隨著電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展，部分客戶對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的加速、爬坡等動(dòng)力性能要求越來(lái)越高，而大功率勢(shì)必帶來(lái)高發(fā)熱量。當(dāng)普通風(fēng)冷無(wú)法滿足冷卻需求、液冷無(wú)法滿足安全需求、相變材料 冷卻無(wú)法滿足長(zhǎng)期熱管理時(shí)，合理利用熱電冷卻對(duì)電池組進(jìn)行熱管理無(wú)疑是一種理想的解決方案。

熱電制冷又稱半導(dǎo)體制冷，主要是一種基于珀耳帖效應(yīng)的電制冷方式。其優(yōu)點(diǎn)是體積小、無(wú)噪音、無(wú)振動(dòng)、結(jié)構(gòu)緊湊、無(wú)活動(dòng)部件、操作維修方便、無(wú)需制冷劑，改變電流大小可調(diào)節(jié)制冷量和制冷速度。其工作原理如圖1所示。當(dāng)電流從p型半導(dǎo)體材料流向n型半導(dǎo)體材料時(shí)，p型半導(dǎo)體中的載流子（空穴）和n型半導(dǎo)體中的載流子（自由電子）移動(dòng)向交界處。自由電子進(jìn)入p型半導(dǎo)體后立即與p型半導(dǎo)體中的空穴復(fù)合發(fā)熱，空穴立即與n型半導(dǎo)體中的自由電子重新結(jié)合產(chǎn)生熱量。由于這兩部分能量大大超過(guò)了它們?yōu)榭朔佑|電位差而吸收的能量，抵消后仍呈放熱狀態(tài)，最終結(jié)果是接頭處溫度升高，成為熱端，從而釋放向外界傳熱；當(dāng)電流方向相反時(shí)，接頭處溫度降低成為冷端，向外吸熱。同時(shí)，當(dāng)連接端子之間存在溫差時(shí)，會(huì)產(chǎn)生塞貝克電壓，電流通過(guò)具有溫度梯度的熱電元件。由于湯姆遜熱效應(yīng)，元件與環(huán)境之間發(fā)生能量交換，這與電流和溫度梯度的大小成正比。如果將幾對(duì)半導(dǎo)體熱電偶串聯(lián)在圖2所示的電路上，并在傳熱方面并聯(lián)起來(lái)，就構(gòu)成了一個(gè)普通的制冷熱電堆。

Figure 1 - Schematic diagram of thermoelectric cooling

Figure 2 - Schematic diagram of thermopile cooling

The cooling capacity of the thermoelectric refrigerator is determined by the dimensionless figure of merit ZT of the material, and its expression is shown in formula (1-1), where Z is the figure of merit whose dimension is 1/K. The power factor α²窄溝道半導(dǎo)體材料的 σT 是載流子濃度的函數(shù)，通常優(yōu)化功率因數(shù)以獲得最大 ZT 值。忽略會(huì)降低設(shè)備性能的不可避免因素（如接觸電阻、輻射）的影響，對(duì)于具有兩種半導(dǎo)體材料的熱電制冷單元，品質(zhì)因數(shù)ZT的計(jì)算方法如式（1-2）所示). 冷卻系數(shù)COP是吸收的熱量與消耗的電能之比，計(jì)算方法如公式（1-3）所示。圖3與式（1-3）相關(guān)，反映了熱電制冷機(jī)組的制冷系數(shù)COP與ZT在熱端溫度為定值300K時(shí)與冷端溫度的關(guān)系。

其中 α 是材料的塞貝克系數(shù)；σ 為材料的電導(dǎo)率；ρ是材料的電阻率；k 是材料的熱導(dǎo)率。

其中，T _H 為熱端溫度；T _C 為冷端溫度；ZT _M 是材料在冷熱端平均溫度下的品質(zhì)因數(shù)。

圖3-熱電制冷機(jī)組COP與冷端溫度和ZT的關(guān)系

熱電制冷受限于COP低，應(yīng)用范圍相對(duì)狹窄，但隨著技術(shù)的發(fā)展，會(huì)出現(xiàn)越來(lái)越多的應(yīng)用。目前，熱電制冷技術(shù)主要應(yīng)用于民用市場(chǎng)，如家用冰箱、飲料制冷等；用于冷卻激光二極管或集成芯片的醫(yī)療設(shè)備；大功率電子設(shè)備冷卻和工業(yè)溫度控制；汽車(chē)行業(yè)，如汽車(chē)迷你冰箱、汽車(chē)空調(diào)、汽車(chē)座椅制冷/加熱等。

當(dāng)今市場(chǎng)上有許多商用熱電冷卻器。圓形和弧形獨(dú)立熱電冷卻器，其形狀可根據(jù)實(shí)際需要改變。圖4是環(huán)形熱電冷卻器在航空航天電子設(shè)備冷卻中的應(yīng)用。圖中有7塊熱電散熱板組成一個(gè)封閉的環(huán)形結(jié)構(gòu)。內(nèi)冷環(huán)為冷端部分，用于吸收電子器件產(chǎn)生的熱量。將空氣引入熱端進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流冷卻散熱，使熱電冷卻器的熱端和冷端之間保持合適的溫差。對(duì)于圓柱形單體電池的冷卻，可以借鑒這種結(jié)構(gòu)。當(dāng)熱電冷卻器熱端的散熱系統(tǒng)不能有效帶走產(chǎn)生的熱量時(shí)，就容易發(fā)生熱失控。因此，散熱設(shè)計(jì)是影響熱電制冷技術(shù)的主要因素之一。熱電冷卻器通常與風(fēng)冷、液冷、熱管冷卻或相變材料冷卻中的一種或多種相結(jié)合，以提高冷卻效率。對(duì)于大型圓柱或方形電池組，熱電冷卻器可通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與其他冷卻方式耦合，直接作為熱管理冷卻組件的一部分；熱電制冷技術(shù)還可以與太陽(yáng)能光伏技術(shù)、汽車(chē)空調(diào)技術(shù)完美結(jié)合，

圖4——環(huán)形熱電冷卻器在航空航天中的應(yīng)用

太陽(yáng)能熱電制冷系統(tǒng)的工作原理是在車(chē)身上安裝太陽(yáng)能光伏板，利用太陽(yáng)能照射在電池板上，通過(guò)光伏效應(yīng)產(chǎn)生電能，通過(guò)充電線輸送到車(chē)內(nèi)電池，電池提供穩(wěn)定的直流電輸出，為車(chē)箱內(nèi)的熱電制冷和空調(diào)提供能量。目前，熱電制冷技術(shù)在電池?zé)峁芾矸矫娴膽?yīng)用還有待開(kāi)發(fā)。隨著熱電制冷技術(shù)的進(jìn)一步成熟，相信電池?zé)峁芾砑夹g(shù)和熱電制冷技術(shù)將迎來(lái)完美結(jié)合的時(shí)刻。

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本文由日本NEC鋰電池中國(guó)營(yíng)銷中心于2023-04-19 21:48:56 整理發(fā)布。
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