一种汽车尾气余热热电转换车载电源系统及控制方法

摘要

本发明涉及一种汽车尾气余热热电转换车载电源系统及控制方法，该系统由发动机单元、热电转换单元、输出储能单元、检测与控制单元构成，其特点是：发动机单元工作时排出高温尾气并提供一定温度范围的冷却水；热电转换单元中串联的多个热电模块其热端吸收高温尾气携带的热量，其冷端在汽车发动机冷却水的冷却作用下从而构建冷热端温度差产生直流电能；输出储能单元将热电转换单元产生的电能进行电压和电流调节，为车载电器和ISG提供电能或对储能电池进行充电；检测与控制单元检测各种参数、发送控制命令并对系统进行能量综合管理。本发明有效地回收并利用了汽车尾气排出的废热，提高了汽车发动机的燃油经济性，有助于降低汽车尾气排放。

主权项

一种汽车尾气余热热电转换车载电源系统的控制方法，所述系统包括发动机单元、热电转换单元、输出储能单元、检测与控制单元，发动机单元：将汽车发动机运行时排出的高温尾气和冷却装置中的冷却水送入热电转换单元中进行热传递，并通过ECU和检测与控制单元进行CAN通讯，发动机单元实现对汽车发动机转速的控制；热电转换单元：各层热电转换模块组冷热两端分别与水箱和集热箱的表面进行热传递构建温度差产生直流电能并进行串联输出；输出储能单元：热电转换单元输出的直流电能通过第一变换器DC/DC1的电压和电流调节后，对车载电器和ISG进行供电，或在储能电池的SOC不足时对其进行充电；检测与控制单元：采集各种温度、电压和电流信号，LCD模块和PC机监控界面显示各单元的温度、电压和电流信息，以及系统的启动、关机、运行和故障运行状态，同时对各单元发送控制命令，控制系统的启停以及各个单元之间多能量的优化分配与管理；所述发动机单元包括汽车发动机、ECU、冷却装置、冷却水出口管道、冷却水入口管道和发动机尾气出口管道；所述热电转换单元包括第一水阀F1、第二水阀F2、第一集热箱、第二集热箱、第一水箱、第二水箱、第三水箱、第一热电转换模块组、第二热电转换模块组、第三热电转换模块组、第四热电转换模块组、热电转换单元尾气进口、热电转换单元尾气出口、热电转换单元冷却 水进口、热电转换单元冷却水出口、第一温度传感器T1、第二温度传感器T2、第三温度传感器T3、第四温度传感器T4以及相关导线和管道；所述输出储能单元包括第一电压传感器V1、第二电压传感器V2、第一电流传感器A1、第二电流传感器A2、第三电流传感器A3、防反二极管、负载开关K1、第一变换器DC/DC1、电池开关K2、储能电池、电池管理单元、第二变换器DC/DC2、第三变换器DC/DC3、12V车载电器开关K3、24V车载电器开关K4、12V车载电器、24V车载电器、ISG开关K5、ISG、电机控制器、离合器、变速器和传动系统；所述检测与控制单元包括信号调理电路、A/D采样模块、I/O模块、LCD模块、电源模块、看门狗电路、第一CAN模块CAN1、USB通讯模块、PC机和微控制器MCU；其控制方法是:在汽车发动机启动之前，检测与控制单元控制热电转换单元中第一水阀F1、第二水阀F2水阀开启，将热电转换单元中的三层水箱的温度保持在恒定的80～90℃，实现对四层热电转换模块组的冷端冷却；汽车发动机启动之后，高温尾气进入两层集热箱的内腔供四层热电转换模块组的热端吸收热量，由此构建冷热端的温度差进行发电，当热电转换单元的总输出电压到达设定的最低阈值时，检测与控制单元控制负载开关K1闭合，同时根据储能电池的SOC、热电转换单元的最大输出功率Pout、车载电器的功率需求Pload以及车载输出功率增加量ΔP的不同情形，检测与控制单元器通过控制各开关 的断开与闭合、调节发动机的转速以及第一变换器DC/DC1的输出目标功率、电压和电流，实现多能量之间的优化分配与管理，其中：检测与控制单元通过控制汽车发动机的转速从而改变汽车发动机排出的高温尾气温度，进而调节热电转换单元各组热电转换模块的热端温度，由于冷却水保持恒定的80～90℃其冷却条件未发生实质性变化，这样控制热电转换模块组的热端温度就可以控制热电转换单元的最大输出能力；检测与控制单元和电机控制器进行CAN通讯控制ISG的工作模式，当ISG工作在电动机状态时，ISG与汽车发动机共同对传动系统和驱动轮输出做功，并通过电机控制器控制ISG的转速使之与发动机保持同步，满足汽车的车速需求，当汽车处于制动或减速状态时ISG工作在发电机状态，回收这些制动能量并对车载电器供电或对储能电池进行充电，实现动力总成系统多能量的优化管理；整个新型车载电源系统在工作过程中，若相关参数偏离设定的安全区间，检测与控制单元向PC机和LCD模块发送报警信息，并向汽车发动机ECU和电机控制器发送控制命令对系统的工作状态进行调节，当这种故障状态不可恢复时间超过设定值时，检测与控制单元首先主动控制负载开关K1断开，对各个热电转换模块组进行保护，并在储能电池、车载电器和ISG工作异常时相应地控制储能电池开关K2、车载电器开关K3和K4、ISG开关K5断开，对储能电池、车载电器和ISG进行保护，防止因欠压、过压、过流或过热因素造成的永久性损坏或其它安全事故，并向PC机和LCD模块发送故障代码以便工作人员进行检修。