汽车尾气温差发电技术研究综述

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汽车尾气温差发电技术研究综述

刘磊，漆波，陈金友

(南华大学机械工程学院，湖南衡阳421000 )

摘要:汽车尾气温差发电技术将低品位余热通过发电装置转换成电能，可以有效地降低汽车油耗，减少废气、废热排放。

文中介绍了温差发电器工作原理；叙述了温差发电技术的国内外研究现状，并对内置式和外置式温差发电器进行相关介 绍；分析了汽车尾气发电的不足以及未来主要研究方向，主要包括新型热电材料的研制、温差发电器的结构设计与优化、考 虑温差发电器件的失效问题和可靠性问题以及混合动力系统上应用研究等4个方面。

关键词：汽车尾气;温差发电;研究现状;研究方向

中图分类号：U 464.13;X 706 文献标志码:A

文章编号：1002-2333(2017)07-0003-03

Research Overview of Automobile Exhaust Temperature Difference Power Generation

LIU Lei, QI Bo, CHEN Jinyou

Abstract： The low grade waste heat of automobile exhaust gas is converted into electrical energy by means of power generation

(Institute of Mechanical Engineering, University of South China, Hengyang 421000, China)

equipment, can effectively reduce vehicle fuel consumption, emissions and waste emissions. This paper introduces working principle of electric generator. The domestic and foreign research status of thermoelectric power generation technology is described. The internal and external temperature of the thermoelectric generator is introduced. We analyze the deficiency of automobile tail gas power generation and the research direction in the future, which includes the development of a new type of thermoelectric materials, thermoelectric structure design and optimization, considering the thermoelectric power generation device failure and reliability issues as well as in the hybrid system on the application of the 4 aspects.Key words ： automobile exhaust; thermoelectric power generation; research status; research direction

引言

空穴将由髙浓度的热端 向低浓度的冷端移动，形成电动势：

s=a(71-Tc)〇 (1)式中义为电动势;Th为热 端温度;7；为冷端温度;a 为相对塞贝克系数。2国内外研究现状

2.1国外研究现状

0

随着经济快速发展，我国汽车的数量每年都大幅度 增长。截止2015年底，全国汽车保有量达1.72亿辆，比

2014年髙出了 13.87%%

汽车数量的剧增使得能源消耗

明显增加;能源危机、环境恶化以及气候变暖等问题已成 为全球面临的巨大挑战。目前，很多汽车工业新方法和新 模式都被用来减少或解决这些问题。例如，在能源短缺与 环保方面，主要研究寻找绿色新能源来替代石油资源，已 研发出的包括太阳能汽车、燃料电池氢动力汽车和生物 乙醇汽车等％另外研究表明，汽车内燃机燃料燃烧的总 能量，大约只有25%〜30%的能量转化为动能，40%左右 的能量从尾气排出，其余的被发动机冷却水与机械摩擦 所消耗[3]。因此，尾气废热回收利用的空间巨大，可利用废 热取暖、废热发电以及废气涡轮增压等[4]。如果能充分利 用汽车尾气废热能量，对汽车节能与环保意义重大。

基于温差发电原理，将汽车尾气废热通过温差发电 装置转换成电能，可直接提供车内用电或存储于蓄电池，减少汽车部分油耗。该技术已成为国际研究热点，具有很 大的发展潜力，是汽车未来辅助动力研究发展方向。1温差发电器工作原理

将两种不同的金属材料组成闭合回路，当闭合处存 在温差时，回路中会生成电流，这种现象称为塞贝克效 应如图1所示，两种不同类型的半导体连接成为一 个PN结，然后将PN结一端加热，另一端冷却，由于其两 端温差的存在，P型材料内部的电子与N型材料内部的

塞贝克效应发现 以来，由于温差发电技

术具有噪声小、污染低、

可靠性好以及寿命长等优点，国外研究者对其进行了深 人研究，该技术被广泛应用于航天、军事和汽车等领域[7]。 1947年，泰克斯^制造出了世界上第一台温差发电器，但 发电效率低下，仅为1.5 %。

随着全球化石能源的枯竭、汽车数量的剧增，温差发 电相关技术在汽车上的应用越来越受关注。2003年，美 国克拉克森大学的研究者Tharcher等M设计制造一款温 差发电器，其发电功率可达300 W，然后将其安装在皮卡 车上进行试验，结果表明，此温差发电器利用高温废热进 行发电，可以为整车节约1%〜2%的燃油量。俄亥俄州立 大学与通用、宝马汽车公司等[w]共同开发一款温差发电装 置，该装置利用高温尾气与空气之间的温差进行发电，并 安装在雪佛兰Suburban车型上进行测验，在行驶大约5

