半导体制冷技术在车载冰箱中的应用

卢星星，胡 平

（长安大学电子与控制工程学院，陕西西安 710064）

作者简介：卢星星（1990－），男，长安大学电子与控制工程学院硕士研究生，检测技术与自动化装置专业。

胡 平（1990－），女，长安大学电子与控制工程学院硕士研究生，控制理论与控制工程专业。

摘 要：半导体制冷是帕尔贴效应在制冷方面的应用。基于安全、环保、轻便式设备在人们心中的地位不断提高，依据半导体制冷的原理和特点，并结合当今汽车电子技术的发展和人们的需求，本文提出了半导体制冷技术在车载冰箱中的应用，探讨了实现该技术的方法。

关键词：半导体制冷；车载冰箱；实现方法

Abstract：Semiconductor refrigeration is Peltier effect in refrigeration applications．Based on safety，environmental protec－tion，the ranking of portable equipment，on the basis of the principle and characteristics of semiconductor refrigeration，and combined with the development of the automobile electronic technology and the demand of people，put forward the application of semiconductor refrigeration technology in the car，discusses the implementation methods of the technology．

Key words：Semiconductor refrigeration；Car refrigerator；Implementation method

1 引言

随着人民生活质量的不断提高，人们越来越青睐于节能环保，轻便小巧，使用寿命长的材料，因此，半导体技术越来越多的走进了人们的生活。半导体制冷也在实际的应用中得到了不断的发展，它摆脱了传统的以机械压缩的方式来达到制冷的目的，无需制冷剂，只要改变其工作电压和工作电流便可实现制冷和制热的目的。半导体冰箱比传统压缩式冰箱的体积小、重量轻，可大大节约空间。半导体制冷器具有冷热均制的优势，这使得半导体冰箱能够为长途开车以及开车外出旅游、野餐的人们带来极大的便利，且可使用12V汽车直流电工作，能承受较大颠簸，因此极其适合在汽车这种空间有限，条件有限的环境中使用。

2 半导体制冷的原理及特点

2．1 帕尔贴效应

半导体制冷片的工作原理是基于帕尔帖原理，该效应是在1834年由法国科学家帕尔帖首先发现的，即当电流流经由两种不同导体构成的回路时，如图1所示，在两导体的接头处除了产生焦耳热以外还会释放出其他的热量，而另一个接头处则吸收热量，且帕尔帖效应所引起的这种现象是可逆的，当改变电流方向时，放热和吸热的接头也随之改变，吸收和放出的热量与电流强度I［A］成正比，且与两种导体的性质及热端的温度有关［1］。

图1 帕尔贴效应

2．2 半导体制冷的原理

半导体制冷器的基本元件是热电偶，热电偶由半导体材料制成。一种为电子型（N型）半导体材料，一种为空穴型（P型）半导体材料，电偶之间用金属片（1、2、3）相连，如图2所示。

N型半导体和P型半导体分别靠电子和空穴的移动来导电，当接通直流电源后，N型半导体中的电子和P型半导体中的空穴在外电场的作用下发生移动。电子由负极流向正极，空穴由正极流向负极，电子和空穴称为载流子，由于载流子在半导体中的势能比它们在金属中的势能大，因此当载流子流过节点的时候会引起能量的传递。当载流子从较高势能向较低势能移动时，向外界放出热量，当载流子从较低势能向较高势能移动时则从外界吸收热量。

根据这一原理，如图2所示，回路中在金属导体两侧分别出现冷端和热端，金属片1从工作环境中吸热，从而达到制冷的目的，而金属片2、3则向环境介质排热，当改变电源的正负极时，冷端和热端的位置也相应的发生变化［2］。

图2 半导体制冷原理示意图

图2中这一对电偶的制冷量很小（一般约1 kcal／h），为了得到更好的制冷效果，通常串联、并联、混联上述电偶组成制冷电堆，获得数瓦到数千瓦的制冷量。

3 半导体制冷温度控制系统的设计与实现

3．1 半导体制冷温度控制系统的硬件设计

3．1．1 系统的总体设计框图

系统的总体框图如图3所示。主要由单片机系统，通信电路，温度测量、显示电路，以及半导体制冷器的驱动电路组成。

图3 系统总体框图

系统的工作原理如下：系统在上电后，先由上位机给系统预设所需要达到的制冷温度，并通过1602液晶显示出来。在半导体制冷器的冷端有一个DS18B20的温度传感器，该温度传感器时刻检测制冷器的冷端温度，制冷器的冷端温度一方面通过1602液晶显示出来，另一方面输入到单片机中，单片机通过PID控制算法，对接收到的实际温度进行计算，得到要输出的当前控制量（PWM的占空比），而半导体制冷器的制冷量与电流、电压成正比，因此可以利用该输出的控制量来控制半导体制冷片器的驱动电路，达到控温的目的。

3．1．2 系统的控制及通信电路设计

（1）系统的控制单元由STC12C5410单片机及其外围电路组成，该单片机是高速／低功耗的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但与普通51单片机相比，其速度快8～12倍。内部集成MAX810专用复位电路，4路PWM，通用I／O口可设置成四种模式，每个I／O口驱动能力均可达到20m A，驱动外围电路能力强，并且价格低廉，功能完全符合该控制系统的需要［3］。

