基于光伏充電的高效熱電散熱系統(tǒng)研究

劉周曉　劉張妙歌　王寧

摘要：針對大功率光學器件和設備的熱嚴重影響其穩(wěn)定性、性能和使用壽命的問題，提出了一種基于能量回饋的智能高效熱電散熱系統(tǒng)。利用基于改進的增量式比例積分微分（PID）算法快速實現(xiàn)高精度溫度控制，通過能量回收機制實現(xiàn)熱電制冷器（TEC）制冷效率的提升。采用光伏充電為主、電源充電為輔的電源管理策略，通過上位機監(jiān)測與控制實現(xiàn)對兩組蓄電池的高效充放電切換。同時，利用 Python+PyQt5為散熱系統(tǒng)搭建可視化圖形操作界面。研究表明，設計的實驗系統(tǒng)實現(xiàn)了對 TEC 器件的電路信息監(jiān)測與溫度高效控制，可為解決大功率光學器件和系統(tǒng)的散熱問題提供參考。

關鍵詞：能量反饋;能量管理系統(tǒng);改進 PID算法;溫控系統(tǒng);熱電制冷;半導體制冷中圖分類號： TB 61 文獻標志碼： A

High efficiency thermoelectric refrigeration system based on energy feedback

LIU Zhouxiao，LIU Zhangmiaoge，WANG Ning

（School of Optical-Electrical and Computer Engineering， University of Shanghai forScience and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract： Aiming? at the problem that the heat? of high-power? optical? devices? and? equipment seriously? affects? their? stability，? performance? and? service? life，? an? intelligent? and? efficient thermoelectric cooling? system based on energy feedback is proposed. Based on high precision temperature control realized by the improved incremental proportional integral differential （PID） algorithm， energy recovery mechanism isused to promote the efficiency ofthe thermoelectric cooler （TEC） refrigeration. Photovoltaic （PV） power management strategy is used through PC monitoring and control of the two groups of efficient storage battery charging and discharging switch. At the same time， Python+PyQt5 is used to build a visual operation graphical interface. The results show that an experimental system for circuit information monitoring and temperature efficient control of TEC device is designed and realized. This study is expected to provide a feasible cooling schemefor high-power optical devices and systems.

Keywords：? energy? feedback; energy? management? system; improved? PID? algorithm; temperature control system;thermoelectric refrigeration;semiconductor refrigeration

引言

隨著現(xiàn)代電子工業(yè)的發(fā)展，器件性能的持續(xù)提升造成較大的功耗，例如大功率LED 芯片和大功率激光器等[1-3]。然而，功耗的上升不僅引起不可忽略的散熱問題，也容易降低器件的性能和壽命[4-5]。

傳統(tǒng)的器件散熱手段有自然冷卻、風冷和水冷等[1]，但容易產(chǎn)生噪聲、機械損耗、環(huán)境污染等問題。而基于帕爾帖效應的半導體制冷器（TEC）相較于傳統(tǒng)散熱制冷手段，有著無噪聲、無機械振動和無環(huán)境污染等優(yōu)點，在器件散熱應用上有著巨大的優(yōu)勢。在一些特殊的應用領域，如航空航天、工業(yè)電子和醫(yī)療裝備等，半導體制冷器相比傳統(tǒng)制冷器，更有著其不可取代的獨特優(yōu)勢與應用價值[6-9]。

近年來，隨著對半導體制冷器的材料與結構研究的深入，制冷效率已得到一定程度的改進[10-12]，并且隨著人們對制冷器環(huán)保、無噪聲污染的需求重視，市面上出現(xiàn)了一批基于半導體制冷器的降溫設備[13-18]，半導體制冷器的商用已經(jīng)逐步得到市場認可。但是，相較于傳統(tǒng)的壓縮機型制冷設備， TEC 在制冷效率方面依然有較大劣勢，嚴重制約了 TEC 的發(fā)展和應用[19-19]。

本文提出了一種基于光伏充電的高效熱電散熱系統(tǒng)，通過上位機智能控制使太陽能光伏電池和蓄電池兩組電池產(chǎn)生交替充電模式，同時對傳統(tǒng)比例積分微分（PID）控制的過充和調(diào)控時間過長等問題進行算法改進，在保證 TEC散熱的前提下最大化地減少電能損耗。F895A405-FC69-4B0B-B094-57CC025A5827

