CN105406767B - 一种汽车尾气热电转化装置电气拓扑结构的优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种汽车尾气热电转换模块电气拓扑结构优化方法，属于可再生能源技术领域，用于提高汽车尾气热电转换装置的整体效率和性能。本发明首先测量单个热电模块的输出性能并创建各个热电模块的等效电路模型，然后以图论为基础建立器件的连接矩阵，结合各个热电模块的输出特性对它们进行串、并联电气拓扑结构优化，首先将所有器件全串联，然后任取一个与其他器件逐个并联，取其中输出功率最大的一种连接方式，如此往复直到达到最大输出功率值为止，在保证其输出电压不至于为零或负压的同时充分发挥各个热电模块的发电潜能，从而大大提高汽车尾气热电转换装置的整体效率和性能。

Description

一种汽车尾气热电转化装置电气拓扑结构的优化方法
技术领域
本发明属于可再生能源技术领域，更具体地，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。
背景技术
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。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种汽车尾气热电转化装置电气拓扑结构的优化方法，该拓扑结构中结合了各个热电模块的输出特性对它们进行串、并联电气拓扑结构优化，在保证其输出电压不至于为零或负压的同时充分发挥各个热电模块的发电潜能，从而提高汽车尾气热电转换装置的整体效率和性能。
为实现上述目的，本发明提供了一种汽车尾气热电转化装置电气拓扑结构的优化方法，所述优化方法包括以下步骤：
(1)测试单个热电模块的输出性能；
(2)根据步骤(1)测试获得的热电模块的输出性能，创建各个热电模块的等效电路模型，单个热电模块的等效电路模型如附图4所示；
(3)根据步骤(2)创建的热电模块的等效电路模型进行拓扑结构优化计算；
(4)根据步骤(3)优化后的拓扑结构，重新构建汽车尾气热电转换装置，汽车尾气热电转换装置的结构图如附图2所示。
所述步骤(1)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；
(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；
(1-3)改变热源温度重复步骤(1-2)。
所述步骤(2)具体包括以下子步骤：
(2-1)假设其内部串联的半导体电偶臂(PN结)对数为g，其内阻r可以表示为：
r＝glp/(σPAp)+glN/(σNAN) (1)
其中，lp、σP、Ap和lN、σN、AN分别为其中P型与N型半导体电偶臂的长度、电导率和横截面积；
(2-2)从附图3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4所示，其开路电压U、实际输出电压U0及其内阻r可以分别表示如下：
U＝gαPN(TH-TL)＝g(αP-αN)(TH-TL) (2)
U0＝U-ir (3)
r＝U/Imax (4)
其中，αPN为半导体的相对塞贝克系数(V/K)，αP和αN分别为P型与N型半导体的塞贝克系数(V/K)，TH和TL分别为热电模块内部半导体电偶臂的实际热端和冷源温度(K)，Imax为热电模块的短路电流(A)，i为热电模块的实际输出电流(A)；
所述步骤(3)具体包括以下子步骤：
(3-1)构造连接矩阵，表中Ai表示模块i的后节点，Bi表示模块i的前节点。xi,j＝1表示模块i的后节点与模块j的前节点连接，xi,j＝0表示模块i与模块j的前节点无连接；yi,j＝1表示模块i的后节点与模块j的后节点连接，且xi,j+yi,j＝1以避免模块之间短路。yi,j＝0则表示后节点直接无连接，zi,j＝1表示节点i和节点j的前节点连接，zi,j＝0表示前节点之间无连接。表中-1表示不存在这样的连接。
(3-2)将热电转化装置中所有的纯并联模块(前节点相连，后节点相连的模块)等效成一个模块。假设某个并联模块共有K个模块并联在一起。则等效电压和等效内阻为：
