手機體溫充電系統的設計

1 引言
??? 手機已成為人們生活中不可缺少的通信工具。目前手機都是由可充電的鋰離子電池供電，在野外或無市電的情況下，手機隨時可能沒電，這給使用者帶來許多不便。經研究人體與環境之間總是存在溫差，利用溫差電技術可實現真正意義上的手機永不斷電。溫差電技術是綠色環保的發電技術，是一種新的能源替換方式，可將低品位熱源的熱量有效地轉化為電能，同時減少能量消耗，緩解環境污染問題。因此，微型溫差電器件將有美好的應用前景，手機體溫充電系統對于新能源開發必定具有重要的實際意義。

2 手機體溫充電的原理
2．1 人體的能量
??? 正常情況下，人體發出的紅外波長為8～12μm，人體基礎代謝24 h內所產生的熱能為8 059．8 kJ，一個成年人的皮膚展開后其表面積約為2 m2，以每平方米體表面積為衡量標準，能量代謝在1 h內產生的平均熱量約167．9 kJ／(m2·h)。人體的主要散熱部位是皮膚，當環境溫度低于體溫時，大約70％的體熱通過皮膚的輻射、傳導和對流散熱消耗掉。四肢末稍皮膚溫度最低，越接近軀干、頭部，皮膚溫度越高。在寒冷環境中，隨著氣溫下降，手、足的皮膚溫降低最顯著，但頭部皮膚溫度變動相對較小。可以看出，頭部皮膚溫度最高，且隨環境溫度變動相對較小。因此手機體溫充電系統適合安裝在帽子內部，可提高充電效率。
??? 手機的鋰離子電池可通過充電或添加能量物質重復使用，其額定電壓容量一般為3．6 V(也有的為3．7 V)。如AA800 mAh的鋰離子電池平均工作電壓為3．6 V，則其能量為2．88 Wh，而人體皮膚單位面積單位時間輻射的熱量約為32．65 W／m2，由能量轉換可知，面積為1 m2的人體皮膚輻射1 h的能量約為32．65 Wh，如果以0．2 C(160 mA)的充電率給鋰離子電池充電，則需要5 h可充滿能量為2．88 Wh的鋰離子電池，其能量轉化效率的理論值約為1．76％，泰柯斯(Telkes)在1947年研制出一臺溫差發電器，其發電效率為5％。因此，該轉化效率在很久以前就可滿足要求，人體的體溫為手機充電在能量轉換方面是完全可以實現的。
2．2 塞貝克效應
??? 溫差發電可直接將熱能轉換成電能，只要存在溫差，溫差發電模塊就能產生電壓。人體與環境溫度常存在溫差，利用溫差電技術可轉化為電能為手機充電。研究發現將兩種半導體結合，并使其一端處于高溫狀態(熱源)，而另一端開路并且處于低溫狀態(冷源)，則在冷源端會產生開路電壓△U，稱為溫差電動勢，也稱為賽貝克電動勢，賽貝克電壓△U與熱冷兩端溫度差△T成正比：
??? △U=s△T=s(tH-tL) (1)
??? 式中，s稱為塞貝克系數，其單位是V／K或μV／K。塞貝克系數由材料本身的電子能帶結構決定。

3 手機體溫充電系統
??? 如圖1所示，手機體溫充電系統主要包括3部分：直流電產生模塊、升壓穩壓電路模塊和手機充電接口。直流電產生模塊主要利用半導體溫差電池組產生直流電能，只要環境與人體皮膚之間存在溫差，溫差電池組兩端便產生電壓。半導體溫差電池組產生的電壓較小，為了減少溫差電池的數量，擬采用升壓電路實現升壓，滿足手機充電要求。由于環境溫度不穩定，則兩者之間的溫差很難穩定，則半導體溫差電池組產生的電壓就很難穩定，不滿足鋰離子電池充電電路的要求，為此必須對電壓進行穩壓處理后才可給鋰離子電池充電電路提供電能。

