應(yīng)用于航空電子和航空航天的熱電設(shè)備介紹

軍事和航空航天領(lǐng)域，在狹窄，惡劣的環(huán)境中，堅(jiān)固的運(yùn)行和可靠的性能是最重要的，長(zhǎng)期以來一直是熱電能量收集的最主要市場(chǎng)。通常，熱電裝置利用來自發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的熱量并使用它來為傳感器和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)供電以用于狀態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用。最近的創(chuàng)新正在促進(jìn)該領(lǐng)域以及相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。本文將回顧一些使用熱電設(shè)備的主要航空電子和航空航天應(yīng)用。例如，商用和軍用飛機(jī)結(jié)合了由熱電發(fā)電機(jī)提供動(dòng)力的傳感器和傳感器網(wǎng)絡(luò)，以監(jiān)測(cè)飛機(jī)蒙皮的損壞，從而造成應(yīng)力和結(jié)構(gòu)弱點(diǎn)。在航空航天領(lǐng)域，火星探測(cè)器，好奇號(hào)，伽利略衛(wèi)星，新視野太空探測(cè)器和卡西尼號(hào)航天器都是TEG用戶。

將考慮的典型設(shè)備包括來自CUI的CP系列TEG和來自的eTEC模塊萊爾德科技。將參考凌力爾特公司的LTC3108 DC/DC轉(zhuǎn)換器，進(jìn)一步考慮TEG產(chǎn)生的能量管理。

熱差

支撐熱電發(fā)電機(jī)（TEG）的主要現(xiàn)象是電氣的產(chǎn)生通過在兩種材料之間流動(dòng)熱量來利用溫差來獲得能量。這被稱為塞貝克效應(yīng)。差分越大，產(chǎn)生的能量就越多。

使用反向現(xiàn)象被稱為Peltier效應(yīng)的熱電冷卻器（TECs）通過施加電壓產(chǎn)生溫差（見圖1）。輸出電壓的極性取決于TEC兩端的溫差極性。反轉(zhuǎn)TEG的熱側(cè)和冷側(cè)，輸出電壓改變極性。凌力爾特公司的一本有用的應(yīng)用筆記清楚地解釋了這些原理。1

事實(shí)上，TEG或TEC可用于加熱或冷卻應(yīng)用，以及用于發(fā)電。用于任一應(yīng)用的模塊之間沒有功能差異，而是它們的使用模式不同，有時(shí)它們的結(jié)構(gòu)與電路相關(guān)。

不斷增加的市場(chǎng)興趣

盡管認(rèn)識(shí)到熱電材料的巨大潛力再利用廢熱，使用TEC和/或TEG收集能量迄今為止應(yīng)用有限。然而，該技術(shù)一直是廣泛研究的對(duì)象，并且直到最近才開發(fā)出刺激了興趣的增加。

對(duì)TEG研究的刺激至少部分歸因于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的普及和需求用于自主操作。在諸如工業(yè)環(huán)境中的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，智能計(jì)量，偏遠(yuǎn)地區(qū)的環(huán)境監(jiān)測(cè)，結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)以及車輛，飛機(jī)和航天器的運(yùn)輸部門等應(yīng)用中尤其如此。

美國(guó)研究團(tuán)隊(duì)，包括化學(xué)家，來自西北大學(xué)和密歇根州立大學(xué)的材料科學(xué)家和機(jī)械工程師開發(fā)出一種基于普通半導(dǎo)體碲化物的新型，更高效的熱電材料.2，環(huán)境穩(wěn)定，預(yù)計(jì)將15％至20％的廢熱轉(zhuǎn)化為電能。研究人員認(rèn)為，ZT的品質(zhì)因數(shù)為2.2（與更典型的1相比），新材料的效率足以用于實(shí)際的軍事和工業(yè)應(yīng)用，促使廣泛使用.TEGs可以可以自主地用于為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)供電，并且在沒有恒定電源的情況下尤其需要，其中維護(hù)或更換電池的訪問是不切實(shí)際的，并且其他環(huán)境能源不一致。實(shí)際上，TEG非常適合在諸如太空等惡劣環(huán)境中使用。它們不使用液體，在高溫下茁壯成長(zhǎng)，并且不依賴于陽(yáng)光（如太陽(yáng)能）或運(yùn)動(dòng)（壓電）。

