CAT蓄电池采用热电模块与多层相变材料的混合电池热管理系统强化冷却性能
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卡特蓄电池 发布时间：2026-04-03 11:18:44 点击： 次
引言
电动汽车的持续发展推动了对多种动力电池的广泛研究，包括铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池和锂离子电池[1][2]。其中，锂离子电池因其高比能量、高比功率及长循环寿命等显著优势脱颖而出。然而，锂离子电池的性能受温度影响显著，其最佳工作温度范围通常介于15至35°C之间[3][4]。温度偏离该范围或剧烈波动会导致电池老化、性能衰减及安全隐患等负面影响。值得注意的是，当电池温度超过50°C时可能发生热失控现象，这将带来重大安全风险。为在维持性能的同时缓解这些问题，实施适宜的热管理策略至关重要[5]。
热电制冷利用珀尔帖效应从空间中移除热量[6]。该技术通过使电流流经由两种不同类型半导体组成的热电器件实现，当电流通过器件时，一侧吸收热量而另一侧释放热量，从而在吸热侧产生制冷效应[7][8]。相比传统制冷方法，热电制冷具有结构简单、无运动部件以及易于小型化等优势[9]。此外，相变材料(PCMs)在发生熔化或凝固等相变过程中，能以潜热形式储存和释放大量能量[10]。这类材料广泛应用于建筑、车辆及工业过程等热能存储领域。通过相变材料的运用，可以实现按需储存和释放热能，从而显著提升整体能效[11][12][13]。
近期，将相变材料(PCMs)与其他方法结合应用于电池冷却系统的研究日益受到关注[14]。例如，Mei等通过实验验证了采用PCM与翅片结构的电池冷却性能，发现电池在3C放电倍率下，温度在4000秒内达到50°C[15]。另一项研究中，Jiang等对热电模块(TEM)的发热部位进行液冷实验，并向电池施加4-8W的加热功率。研究证实，当电池加热功率为8W时，温度约在1200秒后达到50°C[16]。
热电模块(TEM)与相变材料(PCM)的整合有望为开发新型电池热管理系统(BTMS)提供新途径。尽管已有若干研究探索了基于PCM的电池冷却方案以及将TEM作为辅助冷却装置的可行性，但这些研究通常将PCM与TEM视为独立组件。现有关于PCM-TEM组合的研究尚未深入分析TEM产生的热量如何影响多层PCM结构的相变动力学。在电池冷却系统中使用热电模块不可避免地会升高模块另一侧的温度。必须强调的是，散热器必须参与散热过程才能有效提升冷却组件的效率。当相变材料与散热器结合使用时，随着散热器温度升高，PCM的潜热特性可实现无需额外能耗的高效散热。
我们摒弃单一相变材料的传统方案，采用三种相变材料构建多层复合相变材料冷却系统。该多层复合结构相较于单一相变材料，可实现更宽域的温度调控范围。特别当系统内多层相变材料按熔点降序排布时，能在整个相变过程中维持稳定的温度梯度，从而使相变材料获得近乎均匀的热量传递[17][18]。
本研究提出了一种结合多层复合相变材料与热电模块的混合式电池热管理系统。通过该集成系统，我们以模拟电动汽车单体电池40W产热功率为目标开展冷却实验。系统采用搭载H桥电机驱动器的Arduino模块，可根据实时温度反馈自动切换热电模块的电流方向。这种自动化控制实现了冷却与加热操作间的无缝切换，从而提升了系统在多变工况下的适应能力。此外，基于相变材料（PCM）的热特性，研究通过数值模拟验证了系统整体的温度分布及相变过程中的温度维持效果。
