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电子材料学报
DOI：10.1007/s11664-015-4130-9
2015年矿物、金属和材料学会
汽车尾气热电发生器最大功率点跟踪与梯度法
W.芳，1,5 S.H.QUAN，2 C.J.Xie，2,6 X.F.TANG，3 L.L.WANG，4 和黄2
1.中国武汉市洪山区洛石路205号武汉理工大学汽车工程学院汽车零部件先进技术湖北重点实验室。 2.自动化学校，武汉理工大学，武汉，中国. 3.中国武汉武汉理工大学材料合成与加工先进技术国家重点实验室. 4.中国上海同济大学汽车学院. 5.电子邮件： 37291698@qq.com. Jackxie@whut.edu.cn
在本研究中，开发了一种具有最大功率点跟踪（MPP T）的直流/直流（DC/DC）变换器，将高压直流输出从热电发电机向下转换到较低的电压，重新充电电池。 为了提高变换器的跟踪精度和速度，提出了一种新的MPPT控制方案，其特点是采用聚集双切和梯度（ADG）方法。 在第一阶段，采用di-choption算法作为快速搜索方法，对最大功率点的近似区域进行查找.. 然后应用梯度法快速准确地跟踪最大功率点。 为了验证所提出的MPPT方法的有效性，构造了一个由汽车排气热电发电机组成的试验台，用于收集汽车排气热能。 在不同负载条件下，采用DC/DC变换器，采用ADG和三种传统方法进行了稳态和瞬态跟踪实验。 实验结果表明，当发动机运行在3300r pm@71NM时，ADG方法可以以1.1%的误差率跟踪140ms内的最大功率，优于单分数法、单梯度法和扰动观测法，从提高跟踪精度和速度的角度来看，该方法具有较好的性能。
关键词：汽车尾气热电发生器，最大功率点跟踪，跟踪精度，跟踪速度，聚集二分法，梯度法
导言
最近发展起来的汽车排气热电发电机（AETEG）系统被证明是相当有前途的汽车应用。1–5 AETEG系统可以回收发动机余热，并将其转化为可用于电池充电的电力。 在最近的一项研究中，当一个AETEG被用来卸载发电机时，燃料效率提高了10%。2 创建一个
（2015年5月29日收到；2015年10月5日接受）
在AETEG系统和车辆存储电池之间的接口，需要一个直流/直流（DC/DC）转换器。 当发动机在可变工况下工作时，还需要连续使用DC/DC转换器跟踪AETEG系统的最大输出功率。
最近最大功率点跟踪（MPP T）方法的发展主要应用于光伏应用。6–10 结果表明，采用了多种优化算法，如迭代法和观测法等。6
心理电导法， 7 纹波相关控制方法、二分法和梯度法。89101112 一些智能算法，如模糊逻辑和神经网络算法，也被用来提高性能。
在可变条件下，AETEG系统的输出功率随着电压的增加而增加，然后减小，即一个最大功率点。13,14 存在于正常实验条件下。 因此，MPPT控制适用于跟踪AETEG系统的最大功率。 随着发动机条件的变化，AETEG系统的最大功率变化很快。 因此，除了高跟踪精度外，AETEG系统还需要高跟踪速度，这些因素为跟踪AETEG系统的最大功率提供了最重要的指标。
本文提出了一种利用传统二分法和梯度法相结合的迭代方法来跟踪最大功率点。 首先，使用霍尔传感器测量输出电压和电流值；可以根据测量的电压和电流值计算功率。 然后利用Hastie的主曲线来确定功率值的函数。
图 1. 设计的AETEG的物理地图。
输出电压。 随后使用聚合二分法和梯度法（ADG）快速跟踪最大功率。
AETEG的设计和参数
所设计的AETEG系统的真实视图和示意图如图所示。 12 和，分别。 实验装置包括一个独立的冷却系统，包括水箱、水泵、风扇和两个阀门。 设计的AETEG系统由一个换热器，两个冷却单元和两个热电模块部分组成.. 热电模块各层的热侧连接到换热器上，冷侧连接到冷却单元1和2。
位于换热器两侧的每组热电模块排列在ftve行和六列中，如图所示。34 和，分别。 冷却单元1和2形成单柱冷源结构，即一层中每个柱中的ftve热电模块的冷侧被ftxed成一个普通的小冷却容器，而每层的六个冷却容器组成完整的冷却单元。 具体冷却单元结构如图所示。5 ；热电模块、热交换器和冷却单元之间的接触压力可以自由调节.