TEG當(dāng)然也可以與儲(chǔ)能裝置結(jié)合使用，例如超級(jí)電容器或可充電電池，以提供更多的調(diào)節(jié)電源。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用的超低功耗電子產(chǎn)品的出現(xiàn)，導(dǎo)致越來越多的應(yīng)用程序在低溫度差的情況下運(yùn)行，只有幾度。

市場(chǎng)研究公司IDTechEx到2023年，熱電能量收集器市場(chǎng)將達(dá)到8.75億美元，這意味著未來十年將出現(xiàn)顯著增長(zhǎng)。市場(chǎng)研究人員認(rèn)為，熱電在投資和商業(yè)化方面領(lǐng)先于壓電。盡管消費(fèi)者和工業(yè)部門越來越感興趣，但定制的軍事和航空應(yīng)用仍占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)地位。

TEG已被美國(guó)和其他太空計(jì)劃使用多年。事實(shí)上，它們已經(jīng)被證明是阿波羅登月任務(wù)，維京人對(duì)火星任務(wù)以及先鋒，旅行者，尤利西斯，伽利略和卡西尼對(duì)外太陽(yáng)系的任務(wù)的安全，有效和持久的動(dòng)力源。最近，他們被用來為火星車，好奇號(hào)提供能量。

使用TEG電源，因?yàn)樘?yáng)能替代品不能滿足任務(wù)要求的全部范圍。無論登陸地點(diǎn)如何，控制器都需要在其大氣進(jìn)入，下降和著陸期間與流動(dòng)站進(jìn)行全時(shí)通信。與太陽(yáng)能替代NASA研究的相比，為這項(xiàng)任務(wù)開發(fā)的TEG使得火星車能夠更進(jìn)一步，行駛更多樣的地形，持續(xù)更長(zhǎng)時(shí)間，動(dòng)力和熱量更大，更有能力的科學(xué)有效載荷。

在美國(guó)開發(fā)對(duì)于多個(gè)太空任務(wù)，放射性同位素?zé)犭姲l(fā)電機(jī)（RTG）或“太空電池”操作流動(dòng)站的儀器，機(jī)械臂，車輪，計(jì)算機(jī)和無線電。它以钚-238為燃料，在自然衰變時(shí)釋放出熱量。顯然，很少有其他應(yīng)用可能將其用作熱源，但使用TEG進(jìn)行能量收集的原則是可轉(zhuǎn)移的。不需要移動(dòng)部件將這些熱量轉(zhuǎn)換成電能。該系統(tǒng)使用熱電偶從核材料和冷火星外部之間的溫差產(chǎn)生電壓。

RTG提供連續(xù)的熱源，通過整個(gè)系統(tǒng)中的傳熱流體循環(huán)通過流動(dòng)站。它確保儀器可以保持在其工作溫度范圍內(nèi)。大約110瓦的電力不斷產(chǎn)生，為流動(dòng)站的儀器供電，預(yù)計(jì)將持續(xù)多年。

預(yù)測(cè)性維護(hù)

飛機(jī)維修是一項(xiàng)復(fù)雜而昂貴的業(yè)務(wù)，已開始利用能量收集和TEG特別是對(duì)于廣泛的監(jiān)控應(yīng)用。監(jiān)測(cè)飛機(jī)的外部皮膚對(duì)于早期檢測(cè)由于磨損或鳥類碰撞造成的損壞是很重要的。自動(dòng)供電的傳感器可以安裝在難以接近的位置，無需維護(hù)。 TEG可以串聯(lián)使用，不僅可以為傳感器供電，還可以為將傳感器讀數(shù)傳輸?shù)?a target="_blank">中心位置所需的電子設(shè)備供電。

