CN113987845A - 一种基于权重功率偏差尾气热电发电装置优化方法及系统 - Google Patents

一种基于权重功率偏差尾气热电发电装置优化方法及系统 Download PDF

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CN113987845A CN202111611810.7A CN202111611810A CN113987845A CN 113987845 A CN113987845 A CN 113987845A CN 202111611810 A CN202111611810 A CN 202111611810A CN 113987845 A CN113987845 A CN 113987845A
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Abstract

本发明公开了一种基于权重功率偏差尾气热电发电装置优化方法及系统，其方法包括以下步骤：步骤1：测试热电发电机内热电半导体的性能，并对热电半导体的热电偶编号，建立汽车尾气热电发电装置的热力学方程组和电压—电流—功率关系式；步骤2：根据热电发电机内传热特性建立汽车尾气热电发电装置的机理模型；步骤3：根据热电发电机机理模型，采用权重功率偏差方法进行热电发电机结构的优化计算，得到优化的热电偶数量；步骤4：根据最优热电偶数量，构建汽车尾气热电发电装置。本发明的优点在于：其通过对汽车发动机不同工况下的尾气温度和质量流量进行加权，得到最优的热电发电机系统配置，提升汽车尾气热电发电装置的整体性能和效率。

Description

一种基于权重功率偏差尾气热电发电装置优化方法及系统
技术领域
本发明涉及档案管理技术领域，具体涉及一种基于权重功率偏差尾气热电发电装置优化方法及系统。
背景技术
由大量P型和N型半导体组成的热电发电（TEG）系统可以根据塞贝克效应将热能清洁地转换为电能。在未来，它将实现提高燃料效率和减少有害排放的需求。热电发电机因其可靠性高、运动部件少、环境友好等优点而受到广泛关注。通过热电技术回收汽车尾气余热用于发电是一个有效的途径，并可以显著提高燃油经济性。传统的汽车尾气余热发电系统主要包括热交换器、冷却系统和热电模块。目前，热电发电应用面临的主要挑战是提高热电材料的效率和优化系统配置设计。在目前的研究中，分别从提高热电材料优值（ZT值）和改进热交换器、增强传热等方面进行了优化，以提高热电发电装置的能效。
在恒定热流条件下，可以通过改变热电模块的参数使效率和输出功率最大化。而对于车载热电发电机而言，发动机排气的质量流量和温度随汽车工况的变化而变化，热电模块沿发动机排气管轴向排列，实际工作温度随着热流体的温度梯度而变化。从热电发电系统集成的角度来看，热电偶并不是越多越好，因为串联连接导致整个电路的电流值相同，总电阻与模块长度呈线性关系，并且考虑温度梯度时，各热电偶产生的电动势沿流体流动方向随温差减小而减小。此外，为了安装更多的热电模块，增加了排气管的长度，这可能导致汽车发动机排气背压增加，导致热电发电机的总净功率下降。另一种实际情况是，发动机排气的温度和质量流量等参数随汽车的运行条件而变化很大。因此，在设计和优化车载热电发电机时，应考虑到这些特点。
综上所述，由于技术限制，车载热电发电系统的商业化还存在一些挑战，有必要对热电发电系统配置进行优化设计。然而，目前的研究结果仅限于一些特定的工作条件，若流体参数或传热过程发生任何变化，都可能会产生不同的优化结果。目前为止的大部分汽车尾气余热发电系统的优化过程是将热流体的温度、质量流量和冷却条件设置为一个恒定值。由于实际应用中的传热条件和尾气的温度变化很大，主要取决于汽车发动机的运行状况以及换热器类型和流体速度。因此，仍然缺乏一种高效的优化方法，以适用于各种工作条件下的车载热电发电系统。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种基于权重功率偏差尾气热电发电装置优化方法及系统，其方法同时考虑了流体参数和冷却条件的影响因素，基于热路网络构建热电发电机机理模型，实现对车载热电发电装置的优化。
为实现上述目的，本发明所设计的一种基于权重功率偏差尾气热电发电装置优化方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：测试热电发电机内热电偶的性能，并对热电偶编号，建立汽车尾气热电发电装置的热力学方程组和电压—电流—功率关系式；
步骤2：根据所述的热电发电机内传热特性建立汽车尾气热电发电装置的机理模型；
步骤3：根据热电发电机机理模型，采用权重功率偏差方法进行热电发电机结构的优化计算，得到优化的热电偶数量；
步骤4：根据最优热电偶数量，构建汽车尾气热电发电装置。
进一步地，所述步骤1中还包括以下步骤：
步骤1.1：确定热电偶的物理特性；
步骤1.2：将每个热电偶作为一个计算单元，分析热电发电机的内传热特性，根据传热规律建立其热力学方程组；
步骤1.3：建立热电发电机的一组电压—电流—功率关系式。
更进一步地，所述步骤1.2中，建立热力学方程组的具体方法为：
