CN111521923A - 一种热电器件性能测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热电器件性能测试系统及测试方法，其中，测试系统包括加压支架以及安装于支架中的加热块和冷却块，用于给热电器件的热端加热以及给热电器件的冷端冷却，测试系统还包括测试电路；测试电路包括与热电器件输出电极电连接的可瞬时调节电阻值的电子负载；测试电路通过瞬时调节电子负载的电阻值，且测量不同电阻值下热电器件输出的电流值和电压值，从而获得热电器件的发电性能参数。该系统在测试热电器件发电功率的过程中采用电子负载瞬态调节负载电阻值，可消除由于帕尔贴效应所引起的热电器件两端温差减小，从而提升测试准确度，缩短测试时间。

Description

一种热电器件性能测试系统及测试方法

技术领域

本发明涉及热电转换技术测试领域，尤其是一种热电器件性能测试系统及测试方法。

背景技术

热电器件通常由焊接在两块陶瓷片之间的多对p型和n型半导体材料单元组成，利用塞贝克效应，当器件两端存在温度差时，可以将热能转换为电能，进行发电。反之，利用帕尔贴效应，当热电器件通过电流时，器件一端吸收热量，一端放出热量，可实现热量的搬运，用于固态制冷。热电器件结构紧凑，体积小，没有运动部件，无噪音，无二氧化碳和污染物排放，能够有效利用低品质热能，在温差发电领域具有广阔的应用前景。为了评估热电器件发电性能的好坏，通常是对热电器件一端加热，一端冷却，在器件两端建立稳定的温度差，然后测量在该温差下器件的开路电压V_oc，以及连接不同负载电阻时的输出功率P和热电转换效率 η，最后分析得出该温差下的最大输出功率P_max和最大转换效率η_max。

现有的测试系统及测量方法存在以下不足：

（1）热电器件的转换效率 η 由流入热电器件高温端的热通量Q_h和热电器件的输出功率P决定，计算公式为 η=P/Q_h。现有方法通过测量热源不同位置处的温度差来计算热通量Q_h。该方法中热源材料的热导率需要额外标定测量，且热源与环境之间的对流换热和辐射换热所引起的热损失难以准确评估，将引入误差，使计算所得的热电转换效率η偏低。

（2）为了得到热电器件的在给定温差下的最大输出功率P_max和最大转换效率η_max，需在不同的负载电阻下，测量流经负载的电流和电压，通过拟合求解，得到器件的最大输出功率P_max及对应的最大转换效率η_max。然而由于帕尔贴效应，当热电器件输出电流时，器件热端吸收热量，冷端放出热量，且随着输出电流的增加，该效应将更为显著，该效应将导致热电器件热端温度降低，冷端温度升高，使器件两端温差减小，若直接测量，得到的最大输出功率P_max和最大转换效率η_max将偏低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种热电器件性能测试系统及测试方法，解决现有热电器件性能测试系统及测试方法不准确、测量误差大等问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种热电器件性能测试系统，包括加压支架以及安装于支架中的加热块和冷却块，用于给热电器件的热端加热以及给热电器件的冷端冷却，所述测试系统还包括测试电路；所述测试电路包括与热电器件输出电极电连接的可瞬时调节电阻值的电子负载；所述测试电路通过瞬时调节电子负载的电阻值，且测量不同电阻值下热电器件输出的电流值和电压值，从而获得热电器件的发电性能参数。

进一步地，所述测试系统还包括保温块；加热块内嵌于保温块之中，且保留加热块的一个表面用于与热电器件的热端接触将加热块内部的热通量流入热电器件；测试时，保温块的温度设置与加热块的温度相适配，从而消除加热块表面的热量损失；所述测试电路与计算机设备连接。

进一步地，测试时，热电器件安装于加热块和冷却块之间，通过加压支架施加压力使热电器件的热端和冷端分别与加热块和冷却块紧密接触；所述加压支架包括上压板、底座及螺栓，上压板与底座之间通过螺栓连接；保温块、加热块、冷却块均安装于加压支架的上压板和底座之间，上压块位于顶部，螺栓顶端装有螺母且位于上压块顶面；通过拧紧螺母使上压板向下施加压力；调节螺母的拧紧程度相应调节施加压力的大小；所述保温块、加热块和冷却块由高热导率的材料加工制成，其内部加工有盲孔，用于安装加热器和测温探头；所述保温块内部安装有第一加热器和第一测温探头，第一加热器、第一测温探头连接至控温仪，通过控温仪调节保温块的温度至设定值，使保温块的温度与加热块的温度保持一致；所述加热块内部安装有第二加热器和第二测温探头，第二加热器与直流电压源或电流源相连，第二测温探头与测温仪相连，通过测温仪监测加热块的温度，通过直流电压源或电流源调节第二加热器的加热功率Q_h；所述冷却块内部装有第三测温探头，第三测温探头与测温仪相连，通过测温仪监测冷却块的温度。

