用于柴油机冷启动热电联供系统的主动MPPT控制方法

用于柴油机冷启动热电联供系统的主动mppt控制方法
技术领域
1.本发明涉及一种柴油发动机冷启动热电联供控制方法，尤其涉及一种基于主动mppt控制的为柴油发动机冷启动过程中燃油加热器供电的热电联供控制方法，属于柴油发动机领域。


背景技术：

2.自发动机诞生以来，极大方便人民的生活。但是发动机运行工况较为复杂，在外界温度比较低的情况下，由于发动机的各个部分都没有进入真正工作的状态中。比如，在车辆比较冷时或者是外界环境温度比较低时，由于机油黏合度高都沉在底下，各部分零件都还没有得到润滑，同时，机体的温度也比较低，柴油进缸时不能很好的与空气混合，无法高效的工作。目前为解决汽车冷启动困难，在车辆加装燃油加热器来在发动机工作前进行预热。
3.在超级电容等储能器件释放电能使燃油加热器装置开始工作，燃油加热器中经燃烧后排出的高温燃气含有大量能量，可以采用热电联供装置将高温燃气的热能转化为电能供燃油加热器使用，实现能量的高效利用，此外，还可以将剩余电能储存或者用于蓄电池保温，以便蓄电池可以正常工作，但是热电联供装置在发电过程中由于外界环境影响无法稳定输出电能，且由于发热所用热电片有一定的温度工作区间，在温度超出这个范围后，可能会导致热电片发电效率下降甚至损坏，并且燃油加热器运行工况多变，因此需要一种主动控制的mppt算法来保证在不损坏热电装置的同时使装置始终保持在高效工作区。


技术实现要素：

4.为了解决柴油发动机在冷启动预热过程中加热装置电能短缺的问题，因而加装燃油加热器，并由温差发电装置为其供电，本发明主要目的是提供一种用于柴油机冷启动热电联供系统的主动mppt控制方法，利用主动最大功率点跟踪mppt控制方法对于热电片所输出电能进行控制，使温差发电片的输出功率快速稳定在最大功率点，此外，由于热电片热端与冷端温度存在高效区，通过反馈主动控制调节高温燃气的初始温度使热电片始终工作在高效区，提高温差发电片的热电转换效率，提高柴油机冷启动热电联供系统输出功率。
5.本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
6.本发明公开的用于柴油机冷启动热电联供系统的主动mppt控制方法，所述柴油机冷启动热电联供系统包括燃油加热器、温差发电装置。所述燃油加热器主要由助燃风扇、油泵、冷却水套组成。所述温差发电装置主要由热电片、集热器、散热器组成。燃油加热器所产生的高温燃气通入温差发电装置中的集热器，集热器两端装有热电片，在热电片的冷端装有散热器，由集热器与散热器构建热电片发电所需要的温差，并利用主动最大功率点跟踪mppt控制方法对热电片所输出电能进行控制，使热电片的输出功率快速稳定在最大功率点，此外，由于热电片热端与冷端温度存在高效区，通过反馈主动控制调节高温燃气的初始温度使热电片始终工作在高效区，提高热电片的热电转换效率，提高柴油机冷启动热电联供系统输出功率。
7.所述一种用于柴油机冷启动热电联供系统的主动mppt控制方法，包括如下步骤：
8.步骤一：在超级电容的瞬时放电提供的能量下，燃油加热器开始工作，经燃烧后排出高温气体，高温燃气通入温差发电装置集热器中，同时温差发电装置散热器中通入冷却水，夹在集热器与散热器中间的热电片由于两端存在温度差，产生电势差并输出。
9.步骤二：对于步骤一中通过热电片产生的电势差，利用主动最大功率点跟踪mppt控制方法对热电片所输出电能进行控制，使热电片的输出功率快速稳定在最大功率点。
10.步骤2.1：采集温差发电装置电能输出处的输出电压、输出电流，采集步长为d1。所述输出电压、输出电流用于主动最大功率点跟踪mppt控制。
11.步骤2.2：基于dc/dc变换电路，利用最大功率点跟踪mppt控制方法对热电片所输出电能进行控制，使热电片的输出功率快速稳定在最大功率点。
12.所述dc/dc电路主要由二极管、开关管、电感、电容组成。电感和电容的作用是储能与滤波，二极管的作用是续流。如果把dc/dc变换电路看作一个整体，由于dc/dc电路前后两端的直流电压有压差，且所述dc/dc电路整体有电流输入，当通过控制其中开关管的占空比让电流达到一个固定值时，根据欧姆定律，且所述dc/dc电路也会得到一个等效的阻抗。利用最大功率点跟踪mppt控制方法对热电片所输出电能进行控制，通过改变pwm波形的占空比得到不同的电流大小，并得到不同电流大小对应的不同阻抗值，即通过调节pwm波形的占空比调节等效阻抗，以达到阻抗匹配的目的，使负载电阻等于温差发电装置内阻，使温差发电装置输出功率快速稳定在最大功率点。
