車用熱電廢熱回收技術

刊登日期:2015/4/5
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就汽車能源轉換結構來看,汽車引擎動力所用的能量小於輸入燃油能源的 20%,大於 60%的能源成為損失而以廢熱形式排出,汽車廢能源再生的利用對於汽車能源應用非常重要。圖二是車輛能源分布,說明車輛中各部分的能源應用及損耗比例,其中以引擎的排氣廢熱損耗最高,在高速公路模式下動力輸出較市區模式高而廢熱排放也相對較高。目前這些損耗能源的再利用受到重視,包括剎車能源回收及引擎進氣溫度提升(EGR)等方式都已積極應用於汽車能源再生,但回收比例還很低,因此引擎廢熱利用熱電技術直接發電的應用對於汽車能源再生非常重要。

國際車用熱電技術發展
美國 Hi -Z公司是最早成功將熱電發電模組應用於汽車廢熱回收的公司,利用 Bi2Te3 的塊材元件,應用於重型柴油引擎,發電量可達 1 kW。各大車廠和研究單位或 TEG模組廠商合作,投入相當多的資源進行研究,美國是由 DOE及NSF共同支持計畫開發,包括以 GM、Ford以及 NASA為首的三個技術團隊,結合 Michigan State University、MIT 及 RTI、ORNL 等研究單位。在材料、模組及系統應用等技術上開發較早,且有顯著成果。BMW則和熱電模組廠商 BSST公司合作,第一代系統採橫向 Y型模組,發電量達 300W,GENTHERM公司利用橫向Y型模組開發出新一代圓形排氣管系統,利用 Y型熱電模組安裝於圓形排氣管上並結合可降低溫度之旁通設計,發電量可達 500~700W,並與 BMW及 Ford 等廠商合作系統應用,如圖三所示。

車用熱電模組封裝技術
車用熱電模組設計的重點是功率輸出、價格及熱應力問題。熱交換器結構位於熱電模組兩端,分成接近排氣管的熱端及模組背面的冷端,熱端設計重點在如何由排氣管中擷取熱量,是系統設計的核心,冷端熱交換器則須將熱電模組冷端的熱帶走。車用熱電模組的理想效率在 ZT = 1,模組低溫端 100˚C/高溫端 500˚C時,約可達13%。


圖五、熱電系統構裝應用設計

工研院電光所發展熱電力耦合分析技術開發熱電模組熱電力設計平台,如圖七所示,可大幅縮短設計時間,提升設計效率。無上基板的模組可將上方基板 CTE所造成的應力問題大幅降低。


圖七、熱電模組結構設計分析

除了設計之外,熱電材料的組裝也是重點,由於傳統電子元件之無鉛焊料耐熱溫度有限,對於需更高溫操作的熱電元件,在接合方式上就需要採用其他耐高溫焊料,一般採用硬焊(Brazing)或燒結(Sintering)等方式……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

作者:劉君愷、陳堯舜、戴明吉、韓偉國、廖莉菱 / 工研院電光所
★本文節錄自「工業材料雜誌340期」,更多資料請見下方附檔。


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