李国能（1981—），男，博士，教授，国家级样板党支部和省级样板党支部书记（2023年浙江省担当作为好支书），浙江科技学院机械与能源工程学院副院长，浙江省首批高校领军人才（高层次拔尖人才），浙江省高校学科带头人，浙江省新世纪151人选，中国环境科学学会环境与热能利用专业委员会常务委员，浙江省工程热物理学会理事，浙江省能源研究会理事。2000-2009年就读于浙江大学，获得工程热物理博士学位，美国莱斯大学访问学者。2009年7月至今在浙江科技学院工作（2011年副教授，2016年教授）。担任国家自然科学基金函评专家，浙江省、湖北省及广东省科技项目评审专家，深圳市科技奖评审专家，以及20余本SCI期刊的审稿人。主要从事半导体温差发电（制冷）、强化传热、燃烧控制和能效评估等研究。在《Engineering》《Applied Energy》《Energy Conversion and Management》《Journal of Power Sources》《Energy》《Renewable Energy》《科学通报》等国内外期刊发表论文100余篇。

      为提高电动汽车动力电池包在高温环境下的安全性，设计并测试了一个热电制冷系统，采用了自行开发的肋柱型散冷器，安装了6个热电制冷模块，并采用循环冷却水进行热端散热。当输入功率为273.6W时，热电制冷系统的能效比随散冷风速和冷却液流量的增加迅速增加，然后趋于稳定，最佳的散冷风速和冷却液流量分别为2.5m/s和33.3mL/s，系统最大能效比为0.26。针对于一个储电量为36kW·h的锂电动力电池包，电池包箱体内的温度在不同的产热率(50~200W)下的降温幅度均超过20℃。动力电池包在200W的产热率下，其内部温度从68℃降低到45℃以内，表明设计的热电制冷系统可有效降低动力电池包内的温度，并提高电动汽车的安全性。

      能源危机和环境污染促进了电动汽车的快速发展。动力电池作为电动汽车的储能装置，其安全性尤为重要。锂电池具有较高的输出功率、能量密度和较长的循环寿命等优点被广泛使用。锂电动力池包的最佳工作温度区间为20~45℃。当超过一定温度时电池容量和寿命会降低，当电池超过温度临界点时会发生热失控，产生自燃等严重事故。因此，在高温气候下，控制电池组处于最佳的工作温度，需要配套使用热管理系统，以确保电池组的安全和获得最佳的工作性能。

      目前动力电池包热管理的方式主要分为空气冷却、液体冷却、相变材料冷却和热管冷却。在空气冷却方面，CHEN等在风冷条件下，通过优化电池间距，使电池最高温度降低了3℃。在液冷方面，ZHAO等研究了锂电池组在风冷和液冷条件下的最高温度，结果表明液冷比风冷降低了7.6℃。液冷系统相比于风冷系统效果更显著，但是液冷系统更加复杂，成本更高。在相变冷却方面，WANG等设计了一种基于铜泡沫和石蜡复合相变材料的新型无源电池热管理系统，通过组合实验研究了具有新型热管理系统和空气冷却系统的电池组的热性能。实验结果表明，基于新型热管理系统的电池组的最高温度可保持在42℃以内。相变冷却方式可以实现较好的节能效果，但是增加了系统体积和重量。此外，已有研究表明当相变材料完全融化后增加了电池对外传热的热阻。

      近年来，将半导体制冷和电池热管理相结合逐渐成为电动汽车电池包热管理的研发方向。相比于传统的热管理方式，半导体制冷模块具有体积小、质量轻、制冷速度快、制冷量可通过电流精确控制等优点。当前国内外对提高热电制冷性能的研究可以分成三大方向：热电制冷材料研究、热电制冷散热研究和热电制冷器系统研究。在散热研究方面，杜海龙等利用半导体水冷式空调研究不同热端散热条件和不同冷端送风温度下制冷量与制冷效率的变化规律，结果表明，热端冷却水流量显著影响热电制冷的制冷效率。申丽梅等对热电制冷热端散热进行了详细的分析，结果表明散热器尺寸和风扇速度显著影响热端温度。张晓芳等对半导体的冷却能力进行了研究，发现水冷制冷效果明显优于风冷，且其制冷性能与冷却水的温度有关，水温越低，热电制冷系统的制冷效率越高，制冷温度越低。

      本文在前人工作的基础上，新设计了一款由热电制冷单元、散热单元和循环工质单元组成的热电制冷装置，研究了散冷风速和冷却液流量对热电制冷系统性能的影响规律，并对一个36kW·h的锂电动力电池包进行了制冷降温实验研究。

图1 热电制冷系统的实验台架示意图

图2 不同冷却液流量下热电制冷系统的出口温度和COP

图3 不同产热率下动力电池包箱体内的温度变化规律

编辑｜邵方嫄

审核｜金丽丽