进一步地，螺母与螺栓之间螺纹配合；螺母还配置有平垫圈和弹性垫圈；加热块的侧面和上表面内嵌于保温块之中，加热块的下表面用于与热电器件的热端接触；测试时，加热块内部的热通量仅通过下表面流入热电器件；加热块与保温块之间装有一层隔热垫片；底座上安装有压力传感器，通过压力传感器测量施加压力的大小；冷却块上表面与热电器件的冷端接触，下表面与散热器接触，散热器给冷却块冷却降温；保温块、加热块、冷却块、散热器、压力传感器均安装于加压支架的上压板和底座之间；通过拧紧螺栓一端的螺母使上压板向下给安装在上压板和底座之间的部件施加压力，使各部件之间紧密接触。

进一步地，所述压力传感器、散热器、冷却块、热电器件、加热块、保温块依次层叠于加压支架的底座与上压板之间；所述保温块位于上压板下方且与加压支架上压板之间装有一层隔热垫片；所述散热器为液冷散热器，内部设置有液冷通道，向内输入冷却液进行散热；

所述测温探头为铠装热电偶或热电阻。

进一步地，所述测试电路还包括电流表和电压表；电压表测量热电器件的两电极之间的电压，电流表与电子负载串联于热电器件的两电极之间；电子负载、电流表和电压表均连接于计算机设备；所述计算机设备包括处理器以及计算机可读介质。

本发明还提供一种热电器件性能测试方法，包括以下步骤：

S100，对热电器件冷端进行冷却降温，对热电器件热端按照预设功率Q_h进行加热，热电器件两端保持相应的预设温差值；

S101，将热电器件输出电极与可瞬态调节电阻值的电子负载电连接形成测试电路，通过瞬态调节电子负载的电阻值R，测量不同电阻值R下热电器件的输出电流I以及电压V，记录电子负载在不同电阻R₁，R₂，R₃…时的电流值I₁，I₂，I₃…和电压值V₁，V₂，V₃…；

S102，根据公式V=V_oc-I×R_in，将S101中记录的电流值I₁，I₂，I₃…及电压值V₁，V₂，V₃…通过线性拟合，从而获得热电器件的开路输出电压V_oc和内阻R_in；

S103，由S101中记录的电流值及电压值计算得到不同电阻值下的热电器件输出功率P₁=I₁×V₁，P₂=I₂×V₂，P₃=I₃×V₃…，获得热电器件输出功率P与电流I之间的关系；

S104，将S103中的输出功率P与电流I通过二次多项式拟合，从而获得所述温差下热电器件的最大输出功率P_max，进一步获得所述温差下热电器件的最大转换效率η_max=P_max/Q_h。

所述测试方法是通过上述的测试系统实施的；所述测试系统包括计算机设备；所述计算机设备包括处理器以及计算机可读介质；所述计算机可读介质储存有计算机可读程序，所述程序由计算机设备上的处理器执行而实施上述S101~S104步骤。

进一步地，S101中，调节直流电源的输出电压或输出电流至设定值，使加热块内部的加热器在设定功率Q_h下加热；通过PID控温仪自动调节保温块内部加热器的加热功率，使保温块的温度与加热块的温度保持一致，使加热块内部的加热器所产生的热通量Q_h全部流入热电器件；使用测温仪监测加热块的温度T_h和冷却块的温度T_c，至温度稳定。

S102具体包括：将电子负载的电阻值从初始值R₀改变为R₁，在R₁维持时长小于或等于10ms，使用电流表和电压表记录电流值I₁和电压值V₁；然后将电子负载的电阻值恢复至R₀，等待时长大于或等于100ms；之后再次改变电子负载电阻值调至R₂，维持时长小于或等于10ms，使用电流表和电压表记录电流值I₂和电压值V₂；然后再将电阻值恢复至R₀，等待时长大于或等于100ms；如此反复若干次，记录电子负载在不同电阻R₁，R₂，R₃…时的电流值I₁，I₂，I₃…和电压值V₁，V₂，V₃…；电子负载电阻值的调节以及电流表、电压表测量结果的记录，通过计算机可读程序自动调节和测量。

本发明还提供一种计算机可读介质，所述计算机可读介质储存有计算机可读程序，所述程序由计算机设备上的处理器执行而实施热电器件性能测试方法的以下步骤：

瞬态调节电子负载的电阻值R，测量不同电阻值R下热电器件的输出电流I以及电压V，记录电子负载在不同电阻R₁，R₂，R₃…时的电流值I₁，I₂，I₃…和电压值V₁，V₂，V₃…；

