基于TEG技术的加热器供能系统

周 天，侯旭峰，任保国

(中国电子科技集团公司第十八研究所，天津 300384)

野战口粮是指按照军队规定的技术标准生产、供应，在行军、作战等情况下或热食供应困难时食用的制式方便食品。野战口粮在战争中的地位自古以来就受到重视，野战条件下的饮食保障不仅关系到作战人员的生存问题，而且直接影响到部队的战斗力。在现代战争高机动性的趋势下，单兵野战口粮热食化是野战口粮发展的一大方向。外军单兵野战口粮热食化的研究起步较早，发展较快，水平较高。其中最具代表性的产品有美军的自热单兵快餐口粮，以无火焰化学加热器为热源对野战口粮加热，于1993 年正式列装部队[1]。外军口粮加热装置通常由军用汽车或柴油发电机供电，工作时噪音较大，且机动性和环境适应性较差，无法适应复杂环境下的野战后勤保障需求。

温差发电器(thermoelectric generator，TEG)是一种利用塞贝克效应将热能直接转化为电能的换能器，其基本组成单元为温差发电器件，通常由多对温差电单对以及陶瓷基板集成而成，基本结构如图1 所示。其热电转换原理如图2 所示：温差发电器中的温差电单对是由P、N 型温差电材料通过电极连接构成的π 型回路，在温差电单对一端施加热量，P 型材料中的空穴和N 型材料中的电子会因塞贝克效应由热端向冷端定向移动，从而在回路中形成电流[2]。

图1 温差发电器件结构示意图

图2 温差发电器件发电原理示意图

TEG 能够不依靠外部构件直接实现热能和电能的相互转化，同时具有质量轻、静态、免维护的优点[3]，嫦娥4 号探测器中的TEG 已在轨服役两年以上。本研究设计基于TEG 技术的加热器供能系统，以满足军队野战快速就餐和长期作战补给的需要，同时提升军事行动的机动性，增强热食补给的自持能力。

1 设计方案

1.1 整体结构

基于TEG 技术的加热器供能系统整体结构如图3 所示，主要由箱体、水箱、燃烧器、排烟孔、隔热挡板、TEG 模块等部件组成。TEG 模块安装在水箱底部，箱体内部间隙设置隔热挡板，防止热量损失，在隔热挡板开小孔以控制热流走向，提升热量利用效率，燃烧产生的烟雾沿排烟孔排出。系统具有锂离子电池低温性能好、TEG 对锂离子电池充电效率高、可靠性高、自持能力强等特点。

图3 基于TEG技术的加热器供能系统结构示意图

1.2 供能策略

系统采用TEG 和锂离子电池协同的策略对野战口粮加热器供能，分为以下三种工作模式。

(1)在启动燃烧器时，电源管理器启动控制电路使锂离子电池向燃烧器供电，驱动燃烧器工作。

(2)随着燃烧器产生热量，TEG 的冷面紧贴水箱底部，水沸腾后形成水蒸气排散，实现对TEG 冷面的持续散热，沸腾的水作为散热载体，使TEG 形成恒定的冷面温度；燃烧器的燃烧热对TEG 热面持续加热，集热器使热量集中，形成恒定的热面温度。建立有效温差后，TEG 开始产生电能。在TEG发电功率小于燃烧器工作功率这一时间段内，TEG 和锂离子电池同时对燃烧器供电。当TEG 输出电压大于锂离子电池储能模块工作电压时，TEG 开始向锂离子电池涓流充电。

(3)当TEG 冷热面温度稳定、电输出性能稳定且达到燃烧器用电需求时，电源管理器进行工作模式切换，使TEG 独立给燃烧器供电，并将多余的电量充向锂离子电池。

这种供能策略一方面合理利用了燃烧器产生的热量，使其既能加热食物又能被TEG 转化为电能；另一方面减少了锂离子电池的用电量，在锂离子电池工作时利用TEG 产生的电能对其涓流充电，有助于延长锂离子电池的寿命，可以提升系统的自持能力。