备注：N表示下标，总共从1到k。k1k2,k3,k4,k5,kN(N从1到k)。
Ri＝1/(1/Ri1+1/Ri2+1/Ri3+...1/RiK) (6)
(3-3)将其中并联支路中存在的串联模块(后节点与前节点相连)等效成一个模块。.假设某一个并联支路中有M个模块串联，则等效电压和等效内阻为：
Uj＝Uj1+Uj2+Uj3+...+UjM (7)
Rj＝Rj1+Rj2+Rj3+...+RjM (8)
(3-4)再将其中的存在的并联模块等效成一个模块.：
Rk＝1/(1/Rk1+1/Rk2+1/Rk3+...1/RkN) (10)
(3-5)现在将所有的串联模块相加得到总等效电压U和等效内阻R，计算此时可以输出的最大功率：
(3-6)不断进行xi,j，yi,j和zi,j的0-1组合得到不同的串并联模块组合得到每一个串并联模块的最大输出功率Pmax(i)，并在Pmax(i)中取最大值，其最大功率值对应的模块组合就是相应的最优模块组合。
考虑到上述方法是一个NP难度问题，在此对上述步骤提出简化步骤，采取局部逐级优化的方法：
1：将所有的热电模块全部串联，根据各个热电模块的开路电压和内阻求得功率P1；
2：从N个模块中选取两个热电模块并联并与其他的N-2个热电模块串联起来以获得最大功率P1'。
3：将2中使电路获得最大功率的两个热电模块等效成新的一个热电模块，并与剩下的N-2个热电模块组成新的N'个模块，并重复过程2；
4：当N＝1时，最大功率P＝MAX{P1'}；并根据每次的并联方式确定最终的拓扑结构。
简化步骤的算法具体实现步骤：
Ⅰ.第一轮时先求出N个热电模块串联的总功率：
Ⅱ.找出两个并联的热电模块使其与剩下的模块串联后获得最大功率：
Ⅲ.更新热点模块总数，N＝N-1；
Ⅳ.重复步骤Ⅱ，Ⅲ，直到N＝1,得到PMAX＝MAX{P}，并根据每次的并联方式确定最终的拓扑结构。
通过本发明所描述的以上技术方案，与现有技术相比，本发明具有以下的有益效果：
热电转换装置的整体效率和性能大为提升：由于汽车尾气热电转换装置的热交换器表面各处的温度分布难以实现完全相同，这样会造成各个热电模块的热源温度有高有低，采用现有单列式冷源结构的外部冷却系统时，各个热电模块的温差会有一定差异，从而造成开路电压与峰值功率对应的最大输出电流都会不同，加之原本加工制造工艺和安装方式的细微差别，各个热电模块的自身特性，如：内阻等参数也各不相同。若将所有热电模块进行串联，系统的最大内阻也最大(各个热电模块内阻之和)，由于木桶效应，系统的最大输出电流较小并受温差较小的热电模块影响；若将输出特性不同的热电模块进行随意并联，由于最终的输出端电压必须保持一致，根据基尔霍夫定律可知，开路电压不同的热电模块之间存在一定环流，流过热电模块的内阻会产生一定热量从而增加系统的内部功耗，降低系统的输出性能，这两种情况都难以发挥各个热电模块的发电性能。通过本发明结合各自的输出特性对它们进行串、并联电气拓扑结构优化后，在保证其输出电压不至于为零或负压的同时充分发挥各个热电模块的发电潜能，使得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为本发明热电模块组的布局和编号示意图。
图2为本发明汽车尾气热电转换装置的结构图。
图3为本发明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4为本发明单个热电模块的等效电路模型示意图。
图5为本发明不同发动机工况下热电模块的开路电压示意图。
图6为本发明热电模块的峰值功率对应电流的示意图。
图7为本发明热电模块的平均内阻图。
图8为本发明实施例七个热电模块的一种连接方式图。
图9为本发明优化方法的描述图。
图10为本发明实施例60个模块经过多次迭代后最大功率输出图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并通过一些实验提供具体的理论和实践支持，并不用于限定本发明。
(1)如图1所示，本发明一种优化汽车尾气热电转化装置电气拓扑结构的优化方法，包括以下步骤：测试单个热电模块的输出性能；
