基于热电制冷的动力电池模组散热性能研究

摘 要：本文研究了基于热电制冷（TEC）的电动汽车电池模组散热性能。圆柱电池模组按3×5阵列排布，两侧对称布置热电制冷系统，采用理论分析建立了电池模组的一维热阻网络，以评估热性能。通过改变TEC电流、电池单体温度、冷热端热阻、TEC布置方式来研究TEC的最大制冷功率Qtot，制冷效能COP（coefficient of performance）和最佳工作电流。结果表明TEC的冷端温度随着TEC电流的增大呈先减小后增大趋势，而热端温度则随着TEC输入电流的增大而逐渐增大。制冷功率随TEC电流增大呈先增大后减小趋势，而TEC的COP值随着电流的增大而逐渐减小，电池温度在30～50 ℃下制冷效率在0.45～0.60之间。最大制冷功率对应的最佳工作电流在5.5～6.25 A之间。冷、热端热阻影响TEC的制冷功率和最佳制冷电流。其中，最大制冷功率对应的最佳TEC电流受热端热阻的影响较大，受冷端热阻的影响较小。 关键词：热电制冷（TEC）；热管理；热阻网络；制冷性能；稳态理论分析 锂离子电池因其高能量密度和低自放电率特性，在新能源汽车上被广泛使用。但锂离子电池在大倍率充放电过程中产生大量反应热，若不及时有效散热会导致模组热积聚甚至引发电池热失控，这对电池的使用寿命和可靠性产生不利的影响。当锂离子电池持续升温SEI膜会分解并放热，导致电解液吸热蒸发，隔膜熔化，进一步导致正负极发生短路，热量积聚引发热安全事故。因此良好的锂离子电池热管理可以保证电动汽车更长的续航里程和使用寿命，这就需要设计有效的电池散热系统保障锂离子电池在适宜的温度区间运行，一般来说，要保证电池表面最高温度不超过50 ℃，最大温差不超过5 ℃。 锂离子电池冷却方式可分为主动冷却和被动冷却。其中主动冷却包括风冷散热、液冷散热；被动冷却主要有自然对流散热和相变材料散热。风冷一般适合于低倍率充放电或者间歇式充放电过程。Fan等[数值模拟与试验研究了在电池组内添加风道并且采用风扇对电池组进行强制对流散热，模拟与试验结果均表明强制对流散热下可以有效改善电池组内部温度分布均匀性。Chen等数值研究风冷条件下电池的间距，优化后的风冷散热，最高温度降低了3 ℃，最大温差降低超过60%。液体冷却性能优于空气冷却，Zhao等分别研究了锂离子圆柱电池模组在风冷和液冷散热条件下的最高温度，结果表明液冷散热条件下的模组最高温度比风冷降低了7.6 ℃。但液冷也存在管路复杂的缺点，靠近电池组进行内部集成容易导致冷却剂泄漏。有机相变材料冷却技术具有广阔的应用前景，它利用PCM（phase change material）潜热大的优点对电池进行冷却，并通过填充导热材料以提高相变材料热导率。Ling等研究了不同热导率的复合相变材料在电池模组低温下的热性能，较高热导率的石墨-PCM复合相变材料具有较好的温度均匀性和充放电性能。Yang等数值分析和试验研究了圆柱形动力电池金属外壳和丙烯酸外壳的相变材料熔化过程和热特性，电池的特征温度和温差都与电池周围相变材料的熔化状态密切相关。 相比之下，基于热电制冷的复合散热结构的动力电池热管理研究工作较少。作为一种新兴的制冷技术，TEC制冷具有响应快、体积小、易于控制、无制冷剂污染等突出优点，在动力电池的热管理中得到越来越多的应用。张晓波等研究半导体制冷片几何参数对制冷性能的影响。何红等通过改变其输入电流控制热电产品的温度，进行了热电模块的理论研究。 本文以圆柱形电池模组为研究对象，建立了从模组中间最高温电池到外部环境的一维热阻网络模型，根据试验测量获得各部分热阻，对热电片制冷性能进行稳态分析。