根据公式V=V_oc-I×R_in，将记录的电流值I₁，I₂，I₃…及电压值V₁，V₂，V₃…通过线性拟合，从而获得热电器件的开路输出电压V_oc和内阻R_in；

由所记录的电流值及电压值计算得到不同电阻值下的热电器件输出功率P₁=I₁×V₁，P₂=I₂×V₂，P₃=I₃×V₃…，获得热电器件输出功率P与电流I之间的关系；将输出功率P₁，P₂，P₃…与电流I₁，I₂，I₃…通过二次多项式拟合，从而获得所述温差下热电器件的最大输出功率P_max，进一步获得所述温差下热电器件的最大转换效率η_max=P_max/Q_h。

本发明的有益效果是：

本发明提供一种热电器件性能测试系统和测试方法，通过采用电子负载瞬态调节电阻值，可以避免测试过程中帕尔贴效应所引起的热电器件两端温差减小，从而更加准确的测量热电器件的发电性能。该测试系统结构简单、紧凑，可广泛应用于热电器件的发电性能测试领域。

另外，本发明采用保温块与加热块联立加热的方式，可以确保加热块内部的热通量全部流入热电器件热端，减小了对流换热和辐射换热所引发的热损失。

下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

附图说明

图1是本发明实施例热电器件发电性能测试系统的原理示意图。

图2是本发明实施例的加压支架的三维结构图。

图3是本发明实施例热电器件的测试电路原理图。

图4是本发明实施例的热电器件发电性能测试方法。

图5是本发明实施例中负载电阻值随时间的变化图。

图6是本发明实施例中负载的电流电压图。

图7是本发明实施例中负载的电流功率曲线图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的各实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

请参照图1所示，本发明涉及一种热电器件性能测试系统，用于准确测量热电器件在稳定温差下的发电性能，例如器件输出电流、电压、输出功率和热电转换效率。本发明实施例的热电器件电性能的测量系统主要包括：加压支架1、保温块3、加热块4、冷却块6、水冷散热器7、压力传感器8、隔热垫片2、多个加热器9、11和测温探头10、12、13以及PID控温仪14、测温仪16、电源15和电子负载17。热电器件5位于加热块4和冷却块6之间，通过加压支架1施加压力，确保热电器件5上、下两端分别与加热块4和冷却块6紧密接触。本实施例中，保温块3、加热块4、冷却块6、水冷散热器7、压力传感器8等部件均安装于加压支架1的上压板1-2和底座1-4之间。通过上压板1-2向下压紧可施加压力于加热块4、热电器件5及冷却块6，使热电器件5与加热块4、冷却块6之间保持良好的接触。在其他实施例中，至少加热块4、热电器件5和冷却块6安装于加压支架1的上压板1-2和底座1-4之间，通过上压板1-2向下移动压紧。加压支架底座1-4上还可安装有压力传感器，可测量施加压力的大小。

参照图2，本实施例中，加压支架1包括上压板1-2、底座1-4，螺栓1-3，螺栓一端装有螺母1-1，螺母配置有平垫圈和弹性垫圈。上压板1-2与底座1-4之间通过螺栓1-3连接，上压板1-2沿螺栓1-3可相对底座1-4下移调节直到保温块3顶部，通过拧紧螺母1-1将上压板1-2可调节向下压紧，给安装在上压板1-2和底座1-4之间的各个部件施加压力，以保证各部件之间紧密接触。具体地，所述加压支架1通过拧紧螺母1-1使上压板1-2向下可施加压力，使热电器件5与加热块4、冷却块6之间保持良好的接触。通过调节螺母1-1的拧紧程度，可调节施加压力的大小。螺栓1-3表面设置有螺纹，上压板1-2上对应设置有安装孔，螺栓1-3穿插于上压板1-2上的安装孔内，上压板1-2可沿螺栓1-3上下自由移动，上压板1-2的安装孔孔径比螺栓1-3外径大。螺母1-1与螺栓1-3之间螺纹配合且可形成螺纹紧固配合。图2中所示的非限定性例子中，若干（例如4根）螺栓1-3沿圆周或其他位置对称设置，上压板1-2和底座1-4上对应设置有安装孔分别安装于螺栓1-3两端，底座1-4上的安装孔可以是内螺纹孔。螺栓1-3的底端插入底座1-4的安装孔内且固定，可以是螺纹配合，也可以是通过底部的螺母拧紧固定。上压板1-2可活动地穿过螺栓1-3，当然底座1-4与螺栓1-3之间也可相对活动，最后均通过螺栓顶部的螺母1-1压紧固定。本实施例中，使用时，螺栓1-3插入底座1-4和上压板1-2，在底座1-4和上压板1-2之间依次叠加安装部件且相互层叠支撑，最后拧紧螺母1-1将上压板1-2压紧内部各层部件。或者，先将螺栓1-3插入底座1-4并固定底座1-4，依次将各部件堆叠放置于底座1-4上，之后将上压板1-2穿过螺栓1-3顶端向下叠放在最上层，最后拧紧螺母1-1将上压板1-2压紧内部各层部件。上压板1-2和底座1-4为圆形，或截面为圆形，当然上压板1-2和底座1-4也可为其他形状，可压紧二者之间安装的部件即可，特别是压紧加热块4、热电器件5和冷却块6，使加热块4、冷却块6分别与热电器件5的上下两端（热端及冷端）之间紧密接触且压紧配合。螺母1-1还配置有平垫圈和弹性垫圈，便于固定。螺母1-1位于上压板1-2的顶面，用于固定上压板1-2且给上压板1-2施加向下的压力以压紧上压板1-2和底座1-4之间的安装部件。