洛克希德馬丁公司已經(jīng)在多個(gè)飛機(jī)平臺(tái)上實(shí)施了十年或更長(zhǎng)時(shí)間的能量收集系統(tǒng)。其最近的一個(gè)項(xiàng)目是在其F-35聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)上部署的預(yù)測(cè)性維護(hù)系統(tǒng)，并作為其自動(dòng)后勤信息系統(tǒng)（ALIS）的一部分實(shí)施。 ALIS支持F-35機(jī)隊(duì)的日常運(yùn)營(yíng)，包括任務(wù)規(guī)劃和飛行計(jì)劃，維修和定期維護(hù)，以及零件的跟蹤和訂購(gòu)。

預(yù)測(cè)性維護(hù)系統(tǒng)旨在幫助飛機(jī)技術(shù)人員預(yù)測(cè)即將發(fā)生的發(fā)動(dòng)機(jī)問題，并僅在需要的時(shí)間和地點(diǎn)安排維護(hù)，同時(shí)有助于檢測(cè)不可預(yù)見的故障或意外損壞。在操作中，每個(gè)F-35將通過運(yùn)行狀況和使用情況監(jiān)控系統(tǒng)（HUMS）組件持續(xù)監(jiān)控自己的系統(tǒng)，數(shù)據(jù)自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)給ALIS。安裝在飛機(jī)上和飛機(jī)內(nèi)的這些自我報(bào)告監(jiān)控系統(tǒng)中的一些將包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其中一些將使用能量收集技術(shù)供電，包括熱電發(fā)電機(jī)。

飛機(jī)為有效安裝提供了無數(shù)的溫差機(jī)會(huì)的TEG。這可能是客艙外部和內(nèi)部的空氣溫度，或渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)軸承與環(huán)境空氣之間的溫差。

一家主要的TEG供應(yīng)商，Nextreme，與飛機(jī)原始設(shè)備制造商合作，精確完善其Thermobility TEG系統(tǒng)。用于飛機(jī)監(jiān)控和預(yù)測(cè)性維護(hù)類型的應(yīng)用。通過其合作伙伴，Nextreme開發(fā)了一種渦輪機(jī)健康管理系統(tǒng)，使噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)專家能夠檢測(cè)，診斷并采取行動(dòng)解決發(fā)動(dòng)機(jī)軸承組件中的問題。

它在TEG設(shè)備中使用碲化鉍集成電路材料生成正常運(yùn)行的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)軸承的熱量約為20至30 mW。這足以為嵌入式傳感器網(wǎng)絡(luò)供電。

選擇TEG

TEG有各種尺寸和電氣規(guī)格。最常見的模塊是方形的，尺寸范圍從每側(cè)約10毫米到50毫米。它們通常厚2至5毫米。如需選擇，凌力爾特公司的應(yīng)用筆記1建議設(shè)計(jì)人員查看輸出電壓或輸出功率與差分溫度的數(shù)據(jù)，但聲明并非始終提供。然而，通常陳述的兩個(gè)參數(shù)是VMAX和IMAX，它們分別是最大工作電壓和最大工作電流。注意，選擇用于發(fā)電目的的熱電模塊時(shí)，一個(gè)好的經(jīng)驗(yàn)法則是選擇具有給定尺寸的最高乘積（VMAX?IMAX）的模塊。這通常提供最高的TEG輸出電壓和最低的源電阻。對(duì)此規(guī)則的一個(gè)警告是，散熱器的尺寸必須根據(jù)TEG的大小來確定。較大的TEG需要更大的散熱片才能獲得最佳性能。

總部位于英國(guó)的Laird Technologies公司是熱管理，EMI屏蔽和無線天線解決方案的長(zhǎng)期專家，已開發(fā)出各種用于加熱，冷卻的TEG和TEC設(shè)備。和能量收集應(yīng)用。最近被Nextreme收購(gòu)的Laird設(shè)備已經(jīng)集成到軍事和航空航天工業(yè)的系統(tǒng)級(jí)解決方案中，并且已經(jīng)提供給OEM。

Laird的eTEG系列熱電發(fā)電機(jī)是具有更高輸出功率的微尺度設(shè)備功率密度。它們適用于無線傳感器和電池充電應(yīng)用。固態(tài)可靠性和無需維護(hù)要求使其適用于更換儲(chǔ)能設(shè)備或在不存在電力線接入的偏遠(yuǎn)地區(qū)提供電力。