13.作为优选，所述dc/dc电路采用boost电路结合导纳增量法对占空比进行控制，导纳增量法是基于输出功率—输出电压特性曲线进行自寻优的过程，导纳增量法通过比较teg的瞬时电导和其变化量来实现最大功率点跟踪mppt，具体实现方法如下：
14.根据步骤2.1采集的温差发电装置电能输出处的输出电压、输出电流，由电压与电流相乘得到此刻温差发电装置的功率。
15.由热电片阵列的p-v曲线得知，在最大功率点，功率对电压的导数为零。用输出功率对输出电压求导判断是否等于零，如为零则温差发电装置工作在最大功率点，如果温差发电装置没有工作在最大功率点，则需根据公式(1)进一步判断温差发电装置工作在最大功率点的所在侧。
[0016][0017]
通过微控制器控制输出电压、输出电流，使工作点接近最大功率点，通过判断dv以及di的正负关系，来判断功率点在最大功率点的左侧还是右侧，如果在左侧就增加电压使工作点又偏，如果监测点在最大功率点右侧则减小电压，电压变化步长为d3，在循环中逼近最大功率点。并将输出信号通过pwm信号后输出方波信号来控制boost电路中的开关管以此来调节功率，实现最大功率点跟踪mppt。
[0018]
步骤三：由于热电片热端与冷端温度存在高效区，通过反馈主动控制调节高温燃气的初始温度使热电片始终工作在高效区，提高热电片的热电转换效率。
[0019]
在温差发电装置的冷端以及热端用温度传感器进行温度采集，同时对温差发电装置输出电压进行采集检测，采集步长为d2，使d2》d1；在电压信号出现下降趋势时，对温差发电装置冷热端温度进行如下反馈主动控制：
[0020]
设定最高温度阈值为tmax，最低温度阈值为tmin。当热端温度高于最高温度tmax时，给前端燃油加热器发出控制信号，变步长调节燃油加热器的助燃风扇以及油泵，减少空气通入量以及油泵泵油量，在不影响燃油加热器功能的同时降低燃气温度，使热电片工作在预设最适温度区间，提高温差发电装置输出功率；当热端温度低于最低温度tmin时，给前端燃油加热器信号，变步长调节燃油加热器冷却水套水流量，减少高温燃气在排出燃油加热器之前的换热量，提高通入温差发电装置燃气的温度，增加热端温度来提高热电片效率。同时给温差发电装置散热器信号，调节散热器流体流量，确保热电片工作在预设最适温度范围内。
[0021]
通过反馈主动控制调节的泵油量、空气通入量、冷却水套水流量，进而调节燃油加热器高温燃气的初始温度使热电片始终工作在高效区，提高温差发电片的热电转换效率。
[0022]
步骤四：当柴油机冷启动时，需要使用热电联供装置对燃油加热器进行供电，根据步骤二利用最大功率点跟踪mppt控制方法对热电片所输出电能进行控制，使热电片的输出功率快速稳定在最大功率点，利用步骤三通过反馈主动控制调节高温燃气的初始温度使热电片始终工作在高效区，即通过步骤二、步骤三对柴油机冷启动热电联供系统进行协同主动控制，提高热电片的热电转换效率，提高柴油机冷启动热电联供系统输出功率，进而提高燃油加热器的加热效率，使通入柴油机的燃油快速达到点火条件，实现柴油机冷启动。
[0023]
有益效果：
[0024]
1、为了解决柴油发动机在冷启动预热过程中加热装置电能短缺的问题，因而加装燃油加热器，并由温差发电装置为其供电，本发明公开的一种用于柴油机冷启动热电联供系统的主动mppt控制方法，利用燃油加热器所产生的高温燃气进行热电转换，并且通过主动mppt控制来对输出电能进行高效利用。
[0025]
2、本发明公开的用于柴油机冷启动热电联供系统的主动mppt控制方法，燃油加热器所产生的高温燃气通入温差发电装置中的集热器中，集热器两端装有热电片，在热电片的冷端装有散热器，由集热器与散热器构建热电片发电所需要的温差，并利用mppt算法对于热电片所输出电能进行控制，此外，由于热电片热端与冷端温度存在高效区，所以通过反馈主动控制的方式调节高温燃气的初始温度使热电片始终工作在高效区。
[0026]
