| 专利名称： | 一种二级转换的串联式汽车尾气温差发电装置 | ||
| 专利名称(英文)： | Two-level conversion tandem type automobile exhaust thermoelectric power generation device | ||
| 专利号： | CN201420869659.6 | 申请时间： | 20141231 |
| 公开号： | CN204271729U | 公开时间： | 20150415 |
| 申请人： | 湖北工业大学 | ||
| 申请地址： | 430068 湖北省武汉市武昌区南湖李家墩一村一号 | ||
| 发明人： | 全睿; 明鑫朗 | ||
| 分类号： | H02J7/32; H02N11/00 | 主分类号： | H02J7/32 |
| 代理机构： | 武汉科皓知识产权代理事务所(特殊普通合伙) 42222 | 代理人： | 张火春 |
| 摘要： | 本实用新型公开了一种二级转换的串联式汽车尾气温差发电装置，包括热电转换单元、电力变换单元和监控单元；本实用新型提供一种同时利用中低温热电器件的基于二级热交换器结构的汽车尾气温差发电装置，通过在前一级热交换器的上下表面布置中温热电器件，在后一级热交换器的上下表面布置低温热电器件从而实现发动机全工况工作条件下汽车尾气的二级热电转换，一方面提高了汽车尾气温差发电装置的回收功率，另一方面提高了汽车尾气温差发电装置的效率。具有清洁、高效、可靠性强的优点。 | ||
| 摘要(英文)： | The utility model discloses a two-level conversion tandem type automobile exhaust thermoelectric power generation device which comprises a thermoelectric conversion unit, an electric power conversion unit and a monitoring unit. The automobile exhaust thermoelectric power generation device provided by the utility model is based on a two-level heat exchanger structure and utilizes medium and low temperature thermoelectric devices simultaneously, and two-level thermoelectric conversion of automobile exhaust under all operating conditions of an engine is realized through arranging the medium-temperature thermoelectric devices at the upper and lower surfaces of a front-level heat exchanger and arranging the low-temperature thermoelectric devices at the upper and lower surfaces of a rear-level heat exchanger, thereby improving the recovery power of the automobile exhaust thermoelectric power generation device on the one hand, and improving the efficiency of the automobile exhaust thermoelectric power generation device on the other hand. The two-level conversion tandem type automobile exhaust thermoelectric power generation device has the advantages of cleanness, efficiency and high reliability. | ||
