基于對聯(lián)熱電偶的液冷板進出口小溫差測量

摘要:鋰離子動力電池液冷板進出口溫差較小因而難以測量,嚴重影響了對于動力電池熱狀態(tài)的分析。針對該問題進行了試驗研究,提出了基于對聯(lián)熱電偶的小溫差測量方法,直接測量溫差熱電勢,盡可能地減少溫度變送誤差與傳感器正負偏差;采用雙恒溫油槽完成對所提方法的標定及誤差分析,獲得了適用于基礎溫度293~393K、溫差20K以內的溫差測量經驗公式。將該公式應用于某型號液冷板的熱平衡性能試驗,結果表明,與傳統(tǒng)溫差測量方法相比,可以將熱平衡誤差由9.4%減小到3.1%。
       發(fā)展節(jié)能環(huán)保型汽車已成為世界汽車工業(yè)技術創(chuàng)新的重要方向和汽車產業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇[2:21。鋰離子動力電池憑借自身的諸多優(yōu)勢已成為電動汽車市場上主流的動力電源。但鋰離子電池的性能對溫度的反應比較敏感，電池組性能與壽命受電池自身溫度與電池組內部溫度均勻性的影響較大。
       目前,常見的動力電池冷卻方式為液體間接.冷卻,并采用液冷板作為動力電池的主要換熱部件42。然而,由于液冷板內部單根冷卻流道的尺寸較小且流量相對較大,所以液體流過動力電池時的進出口溫差過小而難以測量早,從而影響對電池性能的分析和預測，使得動力電池熱狀態(tài)的改善和優(yōu)化存在一定的不確定性。現(xiàn)有的溫差測量方法有溫差變送器直接測量法和溫度傳感器配對標定間接測量法凹。溫差變送器直接測量法采用硬件調理電路來處理兩點之間的溫度信號,對溫差變送器溫度信號輸入端的精度要求較高,且本身存在一定的變送誤差。溫度傳感器配對標定間接測量法的原理在于挑選出偏差方向一致的傳感器進行配對,最大限度地消除在測量過程中由于正負偏差造成的測量誤差。但是在液冷板中，在小溫差、大流量工況下,進出口溫差本身在10K以內，則該測量誤差會對熱平衡計算造成較大影響,熱平衡計算誤差可達到5%~20%,甚至更大。
       針對上述情況,本文研制了一種專門用于小溫差測量的對聯(lián)熱電偶,提出了基于對聯(lián)熱電偶的小溫差測量方法,并論述了對聯(lián)熱電偶的構成及測量原理,得到了對聯(lián)熱電偶的溫差測量擬合公式,使其在某型號液冷板熱平衡性能試驗中得到了實際應用。
1對聯(lián)熱電偶溫差測量原理及方法
       對聯(lián)熱電偶是由2支相同類型的熱電偶構成的用于溫差測量的熱電偶,其測量原理如圖1所示

       圖1中,假設A1-B1、A2-B2為2支相同型號的熱電偶,其中A和A2采用材料A,B和B,采用材料B。將2支熱電偶的溫度補償端B焊接到一起即組成對聯(lián)熱電偶,用Eg表示該點的電勢。
對聯(lián)熱電偶的溫差測量機理如下。
        假設2支熱電偶的測量端分別為對聯(lián)熱電偶的高溫端和低溫端,分別用T1和T1+△T表示低溫端和高溫端的溫度(其中△T>0)。另外，假設A1和A2為對聯(lián)熱電偶的參比端(分別用E_B和E。表示A1和A2的電勢),與溫度補償端E:處于相同的溫度T0。則兩參比端間的電勢差為.

       通過以上基于對聯(lián)熱電偶的溫差測量機理分析可知,只要得到溫差熱電勢EA1A2和基礎溫度Tl與溫差△T之間的擬合關聯(lián)式,即可通過液冷板進口溫度T及進出口溫差熱電勢△E計算得到液冷板進出口溫差△T。相比溫差變送器在分別采集到兩點之間的溫度后再采用硬件調理電路對溫度信號做差,該方法最大程度地減小了變送誤差;相比傳感器配對標定溫差測量,該方法最大限度地消除了測量過程中由于正負偏差造成的測量誤差。
2對聯(lián)熱電偶的實驗驗證
2.1對聯(lián)熱電偶的標定
       對聯(lián)熱電偶標定系統(tǒng)主要由2臺恒溫油槽、2支精度高熱電偶、2支精度高水銀溫度計、1支對聯(lián)熱電偶組成。標定分析選用的對聯(lián)熱電偶為T型熱電偶,熱電偶絲材料A為銅、熱電偶絲材料B為康銅。
標定時,首先調節(jié)2臺恒溫油槽形成穩(wěn)定的溫度差△T,將基溫熱電偶、精度高水銀溫度計、對聯(lián)熱電偶低溫端與高溫端分別置于2臺恒溫油槽中。標定過程中,基礎溫度T1取5個值,分別為333、353、373.393、413K;溫差△T取5個值,分別為275、277、279、281、283K;共計25個標定點。
       本文采用數據采集系統(tǒng)進行信號采集2],熱電偶采集模塊采集精度高熱電偶測得的基礎溫度數據;微電壓采集模塊采集對聯(lián)熱電偶測得的溫差熱電勢數據。工控機中的實時控制器控制信號采集頻率為50Hz,并且保證對兩路信號進行同步實時采集。對聯(lián)熱電偶標定系統(tǒng)如圖2所示。

