手机体温充电系统的设计

手机体温充电系统的设计

1 引言
    手机已成为人们生活中不可缺少的通信工具。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8～12μm，人体基础代谢24 h内所产生的热能为8 059．8 kJ，一个成年人的皮肤展开后其表面积约为2 m2，以每平方米体表面积为衡量标准，能量代谢在1 h内产生的平均热量约167．9 kJ／(m2·h)。人体的主要散热部位是皮肤，当环境温度低于体温时，大约70％的体热通过皮肤的辐射、传导和对流散热消耗掉。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。
    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3．6 V(也有的为3．7 V)。如AA800 mAh的锂离子电池平均工作电压为3．6 V，则其能量为2．88 Wh，而人体皮肤单位面积单位时间辐射的热量约为32．65 W／m2，由能量转换可知，面积为1 m2的人体皮肤辐射1 h的能量约为32．65 Wh，如果以0．2 C(160 mA)的充电率给锂离子电池充电，则需要5 h可充满能量为2．88 Wh的锂离子电池，其能量转化效率的理论值约为1．76％，泰柯斯(Telkes)在1947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△T成正比：
    △U=s△T=s(tH-tL) (1)
    式中，s称为塞贝克系数，其单位是V／K或μV／K。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1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。

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1所示，选择多晶硅材料制作热电偶，其相对于10μm波长的光源可显示出90％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RL构成，通过金属材料(通常是铜)相连接，工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。

    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N对热电偶的半导体温差电池(热电堆)的热电电压U为
    U=Ns(tH-tL) (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。

    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RL和温差电池本身的电阻R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1 mm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5 mm后，输出功率和发电效率均趋于定值。用多晶硅形成热电偶，串联组成热电堆，采用0．8 V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809个热电偶，将这些热电偶阵列串联组成热电堆。假设环境与人体的温差为9℃，转化效率为15％，只需要面积约为0．012 721 m2的人体皮肤，即只用到人体皮肤总面积的1／158。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1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m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4．2 V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DC／DC转换器件PT1301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
    
    调整R1、R2的阻值，使输出电压U0稳定在4．2 V，输出电流为160 mA。

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809个半导体热电偶形成的热电堆。热电堆的制造工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Bi2Te3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。
    Bi2Te3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Bi95Sb5，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(Al2O3)和氧化铍(BeO)，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0．911 V，电流约70 mA，则等效输入内阻为13．01Ω。因此．试验采用由127对N-P半导体热电偶组成1片温差电池．其外形尺寸为40 mm×40 mm×4 mm，测得内阻约为3．8 Ω，采用4片做不同的串并联试验，外接负载为15 Ω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列出了温差为9 K时的实验数据。

6 结论
    根据理论分析设计了手机体温充电系统，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，输出功率最大，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的，只要进一步提高热电偶的转化效率，将实现手机真正意义上的永不断电。