基于對聯(lián)熱電偶的液冷板進(jìn)出口小溫差測量

摘要:鋰離子動力電池液冷板進(jìn)出口溫差較小因而難以測量,嚴(yán)重影響了對于動力電池?zé)釥顟B(tài)的分析。針對該問題進(jìn)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(fù)偏差;采用雙恒溫油槽完成對所提方法的標(biāo)定及誤差分析,獲得了適用于基礎(chǔ)溫度293~393K、溫差20K以內(nèi)的溫差測量經(jīng)驗公式。將該公式應(yīng)用于某型號液冷板的熱平衡性能試驗,結(jié)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(shù)創(chuàng)新的重要方向和汽車產(chǎn)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(yīng)比較敏感，電池組性能與壽命受電池自身溫度與電池組內(nèi)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(nèi)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(jìn)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(yù)測，使得動力電池?zé)釥顟B(tài)的改善和優(yōu)化存在一定的不確定性?，F(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(biāo)定間接測量法凹。溫差變送器直接測量法采用硬件調(diào)理電路來處理兩點(diǎn)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(biāo)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(jìn)行配對,最大限度地消除在測量過程中由于正負(fù)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(jìn)出口溫差本身在10K以內(nèi)，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(dá)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(gòu)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(shí)際應(yīng)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(gòu)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(shè)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(bǔ)償端B焊接到一起即組成對聯(lián)熱電偶,用Eg表示該點(diǎn)的電勢。
對聯(lián)熱電偶的溫差測量機(jī)理如下。
        假設(shè)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(shè)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(bǔ)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(jī)理分析可知,只要得到溫差熱電勢EA1A2和基礎(chǔ)溫度Tl與溫差△T之間的擬合關(guān)聯(lián)式,即可通過液冷板進(jìn)口溫度T及進(jìn)出口溫差熱電勢△E計算得到液冷板進(jìn)出口溫差△T。相比溫差變送器在分別采集到兩點(diǎn)之間的溫度后再采用硬件調(diào)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(biāo)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(fù)偏差造成的測量誤差。
2對聯(lián)熱電偶的實(shí)驗驗證
2.1對聯(lián)熱電偶的標(biāo)定
       對聯(lián)熱電偶標(biāo)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(biāo)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(biāo)定時,首先調(diào)節(jié)2臺恒溫油槽形成穩(wěn)定的溫度差△T,將基溫?zé)犭娕肌⒕雀咚y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(biāo)定過程中,基礎(chǔ)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(biāo)定點(diǎn)。
       本文采用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)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(chǔ)溫度數(shù)據(jù);微電壓采集模塊采集對聯(lián)熱電偶測得的溫差熱電勢數(shù)據(jù)。工控機(jī)中的實(shí)時控制器控制信號采集頻率為50Hz,并且保證對兩路信號進(jìn)行同步實(shí)時采集。對聯(lián)熱電偶標(biāo)定系統(tǒng)如圖2所示。

        將標(biāo)定所得到的溫差、電勢差、基礎(chǔ)溫度等數(shù)據(jù).進(jìn)行統(tǒng)一匯總。溫差熱電勢△E與基礎(chǔ)溫度T1和溫差△T的關(guān)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(chǔ)溫度T1和溫差△T均呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。因此，以溫差△T為因變量,以溫差熱電勢△E和基礎(chǔ)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(jìn)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(shù)。用最小二乘法作
參數(shù)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(shù)。用最小二乘法作參數(shù)估計,可得a=36.356,b=-0.133,c=0.979。
對上述模型分別進(jìn)行殘差分析,結(jié)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(jìn)行殘差分析的
結(jié)果明顯優(yōu)于線性模型。由此建立的經(jīng)驗公式為
△T=36.356·T1^-0.133·△E0^-979.
為了分析對聯(lián)熱電偶經(jīng)驗公式的相對誤差,將式(8)兩邊取對數(shù)可得

