汽车尾气余热发电系统电压巡检模块设计与开发——毕业论文.doc

1、 毕业设计 (论文 )任务书 学生姓名 专业班级 指导老师 工作单位 设计 (论文 )题目： 汽车尾气余热发电系统电压巡检模块设计与开发 设计 (论文 )主要内容： 了解汽车尾气余热发电系统结构，设计电压巡检模块，可检测 16 路 05V 电压信号，精度要求 10mV，分辨率达到 10 位，采用 CAN 总线与主控制器通讯。 要求完成的主要任务： （ 1）熟悉余热发电的工作原理； （ 2）熟悉单片机编程方法； （ 3）设计电压巡检电路 。测量 16 路电压， 电压测量范围为 05V， 电压检测的精度为 10 位 ； CAN 传输速率为 250Kbps， 外部晶振为 16MHZ，通讯距离 100

2、0 米。 （ 4）撰写毕业设计论文，字数 15000 以上； （ 5）英文翻译 2 万字符（其中汉字 5000 字）。 毕业设计图纸： 毕业设计 图纸布局应均称、运用的线条粗细要合理，尺寸要详尽准确， 表 达设计意图时要符合行业规范 。 参考资料 1 刘红丽 ,张菊秀 .传感与检测技术 M.北京 :国防工业出版社 ,2007.6. 2 刘和平 .PIC16F87X 单片机实用软件与接口技术 M.北京 :北京航天航空大学出版社 ,2002.4. 3 刘国先 .PIC 单片机原理与接口技术 M.北京 :电子工业出版社 ,2004.11. 4 马栖秦 ,徐正中 .自动检测技术 M.北京 :机械工业出

3、版社 ,2000. 5 张征 ,曾美琴 ,司广树 .温差发电技术及其在汽车发动机排气余热利用中的应用 J.能源技术 ,2004,25(3):120-123. 指导教师签名 系主任签名 院长签名 (章 ) 武汉理工大学本科生毕业设计（论文）开题报告 1、目的及意义（含国内外的研究现状分析） 随着我国汽车数量的增加，汽车尾气排放量日益增多，对石油等不可再生资源消耗量增大，我国已跃居世界石油能源消耗第二大国，同时近年来国际石油供需日益紧张，油价不断上涨。在面临能源危机的形式下，我们要发展新型能源，但是现在新型能源的发展还处在起步阶段，发展很不完善，因此在传统能源消耗的途径下，提高能源利用率是一条节约

4、能源的很好的 途径，所以从节能减排的角度来说必须将传统汽车燃料利用率提高。从而利用汽车尾气发电是解决节能问题的最佳实现途径。 传统汽车的发动机除了要驱 动汽车前进之外，还有一部分能量用来发电，供给汽车上其他用电设备 。 但是当用尾气发电后，就可以将发动机上的发电装置去掉，这将大大提高发动机的效率，将更 多的能量转入到驱动汽车上，同时汽车上其他用电设备的电能由尾气发 电供给。 汽车尾气发电 系统 的电压巡检作为尾气发电 系统电压 检测的关键设备，随着尾气发电的发展，正发挥着越来越重要的作用。 热电模块 的单片、单组电压巡检不仅在 尾气发电系统 的研 发阶段起着十分重要的作用，即使在投入使用后对

5、热电模块 的维护也是不可或缺的。 目前国内外很多团体和个人在研究利用汽车尾气发电，大多采用如下几种方方法： 1)、双刀继电器法 ， 每个蓄电池的两端都与一只双刀继电器的两对动合触点相连接。继电器都不动作时 ， 所有蓄电池均与巡检电路断开。当进行电压检测时 ， 由控制器依次使继电器闭合 ， 使对应的蓄电池的阴极接入检测电路地 ， 阳极经缓冲器进入 A/ D 转换器。 2） 、悬浮地测量法 ， 利用模拟开关对被测量的蓄电池进行切换 ， 两片模拟开关采用差动式连接 ， 模拟开关工作电源均由所测量的蓄电池所提供。 这样就解决了蓄电池的电位高于芯片电压的问题。通过单片机对蓄电池切换 ， 两片模拟开关的输

