專利名稱：一種汽車發(fā)動機尾氣余熱熱電轉(zhuǎn)換臺架試驗裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本實用新型屬于一種熱電轉(zhuǎn)換裝置及控制方法，具體而言，是一種汽車發(fā)動機尾 氣余熱熱電轉(zhuǎn)換臺架試驗裝置。
背景技術(shù)：
近年來由于在技術(shù)上熱電材料性能的不斷提升，以及環(huán)保議題上溫室效應和二氧 化碳減排等因素，利用熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)，進一步將大量廢熱回收轉(zhuǎn)為電能的方式，普遍得到 日、美、歐等先進國家的重視。低溫余熱、特別是300°C以下的廢熱再利用，增加了熱電發(fā)電 的競爭力，一些新興應用研究諸如垃圾焚燒余熱、煉鋼廠的余熱、特別是利用汽車發(fā)動機尾 氣的余熱進行發(fā)電，為汽車提供輔助電源的研究也正在進行，并且已有部分研究成果在國 外投入初步的實際應用。相關(guān)研究和計算表明，傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車其發(fā)動機在實際運行中產(chǎn) 生的能量約有60%以熱量的方式丟失，這些熱量大多通過尾氣排出，直接導致了汽車發(fā)動 機效率和燃油利用率明顯偏低，國外在車輛排氣發(fā)電方面，以Mssan公司研發(fā)最為積極， 利用占總廢熱約30%的排氣熱能發(fā)電提供發(fā)動機輔助電源，每臺車約能有200W的電力回 充電瓶，據(jù)統(tǒng)計可減少5%的燃油支出，這無疑為其今后商品化乃至產(chǎn)業(yè)化指明了方向。國 內(nèi)關(guān)于這方面的研究目前大多處于實驗室初步階段，類似成熟的產(chǎn)品或裝置少見報道，因 此，若基于熱電轉(zhuǎn)換特性將這部分廢熱加以充分利用給車載相關(guān)弱電設備供電，在節(jié)約能 源的同時可以提高汽車發(fā)動機的效率和燃油利用率，從長遠意義上看具有很好的經(jīng)濟效益 和廣闊的市場前景。目前已有的汽車發(fā)動機尾氣余熱熱電轉(zhuǎn)換裝置大多利用發(fā)動機自身冷卻系統(tǒng)中 90°C左右的冷卻水保持熱電轉(zhuǎn)換模塊的冷端溫度不變產(chǎn)生電能，由于冷端溫度較高且不可 調(diào)節(jié)特別是在發(fā)動機轉(zhuǎn)速較低時冷熱端溫差較小，使得熱電轉(zhuǎn)換效率和能量利用率不高， 輸出功率大多為500W以下，這樣造成帶負載能力明顯不足，因此常常需要外掛大容量的蓄 電池給車載設備供電，這樣投入汽車使用后成本回收周期太長(按節(jié)省5%的燃油支出計 算至少需要4年)。另外，對熱電轉(zhuǎn)換單模塊在不同溫度差情況下的端電壓和內(nèi)阻缺乏有 效的監(jiān)測和控制，使得熱電轉(zhuǎn)換模塊的使用壽命、可靠性和安全性都大打折扣，維護成本過 高，這些綜合因素嚴重阻礙了其未來的市場化和產(chǎn)業(yè)化。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種通過改變電網(wǎng)上的室內(nèi)交流負載功率和發(fā)動機 的轉(zhuǎn)速模擬汽車運行工況的熱電轉(zhuǎn)換臺架試驗裝置，通過控制發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、熱電轉(zhuǎn)換模 塊組的冷端溫度以及能量分配，分析與研究汽車發(fā)動機用熱電轉(zhuǎn)換模塊的熱電轉(zhuǎn)換效率、 輸出特性與冷熱端溫度差的變化規(guī)律以及單模塊的衰減特性等，找出不同熱冷端溫度差條 件下的最優(yōu)工作區(qū)和給定輸出功率條件下的最優(yōu)冷端溫度區(qū)，控制策略和方法可直接用于 大功率汽車發(fā)動機尾氣余熱熱電轉(zhuǎn)換裝置中，具有高效節(jié)能、安全性高、可靠性強、輸出能 力大的優(yōu)點，以克服上述的不足。
6[0005]為實現(xiàn)上述目的。本實用新型由汽車發(fā)動機單元、熱電轉(zhuǎn)換單元、輸出儲能單元、 溫度檢測單元、單模塊巡檢單元、主控制單元構(gòu)成，其特點是汽車發(fā)動機單元通過汽車發(fā)動機驅(qū)動同步發(fā)電機發(fā)電，利用自動準同期裝置對 同步發(fā)動機進行調(diào)壓、調(diào)頻以及合閘控制實現(xiàn)與三相市電電網(wǎng)相連，同時排出高溫尾氣與 熱電轉(zhuǎn)換單元進行熱傳遞；熱電轉(zhuǎn)換單元利用熱電轉(zhuǎn)換模塊組吸收導熱管中尾氣的余熱，通過控制循環(huán)水 的溫度使其冷端和熱端保持一定溫度差產(chǎn)生直流電能；輸出儲能單元將產(chǎn)生的直流電能進行降壓變換給可調(diào)電子負載供電，當蓄電池 組的SOC不足時為其充電進行儲能；溫度檢測單元利用溫度傳感器檢測汽車發(fā)動機原始排氣管的出口溫度以及熱 電轉(zhuǎn)換單元中熱電轉(zhuǎn)換模塊組的冷熱端溫度和上下水套的進出口水溫，與主控制單元進行 CAN通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；單模塊巡檢單元檢測同一溫度梯度下并聯(lián)的每組熱電轉(zhuǎn)換模塊的端電壓，結(jié)合 冷熱端溫度差和輸出功率研究熱電轉(zhuǎn)換單元的內(nèi)阻和轉(zhuǎn)換效率等特性，與主控制單元進行 CAN通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；主控制單元檢測熱電轉(zhuǎn)換單元的循環(huán)水壓力和流量、輸出儲能單元的相關(guān)電壓 和電流，接收上位機的控制命令并對相關(guān)執(zhí)行機構(gòu)發(fā)送控制信息，調(diào)節(jié)相關(guān)過程參數(shù)并對 能量流進行綜合管理。