CN107621568A - 测量热电模块最大输出功率的方法、装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于热电转换技术领域，提供了一种测量热电模块最大输出功率的方法及系统，测量热电模块最大输出功率的方法包括：根据热电模块输出功率、热电材料定性温度、热电材料电导率和热电模块动态内阻四者的变化关系，以及热电模块的最大动态内阻，确定测试电阻的初始阻值和测试电阻的阻值调节方向，通过以最大动态内阻为测试电阻的初始阻值，逐次减小测试电阻，测得热电模块的最大输出功率，缩小了测试电阻的调节范围，测量过程简单方便，节省了大量时间。
Description
技术领域
本发明属于热电转换技术领域，尤其涉及一种测量热电模块最大输出功率的方法、装置及系统。
背景技术
半导体温差发电主要利用半导体热电材料赛贝克效应将热能转换为电能。热电模块TEM热电模块(Thermoelectric Module)作为热能到电能转换的核心部件，最大输出功率是表征其热电转换性能的主要参数之一。目前，获得热电模块冷热端一定温差下最大输出功率的常用方法有三种：1.开路电压-短路电流法；2.伏-安特性法；3.负载匹配法。
但是，开路电压-短路电流法和伏-安特性法都是以理论值计算热电模块的最大输出功率，均未考虑热电模块中存在热电耦合效应，因此，按经典理论计算得到的热电模块最大输出功率准确度较低。负载匹配法为热电模块最大输出功率的经典测量法，基于热电模块冷热两端在一定温差下，调节负载阻值，找到负载电阻与热电模块内阻实际匹配工况，根据匹配工况下测量得到的热电模块输出端的电压(Vo)、电流(Io)计算得到热电模块最大输出功率(Pomax＝VoIo)，由于该测量方法完全模拟了热电模块实际工况，故得到的热电模块最大输出功率值比较准确，但是该测量方法需一个一个负载值改变，并且无法确定负载值调节范围是否覆盖指定温差下热点模块最大输出功率对应的内阻值，测量时均需要冷热端温差、电压/电流输出进入稳定状态，因此，测量过程复杂、耗时过长是目前负载匹配法测量热电模块最大输出功率存在的不足。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种测量热电模块最大输出功率的方法、装置及系统，以解决现有技术中采用负载匹配法测量热电模块最大输出功率，测量过程复杂、耗时过长的问题。
本发明实施例提供了一种测量热电模块最大输出功率的方法，包括以下步骤：
根据热电模块的输出功率和热电模块的热电材料定性温度的变化关系，所述热电材料定性温度和热电模块的热电材料电导率的变化关系，以及所述热电材料电导率和热电模块的动态内阻的变化关系，确定所述输出功率与所述动态内阻的变化关系。
获取数据采集系统采集的热电模块的开路电压和瞬态短路电流。
根据所述开路电压和所述瞬间短路电流，确定热电模块的最大动态内阻。
根据所述输出功率与所述动态内阻的变化关系，以及所述最大动态内阻，确定热电模块的外接测试电阻的初始阻值以及所述测试电阻的阻值调节方向。
调节所述测试电阻的初始阻值等于所述最大动态内阻，根据第一预设电阻差值逐次减小所述测试电阻的阻值，并测量每一次测试电阻阻值调整后热电模块的输出功率。
根据测量的热电模块的输出功率，确定热电模块的最大输出功率。
进一步地，所述热电模块的输出功率和热电模块的热电材料定性温度的变化关系为：
Tm＝0.5(Th+Tc)-0.5RT(Qh-Qc)＝0.5(Th+Tc)-0.5RTPo，其中，Tc、Th分别为热电模块的冷、热端温度，Qc、Qh分别为热电模块的冷、热端热能，Tm为热电模块的热电材料定性温度，Po为热电模块的输出功率，RT为热电模块的冷、热端寄生电阻的等效电阻。
所述热电材料定性温度和热电模块的热电材料电导率的变化关系为：
其中，σN、σP分别为热电模块的N型、P型热电材料的电导率，Tm为热电材料定性温度。
所述热电材料电导率和热电模块的动态内阻的变化关系为：
其中，N为热电模块中的P-N电偶对数，h为热电材料的臂高，ln、lp分别为热电模块的N型、P型热电材料横截面边长，σn(Tm)、σp(Tm)分别为热电模块的N型、P型热电材料在定性温度Tm下的电导率，Ri(Tm)为热电模块在定性温度Tm下的动态内阻。