令汽车尾气方向为x方向，垂直汽车尾气方向为y方向，热电发电机x方向上设有n x 个热电偶，热电发电机y方向上设有n y 个热电偶，一个P型半导体和一个N型半导体组成一个热电偶，每个热电偶为一个计算单元，用上标(i,j)表示第i行，第j列个计算单元；
根据内传热特性和热传导、珀尔贴效应和焦耳效应，热电模块热端热流Q h 和热电模块冷热冷流Q c 的表达式分别为：
Figure 56774DEST_PATH_IMAGE001
（1）
式中：α pn 为一个热电偶的塞贝克系数，K pn 为一个热电偶的热导率，R pn 为一个热电偶的电阻，T h 为热电器件的热端温度和T c 为热电器件的冷端温度，I为回路电流；
根据热传导的不可逆性和牛顿传热定律，热电发电机热端热流Q h 和冷热冷流Q c 可以表示为：
Figure 239494DEST_PATH_IMAGE002
（2）
式中：k f 为热电模块热端的总对流传热系数，k a 为热电模块冷端的总对流传热系数，S h 为热电偶热端的传热面积，S c为热电偶冷端的传热面积，T fav 为计算单元上热流的平均温度，T aav 为计算单元上冷流的平均温度；
根据传热速率以及能量守恒，即流体释放的热量等于热电器件吸收的热量，热电发电机热端热流Q h 和冷端冷流Q c 可以表示为：
Figure 924291DEST_PATH_IMAGE003
（3）
式中：n y 是y方向上热电偶的数量，c pf 为热流体的比热容，c pa 为冷流体的比热容，m f 为热流体的质量流量，m a 为冷流体的质量流量，T f i 为热流体进入计算单元的温度，T f i+1 为热流体流出计算单元的温度，T a i 为冷流体进入计算单元的温度，T a i+1 为冷流体流出计算单元的温度；
如果热流和冷流方向改变，
当热流体和冷流体同向流动时，冷端热流表达式为：
Figure 850659DEST_PATH_IMAGE004
当热流体和冷流体逆向流动时，冷端热流表达式为：
Figure 805976DEST_PATH_IMAGE005
式（1）、（2）、（3）联立即为热力学方程组。
进一步地，所述步骤1.3中，电压—电流—功率关系式的建立方法为：
热电发电机的电压U的计算式为：
Figure 894018DEST_PATH_IMAGE006
（4）
式中：α pn 为一个热电偶的塞贝克系数，T h i 为第i行热电偶的热端温度；T c i 为第i行热电偶的冷端温度；n x 为x方向热电偶的数量，n y 为y方向热电偶的数量；
热电发电机的电流I的计算式为：
Figure 692210DEST_PATH_IMAGE007
（5）
式中：R L 为负载，R pn 为热电偶的电阻；
热电发电机的输出功率P teg 的计算式为：
Figure 32055DEST_PATH_IMAGE008
（6）
式中：Q h i 为第i个计算单元的热端热流，Q c i 为第i个计算单元的冷端冷流；
式（4）、（5）、（6）即为电压—电流—功率关系式。
更进一步地，所述步骤2中还包括以下步骤：
步骤2.1：令热流体和冷流体的初始温度和质量流量恒定，设定热电发电机x方向上热电偶个数n x 的最大设定值为n xmax ，热电发电机y方向上热电偶个数n y 的最大设定值为n ymax ；
所述n xmax 的计算方法为：
n xmax = ⌊ 热电发电机x方向安装长度 / （热电偶x方向长度 + P型半导体和N型半导体之间的间隙 ）⌋；
所述n ymax 的计算方法为：
n ymax = ⌊ 热电发电机y方向安装长度 / （热电偶y方向长度 + P型半导体和N型半导体之间的间隙 ）⌋；
步骤2.2：初始化x方向上的热电偶数量n x 为0；
步骤2.3：增加x方向上的热电偶数量n x ，并设定初始化电流I 0 ；
步骤2.4：依据初始化电流I 0 ，计算热电偶的温度分布趋势，根据温度分布趋势，计算此时热电发电机的输出电流I n ；
步骤2.5，判断输出电流I n 与初始化电流I 0 是否满足收敛条件，不满足返回步骤2.3重新设置初始电流I 0 等于I n ，满足则执行步骤2.6；所述收敛条件为输出电流I n 与初始化电流I 0 差值为0，此时精度最高。
步骤2.6：x方向上的热电偶数量n x 增加到最大设定值n xmax 后，得出最大输出功率P teg.max 及对应的热电偶数量n xbp ；即热电发电机内热电偶在x方向上的数量为n xbp ，在y方向上的热电偶数量为n ymax 时，为优化的热电发电机机理模型。
作为优选项，所述步骤2.3中，初始化电流I 0 的计算方法为：
令热电偶冷热两端的温差为100℃，初始化电流I 0 的计算公式为：
Figure 966513DEST_PATH_IMAGE009
（7）
式中：α pn 为一个热电偶的塞贝克系数，R pn 为一个热电偶的电阻，R L 表示负载；n x 为此时x方向上热电偶的个数。
作为优选项，所述步骤2.4中，输出电流I n 的计算方法为：
令热电发电机的负载电阻R L 等于内阻，计算单元上热流的平均温度T fav 和冷流的平均温度T aav 公式为：
Figure 491036DEST_PATH_IMAGE010
（8）
