基于光伏充电的高效热电散热系统研究

　　摘要：针对大功率光学器件和设备的热严重影响其稳定性、性能和使用寿命的问题，提出了一种基于能量回馈的智能高效热电散热系统。利用基于改进的增量式比例积分微分(PID)算法快速实现高精度温度控制，通过能量回收机制实现热电制冷器(TEC)制冷效率的提升。采用光伏充电为主、电源充电为辅的电源管理策略，通过上位机监测与控制实现对两组蓄电池的高效充放电切换。同时，利用 Python+PyQt5为散热系统搭建可视化图形操作界面。研究表明，设计的实验系统实现了对 TEC 器件的电路信息监测与温度高效控制，可为解决大功率光学器件和系统的散热问题提供参考。

　　关键词：能量反馈;能量管理系统;改进 PID算法;温控系统;热电制冷;半导体制冷中图分类号： TB 61 文献标志码： A

　　引言

　　隨着现代电子工业的发展，器件性能的持续提升造成较大的功耗，例如大功率LED 芯片和大功率激光器等[1-3]。然而，功耗的上升不仅引起不可忽略的散热问题，也容易降低器件的性能和寿命[4-5]。

　　传统的器件散热手段有自然冷却、风冷和水冷等[1]，但容易产生噪声、机械损耗、环境污染等问题。而基于帕尔帖效应的半导体制冷器(TEC)相较于传统散热制冷手段，有着无噪声、无机械振动和无环境污染等优点，在器件散热应用上有着巨大的优势。在一些特殊的应用领域，如航空航天、工业电子和医疗装备等，半导体制冷器相比传统制冷器，更有着其不可取代的独特优势与应用价值[6-9]。

　　近年来，随着对半导体制冷器的材料与结构研究的深入，制冷效率已得到一定程度的改进[10-12]，并且随着人们对制冷器环保、无噪声污染的需求重视，市面上出现了一批基于半导体制冷器的降温设备[13-18]，半导体制冷器的商用已经逐步得到市场认可。但是，相较于传统的压缩机型制冷设备， TEC 在制冷效率方面依然有较大劣势，严重制约了 TEC 的发展和应用[19-19]。

　　本文提出了一种基于光伏充电的高效热电散热系统，通过上位机智能控制使太阳能光伏电池和蓄电池两组电池产生交替充电模式，同时对传统比例积分微分(PID)控制的过充和调控时间过长等问题进行算法改进，在保证 TEC散热的前提下最大化地减少电能损耗。

　　1 系统方案设计

　　1.1 系统框图

　　系统框图如图1所示，由三部分构成：光伏充电切换，温度控制，能量反馈与利用。其中电源部分的监测与切换、温度控制部分的温度获取与电流控制、能量回馈部分的开关控制均由上位机Raspberrypi 4B 通过传感器和控制信号实现。

　　1.2 光伏充电切换设计

　　在航空等特定领域中，为大功率电子设备散热的 TEC 器件的供能可以从周围环境中获取。本文设计了两种充电方案，光伏发电与传统电源供电，并且配置双电源(保持一组充电一组放电)。通过电流监测芯片对两组蓄电池的充放电情况进行监控，智能切换充放电电池组与充电方式。图2为控制电路简图，通过对6组数控继电器实现充电方式与充放电电池组切换的上位机控制。表1为各个状态对应的上位机数字信号输出。

　　另外采用电路监控芯片对电流和功率进行监测。设监测周期为 T，放电组 n 个周期内的测量电流为 I1， I2， I3， …， In(mA)，充电组为 i1， i2， i3， …， in(mA)。电池在 n 次循环中充放电的大小分别为：

　　在開关电源过程中，上位机的电源开关指令是通过输出高低电平对继电器实现控制。充电部分由普通电源充电和太阳能板充电两部分组成。后者需要一个升压电路和一个充电保护电路来辅助电池的正常充电。

　　两组蓄电池的充电都需要充电保护与升压，本文在系统中采用 ADP5091芯片来提供管理。 ADP5091可提供智能集成式能量采集，可转换来自 PV 电池或热电发生器(TEG)的直流电源。该器件可对储能元件(如可充电锂电池、薄膜电池、超级电容和传统电容)进行充电，并对小型电子设备和无电池系统上电[20]。图 3为该芯片外围电路的印刷电路板(PCB)电路图，通过该能量回收芯片实现5 V 的稳定电压输出，从而可对蓄电池进行安全充电。