1.3 TEG 模块设计

TEG 由多个TEG 模块组成，TEG 模块与水箱底部的集成，是设计中的关键技术难点。为了提升TEG 的热电转换效率，需减少TEG 模块漏热，使热能尽量多地通过TEG 中的温差电材料；为了避免热能在传入水箱时损失过多，影响传热效率，需尽量保证TEG 模块与水箱底部接触平整。综合考虑以上因素，设计TEG 模块结构如图4 所示。

图4 TEG模块结构

TEG 模块由温差发电器件、隔热层、热端集热器、定位杆、压紧系统、热防护罩、冷端面板等组件构成。将多个温差发电器件放入有凹槽的隔热层中集成为模块，隔热层一方面作为温差发电器件的载体，另一方面可以减少漏热，为了设立温差发电器件冷热面温差，在每个温差发电器件上放置一片铝垫板。集热器设计为图4中的立式多层板状结构，可以增大换热面积，提升TEG 模块的热面温度。集热器、隔热材料、冷端面板和水箱底部设计贯通接口，通过定位栓和压紧系统将TEG 模块与水箱底部紧固，同时在TEG 模块与水箱底部间放置一层柔性导热绝缘垫，提升接触面平整度，减小漏热。

2 实验与分析

2.1 实验准备

本实验中TEG 由6 个TEG 模块组成，将6 个TEG 模块安装于口粮加热器整机锅具底部，为了准确测试不同位置排布的TEG 模块冷、热面温度和温度分布均匀性，在6 个TEG 模块中共布置7 个测温热电偶，如图5 所示。

图5 TEG模块测温点布置

在6 个TEG 模块的4 个典型位置各设置1 只K 型热偶，测试TEG 模块热面温度的变化情况。在6 个TEG 模块的底板设置3 个测温点，测试TEG 模块冷面温度的变化情况。热电偶采用一体化封闭式结构的K 型铠装热偶，以提升实验中测温线路连接的可靠性；所有测试线路均增加隔热层定位保护，防止测温点松动造成温度波动。

为了提升TEG 对锂离子电池的充电效率，将6 个TEG 模块分为2 组(1 号、2 号、3 号为第一组，4 号、5 号、6 号为第二组)分别串联：3 个串联TEG 模块的开路电压为54 V，当输出电压为开路电压一半(27 V)时，TEG 可以达到最大输出功率，该电压与锂离子电池的电压非常接近，通过DC-DC 转换后充电效率较高，所以采用此种电连接方式。每个TEG 模块由12 只外形尺寸为40 mm×40 mm 的温差发电器件串联组成，每只温差发电器件中包含49 对3 mm×3 mm×1.8 mm 的温差电元件，单只器件的室温电阻为0.2 Ω。温差电元件采用碲化铋基温差电材料，该材料在低温下热电性能良好，在热面温度250 ℃、冷面温度100 ℃的条件下，单只器件的开路电压可达1.5 V左右。

按照系统工作模式要求，电源管理器控制模块的功能主要包括3 个方面：(1)向燃烧器的逆变供电管理：执行锂离子电池→燃烧器、TEG→燃烧器的直流转交流的电压变换；(2)向锂离子电池的充电管理：通过DC-DC 控制TEG 向锂离子电池充电，并监测锂离子电池的健康状态；(3)供电和控制策略管理：判断TEG 的工作状态，实现几种供电模式的切换。

2.2 TEG 模块装配

使用点焊枪将螺柱焊接于整机锅具底部，在TEG 模块底部涂抹导热硅脂，将每个TEG模块中的连接通孔与对应的螺柱对位后穿过螺柱，使用螺母将TEG模块固定于整机锅具底部。

为了避免实验中火焰燃烧和高温气体对测温线缆和输出线缆造成高温损伤，将各线缆沿TEG 模块排列方向整理平整后，按照TEG 模块底板/隔热材料/线缆/隔热材料的顺序堆叠,之后将压板放置在外层隔热材料上，使用螺钉穿过隔热材料，连接压板与TEG 模块底板，实现线缆的固定。最后将各线缆穿过整机出线口，与电控模块中对应的数据采集单元连接。TEG 模块装配示意图如图6 所示。

