基于熱電耦合液體冷卻的動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究

單春賢，夏燈富，劉朝陽，唐愛坤

（江蘇大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，鎮(zhèn)江212013，中國）

《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035 年）》[1]提出：到2025 年，新能源汽車銷量預(yù)計(jì)將達(dá)到新車總銷量的20%左右。到2035 年，純電動(dòng)汽車將成為新車銷售的主流，公共領(lǐng)域的車輛將實(shí)現(xiàn)完全電氣化。然而這也帶來了一定的挑戰(zhàn)，例如續(xù)航里程問題，這要求動(dòng)力電池模組必須具備較高的能量密度和較長的循環(huán)工作周期[2]。鋰離子電池在充電和放電的過程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致電池溫度持續(xù)升高，在電池高倍率放電工況以及高溫環(huán)境下尤為顯著[3-4]。此外，動(dòng)力鋰離子電池的壽命衰減也隨著溫度不均勻性的增大而加快[5-6]。

目前針對(duì)鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的研究已成為一個(gè)熱點(diǎn)。姚孟良[7]等人總結(jié)了電池的生熱模型與現(xiàn)有的熱管理方法，并重點(diǎn)分析了集成熱管理系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)。YANG Tairan 等人[8]研究發(fā)現(xiàn)在串聯(lián)式空氣冷卻系統(tǒng)中，交錯(cuò)排列可以改善電池組溫度均勻性，但卻無法有效減小電池的單體溫差。蔡森林等人[9]提出了一種并聯(lián)非等長直流道的液冷板結(jié)構(gòu)，電池組的最高溫度和最大溫差的降幅分別達(dá)到了0.26 ℃和0.27 ℃。LAN Chuanjin 等人[10]通過對(duì)電池側(cè)邊進(jìn)行冷卻，結(jié)果顯示當(dāng)電池兩側(cè)冷卻液流向相反時(shí)，在1C 放電速率下，流量為0.20 L/min 時(shí)，電池溫差僅為0.8 ℃。F.Samimi和LI Yantong[11-12]探討了利用相變材料（phase change material,PCM）潛熱吸收和釋放，對(duì)電池組的溫度進(jìn)行控制的可行性。相比之下，空冷系統(tǒng)雖然安裝成本低，系統(tǒng)體積小，維護(hù)成本低，但唯一的缺點(diǎn)是傳熱效率低。液冷導(dǎo)熱系數(shù)大、比熱容大，但裝置占地面積大、且需要大量的主動(dòng)冷卻。PCM 方式成本低、安裝方便、冷卻效率高，但使用時(shí)需要克服導(dǎo)熱系數(shù)低、泄漏等問題。熱電制冷技術(shù)是基于Peltier 效應(yīng)的一種制冷方式，沒有運(yùn)動(dòng)部件和內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)，無噪音，運(yùn)行壽命高，維護(hù)成本低[13]。Y.Lyu 等人[14]提出一種基于液冷與熱電冷卻耦合熱管理系統(tǒng)，并分析了其對(duì)單個(gè)電池的冷卻效果。HAN Xiaolong 等人[15]介紹了一種新型的分體式液體循環(huán)冷卻輔助熱電制冷系統(tǒng)。HE Ruan 等人[16]開發(fā)了一種流體—熱電多物理耦合模型，以揭示使用納米流體增強(qiáng)熱電冷卻系統(tǒng)的性能。可見，將液冷與熱電單元同時(shí)用于電池冷卻系統(tǒng)是一項(xiàng)有前景的研究。

目前，熱電元件的熱管理系統(tǒng)主要以該系統(tǒng)的溫降/溫升速率作為衡量指標(biāo)，沒有充分考慮溫差的影響，部分研究以單塊電池作為研究對(duì)象，未考慮到實(shí)際車體中電池模組的運(yùn)行工況。本文設(shè)計(jì)了一種基于熱電元件的熱管理系統(tǒng)，先利用單體鋰離子電池，對(duì)比測(cè)試了自然對(duì)流冷卻、底部液冷和熱電冷卻工況下，電池的熱特性，分析熱電冷卻方案的可行性。在此基礎(chǔ)上搭建了小型動(dòng)力電池模組，研究熱電元件耦合系統(tǒng)的冷卻性能。這些研究對(duì)于延長電池的循環(huán)壽命、續(xù)航里程以及提高純電動(dòng)汽車整車安全性將具有重要的意義。

1 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)方案

1.1 熱電/液冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本研究所設(shè)計(jì)的熱電液冷耦合熱管理裝置如圖1所示。