由于本實用新型采用了兩套冷卻方式，既可以實現(xiàn)目前以現(xiàn)有的汽車發(fā)動機自身 冷卻裝置中的冷卻水控制熱電轉(zhuǎn)換模塊冷端溫度為恒定值80 90°C實現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換，又可 以采用另外設計的冷卻回路任意控制熱電轉(zhuǎn)換模塊冷端溫度從而研究不同冷熱端溫差下 熱電轉(zhuǎn)換特性及其效率；利用發(fā)動機帶動發(fā)電機發(fā)電供給室內(nèi)交流負載及其內(nèi)部消耗，既 可以通過調(diào)節(jié)發(fā)動機的輸出功率從而改變排出尾氣的溫度進行試驗，又避免了其它類似試 驗臺架裝置通過帶動測功機以熱量方式將汽車發(fā)動機的機械能白白浪費的不足，從而節(jié)約 了能源；采用汽車發(fā)動機驅(qū)動電動機發(fā)電對外輸出，在調(diào)節(jié)尾氣帶走熱量的同時又可以模 擬汽車傳動系統(tǒng)的工作情況，從而使臺架試驗的研究成果和結(jié)論可以直接應用到今后的車 載系統(tǒng)中；采用基于PID調(diào)節(jié)器的風扇轉(zhuǎn)速和循環(huán)水流量的控制策略，保證了熱電轉(zhuǎn)換模 塊組冷端溫度控制的精準和穩(wěn)定；采用單模塊巡檢單元對各個溫度梯度中在不同冷熱端溫 度差條件下熱電轉(zhuǎn)換單模塊的輸出端電壓進行實時監(jiān)控，并對其輸出特性進行研究，有助 于在每一種給定輸出功率條件下找到最佳冷端溫度工作區(qū)從而降低熱電轉(zhuǎn)換模塊的內(nèi)阻、 提高其熱電轉(zhuǎn)換效率并延長其使用壽命；本實用新型突破了傳統(tǒng)汽車發(fā)動機上的熱電轉(zhuǎn) 換產(chǎn)品或試驗裝置輸出功率過低帶負載能力不足的缺陷，使熱電轉(zhuǎn)換模塊的輸出功率達到 500-1000瓦。該裝置水溫控制精準、穩(wěn)定，尾氣余熱利用率高，監(jiān)控參數(shù)齊全，易于操作，適 合于各種基于汽車發(fā)動機尾氣余熱熱電轉(zhuǎn)換的試驗，也可以將汽車發(fā)動機的傳動軸與車身 傳動系統(tǒng)相連，進行部分改造后直接將其裝車投入使用實現(xiàn)商品化。

為了進一步理解本實用新型，作為說明書一部分的附圖指示了本實用新型的實施 例，而所作的說明用于解釋本實用新型的原理。[0014]圖1為本實用新型的整體結(jié)構(gòu)原理框圖。圖2為熱電轉(zhuǎn)換模塊的連接結(jié)構(gòu)與端電壓檢測示意圖。圖3為溫度檢測單元的結(jié)構(gòu)原理框圖。圖4為單模塊巡檢單元的結(jié)構(gòu)原理框圖。圖5為主控制單元的結(jié)構(gòu)原理框圖。圖6為單模塊巡檢單元的差分放大電路原理圖。圖7為第一驅(qū)動電路的電路原理圖。圖8為第二驅(qū)動電路的電路原理圖。圖9為啟動過程的控制流程圖。圖10為能量流管理的控制策略圖。圖11為本實用新型PID調(diào)節(jié)器第一熱電轉(zhuǎn)換模塊組和第二熱電轉(zhuǎn)換模塊組冷端 恒溫度控制原理框圖。
具體實施方式
本實用新型的主體部分由汽車發(fā)動機單元、熱電轉(zhuǎn)換單元、輸出儲能單元、溫度檢 測單元、單模塊巡檢單元、主控制單元構(gòu)成(圖1)；其中汽車發(fā)動機單元利用汽車發(fā)動機 驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電與三相市電并網(wǎng)，并排出高溫尾氣；熱電轉(zhuǎn)換單元吸收排氣管中尾氣的余 熱進行熱電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生直流電能；輸出儲能單元將產(chǎn)生的直流電能進行電壓變換供給負載或 加以儲存；溫度檢測單元檢測各個單元中的所有溫度信息；單模塊巡檢單元檢測各溫度梯 度下并聯(lián)的熱電轉(zhuǎn)換模塊的端電壓；主控制單元檢測輸出電壓和電流等參數(shù)，發(fā)送控制信 息并對能量進行綜合管理。汽車發(fā)動機單元(圖1)由汽車發(fā)動機、冷卻裝置、第一水閥和第二水閥、同步發(fā)電 機、自動準同期裝置、三相隔離刀閘、供電開關(guān)Kl、AC/DC轉(zhuǎn)換模塊、三通電磁閥、發(fā)動機尾 氣出口第一溫度傳感器Tl構(gòu)成。汽車發(fā)動機通過傳動軸與同步發(fā)電機相連并帶動其進行 發(fā)電，自動準同期裝置將同步發(fā)電機的三相交流電輸出端A、B、C與 380V市電電網(wǎng)U、V、W 三相進行頻率差、相位差和電壓差檢測并進行調(diào)相、調(diào)幅、調(diào)頻控制使兩者的頻率、電壓、相 位和相序保持在一定的允許誤差范圍內(nèi)，然后通過人機交互界面發(fā)送命令控制三相隔離刀 閘閉合后實現(xiàn)發(fā)動機產(chǎn)生的交流電與 380V三相市電電網(wǎng)并網(wǎng)， 380V三相市電電網(wǎng)的 U、V兩相交流電一方面與熱電轉(zhuǎn)換單元中的循環(huán)水泵的供電端相連，另一方面與AC/DC轉(zhuǎn) 換模塊的輸入端相連實現(xiàn)交流直流變換產(chǎn)生+12V直流電，此外， 380V市電電網(wǎng)的U、V、W 三相還與室內(nèi)交流負載相連為其輸出功率；AC/DC轉(zhuǎn)換模塊的+12V輸出端與熱電轉(zhuǎn)換單元 中的冷卻風扇、第一水閥 第四水閥、三通電磁閥、負載開關(guān)、溫度檢測單元、單模塊巡檢單 元和主控制單元的供電端相連為其供電。冷卻裝置一方面通過管道與汽車發(fā)動機的冷卻回 路相連，另一方面在開通第一水閥和第二的同時關(guān)閉第三水閥和第四水閥，通過管道分別 與熱電轉(zhuǎn)換單元中上下水套共同的輸入端和輸出端相連，使冷卻裝置中的循環(huán)水經(jīng)過旁路 管道進入熱電轉(zhuǎn)換單元中的冷卻回路，將熱電轉(zhuǎn)換單元中第一熱電轉(zhuǎn)換模塊組和第二熱電 轉(zhuǎn)換模塊組的冷端溫度保持與汽車發(fā)動機90°C左右的冷卻水溫度一致，這樣使得熱電轉(zhuǎn)換 模塊組的冷熱端溫度差完全由汽車發(fā)動機排出的尾氣溫度決定。汽車發(fā)動機的原始排氣管 出口連接有尾氣出口第一溫度傳感器Tl，然后與三通電磁閥的輸入端(1)相連，三通電磁