3、本发明公开的用于柴油机冷启动热电联供系统的主动mppt控制方法，当柴油机冷启动时，利用最大功率点跟踪mppt控制方法对热电片所输出电能进行控制，使温差发电片的输出功率快速稳定在最大功率点，通过反馈主动控制调节高温燃气的初始温度使热电片始终工作在高效区，即通过对柴油机冷启动热电联供系统进行协同主动控制，提高温差发电片的热电转换效率，提高柴油机冷启动热电联供系统输出功率，进而提高燃油加热器的加热效率，使通入柴油机的燃油快速达到点火条件，实现柴油机冷启动。
[0027]
4、本发明公开的用于柴油机冷启动热电联供系统的主动mppt控制方法，所述dc/dc电路采用boost电路结合导纳增量法对占空比进行调节，实现工作功率快速稳定到最大功率电，并通过反馈调节的方法，实现热电片工作温度稳定到高效区。
附图说明
[0028]
图1为本发明公开的用于柴油机冷启动热电联供系统的主动mppt控制方法流程图；
[0029]
图2为本发明公开的用于柴油机冷启动热电联供系统的主动mppt控制方法的原理图；
[0030]
图3为热电片阵列的p-v曲线图；
[0031]
图4为导纳增量法控制流程图。
具体实施方式
[0032]
为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
[0033]
实施例1：
[0034]
如图1、2所示，本实施例公开的用于柴油机冷启动热电联供系统的主动mppt控制方法，具体实现步骤如下：
[0035]
步骤一：在超级电容的瞬时放电提供的能量下，燃油加热器开始工作，经燃烧后排出高温气体，高温燃气通入温差发电装置集热器中，同时温差发电装置散热器中通入冷却水，夹在集热器与散热器中间的热电片由于两端存在温度差，产生电势差并输出。
[0036]
步骤二：对于步骤一中通过热电片产生的电势差，利用主动最大功率点跟踪mppt控制方法对热电片所输出电能进行控制，使热电片的输出功率快速稳定在最大功率点。如图2所示
[0037]
步骤2.1：采集温差发电装置电能输出处的输出电压、输出电流，采集步长为0.1s。所述输出电压、输出电流用于主动最大功率点跟踪mppt控制。
[0038]
步骤2.2：基于dc/dc变换电路，利用最大功率点跟踪mppt控制方法对热电片所输出电能进行控制，使热电片的输出功率快速稳定在最大功率点。
[0039]
所述dc/dc电路主要由二极管、开关管、电感、电容组成。电感和电容的作用是储能与滤波，二极管的作用是续流。如果把dc/dc变换电路看作一个整体，由于dc/dc电路前后两端的直流电压有压差，且所述dc/dc电路整体有电流输入，当通过控制其中开关管的占空比让电流达到一个固定值时，根据欧姆定律，且所述dc/dc电路也会得到一个等效的阻抗。利用最大功率点跟踪mppt控制方法对热电片所输出电能进行控制，通过改变pwm波形的占空比得到不同的电流大小，并得到不同电流大小对应的不同阻抗值，即通过调节pwm波形的占空比调节等效阻抗，以达到阻抗匹配的目的，使负载电阻等于温差发电装置内阻，使温差发电装置输出功率快速稳定在最大功率点。
[0040]
所述dc/dc电路采用boost电路结合导纳增量法对占空比进行控制，导纳增量法是基于输出功率—输出电压特性曲线进行自寻优的过程，具体流程如图3，导纳增量法通过比较teg的瞬时电导和其变化量来实现最大功率点跟踪mppt，具体实现方法如下：
[0041]
根据步骤2.1采集的温差发电装置电能输出处的输出电压、输出电流，由电压与电流相乘得到此刻温差发电装置的功率。
[0042]
如图3所示，由热电片阵列的p-v曲线图4得知，在最大功率点，功率对电压的导数为零。用输出功率对输出电压求导判断是否等于零，如为零则温差发电装置工作在最大功率点，如果温差发电装置没有工作在最大功率点，则需根据公式(1)进一步判断温差发电装置工作在最大功率点的所在侧。
[0043][0044]
通过微控制器控制输出电压、输出电流，使工作点接近最大功率点，通过判断dv以及di的正负关系，来判断功率点在最大功率点的左侧还是右侧，如果在左侧就增加电压使工作点又偏，如果监测点在最大功率点右侧则减小电压，电压变化步长为1s，在循环中逼近最大功率点。并将输出信号通过pwm信号后输出方波信号来控制boost电路中的开关管以此来调节功率，实现最大功率点跟踪mppt。
[0045]