步骤(1)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)。为更直观的描述本发明，构建汽车尾气热电转换装置，其结构图如附图2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3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)。
(2)根据步骤(1)测试获得的热电模块的输出性能，创建各个热电器件的等效电路模型，单个热电模块的等效电路模型如附图4所示；
步骤(2)具体包括以下子步骤：
(2-1)设定单个热电模块内部串联的半导体电偶臂(PN结)对数为g，其内阻r可以表示为：
r＝glp/(σPAp)+glN/(σNAN) (1)
其中，lp、σP、Ap和lN、σN、AN分别为其中P型与N型半导体电偶臂的长度、电导率和横截面积；
(2-2)从附图3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4所示，其开路电压U、实际输出电压U0及其内阻r可以分别表示如下：
U＝gαPN(TH-TL)＝g(αP-αN)(TH-TL) (2)
U0＝U-ir (3)
r＝U/Imax (4)
其中，αPN为半导体的相对塞贝克系数(V/K)，αP和αN分别为P型与N型半导体的塞贝克系数(V/K)，TH和TL分别为热电模块内部半导体电偶臂的实际热端和冷源温度(K)，Imax为热电模块的短路电流(A)，i为热电模块的实际输出电流(A)；
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分别如附图5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4所示的等效电路模型，利用公式(4)计算各个热电模块的平均内阻估值如附图7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。
(3)根据步骤(2)创建的热电模块的等效电路模型进行拓扑结构优化计算，步骤(3)具体包括以下子步骤：
(3-1)构造连接矩阵，如下表格是60个热电模块时的矩阵，表中Ai表示模块i的后节点，Bi表示模块i的前节点。xi,j＝1表示模块i的后节点与模块j的前节点连接，xi,j＝0表示模块i与模块j的前节点无连接；yi,j＝1表示模块i的后节点与模块j的后节点连接，且xi,j+yi,j＝1以避免模块之间短路。yi,j＝0则表示后节点直接无连接，zi,j＝1表示节点i和节点j的前节点连接，zi,j＝0表示前节点之间无连接。表中-1表示不存在这样的连接。
模块标号 A1 A2 ... A60 B1 ... B60
A1 -1 y1.2 y1.60 -1 ... x1.60
A2 y2.1 -1 y2.60 x2.1 ... x2.60
... ... ... -1 ... ... ... ...
A60 y60.1 y60.2 ... -1 x60.1 ... -1
B1 -1 x1.2 ... x1.60 -1 ... z58.60
.. ... ... ... ... ... -1 ...
B60 x60.1 x60.2 ... -1 z60.1 ... -1
现举例说明：如附图8，为七个热电模块的一种连接方式，根据规则，则其连接矩阵见下表：
(3-2)将热电转化装置中所有的纯并联模块(前节点相连，后节点相连的模块)等效成一个模块。假设某个并联模块共有K个模块并联在一起。则等效电压和等效内阻为：
Ri＝1/(1/Ri1+1/Ri2+1/Ri3+...1/RiK) (6)
(3-3)将其中并联支路中存在的串联模块(后节点与前节点相连)等效成一个模块。假设某一个并联支路中有M个模块串联，则等效电压和等效内阻为：
Uj＝Uj1+Uj2+Uj3+...+UjM (7)
Rj＝Rj1+Rj2+Rj3+...+RjM (8)
(3-4)再将其中的存在的并联模块等效成一个模块.：
备注：N表示下标，总共从1到k。k1k2,k3,k4,k5,kN(N从1到k)。
Rk＝1/(1/Rk1+1/Rk2+1/Rk3+...1/RkN) (10)
(3-5)现在将所有的串联模块相加得到总等效电压U和等效内阻R，计算此时可以输出的最大功率：
