软件工程与应用|基于可重构热电阵列的动态电池温控系统—

软件工程与应用|基于可重构热电阵列的动态电池温控系统——实现动态温度均匀化

导读：

基于热电效应的可逆性，本研究提出了一种动态可重构热电阵列系统，旨在解决电池组内部温度不均的问题，并实现快速收敛与能量收集。该系统通过动态切换每个热电模块(Thermoelectric Module, TEM)的工作模式——加热、冷却或发电，结合热点追踪技术及模糊PID (Fuzzy-PID)控制算法，实现了按需精准温控，不仅有效维持了电池工作环境的温度均匀性，还最大化利用了热差进行电力回收。实验验证表明，系统温度误差仅为1.77℃，系统超调损耗仅占整体功耗的0.11%，且在能量收集模式下能够达到319 mV的最大俘获电压。这项工作提供了高效绿色的温控解决方案。

基本信息：

基于可重构热电阵列的动态电池温控系统——实现动态温度均匀化

Dynamic Battery Temperature Control System Based on Reconfigurable Thermoelectric Arrays—Achieving Dynamic Temperature Uniformity

作者：

黄宏滔, 贾宏志*：上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海；张磊, 徐舒喜, 刘源：华东光电集成器件研究所，安徽蚌埠

关键词:

可重构热电阵列；电池热管理；温度均匀性；能量收集；模糊PID

项目基金：

国家自然科学基金项目(62474112)

上海市浦江计划项目(23PJD066)

科技部国家科技重大专项项目(2018AAA0103100)

原文链接：

https://doi.org/10.12677/sea.2025.142018

内容简介：

在汉斯出版社《软件工程与应用》期刊上，有论文提出了一种基于动态可重构热电阵列的温度管理系统，旨在解决电池组内部温度不均和快速收敛的挑战，同时实现能量回收功能。

可重构热电阵列电池温控系统的总体框架如图1所示。

为实现热电阵列的可重构，使每个TEM具备冷却、加热和能量收集的并行功能，本文提出了一种基于配置信号切换热电工作模式的电路设计。控制信号(row、dir和col)通过两个异或门和一个与门生成开关信号Z (布尔表达式(1))，用于控制继电器的通断状态。当继电器闭合时，TEM切换为TEC模式，dir信号控制H桥电流方向，输出电压Uout驱动TEC，将电能转化为热能，实现电池温控；当继电器断开时，TEM切换为TEG模式，利用电池与水冷板之间的温差发电，实现能量回收。

如图4所示，温度管理调度算法采用闭环控制架构。系统通过热点追踪模块实时获取目标温度点Tex，并计算其温度误差Eex。当检测到Eex > Emin时，算法将Tex对应的TEM设置为制冷模式(TEC)，其余TEM切换为发电模式(TEG)。同时，基于Eex和Tex的实时反馈，通过Fuzzy-PID控制器动态调节H桥模块的电流参数，实现Tex及其邻近区域的精准温控。

一个直观易用的操作界面对于提升工作效率至关重要，它能够帮助操作员清晰掌握当前温度分布状况，并据此采取最优控温措施。基于强大的Qt Designer平台，运用C++编程语言设计了一款功能完备的温度检测系统。

系统首先创建了一个热电阵列(TEs类)实例，该类负责初始化线程池结构、用户界面(User Interface, UI)以及底层硬件配置。在统一调度的全局线程池中，部署了三大关键线程任务：温度读取线程、电能监测线程以及MQTT物联网数据同步线程。其中，温度读取和电能监测线程实时采集温度和电能数据，并将这些数据实时反映在曲线图表与用户交互界面中。进一步地，在完成温度管理参数配置后系统启动温度管理控制线程，该线程通过实施Fuzzy-PID算法，根据计算结果生成相应的PWM波形信号。最终，带有特定占空比的PWM波被送入H桥驱动电路，从而精确控制热电阵列的温度，实现整个系统的闭环温度管理。

为验证所提系统的有效性，搭建了实验平台，该平台主要由热电阵列模块、热电控制模块和数据监测模块等关键组成部分构成。热电阵列模块包括热失控电池、9个40 mm × 40 mm的TEM以及配套的水冷系统，通过硅脂进行耦合以确保高效的热传导。热电控制模块作为系统的核心，集成了MCU、H桥电路、能量收集电路和热电可重构电路。数据监测模块包含UI界面显示、温度传感器和功率传感器，实时展示实验过程中的关键参数，如温度、功率以及各TEM的工作状态，确保系统的全面监控与可视化管理。

结论

本文提出了一种基于可重构热电阵列的动态电池温控系统。该系统通过可重构动态切换热电阵列的每个TEM的功能，实现了对热失控电池的温度快速收敛和均匀化，同时具备能量收集的功能。通过热点追踪和Fuzzy-PID，按需进行温度管理，能量效益最大化。实验结果显示，系统超调损耗仅占整体功耗的0.11%，最终温度误差仅为1.77℃，收敛时间为294 s。在能量收集模式下，最大俘获电压达到了319 mV。本文工作提供了高效绿色的温控解决方案。

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