半導(dǎo)體制冷-相變材料保溫的電池組熱管理

白帆飛，陳明彪，宋文吉，馮自平

( 1.中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣東 廣州 510640； 2.中國(guó)科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640；3.廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640； 4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049 )

鉛酸電池是戶外基站主要的后備電池。升高溫度可促進(jìn)電解液在活性物質(zhì)內(nèi)部的電荷傳輸能力，減小阻抗，提高導(dǎo)電性、初始放電容量和活性物質(zhì)利用率；但會(huì)導(dǎo)致電解液干涸、負(fù)極板硫酸鹽化嚴(yán)重，縮短電池的使用壽命[1]。

炎熱地區(qū)通信基站，對(duì)鉛酸電池冷卻后的長(zhǎng)期保溫有較高的要求[2]。部分地區(qū)在基站地下挖坑、利用地下的相對(duì)恒定溫度保溫，但對(duì)基站的改造較復(fù)雜成本較高。在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上，增加輔助措施，保障電池處于適宜的溫度，是更好的解決方案。

本文作者將半導(dǎo)體制冷(TEC)技術(shù)和相變材料(PCM)應(yīng)用于戶外基站備用電池組的熱管理，使其高溫環(huán)境下長(zhǎng)期保持于適宜溫度。

1 電池組工作原理

電池組采用短期冷卻、長(zhǎng)期保溫的模式：高溫環(huán)境下開啟TEC，保溫階段采用相變材料(PCM)保溫。電池組周圍包裹PCM，TEC的冷端貼在PCM內(nèi)的金屬鋁板上，用以提高TEC的制冷效果，同時(shí)有助于提高電池組內(nèi)溫度場(chǎng)的一致性；PCM外表面包裹二氧化硅氣凝膠板，用以延長(zhǎng)保溫時(shí)間，避免頻繁冷卻。電池組結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電池組結(jié)構(gòu)示意圖

2 電池組熱模型

研究采用LC-P1220型鉛酸電池(沈陽產(chǎn))，單體電池為12 V 20 Ah，0.18 m×0.08 m×0.17 m；電池組內(nèi)8只電池單體2并4串，共48 V 40 Ah。PCM采用熔點(diǎn)為24 ℃的十二烷醇(馬來西亞產(chǎn)，99%)，物理性能參數(shù)如表1所示[3]。

電池在浮充階段的產(chǎn)熱率為浮充電壓與浮充電流的乘積，其中，浮充電壓為電池工作電壓，浮充電流為0.3 mA/Ah。整個(gè)電池組的發(fā)熱功率僅為0.6 W，因此，在對(duì)浮充階段的電池組進(jìn)行熱模擬時(shí)，可忽略電池的產(chǎn)熱[4]。

871 XH-C系列TEC的制冷片(江蘇產(chǎn))由熱端、冷端和中間體組成，冷端貼在PCM中的金屬鋁板表面，熱端由風(fēng)扇冷卻。TEC冷端、中間體和熱端的熱模型分別見式(1)—(3)：

qcool=[I(αp-αn)Tc]/Vc

(1)

qm=(I2R)/Vm

(2)

qh=[I(αp-αn)Th]/Vh

(3)

式(1)—(3)中：I和R分別為制冷片的電流、內(nèi)阻；αp和αn分別為P型、N型半導(dǎo)體的塞貝克系數(shù)；Tc和Th分別為冷端與熱端的溫度；Vc、Vm和Vh分別為冷端、中間體和熱端的體積。電池組表面與環(huán)境自然對(duì)流吸收的熱量等于電池組各部分增加的熱量和TEC冷端帶走的熱量，方程見式(4)：

qabs=qb+qPCM+qAl+qins+qcool

(4)

