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随着全球对可再生能源和能源效率的需求不断增长，人们对汽车热电发电系统ATEG这一技术的关注度越来越多。

ATEG系统因其可回收废热能的特性，因此备受研究者关注。 通过将热能转化为电能，我们能够更加高效地利用汽车能源。

所以为了更好地了解和优化ATEG系统的动态性能，本研究提出了一种综合的混合瞬态CFD-热阻模型。

这个模型充分考虑了温度依赖性、拓扑连接以及瞬态传热等因素，分析这一模型也将帮助我们更加专业地探究和改善ATEG系统的运行！

瞬态热电发电系统建模及其在汽车中的应用

对于传统的汽车而言，废气中含有的热量约占通过燃烧化石燃料产生的总能量的1/3，通过汽车热电发电系统ATEG系统，这种废热可以被回收并转化为能量，以减少燃油的消耗。

我们为了评估ATEG系统对车辆带来的益处和节省燃料，理论模型对于预测其输出性能至关重要。

当车辆在瞬态驾驶循环中运行时，排气参数在不断变化，从而导致了ATEG系统的行为发生变化。

因此，如何准确预测ATEG系统的动态行为是有待解决的工程问题之一。

为了准确评估TEMs的性能，我们应考虑流体区域和固体区域的热质传递，以及TEMs的热电转换。

近年来，已经开发了一些ATEG系统的模型，包括计算流体动力学CFD模型，热阻模型和液压热电数值模型。

CFD模型可以准确计算共轭热传递，被经常用于评估ATEG系统的热力学行为，在特定工作温度下，可以通过热阻模型计算TEMs的输出性能，进而考虑流体区域和固体区域之间的对流。

在最近的研究中，研究人员们通过将CFD模型和热电数值模型相结合，创建了液压-热电多物理数值模型，与CFD和热阻模型相比，该模型表现出更高的合理性和准确性。

然而，大多数提出的模型并不考虑ATEG系统的动态性能，因为它们是稳态模型，建立一个合理的瞬态模型才具有重要意义。

根据他们的研究发现，具有圆柱形凹槽结构的热交换器优于其他类型的热交换器。

他们将金属泡沫集成到ATEG系统中，以增强热交换器与排汽气体之间的热传递效率。

为了对ATEG系统在不同排汽气体进口条件下的性能进行研究，他们采用了稳态CFD模型来探究不同孔密度对系统的影响。

尽管CFD模型无法直接获得ATEG系统的电输出，但可以通过获得温度分布来推导出温差发电模块TEMs两侧的温度，基于平均表面温度的计算方法可以用拟合方法或简单计算来估算ATEG系统的电输出。

这种方法为研究者们提供了一种获取系统电输出的途径，同时也为评估和优化ATEG系统的性能提供了重要参考。

瞬态CFD模型已被广泛用于其他情景，如太阳能蒸馏器，燃烧和共轭热传递，然而尚未报道过ATEG系统的瞬态CFD建模。

通过在稳态CFD模型中引入瞬态项，并将动态排气热作为瞬态边界条件，完全可以进行ATEG系统的瞬态CFD模拟，与排气参数随车速变化的事实更加一致。

热阻模型是从热阻网络中推导出的，它具有减少计算时间的优点。

通常热阻模型是在假定表面温度均匀的情况下计算的，不能忽略了环境热损失和热电腿中的汤姆孙热。

与CFD模型和热阻模型相比，液压-热电多物理模型具有最高的合理性，因为它完全考虑了流体、热和电场之间的耦合。

在Ref中，研究人员开发了稳态液压-热电多物理模型，以评估具有纵向涡流发生器的ATEG系统的行为。在该模型中，多个热电偶的完整TEM结构被简化为仅具有一个热电偶的TEM结构。

他们使用稳态液压-热电多物理模型，经过研究换热器形状对ATEG性能的影响，在该模型中，热沉的结构不存在，并被固定的冷侧温度所替代。

在研究中，他们建立了一个具有单个温差发电模块TEM的汽车热电发电系统ATEG的稳态液压-热电多物理模型。该模型考虑了系统的完整结构，但是需要将热电耦合场和流体-热耦合场分别进行计算。

然而，在最近的研究中，他们又创建了一个简化的ATEG系统的瞬态液压-热电多物理模型，以预测系统在瞬态驾驶循环下的动态性能。

可以得出，建立一个准确的瞬态模型对于评估ATEG系统在实际车辆驾驶条件下的动态行为至关重要。

汽车热电发电系统（ATEG）的动态性能分析与优化

对于ATEG系统动态输出电压和功率，输出功率与输出电压的平方成正比，这导致输出功率的波动大于输出电压。

与排气温度相比，输出功率和电压呈现出更稳定的变化，因为在热从TEM的两侧传递到热电腿时存在热缓冲。

当t = 466秒时，ATEG系统的输出功率达到最高值11.73 W，在1/4的ATEG系统被用作研究对象，因此整个ATEG系统的最大功率为46.92 W。

在整个HWFET驾驶循环下，ATEG系统的平均功率为8.91 W，比平均排气质量流量和温度作为边界条件的稳态混合CFD-热阻模型预测的9.67 W低了8.53%。

因此，基于平均排气参数的稳态性能分析可能会高估输出功率，通过瞬态模型研究其动态行为更为合理。

对于ATEG系统转换效率的动态响应特性，根据公式ATEG系统的转换效率与排气质量流量成反比。当车辆处于怠速状态时，排气流量将处于相对较低的水平。

由于热惯性，TEM的温度不会立即下降，并且会继续工作，从而导致ATEG系统的效率大幅提高。

ATEG系统的最大转换效率为40.88%，使用瞬时值来估计ATEG系统的转换效率没有意义。

在整个HWFET驾驶循环下，ATEG系统的平均转换效率为3.39%，比稳态分析预期的1.78%高出47.52%。因此，稳态模型可能会显著低估ATEG系统的转换效率。