圖1 熱電—液冷耦合系統(tǒng)

每塊電池底部分別裝配了一個(gè)與液冷組件相連的熱電冷卻器（thermoelectric cooler，TEC），各接觸面均粘貼導(dǎo)熱系數(shù)為2 W/ (Km)的導(dǎo)熱硅膠墊片。電池箱體在有限空間內(nèi)保護(hù)電池、TEC、液冷板不受外力擠壓，引起變形等物理損傷。液冷板為2 進(jìn)口2 出口，與4 塊電池構(gòu)成電池模組，選擇電池尺寸115 mm×32 mm×180 mm，電池箱體尺寸380 mm×250 mm×160 mm，底部熱電系統(tǒng)選擇TEC-12706 型號(hào)熱電元件，部件的相應(yīng)參數(shù)均已在表1 中詳細(xì)列出。

表1 熱電熱管理系統(tǒng)器件參數(shù)表

相比于純液冷型的電池冷卻裝置，本設(shè)計(jì)僅在液冷板與電池間加TEC，不需要額外空間，可更快地對(duì)電池進(jìn)行降溫，不會(huì)導(dǎo)致電池散熱不均勻，使得模組工作在穩(wěn)定的溫度環(huán)境，保障其工作效率和循環(huán)壽命。

1.2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架搭建

搭建了如圖2 所示的電池組熱特性測(cè)試臺(tái)架，其中計(jì)算機(jī)與電池充放電設(shè)備和溫度巡檢儀相連，分別控制電池組充放電電流并記錄電池模組壁面溫度；直流電源用來提供熱電元件的工作電能；恒溫箱控制電池模組的環(huán)境溫度，通過蠕動(dòng)泵和恒溫水箱調(diào)節(jié)冷卻介質(zhì)的溫度和流量來研究熱電元件熱端冷卻液工況對(duì)系統(tǒng)冷卻性能的影響。

圖2 熱電-液冷耦合系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架

圖3 為電池組中電池壁面熱電偶布置方式。受溫度巡檢儀通道數(shù)限制，本文在每個(gè)電池上只能布置5 根熱電偶。組間溫差為針對(duì)4 塊電池構(gòu)成的小型模組20 個(gè)熱電偶讀數(shù)中，最高溫度與最低溫度的差值；單體電池溫差是每個(gè)電池布置的5 個(gè)熱電偶讀數(shù)中，最高溫度與最低溫度的差值。詳細(xì)儀器參數(shù)如表2所示。

圖3 電池測(cè)溫點(diǎn)布置

表2 測(cè)試儀器的主要參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 熱電冷卻方案可行性分析

本節(jié)利用單塊磷酸鐵鋰電池，對(duì)比自然對(duì)流冷卻、底部液冷和熱電冷卻方式下，單體電池的散熱效果。在3 種冷卻方式下，電池以1C倍率進(jìn)行放電，恒溫箱設(shè)定為30 ℃。在自然對(duì)流實(shí)驗(yàn)中，利用恒溫箱對(duì)電池進(jìn)行自然對(duì)流冷卻；液冷實(shí)驗(yàn)中，恒溫水箱和蠕動(dòng)泵參數(shù)分別設(shè)定為30 ℃和1.2 L/min，對(duì)電池進(jìn)行底部液冷；熱電冷卻實(shí)驗(yàn)，在液冷工況的基礎(chǔ)上，熱電元件工作電壓設(shè)定為12 V。

圖4 是不同冷卻方式下電池組最高溫度θmax的變化曲線。

圖4 不同冷卻方式下電池組最高溫度θmax 的變化曲線

如圖4 所示：自然對(duì)流冷卻和液冷方式下，電池溫度的峰值相較于其起始溫度分別增長了6.3 ℃和5.6 ℃，而熱電冷卻方式下，電池溫度峰值僅比環(huán)境溫度高出0.2 ℃。對(duì)于TEC 而言，冷卻效果不能立刻在電池頂部有所響應(yīng)，因此在放電初期，電池最高溫度逐漸增長。放電中后期電池產(chǎn)熱量逐漸增大，并逐漸大于TEC 的制冷量，導(dǎo)致電池溫度逐漸升高。