通过改变TEC电流，电池表面最高温度和TEC冷、热端热阻研究了TEC双面对称布置模式下的最大制冷功率Qtot、制冷效能COP和最佳工作电流，为热电制冷技术在电池热管理中的应用提供指导。 试验中采用的是铝制模拟18650电池，电池发热模拟松下NCR 18650锂离子电池。详细电池参数见表1。电池模组（124 mm×80 mm×70 mm）按3×5阵列布置，并联连接。利用新威充放电测试仪（CT-4008-5V60A-NFA）分别锂离子电池进行1C、2C、3C放电、日置温度采集仪（HIOKI LR8410-30，采样频率为2 s）记录电池放电过程产热的温升。最后通过校准量热法[21]测得锂离子电池产热率。结果表明，其在1～3C放电倍率下电池的平均生热功率为0.38～3.6 W。 表1   测试电池的基本参数 热电制冷是根据帕尔贴效应，利用P型和N型两种不同的半导体材料平行排列、串联连接，当有直流电通过时在一侧产生吸热在另一侧会产生放热的现象，吸热和放热由电流方向决定。热电片的结构主要由导电板、P-N热电臂对和陶瓷基板组成，如图1所示，热电片由127对热电臂对串联而成，其中N型半导体电子富余，表现为负温差电势，P型半导体电子不足，表现为正温差电势，当电流方向从N流向P时，电子反方向穿过结点从P流向N，其能量增加，增加的能量等于在结点处吸收的热量，从而导致上端面结点处的温度较低形成冷端，相反下端面结点处放热形成高温热端。若干热电臂对串联就形成热电片达到制冷和制热的目的。TEC的具体参数见表2。 图1   热电片结构 表2   热电片TEC1-12710的参数在稳态条件下的理论分析 当TEC通入电流时，TEC冷端产生冷量将电池模组产生的热量搬迁至TEC热端，而TEC热端的热量被液冷散热器（130 mm×70 mm×30 mm）冷却液带至外部恒温水浴槽（Jeio，RW3-1025P）经换热器散出。热量在不同器件之间的传递过程中，均会因热阻作用产生温差，在进行理论研究时，需要将各部分热阻因素考虑进去。基于热电制冷的电池模组如图2所示。模组内部填充复合相变材料以提高导热性能，模组两侧对称布置TEC冷却装置，并通过尼龙扎带将TEC紧贴在电池模组的长侧端面。为防止TEC热端温度过高烧坏元器件，采用液冷散热器对TEC热端进行散热。图中红色标记为热电偶（Omega，K型，丝径0.2 m，偏差±0.2 ℃）测温点。因为模组是对称的，可取图中红色虚线框标记的电池模组部分进行热阻分析。 图2   TEC双面对称布置一维热阻网络1.2.1　热界面材料热阻分析试验系统装配过程中将少量的导热硅脂［Omega导热硅脂，导热系数为2.31 W/(m∙K)］均匀涂覆在TEC冷热端面的陶瓷基板上用以减少接触热阻。因为热界面材料高度依赖于厚度，为了使热界面材料均匀涂覆，沿着散热器外围边界黏贴4层透明胶带控制涂覆厚度，此过程类似于钢网印刷工艺。其比热阻计算公式 式中，Rʺtim为热界面材料的比热阻，K·cm2/W；Tw为电池模组铝壳的温度；Ts为散热器温度；Q为总产热功率；As为铝壳长侧端面的面积。为了评估热损的大小对测量结果计算误差的影响，对电池模组进行直接液体冷却，在稳态条件下估算模组热损。当电池模组达到稳态，根据散热器进水口与出水口间温差，可以计算出电池模组传递到散热器的净热量。其计算公式如下 即Q-Qnet为模组的热损，当单体电池产热功率为3 W（总产热功率为45 W）的热量损失为0.93 W，占比2.1%。因为热损占比较小，所以在式(1)中计算热界面材料的比热阻没有考虑热损。1.2.2　TEC冷端热阻分析TEC冷、端热阻包括模组中间最高温度的#8电池到与铝壳接触面的热阻以及热界面材料的热阻之和。