摘要：針對大功率光學器件和設備的熱嚴重影響其穩定性、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。利用基于改進的增量式比例積分微分(PID)算法快速實現高精度溫度控制，通過能量回收機制實現熱電制冷器(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，通過上位機監測與控制實現對兩組蓄電池的高效充放電切換。同時，利用 Python+PyQt5為散熱系統搭建可視化圖形操作界面。研究表明，設計的實驗系統實現了對 TEC 器件的電路信息監測與溫度高效控制，可為解決大功率光學器件和系統的散熱問題提供參考。
關鍵詞：能量反饋;能量管理系統;改進 PID算法;溫控系統;熱電制冷;半導體制冷中圖分類號： TB 61 文獻標志碼： A
引言
隨著現代電子工業的發展，器件性能的持續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]。
傳統的器件散熱手段有自然冷卻、風冷和水冷等[1]，但容易產生噪聲、機械損耗、環境污染等問題。而基于帕爾帖效應的半導體制冷器(TEC)相較于傳統散熱制冷手段，有著無噪聲、無機械振動和無環境污染等優點，在器件散熱應用上有著巨大的優勢。在一些特殊的應用領域，如航空航天、工業電子和醫療裝備等，半導體制冷器相比傳統制冷器，更有著其不可取代的獨特優勢與應用價值[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保、無噪聲污染的需求重視，市面上出現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逐步得到市場認可。但是，相較于傳統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，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生交替充電模式，同時對傳統比例積分微分(PID)控制的過充和調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。
1 系統方案設計
1.1 系統框圖
系統框圖如圖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。
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境中獲取。本文設計了兩種充電方案，光伏發電與傳統電源供電，并且配置雙電源(保持一組充電一組放電)。通過電流監測芯片對兩組蓄電池的充放電情況進行監控，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組數控繼電器實現充電方式與充放電電池組切換的上位機控制。表1為各個狀態對應的上位機數字信號輸出。
另外采用電路監控芯片對電流和功率進行監測。設監測周期為 T，放電組 n 個周期內的測量電流為 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，可轉換來自 PV 電池或熱電發生器(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、超級電容和傳統電容)進行充電，并對小型電子設備和無電池系統上電[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5 V 的穩定電壓輸出，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采用增量式 PID 算法進行溫度控制，維持器件溫度的穩定。增量式 PID 算法為
式中：Kp、T、TI 、TD 分別為比例系數、調節周期，積分調節周期、微分調節周期; 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 反饋調節直接應用于 TEC 的溫度控制時，會存在調節時間長(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 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)分別表示第一段調節判斷的溫差閾值、第二段調節判斷的溫差閾值、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，系統被判定此時溫度嚴重偏離設定溫度。隨后將電流調整到其最大值，使 TEC 工作在最大功率狀態，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，判斷系統處于第二段控制階段，并設置最大脈寬調制(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整。當給定溫度小于 Tc 大于 Ts 時，系統的溫度接近于目標溫度，根據 Ts 的值將 PWM 最大值設定到一個合適的區間來調整 PID 反饋。對測點溫度進行微調后，溫度在目標溫度上下浮動，并逐漸向目標溫度推進。在連續的調節周期中，當溫差小于 Ts 時，系統判定此時在目標溫度下是穩定的，從而停止調節。
在每個控制周期內，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 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 系統原理
系統通過輸出不同占空比的 PWM 波來控制 H 橋電路的通斷。在 TEC 處于空載狀態時，
通過能量反饋電路收集反向的塞貝克電壓。在該狀態下的每一個周期中，利用 TEC 兩端的溫差(圖6灰色部分)作為熱電發電機( TEG)來發電和收集電能。
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;Th為熱端溫度; Tl為冷端溫度。施加的正向電流會使 TEC 兩側表面產生溫差，即ΔT=Th?Tl，根據帕爾貼效應，從冷端到熱端傳遞的熱量為πnpI(πnp 為帕爾貼系數， I 為電流)。由于 TEC 兩端的溫差，熱量從熱端轉移到冷端，假設設備的總熱導率為 K，則產生的熱回流為 KΔT。此外，由于器件有內阻，也會產生相應的焦耳熱，并均勻地傳遞到器件的冷端和熱端。如果器件的內阻為 R，則單位時間內流入熱端的熱量為 I2R/2。將制冷裝置認為是一個理想的封閉的絕熱系統，則冷端熱平衡式可以表示為
由此可得循環制冷效率
式中： Qc 為單位時間內 TEC 吸收的熱量; P 為單位時間內輸入的電能。在能量反饋的 TEC 制冷系統中，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 在空載狀態下反向塞貝克電流。
結合式(5)、(6)、(7)可得
式(7)和式(11)表明，協同能量反饋可以通過調控系統占空比的值進行調整。在一定范圍內，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。
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