基于塞貝克效應的燃氣灶電源自充電裝置設計

李金嫻，張 昂

(福州大學，福建福州 350108)

目前，市面上多數(shù)燃氣灶采用電脈沖式點火[1]，使用時通過旋轉按鈕就可以連續(xù)噴出電火花，直至點燃。同時，為了安全，在燃氣灶中設計了熄火保護裝置[2]，當意外熄火情況時可以通過控制電磁閥來自動關閉氣源，燃氣灶內的電池就是為點火裝置和熄火保護裝置提供電能的。因耗電量較大，使用者須在一定時間內更換電池，更換周期為2 個月到1 年不等，需額外購買電池造成使用不便，廢舊電池處理還存在環(huán)保問題，同時，電池盒通常位于燃氣灶內部，更換不便。針對上述問題，本文設計了一種燃氣灶電源自充電裝置，該裝置基于塞貝克效應[3-4]，利用溫差發(fā)電片[5]將燃氣灶使用時所產(chǎn)生的溢散廢熱轉換成電能，為燃氣灶內部鋰電池自動充電，不需要更換干電池，使用方便。

1 總體設計

以半導體熱電轉換理論的貝塞克效應為基礎，通過熱電流為鋰電池充電，達到熱電轉換效果。總體結構如圖1 所示，由溫差發(fā)電模塊、DC-DC 升壓模塊、充電保護模塊、鋰電池、輸出電路和外部構件組成，其中，溫差發(fā)電模塊由溫差發(fā)電片及附著于熱源端的吸熱片和附著于冷源端的散熱片組成。具體工作流程為：在溫差發(fā)電片的熱冷源面安裝散熱器，使有字面的冷端安裝大散熱器并靠近冷源用于散熱，無字端的熱面安裝較小散熱器靠近熱源用于吸收燃氣灶爐盤產(chǎn)生的熱量；當兩端有了一定溫差后，溫差發(fā)電片會產(chǎn)生一定的電壓和電流；由于燃氣灶使用時，熱量不穩(wěn)定，所以溫差發(fā)電片受熱不恒定，發(fā)電片所產(chǎn)生的電壓亦不恒定；鋰電池需恒壓充電，因此在溫差發(fā)電片的輸出端接入DC-DC 模塊，對溫差發(fā)電片輸出的電壓進行升壓和穩(wěn)壓[6]，使其輸出穩(wěn)定的電壓送入充電保護電路，經(jīng)充電保護電路按鋰電池的充電特性分階段充電，保護電池的內部結構，延長電池的使用壽命。

圖1 總體結構圖

2 電路設計

2.1 溫差發(fā)電模塊

溫差發(fā)電片根據(jù)塞貝克效應原理加工制造而成。在其兩面安裝散熱片擴大受熱和散熱面積，達到均勻受熱和散熱，并更快產(chǎn)生溫差，提升系統(tǒng)效率。一旦有溫差，發(fā)電片內部就會產(chǎn)生電流，將電流輸入進DC-DC 模塊以升壓穩(wěn)流，使之達到鋰電池的充電要求。溫差發(fā)電片輸出開路電壓V與兩材料之間的溫差(T2-T1)成正比[7]，受溫度影響較小時，由式(1)表示：

式中：SA和SB分別為發(fā)電片熱冷兩端材料自身的塞貝克系數(shù)；T2和T1分別為熱端和冷端溫度。

溫差發(fā)電片主要由許多P 型半導體和N 型半導體所組成的PN 結構成，構成一個溫差發(fā)電片需要3～127 對PN 結，當這些PN 結受熱后可在冷端產(chǎn)生電動勢，其主要結構如圖2 所示。所使用的溫差發(fā)電片型號為TEC1-12708，最大溫差61 ℃以上，最大工作電流8 A，-55～83 ℃為該模塊最理想的制冷工作溫度，其發(fā)電參數(shù)如表1 所示。廚房工作環(huán)境溫度一般在25 ℃左右，天然氣著火點為270 ℃，其火焰溫度可高達1 400 ℃。按國家規(guī)范[8]，燃氣灶面板溫升不超過105 ℃，所以，燃氣灶面板溫度為105～130 ℃，平常使用時燃氣灶面板靠近爐盤溫度約在30～100 ℃。所選TEC1-12708 型溫差發(fā)電片滿足工作溫度的需求。

