摘要

由于电动和混合动力电动汽车的日益普及，汽车技术越来越依赖电动配件、系统和有效载荷。纯电气解决方案（如热电设备）是电动汽车和类似短程汽车的热管理的首选来源，这些汽车通常不配备气候控制系统。定向对流策略（例如使用直流电流进行区域冷却）非常适合使用热电技术实现的无限可扩展热控制架构。一种由热电设备驱动的原型设备已经开发以满足各种热管理需求，其多功能便携式系统适用于新能源汽车、没有空调的微型汽车，甚至更专业的冷却需求。这种便携式设备经设计、制造和实验测试，以证明该概念的有效性。实验结果表明，该测试单元可以有效地提供固态强制对流冷却，足以用于人体和电子电路冷却。

1. 引言

近年来，汽车、制造和医疗技术推动了冷却系统和气候控制设计的重大变化。传统上，乘客和/或部件的冷却需求已通过被动对流散热器、基于液体的强制对流或用于大功率应用的蒸汽压缩制冷系统来满足。电动汽车、混合动力汽车和不带空调的汽车需要12-48VDC下运行的补充电气气候控制系统。传统蒸汽压缩系统的复杂性、尺寸和重量历来阻碍了许多新系统的开发。喷射冲击、蒸发冷却和传统液体冷却等高性能冷却策略已被证明是成功的，但存在腐蚀和电气短路的风险。例如，冷却剂泄漏是一种故障模式，它可能代表电子设备冷却中不可接受的风险。基于半导体热电器件的引入使许多冷却系统变得更加通用并提供新的应用。最近的汽车研究已经考虑通过区域冷却来提供温度控制在客舱的一个离散部分内。这项工作提供了一种传统上保留用于直接接触冷却的策略。已经设计并验证了用于儿童安全座椅的热电冷却(TEC)系统。整体系统概念为源自其对流概念和固态热电冷却系统设计的先进技术奠定了基础。虽然局部加热系统以手持式热风枪和吹风机的形式存在了一段时间，但定向冷却系统的范围和关注度有限。

许多制造技术可能受益于热电设备提供的强大温度控制能力。TEC技术因其固态特性而非常适合无尘室操作。具体而言，芯片组可以密封以防潮，并且通常包含在易于清洁的陶瓷导电板之间。空气循环可以使用小型电风扇来控制，或者在极其敏感的环境中，可以使用自由对流散热器。TEC冷却机制的紧凑性使得许多便携式冷却系统成为可能，主要是小型冰箱和冷却器的形式，它们可以由可充电电池和/或太阳能电池板供电。虽然TEC具有非线性冷却行为，但其有限的复杂性使得精确控制变得容易，因此医疗操作、极端温度敏感制造应用等的温度跟踪过程可能会受益于先进的热电系统控制策略。

到目前为止，热电技术最广泛的应用领域仍然是封装电子设备的冷却。尽管热电具有坚固性和多功能性，但由于高电阻和热电PN结需的大接触面积，热电在效率方面受到影响。与产生高于2.0的COP值的蒸汽压缩系统相比，即使实现COP=0.89的性能系数(COP)也需要注意，必须使用通常为水冷的高性能散热器来满足TEC模块的散热需求，同时，使用纳米颗粒悬浮液可以进一步增强液体循环散热器中的散热量。

2. 设备应用和扩展

冷却装置包括三个珀尔帖效应热电装置，带有用于排热和集中对流冷却的循环风扇，如图1所示。局部控制体积包含在较大体积的空气中，空气体积可能被外壳包围或可能代表周围环境，设备使用有角度的风扇将热空气引导远离设备的散热路径，并且可以使用空气管道进一步隔离这种拒绝。同时，使用管道也可以增强冷却效果，允许空气在较小的控制体积中再循环。

图1 热电冷却概念示意图

如图2(a)所示，这种设计将通过整个边界层进行冷却，从而为给定的空气流量提供更高的冷却性能。如图2(b)所示，每个冷却阶段都独立运行，每端都安装了一个冷空气路径风扇。对于更高的冷却能力要求，可以连接更多级，更高容量的散热风扇提高能源效率。采用这样的配置，系统能够在具有再循环的露天环境中实现高达15°C 的温差。该系统配置将配备电源，根据所需热电设备的数量在120VAC或240VAC下运行。内置的再循环管道将最大限度地提高设备的冷却能力，前提是它在空气流动最少的区域运行。设备实用程序可以通过添加一个通风的工作表面，如图4所示。散热风扇将热空气从设备底部吹出，以尽量减少其对冷却工作表面的影响。