所述输出功率与所述动态内阻的变化关系为：
在所述输出功率达到最大输出功率之前，所述输出功率随所述动态内阻的减小而增大。
进一步地，所述获取热电模块的开路电压和瞬态短路电流包括：
获取热电模块的开路电压以及所述测试电阻中取样电阻的瞬态取样电压；
根据所述取样电阻的阻值和所述瞬态取样电压，计算所述取样电阻的瞬态电流，所述取样电阻的瞬态电流为热电模块的瞬态断短路电流。
进一步地，所述调节所述测试电阻的初始阻值等于所述最大动态内阻，根据预设电阻差值逐次减小所述测试电阻的阻值，并测量每一次测试电阻阻值调整后热电模块的输出功率之后，还包括：
在测量的热电模块的输出功率出现减小趋势时，根据第二预设电阻差值逐次增大所述测试电阻的阻值，并测量每一次测试电阻阻值调整后热电模块的输出功率。
进一步地，所述根据测量的热电模块的输出功率确定热电模块的最大输出功率包括：
根据测量的热电模块的输出功率，确定热电模块的输出功率的峰值；
根据热电模块的输出功率的峰值，确定热电模块的最大输出功率。
本发明实施例还提供了一种测量热电模块最大输出功率的装置，包括：
关系确定模块，用于根据热电模块的输出功率和热电模块的热电材料定性温度的变化关系，所述热电材料定性温度和热电模块的热电材料电导率的变化关系，以及所述热电材料电导率和热电模块的动态内阻的变化关系，确定所述输出功率与所述动态内阻的变化关系。
数据获取模块，用于获取数据采集系统采集的热电模块的开路电压和瞬态短路电流。
动态内阻计算模块，用于根据所述开路电压和所述瞬间短路电流，确定热电模块的最大动态内阻。
测试电阻初始阻值及阻值调节方向确定模块，用于根据所述输出功率与所述动态内阻的变化关系，以及所述最大动态内阻，确定热电模块的外接测试电阻的初始阻值以及所述测试电阻的阻值调节方向。
输出功率测量模块，用于调节所述测试电阻的初始阻值等于所述最大动态内阻，根据第一预设电阻差值逐次减小所述测试电阻的阻值，并测量每一次测试电阻阻值调整后热电模块的输出功率。
最大输出功率确定模块，用于根据测量的热电模块的输出功率，确定热电模块的最大输出功率。
进一步地，所述关系确定模块，还用于确定所述热电模块的输出功率和热电模块的热电材料定性温度的变化关系为：
Tm＝0.5(Th+Tc)-0.5RT(Qh-Qc)＝0.5(Th+Tc)-0.5RTPo，其中，Tc、Th分别为热电模块的冷、热端温度，Qc、Qh分别为热电模块的冷、热端热能，Tm为热电模块的热电材料定性温度，Po为热电模块的输出功率，RT为热电模块的冷、热端寄生电阻的等效电阻；
确定所述热电材料定性温度和热电模块的热电材料电导率的变化关系为：
其中，σN、σP分别为热电模块的N型、P型热电材料的电导率，Tm为热电材料定性温度；
确定所述热电材料电导率和热电模块的动态内阻的变化关系为：
其中，N为热电模块中的P-N电偶对数，h为热电材料的臂高，ln、lp分别为热电模块的N型、P型热电材料横截面边长，σn(Tm)、σp(Tm)分别为热电模块的N型、P型热电材料在定性温度Tm下的电导率，Ri(Tm)为热电模块在定性温度Tm下的动态内阻；
确定所述输出功率与所述动态内阻的变化关系为：
在所述输出功率达到最大输出功率之前，所述输出功率随所述动态内阻的减小而增大。
进一步地，所述数据获取模块，还用于获取数据采集系统采集的热电模块的开路电压以及所述测试电阻中取样电阻的瞬态取样电压，根据所述取样电阻的阻值和所述瞬态取样电压，计算所述取样电阻的瞬态电流，所述取样电阻的瞬态电流为热电模块的瞬态断短路电流。
进一步地，所述功率测量模块，还用于在测量的热电模块的输出功率出现减小趋势时，根据第二预设电阻差值逐次增大所述测试电阻的阻值，并测量每一次测试电阻阻值调整后热电模块的输出功率。
本发明实施例还提供了一种测量热电模块最大输出功率的系统，包括冷端恒温系统、热端恒温系统、数据采集系统、测试电路和处理器；
所述冷端恒温系统设置在所述热电模块的冷端，所述热端恒温系统设置在所述热电模块的热端，所述热电模块与所述测试电路连接，所述数据采集系统分别与所述冷端恒温系统、所述热端恒温系统和所述测试电路连接，所述处理器与所述数据采集系统连接。
所述冷端恒温系统，用于使热电模块的冷端达到第一设定温度；
所述热端恒温系统，用于使热电模块的热端达到第二设定温度；
