应用于航空电子和航空航天的热电设备介绍

军事和航空航天领域，在狭窄，恶劣的环境中，坚固的运行和可靠的性能是最重要的，长期以来一直是热电能量收集的最主要市场。通常，热电装置利用来自发动机和电动机的热量并使用它来为传感器和无线传感器网络供电以用于状态监测应用。最近的创新正在促进该领域以及相关领域的发展。本文将回顾一些使用热电设备的主要航空电子和航空航天应用。例如，商用和军用飞机结合了由热电发电机提供动力的传感器和传感器网络，以监测飞机蒙皮的损坏，从而造成应力和结构弱点。在航空航天领域，火星探测器，好奇号，伽利略卫星，新视野太空探测器和卡西尼号航天器都是TEG用户。

将考虑的典型设备包括来自CUI的CP系列TEG和来自的eTEC模块莱尔德科技。将参考凌力尔特公司的LTC3108 DC/DC转换器，进一步考虑TEG产生的能量管理。

热差

支撑热电发电机（TEG）的主要现象是电气的产生通过在两种材料之间流动热量来利用温差来获得能量。这被称为塞贝克效应。差分越大，产生的能量就越多。

使用反向现象被称为Peltier效应的热电冷却器（TECs）通过施加电压产生温差（见图1）。输出电压的极性取决于TEC两端的温差极性。反转TEG的热侧和冷侧，输出电压改变极性。凌力尔特公司的一本有用的应用笔记清楚地解释了这些原理。¹

事实上，TEG或TEC可用于加热或冷却应用，以及用于发电。用于任一应用的模块之间没有功能差异，而是它们的使用模式不同，有时它们的结构与电路相关。

不断增加的市场兴趣

尽管认识到热电材料的巨大潜力再利用废热，使用TEC和/或TEG收集能量迄今为止应用有限。然而，该技术一直是广泛研究的对象，并且直到最近才开发出刺激了兴趣的增加。

对TEG研究的刺激至少部分归因于无线传感器网络的普及和需求用于自主操作。在诸如工业环境中的状态监测，智能计量，偏远地区的环境监测，结构监测以及车辆，飞机和航天器的运输部门等应用中尤其如此。

美国研究团队，包括化学家，来自西北大学和密歇根州立大学的材料科学家和机械工程师开发出一种基于普通半导体碲化物的新型，更高效的热电材料.2，环境稳定，预计将15％至20％的废热转化为电能。研究人员认为，ZT的品质因数为2.2（与更典型的1相比），新材料的效率足以用于实际的军事和工业应用，促使广泛使用.TEGs可以可以自主地用于为无线传感器网络供电，并且在没有恒定电源的情况下尤其需要，其中维护或更换电池的访问是不切实际的，并且其他环境能源不一致。实际上，TEG非常适合在诸如太空等恶劣环境中使用。它们不使用液体，在高温下茁壮成长，并且不依赖于阳光（如太阳能）或运动（压电）。

TEG当然也可以与储能装置结合使用，例如超级电容器或可充电电池，以提供更多的调节电源。无线传感器网络中使用的超低功耗电子产品的出现，导致越来越多的应用程序在低温度差的情况下运行，只有几度。

市场研究公司IDTechEx到2023年，热电能量收集器市场将达到8.75亿美元，这意味着未来十年将出现显着增长。市场研究人员认为，热电在投资和商业化方面领先于压电。尽管消费者和工业部门越来越感兴趣，但定制的军事和航空应用仍占据市场主导地位。

TEG已被美国和其他太空计划使用多年。事实上，它们已经被证明是阿波罗登月任务，维京人对火星任务以及先锋，旅行者，尤利西斯，伽利略和卡西尼对外太阳系的任务的安全，有效和持久的动力源。最近，他们被用来为火星车，好奇号提供能量。

使用TEG电源，因为太阳能替代品不能满足任务要求的全部范围。无论登陆地点如何，控制器都需要在其大气进入，下降和着陆期间与流动站进行全时通信。与太阳能替代NASA研究的相比，为这项任务开发的TEG使得火星车能够更进一步，行驶更多样的地形，持续更长时间，动力和热量更大，更有能力的科学有效载荷。

在美国开发对于多个太空任务，放射性同位素热电发电机（RTG）或“太空电池”操作流动站的仪器，机械臂，车轮，计算机和无线电。它以钚-238为燃料，在自然衰变时释放出热量。显然，很少有其他应用可能将其用作热源，但使用TEG进行能量收集的原则是可转移的。不需要移动部件将这些热量转换成电能。该系统使用热电偶从核材料和冷火星外部之间的温差产生电压。

RTG提供连续的热源，通过整个系统中的传热流体循环通过流动站。它确保仪器可以保持在其工作温度范围内。大约110瓦的电力不断产生，为流动站的仪器供电，预计将持续多年。

预测性维护

飞机维修是一项复杂而昂贵的业务，已开始利用能量收集和TEG特别是对于广泛的监控应用。监测飞机的外部皮肤对于早期检测由于磨损或鸟类碰撞造成的损坏是很重要的。自动供电的传感器可以安装在难以接近的位置，无需维护。 TEG可以串联使用，不仅可以为传感器供电，还可以为将传感器读数传输到中心位置所需的电子设备供电。

洛克希德马丁公司已经在多个飞机平台上实施了十年或更长时间的能量收集系统。其最近的一个项目是在其F-35联合攻击战斗机上部署的预测性维护系统，并作为其自动后勤信息系统（ALIS）的一部分实施。 ALIS支持F-35机队的日常运营，包括任务规划和飞行计划，维修和定期维护，以及零件的跟踪和订购。