在设计的AETEG试验台上使用的发动机是由法国雪铁龙公司（PSA RFN10LH3X）制造的。 热交换器是由黄铜制成的，所有热电模块都是由Bi制造的2 Te3 用于低操作温度的材料。 相关AETEG组分的具体参数列于表.。 I
DC/DC控制器设计和参数
本文设计了一种采用MPPT算法的DC/DC变换器，作为AETEG系统与车辆存储面糊之间的接口。 该转换器需要连续跟踪AETEG系统的最大输出功率。
图 2. 设计的AETEG原理图。
汽车尾气热电发生器最大功率点跟踪与梯度法
图 3. 热电模块的数量和分布情况
电源变压器T1连接在晶体管Q1和Q2的节点与晶体管Q3和Q4的节点之间。 在每个周期中，晶体管Q2和Q3以及晶体管Q4和Q1导电。 导通时间可调.. 一次变压器电压为方波形式，幅值为V dc 。 接下来，我们分析电路的工作原理..
如果我们假设每个开关晶体管的导通压降为1V，肖特基整流二极管的导通压降为0.5V，则转换器的输出电压为：
- Sigma; N Sigma;2t
S
=V
V O frac14;
(1)
N2t
N P T
NS
N P T
(2)
P
图 4. 第二组热电模块的数量和分布。
图 5. 带有一列容器的冷却装置。
当发动机在不同的工作条件下工作时。
考虑到热电模块具有较宽的输出电压范围，采用了一种孤立的全桥DC/DC变换器。 变换器的拓扑结构如图所示..6 它在电压模式下工作。 该变换器采用隔离变压器来隔离输入输出和调节电压波动，从而具有较宽的电压调节范围。 隔离变压器的前副边匝数比为n r ：1，通过改变nr，可以有效地变换输入电压.
其中n r 是前副边圈的比值。 当输入电压（V）时 dc ）上升或下降一定比例，脉冲宽度调制器将减小或增加相同比例的脉冲宽度，以确保V dc t 年 保持不变，从而保持恒定的输出电压。 表.列出了DC/DC变换器相关部件的参数。
在单个控制周期中，误差可以在给定的值（V）之间计算。 集合 ）和实际电压值（V） dc 由模拟到数字转换模块（ADC）捕获，然后通过比例整数（P I）调节器计算获得控制信号值。 控制信号值（V ctrl ）作为脉宽调制（PWM）模块的输入，以及与输入V的比较寄存器 ctrl 相应的时间基计数器可以得到PWM控制波形。 最后，信号通过驱动模块切换绝缘栅双极晶体管（IGBT）开或关.. 所使用的脉宽调制过程如图所示.. 。7
times;
AETEG系统电压监测单元及温度监测
为了能够监测和分析在AETEG系统中使用的60个单电模块的电压和工作温度，设计并构建了一个电压监测单元和一个回火监测单元。 电压监测单元包括四块从动监控板，每块板可检测15个单个热电模块的实时电压.. 所有从监视板通过内部控制器区域网络（CAN）总线与主控制器通信..
通过嵌入在DC/DC变换器中的霍尔电压和电流传感器来检测热电模块的总实时电压和电流值，并从
表一.《性别平等和就业评估》相关组成部分的参数
姓名 参数
引擎 发动机容量：1997cc最大功率：108k W（6000r pm）
最大扭矩：200Nm（4000r pm） 最大吸收功率：160k W
最大转速：6000r pm最大吸收扭矩：600Nm
泵 功率：220VAC
最大功率：750W总排量：13200kg/h
范 电源：12VDC额定功率：750W
热交换器 内饰厚度：3mm
导热面积：542mm9280mm
表二 DC/DC变换器和相关装置的参数
名义权力 1k W
输入电压 120-500V
输出电压 12-32V
输出电流 5-40A
开关频率 20千赫兹
通信方式 CAN总线
总效率 90%取样传感器
电压传感器 CHV-25P（10-500V；plusmn;1%）
电流传感器 CHB-50S F（0-80A；plusmn;1%）
电力负荷 EA-EL9080-400（0-7200W；plusmn;0.1%）电子负载
评级输入 5005月30日A/600W决议 1米V/10米V，1米A/10米CC模式精度 0.03% 0.05%
CV模式精度 0.03% 0.02%
冷却
集装箱热电模块
尺寸：280mm
960毫米926毫米最高工作温度：350°C尺寸：56毫米
956mm96mm
图 7. 脉冲宽度调制过程用于DC-DC转换电路..
图 6. 隔离全桥DC-DC转换电路的拓扑结构。
测量电压和电流值。 霍尔电压和电流传感器的相关参数列于表.。 二
主要采购和职能采购
考虑由两个变量x和y的n个观测值组成的数据集。 我们可以用散点图表示n个点，如图所示。8 a. 试图总结散点图中的点所显示的联合行为是很自然的。 通常，我们使用标准的线性回归或非线性回归方法来描述这些数据集。 将y的期望建模为线性或非线性
函数的x和估计使用最小二乘法。 此过程相当于确定最小化垂直平方误差之和的直线或曲线，如图所示。8 b和c.但是，主要曲线15 是一条光滑的一维曲线，穿过n维数据集
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