(3-6)不断进行xi,j，yi,j和zi,j的0-1组合得到不同的串并联模块组合得到每一个串并联模块的最大输出功率Pmax(i)，并在Pmax(i)中取最大值，其最大功率值对应的模块组合就是相应的最优模块组合。
(4)根据步骤(3)优化后的拓扑结构，重新构建汽车尾气热电转换装置。
在此对上述步骤提出简化步骤，采取局部逐级优化的方法：
1：将所有的热电模块全部串联，根据各个热电模块的开路电压和内阻求得功率P1；
2：从N个模块中选取两个热电模块并联并与其他的N-2个热电模块串联起来以获得最大功率P1'。
3：将2中使电路获得最大功率的两个热电模块等效成新的一个热电模块，并与剩下的n＝N-2个热电模块组成新的N'个模块，并重复过程2；
4：当n＝1时，最大功率P＝MAX{P1'}；并根据每次的并联方式确定最终的拓扑结构。
简化步骤的算法具体实现步骤：
Ⅰ.第一轮时先求出N个热电模块串联的总功率：
Ⅱ.找出两个并联的热电模块使其与剩下的模块串联后获得最大功率：备注：i,j是两个并联的模块。i表示第一个，j表示第二个
Ⅲ.更新热点模块总数，令n＝N-1；
Ⅳ.重复步骤Ⅱ，Ⅲ，直到n＝1,得到PMAX＝MAX{P}，并根据每次的并联方式确定最终的拓扑结构。算法图解过程如附图9所示。
现在我们通过实验测得了60个热电模块在某一温度下的开路电压以及内阻。按照简化的算法模型，计算结果如下：
最大输出功率的输出图像如附图10所示。由上可知，经过第六轮迭代后，获得最大输出功率，而对于此温度下的60个热电模块的最佳组合方式：(3，33)并联，(5，38，43，8)模块并联，(13，7)模块并联，(14，42)模块并联并且这些并联模块与剩下的热电模块进行串联的组合方式。
通过每层热电模块组中除C1、C2、C3和C4之外的其它各列热电模块在上述整体式、单列式和独立式冷源结构中空载电压和最大输出功率的测试同样可以发现，采用独立式冷源结构时热电模块的输出性能最好，单列式结构条件下次之，整体式结构条件下最差，变化规律和与上述测试结果完全相同。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种汽车尾气热电转换装置电气拓扑结构的优化方法，所述优化方法包括如下步骤：
(1)测试单个热电模块的输出性能；
(2)根据步骤(1)测试获得的热电模块的输出性能，创建各个热电模块的等效电路模型；
(3)根据步骤(2)创建的热电模块的等效电路模型进行拓扑结构优化计算；
(4)根据步骤(3)优化后的拓扑结构，构建汽车尾气热电转换装置；所述步骤(1)包括以下步骤：
(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典型的电压—电流—功率特性曲线；
(1-3)改变热源温度，重复步骤(1-2)；
其特征在于，所述步骤(2)包括以下步骤：
(2-1)设定热电模块内部串联的半导体电偶臂对数，将热电模块内阻用其中的P型与N型半导体电偶臂的长度、电导率和横截面积参数表示；
(2-2)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，建立等效模型。
2.根据权利要求1所述的热电转换装置电气拓扑结构的优化方法，其特征在于，所述步骤(3)包括以下步骤：
(3-1)构造连接矩阵；
(3-2)将热电转化装置中所有的纯并联热电模块等效成一个热电模块，得到其等效电压和等效内阻；
(3-3)将其中并联支路中存在的串联热电模块等效成一个热电模块，得到其等效电压和等效内阻；
(3-4)再将步骤(3-3)中得到的新拓扑中存在的并联热电模块等效成一个热电模块，得到新的等效电压和等效内阻；
(3-5)将经步骤(3-2)、步骤(3-4)以及原有串联热电模块得到的所有的串联热电模块相加得到总等效电压和等效内阻，计算此时可以输出的最大功率；
(3-6)利用连接矩阵不断进行组合得到不同的串并联热电模块组合得到每一个串并联热电模块的最大输出功率，其最大功率值对应的热电模块组合就是相应的最优热电模块组合。
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