武汉大学学报(工学版)   2016, Vol. 49 Issue (1): 126-131

文章信息

李浩, 邓亚东, 汪怡平
LI hao, DENG Yadong, WANG Yiping
TEG应用对混合动力汽车燃油经济性影响分析
Impact of TEG applications on economic performance of HEV
武汉大学学报(工学版), 2016, 49(1): 126-131
Engineering Journal of Wuhan University, 2016, 49(1): 126-131
http://dx.doi.org/10.14188/j.1671-8844.2016-01-022

文章历史

收稿日期: 2015-01-13
 Abstract              PDF               Figures               Tables
引用本文 0
李浩, 邓亚东, 汪怡平. TEG应用对混合动力汽车燃油经济性影响分析[J]. 武汉大学学报(工学版), 2016, 49(1): 126-131.
LI hao, DENG Yadong, WANG Yiping. Impact of TEG applications on economic performance of HEV[J]. Engineering Journal of Wuhan University, 2016, 49(1): 126-131.
TEG应用对混合动力汽车燃油经济性影响分析
李浩, 邓亚东, 汪怡平     
武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室，湖北 武汉 430070
收稿日期: 2015-01-13
作者简介: 李浩(1988-)，男，硕士研究生，研究方向为新能源汽车，E-mail:lihao_vw@163.com.
通讯作者: 邓亚东(1965-)，男，教授，研究方向为汽车动力学、新能源汽车，E-mail: dengyadong@sina.com
基金项目: 国家自然科学基金项目(编号：46130062).
摘要: 车载温差发电器(TEG)是一种将汽车尾气中的热能直接转化为电能的新型装置，热电材料技术的日益进步使得TEG在汽车上的应用成为可能.为了研究加装这种温差发电器对车辆燃油经济性的影响，根据热电转换基本理论建立了温差发电器的Simulink仿真模型，然后基于ADVISOR仿真平台搭建了一种并联式混合动力汽车的顶层仿真模型.同时又以实验室物理样机为对象分别建立了多个TEG仿真模型，通过仿真实验对获得的实验数据进行分析后提出温差发电器比功率的概念，据此对TEG配置与整车油耗之间的相互关系进行了解释，为开发更加高效的尾气温差发电混合动力汽车提供了理论依据.
关键词： 温差发电器     混合动力汽车     建模仿真     比功率     经济性    
Impact of TEG applications on economic performance of HEV
LI hao, DENG Yadong, WANG Yiping     
Hubei Key Laboratory of Advanced Technology for Automobile Components, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China
Abstract: The vehicular waste-heat thermoelectric generator (TEG) is a new device which can directly convert automobile exhausted waste-heat into electric energy; now advances in material technology have made it possible to apply the TEG to motor vehicles. To analyze the impact of the TEG applications on fuel economy of the vehicle, we established the Simulink sub-model of the thermoelectric generator system according to the theory of thermoelectricity; and continued to set up the backward simulation model of the parallel hybrid electric vehicle on the ADVISOR platform. And also, we established several other TEG models with different configuration referring to the laboratory physical prototypes. Running the computational procedure and finally proposed a concept of TEG power density after analyzing the experimental data. All these works lead to a final revelation of relationship between TEG configuration and automobile fu el economy, so as to provide a theory support for developing a more effective HEV based on the TEG system.
Key words: thermoelectric generator(TEG)     hybrid electric vehicle(HEV)     modeling and simulation     power density     fuel economy    

