薄膜热电化学电池性能测试中的半导体制冷片高精度度温度控制解决方案
摘要
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1. 问题的提出
温差发电技术在固体材料领域以及半导体领域的应用和发展已经较为成熟。然而，在过去几年中逐渐崭露头角的一项创新性电化学热电池技术（Electrochemical Thermocells）因其更高的塞贝克系数而备受关注，并且其成本较低且能够适应复杂的热源表面特性也为其带来了广阔的前景。这些电化学热电池技术正成为当前研究的一个重点方向之一。基于此，在图1所示的基本原理框架下：这种电化学热电池技术是通过电化学体系中的塞贝克效应将冷热电极之间的温差直接转化为电势差从而实现发电效果；因此具备稳定的温度环境条件是使用和评价此类电化学电池的关键因素之一。
图1 电化学热电池基本原理
其中电解质、材料和电极在热力学系统中对温度的变化具有敏感性，并对其整体性能参数评估体系提出了严格的技术要求。具体而言，在测试过程中温差的产生与控制涉及多重技术手段与精确调控机制。
热电池的两个冷热端电极应维持不同温度以产生温差，并且这两个电极的温度要有一定的变化幅度，并且能够在多种不同的温度和温差条件下进行测试评估热电池的各项性能。
（2）对于冷端温度而言，则可用TEC半导体制冷器件来实现调节与控制；然而，在热端区域的温度通常较高，在这种情况下，则需要借助电阻或其他加热手段来满足需求。
当进行热电池性能测试时，在冷热电极端实施分段递增或循环交替变化的温度调控方案。通过这种方式不仅能够在不同电极温度状态及温差条件下进行测试，并能获得对应的最佳工作状态下的温度与温差信息；同时此方法有助于评估热电池在长期运行过程中的疲劳衰减特性。
新型的电化学热电池通常非常薄，在实际应用中所形成的微小温差主要体现在哪些方面呢？例如各种可穿戴设备中使用了此类热电池。从而要求相关性能测量装置必须能够在冷热电极之间提供微小温度差的能力。
从上述要求可以看出,当电化学热电池的形状确定后,相应的热电池性能测试装置的结构也随之基本确定;其中温度控制的核心在于合理选择加热方式以及配备有效的温控仪表
对于不同的 heating methods, we employ both resistive heating and TEC-cooled thin films as two primary approaches, which are capable of satisfying the testing requirements for most electrochemical thermoelectric generators across a wide range of temperatures and temperature gradients. When the temperature is relatively low, resistive heating alone can be utilized to regulate the temperature at the hot electrode region. The resistive heating method operates within a temperature range of 50°C to above 150°C. In contrast, TEC-cooled thin films are employed for both cooling and heating purposes at the cold electrode region, covering a temperature range from −10°C to 60°C.