底座1-4上安装有压力传感器8，通过压力传感器8测量施加压力的大小。通过调节螺母1-1的拧紧程度可调节施加压力的大小。作为一种具体例子，热电器件5所承受的压力为1MPa。

保温块3、加热块4和冷却块6均可由有高热导率的金属材料加工制成。进一步地，保温块3、加热块4和冷却块6均由高热导率、耐高温、具有一定机械强度的材料加工制成，例如，红铜、铝、氮化硼陶瓷等，其内部加工有盲孔，用以安装加热器和测温探头。

其中，保温块3内部安装有第一加热器9和第一测温探头10，第一加热器9、第一测温探头10连接至PID控温仪14，通过PID 控温仪14可以调节保温块3的温度至设定值。PID控温仪14通过第一测温头探头10监测保温块3的温度T_b，通过PID算法自动调节第一加热器9的加热功率，以调节保温块的温度T_b与加热块4的温度T_h保持一致或者相适配，消除加热块4的热量损失。保温块3与加压支架上压板1-2之间装有一层隔热垫片2以减少热损耗或避免上压板1-2温度过高，隔热垫片2位于保温块3与支架上压板1-2的下表面之间。

保温块3与加热块4之间也安装有一层隔热垫片2，减小加热块4与热电器件5的非接触表面的热损耗。保温块3内部形成有保温腔，此处隔热垫片2贴设于保温腔内壁，且包覆加热块4的上表面和侧面即包覆加热块4与热电器件5非接触的表面。

较佳地，所述隔热垫片2由石棉、陶瓷纤维或气凝胶等低热导率材料制成。

加热块4下表面与热电器件5热端接触，加热块4的侧面和上表面内嵌于保温块3之中，加热块4与保温块3之间装有隔热垫片2。测试时，保温块3的温度设置与加热块4的温度保持一致或相适配，可以消除加热块4上表面和侧面的热量损失，确保加热块4内部的热通量仅通过下表面（接触表面）流入热电器件5。一种具体例子中，所述加热块4的横截面为正方形，尺寸大于热电器件5。

加热块4内部安装有第二加热器11和第二测温探头12，第二加热器11与直流电源（例如直流电压源或电流源）15相连，第二测温探头12与测温仪16相连，通过测温仪16可以监测加热块4的温度，通过调节直流电源15可以调节第二加热器11的加热功率。具体地，通过调节直流电流源的输出电流或输出电压，即可调节第二加热器11的加热功率。在一种具体实施例中，加热功率设置为Q_h=40 W。测温仪16通过第二测温探头12可以监测加热块4的温度T_h。

冷却块6上表面与热电器件5的冷端接触，下表面与散热器7接触。通过冷却块6给热电器件冷端冷却降温。冷却块6内部装有第三测温探头13，第三测温探头13与测温仪16相连，通过测温仪16可以监测冷却块6的温度T_c。本实施例中，所述冷却块6下端设置水冷散热器7，水冷散热器7与冷水机相连接，测量时，冷却水流经水冷散热器7内部。在其他实施例中，冷却块6可以设计成同时具有散热器功能，例如内部设有液冷通道，直接输入冷却液进行冷却。在其他实施例中，散热器7可采用其他类型散热器或散热方式，达到制冷冷却块6的作用。

散热器7可以采用液冷散热器，常采用输入冷却水进行散热。本实施例中，散热器7安装于冷却块6下表面，且位于冷却块6与压力传感器8之间。

压力传感器8的外形及尺寸与底座1-4及散热器7相适配，感应由液冷散热器7传递的向下与底座1-4之间的压力。

上述测温探头10、12、13可以采用铠装热电偶或热电阻。所述加热器9、11为圆柱形加热棒或电热丝。测温探头10、12、13与加热器9、11可设置间隔较远位置，以使测试温度更准确。