　　1.3 改进 PID 算法与控制电路

　　本文提出的散热控温系统采用增量式 PID 算法进行温度控制，维持器件温度的稳定。增量式 PID 算法为

　　式中：Kp、T、TI 、TD 分别为比例系数、调节周期，积分调节周期、微分调节周期; ek 、ek?1、 ek?2分别是第 k个误差、第 k?1个误差和第 k?2个误差。

　　热介质的导热性的存在使得热传导具有滞后和惯性的特点。通常， PID 反馈调节直接应用于 TEC 的温度控制时，会存在调节时间长(震荡)，温度波动大(过冲)等问题。本文基于 PID 算法提出一种多段式 PID 控制算法，在一定程度上克服了传统 PID 算法所引起的震荡与过冲问题。

　　本文算法的流程如图 4所示。设置三个特殊温差，以Tf、Tc 、Ts(其中Tf>Tc >Ts)分别表示第一段调节判断的温差阈值、第二段调节判断的温差阈值、控制停止判断的温差阈值。当给定温度与设定温度的差值大于Tf时，系统被判定此时温度严重偏离设定温度。随后将电流调整到其最大值，使 TEC 工作在最大功率状态，此时测试点的温度急剧下降。当给定温度和设定温度的差值小于Tf大于 Tc 时，判断系统处于第二段控制阶段，并设置最大脉宽调制(PWM)输出的较大值作为缓冲器，此时测点的温度逐渐向目标温度调整。当给定温度小于 Tc 大于 Ts 时，系统的温度接近于目标温度，根据 Ts 的值将 PWM 最大值设定到一个合适的区间来调整 PID 反馈。对测点温度进行微调后，温度在目标温度上下浮动，并逐渐向目标温度推进。在连续的调节周期中，当温差小于 Ts 时，系统判定此时在目标温度下是稳定的，从而停止调节。

　　在每个控制周期内，上位机通过算法计算出 PWM 信号，通过 H桥电路控制 TEC 的电流和方向。图5为系统的 H桥控制电路， PWM 信号连接至 PWM_COOL 端口，通过控制 Q1、Q4或 Q2、Q3的通断来实现 TEC 的电流控制。具体信号的输入端口视 TEC 连接方式而定。

　　1.4 能量回馈方案设计

　　1.4.1 系统原理

　　系统通过输出不同占空比的 PWM 波来控制 H 桥电路的通断。在 TEC 处于空载状态时，

　　通过能量反馈电路收集反向的塞贝克电压。在该状态下的每一个周期中，利用 TEC 两端的温差(图6灰色部分)作为热电发电机( TEG)来发电和收集电能。

　　作为半导体热泵， TEC 负载时，两端施加的电压( V )应等于施加的正向电压(VR)减去反向塞贝克电压( VS)，即

　　式中：Snp为Seebeck系数;Th为热端温度; Tl为冷端温度。施加的正向电流会使 TEC 两侧表面产生温差，即ΔT=Th?Tl，根据帕尔贴效应，从冷端到热端传递的热量为πnpI(πnp 为帕尔贴系数， I 为电流)。由于 TEC 两端的温差，热量从热端转移到冷端，假设设备的总热导率为 K，则产生的热回流为 KΔT。此外，由于器件有内阻，也会产生相应的焦耳热，并均匀地传递到器件的冷端和热端。如果器件的内阻为 R，则单位时间内流入热端的热量为 I2R/2。将制冷装置认为是一个理想的封闭的绝热系统，则冷端热平衡式可以表示为

　　由此可得循环制冷效率

　　式中： Qc 为单位时间内 TEC 吸收的热量; P 为单位时间内输入的电能。在能量反馈的 TEC 制冷系统中，假设周期为 T=a+b，其中 a 、b 分别为TEC 加载和空载时间。其循环制冷效率定义为

　　式中： Qc 为冷端吸热;Qg为热端回热; Pc 为输入功率; Pg 为回收功率。其中：

　　式中： R1为负载电阻; I'为 TEC 在空载状态下反向塞贝克电流。

　　结合式(5)、(6)、(7)可得

　　式(7)和式(11)表明，协同能量反馈可以通过调控系统占空比的值进行调整。在一定范围内，输出的 PWM 信号占空比越高，则通过 TEC 的电流越大。这说明在空载时， TEC 的温差较大，但回收塞贝克电流的时间也较短。

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文章名称： 基于光伏充电的高效热电散热系统研究

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