所述数据采集系统，用于采集热电模块在第一设定温度和第二设定温度下的开路电压和瞬态短路电流；
所述处理器，用于根据热电模块的输出功率和热电模块的热电材料定性温度的变化关系，所述热电材料定性温度和热电模块的热电材料电导率的变化关系，以及所述热电材料电导率和热电模块的动态内阻的变化关系，确定所述输出功率与所述动态内阻的变化关系；获取所述数据采集系统采集的热电模块的开路电压和瞬态短路电流；根据所述开路电压和所述瞬间短路电流，确定热电模块的最大动态内阻；根据所述输出功率与所述动态内阻的变化关系，以及所述最大动态内阻，确定热电模块的外接测试电阻的初始阻值以及所述测试电阻的阻值调节方向；调节所述测试电阻的初始阻值等于所述最大动态内阻，根据第一预设电阻差值逐次减小所述测试电阻的阻值，并测量每一次测试电阻阻值调整后热电模块的输出功率；根据测量的热电模块的输出功率，确定热电模块的最大输出功率。
本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：本发明提供的一种测量热电模块最大输出功率的方法、装置及系统，根据热电模块输出功率、热电模块动态内阻、热电材料电导率和热电材料定性温度四者的变化关系，以及热电模块的最大动态内阻，确定测试电阻的初始阻值和测试电阻的阻值调节方向，通过以最大动态内阻为测试电阻的初始阻值，逐次减小测试电阻，测得热电模块的最大输出功率，缩小了测试电阻的调节范围，测量过程简单方便，节省了大量时间。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种测量热电模块最大输出功率的方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的热电材料与温度的变化曲线图；
图3是本发明实施例提供的热电模块输出功率与负载电流的变化曲线图；
图4是本发明实施例提供的一种测量热电模块最大输出功率的装置的示意性框图；
图5是本发明一实施例提供的一种测量热电模块最大输出功率的系统的结构示意图；
图6是本发明另一实施例提供的一种测量热电模块最大输出功率的系统的结构示意图。
图中：501，热端恒温系统；502，冷端恒温系统；503，数据采集系统；504，处理器；505，测试电路；506，热电模块；507，压力调节装置。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了说明本发明的技术方案，下面通过具体实施例进行说明。
参阅图1，本发明实施例提供了一种测量热电模块最大输出功率的方法，包括以下步骤：
S101，根据热电模块的输出功率和热电模块的热电材料定性温度的变化关系，所述热电材料定性温度和热电模块的热电材料电导率的变化关系，以及所述热电材料电导率和热电模块的动态内阻的变化关系，确定所述输出功率与所述动态内阻的变化关系。
具体地，热电材料定性温度随热电模块的输出功率的增大而降低，热电材料电导率随热电材料定性温度的降低而增大，热电模块动态内阻随热电材料电导率的增大而减小，由此可以得出，在一定范围内，热电模块的输出功率随动态内阻的减小而增大。
S102，获取数据采集系统采集的热电模块的开路电压和瞬态短路电流。
具体地，利用数据采集系统采集热电模块的开路电压和瞬态短路电流。
S103，根据所述开路电压和所述瞬间短路电流，确定热电模块的最大动态内阻。
具体地，根据从数据采集系统中获取的开路电压和瞬态短路电流，利用式(3)可以计算出热电模块的最大动态内阻。
S104，根据所述输出功率与所述动态内阻的变化关系，以及所述最大动态内阻，确定热电模块的外接测试电阻的初始阻值以及所述测试电阻的阻值调节方向。
具体地，如图3所示，横坐标为输出电流(Output Current)，纵坐标为输出功率(Output Power)在第Ⅰ阶段热电模块输出功率随动态内阻的减小而增大，最大动态内阻必然位于第Ⅰ阶段，这样，可以将最大动态内阻的阻值作为外接测试电阻的初始阻值，并以测试电阻减小方向为阻值调节方向。
S105，调节所述测试电阻的初始阻值等于所述最大动态内阻，根据第一预设电阻差值逐次减小所述测试电阻的阻值，并测量每一次测试电阻阻值调整后热电模块的输出功率。