式(4)中：qb、qPCM、qAl和qins分別為電池組、PCM、鋁殼和隔熱層吸收的熱量，qabs為電池組表面與環(huán)境自然對(duì)流換熱量。在確定PCM用量、進(jìn)行電池組尺寸設(shè)計(jì)前，要進(jìn)行散熱量的估算。電池組與周圍空氣發(fā)生自然對(duì)流換熱時(shí)，散熱量的估算可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式求解。

電池組在一段時(shí)間內(nèi)的總換熱量qabs除以單位質(zhì)量PCM的相變潛熱，可求得該段時(shí)間內(nèi)維持電池溫度恒定的PCM用量。根據(jù)電池組的排布方式、PCM用量，確定電池組內(nèi)部的基本結(jié)構(gòu)和尺寸。圖1中，X、Y方向電池間距為20 mm，周圍包裹20 mm厚的PCM；Z方向，電池下端PCM厚度為40 mm；電池組表面是20 mm厚的隔熱層，以減少吸熱量，延長(zhǎng)保溫時(shí)間；電池組外部尺寸為0.46 m×0.46 m×0.28 m。

研究采用FLUENT軟件的非穩(wěn)態(tài)求解器，模擬電池組內(nèi)的傳熱過程。為簡(jiǎn)化計(jì)算，進(jìn)行以下假設(shè)：基站電池長(zhǎng)期處于備用狀態(tài)，忽略產(chǎn)熱；忽略PCM固-液相變過程中的體積變化；忽略TEC熱端對(duì)電池組外表面換熱的影響。

3 計(jì)算結(jié)果及分析討論

3.1 熱管理溫度范圍的選擇

不同的環(huán)境溫度下電池組的溫升情況不同，為確定電池組溫度控制范圍，模擬了不同溫度下、不開啟TEC時(shí)電池組最高溫度隨時(shí)間的變化，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同環(huán)境溫度下電池組溫度隨時(shí)間的變化

Fig.2 Temperature of battery pack versus time with different environment temperature

當(dāng)PCM溫度低于熔點(diǎn)時(shí)，溫度上升較快；PCM吸熱融化過程中，溫度基本恒定；PCM完全融化后，最高溫度迅速上升至環(huán)境溫度。由于PCM溫度擴(kuò)散系數(shù)較低，電池組內(nèi)存在溫度梯度，為保證冷卻階段有更多的PCM達(dá)到凝固狀態(tài)，在保溫階段吸收更多熱量，溫度上下限分別為27 ℃和20 ℃。

3.2 制冷片布置方式對(duì)電池組的影響

為考察制冷片布置方式對(duì)電池組冷卻、保溫階段的時(shí)間和溫度場(chǎng)一致性的影響，模擬了4種布置方式下電池組溫度場(chǎng)的情況。電池組內(nèi)4個(gè)制冷片的分布情況如圖3所示。

圖3 制冷片布置示意圖

方案1中，制冷片對(duì)稱、均勻分布在電池組正下方；方案2和方案3中，制冷片分布在兩側(cè)；方案4中，制冷片分布在四個(gè)側(cè)面。模擬過程中，監(jiān)測(cè)了12個(gè)點(diǎn)的溫度以及電池組最高溫和最低溫，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置見圖1，環(huán)境平均溫度為40 ℃。

冷卻階段電池組溫度隨時(shí)間的變化見圖4。

圖4 冷卻階段電池組溫度隨時(shí)間變化

從圖4可知，方案1和方案2冷卻階段的時(shí)間較長(zhǎng)、各監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大溫差較小；方案3冷卻階段時(shí)間最短、各監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大溫差超過5 ℃、溫度差異最大；方案4冷卻階段的時(shí)間、各監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大溫差介于方案2和方案3之間。方案1中，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫差最小，冷卻階段后期溫度下降較快，達(dá)到PCM熔點(diǎn)后逐漸放緩，各點(diǎn)最大溫差不斷增大。方案2中，電池組的熱量沿Z方向傳遞給制冷片的冷端，靠近制冷片的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，溫度變化趨勢(shì)和電池組最低溫度變化趨勢(shì)相同，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度差異始終大于方案1。對(duì)比可知：冷卻階段，電池組的熱量沿Y方向傳遞給制冷片時(shí)的時(shí)間最長(zhǎng)、電池組溫度一致性最好，沿Z方向傳遞時(shí)次之，沿X方向傳遞時(shí)效果最差。這是由于：沿Y方向電池單體尺寸最大、PCM量最少，而Z方向電池尺寸最小、PCM量最大。電池單體的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)高于PCM，有利于溫度的擴(kuò)散，減小電池組的最大溫差，延長(zhǎng)冷卻時(shí)間。

