development of a 500 watt high temperature … · development of a 500 watt high temperature...

20
Development of a 500 Watt High Development of a 500 Watt High Temperature Thermoelectric Temperature Thermoelectric Generator Generator S. Ayres, L. Bell, D. Crane, J. LaGrandeur 5, August, 2009 BSST Proprietary and Confidential

Upload: truongkiet

Post on 07-May-2018

218 views

Category:

Documents


3 download

TRANSCRIPT

Development of a 500 Watt High Development of a 500 Watt High  Temperature Thermoelectric Temperature Thermoelectric 

GeneratorGenerator

S. Ayres, L. Bell, D. Crane, J. LaGrandeur

5, August, 2009

BSST Proprietary and Confidential

Waste Heat Recovery SystemsWaste Heat Recovery SystemsGlobal CO2 

emission reduction goals requires greater fuel 

economy while customers want more auxiliary features that 

consume electrical energy.

Most near term CO2 

reduction opportunities have been already 

identified and scheduled for introduction. 

Demand for comfort and features requires sources of electric power 

that do not degrade performance or reduce fuel economy.

A growing percentage of customers are demanding greener vehicles.

Waste heat is an untapped source for electric power that could 

reduce CO2  

3% ‐

7% near term and 5% ‐

10% longer term under 

typical driving conditions.

To address these challenges the US DOE started programs with four 

companies in Q4 2004. BSST is leading a team including BMW, Ford

Motor Company and Visteon.

25 August, 2009 Deer 2009

BSST Waste Heat Recovery Program BSST Waste Heat Recovery Program  OverviewOverview

The program is organized into 5 development phases:

Phase 1

(Q3 04 thru Q2 05) A system architecture was created and 

bumper to bumper model created using ADVISOR. Initial system 

FE savings were shown to reach 12%

Phase 2

(Q3 05 thru Q4 06) Key subsystems (Primary Exhaust Gas 

Heat Exchanger, Thermoelectric Generator Module TGM), Power 

Conversion Electronics) were built and tested. BMW converted the

bumper to bumper model to a Gamma Technologies modeling 

platform

35 August, 2009 Deer 2009

BSST Waste Heat Recovery Program BSST Waste Heat Recovery Program  OverviewOverview

Phase 3

(Q1 07 thru Q3 08) Low and high temp TEGs were built 

and tested with other key subsystems:

A BiTe TGM was built and tested demonstrating > 500 watts 

electrical power output. 

A high temperature TEG was built and tested in Q4 2008 showing 

greater than 100 watts of power

The Waste Heat Recovery System was operated on a test bench 

using a hot air in Q3 2008

The single layer high temp TEG was installed on a single cylinder 

engine  at Ford and tested on an engine dyno in Q4 2008

Phase 4

(Q4 2008 – Q3 2009) A 500 watt high temperature TEG 

will be integrated and tested with BMW’s in line 6 cylinder engine 

on an engine dynamometer at the NREL Federal Laboratory

Phase 5

(Q3 2009‐Q4 2009)  Integration into vehicles at BMW and 

Ford45 August, 2009 Deer 2009

Estimated Fuel Economy BenefitsEstimated Fuel Economy Benefits

CycleAve. Cycle Power

(W)% FE Increase

Highway 348 1.5

City 91 1.2

5

0

1

2

3

4

5

6

Red

uction

 in fuel con

sumption (%

)

after flange, without exhaust system insulation

after flange, with exhaust system insulation

pre‐tube, with exhaust system insulation

BMW 3l turbocharged 5 passenger sedan. ZT average

= 0.85

Ford 2.5l Hybrid SUV

To minimize exhaust back pressure, the flow was limited to 40 g/s

Additional performance gains can be realized with advanced materials and better system optimization

5 August, 2009 Deer 2009

6

BSST TE EngineBSST TE Engine

BSST stack design allows:Optimum compressive loads for thermal and 

electrical interfaces

Tailored n and p type element geometries for 

highest efficiency

TE material reduction of 75% or more

5 August, 2009 Deer 2009

Phase 3Phase 3 Low Temp 500W TEGLow Temp 500W TEG

n-type Bi2Te3n-type Bi2Te3

160 mm

TE Circuit (Bi2Te3 subassemblies)

160 mm160 mm

TE Circuit (Bi2Te3 subassemblies)

500W Generator (Delta T = 207°C)

0

100

200

300

400

500

600

0 5 10 15 20 25 30 35 40Current (Amps)

Pow

er (W

atts

)

0

10

20

30

40

50

60

Vol

tage

(V)

PowerV-I

5 Sept 2007

160 mm

75 August, 2009 Deer 2009

High Temperature TEG Design SummaryHigh Temperature TEG Design Summary

Hot side heat exchanger redesigned for 5000C  exhaust gas (BiTe TEG used liquid heat 

exchangers with 2000C oil)

Three different TE subassemblies designed to  match exhaust gas temperature gradient in the 

direction of flow to provide maximum TE material  performance

TEG thermal and electrical interfaces modified to  withstand high temperature environment

