热电技术在汽车上的应用综述

热电技术在汽车上的应用综述【摘要】热电技术利用热电材料可以直接将热能转化为电能进行发电，同时也可以将电能 转化为热能进行加热或者制冷，是一种全同态能量转换方式，无需化学反应或流 体介质。介绍了热电技术的基本原理，论述了热电装置在汽车尾气余热回收，减 少汽车尾气中有害气体排放，新型汽车空调系统等方面的应用情况简述了热电技 术在中国的发展情况主题词:热电技术汽车应用1、前言能源短缺和环境污染问题成为了当前汽车工业发展的两大挑战。因而绿色环保技 术的研究和应用越来越受到各个国家的关注和支持。成为当今世界汽车工业发展 的主题热电技术是一种古老而又全新的绿色环保技术。该技术利用热电材料可以 直接将热能转化为电能进行发电。同时也可以将电能转化为热能进行加热或者制 冷。是一种全固态能量转换方式，无需化学反应或流体介质。热电设备在工作过 程中具有性能稳定，无噪声，无磨损，体积小，质量轻，移动方便，使用寿命长 等优点。2热电效应的基本原理热电效应包含了 3个分别定义过的基本效应:赛贝克效应(Seebeckeffect)，帕尔 贴效应(Pehiereffect)和汤姆孙效应(Thomsoneffect)，这3个效应奠定了热力学中 热电理论的基础。也为热电转换材料的实际应用展示了广阔的前景。赛贝克效应是1821年由德国科学家ThomasJohannSeebeck发现的，指的是在 两种不同导体a，b或导电类型不同的半导体构成的回路中。当两个接点温度不 同时。则两个接点间有电动势产生。且在回路中有电流通过。赛贝克效应可由赛 贝克系数S出来表征。5lim.AV/At=(1)A 0u式中。AV为电压降；为温度差。帕尔贴效应是由法国科学家JeanCharlesAthanasePehier在1834年发现的与赛贝克效应的现象正好相反。帕尔 贴效应是指两种不同导体组成的回路的接点。当有电流通过时，在其中的一个接 点处有吸热或放热的现象。如果改变电流的方向，吸放热也会也随之反向。在时 间内产生的热量与流经的电流，成正比。艮口 dQ=xrjdt(2)1综述。式中，1出为帕尔贴系数。1854年。英国科学家WilliamThomson发现 当电流通过一个单一导体。且该导体中存在温度梯度，就会有可逆的热效应产生。 该反应称为汤姆孙效应，产生的热为汤姆孙热汤姆孙热与通过的电流，经历的时 间成正比。即dQ,dT,.,-g-，各种半导体材料进行热电转换的效率是不同的。而 且每种热电材料都有其适宜的工作温度范围，通常用刀这一无量纲值来描述材料 的热电性能，其中为材料的平均温度，z为材料的优值系数(figureofmerit)，Z的 定义如下:Z:s2叮04，式中，5为赛贝克系数;为电导率;A为热导率。提高材料的 热电转换效率。关键是在于寻找高值的材料随着当今新材料合成技术的发展。以 及用x射线衍射技术和计算机来研究化合物能带结构参数等新技术的出现。热电 材料的研究日新月异。各种新材料层出不穷。3热电技术在汽车工业中的应用根据热电效应的基本原理。利用半导体材料加工成的热电模块可以实现发电，加 热及制冷等功能，这些功能在汽车上得到广泛的应用。随着热电材料技术的发展。 热电模块向着体积更小，效率更高方向发展美国Hi-Z公司是研发和生产热电 模块的着名公司。3.1热电发电机汽车尾气余热回收内燃机在工作中。燃油燃烧的总热量只有30%45%用于汽车的动力输出。其中 汽油机的输出功率一般只占燃油燃烧总热量的20%30%。而柴油机输出功率一 般占燃油燃烧总热量的30%45%即至少一半以上的热量以废热的形式排出车 外。这些热量包括循环冷却水带走的热量和汽车尾气带走的热量如果用热电发电 机替代传统发电机。将这部分热能转化成电能储存在蓄电池内，汽车的燃油经济 性将会得到明显的提高在混合动力汽车上安装热电发电机。