前言

一般汽車停在大太陽底下、關掉汽車引擎的情況下，若將汽車窗戶全部關閉時，此時車內如同一個密封的烤箱，其溫度會上升到大約55C，這樣的溫度使得準備開車的人或坐在車內的人相當難受。一般人在此種情況下，通常會起動汽車冷氣並搭配高轉速的風扇產生強風瞬間強迫降溫，此時汽車引擎必定消耗大量汽油並造成周圍的空氣污染，如此相當不符合經濟效益及環保要求。

因此本文希望研究一個輔助的汽車內溫度調節器，在引擎襲火、未開冷氣時，可以自動調節車內的溫度到達舒適的範圍。在汽車溫度較高的情況下，通入正值電流至熱電致冷晶片(以下簡稱TEC)產生冷的效果，以降低溫度；在溫度低的條件下，通入負值電流至TEC產生熱能，以提高車內溫度。如此一來，不論汽車外面的溫度如何改變，都可能使人一進到汽車內時，可立即擁有一個舒適的溫度。

本文的溫度調節器是利用TEC做為冷卻或控溫的核心元件。在1834年，法國製錶匠珀爾帖(Peltier)研究發現：若在兩種不同金屬接合的線路上通以電流，則其中一個接點會放熱，而另一個接點則會吸熱，此現象通稱為「珀爾帖效應」。典型的熱電致冷元件單層與雙層之照片如(圖一)所示。

如(圖二)所示為熱電致冷元件之內部剖面圖，其內部是由多個P型及N型半導體小方塊體(pellets)所組成，上下則由陶瓷基體(ceramic substrate)所組成，P型及N型半導體小方塊體由導體片(conductor tabs)所連接，導體片最後再引接至外部的兩條正極性(紅色)、負極性(黑色)的導線。(圖三)所示為該類熱電致冷元件基本原理示意圖，當兩條正極性(紅色)、負極性(黑色)的導線通入電流時，下方藍色的一面會吸熱而變冷，上方紅色的一面則會放熱而產熱，其熱流方向或電子流方向是由下方藍色的一面，流向上方紅色的一面(即由冷面向熱面流動)。(圖四)所示為(圖三)致冷晶片更詳細之內部電子流動概要圖。

熱電致冷元件的用途，可依隨著它的變化特性，應可用於日常生活中的各種角落。在日常生活用品、航太工業、醫學生物化驗、軍事民生工業等均處處可見熱電致冷元件之使用。熱電致冷元件最常見的日常用途，如：個人電腦的中央處理器(CPU)之冷卻、除濕箱、雷射發光頭的冷卻、車用行動冷藏箱、冰水機、冷熱敷療器、小型冰箱等。

此外，本文亦利用太陽光照射在太陽能電池(solar cells)上，利用所產生的電能對汽車內部的蓄電池進行充電，此電能亦可同時提供電力給TEC使用，因此並未使用汽車引擎帶動發電機所產生的電能或汽車蓄電池已儲存之電能，故本文的研究成果已同時達到使用綠色能源以及兼顧環保的雙重功效。

《圖一　典型熱電致冷元件之照片[4]》

《圖二　致冷晶片剖面圖[5]》

《圖三　致冷晶片基本原理示意圖[5]》

《圖四　致冷晶片之動作概要圖[6]》

功能與創新

（1）TEC與傳統冷凍壓縮機相互比較下，TEC之優點具有體積小、無噪音、不使用冷煤等，因此無環保公害、壽命長，可倒立或側立使用，無方向的限制等優點。

（2）不會發生消耗汽車蓄電池已儲存之電能、導致汽車引擎無法起動的問題。

（3）偵測汽車外的氣溫，自動切換為降溫或升溫模式，可隨時提供一個舒適的溫度給駕駛人及乘客。

（4）偵測溫度調節器之進風口溫度，可自動切換TEC的電壓、水冷幫浦及出風口風扇之轉速等。

（5）具有汽車蓄電池過度放電之保護及警示。

（6）可降低汽油燃料的使用，利用大自然的陽光照射太陽能電池，以產生電能對汽車蓄電池進行充電，也同時提供電力給TEC，達到使用綠色能源及環保的雙重效果。

工作原理

工作原理與功能

（1）TEC是利用珀爾帖效應，使得TEC通入電流以後，一面會產生熱能，而另一面則會吸收熱能，本文利用TEC其中的一面做為溫度調節器的核心，並在此面加上金屬鰭片，以增加導熱的面積。