1 系統(tǒng)方案設計

1.1 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)框圖如圖1所示，由三部分構成：光伏充電切換，溫度控制，能量反饋與利用。其中電源部分的監(jiān)測與切換、溫度控制部分的溫度獲取與電流控制、能量回饋部分的開關控制均由上位機Raspberrypi 4B 通過傳感器和控制信號實現(xiàn)。

1.2 光伏充電切換設計

在航空等特定領域中，為大功率電子設備散熱的 TEC 器件的供能可以從周圍環(huán)境中獲取。本文設計了兩種充電方案，光伏發(fā)電與傳統(tǒng)電源供電，并且配置雙電源（保持一組充電一組放電）。通過電流監(jiān)測芯片對兩組蓄電池的充放電情況進行監(jiān)控，智能切換充放電電池組與充電方式。圖2為控制電路簡圖，通過對6組數(shù)控繼電器實現(xiàn)充電方式與充放電電池組切換的上位機控制。表1為各個狀態(tài)對應的上位機數(shù)字信號輸出。

另外采用電路監(jiān)控芯片對電流和功率進行監(jiān)測。設監(jiān)測周期為 T，放電組 n 個周期內(nèi)的測量電流為 I1， I2， I3， …， In（mA），充電組為 i1， i2， i3， …， in（mA）。電池在 n 次循環(huán)中充放電的大小分別為：

在開關電源過程中，上位機的電源開關指令是通過輸出高低電平對繼電器實現(xiàn)控制。充電部分由普通電源充電和太陽能板充電兩部分組成。后者需要一個升壓電路和一個充電保護電路來輔助電池的正常充電。

兩組蓄電池的充電都需要充電保護與升壓，本文在系統(tǒng)中采用 ADP5091芯片來提供管理。 ADP5091可提供智能集成式能量采集，可轉(zhuǎn)換來自 PV 電池或熱電發(fā)生器（TEG）的直流電源。該器件可對儲能元件（如可充電鋰電池、薄膜電池、超級電容和傳統(tǒng)電容）進行充電，并對小型電子設備和無電池系統(tǒng)上電[20]。圖 3為該芯片外圍電路的印刷電路板（PCB）電路圖，通過該能量回收芯片實現(xiàn)5 V 的穩(wěn)定電壓輸出，從而可對蓄電池進行安全充電。

1.3 改進 PID 算法與控制電路

本文提出的散熱控溫系統(tǒng)采用增量式 PID 算法進行溫度控制，維持器件溫度的穩(wěn)定。增量式 PID 算法為

式中：Kp、T、TI 、TD 分別為比例系數(shù)、調(diào)節(jié)周期，積分調(diào)節(jié)周期、微分調(diào)節(jié)周期; ek 、ek?1、 ek?2分別是第 k個誤差、第 k?1個誤差和第 k?2個誤差。

熱介質(zhì)的導熱性的存在使得熱傳導具有滯后和慣性的特點。通常， PID 反饋調(diào)節(jié)直接應用于 TEC 的溫度控制時，會存在調(diào)節(jié)時間長（震蕩），溫度波動大（過沖）等問題。本文基于 PID 算法提出一種多段式 PID 控制算法，在一定程度上克服了傳統(tǒng) PID 算法所引起的震蕩與過沖問題。

本文算法的流程如圖 4所示。設置三個特殊溫差，以Tf、Tc 、Ts（其中Tf>Tc >Ts）分別表示第一段調(diào)節(jié)判斷的溫差閾值、第二段調(diào)節(jié)判斷的溫差閾值、控制停止判斷的溫差閾值。當給定溫度與設定溫度的差值大于Tf時，系統(tǒng)被判定此時溫度嚴重偏離設定溫度。隨后將電流調(diào)整到其最大值，使 TEC 工作在最大功率狀態(tài)，此時測試點的溫度急劇下降。當給定溫度和設定溫度的差值小于Tf大于 Tc 時，判斷系統(tǒng)處于第二段控制階段，并設置最大脈寬調(diào)制（PWM）輸出的較大值作為緩沖器，此時測點的溫度逐漸向目標溫度調(diào)整。當給定溫度小于 Tc 大于 Ts 時，系統(tǒng)的溫度接近于目標溫度，根據(jù) Ts 的值將 PWM 最大值設定到一個合適的區(qū)間來調(diào)整 PID 反饋。對測點溫度進行微調(diào)后，溫度在目標溫度上下浮動，并逐漸向目標溫度推進。在連續(xù)的調(diào)節(jié)周期中，當溫差小于 Ts 時，系統(tǒng)判定此時在目標溫度下是穩(wěn)定的，從而停止調(diào)節(jié)。

