基于塞贝克效应的燃气灶电源自充电装置设计

李金娴，张 昂

(福州大学，福建福州 350108)

目前，市面上多数燃气灶采用电脉冲式点火[1]，使用时通过旋转按钮就可以连续喷出电火花，直至点燃。同时，为了安全，在燃气灶中设计了熄火保护装置[2]，当意外熄火情况时可以通过控制电磁阀来自动关闭气源，燃气灶内的电池就是为点火装置和熄火保护装置提供电能的。因耗电量较大，使用者须在一定时间内更换电池，更换周期为2 个月到1 年不等，需额外购买电池造成使用不便，废旧电池处理还存在环保问题，同时，电池盒通常位于燃气灶内部，更换不便。针对上述问题，本文设计了一种燃气灶电源自充电装置，该装置基于塞贝克效应[3-4]，利用温差发电片[5]将燃气灶使用时所产生的溢散废热转换成电能，为燃气灶内部锂电池自动充电，不需要更换干电池，使用方便。

1 总体设计

以半导体热电转换理论的贝塞克效应为基础，通过热电流为锂电池充电，达到热电转换效果。总体结构如图1 所示，由温差发电模块、DC-DC 升压模块、充电保护模块、锂电池、输出电路和外部构件组成，其中，温差发电模块由温差发电片及附着于热源端的吸热片和附着于冷源端的散热片组成。具体工作流程为：在温差发电片的热冷源面安装散热器，使有字面的冷端安装大散热器并靠近冷源用于散热，无字端的热面安装较小散热器靠近热源用于吸收燃气灶炉盘产生的热量；当两端有了一定温差后，温差发电片会产生一定的电压和电流；由于燃气灶使用时，热量不稳定，所以温差发电片受热不恒定，发电片所产生的电压亦不恒定；锂电池需恒压充电，因此在温差发电片的输出端接入DC-DC 模块，对温差发电片输出的电压进行升压和稳压[6]，使其输出稳定的电压送入充电保护电路，经充电保护电路按锂电池的充电特性分阶段充电，保护电池的内部结构，延长电池的使用寿命。

图1 总体结构图

2 电路设计

2.1 温差发电模块

温差发电片根据塞贝克效应原理加工制造而成。在其两面安装散热片扩大受热和散热面积，达到均匀受热和散热，并更快产生温差，提升系统效率。一旦有温差，发电片内部就会产生电流，将电流输入进DC-DC 模块以升压稳流，使之达到锂电池的充电要求。温差发电片输出开路电压V与两材料之间的温差(T2-T1)成正比[7]，受温度影响较小时，由式(1)表示：

式中：SA和SB分别为发电片热冷两端材料自身的塞贝克系数；T2和T1分别为热端和冷端温度。

温差发电片主要由许多P 型半导体和N 型半导体所组成的PN 结构成，构成一个温差发电片需要3～127 对PN 结，当这些PN 结受热后可在冷端产生电动势，其主要结构如图2 所示。所使用的温差发电片型号为TEC1-12708，最大温差61 ℃以上，最大工作电流8 A，-55～83 ℃为该模块最理想的制冷工作温度，其发电参数如表1 所示。厨房工作环境温度一般在25 ℃左右，天然气着火点为270 ℃，其火焰温度可高达1 400 ℃。按国家规范[8]，燃气灶面板温升不超过105 ℃，所以，燃气灶面板温度为105～130 ℃，平常使用时燃气灶面板靠近炉盘温度约在30～100 ℃。所选TEC1-12708 型温差发电片满足工作温度的需求。

图2 温差发电片结构示意图

表1 TEC1-12708 发电片参数

市售的燃气灶大多数使用2 节1 号电池供电，燃气灶内部电路的工作电压约为3 V。本文使用1 节18650 锂电池来替换两节1 号电池，充电电流最小不能低于200 mA。经测试，燃气灶点火时最大电流为346 mA，正常工作时电流为35.2 mA。所选TEC1-12708 温差发电片能够提供电池所需的充电电流。

2.2 DC-DC 模块

燃气灶开始工作时，温差发电片受温度影响电压不稳定，无法达到该电池的充电要求，所以需要先将温差发电模块的输出端引入到DC-DC 调压稳压模块。本系统使用SX1308 芯片作为DC-DC 电流模式升压转换器[9]，该模式转换器电路图如图3 所示，输入电压范围为2～24 V，开关工作频率为1.2 MHz，最高输出电压支持到28 V，最大输出电流2 A。

图3 DC-DC 升压模块原理图

通过调整反馈分压电阻R1、R2确定反馈电压，本电路设置反馈电压值为0.6 V，则R1为73.2 kΩ，R2为10 kΩ，可变电阻R1选择3296w 系列的103 电位器，调节R1可确定输出电压Vout的值，初定为5 V。

电感L值由式(2)确定：

式中：γ为纹波系数，确定了纹波电流的值，通常会被定为最大负载值的0.1～0.3 倍，也就是说纹波系数γ值为0.1～0.3，本电路选择开关频率FSW为1.2 MHz 固定值，则电感量L取值为4.7 μH。