        將a=36.356、b=一0.133、c=0.979代入式(12),并假設(shè)基礎(chǔ)溫度為373K,溫差熱電勢△E=472mV(相當(dāng)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(yuǎn)大于0.033K。根據(jù)標(biāo)定結(jié)果,經(jīng)驗公式式(9)的適用范圍為基礎(chǔ)溫度T在293~393K、溫差△T在20K以內(nèi)。
2.2.實(shí)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(fēng)洞試驗臺上進(jìn)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(cè)的進(jìn)出口溫度,并進(jìn)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(cè)進(jìn)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(fēng)進(jìn)風(fēng)溫度網(wǎng)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(fēng)出風(fēng)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(fēng)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(fēng)進(jìn)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(fēng)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行液冷板液側(cè)進(jìn)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(jìn)行液冷板液側(cè)進(jìn)出口溫度測量。
       為了計算液側(cè)換熱量,采用水作為試驗介質(zhì)。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(dāng)需要計算換熱量時，溫度對于物性參數(shù)的影響則不能忽略。本文采用IAPWS-IF97水的物性參數(shù)1,以回歸公式擬合水的密度與定壓比熱容參數(shù)。
1)密度

       冷卻空氣側(cè)由于空氣熱容較小，因此空氣側(cè)溫差較大。此外，空氣側(cè)質(zhì)量流量、密度、比熱容等參數(shù)的測量誤差相對較小,本文以氣側(cè)參數(shù)作為基準(zhǔn)值來進(jìn)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(fēng)洞中的流動屬于低馬赫數(shù)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(jìn)行修正。本文假設(shè)冷卻空氣密度的變化只是由于溫度的變化引起的。另外,實(shí)際工質(zhì)中的冷卻空氣為濕空氣。因此計算可得濕空氣的物性參數(shù)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(dāng)?shù)卮髿鈮簆n有關(guān)。因此,根據(jù)氣側(cè)進(jìn)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(shù)影響較大,而濕度對空氣的物性參數(shù)影響不明顯。
3試驗結(jié)果分析
3.1冷側(cè)空氣流速對液側(cè)溫差的影響
       液側(cè)進(jìn)口溫度為358K、氣側(cè)進(jìn)口溫度為305K時,不同液側(cè)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(cè)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(cè)流量和液側(cè)流量的增加而單調(diào)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(cè)溫差測量的有效性。雖然經(jīng)過配對標(biāo)定,其正負(fù)偏差一致,但其測量誤差還是會隨著溫差的增大而相應(yīng)增大，且始終疊加到溫差測量結(jié)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(cè)溫差對換熱量的影響
       水側(cè)進(jìn)口溫度為358K、氣側(cè)進(jìn)口溫度為305K時,不同液側(cè)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(cè)流速變化柱形圖如圖8所示。
       由圖8可以看出,在不同液側(cè)流量情況下,基于對聯(lián)熱電偶得到的液側(cè)換熱量與氣側(cè)換熱量的數(shù)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(cè)熱量,使液側(cè)換熱量略高于氣側(cè)換熱量,與物理實(shí)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(cè)進(jìn)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(jī)熱平衡臺架試驗和冷卻模塊風(fēng)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(jié)果的誤差被進(jìn)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(dāng)液冷板氣液側(cè)進(jìn)口溫度一定時，液側(cè)溫差對于氣側(cè)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(cè)溫差,得到熱平衡誤差,試驗時應(yīng)該盡可能降低液冷板氣側(cè)進(jìn)口溫度,提高氣側(cè)冷卻空氣流量。
3.3液側(cè)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(cè)與氣側(cè)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(cè)進(jìn)口溫度情況下熱平衡誤差與不同液側(cè)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(jù)經(jīng)驗公式得到液側(cè)溫差,由此計算得到的平均熱平衡誤差為3.1%,在氣側(cè)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(cè)溫差，再由此計算得到的平均熱平衡誤差為9.4%,在氣側(cè)流速為2m/s的低速惡劣工況下,其最大熱平衡誤差可達(dá)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(jié)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(jìn)行了理論分析及實(shí)際的液冷板熱平衡性能試驗。結(jié)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(jìn)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(jié)果相比,可將熱平衡誤差由9.4%降至3.1%。該方法的測量機(jī)理具有普適性,可以推廣到其他小溫差測量領(lǐng)域,以進(jìn)一步提高熱平衡試驗中熱交換量的計算精度。