電動汽車電池包熱電制冷系統的實驗研究

翁志奇, 鄧 斌, 張鑫偉, 李國能, 郭文文, 湯元君, 鄭友取

(浙江科技學院 能源與環境系統工程系, 浙江 杭州 310023)

0 引 言

能源危機和環境污染促進了電動汽車的快速發展。動力電池作為電動汽車的儲能裝置,其安全性尤為重要。鋰電池具有較高的輸出功率、能量密度和較長的循環壽命等優點被廣泛使用[1]。鋰電動力池包的最佳工作溫度區間為20～45 ℃[2]。當超過一定溫度時電池容量和壽命會降低,當電池超過溫度臨界點時會發生熱失控[3-5],產生自燃等嚴重事故。因此,在高溫氣候下,控制電池組處于最佳的工作溫度,需要配套使用熱管理系統,以確保電池組的安全和獲得最佳的工作性能。

目前動力電池包熱管理的方式主要分為空氣冷卻、液體冷卻、相變材料冷卻和熱管冷卻[6]。在空氣冷卻方面,CHEN等[7]在風冷條件下,通過優化電池間距,使電池最高溫度降低了3 ℃。在液冷方面,ZHAO等[8]研究了鋰電池組在風冷和液冷條件下的最高溫度,結果表明液冷比風冷降低了7.6 ℃。液冷系統相比于風冷系統效果更顯著,但是液冷系統更加復雜,成本更高。在相變冷卻方面,WANG等[9]設計了一種基于銅泡沫和石蠟復合相變材料的新型無源電池熱管理系統,通過組合實驗研究了具有新型熱管理系統和空氣冷卻系統的電池組的熱性能。實驗結果表明,基于新型熱管理系統的電池組的最高溫度可保持在42 ℃以內。相變冷卻方式可以實現較好的節能效果,但是增加了系統體積和重量。此外,已有研究表明當相變材料完全融化后增加了電池對外傳熱的熱阻[10]。

近年來,將半導體制冷和電池熱管理相結合逐漸成為電動汽車電池包熱管理的研發方向。相比于傳統的熱管理方式,半導體制冷模塊具有體積小、質量輕、制冷速度快、制冷量可通過電流精確控制等優點[11-12]。當前國內外對提高熱電制冷性能的研究可以分成三大方向:熱電制冷材料研究、熱電制冷散熱研究和熱電制冷器系統研究。在散熱研究方面,杜海龍等[13]利用半導體水冷式空調研究不同熱端散熱條件和不同冷端送風溫度下制冷量與制冷效率的變化規律,結果表明,熱端冷卻水流量顯著影響熱電制冷的制冷效率。申麗梅等[14]對熱電制冷熱端散熱進行了詳細的分析,結果表明散熱器尺寸和風扇速度顯著影響熱端溫度。張曉芳等[15]對半導體的冷卻能力進行了研究,發現水冷制冷效果明顯優于風冷,且其制冷性能與冷卻水的溫度有關,水溫越低,熱電制冷系統的制冷效率越高,制冷溫度越低。

本文在前人工作的基礎上,新設計了一款由熱電制冷單元、散熱單元和循環工質單元組成的熱電制冷裝置,研究了散冷風速和冷卻液流量對熱電制冷系統性能的影響規律,并對一個36 kW·h的鋰電動力電池包進行了制冷降溫實驗研究。

