摘要

由于電動和混合動力電動汽車的日益普及，汽車技術越來越依賴電動配件、系統(tǒng)和有效載荷。純電氣解決方案（如熱電設備）是電動汽車和類似短程汽車的熱管理的首選來源，這些汽車通常不配備氣候控制系統(tǒng)。定向對流策略（例如使用直流電流進行區(qū)域冷卻）非常適合使用熱電技術實現(xiàn)的無限可擴展熱控制架構。一種由熱電設備驅動的原型設備已經開發(fā)以滿足各種熱管理需求，其多功能便攜式系統(tǒng)適用于新能源汽車、沒有空調的微型汽車，甚至更專業(yè)的冷卻需求。這種便攜式設備經設計、制造和實驗測試，以證明該概念的有效性。實驗結果表明，該測試單元可以有效地提供固態(tài)強制對流冷卻，足以用于人體和電子電路冷卻。

1. 引言

近年來，汽車、制造和醫(yī)療技術推動了冷卻系統(tǒng)和氣候控制設計的重大變化。傳統(tǒng)上，乘客和/或部件的冷卻需求已通過被動對流散熱器、基于液體的強制對流或用于大功率應用的蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)來滿足。電動汽車、混合動力汽車和不帶空調的汽車需要12-48VDC下運行的補充電氣氣候控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)蒸汽壓縮系統(tǒng)的復雜性、尺寸和重量歷來阻礙了許多新系統(tǒng)的開發(fā)。噴射沖擊、蒸發(fā)冷卻和傳統(tǒng)液體冷卻等高性能冷卻策略已被證明是成功的，但存在腐蝕和電氣短路的風險。例如，冷卻劑泄漏是一種故障模式，它可能代表電子設備冷卻中不可接受的風險?；诎雽w熱電器件的引入使許多冷卻系統(tǒng)變得更加通用并提供新的應用。最近的汽車研究已經考慮通過區(qū)域冷卻來提供溫度控制在客艙的一個離散部分內。這項工作提供了一種傳統(tǒng)上保留用于直接接觸冷卻的策略。已經設計并驗證了用于兒童安全座椅的熱電冷卻(TEC)系統(tǒng)。整體系統(tǒng)概念為源自其對流概念和固態(tài)熱電冷卻系統(tǒng)設計的先進技術奠定了基礎。雖然局部加熱系統(tǒng)以手持式熱風槍和吹風機的形式存在了一段時間，但定向冷卻系統(tǒng)的范圍和關注度有限。

許多制造技術可能受益于熱電設備提供的強大溫度控制能力。TEC技術因其固態(tài)特性而非常適合無塵室操作。具體而言，芯片組可以密封以防潮，并且通常包含在易于清潔的陶瓷導電板之間?？諝庋h(huán)可以使用小型電風扇來控制，或者在極其敏感的環(huán)境中，可以使用自由對流散熱器。TEC冷卻機制的緊湊性使得許多便攜式冷卻系統(tǒng)成為可能，主要是小型冰箱和冷卻器的形式，它們可以由可充電電池和/或太陽能電池板供電。雖然TEC具有非線性冷卻行為，但其有限的復雜性使得精確控制變得容易，因此醫(yī)療操作、極端溫度敏感制造應用等的溫度跟蹤過程可能會受益于先進的熱電系統(tǒng)控制策略。

到目前為止，熱電技術最廣泛的應用領域仍然是封裝電子設備的冷卻。盡管熱電具有堅固性和多功能性，但由于高電阻和熱電PN結需的大接觸面積，熱電在效率方面受到影響。與產生高于2.0的COP值的蒸汽壓縮系統(tǒng)相比，即使實現(xiàn)COP=0.89的性能系數(shù)(COP)也需要注意，必須使用通常為水冷的高性能散熱器來滿足TEC模塊的散熱需求，同時，使用納米顆粒懸浮液可以進一步增強液體循環(huán)散熱器中的散熱量。

2. 設備應用和擴展

冷卻裝置包括三個珀爾帖效應熱電裝置，帶有用于排熱和集中對流冷卻的循環(huán)風扇，如圖1所示。局部控制體積包含在較大體積的空氣中，空氣體積可能被外殼包圍或可能代表周圍環(huán)境，設備使用有角度的風扇將熱空氣引導遠離設備的散熱路徑，并且可以使用空氣管道進一步隔離這種拒絕。同時，使用管道也可以增強冷卻效果，允許空氣在較小的控制體積中再循環(huán)。

圖1 熱電冷卻概念示意圖

如圖2(a)所示，這種設計將通過整個邊界層進行冷卻，從而為給定的空氣流量提供更高的冷卻性能。如圖2(b)所示，每個冷卻階段都獨立運行，每端都安裝了一個冷空氣路徑風扇。對于更高的冷卻能力要求，可以連接更多級，更高容量的散熱風扇提高能源效率。采用這樣的配置，系統(tǒng)能夠在具有再循環(huán)的露天環(huán)境中實現(xiàn)高達15°C 的溫差。該系統(tǒng)配置將配備電源，根據所需熱電設備的數(shù)量在120VAC或240VAC下運行。內置的再循環(huán)管道將最大限度地提高設備的冷卻能力，前提是它在空氣流動最少的區(qū)域運行。設備實用程序可以通過添加一個通風的工作表面，如圖4所示。散熱風扇將熱空氣從設備底部吹出，以盡量減少其對冷卻工作表面的影響。

