具备自供电源和高效冷却功能的主动热电霍克蓄电池热管理系统

该研究提出了一种混合电池热管理系统（BTMS），集成相变材料（PCM）、热管（HP）和热电模块（TEM），以解决热安全与能耗之间的冲突。引入了一种动态操作策略，TEM作为热电发生器（TEGs）在被动冷却足够时回收废热，只有在必要时才切换到热电冷却器（TEC）。建立了一个多物理数值模型以评估系统性能。结果显示，在发电阶段，冷却剂流量增加会提升发电量，但泵的消耗会大幅增加，净能量增益峰值为0.4 g/s。在功耗阶段，保持低流量可优化能源效率。虽然低热导率的PCM通过更大的温度梯度促进发电，但更高的热导率对于有效的主动冷却和热安全至关重要。通过优化冷却剂流动和PCM特性，在5C排放率下可实现2.65%的自供比（SPR）。此外，该系统在低放电率（模拟情况）和轻度放电循环条件下（理论最大值）下，能够实现高SPR，甚至达到100%。此外，尽管较短的热电腿降低了输出电压，但当脚高从1.4毫米降至0.8毫米时，内阻从3 Ω降至1.5 Ω，输入电压从1.93伏降至1.16伏，显著降低了功耗阶段的能耗，从而提高了系统的功率比。本研究为设计多功能低能耗BTMS提供了理论指导。

