CN106571751A - 一种汽车尾气温差发电系统及其冷却方法和对尾气流量控制的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车尾气温差发电系统及其冷却方法和对尾气流量控制的方法，集热系统通过电子控制单元对温差发电装置的热端温度进行控制从而实现对尾气的分流，温差发电装置通过在温差发电材料的两端(尾气形成的热端，冷却系统对温差发电材料进行冷却所形成的冷端)形成温差产生电能，冷却系统通过风冷以及对水冷的控制来实现对冷端的降温，温度保护系统在连接冷凝管的阀门完全打开时(通过电子控制单元来控制连接集热器阀门的关闭)保护温差发电系统，DC‑DC控制电路对温差发电装置产生的不稳定开路电压进行整合得到恒定的输出电功率并对蓄电池进行充电，蓄电池在必要时给车载用电器供电。

Description

一种汽车尾气温差发电系统及其冷却方法和对尾气流量控制 的方法

技术领域

本发明提供了一种新型汽车尾气温差发电装置及冷却和对尾气流量控制的方法，属于汽车尾气能量回收利用技术领域。

背景技术

现有汽车在行驶过程中，燃料燃烧产生的能量最多只有约25-30％左右可以转化为驱动汽车行驶的动能，剩余70％左右的能量通过尾气排放等形式(其中约40％的能量随尾气排出)散失到大气之中，造成了巨大的能量损失和严重的环境污染。

温差发电装置是基于热电材料的塞贝克效应发展起来的一种发电技术，将P型和N型两种不同类型的热电材料(P型是富空穴材料，N型是富电子材料)一端相连形成一个PN结，置于高温状态，另一端形成低温，则由于热激发作用，P(N)型材料高温端空穴(电子)浓度高于低温端，因此在这种浓度的驱动下，空穴和电子就开始向低温端扩散，从而形成电动势，这样热电材料就通过高低温端间的温差完成了将高温端输入的热能直接转换为电能。汽车尾气温差发电系统主要安装在汽车排气系统位于三元催化器与消音器之间的位置，汽车的尾气作为热源端并对温差发电装置的冷端进行冷却，当两端形成温度差时产生电能。温差发电通过废热回收利用产生的电能可供汽车蓄电池充电从而提供汽车额外的电能。温差发电在实际发电过程中使用的热能仅仅来源于汽车排放的高温废气，因此汽车尾气温差发电系统不仅在降低汽车燃油消耗上起着重要的作用，而且在减少尾气排放上也具有相当重要的意义。

目前，专利号为CN104279078A的发明专利，其汽车尾气温差发电系统仅采用单一的水冷方式对散热片进行冷却，通过冷却在温差发电装置的两端形成温差，从而产生电动势，然而单一的冷却方法无法对汽车不同的车况进行合理的冷却，或造成冷却量不够、冷却量过高等多种不良后果。因此，采取合适的冷却方法对于提高温差发电的效率十分重要。专利号为CN205260106U的发明专利，提出的集热装置只是对尾气进行分流而没有考虑温差发电装置热端可承受的最大温度限值，目前关于集热器内废气流量精确控制的专利发明相对甚少，一旦温差发电装置热端达到其可承受的最大温度限值时，可能会导致装置的损坏，所以对温差发电装置中废气流量的控制相当重要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种汽车尾气温差发电系统及其冷却方法，采用控制尾气流量的方法解决了温差发电装置热端因承受温度过高而导致损坏的问题；并通过水冷和风冷作为冷却系统的工作方式，提高了温差发电系统的效率、充分提高了废气能源的利用率。