保溫階段電池組溫度隨時(shí)間的變化見圖5。

圖5 保溫階段各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化

冷卻階段時(shí)間越長(zhǎng)，相應(yīng)的保溫階段時(shí)間越長(zhǎng)。在溫度上下限相同的情況下，冷卻時(shí)間越長(zhǎng)，電池組內(nèi)的熱量散失得越多，PCM各點(diǎn)溫度越均勻，凝固的部分也越多，保溫階段可以吸收的熱量越多，從而很好地抑制電池組溫度的上升。同理，不同制冷片布置方式下，冷卻階段電池組溫度差異越大，保溫階段電池組的溫度一致性就越差。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：制冷片布置在電池組正下方時(shí)的冷卻、保溫效果最好，對(duì)稱布置在電池組前后側(cè)面時(shí)效果次之。

3.3 制冷功率對(duì)電池組的影響

當(dāng)環(huán)境平均溫度為40 ℃時(shí)，電池組與環(huán)境的換熱率約為17 W。為了研究TEC制冷功率對(duì)電池組溫度分布的影響，將4個(gè)制冷片的總制冷功率分別設(shè)置為85 W、136 W、170 W、255 W和340 W(電池組換熱率的5倍、8倍、10倍、15倍和20倍)，對(duì)電池組進(jìn)行冷卻。制冷片采用4種不同的布置方式，初始溫度為20 ℃。制冷功率對(duì)冷卻、保溫過程的持續(xù)時(shí)間、電池組最大溫差和制冷階段電耗的影響見圖6。

圖6 制冷功率對(duì)冷卻、保溫過程持續(xù)時(shí)間、電池組最大溫差和制冷階段電耗的影響

Fig.6 Time of cooling and heat preservation process，maximum temperature difference，power consumption versus cooling power

從圖6可知，隨著制冷功率的增大，冷卻階段持續(xù)時(shí)間呈下降趨勢(shì)，方案1和方案2更明顯，當(dāng)制冷功率超過170 W時(shí)，冷卻階段持續(xù)時(shí)間的下降趨勢(shì)變緩。制冷功率相同時(shí)，方案1、方案2、方案4和方案3的冷卻階段持續(xù)時(shí)間依次縮短。制冷功率增加時(shí)，方案1、方案2和方案3的最大溫差變化不大，方案1和方案2的最大溫差始終小于5 ℃。制冷功率增加時(shí)，方案1、方案2和方案3的保溫時(shí)間幾乎不變，方案4的保溫時(shí)間呈縮短的趨勢(shì)。根據(jù)冷卻時(shí)間、制冷功率和制冷量與輸入功率的比值(COP)，可求得冷卻階段的電耗。制冷功率增加時(shí)，冷卻階段的電耗總體呈下降趨勢(shì)，當(dāng)制冷功率超過170 W時(shí)，方案1、方案3、方案4的電耗基本不變，而方案2的電耗仍然不斷下降。

綜上所述，為減小冷卻階段電池組的最大溫差、提高溫度場(chǎng)的一致性、延長(zhǎng)電池組的保溫時(shí)間，制冷片的布置可選擇方案1和方案2的方式。由于制冷片采用方案1方式布置時(shí)，熱端風(fēng)扇向下排出熱空氣，熱空氣上浮受電池組阻礙，散熱效果較差，因此制冷片的最佳布置方式為方案2。為減小熱端風(fēng)扇負(fù)荷、提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，最佳制冷功率為170 W。

