基于溫差發電可充電小裝置的設計

尚軍鵬 王鳳英 田野 高幼軒 武帥

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

關鍵詞：溫差發電;模塊化;充電;小裝置

中圖分類號：TP219.9 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）21-0213-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 背景

目前家庭中一種常用的小裝置產品，有一些是220V交流電供電，有一些是電池供電。在當今快節奏的生活當中，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，使用交流點供電的產品就無法使用;而使用充電電池供電的產品，由于電池續航能力較短，滿足性極差。

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

2 系統方案的設計

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

3 硬件電路的設計

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

3.1 半導體溫差發電模塊

半導體溫差發電模塊主要是由兩部分組成，原理即運用了塞貝克效應[1-5]，將半導體兩側的溫差（熱端和冷端）轉換為閉合回路的電動勢。半導體溫差由P-N型熱電材料、導熱陶瓷、導線等構成。溫差發電局部圖如圖2所示。

本裝置發電片所采用韓邦公司制造的小型半導體溫差發電片，型號為SP1848-27145SA，溫差發電片的冷端采用循環水冷散熱方式，風冷效果更好。熱端即各種熱源。溫差發電一個較為關鍵的環節就是要保持冷熱端溫差恒定，經過多次實驗發現，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體溫差發電模塊影響冷端，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式循環水鋁制冷熱交換頭（見圖3），將其與溫差發電片的冷端緊密貼合，中間涂有導熱硅脂，采用循環水可迅速、有效地將冷端溫度降低，且水流采用M形流動，可以均勻的將半導體溫差發電片散熱，不會出現局部散熱情況。

3.2 升壓穩壓模塊

由于產品的溫差控制具有波動，所以導致溫差發電片電壓也有所波動，為避免電路損壞，并且達到所需的電壓，所以加入升壓穩壓模塊。

升壓穩壓模塊硬件采用LM2596S模塊（見圖4）。LM2596S比一般LM2576輸出更加穩定，帶有電源指示燈，輸出可調，同時具有很好的線性和負載調節特性。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設計（見圖5），TP4056是一款完整的單節鋰離子電池（微能量公司生產的1260111充電電池）采用恒定電流恒定電壓線性充電器，帶電池正負極反接保護、輸入電源正負極反接保護。

4 軟件系統的實現

基于溫差發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，優先使用溫差發電片經過升壓穩壓模塊后給負載供電，進行工作，節約電能;若負載不工作，則判定鋰電池電量是否充足，若低于設定的電量值，則使用溫差發電片通過升壓穩壓模塊和充電模塊給鋰電池充電。在沒有熱源的情況下，優先選用鋰電池給負載供電，如若鋰電池電量不充足時，使用電池盒中十電池給負載供電。本產品可實現多種環境下工作。

5 結束語

在有熱源的情況下，利用溫差發電片，實現溫差發電可白充電式小裝置。本產品提升了用戶的使用感與使用率，增加了小裝置的實用性，并利用溫差發電，具有攜帶方便，使用安全，節能環保，綠色低碳，續航時間長等優點。

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【通聯編輯：謝媛媛】

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