电动汽车电池包热电制冷系统的实验研究

翁志奇, 邓 斌, 张鑫伟, 李国能, 郭文文, 汤元君, 郑友取

(浙江科技学院 能源与环境系统工程系, 浙江 杭州 310023)

0 引 言

能源危机和环境污染促进了电动汽车的快速发展。动力电池作为电动汽车的储能装置,其安全性尤为重要。锂电池具有较高的输出功率、能量密度和较长的循环寿命等优点被广泛使用[1]。锂电动力池包的最佳工作温度区间为20～45 ℃[2]。当超过一定温度时电池容量和寿命会降低,当电池超过温度临界点时会发生热失控[3-5],产生自燃等严重事故。因此,在高温气候下,控制电池组处于最佳的工作温度,需要配套使用热管理系统,以确保电池组的安全和获得最佳的工作性能。

目前动力电池包热管理的方式主要分为空气冷却、液体冷却、相变材料冷却和热管冷却[6]。在空气冷却方面,CHEN等[7]在风冷条件下,通过优化电池间距,使电池最高温度降低了3 ℃。在液冷方面,ZHAO等[8]研究了锂电池组在风冷和液冷条件下的最高温度,结果表明液冷比风冷降低了7.6 ℃。液冷系统相比于风冷系统效果更显著,但是液冷系统更加复杂,成本更高。在相变冷却方面,WANG等[9]设计了一种基于铜泡沫和石蜡复合相变材料的新型无源电池热管理系统,通过组合实验研究了具有新型热管理系统和空气冷却系统的电池组的热性能。实验结果表明,基于新型热管理系统的电池组的最高温度可保持在42 ℃以内。相变冷却方式可以实现较好的节能效果,但是增加了系统体积和重量。此外,已有研究表明当相变材料完全融化后增加了电池对外传热的热阻[10]。

近年来,将半导体制冷和电池热管理相结合逐渐成为电动汽车电池包热管理的研发方向。相比于传统的热管理方式,半导体制冷模块具有体积小、质量轻、制冷速度快、制冷量可通过电流精确控制等优点[11-12]。当前国内外对提高热电制冷性能的研究可以分成三大方向:热电制冷材料研究、热电制冷散热研究和热电制冷器系统研究。在散热研究方面,杜海龙等[13]利用半导体水冷式空调研究不同热端散热条件和不同冷端送风温度下制冷量与制冷效率的变化规律,结果表明,热端冷却水流量显著影响热电制冷的制冷效率。申丽梅等[14]对热电制冷热端散热进行了详细的分析,结果表明散热器尺寸和风扇速度显著影响热端温度。张晓芳等[15]对半导体的冷却能力进行了研究,发现水冷制冷效果明显优于风冷,且其制冷性能与冷却水的温度有关,水温越低,热电制冷系统的制冷效率越高,制冷温度越低。

本文在前人工作的基础上,新设计了一款由热电制冷单元、散热单元和循环工质单元组成的热电制冷装置,研究了散冷风速和冷却液流量对热电制冷系统性能的影响规律,并对一个36 kW·h的锂电动力电池包进行了制冷降温实验研究。

1 热电制冷系统、实验台架和参数定义

1.1 热电制冷系统

图1为热电制冷系统及制冷单元的结构示意图。热电制冷系统主要由热电制冷单元、散热单元和循环工质单元组成,其中热电制冷单元是热电制冷系统的核心单元。热电制冷单元主要由热电制冷模块、散冷器和水冷器组成。散冷器的材质为6061铝合金,在数控加工中心基于一块铝合金一体化雕刻而成,整体尺寸为170 mm×103 mm×40 mm。散冷器采用错列布置的顺流三角形换热肋柱,肋柱边长为3 mm,肋柱中心间距6 mm,肋柱高度25 mm,基底厚度8 mm,这种设计可以提高系统的散冷速率,最大程度降低传热热阻。6个热电制冷模块的冷端紧贴在散冷器的安装面上,型号为TEP-126T200,尺寸为40 mm×40 mm×3.8 mm,最高耐温200 ℃,热电材料为碲化铋。国内各大厂商生产的热电制冷模块内部的热电材料优值(ZT值)较为接近,因此在相同的输入功率下,更换不同的制冷模块其制冷性能差别不大,这说明系统结构设计的重要性。制冷模块的热端采用水冷方式进行散热,水冷器紧贴制冷模块的热端,并采用螺栓进行压紧固定,安装压力为1 MPa,所有的接触面均采用石墨垫片以降低接触热阻。铝制水冷器内部具有多个流道,通过循环冷却液进行降温。此外,散冷器的一端固定有散冷风扇(型号为DELTA-BFB1012VVH,供电电压为3.5～24 V),目的是将散冷器中的冷量源源不断地输运到外部空间。整个热电制冷单元外部利用保温材料对其进行保温,避免冷量外泄。制冷单元的体积为1.84 L,重量为1.04 kg。

