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技术领域

本发明涉及汽车尾气温差发电装置及方法领域，具体地涉及一种 四箱结构汽车尾气温差发电系统及监控方法。

背景技术

传统燃油发动机的燃油能量约30％以尾气废热的方式排放，造成 了巨大的能量浪费，采用热电转换技术回收尾气废热进行发电供给车 载系统使用是提高其燃油经济性的一个重要途径。目前，在进行车载 应用时，在有限的车载可利用空间内尽可能提高汽车尾气温差发电系 统的发电量是最大的挑战，大多数是基于皮卡和小轿车的平台采用单 气箱(热交换器)方式安装在排气管道上实现汽车尾气温差发电，尽 管对底盘系统的改动不大，但是由于单气箱的体积局限性，其能布局 的热电器件数量非常有限，中国发明专利(公开号：104393791A， 公开日：2015-03-04)报道了题为一种同时利用中低温热电器件的汽 车尾气温差发电装置的专利文献，文献具体的介绍了利用二级热交换 器与发动机尾气进行热交换，二级热交换器上校表面的中低温热电器 件组吸收尾气热量，发动机冷却系统的冷却水通过冷却水箱组给中低 温热电器件组的冷端冷却构建温差进行发电；该系统充分利用了中低 温热电器件不同的工作温度范围，但是回收尾气的废热量也有限，热 电器件温差发电的总功率不高。

发明内容

为解决上述问题，本发明的四箱结构汽车尾气温差发电系统及监 控方法，在满足车载集成的条件下，较大程度回收尾气，实现了大功 率的输出。

本发明的四箱结构汽车尾气温差发电系统，包括温差发电单元、 电压巡检单元和监控单元，所述温差发电单元包括发动机，发动机与 第一热交换器、第二热交换器、第三热交换器和第四热交换器相连， 第一热交换器～第四热交换器吸收废热并进行热交换给第一低温热电 器件组、第二低温热电器件组、第三低温热电器件组、第四低温热电 器件组、第五低温热电器件组、第六低温热电器件组、第七低温热电 器件组和第八低温热电器件组提供热端温度；所述温差发电单元还包 括冷却系统，冷却系统中的水通入第一多列冷却水箱组、第二多列冷 却水箱组、第三多列冷却水箱组、第四多列冷却水箱组、第五多列冷 却水箱组、第六多列冷却水箱组、第七多列冷却水箱组和第八多列冷 却水箱组控制热电器件组的冷端温度，从而构建温差进行发电；

所述电压巡检单元包括第一单模块巡检从板、第二单模块巡检从 板、第三单模块巡检从板、第四单模块巡检从板、第五单模块巡检从 板、第六单模块巡检从板、第七单模块巡检从板、第八单模块巡检从 板、第九单模块巡检从板、第十单模块巡检从板、第十一单模块巡检 从板、第十二单模块巡检从板、第十三单模块巡检从板、第十四单模 块巡检从板、第十五单模块巡检从板和第十六单模块巡检从板，第一 单模块巡检从板～第十六单模块巡检从板与第一低温热电器件组～第 八低温热电器件组中的热电器件相连采集电压并通过CAN总线与巡 检主板相连进行通信，巡检主板与上位机相连显示各个热电器件组中 的单器件电压；

所述监控单元中的微控制器MCU通过I/O模块与声光报警电路相 连，通过SCI模块与GPS模块相连，通过A/D转换模块采集多个热电器 件组的发电总电压和输出电流，通过CAN模块接收电压巡检单元中的 各个热电器件电压值，通过GPS模块采集汽车所在位置信息，并由时 钟模块记录各个信息对应的时间和日期，通过LCD模块进行实时显示， 通过Zigbee模块和GPRS模块将各个信息发送给远程监控中心，在相 关信号超出设定阈值时通过声光报警电路进行提示报警。

