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原文传递面向车辆系统多热源综合利用的热电发电能效优化研究

论文题名：	面向车辆系统多热源综合利用的热电发电能效优化研究
关键词：	热电发电;汽车节能系统;能效优化;热源综合利用
摘要：	热电发电基于半导体热电材料能够将热能直接转化为电能，具有体积小、重量轻、无需运动件、无污染和无噪音等优点，是一项极具价值的环保节能技术。车辆系统中存在多种可利用热源，通过与热电发电技术结合，可以将车辆系统中的热量回收，转化为电能辅助车辆驱动或为车载用电器供电，提高车辆燃油经济性。但是现有的热电发电系统受制于材料合成研究与实际器件开发的脱节，缺乏系统层面的全局优化，导致能量转换与能量利用效率较低。因此，基于车辆系统可利用热源的特征差异，改善热电材料合成方法与器件制成工艺，并设计合理的能量管理策略是提高系统能量转化效率的关键。本文在国家自然科学基金面上项目“变工况下汽车尾气温差发电系统多场耦合机理与能量动态规划研究”以及日本新能源产业技术综合开发机构的战略创新项目“常温热电发电IoT环境传感器系统”的共同资助下，以应用于车辆的热电发电系统为研究对象，提升热电发电能效为研究目标，重点开展热电材料合成、器件开发与能量利用三个方面的研究。将面向车辆热源的热电发电系统拓展为能量转换，能量传递与能量管理三个研究模块，采用解析建模、仿真计算、样机试制与试验相结合的研究方法，构建从理论分析、材料合成、到结构设计与能量管理策略优化的完整研究方案。　　论文主要工作如下：　　（1）从能量转换、能量传递与能量管理三个模块对热电发电系统进行解构与分析。首先基于热电发电的本构方程与能量守恒方程，构建了热电发电一维分析模型，并提出一种基于热阻模型的热电发电尺寸优化方法，分析了接触热阻与热电臂尺寸对于热电发电能量转化效率的影响。接着搭建了热电发电能量传递电路，分析了能量传递过程中影响能效的主要因素，总结了常见的最大功率跟踪策略。为后续热电发电系统能量转化与能效优化的研究奠定了基础。　　（2）影响热电发电系统能量转化效率的主要因素为热电材料的性能。根据车辆系统中不同热电器件工作温度范围接近，但器件尺寸跨度大等特征，确定了基于电沉积法的热电材料合成方案。阐述了基板制备、电解液配置、电沉积操作与合成材料转移等流程。提出了一种基于多添加剂的高性能p型热电材料合成方案，分析了多添加剂影响下的p型热电材料的形貌特征与晶格畸变。基于搭建的热电材料性能评测平台，验证了多添加剂对优化热电材料性能的作用，并揭示了优化机理。　　（3）建立热电发电器件的能量转化分析模型，探讨了不同边界条件下热电材料性能与器件能量转化效率的关系。考虑到车辆系统不同热源的传热方式，针对垂向传热与横向传热分别设计平板式热电发电器与新型叉指结构平面热电发电器，通过有限元计算对比分析传统平面热电发电器与新型结构的性能优劣。设计所提出的新型结构的工艺流程图，详细阐述了各个步骤的工艺要点，试制了样机并测试其性能。同时，以提升最大功率密度为目标，对新型平面热电发电器的热电臂尺寸与布置方式进行了优化。　　（4）研制汽车尾气热电发电装置，搭建试验平台，测试了装置的瞬态与稳态输出性能。将尾气热电发电装置应用于混合动力车辆，综合考虑引入热电发电装置对整个车辆系统的正面与负面影响，建立基于热电发电器工作特征的整车纵向动力学方程，改进车辆行驶模式的切换方法，优化能量管理策略。　　本文理论研究与试验分析表明：（1）伴随车辆电气化与智能化的发展趋势，热电发电技术在车辆系统上的应用空间与节能潜力得以扩展和提升，根据车辆系统不同热源的差异化特征，进行热电发电系统的全局优化具有重要的理论意义和实际应用价值。（2）电沉积技术可以合成不同尺寸维度的热电材料，适合面向车辆系统不同热源的热电器件开发。本研究通过添加聚乙烯醇、糖精钠与氯化钾，成功合成了结构致密紧实、高性能p型BiSbTe基热电材料，厚度可达百微米至毫米级，室温下的功率因子达到了834μW/mK2。（3）基于电沉积合成热电材料的方法，成功试制了平板式与平面式热电发电器。其中，平板式热电发电器开路电压达到48.3mV/K。相较于传统结构的平面热电发电器，所提出的新型结构在能量转化效率方面具有显著提升，当温差为10K时，最大输出功率密度可达12.2μw/cm2。（4）综合考量尾气热电发电装置对车辆系统正面与负面影响，提出了改进的车辆行驶模式切换策略，在不同车辆测试行驶循环下，燃油经济性分别提高了3.64%和2.17%，实现了热电发电能量利用效率的提升。
作者：	余未
专业：	车辆工程
导师：	汪若尘
授予学位：	博士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2021