        將標定所得到的溫差、電勢差、基礎溫度等數據.進行統(tǒng)一匯總。溫差熱電勢△E與基礎溫度T1和溫差△T的關系分別如圖3和圖4所示
       由圖3和圖4可以看出,溫差熱電勢△E與基礎溫度T1和溫差△T均呈顯著的正相關關系。因此，以溫差△T為因變量,以溫差熱電勢△E和基礎溫度T1為自變量,采用二元線性回歸和二元非線性回歸.方法分別進行分析線性回歸模型為

△T=a+bT1+c△E。(7)
式中:a、b、c為該模型的估計參數。用最小二乘法作
參數估計,可得a=0.9213,b=一0.0081,c=
19.9006。
非線性回歸模型為
△T=a·T^b₁.△E',(8)
式中:a、b、c為該模型的估計參數。用最小二乘法作參數估計,可得a=36.356,b=-0.133,c=0.979。
對上述模型分別進行殘差分析,結果如圖5所示。

由圖5可知，線性回歸分析的殘差范圍為
[-0.3,0.3]K,非線性回歸分析的殘差范圍為
[-0.04,0.04]K,采用非線性模型進行殘差分析的
結果明顯優(yōu)于線性模型。由此建立的經驗公式為
△T=36.356·T1^-0.133·△E0^-979.
為了分析對聯(lián)熱電偶經驗公式的相對誤差,將式(8)兩邊取對數可得

        將a=36.356、b=一0.133、c=0.979代入式(12),并假設基礎溫度為373K,溫差熱電勢△E=472mV(相當于溫差為10K),可以計算出由對聯(lián)熱電偶引起的測量誤差為0.033K,而普通K型熱電偶的測量誤差約為0.1K,則由2支K型熱電偶引起的最大測量誤差為0.2K,遠大于0.033K。根據標定結果,經驗公式式(9)的適用范圍為基礎溫度T在293~393K、溫差△T在20K以內。
2.2.實際小溫差測量驗證
       為了驗證基于對聯(lián)熱電偶的小溫差測量方法的有效性,在風洞試驗臺上進行了某型號液冷板的熱平衡性能試驗，同時采用2種方法測量液側的進出口溫度,并進行熱平衡誤差分析。液冷板熱平衡性能試驗系統(tǒng)如圖6所示。

除去液冷板液側進出口溫差傳感器,試驗所用其余傳感器如下:
1)測量范圍為273~333K.精度為±0.05%的冷卻風進風溫度網溫度傳感器20支。
2)測量范圍為273~423K、精度為1/3B級的冷卻風出風溫度傳感器1支。
3)測量范圍為一2000~0Pa、精度為±0.25%的冷卻風入口壓力傳感器1支。
4)測量范圍為為0~2500Pa、精度為±0.25%的冷卻風進出口壓差傳感器1支。
5)測量范圍為0~3200kg/h.精度為±0.5%的冷卻風流量傳感器1支。
6)測量范圍為一10~10kPa、精度為±0.25%的冷卻液進口壓力傳感器1支。
7)測量范圍為0~200kPa、精度為±0.25%的冷卻液進出口壓差傳感器1支。
8)測量范圍為0~600kg/min、精度為±0.15%的冷卻液流量傳感器1支。
測量方法1采用配對熱電阻Pt100進行液冷板液側進出口溫度測量,單支熱電阻精度等級為A級。
測量方法2采用對聯(lián)熱電偶進行液冷板液側進出口溫度測量。
       為了計算液側換熱量,采用水作為試驗介質。水在通常情況下可以視為常密度、常比熱容的理想流體。但是,當需要計算換熱量時，溫度對于物性參數的影響則不能忽略。本文采用IAPWS-IF97水的物性參數1,以回歸公式擬合水的密度與定壓比熱容參數。
1)密度

       冷卻空氣側由于空氣熱容較小，因此空氣側溫差較大。此外，空氣側質量流量、密度、比熱容等參數的測量誤差相對較小,本文以氣側參數作為基準值來進行液冷板熱平衡誤差分析,評價對聯(lián)熱電偶的測量精度。
       空氣在風洞中的流動屬于低馬赫數流動,但隨著冷卻空氣在液冷板組中發(fā)生熱交換，冷卻空氣的溫度變化較大，密度也發(fā)生較大變化，因此必須對空氣密度進行修正。本文假設冷卻空氣密度的變化只是由于溫度的變化引起的。另外,實際工質中的冷卻空氣為濕空氣。因此計算可得濕空氣的物性參數19]。
1)絕對濕度