具体的，所述发动机的排气管通过三元催化器后分为四路分别与 第一热交换器～第四热交换器的入口相连，第一热交换器～第四热交换 器的出口相连后与消声器相连通往大气；且第一热交换器的上下表面 分别与第一低温热电器件组和第二低温热电器件组的热端相连，第一 低温热电器件组和第二低温热电器件组的冷端分别与由多列冷却水 箱组成的第一多列冷却水箱组和第二多列冷却水箱组相连；第二热交 换器的上下表面分别与第三低温热电器件组和第四低温热电器件组 的热端相连，第三低温热电器件组和第四低温热电器件组的冷端分别 与由多列冷却水箱组成的第三多列冷却水箱组和第四多列冷却水箱 组相连；第三热交换器的上下表面分别与第五低温热电器件组和第六 低温热电器件组的热端相连，第五低温热电器件组和第六低温热电器 件组的冷端分别与由多列冷却水箱组成的第五多列冷却水箱组和第 六多列冷却水箱组相连；第四热交换器的上下表面分别与第七低温热 电器件组和第八低温热电器件组的热端相连，第七低温热电器件组和 第八低温热电器件组的冷端分别与由多列冷却水箱组成的第七多列 冷却水箱组和第八多列冷却水箱组相连；第一低温热电器件组～第八 低温热电器件组中的每一个低温热电器件组的表面均设置有五行六 列的热电器件，所有热电器件进行串联后作为系统的总输出端依次与 电流传感器A串联和电压传感器V并联。

具体的，所述温差发电单元还包括第一散热片管道，第一散热片 管道的入口与冷却系统中冷却水的出口相连，第一散热片管道的出口 分为八路，分别对应与第一多列冷却水箱组～第八多列冷却水箱组相 连，第一多列冷却水箱组～第八多列冷却水箱组的出口相连后与第二 散热片管道的入口相连，第二散热片管道的出口与冷却系统的冷却水 入口相连构成冷却水回路；第一多列冷却水箱组～第八多列冷却水箱 组中的每一列多列冷却水箱组均由六列冷却水箱构成，六列水箱的公 共入口相连构成每一列多列冷却水箱组的冷却水入口，六列水箱的公 共出口相连构成每一列多列冷却水箱组的冷却水出口。

具体的，第一单模块巡检从板和第二单模块巡检从板与第一低温 热交换器组的热电器件的电压输出端相连检测它们的电压值，第三单 模块巡检从板和第四单模块巡检从板与第二低温热交换器组的热电 器件的电压输出端相连检测它们的电压值，第五单模块巡检从板和第 六单模块巡检从板与第三低温热交换器组的热电器件的电压输出端 相连检测它们的电压值，第七单模块巡检从板和第八单模块巡检从板 与第四低温热交换器组的热电器件的电压输出端相连检测它们的电 压值，第九单模块巡检从板和第十单模块巡检从板与第五低温热交换 器组的热电器件的电压输出端相连检测它们的电压值，第十一单模块 巡检从板和第十二单模块巡检从板与第六低温热交换器组的热电器 件的电压输出端相连检测它们的电压值，第十三单模块巡检从板和第 十四单模块巡检从板与第七低温热交换器组的热电器件的电压输出 端相连检测它们的电压值，第十五单模块巡检从板和第十六单模块巡 检从板与第八低温热交换器组的热电器件的电压输出端相连检测它 们的电压值；第一单模块巡检从板～第十六单模块巡检从板通过CAN 总线与巡检主板相连进行通信，巡检主板通过USB/RS485接口与上 位机通信并实时显示各个热电器件的电压值和曲线。

具体的，第一单模块巡检从板～第十六单模块巡检从板中的各个 单模块巡检从板均采用十五路多路选择开关与各个热电器件组连续 的十五个串联的热电器件相连，再经过差分放大电路和滤波电路后由 A/D转换电路进行电压信号采集，通过CAN接口向CAN总线发送 经过软件滤波后的十五路单器件电压信息。

为实现本发明的目的，本发明还提供了四箱结构汽车尾气温差发 电系统的监控方法，包括如下步骤：

步骤一：电压巡检单元中的第一单模块巡检从板～第十六单模块 巡检从板采集它们对应的第一低温热电器件组～第八低温热电器件组 中的各个热电器件电压信号并进行软件滤波处理，采用定时方式分时 向CAN总线发送数据信息；

步骤二：巡检主板利用CAN总线接收上述信息并进行数据暂存， 在一个周期时间内接收完所有热电器件电压信息后计算它们的平均 值和标准差信息，利用可选择的USB接口或RS485接口与上位机进 行通信，由上位机显示并保存所有热电器件的实时电压、电压平均值 和标准差；