联立公式（1）、（2）、（3）、（8），并将I 0 的值代入下式中的I：
Figure 386310DEST_PATH_IMAGE011
*
Figure 654481DEST_PATH_IMAGE012
从而求得T h i 和T c i ，再将T h i 和T c i 代入公式（5）求解得到I n 。
进一步地，所述步骤3中还包括以下步骤：
步骤3.1：根据步骤2.6的机理模型，计算出不同热电偶数量n x 下的功率偏差曲线dev；
步骤3.2：根据汽车在一个正常循环行驶周期内不同的尾气温度、质量流量等级的持续时间在一个循环周期内的占比，计算汽车尾气的温度权重C T 和质量流量权重C m ；
步骤3.3：将汽车尾气的质量流量权重C m 赋予功率偏差曲线dev，得到不同质量流量下的质量流量加权功率偏差曲线dev cm ；
步骤3.4：将质量流量加权功率偏差曲线dev cm 相加，得到质量流量加和功率偏差曲线dev m ；
步骤3.5：将汽车尾气的温度权重C T 赋予质量流量加和功率偏差曲线dev m ，得到不同温度下的温度加权功率偏差曲线dev m,cT ；
步骤3.6：将温度加权功率偏差曲线dev m,cT 相加，得到质量流量温度功率偏差曲线dev m,T ，通过质量流量温度功率偏差曲线dev m,T 得到最优热电发电机内的热电偶数量n xbp ’ 。
作为优选项，所述步骤3.1中，不同热电偶数量下的功率偏差曲线dev的计算式为：
Figure 443445DEST_PATH_IMAGE013
（9）
式中：P teg.max 为热电发电机输出功率最大值，P teg 为热电发电机的输出功率。
所述步骤3.3中，质量流量加权功率偏差曲线dev cm 的计算式为：
Figure 778349DEST_PATH_IMAGE014
（10）
式中：P teg.max 为热电发电机输出功率最大值，P teg 为热电发电机的输出功率；C m 为汽车尾气的质量流量权重；
所述步骤3.4中，温度加权功率偏差曲线dev m,cT 的计算式为：
Figure 285554DEST_PATH_IMAGE015
（11）
式中：P teg.max 为热电发电机输出功率最大值，P teg 为热电发电机的输出功率；C T 为汽车尾气的温度权重。
本发明还提出一种基于权重功率偏差的汽车尾气热电发电装置优化系统，所述系统包括测试模块、建模模块、优化计算模块、构建模块；
所述测试模块：用于测试热电发电机内热电偶的性能，并对热电偶编号，建立汽车尾气热电发电装置的热力学方程组和电压—电流—功率关系式；
所述建模模块：用于根据所述的热电发电机内传热特性建立汽车尾气热电发电装置的机理模型；
所述优化计算模块：用于根据热电发电机机理模型，采用权重功率偏差方法进行热电发电机结构的优化计算，得到优化的热电偶数量；
所述构建模块：用于根据最优热电偶数量，构建汽车尾气热电发电装置。
本发明另外提出一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至8中任一项所述的方法。
本发明的优点在于：其同时考虑了流体参数和冷却条件的影响因素，通过建立热电发电机内传热模型，提出了一种普通板式热电发电系统的机理模型，确定了最优特性，并且为各种工况下用于发动机排气余热回收的热电发电系统设计了一种通用的优化方法。通过对汽车发动机不同工况下的尾气温度和质量流量进行加权，得到最优的热电发电机系统配置，确保汽车在任何工况下都能实现较高的功率输出，能够有效提升汽车尾气热电发电装置的整体性能和效率。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为热电发电机内热电偶的布局和编号示意图；
图3为热电偶上流过的流体温度和热电偶冷热两端的温度分布示意图；
图4为实施例中热电发电机的输出功率、电压和电流随热电偶数量变化曲线示意图；
图5为实施例中功率偏差曲线dev的变化曲线示意图；
图6为实施例中质量流量加权功率偏差曲线dev cm 的变化曲线示意图；
图7为实施例中质量流量加和功率偏差曲线dev m 的变化曲线示意图；
图8为实施例中温度加权功率偏差曲线dev m,cT 的变化曲线示意图；
图9为实施例中质量流量温度功率偏差曲线dev m,T 的变化曲线示意图；
图10为本发明的系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：
如图1所示的一种基于权重功率偏差尾气热电发电装置优化方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：测试热电发电机内热电偶的性能，并对热电偶编号，建立汽车尾气热电发电装置的热力学方程组和电压—电流—功率关系式；
步骤1.1：确定热电偶的物理特性，结果见表1和表2；
Figure 967202DEST_PATH_IMAGE016
Figure 876252DEST_PATH_IMAGE017
步骤1.2：将每个热电偶作为一个计算单元，分析热电发电机的内传热特性，根据传热规律建立其热力学方程组；
建立热力学方程组的具体方法为：
