動力電池熱管理中半導體制冷技術的應用探討

王仕元 陳俊華 楊曉明

【關鍵詞】動力電池 熱管理 半導體制冷技術 應用

半導體制冷，即為熱電制冷，主要經通電后出現冷量而制冷的方式。隨著半導體制冷理論的完善，使得半導體材料的性能不斷完善。所以，被較多的領域所應用。和以往傳統制冷的方式進行比較，半導體制冷可實現無機械傳動和無制冷劑，能有效的轉變制冷、制熱的效果，進而對半導體溫度進行嚴格的控制。

1 半導體制冷技術在動力電池熱管理中的應用

動力電池熱管理可以說是汽車動力電池系統的重要組成部分，具有提升電池壽命、改善電池性能與安全的效果，在電動汽車整車熱管理中占據重要部分。目前，關于動力電池熱管理的相關研究已經取得一定的研究成果，而其中半導體制冷技術的應用，有效提升了動力電池熱管理的效果本節對汽車動力電池系統熱管理中應用半導體制冷技術的效果做淺要分析。

1.1 構建動力電池熱管理系統總體流程

結合動力電池熱管理的目的，對動力電池熱管理系統流程進行設計，具體流程圖如圖1示。

1.2 分析半導體制冷技術在動力電池熱管理系統中的應用

在動力電池熱管理系統中，電池內熱環境的調控主要通過三個系統部分實現，分別是加熱系統部分、保溫系統部分和冷卻系統部分，而冷卻系統的散熱模式通常包含自然冷卻、強制風冷、強制液冷三種，均采用半導體熱電堆與不同散熱方式結合而形成冷卻系統，利用半導體制冷原理來實現動力電池熱管理中的系統冷卻功能。半導體制冷主要是通過利用珀爾帖效應實現的，圖2半導體制冷的原理圖。

通過空穴在半導體電場作用下運動實現熱能與勢能之間的轉換，從而形成熱電堆的熱端與冷端，熱端通過與翅片散熱器連接，采取風冷、液冷與自然冷卻形式，實現制冷功能。在動力電池熱管理中應用這種半導體制冷方式，有效的利用了半導體制冷中無需制冷劑、無污染、體積小、無機械傳動、重量輕、無噪音、冷卻速度快的優勢。結合不同散熱方式，可實現車動力電池溫度環境的調控，有效冷卻環境溫度，從而滿足動力電池熱管理的需求。比如磷酸鐵鋰電池，根據需要，采用半導體熱電堆與風冷散熱方式結合，有效的將環境溫度降低到-20℃～60℃，調節速度快，效果好，符合現代動力電池熱管理的冷卻要求。

2 動力電池熱管理中應用半導體制冷技術的實驗驗證

在動力電池熱管理中采用半導體制冷技術，可通過半導體制冷原理實現對動力電池環境的溫度調節與控制。本節進行分析動力電池冷卻系統中采用的半導體制冷技術與傳統直接風冷方式效果的對比試驗，來探究半導體制冷技術在動力電池熱管理中的應用價值。

2.1 實驗的主要設備

實驗的設備主要包括：TEC電池模塊和充放電設備、直流風扇，以及直流穩壓電源、恒溫烘干箱、溫度記錄設備、風速儀、T型熱電阻等。

2.2 實驗的主要方式

設置實驗對照組，以傳統直接風冷電池組模塊作為對照對象，以半導體制冷技術應用的電池組模塊作為研究對象，風冷模塊一般多使用12V/0.18A的直流風扇。以加裝于模塊外殼的正面，上開口為半封閉結構，風速設置為1.0m/s。TEC模塊常用的型號為TEC1-12705，屬于半導體熱電堆制冷設備，聯合翅片、風扇可經溫度進行合理的管理。電池組模塊實行正面開孔工作，應合理的嵌入半導體結構，將模塊設置為全封閉的結構，以此確保模塊電池散熱效果，并保證在短時間得到溫度的控制。實驗的階段，經編寫充放電對程序、模塊實行控制，進而實現不同倍率的放電效果。將兩個模板實行恒流充電、恒壓充電，充電的電流達到7A的時候，充電截止電流應設置為350mA。靜置時間為60min，電池模塊達到環境溫度的時候，需實行模塊的恒流放電。針對兩個模塊實行45℃高溫恒溫的放電測試，放電的倍率應設置為3C，放電截止電壓應在2.0V的范圍內。

2.3 實驗的結果與結論

經過實驗測試，在45℃高溫條件下完成TEC模塊與風冷模塊的放電測試，測試結果如圖3所示。觀察圖3數據變化可知，隨著電池環境溫度的逐漸升高，TEC模塊的平均溫度始終比傳統風冷模塊溫度低，而在1680秒與1609秒時，風冷電池模塊溫度與TEC電池模塊的溫度分別達到最大值，溫度分別是52.3℃和51.2℃。而達到最高溫度后，兩組電池組的溫度均開始降低，但TEC組的降溫速率明顯比風冷模塊組更高。這說明TEC電池模塊的散熱效果更好，在動力電池放電運行過程中，TEC模塊這種應用了半導體制冷技術的電池組溫度冷卻效果更加明顯。由此可見，在動力電池熱管理中應用半導體制冷技術，能夠更加有效的實現對電池溫度的調控，滿足電池熱管理需求。

3 總結

動力電池熱管理在汽車動力電池管理中具有重要作用，而半導體制冷技術的應用則有效提升了動力電池熱管理的效果，在制冷冷卻方面取得較大的優勢。本次研究通過分析半導體制冷技術的應用情況，結合實驗驗證方式，分析了半導體制冷技術在動力電池熱管理中的應用效果，研究結果證明半導體制冷技術相比傳統風冷具有更好的降溫冷卻效果，值得推廣應用。

參考文獻

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