1.一种二级转换的串联式汽车尾气温差发电装置，其特征在于：包括热电转换单元、电力变换单元和监控单元； 所述的热电转换单元包括发动机、发动机冷却单元、第一热交换器、第一中温热电器件组、第二中温热电器件组、第一冷却水箱、第二冷却水箱、第二热交换器、第一低温热电器件组、第二低温热电器件组、第三冷却水箱、第四冷却水箱、散热器、三元催化器和消声器；发动机尾气依次通过第一热交换器、第二热交换器、三元催化器和消声器相连通往大气；第一热交换器的上下表面分别与第一中温热电器件组和第二中温热电器件组的热端相连，第一中温热电器件组和第二中温热电器件组的冷端分别与第一冷却水箱和第二冷却水箱相连；第二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第三冷却水箱和第四冷却水箱相连；发动机冷却单元的冷却水出口经过散热器后分为两个支路，其中一个支路由管道与第三冷却水箱的入口相连，第三冷却水箱的出口与第一冷却水箱的入口相连，另一个支路由管道与第四冷却水箱的入口相连，第四冷却水箱的出口与第二冷却水箱的入口相连，第二冷却水箱的出口与第一冷却水箱的出口相连后与发动机冷却单元的入口相连构成热电转换单元的冷却回路；第一中温热电器件组、第二中温热电器件组、第一低温热电器件组和第二低温热电器件组中所有热电器件的输出端进行串联作为整个热电转换单元的直流总输出端； 所述的电力变换单元包括电压传感器V1、电流传感器A1、DC/DC、蓄电池、管理单元，热电转换单元的直流总输出端与电压传感器V1并联后与电流传感器A1串联，然后与DC/DC的输入端相连；所述的DC/DC的输出端和蓄电池并联后与车载电器、热电转换单元中散热器的供电端相连；蓄电池通过数据线与管理单元相连，DC/DC和管理单元通过CAN总线与监控单元相连进行通讯； 所述的监控单元包括电源模块、CAN模块、A/D转换模块、时钟模块、D/A输出模块、I/O输出模块、微控制器MCU；所述的时钟模块与微控制器MCU相连，所述的电源模块的输入端与电力变换单元中蓄电池的输出端相连，电源模块的输出端与微控制器MCU相连；所述的CAN模块通过CAN总线与电力变换单元中的DC/DC和蓄电池管理单元相连进行通讯；所述的A/D转换模块的信号输入端与电压传感器V1和电流传感器A1相连，A/D转换模块的信号输出端与微控制器MCU相连；所述的D/A输出模块的输入端与微控制器MCU连接，D/A输出模块与热电转换单元中散热器的信号控制端相连；所述的I/O输出模块输入端与微控制器MCU相连，I/O输出模块的输出端与车载电器的开关控制端相连。
2.根据权利要求1所述的一种二级转换的串联式汽车尾气温差发电装置，其特征在于：所述的监控单元还包括声光报警电路，所述的声光报警电路与I/O输出模块的输出端连接。
3.根据权利要求1所述的一种二级转换的串联式汽车尾气温差发电装置，其特征在于：所述的监控单元还包括SCI模块，所述的SCI模块通过RS232/485总线与工控机相连进行通信。
4.根据权利要求1所述的一种二级转换的串联式汽车尾气温差发电装置，其特征在于：所述的监控单元还包括GPRS模块，所述的微控制器MCU通过GPRS模块与远程监控中心相连进行通信。
5.根据权利要求1所述的，其特征在于：所述的监控单元还包括用于现场实时显示的LCD模块。
1.一种二级转换的串联式汽车尾气温差发电装置，其特征在于：包括热电转换单元、电力变换单元和监控单元； 所述的热电转换单元包括发动机、发动机冷却单元、第一热交换器、第一中温热电器件组、第二中温热电器件组、第一冷却水箱、第二冷却水箱、第二热交换器、第一低温热电器件组、第二低温热电器件组、第三冷却水箱、第四冷却水箱、散热器、三元催化器和消声器；发动机尾气依次通过第一热交换器、第二热交换器、三元催化器和消声器相连通往大气；第一热交换器的上下表面分别与第一中温热电器件组和第二中温热电器件组的热端相连，第一中温热电器件组和第二中温热电器件组的冷端分别与第一冷却水箱和第二冷却水箱相连；第二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第三冷却水箱和第四冷却水箱相连；发动机冷却单元的冷却水出口经过散热器后分为两个支路，其中一个支路由管道与第三冷却水箱的入口相连，第三冷却水箱的出口与第一冷却水箱的入口相连，另一个支路由管道与第四冷却水箱的入口相连，第四冷却水箱的出口与第二冷却水箱的入口相连，第二冷却水箱的出口与第一冷却水箱的出口相连后与发动机冷却单元的入口相连构成热电转换单元的冷却回路；第一中温热电器件组、第二中温热电器件组、第一低温热电器件组和第二低温热电器件组中所有热电器件的输出端进行串联作为整个热电转换单元的直流总输出端； 