步骤三：监控单元中的微处理器MCU利用CAN模块接收来自 第一单模块巡检从板～第十六单模块巡检从板采集的各个热电器件电 压信息，同时基于时钟模块记录接收到各个电压信对应的时间和日期， 基于GPS模块采集汽车及其发动机所在的位置信息并进行暂存，一 方面利用LCD模块实时显示这些信息，另一方面通过可选择的GPRS 模块和Zigbee模块向远程监控中心发送这些信息；

步骤四：监控单元中的微处理器MCU利用A/D转换模块采集温 差发电单元中的输出总电压V和电流A，当电流大于零时，若利用 CAN模块接收来自第一单模块巡检～第十六单模块巡检从板采集的 部分热电器件电压值为零或者为负值，微处理器MCU记录电压值为 零或者为负值的热电器件编号及其出现对应的时间、日期和位置，通 过GPRS模块和Zigbee模块发送给远程监控中心，同时还通过I/O模 块驱动声光报警电路进行报警提示。

有益效果：本发明采用四个热交换器在气路上进行并联，空间布 置时采用并排安装的结构置放在高底盘SUV汽车下方，可以在对发 动机排气管进行适当改造后完全实现系统的集成；同时，采用散热片 管道对汽车发动机冷却系统的冷却水进行大幅度预冷却后通入汽车 尾气温差发电系统中的各个冷却水箱组，再回流到冷却系统时进行散 热片管道的二次冷却，可以基本上维持发动机冷却系统原有的热平衡 不受太大影响，可广泛应用于传统燃油发动机尾气废热回收再利用的 场合，具有良好的节能与减排前景。

附图说明

图1为本发明四箱结构汽车尾气温差发电系统的整体结构原理 框图；

图2为本发明中单模块检测从板的布局示意图；

图3为本发明中多列冷却水箱组的布局示意；

图4为本发明中低温热电器件组的布局示意图。

图中各部件标号如下：

1—温差发电单元：11—第一散热片管道、12—第二散热片管道、 13—冷却系统、14—发动机、15—三元催化器、16—消声器、17—电 流表、18—电压表、21—第一多列冷却水箱组、22—第一低温热电器 件组、23—第一热交换器、24—第二低温热电器件组、25—第二多列 冷却水箱组、26—第三多列冷却水箱组、27—第三低温热电器件组、 28—第一热交换器、29—第四低温热电器件组、30—第四多列冷却水 箱组、31—第五多列冷却水箱组、32—第五低温热电器件组、33—第 一热交换器、34—第六低温热电器件组、35—第六多列冷却水箱组、 36—第七多列冷却水箱组、37—第七低温热电器件组、38—第一热交 换器、39—第八低温热电器件组、40—第八多列冷却水箱组；

2—电压巡检单元：41—第一单模块巡检从板、42—第二单模块 巡检从板、43—第三单模块巡检从板、44—第四单模块巡检从板、45— 第五单模块巡检从板、46第六单模块巡检从板、47—第七单模块巡 检从板、48—第八单模块巡检从板、49—第九单模块巡检从板、50— 第十单模块巡检从板、51—第十一单模块巡检从板、52—第十二单模 块巡检从板、53—第十三单模块巡检从板、54—第十四单模块巡检从 板、55—第十五单模块巡检从板、56—第十六单模块巡检从板、 19—CAN总线、20—巡检从板、4—上位机；