本发明一种汽车尾气温差发电系统采用的技术方案是：包括集热系统、温差发电装置、冷却系统、温度保护系统、DC-DC控制系统、蓄电池。三位四通阀2的进口端连接尾气排气管1，阀门A、阀门B、阀门C分别连接集热器A、集热器B、冷凝管7；温差发电装置6(包括温差发电装置A和温差发电装置B)的热端贴合在集热器5的外表面；温差发电装置6由2组温差发电单元组成，一组温差发电单元由多对P型温差电偶臂和N型温差电偶臂组成；P型温差电偶臂和N型温差电偶臂分别通过电导线、DC-DC控制电路11连接蓄电池12；温度传感器A安装在温差发电装置A的热端用来感应温差发电装置A热端的温度，温度传感器B安装在三位四通阀2的进口端用来感应尾气进口端的温度，温度传感器A、温度传感器B、三位四通阀2通过信号线连接电子控制单元4，电子控制单元4通过接收信号实现对阀门的控制；冷却系统包括水冷和风冷，温差发电装置6的冷端通过水冷通道13依次与单向控制阀10和发动机水箱9连接，并通过风冷通道14和空气风扇8连接；冷凝管7进口端连接阀门C的出口，出口端连接发动机水箱，发动机水箱9内部装有温度传感器C，温度传感器C通过信号线连接电子控制单元4，电子控制单元4通过接受信号实现对单向阀开关的控制；其中单向控制阀安装在10水冷通道13与发动机水箱9之间，单向控制阀10一端连接发动机水箱9并通过信号线连接电子控制单元4，另一端连接水冷通道13；水冷通道13和风冷通道中间14通过隔离板15进行隔离，与温差发电装置6的冷端连接的散热片穿过隔离板15依次与水冷通道13和风冷通道14充分接触。

本发明的汽车尾气温差发电系统中对尾气流量控制方法采用的技术方案是包括如下步骤：

步骤1，阀门A在汽车启动到温度保护系统开启时一直处于完全打开状态，当保护系统打开时关闭；

步骤2，当开始有尾气产生时，阀门C完全关闭，通过实验可以得出此时温差发电装置A的热端温度关于阀门B开度和三位四通阀2进口端温度的函数表达式a，电子控制单元4在接收到温度传感器B的信号后，通过控制阀门B的开度来使得温差发电装置A的热端温度接近可承受的最大温度限值；

步骤3，当阀门B完全打开时，其温差发电装置B热端的温度变化与温差发电装置A一致；通过实验可以得出此时温差发电装置A热端的温度关于阀门C开度和三位四通阀2进口端温度的函数表达式b，电子控制单元4在接收到温度传感器B的信号后，通过控制阀门C的开度来使得温差发电装置A、温差发电装置B的热端温度接近可承受的最大温度限值；

步骤4，当阀门C完全打开时，此时温差发电装置A、温差发电装置B均达到其热端可承受的最大温度限值，此时温度保护系统工作，通过电子控制单元4控制阀门A、阀门B的关闭，使其尾气全部从阀门C出去。

本发明汽车尾气温差发电系统的冷却方法采用的技术方案是包括如下步骤：

步骤a，空气风扇8在汽车行驶过程中始终工作；

步骤b，水冷通道连接冷凝管7的部分，在阀门C打开时开始接通水冷通道13；

步骤c，水冷通道连接发动机水箱9的部分，电子控制单元4接收温差发电装置A内温度传感器A的信号以及发动机水箱9内的温度传感器C的信号控制单向阀的开关，当温差发电装置A的热端温度低于某一设定值时，电子控制单元4控制单向阀门10关闭，发动机水箱9不提供冷却水源；当温度温差发电装置A的热端温度高于某一设定值时，且发动机水箱9内的温度低于某一设定值时，电子控制单元4控制单向阀门10打开，发动机水箱9提供冷却水源；当发动机水箱内9的温度高于某一设定值时，电子控制单元4控制单向阀门10关闭，发动机水箱9不提供冷却水源；

步骤d，当存在水冷工作时，隔离板15关闭，冷却水从水冷通道13通过，空气风扇8产生的风从风冷通道14通过；当不存在水冷工作时，隔离板15完全打开，空气风扇8产生的风可以从水冷通道13和风冷通道14通过。

本发明具有以下的技术效果：可以通过温度传感器获得温差发电装置热端的温度，实现对尾气的分流控制；通过温度传感器获得发动机水箱的温度以及温差发电装置热端的温度，实现对连接发动机水箱的水冷系统控制。