具体地，调节测试电阻的初始阻值等于最大动态内阻的阻值，可以将测试电阻的阻值以预设的电阻差值逐次减小，测量每一次测试电阻阻值改变后热电模块的输出功率。
S106，根据测量的热电模块的输出功率，确定热电模块的最大输出功率。
具体地，从测量得到的热电模块输出功率中，可以发现输出功率先增大后减小，并由此可以确定热电模块的最大输出功率。
具体地，设热电模块冷、热基板端面温度分别为Tc、Th；热电模块冷热端热能分别为Qc、Qh；热电材料定性温度为Tm，热电模块冷热端寄生电阻分别为RhT、RcT，热电模块的输出功率为Po，则：
Th＝Thj+QhRhT，Tc＝Tcj-QcRcT
Tm＝0.5(Thj+Tcj)＝0.5(Th+Tc)-0.5(QhRhT-QcRcT)
由于热电模块冷热端结构对称，设RhT＝RcT＝RT，得：
Tm＝0.5(Th+Tc)-0.5RT(Qh-Qc)＝0.5(Th+Tc)-0.5RTPo (1)
由上式知，对于结构确定的热电模块，其热电材料定性温度当Tc、Th固定后，与热电模块输出功率Po密切相关，随输出功率增大，Tm减小。设热电模块中热电材料的臂高、横截面边长分别为h、l，则动态内阻Ri满足：
其中，N为热电模块中的P-N电偶对数。
热电模块的内阻取决于特性温度Tm。当热电模块冷热端温度Tc、Th确定后，根据式(1)可知Tm与热电模块的输出功率Po有关。假设热电模块在最大输出功率Pomax时对应的特性温度为Tm-max，热电模块开路(Po＝0)时，对应的特性温度为Tm-o，显然Tm-o>Tm-max，则Ri(Tm-o)>Ri(Tm-max)，以Ri(Tm-o)为负载起始电阻调节值Ri(Tm-o)满足了前述大于热电模块最大输出工况对应的内阻阻值Ri(Tm-max)要求，且具有唯一性及稳定性。Ri(Tm-o)值满足
其中Voc为热电模块冷热端稳态温度为Tc、Th对应的开路电压；Isc为瞬间短路电流，即热电模块处于开路稳态(冷热端温度为Tc、Th)及负载阻值为零的工况下，开关闭合瞬间回路电流值。因热惯性，温度场变化滞后于电场，故闭合瞬间热电材料冷、热端温度来不及改变，相同于开路状态，故根据式(3)计算出的电阻值一定是热电模块处于开路稳态(冷热端温度为Tc、Th)的动态内阻值。负载电阻调节原则由经典法的覆盖匹配动态内阻变换到本专利提出的负载阻值单向追踪匹配内阻方案，测试电阻的调节范围大大缩小，调节匹配耗时大幅减少。
本发明实施例提供的一种测量热电模块最大输出功率的方法，根据热电模块输出功率、热电材料定性温度、热电材料电导率和热电模块动态内阻四者的变化关系，以及热电模块的最大动态内阻，确定测试电阻的初始阻值和测试电阻的阻值调节方向，通过以最大动态内阻为测试电阻的初始阻值，逐次减小测试电阻，测得热电模块的最大输出功率，缩小了测试电阻的调节范围，测量过程简单方便，节省了大量时间。
进一步地，所述热电模块的输出功率和热电模块的热电材料定性温度的变化关系为：
Tm＝0.5(Th+Tc)-0.5RT(Qh-Qc)＝0.5(Th+Tc)-0.5RTPo，其中，Tc、Th分别为热电模块的冷、热端温度，Qc、Qh分别为热电模块的冷、热端热能，Tm为热电模块的热电材料定性温度，Po为热电模块的输出功率，RT为热电模块的冷、热端寄生电阻的等效电阻；
所述热电材料定性温度和热电模块的热电材料电导率的变化关系为：
其中，σN、σP分别为热电模块的N型、P型热电材料的电导率，Tm为热电材料定性温度；
所述热电材料电导率和热电模块的动态内阻的变化关系为：
其中，N为热电模块中的P-N电偶对数，h为热电材料的臂高，ln、lp分别为热电模块的N型、P型热电材料横截面边长，σn(Tm)、σp(Tm)分别为热电模块的N型、P型热电材料在定性温度Tm下的电导率，Ri(Tm)为热电模块在定性温度Tm下的动态内阻；
所述输出功率与所述动态内阻的变化关系为：
在所述输出功率达到最大输出功率之前，所述输出功率随所述动态内阻的减小而增大。
具体地，根据式(1)可以得出：热电材料定性温度随热电模块输出功率的增大而降低。
具体地，
其中，σN、σP分别为热电模块的N型、P型热电材料的电导率，Tm为热电材料定性温度；由以上两式可以看出，热电材料的电导率随热电材料定性温度的降低而增大。
