手机体温充电系统的设计.pdf

第1 7 卷第1 1 期电子设计工程2 0 0 9 年1 1 月V 0 1 1 7N o 11E l e c t r o n i cD e s i g nE n g i n e e r i n gN o v 2 0 0 9手机体温充电系统的设计邓均周汉昌(中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原0 3 0 0 5 1)摘要：手机通信时因电池电量不足而突然关机会给手机用户带来不便。而研究发现人体与环境之间总是存在温差，因此可利用温差电技术实现为手机随时补充能量。在介绍温差电技术基本原理的基础上。设计手机体温充电系统。利用半导体材料制作热电偶通过串联形成热电堆再进行串并联构成温差电池组。经升压稳压电路后。该模块满足手机充电要求。并研究了工艺最后通过试验测试温差电池组和升压稳压电路，结果显示升压稳压电路的充电启动电压为0 9 1 1V，电流为7 0 m A。当半导体温差电池串并联的等效内阻和负载电阻匹配时输出功率达到最大。关键词：体温充电；温差电池组；升压稳压电路；热电堆工艺；绿色能源中图分类号：T N 3 7 7文献标识码：A文章编号：1 6 7 4-6 2 3 6(2 0 0 9)l l _ 0 1 0 7 0 4D e s i g no fb o d yt e m p e r a t u r ec h a r g i n gs y s t e mf o rm o b i l ep h o n eD E N GJ u n，Z H O UH a r t-c h a n g(K e yL a b o r a t o r yo f I n s t r u m e n t a t i o n S c i e n c ea n dD y n a m i cM e a s u r e m e n t,l 眦n i s t r yo f E d u c a t i o n，N o r t hU n i v e r s 妙o f C h i n a,T a i y u a n0 3 0 0 5 1，C h i n a)A b s t r a c t：I t Sm o s ti n c o n v e n i e n tf o rm o b i l ep h o n eu g e r st h a tt h em o b i l ep h o n ei ss u d d e n l yp o w e ro f fd u et ol a c ko fe l e c t r i cq u a n t i t yw h e nw ec o m m u n i c a t ew i t he a c ho t h e rb ym o b i l ep h o n e I ti sf o u n dt h a tt h e r ea l w a y se x i t st e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e t w e e nb o d ya n de n v i r o n m e n t,w h i c hC a l lb et r a n s f o r m e dt oe l e c t r i ce n e r g yb yu s i n gt h e r m o e l e c t r i ct e c h n o l o g yt oc h a r g et h ec e l lp h o n em o m e n t a r i l y B a s i cp r i n c i p l eo ft h e r m o e l e c t r i ct e c h n o l o g yi si n t r o d u c e d，o nt h eb a s i s，b o d yt e m p e r a t u r ec h a r g i n gs y s t e mf o rm o b i l ep h o n ei sd e s i g n e d U s i n gs e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l st om a k et h e r m o c