85 August, 2009 Deer 2009

9

100 Watt High Temperature TEG100 Watt High Temperature TEG

Counter flow 

design

Three 

configurations of 

TE subassemblies 

designed to 

match the 

temperature 

gradient in the 

heat exchanger 

for maximum TE 

performance

TE Bank 1High Temp

TE Bank 2Medium Temp

TE Bank 3Low Temp

Gas flow Coolant flow

5 August, 2009 Deer 2009

Prototype Heat ExchangersPrototype Heat ExchangersHot side:

Stainless steel brazed 

construction with wavy fin

Diamond surface coating 

for electrical isolation

Cold side:

Lytron off the shelf 

aluminum cold plate

Surface finish: clear 

anodized for electrical 

isolation

105 August, 2009 Deer 2009

Subscale High Temp TEG TestSubscale High Temp TEG Test

11

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

80.0

90.0

100.0

110.0

120.0

130.0

140.0

0 5 10 15 20 25 30 35 40

power (W

)

current (A)

High Temperature Segmented TEG Single  Layer Tests(water inlet temperature = 25C, water flow = 10 lpm, air flow = 45 cfm)

(surrounding environment  ‐‐ air < = 300C, argon > 300C)

air inlet temp = 100C

air inlet temp = 150C

air inlet temp = 200C

air inlet temp = 230C

air inlet temp = 250C

air inlet temp = 300C

air inlet temp = 350C

air inlet temp = 400C

air inlet temp = 450C

air inlet temp = 500C

air inlet temp = 550C

air inlet temp = 600C

High Temp. TEG Installation Engine Installed in Dyno

Test results for single layer high temp TEG

5 August, 2009 Deer 2009

Phase 4 Full Scale TEGPhase 4 Full Scale TEG

12

TEG redesigned to cylindrical configuration to improve packaging and reduce thermal stresses

Exhaust bypass integrated through center of heat exchanger

Allows for greater output with single gas & coolant connections

5 August, 2009 Deer 2009

TEG CrossTEG Cross‐‐Sectional ViewSectional View

135 August, 2009 Deer 2009

Exhaust Flow ControlExhaust Flow Control

•Under normal operation, valve is closed 

and exhaust gas flows through the heat 

exchanger assembly

•At very high mass flow rates, high 

exhaust gas temperatures and under 

high coolant heat flux loads, some or all 

of the exhaust gas flows through the 

central bypass region valve in exhaust 

streams

•Valve can have proportional control to 

optimize system performance.  Flow 

between the two regions is selected 

based on data processed by TEG and 

engine control systems

145 August, 2009 Deer 2009

Hot Side Shunt DesignHot Side Shunt Design•

Continuous ring hot side shunt 

assembly has groups of TE 

elements in parallel.  Each ring 

produces high current, low 

voltage.  Generally 10‐20 rings are 

connected electrically in series

Electrically isolated ring segments 

(with gaps) operate at higher 

voltage and lower current.  Entire 

array of segments can be 

connected electrically in series

With either arrangement TE 

elements are in a series parallel 

arrangement, significantly 

increasing reliability and design 

robustness165 August, 2009 Deer 2009

Cold Side DesignCold Side DesignCold side heat exchanger is tube‐in‐

tube design, with thermally 

conductive grease between tubesAllows relative movement 

between inner and outer tubes

Provides low interfacial thermal 

resistance between tubes 

without any applied radial 

forces

Inner tube is constructed of 

high thermal conductivity, 

electrically insulating material 

such as alumina or  anodized 

aluminum

Flexure transmits electric current 

with low interfacial losses175 August, 2009 Deer 2009

Phase 4 TEGPhase 4 TEG

•Cylindrical TEG  currently under 

construction

•Will be tested on 

bench at BSST, then 

shipped to NREL for 

testing with BMW 

inline 6 cylinder engine 

on dyno

185 August, 2009 Deer 2009

Additional Aspects of New TEG DesignAdditional Aspects of New TEG Design•Cold side tubes connected to cold shunts with grease, 

but without the need for additional thermal  compression

•CTE mismatch and TE element compression in the  electrical flow direction handled by having a split cold 

shunt

•Coating applied to the hot side heat exchanger to  provide thermally conductive electrical insulation

•Different electrical circuits introduced for each bank•Hot side fin material is SST clad copper

195 August, 2009 Deer 2009

Summary and Further WorkSummary and Further Work

A low temperature TEG has been built and tested  providing over 500 watts electric power at a ∆T of  2000C

A subscale single layer high temperature TEG has  been built and tested on bench and engine dyno

A new design cylindrical TEG is currently being  assembled for testing to begin in Q3

A low temperature TEG has been tested on a  diesel engine producing 88W in vehicle. 

205 August, 2009 Deer 2009

AcknowledgementsAcknowledgements

John Fairbanks and the US DOE Office of Vehicle  Technologies (OVT)

Aaron Yokum

and Carl Maronde

of the DOE NETL

Andreas Eder and Boris Mazar

of BMW

Steve Newton of Visteon

Clay Maranville

of Ford

215 August, 2009 Deer 2009