四个TEM的总功率可以看作是ATEG系统的输出功率，而TEM功率的变化呈现与ATEG系统的变化趋势相同。

然而，不同TEM的输出功率差异很大，即在整个HWFET驾驶循环下，TEM1、TEM2、TEM3和TEM4的平均输出功率分别为2.57 W、2.20 W、2.04 W和2.10 W，这归因于温度分布不均匀以及从排气入口到排气出口的温度降低。

在实验中，四个TEM串联连接导致了寄生损耗，因为ATEG系统的总输出电流受限于其中最小的一个TEM。

因此，通过优化TEM的拓扑连接可以提高ATEG系统的输出功率。

与ATEG系统不同，TEM的动态转换效率有所不同，因为TEM的转换效率是基于从热交换器中提取的热而不是从排气中提取的热来计算的。

TEM转换效率的变化趋势与输出功率的变化趋势相似，因为TEM转换效率取决于其输出功率和热端温度，而两者的变化趋势相同。

在整个HWFET驾驶循环下，TEM1、TEM2、TEM3和TEM4的平均转换效率分别为1.82%、1.70%、1.64%和1.67%。

我们可以得出结论，当用于回收动态汽车排气热量时，ATEG系统可以实现比TEM本身更高的转换效率。

拓扑连接对ATEG系统性能的影响

不同的TEM拓扑连接方式：

（i）在case1中，四个TEM串联连接。（ii）在case2中，四个TEM并联连接。（iii）在case3中，TEM1和TEM3串联连接，TEM2和TEM4串联连接，然后两者并联连接。（iv）在case4中，TEM1和TEM4串联连接，TEM2和TEM3串联连接，然后两者并联连接。

当每个TEM的输出电流接近时，串联连接可以实现最佳性能，每个TEM的输出电压接近时，并联连接可以实现最佳性能。

否则，通过根据其特定输出电流和电压优化串联和并联TEM数量，混合连接可能实现最佳性能，在不同情况下，最佳负载电阻是不同的。

因此，通过稳态分析确定四种情况下的最佳负载电阻，然后比较由瞬态模型估计的四种情况下ATEG系统的总发电量。

四种情况下ATEG系统输出功率与负载电阻之间的关系，可以看出case1中的最佳负载电阻最大，因为电路中的内部电阻是四个TEM内部电阻之和。

在最佳电阻下，ATEG系统的稳态输出功率分别为case1为9.675 W，case2为9.652 W，case3为9.669 W，case4为9.665 W。

在整个HWFET驾驶循环中ATEG系统产生的电能里，一个HWFET驾驶循环所需的时间为765秒。

类似地，case1下ATEG系统产生的电能最高，其次是case3、case4和case2，TEM串联连接可以产生最高发电量的原因在于，由于输出电流差异造成的寄生损耗低于输出电压差异造成的寄生损耗。

从理论上讲，TEM的混合连接可以达到最高的输出性能，在本研究中，仅以四个TEM的1/4 ATEG系统作为研究对象。

TEM数量太少，无法充分发挥混合连接的优势，在ATEG系统中使用的TEM数量越多，拓扑连接的影响就越大，混合连接的收益也就越大。

本研究建立了一个综合性的混合瞬态CFD-热阻模型，以评估具有温度依赖性、TEMs的拓扑连接和瞬态热质传递考虑的ATEG系统的动态行为。

考虑到ATEG系统的几何形状完全对称，只使用了结构的1/4作为研究目标，以减少工作量，以重型卡车在HWFET驾驶循环中运行的瞬态排气热作为瞬态模型的热源输入，获得并详细分析了ATEG系统的动态行为。

此外，我们通过瞬态性能测试装置对瞬态CFD-热阻模型进行了实验验证。

最后，通过调整瞬态热阻模型的守恒方程，调查了TEMs之间的拓扑关系对ATEG系统性能的影响。主要发现如下：

(1) 综合性的混合瞬态CFD-热阻模型可以充分利用数值模型和热阻模型的优势，可以用于高精度和较短计算时间内预测ATEG系统的动态行为。通过将实验结果与模型结果进行比较，可以得出输出电压和出口空气温度的平均偏差分别为7.70%和1.12%。

与稳态结果不同，在瞬态条件下，具有高排气热水平的某个时间点的热侧温度和TEMs的输出性能可能低于具有低排气热水平的某个时间点，这是由热惯性引起的，即热侧温度不会立即随着排气参数的变化而立即响应。

ATEG系统的动态输出功率主要与排气温度有关，但由于热从排气气体传递到TEMs时的热缓冲效应，输出功率的变化比排气温度更稳定。

ATEG系统的动态转换效率主要取决于排气质量流量，当车辆处于怠速状态时，由于热惯性的影响，瞬时转换效率可以达到超高值。

通过综合性的混合瞬态CFD-热阻模型，本研究深入探究了汽车热电发电系统（ATEG）在动态工况下的性能特性。

我们通过模拟不同的拓扑连接方式揭示了拓扑连接对系统性能的影响。这一发现为实际应用中的系统优化提供了宝贵的见解。

同时，我们展示了在不同驾驶循环条件下，ATEG系统的输出功率和转换效率的动态变化趋势。通过研究瞬态模型在实际驾驶情境中的重要性，强调了理解和优化ATEG系统动态行为的必要性。这将有助于为未来汽车制造业提供更可靠、高效的能源解决方案！

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