6、出分别就是被选中的蓄电池的正端和负端电压 ， 为了使蓄电池电压不影响巡检系统的工作 ， 采用光电耦合器构成悬浮采样系统 ， 实现采样电路与单片机之间的光电隔离。 3） 、运放采样电路 ，采样电路是一个由电阻和运算放大器组成的线性差动运算电路。根据运算放大器的特性通过选 取适 当电阻 ， 可以将蓄电池电压变换为单片机和 A/ D 的输入范围内。 现在国内有很多电压巡检系统，如 江苏金帆电源科技有限公司的 电池电压巡检系统、江苏大唐科源电气公司的电压巡检技术应 用设计、武汉理工大学的光伏电池板巡检系统和燃料电池单片电压巡检系统设计及故障诊断研究、上海交通大学的串联蓄电池组电压巡检模块的设计、同济大

7、学汽车学院的单片电压巡检及在燃料电池发动机中的应用等。国外有很多公司开发了多种燃料电池的电压巡检系统，例如美国的 NI 公司、加拿大 Greenlight 公司、日本的 Honda公司，在这些公司中最引人注目的是美国的 NI 公司，它推出了一些软硬件测试产品，能够兼容多种电池，测得几乎所有涉及指标。总体来说电压巡检系统已经发展的日趋成熟，并且方式趋于多元化。 本文针对汽车尾气余热发电系 统中热电模块的电压监控技术展开研究，设计了电压巡检模块 。该模块既可以在尾气余热发电系统研发阶段对热电模块工作情况进行监控，也可以在尾气余热发电系统投入使用后对热电模块进行维护，因此，电压巡检模块对尾气余热发电

8、系统具有重要意义。 2、基本内容和技术方案 基本内容 ： 毕业设计的电压巡检主要是在线测量 热电模块 两端的电压。由于尾气从管道经过时温度会相应下降，从而贴在管壁上的 热电模块 两面温差会相应下降，因此与气体流动方向垂直的一排 热电模块 是等电压的，将它们并联 ； 与气体流动方向相同的每一组的 热电模块 的电压随着温差的减 小而下降，将这样的 热电模块 组串联。 每一片 热电模块 在温差 300 的情况下电压大约在 3V 左右，多片等电压的热电模块 并联，同时多组不等电压的 热电模块 组串联，共同构成给汽车供电的电源。所要测量的电压是每一组并联 热电模块 的电压，读取模拟电压值后经 A/D转换

9、为数字信号 。 同时由于多组 热电模块 组串联，电压将超过一般测电压芯片的电压最大承受范围，因此这是电压巡检电路设计中要解决的重要问题。所以可采用可以抑制高共模电压的集成易用放大器来测量。 技术方案： 1) 了解余热发电的由来，介绍余热发电的原理及发展前景。 2) 设计测量 一路 热电 模块 电压检测的方案。 3) 设计 一路 热电模块电压 巡检电路。 4) 根据 一路 热电模块电压检测的 原理可以得到整体检测电路。 3、进度安排 第 1 2 周： 毕业实习，撰写毕业实习报告； 第 3 4 周： 翻译外文资料，初步确定方案，完成开题报告； 第 5 周： 确定最终方案，并进行可行性分析； 第 6

10、 8 周： 硬件设计及程序代码得编制； 第 9 周： 中期检查； 第 10 11 周： 综合调试，根据结果完善系统； 第 12 14 周： 完成论文撰写； 第 15 周： 论文答辩； 第 16 周： 论文装订。 4、指导教师意见 同学调研比较充分，研究内容充实，技术方案明确可行，现已经具备开始毕业设计的条件。该生能达到预期的目标，同意进入设计阶段。 指导教师签名： 年 月 日 武汉理工大学毕业设计（论文） 目录 摘要 . I ABSTRACT .II 1 绪论 . 1 1.1 余热发电研究意义 . 1 1.2 电压巡检发展现状 . 2 1.3 本文主要研究内容 . 3 2 尾气余热发电原理 .