令汽车尾气方向为x方向，垂直于汽车尾气、平行于水平面方向为y方向，热电发电机x方向上设有n x 个热电偶，热电发电机y方向上设有n y 个热电偶，一个P型半导体和一个N型半导体组成一个热电偶，每个热电偶为一个计算单元，用上标(i,j)表示第i行，第j列个计算单元；
汽车尾气进入热电发电机时的温度作为第一行所有热电偶的进气温度，在后面的计算单元中，前一行的出口温度视为后一行的入口温度。如图2所示，记热流体流入第i行时温度为T f i ，其携带的热量分别传递至热电偶的热端和第i+1行，记此时热电偶热端的温度为T h i ，热流体流出第i行时温度为T f i+1 。冷流体流入第i行时温度为T a i+1 ，其热能分别传递到热电偶的冷端和第i-1行，记此时热电偶冷端的温度为T c i ，流出第i行时温度为T a i 。安装在同一行上的热电偶两端的温差相同，因此可以用上标i表示第i行中所有热电偶的热量，即Qi h表示第i行每一个热电偶热端的热量，T h i 和T c i 可以表示第i行中所有热电偶热端、冷端的温度，T f 、T a 、T fav 、T cav 同理。
根据内传热特性和热传导、珀尔贴效应和焦耳效应，热电模块热端热流Q h 和热电模块冷热冷流Q c 的表达式分别为：
Figure 742577DEST_PATH_IMAGE001
（1）
式中：α pn 为一个热电偶的塞贝克系数，K pn 为一个热电偶的热导率，R pn 为一个热电偶的电阻，T h 为热电器件的热端温度和T c 为热电器件的冷端温度，I为回路电流；
根据热传导的不可逆性和牛顿传热定律，热电发电机热端热流Q h 和冷热冷流Q c 可以表示为：
Figure 612444DEST_PATH_IMAGE002
（2）
式中：k f 为热电模块热端的总对流传热系数，k a 为热电模块冷端的总对流传热系数，S h 为热电偶热端的传热面积，S c为热电偶冷端的传热面积，T fav 为计算单元上热流的平均温度，T aav 为计算单元上冷流的平均温度；
根据传热速率以及能量守恒，即流体释放的热量等于热电器件吸收的热量，热电发电机热端热流Q h 和冷端冷流Q c 可以表示为：
Figure 956838DEST_PATH_IMAGE003
（3）
式中：n y 是y方向上热电偶的数量，c pf 为热流体的比热容，c pa 为冷流体的比热容，m f 为热流体的质量流量，m a 为冷流体的质量流量，T f i 为热流体进入计算单元的温度，T f i+1 为热流体流出计算单元的温度，T a i 为冷流体进入计算单元的温度，T a i+1 为冷流体流出计算单元的温度；
如果热流和冷流方向改变，
当热流体和冷流体同向流动时，冷端热流表达式为：
Figure 985974DEST_PATH_IMAGE004
当热流体和冷流体逆向流动时，冷端热流表达式为：
Figure 898566DEST_PATH_IMAGE005
式（1）、（2）、（3）联立即为热力学方程组。
步骤1.3：建立热电发电机的一组电压—电流—功率关系式。
电压—电流—功率关系式的建立方法为：
热电发电机的电压U的计算式为：
Figure 114784DEST_PATH_IMAGE006
（4）
式中：α pn 为一个热电偶的塞贝克系数，T h i 为第i行热电偶的热端温度；T c i 为第i行热电偶的冷端温度；n x 为x方向热电偶的数量，n y 为y方向热电偶的数量；
热电发电机的电流I的计算式为：
Figure 528448DEST_PATH_IMAGE007
（5）
式中：R L 为负载，R pn 为热电偶的电阻；
热电发电机的输出功率P teg 的计算式为：
Figure 520412DEST_PATH_IMAGE008
（6）
式中：Q h i 为第i个计算单元的热端热流，Q c i 为第i个计算单元的冷端冷流；
式（4）、（5）、（6）即为电压—电流—功率关系式。
步骤2：根据所述的热电发电机内传热特性建立汽车尾气热电发电装置的机理模型；
步骤2.1：令热流体和冷流体的初始温度和质量流量恒定，设定热电发电机x方向上热电偶个数n x 的最大设定值为n xmax ，热电发电机y方向上热电偶个数n y 的最大设定值为n ymax ；
所述n xmax 的计算方法为：
n xmax = ⌊ 热电发电机x方向安装长度 / 热电偶x方向长度 + P型半导体和N型半导体之间的间隙 ）⌋，
所述n ymax 的计算方法为：
n ymax = ⌊ 热电发电机y方向安装长度 / 热电偶y方向长度 + P型半导体和N型半导体之间的间隙 ）⌋；
根据热电发电机在汽车中的应用以及参考文献“Automotive exhaust thermoelectric generators: Current status, challenges and future prospects”中公开的内容，发动机的废气会分别流经催化转化器、颗粒过滤器、前部消声器和后部消声器，最后排出汽车排气管。现有的汽车热电发电机一般是将一个平板型的热交换器安装在颗粒过滤器和前部消声器之间的汽车排气管道上，然后将热电器件贴合在热交换器的外壁，从而高效地回收发动机废气的热能。根据实际的汽车排气管结构和热交换器的尺寸限制，热交换器的长度一般小于1.2米，宽度小于15厘米，每一个P型半导体和N型半导体之间的间隙约1至2毫米，根据上述n xmax 与n ymax 的计算方式，取最大值，得到n xmax =200，n ymax =25。