对于温控仪表，满足上述温度控制要求的控温仪表需具备以下功能：
（1）可对电阻加热和TEC半导体制冷片分别进行控制。
（2）可编程控制功能，可控制温度按照编程设定的温度折线进行变化。
（3）交变温度控制功能，可控制温度按照设定周期和幅度进行交替变化。
（4）该系统具备自动调节PID参数的功能，并无需人工反复调节PID参数；此外还支持存储与调用多组不同的PID参数设置
检测和控制温度的精确度都很高；特别强调在薄膜热电池的温度梯度控制方面具有较高的精确度，并要求温度调节精度达到0.01摄氏度。
该系统支持通讯功能并通过上位机实现远程配置、程序设计以及设备的操作流程的实现；实时显示并记录相关信息。
配备相应的计算机软件后，不需要编程操作即可通过计算机设备完成配置（程序配置），启动运行相关程序，并将显示的数据信息以及保存的相关数据信息。
根据上述功能需求可以看出，在电化学热电池性能测试过程中对温度及温差的变化有着较高的要求。具体而言，则是需要相关设备必须具备精确度高、可编程性以及周期性调制等功能。然而这些多数功能目前仍无法实现于现有的电化学热电池性能测试装置中。为此部分文章着重介绍了一种新型超精确多功能PID调控装置，并对其在电化学热电池特性测试中的温度控制系统进行了详细阐述。
2. 解决方案
解决方案设计的温控系统典型结构如图2所示。
图2 电化学热电池性能测试温控系统结构示意图
图2所示的解决方案示意图包含了两部分：一种是电化学热电池性能测量装置；另一种是温度控制系统。其中该装置展示了对不同形状（如块状、板状或薄膜状）热电池的测试结构：在该装置中分别贴装阴极和阳极电极于热电池的不同表面；阴极端采用TEC半导体制冷芯片实现低温调节；而阳极端则通过电阻加热元件（包括电热膜和电热块）进行高温控制；这种设计能够在不同两端形成所需的温差变化。值得注意的是，在低温端选择TEC半导体制冷芯片的主要目的是确保精确的温度调控能力；这一功能对于提高薄膜式可穿戴用热电池的小温差测量精度至关重要；而在高温端采用电阻加热方式则是出于满足更高温区大温差测量需求考虑
基于半导体制冷芯片与电阻加热分别遵循不同的发热制冷规律，在温度控制方面呈现出显著的不同特征，在图2所示的解决方案中构建了两个独立且自成体系的温度控制回路。这些回路均采用了一种具有极高的精度性能的相同型态PID控制器以实现系统稳定运行；该控制器不仅具备极高的精度性能而且能够充分满足前述对温度自动调节装置的所有技术要求。
在该TEC半导体型制冷片温控回路中采用了双向控制功能这一设计特点。该系统通过获取温度传感器反馈的信号并与设定温度值进行比较后驱动双向电源模块对TEC制冷膜实施加热或降温操作从而实现了高精度的温度调节效果
在电阻加热温控回路中集成了一种基于温度控制的功能模块。该模块通过采集温度传感器输出信号并与设定温度值进行比较来驱动固态继电器执行加热操作，并最终实现高精度的温度调节效果。需要注意的是，在电阻加热系统中实现高精度温控除了必须选用高精度的铂电阻型或热敏电阻型温度传感器外还需要与相应的冷却系统配合以降低热惯性效应例如可在发热体下方安装散热装置以加速热量散发过程从而提高系统的响应速度与稳定性。而对于薄膜热电池系统则可采取另一种设计思路即在发热体下方增加绝热层以减少系统厚度从而降低热惯性效应无需额外冷却装置即可实现高精度的局部温度控制因为这种装置自身的物理尺寸较小所以其热惯性自然较低并且可以通过低温电极对高温电极进行快速散热从而保证高温电极区域能够维持稳定的高精度工作状态
为实现热电池温度交变试验而设计了一种创新方案：采用了远程定点设置机制。该机制通过在辅助输入通道接通外部信号发生器来生成不同类型的周期性波形作为交变设定值，并使热电极温度按照所述设定波形实现周期性的变化过程。具体而言，在图2中可以看到这一远程定点设置机制可通过一个外置开关模块实现切换配置选项，在正常工作状态下可完成常规恒温控制，在特殊需求下则能切换至交变控温模式完成实验操作。
3. 总结
本研究提出的技术方案能够基本满足大部分电化学热电池性能测试对温度环境控制的需求，并非专门针对某一种特定类型的设备设计。该方法不仅有助于系统性地评估热电池性能参数，并且为优化其应用条件提供了可靠的实验平台。
主要配备高精度PID控制器搭配了相关的软件系统，并采用MODBUS标准兼容接口RS485连接至计算机形成独立测控平台；通过计算机简便地对PID控制器实施远程操作并可轻松设定各项控制参数；实现对过程参数的数据采集存储以及以曲线形式展示出来；无需编程即可完成测试实验特别适合用于实验室中的研究与实验
此方案的独特之处在于具备高度灵活且具扩展性的特点，并非仅局限于局部优化而能充分考虑全局性能特征
