基于热电制冷的动力电池模组散热性能研究
发布时间：2021-03-23 13:34
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。
【文章来源】：储能科学与技术. 2020,9(06)CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
热电片结构Fig.1Schematicdiagramofthermoelectricsheet
储能科学与技术2020年第9卷组成，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。1.2模组系统各部分热阻分析当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（130mm×70mm×30mm）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0.2m，偏差±0.2℃）测温点。因为模组是对称的，可取图1热电片结构Fig.1Schematicdiagramofthermoelectricsheet图2TEC双面对称布置一维热阻网络Fig.2SchematicdiagramofonedimensionalthermalresistancenetworksymmetricallyarrangedonbothsidesofTEC表2热电片TEC1-12710的参数在稳态条件下的理论分析Table2TheoreticalanalysisofthermoelectricchipTEC1-12710parametersunderstea
ha)+R]I2+Sm(Ta-Tb)I(15)2热电制冷性能理论分析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。2.1热电制冷片冷热端表面温度如图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校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5.50～6.25A。2.2热电制冷极限工况分析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?
【参考文献】：
期刊论文
[1]校准量热法测量锂电池比热容和生热率[J]. 吴青余,张恒运,李俊伟. 汽车工程. 2020(01)
[2]锂离子动力电池中等荷电状态下热失控产物喷发过程[J]. 王贺武,张亚军,李成,李伟峰,欧阳明高. 储能科学与技术. 2019(06)
[3]液冷板电池组散热性能仿真及优化[J]. 徐海峰,苏林,盛雷. 制冷技术. 2019(02)
[4]锂离子电池热失控蔓延研究进展[J]. 陈天雨,高尚,冯旭宁,卢兰光,欧阳明高. 储能科学与技术. 2018(06)
[5]多目标约束下半导体制冷片几何结构参数的优化设计[J]. 张晓波,徐象国. 制冷学报. 2018(03)
[6]驱动电源对热电模块制冷性能的影响[J]. 何红,申利梅,陈焕新,张晓屿,涂志龙. 制冷技术. 2018(02)
本文编号：3095885
【文章来源】：储能科学与技术. 2020,9(06)CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
热电片结构Fig.1Schematicdiagramofthermoelectricsheet
储能科学与技术2020年第9卷组成，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。1.2模组系统各部分热阻分析当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（130mm×70mm×30mm）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0.2m，偏差±0.2℃）测温点。因为模组是对称的，可取图1热电片结构Fig.1Schematicdiagramofthermoelectricsheet图2TEC双面对称布置一维热阻网络Fig.2SchematicdiagramofonedimensionalthermalresistancenetworksymmetricallyarrangedonbothsidesofTEC表2热电片TEC1-12710的参数在稳态条件下的理论分析Table2TheoreticalanalysisofthermoelectricchipTEC1-12710parametersunderstea
ha)+R]I2+Sm(Ta-Tb)I(15)2热电制冷性能理论分析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。2.1热电制冷片冷热端表面温度如图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校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5.50～6.25A。2.2热电制冷极限工况分析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?
【参考文献】：
期刊论文
[1]校准量热法测量锂电池比热容和生热率[J]. 吴青余,张恒运,李俊伟. 汽车工程. 2020(01)
[2]锂离子动力电池中等荷电状态下热失控产物喷发过程[J]. 王贺武,张亚军,李成,李伟峰,欧阳明高. 储能科学与技术. 2019(06)
[3]液冷板电池组散热性能仿真及优化[J]. 徐海峰,苏林,盛雷. 制冷技术. 2019(02)
[4]锂离子电池热失控蔓延研究进展[J]. 陈天雨,高尚,冯旭宁,卢兰光,欧阳明高. 储能科学与技术. 2018(06)
[5]多目标约束下半导体制冷片几何结构参数的优化设计[J]. 张晓波,徐象国. 制冷学报. 2018(03)
[6]驱动电源对热电模块制冷性能的影响[J]. 何红,申利梅,陈焕新,张晓屿,涂志龙. 制冷技术. 2018(02)
本文编号：3095885
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