8閥的常開輸出端(2)與導熱管的入口相連，三通電磁閥的常閉輸出端(3)通過另一旁路管 道直接與導熱管的出口相連，導熱管的出口與消音器相連后直接通向大氣，這樣可根據(jù)尾 氣的溫度值Tl的大小選擇控制其從三通電磁閥的常開輸出端或三通電磁閥常閉輸出端排 出以保護熱電轉(zhuǎn)換單元中熱電轉(zhuǎn)換單模塊Al」 Am_i和Bi」 Bm_i免受高溫燙壞(其 中i = 1 η，η為溫度梯度數(shù)，m為同一溫度梯度下并聯(lián)的單模塊個數(shù))。尾氣出口第一溫 度傳感器Tl的輸出端與溫度檢測單元中的第一多路選擇開關(guān)的輸入端相連，經(jīng)過第一信 號調(diào)理電路進行濾波、放大和隔離后送入第一 A/D采樣模塊進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，作為汽車發(fā)動 機排出尾氣的溫度檢測信號，當尾氣溫度值Tl大于500°C時主控制單元進行聲光報警，并 控制三通電磁閥的常開輸出端(2)關(guān)閉同時控制三通電磁閥的常閉輸出端(3)開通，使汽 車發(fā)動機排出的尾氣直接經(jīng)三通電磁閥的常閉輸出端(3)直接排出至導熱管的出口處；當 尾氣溫度值Tl低于500°C時控制三通電磁閥的常開輸出端(2)開通同時控制三通電磁閥常 閉輸出端關(guān)閉，使汽車發(fā)動機排出的尾氣從三通電磁閥的輸入端(1)進然后從三通電磁閥 的常開輸出端(2)進入導熱管的入口，從而供給熱電轉(zhuǎn)換單元吸收余熱進行熱電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生 直流電能。 熱電轉(zhuǎn)換單元(圖1)由導熱管、第一熱電轉(zhuǎn)換模塊組A(由熱電轉(zhuǎn)換單模塊 Al_l Am_n構(gòu)成)、第二熱電轉(zhuǎn)換模塊組(由熱電轉(zhuǎn)換單模塊Bl_l Bm_n構(gòu)成，m為行 數(shù)，η為溫度梯度數(shù))、上水套、下水套、第一絕緣導熱墊片1 第四絕緣導熱墊片、壓力傳感 器P、流量傳感器F、第二溫度傳感器Τ2 第七溫度傳感器Τ7、熱端梯度溫度傳感器IA ηΑ、熱端梯度溫度傳感器IB ηΒ、第三水閥和第四水閥、冷卻風扇、水箱、循環(huán)水泵、消音器 以及相關(guān)導線和管道構(gòu)成；導熱管的入口與第七溫度傳感器Τ7相連，第2絕緣導熱墊片的 下表面和第三絕緣導熱墊片的上表面分別與導熱管的上下表面緊貼接觸，導熱管的出口與 第六溫度傳感器Τ6相連，第一熱電轉(zhuǎn)換模塊組中各單模塊Al_l Am_n的熱端沿導熱管的 入口到出口的溫度梯度方向依次與第二絕緣導熱墊片的上表面緊貼接觸，其冷端與第一絕 緣導熱墊片的下表面緊貼接觸，第一絕緣導熱墊片的上表面與上水套的底部緊貼接觸；第 二熱電轉(zhuǎn)換模塊組中各單模塊Bl_l Bm_n的熱端沿導熱管的入口到出口的溫度方向與第 三絕緣導熱墊片的下表面緊貼接觸，其冷端與第四絕緣導熱墊片的上表面緊貼接觸，第四 絕緣導熱墊片的下表面與下水套的頂部表面緊貼接觸。第一熱電轉(zhuǎn)換模塊組(圖2)中沿長 方體排氣管同一溫度梯度分布的單模塊Al」 々!!!^先并聯(lián)然后與下一溫度梯度分布下并 聯(lián)的單模塊Al_i+1 Am_i+1串聯(lián)；第二熱電轉(zhuǎn)換模塊組中沿長方體排氣管同一溫度梯度 分布的單模塊Bi」 Bm_i先并聯(lián)然后也與下一溫度梯度分布下并聯(lián)的單模塊Bl_i+1 Bm_i+1串聯(lián)(其中i = 1 n，n為溫度梯度數(shù)，m為同一溫度梯度下并聯(lián)的單模塊個數(shù))， 最后第一熱電轉(zhuǎn)換模塊組和第二熱電轉(zhuǎn)換模塊組的輸出端進行串聯(lián)作為熱電轉(zhuǎn)換單元直 流電能的總輸出端與輸出儲能單元的輸入端相連；另外，第一熱電轉(zhuǎn)換模塊組中的熱電轉(zhuǎn) 換單模塊Al」 Am_i的熱端與第二絕緣導熱墊片的上表面之間依次與熱端梯度溫度傳感 器IA ηΑ的探頭相連，第一絕緣導熱墊片1的上表面與上水套的下表面之間與冷端第四 溫度傳感器Τ4探頭相連；第二熱電轉(zhuǎn)換模塊組中的熱電轉(zhuǎn)換單模塊Bi」 Bm_i的熱端與 第三絕緣導熱墊片的下表面之間依次與熱端梯度溫度傳感器IB nB的探頭相連，第四絕 緣導熱墊片的上表面與下水套的上表面之間與冷端第五溫度傳感器T5探頭相連(其中，i =1 η，η為溫度梯度數(shù)，m為同一溫度梯度下并聯(lián)的單模塊個數(shù))。上下水套的共同出口管道連接第二溫度傳感器T2，然后與第二水閥和第三水閥的入口相連；第三水閥的出口 經(jīng)過冷卻風扇后通過管道依次與水箱和循環(huán)水泵的入口相連；循環(huán)水泵的出口與第四水閥 的入口相連，第四水閥的出口和第一水閥的出口匯合后通過管道依次與上下水套的入口循 環(huán)水第三溫度傳感器T3、上下水套的入口循環(huán)水壓力傳感器P和上下水套的入口循環(huán)水流 量傳感器F相連，然后和上下水套的共同入口相連。第二溫度傳感器T2 第七溫度傳感器 T7的輸出端與溫度檢測單元的第一多路選擇開關(guān)的輸入端相連，經(jīng)過第一信號調(diào)理電路后 進行濾波、放大和隔離后送入第一 A/D采樣模塊進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，分別作為上下水套的出口 循環(huán)水溫度、上下水套的入口循環(huán)水溫度、第一熱電轉(zhuǎn)換模塊組的冷端溫度、第二熱電轉(zhuǎn)換 模塊組的冷端溫度、導熱管的出口溫度和導熱管的進口溫度檢測信號，循環(huán)水壓力傳感器P 的輸出端與主控制單元的第二信號調(diào)理電路的輸入端相連，也經(jīng)過濾波、放大和隔離后送 入第三A/D采樣模塊分別作為上下水套的入口循環(huán)水的壓力檢測信號，循環(huán)水流量傳感器 F的輸出端與主控制單元的脈沖捕捉模塊相連，通過檢測輸出的脈沖頻率信號計算循環(huán)水 的流量。輸出儲能單元(圖1)由輸入(第一)電壓傳感器VI、輸出(第二)電壓傳感器V2、 輸入(第一)電流傳感器A1、DC/DC變換器輸出(第二)電流傳感器A2、蓄電池組輸出(第 三)電流傳感器A3、保險管F1、防反二極管、負載開關(guān)、升降壓型DC/DC變換器(buck-boost 型)、可調(diào)電子負載和蓄電池組及其管理系統(tǒng)構(gòu)成。