CN110336096A - 基于半导体热电技术的电动汽车电池冷却系统 - Google Patents
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Abstract
一种电动汽车技术领域的基于半导体热电技术的电动汽车电池冷却系统，包括电池模组、热扩散板、半导体热电模块、液冷板、定位支架、弹簧碟片、下安装板、紧固螺栓、隔热材料，热扩散板布置在电池模组的下方，隔热材料位于热扩散板的下方，半导体热电模块安装在隔热材料上，定位支架位于隔热材料的下方，液冷板安装在定位支架上，热扩散板、下安装板之间通过紧固螺栓联结在一起。本发明在通电后，自身的帕尔贴效应能将电池温度降低至环境温度以下，满足电池在高温环境下的散热需求。本发明不但高效、紧凑、可靠性好，而且同时具备冷却与加热功能，适用于汽车电池热管理系统的优化设计。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种电动汽车技术领域的电池冷却系统，特别是一种同时具备冷却与加热功能的基于半导体热电技术的电动汽车电池冷却系统。
背景技术
锂离子电池是电动车的重要部件之一。电池在工作过程中会集聚大量的热，如果散热系统不能及时带出，将加速电池的温升，降低电池的循环寿命。半导体热电技术运用半导体的帕尔贴效应，可以同时满足电池高温散热与低温加热需求，结构简单，设计紧凑，且系统中无运动件，可靠性好，适合运用在电动汽车上。
在现有技术中，专利号为201310126565.X的专利申请文件公开了一种基于热电冷却的散热装置，结构较为紧凑，但半导体热电模块热端采用效果较差的风冷散热，影响模块的制冷性能。专利号为201410027048.1的专利申请文件公开了一种相变材料与半导体热电模块相结合的电池冷却方式，改善了电池间的传热性能，但没有详细说明半导体热电模块与电池组、散热端的固定方式。专利号为20121036689.0的专利申请文件公开了一种热电冷却方法，该专利用螺栓直接将水冷板与半导体热电模块相固定，结构简单，但仅靠螺栓固定，容易造成热电模块受力不均匀而影响其性能与寿命，且该专利没有考虑半导体热电片冷热端隔热问题。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种基于半导体热电技术的电动汽车电池冷却系统，不但高效、紧凑、可靠性好，而且同时具备冷却与加热功能。
本发明是通过以下技术方案来实现的，本发明包括电池模组、热扩散板、半导体热电模块、液冷板、定位支架、弹簧碟片、下安装板、紧固螺栓和隔热材料，电池模组由电池单体组成，热扩散板布置在电池模组的下方并与电池模组的下表面紧密接触，隔热材料位于热扩散板的下方，半导体热电模块安装在隔热材料上，定位支架位于隔热材料的下方，液冷板安装在定位支架上，弹簧碟片的上端与定位支架联结在一起，弹簧碟片的下端与下安装板联结一起，热扩散板的下表面与半导体热电模块的上表面紧密接触，半导体热电模块的下表面与液冷板的上表面紧密接触，热扩散板、下安装板之间通过紧固螺栓联结在一起。
进一步地，在本发明中，在电池模块与热扩散板接触面之间，热扩散板与半导体热电模块接触面之间，半导体热电模块与液冷板接触面之间填涂热界面材料。
更进一步地，在本发明中，定位支架与弹簧碟片一体成型。
更进一步地，在本发明中，半导体热电模块的型号包括但不限于TEC-127-05、TEC-127-06、TEC-127-07或TEC-127-08。
更进一步地，在本发明中，弹簧碟片由钢或铝合金或高强度塑料制成，形状包括但不限于翼形或圆锥形。
更进一步地，在本发明中，隔热材料由低导热材料制成，包括但不限于泡沫聚氨脂、玻璃纤维、聚四氟乙烯、气凝胶毡。
更进一步地，在本发明中，紧固螺栓由低导热系数材料制成，包括但不限于尼龙。
更进一步地，在本发明中，热界面材料包括但不限于导热硅胶、导热石墨片、导热垫片。
更进一步地，在本发明中，半导体热电模块的输入电流为5A至6A。
更进一步地，在本发明中，弹簧碟片对半导体热电模块施加的压力为2Mpa。
在本发明中，半导体热电模块通入直流电后，模块的上下两端会产生温差而形成冷端与热端。电池产生的热量传至半导体热电模块冷端，同时；热端将热量传至散热器，最终与环境进行热交换。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果为：本发明通电后，自身的帕尔贴效应能将电池温度降低至环境温度以下，满足电池在高温环境下的散热需求；相对常规水冷技术，本发明的散热性能提升20％。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中半导体热电模块电流大小对比图；
图3为本发明中弹簧碟片施压大小对比图；
图4为本发明与常规水冷技术的对比图；
其中：1、电池模组，2、热扩散板，3、半导体热电模块，4、液冷板，5、定位支架，6、弹簧碟片，7、下安装板，8、紧固螺栓，9、隔热材料。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