o u p l e s，a n df o r mt h e r m o p i l e sb ys e d e sc o n n e c t i o n，t h e nc o n s t i t u t e st h e r m o b a t t e r yt h r o u g hs e r i e s p a r a l l e lc o n n e c t i o n，t h e nm e e t sc e l lp h o n ec h a r g i n gr e q u i r e m e n t st h r o u g hb o o s t e ra n ds t e a d yv o l t a g ec i r c u i tm o d u l e R e l a t e dt e c h n o l o g yi sa l s or e s e a r c h e d F i n a l l y，t h et h e r m o b a t t e r ya n dt h eb o o s t e ra n ds t e a d yv o l t a g ec i r c u i tm o d u l ea l t e s t e db ye x p e r i m e n t s t I l er e s u l ts h o w st h a tt h ec h a r g i n gs t a r t-u pv o l t a g eo fb o o s t e ra n ds t e a d yv o l t a g ec i r c u i ti s0 9 11 V，c u r r e n ti s7 0 m A O u t p u tp o w e rr e a c h e st h em a x i m u mw h e ne q u i v a l e n ti n t e r n a lr e s i s t a n c eo fs e m i c o n d u c t o rt h e r m o b a R e r ys e r i e s p a r a l l e lc o n n e c t i o nm a t c h e sw i t hl o a dr e s i s t a n c e K e yw o r d s：b o d yt e m p e r a t u r ec h a r g i n g；t h e r m o b a t t e r y；b o o s t e ra n ds t e a d yv o l t a g ec i r c u i t；t h e r m o p i l et e c h n o l o g y；g r e e ne n e r g y1 引言手机已成为人们生活中不可缺少的通信T 具f l】。目前手机都是由可充电的锂离子电池供电，在野外或无市电的情况下，手机随时可能没电。这给使用者带来许多不便。经研究人体与环境之间总是存在温差利用温差电技术1 2-3 1 可实现真正意义上的手机永不断电。温差电技术是绿色环保的发电技术，是一种新的能源替换方式可将低品位热源的热量有效地转化为电能，同时减少能量消耗，缓解环境污染问题。因此，微型温差电器件将有美好的应用前景。手机体温充电系统对于新能源开发必定具有重要的实际意义。2 手机体温充电的原理2 1 人体的能量正常情况下，人体发出的红外波长为8 1 2p,m，人体基收稿日期：2 0 0 9-0 6 0 8稿件编号：2 0 0 9 0 6 0 2 3础代谢2 4h 内所产生的热能为80 5 9 8k J。一个成年人的皮肤展开后其表面积约为2m z，以每平方米体表面积为衡量标准。能量代谢在lh 内产生的平均热量约1 6 7 9k J(m 2 h)嗍。人体的主要散热部位是皮肤当环境温度低于体温时，大约7 0 的体热通过皮肤的辐射、传导和对流散热消耗掉1 5 1。四肢末稍皮肤温度最低越接近躯干、头部，皮肤温度越高。在寒冷环境中，随着气温下降。手、足的皮肤温降低最显著，但头部皮肤温度变动相对较小。可以看出头部皮肤温度最高，且随环境温度变动相对较小。因此手机体温充电系统适合安装在帽子内部可提高充电效率嘲。手机的锂离子电池可通过充电或添加能量物质重复使用，其额定电压容量一般为3 6V(也有的为3 7V)r 7 l。