同样可以回收这些热 能。转化成电能储存在动力电池内。从而进一步降低混合动力汽车的油耗传统汽 车的汽车电源由蓄电池，发电机及其调节器组成。发电机通常可以提供12kW 的电能给蓄电池及其它的汽车用电设备。发电机通过皮带与汽车发动机相连。在 发动机低速运转时效率约是60%。发动机高速运转时效率约为30%。如果再考 虑到发动机本身的效率。那么发动机及发电机组成的发电系统的综合发电效率非 常低。约10%15%。因此每产生1kW的电能大约需要10kW的化学能。而热 电发电机不需要汽车发动机提供动力。通过回收汽车尾热。可以为汽车的电力系 统提供足够电能，并且在提高了整车的燃油经济性的同时。减少了汽车尾气余热 的对大气温室效应的影响。另外。热电发动机具有使用寿命长，低维护费用，性 能稳定等很多传统发电机不具备的优点。早在1964年，美国，日本及欧洲很多 国家就开始了利用热电发电机对汽车尾气余热回收的研究。1992年美国HiZ 公司的J.C.Bass等研制的热电发电机由72个HZ13模块组成。每个HZ13模块 功率是13W热电发电机总长为48.26cm，最大直径为22.86cm，总质量为13.6kg， 最大功率是1068WBass等研制的热电发电机1998年日本Nissan汽车公司研究 中心研制的热电发电机。同样由72块热电模块组成。每个模块可以输出功率1.2W 该发电机整体外形是长方形。尺寸为440mmxl80mmx170mm。连接在排量为3L 汽油机的排气管中部。在道路试验中。当汽车以60km/h的速度爬坡时。发电器 可转换排气中1l%的热量。宝马汽车公司与美国BSST公司共同研制开发的一款 热电发电机可以回收和转化汽车技术。综述。5%的尾气热能。目前，宝马汽车公司开始批量生产一款装有热电发电机的车型 BMWX6ActiveHybrid。该车均耗油量仅为9.9U100kW随着更高性能的热电 材料的出现及热电发动机成本的不断降低。专家预测未来的发动机将是现有发动 机和热电发电机的综合性发动机3BMW5系车上安装的热电发电机 3.2热电模块预加热一一减少汽车尾气排放随着人们环保意识的加强。汽车排放法规越来越严格。而元催化器作为汽车尾气 污染处理的主要部件。存在着严重的不足汽年尾气中的有害气体主要有CO, HC 和NO。这3种气体通过j元催化反应器中的净化剂时。进行氧化还原化学反应。 其中CO在高温下氧化成无色，无毒的二氧化碳气体，HC化合物在高温下氧化 成水和二氧化碳气体NO还原成氮气和氧气。然而，i元催化反应器的工作温度 是400800C,二作温度是300C。而在汽车冷起动开始的23min内。元催化 反应器内尚未达到起始温度。这期问排放的尾气约占汽车排放尾气总量的60% 80%t5 - 1热电反应装置可以在这段时间内为三元催化反应器加热。使其迅速达 到起始工作温度，使得汽车在冷起动时最大程度减少尾气污染。同时。热电反应 装置也可以作为恒温器来工作。保证三元催化反应器的工作温度恒定在最佳1 二作温度区间。对于混合动力汽车来说。热电反应装置的这种功效在减少汽车尾 气排放上尤为显着这是因为混合动力汽车的发动机经常需要起停。特别是在城市 工况行驶时。_二元催化器经常不能在最佳工作温度区间工作另外。二三元催化 器在恒定的温度范围内工作。不仅可以减少汽车尾气排放。也可以增加其使用年 限。3.3热电制冷及加热新一代的汽车空调系统从1927年第一台单一供暖空调的出现到1977年的计算机控制汽车空调系统的研 制。汽车空调系统现在已经成为了汽车的基本配置然而。在给人们带来舒适性的 同时。汽车空调表现出了许多缺点和问题.a. 汽车空调系统增加了发动机负担。降低了整车的动力性。汽车空调系统主要由 压缩机，冷凝器，蒸发器和膨胀阀等组成。这些部件增加了整车的质量。