輸出儲能單元的輸入端與熱電轉(zhuǎn)換單元 的輸出端相連并與第一電壓傳感器Vl并聯(lián)，另外其輸入端與霍爾第一電流傳感器Al串聯(lián)， 其正極通過導線依次與保險管F1、防反二極管和負載開關(guān)相連，然后與DC/DC變換器輸入 端的正極相連，輸出儲能單元輸入端的負極直接與DC/DC變換器輸入端的負極相連；升降 壓型DC/DC變換器的輸出端與第二電流傳感器A2串聯(lián)，然后與第二電壓傳感器V2和蓄電 池組及其管理系統(tǒng)并聯(lián)，最后其輸出端與可調(diào)電子負載相連；升降壓型DC/DC變換器中的 DC/DC控制器和蓄電池組的管理系統(tǒng)通過CAN總線與溫度檢測單元、單模塊巡檢單元和主 控制單元的CAN模塊相連進行通信；第一電壓傳感器Vl和第二電壓傳感器V2、第一電流傳 感器Al 第三電流傳感器A3的輸出端與主控制單元的第二信號調(diào)理電路的輸入端相連， 經(jīng)過濾波、放大和隔離后送入第四A/D采樣模塊進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，分別作為輸出儲能單元的 輸入電壓V1 (即熱電轉(zhuǎn)換單元的輸出總電壓)、升降壓型DC/DC變換器的輸出電壓V2 (即輸 出儲能單元的輸出總電壓)、熱電轉(zhuǎn)換單元的輸出總電流A1、升降壓型DC/DC變換器的輸出 電流A2和蓄電池組輸出電流A3的檢測信號，其中升降壓型DC/DC變換器的輸出電壓V2和輸 出電流A2均受其內(nèi)部的DC/DC控制器控制，并且在過壓、欠壓、過流和過熱時由于DC/DC控 制器的保護作用自動關(guān)斷輸出，通過電路連接方式，可以計算得可調(diào)電子負載消耗的功率P =(A2+A3)*v2，升降壓型 DC/DC 變換器的輸出效率 η =PZ(V1^A1) = (VA3)^V2/(V1^A1), Ji 中蓄電池放電時A3為正，充電時A3為負。溫度檢測單元(圖3)溫度檢測單元由第一多路選擇開關(guān)、第一 A/D采樣模塊、第 一微控制器MCU1、第一電源模塊、第一 CAN模塊和第一看門狗電路構(gòu)成；第一多路選擇開關(guān) 的輸入端一方面直接與第一溫度傳感器Tl 第七溫度傳感器T7的輸出端相連，另一方面 分別與熱電轉(zhuǎn)換單元中第一熱電轉(zhuǎn)換模塊組和第二熱電轉(zhuǎn)換模塊組的熱端梯度溫度傳感 器IA ηΑ、1Β ηΒ的輸出端相連，第一電源模塊的輸入端與汽車發(fā)動機單元中AC/DC轉(zhuǎn) 換模塊的+12V輸出端相連；第一CAN模塊與單模塊巡檢單元、主控制單元、輸出儲能單元中的DC/DC變換器、蓄電池組中的管理系統(tǒng)相連進行通信；第一看門狗電路通過I/O 口與第一 微控制器MCUl相連，當檢測到在設定的時間內(nèi)第一微控制器MCUl未進行“喂狗”操作時實 現(xiàn)復位防止溫度檢測單元程序跑飛。單模塊巡檢單元(圖4)由差分放大電路1 2η、第二多路選擇開關(guān)、第二 A/D采 樣模塊、第二電源模塊、第二微控制器MCU2、第二 CAN模塊和第二看門狗電路構(gòu)成；差分放 大電路1 2n(圖6)的輸入端通過導線依次與導熱管上方第一絕緣導熱墊片和第二絕緣 導熱墊片之間的單模塊Al」 Am_i、導熱管下方第三絕緣導熱墊片和第四絕緣導熱墊片 之間的單模塊Bl_i Bm_i (其中i = 1 n-l，n為溫度梯度數(shù)，m為同一溫度梯度下并聯(lián) 的單模塊個數(shù))的兩端相連，差分放大電路1 2η的輸出端經(jīng)過第二多路選擇開關(guān)后與第 二 A/D采樣模塊相連；第二電源模塊的輸入端與汽車發(fā)動機單元中AC/DC轉(zhuǎn)換模塊的+12V 輸出端相連；第二 CAN模塊通過CAN總線與溫度檢測單元、主控制單元、輸出儲能單元中的 DC/DC變換器、蓄電池組的管理系統(tǒng)相連進行通信；第二看門狗電路通過I/O 口與第二微控 制器MCU2相連，當檢測到在設定的時間內(nèi)第二微控制器MCU2未進行“喂狗”操作時實現(xiàn)復 位防止單模塊巡檢單元程序跑飛。主控制單元(圖5)由第二信號調(diào)理電路、第三A/D采樣模塊、聲光報警電路、第一 驅(qū)動電路和第二驅(qū)動電路、PWM輸出模塊、D/A輸出模塊、脈沖捕捉模塊、I/O控制模塊、第三 電源模塊、第三CAN模塊、SCI模塊、第三看門狗電路和第三微控制器MCU3構(gòu)成。第二信號 調(diào)理電路的輸入端與第一電壓傳感器Vl和第二電壓傳感器V2、第一電流傳感器Al 第三 電流傳感器A3、壓力傳感器P的輸出端相連，其輸出端與第三A/D采樣模塊相連；PWM輸出 模塊的PWM輸出信號通過第一驅(qū)動電路后與熱電轉(zhuǎn)換單元中的冷卻風扇轉(zhuǎn)速控制端相連； D/A輸出模塊的輸出端與熱電轉(zhuǎn)換單元中的循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速控制端相連；脈沖捕捉模塊與循 環(huán)水流量傳感器F的輸出端相連；I/O控制模塊一方面直接與聲光報警電路相連，在出現(xiàn)欠 壓、過壓、過流、短路和高溫等緊急故障情況下驅(qū)動其工作進行聲光報警提示工作人員進行 故障診斷或檢修，另一方面通過第二驅(qū)動電路控制輸出儲能單元中可調(diào)電子負載的輸出功 率檔位開關(guān)、第一水閥 第四水閥、三通電磁閥和負載開關(guān)的斷開與閉合；第三電源模塊的 輸入端與汽車發(fā)動機單元中AC/DC轉(zhuǎn)換模塊的+12V輸出端相連；第三CAN模塊通過CAN總 線與溫度檢測單元、單模塊巡檢單元、輸出儲能單元中的DC/DC變換器、蓄電池組管理系統(tǒng) 的CAN通信模塊相連，接收來自溫度檢測單元的所有溫度信號、單模塊巡檢單元溫度梯度 1 η分布下熱電轉(zhuǎn)換模塊組A和B并聯(lián)的每組端電壓信號、蓄電池組管理系統(tǒng)有關(guān)SOC 值、電壓、電流和溫度等信號，還向升降壓型DC/DC變換器中的DC/DC控制器發(fā)送電壓和電 流調(diào)節(jié)命令；SCI模塊通過RS485總線與上位機監(jiān)控界面進行人機交互，實時顯示整個熱電 轉(zhuǎn)換臺架試驗裝置的各種工作狀態(tài)和故障信息，實現(xiàn)在線監(jiān)測和故障診斷，此外還接收來 自上位機的參數(shù)設定信息、手動啟動和自動啟動的控制命令、各種執(zhí)行設備(如負載開關(guān)、 第一水閥 第四水閥、三通電磁閥、冷卻風扇和循環(huán)水泵、可調(diào)電子負載)的開關(guān)命令，然 后通過PWM輸出模塊輸出占空比可變的PWM信號控制熱電轉(zhuǎn)換單元中冷卻風扇的轉(zhuǎn)速、通 過D/A輸出模塊輸出可變的模塊數(shù)模轉(zhuǎn)換信號控制熱電轉(zhuǎn)換單元中循環(huán)水泵的轉(zhuǎn)速從而 改變循環(huán)水的流量、通過I/O控制模塊輸出開關(guān)量信號控制相關(guān)執(zhí)行器如第一水閥 第四 水閥、三通電磁閥、負載開關(guān)和可調(diào)電子負載的功率檔位開關(guān)，從而調(diào)節(jié)整個裝置的運行狀 態(tài)以及進行輸出儲能單元的輸出電壓和輸出電流、熱電轉(zhuǎn)換單元的冷端溫度、熱電轉(zhuǎn)換單