发动机运转过程中的大量热量以各种形式耗散[1]，其中尤以汽车尾气废热中带走的热量居多，汽车尾气温差发电器(thermoelectric generator ，简称TEG)是一种基于热电材料技术的、面向汽车尾气能量回收的新能源汽车技术[2]，它通过回收汽车尾气中废热能的方式，优化车辆热循环系统，达到降低汽车油耗、减轻环保压力的目的.实验测试中，我们设计了多种不同类型的温差发电器，内置不同数量的热电模块(thermoelectric module，TM)，然后测试所有TEG的台架静态输出功率.结果显示，TM数量与TEG整体功率输出通常成正相关性，但实际上考虑到用于布置更多模块所需求的冷却液和其他附属装置也会相应地增加，当TEG回收的能量不足以抵消自身质量增加而带来的燃油消耗时，则可能反而增加整车油耗.为了研究这种矛盾关系，本文选择一款并联式混合动力汽车作为车载温差发电装置的理论研究对象[3]，基于温差发电器的并联式混合动力汽车传动系统结构如图 1所示，电机作为辅助动力单元可以通过机械耦合的方式单独或辅助发动机共同驱动汽车，而TEG系统可作为稳定的能量源可持续给电池补充电量以供车辆使用[4].

图 1 TEG混合动力传动系统结构 Figure 1 The power-train configuration based on TEG
图选项
1 温差发电系统建模

一种典型的温差发电器的结构形态为平板式温差发电器(如图 2)，这种气箱结构的优点是换热面积大，其上下表面可方便布置较多数量的热电模块(如5×6的布置形式).热电模块分为热端和冷端，中间分布有若干对热电偶(如图 3所示)，每个热电偶由一个P型半导体和一个N型半导体组合而成，当热电偶两端产生温差时，高温端和低温端就会产生电动势U，即塞贝克效应.不同热电材料的热电转化效率是不同的，材料的性能用无量纲值ZT来描述[5].

图 2 换热气箱 Figure 2 Heat exchanger
图选项
图 3 单模块电池 Figure 3 Single-module of TM
图选项
1.1 热电偶电池模型 1.1.1 热电模块的电功率

每对P型和N型半导体材料构成的热电偶在温差环境中的工作状态类似于一个弱电压源(图 3所示)，半导体回路中的两个电接点产生一个对外开路电压U，其电气特性方程如下[6]:

$负载电流:I=\frac{U}{r+R}=\frac{\partial (T)\cdot \Delta T}{r+R}$    (1)
$负载电压:{{U}_{L}}=U-I\cdot r=\partial (T)\cdot \Delta T\cdot \frac{R}{r+R}$    (2)

热电偶输出功率：

$P_{e}^{{}}=I\cdot {{U}_{L}}=\frac{\alpha {{(T)}^{2}}\cdot \Delta {{T}^{2}}}{\frac{{{(R-r)}^{2}}}{R}+4\cdot r}$    (3)

上式中，当电池内阻r与负载电阻R相等时，得到模块最大输出功率：

${{P}_{e\_\max }}=\frac{\partial T{{}^{2}}\cdot \Delta {{T}^{2}}}{4\cdot r}$    (4)
1.1.2 热电模块的吸热

热电模块输出电功率必然意味着能量的流入，当半导体回路中产生电流时，热电模块高温端吸收热量而低温端释放热量，根据非平衡热力学理论,模块热端和冷端传递的热量[7, 8]分别为

${{Q}_{\_h}}=k\cdot \Delta T+\partial (T)\cdot I\cdot {{T}_{h}}-\frac{1}{2}\cdot {{I}^{2}}\cdot r$    (5)
${{Q}_{\_c}}=k\cdot \Delta T+\partial (T)\cdot I\cdot {{T}_{c}}+\frac{1}{2}\cdot {{I}^{2}}\cdot r$    (6)

其中：ΔT=Th-Tc,为热电偶冷热端温差；I为工作电流；r为热电偶内阻.因此，热电模块吸收的热量总和为

$Q={{P}_{c}}={{Q}_{\_h}}-{{Q}_{\_c}}={{\text{I}}^{2}}R$    (7)
1.1.3 热电转化效率

热电转化效率是指热电模块的输出功率与吸收热量的比值：

$\eta =\frac{{{Q}_{\_h}}-{{Q}_{\_c}}}{{{Q}_{\_h}}}=\frac{\frac{\partial {{(T)}^{2}}\Delta {{T}^{2}}}{\frac{{{(R-r)}^{2}}}{R}+4r}}{K\cdot \Delta T+\alpha (T)I{{T}_{\_h}}-\frac{1}{2}{{I}^{2}}R}$    (8)