步骤2.2：初始化x方向上的热电偶数量为0；
步骤2.3：增加x方向上的热电偶数量，此时n x =1，并设定初始化电流I 0 ；
初始化电流I 0 的计算方法为：
Figure 994119DEST_PATH_IMAGE009
（7）
式中：α pn 和R pn 为步骤1.1中测得的热电偶物理特性，R L 表示负载；n x 为此时x方向上热电偶的个数，假设热电偶冷热两端的温差为100度。即计算得到初始化电流I 0 =1.9307 A。
步骤2.4：依据初始化电流I 0 ，计算热电偶的温度分布趋势，根据温度分布趋势，计算此时热电发电机的输出电流I n ；
输出电流I n 的计算方法为：
令热电发电机的负载电阻R L 等于内阻，计算单元上热流的平均温度T fav 和冷流的平均温度T aav 公式为：
Figure 697633DEST_PATH_IMAGE010
（8）
联立公式（1）、（2）、（3）、（8），并将I 0 的值代入下式中的I：
Figure 259195DEST_PATH_IMAGE011
*
Figure 262923DEST_PATH_IMAGE012
将上述方程组记为Ax=b，并将I 0 的值代入矩阵A中的I，可以解得Q h i ，Q c i ，T h i ，T c i ，Ti +1 f和Ti+1 a。将T h i 和T c i 代入公式（5）求解得到此时热电发电机的输出电流I n =0.588 A。
步骤2.5，判断输出电流I n 与初始化电流I 0 是否满足收敛条件（差值为0时，精度最高），不满足返回步骤2.3重新设置初始电流I 0 等于I n ，满足则执行步骤2.6；所述收敛条件为输出电流I n 与初始化电流I 0 差值为0，此时精度最高。
此时，I n =0.588 A，I 0 =1.9307 A，不满足收敛条件，即重新设定初始化电流I 0 =0.588 A，并重新计算输出电流I n 。
重复步骤2.4，计算出此时输出电流I n =0.9968 A，而此时I 0 =0.588 A，不满足收敛条件，重新设定初始化电流I 0 =0.9968 A。
重复步骤2.4，计算出此时输出电流I n =0.7554A，而此时I 0 =0.9968 A，不满足收敛条件，重新设定初始化电流I 0 =0.7554 A。
重复步骤2.4，计算出此时输出电流I n =0.8521A，而此时I 0 =0.7554 A，不满足收敛条件，重新设定初始化电流I 0 =0.8521 A。
重复步骤2.4，计算出此时输出电流I n =0.8135A，而此时I 0 =0.8521A，不满足收敛条件，重新设定初始化电流I 0 =0.8135 A。
重复步骤2.4，计算出此时输出电流I n =0.8289A，而此时I 0 =0.8135A，不满足收敛条件，重新设定初始化电流I 0 =0.8289A。
重复步骤2.4，计算出此时输出电流I n =0.8227A，而此时I 0 =0.8289A，不满足收敛条件，重新设定初始化电流I 0 =0.8227A。
重复步骤2.4，计算出此时输出电流I n =0.8252A，而此时I 0 =0.8227A，不满足收敛条件，重新设定初始化电流I 0 =0.8252A。
重复步骤2.4，计算出此时输出电流I n =0.8252A，此时I 0 =0.8252A，两者差值为0，达到收敛条件，进入下一步。
步骤2.6：重复步骤2.3至步骤2.5，直到x方向上的热电偶数量n x 增加到最大设定值n xmax 后，得出最大输出功率P teg.max 及对应的热电偶数量n xbp ；即热电发电机内热电偶在x方向上的热电偶数量为n xbp ，在y方向上的热电偶数量为n ymax 时，为优化的热电发电机机理模型。
如图4热电发电机输出功率随x方向上热电偶数量变化的曲线图，x方向上的热电偶数量n x 增加到设定值n xmax ，即n x =n xmax =200，迭代结束；热电发电装置的输出功率随着的n x 增大而先增大后减小，因此，在表1的工况下，当n x =80时，热电发电机输出功率达到最大。
由于废气温度沿着流动方向有很大衰减，导致热电偶两端温差迅速降低，降低了热电发电机的输出功率。但对于y方向上来说，热电偶数量越多，就越能充分利用废气的热能，从而提升热电发电机的输出功率。因此，一般设定y方向上的热电偶数量n y 为最大值n ymax 时最优。
此时对应的x方向上热电偶数量n xbp =80，y方向上热电偶数量n ybp =n ymax =25时，为最优化的热电发电机机理模型。
步骤3：根据热电发电机机理模型，采用权重功率偏差方法进行热电发电机结构的优化计算，得到优化的热电偶数量；
步骤3.1：根据步骤2.6的机理模型，计算出不同热电偶数量n x 下的功率偏差曲线dev；
不同热电偶数量下的功率偏差曲线dev的计算式为：
Figure 641952DEST_PATH_IMAGE013
（9）
式中：P teg.max 为热电发电机输出功率最大值，P teg 为热电发电机的输出功率。T fin =400 ℃，m f =20 g/s时，热电发电机功率偏差曲线dev如图5所示。