在每個控制周期內(nèi)，上位機通過算法計算出 PWM 信號，通過 H橋電路控制 TEC 的電流和方向。圖5為系統(tǒng)的 H橋控制電路， PWM 信號連接至 PWM_COOL 端口，通過控制 Q1、Q4或 Q2、Q3的通斷來實現(xiàn) TEC 的電流控制。具體信號的輸入端口視 TEC 連接方式而定。

1.4 能量回饋方案設計

1.4.1 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)通過輸出不同占空比的 PWM 波來控制 H 橋電路的通斷。在 TEC 處于空載狀態(tài)時，

通過能量反饋電路收集反向的塞貝克電壓。在該狀態(tài)下的每一個周期中，利用 TEC 兩端的溫差（圖6灰色部分）作為熱電發(fā)電機（ TEG）來發(fā)電和收集電能。

作為半導體熱泵， TEC 負載時，兩端施加的電壓（ V ）應等于施加的正向電壓（VR）減去反向塞貝克電壓（ VS），即

式中：Snp為Seebeck系數(shù);Th為熱端溫度; Tl為冷端溫度。施加的正向電流會使 TEC 兩側表面產(chǎn)生溫差，即ΔT=Th?Tl，根據(jù)帕爾貼效應，從冷端到熱端傳遞的熱量為πnpI（πnp 為帕爾貼系數(shù)， I 為電流）。由于 TEC 兩端的溫差，熱量從熱端轉(zhuǎn)移到冷端，假設設備的總熱導率為 K，則產(chǎn)生的熱回流為 KΔT。此外，由于器件有內(nèi)阻，也會產(chǎn)生相應的焦耳熱，并均勻地傳遞到器件的冷端和熱端。如果器件的內(nèi)阻為 R，則單位時間內(nèi)流入熱端的熱量為 I2R/2。將制冷裝置認為是一個理想的封閉的絕熱系統(tǒng)，則冷端熱平衡式可以表示為

由此可得循環(huán)制冷效率

式中： Qc 為單位時間內(nèi) TEC 吸收的熱量; P 為單位時間內(nèi)輸入的電能。在能量反饋的 TEC 制冷系統(tǒng)中，假設周期為 T=a+b，其中 a 、b 分別為TEC 加載和空載時間。其循環(huán)制冷效率定義為

式中： Qc 為冷端吸熱;Qg為熱端回熱; Pc 為輸入功率; Pg 為回收功率。其中：

式中： R1為負載電阻; I'為 TEC 在空載狀態(tài)下反向塞貝克電流。

結合式（5）、（6）、（7）可得

式（7）和式（11）表明，協(xié)同能量反饋可以通過調(diào)控系統(tǒng)占空比的值進行調(diào)整。在一定范圍內(nèi)，輸出的 PWM 信號占空比越高，則通過 TEC 的電流越大。這說明在空載時， TEC 的溫差較大，但回收塞貝克電流的時間也較短。F895A405-FC69-4B0B-B094-57CC025A5827

當系數(shù)（Snp、 a 、b 、K）為限定值時（由器件性能與施加的占空比范圍決定），通過迭代計算不等式，得到COPfeedback>COP。這說明了本文提出的帶有能量反饋的 TEC 制冷系統(tǒng)能夠有效地提高 TEC 制冷效率，降低能量損耗，在一定程度上克服了 TEC 能量利用效率低下的缺陷。

1.4.2 系統(tǒng)電路與仿真

為了驗證本文方案的可行性，利用 Multisim 仿真軟件對所設計的能量反饋方案進行了仿真。為了回收 MOSFET關閉時的倒灌電流， TEC 兩側的能量反饋電路 MOSFET導通。能量反饋電路在 H橋電路導通時關閉，在 H橋電路斷開時打開，由此設計了如圖7所示的開關電路，其中 PWM 信號的輸入由上位機控制。當 TEC 供電電路接通時， TEC 工作;當電路斷開時， TEC等效于 TEG 產(chǎn)生Seebeck電能并通過異步反饋電路輸出。