附图说明

附图1是温差发电系统结构示意图；

附图2是集热器阀门控制流程图；

附图3是冷却系统控制流程图；

附图4是三位四通阀内部件安装图。

图中：1-排气管，2-三位四通阀，2-1-阀门A，2-2-阀门B，2-3-阀门C，3-1-温度传感器A，3-2-温度传感器B，3-3-温度传感器C，4-电子控制单元，5-1-集热器A，5-2-集热器B，6-温差发电装置，6-1-温差发电装置A，6-2-温差发电装置B，7-冷凝管，8-空气风扇，9-发动机水箱，10-单向控制阀，11-DC-DC控制电路，12-蓄电池，13-水冷通道，14-风冷通道，15-隔离板。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种新型汽车尾气温差发电系统，包括集热系统、温差发电装置、冷却系统、温度保护系统、DC-DC控制系统、蓄电池。

三位四通阀2的进口端连接尾气排气管1，阀门A、阀门B、阀门C分别连接集热器A、集热器B、冷凝管7，并安装在排气管中三元催化器和消音器之间的位置；冷凝管7与汽车排气管在同一直线上，集热器A与集热器B关于冷凝管7对称且成30°进行安装。

温差发电装置6(包括温差发电装置A和温差发电装置B)的热端贴合在集热器5的外表面，其中集热器A和集热器B、温差发电装置A和温差发电装置B之间的内部结构和材料、安装在集热器上的位置完全一样。

温度传感器A安装在温差发电装置A的热端，温度传感器B安装在三位四通阀2的进口端，温度传感器A、温度传感器B、三位四通阀2通过信号线连接电子控制单元4。电子控制单元4通过接受温度传感器A、温度传感器B、三位四通阀2的信号控制阀门的开度、实现尾气的分流，并使温差发电装置的热端温度接近最大可承受温度的限值。

如图2所示为汽车尾气温差发电系统中对尾气流量控制的方法流程图：(1)阀门A在汽车启动到温度保护系统开启时一直处于完全打开状态，当保护系统打开时关闭；(2)当开始有尾气产生时，阀门C完全关闭，通过实验可以得出此时温差发电装置A的热端温度关于阀门B开度和三位四通阀2进口端温度的函数表达式a，电子控制单元4在接收到温度传感器B的信号后，通过控制阀门B的开度来使得温差发电装置A的热端温度接近可承受的最大温度限值；(3)当阀门B完全打开时，其温差发电装置B热端的温度变化与温差发电装置A一致；通过实验可以得出此时温差发电装置A热端的温度关于阀门C开度和三位四通阀2进口端温度的函数表达式b，电子控制单元4在接收到温度传感器B的信号后，通过控制阀门C的开度来使得温差发电装置A、温差发电装置B的热端温度接近可承受的最大温度限值；(4)当阀门C完全打开时，此时温差发电装置A、温差发电装置B均达到其热端可承受的最大温度限值，此时温度保护系统工作，通过电子控制单元4控制阀门A、阀门B的关闭，使其尾气全部从阀门C出去。

温差发电装置6由2组温差发电单元组成，一组温差发电单元由多对P型温差电偶臂和N型温差电偶臂组成，温差电单元的P型温差电偶臂相串联、N型温差电偶臂相串联，若干个P型温差电偶臂和若干个N型温差电偶臂间隔布置，组成N-P-N-P布置结构或者P-N-P-N布置结构，P型温差电偶臂和N型温差电偶臂分别通过电导线、DC-DC控制电路11连接蓄电池12；

冷却系统包括水冷和风冷，温差发电装置6的冷端通过水冷通道13分别和冷凝管7和发动机水箱9连接，并通过风冷通道14和空气风扇8连接；冷凝管7直接连接水冷通道13，发动机水箱9内部装有温度传感器C，温度传感器C通过信号线连接电子控制单元4；水冷通道13与发动机水箱9之间安装有单向控制阀10，单向控制阀10一端连接发动机水箱9并通过信号线连接电子控制单元4，另一端连接水冷通道13；水冷通道13和风冷通道14中间通过隔离板15进行隔离，与温差发电装置6的冷端连接的散热片穿过隔离板15依次与水冷通道13和风冷通道14充分接触。