11元的循環(huán)水壓力和流量的閉環(huán)控制。差分放大電路(圖6)的輸入端V+和V-分別和熱電轉(zhuǎn)換單元中同一溫度梯度分 布下并聯(lián)的單模塊Al_i Am_i和Bl_i Bm_i (其中i = i η，η為溫度梯度數(shù))的正 極和負極相連，經(jīng)過運算放大器UA和UB后進行電壓跟隨，然后通過電阻Rl和R2分別與運 算放大器UC的同相輸入端和反相輸入端相連，運算放大器UC的輸出端與由電阻R5和濾波 電容Cl構(gòu)成的RC低通濾波電路相連，其輸出信號Vout經(jīng)過5V的穩(wěn)壓管Dl后送入單模塊 巡檢單元的第二多路選擇開關(guān)，這樣既濾除了高頻干擾信號又抑制了共模信號，圖中Rl = R2, R2 = R4。第一驅(qū)動電路(圖7)的輸入端信號P麗來自主控制單元第五微處理器MCU5的某 個PWM輸出引腳，經(jīng)過光電隔離器件TLP520后經(jīng)過R7限流后與MOS管D3的柵極相連，當 輸出PWM信號為高時，冷卻風扇供電端為+12V，當輸出PWM信號為低時，冷卻風扇由于慣性 逐漸停止工作，其回路經(jīng)過續(xù)流二極管D2續(xù)流，最終其工作電壓由PWM信號的占空比決定 并與PWM信號的占空比成正比，D4為TVS管用于保護MOS管。第二驅(qū)動電路(圖8)的輸入端信號Dout為主控制單元第五微處理器MCU5的某 個I/O輸出引腳經(jīng)過驅(qū)動后的輸出信號，當控制Dout為高電平時，繼電器線圈得電使觸點 Sl閉合，從而使得從Kl和GND兩端引出的信號產(chǎn)生12V電壓控制相關(guān)閥和開關(guān)閉合，當控 制Dout為低電平時，觸點Sl斷開，線圈通過續(xù)流二極管D5續(xù)流，相關(guān)的閥和開關(guān)斷電后也 通過續(xù)流二極管D6續(xù)流。在本實用新型的實施例中(圖9)，啟動之前，首先，手動控制供電開關(guān)Kl閉合，通 過 380V三相交流市電的U、V兩相經(jīng)過AC/DC轉(zhuǎn)換模塊后給整個裝置中的水閥1 4、三 通電磁閥、負載開關(guān)、冷卻風扇、溫度檢測單元、單模塊巡檢單元和主控制單元供電，然后， 通過點火鑰匙啟動汽車發(fā)動機驅(qū)動同步發(fā)電機發(fā)電，利用自動準同期裝置將同步發(fā)電機發(fā) 出的交流電 、B、C三相和 380V市電電網(wǎng)U、V、W三相進行頻差、相位差和壓差檢測，為 實現(xiàn)快速電力并網(wǎng)，通過人機交互界面設置發(fā)電機的頻率fe與 380V三相市電電網(wǎng)的頻 率50Hz誤差不超過0. 2 % 0. 5 %、設置發(fā)電機的輸出電壓Ug和380V的誤差不超過5 % 10%以及設置發(fā)電機的相位角θε和 380V市電電網(wǎng)的相位角θ s誤差盡可能接近為0，通 過自動準同期裝置對同步發(fā)電機進行調(diào)壓、調(diào)幅和調(diào)頻控制，在計算出相位差和合間導前 時間后，在保證兩種電力的頻率、電壓、相位和相序一致的前提下控制三相隔離刀閘閉合， 從而實現(xiàn)同步發(fā)電機發(fā)出的交流電與 380V三相市電電網(wǎng)并網(wǎng)輸出，當實現(xiàn)兩種電力并 網(wǎng)后，可手動關(guān)斷 380V三相市電電網(wǎng)使發(fā)電機發(fā)出的交流電供給AD/DC轉(zhuǎn)換模塊輸出以 及給連接在電網(wǎng)中的室內(nèi)交流負載供電，通過手動控制室內(nèi)交流負載的消耗功率同時改變 汽車發(fā)動機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)排出尾氣帶走的熱量，并將汽車發(fā)動機尾氣出口溫度控制在500°C 以下；當溫度檢測單元檢測到熱電轉(zhuǎn)換模塊組A和B中熱端梯度溫度傳感器IA nA、IB nB的最大值大于250°C左右時，為了防止熱電轉(zhuǎn)換模塊被燙壞，主控制單元自動控制三通 電磁閥常開輸出端(2)關(guān)閉同時控制其常閉輸出端(3)開通從而直接將尾氣排出大氣；當 溫度檢測單元檢測到溫度傳感器IA nA、IB nB的最大值在230 250°C時，主控制單元 控制三通電磁閥常開輸出端(2)開通，同時根據(jù)熱電轉(zhuǎn)換模塊組A和B的熱端溫度每間隔 一段時間控制其常閉輸出端(3)開通從而將部分高溫尾氣排出大氣；當溫度檢測單元檢測 到溫度傳感器IA nA、IB nB的最大值低于230°C時，主控制單元控制三通電磁閥常開輸出端(2)開通同時控制其常閉輸出端(3)關(guān)閉使排出的尾氣通入導熱管進行熱傳遞，從而 改變熱電轉(zhuǎn)換單元中熱電轉(zhuǎn)換模塊組A和B的熱端溫度，這樣既充分利用了汽車發(fā)動機的 尾氣余熱，又保護了熱電轉(zhuǎn)換模塊。在本實用新型的實施例中，選擇手動啟動時，通過上位機監(jiān)控界面向主控制單元 發(fā)送手動控制命令，然后根據(jù)操作意圖繼續(xù)通過上位機發(fā)送命令選擇發(fā)動機冷卻裝置中的 冷卻水或熱電轉(zhuǎn)換單元自身的冷卻水實現(xiàn)第一熱電轉(zhuǎn)換模塊組和第二熱電轉(zhuǎn)換模塊組的 冷端溫度控制；當選擇汽車發(fā)動機冷卻裝置中的冷卻水實現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換模塊組A和B的冷 端溫度控制時，主控制單元通過I/O控制模塊輸出數(shù)字量信號自動打開第一水閥和第二水 閥，同時關(guān)閉第三水閥和第四水閥、循環(huán)水泵、冷卻風扇使第一熱電轉(zhuǎn)換模塊組和第二熱電 轉(zhuǎn)換模塊組的冷端溫度保持在恒定的90°C左右；當選擇熱電轉(zhuǎn)換單元自身的冷卻水進行 冷端溫度控制時，通過上位機監(jiān)控界面給主控制單元發(fā)送命令使之通過I/O控制模塊輸出 數(shù)字量信號依次啟動循環(huán)水泵、冷卻風扇、設置冷端溫度期望值，當單模塊的平均輸出電壓 高于2V即輸出總電壓大于4n(其中，η為溫度梯度數(shù))時，通過上位機監(jiān)控界面給主控制 單元發(fā)送命令控制負載開關(guān)閉合，然后根據(jù)可調(diào)電子負載的不同功率，結(jié)合蓄電池組的SOC 值設置DC/DC變換器輸出的目標電壓或目標電流值進行能量分配與管理。