对上式取极大值可得：

$\begin{align} & {{\eta }_{\_\max }}={{\eta }_{\text{carnot}}}\cdot {{\eta }_{TE}}= \\ & \frac{{{T}_{h}}-{{T}_{c}}}{{{T}_{h}}}\cdot \frac{\sqrt{1+Z\cdot \overset{\_}{\mathop{T}}\,}-1}{\sqrt{1+Z\cdot \overset{\_}{\mathop{T}}\,}+\frac{{{T}_{\_c}}}{{{T}_{\_h}}}} \\ \end{align}$    (9)

式中：第一个因子ηcarnot表示可逆热机的热力工作效率，即卡诺效率；第二个因子ηTE表示热传导和焦耳热这两个不可逆过程所引起的热电材料工作效率的下降，这两个因子共同决定热电材料的转化效率[9].

1.2 基于TEG的混合动力整车仿真模型

根据上述热电材料的热电转换理论和传热学相关知识，建立了温差发电系统的Simulink模型，图 4为集成5个气箱的温差发电器Simulink仿真模型.为了分析和判断温差发电系统在混合动力汽车上的应用对车辆燃油经济性的影响，修改电动汽车仿真软件平台ADVISOR内置模块中的parallel_defaults_in整车传动系统的顶层模型，将上述TEG子系统封装后重新构造一个新的顶层整车仿真模型[10]，如图 5所示.

图 4 TEG模型 Figure 4 Simulation model of thermoelectric generator
图选项
图 5 整车仿真模型 Figure 5 Complete vehicle simulation model
图选项

上述仿真模型包含整车传动系统模型和TEG子系统模块(图 5中＜teg＞模块)，其中TEG子系统的输入参数包括：三元催化器排气口处温度(即换热气箱入口温度high_tmp_in)、发动机循环冷却水温(fc_clt_tmp)和排放后处理系统的尾气流量(ex_gas_flow).模块输出参数为温差发电功率(T_power)，即温差发电器模块根据输入的尾气温度、流量、冷却水参数，以热电电池理论为依据计算得到的一个功率数据，图中T_power再次进入整车功率总线系统进行能量流的再分配.

2 仿真与结果

为研究便利，仿真实验采用了典型的欧洲汽车油耗测试工况ECE-EUDC，用以测试和验证基于TEG的混合动力汽车在一个行驶循环工况中的油耗表现.该工况综合了城市道路行驶工况和郊区行驶工况的特征，总行驶里程10.93 km，最高车速120 km/h，平均车速32.1 km/h[11].

仿真计算中，为了确保实验数据的横向可比性，仿真模型的整车控制策略和主要部件参数的设定保持了一致，并且参照物理样机赋予了各TEG模型不同的属性参数，然后进行仿真计算.以下为典型温差发电器(TEG3) 的仿真实验结果，列举了该模型在ECE-EUDC循环工况下的动态输出参数，主要包括汽车尾气流量(fc_ex_gas_flow)、发动机循环冷却水温(fc_clt_tmp)和三元催化器排气口温度(high_tmp_in)与输出功率(T_power)的叠加曲线图见图 6~9.

图 6 ECE-EUDC循环工况 Figure 6 Drive cycle of ECE-EUDC
图选项
图 7 尾气流量曲线 Figure 7 Curve of exhaust gas flow
图选项
图 8 冷却水温曲线 Figure 8 Curve of coolant temperature
图选项
图 9 TEG功率与气箱入口温度变化曲线 Figure 9 Curves of ex_gas_temp and TEG power
图选项

图 7中尾气流量呈现出快速波动的特点，总体随车速增加而增大；图 8中冷却水温稳步上升，在达到96 ℃左右保持稳定；图 9显示在车速达到最大120 km/h时，瞬时最大功率接近700 W，而最大尾气温度为582.3 ℃，另外计算得到该温差发电器在一个循环工况下的平均输出功率为426.1 W.

