电动汽车电池包热电制冷系统的实验研究.pdf
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1、第 卷第 期 年 月能 源 环 境 保 护 ,李国能,国家级样板党支部和省级样板党支部书记(年浙江省担当作为好支书),浙江科技学院机械与能源工程学院副院长,教授,浙江省首批高校领军人才(高层次拔尖人才),浙江省高校学科带头人,浙江省新世纪 人选,中国环境科学学会环境与热能利用专业委员会常务委员,浙江省工程热物理学会理事,浙江省能源研究会理事。年就读于浙江大学,获得工程热物理博士学位,美国莱斯大学访问学者。年 月至今在浙江科技学院工作(年副教授,年教授)。担任国家自然科学基金函评专家,浙江省、湖北省及广东省科技项目评审专家,深圳市科技奖评审专家,以及 余本 期刊的审稿人。主要从事半导体温差发电(
2、制冷)、强化传热、燃烧控制和能效评估等研究。在、科学通报等国内外期刊发表论文 余篇。移动扫码阅读翁志奇,邓斌,张鑫伟,等 电动汽车电池包热电制冷系统的实验研究 能源环境保护,():,():收稿日期:基金项目:浙江省自然科学基金重点项目()作者简介:翁志奇(),男,浙江乐清人,硕士研究生,主要从事半导体制冷研究。:通讯作者:李国能(),男,广东广州人,教授,主要从事半导体制冷和温差发电研究。: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)摘要:为提高电动汽车动力电池包在高温环境下的安全性,设计并测试了一
3、个热电制冷系统,采用了自行开发的肋柱型散冷器,安装了 个热电制冷模块,并采用循环冷却水进行热端散热。在测试中,当输入功率为 时,热电制冷系统的能效比随散冷风速和冷却液流量的增加迅速增加,然后趋于稳定,最佳的散冷风速和冷却液流量分别为 和 ,系统最大能效比为。针对于一个储电量为 的锂电动力电池包,电池包箱体内的温度在不同的产热率()下的降温幅度均超过 。动力电池包在 的产热率下,其内部温度从 降低到 以内,表明设计的热电制冷系统可有效降低动力电池包内的温度,从而提高电动汽车的安全性。关键词:动力电池包;热电制冷;电池热管理;能效比中图分类号:文献标识码:文章编号:(),(,):,()能 源 环
4、境 保 护第 卷第 期 ,(),:;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。锂电 动 力 池 包 的 最 佳 工 作 温 度 区 间 为 。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,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。在空气冷却方面,等在风冷条件下,通过优化电池间
5、距,使电池最高温度降低了 。在液冷方面,等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 。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,等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 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。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。
6、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。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
7、,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 的锂电动力电池包进行了制冷降温实验研究。热电制冷系统、实验台架和参数定义 热电制冷系统图 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 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 。散冷器采用错列布置的顺流三角形换热肋柱,肋柱边长为 ,肋柱中
8、心间距 ,肋柱高度 ,基底厚度 ,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。个热电制冷模块的冷端紧贴在散冷器的安装面上,型号为,尺寸为 翁志奇等 电动汽车电池包热电制冷系统的实验研究,最高耐温 ,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(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,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
9、风扇(型号为,供电电压为 ),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 ,重量为 。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 ,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
10、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,冷端采用图 热电制冷系统及其制冷单元的结构示意图 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。实验台架简介图 为热电制冷系统的实验台架示意图。实验台架由 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 个 型热电偶。紧贴于制冷模块热端上的热电偶测量热电制
11、冷单元的热端温度,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。测量进风口温度 和出风口温度,用于计算整个制冷系统的能效比。此外电池包箱体内温度 同时用于衡量整个电池热管 理 系 统 的 性 能。型 热 电 偶 型 号 为,自带液晶显示屏,测量范围为 ,精度为。散冷器的散冷风速采用型号为 的涡轮式风速仪测量,量程为 ,精度为。冷却液流量采用玻璃转子流量计进行测量,型号为,流量范围为 。两个电能表型号为,量图 热电制冷系统的实验台架示意图 能 源 环 境 保 护第 卷第 期程为 ,精度为,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 台可调稳压器 分别和 个电压
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