又由于 压缩机的动力来源于汽车发动机。使得汽车空调的使用降低了汽车的动力性在高 温天气下，一些小排量的汽车在长时间使用空调后甚至会出现开锅现象b. 汽车空调中的制冷剂对环境造成严重污染。目前的汽车空调制冷剂。多数以 RI2和R134a为主，R12渗透性极强，无毒，常温下无味。泄漏时不易被发现。 R12中的氯分子对大气中的臭氧层进行破坏，对环境造成污染而R134a作为R12 的替代产品，虽然对臭氧层没有破坏作用。但其GWP值（全球变暖潜能值）却高 达1300，是全球温室效应的元凶之一，而且，它对现用冷冻润滑油相容性差。 对铜管有腐蚀性。易造成泄漏c. 由于能源危机，不可再生能源石油资源在未来的几十年内面临枯竭。很多车辆 采用代用燃料，如CNG，甲醇汽油，乙醇汽油等。由于代用燃料的特性原因， 与燃烧汽油的发动机相比。发动机的动力性下降了很多，带动空调运行比较困难。 因此，传统的压缩机制冷汽车空调不再适用于这些代用燃料车辆。热电空调系统 是根据帕尔贴效应。采用半导体材料制造的空调系统。可以同时实现制冷和制热 12t-2zl它不需要汽车发动机提供动力源。减轻了发动机的负担增加了汽车的动力 性。而且对环境没有污染。真正实现了 绿色空调。热电空调同时具有以下优点：a. 可靠性高，维护方便：b. 结构紧凑，体积小；c. 无噪声，制冷速度快：d. 工作电源与汽车电源通用4是美国艾梅瑞冈公司的一款温控座椅fClimateControlSeat）。该款座椅采用热电装置，具有既可加热又可制冷的主动控制功能，可同时满足不同乘客的各自温度要求。是新一代的汽车空调系统该温控座椅自1999年首次推出。迄今为止已经销售了超过1000万套目前，包括丰田，福特，通用，尼桑，捷豹/路虎，本田，现代和起亚的全球8大汽车生产商选用了该款温控座椅艾梅瑞冈公司的温控座椅系统成功替代了压缩机制冷汽车空调系统。成为未来汽车空调的发展方向综述。图4美国艾梅瑞冈公司的温控座椅3。4其他方面的应用现代汽车在满足动力性，安全性及经济性等性能的同时。更加注重车内乘客的舒适性。根据热电 制冷原理制成的车载冰箱能让人在炎炎夏日里感到一丝清凉如图5所示。由热电模块制成的车载加热制冷槽。加热槽作为微型的热水器，让人们随时可 以喝到一杯热咖啡或者热茶汽车上许多重要电子 部分的冷却也是由热电制冷模块来完成。4热电技术在我国的研究情况中国在热电技术方面的研究起步比较晚。参与研究单位比较少，目前主要集中在 浙江大学，清华大学，武汉工业大学等一些学校。而且主要是一些基础理论的研 究。但是，随着能源危机及环境污染等社会问题的日益严重。我国对新能源技术 开发和绿色环保技术的研制提升到了一个新的高度。如国家重点基础研究发展计 划（亦称973计划）将热电技术:高效能热电材料与设备的基础研究列为专项计划 进行研究在热电材料理论研究的基础上。我国部分科研单位已经开始了热电技术 在汽车上实际应用的研究。在国家重点基础研究发展计划和上海汽车工业科学技 术发展基金的共同支持下。中国科学院上海硅酸盐研究所与上海汽车集团股份有 限公司技术研究中于2009年共同启动了热电技术新项目。这个项目计划开发一 款功率为500W的热电发动机。并安装在排量为2.5L的汽车上。预期目标是提 高8%10%的汽车燃油经济性。5.结束语绿色环保技术一一热电技术是解决能源危机，环境污染这两大难题的重要途径。 是汽车工业新技术中的一项关键技术。许多发达国家的汽车企业和科研机构都投 入了大量人力及财力。在汽车尾气余热回收，汽车尾气污染治理，新一代环保汽 车空调等方面取得了一系列的实质性进展。中国在热电基础理论研究的基础上。 也逐步开始了热电技术在汽车工业中应用的研究。随着科学技术的发展，新型热 电材料zT值不断提高，这一绿色技术将会给人们的生活和社会的发展带来新的 飞跃。