摘要：針對大功率光學(xué)器件和設(shè)備的熱嚴(yán)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(jìn)的增量式比例積分微分(PID)算法快速實(shí)現(xiàn)高精度溫度控制，通過能量回收機(jī)制實(shí)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(jī)監(jiān)測與控制實(shí)現(xiàn)對兩組蓄電池的高效充放電切換。同時(shí)，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(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)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(xué)器件和系統(tǒng)的散熱問題提供參考。

　　關(guān)鍵詞：能量反饋;能量管理系統(tǒng);改進(jìn) PID算法;溫控系統(tǒng);熱電制冷;半導(dǎo)體制冷中圖分類號： TB 61 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

　　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(fēng)冷和水冷等[1]，但容易產(chǎn)生噪聲、機(jī)械損耗、環(huán)境污染等問題。而基于帕爾帖效應(yīng)的半導(dǎo)體制冷器(TEC)相較于傳統(tǒng)散熱制冷手段，有著無噪聲、無機(jī)械振動(dòng)和無環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，在器件散熱應(yīng)用上有著巨大的優(yōu)勢。在一些特殊的應(yīng)用領(lǐng)域，如航空航天、工業(yè)電子和醫(yī)療裝備等，半導(dǎo)體制冷器相比傳統(tǒng)制冷器，更有著其不可取代的獨(dú)特優(yōu)勢與應(yīng)用價(jià)值[6-9]。

　　近年來，隨著對半導(dǎo)體制冷器的材料與結(jié)構(gòu)研究的深入，制冷效率已得到一定程度的改進(jìn)[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(dǎo)體制冷器的降溫設(shè)備[13-18]，半導(dǎo)體制冷器的商用已經(jīng)逐步得到市場認(rèn)可。但是，相較于傳統(tǒng)的壓縮機(jī)型制冷設(shè)備， TEC 在制冷效率方面依然有較大劣勢，嚴(yán)重制約了 TEC 的發(fā)展和應(yīng)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(jī)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(shí)對傳統(tǒng)比例積分微分(PID)控制的過充和調(diào)控時(shí)間過長等問題進(jìn)行算法改進(jìn)，在保證 TEC散熱的前提下最大化地減少電能損耗。

　　1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

　　1.1 系統(tǒng)框圖

　　系統(tǒng)框圖如圖1所示，由三部分構(gòu)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(guān)控制均由上位機(jī)Raspberrypi 4B 通過傳感器和控制信號實(shí)現(xiàn)。

　　1.2 光伏充電切換設(shè)計(jì)

　　在航空等特定領(lǐng)域中，為大功率電子設(shè)備散熱的 TEC 器件的供能可以從周圍環(huán)境中獲取。本文設(shè)計(jì)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(jìn)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(shí)現(xiàn)充電方式與充放電電池組切換的上位機(jī)控制。表1為各個(gè)狀態(tài)對應(yīng)的上位機(jī)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(jìn)行監(jiān)測。設(shè)監(jiān)測周期為 T，放電組 n 個(gè)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(guān)電源過程中，上位機(jī)的電源開關(guān)指令是通過輸出高低電平對繼電器實(shí)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(gè)升壓電路和一個(gè)充電保護(hù)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(hù)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(chǔ)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(jìn)行充電，并對小型電子設(shè)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(shí)現(xiàn)5 V 的穩(wěn)定電壓輸出，從而可對蓄電池進(jìn)行安全充電。

　　1.3 改進(jìn) 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(jìn)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(gè)誤差、第 k?1個(gè)誤差和第 k?2個(gè)誤差。

　　熱介質(zhì)的導(dǎo)熱性的存在使得熱傳導(dǎo)具有滯后和慣性的特點(diǎn)。通常， PID 反饋調(diào)節(jié)直接應(yīng)用于 TEC 的溫度控制時(shí)，會(huì)存在調(diào)節(jié)時(shí)間長(震蕩)，溫度波動(dòng)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(shè)置三個(gè)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(dāng)給定溫度與設(shè)定溫度的差值大于Tf時(shí)，系統(tǒng)被判定此時(shí)溫度嚴(yán)重偏離設(shè)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(shí)測試點(diǎn)的溫度急劇下降。當(dāng)給定溫度和設(shè)定溫度的差值小于Tf大于 Tc 時(shí)，判斷系統(tǒng)處于第二段控制階段，并設(shè)置最大脈寬調(diào)制(PWM)輸出的較大值作為緩沖器，此時(shí)測點(diǎn)的溫度逐漸向目標(biāo)溫度調(diào)整。當(dāng)給定溫度小于 Tc 大于 Ts 時(shí)，系統(tǒng)的溫度接近于目標(biāo)溫度，根據(jù) Ts 的值將 PWM 最大值設(shè)定到一個(gè)合適的區(qū)間來調(diào)整 PID 反饋。對測點(diǎn)溫度進(jìn)行微調(diào)后，溫度在目標(biāo)溫度上下浮動(dòng)，并逐漸向目標(biāo)溫度推進(jìn)。在連續(xù)的調(diào)節(jié)周期中，當(dāng)溫差小于 Ts 時(shí)，系統(tǒng)判定此時(shí)在目標(biāo)溫度下是穩(wěn)定的，從而停止調(diào)節(jié)。

　　在每個(gè)控制周期內(nèi)，上位機(jī)通過算法計(jì)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(shí)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(shè)計(jì)

　　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(shí)，

　　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(gè)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(jī)( TEG)來發(fā)電和收集電能。

　　作為半導(dǎo)體熱泵， TEC 負(fù)載時(shí)，兩端施加的電壓( V )應(yīng)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(huì)使 TEC 兩側(cè)表面產(chǎn)生溫差，即ΔT=Th?Tl，根據(jù)帕爾貼效應(yīng)，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(shè)設(shè)備的總熱導(dǎo)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(huì)產(chǎn)生相應(yīng)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(shí)間內(nèi)流入熱端的熱量為 I2R/2。將制冷裝置認(rèn)為是一個(gè)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(shí)間內(nèi) TEC 吸收的熱量; P 為單位時(shí)間內(nèi)輸入的電能。在能量反饋的 TEC 制冷系統(tǒng)中，假設(shè)周期為 T=a+b，其中 a 、b 分別為TEC 加載和空載時(shí)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?zé)? Pc 為輸入功率; Pg 為回收功率。其中：

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

　　結(jié)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(jìn)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(shí)， TEC 的溫差較大，但回收塞貝克電流的時(shí)間也較短。

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