此外，本文还进行了其他温差发电器的仿真实验，共计5个TEG模型(TEG1-TEG5) 、混合动力汽车(HEV)及传统汽车(CV)，表 1列出了发动机、电机、温差发电器、整车质量等参数，通过仿真试验，获得不同配置的TEG对应车辆、HEV及CV的输出功率和油耗结果.由表 1数据可分析得到以下相关信息：1) 每个气箱布置60个热电模块，TEG总质量随着热电模块或气箱数量的递增而增加；2) TEG的平均输出功率也随着总质量的增加而增大，但增加的幅度ΔP呈减小趋势，表明总体平均热电效率随着热电模块数量的增加而下降;3) 整车油耗则呈现先降后升的趋势，原因在于布置的热电模块数量越多，用于固定这些热电模块所需的支架和冷却液等附件质量也越大，从而抵消了TEG的节油贡献.

表 1 整车仿真数据 Table 1 Simulation parameters and results
配置参数TEG1TEG2TEG3TEG4TEG5HEVCV
发动机功率(KW)686868686868102
质量(kg)201201201201201201326
电机功率(KW)525252525252
质量(kg)636363636363
温差发电装置气箱数12345
模块数60120180240300
总质量52.686.4121.8171.3228.9
整车质量(kg)1565.61599.41634.81684.31741.915131408
平均功率(W)158.9298.7426.1532.3591.1
油耗（L/km-1）7.57.37.27.47.57.510.4
表选项

整理以上数据，发现TEG输出功率与其质量之间有如图 10所示关系.

图 10 TEG质量-功率曲线 Figure 10 Curve of TEG quality & power
图选项

据此提出温差发电器的比功率这一概念，即单位质量的功率(P0表示，单位W/kg).统计表明：P0和油耗数据之间存在某种关系，当比功率越大时油耗越低，二者呈现明显的反比关系，这种关系解释了整车油耗的特殊变化趋势.即TEG的比功率越大，热电转化效率越高，相应地油耗值越低.

如图 11所示，TEG1和TEG5的整车油耗并未降低，仍然维持在7.5，原因在于上述温差发电器的比功率过低，对整车的节油贡献不明显.而TEG3以略高的比功率获得了最低的整车油耗，节油率在4%左右，由此可见具有最佳节油效率的温差发电器在TEG3附近出现，即热电模块数量在180个左右的配置是比较合理的，而此时P0为3.5 W/kg左右.需要指出的是，以上假设和结论只在现有热电材料技术和温差发电器的制造工艺条件下成立，寻找更高优值系数的热电材料或进一步优化温差发电器的结构仍能继续提高TEG的热电转化效率[12, 13]，从而获得更理想的燃油经济效益.

图 11 TEG比功率与油耗关系图 Figure 11 The bar chart of P0 and fuel consumption
图选项
3 结论

本文基于热电电池理论，针对车载温差发电研究建立了基于温差发电器的并联式混合动力汽车整车仿真模型，采用温差发电器的比功率的概念，解释了不同温差发电器在混合动力车辆应用方面产生的影响关系，主要结论有：

1) 温差发电器在混合动力车辆上的应用能够降低整车油耗，只有拥有较高比功率的温差发电器才能获得更为理想的车辆燃油经济性.

2) 结合课题实际验证，最佳的单气箱热电模块数量可能为180左右，此时效果较好，配置更合理.

3) 寻找高优值的热电材料、提高气箱传热效率、改进温差发电器的结构以减轻质量等方法都是提高车载温差发电器节油效果的有效途径.

