[发明专利]基于过冷相变材料被动式电池热调节器、方法和管理系统

说明书

基于过冷相变材料的被动式电池热调节器，包括相变模块、热开关装置，所述相变模块，其组成材料中包含具有一定过冷度的相变材料，能够结合相变材料的充放热过程体积变化、凝固点和熔点不一致的特性，实现被动的电池温度管理和控制；该具有过冷度的相变材料作用是：除基于体积变化为热开关装置闭合打开过程提供动力之外，还通过熔点和凝固点的不同，在高温时熔化吸收电池产生的热量维持电池温度不继续升高，在低温时凝固向电池放热提高电池温度，从而在热开关装置的基础上进一步控制电池工作温度。本发明利用过冷现象，实现高温的熔点附近吸收热量，低温的凝固点附近释放热量，结合熔化凝固时体积的显著变化推动热开关开闭工作，起到电池温度上下限双重被动控制的作用。

技术领域

本发明公开一种电池热调节器，尤其是涉及一种基于过冷相变材料的被动式电池热调节器，属于动力电池及储能电池热管理领域。

背景技术

汽车的内燃机大多以汽油、柴油为燃料，其燃烧产生的尾气直接排放到大气中会造成环境污染，因此我国现在正在逐步推广电动汽车以取代燃油汽车。但电动汽车的动力电池组的温度一直制约着电动汽车的推广及使用，无论是传统的铅酸电池，还是现行的镍氢、锂离子电池，温度对电池性能都有非常显著的影响，温度过高或过低均不利于电池性能的发挥。

锂离子电池是电动汽车的核心构件之一，电池的发电能力、寿命以及抗破坏和恶劣环境的能力都将影响到汽车的使用寿命和续航能力。锂离子电池的性能对温度非常敏感。锂离子电池最佳性能的温度应在15-35℃之间。如果电池的温度不合适或温差较大，就会出现电池老化、性能下降等一些负面影响和一些安全问题。然而在我国东北地区，冬天温度甚至可达零下40°，但我国中南地区如重庆，夏天地表温度可达60°，这两个环境温度都远远超出电池的正常工作范围。因此必须要对汽车动力电池进行热管理，旨在使动力电池组温度分布趋于均匀以及工作温度稳定在合理区间，既包括低温工作环境下的保温、也包括高温环境下的冷却及余热利用问题。

电动汽车热管理技术从一开始发展到今天已经较为成熟，有风冷式、液冷式、相变材料式和热管式等类型。风冷式由于导热系数低，其缺点是冷却效果差，导致电池温度分布不均匀，增加能耗。液体冷却系统也需要额外的能量，这与空气冷却系统类似。在相变式电池热管理领域，目前多采用石蜡等相变材料，在电池温度升高时利用相变潜热吸收电池多余热量调控电池温度稳定，并蓄存热量，在电池温度降低时放出，缓和温度过低问题，使电池工作温度维持在合理区间。

在相变过程中，部分相变材料存在特殊的过冷现象，在过冷情况下，固液相变材料凝固点低于熔点，形成的温差叫做过冷度。相变过冷现象通常被认为需要进行消除，通过增加成核剂、电流、超声等方式使熔点和凝固点趋于一致减小过冷度，以避免存蓄的热量无法放出。为与不具有明显过冷度的普通相变材料、以及表示相变温度较低的冷相变材料等概念区分，本专利所述过冷相变材料特指具有较大过冷度的相变材料。有关的过冷相变材料包括水合盐(如五水合硫代硫酸钠)等材料，其过冷度可达20℃左右。并且，相变材料体积在温度变化和相变过程中均发生变化，特别是在凝固、熔化过程中，相变材料具有更显著的体积变化。

本发明基于过冷相变材料的特殊性能，发明了一种被动式电池热调节器，结合被动热开关增强对电池温度上下限控制功能。目前并无相关相似的专利或文献涉及类似的热管理方法。

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

中国专利申请CN110416658A，公开了一种带有温控热开关的热管-PCM耦合无功耗热管理模块，其中电池箱体内排列有若干电池单体，相邻电池单体间及最外侧电池表面与箱体间隙填充相变材料；相变材料内布置热管构成相变材料热管耦合散热模块；热管冷凝端装有热开关，底部加装肋板，肋板伸出至风道；热开关由上部热管夹板和下部肋板配合而成，动作模式由均布在电池表面及相变材料间的温度传感器电控。该专利使用固液相变材料作为热缓冲、蓄热装置并进一步结合温度信号主动控制型热开关，实现被控对象温度的调节控制。