图1 热电制冷系统及其制冷单元的结构示意图Fig. 1 Thermoelectric cooling system and its configuration of cooling unit

散热单元由水冷器、散热器和散热风扇组成。散热器和散热风扇的作用是用来维持整个系统的水温,从而保证热电制冷单元的热端温度,使得热电制冷系统内的冷热端始终保持在合理范围。循环工质单元由水箱、水泵、水冷器组成。实验中采用的水箱为亚克力板做成的透明圆柱形水箱,蓄水容积为0.2 L,在水泵的作用下完成冷却液的循环过程;此外,通过调节水泵的输入电压来获得不同的冷却流量以满足不同的实验需求。

值得提及的是,热电制冷系统的设计采用热端水冷和冷端风冷的热量管理组合,其原因是多方面的。一方面,热端采用水冷可及时高效地将热量转移,在其它位置进行散热;在热端安装大体积的风冷散热器具有较高的安装难度,容易造成接触不良,影响制冷效果。另外一方面,冷端采用风冷可减少不必要的中间环节,节省空间,还可以增加电池包内部空间的空气对流,有利于降低电芯的温度;此外,电池包内部安装水路存在泄露的风险,较为委托的做法是采用风冷。

1.2 实验台架简介

图2为热电制冷系统的实验台架示意图。实验台架由K型热电偶、涡轮式风速计和数据采集仪组成。在散冷器的出风口、制冷模块的冷热端和电池箱体内装有4个K型热电偶。紧贴于制冷模块热端上的热电偶测量热电制冷单元的热端温度Th,安装在散冷器内部的热电偶用来测定制冷单元的冷端温度Tc。测量进风口温度Tb和出风口温度Tout,用于计算整个制冷系统的能效比。此外电池包箱体内温度Tb同时用于衡量整个电池热管理系统的性能。K型热电偶型号为TES1310,自带液晶显示屏,测量范围为-50～200 ℃,精度为±0.1%。散冷器的散冷风速采用型号为PM6252的涡轮式风速仪测量,量程为0.2～30 m/s,精度为±2%。冷却液流量采用玻璃转子流量计进行测量,型号为LZTM-15,流量范围为0～50 mL/s。两个电能表型号为DSNDVM568,量程为4.5～30 V,精度为±1%,用于测量加热器产热功率和制冷单元的功率。散冷风扇、散热风扇和水泵的电压由3台可调稳压器XL4016E分别和3个电压表进行调节其功耗,实验前进行标定。

图2 热电制冷系统的实验台架示意图Fig. 2 Sketch of experimental setup for the thermoelectric cooling system

1.3 参数定义

热电制冷也称为半导体制冷,是帕尔贴效应在热电制冷领域的应用[17]。半导体制冷模块由一定数量的具有热电效应的半导体材料PN结构成,当电流通过PN结时,PN结的一端会温度下降,成为半导体制冷模块的冷端,另一端温度会上升,成为热端。当电流通过一对PN结时,单位时间内放出的热量或吸收的热量与电流强度成正比。

QP=(αP-αN)ITc

(1)

式(1)中αP、αN分别为P型和N型半导体的塞贝克系数;Tc为冷端的绝对温度,K;QP为帕尔贴热,J;I为通过PN结的电流,A。在热端采取一定的措施加以散热,使其保持在一定温度,那么冷端就会开始冷却,直至周围介质传入的热量Q0和沿着半导体引脚基于傅里叶导热传入的热量QE的总和等于帕尔贴热量时,界面处的温度达到平衡。

QP=Q0+QE

(2)

半导体引脚的传热可近似为仅沿引脚方向的一维传热,忽略引脚周向对流换热和辐射换热,忽略引脚与基座之间的接触热阻,热端沿半导体引脚流入冷端的热量为:

(3)

式(3)中μ为汤姆逊系数,当塞贝克系数不随温度变化时,汤姆逊系数为零。在冷热端温差ΔT不大的场合,通常使用单极半导体制冷模块。对于单极半导体制冷模块,其制冷量为:

(4)

式(4)中K和A分别为PN结的传热系数(W/(m·K))和面积(m2),对于本文的实验系统,热电制冷系统的能效比为:

COP=ρcPVA′(Tb-Tout)/Pin

(5)