热电模块的内阻由N型半导体热电材料电偶臂和P型半导体热电材料电偶臂串联组成，假设N、P型半导体热电材料的电导率分别为σn(T)、σp(T)，其与温度变化特性如图2所示，从图2中可以看出无论半导体热电材料用于发电还是制冷，其电导率与材料的定性温度呈反向变化，即热电材料的电导率随热电材料定性温度升高而减小。
具体地，根据式(2)可以得出：热电模块动态内阻随热电材料电导率的增大而减小。
具体地，根据式(1)和式(2)，以及图2中半导体热电材料电导率随温度单调反向变化规律，有：Po↑→Tm↓→σn,σp↑→Ri(Tm)↓，可以得出结论：随着热电模块输出功率增加，由于热电模块中热电耦合效应及寄生热阻RT存在，其内阻单向减小,对应图3的第Ⅰ阶段；当达到最大输出功率后，随着输出功率的减小，热电模块内阻仍保持单向递减，对应图3的第Ⅱ阶段。
进一步地，所述获取热电模块的开路电压和瞬态短路电流包括：
获取热电模块的开路电压以及所述测试电阻中取样电阻的瞬态取样电压；
根据所述取样电阻的阻值和所述瞬态取样电压，计算所述取样电阻的瞬态电流，所述取样电阻的瞬态电流为热电模块的瞬态断短路电流。
进一步地，所述调节所述测试电阻的初始阻值等于所述最大动态内阻，根据预设电阻差值逐次减小所述测试电阻的阻值，并测量每一次测试电阻阻值调整后热电模块的输出功率之后，还包括：
在测量的热电模块的输出功率出现减小趋势时，根据第二预设电阻差值逐次增大所述测试电阻的阻值，并测量每一次测试电阻阻值调整后热电模块的输出功率。
进一步地，所述根据测量的热电模块的输出功率确定热电模块的最大输出功率包括：
根据测量的热电模块的输出功率，确定热电模块的输出功率的峰值；
根据热电模块的输出功率的峰值，确定热电模块的最大输出功率。
参阅图4，本发明实施例还提供了一种测量热电模块最大输出功率的装置，包括：
关系确定模块401，用于根据热电模块的输出功率和热电模块的热电材料定性温度的变化关系，所述热电材料定性温度和热电模块的热电材料电导率的变化关系，以及所述热电材料电导率和热电模块的动态内阻的变化关系，确定所述输出功率与所述动态内阻的变化关系；
数据获取模块402，用于获取数据采集系统采集的热电模块的开路电压和瞬态短路电流；
动态内阻计算模块403，用于根据所述开路电压和所述瞬间短路电流，确定热电模块的最大动态内阻；
阻值确定模块404，用于根据所述输出功率与所述动态内阻的变化关系，以及所述最大动态内阻，确定热电模块的外接测试电阻的初始阻值以及所述测试电阻的阻值调节方向；
输出功率测量模块405，用于调节所述测试电阻的初始阻值等于所述最大动态内阻，根据第一预设电阻差值逐次减小所述测试电阻的阻值，并测量每一次测试电阻阻值调整后热电模块的输出功率；
最大输出功率确定模块406，用于根据测量的热电模块的输出功率，确定热电模块的最大输出功率。
进一步地，所述关系确定模块401，还用于确定所述热电模块的输出功率和热电模块的热电材料定性温度的变化关系为：
Tm＝0.5(Th+Tc)-0.5RT(Qh-Qc)＝0.5(Th+Tc)-0.5RTPo，其中，Tc、Th分别为热电模块的冷、热端温度，Qc、Qh分别为热电模块的冷、热端热能，Tm为热电模块的热电材料定性温度，Po为热电模块的输出功率，RT为热电模块的冷、热端寄生电阻的等效电阻；
确定所述热电材料定性温度和热电模块的热电材料电导率的变化关系为：
其中，σN、σP分别为热电模块的N型、P型热电材料的电导率，Tm为热电材料定性温度；
确定所述热电材料电导率和热电模块的动态内阻的变化关系为：
其中，N为热电模块中的P-N电偶对数，h为热电材料的臂高，ln、lp分别为热电模块的N型、P型热电材料横截面边长，σn(Tm)、σp(Tm)分别为热电模块的N型、P型热电材料在定性温度Tm下的电导率，Ri(Tm)为热电模块在定性温度Tm下的动态内阻；
确定所述输出功率与所述动态内阻的变化关系为：
在所述输出功率达到最大输出功率之前，所述输出功率随所述动态内阻的减小而增大。
进一步地，所述数据获取模块402，还用于获取数据采集系统采集的热电模块的开路电压以及所述测试电阻中取样电阻的瞬态取样电压，根据所述取样电阻的阻值和所述瞬态取样电压，计算所述取样电阻的瞬态电流，所述取样电阻的瞬态电流为热电模块的瞬态断短路电流。