在本實用新型的實施例中，選擇自動啟動時，直接通過上位機監(jiān)控界面給主控制 單元發(fā)送啟動命令，此時主控制單元默認為選擇汽車發(fā)動機冷卻裝置中的冷卻水實現(xiàn)第一 熱電轉(zhuǎn)換模塊組和第二熱電轉(zhuǎn)換模塊組的冷端溫度控制，當單模塊的平均輸出電壓高于2V 即輸出總電壓大于4η (其中，η為溫度梯度數(shù))時，主控制單元通過I/O控制模塊輸出數(shù)字 量信號自動控制負載開關(guān)閉合使熱電轉(zhuǎn)換單元開始對輸出儲能單元進行輸出。在本實用新型的實施例中，啟動完成后，當各種過程參數(shù)正常時，工作人員可以根 據(jù)自己的操作意圖通過上位機監(jiān)控界面給上位機發(fā)送控制命令調(diào)節(jié)各個執(zhí)行設備的工作 狀態(tài)；當相關(guān)過程參數(shù)偏離設定的安全區(qū)間時，主控制單元通過SCI模塊自動向上位機監(jiān) 控界面發(fā)送報警信息；當相關(guān)過程參數(shù)(如溫度、電壓、電流等)長時間偏離設定的安全區(qū) 間且不能迅速有效恢復時，主控制單元通過I/O控制模塊輸出數(shù)字量信號自動斷開負載開 關(guān)、關(guān)閉三通電磁閥的常開輸出端⑵同時打開三通電磁閥常閉輸出端(3)、驅(qū)動聲光報警 電路工作進行報警提示，另外通過SCI模塊向上位機發(fā)送相關(guān)故障碼提醒工作人員檢修; 當主控制單元失效時，通過手動方式強制斷開供電開關(guān)Κ1、三相隔離刀閘、負載開關(guān)、三通 電磁閥的供電端進行保護。在本實用新型的實施例中(圖10)，啟動成功后，輸出儲能單元在主控制單元的控 制作用下，根據(jù)熱電轉(zhuǎn)換單元中第一熱電轉(zhuǎn)換模塊組和第二熱電轉(zhuǎn)換模塊組在不同的冷熱 端溫度差條件下的輸出能力、可調(diào)電子負載的功率和蓄電池組的SOC值進行不同的能量管
理策略。在本實用新型的實施例中，熱電轉(zhuǎn)換單元在模擬汽車發(fā)動機冷卻環(huán)境進行熱電轉(zhuǎn) 換時，主控制單元通過I/O控制模塊輸出數(shù)字量信號控制第一水閥和第二水閥開通的同時 關(guān)閉第三水閥和第四水閥，從而選擇汽車發(fā)動機冷卻裝置中的冷卻水使第一熱電轉(zhuǎn)換模塊 組和第二熱電轉(zhuǎn)換模塊組的冷端溫度保持在90°C左右；當研究熱電轉(zhuǎn)換模塊組在不同溫 度差的輸出特性和熱電轉(zhuǎn)換效率時，主控制單元通過I/O控制模塊輸出數(shù)字量信號控制第 三水閥和第四水閥開通的同時關(guān)閉第一水閥和第二水閥選擇水箱中的冷卻水回路，采用基于PID調(diào)節(jié)器的熱電轉(zhuǎn)換模塊組冷端溫度控制(圖11)，結(jié)合熱電轉(zhuǎn)換單元中各個溫度梯 度的熱端溫度值，考慮到在特定輸出功率下熱電轉(zhuǎn)換效率最高時的溫度差ΔΤ_，從上位機 輸入給定熱電轉(zhuǎn)換模塊組冷端溫度Ti, Ti與第一熱電轉(zhuǎn)換模塊組和第二熱電轉(zhuǎn)換模塊組的 冷端溫度傳感器Τ4的輸出值進行比較，得到溫度偏差ΔΤ，通過PID調(diào)節(jié)器整定比例P、積 分I和微分參數(shù)，一方面可在將循環(huán)水泵的轉(zhuǎn)速控制在一個固定值后，改變PWM輸出信號的 占空比σ控制冷卻風扇的轉(zhuǎn)速進行冷端溫度的控制，另一方面可在控制PWM輸出信號占空 比σ的同時，利用D/A輸出模塊輸出的數(shù)模轉(zhuǎn)換信號控制循環(huán)水泵的轉(zhuǎn)速，從而改變循環(huán) 水流量的同時調(diào)節(jié)散熱量調(diào)節(jié)冷端溫度，將不同溫度梯度下的熱電轉(zhuǎn)換模塊其冷端和熱端 保持一定的溫度差。 本實用新型說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬于本專業(yè)領域技術(shù)人員公知的現(xiàn)有 技術(shù)。
1權(quán)利要求一種汽車發(fā)動機尾氣余熱熱電轉(zhuǎn)換臺架試驗裝置，由汽車發(fā)動機單元、熱電轉(zhuǎn)換單元、輸出儲能單元、溫度檢測單元、單模塊巡檢單元、主控制單元構(gòu)成，其特點是汽車發(fā)動機單元通過汽車發(fā)動機驅(qū)動同步發(fā)電機發(fā)電，利用自動準同期裝置對同步發(fā)動機進行調(diào)壓、調(diào)頻以及合閘控制實現(xiàn)與三相市電電網(wǎng)相連，同時排出高溫尾氣與熱電轉(zhuǎn)換單元進行熱傳遞；熱電轉(zhuǎn)換單元利用熱電轉(zhuǎn)換模塊組吸收導熱管中尾氣的余熱，通過控制循環(huán)水的溫度使其冷端和熱端保持一定溫度差產(chǎn)生直流電能；輸出儲能單元將產(chǎn)生的直流電能進行降壓變換給可調(diào)電子負載供電，當蓄電池組的SOC不足時為其充電進行儲能；溫度檢測單元利用溫度傳感器檢測汽車發(fā)動機原始排氣管的出口溫度以及熱電轉(zhuǎn)換單元中熱電轉(zhuǎn)換模塊組的冷熱端溫度和上下水套的進出口水溫，與主控制單元進行CAN通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；單模塊巡檢單元檢測同一溫度梯度下并聯(lián)的每組熱電轉(zhuǎn)換模塊的端電壓，結(jié)合冷熱端溫度差和輸出功率研究熱電轉(zhuǎn)換單元的內(nèi)阻和轉(zhuǎn)換效率等特性，與主控制單元進行CAN通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；主控制單元檢測熱電轉(zhuǎn)換單元的循環(huán)水壓力和流量、輸出儲能單元的相關(guān)電壓和電流，接收上位機的控制命令并對相關(guān)執(zhí)行機構(gòu)發(fā)送控制信息，調(diào)節(jié)相關(guān)過程參數(shù)并對能量流進行綜合管理。