步骤三：由于热电片热端与冷端温度存在高效区，通过反馈主动控制调节高温燃气的初始温度使热电片始终工作在高效区，提高热电片的热电转换效率。
[0046]
在温差发电装置的冷端以及热端用温度传感器进行温度采集，同时对温差发电装置输出电压进行采集检测，采集步长为1s；在电压信号出现下降趋势时，对温差发电装置冷热端温度进行如下反馈主动控制：
[0047]
设定最高温度阈值为500℃，最低温度阈值为100℃。当热端温度高于最高温度500℃时，给前端燃油加热器发出控制信号，变步长调节燃油加热器的助燃风扇以及油泵，减少空气通入量以及油泵泵油量，在不影响燃油加热器功能的同时降低燃气温度，使热电片工作在预设最适温度区间，提高温差发电装置输出功率；当热端温度低于最低温度100℃时，给前端燃油加热器信号，变步长调节燃油加热器冷却水套水流量，减少高温燃气在排出燃油加热器之前的换热量，提高通入温差发电装置燃气的温度，增加热端温度来提高热电片效率。同时给温差发电装置散热器信号，调节散热器流体流量，确保热电片工作在预设最适温度范围内。
[0048]
通过反馈主动控制调节的泵油量、空气通入量、冷却水套水流量，进而调节燃油加热器高温燃气的初始温度使热电片始终工作在高效区，提高温差发电片的热电转换效率。
[0049]
步骤四：当柴油机冷启动时，需要使用热电联供装置对燃油加热器进行供电，根据步骤二利用最大功率点跟踪mppt控制方法对热电片所输出电能进行控制，使热电片的输出功率快速稳定在最大功率点，利用步骤三通过反馈主动控制调节高温燃气的初始温度使热电片始终工作在高效区，即通过步骤二、步骤三对柴油机冷启动热电联供系统进行协同主动控制，提高热电片的热电转换效率，提高柴油机冷启动热电联供系统输出功率，进而提高燃油加热器的加热效率，使通入柴油机的燃油快速达到点火条件，实现柴油机冷启动。
[0050]
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.用于柴油机冷启动热电联供系统的主动mppt控制方法，所述柴油机冷启动热电联供系统包括燃油加热器、温差发电装置；所述燃油加热器主要由助燃风扇、油泵、冷却水套组成；其特征在于：所述温差发电装置主要由热电片、集热器、散热器组成；燃油加热器所产生的高温燃气通入温差发电装置中的集热器，集热器两端装有热电片，在热电片的冷端装有散热器，由集热器与散热器构建热电片发电所需要的温差，并利用主动最大功率点跟踪mppt控制方法对热电片所输出电能进行控制，使热电片的输出功率快速稳定在最大功率点，此外，由于热电片热端与冷端温度存在高效区，通过反馈主动控制调节高温燃气的初始温度使热电片始终工作在高效区，提高热电片的热电转换效率，提高柴油机冷启动热电联供系统输出功率。2.如权利要求1所述的用于柴油机冷启动热电联供系统的主动mppt控制方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一：在超级电容的瞬时放电提供的能量下，燃油加热器开始工作，经燃烧后排出高温气体，高温燃气通入温差发电装置集热器中，同时温差发电装置散热器中通入冷却水，夹在集热器与散热器中间的热电片由于两端存在温度差，产生电势差并输出；步骤二：对于步骤一中通过热电片产生的电势差，利用主动最大功率点跟踪mppt控制方法对热电片所输出电能进行控制，使热电片的输出功率快速稳定在最大功率点；步骤2.1：采集温差发电装置电能输出处的输出电压、输出电流，采集步长为d1；所述输出电压、输出电流用于主动最大功率点跟踪mppt控制；步骤2.2：基于dc/dc变换电路，利用最大功率点跟踪mppt控制方法对热电片所输出电能进行控制，使热电片的输出功率快速稳定在最大功率点；所述dc/dc电路主要由二极管、开关管、电感、电容组成；电感和电容的作用是储能与滤波，二极管的作用是续流；如果把dc/dc变换电路看作一个整体，由于dc/dc电路前后两端的直流电压有压差，且所述dc/dc电路整体有电流输入，当通过控制其中开关管的占空比让电流达到一个固定值时，根据欧姆定律，且所述dc/dc电路也会得到一个等效的阻抗；利用最大功率点跟踪mppt控制方法对热电片所输出电能进行控制，通过改变pwm波形的占空比得到不同的电流大小，并得到不同电流大小对应的不同阻抗值，即通过调节pwm波形的占