所述的电力变换单元包括电压传感器V1、电流传感器A1、DC/DC、蓄电池、管理单元，热电转换单元的直流总输出端与电压传感器V1并联后与电流传感器A1串联，然后与DC/DC的输入端相连；所述的DC/DC的输出端和蓄电池并联后与车载电器、热电转换单元中散热器的供电端相连；蓄电池通过数据线与管理单元相连，DC/DC和管理单元通过CAN总线与监控单元相连进行通讯； 所述的监控单元包括电源模块、CAN模块、A/D转换模块、时钟模块、D/A输出模块、I/O输出模块、微控制器MCU；所述的时钟模块与微控制器MCU相连，所述的电源模块的输入端与电力变换单元中蓄电池的输出端相连，电源模块的输出端与微控制器MCU相连；所述的CAN模块通过CAN总线与电力变换单元中的DC/DC和蓄电池管理单元相连进行通讯；所述的A/D转换模块的信号输入端与电压传感器V1和电流传感器A1相连，A/D转换模块的信号输出端与微控制器MCU相连；所述的D/A输出模块的输入端与微控制器MCU连接，D/A输出模块与热电转换单元中散热器的信号控制端相连；所述的I/O输出模块输入端与微控制器MCU相连，I/O输出模块的输出端与车载电器的开关控制端相连。
2.根据权利要求1所述的一种二级转换的串联式汽车尾气温差发电装置，其特征在于：所述的监控单元还包括声光报警电路，所述的声光报警电路与I/O输出模块的输出端连接。
3.根据权利要求1所述的一种二级转换的串联式汽车尾气温差发电装置，其特征在于：所述的监控单元还包括SCI模块，所述的SCI模块通过RS232/485总线与工控机相连进行通信。
4.根据权利要求1所述的一种二级转换的串联式汽车尾气温差发电装置，其特征在于：所述的监控单元还包括GPRS模块，所述的微控制器MCU通过GPRS模块与远程监控中心相连进行通信。
5.根据权利要求1所述的，其特征在于：所述的监控单元还包括用于现场实时显示的LCD模块。
翻译：技术领域
本实用新型属于一种汽车尾气温差发电装置,具体的是一种利用二级热交换器结构进行热电转换的串联式汽车尾气温差发电装置。
背景技术
传统汽车发动机的燃油能量约30%用于驱动车轮，约40%的能量以尾气废热和冷却水的方式散失，基于热电器件的热电转换技术吸收尾气废热进行发电利用是提高发动机燃油经济性的一项重要途径。目前，现有的汽车尾气温差发电装置大多采用单级热交换器结构，并且采用的只是最高耐温值低于350℃的低温器件，只能在发动机低负荷下运行时进行尾气废热回收，汽车尾气温差发电装置的发电功率和效率也较低（几十瓦或几百瓦）。若能设计二级转换结构的热电转换单元吸收发动机全工况运行时的尾气热量，将会大大提高汽车尾气温差发电装置的总体性能，从而进一步提高发动机的燃油经济性。
发明内容
以克服上述的不足，本实用新型提供了一种二级转换的串联式汽车尾气温差发电装置。
本实用新型的技术方案是：一种二级转换的串联式汽车尾气温差发电装置，包括热电转换单元、电力变换单元和监控单元；
所述的热电转换单元包括发动机、发动机冷却单元、第一热交换器、第一中温热电器件组、第二中温热电器件组、第一冷却水箱、第二冷却水箱、第二热交换器、第一低温热电器件组、第二低温热电器件组、第三冷却水箱、第四冷却水箱、散热器、三元催化器、消声器；发动机尾气依次通过第一热交换器、第二热交换器、三元催化器和消声器相连通往大气；第一热交换器的上下表面分别与第一中温热电器件组和第二中温热电器件组的热端相连，第一中温热电器件组和第二中温热电器件组的冷端分别与第一冷却水箱和第二冷却水箱相连；第二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第三冷却水箱和第四冷却水箱相连；发动机冷却单元的冷却水出口经过散热器后分为两个支路，其中一个支路由管道与第三冷却水箱的入口相通，第三冷却水箱的出口与第一冷却水箱的入口相连，另一个支路由管道与第四冷却水箱的入口相连，第四冷却水箱的出口与第二冷却水箱的入口相连，第二冷却水箱的出口与第一冷却水箱的出口相连后与发动机冷却单元的入口相连构成热电转换单元的冷却回路；第一中温热电器件组、第二中温热电器件组、第一低温热电器件组和第二低温热电器件组中所有热电器件的输出端进行串联作为整个热电转换单元的直流总输出端；