3．1 直流電產生模塊
??? 根據塞貝克效應，利用半導溫差電池組將熱能轉換成電能，產生直流電。熱電材料是一種能夠將熱能和電能相互轉換的功能材料，其參數如表1所示，選擇多晶硅材料制作熱電偶，其相對于10μm波長的光源可顯示出90％以上的高吸收率。考慮到材料優值系數對發電效率的影響至關重要，而半導體材料的溫差電優值系數最高。所以它是制造溫差電池的首選材料。最簡單的半導體溫差發電單元(圖2)由N型和P型半導體電偶臂以及負載電阻RL構成，通過金屬材料(通常是銅)相連接，工作在高溫熱源和低溫冷源之間，形成回路后就有電流流過負載電阻。

??? 從制造的難易程度和成本等方面考慮，半導體溫差電池組由單個發電單元構成是不合理的，這樣其輸出功率很低。通過優化設計，在相同的半導體用料情況下，用串聯方式將若干較小的N-P電偶相連接，形成如圖3所示的半導體溫差電池(熱電堆)。在溫差電池中，每個電偶對都工作在相同的溫差下，他們的作用也相同，因此整個溫差電池的輸出功率就是單個N-P電偶輸出功率乘以總的對數，一個擁有N對熱電偶的半導體溫差電池(熱電堆)的熱電電壓U為
??? U=Ns(tH-tL) (2)
??? 從結構可看出，半導體熱電偶對在電路上是串聯的，但在傳熱上是并聯的。溫差電池的兩端維持在環境與人體之間的溫差下，電流就會在回路中連續流動。

??? 描述半導體溫差電池熱電轉換性能的主要參數有發電效率和輸出功率。當負載電阻RL和溫差電池本身的電阻R相匹配時，負載能夠從半導體溫差電池中獲得最大的輸出功率，材料的優值系數Z對于半導體溫差電池的發電效率和輸出功率都很重要，而Z主要與半導體電偶臂的性質有關，對于材料溫差電特性一定的溫差電偶，優值并不是一個常數，而是與溫差電偶的幾何尺寸有關。電偶臂的長度小于1 mm時，輸出功率和發電效率均隨電偶臂長度的增加而提高；而當其長度超過5 mm后，輸出功率和發電效率均趨于定值。用多晶硅形成熱電偶，串聯組成熱電堆，采用0．8 V低啟動電壓的升壓器件，可計算出人體體溫經該升壓器件給手機充電需要約809個熱電偶，將這些熱電偶陣列串聯組成熱電堆。假設環境與人體的溫差為9℃，轉化效率為15％，只需要面積約為0．012 721 m2的人體皮膚，即只用到人體皮膚總面積的1／158。為了滿足手機鋰離子電池的充電要求，還需進一步提高溫差產生的電壓和電流，可將半導體溫差電池進行串聯和并聯形成溫差電池組，將半導體溫差電池作為電源，其串并聯的情況與其他電源的串并聯并無本質區別。
??? 在1片長方形絕緣基片上采用熱電堆的生產工藝，將P型半導體和N型半導體材料鍍到基板上，制成1片包含有數百只熱電偶的單元，在其兩端鍍上連接點形成熱電堆(溫差電池)，再將若干個熱電堆串并聯組成溫差電池組，兩邊焊好引線接到升壓穩壓電路模塊。
??? 半導體溫差電池組的熱電堆之間留有一定間隙，該間隙是為使配備者舒適而設置的排汗孔道，把溫差電池組縫到特制的馬夾上或帽子里邊，穿戴在身上，讓熱電偶的熱端面緊貼皮膚，冷端面暴露在空氣中，此時直流電產生模塊就開始輸m電壓。
3．2 升壓穩壓模塊
??? 體溫與外界環境之間的溫差較小，熱電偶產生的電壓也較小，而為手機充電需要4．2 V電壓，如果全部由熱電偶轉換，則需要很多熱電偶。采用升壓器件可解決這個問題。
??? 根據塞貝克效應，直流電產生模塊兩邊的溫差不穩定，輸出電壓也會不穩定。因為很難將環境溫度(冷端的溫度)控制在一個固定值，所以輸出電壓需經過穩壓后才能送入手機。根據手機充電要求，選擇升壓DC／DC轉換器件PT1301實現升壓穩壓電路，如圖4所示。輸出電壓由兩個外部電阻設定，即
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??? 調整R1、R2的阻值，使輸出電壓U0穩定在4．2 V，輸出電流為160 mA。

