半导体制冷及其在动力电池热管理中的性能研究

半导体制冷原理发现至今已有100多年,直到上世纪50年代,半导体制冷才因为研发出制冷性能较好的半导体制冷材料而得到进一步的发展。半导体制冷具有许多独特的优越性：系统简单、易调控、冷却速度快,同时其不需要制冷剂和机械转动部件,还具有无毒害、无污染、运行无噪音无振动无磨损等优点,随着目前人们环保意识的增强,半导体制冷越来越得到重视。本论文根据半导体制冷原理,对TECl-12705、TECl-12706、TECl-12708. TECl-12710四种半导体热电堆进行性能测试,结果显示TECl-12705在环境温度20℃下20min内冷端温度降低至-4.0℃,前5min内降温速率达到3.4℃/min,相比其他三种半导体热电堆降温速率更快,最低温度更低,并且该型号热电堆系统电流最小。然后为该半导体热电堆选择合适的半导体制冷系统组件如散热翅片、风扇等,搭建半导体制冷实验平台。半导体制冷存在两种极限工况：最大制冷量工况和最大制冷系数工况。在这两种传统的工况问,必定存在一个最佳工况,使制冷系统既具有较大的制冷量,又消耗较小的功率,从而使综合效益达到最优,本文称其为最佳工况。针对这一问题本文先从理论上针对半导体制冷的最佳工况和最佳电流进行分析,推导出最佳工况下最优电流计算公式,计算得出TEC1-12705理论最佳电流为1=3.980753A。然后在两种极限工况之间选取8组工况(系统电流分别为2.2A、2.6A、3.0A、3.4A、3.8A、4.2A、4.6A、5.0A)进行实验,结果得出最佳电流I=3.952173A,此结果与理论最佳电流相差较小。在确定了半导体热电堆TEC1-12705最佳工况基础上,设计带有TEC技术的动力电池模块。通过常温和高温工况下不同放电倍率(1C、3C、5C)的放电测试模块内的温度变化和电池组电压变化,对比TEC模块与风冷模块两种冷却方式对动力电池组散热的影响。常温工况下,放电倍率为1C、3C、5C时,TEC电池模块最高温度分别为19.70℃、27.93℃、33.19℃,分别比风冷电池模块最高温度低3.10℃、2.62V、4.07℃,说明随着放电倍率增加,相比风冷电池模块,TEC电池模块的散热优势越来越明显。同时,TEC模块在放电结束后可以迅速降温,降温速率快且呈线性降低,5C放电后的降温速率为0.03℃/s,这一优势对电池充放电循环有较大帮助。高温工况(45.5℃)下3C放电时TEC电池模块的平均温度始终低于风冷电池模块。TEC模块和风冷模块平均最高温度分别为5112℃和52.3℃,相差1.1℃。达到最高温后,两模块的温度开始下降,其中TEC模块降温速率高于风冷模块。同时,半导体制冷电池模块在常温工况下3C放电的温升速率和温升幅度均超过高温工况,即高温对半导体制冷电池模块的温控性能影响不大。