3—监控单元：5—声光报警电路、6—微控制器MCU、7—CAN 模块、8—SCI模块、9—时钟模块、10—A/D转换模块、57—I/O模 块、58—LCD模块、59—Zigbee模块、60—GPRS模块、61—GPS 模块。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图 及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实 施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明的一种四箱结构汽车尾气温差发电系统，包 括温差发电单元(1)、电压巡检单元(2)和监控单元(3)，其中， 所述温差发电单元(1)包括并联的第一热交换器(23)、第二热交换 器(28)、第三热交换器(33)和第四热交换器(38)，且第一热交换 器(23)～第四热交换器(38)与发动机(14)的排气管相连，具体 的，发动机(14)的排气管通过三元催化器(15)后分为四路分别与 第一热交换器(23)～第四热交换器(38)的入口相连，第一热交换 器(23)～第四热交换器(38)的出口相连后与消声器(16)相连通 往大气，因此，第一热交换器(23)～第四热交换器(38)通过吸收 尾气的废热进行热交换给多个热电器件组提供热端温度；此外，第一 热交换器(23)的上下表面分别与第一低温热电器件组(22)和第二 低温热电器件组(24)的热端相连，第一低温热电器件组(22)和第 二低温热电器件组(24)的冷端分别与由多列冷却水箱组成的第一多 列冷却水箱组(21)和第二多列冷却水箱组(25)相连；第二热交换 器(28)的上下表面分别与第三低温热电器件组(27)和第四低温热 电器件组(29)的热端相连，第三低温热电器件组(27)和第四低温 热电器件组(29)的冷端分别与由多列冷却水箱组成的第三多列冷却 水箱组(26)和第四多列冷却水箱组(30)相连；第三热交换器(33) 的上下表面分别与第五低温热电器件组(32)和第六低温热电器件组 (34)的热端相连，第五低温热电器件组(32)和第六低温热电器件 组(34)的冷端分别与由多列冷却水箱组成的第五多列冷却水箱组(31) 和第六多列冷却水箱组(35)相连；第四热交换器(38)的上下表面 分别与第七低温热电器件组(37)和第八低温热电器件组(39)的热 端相连，第七低温热电器件组(37)和第八低温热电器件组(39)的 冷端分别与由多列冷却水箱组成的第七多列冷却水箱组(36)和第八 多列冷却水箱组(40)相连；在本实施例中，如图3所示，优选第一 多列冷却水箱组(21)～第八多列冷却水箱组(40)均由六列冷却水 箱构成，这六列冷却水箱的公共入口相连构成多列冷却水箱组的冷却 水入口，六列冷却水箱的公共出口相连构成多列冷却水箱组的冷却水 出口；为实现本发明的目的，如图4所示，本实施例中的第一低温热 电器件组～第八低温热电器件组的表面设置有五行六列全部串联的热 电器件组，且保证每一列热电器件的冷端与上述每一多列冷却水箱组 中的对应的一列冷却水箱相连。

此外，第一多列冷却水箱组(21)～第八多列冷却水箱组(40) 与第一散热片管道(11)相连，在本实施例中，具体的是，第一散热 片管道(11)的出口分为八路，分别对应与由多个单列水箱构成的第 一多列冷却水箱组(21)～第八多列冷却水箱组(40)的入口相连， 且第一多列冷却水箱组(21)～第八多列冷却水箱组(40)的出口相 连后与第二散热片管道(12)的入口相连，第二散热片管道(12)的 出口与冷却系统(13)的冷却水入口相连，冷却系统(13)的冷却水 出口又与第一散热片管道(11)的入口相连，从而构成冷却水回路， 并且控制多个热电器件组的冷端温度；在本实施例中中采用散热片管 道对汽车发动机冷却系统的冷却水进行大幅度预冷却后通入汽车尾 气温差发电系统中的各个冷却水箱组，再回流到冷却系统时进行散热 片管道的二次冷却，可以基本上维持发动机冷却系统原有的热平衡不 受太大影响；同时，第一低温热电器件组(22)～第八低温热电器件 组(39)中的所有热电器件进行串联后作为系统的总输出端依次与电 流传感器A(17)串联和电压传感器V(18)并联。

再次结合图1可知，本实施例中的电压巡检单元(2)包括第一 单模块巡检从板(41)、第二单模块巡检从板(42)、第三单模块巡检 从板(43)、第四单模块巡检从板(44)、第五单模块巡检从板(45)、 第六单模块巡检从板(46)、第七单模块巡检从板(47)、第八单模块 巡检从板(48)、第九单模块巡检从板(49)、第十单模块巡检从板(50)、 第十一单模块巡检从板(51)、第十二单模块巡检从板(52)、第十三 单模块巡检从板(53)、第十四单模块巡检从板(54)、第十五单模块 巡检从板(55)、第十六单模块巡检从板(56)，且第一单模块巡检从 板(41)和第二单模块巡检从板(42)与第一低温热交换器组(22) 的热电器件的电压输出端相连检测它们的电压值，第三单模块巡检从 板(43)和第四单模块巡检从板(44)与第二低温热交换器组的热电 器件(24)的电压输出端相连检测它们的电压值，第五单模块巡检从 板(45)和第六单模块巡检从板(46)与第三低温热交换器组(27) 的热电器件的电压输出端相连检测它们的电压值，第七单模块巡检从 板(47)和第八单模块巡检从板(48)与第四低温热交换器组(29) 的热电器件的电压输出端相连检测它们的电压值，第九单模块巡检从 板(49)和第十单模块巡检从板(50)与第五低温热交换器组(32) 的热电器件的电压输出端相连检测它们的电压值，第十一单模块巡检 从板(51)和第十二单模块巡检从板(52)与第六低温热交换器组(34) 的热电器件的电压输出端相连检测它们的电压值，第十三单模块巡检 从板(53)和第十四单模块巡检从板(54)与第七低温热交换器组(37) 的热电器件的电压输出端相连检测它们的电压值，第十五单模块巡检 从板(55)和第十六单模块巡检从板(56)与第八低温热交换器组(39) 的热电器件的电压输出端相连检测它们的电压值；结合图2可知，第 一单模块巡检从板(41)～第十六单模块巡检从板(56)均采用十五 路多路选择开关与热电器件组连续的十五个串联的热电器件相连，再 经过差分放大电路和滤波电路后由A/D转换电路进行电压信号采集， 通过CAN接口向CAN总线发送经过软件滤波后的十五路单器件电 压信息。