（2）當TEC通入正電流時，裝上金屬鰭片的一面會吸收汽車內空氣的熱量；當TEC通入負電流時，原本吸收熱量的那一面會轉變為放出熱量。因此，TEC的同一面，只要更改通入的電流方向，即可決定是要提高或降低車內的溫度。文中此後稱提高車內溫度為「升溫模式」 (heating mode)、降低車內溫度為「降溫模式」 (cooling mode)。

（3）在降溫模式下，從汽車內吸收的熱量可藉由一般電腦用的水冷系統加以散熱。

（4）本文利用一片17 V、75 W的太陽能發電板來進行發電，太陽能板之發電電流經過高效率的開關式切換電源充電器(由LM2576所組成)對蓄電池進行充電。

（5）利用LM35溫度感測元件量測汽車外面的溫度以及出風口、進風口的溫度，以自動調節脈波寬度調變方式控制水冷幫浦及出風口風扇轉速，以降低系統能量的損耗。

HOLTEK MCU的核心功能

（1）利用MCU內部之類比對數位轉換功能(AD)以及LM35溫度感測元件來量測溫度。

依據AD轉換的結果，利用MCU做為一個命令決策中心，控制系統在升溫/降溫/關閉等不同模式。

（2）採用MCU之AD來量測蓄電池之電壓，以判斷蓄電池是否過度放電，並利用LED之顯示以提示車主並停止供電給TEC。

（3）AD量測太陽能板之輸出電流以及充電器輸出電流，以判斷是否發生過電流。

（4）利用MCU內建的脈波寬度調變(PWM)功能，以控制幫浦及風扇的轉速。

（5）利用計時器Timer0的準確計時，以設計水冷系統的關閉延遲時間(off time delay)。

作品結構

系統簡述

如(圖五)所示為本文之系統方塊圖，該系統主要由三大部份所組成：太陽能電池、主電路1、主電路2、主電路3，其他的元件有12 V汽車蓄電池、電路板電源及TEC。(圖二)左上方的太陽能電池規格為17 V、75 W，該輸出電能經過主電路1之MCU1及高效率的降壓轉換器(buck converter)對(圖二)中間上方之12 V汽車蓄電池進行充電。該12 V之汽車蓄電池之輸出電能經過主電路2之MCU2及降壓轉換器對(圖二)右方的TEC進行控制電流大小及極性，故主電路2負責控制TEC的電壓以及負責控制降低TEC熱面溫度之水冷系統。MCU1及MCU2傳送所量測類比訊號至MCU3，由MCU3及24LC08元件進行液晶顯示器(LCD)之數據顯示。每個主電路之MCU皆採用一顆HT46R24擔任量測、決策及控制，並藉著輸入輸出介面(I/O)作資料的交換。

《圖五　本文之系統方塊圖》

各主電路之完整電路圖

如(圖六)所示為主電路1之完整連接電路圖，該電路是由MCU1 (HT46R24)、降壓式直流-直流轉換器(BUCK)、電流電壓量測電路、低電壓偵測電路、PWM可變電阻電路組成。該電路中，MCU1偵測太陽能電池的電壓(V_pv)、電流(I_pv)、BUCK輸出電流(I_out)、蓄電池兩端電壓(V_bat)，並通過邏輯的判斷，決定PWM輸出的責任週期(duty)以決定BUCK之輸出電壓。