进一步地，所述输出功率测量模块405，还用于在测量的热电模块的输出功率出现减小趋势时，根据第二预设电阻差值逐次增大所述测试电阻的阻值，并测量每一次测试电阻阻值调整后热电模块的输出功率。
参阅图5，本发明实施例还提供了一种测量热电模块最大输出功率的系统，包括冷端恒温系统502、热端恒温系统501、数据采集系统503、测试电路505和处理器504；
所述冷端恒温系统502设置在所述热电模块506的冷端，所述热端恒温系统501设置在所述热电模块506的热端，所述热电模块506与所述测试电路405连接，所述数据采集系统503分别与所述冷端恒温系统502、所述热端恒温系统501和所述测试电路505连接，所述处理器504与所述数据采集系统503连接。
所述冷端恒温系统502，用于使热电模块506的冷端达到第一设定温度；
所述热端恒温系统501，用于使热电模块506的热端达到第二设定温度；
所述数据采集系统503，用于采集热电模块506在第一设定温度和第二设定温度下的开路电压和瞬态短路电流；
所述处理器504，用于根据热电模块506的输出功率和热电模块506的热电材料定性温度的变化关系，所述热电材料定性温度和热电模块506的热电材料电导率的变化关系，以及所述热电材料电导率和热电模块506的动态内阻的变化关系，确定所述输出功率与所述动态内阻的变化关系；获取所述数据采集系统采集的热电模块506的开路电压和瞬态短路电流；根据所述开路电压和所述瞬间短路电流，确定热电模块506的最大动态内阻；根据所述输出功率与所述动态内阻的变化关系，以及所述最大动态内阻，确定热电模块506的外接测试电阻的初始阻值以及所述测试电阻的阻值调节方向；调节所述测试电阻的初始阻值等于所述最大动态内阻，根据第一预设电阻差值逐次减小所述测试电阻的阻值，并测量每一次测试电阻阻值调整后热电模块的输出功率；根据测量的热电模块506的输出功率，确定热电模块506的最大输出功率。
具体地，设置冷端恒温系统502、热端恒温系统501、数据采集系统503、测试电路505和处理器504，还可以在系统中设置压力调节装置507，如图6所示，压力调节装置设置507在热端恒温系统上，调节压力调节装置507，通过作用在热端恒温系统501，向热电模块506施加压力，一般控制在把压力控制在0.6～0.8MPa，热电模块506在此压力范围内处于性能稳定状态。
在热电模块处于开路状态下，即开关K断开时，调节冷端恒温系统502和热端恒温系统501，达到设定温度Tc、Th，测量热电模块506输出电压即开路电压Voc。
一般取样电阻远远小于负载电阻，故调节负载电阻为零，相当于热电模块506处于短路输出状态，闭合开关K，设置数据采集系统503采样时间Ts≤100ms，利用数据采集系统503获取瞬态取样电压VRs1，进而根据Ri(Tm-o)≈RsVoc/VRs获得热电模块506开路时动态内阻估值Ri(Tm-o)。
此外，调节负载电阻为零后，闭合开关K，利用数据采集系统503获取电路的瞬态电流，根据式(3)计算出Ri(Tm-o)。
Ri(Tm-o)大于热电模块506输出功率最大时的动态内阻Ri(Tm-max)，设置负载电阻为Ri(Tm-o)，并以固定差值逐次递减，对于每一个负载电阻值，需调节冷端恒温系统502和热端恒温系统501确保热电模块506冷热端温度Tc、Th不变，利用数据采集系统503测出稳态VRs、Vo值，并根据每个负载电阻值得到的VRs、Vo，对应计算出热电模块506的输出功率Po，计算公式为Po＝VoVRs/Rs，调节负载电阻至Po出现峰值Po,max，则该峰值即为热电模块506在冷、热端温度为Tc、Th时对应的最大输出功率。
调节冷端恒温系统502和热端恒温系统501的设定温度，通过上述步骤可以准确测量出不同冷热端温度状态下热电模块506的最大输出功率。
本发明实施例提供的一种测量热电模块最大输出功率的系统，通过冷端恒温系统502和热端恒温系统501使热电模块506的冷热端温度分别达到设定的温度，利用数据采集系统503采集各个测试电阻下，热电模块506的输出电压和输出电流，从而计算出热电模块506对应的输出功率，能够准确获得输出功率达到峰值时的最大输出功率，系统结构简单，操作方便，测量结果更加准确。