3.4 不同環(huán)境下電池組冷卻、保溫效果

為研究不同環(huán)境溫度下，電池組冷卻階段的溫度情況和

保溫效果，分別采用不同的環(huán)境溫度模擬電池組的溫度變化，環(huán)境溫度的晝夜浮動(dòng)都為± 5 ℃。制冷片布置在電池組的前后兩側(cè)，制冷功率為170 W，電池組的初始溫度為20 ℃。

不同環(huán)境溫度下電池組冷卻階段最低溫度、保溫階段最高溫度隨時(shí)間的變化見圖7。

圖7 不同環(huán)境溫度下電池組溫度隨時(shí)間變化

Fig.7 Temperature of battery pack versus time with environment temperature

從圖7可知，不同環(huán)境溫度下，電池組冷卻階段的最低溫度變化趨勢(shì)一致；環(huán)境溫度上升對(duì)冷卻階段的持續(xù)時(shí)間影響較小。保溫階段的持續(xù)時(shí)間隨環(huán)境溫度的上升明顯縮短；電池組的最高溫度變化趨勢(shì)受環(huán)境溫度影響較大。

不同環(huán)境溫度下，冷卻階段電池組的最大溫差隨時(shí)間延長(zhǎng)不斷上升，保溫階段電池組的最大溫差先是迅速下降，最終趨于穩(wěn)定。隨著環(huán)境溫度的上升，冷卻階段電池組的最大溫差基本不變，保持在3.6 ℃左右，保溫階段電池組的最大溫差小于1 ℃。冷卻功率和制冷片設(shè)置相同時(shí)，電池組溫度場(chǎng)變化較小，最大溫差基本不變。該結(jié)構(gòu)的電池組對(duì)環(huán)境溫度的適應(yīng)性很好，適用于不同環(huán)境溫度的地區(qū)。

電池組在連續(xù)5次冷卻、保溫過程中各參數(shù)的變化見圖8。

圖8 連續(xù)冷卻、保溫過程中電池組各參數(shù)的變化

從圖8可知，在連續(xù)的冷卻保溫階段中，電池組最高溫度、最低溫度和最大溫差周期性變化，最大溫差不超過4 ℃；冷卻階段的持續(xù)時(shí)間較為穩(wěn)定，維持在7.5 h左右，保溫階段的持續(xù)時(shí)間變化略大，在19 ℃左右浮動(dòng)。該結(jié)構(gòu)的電池組在經(jīng)歷多次冷卻和保溫后，仍能保持較穩(wěn)定的溫度場(chǎng)和冷卻、保溫時(shí)間，保溫效果維持較好，可延長(zhǎng)電池的使用壽命。

3.5 充放電工況下電池組冷卻、保溫效果

為研究充放電情況下電池組冷卻和保溫階段溫升情況，分別模擬制冷初期、保溫初期、制冷中期及保溫中期電池充放電過程的溫度場(chǎng)。電池組以0.25C恒流放電，再以0.25C恒流充電；環(huán)境溫度為40 ℃，制冷功率為170 W，TEC布置電池組前后兩側(cè)，模擬結(jié)果見圖9。