如A A8 0 0m A h 的锂离子电池平均工作电压为3 6V，则其能量为2 8 8W h 而人体皮肤单位面积单位时间辐射的热量约为3 2 6 5W m 2，由能量转换可知，面积为lm 2 的人体皮肤辐射lh 的能量约为3 2 6 5W h，如果以0 2C(1 6 0m A)的充电率作者简介：邓均(1 9 8 2 一)，男，重庆人，硕士。研究方向：光学工程光电检测技术。一1 0 7 万方数据电子设计工程)2 0 0 9 年第1 1 期给锂离子电池充电则需要5h 可充满能量为2 8 8W h 的锂离子电池，其能量转化效率的理论值约为1 7 6，泰柯斯(T e l k e s)在1 9 4 7 年研制出一台温差发电器，其发电效率为5。因此该转化效率在很久以前就可满足要求。人体的体温为手机充电在能量转换方面是完全可以实现的。2 2 塞贝克效应温差发电可直接将热能转换成电能，只要存在温差温差发电模块就能产生电压。人体与环境温度常存在温差利用温差电技术可转化为电能为手机充电。研究发现将两种半导体结合，并使其一端处于高温状态(热源)，而另一端开路并且处于低温状态(冷源)，则在冷源端会产生开路电压U。称为温差电动势，也称为赛贝克电动势。赛贝克电压U 与热冷两端温度差r 成正比：A C，岛A T=s(旷屯)(1)式中，s 称为塞贝克系数，其单位是V 或仙V。塞贝克系数由材料本身的电子能带结构决定。3 手机体温充电系统如图l 所示手机体温充电系统主要包括3 部分：直流电产生模块、升压稳压电路模块和手机充电接口。直流电产生模块主要利用半导体温差电池组产生直流电能。只要环境与人体皮肤之间存在温差温差电池组两端便产生电压。半导体温差电池组产生的电压较小为了减少温差电池的数量拟采用升压电路实现升压，满足手机充电要求。由于环境温度不稳定。则两者之间的温差很难稳定。则半导体温差电池组产生的电压就很难稳定。不满足锂离子电池充电电路的要求，为此必须对电压进行稳压处理后才可给锂离子电池充电电路提供电能。直流电产生模块重堡塞堡H 重銎查H 燮H 塑l手机图1 手机体温充电系统框图3 1 直流电产生模块根据塞贝克效应，利用半导温差电池组将热能转换成电能，产生直流电。热电材料是一种能够将热能和电能相互转换的功能材料，其参数如表l 所示，选择多晶硅材料制作热电偶。裹I多晶硅、铝以及隔热膜材料的性能和尺寸参数参数多晶硅铝隔热膜镍锘反射层赛贝克系缈(I m V K)1 1 0热导痒y(w m K)5 0宽度m3 0 1 0-6厚度mI 5 1 0-6电阻萼V(u n m)4 5密度(r e,m 3)2o o o毫压比热J(k g K)7 0 03一一2 3 82 4“3 0 1 0 一一一0 3 1 0 62 1 1 0 6 0 1 1 0 60 0 船一一1 93 2 022 0 079 1 08 8 27 8 04-1 0 8-其相对于1 0V m 波长的光源口丁显示出9 0 以上的高吸收率。考虑到材料优值系数对发电效率的影响至关重要而半导体材料的温差电优值系数最高，所以它是制造温差电池的首选材料。最简单的半导体温差发电单元(图2)由N 型和P型半导体电偶臂以及负载电阻R：构成，通过金属材料(通常是铜)相连接。f T 作在高温热源和低温冷源之间形成回路后就有电流流过负载电阻。图2 一对N P 电偶温差发电原理示意图从制造的难易程度和成本等方面考虑。半导体温差电池组由单个发电单元构成是不合理的。这样其输出功率很低。通过优化设计。在相同的半导体用料情况下用串联方式将若干较小的N P 电偶相连接，形成如图3 所示的半导体温差电池(热电堆)。在温差电池中，每个电偶对都工作在相同的温差下。他们的作用也相同因此整个温差电池的输出功率就是单个N P 电偶输出功率乘以总的对数一个拥有对热电偶的半导体温差电池(热电堆)的热电电压U 为U=N s(t s-t L)(2)从结构可看出。半导体热电偶对在电路上是串联的，但在传热上是并联的。温差电池的两端维持在环境与人体之间的温差下。电流就会在回路中连续流动。R绝缘层，导电体绝缘体环境接触层(冷端，萋I l 耋ll量Il耋P型半导体N型半导P型半导体人体接触层(热端)I图3 半导体温差电池原理示意图描述半导体温差电池热电转换性能的主要参数有发电效率和输出功率。当负载电阻尺。