试验测量了不同模组产热功率下TEC冷端热阻，发现该值保持在0.310～0.330 K/W，电池模组内的传热介质的状态对TEC冷端热阻的影响较小，后期计算统一取值0.320 K/W作为TEC冷端热阻。其计算公式为 式中，Rbw为#8电池到铝壳壁面热阻；Tbmax为中间电池的最高温度；Tw为模组外壳长侧壁面温度。1.2.3　TEC热端热阻分析TEC的热端热阻包括热界面材料热阻Rtim、散热器热阻Rsink和远程换热器热阻Rhea。当模组温度达到稳态时，散热器热阻和换热器热阻可由公式计算得 模组达到稳态时，系统热阻网络中各部分热阻计算结果见表3。 表3   热阻测量结果 1.2.4　稳态理论分析电池模组在热电制冷方式下达到稳态时，电池温度、TEC不同输入电流以及TEC冷热端热阻均对热电制冷系统性能有很大影响。本节基于理论模型公式对热电制冷系统性能进行稳态理论分析，研究各因素对热电制冷系统性能的影响。TEC的性能参数由内部热电臂对的性能参数决定。Zhang等提出了一种利用TEC模块热电臂对参数表征能量转化过程。其TEC的冷却功率和产热功率可以用如下公式表示。 式中，Sm为模块塞贝克系数；Rm为模块电阻；Km为模块热导率，表达式如下 基于试验过程中TEC冷热两端的表面温度Tc、Th不易测量，通过热阻分析，由式(8)～(10)可得TEC冷、热端温度表达式 式中，Ta为环境温度；Tb为模组中间位置#8电池温度；Rbc为#8电池到TEC冷端的总热阻（等于Rtim和Rbw的热阻之和）；Rha为热端总热阻（包括Rtim、Rsink、Rhea）。联立式(6)～(8)和式(12)、式(13)可得制冷功率表达式和制冷效能COP的表达式[23]。 本节根据上节给出的数学模型，对TEC的冷却性能进行稳态理论分析，利用Matlab求解不同TEC电流、不同电池温度和不同冷、热端热阻下的TEC理论的冷热端温度、制冷量以及制冷效能。在稳态分析中，冷端和热端的热阻见表2。环境温度设为17 ℃与试验的初始环境温度保持一致。通过改变TEC电流、电池的最高温度、TEC热端和冷端热阻等参数来研究它们对TEC冷却性能和最佳电流的影响。 如图3所示为根据式(12)、式(13)计算出的不同TEC输入电流的冷热端温度。从图中可以看出随着TEC电流的增大，冷端温度呈先减小后增大趋势，而热端温度则逐渐增大。同一TEC电流下，冷热端温度随电池温度的升高而升高。电池温度对TEC的冷端温度影响较大，电池温度越高对应的TEC热端温度越高，冷端温度越低，且对热端温度影响较小。当系统达到最低制冷温度对应的电流值就是在该电池温度下的最佳制冷电流，由曲线可得最佳制冷电流在5.50～6.25 A。 图3   在环境温度为17 ℃下TEC的冷热端温度随电流变化的曲线 热电制冷极限工况包含最大制冷量工况和最大制冷效率工况。一般高制冷量时的工况对应低制冷效率，高制冷效率时的工况对应低制冷量。最大制冷量工况方式适用于散热器件要求持续低温或者间歇式恒温工作条件；最大制冷效率工况适用于要求运行经济、耗电少的场合。因此，两种极限工况各有优劣，对于热电制冷片运行工况的选择，应当根据实际电池模组散热需求，选择最适当的运行工况与电池模组散热需求相匹配。如图4所示是基于式(14)、式(15)的不同电池温度下TEC的制冷功率和COP。这里的制冷功率Qtot对应于在试验测试中电池模组的产热功率。如图4(a)、(b)所示，在相同电池温度下，制冷功率随TEC电流增大呈先增大后减小趋势，而TEC的COP随着电流的增大而逐渐减小。不同电池温度下，TEC的COP的变化区间为0.45～0.60。