11、 4 2.1 热电模块原理 . 4 2.1.1 HZ-20 热电模块特点 . 5 2.1.2 HZ-20 热电模块电压电流特性 . 6 2.2 汽车尾气余热发电方案设计 . 7 2.2.1 余热发电汽车结构 . 7 2.2.2 温差发电器设计 . 7 2.2.3 余热发电热平衡与效率 . 8 3 电压巡检单元结构设计 . 10 3.1 信号处理单元 . 12 3.1.1 信号处理单元电路设计 . 12 3.1.2 信号处理单元元件选择 . 14 3.2 数据处理单元 . 14 3.2.1 数据处理 . 14 3.2.1 数字处理单元的元件选择 . 14 3.3 数据传输 . 16 3.4 热电

12、模块单元检测电路 . 17 4 电压巡检系统软件设计 . 19 4.1 电压巡检主程序设计 . 19 4.2 A/D 转换程序设计 . 23 4.3 CAN 通信软件设计 . 25 结束语 . 27 致谢 . 29 参考文献 . 30 附录 1：程序代码 . 32 附录 2：电压巡检电路原理图 . 37 武汉理工大学毕业设计（论文） I 摘要 随着我国汽车数量的增长，城市汽车排放污染日益严重，传统汽车燃料的供需矛盾也更加突出。回收尾气余热发电可以有效节约能源，减少污染。电压巡检模块是汽车尾气余热发电系统的一个关键组成部分，本文针对汽车尾气余热发电系统中热电模块的电压监控技术展开研究。主要内容如

13、下： 本文 介绍了利用尾气发电汽车的 主要结构，讲述了尾气余热发电的原理。在此基础上 ， 根据电压巡检设计要求 设计 了一种可以对 每一路 热电模块进行电压检测 的方案 ， 该方案 可以克服共模电压 干扰 。 将整个电压巡检系统分成电压检测单元和数据传输单元。 根据以上设计方案，最终成功 设计出 了汽车尾气余热发电系统的电压巡检模块，它可以实现对 16 路热电模块的电压 进行 实时检测 的目的 ，并 同时 将检测的结果通过 CAN 总线 与余热发电的其他控制单元进行数据通信。 关键词 ： 余热发电 电压巡检 热电模块 PIC 单片机 武汉理工大学毕业设计（论文） II ABSTRACT Wit

14、h the ever-rising number of the automobile in our country, the problem of the pollution from urban automobile exhaust is becoming more and more serious, and the traditional contradiction between the automotive fuel supply and demand has become more and more conspicuous. Turning waste heat from motor

15、 vehicles into power can save energy and reduce pollution. Voltage monitor module is a critical component of waste heat generating system, so this paper makes a research on voltage monitor technology of the thermoelectric module in waste heat generating system. The primary coverage is as follows: Th

16、is paper introduces the main structure of automobiles that generating electricity by using waste heat of tail gas, and describes the principle o f waste heat generating system. According to the design requirements, I have designed a scheme to measure the voltage of every thermoelectric module on thi

17、s basis, and this design can conquer the disturbance of common mode voltage. The voltage monitor system is divided into two main parts: voltage-detecting unit and data transmission unit. According to the above scheme, I have successfully designed the voltage monitor module of waste heat generating s

18、ystem. It can measure the voltage of sixteen channel thermoelectric module in real time, and transfer the measurement result to other control unit of waste heat generating system by CAN bus. Key words ： automotive exhaust waste heat power generation voltage measure thermoelectric module PIC MCU modu

19、le 武汉理工大学毕业设计（论文） 1 1 绪论 1.1 余热发电研究意义 在现代文明的今天，汽车已经成为人类不可缺少的交通运输工具。自从 1886年第一辆汽车诞生以来，它给人们的生活和工作带来了极大的便利，也已经发展成为近现代物质文明的支柱之一。但是，我们也应该看到，在汽车产业高速发展、汽车产量和保有量不断增加的同时，汽车也带来了大气污染，即汽车 尾气污染。科学分析表明，汽车尾气中含有上百种不同的化合物，其中的污染物有固体悬浮微粒、一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、铅及硫氧化合物等 1。一辆轿车一年排出的有害废气比自身重量大 3 倍。英国空气洁净和环境保护协会曾发表研究报告称，与交