（2）系统采用串口转USB接口单元来实现计算机USB接口与通用串口之间的转换，该单元部分主要由USB插座、串口转USB芯片（CH340）及外围电路构成，以实现计算机与单片机之间的通信。系统的显示单元采用LCD1602液晶来显示预设的温度以及实时显示制冷器冷端的温度， LCD1602液晶是最常见的液晶显示屏，该液晶屏使用方便，接口简单，价格低廉，对于该控制系统的设计来说，完全符合显示的功能需要。系统的控制及通信电路如图4所示。

3．1．3 半导体制冷器驱动电路设计

由半导体制冷器的工作原理可知，半导体制冷器冷却速度和冷却温度可以通过改变工作电流和工作电压的大小而任意调节，因此本系统将H桥驱动电路引入对半导体制冷器进行控制，利用PWM控制H桥来驱动半导体制冷器，可以使系统在临界状态下对控制系统的温度进行非常精确的控制。

本文选用TEC－12703半导体制冷片来进行半导体制冷的研究，这款制冷片额定电压为12V，额定电流为3A，制冷功率18W。H桥驱动芯片选用LMD18200，该驱动芯片工作电压高达55V，峰值输出电流高达6A，连续输出电流达3A， LMD18200驱动芯片的内部结构如图5所示。

图4 控制及通信电路

图5 LMD18200内部结构图

芯片的引脚2和10接半导体制冷片，引脚5接PWM，可以控制流过半导体制冷片的电流大小，从而控制制冷器的温度，引脚6接电源，引脚3接单片机I／O口用以控制流经制冷片电流的方向，从而可以使制冷器的冷热端互换。

3．2 半导体制冷温度控制系统的软件设计

单片机在上电复位后，开始进入主程序，主程序主要包括对目标温度的设定，温度显示，温度采集以及PID控制模块。主程序的流程图如图6所示。

系统通过串口助手对单片机设定目标温度，用单总线的DS18B20温度传感器进行半导体制冷器冷端温度的采集，并通过1602液晶屏显示设定的温度和实时显示制冷器冷端的温度。

3．2．1 温度控制算法

温度控制算法是整个控制程序的核心，本文采用了增量式PID控制算法。该算法结构简单、稳定性好、工作可靠，被广泛应用于工业控制中。在模拟系统中，PID算法的表达式为：

图6 主程序流程图

其中P（t）为调节器的输出，e（t）是调节器的偏差信号，Kp是比例系数，Ti是积分时间，Td是微分时间。

PID参数的整定是PID控制算法中非常重要的一个环节，本文中采用经验试凑法对PID控制器的参数进行整定。通过对各参数控制过程影响趋势的分析，对参数进行先比例，后积分，再微分的整定步骤。

比例调节器。比例调节器的输出与输入的偏差成正比。只要有偏差出现，比例作用就能够按比例反应使被控量朝着减小偏差的方向变化，具有调节及时的特点。但是，比例系数Kp过大会降低系统的稳定性，产生严重超调现象。

积分调节器。积分调节器的作用是指调节器的输出与输入偏差的积分成比例的作用，其作用是消除稳态误差，Ti是积分时间，它表示积分速度的大小，Ti越大，积分速度越慢，积分作用越强。

微分调节器。微分调节的作用是对偏差的变化进行控制，加入微分调节将有助于减小超调量，克服震荡，它能够预见偏差的变化趋势，做出超前的控制，加快系统的动作速度，减小调整的时间，从而使系统的动态性能得到改善［4］。

4 实验结果

系统选用12V3A的电源供电，将半导体制冷器的冷端放在保温的盒子内，接通电源后，通过上位机给系统预设0℃的制冷温度，在制冷器冷端温度为25℃的情况下，整个系统经PID算法的控制调节后，半导体制冷器的冷端经过短短几分钟的时间就达就到了0℃，并稳定在0℃左右。部分截图如图7所示。

图中Tset为上位机预设的制冷温度，Tcld为制冷器冷端的温度。由实验运行结果可知，半导体制冷器不仅制冷时间快，而且控制精度高（误差为1℃），启动灵活，加上半导体的诸多优点，为半导体制冷在车载冰箱中的应用提供了可能。

图7 系统运行图

5 结束语

本文介绍了半导体制冷的原理和特点，提出了其在车载冰箱中的应用前景，并用最简单的电路和大家最熟悉的单片机对设计的半导体制冷控制系统进行测试，测试结果表明，本文设计的半导体温控系统在控制精度和速度上满足实用要求。

随着半导体技术的不断成熟，以及半导体制冷器独有的冷热两用性，半导体制冷技术在冰箱中的应用有着广阔的前景，会越来越多的造福人类。

参考文献

［1］ 潘佳．汽车中半导体制冷的应用展望［J］．中国科技信息学报，2009．

［2］ 徐德胜．半导体制冷与应用技术［M］．上海：上海交通大学出版社，1999．

［3］ 李华．MCS－51系列单片机与接口技术［M］．北京：北京航空航天大学出版社，1993．

［4］ 鲍可进．PID参数自整定的温度控制［J］．江苏理工大学学报，1995（6）：74．