以上研究为帮助开发最佳配置的车载温差发电器提供了数据和理论支撑.

参考文献
[1] 范文. 基于温差发电的汽车低度混合动力系统的研究与仿真[D]. 武汉: 武汉理工大学, 2013.
Fan Wen. Research on a mild hybrid electric vehicle based on a vehicular waste-heat thermoelectric generator[D]. Wuhan: Wuhan University of Technology, 2013.
[2] Crane D, Lagrandeur J, Jovovic V, et al. TEG on-vehicle performance and model validation and what it means for further TEG development[J]. Journal of Electronic Materials, 2013, 42(7): 1582–1591. DOI:10.1007/s11664-012-2327-8
[3] Deng Y D, Fan W, Ling K, et al. A 42-V electrical and hybrid driving system based on a vehicular waste-heat thermoelectric generator[J]. Journal of Electronic Materials, 2012, 41(6): 1698–1705. DOI:10.1007/s11664-012-2068-8
[4] 邓亚东, 王顺民. 基于摩擦转矩传递的凹凸半球式CVT系统设计与运动学分析[J]. 武汉理工大学学报, 2014, 36(11): 136–140.
Deng Yadong, Wang Shunmin. Design of concave-convex hemisphere CVT based on the friction torque transfer and kinematics analysis[J]. Journal of Wuhan University of Technology, 2014, 36(11): 136–140.
[5] 贾阳, 任德鹏. 温差发电器中热电材料物性的影响分析[J]. 电源技术, 2008, 32(4): 252–256.
Jia Yang, Ren Depeng. Effect analysis for physics characteristic of thermo-electric materials in thermo-electric generator[J]. Chinese Journal of Power Sources, 2008, 32(4): 252–256.
[6] 靳鹏.汽车尾气热电发电技术研究及应用仿真[D].长春: 吉林大学, 2011.
Jin Peng.Research on thermo-electric technology for vehicle exhaust waste heat and simulation application[D]. Changchun: Jilin University, 2011.
[7] 周泽广. 温差发电器的传热特性及机理研究[D]. 广州: 华南理工大学, 2013.
Zhou Zeguang. Heat Transfer characteristics and mechanism research of thermoelectric generator[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2013.
[8] 蒋新强. 汽车尾气半导体温差发电系统研究[D]. 广州: 华南理工大学, 2010.
Jiang Xinqiang. Research on semiconductor thermoelectric generating system of vehicle exhaust gases[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2010.
[9] Tatarinov D, Koppers M, Bastian G, et al. Modeling of a Thermoelectric Generator for Thermal Energy Regeneration in Automobiles[J]. Journal of Electronic Materials, 2013, 42(7): 2274–2281. DOI:10.1007/s11664-013-2642-8
[10] 凌凯. 基于汽车尾气废热温差发电的42 V动力系统建模与仿真[D]. 武汉: 武汉理工大学, 2011.
Lin Kai. Modeling and simulation of the 42 V power net system based on automobile exhaust waste heat thermoelectric generation[D]. Wuhan: Wuhan University of Technology, 2011.
[11] 张富兴. 城市车辆行驶工况的研究[D]. 武汉: 武汉理工大学, 2005.
Zhang Fuxing. Study on driving cycles of city vehicle[D]. Wuhan: Wuhan University of Technology, 2005.
[12] Kushch A S, Bass J C, Ghamaty S, et al. Thermoelectric development at Hi-Z technology[C]// Proceedings ICT 2001: 422-430.
[13] 鞠洪玲, 罗马吉, 李辉. 柴油机侧隙区域对未燃燃料和SOOT的排放影响[J]. 武汉理工大学学报, 2014, 36(3): 135–139.
Ju Hongling, Luo Maji, Li Hui. The effect of crevice zone on unburned fuel and SOOT in diesel engine[J]. Journal of Wuhan University of Technology, 2014, 36(3): 135–139.