如(圖七)所示為主電路2之完整連接電路圖，該電路是由MCU2 (HT46R24)、降壓式直流-直流轉換器(BUCK)、繼電器、溫度量測電路、PWM驅動器組成，其中溫度量測電路是由溫度感測器LM35及運算放大器(OP)所組成。LM35為一個具有量測寬廣溫度範圍(-55C ~ 150C)的感測器，其輸出電壓對溫度之變動率為+10 mV/C。MCU2依據量測到的車外氣溫(Ta)及汽車內的空氣溫度(Tair_in)，決定提供給TEC的電壓大小與正、負極性，水冷幫浦及出風口風扇的責任週期，以及降溫模式指示燈(led_cool)、升溫模式指示燈(led_heat)、TEC模組風扇(tec_fan)、水冷系統散熱排風扇(watercool_fan)的啟動及關閉等工作。

如(圖八)所示為主電路3之完整連接電路圖，該電路是由MCU3 (HT46R24)、LCD模組、EEPROM(24LC08)所組成，MCU3之PB0-PB7分別量測MCU1及MCU2所傳送過來的類比訊號太陽能板的電壓(V_pv)及電流(I_pv)、降壓式直流-直流轉換器之電壓(V_buck)、蓄電池兩端電壓(V_bat)及電流(I_bat)、車外氣溫(Ta)、汽車內的空氣溫度(Tair_in)、冷氣出風口溫度(Tair_out)等，MCU3之PA0-PA7以及PC0-PB2與LCD模組連接做顯示控制，EEPROM(24LC08)則以SDA、SCL兩接腳與MCU3做連接。

《公式一　輸出電壓公式》

如(圖九)所示為主電路1及主電路2內部之降壓式直流-直流轉換器(BUCK)的電路，該電路使用國際半導體公司(National Semiconductor)的LM2576-ADJ做為MOSFET開關的切換控制器，此轉換器的輸出電壓公式如(公式一)，式中R2及R1為連接在該電路輸出端至接地端間的兩個串聯電阻器。

《圖六　主電路1之完整連接電路圖》

《圖七　主電路2之完整連接電路圖》

《圖八　主電路3之完整連接電路圖》

《圖九　降壓式直流-直流轉換器之電路》

硬體架構照片

如(圖十)和(圖十一)所示分別為TEC模組1及模組2(含水冷頭、致冷晶片、散熱片)的照片，每個模組的銅水冷頭與散熱片之間夾著兩片TEC。如(圖十二)所示為水冷系統與TEC模組連接的照片。如(圖十三)所示為本文作品顯示面板的配置照片。如(圖十四)所示為本文所有電路板之實體照片。如(圖十五)所示為本文量測時所採用之孕龍邏輯分析儀(LAP-16128U)照片，(圖十六)所示則為本文使用孕龍邏輯分析儀在高速、中速、低速降溫下之量測波形。

《圖十　 TEC模組1照片》

《圖十一　TEC模組2照片(含水冷頭、致冷晶片、散熱片)》

《圖十二　水冷系統與TEC模組連接照片》

《圖十三　顯示面板的配置照片》

《圖十四　本文所有電路板之實體照片》

《圖十五　本文量測時所採用之孕龍邏輯分析儀(LAP-16128U)照片》

《圖十六　本文使用孕龍邏輯分析儀在不同速度降溫下之量測波形》

程式流程圖

如(圖十七)所示為MCU1之主程式流程圖，此程式先判斷太陽能板電壓V_pv是否小於9 V，若太陽能板發電電壓過低則關閉LM2576，使得充電器不動作，以保護太陽能板。若太陽能板發電電壓大於9 V，則開啟LM2576。接著判斷太陽能板電流I_pv是否大於4 A，若是則降低PWM電路的責任週期，以降低LM2576的輸出電壓；否則則判斷I_out是否大於4 A，若是則降低PWM的責任週期，否則則增加PWM的責任週期以提高輸出電壓，俾對蓄電池充電並提供電流給TEC。此外，程式亦判斷蓄電池電壓V_bat是否小於11 V，若是則蓄電池電壓為過低則使LED點亮，並使PA6輸出1告知MCU2電池電壓過低，應關閉TEC。