在本实施例中，所述测温探头10、12、13为铂热电阻，加热器9、11为圆柱形加热棒，隔热垫片2为石棉布。

较佳地，热电器件5表面、测温探头10、12、13表面均涂有导热硅脂作为热界面材料，以减小接触热阻。

加热块4嵌入保温块3内且固定安装，例如通过隔热垫片2嵌入保温块3的保温腔内。保温块3位于加压支架上压板1-2的下表面，例如通过隔热垫片2贴紧上压板1-2的下表面。使用时，螺栓1-3插入底座1-4并固定于底座1-4，压力传感器8、散热器7、冷却块6、热电器件5、加热块4、保温块3依次层叠放置，上压板1-2穿过螺栓1-3顶端向下叠放在最上层保温块3顶部（隔热垫片2上），最后拧紧螺母1-1将上压板1-2向下压紧内部各层部件，使加热块4、冷却块6分别与热电器件5的上下两端（热端及冷端）之间紧密接触且压紧配合。通过调节螺母1-1的拧紧程度，可调节施加压力的大小。

参照图3，热电器件5的输出电极与外部测试电路相连，外部测试电路包括电流表、电压表和直流电子负载17。电子负载17的电阻值可以瞬时调节，即电子负载17为可瞬态调节电阻值的电子负载，可采用现有技术的电子负载实现，通过现有技术的方法瞬态调节电子负载电阻值，电阻变化的响应时间在1ms甚至0.1ms以内。电压表测量热电器件5电极之间的电压V，电流表与直流电子负载17串联于热电器件5的两电极之间。电子负载、电流表和电压表均连接于计算机设备（例如电脑），通过计算机设备中测试软件自动调节电阻值，记录电流值和电压值，以满足本测试系统瞬时测量的需求，实现对电子负载瞬态调节负载电阻值。

参照图4，本发明还提供热电器件发电性能测试方法，是采用瞬态调节负载电阻值来测量热电器件在不同温差下的发电性能，具体包括以下步骤：

S100，对热电器件冷端进行冷却降温，对热电器件热端按照预设功率Q_h进行加热，热电器件两端保持相应的预设温差值；

S101，将热电器件输出电极与可瞬态调节电阻值的电子负载电连接形成测试电路，通过瞬态调节电子负载的电阻值R，测量不同电阻值R下热电器件的输出电流I以及电压V，记录电子负载在不同电阻R₁，R₂，R₃…时的电流值I₁，I₂，I₃…和电压值V₁，V₂，V₃…；

S102，根据公式V=V_oc-I×R_in，将S101中记录的电流值I₁，I₂，I₃…及电压值V₁，V₂，V₃…通过线性拟合，从而获得热电器件的开路输出电压V_oc和内阻R_in；

S103，由S101中记录的电流值及电压值计算得到不同电阻值下的热电器件输出功率P₁=I₁×V₁，P₂=I₂×V₂，P₃=I₃×V₃…，获得热电器件输出功率P与电流I之间的关系；

S104，将S103中的输出功率P与电流I通过二次多项式拟合，从而获得所述温差下热电器件的最大输出功率P_max，进一步获得所述温差下热电器件的最大转换效率η_max=P_max/Q_h。

以上S102、S103之间的顺序不作限定。较佳地，上述热电器件发电性能测试方法是采用图1至图3所述的测试系统实施的，进一步地，图3所示的测试电路与计算机设备电连接，通过计算机设备中存储的测试软件自动调节电阻值，记录电流值和电压值，并进行计算，完成上述S101~S104步骤。计算机设备包括有处理器以及计算机可读介质，计算机可读介质储存有计算机可读程序，所述程序由计算机设备上的处理器执行而实施上述S101~S104步骤。计算机可读介质可以存储在任何合适的计算机可读媒体如RAMs、ROMs、闪存、EEPROMs、光学器件(例如，CD或者DVD)、硬盘、软盘、或者任何合适的设备。

具体地，S100，通过散热器7和冷却块6对热电器件冷端进行冷却降温，通过加热块4对热电器件热端按照预设功率Q_h进行加热，通过控温仪14设定并调节保温块3、加热块4的温度，使保温块的温度T_b与加热块的温度T_h保持一致。

更具体地，再次结合参照图1-3，采用上述实施例的测试系统实施S100，先在加压支架1内的加热块4与冷却块6之间安装热电器件5，且各部件安装于加压支架的底座1-4与上压板1-2之间后，调节加压支架1使加热块4和冷却块6分别紧密接触热电器件的热端和冷端，通过拧紧螺母1-1调节热电器件5的安装压力至设定值；启动冷液机，使冷却液流经散热器7内部给冷却块6降温，通过冷却块6对热电器件冷端进行冷却降温；调节直流电源15的输出电压或输出电流至设定值，使加热块4内部的第二加热器11在设定功率Q_h下加热；通过PID控温仪14自动调节保温块3内部第一加热器9的加热功率，使保温块3的温度T_b与加热块的温度T_h保持一致，使第二加热器11所产生的热通量Q_h全部流入热电器件；使用测温仪16监测加热块4的温度T_h和冷却块的温度T_c，等温度稳定，热电器件热冷及冷端之间达到的预设温差值。