圖5 為不同冷卻方式下電池組溫差θdiff的變化曲線。如圖5 所示：自然對(duì)流和液冷工況下，電池單體溫差趨勢(shì)相近，放電結(jié)束單體電池最大溫差相差0.9 ℃。熱電冷卻工況下，放電初期TEC 響應(yīng)迅速，但受電池豎直方向?qū)嵯拗疲姵仨敳颗c底部的溫差迅速增大；放電后期，電池產(chǎn)熱量迅速增加，導(dǎo)致TEC 溫度升高，熱端的熱量無法及時(shí)排出，削弱了其制冷效果，電池的單體溫差減小。

圖5 不同冷卻方式下電池組溫差θdiff 的變化

2.2 冷卻液流量的影響

圖6、圖7 所示為熱電熱管理系統(tǒng)在30 ℃冷卻液工況下運(yùn)行時(shí)，各冷卻液流量（qV）工況下電池組的電池組的最大溫升（θmax）和最大溫差（θdiff）。實(shí)驗(yàn)過程中，電池組的放電倍率設(shè)定為1C工況，熱電元件同樣以12 V 工況進(jìn)行運(yùn)行，并選擇了0.6、1.2、1.8 L/min 3 種qV進(jìn)行了分析。

圖6 不同冷卻液流量qV下電池組最高溫度θmax 變化

圖7 不同流量qV下電池組的溫差θdiff 變化

由圖6 可知：增大流量可以增強(qiáng)熱電熱管理系統(tǒng)對(duì)電池組的冷卻效果，其中在0.6 L/min 流量下，電池組溫度在放電結(jié)束時(shí)為30.3 ℃，隨著流量增長為1.8 L/min，電池組溫度僅為29.4 ℃，低于初始值。這與TEC 的工作特性有關(guān)，提高冷卻液流量可以強(qiáng)化TEC熱端的散熱，提高TEC 的制冷能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組的快速冷卻。

從圖7 可以看出：溫差與流量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)規(guī)律。當(dāng)流量為0.6 L/min 時(shí)，電池組溫差達(dá)到6.9 ℃；隨著流量增長到1.2 L/min，溫差減小為6 ℃；當(dāng)流量升高至1.8 L/min 時(shí)，電池組最大溫差進(jìn)一步減小，僅為5.5 ℃。這是因?yàn)樵龃罄鋮s液流量可以提高TEC 制冷性能的一致性，從而提高電池間的溫度均勻性。

2.3 冷卻液溫度的影響

實(shí)際上，TEC 的冷卻性能與其熱端的冷卻液溫度（θcool）也息息相關(guān)，本節(jié)測(cè)試并分析不同冷卻液溫度工況下，熱電熱管理系統(tǒng)中電池模組的熱特性，相應(yīng)數(shù)據(jù)如圖8、圖9 所示，分別為電池組的最大溫升（θmax）和最大溫差（θdiff）。實(shí)驗(yàn)中，電池組以1C倍率放電，液冷流量被設(shè)定為1.2 L/min，冷卻液溫度依次設(shè)定為20、25、30 ℃。

圖8 不同冷卻液溫度θcool 下電池組最高溫度θmax 的變化

圖9 不同冷卻液溫度θcool 下電池組的溫差θdiff 變化

從圖8 可知：冷卻液由30 ℃逐漸降低至20 ℃，放電結(jié)束電池組的最高溫度從29.4 ℃下降到27.2 ℃。然而25 ℃冷卻液工況與20 ℃冷卻液工況相比，電池組冷卻效果相近，僅從系統(tǒng)功耗的角度考慮，25 ℃冷卻液工況更為適宜。

從圖9 中發(fā)現(xiàn)：電池組最大溫差會(huì)隨著冷卻液溫度的降低而不斷減小。冷卻液溫度從30 ℃降為20 ℃，電池組最大溫差由6.5 ℃下降了1.4 ℃。因此降低冷卻液溫度可以提高熱電模塊的制冷一致性，從而減小電池組溫差。

2.4 不同放電倍率工況下動(dòng)力模組溫度特性

本節(jié)將熱電元件熱端的冷卻液流量設(shè)置為1.2 L/min，冷卻液溫度與環(huán)境溫度一致。受電池充放電測(cè)試設(shè)備量程限制，僅在1C、1.5C和2C放電倍率下進(jìn)行電池組的熱特性測(cè)試。圖10 為不同放電倍率下電池組最高溫度（θmax）的變化曲線，電池模組最高溫升與放電倍率的大小成正相關(guān)。1C放電倍率下，電池組最高溫度始終低于環(huán)境溫度；1.5C放電倍率工況下，電池模組的溫度波動(dòng)較小，仍可穩(wěn)定在環(huán)境溫度35 ℃附近；當(dāng)放電倍率增大至2C時(shí)，其溫度曲線整體呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，但仍未超出其上限值。

