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一种基于新型开路 电压法的MPPT在线控制系统

阅读：867发布：2020-09-19

专利汇可以提供一种基于新型开路电压法的MPPT在线控制系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种基于新型开路电压法的MPPT在线控制系统，包括温差发电组、热电偶组、MPPT转换器，其中，温差发电组由若干温差发电片以及强磁铁组成，适于将尾气中的热能转化为电能；热电偶组由热电偶探测片和热电偶卡槽组成，适于测量温差发电片间的温度，并将温度信号传输给MPPT转换器；MPPT转换器由环形天线、飞思卡尔MC9S12XS128 单片机和升压逆变器组成，两端分别连接温差发电片和负载，可将温差发电片产生的电压以最大功率点电压输出给负载。本发明能够有效解决测量发电片温差时热电偶固定困难的问题，进而改善传统开路电压法电路周期性断开、算法复杂、功率损失较大等缺点，使输出电压一直连续运行在最大功率点附近，从而提高温差发电组的热电转化效率。，下面是一种基于新型开路电压法的MPPT在线控制系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于新型开路电压法的MPPT在线控制系统，其特征在于，包括通过导线依次连接的热电偶组、温差发电组、MPPT转换器(5)及负载(6)，所述温差发电组包括若干温差发电片(4)、强磁铁(3)；若干温差发电片(4)串联后与MPPT转换器(5)的输入端相连，MPPT转换器(5)的输出端连接负载(6)；所述热电偶组包括热电偶探测片(2)和热电偶卡槽(1)，热电偶探测片(2)一端置于温差发电片(4)之间，另一端嵌入热电偶卡槽(1)中，热电偶卡槽(1)中含有环形天线；强磁铁(3)布置在最外侧的温差发电片(4)的热端和冷端两侧，夹紧温差发电片(4)和热电偶探测片(2)。
2.如权利要求1所述的一种基于新型开路电压法的MPPT在线控制系统，其特征在于，所述最外侧温差发电片(4)的冷、热端面分别与冷却水管道和发动机排气管紧密贴合。
3.如权利要求1所述的一种基于新型开路电压法的MPPT在线控制系统，其特征在于，所述强磁铁(3)为圆柱体，可以采用其他形状的磁铁，但需保证产生的吸引力能有效固定温差发电片(4)和热电偶探测片(2)，使温差发电片(4)和热电偶探测片(2)不发生相互移动。
4.如权利要求1或3所述的一种基于新型开路电压法的MPPT在线控制系统，其特征在于，所述热电偶探测片(2)中含有热电偶工作端电路，热电偶探测片(2)的厚度为0.5mm。
5.如权利要求1所述的一种基于新型开路电压法的MPPT在线控制系统，其特征在于，所述热电偶卡槽(1)中还含有测温电压计，测温电压计和环形天线组成电路，环形天线实时向MPPT转换器(5)发射温度信号。
6.如权利要求4或5所述的一种基于新型开路电压法的MPPT在线控制系统，其特征在于，所述热电偶探测片(2)和热电偶卡槽(1)的接口为卡槽接口，接口宽为5mm、高为0.9mm；
热电偶探测片(2)和热电偶卡槽(1)所含的电路通过补偿导线接触构成闭合回路进行测温。
7.如权利要求1或5所述的一种基于新型开路电压法的MPPT在线控制系统，其特征在于，所述MPPT转换器(5)中含有环形天线、单片机和升压逆变器。
8.如权利要求7所述的一种基于新型开路电压法的MPPT在线控制系统，其特征在于，所述MPPT转换器(5)执行新型开路电压法，即MPPT转换器(5)中的环形天线接受温度信号并传给单片机，单片机根据接收到的温度信号计算出最大功率点电压，通过与当前电压进行比较得出占空比信号并驱动升压逆变器开关，升压逆变器将输入电压转换为最大功率点电压再输出给负载(6)。
9.如权利要求8所述的一种基于新型开路电压法的MPPT在线控制系统，其特征在于，所述最大功率点电压 VOC＝S（Th-Tc)，其中VOC为温差发电片(4)串联后输出的开路电压，温差发电片(4)热端面温度为Th，温差发电片(4)冷端面温度为TC，S为塞贝克系数。