1 熱電制冷系統、實驗臺架和參數定義

1.1 熱電制冷系統

圖1為熱電制冷系統及制冷單元的結構示意圖。熱電制冷系統主要由熱電制冷單元、散熱單元和循環工質單元組成,其中熱電制冷單元是熱電制冷系統的核心單元。熱電制冷單元主要由熱電制冷模塊、散冷器和水冷器組成。散冷器的材質為6061鋁合金,在數控加工中心基于一塊鋁合金一體化雕刻而成,整體尺寸為170 mm×103 mm×40 mm。散冷器采用錯列布置的順流三角形換熱肋柱,肋柱邊長為3 mm,肋柱中心間距6 mm,肋柱高度25 mm,基底厚度8 mm,這種設計可以提高系統的散冷速率,最大程度降低傳熱熱阻。6個熱電制冷模塊的冷端緊貼在散冷器的安裝面上,型號為TEP-126T200,尺寸為40 mm×40 mm×3.8 mm,最高耐溫200 ℃,熱電材料為碲化鉍。國內各大廠商生產的熱電制冷模塊內部的熱電材料優值(ZT值)較為接近,因此在相同的輸入功率下,更換不同的制冷模塊其制冷性能差別不大,這說明系統結構設計的重要性。制冷模塊的熱端采用水冷方式進行散熱,水冷器緊貼制冷模塊的熱端,并采用螺栓進行壓緊固定,安裝壓力為1 MPa,所有的接觸面均采用石墨墊片以降低接觸熱阻。鋁制水冷器內部具有多個流道,通過循環冷卻液進行降溫。此外,散冷器的一端固定有散冷風扇(型號為DELTA-BFB1012VVH,供電電壓為3.5～24 V),目的是將散冷器中的冷量源源不斷地輸運到外部空間。整個熱電制冷單元外部利用保溫材料對其進行保溫,避免冷量外泄。制冷單元的體積為1.84 L,重量為1.04 kg。

圖1 熱電制冷系統及其制冷單元的結構示意圖Fig. 1 Thermoelectric cooling system and its configuration of cooling unit

散熱單元由水冷器、散熱器和散熱風扇組成。散熱器和散熱風扇的作用是用來維持整個系統的水溫,從而保證熱電制冷單元的熱端溫度,使得熱電制冷系統內的冷熱端始終保持在合理范圍。循環工質單元由水箱、水泵、水冷器組成。實驗中采用的水箱為亞克力板做成的透明圓柱形水箱,蓄水容積為0.2 L,在水泵的作用下完成冷卻液的循環過程;此外,通過調節水泵的輸入電壓來獲得不同的冷卻流量以滿足不同的實驗需求。

值得提及的是,熱電制冷系統的設計采用熱端水冷和冷端風冷的熱量管理組合,其原因是多方面的。一方面,熱端采用水冷可及時高效地將熱量轉移,在其它位置進行散熱;在熱端安裝大體積的風冷散熱器具有較高的安裝難度,容易造成接觸不良,影響制冷效果。另外一方面,冷端采用風冷可減少不必要的中間環節,節省空間,還可以增加電池包內部空間的空氣對流,有利于降低電芯的溫度;此外,電池包內部安裝水路存在泄露的風險,較為委托的做法是采用風冷。

1.2 實驗臺架簡介

圖2為熱電制冷系統的實驗臺架示意圖。實驗臺架由K型熱電偶、渦輪式風速計和數據采集儀組成。在散冷器的出風口、制冷模塊的冷熱端和電池箱體內裝有4個K型熱電偶。緊貼于制冷模塊熱端上的熱電偶測量熱電制冷單元的熱端溫度Th,安裝在散冷器內部的熱電偶用來測定制冷單元的冷端溫度Tc。測量進風口溫度Tb和出風口溫度Tout,用于計算整個制冷系統的能效比。此外電池包箱體內溫度Tb同時用于衡量整個電池熱管理系統的性能。K型熱電偶型號為TES1310,自帶液晶顯示屏,測量范圍為-50～200 ℃,精度為±0.1%。散冷器的散冷風速采用型號為PM6252的渦輪式風速儀測量,量程為0.2～30 m/s,精度為±2%。冷卻液流量采用玻璃轉子流量計進行測量,型號為LZTM-15,流量范圍為0～50 mL/s。兩個電能表型號為DSNDVM568,量程為4.5～30 V,精度為±1%,用于測量加熱器產熱功率和制冷單元的功率。散冷風扇、散熱風扇和水泵的電壓由3臺可調穩壓器XL4016E分別和3個電壓表進行調節其功耗,實驗前進行標定。