20、通事故遇难者相比，英国每年死于空气污染的人要多出 10倍。因此减少尾气排放是我们当前务必要解决的问题。 以现有的内燃机评估标准，燃油中 60%左右的能量没有得到有效的利用，绝大部分以余热的形式排放到大气中，造成巨大的经济损失和严重的环境污染 2。这令我们想到，在火力发 电厂附近的居民区通常将发电过程中产生的热水用来供暖，将余热有效利用。同样道理我们也可以回收汽车尾气的余热，用余热改善汽车本身的效率。 传统汽车燃油燃 烧带动发动机，发动机的能量主要有三个去向，一是用于驱动汽车前进 ； 二是带动 发 电机发电，供给汽车上其他用电设备 ； 三是随高温气体排放到空气中 。 而第三种消耗了大部分的能量。

21、于是想到如果将这大部分的热量回收利用，将大大节约燃料，提高效率。 热量本身不能贮存，汽车本身也不需要供暖，因此最好的回收方式是将热能转换为电能储存起来，这部分电能可以给汽车上的用电设备供电。与此同时， 可以将发动机上的发电装置去掉，这将大大提高发动机的效率，将更多的能量转入到驱动汽车上。 如果将这 60%的热能仅回收 10%，即有 6%的燃油被节约。以我国 2008 年的汽车使用情况为例 ： 2008 年一款海马汽车百公里节油王的耗油量是 4.51 升，如果平均每辆汽车年行驶 20000 公里，则每年每辆汽车将消耗 902 升燃油。 2008 年我国的汽车保有量是 6289.3 万辆，每年我国

22、汽车耗油将达到 567.3 亿升 。 如果节约其中的 6%，那么每年将节约 34 亿升的燃油，这将是一笔不可忽视的能源。 因此利用尾气 余 热发电将是节约能源的一个有效 途径，具有重要的 现实 意义。武汉理工大学毕业设计（论文） 2 在实现这一目的之前我们要找到合适的能量转换模块，将热能转换为电能。 1.2 电压巡检 发展现状 1823 年，赛贝克发现，把两种不同的金属导体接成闭合电路时，如果把它的两个接点分别置于温度不同的两个环境中，则电路中就会有电流产生 1。这一现象称为 塞贝克 (Seebeck)效应，这样的电路叫做温差电偶，这种情况下产生电流的电动势叫做温差电动势。温差电池就是利用温

23、度差异，使热能直接转化为电能的装置。 用半导体制成的温差电池赛贝克效应较强，热能转化为电能的效率也较高，因此，可将多个这样的电池组成温差电堆，作为小功率电源。它的工作原理是，将两种不同类型的热电转换材料 N 型和 P 型半导体的一端结合并将其置于高温状态，另一端开路并给以低温时，由于高温端的热激发作用较强，空穴和电子浓度也比低温端高，在这种载流子浓度梯度的驱动下，空穴和电子向低温端扩散，从而在低温开路端形成电势差；如果将许多对 P 型和 N 型热电转换材料连接起来组成模块，就可得到足够高的电压 ， 形成一个温差发电机。 目前国 内外很多团体和个人在研究利用汽车尾气发电，大多采用如下几种方方法：

24、 1） 、双刀继电器法，每个蓄电池的两端都与一只双刀继电器的两对动合触点相连接。继电器都不动作时，所有蓄电池均与巡检电路断开。当进行电压检测时，由控制器依次使继电器闭合，使对应的蓄电池的阴极接入检测电路地 ， 阳极经缓冲器进入 A/ D 转换器。 2） 、悬浮地测量法 ， 利用模拟开关对被测量的蓄电池进行切换，两片模拟开关采用差动式连接，模拟开关工作电源均由所测量的蓄电池所提供。这样就解决了蓄电池的电位高于芯片电压的问题。通过单片机对蓄电池切换，两片模拟开关的 输出分别就是被选中的蓄电池的正端和负端电压，为了使蓄电池电压不影响巡检系统的工作，采用光电耦合器构成悬浮采样系统，实现采样电路与单片机