同時(shí)，Laird的HV37 eTEC的IMAX為0.9 A，VMAX為7.7 V，而HV56 eTEC的IMAX為0.9 A，VMAX為10.8 V.對(duì)于需要更高電流能力的應(yīng)用，CP系列可能更適合。 CP08-71035-506采用環(huán)氧樹脂密封，IMAX為2.1 A，VMAX為3.7 V.顯著更大的CP14-66101-500是硅膠密封器件，IMAX為8.5 A，VMAX為14.5 V. 》總部位于美國(guó)的組件公司CUI提供一系列Peltier熱電模塊，幫助OEM滿足當(dāng)今先進(jìn)電子產(chǎn)品所帶來的日益嚴(yán)峻的熱挑戰(zhàn)。一種流行的器件是CP20351，采用硅膠密封封裝，提供2.0 A的IMAX和15.4 V的VMAX。對(duì)于更高電流的應(yīng)用，CP85338提供8.5 A的IMAX和8.6 V的VMAX。

利用TEG

凌力爾特公司指出，使用TEG時(shí)，產(chǎn)生的電能通常是不受管制的，并不總是放貸本身可直接用于為電子電路供電。在某些應(yīng)用中，可能沒有連續(xù)的，不間斷的電源。同樣，根據(jù)具體應(yīng)用，平均輸出功率可能不會(huì)很高，可能低至10μW至10 mW。實(shí)質(zhì)上，如果信號(hào)源可用于為無線傳感器或其他電子設(shè)備供電，這些特性需要明智的電源管理。

進(jìn)入LTC3108和LTC3108-1，這是一系列高度集成的DC/DC轉(zhuǎn)換器，非常適合收割和從極低輸入電壓源（如TEG）管理剩余能量（見圖3）。升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可在低至20 mV的輸入電壓下工作。除了獨(dú)特的固定VOUT選項(xiàng)外，LTC3108在功能上與LTC3108-1相當(dāng)。

圖3：凌力爾特公司的LTC3108 DC/DC轉(zhuǎn)換器非常適合管理產(chǎn)生的熱電能量作者：TEGs。

LTC3108采用小型升壓變壓器，為無線傳感和數(shù)據(jù)采集提供完整的電源管理解決方案。 2.2 V LDO為外部微處理器供電，而主輸出則被編程為四個(gè)固定電壓中的一個(gè)，為無線發(fā)射器或傳感器供電。電源良好指示燈表示主輸出電壓在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。主機(jī)還可以啟用第二個(gè)輸出。

存儲(chǔ)電容在輸入電壓源不可用時(shí)提供電源。極低的靜態(tài)電流和高效率設(shè)計(jì)確保了輸出儲(chǔ)能電容器的最快充電時(shí)間。該特定部件的額定溫度范圍為-40至125°C，是航空電子和航空航天應(yīng)用的理想選擇從應(yīng)用的角度來看，值得注意的是，前面提到的Nextreme的Thermobility解決方案不僅包含Laird eTEG HV56熱電發(fā)電機(jī)模塊，還包含LTC3108超低電壓升壓轉(zhuǎn)換器和電源管理器芯片，可提供高達(dá)1 mW的功率電力（見圖4）。它的工作溫度相對(duì)于環(huán)境溫度低至15至20 K.

圖4：Nextreme的Thermobility解決方案結(jié)合了eTEG HV56和LTC3108，可自動(dòng)為飛機(jī)監(jiān)控應(yīng)用提供動(dòng)力以滿足預(yù)測(cè)需求維護(hù)系統(tǒng)?？偨Y(jié)利用熱電模塊利用廢熱來產(chǎn)生能量對(duì)于一系列應(yīng)用變得越來越有吸引力，尤其是在軍事和航空航天領(lǐng)域。這些堅(jiān)固耐用的設(shè)備使傳感器及其相關(guān)通信電路能夠長(zhǎng)期可靠地供電，而無需使用電池。觀察火星探測(cè)器，好奇號(hào)繼續(xù)從其傳感器發(fā)回?cái)?shù)據(jù)有多長(zhǎng)時(shí)間，這將是一件非常有趣的事情。