圖2 熱電制冷系統的實驗臺架示意圖Fig. 2 Sketch of experimental setup for the thermoelectric cooling system

1.3 參數定義

熱電制冷也稱為半導體制冷,是帕爾貼效應在熱電制冷領域的應用[17]。半導體制冷模塊由一定數量的具有熱電效應的半導體材料PN結構成,當電流通過PN結時,PN結的一端會溫度下降,成為半導體制冷模塊的冷端,另一端溫度會上升,成為熱端。當電流通過一對PN結時,單位時間內放出的熱量或吸收的熱量與電流強度成正比。

QP=(αP-αN)ITc

(1)

式(1)中αP、αN分別為P型和N型半導體的塞貝克系數;Tc為冷端的絕對溫度,K;QP為帕爾貼熱,J;I為通過PN結的電流,A。在熱端采取一定的措施加以散熱,使其保持在一定溫度,那么冷端就會開始冷卻,直至周圍介質傳入的熱量Q0和沿著半導體引腳基于傅里葉導熱傳入的熱量QE的總和等于帕爾貼熱量時,界面處的溫度達到平衡。

QP=Q0+QE

(2)

半導體引腳的傳熱可近似為僅沿引腳方向的一維傳熱,忽略引腳周向對流換熱和輻射換熱,忽略引腳與基座之間的接觸熱阻,熱端沿半導體引腳流入冷端的熱量為:

(3)

式(3)中μ為湯姆遜系數,當塞貝克系數不隨溫度變化時,湯姆遜系數為零。在冷熱端溫差ΔT不大的場合,通常使用單極半導體制冷模塊。對于單極半導體制冷模塊,其制冷量為:

(4)

式(4)中K和A分別為PN結的傳熱系數(W/(m·K))和面積(m2),對于本文的實驗系統,熱電制冷系統的能效比為:

COP=ρcPVA′(Tb-Tout)/Pin

(5)

式(5)中ρ、cP、V和A′分別為空氣密度(kg/m3)、熱容(J/(kg·K))、散冷風速(m/s)和面積(m2)。Pin為熱電制冷系統的功率消耗(W)。

2 實驗結果與分析

2.1 散冷風速的影響

圖3是熱電制冷系統的散冷風扇性能及其出口風溫。為研究散冷風速對制冷效率的影響,需要標定散冷風扇功率與散冷風速的曲線。在環境溫度為28 ℃,冷卻液流量為16.7 mL/s時,通過調節散冷風扇的工作電壓獲得不同的散冷風速。由圖3可知,隨著散冷風速的增加,散冷器出口溫度逐漸增加。當散冷風速介于0～2.5 m/s時,散冷風速對熱電制冷系統的出風溫度影響較大,散冷風速從0增加到2.5 m/s時,出口溫度增加了13.4 ℃。當風速大于2.5 m/s時,散冷風速對出風溫度影響較小,散冷風速從2.5 m/s增加到3.3 m/s時,噪聲明顯增大,但出口溫度只增加了2.4 ℃。因此,散冷風速2.5 m/s是一個較佳的選擇。

圖3 熱電制冷系統的散冷風扇性能及其出口風溫Fig. 3 Performance of the cooling fan and the outlet temperature of thermoelectric cooling system