和温差电池本身的电阻月相匹配时，负载能够从半导体温差电池中获得最大的输出功率，材料的优值系数Z 对于半导体温差电池的发电效率和输出功率都很重要而Z 主要与半导体电偶臂的性质有关对于材料温差电特性一定的温差电偶优值并不是一个常数，而是与温差电偶的几何尺寸有关。电偶臂的长度小于lm m时。输出功率和发电效率均随电偶臂长度的增加而提高；而当其长度超过5m m 后输出功率和发电效率均趋于定值i S l。用多晶硅形成热电偶串联组成热电堆，采用O 8V 低启动电压的升压器件。可计算出人体体温经该升压器件给手机充电需要约8 0 9 个热电偶。将这些热电偶阵列串联组成热 万方数据邓均，等手机体温充电系统的设计电堆。假设环境与人体的温差为9 0 C，转化效率为1 5，只需要面积约为0 0 1 27 2 1m s 的人体皮肤，即只用到人体皮肤总面积的1 1 1 5 8。为了满足手机锂离子电池的充电要求。还需进一步提高温差产生的电压和电流可将半导体温差电池进行串联和并联形成温差电池组，将半导体温差电池作为电源。其串并联的情况与其他电源的串并联并无本质区别。在l 片长方形绝缘基片上采用热电堆的生产工艺。将P 型半导体和N 型半导体材料镀到基板上制成1 片包含有数百只热电偶的单元，在其两端镀上连接点形成热电堆(温差电池)，再将若干个热电堆串并联组成温差电池组。两边焊好引线接到升压稳压电路模块。半导体温差电池组的热电堆之间留有一定间隙。该间隙是为使配备者舒适而设置的排汗孔道，把温差电池组缝到特制的马夹上或帽子里边，穿戴在身上。让热电偶的热端面紧贴皮肤，冷端面暴露在空气中，此时直流电产生模块就开始输出电压。3 2 升压稳压模块体温与外界环境之间的温差较小热电偶产生的电压也较小而为手机充电需要4 2V 电压，如果全部由热电偶转换。则需要很多热电偶。采用升压器件可解决这个问题。根据塞贝克效应。直流电产生模块两边的温差不稳定，输出电压也会不稳定。因为很难将环境温度(冷端的温度)控制在一个固定值所以输出电压需经过稳压后才能送入手机。根据手机充电要求。选择升压D C D C 转换器件P T l 3 0 1实现升压稳压电路，如图4 所示。输出电压由两个外部电阻设定即V o w=(1+尺,R 2)(3)1=1 2 5 I，侬2(4)调整R l、尺2 的阻值，使输出电压砺稳定在4 2V，输出电流为1 6 0m A。4 手机体温充电系统的工艺手机体温充电系统的关键部分是直流电产生模块，该模块主要是由8 0 9 个半导体热电偶形成的热电堆。热电堆的制造T 艺主要涉及材料的切割成形和预处理以及组件的整体焊接组装等过程。根据前面的分析，热电堆的制造工艺有下列要求：接触电阻和接触热阻应尽可能小；具有较高的可靠性和较强的机械承受力：容易实现与散热器和人体表面的良好热接触；尽可能低的生产成本。(1)材料的切割及预处理目前最常用的温差电材料B i 2 T e，及其合金材料是采用熔体生长法制备的。由于这类材料具有极易解理和各向异性的特点，在将晶锭切割成设计所需面长比的条状温差电偶臂时，必须注意选择材料的切割方向。使温差电偶的长度方向沿材料的生长方向，从而保证温图4 升压稳压电路差电偶处于优值最大的方向。对于尺寸较小的温差电偶臂，采用线切割或电火花切割可在很大程度上减小材料的损伤和切割损耗。然而这种方式切割速率较慢。B i，T e，及其合金具有斜方晶体结构，通常难以与常用的几种锡类焊料具有较好的可焊性因而难于实现温差电偶与导流片的直接焊接。常用的解决方法是在温差电偶臂的端面上挂一层过渡焊料，通常采用B i b 5，除了尽可能选择接触性能较好的焊料外。还需要适当的工艺。焊接前，最好对各焊接表面进行化学清洗(腐蚀法)，焊接时则需要选择适当的焊接温度和时间，都可以在一定程度上提高热电堆的接头导电和导热特性。(2)器件的组装焊接陶瓷金属化技术是目前最常用的热电堆制造技术。该技术采用热导率较高和电绝缘较好的陶瓷片作为基片。根据热电堆导流片设计图，采用筛网印制和高温烧结的方法在陶瓷片上形成局部金属化区域，然后在该区域形成铜导流片。之后就可将温差电偶臂焊接在两陶瓷片之间构成热电堆。常用的陶瓷片有氧化铝(A 1 2 0，)和氧化铍(B e O)，普通的应用要求多采用氧化铝材料。5 试验结果直流电产生模块利用半导体温差电池组将冷面和热面之间的温差转化为电压试验装置如图5 所示。