预测性维护系统旨在帮助飞机技术人员预测即将发生的发动机问题，并仅在需要的时间和地点安排维护，同时有助于检测不可预见的故障或意外损坏。在操作中，每个F-35将通过运行状况和使用情况监控系统（HUMS）组件持续监控自己的系统，数据自动转发给ALIS。安装在飞机上和飞机内的这些自我报告监控系统中的一些将包括无线传感器网络，其中一些将使用能量收集技术供电，包括热电发电机。

飞机为有效安装提供了无数的温差机会的TEG。这可能是客舱外部和内部的空气温度，或涡轮发动机轴承与环境空气之间的温差。

一家主要的TEG供应商，Nextreme，与飞机原始设备制造商合作，精确完善其Thermobility TEG系统。用于飞机监控和预测性维护类型的应用。通过其合作伙伴，Nextreme开发了一种涡轮机健康管理系统，使喷气发动机维护专家能够检测，诊断并采取行动解决发动机轴承组件中的问题。

它在TEG设备中使用碲化铋集成电路材料生成正常运行的涡轮发动机轴承的热量约为20至30 mW。这足以为嵌入式传感器网络供电。

选择TEG

TEG有各种尺寸和电气规格。最常见的模块是方形的，尺寸范围从每侧约10毫米到50毫米。它们通常厚2至5毫米。如需选择，凌力尔特公司的应用笔记¹建议设计人员查看输出电压或输出功率与差分温度的数据，但声明并非始终提供。然而，通常陈述的两个参数是VMAX和IMAX，它们分别是最大工作电压和最大工作电流。注意，选择用于发电目的的热电模块时，一个好的经验法则是选择具有给定尺寸的最高乘积（VMAX•IMAX）的模块。这通常提供最高的TEG输出电压和最低的源电阻。对此规则的一个警告是，散热器的尺寸必须根据TEG的大小来确定。较大的TEG需要更大的散热片才能获得最佳性能。

总部位于英国的Laird Technologies公司是热管理，EMI屏蔽和无线天线解决方案的长期专家，已开发出各种用于加热，冷却的TEG和TEC设备。和能量收集应用。最近被Nextreme收购的Laird设备已经集成到军事和航空航天工业的系统级解决方案中，并且已经提供给OEM。

Laird的eTEG系列热电发电机是具有更高输出功率的微尺度设备功率密度。它们适用于无线传感器和电池充电应用。固态可靠性和无需维护要求使其适用于更换储能设备或在不存在电力线接入的偏远地区提供电力。

同时，Laird的HV37 eTEC的IMAX为0.9 A，VMAX为7.7 V，而HV56 eTEC的IMAX为0.9 A，VMAX为10.8 V.对于需要更高电流能力的应用，CP系列可能更适合。 CP08-71035-506采用环氧树脂密封，IMAX为2.1 A，VMAX为3.7 V.显着更大的CP14-66101-500是硅胶密封器件，IMAX为8.5 A，VMAX为14.5 V. 》总部位于美国的组件公司CUI提供一系列Peltier热电模块，帮助OEM满足当今先进电子产品所带来的日益严峻的热挑战。一种流行的器件是CP20351，采用硅胶密封封装，提供2.0 A的IMAX和15.4 V的VMAX。对于更高电流的应用，CP85338提供8.5 A的IMAX和8.6 V的VMAX。

利用TEG

凌力尔特公司指出，使用TEG时，产生的电能通常是不受管制的，并不总是放贷本身可直接用于为电子电路供电。在某些应用中，可能没有连续的，不间断的电源。同样，根据具体应用，平均输出功率可能不会很高，可能低至10μW至10 mW。实质上，如果信号源可用于为无线传感器或其他电子设备供电，这些特性需要明智的电源管理。

进入LTC3108和LTC3108-1，这是一系列高度集成的DC/DC转换器，非常适合收割和从极低输入电压源（如TEG）管理剩余能量（见图3）。升压拓扑结构可在低至20 mV的输入电压下工作。除了独特的固定VOUT选项外，LTC3108在功能上与LTC3108-1相当。

图3：凌力尔特公司的LTC3108 DC/DC转换器非常适合管理产生的热电能量作者：TEGs。

LTC3108采用小型升压变压器，为无线传感和数据采集提供完整的电源管理解决方案。 2.2 V LDO为外部微处理器供电，而主输出则被编程为四个固定电压中的一个，为无线发射器或传感器供电。电源良好指示灯表示主输出电压在调节范围内。主机还可以启用第二个输出。

存储电容在输入电压源不可用时提供电源。极低的静态电流和高效率设计确保了输出储能电容器的最快充电时间。该特定部件的额定温度范围为-40至125°C，是航空电子和航空航天应用的理想选择从应用的角度来看，值得注意的是，前面提到的Nextreme的Thermobility解决方案不仅包含Laird eTEG HV56热电发电机模块，还包含LTC3108超低电压升压转换器和电源管理器芯片，可提供高达1 mW的功率电力（见图4）。它的工作温度相对于环境温度低至15至20 K.

图4：Nextreme的Thermobility解决方案结合了eTEG HV56和LTC3108，可自动为飞机监控应用提供动力以满足预测需求维护系统。总结利用热电模块利用废热来产生能量对于一系列应用变得越来越有吸引力，尤其是在军事和航空航天领域。这些坚固耐用的设备使传感器及其相关通信电路能够长期可靠地供电，而无需使用电池。观察火星探测器，好奇号继续从其传感器发回数据有多长时间，这将是一件非常有趣的事情。