圖4為熱電制冷系統的工作溫差及能效比(COP: coefficient of performance)隨散冷風速的變化規律。熱電制冷系統的工作溫差隨散冷風速的增加而下降,說明散冷能力逐漸增強。與圖3的規律類似,當散冷風速大于2.5 m/s時,工作溫差下降不明顯。熱電制冷系統的能效比COP是核心指標,由圖4可知,熱電制冷系統的COP均低于0.3,隨著散冷風速的增加不斷增加。因此,在大工作溫差下,熱電制冷系統的COP降低,甚至低于0.1,這是冷量無法及時從制冷模塊輸運到外部導致的。值得注意的是,當散冷風速大于2.5 m/s時,COP仍在上升,但幅度有所下降。當散冷風速為2.5 m/s時,COP為0.24。此外,保持一定的散冷風速非常關鍵。當散冷風速為1.2 m/s時,系統的COP即可達到0.17以上。對于本文設計的散冷器內的肋柱,其特征尺寸為3 mm,當散冷風速大于0.89 m/s時,肋柱繞流的雷諾數即可突破180,此時流動向湍流轉捩[18],從而強化了散冷器內部的對流換熱過程。對于本文所研究的工況,當散冷風速從零增加到2.5 m/s時,COP得到了快速的增加,這主要是得益于散冷器內部湍流換熱的不斷增強,從加速了冷量的輸運。圖4(c)給出了由公式(1)～(4)計算獲得的理論COP與實驗測量獲得的COP的對比。由圖4(c)可見,當風速大于2.25 m/s之后,理論COP與實驗COP的誤差小于15%;當風速更低時,實驗COP遠低于理論COP。造成上述差別的原因在于公式(1)～(4)沒有考慮散冷過程的流動和對流熱阻問題。當風速較低時,散冷的對流熱阻大,而公式(1)～(4)僅僅考慮了制冷模塊熱阻,因此在風速較低時,理論COP的預測不準確。

圖4 熱電制冷系統的工作溫差及能效比Fig. 4 Working temperature difference and COP of thermoelectric cooling system

2.2 冷卻液流量對能效比影響

圖5為散冷風速為2.5 m/s,冷卻液流量分別為8.3、16.7、25.0、33.3、41.7、50.0 mL/s時,熱電制冷系統的出口溫度和COP隨冷卻液流量的變化規律。由圖5可知,熱電制冷系統在15 min內出口溫度已經達到了相對穩定的狀態。由于冷卻液流量的不同,熱電制冷系統的出口溫度不同,當流量在8.3 mL/s時,熱電制冷系統的出口溫度降低到16 ℃。隨著冷卻液流量的增大,出口溫度逐漸降低,當流速增大到33.3 mL/s時,出口溫度最低值達到11.5 ℃。當冷卻液流量大于33.3 mL/s時,熱電制冷系統的出口溫度變化很小,當流量處于最大值50 mL/s時,出口溫度只比流量為33.3 mL/s時低0.5 ℃。因此,基于出口溫度標準可認為冷卻液流量的最優值為33.3 mL/s。由圖5可見,熱電制冷系統的COP隨冷卻液流量的增大而提高,當流量為8.3 mL/s時,COP僅為0.17。當冷卻液流量為33.3 mL/s時,熱電制冷系統的COP增大至0.26。當冷卻液流量大于33.3 mL/s時,COP的變化幅度變小,在最大流量為50 mL/s情況下,COP僅比33.3 mL/s時增大了0.01。

圖5 不同冷卻液流量下熱電制冷系統的出口溫度和COPFig. 5 Outlet temperature and COP of the thermoelectric cooling system under different flow rate of cooling liquid

3 電動汽車電池包主動制冷實驗研究

基于本文研發的熱電制冷系統,根據前人研究獲得的電池放電產熱率[19],采用電加熱器來模擬36 kW·h鋰電動力電池包產熱功率,在電池包產熱功率分別為50、100、150、200 W時,對電池包進行主動制冷實驗研究。圖6給出了測試對象的結構示意圖,電池包模擬箱體體積為0.5 m×0.4 m×0.4 m,采用5 mm亞克力板制作,亞克力板的導熱系數為0.2 W/(m·K),外殼無保溫層。熱電制冷系統運行在本文獲得的優化參數下,即散冷風速2.5 m/s,冷卻液流量為33.3 mL/s。值得注意的是,本文的實驗臺架建立在產熱相對集中的假設上,實際電池包產熱的邊界條件目前難以獲得,后續工作將重點圍繞這一科學問題進行更為有針對性的制冷控制實驗,從而提供更有針對性的實驗數據。

圖6 基于熱電制冷系統的電動汽車電池包主動制冷實驗示意圖Fig. 6 Active cooling experiments on electrical vehicle battery pack with the thermoelectric cooling system

