基于汽车尾气温差发电和太阳能发电的新型车载电源系统

论文摘要

随着经济的发展、社会的进步,人类对能源的需求越来越大,由能源产生的矛盾越来越突出,节能减排、加大新能源的开发利用已成为社会的强烈要求。汽车消耗大量的能源,同时也是大气污染排放物的主要来源,目前,汽车的能源消耗占到了世界石油销量的一半以上。因此,设计能耗小、排放低的传统汽车及新能源汽车是目前汽车研发的主要方向。汽车尾气废热温差发电技术的研发在国内还处于初级阶段,太阳能发电技术虽然相对比较成熟,但在汽车上的应用也很少。为了降低传统汽车的油耗,本文提出将温差发电和太阳能发电应用于传统汽车的创新理念,开创性地建立了温差发电机的系统模型,将温差发电机、太阳能发电机以及交流发电机合成,构建新型的车载电源系统,通过电池管理系统对蓄电池SOC状态的监测,控制交流发电机的工作状态,最终实现节能的目的。本文在详细研究半导体热电模块的特性及光伏电池的伏安特性之后,基于温差发电和太阳能发电的基本原理,分析温差发电系统、太阳能发电系统及交流发电机系统的输出特性,构建新型车载电源系统并提出其性能要求。然后,在MATLAB/Simulink环境下建立各子系统的仿真模型的基础上,对Advisor2002进行简单的二次开发,将新型车载电源系统模型嵌入Advisor2002中传统汽车模块,建立基于整车的新型电源仿真模型。通过在不同电气负载及行驶工况下的整车仿真,考察新型车载电源系统的各部分工作状态,分析系统的能量流以及相对于传统汽车的油耗情况。行文中的难点也是重点是：基于Fluent软件采取流固耦合的仿真方法,对废气通道箱体表面进行热力学分析,推导出半导体热电模块的热端温度。在此基础上,建立了汽车尾气温差发电的系统及仿真模型,研究其输出特性及效率,填补了国内在此方面研究的空白。此外,利用对Advisor2002软件的二次开发,建立基于整车的新型车载电源系统模型,对车载新型电源系统性能及效率的分析研究意义重大,并且为今后更深入地研究温差发电和太阳能发电对整车性能的影响具有一定的指导作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 温差发电在汽车上的应用现状
• 1.3 太阳能发电在汽车上的应用现状
• 1.4 本课题的研究内容及意义
• 第二章 温差发电和太阳能发电的工作原理
• 2.1 温差发电的基本原理
• 2.1.1 赛贝克效应
• 2.1.2 珀尔贴效应
• 2.1.3 汤姆逊效应
• 2.1.4 焦耳效应
• 2.1.5 傅里叶效应
• 2.1.6 开尔文关系式
• 2.2 热电转换的优值系数
• 2.3 温差发电的半导体材料
• 2.4 太阳能发电的原理
• 2.5 太阳能电池组件及方阵
• 2.6 太阳能电池最大功率点跟踪（MPPT）的原理
• 2.7 本章小结
• 第三章 新型车载电源系统的结构及性能要求
• 3.1 温差发电系统
• 3.1.1 温差发电的系统组成
• 3.1.2 温差发电器
• 3.1.3 废气通道箱体的布置位置及结构
• 3.1.4 半导体热电模块及性能
• 3.1.5 发动机尾气温差发电实验台
• 3.2 太阳能发电系统
• 3.2.1 车载太阳能发电系统组成
• 3.2.2 太阳能电池板的输出特性
• 3.3 交流发电机系统
• 3.3.1 交流发电机系统组成
• 3.3.2 硅整流发电机工作原理
• 3.3.3 交流发电机的工作特性
• 3.4 新型车载电源系统
• 3.4.1 新型车载电源的系统模型
• 3.4.2 新型车载电源的控制系统
• 3.4.3 新型车载电源的性能要求
• 3.5 本章小结
• 第四章 汽车尾气温差发电模型的建立
• 4.1 汽车尾气温差发电的数学模型
• 4.1.1 热电模块温差发电模型
• 4.1.2 温差发电系统模型
• 4.1.3 基于热电模块HZ-20的温差发电器模块布置形式
• 4.2 温差发电系统的仿真模型
• 4.2.1 仿真软件Fluent的介绍
• 4.2.2 废气通道箱体模型
• 4.2.3 废气通道箱体温度分布仿真分析
• 4.2.4 基于仿真结果的HZ-20型热电模块温差发电系统
• 4.3 仿真计算及效率分析
• 4.3.1 系统的发电性能
• 4.3.2 系统的效率分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 新型车载电源的子系统模型
• 5.1 车载太阳能发电系统的数学模型
• 5.1.1 太阳能电池理论数学模型
• 5.1.2 简化数学模型
• 5.1.3 太阳能电池的仿真模型
• 5.2 太阳能电池的伏安特性
• 5.3 交流发电机的数学模型
• 5.4 交流发电机的输出特性
• 5.5 温差发电机的输出特性
• 5.6 蓄电池的数学模型
• 5.7 新型车载电源系统的输出特性
• 5.8 本章小结
• 第六章 新型车载电源系统的建模与仿真
• 6.1 控制策略及工况分析
• 6.1.1 系统的控制策略
• 6.1.2 车辆行驶工况
• 6.1.3 电气负载工况
• 6.2 系统的仿真建模
• 6.2.1 软件MATLAB/Simulink及Advisor2002的介绍
• 6.2.2 系统的仿真模型
• 6.3 系统的能量流仿真
• 6.3.1 仿真结果分析
• 6.3.2 仿真结果对比分析
• 6.3.3 循环EUDC工况分析
• 6.3.4 油耗分析
• 6.4 总体评价
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 附录:攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