当前,传统内燃机汽车的市场份额仍然远远高于新能源汽车,导致汽车燃油消耗占据着国内石油消耗总量的较大比重,因此汽车领域成为国家缓解能源压力和实现“碳达峰、碳中和”战略的关键领域之一。基于半导体塞贝克效应的温差发电系统可将汽车尾气废热能直接转化为电能,且具有无运动部件、寿命长和重量轻等优点,是实现尾气能量回收和减少汽车燃油消耗的有效途径。但限制其推广应用的关键问题之一是热端换热器沿尾气流动方向的温度分布不均导致的温差发电系统输出功率低下。因此,本文提出了一种新型的分段渐缩式热端换热器及其结构优化方法,旨在切实提高温差发电系统的输出性能。本文的主要研究内容如下:首先,介绍了温差发电技术的基本原理以及影响其热电转化能力的重要因素,基于温差发电系统的结构组成和材料属性,建立了一种考虑尾气流动和热电材料温度依变性的流热电多物理场数学模型,并构建了温差发电系统的输出性能评价指标。其次,提出了分段渐缩式热端换热器的结构优化方案,以各区域的渐缩角为优化变量,以沿尾气流动方向各区域温差发电片的两端温差接近相等为优化目标,利用数学模型求解得到优化结果。进而分析了分段渐缩式热端换热器对提高系统输出性能的有效性,研究了尾气参数变化对热端换热器分段渐缩结构的影响。然后,以传统平板式温差发电系统为比较对象,分析了分段渐缩式温差发电系统的输出响应特性,包括尾气温度和流量变化对系统各区域温度分布与输出性能的影响。此外,对比了分段渐缩式与传统平板式热端换热器引起的排气背压功率损失,研究了分段渐缩式温差发电系统输出性能对最优渐缩角发生偏离的敏感性。最后,为了验证流热电多物理场数学模型的准确性,搭建了传统平板式温差发电系统试验台架,将试验得到的系统输出结果与模型结果进行对比,验证了两者的一致性。此外,搭建渐缩式温差发电系统试验台架,比较了渐缩式与平板式温差发电系统的输出功率,验证了渐缩结构设计对提高系统输出性能的有效性。理论分析与试验研究表明:（1）分段渐缩式热端换热器可以有效提高温差发电系统的输出性能,在尾气温度和流量分别为500 K和20 g/s的条件下,各区域的最优渐缩角分别为0°、2°、1°和1.8°,相较于平板式温差发电系统,输出功率提高12.5%;（2）分段渐缩式换热器可引起更低的背压功率损失,当尾气流量为20 g/s时,相较于平板式换热器,背压功率损失降低14.8%;（3）与试验结果相比,模型输出功率的最大误差仅为3.8%,且渐缩式温差发电系统的输出功率明显高于平板式温差发电系统。