仿真系統(tǒng)由三部分組成，如圖7所示。電流控制由 H 橋電路實現(xiàn)，關斷 H 橋電路后，啟動整流橋電路和異步反饋電路。同時，由于 TEC 內(nèi)部溫差較大，整流電路回收塞貝克電壓產(chǎn)生的電流。因此，在沒有負載的情況下收集 TEC 產(chǎn)生的反向塞貝克電壓。這些能量可以通過穩(wěn)壓電路提供， boost 電路為系統(tǒng)傳感器等低功耗器件供電，提高 TEC 的能源利用效率。

當工作電壓為12 V、內(nèi)阻為3Ω時， Bi2Te3制成的 TEC 的仿真結果表明：在25%的 PWM 占空比控制下，最高可回收電壓為0.37 V;在50%的 PWM 占空比控制下，回收電壓0.76 V;在75%的PWM 占空比控制下，回收電壓為1.2 V。

2 關鍵組件設計

2.1 光伏充電與電源切換

在實驗室中，使用三組氙弧燈模擬太陽能光源，使用常規(guī)的太陽能板（6 V/5 W）進行光伏發(fā)電。此外，另一充電接口通過蓄電池充電器接至電網(wǎng)進行充電。光伏發(fā)電裝置如圖8所示，兩塊光伏板在三組氙弧燈的照射下產(chǎn)生電能并通過圖3所示的升壓回收電路為蓄電池供電。

由于氙弧燈工作導致的發(fā)熱遠比正常陽光下的更為劇烈，會使光伏板發(fā)電性能降低，因此在圖8的實驗平臺中配備了散熱風扇與散熱底座進行輔助散熱，使模擬的光照環(huán)境更接近實際的應用環(huán)境。

通過圖3的 PCB 定做的 ADP5091能量回收電路如圖8左下圖所示，該模塊能較好地使光伏板產(chǎn)生電能并輸出穩(wěn)定的5 V/3 V電壓。

圖9為單塊光伏板在模擬的光照強度在400～700 W/m2之間測試產(chǎn)生的電流與電壓數(shù)據(jù)散點圖。

實線為電壓5階擬合曲線，點虛線為電流5階擬合曲線。通過對數(shù)據(jù)進行5階擬合產(chǎn)生電流、電壓在不同光照強度下的擬合曲線。從曲線中可以看出，在400～700 W/m2的光照強度之間，單塊光伏板能產(chǎn)生電壓為7.06～7.27 V，電流為0.37～0.56 A 的電能。隨著光照強度的進一步加強，伴隨著光伏板性能與散熱問題，產(chǎn)生的電能并不能進一步加強。而實驗室采用的蓄電池組要求的充電電壓為12 V/1 A，通過兩組光伏板進行發(fā)電并經(jīng)過升壓穩(wěn)壓電路，在光照強度為400～700 W/m2時，能夠?qū)π铍姵貙崿F(xiàn)較好的充電效果。

2.2 上位機軟件設計

本文提出的系統(tǒng)采用 Raspberry pi 4B 作為主控板。為了在上位機（Raspberry Pi 4B）上構建一個可視化的界面，系統(tǒng)使用 PyQt5進行界面開發(fā)。利用 PyQt5及其圖形庫開發(fā)了實時數(shù)據(jù)顯示和圖形界面。此外，上位機的 GPIO（通用輸入/輸出）接口可以輸出數(shù)字信號來控制 MOSFET 和繼電器，并通過 I2C 與傳感器通信來獲取數(shù)據(jù)。隨后，這些數(shù)據(jù)被整合并實時顯示在軟件中。

由于需要處理的數(shù)據(jù)量較大，系統(tǒng)被劃分為三個線程。第一個線程從溫度傳感器獲取數(shù)據(jù)進行控制算法的運算，并輸出控制信號。第二個線程用于監(jiān)視功率和電流并用于計算和判斷，同時數(shù)字信號被輸出到繼電器以切換電源。第三個線程用于動態(tài)繪圖和數(shù)據(jù)顯示，在接收到設置TEC 溫度、切換電源、調(diào)整 PID 參數(shù)、保存和導出數(shù)據(jù)等指令時執(zhí)行相關操作。圖10為上位機的顯示界面，該界面分為四塊區(qū)域： A 塊為監(jiān)測與控制部分，主要實現(xiàn)電路信息、待測物體實時溫度、環(huán)境溫度的實時監(jiān)測與溫度的設定; B 塊為溫度變化曲線的實時曲線圖，從此處可以實時清晰地觀察整個控制過程的溫度曲線; C 塊為測試與數(shù)據(jù)保存部分，主要用于傳感器通信數(shù)據(jù)的調(diào)試與數(shù)據(jù)的保存; D 塊為兩組電池狀態(tài)的顯示與 PID 參數(shù)的實時調(diào)控。