圖7為電池包箱體在啟動熱電制冷系統后的降溫曲線和采用熱電制冷系統前后箱體內溫度的對比。由圖7可知,電池包箱體內的溫度在20 min內降低了20 ℃以上,此后溫度變化趨于平緩。當產熱率分別為50、100、150、200 W時,5分鐘內的降溫幅度分別為14.3、16.1、15.9、17.6 ℃,分別占總降溫幅度的69%、70%、66%、77%。因此,采用本文研發的熱電制冷系統,可迅速降低電池包箱體內的溫度。在不采用熱電制冷系統對電池包箱體進行主動降溫時,在4種電池產熱工況下電池包箱體內的溫度都超出了電池最佳的使用溫度,在200 W的產熱率下電池包箱體內的溫度最高達到了68 ℃。采用熱電制冷系統后,當電池產熱功率在150 W時,箱內溫度保持在38 ℃之內;當電池產熱功率在200 W時,箱內溫度保持在45 ℃以內。由圖7可知,熱電制冷系統可以迅速控制電池包箱體內的溫度,在本文研究的各個實驗工況下電池包箱體內的溫度平均降低20 ℃以上。由于熱電制冷系統的功耗為282.5 W(含散冷風扇、散熱風扇和水泵的功耗),耗電代價不低,但是電池包在高溫下容易誘發自燃等事故,因此本文研發的熱電制冷系統可作為傳統風冷式電池包降溫措施的補充方案,在常規風冷式降溫措施無法進一步降溫時,啟動本系統進行降溫,保證電動汽車的安全。此外,隨著電池技術的發展,產熱率不斷下降,本文所研發的熱電制冷系統體積小,結構緊湊,易于維護,應用前景廣泛。此外,本文的研究并未考慮實際電池包內部電池的幾何布置方式,后續研究可重點關注該問題。由于本論文設計的制冷系統內部安裝有散冷風扇,電池包內部將有冷卻風進行強迫對流換熱,有利于電池的降溫,在一定的產熱率下將有效控制電池包內部空間的溫度。電池包內部溫度分布的不均勻性不是本文的研究范圍。

圖7 不同產熱率下動力電池包箱體內的溫度變化規律Fig. 7 Battery pack temperature under different heat generation rates

4 結 論

本文設計并測試了一個熱電制冷系統,采用了一體化加工制作的肋柱型散冷器,安裝了6個熱電制冷模塊,并采用循環冷卻水進行熱端散熱。制冷單元的體積為1.84 L,重量為1.04 kg。本文詳細研究了散冷風速和冷卻液流量對熱電制冷系統性能的影響,從而獲得最優的運行參數,并對一個儲電量為36 kW·h的鋰電動力電池包進行了制冷降溫實驗研究。論文獲得了以下結論:

(1)熱電制冷系統的功耗為282.5 W,其能效比隨散冷風速和冷卻液流量的增加迅速增加后趨于穩定,最佳的散冷風速和冷卻液流量分別為2.5 m/s和33.3 mL/s,系統最大能效比為0.26。

(2)保持一定的散冷風速非常重要,否則會導致冷量堆積在散冷器中,無法及時輸運到外部空間。隨著散冷風速的增加,散冷器內部湍流換熱不斷增強,從加速了冷量的輸運。

(3)對于一個儲電量為36 kW·h的鋰電動力電池包,當電池包的產熱率為200 W時,電池包箱體內部溫度從68 ℃降低到45 ℃以內,說明熱電制冷系統可有效降低動力電池包內的溫度。

(4)在電池包不同的產熱率(50～200 W)下,采用熱電制冷系統可迅速將電池包箱體內的溫度降低20 ℃以上,但熱電制冷系統的耗電代價不低。因此,本文研發的熱電制冷系統可作為傳統風冷式電池包降溫措施的補充方案,在常規風冷式降溫措施無法進一步降溫時,啟動本系統進行降溫,保證電動汽車的安全。