具体地，由于取样电阻远远小于负载电阻，调节负载电阻为零时，热电模块506就近似处于短路输出状态。
具体地，冷端恒温系统502可以为恒温水循环系统，热端恒温系统501可以为加热器。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本发明实施例各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种测量热电模块最大输出功率的方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据热电模块的输出功率和热电模块的热电材料定性温度的变化关系，所述热电材料定性温度和热电模块的热电材料电导率的变化关系，以及所述热电材料电导率和热电模块的动态内阻的变化关系，确定所述输出功率与所述动态内阻的变化关系；
获取数据采集系统采集的热电模块的开路电压和瞬态短路电流；
根据所述开路电压和所述瞬间短路电流，确定热电模块的最大动态内阻；
根据所述输出功率与所述动态内阻的变化关系，以及所述最大动态内阻，确定热电模块的外接测试电阻的初始阻值以及所述测试电阻的阻值调节方向；
调节所述测试电阻的初始阻值等于所述最大动态内阻，根据第一预设电阻差值逐次减小所述测试电阻的阻值，并测量每一次测试电阻阻值调整后热电模块的输出功率；
根据测量的热电模块的输出功率，确定热电模块的最大输出功率。
2.根据权利要求1所述的测量热电模块最大输出功率的方法，其特征在于，
所述热电模块的输出功率和热电模块的热电材料定性温度的变化关系为：
Tm＝0.5(Th+Tc)-0.5RT(Qh-Qc)＝0.5(Th+Tc)-0.5RTPo，其中，Tc、Th分别为热电模块的冷、热端温度，Qc、Qh分别为热电模块的冷、热端热能，Tm为热电模块的热电材料定性温度，Po为热电模块的输出功率，RT为热电模块的冷、热端寄生电阻的等效电阻；
所述热电材料定性温度和热电模块的热电材料电导率的变化关系为：
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其中，σN、σP分别为热电模块的N型、P型热电材料的电导率，Tm为热电材料定性温度；
所述热电材料电导率和热电模块的动态内阻的变化关系为：
其中，N为热电模块中的P-N电偶对数，h为热电材料的臂高，ln、lp分别为热电模块的N型、P型热电材料横截面边长，σn(Tm)、σp(Tm)分别为热电模块的N型、P型热电材料在定性温度Tm下的电导率，Ri(Tm)为热电模块在定性温度Tm下的动态内阻；
所述输出功率与所述动态内阻的变化关系为：
在所述输出功率达到最大输出功率之前，所述输出功率随所述动态内阻的减小而增大。
3.根据权利要求1所述的测量热电模块最大输出功率的方法，其特征在于，所述获取热电模块的开路电压和瞬态短路电流包括：
获取热电模块的开路电压以及所述测试电阻中取样电阻的瞬态取样电压；
根据所述取样电阻的阻值和所述瞬态取样电压，计算所述取样电阻的瞬态电流，所述取样电阻的瞬态电流为热电模块的瞬态断短路电流。
4.根据权利要求1所述的测量热电模块最大输出功率的方法，其特征在于，所述调节所述测试电阻的初始阻值等于所述最大动态内阻，根据预设电阻差值逐次减小所述测试电阻的阻值，并测量每一次测试电阻阻值调整后热电模块的输出功率之后，还包括：
在测量的热电模块的输出功率出现减小趋势时，根据第二预设电阻差值逐次增大所述测试电阻的阻值，并测量每一次测试电阻阻值调整后热电模块的输出功率。
5.根据权利要求1所述的测量热电模块最大输出功率的方法，其特征在于，所述根据测量的热电模块的输出功率确定热电模块的最大输出功率包括：
根据测量的热电模块的输出功率，确定热电模块的输出功率的峰值；
根据热电模块的输出功率的峰值，确定热电模块的最大输出功率。
6.一种测量热电模块最大输出功率的装置，其特征在于，包括：
关系确定模块，用于根据热电模块的输出功率和热电模块的热电材料定性温度的变化关系，所述热电材料定性温度和热电模块的热电材料电导率的变化关系，以及所述热电材料电导率和热电模块的动态内阻的变化关系，确定所述输出功率与所述动态内阻的变化关系；
数据获取模块，用于获取数据采集系统采集的热电模块的开路电压和瞬态短路电流；