利用 Python+PyQt5編寫上位機軟件，并直接在主控板上運行，利用外接顯示器或者遠程連接可直接在上位機可視化交互界面上對 TEC 的工作狀態(tài)進行實時監(jiān)測與控制。

2.3 溫度控制設計

本文提出的散熱系統(tǒng)的核心部分，即溫度控制部分如圖11所示。該部分由繼電器、主控板、電流監(jiān)控芯片、 PWM 模塊（ H 橋式電路）、溫度傳感器組成。

通過 INA219芯片與主控板通信，實現(xiàn)對兩組電源的充放電監(jiān)控，并將其反饋于主控板。主控板利用反饋的數(shù)據(jù)計算兩組充放電的電量與充電速度，利用圖2，圖8所示的設計實現(xiàn)充放電的電池組切換及充電方式的智能切換，從而保證系統(tǒng)的續(xù)航。

溫度傳感器測得數(shù)據(jù)通過與主控板通信反饋到上位機，與上位機設定的目標溫度進行差計算，再通過圖4所示的算法實現(xiàn)溫度控制。

上位機基于聯(lián)網(wǎng) Linux 板卡，通過計算機的局域網(wǎng)遠程連接，可在計算機上顯示實時的用戶交互界面，并在該界面中進行監(jiān)測與操作。

3 實驗結果與討論

使用圖2的控制電路，使兩組電池交替充放電，由此可得到圖12所示的實驗數(shù)據(jù)。從數(shù)據(jù)可以看出，放電組能維持在1 A 的電流輸出，而充電組則保持在1 A 左右的充電電流。該充電方案能夠同時實現(xiàn)智能電源管理與高效充電，可為TEC 控溫系統(tǒng)的電力續(xù)航提供保障。F895A405-FC69-4B0B-B094-57CC025A5827

在系統(tǒng)的控溫部分，為驗證本文提出系統(tǒng)控制算法的優(yōu)勢，在環(huán)境溫度為22℃的室內(nèi)并將目標溫度控制在10℃，分別利用傳統(tǒng) PID 算法與本文提出的改進算法，通過圖10所示的上位機界面對 TEC 進行調(diào)控，得到圖13所示的數(shù)據(jù)對比圖。

圖13的實線與虛線分別代表改進算法與傳統(tǒng)算法的當前溫度調(diào)控曲線與輸出 PWM 信號的占空比曲線。從圖13可以明顯看出，在目標溫度與當前溫度相差較大時，改進的算法能直避免多余的 PID 計算，迅速地將溫度調(diào)控至目標溫度附近，再進行小范圍內(nèi)的 PID調(diào)控。在第一次 PID 調(diào)控后的三個周期內(nèi)，通過誤差數(shù)據(jù)對 PID 參數(shù)進行修正。在距離目標溫度更小的區(qū)間內(nèi)，進入第二次 PID 調(diào)控，此時能夠較為精確地將溫度調(diào)控并穩(wěn)定在目標溫度上。

實驗數(shù)據(jù)分析可得：優(yōu)化后的溫度控制算法比傳統(tǒng)的 PID 溫度控制算法更具明顯的優(yōu)勢。當誤差為±0.35℃時， PID 優(yōu)化算法需要的控制時間為30.5 s ，而傳統(tǒng)溫度控制算法需要287 s 才能達到相同的精度。相比之下，當環(huán)境溫度為22℃、設定溫度為10℃時，優(yōu)化后的溫度控制算法比傳統(tǒng)溫度控制算法快256.5 s ，耗時僅為傳統(tǒng)算法的9.5%。

4 結論

本文提出了一種基于 TEC 的能量回饋系統(tǒng)，實現(xiàn)了兩組蓄電池交替切換充放電的智能電源管理。建立了一個完整的上位機系統(tǒng)，并由主控板和多個電路監(jiān)測芯片組成了控制電路。同時，提出了改進 PID控制算法，對散熱目標實現(xiàn)了快速、高精度的溫度控制。實驗證明，本文提出的改進算法實現(xiàn)了比傳統(tǒng)算法更為快速、精確的控溫效果，能夠高效地實現(xiàn)電子設備或大功率器件的散熱。

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（編輯：劉鐵英）F895A405-FC69-4B0B-B094-57CC025A5827