基于溫差發(fā)電的鋰電池充電裝置的設(shè)計與實現(xiàn)

陳威威，張 睿，王建中

(杭州電子科技大學自動化學院，浙江杭州310018)

0 引言

半導體溫差發(fā)電是基于塞貝克效應(yīng)，通過在溫差電偶兩端維持一定的溫差，產(chǎn)生電功率并輸出［1］。作為一種能量轉(zhuǎn)換方式，它能直接把熱能轉(zhuǎn)換成電能，和其它的能量轉(zhuǎn)換方式相比，溫差發(fā)電具有清潔、無噪音污染、高效穩(wěn)定、可靠堅固等優(yōu)點［2］。在工業(yè)生產(chǎn)的高溫易爆環(huán)境下，旋轉(zhuǎn)反應(yīng)釜中溫度采集儀的供電主要采用蓄電池的方式，蓄電池需要定期更換以保持足夠的電量，這對生產(chǎn)效益有著一定的影響，且爐壁的廢熱未得到充分利用。針對以上問題，本文設(shè)計一種基于溫差發(fā)電的鋰離子電源充電方案。該方案以鋰離子電池作為儲能設(shè)備，設(shè)計了基于熱電轉(zhuǎn)換的溫差發(fā)電裝置，保持冷熱兩端溫差的恒定，具有良好的發(fā)電效果。

1 充電裝置構(gòu)成及原理

系統(tǒng)構(gòu)成圖如圖1所示，系統(tǒng)由直流電產(chǎn)生模塊、穩(wěn)壓模塊、充電管理模塊、鋰離子電池模塊4個模塊構(gòu)成。直流電產(chǎn)生模塊由溫差發(fā)電模塊和冷熱源構(gòu)成，主要利用溫差發(fā)電模塊產(chǎn)生直流電能［3］。溫差發(fā)電模塊的冷熱端一旦有了溫差，溫差發(fā)電模塊兩端就產(chǎn)生電壓差。由于溫差很難固定，溫差的波動會導致電壓的不穩(wěn)定，需要經(jīng)過穩(wěn)壓模塊處理，并通過充電管理模塊，實現(xiàn)對鋰離子電池的智能充電管理。

1.1 直流電產(chǎn)生模塊

直流電產(chǎn)生模塊主要是利用塞貝克效應(yīng)將熱能轉(zhuǎn)化為電能。塞貝克效應(yīng)如圖2所示，在兩種不同半導體的回路中，R為負載，熱端為TH，冷端為TL，當兩接頭有溫差(TH－TL)時，回路中就會有電壓ΔV產(chǎn)生，接上負載R之后，在此回路中會產(chǎn)生電流I，因此可以得到一定的輸出功率［4］。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成圖

本文采用的溫差發(fā)電片為TEG1-127-1.4-1.6，外形尺寸:40mm×40mm×3.8mm，發(fā)電單元為127對，受熱面最高承受溫度為200℃。當冷端溫度為30℃，熱端溫度為90℃時，測試單片溫差片的參數(shù)可得，每片溫差發(fā)電片的開路電壓U約為1.8V，內(nèi)阻約為2Ω。根據(jù)實驗，在給鋰離子電池充電時，穩(wěn)壓電路與充電電路的等效輸入電阻為6 14Ω。為獲得較大的輸出電壓和輸出功率，采用串并結(jié)合的方式連接發(fā)電片。將6片發(fā)電片串聯(lián)起來成一組，兩組并聯(lián)起來組成串并矩陣，總共12片發(fā)電片組成溫差發(fā)電片組。

實驗裝置如圖3所示，溫差發(fā)電模塊由加熱單元(溫度可調(diào))提供熱端，加熱模塊是額定電壓220V、額定功率是120W的加熱器，由水槽提供冷端。加熱單元和溫差發(fā)電片的熱端、水槽的下表面與溫差發(fā)電片的冷端之間相互緊密接觸，在接觸面均勻涂上一層導熱硅脂。通過控制水槽中的水流量和加熱單元的溫度來控制溫差發(fā)電片冷端和熱端的溫度。觀察并記錄電壓表和電流表的數(shù)據(jù)，使用帶溫度測量功能的萬用表測量并記錄冷端和熱端的溫度。