空比调节等效阻抗，以达到阻抗匹配的目的，使负载电阻等于温差发电装置内阻，使温差发电装置输出功率快速稳定在最大功率点；步骤三：由于热电片热端与冷端温度存在高效区，通过反馈主动控制调节高温燃气的初始温度使热电片始终工作在高效区，提高热电片的热电转换效率；步骤四：当柴油机冷启动时，需要使用热电联供装置对燃油加热器进行供电，根据步骤二利用最大功率点跟踪mppt控制方法对热电片所输出电能进行控制，使热电片的输出功率快速稳定在最大功率点，利用步骤三通过反馈主动控制调节高温燃气的初始温度使热电片始终工作在高效区，即通过步骤二、步骤三对柴油机冷启动热电联供系统进行协同主动控制，提高热电片的热电转换效率，提高柴油机冷启动热电联供系统输出功率，进而提高燃油加热器的加热效率，使通入柴油机的燃油快速达到点火条件，实现柴油机冷启动。3.如权利要求2所述的用于柴油机冷启动热电联供系统的主动mppt控制方法，其特征在于：所述dc/dc电路采用boost电路结合导纳增量法对占空比进行控制，导纳增量法是基于输出功率—输出电压特性曲线进行自寻优的过程，导纳增量法通过比较teg的瞬时电导
和其变化量来实现最大功率点跟踪mppt，具体实现方法如下，根据步骤2.1采集的温差发电装置电能输出处的输出电压、输出电流，由电压与电流相乘得到此刻温差发电装置的功率；由热电片阵列的p-v曲线得知，在最大功率点，功率对电压的导数为零；用输出功率对输出电压求导判断是否等于零，如为零则温差发电装置工作在最大功率点，如果温差发电装置没有工作在最大功率点，则需根据公式(1)进一步判断温差发电装置工作在最大功率点的所在侧；通过微控制器控制输出电压、输出电流，使工作点接近最大功率点，通过判断dv以及di的正负关系，来判断功率点在最大功率点的左侧还是右侧，如果在左侧就增加电压使工作点又偏，如果监测点在最大功率点右侧则减小电压，电压变化步长为d3，在循环中逼近最大功率点；并将输出信号通过pwm信号后输出方波信号来控制boost电路中的开关管以此来调节功率，实现最大功率点跟踪mppt。4.如权利要求3所述的用于柴油机冷启动热电联供系统的主动mppt控制方法，其特征在于：步骤三实现方法为，在温差发电装置的冷端以及热端用温度传感器进行温度采集，同时对温差发电装置输出电压进行采集检测，采集步长为d2，使d2>d1；在电压信号出现下降趋势时，对温差发电装置冷热端温度进行如下反馈主动控制：设定最高温度阈值为tmax，最低温度阈值为tmin；当热端温度高于最高温度tmax时，给前端燃油加热器发出控制信号，变步长调节燃油加热器的助燃风扇以及油泵，减少空气通入量以及油泵泵油量，在不影响燃油加热器功能的同时降低燃气温度，使热电片工作在预设最适温度区间，提高温差发电装置输出功率；当热端温度低于最低温度tmin时，给前端燃油加热器信号，变步长调节燃油加热器冷却水套水流量，减少高温燃气在排出燃油加热器之前的换热量，提高通入温差发电装置燃气的温度，增加热端温度来提高热电片效率；同时给温差发电装置散热器信号，调节散热器流体流量，确保热电片工作在预设最适温度范围内；通过反馈主动控制调节的泵油量、空气通入量、冷却水套水流量，进而调节燃油加热器高温燃气的初始温度使热电片始终工作在高效区，提高温差发电片的热电转换效率。

技术总结
本发明公开的用于柴油机冷启动热电联供系统的主动MPPT控制方法，属于柴油发动机领域。柴油机冷启动热电联供系统包括燃油加热器、温差发电装置。燃油加热器所产生的高温燃气通入温差发电装置中的集热器，集热器两端装有热电片，在热电片的冷端装有散热器，由集热器与散热器构建热电片发电所需要的温差，并基于DC/DC变换电路利用主动最大功率点跟踪MPPT控制方法对热电片所输出电能进行控制，使热电片的输出功率快速稳定在最大功率点，此外，由于热电片热端与冷端温度存在高效区，通过反馈主动控制调节高温燃气的初始温度使热电片始终工作在高效区，提高热电片的热电转换效率，提高柴油机冷启动热电联供系统输出功率，使燃油快速达到点火条件。油快速达到点火条件。油快速达到点火条件。


技术研发人员：王伟 张敏 左正兴 朱兴壮 尹千
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2023.02.14
技术公布日：2023/6/12