S101中，将热电器件输出电极与直流电子负载17、电流表、电压表连接形成测试电路，电子负载电阻值的调节以及电流表、电压表测量结果的记录，均通过计算机设置中测试软件自动调节和测量；等加热块4和冷却块6的温度稳定后，通过电子负载瞬态调节电阻值，测量不同电阻值下对应的热电器件输出电流及电压。电子负载瞬态调节电阻值，电阻变化的响应时间在1ms甚至0.1ms以内。电压表测量热电器件5的两电极之间的电压V，电流表与直流电子负载17串联于热电器件5的两电极之间。

S101具体包括：将电子负载的电阻值从初始值R₀改变为R₁，在R₁维持很短的一段时间，通常小于或等于10ms，在此期间使用电流表和电压表记录R₁时的电流值I₁和电压值V₁，然后将电子负载的电阻值恢复至R₀，等待一段时间，通常大于或等于100ms，之后再次改变电子负载电阻值调至R₂，维持很短的一段时间，通常小于或等于10ms，在此期间使用电流表和电压表记录R₂时的电流值I₂和电压值V₂，然后再将电阻值恢复至R₀，等待一段时间，通常大于或等于100ms；如此反复若干次，记录电子负载在不同电阻R₁，R₂，R₃…时的电流值I₁，I₂，I₃…和电压值V₁，V₂，V₃…。

本发明的测试方法中，等加热块的温度T_h和冷却块的温度T_c达到稳定时，调节电子负载的电阻值，记录不同电阻值下，流经电子负载的电流值和电压值。由于帕尔贴效应，当热电器件通过电流时，器件热端吸收热量，冷端端放出热量，器件两端的温差将减小，且电流越大，该效应越显著。为了避免帕尔贴效应所引起的器件两端温差减小。本发明采用电子负载，电子负载的电阻值可以瞬时变化，通常小于1 ms。当电子负载的电阻值瞬时变化后，测试电路内部的电压、电流也会瞬时变化，而由于帕尔贴效应所引起的热电器件两端的温度变化是渐变的。因此，只要在电阻值变化后很短的时间内测量电压、电流，例如 10 ms以内，则在此期间，器件两端的温度维持不变。

在一具体例子中，采用本发明所述的热电器件发电性能测试系统，测试步骤包括：

S100，对热电器件冷端进行冷却降温，对热电器件热端按照预设功率Q_h进行加热，热电器件两端保持相应的预设温差值；具体地：

将压力传感器8、散热器7、冷却块6、热电器件5、加热块4、保温块3依次层叠放置于加压支架的底座1-4上，上压板1-2穿过螺栓1-3顶端向下叠放在最上层保温块3顶部（的隔热垫片2）上，最后拧紧螺母1-1将上压板1-2压紧内部各层部件压紧，使加热块4、冷却块6分别与热电器件5的上下两端（热端及冷端）之间紧密接触；

启动冷水机，使冷却水流经水冷散热器7内部，通过冷却块6对热电器件冷端进行冷却降温；

调节直流电源15的输出电流至设定值，使加热块4内部的第二加热器11在设定功率Q_h下加热，本实施例中Q_h=40W；

通过PID控温仪14自动调节保温块3的内部加热器9的加热功率，使保温块的温度T_b与加热块的温度T_h保持一致，这样可以避免加热块上表面、侧面的热损失，使第二加热器11所产生的热量Q_h全部流入热电器件；

使用测温仪16监测加热块4的温度T_h和冷却块6的温度T_c，等温度稳定。

S101，将热电器件输出电极与可瞬态调节电阻值的电子负载电连接形成测试电路，通过瞬态调节电子负载的电阻值R，测量不同电阻值R下热电器件的输出电流I以及电压V，记录电子负载在不同电阻R₁，R₂，R₃…时的电流值I₁，I₂，I₃…和电压值V₁，V₂，V₃…；具体地：

电子负载的初始电阻值R₀为10 Ω，通过将其电阻值依次改变为9 Ω，在9 Ω维持10ms，在此期间使用电流表和电压表记录通过负载的电流值I₁和电压值V₁，然后将电子负载的电阻值恢复至10 Ω，等待190ms。按照此方式，依次调节负载电阻为8 Ω，7 Ω…2 Ω, 1Ω，如图5所示。同时测量不同负载电阻所对应的电流值I₂，I₃…和电压值V₂，V₃…。绘制负载的电流电压曲线，如图6所示，由公式V=V_oc-I×R_in可知，通过线性拟合求解拟合直线的斜率和截距，即可得热电器件的内阻R_in和开路输出电压V_oc。