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万km后，测试结果显示，该温差发电装置可提高5%的 燃油率。2009年，大众汽车公评11股计了一款带有温差发 电系统的原型汽车，当较高速行驶时可产生大约0.6 kW 电能，可提供30%的车内用电。2011年，BSST公司[12使用 铪和锆的混合新型材料作为温差发电器的热电材料，该 热电材料最大的特点就是能在高温下稳定工作，提高了 发电机40 %的效能。

近几年，日本再回收利用废热能量进行温差发电相 关技术方面取得了一定成就。2013年，日本汽车零部件 厂商ATSUMITEC联合有关的研究所[13]共同研制出利用 汽车尾气进行发电的相关装置，将未充分燃烧的尾气成 分通过燃料电池转换为电能，同时将高温尾气经温差发 电器转换成电能，既节能又环保。

2.2国内研究现状

气对流换热构成发电器热端，减小发电器整体体积的同 时，也提高了换热能力;还可以采用多级转换结构，充分 利用管内高温热能;冷源则采用循环水冷，可获得较大温 差，提高发电效率。

与国外技术相比，国内温差发电技术相对有些落后， 主要包括一些高校和科研院所从事温差发电理论、模拟 仿真以及热电材料上的研究。20世纪70年代，国内开始 了对热电材料的研究[14]，受当时技术的限制，研究对象集 中在几种普通常用的材料，与国外热电材料相比，国内材 料性能较差，需要进行更多的研究探索。

在研究新型高效的热电材料项目中，上海硅酸盐研 究所和武汉理工大学得到国家“973”计划的大力支持 这将在很大程度上提高我国热电材料性能，推动我国温 差发电技术的进步；其研究的热电材料出2心3居于世界 先进水平。高校中，华南理工大学在研究温差发电技术方 面起步较早，同时也取得了一定成就。2004年，该校研究 者张征^研制一款无集热器的内置式温差发电装置，发 电模块一端直接与高温尾气接触，利用对流与辐射进行 换热;冷端则利用冷却水进行整体式降温。2011年，乔居 斌等—进行了温差发电模块的实验测试并搭建相应的模 拟实验平台；张晓丹、蒋新强等[18]利用MATLAB、ANSYS 软件对圆筒式汽车温差发电系统建立三维模型，完成发 电器的热流耦合仿真分析。清华大学徐立珍等^进行了余 热发电测试实验，控制模块热端温度在83~270U负载阻值 在0〜52011范围内，然后得出试验输出功率，并用得到的结 果设计温差发电方案，安装在东风EQ140-1货车上进行经 雜分析。

2011年，上海硅酸盐研究所与康宁公司_共同建立 实验室，致力于研究开发新型高性能热电材料，提高汽车 尾气废热利用效率。

综上所述，国外汽车尾气温差发电研究技术逐步成 熟，已经进入了车载实证阶段，而国内汽车尾气温差发电 技术起步较晚，尚处于研究开发阶段，特别是未深入到整 车系统实际测试阶段，但国内研究者们对温差发电机技 术的研究越来越深入。3

温差发电器结构特点及应用

温差发电器结构主要包括内置式和外置式两种，外 置式温差发电器又分为平板式与圆筒式等。

3.1内置式温差发电器

1) 平板式温差发电器。因为汽车尾气排气管通常为

圆形，而发电片结构为长方体且不易弯曲，使得温差发电 片和排气管接触不充分，严重影响热量的传递，所以设计

出如图3所示平板式温差发电器，将温差发电片依次紧 贴平板上，然后用夹紧装置固定，最后将其安装在排气消 音器与三元催化转化器之间的合适位置[2\\

2)

圆筒式温差发电器。如图4所示为圆筒式温差发

电器，其优点在于充分利用汽车排气管的圆形外部结构， 无需对排气管进行较大的改变，直接将发电器外形结构 制作成正多边体，温差发电片紧贴于正多边体的每个面 上;工作时，通过对流换热与热传导方式，将高温尾气的 热能传递给发电片的热端，冷源则采用风冷或循环水冷， 冷热两端形成较大温差，最终产生电能[23]。4 汽车尾气温差发电发展趋势

如图2所示为内置式温差发电器^整体结构，其结 构中无集热器，发电模块直接接人排气管内壁，与高温尾

图4圆筒式温差发电器

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D M.G RC Handbook of Thermoelectrics |MJBocaraton^lorida:

不高、与整车匹配不好等问题，这些问题的存在大大阻碍 [5] ROWE

CRG Press,1995.