圖9 各階段電池溫度變化

從圖9可知，冷卻初期，PCM和電池組的溫度在27 ℃附近，電池放電時(shí)產(chǎn)生的熱量使電池組溫度不斷上升，TEC在放電初期未能抑制電池組的溫升，直至放電末期，電池組的最高溫度達(dá)到最大值31.2 ℃；其間，電池組的最大溫差不斷上升，超過5 ℃，充放電結(jié)束后達(dá)到最大值，這是電池產(chǎn)熱和TEC共同造成的。當(dāng)電池組充放電發(fā)生在保溫階段初期時(shí)，電池組內(nèi)溫度為20 ℃，PCM處于凝固狀態(tài)，充放電過程中產(chǎn)生的熱被PCM吸收，電池的溫升被很好地抑制；當(dāng)電池溫度上升至27 ℃時(shí)，TEC開啟，電池溫度穩(wěn)定在27 ℃附近；放電結(jié)束后，TEC繼續(xù)工作，電池溫度逐步下降；這個(gè)過程中電池組的最大溫差緩慢上升，但始終控制在4 ℃以內(nèi)。當(dāng)充放電過程發(fā)生在制冷中期時(shí)，受TEC的影響，電池組的最高溫度在25.5 ℃左右浮動(dòng)；但電池組的最大溫差變化較大，先上升、后下降。當(dāng)電池充放電發(fā)生在保溫階段中期時(shí)，電池組最高溫度逐步上升，到達(dá)27 ℃時(shí)TEC開始工作，最高溫度維持在27 ℃；電池組的最大溫差始終低于4 ℃。

充放電結(jié)束后，若電池組處于冷卻階段，TEC將繼續(xù)工作，直至電池組的最低溫度達(dá)到20 ℃。當(dāng)電池組進(jìn)入保溫階段后，受環(huán)境溫度影響，電池組內(nèi)的溫度逐步上升，電池組的最大溫差不斷減小。由于制冷階段持續(xù)的時(shí)間不同，電池組的保溫階段持續(xù)時(shí)間也不同，但在22 ℃以上。電池充放電過程中仍能較好地抑制電池溫升、長(zhǎng)久保持電池溫度場(chǎng)的穩(wěn)定。該方法適用強(qiáng)，也可用于鋰離子電池的熱管理。

綜上所述，在確定了電池組結(jié)構(gòu)、電池組溫度的上下限、制冷功率、環(huán)境溫度后，可采用固定的冷卻與保溫時(shí)間，對(duì)電池組進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的熱管理。

4 結(jié)論

本文作者提出了一種利用TEC和PCM對(duì)基站備用電池進(jìn)行冷卻和保溫的方法，設(shè)計(jì)了電池組的結(jié)構(gòu)；通過數(shù)值模擬，研究了不同工況下電池組溫度變化的過程，結(jié)果顯示該方法可抑制炎熱地區(qū)電池溫升的問題。結(jié)論如下：

制冷片布置在電池組前后兩側(cè)、制冷功率為170 W時(shí)，冷卻階段電池組溫度場(chǎng)一致性好，保溫時(shí)間長(zhǎng)；

環(huán)境溫度為40 ℃時(shí)，電池組經(jīng)過連續(xù)的冷卻、保溫過程后冷卻過程持續(xù)時(shí)間維持在7.4 h左右，保溫過程持續(xù)時(shí)間維持在8 d左右，電池組的最大溫差始終小于4 ℃，電池組溫度場(chǎng)一致性較好，具有良好的保溫效果。

電池充放電時(shí)的最高溫度可得到抑制，同時(shí)，電池組仍具有較好的保溫效果。

該方法具有較強(qiáng)的適用性，同樣適用于鋰離子電池的熱管理。為了提高電池組在不同環(huán)境和地區(qū)的適用性，可以設(shè)計(jì)同時(shí)具有加熱、冷卻和保溫功能的電池組。

[1] 黃嬋，高愛梅，陳紅雨.高溫對(duì)閥控鉛酸蓄電池的影響[J].蓄電池，2016，53(6)：256-259.

[2] 韓業(yè)斌.鉛酸電池與鋰電池全生命周期對(duì)比研究[J].蓄電池，2014，51(4)：186-189.

[3] 余飛，陳中華，曾幸榮.正十二醇相變儲(chǔ)熱微膠囊的制備與表征[J].高分子材料科學(xué)與工程，2009，25(6)：135-138.

[4] LIU X T，YANG Y F，HE Y，etal.A new dynamic SOH estimation of lead-acid battery for substation application[J].Int J Energ Res，2017，41：579-592.