       由式(15)一式(19)可知,比熱容cp和密度ρ只與絕對濕度H、溫度tn和當地大氣壓pn有關。因此,根據氣側進出口的絕對濕度和溫度,就能得到該處濕空氣的定壓比熱容和密度。另外，從式(15)-式(19)還可以得知，溫度對空氣的物性參數影響較大,而濕度對空氣的物性參數影響不明顯。
3試驗結果分析
3.1冷側空氣流速對液側溫差的影響
       液側進口溫度為358K、氣側進口溫度為305K時,不同液側流量(1.7、3.4、5.1、6.8kg/s)情況下溫差隨空氣流量的變化曲線如圖7所示。

       由圖7可以看出,各個工況下熱電偶的測量值都低于相同工況下熱電阻的測量值,且隨著液側流量的增加,熱電阻與熱電偶之間的偏差逐漸增加,與熱電阻測:量誤差隨著測量值的增大而增大的規(guī)律相符合。從圖7中還可以看出，由熱電阻和熱電偶測得的溫差都隨著空氣側流量和液側流量的增加而單調遞增,且兩者的增加趨勢一致，說明了對聯(lián)熱電偶對于液側溫差測量的有效性。雖然經過配對標定,其正負偏差一致,但其測量誤差還是會隨著溫差的增大而相應增大，且始終疊加到溫差測量結果中。因此,由對聯(lián)熱電偶測得的溫差普遍低于由熱電阻測得的溫差。
3.2液側溫差對換熱量的影響
       水側進口溫度為358K、氣側進口溫度為305K時,不同液側流量(1.7.3.4、5.1、6.8kg/s)情況下，分別基于對聯(lián)熱電偶和熱電阻，計算得到的換熱量隨空氣側流速變化柱形圖如圖8所示。
       由圖8可以看出,在不同液側流量情況下,基于對聯(lián)熱電偶得到的液側換熱量與氣側換熱量的數值更為接近,且由于散熱體自身熱容的存在會吸收一部分液側熱量,使液側換熱量略高于氣側換熱量,與物理實際相符合。

       但是,由計算熱電阻溫差得到的換熱量普遍高于由計算對聯(lián)熱電偶溫差得到的換熱量,這主要是由于車用液冷板液側進出口溫差較小，而熱電阻測量誤差的存在,使得測量溫差的相對誤差較大。
在發(fā)動機熱平衡臺架試驗和冷卻模塊風洞試驗中,冷卻液散熱量Qc一般由公式Qc=CpeMc△T計算得到,由該冷卻液散熱量計算公式可知，散熱量Qc與溫差△T成正比,溫差△T的相對誤差會直接等比例地傳遞至散熱量Qc使得整個試驗結果的誤差被進一步放大,降低了熱平衡試驗的正確率。
       從圖8中還可以看出，當液冷板氣液側進口溫度一定時，液側溫差對于氣側冷卻空氣流量變化更.為敏感,這從另一方面說明，在大流量小溫差液冷板.熱平衡性能試驗中,為了更測量液側溫差,得到熱平衡誤差,試驗時應該盡可能降低液冷板氣側進口溫度,提高氣側冷卻空氣流量。
3.3液側溫差對于熱平衡誤差的影響
熱平衡誤差計算公式畢為

       式中:qw與qn分別為熱交換器液側與氣側的換熱量。通過計算得到的由上述2種測量方法得到的熱平衡誤差如圖9所示。
       由圖9可以看出在相同氣液側進口溫度情況下熱平衡誤差與不同液側流量之間的分布規(guī)律。由對聯(lián)熱電偶測量得到電勢差,再根據經驗公式得到液側溫差,由此計算得到的平均熱平衡誤差為3.1%,在氣側流速為2m/s的低速惡劣工況下,其最大誤差為10.3%。而由熱電阻測量得到液側溫差，再由此計算得到的平均熱平衡誤差為9.4%,在氣側流速為2m/s的低速惡劣工況下,其最大熱平衡誤差可達124%。以上分析證明,采用對聯(lián)熱電偶的方法不僅快速有效,而且可以大大提高熱平衡試驗的精度。

4結論
       本文提出了一種基于對聯(lián)熱電偶的小溫差測量方法,并進行了理論分析及實際的液冷板熱平衡性能試驗。結果表明:在大流量小溫差液冷板熱平衡性能試驗中,采用對聯(lián)熱電偶方法測量得到的溫差具有更高的精度，主要原因在于該方法在測量端進行了溫差信號處理，減少了由于溫度變送換算等造成的誤差;采用對聯(lián)熱電偶測量方法成本低廉,簡單可行，與配對傳感器測量結果相比,可將熱平衡誤差由9.4%降至3.1%。該方法的測量機理具有普適性,可以推廣到其他小溫差測量領域,以進一步提高熱平衡試驗中熱交換量的計算精度。