电子控制单元4通过接收温度传感器A、温度传感器C的信号来控制单向阀门的开关。

如图3所示为汽车尾气温差发电系统的冷却方法流程图：(1)空气风扇8在汽车行驶过程中始终工作；(2)水冷通道连接冷凝管7的部分，在阀门C打开时开始接通水冷通道13；(3)水冷通道连接发动机水箱9的部分，电子控制单元4接收温差发电装置A内温度传感器A的信号以及发动机水箱9内温度传感器C的信号，当温差发电装置A的热端温度低于某一设定值时，电子控制单元4控制单向阀门10关闭，发动机水箱9不提供冷却水源；当温差发电装置A的热端温度高于某一设定值时，且发动机水箱9内的温度低于某一设定值时，电子控制单元4控制单向阀门10打开，发动机水箱9提供冷却水源；当发动机水箱9内的温度高于某一设定值时，电子控制单元4控制单向阀门10关闭，发动机水箱9不提供冷却水源；(4)当存在水冷工作时，隔离板15关闭，冷却水从水冷通道13通过，空气风扇8产生的风从风冷通道14通过；当不存在水冷工作时，隔离板15完全打开，空气风扇8产生的风可以从水冷通道13和风冷通道14通过。

DC-DC控制电路11对不稳定的开路电压进行整合，得到恒定的输出电功率对蓄电池12进行充电，蓄电池12对电能进行存储从而在必要时对车载用电器进行供电。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种汽车尾气温差发电系统，其特征是：包括集热器(5)、温差发电装置(6)、冷却系统、温度保护系统、DC-DC控制系统、蓄电池(12)；集热器(5)包括集热器A(5-1)、集热器B(5-2)；温差发电装置(6)包括温差发电装置A(6-1)和温差发电装置B(6-2)，冷却系统包括水冷和风冷单元，温度保护系统包括冷凝管(7)、阀门B(2-2)，DC-DC控制系统包括DC-DC控制电路(11)；

尾气排气管(1)连接三位四通阀(2)的进口端，三位四通阀(2)包括阀门A(2-1)、阀门B(2-2)、阀门C(2-3)，阀门A(2-1)连接集热器A(5-1)，阀门B(2-2)连接冷凝管(7)，阀门C(2-3)连接集热器B(5-2)；温差发电装置(6)的热端贴合在集热器(5)的外表面；温差发电装置(6)由两组温差发电单元组成，一组温差发电单元由多对P型温差电偶臂和N型温差电偶臂组成；P型温差电偶臂和N型温差电偶臂分别通过电导线、DC-DC控制电路(11)连接蓄电池(12)；温度传感器A(3-1)安装在温差发电装置A(6-1)的热端，温度传感器B(3-2)安装在三位四通阀(2)的进口端，温度传感器A(3-1)、温度传感器B(3-2)、三位四通阀(2)通过信号线连接电子控制单元(4)；水冷单元包括发动机水箱(9)、水冷通道(13)、单向控制阀(10)，风冷单元包括风冷通道(14)和空气风扇(8)，温差发电装置(6)的冷端通过水冷通道(13)依次与单向控制阀(10)和发动机水箱(9)连接，并通过风冷通道(14)和空气风扇(8)连接；冷凝管(7)进口端连接阀门C的出口，冷凝管(7)的出口端连接发动机水箱(9)，发动机水箱(9)内部装有温度传感器C(3-3)，温度传感器C(3-3)通过信号线连接电子控制单元(4)；水冷通道(13)与发动机水箱(9)之间安装有单向控制阀(10)，单向控制阀(10)一端连接发动机水箱(9)并通过信号线连接电子控制单元(4)，另一端连接水冷通道(13)；水冷通道(13)和风冷通道中间(14)通过隔离板(15)进行隔离，与温差发电装置(6)的冷端连接的散热片穿过隔离板(15)依次与水冷通道(13)和风冷通道(14)充分接触。

2.根据权利要求1所述的汽车尾气温差发电系统，其特征是：集热器A(5-1)、集热器B(5-2)、冷凝管(7)安装在排气管中三元催化器和消音器之间的位置；冷凝管(7)与汽车排气管(1)在同一直线上，集热器A(5-1)与集热器B(5-2)关于冷凝管(7)对称且成30°进行安装。