2.如權(quán)利要求1所述的一種汽車發(fā)動機尾氣余熱熱電轉(zhuǎn)換臺架試驗裝置，其特征在 于汽車發(fā)動機單元由汽車發(fā)動機、冷卻裝置、第一水閥和第二水閥、同步發(fā)電機、自動準同 期裝置、三相隔離刀閘、供電開關(guān)Kl、AC/DC轉(zhuǎn)換模塊、三通電磁閥、發(fā)動機尾氣出口第一溫 度傳感器Tl構(gòu)成；汽車發(fā)動機通過傳動軸與發(fā)電機相連驅(qū)動其進行發(fā)電，自動準同期裝置 將發(fā)電機的三相交流輸出端A、B、C進行調(diào)壓、調(diào)幅和調(diào)頻控制使之與三相市電電網(wǎng)的頻 率、相位、幅值和相序保持一致，當調(diào)節(jié)后的誤差滿足設定的誤差允許條件后，通過控制三 相隔離刀閘閉合實現(xiàn)與三相市電電網(wǎng)相連，三相市電電網(wǎng)一方面與室內(nèi)交流負載和熱電轉(zhuǎn) 換單元中的循環(huán)水泵的供電端相連，另一方面通過供電開關(guān)Kl后與AC/DC轉(zhuǎn)換模塊的輸入 端相連，AC/DC轉(zhuǎn)換模塊的+12V輸出端與熱電轉(zhuǎn)換單元中的冷卻風扇、各種閥和開關(guān)、溫度 檢測單元、單模塊巡檢單元和主控制單元的供電端相連為其供電；冷卻裝置一方面通過管 道與汽車發(fā)動機自身的冷卻回路相連，另一方面經(jīng)過第一水閥和第二水閥后通過旁路管道 分別與熱電轉(zhuǎn)換單元中上下水套的輸入端和輸出端相連；汽車發(fā)動機的原始排氣管的尾氣 出口與第一溫度傳感器Tl相連，然后與三通電磁閥的輸入端相連，三通電磁閥的常開輸出 端與導熱管的入口相連，三通電磁閥的常閉輸出端通過管道直接與導熱管的出口相連；第 一溫度傳感器Tl的輸出端與溫度檢測單元中的第一多路選擇開關(guān)的輸入端相連，經(jīng)過第 一信號調(diào)理電路后送入第一 A/D采樣模塊，作為汽車發(fā)動機尾氣的溫度檢測信號對三通電 磁閥和熱電轉(zhuǎn)換模塊進行熱保護防止燒壞。
3.如權(quán)利要求1所述的一種汽車發(fā)動機尾氣余熱熱電轉(zhuǎn)換臺架試驗裝置，其特征 在于熱電轉(zhuǎn)換單元由導熱管、第一熱電轉(zhuǎn)換模塊組、第二熱電轉(zhuǎn)換模塊組、上水套、下水 套、第一絕緣導熱墊片 第四絕緣導熱墊片、壓力傳感器P、流量傳感器F、第二溫度傳感器 T2 第七溫度傳感器T7、熱端梯度溫度傳感器IA nA、熱端梯度溫度傳感器IB ηΒ、第三水閥和第四、冷卻風扇、水箱、循環(huán)水泵、消音器以及相關(guān)導線和管道構(gòu)成；導熱管的入口與 第七溫度傳感器T7相連，第二絕緣導熱墊片和第三絕緣導熱墊片分別與導熱管上下表面 緊貼接觸相連，導熱管的出口與第六溫度傳感器T6相連然后與消音器相連進行降噪直接 將尾氣通向大氣；第一熱電轉(zhuǎn)換模塊組中的每個單模塊的熱端沿導熱管的入口到出口方向 與第二絕緣導熱墊片的上表面緊貼接觸，其冷端與第一絕緣導熱墊片的下表面緊貼接觸， 第一絕緣導熱墊片的上表面與上水套的底部緊貼接觸；第二熱電轉(zhuǎn)換模塊組中的每個單 模塊的熱端沿導熱管的入口到出口方向與第三絕緣導熱墊片的下表面緊貼接觸，其冷端與 第四絕緣導熱墊片的上表面緊貼接觸，第四絕緣導熱墊片的下表面與下水套的頂部緊貼接 觸；第一熱電轉(zhuǎn)換模塊組中沿長方體排氣管同一溫度梯度分布的單模塊先并聯(lián)然后與下一 溫度梯度分布下并聯(lián)的單模塊串聯(lián)，第二熱電轉(zhuǎn)換模塊組中沿長方體排氣管同一溫度梯度 分布的單模塊先并聯(lián)然后與下一溫度梯度分布下并聯(lián)的單模塊串聯(lián)，最后第一熱電轉(zhuǎn)換模 塊組和第二熱電轉(zhuǎn)換模塊組的輸出端進行串聯(lián)作為熱電轉(zhuǎn)換單元直流電能的總輸出端；第 一熱電轉(zhuǎn)換模塊組中的熱電轉(zhuǎn)換單模塊的熱端與第二絕緣導熱墊片的上表面之間分別與 熱端梯度溫度傳感器的探頭相連，第一絕緣導熱墊片的上表面與上水套的下表面之間與 第四溫度傳感器T4的探頭相連；第二熱電轉(zhuǎn)換模塊組中的熱電轉(zhuǎn)換單模塊的熱端與第二 絕緣導熱墊片的上表面之間分別與熱端梯度溫度傳感器的探頭相連，第四絕緣導熱墊片的 下表面與下水套的上表面之間與第五溫度傳感器T5的探頭相連；上下水套的共同出口管 道連接有第二溫度傳感器T2，然后與第二水閥和第三水閥的入口相連；第三水閥的出口經(jīng) 過冷卻風扇后通過管道依次與水箱和循環(huán)水泵的入口相連；循環(huán)水泵的出口與第四水閥的 入口相連，第四水閥的出口和第一水閥的出口匯合后依次與第三溫度傳感器T3、壓力傳感 器P和流量傳感器F相連，然后和上下水套的共同入口相連；第二溫度傳感器T2 第七溫 度傳感器T7的輸出端與溫度檢測單元的第一多路選擇開關(guān)的輸入端相連，經(jīng)過第一信號 調(diào)理電路后送入第一 A/D采樣模塊，分別作為上下水套的出口溫度、上下水套的進口溫度、 第一熱電轉(zhuǎn)換模塊組和第二熱電轉(zhuǎn)換模塊組的冷端溫度、導熱管的出口和進口的尾氣溫度 檢測信號；熱端梯度溫度傳感器的輸出端經(jīng)過溫度變送器后輸出4 20mA的信號與溫度檢 測單元的第一多路選擇開關(guān)的輸入端相連，經(jīng)過第一信號調(diào)理電路后送入第一 A/D采樣模 塊，分別作為第一熱電轉(zhuǎn)換模塊組和第二熱電轉(zhuǎn)換模塊組中相并聯(lián)的模塊的熱端溫度檢測 信號；壓力傳感器P的輸出端與主控制單元中第二信號調(diào)理電路的輸入端相連，然后送入 第三A/D采樣模塊分別作為循環(huán)水的壓力，流量傳感器F的輸出端與主控制單元的脈沖捕 捉單元(CAP)相連，通過檢測脈沖信號作為流量的檢測信號。
4.如權(quán)利要求1所述的一種汽車發(fā)動機尾氣余熱熱電轉(zhuǎn)換臺架試驗裝置，其特征在 于輸出儲能單元由第一電壓傳感器Vl和第二電壓傳感器V2、第一電流傳感器Al 第三 電流傳感器A3、保險管F1、防反二極管、負載開關(guān)、DC/DC變換器、可調(diào)電子負載和蓄電池組 構(gòu)成；輸出儲能單元的輸入端與第一電壓傳感器Vl并聯(lián)后和第一電流傳感器Al串聯(lián)，接著 與熱電轉(zhuǎn)換單元的輸出端相連，輸出儲能單元的輸入端的正極通過導線依次與保險管F1、 防反二極管和負載開關(guān)相連，然后與DC/DC變換器的輸入端的正極相連，輸出儲能單元的 輸入端的負極直接與DC/DC變換器的輸入端的負極相連；DC/DC變換器的輸出端與第二電 流傳感器A2串聯(lián)后與第二電壓傳感器V2并聯(lián)，然后與蓄電池組并聯(lián)后與可調(diào)電子負載相 連，蓄電池組的輸出端與第三電流傳感器A3串聯(lián)，DC/DC變換器、蓄電池組及其管理系統(tǒng)通過CAN總線與溫度檢測單元、單模塊巡檢單元和主控制單元的CAN模塊相連進行通信；第一 電壓傳感器Vl和第二電壓傳感器V2、第一電流傳感器Al 第三電流傳感器A3的輸出端與 主控制單元的第二信號調(diào)理電路的輸入端相連，然后送入第三A/D采樣模塊，分別作為熱 電轉(zhuǎn)換單元的輸出電壓、DC/DC變換器的輸出電壓、熱電轉(zhuǎn)換單元的輸出電流、DC/DC變換 器的輸出電流和蓄電池組輸出電流的檢測信號。