25、之间的光电隔离。 3） 、运放采样电路 ， 采样电路是一个由电阻和运算放大器组成的线性差动运算电路。根据运算放大器的特性通过选取适当电阻，可以将蓄电池电压变换为单片机和 A/ D 的输入范围内 3 。 现在国内有很多电压巡检系统，如江苏金帆电源科技有限公司的电池电压巡检系统、江苏大唐科源电气公司的电压巡检技术应用设计、武汉理工大学的光伏电池板巡检系统和燃料电池单片电压巡检系统设计及故障 诊断研究、上海交通大学的串联蓄电池组电压巡检模块的设计、同济大学汽车学院的单片电压巡检及在燃料电池发动机中的应用等。国外有很多公司开发了多种燃料电池的电压巡检系统，例如美国的 NI 公司、加拿大 Greenli

26、ght 公司、日本的 Honda 公司，在这些公司中最引人注目的是美国的 NI 公司，它推出了一些软硬件测试产品，能够兼容多武汉理工大学毕业设计（论文） 3 种电池，测得几乎所有涉及指标 1。总体来说电压巡检系统已经发展的日趋成熟。 近年来 ， 车用发动机余热温差发电技术发展很快，转换规模在数百瓦至几千瓦之间。日本 N issan 汽车公司研究中心研制了排气 温差发电器，可以回收 11 %的热量 5。美国 Hi - Z 公司在能源部资助下进行了柴油机载重车排气余热温差发电的研究，并进行了台架和道路实验。安装在柴油机车的热电发电器 ， 外形像一个立式的消声器，在排气管上用 72 块 HZ - 1

27、4 模块按圆周排列布置 ， 冷端用水冷却 ，形成了 250 270 温差 ， 能提供 2000W 4000W 的功率。另外 ， 俄罗斯联邦科学中心物理与能源工程研究所进行了高寒区载重发动机直接发电的研究 ， 能够产生600W 的电能 6。 1.3 本文主要研究内容 我们目前使用的温差电池也称热电模块， 常用的是 HZ-20 热 电 模块。它是基于铋碲化物的半导体材料，设计热端温度 230 ，设计冷端温度 30 ，最大连续温度 250 ，最大温差 400 ， 功率 19 瓦，负载电压 2.38 伏，最大开路电压 5 伏，电流 8 安。当其电压与电流均达到最优时，此时电压值为 3 伏左右，这是热电

28、模块最佳的工作点 5。 这样每一片热电模块的发电电压为 3 伏左右，不能够为汽车上的设备供电，因此要将他们串 /并联，使其电压和功率达到汽车用电设备的要求。由于尾气从管道经过时温度会相应下降，从而贴在管壁上的 热电模块 两面温差会相应下降，因此与气体流动方向垂直 的一排 热电模块 是等电压的，将它们并联；与气体流动方向相同的每一组的 热电模块 的电压随着温差的减小而下降，将这样的 热电模块 组串联。如此便构成了一个大功率大电压的 热电模块 组。 这样数百片热电模块构成的 热电模块 组要使每一片都正常工作，并且输出正确的电压值才能保证供电系统的稳定。因此要 实时 对每片热电模块的电压情况进行监控，这就要求必须有电压巡检系统。汽车尾气发电热电模块的电压巡检作为尾气发电 系统电压 检测的关键设备，随着尾气发电的发展，发挥着越来越重要的作用。热电模块的单片、单组电压巡检不仅在 系统 的研发阶段起着十分重要 的作用，即使在投入使用后对 热电模块 的维护也是不可或缺的。 虽然检测电压的方法越来越多，但是在设计电压巡检系统时都会遇到同样的一个问题就是每一片热电模块的电压很小，在多组热电模块串联后电压将超过一般测电压芯片的电压最大承受范围，因此这是电压巡检电路设计中一个难点问题。为解决这一问题，本文将以 一路 热电模块的电压测量为例做详细介绍。