無人外賣配送機的電源供給及其保溫研究

孟祥冬 王志芳 宋佳鈁 / 天津工業大學機械工程學院

無人外賣配送機的電源供給及其保溫研究

孟祥冬 王志芳 宋佳鈁 / 天津工業大學機械工程學院

隨著無人物流服務的發展，無人外賣配送機將會是未來物流發展的新趨勢。本文主要闡述無人外賣配送機在電源供給和保溫兩方面的創新設計。我們通過對無人外賣配送機的保溫裝置的改進設計，改變原有的簡單保溫的模式加冷鏈運輸。我們還對無人外賣配送機設計了新型供電方法，克服了無人配送機受電源容量限制無法進行較長時間和中長距離的運輸的缺點。我們所進行的創新設計為無人外賣配送機的物流配送的進一步應用提供了有益的參考。

半導體制冷；無線傳能；散熱器；保溫

當前外賣配送系統存在的問題是外賣在無人配送機配送的過程中，主要關注如何高效率將食品傳送到顧客手中，食品一般僅用保溫材料簡單包裹，因而食物品質在配送的過程中會有所降低，尤其對于冷食，外賣的品質對客戶感受影響極大；另一方面，無人配送機受電源容量的限制，無法進行長距離、長時間的配送。為解決這些問題，我們對外賣配送機的保溫和供電系統進行了改進設計，希望能提高我國的外賣配送機的服務。

1.無人外賣配送機保溫的設計

為了實現無人外賣配送機多個恒溫箱多個溫度要求的設計需求，筆者根據半導體制冷的工作原理，選取了以半導體制冷芯片為關鍵制冷部件和陶瓷電加熱器為制熱部件的多恒溫箱設計方案。該方案的設計原理圖如圖1所示。從圖1可以看出，該半導體恒溫箱在組成結構上主要分為三大部分，分別是:陶瓷電加熱與控制和半導體制冷。無人外賣配送機分有多個保溫箱，而每個保溫箱內所放的外賣所需要保持的溫度也不一樣。為了能使每個保溫箱溫度不一樣，我們將設置多個溫度區域，分別進行降溫、保溫、加熱。

1.1 半導體制冷的控制原理

目前，針對半導體制冷芯片的工作原理，從18世紀開始，就有物理學家陸續開展了深入的研究，時至今日，己經累計形成了五種不同的熱電效應來實現半導體制冷原理，分別是:塞貝克效應，帕爾貼效應，湯姆遜效應，傅里葉效應，焦耳效應[1]。半導體制冷的工作原理是利用電流在不同材質所組成的電路回路中流動時，會在兩種不同材質的交界處產生溫度差的工作效應。利用這一現象，可以通過對不同材質所組成的電路回路施加特定大小和特定方向的電流，從而使得兩種材質之間達到預期所要的溫度差。由于在兩種材質的交界處會形成溫度差，因此可以將溫度較低的一端通過吸熱器與需要降溫的目標系統進行連接，從而將需要降溫的目標系統中的熱量吸收至不同材質所組成的制冷裝置中，同時將兩種不同材質的半導體所組成的制冷裝置。溫度高的一端通過散熱器將熱量傳遞出去，最終將目標系統的溫度降到預先設定的度數。從半導體芯片的制冷工作原理來分析可以發現，半導體芯片的工作原理實際上是利用了電流在不同材質所組成的電路回路中流動而產生的溫度差的效應，而且在一個半導體制冷芯片中，從能量傳遞的角度來分析，其更像是一個能量傳導裝置.因為在半導體制冷芯片中，一端會產生較低的溫度，而另外一端則會產生較高的溫度，整個半導體制冷芯片能量是守恒的。因此在實際應用過程中，為了能夠將半導體制冷芯片用于實際的溫度控制，往往是使用半導體制冷芯片一端的功能。如使用半導體制冷芯片的制冷或制熱功能，而對半導體制冷芯片的另外一端則作為能量吸收或釋放的一端，將目標系統中需要轉移的能量轉移出去會進一步提高外賣保溫箱的效率。