具体实施例图1至图4所示，本发明包括电池模组1、热扩散板2、半导体热电模块3、液冷板4、定位支架5、弹簧碟片6、下安装板7、紧固螺栓8和隔热材料9，电池模组1由电池单体组成，热扩散板2布置在电池模组1的下方并与电池模组1的下表面紧密接触，隔热材料9位于热扩散板2的下方，半导体热电模块3安装在隔热材料9上，定位支架5位于隔热材料9的下方，液冷板4安装在定位支架5上，弹簧碟片6的上端与定位支架5联结在一起，弹簧碟片6的下端与下安装板7联结一起，热扩散板2的下表面与半导体热电模块3的上表面紧密接触，半导体热电模块3的下表面与液冷板4的上表面紧密接触，热扩散板2、下安装板7之间通过紧固螺栓8联结在一起。
在本发明的实施过程中，热电冷却系统工作中，电流大小直接影响半导体热电模块3的冷却性能，同时也会影响经济性，从而影响电动车的续航里程。因此，在满足性能需求的前提下，应尽可能降低半导体热电模块3的功耗。通过电池的温度表征半导体热电模块3的性能，通过COP(制冷系数)表征半导体热电模块3的经济性。COP为半导体热电模块3的制冷量与其消耗电功率的比值。COP可以根据以下公式获得：
其中，为半导体热电模块3的帕尔贴系数V/K，I为电流A，Tc为半导体热电模块3的冷端温度，R为半导体热电模块3的内阻Ω，K为半导体热电模块3的传热系数W/K，Th为半导体热电模块3的热端温度。由上述公式，输入电流大虽然制冷量大，但功耗也大，且大电流产生的焦耳热会降低半导体热电模块3的性能；输入电流小虽然经济性好，但是性能有限。因此，需要确定半导体热电模块3的最佳工况对应的电流，兼顾性能与经济性。
以型号为TEC-127-08热电片为例，具体计算结果如图2所示。由结果可知，当电流在5A和6A时，电池温度最低，半导体热电模块3的制冷性能最好；然而电流为5A时的COP比电流6A时低，因此选定5A为半导体热电模块3的最佳工况对应电流。
弹簧碟片6受压安装在电池模组内，提供所需的半导体热电模块3接触压力。以型号为TEC-127-08的热电片在电流5A、液冷板进水温度50C工况为例。图3为本发明半导体热电模块3的电池温度随接触压力变化曲线，可以发现，在不改变半导体热电模块3功耗的前提下，通过增加半导体热电模块3与热扩散板2以及液冷板4的接触压力可以降低接触热阻，增强半导体热电模块3的散热性能。对半导体热电模块3施加2Mpa左右的压力，可以控制电池温度在40C左右，同时该压力不会损坏半导体热电模块3；如果接触压力小于1Mpa，电池温度将高于上限值50C。
图4为本发明热电冷却与常规水冷的性能对比。以型号为TEC-127-08热电片在对应电流5A下、加载压力2Mpa下工作为例，可以看出，液冷板4的进水温度即使在50C时，本发明依然能保持电池温度在40C左右，而单纯的水冷冷却，在相同的条件下已经高于电池温度上限50C。相对常规水冷技术，本发明的散热性能提升20％。
Claims (10)
1.一种基于半导体热电技术的电动汽车电池冷却系统，包括电池模组(1)，电池模组(1)由电池单体组成，其特征在于，还包括热扩散板(2)、半导体热电模块(3)、液冷板(4)、定位支架(5)、弹簧碟片(6)、下安装板(7)、紧固螺栓(8)和隔热材料(9)，热扩散板(2)布置在电池模组(1)的下方并与电池模组(1)的下表面紧密接触，隔热材料(9)位于热扩散板(2)的下方，半导体热电模块(3)安装在隔热材料(9)上，定位支架(5)位于隔热材料(9)的下方，液冷板(4)安装在定位支架(5)上，弹簧碟片(6)的上端与定位支架(5)联结在一起，弹簧碟片(6)的下端与下安装板(7)联结一起，热扩散板(2)的下表面与半导体热电模块(3)的上表面紧密接触，半导体热电模块(3)的下表面与液冷板(4)的上表面紧密接触，热扩散板(2)、下安装板(7)之间通过紧固螺栓(8)联结在一起。
2.根据权利要求1所述的基于半导体热电技术的电动汽车电池冷却系统，其特征在于在电池模块(1)与热扩散板(2)接触面之间，热扩散板(2)与半导体热电模块(3)接触面之间，半导体热电模块(3)与液冷板(4)接触面之间填涂热界面材料。
3.根据权利要求1所述的基于半导体热电技术的电动汽车电池冷却系统，其特征在于定位支架(5)与弹簧碟片(6)一体成型。
4.根据权利要求1所述的基于半导体热电技术的电动汽车电池冷却系统，其特征在于半导体热电模块(3)的型号包括但不限于TEC-127-05、TEC-127-06、TEC-127-07或TEC-127-08。
5.根据权利要求1所述的基于半导体热电技术的电动汽车电池冷却系统，其特征在于弹簧碟片(6)由钢或铝合金或高强度塑料制成，形状包括但不限于翼形或圆锥形。
6.根据权利要求1所述的基于半导体热电技术的电动汽车电池冷却系统，其特征在于隔热材料(9)由低导热材料制成，包括但不限于泡沫聚氨脂、玻璃纤维、聚四氟乙烯、气凝胶毡。
7.根据权利要求1所述的基于半导体热电技术的电动汽车电池冷却系统，其特征在于紧固螺栓(8)由低导热系数材料制成，包括但不限于尼龙。
8.根据权利要求2所述的基于半导体热电技术的电动汽车电池冷却系统，其特征在于热界面材料包括但不限于导热硅胶、导热石墨片、导热垫片。
9.根据权利要求1所述的基于半导体热电技术的电动汽车电池冷却系统，其特征在于半导体热电模块(3)的输入电流为5A至6A。
10.根据权利要求1所述的基于半导体热电技术的电动汽车电池冷却系统，其特征在于弹簧碟片(6)对半导体热电模块(3)施加的压力为2Mpa。
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