內燃機技術發(fā)展的核心目標之一是提高內燃機熱效率，從下圖汽油機的能量流可以看出，燃料產(chǎn)生的能量中通過冷卻系統(tǒng)帶走的占30%，摩擦損失占到了5%，尾氣帶走的熱量高達40%左右，而且排氣溫度高達700-900°C，如果能充分回收利用排氣能量，將有助于改善燃油經(jīng)濟性，節(jié)約石油資源，減少溫室氣體排放，帶來巨大的社會效率和經(jīng)濟效益。

目前，國內外主要利用朗肯循環(huán)、布雷頓循環(huán)、溫差發(fā)電等技術對內然機余熱能量進行回收。其中，溫差發(fā)電技術可以對內燃機排氣余熱進行有效回收，利用兩種不同材質的金屬或半導體材料的熱電效應，將熱能直接轉換為電能，具有無轉動部件、體積小、壽命長、環(huán)境友好等特點，可滿足汽車朝電氣化方向發(fā)展的需求。因此，本文主要介紹溫差發(fā)電技術的基本原理、結構以及在汽車上的應用。

1. 溫差發(fā)電基本原理

將兩種不同材質的金屬導線連接在一起，組成一個閉環(huán)回路，當加熱導線連接處其中一個節(jié)點時，回路中會產(chǎn)生電流；如果將任意兩種金屬或半導體的一端結合在一起，另一端保持開路狀態(tài)，當兩端存在溫差時，則開路端產(chǎn)生電動勢，這種效應稱為塞貝克效應。溫差發(fā)電就是基于溫差發(fā)電材料的塞貝爾克效應，實現(xiàn)熱能到電能的直接轉化。

熱電材料可分為兩類，一類是以空穴遷移為主的P型熱電材料，另一類是以電子遷移為主的N型熱電材料。將兩種不同的導體或半導體材料相連形成一個PN節(jié)，置于高溫環(huán)境，另一端置于低溫環(huán)境，在熱的激發(fā)作用下，P（N）型材料高溫端空穴（電子）濃度高于低溫端，因此，在濃度梯度的驅動下，空穴和電子流開始向低溫端擴散，從而形成電動勢。單個PN節(jié)產(chǎn)生的電動勢很低，因此，實際應用中通常將多個PN節(jié)串聯(lián)成起來，其形成的電壓可以逐步累加，最終產(chǎn)生較高的電壓，如下圖所示。

2. 溫差發(fā)電熱電材料

性能優(yōu)異的溫差發(fā)電材料必須有較大的塞貝爾克系統(tǒng)，從而保證較好的溫差熱電效應；此外，還應該有較小的導熱系統(tǒng)，以使熱量保持在接頭附近；同時還需要較小的電阻，從而使產(chǎn)生的焦耳熱最小。一般用溫差發(fā)電轉換的優(yōu)值系數(shù)ZT來描述溫差發(fā)電材料的溫差發(fā)電性能。目前溫差發(fā)電材料類型眾多，按照工作溫度可以劃分為低、中、高溫溫差發(fā)電材料，如下表所示。不同種類的熱電材料在發(fā)動機排氣管上的最佳布置位置不同。

現(xiàn)階段的熱電材料的ZT值約為1.0左右，采用納米技術的熱電材料其ZT值已經(jīng)達到了2.4左右。下圖給出了在熱源溫度為500 °C，冷源溫度為30 °C的工況下，不同ZT值的溫差發(fā)電與卡諾熱機效率的比值，可以，ZT值達到3左右，熱電效率即可達到同溫差下卡諾循環(huán)效率的50%。因此，熱電材料技術還有待進一步發(fā)展。

3. 溫差發(fā)電裝置結構

溫差發(fā)電裝置結構由廢氣通道（熱端）、冷卻通道（冷端）、溫差發(fā)電模塊組以及夾緊設備組成，如下圖所示。溫差發(fā)電模塊組布置在廢氣通道和冷卻通道之間，利用溫差發(fā)電模塊兩端溫度差發(fā)電。發(fā)動機排出的高溫廢氣流經(jīng)溫差發(fā)電裝置內部的廢氣通道后，通過對流換熱等傳熱方式加熱熱端氣箱，使氣箱表面達到一定的工作溫度，布置在熱端氣箱表面的溫差發(fā)電模塊組另一端由于冷卻通道的降溫作用，溫度較低，從而在溫差發(fā)電模塊組兩端形成溫度差，提供電力輸出，在溫差發(fā)電模塊工作溫度范圍內，兩端溫度差越大，溫度場越均勻，其輸出功率越大。

目前汽車發(fā)動機尾氣余熱溫差發(fā)電系統(tǒng)主要由發(fā)動機、溫差發(fā)電裝置、循環(huán)冷卻組件、外部電路、管理系統(tǒng)以及電力存儲系統(tǒng)等組成，如下圖所示。整體上尾氣能量品位沿流動方向逐漸降低，三元催化轉化器出口位置尾氣溫度較高，是比較理想的布置位置之一，但三元催化器出口處尾氣溫度經(jīng)常超過800 °C，而目前的車用溫差發(fā)電模塊最高工作溫度一般不超過750 °C，為了充分利用尾氣余熱和保持溫度發(fā)電模塊正常高效工作，通常將溫差發(fā)電模塊布置在中間消聲器前端，即在三元催化轉化器和一級消聲器之間。

在實際應用方面，大眾汽車于2009年宣布開發(fā)出了裝有溫差發(fā)電裝置的原型汽車，高速公路工況下其熱電模塊可輸出600 W的功率，可滿足整車電氣需求量的30%，并可減少超過5%的燃料消耗量。BWM與通用汽車聯(lián)合開發(fā)的溫差發(fā)電系統(tǒng)，已在雪佛蘭混合動力車型上進行了5萬公里的實車測試試驗，試驗表明可節(jié)省燃油達10%。

4. 總結

目前國外已經(jīng)在汽車整車上對溫差發(fā)電系統(tǒng)進行了測試和應用，并取得了良好的效果，標志著溫差發(fā)電技術的研究已經(jīng)走向了實用化的方向。但在溫差熱電材料、溫差發(fā)電組件的優(yōu)化設計方面還需深入研究，以進一步提升溫差發(fā)電裝置的性能。