图2模块化热电冷却设计，每级有四个TEC模块.(a)单级；(b)多级

热电冷却技术具有解决各种独特热管理应用的能力。该系统可以为便携式电子设备提供冷却，这些便携式电子设备在升高的环境温度下经常遭受对流冷却不足的困扰。热电冷却的设计使其可用于食品加工和化学测试台应用，在这些应用中，它可用于在加热或放热反应后将小件物品冷却至可用温度。

热电冷却还可以针对多物体冷却或精确热控制的更复杂的操作进行修改。该设备具有多个端口，以便冷空气可以独立地引导到多个目标。这种布局可用于车辆局部冷却等紧急应用或电路板焊接。该装置还可用于医疗和除湿冷却操作，以便管道将装置的入口和出口气流连接到绝缘冷却器。此外，通过闭环控制可以实施此配置以提供可变设定点温度跟踪，尤其是卫星和空间站上的热管理应用，由于非大气运行情况，很大程度上仅限于利用热电技术构建的制冷。

图3带有再循环工作台面和四个大容量散热冷却风扇的五级冷却装置

(a)整体系统；(b)带有电源、四个散热风扇和单个冷空气再循环风扇的设备底座；(c)带有再循环入口的通风工作台面；(d)围绕TEC模块的散热片。

3. 系统数学模型

热电冷却系统将冷空气流引导到局部对流环境中，其温度必须最小化或控制到给定的设定点。对于固定应用，该设备可以通过管道将空气从环境再循环回TEC的冷侧，由于进出周围环境的气流减少使系统控制更容易。类似地，TEC热侧排出的热量将被排放到周围环境中维持整个设备的温差。

3.1. 热电行为

热电冷却系统利用珀尔帖效应，该效应将热传递定义为取决于流过模块的电流。器件内的电流I不仅受电阻Relec的限制，而且还受热侧Thot和冷侧Tcold之间的温差限制。电流I可以定义为

其中n是PN结的数量，nαI(Thot+Tcold)代表热电效应，I2Relec代表电功率损耗。

TEC冷侧的热量吸收，即Q冷，可以使用塞贝克效应nαI(Thot+Tcold)形成。必须考虑器件PN结的热导率和电阻，便可以将流向热侧的总热流定义为

其中Tavg=0.5(Thot+Tcold)，kTEC是单元的热导率，ATEC是单元的传导面积。

冷却系统效率通常使用无量纲性能系数来衡量，传统上定义为COP=qoutqin，其中qout表示从系统传出的热量，qin表示冷却系统消耗的能量。TEC等电制冷系统的性能系数可指定为

需要注意的是，COP值会根据装置的运行条件而变化，因此可以通过设置系统来最大化COP值，以确保2nαITavg优于其他热电现象。由于热流Q冷与平均值成正比，则性能会随着环境条件T∞的整体增加而增加，这种改进将受到TEC的最高工作温度的限制。然而，增加电流I也会增加塞贝克项的大小，同时导致焦耳热的增加即0.5I2Relec。品质因数Z可用于说明热电系统的局限性：

典型的TEC仅限于ZTavg≤1的条件，表达了效率的限制条件，可以使用Peltier系数Π来定义在窄温度带上运行的热电元件的冷却行为，该系数与Seebeck系数相关，使得Π=αTavg。如果I=VRelec，则该关系将等式(3)中的热吸收减少到

3.2. 系统热响应

每个系统组件的热行为可用一阶微分方程来描述，由此产生的一组温度节点创建一个热网络。节点温度基于每个节点上的内部热负荷、节点之间的电阻热流和热容。对于两个节点i和j，第j个温度动态Tj由热电容Cj和热能交换指定，因此