圖2 塞貝克效應(yīng)圖

圖3 溫差發(fā)電裝置示意圖

測量過程中，由于溫差變化波動比較大，因此實驗數(shù)據(jù)采用多次測量取平均值的方法。在實驗過程中，保持冷端溫度在30℃左右，發(fā)電片的內(nèi)阻變化可忽略不計，發(fā)電單元的開路電壓與溫差之間的關(guān)系如圖4所示。當負載電阻與發(fā)電單元的內(nèi)阻相匹配時，發(fā)電單元的輸出功率達到最大，匹配輸出功率與溫差之間的關(guān)系如圖5所示。

圖4 開路電壓和溫差關(guān)系

圖5 匹配輸出功率和溫差關(guān)系

1.2 穩(wěn)壓模塊

圖6 穩(wěn)壓電路圖

由于熱端和冷端之間的溫差會出現(xiàn)波動，從而導致輸出的電能由于其輸出功率、電壓和電流的波動而無法直接使用，所以需要設(shè)計一個穩(wěn)壓電路模塊穩(wěn)定輸出電壓。穩(wěn)壓電路主要采用可調(diào)集成穩(wěn)壓器LM2587-ADJ，LM2587-ADJ 是一種寬輸入范圍、效率高的升壓芯片，片內(nèi)具有過熱保護、過壓保護和低壓失步保護等功能。LM2587-ADJ輸入電壓范圍:4 40V，最大輸出電壓為60V，內(nèi)有100kHz固定頻率的振蕩器，NPN開關(guān)晶體管的耐壓值為65V，額定電流為 5A［5］。

穩(wěn)壓電路圖如圖6所示。當LM2587－ADJ的switch引腳導通時，電感充電;當switch引腳截止時，電感放電。控制switch導通時間和截止時間的比例，使占空比隨著負載的變化而變化，就可以控制輸出電壓的大小。占空比可以通過控制反饋回路中的R1和R2來調(diào)節(jié)。

輸出電壓UOUT可以有以下公式計算:

VREF為1.23V，根據(jù)電路的實際需要，調(diào)整電位器R1的阻值，從而獲得所需要的電壓值。當VIN為5 8V時，調(diào)節(jié)電位器R1，使得R1/R2為6.3，使得VOUT始終穩(wěn)定在9V。電路實物圖如圖7所示。

1.3 充電管理模塊

圖7 穩(wěn)壓電路實物圖

本文采用BQ2057W鋰離子電池充電管理芯片進行設(shè)計，BQ2057W適合對8.4V的充電需要，預(yù)設(shè)最大充電電流為550mA。充電電路圖如圖8所示，本文所用的鋰離子電池為8.4V，設(shè)計的充電工作電壓VCC為9V。鋰離子電池的正端電壓接BAT引腳。對充電工作電壓9V平均分壓后輸入TS引腳，使TS引腳檢測溫度的功能失效。

圖8 充電電路圖

充電過程分為3個階段:預(yù)充階段、恒流充電階段和恒壓充電階段［6］。充電曲線如圖9所示。

(1)預(yù)充階段:開始充電時，BQ2057W首先開始檢查工作電壓VCC。當工作電壓低于鋰離子電池電壓時，充電進入休眠模式;否則檢測鋰離子電池電壓VBAT。當鋰離子電池電壓VBAT低于低壓門限VMIN(6.3V)時，充電進入預(yù)充階段，BQ2057W以ICON(IREG的10%)的恒定電流對鋰離子電池預(yù)充電。

