杨广 焦亚田 汤泽波 邓坚

摘 要： 汽车尾气热电发电技术对降低整车油耗具有重要意义，而热电模块之间的串并联拓扑连接方式是影响系统电性能表现的关键因素之一。本文以热电模块组整体输出功率峰值最大为优化目标，采用局部逐级优化算法完成热电模块的拓扑结构优化。搭建车载尾气热电发电系统实验台架，对比分析在优化结构下系统的整体输出功率P'max与全串联结构时的Pmax，发现在本文所提出的热电模块拓扑优化结构下，热电发电系统的整体最大输出功率能够提高将近9.4%。

关键词： 热电发电；串并联拓扑；局部逐级优化；最大输出功率

1 前言

当今世界，全球范围内的能源危机及环境污染是人类社会不得不面对的两大难关。传统汽车发动机的燃料有将近40%的能量以废热的形式经由汽车尾气排出[1-2]。热电发电技术能够将原来排放到大气中的废热进行回收利用，既提高了现有能源利用率又能够减少尾气污染[3]。

目前典型的汽车尾气热电发电系统的组成部分包括热端气箱（即热交换器）、热电模块、冷却单元、调制装置及机械连接设备等[4]，而汽车尾气热电发电的效率主要受排气管道内部结构、热电模块本身特性及热电模块之间拓扑结构的影响[5-6]。

目前，在汽车尾气热电发电技术中，对于热电模块串并联拓扑优化的研究，国外的相关研究机构已经取得了一些突出的成果[7]，然而国内的相关研究才是刚刚起步[8]。通过调整各热电发电模块的连接组合方式，可以有效提高热电发电系统的工作效率[9-10]。

2 汽车尾气热电发电系统的组成

热电发电系统主要包括发动机、热端气箱、热电模块、冷却系统以及电压巡检单元等。

为了便于分析，将热电模块分为上下两组。对热电模块组1进行的编号如图1所示，热电模块组2的编号规则和热电模块组1相同，编号范围为154～306。

3 热电模块拓扑结构优化方法研究

3.1 全串联与并联电路拓扑结构分析

若将所有的热电模块都串联起来，内阻较大的热电模块在同样的负载下的输出电压可能会极小，甚至会出现输出负压的情况，降低系统的整体发电性能；若将所有的热电模块并联起来，不同开路电压等级的热电模块之间可能会产生较为严重的环流现象而造成热电电堆能量损耗。

3.2局部逐级优化算法

局部逐级优化的算法以同一行69～85号热电模块为例，采取局部逐级优化的方式对其进行串并联拓扑结构优化，其具体步骤为：①将69～85号热电模块全部串联起来，求得此时热电模块组的最大输出功率P0；②从69到85号热电模块中选取两个开路电压及内阻均较为接近且最大输出功率点处的电流较小的热电模块进行并联以后，求得此时热电模块组的最大输出功率P1；③将第2步中并联的两个热电模块等效成为一个热电模块，并与剩下的热电模块组成新的热电模块组，然后重复第2步；④对比每次并联后得到的最大输出功率，寻找其中的最大值，从而确定最终的串并联拓扑结构。

4 热电发电实验台架建立与拓扑优化实验测试

4.1热电发电实验台架建立

搭建的热电发电装置实物包括热电模块、热电气箱以及冷却水系统等。搭建的热电发电系统综合测试台架包括发动机、汽车尾气热电发电单片电压实时巡检系统、电涡流测功机、油耗仪、实验台架总控制台等，主要负责发动机的工况控制及对热电发电装置发电情况的在线检测。

4.2模块组串并联拓扑连接结构测试

4.2.1热电模块电特性测试

测试环境：室温15℃，湿度46%；发动机参数：转速3300r/min，输出功率29.5kW；气箱温度：热端最高温度可达237℃。

在设定工况下，测试得到热电模块组1中部分热电模块的开路电压。通过对各个热电模块输出特性的分析，可以得知同一列（如1、18、35、52、69、86、103、120、137号）热电模块的电性能差异较小；而同一行（如1～17号）的热电模块之间电性能的差异较大。

4.2.2电特性不同时的结构测试

选取69～85号热电模块为研究对象，研究同一行（即电特性不一致）的热电模块组的串并联特性。69～85号热电模块在独立发电时的最大输出功率W（调制电流A）：1.18（0.8）、1.23（0.65）、1.47（0.75）、2.19（0.8）、2.94（0.95）、3.63（1.1）、2.03（0.8）、1.87（0.8）、1.8（0.8）、1.6（0.75）、1.4（0.75）、1.1（0.65）、0.9（0.6）、0.9（0.6）、0.8（0.55）、0.6（0.5）、0.5（0.5），理论上的最大输出功率为热电模块独立发电时最大发电功率总和，为27.15W。