1.2 多溫度保溫箱的詳細設計

無人外賣配送機箱體內分為兩個部分冷端保溫箱和熱端保溫箱，箱體保溫內膽為真空保溫板，冷端和熱端由真空保溫板分隔。冷端保溫箱內分有制冷區和冷恒溫區，制冷區是有pvc板包裹，其余為冷恒溫區。半導體制冷片冷端面在制冷區，制冷區為開口，部分冷量流到恒溫區。熱端分為加熱區和熱恒溫區，熱恒溫區和加熱區之間夾著塑料管，熱端熱源為陶瓷電加熱器，熱源在加熱區，（如圖2）熱量先流入加熱區進而進入熱恒溫區。當整個保溫箱全部需要熱加溫和熱恒溫的時候，可以通過控制系統變換電流，使半導體制冷片冷端變成熱端，冷端保溫箱變成為了熱恒溫箱。半導體制冷芯片在工作過程中，與外界連接了一個散熱器或者熱量吸收器，從而保證半導體制冷芯片能夠向恒溫箱提供雙向的制冷或制熱的功能。由于半導體制冷片熱端產熱效率較低，于是采用熱端為更高效率、更高壽命的陶瓷電加熱器。

圖2 保溫箱內部保溫結構示意樣圖

1.3 半導體散熱的設計

散熱器是整個恒溫箱設計過程中的一個關鍵模塊，散熱器性能的好壞直接影響著半導體制冷芯片的工作性能，進而對恒溫箱的溫度控制效果產生決定性的影響。因此散熱器的選型必須與半導體的制冷功率相匹配，確保半導體工作過程中所需要傳遞的功率和熱量能夠通過散熱器進行傳遞.散熱器根據其散熱的原理，可以分為：利用空氣的散熱器、利用液體的散熱器以及散熱管等不同類型。散熱器在選型的時候，主要根據制冷芯片的實際工作功率來進行確定。由于所設計的恒溫箱在正常工作過程中，半導體制冷片熱端的散熱量對半導體制冷效率影響極大，本設計采用基于散熱片的散熱器，完全能夠滿足實際的應用需求。而且在實際設計時，可以將散熱片選擇翅片式的散熱片，同時擴大散熱片，使散熱片覆蓋車體頂部的一半，只有緊鄰半導體熱端的部分需要風扇，并在車體前部設有溫度傳感器，溫度傳感器用于檢測環境溫度，車體gps檢測車速，發送信號給處理中心，處理中心計算出散熱量和此時的最大安全電流（半導體制冷片產生同樣熱量所需要的電流，此電流為額外散熱電流），進而調節電流調節器，使車體蓄電池輸出到半導體制冷片的電流小于額外散熱電流和正常使用電流的總和[2][3]。風扇在選型時，需要根據散熱量的大小選取 合適的風扇排風流量。

2.無人外賣機的電源設計

2.1 無線傳能的原理

無線傳能的基本原理是，兩個分開的具有相同諧振頻率的線圈形成基于高頻磁場的諧振藕合系統并進行高效率能量交換，而處在不同諧振頻率的物體只有微弱的禍合效應。

2.2 無人外賣配送機的電源裝置的設計

無人小車裝置包括萬向輪、控制單元、無線傳能接收裝置,所述萬向輪位于箱體下部外側,所述萬向輪上設置有直流電機,直流電機的電機軸與萬向輪轉軸連接,直流電機與控制單元連接。其中一個萬向輪的輪子外側為導電材質與地面接觸。所述無線傳能接收裝置包括負載諧振回路，所述負載諧振回路輸出端連接控制單元，負載諧振回路輸出端引出一根導線與含導電材質的輪子外側接觸。所述無線電源包括高頻交流電壓和原級諧振回路。進一步的,在移動的過程中，我們會在運送范圍內每隔一段距離安裝一個無線電源對小車進行中短距離的供能，以實現無人配送機的長時間和較長距離的運輸。同時無線電源可以給具有無線接收的裝置進行供能。

[1]毛佳妮，申麗梅，李愛博，等.半導體制冷器制冷性能的綜合影響因素探討及其優化設計分析［J］.流體機械，2010，38（7）：68－72.

[2]王志芳，宋佳鈁，等.一種車載輔助降溫的綠色半導系統.專利申請號：201710843891.0.

[3]王志芳，孟祥東等.一種車載動態散熱的車載輔助降溫的綠色半導系統.專利申請號：2017092701884430.