动态内阻计算模块，用于根据所述开路电压和所述瞬间短路电流，确定热电模块的最大动态内阻；
阻值确定模块，用于根据所述输出功率与所述动态内阻的变化关系，以及所述最大动态内阻，确定热电模块的外接测试电阻的初始阻值以及所述测试电阻的阻值调节方向；
输出功率测量模块，用于调节所述测试电阻的初始阻值等于所述最大动态内阻，根据第一预设电阻差值逐次减小所述测试电阻的阻值，并测量每一次测试电阻阻值调整后热电模块的输出功率；
最大输出功率确定模块，用于根据测量的热电模块的输出功率，确定热电模块的最大输出功率。
7.根据权利要求6所述的测量热电模块最大输出功率的装置，其特征在于，所述关系确定模块，还用于确定所述热电模块的输出功率和热电模块的热电材料定性温度的变化关系为：
Tm＝0.5(Th+Tc)-0.5RT(Qh-Qc)＝0.5(Th+Tc)-0.5RTPo，其中，Tc、Th分别为热电模块的冷、热端温度，Qc、Qh分别为热电模块的冷、热端热能，Tm为热电模块的热电材料定性温度，Po为热电模块的输出功率，RT为热电模块的冷、热端寄生电阻的等效电阻；
确定所述热电材料定性温度和热电模块的热电材料电导率的变化关系为：
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其中，σN、σP分别为热电模块的N型、P型热电材料的电导率，Tm为热电材料定性温度；
确定所述热电材料电导率和热电模块的动态内阻的变化关系为：
其中，N为热电模块中的P-N电偶对数，h为热电材料的臂高，ln、lp分别为热电模块的N型、P型热电材料横截面边长，σn(Tm)、σp(Tm)分别为热电模块的N型、P型热电材料在定性温度Tm下的电导率，Ri(Tm)为热电模块在定性温度Tm下的动态内阻；
确定所述输出功率与所述动态内阻的变化关系为：
在所述输出功率达到最大输出功率之前，所述输出功率随所述动态内阻的减小而增大。
8.根据权利要求6所述的测量热电模块最大输出功率的装置，其特征在于，所述数据获取模块，还用于获取数据采集系统采集的热电模块的开路电压以及所述测试电阻中取样电阻的瞬态取样电压，根据所述取样电阻的阻值和所述瞬态取样电压，计算所述取样电阻的瞬态电流，所述取样电阻的瞬态电流为热电模块的瞬态断短路电流。
9.根据权利要求6所述的测量热电模块最大输出功率的装置，其特征在于，所述功率测量模块，还用于在测量的热电模块的输出功率出现减小趋势时，根据第二预设电阻差值逐次增大所述测试电阻的阻值，并测量每一次测试电阻阻值调整后热电模块的输出功率。
10.一种测量热电模块最大输出功率的系统，其特征在于，包括冷端恒温系统、热端恒温系统、数据采集系统、测试电路和处理器；
所述冷端恒温系统设置在所述热电模块的冷端，所述热端恒温系统设置在所述热电模块的热端，所述热电模块与所述测试电路连接，所述数据采集系统分别与所述冷端恒温系统、所述热端恒温系统和所述测试电路连接，所述处理器与所述数据采集系统连接；
所述冷端恒温系统，用于使热电模块的冷端达到第一设定温度；
所述热端恒温系统，用于使热电模块的热端达到第二设定温度；
所述数据采集系统，用于采集热电模块在第一设定温度和第二设定温度下的开路电压和瞬态短路电流；
所述处理器，用于根据热电模块的输出功率和热电模块的热电材料定性温度的变化关系，所述热电材料定性温度和热电模块的热电材料电导率的变化关系，以及所述热电材料电导率和热电模块的动态内阻的变化关系，确定所述输出功率与所述动态内阻的变化关系；获取所述数据采集系统采集的热电模块的开路电压和瞬态短路电流；根据所述开路电压和所述瞬间短路电流，确定热电模块的最大动态内阻；根据所述输出功率与所述动态内阻的变化关系，以及所述最大动态内阻，确定热电模块的外接测试电阻的初始阻值以及所述测试电阻的阻值调节方向；调节所述测试电阻的初始阻值等于所述最大动态内阻，根据第一预设电阻差值逐次减小所述测试电阻的阻值，并测量每一次测试电阻阻值调整后热电模块的输出功率；根据测量的热电模块的输出功率，确定热电模块的最大输出功率。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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