在半导体温差电池组的热面加热水，冷面加冷水，使其两边形成温差为把热水的热量很好的传给半导体温差电池组半导体温差电池组和金属隔板之间的接触面涂上一层薄导热硅胶。排走接触面的空气，让温差电池组表面与金属导热隔板充分接触。实验测得可调直流电源经升压器件给手机充电时其电压约O 9 1 1V，电流约7 0m A，则等效输入内阻为1 3 0 ln。因此，试验采用由1 2 7 对N P 半导体热电偶组成t片温差电池其外形尺寸为4 0m m x 4 0m m x 4l n l n，测得内阻约一1 0 9 万方数据电子设计工程)2 0 0 9 年第1 1 期电阻使其等效为经过升压器件给手机充电。图6 为在不同温差下的试验结果。表2 列出r 温差为9K 时的实验数据。6 结论根据理论分析设计r 手机体温充电系统，试验结果表明4 片半导体温差电池串联时等效内阻和负载电阻达到匹配。输m 功率最大，在相同温差下利用半导体温差电池的串联可以提高电压和电流。以满足升压稳压电路模块的启动条件从而满足手机充电要求。理论分析和试验结果均证明利用体温为手机充电是可行图5 半导体温差电池组试验装置的只要进一步提高热电偶的转化效率。将实现手机真为3 8Q 采用4 片做不同的串并联试验，外接负载为1 5n正意义上的永不断电。0 0 0 0 0 专0 0 0 0 OKT(a)温差与电压的关系曲线(b)温羞与电流的关系曲线A 一单片温差电池，b 一两片温差电池串联，c 一三温差电池串联d-4 片温差申J 池串联，e 一两片温差电池串联，f _ 两个并联的温差电池串联图6 半导体温差电池组串并联试验数据曲线图壅兰望叁垄2 鉴堕兰墨签里叁皇垫叟茎壁堕堕墼堑壅序号温差电池工作模式电压U V 电流m A 功率尸m W参考文献：【l】倪晓旺新型免充电手机电池【E B O L 2 0 0 6 h t t p：w w w 1 a o g u c o m m s g _ _ 1 8 1 6 1 h t m 2】栾伟玲，涂善东温差电技术的研究进展 N】科学通报，2 0 0 4，4 9(1 1)：lO ll l0 1 9【3】b a n y e 半导体热电堆发电循环的热力学研E E B O L 2 0 0 7 h t t p：c h i n a-h e a t p i p e n e t h e a t p i p e 0 5 2 0 0 7 1 2 3 7 1 2 3 2 2 8 2 67 1 h t m 4 1 王延杰一种靠人体热能发电的温差电池：中国，C N l 4 3 3 0 9 0A【P J 2 0 0 3-7-3 0【5】姚泰生理学【M】上海：复旦大学出版社，2 0 0 5【6 1 莫维彪天丝纤维的特殊功能 E B O L】2 0 0 9 h t t p：w w w c h i n a y a r n n e t n e w s z 仉j 3 p d p d【7】吴红奎，吴红静锂电池及其充电电路漫谈【J】应用电路与制作2 0 0 7(5 3 8)：7-9【8】屈健低温差下半导体温差发电器设计与性能研粗D】上海：同济大学。2 0 0 6 I N N N N N I N#N#M 一-#-_-欢迎订阅2 0 1 0 年度电子设计工程(月刊)国内邮发代号：5 2-1 4 2国际发行代号：M 2 9 9 6联系电话：[phone]-订价：6 0 0 元期7 2 0 0 元年传真：[phone]ll碧 万方数据手机体温充电系统的设计手机体温充电系统的设计作者：邓均，周汉昌作者单位：中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西,太原,030051刊名：电子设计工程英文刊名：ELECTRONIC DESIGN ENGINEERING年，卷(期)：2009,17(11)参考文献(8条)参考文献(8条)1.屈健 低温差下半导体温差发电器设计与性能研究 20062.吴红奎;吴红静 锂电池及其充电电路漫谈 2007(538)3.莫维彪 天丝纤维的特殊功能 20094.姚泰 生理学 20055.王延杰 一种靠人体热能发电的温差电池 20036.banye 半导体热电堆发电循环的热力学研究 20077.栾伟玲;涂善东 温差电技术的研究进展期刊论文-科学通报 2004(11)8.倪晓旺 新型免充电手机电池 2006 本文链接：