圖2 溫差發(fā)電片結構示意圖

表1 TEC1-12708 發(fā)電片參數(shù)

市售的燃氣灶大多數(shù)使用2 節(jié)1 號電池供電，燃氣灶內部電路的工作電壓約為3 V。本文使用1 節(jié)18650 鋰電池來替換兩節(jié)1 號電池，充電電流最小不能低于200 mA。經(jīng)測試，燃氣灶點火時最大電流為346 mA，正常工作時電流為35.2 mA。所選TEC1-12708 溫差發(fā)電片能夠提供電池所需的充電電流。

2.2 DC-DC 模塊

燃氣灶開始工作時，溫差發(fā)電片受溫度影響電壓不穩(wěn)定，無法達到該電池的充電要求，所以需要先將溫差發(fā)電模塊的輸出端引入到DC-DC 調壓穩(wěn)壓模塊。本系統(tǒng)使用SX1308 芯片作為DC-DC 電流模式升壓轉換器[9]，該模式轉換器電路圖如圖3 所示，輸入電壓范圍為2～24 V，開關工作頻率為1.2 MHz，最高輸出電壓支持到28 V，最大輸出電流2 A。

圖3 DC-DC 升壓模塊原理圖

通過調整反饋分壓電阻R1、R2確定反饋電壓，本電路設置反饋電壓值為0.6 V，則R1為73.2 kΩ，R2為10 kΩ，可變電阻R1選擇3296w 系列的103 電位器，調節(jié)R1可確定輸出電壓Vout的值，初定為5 V。

電感L值由式(2)確定：

式中：γ為紋波系數(shù)，確定了紋波電流的值，通常會被定為最大負載值的0.1～0.3 倍，也就是說紋波系數(shù)γ值為0.1～0.3，本電路選擇開關頻率FSW為1.2 MHz 固定值，則電感量L取值為4.7 μH。

輸出電容C2的選擇見式(3)，其中，該DC-DC 模塊的輸出紋波電流ΔiL是關于電容的容抗和等效串聯(lián)阻抗(ESR)的函數(shù)。

式中：D為紋波占空比，可通過Vout-Vin的差值與Vin之比估算得出。在1.2 MHz開關頻率下，選用低導通電阻的快速恢復肖特基二極管D1，輸出電容C2選擇容量為220 μF的鉭電解電容器。

2.3 充電保護電路

鋰電池在過充后壽命被大大削減，這種影響是永久性的，若繼續(xù)充電，鋰金屬會在負極表面堆積，致使正負極短路[6]，所以，對鋰電池充電時的保護措施是必要的。鋰電池充電保護模塊如圖4 所示。TP4056 芯片是專為一節(jié)鋰離子電池而設計的線性充電的電路[10]，芯片內部功率管對電池進行恒流和恒壓充電。

圖4 充電保護電路原理圖

圖3 的輸出電壓Vout輸入到圖4 集成電路4 腳的VIN端，經(jīng)開關二極管D1作為電路工作電源的正輸入端VCC，2 腳ISET外接下拉式電阻可對充電電流進行設置，具體參數(shù)設置由該集成芯片手冊可查得，本電路R1取值為1.2 kΩ 電流模式，該引腳典型電壓為1.0 V，5 腳的BAT 端典型充電電流為1.0 A。芯片使能端8 腳接電源VCC 端高電平有效。6 腳充電完成指示端輸出低電平有效，當充電完成時，通過外接R2(1 kΩ)由內部開關接地，LED2點亮，表示充電結束。7 腳漏極開路輸出低電平有效，當充電時通過外接R3(1 kΩ)由內部開關接地，LED1點亮，表示充電狀態(tài)。通常使用的兩節(jié)1 號電池電壓是3 V，選用的充電鋰電池為3.7 V，在充滿電的情況下，鋰電池電壓達到4.2 V，所以為了燃氣灶的安全使用，要在圖4 輸出端串接二極管D2。