S103，由S101中记录的电流值及电压值计算得到不同电阻值下的热电器件输出功率P₁=I₁×V₁，P₂=I₂×V₂，P₃=I₃×V₃…，获得热电器件输出功率P与电流I之间的关系；具体地，如图7所示，通过二次多项式拟合，即可确定器件的最大输出功率P_max，本实施例中P_max=0.63W。

S104，将S103中的输出功率P与电流I通过二次多项式拟合，从而获得所述温差下热电器件的最大输出功率P_max，进一步获得所述温差下热电器件的最大转换效率η_max=P_max/Q_h，本实施例中η_max=1.58%。

本发明针对现有技术的不足提供一种热电器件发电性能测试系统和测试方法，该测试系统采用保温加热，可降低热源与环境之间的对流换热和辐射换热，减小热损失所引发的测量误差，通过采用电子负载瞬态调节电阻值，可以避免帕尔贴效应所引起的热电器件两端温差减小，从而更加准确的测量热电器件的输出功率和热电转换效率。该系统结构紧凑，操作简单，可广泛应用于热电器件发电性能测试领域。

本发明提供的热电器件性能测试系统及测试方法，采用保温块与加热块联立加热的方式，能有效降低对流换热和辐射换热所引起的热损失，采用电子负载瞬态调节负载电阻值，可消除测试过程中由于帕尔贴效应所造成的热电器件两端温度差的减小，从而更准确的测量热电器件在不同温差下的发电性能。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，均应属于本申请的范围；本发明的保护范围由所附权利要求及其等同范围限定。

Claims (10)

1.一种热电器件性能测试系统，包括加压支架以及安装于支架中的加热块和冷却块，用于给热电器件的热端加热以及给热电器件的冷端冷却，其特征在于：所述测试系统还包括测试电路；所述测试电路包括与热电器件输出电极电连接的可瞬时调节电阻值的电子负载；所述测试电路通过瞬时调节电子负载的电阻值，且测量不同电阻值下热电器件输出的电流值和电压值，从而获得热电器件的发电性能参数。

2.如权利要求1所述的测试系统，其特征在于：所述测试系统还包括保温块；加热块内嵌于保温块之中，且保留加热块的一个表面用于与热电器件的热端接触将加热块内部的热通量流入热电器件；测试时，保温块的温度设置与加热块的温度相适配，从而消除加热块表面的热量损失；所述测试电路与计算机设备连接。

3.如权利要求2所述的测试系统，其特征在于：

测试时，热电器件安装于加热块和冷却块之间，通过加压支架施加压力使热电器件的热端和冷端分别与加热块和冷却块紧密接触；

所述加压支架包括上压板、底座及螺栓，上压板与底座之间通过螺栓连接；保温块、加热块、冷却块均安装于加压支架的上压板和底座之间，上压块位于顶部，螺栓顶端装有螺母且位于上压块顶面；通过拧紧螺母使上压板向下施加压力；

调节螺母的拧紧程度相应调节施加压力的大小；

所述保温块、加热块和冷却块由高热导率的材料加工制成，其内部加工有盲孔，用于安装加热器和测温探头；

所述保温块内部安装有第一加热器和第一测温探头，第一加热器、第一测温探头连接至控温仪，通过控温仪调节保温块的温度至设定值，使保温块的温度与加热块的温度保持一致；

所述加热块内部安装有第二加热器和第二测温探头，第二加热器与直流电压源或电流源相连，第二测温探头与测温仪相连，通过测温仪监测加热块的温度，通过直流电压源或电流源调节第二加热器的加热功率Q_h；

所述冷却块内部装有第三测温探头，第三测温探头与测温仪相连，通过测温仪监测冷却块的温度。

4.如权利要求3所述的测试系统，其特征在于：

螺母与螺栓之间螺纹配合；螺母还配置有平垫圈和弹性垫圈；

加热块的侧面和上表面内嵌于保温块之中，加热块的下表面用于与热电器件的热端接触；测试时，加热块内部的热通量仅通过下表面流入热电器件；

加热块与保温块之间装有一层隔热垫片；

底座上安装有压力传感器，通过压力传感器测量施加压力的大小；

冷却块上表面与热电器件的冷端接触，下表面与散热器接触，散热器给冷却块冷却降温；

保温块、加热块、冷却块、散热器、压力传感器均安装于加压支架的上压板和底座之间；通过拧紧螺栓一端的螺母使上压板向下给安装在上压板和底座之间的部件施加压力，使各部件之间紧密接触。

