锂离子CAT蓄电池模块热电冷却的数值研究：一种高效、低功耗的方法

高效的热管理对于确保锂离子电池的安全性、性能和寿命至关重要，尤其是在高功率运行条件下。传统的电池热管理系统（BTMS），如液冷、相变材料（PCMs）和强制空气对流，存在热响应缓慢、集成复杂和扩展性差等局限性。热电冷却器（TEC）因其紧凑的固态特性，能够提供精确的温度控制，但在高热负载下效率较低，且热端散热能力差。本研究引入了一种基于3安培≤电晶电信箱（TEC）的新型低功耗BTMS架构，通过高扩散率氮化铝（AlN）接口热耦合电池。该系统无需液体冷却或PCM辅助冷却，仅依靠固体传导和强制空气对流。结合实验数据验证的耦合有限元法（FEM）模型证实，该配置即使在极端12摄氏度放电条件下也能将电池温度维持在安全范围内。例如，在6摄氏度时仅观察到1 K的温度上升，性能系数（COP）为3.5，而在高温环境下实现了亚环境冷却至−15.4 K。通过用铝替代空气，TEC吸收的热功率增加了三倍，从而实现更快、更均匀的冷却。即使在12摄氏度下，电池组的温度梯度仍保持在3K以下，相较于使用PCM、液体或热管的混合TEC系统，展现出更优越的热均匀性。本研究通过证明，完全固态方法无需复杂辅助系统即可实现高性能、节能的热控制，从而填补了文献中的关键空白。该方案体积紧凑、可扩展，适用于下一代电动汽车和高能量密度电池应用。
有效的热管理在多个工程领域都面临重大挑战，影响系统的性能和寿命。例如，在激光焊接过程中，精确的温度控制对于预测发射率变化和确保焊接质量至关重要[1]。同样，在食品加工中，精确的热模型对于优化如番茄在联合热通量和对流边界条件下的剥皮等工艺至关重要[2]。在储能领域，锂离子电池的热管理已成为关键研究领域，因为电动汽车和固定储能系统对电力需求和能量密度的不断增加[3]。将电池温度维持在288.15至318.15K之间，对安全和效率都至关重要，凸显了先进散热技术的重要性[[4]， [5]， [6]]。虽然提出了多种BTM，但大多数依赖复杂的液体回路[[7]， [8]， [9]]、被动相变材料[[10]， [11]， [12]， [13]]或混合系统[14,15]。这些方法常常面临空间、成本、集成和系统复杂度等方面的限制。为应对这些限制，近期研究探索了能够实现精确温度调节的固态热管理技术，而无需流体基或混合系统的复杂性。在此背景下，热电冷却器（TEC）成为有前景的候选者，提供了紧凑、可靠性，并通过佩尔帖效应直接电气控制热传递[16,17]。
传统的TEC系统通常依赖液冷或相变材料等主动散热方法，这在高热负载下可能限制其效能。Liu 等人[18]开发了结合PCM与TEC的混合BTMS，并在4摄氏度放电下测试，电池温度保持在313.15 K以下，温度梯度在2.5 K以内。Zang等人[19]将热管与热电冷却结合，将CPCM的热量传递到TEC，使电池表面温度保持在318.15 K以下，且均匀（3°C放电时σ ≤为2.5 K）。Song 等人[20]开发了一种48 V/80 Ah备用电池组混合BTMS，将TEC与PCM集成，使电池温度在1°C放电和0.5°C充电时保持在312 K以下，将热波动减少了最多15 K。Lyu等人[21]评估了结合TEC、液冷和强制风冷的混合BTMS，实现了温度降至293.15 K，并在30 V供电下保持电池组在3000秒内低于303.15 K。Sirikasemsuk等人[22]研究了将TEC与基于铁磁流体的液体回路集成的BTMS系统，用于18,650电池组，温度保持在303.15 K以下，并在更高冷却液流量（0.03–0.05米）下冷却性能提升³/h）。虽然将热电冷却器与PCM、液冷电路或热管集成可以提升热性能，但这些配置通常需要体积庞大且昂贵的元件，占用大量空间，并依赖复杂的散热机制。这限制了它们的实用性，尤其是在紧凑、高功率的电池系统中，空间、重量和简洁性都至关重要。空气冷却因其简单且易于集成，仍是BTMS广泛采用且具成本效益的解决方案，尤其是在电动汽车领域[23]。Esfahanian 等人[24]将气流机制与 TECs、散热片和散热片集成，以提升混合电动母线的热均匀性。他们的模拟强调，电池温度应保持在308K以下，电池间温差低于5K，以保证可靠性。Luo等[25]采用三相建模方法证明，低电流TEC与强制空气和液体循环结合，可将电池温度保持在302K以下，温差约为3.8K。Zhang等[26]测试了一种利用热管和TEC冷却的混合冷却系统，实现了相较被动冷却方法更好的降温和均匀性。 电池温度低于318 K，放电速率为2摄氏度。Lyu 等人[27]进行了一项关于先进BTMS的实验研究，该技术集成了热电冷却、强制空气和间接液冷，单节铜制电池和12伏驱动的TEC实现了约43 K的显著表面温度下降。虽然混合动力架构有效，但需要复杂的基础设施，如液体循环系统和电池组中的物理冷却液，限制了其在紧凑型或模块化配置中的应用。研究表明，在BTMS中用于高CRate应用的TEC能够有效将电池温度维持在临界阈值以下，即使在高温环境条件下也是如此。这通过在热端集成复杂的辅助冷却系统实现，例如电池组内部的闭环液体电路[21,27]。降低结构复杂度的替代配置，如TEC与铁磁流体结合或增强空气冷却，在高CRate下仍能实现约10 K的温降，且温度均匀性可接受（温度梯度≈4 K）[22,24,25]。相比之下，较简单的系统仅在低CRate下有效，确保最大电池温度保持在318.15 K以下 [18,19,20,26]。虽然这些系统具有优异的热均匀性，通常在3 K以内，但由于高负载下的冷却能力有限，梯度温度常常超过20 K。本研究引入了一种固态BTMS设计，克服了现有TEC架构的局限性。该系统采用优化的热接口工程和简化布局，即使在高热负载下也能使用低电流（≤ 3安培）、高COP的TEC模块。高扩散率的氮化铝结构促进了电池组与TEC之间的高效热传递。该系统通过依赖TEC热侧的紧凑强迫空气对流，消除了复杂的液冷基础设施需求。通过最小化焦耳加热并通过固体传导路径增强热响应，系统在不同条件下实现了稳定的热调节。实验验证和有限元模拟证实，系统即使在12摄氏度下也能将电池温度维持在安全工作范围内，且在较低环境温度下实现优异的热均匀性和亚环境冷却。创新在于首次证明，基于低电流TEC和高扩散率界面材料的紧凑型风冷固态BTMS能够实现高热性能，同时避免传统混合系统带来的复杂性、重量和空间负担。这使得该设计成为下一代锂离子电池组的可扩展且节能解决方案，尤其适用于高功率和空间有限的应用。