其中，Ri,j是节点热阻。在这项研究中，基于TEC的冷却系统提供强制和冷藏操作以排出目标的热量。

3.3. 系统集成

冷却系统的瞬态响应由图4中描述的一组微分方程控制，冷却装置采用再循环运行，冷却性能由热电传热来描述。除非系统经过应用优化，否则该热电传热可能低至应用功率的10%，传递到目标的冷却是温差ΔT =Theat-Tcool和对流传热系数的组合，它是流速的函数。流速与通过冷却装置的流速成正比，但流速越高，温差越小。

图4 冷却性能关系

传热系数可以用下式确定努塞尔数Nu，

其中，kair是空气的热导率。通常对流将发生在湍流状态，其中努塞尔数定义为

4. 系统性能

使用MatlabSimulink中第3.2节导出的集总电容方程对用于移动应用的代表性区域冷却装置进行了数值模拟，设计并运行了一个实验室物理系统（参见图5）以验证数值结果。该系统具有三个TEC模块，额定功耗为91.2W，热侧有4个6W、22.8英尺3分钟循环风扇，冷侧有1个风扇。变速风扇控制可以集成在这个设计中，尽管实验没有证明冷却性能有明显的改善，为了方便和可靠，目标被放置在环境室中并安装了热电区冷却器以提供对流冷却。对象是一个铝块，底部安装了两个筒式加热器，顶部固定有总表面积为1.06m2的翅片散热器，该物体被隔热以确保对流热传递只会通过翅片发生。实验测试表明，从局部空气层中带走了大约30W的热量，对物体产生了10.8W的冷却效果,原型系统持续消耗297.6W的电力。

图5显示组件的原型设计

(a)显示冷热路径的完整系统；(b)带有铜散热器的单个TEC模块；(c)移除进气盖的热路径。

在使用正弦时变温度目标的测试案例中，上述三级冷却装置的数学模型与图6所示的实验结果非常吻合。初始条件的微小误差是由于允许加热物体造成的在测试即将开始时升温；快速收敛表明这并不影响实验结果。在其他研究中，将解决热电器件热饱和问题的先进控制策略应用于冷却枪，结果表明：降低功耗是可能的，尤其是在目标温度随时间变化的应用中。

图6 使用正弦温度目标和跟踪控制器时原型设计的仿真和实验结果比较

第2节中描述的第二代冷却设计将能够在每个阶段实现更高的温差，并且更适合更高的空气流量（参见表1）。这种性能随着附加级的引入而得到扩展，尽管根据实验室测试，每个附加级代表的性能增幅略低，但五级冷却的预期冷却功率估计为27W。先进的控制策略可能会提高这种性能，但是对周围空气的热损失是主要的性能限制。尽管存在这些担忧，但目前的研究表明，与传统的对流冷却方法相比，区域冷却策略实际上可能会净减少功耗。该设备的噪音水平也会影响其在车厢中的使用，风扇罩的适当绝缘应减轻噪音特征，基于多个声源的总噪声公式可表示为

表1带有冷侧再循环的原型和先进的多级冷却枪的比较

最后一个考虑因素是热电装置对车辆续航里程的影响。E-Z-GORXVElite在标称48VDC或5760W-hr时的最小电池容量为120A-h。假设32公里/小时，给出了1.5小时的最小续航时间。以最大容量连续运行5级TEC系统的典型30分钟将消耗936W-hr，或车辆能量容量的16%。查看设备功耗的另一种方法是使用单独的电池组为其供电。在这种情况下，使用11.1V锂电池运行30分钟将需要84.3A-hr的容量。给定当前的功率密度（例如11.1V3000mAh电池的重量为0.238千克），该电池组的重量将小于7千克。这些规格意味着单独的电池组不如使用车载电源，但它不会大到使单独的电池组不切实际。

5. 结论

针对区域冷却策略对用于对流冷却系统的热电技术进行了研究，可能的应用包括社区电动汽车(NEV)和不带空调的汽车的售后市场。在性能达到使用集总参数模拟的既定预测规格后，构建并测试了热电冷却枪的物理原型。实验结果与数值模拟验证了该技术在药物和电子产品等敏感有效载荷热管理方面的潜力，可以通过模块化冷却级的构造来增强设备操作，该模块化冷却级能够根据冷却应用进行容量扩展，预计五级装置将在全功率运行时提供比环境空气低15°C的温度。

文章来源：

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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