圖2模塊化熱電冷卻設計，每級有四個TEC模塊.(a)單級；(b)多級

熱電冷卻技術具有解決各種獨特熱管理應用的能力。該系統(tǒng)可以為便攜式電子設備提供冷卻，這些便攜式電子設備在升高的環(huán)境溫度下經常遭受對流冷卻不足的困擾。熱電冷卻的設計使其可用于食品加工和化學測試臺應用，在這些應用中，它可用于在加熱或放熱反應后將小件物品冷卻至可用溫度。

熱電冷卻還可以針對多物體冷卻或精確熱控制的更復雜的操作進行修改。該設備具有多個端口，以便冷空氣可以獨立地引導到多個目標。這種布局可用于車輛局部冷卻等緊急應用或電路板焊接。該裝置還可用于醫(yī)療和除濕冷卻操作，以便管道將裝置的入口和出口氣流連接到絕緣冷卻器。此外，通過閉環(huán)控制可以實施此配置以提供可變設定點溫度跟蹤，尤其是衛(wèi)星和空間站上的熱管理應用，由于非大氣運行情況，很大程度上僅限于利用熱電技術構建的制冷。

圖3帶有再循環(huán)工作臺面和四個大容量散熱冷卻風扇的五級冷卻裝置

(a)整體系統(tǒng)；(b)帶有電源、四個散熱風扇和單個冷空氣再循環(huán)風扇的設備底座；(c)帶有再循環(huán)入口的通風工作臺面；(d)圍繞TEC模塊的散熱片。

3. 系統(tǒng)數(shù)學模型

熱電冷卻系統(tǒng)將冷空氣流引導到局部對流環(huán)境中，其溫度必須最小化或控制到給定的設定點。對于固定應用，該設備可以通過管道將空氣從環(huán)境再循環(huán)回TEC的冷側，由于進出周圍環(huán)境的氣流減少使系統(tǒng)控制更容易。類似地，TEC熱側排出的熱量將被排放到周圍環(huán)境中維持整個設備的溫差。

3.1. 熱電行為

熱電冷卻系統(tǒng)利用珀爾帖效應，該效應將熱傳遞定義為取決于流過模塊的電流。器件內的電流I不僅受電阻Relec的限制，而且還受熱側Thot和冷側Tcold之間的溫差限制。電流I可以定義為

其中n是PN結的數(shù)量，nαI(Thot+Tcold)代表熱電效應，I2Relec代表電功率損耗。

TEC冷側的熱量吸收，即Q冷，可以使用塞貝克效應nαI(Thot+Tcold)形成。必須考慮器件PN結的熱導率和電阻，便可以將流向熱側的總熱流定義為

其中Tavg=0.5(Thot+Tcold)，kTEC是單元的熱導率，ATEC是單元的傳導面積。

冷卻系統(tǒng)效率通常使用無量綱性能系數(shù)來衡量，傳統(tǒng)上定義為COP=qoutqin，其中qout表示從系統(tǒng)傳出的熱量，qin表示冷卻系統(tǒng)消耗的能量。TEC等電制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)可指定為

需要注意的是，COP值會根據裝置的運行條件而變化，因此可以通過設置系統(tǒng)來最大化COP值，以確保2nαITavg優(yōu)于其他熱電現(xiàn)象。由于熱流Q冷與平均值成正比，則性能會隨著環(huán)境條件T∞的整體增加而增加，這種改進將受到TEC的最高工作溫度的限制。然而，增加電流I也會增加塞貝克項的大小，同時導致焦耳熱的增加即0.5I2Relec。品質因數(shù)Z可用于說明熱電系統(tǒng)的局限性：

典型的TEC僅限于ZTavg≤1的條件，表達了效率的限制條件，可以使用Peltier系數(shù)Π來定義在窄溫度帶上運行的熱電元件的冷卻行為，該系數(shù)與Seebeck系數(shù)相關，使得Π=αTavg。如果I=VRelec，則該關系將等式(3)中的熱吸收減少到

3.2. 系統(tǒng)熱響應

每個系統(tǒng)組件的熱行為可用一階微分方程來描述，由此產生的一組溫度節(jié)點創(chuàng)建一個熱網絡。節(jié)點溫度基于每個節(jié)點上的內部熱負荷、節(jié)點之間的電阻熱流和熱容。對于兩個節(jié)點i和j，第j個溫度動態(tài)Tj由熱電容Cj和熱能交換指定，因此