将69～85号热电模块全部串联起来，最大输出功率24.1W。与理论值相比，输出功率损耗约为11.2%。

将69～85号热电模块并联起来，最大输出功率为22.58W，与理论值相比，损耗约为16.8%。

采用局部逐级优化算法，对69～85号热电模块按照算法模型进行实验测试，在进行了第五次迭代后得到69～85号热电模块组最大输出功率的峰值25.16W，相比串联结构提升了将近4.48%的能量利用率。

4.2.3串并联拓扑优化结构与测试

将电特性基本呈一致状态的热电模块进行串联或者并联以后，得到的最大输出功率基本相同。在并联结构中，电路的工作电流达到串联结构下的9倍左右，采用串联结构更加有利于系统的有效输出。

经过对热电模块之间拓扑电路的性能讨论及实验对比，得到了热电模块组1优化后的具体拓扑结构示意图如图2所示。

针对图2所示的拓扑结构，设定一下三种工况分别测量系统的整体最大输出功率。

工况1：2900r/min@73Nm（發动机）；工况2：3200r/min@85Nm（发动机）；工况3：3300r/min@91Nm（发动机）

将热电模块组共306个热电模块全部串联起来，测得热电模块组的整体输出功率峰值Pmax；将热电模块按图2所示拓扑结构连接起来，测得热电模块组的整体输出功率峰值P'max。 结果如下：

工况1：气箱温度198℃；Pmax=189.86W；P'max=205.29W；提升8.13%。

工况2：气箱温度221℃；Pmax=282.43W；P'max=307.48W；提升8.87%。

工况3：气箱温度235℃；Pmax=402.5W；P'max=440.33W；提升9.4%。

测试结果表明：在所设定的三种工况下，热电发电系统的整体最大输出功率值均有一定程度的提高，尤其是在工况3时，系统整体输出功率峰值提高了大约9.4%。

5 结束语

本文提出了一种基于局部逐级优化算法的热电发电模块拓扑结构。对比分析全串联和拓扑优化后的系统整体发电功率，发现在本文所提出的热电模块拓扑优化结构下，热电发电装置的整体输出功率最大能够提高大约9.4%，且该拓扑结构具有一定的普遍适用性，在一般工况下均能够提高热电发电装置的整体发电功率，即本文所提出的热电模块拓扑方案可行。

参考文献

[1] Hasanuzzaman M， Rahim N A， Saidur R， et al. Energy savings and emissions reductions for rewinding and replacement of industrial motor[J]. Energy， 2011， 36（1）：233-240.

[2] Hountalas D T， Katsanos C O， Kouremenos D A， et al. Study of available exhaust gas heat recovery technologies for HD diesel engine applications[J]. International Journal of Alternative Propulsion， 2007， 1（2/3）：228-249.

[3] 何琴玉， 李维谦， Hao Qing， 等. 热电材料发电的商业化进展与前景展望[J]. 華南师范大学学报（自然科学版）， 2015， 47（5）：9-17.

[4] 全睿， 唐新峰， 全书海， 等. 串联式汽车尾气热电发电系统台架试验[J]. 上海交通大学学报， 2012， 46（5）：677-682.

[5] 叶晓军， 周海峰， 王荣杰， 等. 热电发电技术的研究进展[J]. 应用能源技术， 2014（8）：33-37.

[6] 汤泽波. 汽车尾气热电发电系统仿真及实验研究[D]. 武汉：武汉理工大学， 2015.

[7] Espinosa N， Lazard M， Aixala L， et al. Modeling a Thermoelectric Generator Applied to Diesel Automotive Heat Recovery[J]. Journal of Electronic Materials， 2010， 39（9）：1446-1455.

[8] 高卫民， 徐康聪， 黄颖杰. 汽车尾气余热发电装置， CN201328093[P]. 2009.

[9] 陈昌生. 汽车发动机废气余热发电系统仿真与研究[D]. 武汉：武汉理工大学， 2012.

[10] 吴红飞， 孙凯， 倪龙贤， 等. 集中-分布混合式高能效热电发电系统[J]. 中国电机工程学报， 2013， 33（23）：12-18.