了温差发电系统在汽车领域的推广。所以,未来研究工作

[6] NOLAS G.Thermoelectrics Basic Principles and New Materials

主要包括：

Developments[M].Berlin: Springer,2001.

1) 研制新型热电材料。为进一步提高温差发电效率, [7] DISALYO F L.Thermoelectric cooling and power generation [J]. 对新型热电材料的研究是必不可少的，其性能直接决定 Science,1991,285(5428):703-706.发电系统的发电效率，而品质因子ZT是热电材料性能的 [8] 髙敏，张景韶，ROWE D M•温差电转换及其应用[M]•北京:兵器工

目前，温差发电技术还存在诸多问题，比如发电效率

[4] 薛子旺.发动机废气发电研究[].郑州:河南农业大学，2010.

重要参数,ZT参数值越高，其性能越好，目前使用热电材 料的ZT值普遍偏低，还远远不能达到预定目标,所以需

业出版社，1996.[9] 孔秀华.

WD615型发动机排气余热发电装置的设计[D].大连:大

连海事大学，2010.要更深入地研究，开发出高性能的热电材料。

[10] MASAHIDE M,MICHI0 M,MASARU O.Thermoelectric generator 2) 温差发电器的结构设计与优化。设计优化温差发

电器时，应尽量使结构简便可靠，无需对汽车外形做较大 的改动;可根据冷、热端的特点，研究它的传热、散热方 式，接触热阻以及几何形状等问题,通过有限元分析软件 对温差发电器进行模拟仿真，进而确定最优的物理参数 和几何参数，完成发电器的设计与优化，实现最大化转换 效率。

3)

utilizingautomobile engine exhaust gasJJl.Thermal Science and Eng— ineering,2001,9(2):17-18.

[].武汉:武汉理工大学，2012.

[] 袁晓红.汽车发动机尾气余热温差发电装置热电转换技术研究

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[12] 王小龙.科学家研制新型热电材料):可将废热转为电能〇].科技 日报，2011-5-27(2).[13] 科技部.日本开发出利用汽车尾气发电技术[

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考虑温差发电器件的失效等问题。失效问题主要 [2013-06-19].http://www.

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张添立,卓越娅.近年来国内热电材料研究的进展[].激光与红 夕卜，1983(5):15-19,56.

是指汽车发动机机械振动引起的松动变形，以及温差发 电器冷热两端温度变化时，热胀冷缩所引起的机械应力 变形，这种机械应力是不可能完全被消除的，可以考虑从

热电臂结构方面进行改进％。

4) 混合动力系统上的应用研究。温差发电装置在混 合动力汽车上应用，可直接提供车内用电或为汽车蓄电 [16] 池进行辅助充电,延长汽车的续驶里程。目前，研究的主 要任务包括温差发电系统与整车供电系统的协调和匹配 设计,以及最大输出功率跟踪控制技术。5结语

汽车尾气温差发电器的应用，可以有效地实现节能、 环保等目的，又由于其具有结构简单、安装方便、工作安 全可靠等优势，已成为全球研究的热点，具有广阔的发展 空间。但因受技术的限制，存在转换效率低、制作成本高 等问题，解决好这些问题将更好地推动温差发电器在汽 车上的应用。结合当前温差发电技术的研究进展,未来可 以在研制新型热电材料、温差发电器的结构设计与优化、 考虑温差发电器件的失效问题和可靠性问题以及混合动 力系统上的应用研究等4个方面开展工作。

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(编辑明涛）

作者简介:刘磊(1991 一 )，男，硕士研究生，主要从事温差发电等的研究；

漆波(1976—)，男，博士，副教授，主要从事传热传质、新能 源技术、节能减排、功能涂层制备及机械加工过程中的工 程热物理问题的研究。

收稿日期：2016—12—15

YANG Jihui.Opportunities & challenges of thermoelectric waste

heat recovery in the automotive industry [G]//2005 Diesel Engine Emissions Reduction ( DEER): Conference,August 21 ~ 25,2005, Chicago,Illinois.

党新安，劳庆海

ubiSIsF

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.Mastercam Art的浮雕加工功能[J].机械设计与

(编辑昊天）

加工技术、数控编程、机械设计与制造；

罗胜阳（1979—），男，讲师，工程硕士，研究方向为机制设 计与制造、计算机辅助设计与制造、数控加工工艺技术。

制造，2〇〇6(12):155_156.

作者简介:邓桂方（1983—），男，实验师，工程硕士，研究方向为数控收稿日期：2016-12-06

网址:www.jxgcs.com 电邮：hrbengineer@163.com 2017 年第 7 期■ 5