其中，Ri,j是節(jié)點熱阻。在這項研究中，基于TEC的冷卻系統(tǒng)提供強制和冷藏操作以排出目標的熱量。

3.3. 系統(tǒng)集成

冷卻系統(tǒng)的瞬態(tài)響應由圖4中描述的一組微分方程控制，冷卻裝置采用再循環(huán)運行，冷卻性能由熱電傳熱來描述。除非系統(tǒng)經過應用優(yōu)化，否則該熱電傳熱可能低至應用功率的10%，傳遞到目標的冷卻是溫差ΔT =Theat-Tcool和對流傳熱系數(shù)的組合，它是流速的函數(shù)。流速與通過冷卻裝置的流速成正比，但流速越高，溫差越小。

圖4 冷卻性能關系

傳熱系數(shù)可以用下式確定努塞爾數(shù)Nu，

其中，kair是空氣的熱導率。通常對流將發(fā)生在湍流狀態(tài)，其中努塞爾數(shù)定義為

4. 系統(tǒng)性能

使用MatlabSimulink中第3.2節(jié)導出的集總電容方程對用于移動應用的代表性區(qū)域冷卻裝置進行了數(shù)值模擬，設計并運行了一個實驗室物理系統(tǒng)（參見圖5）以驗證數(shù)值結果。該系統(tǒng)具有三個TEC模塊，額定功耗為91.2W，熱側有4個6W、22.8英尺3分鐘循環(huán)風扇，冷側有1個風扇。變速風扇控制可以集成在這個設計中，盡管實驗沒有證明冷卻性能有明顯的改善，為了方便和可靠，目標被放置在環(huán)境室中并安裝了熱電區(qū)冷卻器以提供對流冷卻。對象是一個鋁塊，底部安裝了兩個筒式加熱器，頂部固定有總表面積為1.06m2的翅片散熱器，該物體被隔熱以確保對流熱傳遞只會通過翅片發(fā)生。實驗測試表明，從局部空氣層中帶走了大約30W的熱量，對物體產生了10.8W的冷卻效果,原型系統(tǒng)持續(xù)消耗297.6W的電力。

圖5顯示組件的原型設計

(a)顯示冷熱路徑的完整系統(tǒng)；(b)帶有銅散熱器的單個TEC模塊；(c)移除進氣蓋的熱路徑。

在使用正弦時變溫度目標的測試案例中，上述三級冷卻裝置的數(shù)學模型與圖6所示的實驗結果非常吻合。初始條件的微小誤差是由于允許加熱物體造成的在測試即將開始時升溫；快速收斂表明這并不影響實驗結果。在其他研究中，將解決熱電器件熱飽和問題的先進控制策略應用于冷卻槍，結果表明：降低功耗是可能的，尤其是在目標溫度隨時間變化的應用中。

圖6 使用正弦溫度目標和跟蹤控制器時原型設計的仿真和實驗結果比較

第2節(jié)中描述的第二代冷卻設計將能夠在每個階段實現(xiàn)更高的溫差，并且更適合更高的空氣流量（參見表1）。這種性能隨著附加級的引入而得到擴展，盡管根據實驗室測試，每個附加級代表的性能增幅略低，但五級冷卻的預期冷卻功率估計為27W。先進的控制策略可能會提高這種性能，但是對周圍空氣的熱損失是主要的性能限制。盡管存在這些擔憂，但目前的研究表明，與傳統(tǒng)的對流冷卻方法相比，區(qū)域冷卻策略實際上可能會凈減少功耗。該設備的噪音水平也會影響其在車廂中的使用，風扇罩的適當絕緣應減輕噪音特征，基于多個聲源的總噪聲公式可表示為

表1帶有冷側再循環(huán)的原型和先進的多級冷卻槍的比較

最后一個考慮因素是熱電裝置對車輛續(xù)航里程的影響。E-Z-GORXVElite在標稱48VDC或5760W-hr時的最小電池容量為120A-h。假設32公里/小時，給出了1.5小時的最小續(xù)航時間。以最大容量連續(xù)運行5級TEC系統(tǒng)的典型30分鐘將消耗936W-hr，或車輛能量容量的16%。查看設備功耗的另一種方法是使用單獨的電池組為其供電。在這種情況下，使用11.1V鋰電池運行30分鐘將需要84.3A-hr的容量。給定當前的功率密度（例如11.1V3000mAh電池的重量為0.238千克），該電池組的重量將小于7千克。這些規(guī)格意味著單獨的電池組不如使用車載電源，但它不會大到使單獨的電池組不切實際。

5. 結論

針對區(qū)域冷卻策略對用于對流冷卻系統(tǒng)的熱電技術進行了研究，可能的應用包括社區(qū)電動汽車(NEV)和不帶空調的汽車的售后市場。在性能達到使用集總參數(shù)模擬的既定預測規(guī)格后，構建并測試了熱電冷卻槍的物理原型。實驗結果與數(shù)值模擬驗證了該技術在藥物和電子產品等敏感有效載荷熱管理方面的潛力，可以通過模塊化冷卻級的構造來增強設備操作，該模塊化冷卻級能夠根據冷卻應用進行容量擴展，預計五級裝置將在全功率運行時提供比環(huán)境空氣低15°C的溫度。

文章來源：

Wagner, J.R. and J. Finn, Design of a Portable Thermoelectric Convective Cooling System for Neighborhood Electric Vehicles and Other Applications. 2019, SAE International.

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