(2)恒流充電:在完成對鋰離子電池預(yù)充電或檢測到鋰離子電池電壓VBAT低于恒壓設(shè)定值VREG(8.4V)而高于低壓門限6.3V時，BQ2057W進入恒流充電階段，BQ2057W以恒定電流IREG對鋰離子電池充電。IREG為預(yù)設(shè)的充電電流，可通過電流采樣電阻R1來調(diào)節(jié)，其計算公式為:R1=VSNS/IREG。查BQ2057W的電特性表可知，在VCC采用9V供電并且采樣電阻R1采用高邊接入方式時，VSNS的典型值為115mV。預(yù)設(shè)充電電流IREG為550mA，因此反饋電阻R1的值約為0.2Ω。

圖9 BQ2057W充電曲線

(3)恒壓充電:當充電電壓達到恒壓設(shè)定值8.4V時，鋰離子電池進入恒壓充電階段。在整個工作溫度和工作電壓范圍內(nèi)，恒壓精度高于±1%。BQ2057W通過BAT和VSS引腳監(jiān)測鋰離子電池組電壓，當充電電流下降到終止門限設(shè)定值ITERM時停止充電，在此過程中電池電壓基本保持不變。當檢測到鋰離子電池電壓低于充電門限電壓VRCH(8.2V)時充電器自動開始重新充電。

2 實驗結(jié)果

根據(jù)設(shè)計的裝置進行實驗，在實驗中采用模塊化測試的方法，先對各個模塊進行測試然后進行整體測試。在整體測試中，保持熱端溫度為90℃，冷端溫度為30℃左右時，直流電產(chǎn)生模塊可以輸出5 8V不穩(wěn)定電壓，能產(chǎn)生4W左右輸出功率，滿足鋰離子電池的充電要求。輸出電壓經(jīng)過穩(wěn)壓電路后，穩(wěn)定輸出9V電壓供給充電電路，最后經(jīng)過充電保護電路，將電能儲存在鋰離子電池中。實驗所測量到的電池充電參數(shù)如表1所示。

表1 電池充電參數(shù)實測值

3 結(jié)束語

本文主要根據(jù)半導體溫差發(fā)電的原理，在實驗室條件下設(shè)計了一種溫差發(fā)電裝置。裝置一方面有效克服了溫度采集儀的傳統(tǒng)供電方式的弊端，并利用了轉(zhuǎn)爐爐壁的廢熱，解決了高溫防爆旋轉(zhuǎn)環(huán)境下溫度采集儀的供電問題;另一方面裝置具有低壓預(yù)充保護功能，保證鋰離子蓄電池充電至最大電壓又不會因為過壓充電而導致?lián)p壞。經(jīng)實驗驗證，實驗裝置的性能達到了設(shè)計要求，對半導體溫差發(fā)電的應(yīng)用和實踐具有一定的意義。在實際應(yīng)用中如何有效利用能源，達到最大功率的發(fā)電效果，還需要不斷的實踐，才能使系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行。

［1］陳允成，呂迎陽，林玉蘭，等.一種半導體溫差發(fā)電系統(tǒng)［J］.儀器與儀表學報，2005，26(8):35－39.

［2］李偉江.低溫差下半導體溫差發(fā)電模塊性能分析與實驗研究［D］.上海:同濟大學，2009.

［3］林玉蘭，呂迎陽，梁廣.基于半導體溫差發(fā)電模塊的鋰電池充電裝置［J］.電源技術(shù)，2006，30(1):23－27.

［4］張騰，張征.溫差發(fā)電技術(shù)及其一些應(yīng)用［J］.能源技術(shù)，2009，30(1):35－39.

［5］葉劍鋒.半導體溫差發(fā)電系統(tǒng)研究及電熱式試驗臺設(shè)計［D］.北京:北京交通大學，2012.

［6］王洪輝，庹先國，余小平.基于單芯片的鋰電池/組充電器設(shè)計［J］.能源技術(shù)，2009，33(2):127－130.