图6 TEG模块装配

2.3 实验结果

经测试，燃烧器开启5 min 后6 个TEG 模块共产生1 A 电流，开始对锂离子电池充电，18 min 时将锂离子电池的电量由53%充至60%。25 min 时TEG 模块的热面最高温度达到213 ℃，同时6 个TEG 模块的总输出功率达到最高的116 W，下面对各实验数据进行详细分析。

2.3.1 TEG 冷热面温度

在1、2、4、6 号TEG 模块热面设置热电偶，采集不同时间下TEG 模块的热面温度，热面温度与时间关系曲线如图7 所示。图7 中曲线表明，所有TEG 模块的热面温度均随时间增加而上升，其中6 号TEG 模块的热面温度最高，在40 min 时达到了240 ℃，这是因为6 号TEG 模块排布于第二层流道的入口位置，属于热流首汇点，温度偏高较为合理。1 号、2 号与6 号TEG 模块热面温度较为相近，但4 号与6 号TEG 模块热面温度差距在30～40 ℃，温度均一性较差，主要是由于整机的热流道区域温差较大，4 号TEG 模块位于整个模块的中部，温度不及热流发出点和热流首汇点较为合理。

图7 TEG热面温度与时间关系

在1、4、6 号TEG 模块冷面设置热电偶，采集不同时间下TEG 模块的冷面温度，冷面温度与时间的关系曲线如图8 所示。图8 中曲线表明，1、4 号与6 号TEG 模块冷面温度差距较大，在全时间段内差距在30～40 ℃，这同样是由于6 号TEG模块处于热流首汇点的原因。

图8 TEG冷面温度与时间关系

2.3.2 TEG 输出电压

6 个TEG 模块的输出电压与时间关系曲线如图9 所示。图9 表明，在一定时间后，1 号、2 号、6 号TEG 模块的输出电压较高，可达10～12 V；而3 号、4 号、5 号TEG 模块的输出电压较低，只有8～9 V，这主要是因为1 号TEG 模块位于热流入口点、2 号TEG 模块离热流入口点较近、6 号TEG 模块位于热流首汇点，这3 个TEG 模块的热面温度较高，更易建立温差。对于TEG，其最大理论发电效率ηmax可用公式(1)表示，式中：TH、TC分别为TEG 热端和冷端温度，zTavg为TEG 中温差电材料的平均热电优值。根据公式(1)可以发现，TEG 冷热面温差越大，温差电材料的平均热电优值越高，则TEG 的最大理论发电效率越高。所以当温差电材料平均热电优值一定时，冷热面温差较大的3 个TEG 模块的发电性能更好。

图9 各TEG输出电压与时间关系

2.3.3 TEG 输出功率

6 个TEG 模块的总输出功率与时间的关系曲线如图10所示，其整体趋势为：在前25 min 内迅速增长，25 min 时达到最高的116 W，之后趋于平稳。这是因为加热初期，TEG 冷面热量通过锅内的水排散，较易在TEG 冷热面建立温差；当TEG 冷面温度达到100 ℃左右，TEG 冷热面温差趋于稳定，所以TEG 输出功率呈现出先快速增长再稳定的趋势。20 min 后TEG 即可独立给燃烧器供电，同时将多余的电量向锂离子电池充电，充电效率可达90%以上。

3 结论

本研究设计的基于TEG 技术的加热器供能系统，依托TEG 能够实现热电转换的特点，充分利用燃烧器产生的热能，使其加热野战口粮的同时被转换为电能，反过来对燃烧器供能，成功实现系统的自循环独立运行。本系统自持性强和可靠性高的特点使其能够满足军队野战快速就餐和长期作战补给的需要，有潜力在未来的军需后勤保障领域发挥作用。