说明书全文

一种基于新型开路电压法的MPPT在线控制系统

技术领域

[0001] 本发明涉及温度测量技术和汽车尾气余热利用领域，具体涉及一种基于新型开路电压法的MPPT在线控制系统。

背景技术

[0002] 近年来，化石燃料的短缺对发动机的能源利用效率提出了更高的要求。汽车发动机工作过程中约有30％-40％的能量随尾气排放到大气中，温差发电技术可回收汽车尾气中的余热并将其直接转化为电能。该技术具有轻便、可靠以及寿命长等优点，但受发动机运行工况变化及温差发电材料属性等的影响，输出的电压波动较大，且效率较低。

[0003] 最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)技术能够根据温差发电装置运行的温度环境变化自行调节输出电压，使输出电压持续工作在最大功率点附近。传统的MPPT方法主要包括干扰观测法、电导增量法以及开路电压法等。干扰观测法和电导增量法均需要迅速地测量和复杂的计算才能实现在线跟踪与控制，这一过程需要较为复杂的部件和较大的功率消耗。传统的开路电压法运行原理简单、抗扰动能力强，但需要周期性地断开电路以测量开路电压，且忽略温度变化等因素对源电压的影响，适用范围窄、测量误差大且功率损失多。

[0004] 热电偶是一种常用的测温工具，被广泛应用于供热、电力、化工及航天等领域。测量温差发电片间温度采用的贴片式热电偶探头较小，使用时采用热电偶胶粘片进行固定，布置困难；外界的轻微触碰会导致较大的测温误差及热电偶的损坏，热电偶胶粘片的厚度也会对测量产生较大影响，因此测量稳定性差。

发明内容

[0005] 本发明针对现有汽车尾气余热利用过程中热电转化效率低、测温困难等缺点，提供一种基于新型开路电压法的MPPT在线控制系统。该系统能够准确测量温差发电片间的温度，在不影响温差发电片正常运行的情况下，在线采集温度信号以计算最大功率点电压并控制输出电压，使温差发电片始终工作在最大功率点附近，从而提高输出功率。

[0006] 为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

[0007] 一种基于新型开路电压法的MPPT在线控制系统，包括通过导线依次连接的热电偶组、温差发电组、MPPT转换器及负载，所述温差发电组包括若干温差发电片、强磁铁；若干温差发电片串联后与MPPT转换器的输入端相连，MPPT转换器的输出端连接负载；所述热电偶组包括热电偶探测片和热电偶卡槽，热电偶探测片一端置于温差发电片之间，另一端嵌入热电偶卡槽中，热电偶卡槽中含有环形天线；强磁铁布置在最外侧的温差发电片的热端和冷端两侧，夹紧温差发电片和热电偶探测片。

[0008] 上述方案中，所述最外侧温差发电片的冷、热端面分别与冷却水管道和发动机排气管紧密贴合。

[0009] 上述方案中，所述强磁铁为圆柱体，可以采用其他形状的磁铁，但需保证产生的吸引力能有效固定温差发电片和热电偶探测片，使温差发电片和热电偶探测片不发生相互移动。

[0010] 上述方案中，所述热电偶探测片的厚度为0.5mm，热电偶探测片中含有热电偶工作端电路；所述热电偶卡槽中还含有测温电压计，测温电压计和环形天线组成电路，环形天线实时向MPPT转换器发射温度信号；所述热电偶探测片和热电偶卡槽的接口为卡槽接口，接口宽为5mm、高为0.9mm；热电偶探测片和热电偶卡槽所含的电路通过补偿导线接触构成闭合回路进行测温。

[0011] 上述方案中，所述MPPT转换器中含有环形天线、单片机和升压逆变器，所述MPPT转换器执行新型开路电压法，即MPPT转换器中的环形天线接受温度信号并传给单片机，单片机根据接收到的温度信号计算出最大功率点电压，通过与当前电压进行比较得出占空比信号并驱动升压逆变器开关，升压逆变器将输入电压转换为最大功率点电压再输出给负载；所述最大功率点电压 VOC＝S(Th-TC)，其中VOC为温差发电片串联后输出的开路电压，温差发电片热端面温度为Th，温差发电片冷端面温度为TC，S为塞贝克系数。

[0012] 与现有技术相比，本发明存在以下有益效果：

[0013] 本发明提供的基于新型开路电压法的MPPT在线控制系统高度集成了温差发电组、热电偶组以及MPPT转换器，可以实现温度的在线采集和MPPT的实时控制。热电偶探测片和热电偶卡槽组成的热电偶组能够有效解决温差发电片间由于热电偶固定困难所导致的温度测量误差和热电偶损坏问题；基于单片机和升压逆变器运行的新型开路电压法依据温度信号直接得出最大功率点电压并输出给负载，可改进MPPT转换器并使之持续运行，从而减少功率损失，有效提高温差发电组的热电转换效率。附图说明