简介

交通运输行业已成为继电力和热能生产之后全球碳排放的第二大贡献者，过去二十年温室气体排放量增长了近40%。为减缓气候变化，许多国家正在加速推广替代燃料车辆，尤其是电动汽车[1]。锂离子电池技术、充电基础设施的快速进步以及成本降低进一步推动了电动汽车的大规模商业化[2]。作为电动汽车的主要能源，锂离子电池因其高能量密度、长周期寿命和低自放电率而被广泛采用[3]。然而，持续追求更高能量密度的过程加剧了热稳定性挑战。低温可能诱导电解质还原反应和不稳定的SEI形成，而高温则加速电解质分解和容量降解[4]。更关键的是，过量的热量积累可能引发放热链式反应，可能导致热失控、燃烧或爆炸[5]，[6]。锂离子电池的最佳工作频率在293.15–323.15 K之间，电池间温差限制在5 K以保证安全性和性能一致性[7]。323.15 K的上限被广泛认为是实际的安全阈值，超过此阈值可能会加速退化和热不稳定性增加。在典型的电动车工作周期下，尤其是在高速率放电或快充期间，如果热管理不足，电池温度可能会接近甚至超过该限值。因此，开发高效的电池热管理系统（BTMS）至关重要，以确保电池在安全稳定的温度范围内运行。
BTMS主要分为风冷、液冷、热电冷却（TEC）、相变材料冷却（PCM）和热管冷却（HP）。在这些技术中，PCM因其优越特性（包括高潜热、低密度和优异的循环稳定性）被广泛应用于BTMS应用[8]、[9]。然而，PCM本身的低热导率限制了其与外部环境的热交换效率。因此，研究人员提出了多种增强策略，包括合成含有热导率促进剂（如膨胀石墨、石墨烯和金属泡沫）的复合PCMs，以及集成HP或散热片以增强内部热传导。曹等[10]提出了一种集成PCM和HP的混合BTMS，相比自然冷却、风冷、单PCM或HP冷却，显著提升了散热效果，降低了最大电池温度（T）_马克斯）乘以7.3 K–19.5 K，最大温差（1.6 K–4.4 K。Sharma 等人[11] 基于 PCM-HP 混合 BTMS 对散热鳍片的热性能进行了评估，系统在 2C 放电和 1C 充电周期内，电池的平均温度保持在安全温度 333.15 K 以下。虽然PCM可以吸收大量热量来控制初始温度上升，但一旦其有限的潜热耗尽，其低热导率会导致散热能力急剧下降。因此，在长时间高温操作条件下，仅依赖PCM是不够的[12]、[13]。将PCM与其他高效主动冷却技术整合以开发混合BTMS至关重要，多项研究已证实该配置的有效性。Qin 等人[14]提出了一种将PCM与风冷集成的混合BTMS方案。在4摄氏度放电率下，该系统保持电池的T型_马克斯以及在最优范围内;与此同时，在3摄氏度放电率下，混合模式降低了T。_马克斯以及相比单模，分别减少了16K和1.2K。Hekmat 等人[15]采用了PCM和液冷管的耦合方案，用于大容量棱柱电池。研究结果显示，混合系统相比单PCM冷却表现出更优的热性能，特点是T值较低_马克斯冷却时间显著缩短至303.15 K。Luo等[16]引入了一种新颖的BTMS，集成了PCM、液冷和TECs。结果表明，增加TEC输入电流和冷却液流量有效降低电池温度和PCM液分率，最终保持T。_马克斯,以及PCM液体分数分别为321.92 K、3.49 K和0.179。
然而，运行主动冷却系统需要大量电池供电，缩短了电动车的续航里程。特别是，TEC冷却性能系数较低[17]，意味着散热消耗了电池大量能量。为了在热性能与系统能耗之间取得平衡，研究人员提出了多种主动冷却系统的操作策略。例如，Zi等人[18]开发了一种混合BTMS控制策略，结合PCM和液冷管路，利用不同的启动温度调节液冷系统的运行时间，从而平衡能耗与热性能。结果显示，当启动温度分别为300.35 K、300.85 K、301.45 K、301.85 K和302.35 K时，水冷系统的泵功率分别下降了3.50%、7.28%、14.33%、31.55%和76.94%。Chan 等人[19]提出了一种改进的自适应遗传算法控制策略。该策略以冷却液流量为控制变量。与传统的PID策略相比，它减少了电池T的使用量_马克斯差距为43.45%。相比基础通用枪，它降低了电池的能量_马克斯减少42.25%，同时冷却剂流量降低9.5%，总能耗降低4.8%。然而，尽管上述基于阈值或算法的优化策略在一定程度上减少了无效的能耗，但它们本质上仍采用被动优先级，即主动辅助的单向控制机制。这意味着在热电基础BTMS中使用传统混合BTMS策略时，具有热电转换能力的主动冷却元件在被动冷却（如PCM和HP）足以维持电池热安全时完全闲置。硬件资产的闲置不仅浪费了系统功能，还错过了提升全周期能效的关键窗口。
事实上，电池运行过程中产生的焦耳热和电化学反应热不仅是需要消除的热负荷，还是一种可以回收的废热资源。如果这部分热能转化为电能，反馈给电池或为辅助设备供电，将有效提升电动汽车的整体能源利用率。基于Seebeck、Peltier和Thomson效应，热电器件具有独特的可逆工作特性：当直流电施加时，它们可以作为TEC来去除热量;当两端存在温差时，它们可以作为热电发生器（TEG）输出电能[20]， [21]， [22]。这种双重功能为构建兼顾“热安全”和系统能效的混合BTMS提供了理论基础。目前，学者们尝试将TEG应用于机动车和可穿戴设备，利用汽车废热或人体热量发电，实现TEC的自给自足[23]，[24]。Kim 等人[24]设计了一套基于储能装置的系统，实现了利用汽车废热驱动TEG发电并为TEC供电的实现。结果显示，TEG在363.52 K的输出功率可达90.715瓦，TEC可迅速将局部空间温度从318.15 K降至299.15 K。这证实了在不需要主动冷却时，使用空闲热电装置回收废热在技术上是可行的。
尽管热电发电技术在BTMS中有很大应用潜力，但对现有混合系统的研究仍存在局限性。目前，大多数集成热电模块（TEM）的研究仍聚焦于在极高温条件下提升TEC冷却性能。例如，Chen 等人[25]开发了高效的金属辅助 TEC-BTMS 快速温度控制模型;验证显示，在0.75°C至1.5°C的恒定放电速率下，系统能够有效控制电池T。_马克斯在294.35 K至303.95 K之间，完全证实了TEC的快速响应特性。然而，由于混合BTMS中的被动冷却系统已具备一定的散热能力，现有研究常常忽视温和条件下的能量回收设计，导致单一系统功能。为了实现热电混合BTM的多功能化，必须建立透射电显微镜与被动元件（如PCM和HP）之间的深度耦合策略。值得注意的是，PCM的潜热缓冲效应和HP的高效导热特性将显著改变电池的温度响应曲线和系统内部温差分布[26]。目前，关于如何根据PCM的相变状态和HP的热传递效率，在被动散热足以维持安全温度的特定时间窗口内，准确切换和优化TEM的发电运行参数，尚缺乏系统性研究。
因此，本研究提出了一种结合HP、PCM和TEM的新型BTMS，并引入了集成散热与发电的动态控制策略。与传统的混合式BTMS仅在被动冷却失效后激活TEC不同，该系统的创新在于充分利用被动冷却仅能维持安全的时间窗口。在此时间窗口内，原本闲置的TEM切换为发电模式：这不仅缩短了主动冷却系统的运行时间，还利用电池废热发电，从而提升整体系统能效。具体来说，当HP和PCM能够将电池温度维持在最佳范围内时，系统利用电池与环境温度差驱动TEM以TEG模式回收废热;只有当被动冷却不足以满足热控制要求时，系统才根据拟议的运行策略切换到主动冷却模式。该工作通过建立电热流耦合数值模型，分析系统的热特性及被动散热阶段的负载匹配情况，重点优化TEM在发电和冷却模式中的关键工作参数。