(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111611810.7 (22)申请日 2021.12.27 (71)申请人 武汉理工大 学 地址 430070 湖北省武汉市洪山区珞狮路 122号 (72)发明人 谢长君　杨文龙　朱文超　杨扬　 石英　李维波　黄亮　 (74)专利代理 机构 武汉开元知识产权代理有限 公司 42104 代理人 刘琳 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) F01N 5/02(2006.01) G06F 119/08(2020.01) (54)发明名称 一种基于权重功率偏差尾气热电发电装置 优化方法及系统 (57)摘要 本发明公开了一种基于权重功率偏差尾气 热电发电装置优化方法及系统， 其方法包括以下 步骤： 步骤1： 测试热电发电机内热电半导体的性 能， 并对热电半导体的热电偶编号， 建立汽车尾 气热电发电装置的热力学方程组和电压—电 流—功率 关系式； 步骤2： 根据热电发电机内传热 特性建立汽 车尾气热电发电装置的机理模型； 步 骤3： 根据热电发电机机理模型， 采用权重功率偏 差方法进行热电发电机结构的优化计算， 得到优 化的热电偶数量； 步骤4： 根据最优热电偶数量， 构建汽车尾气热电发电装置。 本发明的优点在 于： 其通过对汽 车发动机不同工况下的尾气温度 和质量流量进行加权， 得到最优的热电发电机系 统配置， 提升汽 车尾气热电发电装置的整体性能 和效率。 权利要求书4页 说明书13页 附图9页 CN 113987845 A 2022.01.28 CN 113987845 A 1.一种基于权重功率偏差尾气热电发电装置优化方法， 其特征在于， 该方法包括以下 步骤： 步骤1： 测试热电发电机内热电偶的性能， 并对热电偶编号， 建立汽车尾气热电发电装 置的热力学 方程组和电压—电流—功率关系式； 步骤2： 根据热电发电机内传热 特性建立汽车尾气热电发电装置的机理模型； 步骤3： 根据热电发电机机理模型， 采用权重功率偏差方法进行热电发电机结构的优化 计算， 得到优化的热电偶数量； 步骤4： 根据最优热电偶数量， 构建汽车尾气热电发电装置 。 2.根据权利要求1所述的一种基于权重功率偏差尾气热电发电装置优化方法， 其特征 在于： 所述 步骤1中还 包括以下步骤： 步骤1.1： 确定热电偶的物理特性； 步骤1.2： 将每个热电偶作为一个计算单元， 分析热电发电机的内传热特性， 根据传热 规律建立其热力学 方程组； 步骤1.3： 建立热电发电机的一组电压—电流—功率关系式。 3.根据权利要求2所述的一种基于权重功率偏差尾气热电发电装置优化方法， 其特征 在于： 所述 步骤1.2中， 建立热力学 方程组的具体方法为： 令汽车尾气方向为 x方向， 垂直汽车尾气方向为 y方向， 热电发电机 x方向上设有 nx个热 电偶， 热电发电机 y方向上设有 ny个热电偶， 一个 P型半导体和一个 N型半导体组成一个热电 偶， 每个热电偶为 一个计算单元， 用上标(i,j)表示第i行， 第j列个计算单元； 根据内传热特性和热传导、 珀尔贴效应和焦耳效应， 热电模块热端热流 Qh和热电模 块冷 热冷流Qc的表达式分别为：     （1） 式中：αpn为一个热电偶的塞贝克系数， Kpn为一个热电偶的热导率， Rpn为一个热电偶的 电阻，Th为热电器件的热端温度和 Tc为热电器件的冷端温度， I为回路电流； 根据热传导 的不可逆性和 牛顿传热定律， 热电发电机热端热流 Qh和冷热冷流 Qc可以表 示为：            （2） 式中：kf为热电模块热端的总对流传热系数， ka为热电模块冷端 的总对流传热系数， Sh 为热电偶热端的传热面积， Sc为热电偶冷端的传热面积， Tfav为计算单元上热流的平均温 度，Taav为计算单 元上冷流的平均温度； 根据传热速率以及能量守恒， 即流体释放的热量等于热电器件吸收的热量， 热电发电 机热端热流 Qh和冷端冷流 Qc可以表示 为：            （3）权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 113987845 A 2式中：ny是y方向上热电偶的数量， cpf为热流体的比热容， cpa为冷流体的比热容， mf为热 流体的质量流量， ma为冷流体的质量流量， Tfi为热流体进入 计算单元的温度， Tf i+1为热流体 流出计算单元的温度， Tai为冷流体进入计算单元的温度， Ta i+1为冷流体流出计算单元的温 度； 式 （1） 、 （2） 、 （3） 联立即为热力学 方程组。 4.根据权利要求2所述的一种基于权重功率偏差尾气热电发电装置优化方法， 其特征 在于： 所述 步骤1.3中， 电压—电流—功率关系式的建立方法为： 热电发电机的电压 U的计算式为：           （4） 式中：αpn为一个热电偶的塞贝克系数， Thi为第i行热电偶的热端温度； Tci为第i行热电 偶的冷端温度； nx为x方向热电偶的数量， ny为y方向热电偶的数量； 热电发电机的电流 I的计算式为：        （5） 式中：RL为负载，Rpn为一个热电偶的电阻； 热电发电机的输出功率 Pteg的计算式为：         （6） 式中：Qhi为第i个计算单元的热端热流， Qci为第i个计算单元的冷端冷流； 式 （4） 、 （5） 、 （6） 即为电压—电流—功率关系式。 5.根据权利要求1所述的一种基于权重功率偏差尾气热电发电装置优化方法， 其特征 在于： 所述 步骤2中还 包括以下步骤： 步骤2.1： 令热流体和冷流体的初始温度和质量流量恒定， 设定热电发电机 x方向上热 电偶个数 nx的最大设定值 为nxmax， 热电发电机 y方向上热电偶个数 ny的最大设定值 为nymax； 所述nxmax的计算方法为： nxmax = ⌊ 热电发电机 x方向安装长度  / （热电偶 x方向长度  + P型半导体和 N型半导体 之间的间隙  ）⌋； 所述nymax的计算方法为： nymax = ⌊ 热电发电机 y方向安装长度  / （热电偶 y方向长度  + P型半导体和 N型半导体 之间的间隙  ）⌋； 步骤2.2： 初始化 x方向上的热电偶数量 nx为0； 步骤2.3： 增 加x方向上的热电偶数量 nx， 并设定初始化电流 I0； 步骤2.4： 依据初始化电流 I0， 计算热电偶的温度分布趋势， 根据温度分布趋势， 计算此 时热电发电机的输出电流 In； 步骤2.5， 判断输出电流 In与初始化电流 I0是否满足收敛条件， 不满足返回步骤2.3重新 设置初始电流 I0等于In， 满足则执 行步骤2.6； 步骤2.6： x方向上的热电偶数量 nx增加到最大设定值 nxmax后， 得出最大输出功率 Pteg.max权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 113987845 A 3