所述的电力变换单元包括电压传感器V1、电流传感器A1、DC/DC、蓄电池、管理单元，热电转换单元的直流总输出端与电压传感器V1并联后与电流传感器A1串联，然后与DC/DC的输入端相连；所述的DC/DC的输出端和蓄电池并联后与车载电器、热电转换单元中散热器的供电端相连；蓄电池通过数据线与管理单元相连，DC/DC和管理单元通过CAN总线与监控单元相连进行通讯；
所述的监控单元包括电源模块、CAN模块、A/D转换模块、时钟模块、D/A输出模块、I/O输出模块、微控制器MCU；所述的时钟模块与微控制器MCU连接，所述的电源模块的输入端与电力变换单元中蓄电池的输出端相连，电源模块的输出端与微控制器MCU相连；所述的CAN模块通过CAN总线与电力变换单元中的DC/DC和蓄电池管理单元相连进行通讯；所述的A/D转换模块的信号输入端与电压传感器V1和电流传感器A1相连，A/D转换模块的信号输出端与微控制器MCU相连；所述的D/A输出模块的输入端与微控制器MCU连接，D/A输出模块与热电转换单元中散热器的信号控制端相连；所述的I/O输出模块输入端与微控制器MCU相连，I/O输出模块的输出端与车载电器的开关控制端相连。
优选的，所述的监控单元还包括声光报警电路，所述的声光报警电路与I/O输出模块的输出端连接。
优选的，所述的监控单元还包括SCI模块，所述的SCI模块通过RS232/485总线与工控机相连进行通信；
优选的，所述的监控单元还包括GPRS模块，所述的微控制器MCU通过GPRS模块与远程监控中心相连进行通信。
优选的，所述的监控单元还包括用于现场实时显示的LCD模块。
本实用新型的技术效果是：一种二级转换的串联式汽车尾气温差发电装置充分利用了基于中温热电器件组的前级热交换器、基于低温热电器件组的后级热交换器进行汽车尾气温差发电，实现发动机全工况的尾气废热回收，大大提高了热电转换单元的发电功率，降低了蓄电池的容量，该装置利用时钟模块记录各种参数和状态的时间信息，可通过GPRS模块向远程监控中心发送各种过程参数和工作状态等信息，利用工控机和LCD模块进行实时显示，当相关部件处于不正常工作状态时进行声光报警提示；该装置智能化程度高、实时性强、清洁高效，适用于各种传统汽车发动机的尾气废热回收利用和发电的应用场合。
附图说明
图1为本发明的整体结构原理框图；
图2为第一中温热电器件组的布局示意图；
图3为第二中温热电器件组的布局示意图；
图4为第一低温热电器件组的布局示意图；
图5为第二低温热电器件组的布局示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步的描述。
如图1所示，一种二级转换的串联式汽车尾气温差发电装置的主体部分由热电转换单元、电力变换单元和监控单元构成；其特点是：热电转换单元利用二级热交换器与发动机尾气进行热交换，二级热交换器上下表面的中、低温热电器件组吸收尾气热量，发动机冷却单元的冷却水通过多个冷却水箱组给中、低温热电器件组中各个热电器件的冷端冷却从而构建温差进行发电;电力变换单元给装置的各部件供电，并对串联结构的中、低温热电器件组产生的直流电能进行变换给车载电器供电或给蓄电池充电；监控单元监测装置的各种参数和状态,记录它们的时间和日期，进行显示和报警提示，并控制相关执行部件。
热电转换单元如图1所示，由发动机、冷却单元、第一热交换器、第一中温热电器件组、第二中温热电器件组、第一冷却水箱、第二冷却水箱、第二热交换器、第一低温热电器件组、第二低温热电器件组、第三冷却水箱、第四冷却水箱、散热器、三元催化器、消声器构成；发动机的尾气依次通过第一热交换器、第二热交换器、三元催化器和消声器通往大气；第一热交换器的上下表面分别与第一中温热电器件组（如图2所示）和第二中温热电器件组（如图3所示）的热端相连，第一中温热电器件组和第二中温热电器件组的冷端分别与第一冷却水箱和第二冷却水箱相连；具体的是第一中温热电器件组和第二中温热电器件组中的多个热电器件1_1~m_n（皆为m行n列分布）的冷端，第二热交换器的上下表面分别与第一低温热电器件组（如图4所示）和第二低温热电器件