步骤3.2：根据汽车在一个正常循环行驶周期内不同的尾气温度、质量流量等级的持续时间在一个循环周期内的占比，计算汽车尾气的温度权重C T 和质量流量权重C m ；
当汽车运行时，汽车尾气参数会跟随车辆运行状况而变化，汽车尾气的温度和质量流量变化显著影响热电发电机的发电功率和效率，由于在实际运行中，汽车会在某一些工况下保持长时间的运行，而在另一些工况保持较短时间运行，这将对车载热电发电机的优化和设计产生较大的影响。为了将不同的汽车运行工况根据发动机排气的参数区分为若干等级，根据汽车在一个新标欧洲循环测试（NEDC）内不同的尾气温度、质量流量等级的持续时间在一个循环周期内的占比，作为汽车尾气的温度权重C T 和质量流量权重C m ，其分布如表3所示：
Figure 973707DEST_PATH_IMAGE018
步骤3.3：将汽车尾气的质量流量权重C m 赋予功率偏差曲线dev，得到不同质量流量下的质量流量加权功率偏差曲线dev cm ；
质量流量加权功率偏差曲线dev cm 的计算式为：
Figure 463594DEST_PATH_IMAGE014
（10）
式中：P teg.max 为热电发电机输出功率最大值，P teg 为热电发电机的输出功率；C m 为汽车尾气的质量流量权重；
尾气质量流量分别设置为5 g/s，10 g/s，20 g/s，30 g/s，40 g/s，50 g/s；质量流量小于5 g/s的等级归于5 g/s，质量流量在5至15 g/s的等级归类于10 g/s，以此类推；
重复步骤3.3，分别将尾气进气温度T fin 设置为200℃、300℃、500℃和600℃，改变尾气质量流量，得到不同质量流量时的功率偏差dev，然后根据公式（10）分别赋予对应的质量流量权重，得到不同质量流量下的dev cm 曲线，如图6所示。可以看出权重越高的质量流量等级对应的功率偏差越高，但至此只反映了质量流量权重对于最佳热电偶数量的影响，接下来引入尾气温度权重进一步优化热电偶的数量。
步骤3.4：将质量流量加权功率偏差曲线dev cm 相加，得到质量流量加和功率偏差曲线dev m ，如图7所示。
步骤3.5：将汽车尾气的温度权重C T 赋予质量流量加和功率偏差曲线dev m ，得到不同温度下的温度加权功率偏差曲线dev m,cT ；
温度加权功率偏差曲线dev m,cT 的计算式为：
Figure 931616DEST_PATH_IMAGE015
（11）
式中：P teg.max 为热电发电机输出功率最大值，P teg 为热电发电机的输出功率；C T 为汽车尾气的温度权重。
由于尾气温度大于650℃时，权重为0，所以可以忽略；尾气温度分别设置为200℃，300℃，400℃，500℃，600℃；温度在250℃至350℃之间的等级归类于300℃，以此类推；
温度加权功率偏差曲线dev m,cT 随x方向上热电半导数量n x 的变化如附图8所示；
步骤3.6：将温度加权功率偏差曲线dev m,cT 相加，得到质量流量温度功率偏差曲线dev m,T ，如图9所示。通过质量流量温度功率偏差曲线dev m,T 得到最优热电发电机内的热电偶数量n xbp ’ 。
所以该优化过程的约束条件和目标函数为：
Figure 481546DEST_PATH_IMAGE020
其中，n x 与n y 的取值范围在步骤2.1中确定；m f 与T fin 的取值范围在步骤3.2中确定。
最小化质量流量温度功率偏差曲线dev m,T ，最小值为0.4 %，对应的n xbp ’ 值为70，即在本实施例中，根据权重功率偏差分析方法优化后的热电发电装置的热电偶一共有70*25个，该热电偶配置可以使车辆在各种工况下都能获得较高的功率输出。优化后，不同工况下热电发电机的输出功率如表4所示：
Figure 159652DEST_PATH_IMAGE021
根据图4，在T fin =400℃，m f =20 g/s的工况下，输出功率随x方向上热电偶数量n x 的变化曲线，当n x =80时，获得最大输出功率。为了比较优化前和优化后的热电发电装置输出功率，表5给出了优化前不同工况下热电发电机的输出功率：
Figure 92711DEST_PATH_IMAGE022
根据表4和表5，优化后的热电发电机输出功率在大多工况下高于优化前。根据表3，汽车尾气的温度长时间处于300 ℃附近，质量流量长时间处于10 g/s 附近，且优化后的热电发电机输出功率在此工况下大于优化前的输出功率。
说明所述的基于权重功率偏差的热电发电机优化方法为实际应用中车载热电发电机的设计和优化提供了一种有效的方法，可以根据汽车实际运行工况确定最佳热电偶数量，使得尾气参数在一定范围内波动时热电发电机的输出功率与峰值输出功率的偏差最小，提升了热电发电机实际应用中的发电性能。
步骤4：根据最优热电偶数量，构建汽车尾气热电发电装置。
基于上述方法，本发明提出的一种基于权重功率偏差的汽车尾气热电发电装置优化系统如图10所示，包括测试模块、建模模块、优化计算模块、构建模块；
所述测试模块：用于测试热电发电机内热电偶的性能，并对热电偶编号，建立汽车尾气热电发电装置的热力学方程组和电压—电流—功率关系式；