式(5)中ρ、cP、V和A′分别为空气密度(kg/m3)、热容(J/(kg·K))、散冷风速(m/s)和面积(m2)。Pin为热电制冷系统的功率消耗(W)。

2 实验结果与分析

2.1 散冷风速的影响

图3是热电制冷系统的散冷风扇性能及其出口风温。为研究散冷风速对制冷效率的影响,需要标定散冷风扇功率与散冷风速的曲线。在环境温度为28 ℃,冷却液流量为16.7 mL/s时,通过调节散冷风扇的工作电压获得不同的散冷风速。由图3可知,随着散冷风速的增加,散冷器出口温度逐渐增加。当散冷风速介于0～2.5 m/s时,散冷风速对热电制冷系统的出风温度影响较大,散冷风速从0增加到2.5 m/s时,出口温度增加了13.4 ℃。当风速大于2.5 m/s时,散冷风速对出风温度影响较小,散冷风速从2.5 m/s增加到3.3 m/s时,噪声明显增大,但出口温度只增加了2.4 ℃。因此,散冷风速2.5 m/s是一个较佳的选择。

图3 热电制冷系统的散冷风扇性能及其出口风温Fig. 3 Performance of the cooling fan and the outlet temperature of thermoelectric cooling system

图4为热电制冷系统的工作温差及能效比(COP: coefficient of performance)随散冷风速的变化规律。热电制冷系统的工作温差随散冷风速的增加而下降,说明散冷能力逐渐增强。与图3的规律类似,当散冷风速大于2.5 m/s时,工作温差下降不明显。热电制冷系统的能效比COP是核心指标,由图4可知,热电制冷系统的COP均低于0.3,随着散冷风速的增加不断增加。因此,在大工作温差下,热电制冷系统的COP降低,甚至低于0.1,这是冷量无法及时从制冷模块输运到外部导致的。值得注意的是,当散冷风速大于2.5 m/s时,COP仍在上升,但幅度有所下降。当散冷风速为2.5 m/s时,COP为0.24。此外,保持一定的散冷风速非常关键。当散冷风速为1.2 m/s时,系统的COP即可达到0.17以上。对于本文设计的散冷器内的肋柱,其特征尺寸为3 mm,当散冷风速大于0.89 m/s时,肋柱绕流的雷诺数即可突破180,此时流动向湍流转捩[18],从而强化了散冷器内部的对流换热过程。对于本文所研究的工况,当散冷风速从零增加到2.5 m/s时,COP得到了快速的增加,这主要是得益于散冷器内部湍流换热的不断增强,从加速了冷量的输运。图4(c)给出了由公式(1)～(4)计算获得的理论COP与实验测量获得的COP的对比。由图4(c)可见,当风速大于2.25 m/s之后,理论COP与实验COP的误差小于15%;当风速更低时,实验COP远低于理论COP。造成上述差别的原因在于公式(1)～(4)没有考虑散冷过程的流动和对流热阻问题。当风速较低时,散冷的对流热阻大,而公式(1)～(4)仅仅考虑了制冷模块热阻,因此在风速较低时,理论COP的预测不准确。

图4 热电制冷系统的工作温差及能效比Fig. 4 Working temperature difference and COP of thermoelectric cooling system

2.2 冷却液流量对能效比影响

图5为散冷风速为2.5 m/s,冷却液流量分别为8.3、16.7、25.0、33.3、41.7、50.0 mL/s时,热电制冷系统的出口温度和COP随冷却液流量的变化规律。由图5可知,热电制冷系统在15 min内出口温度已经达到了相对稳定的状态。由于冷却液流量的不同,热电制冷系统的出口温度不同,当流量在8.3 mL/s时,热电制冷系统的出口温度降低到16 ℃。随着冷却液流量的增大,出口温度逐渐降低,当流速增大到33.3 mL/s时,出口温度最低值达到11.5 ℃。当冷却液流量大于33.3 mL/s时,热电制冷系统的出口温度变化很小,当流量处于最大值50 mL/s时,出口温度只比流量为33.3 mL/s时低0.5 ℃。因此,基于出口温度标准可认为冷却液流量的最优值为33.3 mL/s。由图5可见,热电制冷系统的COP随冷却液流量的增大而提高,当流量为8.3 mL/s时,COP仅为0.17。当冷却液流量为33.3 mL/s时,热电制冷系统的COP增大至0.26。当冷却液流量大于33.3 mL/s时,COP的变化幅度变小,在最大流量为50 mL/s情况下,COP仅比33.3 mL/s时增大了0.01。

图5 不同冷却液流量下热电制冷系统的出口温度和COPFig. 5 Outlet temperature and COP of the thermoelectric cooling system under different flow rate of cooling liquid