[0014] 图1为本发明所述基于新型开路电压法的MPPT在线控制系统模型示意图；

[0015] 图2为本发明所述热电偶探测片、热电偶卡槽电路图；

[0016] 图3为本发明所述卡槽接口示意图；

[0017] 图4为本发明所述MPPT转换器内部电路示意图；

[0018] 图5为本发明所述系统控制方法的流程示意图。

[0019] 其中：1-热电偶卡槽，2-热电偶探测片，3-强磁铁，4-温差发电片，5-MPPT转换器，6-负载。

具体实施方式

[0020] 为使本发明的操作流程与创作特征易于理解，以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

[0021] 如图1所示，一种基于新型开路电压法的MPPT在线控制系统，该系统包括温差发电组、热电偶组、MPPT转换器5及负载6，温差发电组包括若干串联的温差发电片4以及圆柱体状强磁铁3一对，一对强磁铁3设于最外侧的温差发电片4冷端和热端两侧，然后分别置于发动机排气管侧和冷却水管道侧，强磁铁3通过夹紧温差发电片4和热电偶探测片2实现稳定可靠的固定，强磁铁3可以采用其他形状的磁铁，但需保证产生的吸引力能有效固定温差发电片4和热电偶探测片2，使固定温差发电片4和热电偶探测片2不相互移动；热电偶组包括热电偶探测片2及热电偶卡槽1，热电偶探测片2的厚度为0.5mm。最外侧温差发电片4的冷、热端面通过导热硅脂分别与冷却水管道和发动机排气管紧密贴合，从而产生温差，其中导热硅脂的厚度与热电偶探测片2的厚度近似相同。

[0022] 如图2所示，热电偶探测片2中及热电偶卡槽1中的电路构成热电偶组电路，热电偶卡槽1中含有测温电压计和环形天线组成的电路，热电偶探测片2中含有热电偶工作端电路，两电路通过补偿导线接触形成闭合回路进行测温。

[0023] 工作时，热电偶探测片2一端置于若干温差发电片4之间，另一端嵌入热电偶卡槽1之中。如图3所示，热电偶探测片2与热电偶卡槽1之间的接口为卡槽接口，卡槽接口宽度a＝5mm，高度b＝0.9mm；热电偶卡槽1中的环形天线，用于接收不同热电偶探测片2采集的温度信号，并将其发送给MPPT转换器5中的环形天线。MPPT转换器5中的环形天线将温度信号传输给MPPT转换器5中的飞思卡尔MC9S12XS128单片机，供后续计算和控制，如图4所示。

[0024] MPPT转换器5输入端与温差发电片4直接相连，经过变压后输出最大功率点电压Vmppt到负载6，飞思卡尔MC9S12XS128单片机采用新型开路电压法来实现最大功率点的跟踪。根据已有的研究结果，无论源电压是否变化以及温差发电片的内阻是否等于负载电阻，最大功率点电压总是等于开路电压的二分之一。因此假设温差发电片4串联后输出的开路电压为VOC，温差发电片4热端面温度为Th，温差发电片4冷端面温度为TC，根据以下公式可求得最大功率点电压：

[0025] VOC＝S(Th-TC) (1)

[0026]

[0027] 其中，S为塞贝克系数；飞思卡尔MC9S12XS128单片机接收到热电偶卡槽1发送的温度信号后，根据公式(1)、(2)计算出Vmppt，通过比较当前电压信号和Vmppt信号得出升压逆变器开关Q的占空比信号，并将占空比信号发送给升压逆变器，从而避免了周期性地断开电路以测量开路电压。

[0028] 本实施例中，当汽车发动机启动时，布置于排气管和冷却水管道之间的温差发电片4产生电压并输送到MPPT转换器5。与此同时，热电偶探测片2与热电偶卡槽1组成的热电偶组采集温度信号并传输给MPPT转换器5，MPPT转换器5中的飞思卡尔MC9S12XS128单片机根据温度信号计算Vmppt，并与当前电压进行比较。若当前电压等于Vmppt，则占空比信号保持不变，输入电压直接输出给负载；若当前电压不等于Vmppt，改变占空比信号，并将占空比信号传输给升压逆变器开关Q。升压逆变器的开关Q由飞思卡尔MC9S12XS128单片机发送的占空比信号驱动，将输入电压转换为最大功率点电压，并输出给负载6，具体控制示意如图5所示。

[0029] 以上依据模型实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果。以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以模型所示限定实施范围。凡是依照本发明的构想所做的改变，或者修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。

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