同时，第一单模块巡检从板(41)～第十六单模块巡检从板(56) 通过CAN总线(19)与巡检主板(20)相连进行通信，巡检主板(20) 通过USB/RS485接口与上位机(4)通信从而实现显示各个热电器件 组中的单器件电压。

再次结合图1可知，本实施例中的监控单元(3)包括微控制器 MCU(6)，微控制器MCU(6)通过I/O模块(57)与声光报警电路 (5)相连，通过SCI模块(8)与GPS模块(6)相连，通过A/D转 换模块(10)采集第一低温热电器件组(22)～第八低温热电器件组 (39)中的所有串联热电器件总电压V和电流A，利用GPS模块(61) 采集汽车的经度和纬度信息，通过CAN总线(19)与电压巡检单元 (2)相连接收各个检测从板发出的所有热电器件电压，记录各个信 息对应的时间和日期，通过LCD模块(58)进行实时显示，还通过 Zigbee模块(59)和GPRS模块(60)将上述各种信息发送给远程监 控中心。

本发明提供的一种面向车载集成应用的四箱结构汽车尾气温差 发电系统的监控方法，包括以下步骤：

步骤一：电压巡检单元(2)中的第一单模块巡检从板(41)和 第二单模块巡检从板采集第一低温热电器件组中的各个热电器件的 电压信号(第一单模块巡检从板～第十六单模块巡检从板分别采集它 们相对应的第二低温热电器件～第八低温热电器件)，再进行软件滤波 处理，采用定时方式分时向CAN总线(19)发送数据信息；

步骤二：巡检主板(20)利用CAN通信接收上述信息并进行数 据暂存，在一个周期时间内接收完所有热电器件电压信息后计算它们 的平均值和标准差信息，利用可选择的USB接口或RS485接口与上 位机(4)进行通信，由上位机(4)显示并保存所有热电器件的实时 电压、电压平均值和标准差；

步骤三：监控单元(3)中的微处理器MCU(6)利用CAN模块 (7)接收来自第一单模块巡检从板(41)(第二单模块巡检从板～第 十六单模块巡检从板)采集的各个热电器件电压信息，同时基于时钟 模块(9)记录接收到各个电压信对应的时间和日期，基于GPS模块 (6)采集汽车及其发动机所在的位置信息并进行暂存，一方面利用 LCD模块(58)实时显示这些信息，另一方面通过可选择的GPRS 模块(60)和Zigbee模块(59)向远程监控中心发送这些信息；

步骤四：监控单元(3)中的微处理器MCU(6)利用A/D转换 模块(10)采集温差发电单元(1)中的输出总电压V(17)和电流 A(18)，当电流大于零时，若利用CAN模块(7)接收来自第一单 模块巡检(41)～第十六单模块巡检从板(56)采集的部分热电器件 电压值为零，微处理器MCU(6)记录电压值为零的热电器件编号及 其出现对应的时间、日期和位置，当CAN模块(7)采集的部分热电 器件为负值，微处理器MCU(6)记录电压值为负值的热电器件编号 及其出现对应的时间、日期和位置，然后再通过GPRS模块(60)和 Zigbee模块(59)发送给远程监控中心，同时还通过I/O模块(57) 驱动声光报警电路(5)进行报警提示。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。 应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而 认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发 明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以 做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护 范围应以所附权利要求为准。