所述建模模块：用于根据所述的热电发电机内传热特性建立汽车尾气热电发电装置的机理模型；
所述优化计算模块：用于根据热电发电机机理模型，采用权重功率偏差方法进行热电发电机结构的优化计算，得到优化的热电偶数量；
所述构建模块：用于根据最优热电偶数量，构建汽车尾气热电发电装置。
本发明另外提出一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至8中任一项所述的方法。
最后，应当指出，以上实施例仅是本发明较有代表性的例子。显然，本发明不限于上述实施例，还可以有许多变形。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应认为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于权重功率偏差尾气热电发电装置优化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1：测试热电发电机内热电偶的性能，并对热电偶编号，建立汽车尾气热电发电装置的热力学方程组和电压—电流—功率关系式；
步骤2：根据热电发电机内传热特性建立汽车尾气热电发电装置的机理模型；
步骤3：根据热电发电机机理模型，采用权重功率偏差方法进行热电发电机结构的优化计算，得到优化的热电偶数量；
步骤4：根据最优热电偶数量，构建汽车尾气热电发电装置。
2.根据权利要求1所述的一种基于权重功率偏差尾气热电发电装置优化方法，其特征在于：所述步骤1中还包括以下步骤：
步骤1.1：确定热电偶的物理特性；
步骤1.2：将每个热电偶作为一个计算单元，分析热电发电机的内传热特性，根据传热规律建立其热力学方程组；
步骤1.3：建立热电发电机的一组电压—电流—功率关系式。
3.根据权利要求2所述的一种基于权重功率偏差尾气热电发电装置优化方法，其特征在于：所述步骤1.2中，建立热力学方程组的具体方法为：
令汽车尾气方向为x方向，垂直汽车尾气方向为y方向，热电发电机x方向上设有n x 个热电偶，热电发电机y方向上设有n y 个热电偶，一个P型半导体和一个N型半导体组成一个热电偶，每个热电偶为一个计算单元，用上标(i,j)表示第i行，第j列个计算单元；
根据内传热特性和热传导、珀尔贴效应和焦耳效应，热电模块热端热流Q h 和热电模块冷热冷流Q c 的表达式分别为：
Figure 57970DEST_PATH_IMAGE001
（1）
式中：α pn 为一个热电偶的塞贝克系数，K pn 为一个热电偶的热导率，R pn 为一个热电偶的电阻，T h 为热电器件的热端温度和T c 为热电器件的冷端温度，I为回路电流；
根据热传导的不可逆性和牛顿传热定律，热电发电机热端热流Q h 和冷热冷流Q c 可以表示为：
Figure 654167DEST_PATH_IMAGE002
（2）
式中：k f 为热电模块热端的总对流传热系数，k a 为热电模块冷端的总对流传热系数，S h 为热电偶热端的传热面积，S c为热电偶冷端的传热面积，T fav 为计算单元上热流的平均温度，T aav 为计算单元上冷流的平均温度；
根据传热速率以及能量守恒，即流体释放的热量等于热电器件吸收的热量，热电发电机热端热流Q h 和冷端冷流Q c 可以表示为：
Figure 819569DEST_PATH_IMAGE003
（3）
式中：n y 是y方向上热电偶的数量，c pf 为热流体的比热容，c pa 为冷流体的比热容，m f 为热流体的质量流量，m a 为冷流体的质量流量，T f i 为热流体进入计算单元的温度，T f i+1 为热流体流出计算单元的温度，T a i 为冷流体进入计算单元的温度，T a i+1 为冷流体流出计算单元的温度；
式（1）、（2）、（3）联立即为热力学方程组。
4.根据权利要求2所述的一种基于权重功率偏差尾气热电发电装置优化方法，其特征在于：所述步骤1.3中，电压—电流—功率关系式的建立方法为：
热电发电机的电压U的计算式为：
Figure 651259DEST_PATH_IMAGE004
（4）
式中：α pn 为一个热电偶的塞贝克系数，T h i 为第i行热电偶的热端温度；T c i 为第i行热电偶的冷端温度；n x 为x方向热电偶的数量，n y 为y方向热电偶的数量；
热电发电机的电流I的计算式为：
Figure 857987DEST_PATH_IMAGE005
（5）
式中：R L 为负载，R pn 为一个热电偶的电阻；
热电发电机的输出功率P teg 的计算式为：
Figure 484141DEST_PATH_IMAGE006
（6）
式中：Q h i 为第i个计算单元的热端热流，Q c i 为第i个计算单元的冷端冷流；
式（4）、（5）、（6）即为电压—电流—功率关系式。
5.根据权利要求1所述的一种基于权重功率偏差尾气热电发电装置优化方法，其特征在于：所述步骤2中还包括以下步骤：
步骤2.1：令热流体和冷流体的初始温度和质量流量恒定，设定热电发电机x方向上热电偶个数n x 的最大设定值为n xmax ，热电发电机y方向上热电偶个数n y 的最大设定值为n ymax ；
所述n xmax 的计算方法为：