4 手機體溫充電系統的工藝
??? 手機體溫充電系統的關鍵部分是直流電產生模塊，該模塊主要是由809個半導體熱電偶形成的熱電堆。熱電堆的制造工藝主要涉及材料的切割成形和預處理，以及組件的整體焊接組裝等過程。根據前面的分析，熱電堆的制造工藝有下列要求：接觸電阻和接觸熱阻應盡可能小；具有較高的可靠性和較強的機械承受力；容易實現與散熱器和人體表面的良好熱接觸；盡可能低的生產成本。
??? (1)材料的切割及預處理 目前最常用的溫差電材料Bi2Te3及其合金材料是采用熔體生長法制備的。由于這類材料具有極易解理和各向異性的特點，在將晶錠切割成設計所需面長比的條狀溫差電偶臂時，必須注意選擇材料的切割方向，使溫差電偶的長度方向沿材料的生長方向，從而保證溫差電偶處于優值最大的方向。對于尺寸較小的溫差電偶臂，采用線切割或電火花切割可在很大程度上減小材料的損傷和切割損耗。然而這種方式切割速率較慢。
??? Bi2Te3及其合金具有斜方晶體結構，通常難以與常用的幾種錫類焊料具有較好的可焊性，因而難于實現溫差電偶與導流片的直接焊接。常用的解決方法是在溫差電偶臂的端面上掛一層過渡焊料，通常采用Bi95Sb5，除了盡可能選擇接觸性能較好的焊料外，還需要適當的工藝。焊接前，最好對各焊接表面進行化學清洗(腐蝕法)，焊接時則需要選擇適當的焊接溫度和時間，都可以在一定程度上提高熱電堆的接頭導電和導熱特性。
??? (2)器件的組裝焊接 陶瓷金屬化技術是目前最常用的熱電堆制造技術。該技術采用熱導率較高和電絕緣較好的陶瓷片作為基片，根據熱電堆導流片設計圖，采用篩網印制和高溫燒結的方法在陶瓷片上形成局部金屬化區域，然后在該區域形成銅導流片，之后就可將溫差電偶臂焊接在兩陶瓷片之間構成熱電堆。常用的陶瓷片有氧化鋁(Al2O3)和氧化鈹(BeO)，普通的應用要求多采用氧化鋁材料。

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5 試驗結果
??? 直流電產生模塊利用半導體溫差電池組將冷面和熱面之間的溫差轉化為電壓，試驗裝置如圖5所示。

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??? 在半導體溫差電池組的熱面加熱水，冷面加冷水，使其兩邊形成溫差，為把熱水的熱量很好的傳給半導體溫差電池組，半導體溫差電池組和金屬隔板之間的接觸面涂上一層薄導熱硅膠，排走接觸面的空氣，讓溫差電池組表面與金屬導熱隔板充分接觸。實驗測得可調直流電源經升壓器件給手機充電時其電壓約0．911 V，電流約70 mA，則等效輸入內阻為13．01Ω。因此．試驗采用由127對N-P半導體熱電偶組成1片溫差電池．其外形尺寸為40 mm×40 mm×4 mm，測得內阻約為3．8 Ω，采用4片做不同的串并聯試驗，外接負載為15 Ω電阻，使其等效為經過升壓器件給手機充電。圖6為在不同溫差下的試驗結果，表2列出了溫差為9 K時的實驗數據。

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6 結論
??? 根據理論分析設計了手機體溫充電系統，試驗結果表明，4片半導體溫差電池串聯時等效內阻和負載電阻達到匹配，輸出功率最大，在相同溫差下利用半導體溫差電池的串聯可以提高電壓和電流，以滿足升壓穩壓電路模塊的啟動條件，從而滿足手機充電要求。理論分析和試驗結果均證明利用體溫為手機充電是可行的，只要進一步提高熱電偶的轉化效率，將實現手機真正意義上的永不斷電。