圖10 不同放電倍率下電池組最高溫度θmax 的變化曲線

圖11 為不同放電倍率下電池組溫差（θdiff）的變化曲線，隨著電池模組放電倍率的增大，其溫差也在逐漸增大。當(dāng)放電倍率為1C時(shí)，其溫差可以穩(wěn)定6 ℃附近；增大放電倍率增至1.5C，其最大溫差為7 ℃；而在2C放電倍率工況下，高達(dá)8.1 ℃。此外，大放電倍率工況會(huì)增大電池模組在單位時(shí)間內(nèi)釋放的熱量，打破熱電元件制冷與電池內(nèi)部熱傳導(dǎo)之間的平衡。

圖11 不同放電倍率下電池組溫差θdiff 特性

2.5 高倍率循環(huán)充放電工況下動(dòng)力模組溫度特性

能否長時(shí)間高負(fù)荷運(yùn)行也是動(dòng)力電池的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。因此設(shè)置環(huán)境溫度35 ℃、冷卻液流量1.2 L/min 檢驗(yàn)其散熱性能與穩(wěn)定性。模組2C放電1C充電，每次過程間隔十秒，循環(huán)3 個(gè)周期。圖12、圖13 為高溫環(huán)境下，電池組循環(huán)充放電的最大溫度（θmax）與溫差（θdiff）。

圖12 電池組循環(huán)充放電最高溫度θmax 特性

圖13 不同冷卻方式下電池組充放電過程中的溫差θdiff

從圖12 可以看出：相比于充電，動(dòng)力模組在放電時(shí)段內(nèi)溫度偏高，這是因?yàn)樵撨^程中電能與熱能的轉(zhuǎn)換率更大，電池在單位時(shí)間內(nèi)釋放的熱量更多。電池組在自然對(duì)流冷卻末期最高溫度分別達(dá)到46.2、50.4、50.8 ℃，遠(yuǎn)超其最佳溫度上限。這說明，自然對(duì)流冷卻很難適用于動(dòng)力模組在高溫環(huán)境下的循環(huán)充放電工況。當(dāng)電池組冷卻方式為液冷時(shí)，第1 次放電相比于自然對(duì)流冷卻方式減小了4 ℃，這對(duì)于電池組進(jìn)入下一次放電過程是有利的。在第3 次充放電過程中，電池組溫度峰值達(dá)到了46.4 ℃，相比于環(huán)境溫度升高了11.4 ℃，超出了最佳溫度上限。

由圖13 可知：自然對(duì)流冷卻工況下電池壁面的溫度均勻性最好，但其溫升已遠(yuǎn)超出最佳運(yùn)行范圍。液冷在循環(huán)過程的大多數(shù)時(shí)間段內(nèi)，電池溫度超過了40 ℃，且溫差也較大。熱電冷卻時(shí)，電池組壁面最大溫升值僅為液冷工況下溫升值的1/3，且在運(yùn)行時(shí)段內(nèi)，溫差均可以保持在8 ℃以內(nèi)。因此雖然熱電冷卻在降低電池組最高溫度的同時(shí)，所帶來的溫差是最大的，但這對(duì)于電池在高倍率放電工況下而言是可以接受的。

3 結(jié)論

本文借助單塊50 Ah 的磷酸鐵鋰電池，驗(yàn)證了基于熱電元件的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)可行性。通過搭建的小型電池模組，研究了熱電單元熱端散熱條件、電池組放電倍率及循環(huán)充放電工況下的熱特性。研究結(jié)論如下：

單體電池可行性測(cè)試證明了熱電單元在降低電池最高溫度方面展示了一定的優(yōu)越性，其最高溫升僅比初始溫度升高了0.2 ℃。增大冷卻液流速或降低其溫度，均可提高熱電元件制冷性能。各個(gè)放電倍率工況下，采用熱電冷卻方式后動(dòng)力電池組均獲得了較好的工作效果。環(huán)境溫度35 ℃、2C倍率工況下，電池組最大溫度相比于環(huán)境溫度僅升高了3.5 ℃，電池組溫差保持在8 ℃以內(nèi)。此外，在惡劣環(huán)境下連續(xù)充放電測(cè)試中，熱電耦合液冷模式下最高溫升僅為4 ℃，大幅提升了模組工作過程的安全性。

這些結(jié)果可望為進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)提供必要的參考依據(jù)。