[发明专利]一种基于相变材料浸没式被动热开关及其控制方法

说明书

基于相变材料的浸没式被动热开关，包括直接浸没式被动热开关和间接浸没式被动热开关；相变材料、冷板、热源均封装于外壳箱体中，外壳箱体底部带有箱池，相变材料固态时存储于电池和冷板下方的箱池内，热源通过支撑机构固定于箱池上方，冷板布置于热源之间的空隙或热源上方，与热源不发生直接接触，相变材料液态时全部或部分填充冷板与电池间的空隙。相比于主动式热开关，结构和组装简单，无传感器，动作驱动装置等主动部件，减少了发生故障的可能并降低了成本；相比于活塞式的被动热开关，无机械运动部件，减少了发生液态物质渗漏的可能性；由于利用了相变材料，更好的储热能力，能够在低温环境下为电池提供热量，保持最佳工作温度。

技术领域

本发明设计一种开关及其控制方法，尤其是涉及一种基于相变材料浸没式被动热开关及其控制方法，属于热管理技术领域。

背景技术

动力/储能电池作为目前储能技术发展的核心模块，在全球能源紧缺和保护环境的大背景下，成为人们广泛关注和研究的对象。对电动汽车而言，电池的性能很大程度地决定汽车的整体性能，对电池储能系统而言，电池工作状况直接关系到储能系统的收益和安全性。电池在工作以及停机状态下的热管理情况将会直接影响电池的工作效率、循环寿命以及安全性能。

特别是动力电池，往往处于大工作电流下，产热量也较大，同时电池包又是一个相对封闭的环境，这会导致电池温度的上升。以常用的磷酸铁锂和三元锂电池为例，其最佳工作温度一般在20～50℃。根据锂电池的生热机理，内部产热主要分电化学反应热，欧姆内阻热，极化热，电解液分解热等。当电池生热速率大于散热速率，温度升高，一方面，电解液活性随温度升高而提高，内阻减小，电池性能提高；另一方面，高温会同时加快电极降解和电解液分解，对电池内部造成损伤。如果电池长期在热传递不均匀的环境中运行，电池内部温差可达8～10℃，电池单体的性能出现差异，电池组的一致性越来越差，导致电池内部形成“热点”，最终产生热失控，威胁车辆运行安全。当环境温度较低时，电池内部结构发生变化，内阻增大，充电电压平台提高，放电电压平台降低，倍率放电的能力和放电容量下降，电池工作效率下降。同时，低温条件下，车辆的启动性能会变差。因此，对电池的热管理应不限于散热提升，还要具有保温措施。

比风冷、液冷等传统冷却方式，相变冷却因相变材料吸热放热过程，系统温度平稳，可以达到近似恒温的效果，已经在很多领域得到应用。大功率电力电子器件的冷却，太阳能系统的冷却，建筑材料，工业余热利用，家用车用空调系统以及锂电池的热管理系统。相变材料的两个指标参数，相变潜热和相变温度，基本圈定了一种材料所能适用的环境类型。相变潜热越大，材料保持环境温度恒定的能力越强。而相变材料在相变过程中因密度改变引起的体积变化，也为其在冷却功能中起到了额外的作用。可以形象的说，相变材料对于电池就是一个“恒温池”，把电池控制在一个最佳的温度范围内。相变材料通常利用的是固-液相变，这一过程具有相变过程平缓、蓄热密度大、体积变化小和相变温度易控制等优点。

在相变过程中，相变材料存在随温度的体积变化，在部分材料中体积变化显著，固相和液相体积变化的程度可超出20％，如石蜡、月桂酸等。相变材料的体积变化问题在相变过程以往常被认为需要进行控制，避免因体积变化过大造成的外壳形变、泄露等问题。

现有其他技术包含数个有关相变材料热管理装置的实例。以下内容并非有关技术的完整列表。

国外文献Development of a phase change material(PCM)-based thermalswitch,HKIE Transactions,24:2,107-112.中利用石蜡作为相变材料，根据不同温度下石蜡体积的膨胀和收缩，改变导热块的位置，实现上下铜板间热传导的打开与闭合。这一热开关的设计表明相变材料在参与热传导结构的机械变化中有重要意义。但该热开关基于的机械结构和本发明的浸没方法具有本质的不同。