在相同TEC电流下电池温度越高，制冷功率Qtot也越大。 图4   在电池温度在30 ℃、4 0℃、50 ℃时系统制冷性能随TEC输入电流的变化曲线 冷、热端热阻对TEC制冷功率具有重要影响。因此，分别研究了30 ℃和50 ℃电池温度下固定热端热阻变冷端热阻以及固定冷端热阻变热端热阻两种条件下对TEC制冷功率的影响。图5(a)为30 ℃和50 ℃的电池温度下，固定热端热阻为0.185 W/K，不同冷端热阻对应的制冷功率。结果表明冷端热阻越小，制冷功率越大，但最佳制冷电流随热阻变化不大，基本可以忽略不计。图5(b)为30 ℃和50 ℃的电池温度下，固定冷端热阻为0.394 W/K，不同热端热阻的对应的制冷功率。其热端热阻不仅影响制冷功率，而且最佳制冷电流也随之改变，即热端热阻越小TEC制冷功率越大，而此时最佳制冷电流也越大。 图5   电池温度在30 ℃和50 ℃下的制冷功率与电流变化曲线（Ta=17 ℃） 图6为本文研究的不同电池温度下双面TEC对称布置的制冷功率随TEC电流变化的曲线和Jiang等研究的将TEC串联单面布置在模组侧面的制冷功率随TEC电流变化的曲线。热阻测量结果表明双面TEC对称布置的冷热端热阻比单面TEC布置的冷热端热阻偏小。从图中可以看出在30～50 ℃电池温度下，TEC制冷功率都随电池温度的升高而升高，而在相同电池温度下，冷热端热阻较小的双面对称布置的TEC制冷功率大于单面TEC布置的制冷功率，而最佳制冷电流也相对偏大。因此，可以通过减小冷热端热阻或改变TEC在模组上的布置位置可以优化TEC的制冷性能。 图6   双面TEC对称布置和单面TEC布置的制冷功率随电流变化的曲线 通过稳态理论分析，对基于热电制冷的电池模组的散热性能进行了研究。电池模组由18650圆柱电池组成，按3×5阵列排布。通过对电池模组传热分析，构建了一维热阻模型，试验测量了各部分热阻，分析了不同电池温度、TEC电流、冷热端热阻、TEC布置方式对制冷性能的影响，结论如下。 （1）当电池温度分别为30～50 ℃时，TEC的冷端温度随着TEC电流的增大呈先减小后增大趋势，最低温度对应的电流为最佳制冷电流其变化区间为5.50～6.25 A，而热端温度则随着TEC输入电流的增加而逐渐增大。相同电流下，电池温度越高TEC冷端温度越低，且电池温度对TEC冷端温度影响较大，对热端温度影响较小。 （2）在相同电池温度下，制冷功率随TEC电流增大呈先增大后减小趋势，而TEC的COP值随着电流的增大而逐渐减小。电池温度从30 ℃增加到50 ℃，制冷效能COP的变化区间为0.45～0.60。在相同TEC电流下电池温度越高，制冷功率Qtot也越大。 （3）冷热端热阻影响TEC的制冷功率和最佳制冷电流。其中，改变冷端热阻只影响最大制冷量，而改变热端热阻则既影响最大制冷量又影响最大制冷电流。最大制冷功率对应的最佳电流受热端热阻的影响较大，受冷侧热阻的影响较小。相同电流下双面TEC对称布置的制冷性能明显优于单面TEC布置。      引用本文： 李俊伟,张恒运,吴笑宇等.基于热电制冷的动力电池模组散热性能研究[J].储能科学与技术,2020,09(06):1790-1797. (LI Junwei,ZHANG Hengyun,WU Xiaoyu,et al.Heat dissipation performance of a power battery module based on thermoelectric cooling[J].Energy Storage Science and Technology,2020,09(06):1790-1797.)