5.如权利要求4所述的测试系统，其特征在于：

所述压力传感器、散热器、冷却块、热电器件、加热块、保温块依次层叠于加压支架的底座与上压板之间；

所述保温块位于上压板下方且与加压支架上压板之间装有一层隔热垫片；

所述散热器为液冷散热器，内部设置有液冷通道，向内输入冷却液进行散热；

所述测温探头为铠装热电偶或热电阻。

6.如权利要求2所述的测试系统，其特征在于：所述测试电路还包括电流表和电压表；电压表测量热电器件的两电极之间的电压，电流表与电子负载串联于热电器件的两电极之间；电子负载、电流表和电压表均连接于计算机设备；通过计算机设备对电子负载瞬态调节电阻值；通过计算机设备记录电流表和/或电压表测量结果；所述计算机设备包括处理器以及计算机可读介质。

7.一种热电器件性能测试方法，包括以下步骤：

S100，对热电器件冷端进行冷却降温，对热电器件热端按照预设功率Q_h进行加热，热电器件两端保持相应的预设温差值；

S101，将热电器件输出电极与可瞬态调节电阻值的电子负载电连接形成测试电路，通过瞬态调节电子负载的电阻值R，测量不同电阻值R下热电器件的输出电流I以及电压V，记录电子负载在不同电阻R₁，R₂，R₃…时的电流值I₁，I₂，I₃…和电压值V₁，V₂，V₃…；

S102，根据公式V=V_oc-I×R_in，将S101中记录的电流值I₁，I₂，I₃…及电压值V₁，V₂，V₃…通过线性拟合，从而获得热电器件的开路输出电压V_oc和内阻R_in；

S103，由S101中记录的电流值及电压值计算得到不同电阻值下的热电器件输出功率P₁=I₁×V₁，P₂=I₂×V₂，P₃=I₃×V₃…，获得热电器件输出功率P与电流I之间的关系；

S104，将S103中的输出功率P与电流I通过二次多项式拟合，从而获得所述温差下热电器件的最大输出功率P_max，进一步获得所述温差下热电器件的最大转换效率η_max=P_max/Q_h。

8.如权利要求7所述的测试方法，其特征在于：所述测试方法是通过如权利要求1~6任一项所述的测试系统实施的；所述测试系统包括计算机设备；所述计算机设备包括处理器以及计算机可读介质；所述计算机可读介质储存有计算机可读程序，所述程序由计算机设备上的处理器执行而实施上述S101~S104步骤。

9.如权利要求8所述的测试方法，其特征在于：

S101中，调节直流电源的输出电压或输出电流至设定值，使加热块内部的加热器在设定功率Q_h下加热；通过PID控温仪自动调节保温块内部加热器的加热功率，使保温块的温度与加热块的温度保持一致，使加热块内部的加热器所产生的热通量Q_h全部流入热电器件；使用测温仪监测加热块的温度T_h和冷却块的温度T_c，至温度稳定；

S102具体包括：将电子负载的电阻值从初始值R₀改变为R₁，在R₁维持时长小于或等于10ms，使用电流表和电压表记录电流值I₁和电压值V₁；然后将电子负载的电阻值恢复至R₀，等待时长大于或等于100ms；之后再次改变电子负载电阻值调至R₂，维持时长小于或等于10ms，使用电流表和电压表记录电流值I₂和电压值V₂；然后再将电阻值恢复至R₀，等待时长大于或等于100ms；如此反复若干次，记录电子负载在不同电阻R₁，R₂，R₃…时的电流值I₁，I₂，I₃…和电压值V₁，V₂，V₃…；电子负载电阻值的调节以及电流表、电压表测量结果的记录，通过计算机可读程序自动调节和测量。

10.一种计算机可读介质，所述计算机可读介质储存有计算机可读程序，其特征在于：所述程序由计算机设备上的处理器执行而实施热电器件性能测试方法的以下步骤：

瞬态调节电子负载的电阻值R，测量不同电阻值R下热电器件的输出电流I以及电压V，记录电子负载在不同电阻R₁，R₂，R₃…时的电流值I₁，I₂，I₃…和电压值V₁，V₂，V₃…；

根据公式V=V_oc-I×R_in，将记录的电流值I₁，I₂，I₃…及电压值V₁，V₂，V₃…通过线性拟合，从而获得热电器件的开路输出电压V_oc和内阻R_in；

由所记录的电流值及电压值计算得到不同电阻值下的热电器件输出功率P₁=I₁×V₁，P₂=I₂×V₂，P₃=I₃×V₃…，获得热电器件输出功率P与电流I之间的关系；将输出功率P₁，P₂，P₃…与电流I₁，I₂，I₃…通过二次多项式拟合，从而获得所述温差下热电器件的最大输出功率P_max，进一步获得所述温差下热电器件的最大转换效率η_max=P_max/Q_h。

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