测从板6用来检测第三热电模块转换层后四列共16个低温型热电转换模块的输出电压，检测从板7用来检测第四热电转换模块转换层前四列共16个低温型热电转换模块的输出电压，检测从板8用来检测第四热电模块转换层后四列共16个低温型热电转换模块的输出电压，检测主板以一定时间周期通过内部CAN总线进行ID呼叫每一个检测从板，8个检测从板在8个时间周期内呼叫完成，检测从板接收到检测主板通过内部CAN总线发送过来的ID呼叫信号与其自身设定的ID值相同时，检测从板根据一定格式和协议通过内部CAN总线向检测主板发送所采集的热电转换模块输出电压暂存信息，检测主板对8个检测从板发送的电压信息进行软件数据操作后通过USB或RS232接口在上位机上显示每个巡检电压数据，同时检测主板通过外部CAN总线向汽车尾气热电发电系统主控制器发送热电转换模块输出电压信息，根据检测电压信息对装置进行控制操作。

7.如权利1～6任一项所述的一种单模块独立水冷式汽车尾气热电转换装置，所述热电转换模块的电气拓扑结构优化处理方法是：热电转换单元和电压巡检单元正常工作时，根据所测得的各个热电转换模块电压数据的大小把同一时刻相同热电转换条件下输出电压大小相同或输出特性相近的热电转换模块并联，把输出电压大小不同或输出特性相差较大的热电转换模块进行串联，从而通过优化各个支路串并联的热电转换模块个数使得在相同输出条件下输出功率和输出效率最大的一种组合方式作为汽车尾气热电转换装置热电转换模块的最终电气连接结构。

Images