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汽车热电发电系统建模及设计研究

作　者: 熊晶
导　师: 袁义生
学　校: 华东交通大学
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: 热电发电器件塞贝克效应数学模型等效电路电源变换器 DSP
分类号: U463.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

节能和环保是目前世界各国面临的两大问题，汽车数量的迅速增加更加剧了这两个问题的恶化。传统汽车燃料产生的能量只有大概35％转换成机械能驱动汽车，另外30％多以排气方式损耗掉了，还有30％在引擎冷却过程中被损耗。即使是现在发展的混合动力或清洁能源汽车，热能的损耗也很严重。因此，研究如何将这些废热回收利用是一项极其有益的研究工作。汽车热电电源系统由热电发电装置（由半导体热电发电器件构成）串接电源变换器构成。半导体热电发电器件工作于冷热源之间，通过Seebeck效应将热能转化为电能，以温差电动势或电流的形式输出。后级电源变换器则将发出的电转换成符合负载品质需求的电源。本文主要完成了热电发电装置的建模和电源变换器的设计与调试。首先，建立以热电发电器件为核心构成的热电发电装置的数学模型。通过运用热力学第一定律，分别建立了热冷端散热器和热电发电器件的动态数学模型和相应的等效电路模型。在简化一些小热容器件的基础上，建立了完整的热电发电装置的动态等效电路模型。根据所建模型分析了Seebeck效应输出电压在输入热量波动下的源响应特性和在负载电阻波动下的负载响应特性。最后建立了小型试验装置，测试了装置的源响应曲线和负载响应曲线，并与建立动态等效电路模型的仿真结果相比较，试验和仿真吻合，证明了模型的有效性和分析的正确性。其次，设计、搭建和调试了后级升压充电电路。本文具体分析了充电主电路和控制电路的工作原理，以及电路特性。将单周控制技术运用于汽车热电发电系统中。同时，介绍了最大功率跟踪技术，将其运用于软件设计中，为电路的控制提供参考依据。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第一章绪论  10-15
  1.1 课题的研究背景  10-11
  1.2 国内外热电发电电源的研究现状  11-13
    1.2.1 热电发电技术的起源与发展状况  11
    1.2.2 半导体热电发电器的分类  11-12
    1.2.3 汽车废热发电的应用  12-13
  1.3 课题的研究意义与主要内容  13-15
    1.3.1 课题的研究意义  13-14
    1.3.2 主要研究内容和重点  14-15
第二章热电效应基本原理  15-22
  2.1 塞贝克效应(Seebeck)  15-17
  2.2 帕尔帖效应(Peltier)  17-18
  2.3 汤姆逊效应(Thomson)  18-20
  2.4 热电效应之间的关系  20
  2.5 热电转换优值系数  20-22
第三章汽车热电装置的动态模型及其分析  22-44
  3.1 热电发电器件  22-23
  3.2 传热学基本原理  23-30
    3.2.1 传热的概念  23-26
    3.2.2 热力学第一定律  26-28
    3.2.3 热阻  28-30
  3.3 汽车热电装置的动态模型及其分析  30-43
    3.3.1 热电发电器件的稳态模型  30-31
    3.3.2 热电发电装置的结构及原理  31-32
    3.3.3 热电发电装置的数值分析  32-37
    3.3.4 热电发电装置的等效电路模型  37-43
  3.4 结论  43-44
第四章充电电路及其控制的设计  44-59
  4.1 充电主电路  44-49
    4.1.1 拓扑简介  44-47
    4.1.2 充电主电路结构及其分析  47-49
  4.2 控制电路  49-53
    4.2.1 控制方式的分类  49-51
    4.2.2 控制电路结构及其分析  51-53
  4.3 系统分析  53-55
  4.4 实验结果及结论  55-59
    4.4.1 实验样机设计  55-57
    4.4.2 实验结果及结论  57-59
第五章软件设计  59-69
  5.1 MPPT 控制简介  59-61
  5.2 DSP 芯片简介  61-63
    5.2.1 A/D 转换器  62-63
    5.2.2 事件管理器  63
    5.2.3 I/O 端口  63
  5.3 DSP 软件控制流程  63-65
  5.4 DSP 外围电路设计  65-67
    5.4.1 采样电路  65-66
    5.4.2 驱动放大  66-67
    5.4.3 缓冲电路  67
  5.5 实验结果和结论  67-69
    5.5.1 实验结果  67-68
    5.5.2 结论  68-69
第六章全文总结与展望  69-70
  6.1 本文的主要工作  69
  6.2 本文后期工作展望  69-70
参考文献  70-72
附录  72-73
个人简历在读期间发表的学术论文  73-74
致谢  74

汽车热电发电系统建模及设计研究

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