3 安裝調試與實驗

3.1 實驗環(huán)境

安裝的溫差發(fā)電模塊主要由溫差發(fā)電片與散熱裝置組成，如圖5 所示。溫差發(fā)電片的紅色導線為正極輸出線，黑色導線為負極輸出線，其有字面為冷端面，另一面為熱端面，發(fā)電片實物如圖5(a)所示。考慮到溫差發(fā)電片在工作時對溫度和溫差的要求以及在實際使用時的空間要求，采用導熱硅脂加鋁制格柵散熱片作為該模塊的散熱裝置，散熱片尺寸為105 mm×85 mm×35 mm，散熱器實物安裝圖如圖5(b)所示。發(fā)電片與散熱片均勻涂抹硅脂并充分接觸，將該裝置安裝在燃氣灶面板靠近爐盤處。

圖5 溫差發(fā)電模塊實物圖

安裝時，將溫差發(fā)電模塊的輸出端與圖3 的Vin連接，圖3的Vout與圖4 的VIN連接，圖4 的輸出端BAT+端接鋰電池正極，各模塊負極依次相連。在溫差發(fā)電片熱面放置溫度測量探頭檢測熱面溫度，將萬用表接至發(fā)電輸出處觀察產(chǎn)生的電壓，系統(tǒng)安裝調試圖如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)安裝調試圖

3.2 測試數(shù)據(jù)

使用電子溫度計測試燃氣灶工作時面板上表面(系統(tǒng)熱端吸熱片安裝位置)溫度。使用測溫槍測試燃氣灶底部附近底殼蓋板(系統(tǒng)冷端散熱片安裝位置)溫度。取冷端兩個測試點分別為D1、D2，熱端兩個測試點為H1、H2，在不同檔位、不同時間測試冷熱端溫度。各檔位加熱時長60 s 的測試數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 加熱60 s 測試數(shù)據(jù) ℃

為方便測試并準確模擬燃氣灶實際使用時的情況，測試時選擇使用熱風槍來模擬燃氣灶的高溫環(huán)境。用熱風槍給熱面加熱，將散熱片冷面置于冷水中加快散熱，用電子測溫計測熱面溫度，萬用表測發(fā)電片產(chǎn)生的電壓，測試數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 發(fā)電片產(chǎn)生電壓

隨著熱面溫度升高，溫差逐漸變大，半導體制冷片產(chǎn)生的電壓越來越高。當溫差約為47.4 ℃時，產(chǎn)生1.78 V 的電壓，此時充電模塊紅燈亮起，電池開始充電，經(jīng)DC-DC 升壓模塊后，充電模塊輸入電壓為5 V。當電池充電至4.07 V 時，充電電流約為7.88 mA。

3.3 數(shù)據(jù)分析

選用的18650 鋰電池的容量為2 000 mAh，在測試時，溫差發(fā)電模塊兩端的溫差大約為60 ℃，此時該充電裝置中的充電電流約為500 mA，充電電壓可以達到4.2 V。根據(jù)電池容量，電池充滿最多需要4 h。

測試燃氣灶一次打火時間約為0.5 s，總電流約為82.8 mA，開銷功率約為248.4 mW，即做功0.124 2 J。按照本實驗數(shù)據(jù)，中值溫差50 ℃時充電電流7.9 mA，即約8 s 熱電轉換充電滿足一次打火開銷。考慮到電池自放電等額外電能損耗后，該設計仍能充分保證日常正常使用燃氣灶所需電能開銷。

4 結論

該裝置將燃氣灶使用時的廢熱轉化為電能，給鋰電池充電，相較于傳統(tǒng)的燃氣灶，避免了使用時因沒電使得電磁閥無法開啟和無法打火的現(xiàn)象，降低了使用時火焰被意外熄滅后電磁閥無法及時關閉所帶來的安全風險。采用DC-DC 升壓模塊對溫差發(fā)片輸出功率進行匹配，用充電保護電路對發(fā)電效率進行嘗試驗證，采用模擬與實驗研究相結合的方法，探索了半導體溫差發(fā)電技術在低品位能源利用方面的新途徑。