5.如權(quán)利要求1所述的一種汽車發(fā)動機尾氣余熱熱電轉(zhuǎn)換臺架試驗裝置，其特征在 于溫度檢測單元由第一多路選擇開關(guān)、第一 A/D采樣模塊、第一微控制器(MCUl)、第一電 源模塊1、第一 CAN模塊和第一看門狗電路構(gòu)成；第一多路選擇開關(guān)的輸入端一方面直接與 第一溫度傳感器Tl 第七溫度傳感器T7的輸出端相連，另一方面分別與熱電轉(zhuǎn)換單元中 第一熱電轉(zhuǎn)換模塊組和第二熱電轉(zhuǎn)換模塊組的熱端梯度溫度傳感器的輸出端相連，第一電 源模塊的輸入端與汽車發(fā)動機單元中AC/DC轉(zhuǎn)換模塊的+12V輸出端相連；第一 CAN模塊與 單模塊巡檢單元、主控制單元、輸出儲能單元中的DC/DC變換器、蓄電池組中的管理系統(tǒng)相 連進行通信；第一看門狗電路通過I/O 口與第一微控制器(MCUl)相連，當檢測到在設定的 時間內(nèi)第一微控制器(MCUl)未進行“喂狗”操作時實現(xiàn)復位防止溫度檢測單元程序跑飛。
6.如權(quán)利要求1所述的一種汽車發(fā)動機尾氣余熱熱電轉(zhuǎn)換臺架試驗裝置，其特征在 于單模塊巡檢單元由差分放大電路1 2η、第二多路選擇開關(guān)、第二 A/D采樣模塊、第二 電源模塊、第二微控制器(MCU2)、第二 CAN模塊和第二看門狗電路構(gòu)成；差分放大電路1 2η的輸入端通過導線依次與導熱管上方第一絕緣導熱墊片和第二絕緣導熱墊片之間的單 模塊、導熱管下方第三絕緣導熱墊片和第四絕緣導熱墊片之間的單模塊Bi」 Bm_i的兩 端相連，差分放大電路1 2η的輸出端經(jīng)過第二多路選擇開關(guān)后與第二 A/D采樣模塊相 連；第二電源模塊的輸入端與汽車發(fā)動機單元中AC/DC轉(zhuǎn)換模塊的+12V輸出端相連；第二 CAN模塊通過CAN總線與溫度檢測單元、主控制單元、輸出儲能單元中的DC/DC變換器、蓄電 池組的管理系統(tǒng)相連進行通信；第二看門狗電路通過I/O 口與第二微控制器(MCU2)相連， 當檢測到在設定的時間內(nèi)第二微控制器(MCU2)未進行“喂狗”操作時實現(xiàn)復位防止單模塊 巡檢單元程序跑飛。
7.如權(quán)利要求1所述的一種汽車發(fā)動機尾氣余熱熱電轉(zhuǎn)換臺架試驗裝置，其特征在 于主控制單元由第二信號調(diào)理電路、第三A/D采樣模塊、聲光報警電路、第一驅(qū)動電路和 第二驅(qū)動電路、PWM輸出模塊、D/A輸出模塊、脈沖捕捉模塊(CAP)、I/O控制模塊、第三電源 模塊、第三CAN模塊、SCI模塊、第三看門狗電路和第三微控制器(MCU3)構(gòu)成；第二信號調(diào) 理電路的輸入端與第一電壓傳感器Vl和第二電壓傳感器V2、第一電流傳感器Al 第三電 流傳感器A3、壓力傳感器P的輸出端相連，其輸出端與第三A/D采樣模塊相連；脈沖捕捉模 塊(CAP)與流量傳感器F的輸出端相連；PWM輸出模塊的輸出信號通過第一驅(qū)動電路后與 熱電轉(zhuǎn)換單元中的冷卻風扇轉(zhuǎn)速控制端相連；D/A輸出模塊的輸出端與熱電轉(zhuǎn)換單元中的 循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速控制端相連；脈沖捕捉模塊與流量傳感器F的輸出端相連；I/O控制模塊一方 面直接與聲光報警電路相連驅(qū)動其工作，另一方面通過第二驅(qū)動電路控制輸出儲能單元中 可調(diào)電子負載的輸出功率檔位開關(guān)、第一水閥1 第四水閥、三通電磁閥和負載開關(guān)的斷 開與閉合；第三電源模塊的輸入端與汽車發(fā)動機單元中AC/DC轉(zhuǎn)換模塊的+12V輸出端相 連；第三CAN模塊與溫度檢測單元、單模塊巡檢單元、輸出儲能單元中的DC/DC變換器、蓄電 池組的管理系統(tǒng)相連進行通信；SCI模塊通過RS485總線與上位機監(jiān)控界面相連進行通信；第三看門狗電路通過I/O 口與第三微控制器(MCU3)相連，當檢測到在設定的時間內(nèi)第三微 控制器(MCU3)未進行“喂狗”操作時實現(xiàn)復位防止主控制單元程序跑飛。
專利摘要本實用新型涉及一種汽車發(fā)動機尾氣余熱熱電轉(zhuǎn)換臺架試驗裝置。包括汽車發(fā)動機單元、熱電轉(zhuǎn)換單元、輸出儲能單元、溫度檢測單元、單模塊巡檢單元、主控制單元，其特點是汽車發(fā)動機單元利用汽車發(fā)動機驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電與三相市電并網(wǎng)并排出高溫尾氣；熱電轉(zhuǎn)換單元吸收尾氣的余熱進行熱電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生直流電能；輸出儲能單元將產(chǎn)生的直流電能進行電壓變換供給負載或加以儲存；溫度檢測單元檢測各個單元中的所有溫度信息；單模塊巡檢單元檢測各溫度梯度下并聯(lián)的熱電轉(zhuǎn)換模塊的端電壓；主控制單元檢測輸出電壓和電流等參數(shù)，發(fā)送控制信息并對能量進行綜合管理。該裝置可模擬車載運行環(huán)境，適合汽車發(fā)動機尾氣余熱熱電轉(zhuǎn)換的試驗與研究。
文檔編號G01K7/00GK201653569SQ200920229780
公開日2010年11月24日 申請日期2009年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月9日
發(fā)明者全書海, 全睿, 唐新峰, 張清杰, 楊柳春, 熊竟?jié)? 王月, 翟鵬程, 胡漾, 蘇楚奇, 鄧亞東, 黃亮 申請人:武漢理工大學