3.根据权利要求1所述的汽车尾气温差发电系统，其特征是：集热器A(5-1)和集热器B(5-2)之间的内部结构和材料完全一致；温差发电装置A(6-1)和温差发电装置B(6-2)之间的内部结构和材料完全一致，其安装在集热器上的位置也完全一致。

4.根据权利要求1所述的汽车尾气温差发电系统，其特征是：所述温差电单元的P型温差电偶臂相串联、N型温差电偶臂相串联。

5.根据权利要求4所述的汽车尾气温差发电系统，其特征是：若干个P型温差电偶臂和若干个N型温差电偶臂间隔布置，组成N-P-N-P布置结构或者P-N-P-N布置结构。

6.根据权利要求1所述的汽车尾气温差发电系统，其特征是，DC-DC控制电路(11)对不稳定的开路电压进行整合，得到恒定的输出电功率对蓄电池(12)进行充电，蓄电池(12)存储电能并在必要时对车载用电器供电。

7.一种如权利要求1所述的汽车尾气温差发电系统对尾气流量控制的方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤1，阀门A(2-1)在汽车启动到温度保护系统开启时一直处于完全打开状态，当保护系统打开时阀门A(2-1)关闭；

步骤2，当开始有尾气产生时，阀门C(2-3)完全关闭，通过实验可以得出此时温差发电装置A(6-1)的热端温度关于阀门B(2-2)开度和三位四通阀(2)进口端温度的函数表达式a，电子控制单元(4)在接收到温度传感器B(3-2)的信号后，通过控制阀门B(2-2)的开度来使得温差发电装置A(6-1)的热端温度接近可承受的最大温度限值；

步骤3，当阀门B(2-2)完全打开时，其温差发电装置B(6-2)热端的温度变化与温差发电装置A(6-1)一致；通过实验可以得出此时温差发电装置A(6-1)热端的温度关于阀门C(2-3)开度和三位四通阀(2)进气口端温度的函数表达式b，电子控制单元(4)在接收到温度传感器B(3-2)的信号后，通过控制阀门C(2-3)的开度来使得温差发电装置A(6-1)、温差发电装置B(6-2)的热端温度接近可承受的最大温度限值；

步骤4，当阀门C(2-3)完全打开时，此时温差发电装置A(6-1)、温差发电装置B(6-2)均达到其热端可承受的最大温度限值，此时温度保护系统工作，通过电子控制单元(4)控制阀门A(2-1)、阀门B(2-2)的关闭，使其尾气全部从阀门C(2-3)出去。

8.一种如权利要求1所述的汽车尾气温差发电系统的冷却方法，其特征是包括如下步骤：

步骤a，空气风扇(8)在汽车行驶过程中始终工作；

步骤b，水冷通道连接冷凝管(7)的部分，在阀门C(2-3)打开时开始接通水冷通道(13)；

步骤c，水冷通道连接发动机水箱(9)的部分，电子控制单元(4)接收温差发电装置A(6-1)内温度传感器A(3-1)的信号以及发动机水箱(9)的温度传感器C(3-3)的信号，当温差发电装置A(6-1)热端温度低于某一设定值时，电子控制单元(4)控制单向阀门(10)关闭，发动机水箱(9)不提供冷却水源；当温差发电装置A(6-1)热端温度高于某一设定值时，且发动机水箱(9)内的温度低于某一设定值时，电子控制单元(4)控制单向阀门(10)打开，发动机水箱(9)提供冷却水源；当发动机水箱(9)内的温度高于某一设定值时，电子控制单元(4)控制单向阀门(10)关闭，发动机水箱(9)不提供冷却水源；

步骤d，当存在水冷工作时，隔离板(15)关闭，冷却水从水冷通道(13)通过，空气风扇(8)产生的风从风冷通道(14)通过；当不存在水冷工作时，隔离板(15)完全打开，空气风扇(8)产生的风可以从水冷通道(13)和风冷通道(14)通过。