组（如图5所示）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第三冷却水箱和第四冷却水箱相连；具体的是第一低温热电器件组和第二低温热电器件组中的多个热电器件1_1~m_n（皆为m行n列分布）的冷端，发动机冷却单元的冷却水出口经过散热器后分为两个支路，其中一个支路由管道与第三冷却水箱的入口相通，第三冷却水箱的出口与第一冷却水箱的入口相通，另一个支路由管道与第四冷却水箱的入口相通，第四冷却水箱的出口与第二冷却水箱的入口相通，第二冷却水箱的出口与第一冷却水箱的出口相通后与发动机冷却单元的入口相连构成热电转换单元的冷却回路；第一中温热电器件组、第二中温热电器件组、第一低温热电器件组和第二低温热电器件组中所有热电器件的输出端进行串联作为整个热电转换单元的直流总输出端；
电力变换单元如图1所示，包括电压传感器V1、电流传感器A1、DC/DC、蓄电池、管理单元，热电转换单元的直流总输出端与电压传感器V1并联后与电流传感器A1串联，然后与DC/DC的输入端相连；所述的DC/DC的输出端和蓄电池并联后与车载电器、热电转换单元中散热器的供电端相连；蓄电池与管理单元相连，DC/DC和管理单元通过CAN总线与监控单元相连进行通信；
监控单元如图1所示，包括电源模块、CAN模块、A/D转换模块、GPRS模块、LCD模块、时钟模块、D/A输出模块、I/O输出模块、声光报警电路、SCI模块、微控制器MCU、上位机；所述的时钟模块、LCD模块分别与微控制器MCU连接，电源模块的输入端与电力变换单元中蓄电池的输出端相连，电源模块的输出端与微控制器MCU相连；CAN模块通过CAN总线与电力变换单元中的DC/DC和蓄电池管理单元相连进行通讯；A/D转换模块的信号输入端与电压传感器V1和电流传感器A1相连，A/D转换模块的信号输出端与微控制器MCU相连；所述的D/A输出模块的输入端与微控制器MCU连接，D/A输出模块与热电转换单元中散热器的信号控制端相连；所述的I/O输出模块输入端与微控制器MCU相连，I/O输出模块的输出端与声光报警电路和车载电器的开关控制端相连；串口通信SCI模块通过RS232/485总线与工控机相连；微控制器MCU通过GPRS模块与远程监控中心相连进行通信。
在本实用新型的实施例中，冷却单元的冷却水流过散热器时，由监控单元的微控制器（MCU）通过D/A输出模块输出电压信号控制散热器中的风扇转速为最大值，从而将流入第三冷却水箱和第四冷却水箱的水温降到最小值，然后流出第一冷却水箱和第二冷却水箱的冷却水汇合后流入发动机冷却单元，保证其原有发动机冷却单元的热平衡。
在本实用新型的实施例中，监控单元的微控制器MCU通过CAN总线分别向DC/DC命令控制其输出电压和输出电流，当蓄电池的荷电状态SOC较低时，监控单元的微控制器MCU通过I/O输出模块输出低电平控制车载电器断开，同时通过微控制器MCU、CAN模块和CAN总线向DC/DC发送命令调节它们的输出电压给蓄电池进行浮充；当蓄电池的SOC较高时，若车载电器的功率需求小于热电转换单元的中低温热电器件组的峰值功率时，监控单元的微控制器MCU通过CAN模块和CAN总线向DC/DC发送命令控制其输出电流使车载电器由热电转换单元单独供电；当蓄电池的SOC较高时，若车载电器的功率需求大于热电转换单元的中低温热电器件组的峰值功率时，监控单元的微控制器MCU通过CAN模块和CAN总线向DC/DC发送命令控制其输出电流大小使车载电器由热电转换单元和蓄电池共同承担供电。
在本实用新型的实施例中，监控单元通过A/D转换模块实时采集电压传感器V1和电流传感器A1的值，通过时钟模块记录它们变化的时间，通过CAN模块和CAN总线接收蓄电池管理单元发送过来的蓄电池SOC值、DC/DC发送过来的电压、电流和开关管的温度等参数，通过串口通信SCI模块和RS232/485向上位机发送这些参数以及散热器的转速并进行实时显示，还通过LCD模块进行现场实时显示，包括对散热器的转速、热电转换单元的直流总输出端的电压和电流、DC/DC的电压和电流进行实时显示。同时利用GPRS模块与远程监控中心进行通讯发送上述各种信息，当上述各种参数超出所设定的最大值和最小值时，微控制器(MCU)通过I/O输出模块驱动声光报警电路进行报警提示。
本实用新型说明书中未作详细描述的内容属于本专业领域技术人员公知的现有技术。
