基于溫差發(fā)電可充電小裝置的設(shè)計

尚軍鵬 王鳳英 田野 高幼軒 武帥

摘要：為了解決現(xiàn)有小裝置在離開交流電源和電池續(xù)航能力低問題，利用周邊的熱源，設(shè)計出一種基于溫差發(fā)電可自充電式小裝置。該裝置的設(shè)計采用了模塊化的設(shè)計方案，主要由半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊、升壓穩(wěn)壓模塊、充電模塊等幾個部分組成。該產(chǎn)品可實現(xiàn)多種環(huán)境下給電壓為5v的小裝置供電工作。該設(shè)計具有節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，具有一定的推廣價值。

關(guān)鍵詞：溫差發(fā)電;模塊化;充電;小裝置

中圖分類號：TP219.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）21-0213-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

1 背景

目前家庭中一種常用的小裝置產(chǎn)品，有一些是220V交流電供電，有一些是電池供電。在當(dāng)今快節(jié)奏的生活當(dāng)中，造成許多不方便的問題，如：在停電、出差或者是野外露營時，沒有交流電，使用交流點(diǎn)供電的產(chǎn)品就無法使用;而使用充電電池供電的產(chǎn)品，由于電池續(xù)航能力較短，滿足性極差。

綜上所述，如何解決現(xiàn)有小裝置在離開交流電源和電池續(xù)航能力低問題，能夠被人們在需要時持續(xù)、高效、隨時隨地的使用，利用周邊的熱源，設(shè)計出一種基于溫差發(fā)電可自充電式小裝置。本裝置可適用于負(fù)載電壓為5v的產(chǎn)品。

2 系統(tǒng)方案的設(shè)計

基于溫差發(fā)電可自充電式小裝置的工作原理框圖如圖1所示，本裝置包括負(fù)載，溫差發(fā)電模塊，升壓穩(wěn)壓模塊，充電模塊，電量顯示裝置，控制模塊，鋰電池。

3 硬件電路的設(shè)計

基于溫差發(fā)電可自充電式小裝置的硬件電路的設(shè)計采用模塊化的設(shè)計方案。其主要包括半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊、升壓穩(wěn)壓模塊、充電模塊等幾個部分組成。

3.1 半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊

半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊主要是由兩部分組成，原理即運(yùn)用了塞貝克效應(yīng)[1-5]，將半導(dǎo)體兩側(cè)的溫差（熱端和冷端）轉(zhuǎn)換為閉合回路的電動勢。半導(dǎo)體溫差由P-N型熱電材料、導(dǎo)熱陶瓷、導(dǎo)線等構(gòu)成。溫差發(fā)電局部圖如圖2所示。

本裝置發(fā)電片所采用韓邦公司制造的小型半導(dǎo)體溫差發(fā)電片，型號為SP1848-27145SA，溫差發(fā)電片的冷端采用循環(huán)水冷散熱方式，風(fēng)冷效果更好。熱端即各種熱源。溫差發(fā)電一個較為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是要保持冷熱端溫差恒定，經(jīng)過多次實驗發(fā)現(xiàn)，如果冷端的熱量不及時散去，則熱端的溫度會很快穿過半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊影響冷端，從而破壞冷熱端溫差，降低輸出電壓。因此如何快速將冷端的溫度散掉，以便保持冷端溫度非常重要。為此我們使用一種M式循環(huán)水鋁制冷熱交換頭（見圖3），將其與溫差發(fā)電片的冷端緊密貼合，中間涂有導(dǎo)熱硅脂，采用循環(huán)水可迅速、有效地將冷端溫度降低，且水流采用M形流動，可以均勻的將半導(dǎo)體溫差發(fā)電片散熱，不會出現(xiàn)局部散熱情況。

3.2 升壓穩(wěn)壓模塊

由于產(chǎn)品的溫差控制具有波動，所以導(dǎo)致溫差發(fā)電片電壓也有所波動，為避免電路損壞，并且達(dá)到所需的電壓，所以加入升壓穩(wěn)壓模塊。

升壓穩(wěn)壓模塊硬件采用LM2596S模塊（見圖4）。LM2596S比一般LM2576輸出更加穩(wěn)定，帶有電源指示燈，輸出可調(diào)，同時具有很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性。能方便地提供自己所需的電壓。固定輸出版本有3.3V、5V、12V。

3.3 充電模塊

充電模塊選用TP4506設(shè)計（見圖5），TP4056是一款完整的單節(jié)鋰離子電池（微能量公司生產(chǎn)的1260111充電電池）采用恒定電流恒定電壓線性充電器，帶電池正負(fù)極反接保護(hù)、輸入電源正負(fù)極反接保護(hù)。

4 軟件系統(tǒng)的實現(xiàn)

基于溫差發(fā)電可白充電式小裝置的控制電路工作流程圖如圖6所示。

在有熱源的情況下，優(yōu)先使用溫差發(fā)電片經(jīng)過升壓穩(wěn)壓模塊后給負(fù)載供電，進(jìn)行工作，節(jié)約電能;若負(fù)載不工作，則判定鋰電池電量是否充足，若低于設(shè)定的電量值，則使用溫差發(fā)電片通過升壓穩(wěn)壓模塊和充電模塊給鋰電池充電。在沒有熱源的情況下，優(yōu)先選用鋰電池給負(fù)載供電，如若鋰電池電量不充足時，使用電池盒中十電池給負(fù)載供電。本產(chǎn)品可實現(xiàn)多種環(huán)境下工作。

5 結(jié)束語

在有熱源的情況下，利用溫差發(fā)電片，實現(xiàn)溫差發(fā)電可白充電式小裝置。本產(chǎn)品提升了用戶的使用感與使用率，增加了小裝置的實用性，并利用溫差發(fā)電，具有攜帶方便，使用安全，節(jié)能環(huán)保，綠色低碳，續(xù)航時間長等優(yōu)點(diǎn)。

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【通聯(lián)編輯：謝媛媛】

作者簡介：尚軍鵬（1997-），男，內(nèi)蒙古烏蘭察布人，學(xué)士，主要研究方向為嵌入式系統(tǒng);王鳳英（1977-），女，內(nèi)蒙古豐鎮(zhèn)人，副教授，碩士，主要研究方向為混沌密碼學(xué)、圖表處理和光通信等;田野（1999-），男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，學(xué)士，研究方向為建筑電氣及其智能化;高幼軒（1997-），男，河南洛陽人，學(xué)士，主要研究方向為單片機(jī)開發(fā);武帥（2001-），男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，學(xué)士，主要研究方向為EDA技術(shù)。