输出电容C2的选择见式(3)，其中，该DC-DC 模块的输出纹波电流ΔiL是关于电容的容抗和等效串联阻抗(ESR)的函数。

式中：D为纹波占空比，可通过Vout-Vin的差值与Vin之比估算得出。在1.2 MHz开关频率下，选用低导通电阻的快速恢复肖特基二极管D1，输出电容C2选择容量为220 μF的钽电解电容器。

2.3 充电保护电路

锂电池在过充后寿命被大大削减，这种影响是永久性的，若继续充电，锂金属会在负极表面堆积，致使正负极短路[6]，所以，对锂电池充电时的保护措施是必要的。锂电池充电保护模块如图4 所示。TP4056 芯片是专为一节锂离子电池而设计的线性充电的电路[10]，芯片内部功率管对电池进行恒流和恒压充电。

图4 充电保护电路原理图

图3 的输出电压Vout输入到图4 集成电路4 脚的VIN端，经开关二极管D1作为电路工作电源的正输入端VCC，2 脚ISET外接下拉式电阻可对充电电流进行设置，具体参数设置由该集成芯片手册可查得，本电路R1取值为1.2 kΩ 电流模式，该引脚典型电压为1.0 V，5 脚的BAT 端典型充电电流为1.0 A。芯片使能端8 脚接电源VCC 端高电平有效。6 脚充电完成指示端输出低电平有效，当充电完成时，通过外接R2(1 kΩ)由内部开关接地，LED2点亮，表示充电结束。7 脚漏极开路输出低电平有效，当充电时通过外接R3(1 kΩ)由内部开关接地，LED1点亮，表示充电状态。通常使用的两节1 号电池电压是3 V，选用的充电锂电池为3.7 V，在充满电的情况下，锂电池电压达到4.2 V，所以为了燃气灶的安全使用，要在图4 输出端串接二极管D2。

3 安装调试与实验

3.1 实验环境

安装的温差发电模块主要由温差发电片与散热装置组成，如图5 所示。温差发电片的红色导线为正极输出线，黑色导线为负极输出线，其有字面为冷端面，另一面为热端面，发电片实物如图5(a)所示。考虑到温差发电片在工作时对温度和温差的要求以及在实际使用时的空间要求，采用导热硅脂加铝制格栅散热片作为该模块的散热装置，散热片尺寸为105 mm×85 mm×35 mm，散热器实物安装图如图5(b)所示。发电片与散热片均匀涂抹硅脂并充分接触，将该装置安装在燃气灶面板靠近炉盘处。

图5 温差发电模块实物图

安装时，将温差发电模块的输出端与图3 的Vin连接，图3的Vout与图4 的VIN连接，图4 的输出端BAT+端接锂电池正极，各模块负极依次相连。在温差发电片热面放置温度测量探头检测热面温度，将万用表接至发电输出处观察产生的电压，系统安装调试图如图6 所示。

图6 系统安装调试图

3.2 测试数据

使用电子温度计测试燃气灶工作时面板上表面(系统热端吸热片安装位置)温度。使用测温枪测试燃气灶底部附近底壳盖板(系统冷端散热片安装位置)温度。取冷端两个测试点分别为D1、D2，热端两个测试点为H1、H2，在不同档位、不同时间测试冷热端温度。各档位加热时长60 s 的测试数据如表2 所示。

表2 加热60 s 测试数据 ℃

为方便测试并准确模拟燃气灶实际使用时的情况，测试时选择使用热风枪来模拟燃气灶的高温环境。用热风枪给热面加热，将散热片冷面置于冷水中加快散热，用电子测温计测热面温度，万用表测发电片产生的电压，测试数据如表3所示。

表3 发电片产生电压

随着热面温度升高，温差逐渐变大，半导体制冷片产生的电压越来越高。当温差约为47.4 ℃时，产生1.78 V 的电压，此时充电模块红灯亮起，电池开始充电，经DC-DC 升压模块后，充电模块输入电压为5 V。当电池充电至4.07 V 时，充电电流约为7.88 mA。

3.3 数据分析

选用的18650 锂电池的容量为2 000 mAh，在测试时，温差发电模块两端的温差大约为60 ℃，此时该充电装置中的充电电流约为500 mA，充电电压可以达到4.2 V。根据电池容量，电池充满最多需要4 h。

测试燃气灶一次打火时间约为0.5 s，总电流约为82.8 mA，开销功率约为248.4 mW，即做功0.124 2 J。按照本实验数据，中值温差50 ℃时充电电流7.9 mA，即约8 s 热电转换充电满足一次打火开销。考虑到电池自放电等额外电能损耗后，该设计仍能充分保证日常正常使用燃气灶所需电能开销。

4 结论

该装置将燃气灶使用时的废热转化为电能，给锂电池充电，相较于传统的燃气灶，避免了使用时因没电使得电磁阀无法开启和无法打火的现象，降低了使用时火焰被意外熄灭后电磁阀无法及时关闭所带来的安全风险。采用DC-DC 升压模块对温差发片输出功率进行匹配，用充电保护电路对发电效率进行尝试验证，采用模拟与实验研究相结合的方法，探索了半导体温差发电技术在低品位能源利用方面的新途径。