3 电动汽车电池包主动制冷实验研究

基于本文研发的热电制冷系统,根据前人研究获得的电池放电产热率[19],采用电加热器来模拟36 kW·h锂电动力电池包产热功率,在电池包产热功率分别为50、100、150、200 W时,对电池包进行主动制冷实验研究。图6给出了测试对象的结构示意图,电池包模拟箱体体积为0.5 m×0.4 m×0.4 m,采用5 mm亚克力板制作,亚克力板的导热系数为0.2 W/(m·K),外壳无保温层。热电制冷系统运行在本文获得的优化参数下,即散冷风速2.5 m/s,冷却液流量为33.3 mL/s。值得注意的是,本文的实验台架建立在产热相对集中的假设上,实际电池包产热的边界条件目前难以获得,后续工作将重点围绕这一科学问题进行更为有针对性的制冷控制实验,从而提供更有针对性的实验数据。

图6 基于热电制冷系统的电动汽车电池包主动制冷实验示意图Fig. 6 Active cooling experiments on electrical vehicle battery pack with the thermoelectric cooling system

图7为电池包箱体在启动热电制冷系统后的降温曲线和采用热电制冷系统前后箱体内温度的对比。由图7可知,电池包箱体内的温度在20 min内降低了20 ℃以上,此后温度变化趋于平缓。当产热率分别为50、100、150、200 W时,5分钟内的降温幅度分别为14.3、16.1、15.9、17.6 ℃,分别占总降温幅度的69%、70%、66%、77%。因此,采用本文研发的热电制冷系统,可迅速降低电池包箱体内的温度。在不采用热电制冷系统对电池包箱体进行主动降温时,在4种电池产热工况下电池包箱体内的温度都超出了电池最佳的使用温度,在200 W的产热率下电池包箱体内的温度最高达到了68 ℃。采用热电制冷系统后,当电池产热功率在150 W时,箱内温度保持在38 ℃之内;当电池产热功率在200 W时,箱内温度保持在45 ℃以内。由图7可知,热电制冷系统可以迅速控制电池包箱体内的温度,在本文研究的各个实验工况下电池包箱体内的温度平均降低20 ℃以上。由于热电制冷系统的功耗为282.5 W(含散冷风扇、散热风扇和水泵的功耗),耗电代价不低,但是电池包在高温下容易诱发自燃等事故,因此本文研发的热电制冷系统可作为传统风冷式电池包降温措施的补充方案,在常规风冷式降温措施无法进一步降温时,启动本系统进行降温,保证电动汽车的安全。此外,随着电池技术的发展,产热率不断下降,本文所研发的热电制冷系统体积小,结构紧凑,易于维护,应用前景广泛。此外,本文的研究并未考虑实际电池包内部电池的几何布置方式,后续研究可重点关注该问题。由于本论文设计的制冷系统内部安装有散冷风扇,电池包内部将有冷却风进行强迫对流换热,有利于电池的降温,在一定的产热率下将有效控制电池包内部空间的温度。电池包内部温度分布的不均匀性不是本文的研究范围。

图7 不同产热率下动力电池包箱体内的温度变化规律Fig. 7 Battery pack temperature under different heat generation rates

4 结 论

本文设计并测试了一个热电制冷系统,采用了一体化加工制作的肋柱型散冷器,安装了6个热电制冷模块,并采用循环冷却水进行热端散热。制冷单元的体积为1.84 L,重量为1.04 kg。本文详细研究了散冷风速和冷却液流量对热电制冷系统性能的影响,从而获得最优的运行参数,并对一个储电量为36 kW·h的锂电动力电池包进行了制冷降温实验研究。论文获得了以下结论:

(1)热电制冷系统的功耗为282.5 W,其能效比随散冷风速和冷却液流量的增加迅速增加后趋于稳定,最佳的散冷风速和冷却液流量分别为2.5 m/s和33.3 mL/s,系统最大能效比为0.26。

(2)保持一定的散冷风速非常重要,否则会导致冷量堆积在散冷器中,无法及时输运到外部空间。随着散冷风速的增加,散冷器内部湍流换热不断增强,从加速了冷量的输运。

(3)对于一个储电量为36 kW·h的锂电动力电池包,当电池包的产热率为200 W时,电池包箱体内部温度从68 ℃降低到45 ℃以内,说明热电制冷系统可有效降低动力电池包内的温度。

(4)在电池包不同的产热率(50～200 W)下,采用热电制冷系统可迅速将电池包箱体内的温度降低20 ℃以上,但热电制冷系统的耗电代价不低。因此,本文研发的热电制冷系统可作为传统风冷式电池包降温措施的补充方案,在常规风冷式降温措施无法进一步降温时,启动本系统进行降温,保证电动汽车的安全。