n xmax = ⌊ 热电发电机x方向安装长度 / （热电偶x方向长度 + P型半导体和N型半导体之间的间隙 ）⌋；
所述n ymax 的计算方法为：
n ymax = ⌊ 热电发电机y方向安装长度 / （热电偶y方向长度 + P型半导体和N型半导体之间的间隙 ）⌋；
步骤2.2：初始化x方向上的热电偶数量n x 为0；
步骤2.3：增加x方向上的热电偶数量n x ，并设定初始化电流I 0 ；
步骤2.4：依据初始化电流I 0 ，计算热电偶的温度分布趋势，根据温度分布趋势，计算此时热电发电机的输出电流I n ；
步骤2.5，判断输出电流I n 与初始化电流I 0 是否满足收敛条件，不满足返回步骤2.3重新设置初始电流I 0 等于I n ，满足则执行步骤2.6；
步骤2.6：x方向上的热电偶数量n x 增加到最大设定值n xmax 后，得出最大输出功率P teg.max 及对应的热电偶数量n xbp ；即热电发电机内热电偶在x方向上的数量为n xbp ，在y方向上的热电偶数量为n ymax 时，为优化的热电发电机机理模型。
6.根据权利要求5所述的一种基于权重功率偏差尾气热电发电装置优化方法，其特征在于：所述步骤2.3中，初始化电流I 0 的计算方法为：
令热电偶冷热两端的温差为100℃，初始化电流I 0 的计算公式为：
Figure 277784DEST_PATH_IMAGE007
（7）
式中：α pn 为一个热电偶的塞贝克系数， R pn 为一个热电偶的电阻，R L 表示负载；n x 为此时x方向上热电偶的个数。
7.根据权利要求5所述的一种基于权重功率偏差尾气热电发电装置优化方法，其特征在于：
所述步骤2.4中，所述输出电流I n 的计算方法为：
令热电发电机的负载电阻R L 等于内阻，计算单元上热流的平均温度T fav 和冷流的平均温度T aav 公式为：
Figure 913165DEST_PATH_IMAGE008
（8）
联立公式（1）、（2）、（3）、（8），并将I 0 的值代入下式中的I：
Figure 334919DEST_PATH_IMAGE009
*
Figure 272919DEST_PATH_IMAGE010
从而求得T h i 和T c i ，再将T h i 和T c i 代入公式（5）求解得到I n 。
8.根据权利要求1所述的一种基于权重功率偏差尾气热电发电装置优化方法，其特征在于：所述步骤3中还包括以下步骤：
步骤3.1：根据步骤2.6的机理模型，计算出不同热电偶数量n x 下的功率偏差曲线dev；
步骤3.2：根据汽车在一个正常循环行驶周期内不同的尾气温度、质量流量等级的持续时间在一个循环周期内的占比，计算汽车尾气的温度权重C T 和质量流量权重C m ；
步骤3.3：将汽车尾气的质量流量权重C m 赋予功率偏差曲线dev，得到不同质量流量下的质量流量加权功率偏差曲线dev cm ；
步骤3.4：将质量流量加权功率偏差曲线dev cm 相加，得到质量流量加和功率偏差曲线dev m ；
步骤3.5：将汽车尾气的温度权重C T 赋予质量流量加和功率偏差曲线dev m ，得到不同温度下的温度加权功率偏差曲线dev m,cT ；
步骤3.6：将温度加权功率偏差曲线dev m,cT 相加，得到质量流量温度功率偏差曲线dev m,T ，通过质量流量温度功率偏差曲线dev m,T 得到最优热电发电机内的热电偶数量n xbp ’ ；
所述步骤3.1中，不同热电偶数量下的功率偏差曲线dev的计算式为：
Figure 147334DEST_PATH_IMAGE011
（9）
式中：P teg.max 为热电发电机输出功率最大值，P teg 为热电发电机的输出功率；
所述步骤3.3中，质量流量加权功率偏差曲线dev cm 的计算式为：
Figure 851985DEST_PATH_IMAGE012
（10）
式中：P teg.max 为热电发电机输出功率最大值，P teg 为热电发电机的输出功率；C m 为汽车尾气的质量流量权重；
所述步骤3.4中，温度加权功率偏差曲线dev m,cT 的计算式为：
Figure 3612DEST_PATH_IMAGE013
（11）
式中：P teg.max 为热电发电机输出功率最大值，P teg 为热电发电机的输出功率；C T 为汽车尾气的温度权重。
9.一种基于权重功率偏差的汽车尾气热电发电装置优化系统，其特征在于：所述系统包括测试模块、建模模块、优化计算模块、构建模块；
所述测试模块：用于测试热电发电机内热电偶的性能，并对热电偶编号，建立汽车尾气热电发电装置的热力学方程组和电压—电流—功率关系式；
所述建模模块：用于根据所述的热电发电机内传热特性建立汽车尾气热电发电装置的机理模型；
所述优化计算模块：用于根据热电发电机机理模型，采用权重功率偏差方法进行热电发电机结构的优化计算，得到优化的热电偶数量；
所述构建模块：用于根据最优热电偶数量，构建汽车尾气热电发电装置。
10.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至8中任一项所述的方法。
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