《圖十七　MCU1之主程式流程圖》

如(圖十八)所示為MCU2之主程式流程圖，此程式先判斷由MCU1送過來的蓄電池電壓過低訊號是否為1或開關(SW_Stop)是否按下，若是則進入系統關閉模式(Off Mode)副程式。若兩者皆否，則通過HT46之AD量測車外氣溫Ta，若Ta > 28C則進入降溫模式；若18C < Ta ≦28C則進入關閉模式；若Ta ≦ 18C則進入升溫模式。

《圖十八　MCU2之主程式流程圖》

如(圖十九)所示為降溫模式之副程式流程圖，此程式先設定接腳cool_or_heat (PB7)為0，使LM2576提供正值電流給TEC，再以較低責任週期之PWM訊號驅動出風口風扇(Fan_out)，以便量測車內的氣溫(Tair_in)。當Tair_in > 34C、26C < Ta ≦ 34C、Ta ≦ 26C的三種溫度範圍內，分別提供高、中、低等責任週期的PWM給Fan_out及water pumper驅動器，以分別供應高、中、低的電壓給TEC，藉著這樣的控制方式來降低系統的能量損耗。

《圖十九　降溫模式副程式之流程圖》

如(圖二十)所示為升溫模式副程式之流程圖，此程式先設定接腳cool_or_heat (PB7)為1來激磁繼電器，以使LM2576提供負值電流給TEC。然後以較低責任週期的PWM訊號驅動出風口風扇(Fan_out)，以便量測車內的氣溫(Tair_in)。當Tair_in > 20C、10C < Ta ≦ 20C、Ta ≦ 10C三種溫度範圍內，分別提供低、中、高責任週期的PWM給Fan_out及water pumper驅動器，以分別供應低、中、高的電壓給TEC。

《圖二十　升溫模式副程式之流程圖》

如(圖二十一)所示為關閉模式副程式之流程圖，此程式先關閉LM2576、LED_cool、LED_heat，設定LM2576之回授電阻值，使LM2576輸出為低壓，以便在下次啟動LM2576時，是以低電壓方式啟動，俾降低啟動的電流。等待5分鐘的延遲以後，再關閉水冷幫浦、出風口風扇、TEC_fan (TEC模組上的風扇)、water cool_fan (水冷系統散熱排風扇)。延遲5分鐘關閉是為了將TEC上的剩餘溫度恢復至室溫值。

《圖二十一　關閉模式副程式之流程圖》

本文作品利用優塑板製作了一個長86 cm、寬47 cm、高60 cm的空箱(如圖二十二)做為冷氣循環的空箱，以模擬汽車內的空間。在空箱左方八分之一處內裝有4片12 V、6 A的TEC (TEC-12706)以及循環用的風扇(即出風口風扇fan_out)，其中TEC的散熱片模組則通過水管連接到水冷系統。如（圖二十三）所示為水冷系統與模擬車體之空箱實體照片。

《圖二十二　 本文模擬汽車內部空間之優塑板空箱示意圖》

《圖二十三　 水冷系統與模擬車體之空箱實體照片》

＜余國威目前為成功大學電機研究所電力組一年級研究生＞

＜王醴目前為成功大學電機系教授＞

參考文獻

書籍

[1]鍾啟仁編著，『HT46xx微控制器理論與實務寶典』，全華科技圖書，民國95年。

[2]李齊雄、鄭顏雄、蔡孟昌編著，『微控制器原理與實作(HOLTEK HT48系列)』，儒林圖書，民國92年。

[3]吳一農編著，『Holtek48單晶片微電腦實務應用』，全華科技圖書，民國94年。

技術報告

[1]Holtek,『HT46R24/HT46C24 A/D Type 8-Bit MCU』, March 2006.

[2]National Semiconductor,『LM2576/LM2576HV Series SIMPLE SWITCHERR 3A Step-Down Voltage Regulator』, June 1999.

[3]National Semiconductor,『LM35 Precision Centigrade Temperature Sensors』, November 2000.

[4]http://www.heatsink-guide.com/

[5]http://www.tellurex.com/12most.html

[6]http://www.peltier-info.com/animation1.gif