刘周晓同学发表中科院一区Trans论文

——基于使用能量反馈技术的PID改良算法的高效热电温控系统

2021年5月26号，《IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS》（IF:8.236）发表了上海理工大学王宁老师课题组在热电领域的最新成果，刘周晓同学是该工作的主要贡献者。该研究提出了一种采用能量反馈技术的PID（proportional integral differential）改进算法的高效热电温度控制系统，该系统可以使用热电冷却器（TEC）重新回收利用反向塞贝克电压，利用电源的智能充放电管理，为TEC提供了一种响应速度快、能量回馈机制高效的新型温度控制算法。该控制系统能够实现快速、精确的温度控制，并且其能量反馈系统能够提高TEC在外围电路的能量利用效率。

背景介绍

随着现代电子工业的发展，电子器件对散热的需求越来越大。例如，随着芯片制造工艺的进步，散热已成为制约高性能芯片和大功率耗散器件发展的重大问题。而且，各种应用对安全性、微型化、精确的温度控制的要求也越来越高。电能可以通过基于珀耳帖效应的热电冷却器转化为热能，这通常用于冷却大功率设备，用于实现精确的温度控制。TEC相比于传统的冷却方法，具有固态操作、无有毒残留物、可扩展性、免维护运行和长寿命的优势，作为半导体制冷设备在许多场景中发挥着重要的作用。与加热或冷却通常是离散的、单向的传统温控技术相比，基于TEC的半导体温控系统是双向的，即通过反转流过TEC的电流来实现加热和冷却的转换。然而，TEC的商业应用受到相对较低的能量转换效率的限制（5%到10%）。为提高转换效率，近年来研究主要集中在高效热结构和材料的开发上。

系统原理

该系统总共分为四个模块，分别是电源监控和管理（PMM）模块、PID温控模块、能量反馈模块、中央控制单元。PMM模块包括一个外部电源和一个用于充电的太阳能电池板，两者都可以通过数字继电器由计算机软件控制。 这允许系统同时继续充电和放电。 该模块采用两颗功耗监控芯片，实时评估两块电池的充放电情况。 芯片与主机通信以智能地打开和关闭电池。此外，为确保充电过程平稳安全，脉冲宽度调制（PWM）模块上还使用了电压调节装置。PID温度控制模块使用四个金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）协同控制TEC的温度。在能量回馈模块中，设计一个整流桥电路将电能回收并用于系统的传感器供电。当 TEC 的顶面和底面之间的温差很大时，模块产生电能。收集的电能可以通过升压电路驱动系统中的传感器，从而提高TEC的冷却效率。在中央控制单元中，嵌入了基于Raspberry Pi的改进PID算法，是状态机与常规PID算法的结合。

图1：（a）温度控制系统实验平台；（b）太阳能电池板和模拟光源；(c)TEC温度控制系统的详细信息

总结与展望

该系统在输入电流为3.1A的情况下，实现了从1.437°C-60.187 °C的宽温控制。在环境温度为22 °C时，若目标温度为 10 °C，该系统的控制时间为 30.5 s，而使用传统方法时为287 s，精度为 0.1 °C，误差仅为±0.35°C。并且可以回收峰值电压为1.2 V、电流为24 µ A的电能。论文首次将能量反馈系统应用与TEC，有望解决TEC能量转换的低能效问题，为高效热电方案提供了新思路。同时该工作可为便携式设备、空间电源、小功率工业控制、汽车电子等特殊应用场景的温度控制提出新方案。