[發(fā)明專利]一種基于相變材料浸沒式被動熱開關(guān)及其控制方法

有效

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• 申請日: 2021-04-07
• 公開（公告）號: CN113097598B
• 公開（公告）日: 2023-06-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 巨星;李凱璇;李旭;徐超;杜小澤
• 申請（專利權(quán)）人: 華北電力大學(xué)
• 主分類號: H01M10/613
• 分類號: H01M10/613;H01M10/615;H01M10/625;H01M10/655;H01M10/659
• 代理公司: 北京君有知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11630
• 代理人: 焦麗雅

基于相變材料的浸沒式被動熱開關(guān)，包括直接浸沒式被動熱開關(guān)和間接浸沒式被動熱開關(guān)；相變材料、冷板、熱源均封裝于外殼箱體中，外殼箱體底部帶有箱池，相變材料固態(tài)時存儲于電池和冷板下方的箱池內(nèi)，熱源通過支撐機(jī)構(gòu)固定于箱池上方，冷板布置于熱源之間的空隙或熱源上方，與熱源不發(fā)生直接接觸，相變材料液態(tài)時全部或部分填充冷板與電池間的空隙。相比于主動式熱開關(guān)，結(jié)構(gòu)和組裝簡單，無傳感器，動作驅(qū)動裝置等主動部件，減少了發(fā)生故障的可能并降低了成本；相比于活塞式的被動熱開關(guān)，無機(jī)械運(yùn)動部件，減少了發(fā)生液態(tài)物質(zhì)滲漏的可能性；由于利用了相變材料，更好的儲熱能力，能夠在低溫環(huán)境下為電池提供熱量，保持最佳工作溫度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明設(shè)計(jì)一種開關(guān)及其控制方法，尤其是涉及一種基于相變材料浸沒式被動熱開關(guān)及其控制方法，屬于熱管理技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

動力/儲能電池作為目前儲能技術(shù)發(fā)展的核心模塊，在全球能源緊缺和保護(hù)環(huán)境的大背景下，成為人們廣泛關(guān)注和研究的對象。對電動汽車而言，電池的性能很大程度地決定汽車的整體性能，對電池儲能系統(tǒng)而言，電池工作狀況直接關(guān)系到儲能系統(tǒng)的收益和安全性。電池在工作以及停機(jī)狀態(tài)下的熱管理情況將會直接影響電池的工作效率、循環(huán)壽命以及安全性能。

特別是動力電池，往往處于大工作電流下，產(chǎn)熱量也較大，同時電池包又是一個相對封閉的環(huán)境，這會導(dǎo)致電池溫度的上升。以常用的磷酸鐵鋰和三元鋰電池為例，其最佳工作溫度一般在20～50℃。根據(jù)鋰電池的生熱機(jī)理，內(nèi)部產(chǎn)熱主要分電化學(xué)反應(yīng)熱，歐姆內(nèi)阻熱，極化熱，電解液分解熱等。當(dāng)電池生熱速率大于散熱速率，溫度升高，一方面，電解液活性隨溫度升高而提高，內(nèi)阻減小，電池性能提高；另一方面，高溫會同時加快電極降解和電解液分解，對電池內(nèi)部造成損傷。如果電池長期在熱傳遞不均勻的環(huán)境中運(yùn)行，電池內(nèi)部溫差可達(dá)8～10℃，電池單體的性能出現(xiàn)差異，電池組的一致性越來越差，導(dǎo)致電池內(nèi)部形成“熱點(diǎn)”，最終產(chǎn)生熱失控，威脅車輛運(yùn)行安全。當(dāng)環(huán)境溫度較低時，電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，內(nèi)阻增大，充電電壓平臺提高，放電電壓平臺降低，倍率放電的能力和放電容量下降，電池工作效率下降。同時，低溫條件下，車輛的啟動性能會變差。因此，對電池的熱管理應(yīng)不限于散熱提升，還要具有保溫措施。

比風(fēng)冷、液冷等傳統(tǒng)冷卻方式，相變冷卻因相變材料吸熱放熱過程，系統(tǒng)溫度平穩(wěn)，可以達(dá)到近似恒溫的效果，已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用。大功率電力電子器件的冷卻，太陽能系統(tǒng)的冷卻，建筑材料，工業(yè)余熱利用，家用車用空調(diào)系統(tǒng)以及鋰電池的熱管理系統(tǒng)。相變材料的兩個指標(biāo)參數(shù)，相變潛熱和相變溫度，基本圈定了一種材料所能適用的環(huán)境類型。相變潛熱越大，材料保持環(huán)境溫度恒定的能力越強(qiáng)。而相變材料在相變過程中因密度改變引起的體積變化，也為其在冷卻功能中起到了額外的作用?？梢孕蜗蟮恼f，相變材料對于電池就是一個“恒溫池”，把電池控制在一個最佳的溫度范圍內(nèi)。相變材料通常利用的是固-液相變，這一過程具有相變過程平緩、蓄熱密度大、體積變化小和相變溫度易控制等優(yōu)點(diǎn)。

在相變過程中，相變材料存在隨溫度的體積變化，在部分材料中體積變化顯著，固相和液相體積變化的程度可超出20％，如石蠟、月桂酸等。相變材料的體積變化問題在相變過程以往常被認(rèn)為需要進(jìn)行控制，避免因體積變化過大造成的外殼形變、泄露等問題。

現(xiàn)有其他技術(shù)包含數(shù)個有關(guān)相變材料熱管理裝置的實(shí)例。以下內(nèi)容并非有關(guān)技術(shù)的完整列表。

國外文獻(xiàn)Development?of?a?phase?change?material(PCM)-based?thermalswitch,HKIE?Transactions,24:2,107-112.中利用石蠟作為相變材料，根據(jù)不同溫度下石蠟體積的膨脹和收縮，改變導(dǎo)熱塊的位置，實(shí)現(xiàn)上下銅板間熱傳導(dǎo)的打開與閉合。這一熱開關(guān)的設(shè)計(jì)表明相變材料在參與熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)的機(jī)械變化中有重要意義。但該熱開關(guān)基于的機(jī)械結(jié)構(gòu)和本發(fā)明的浸沒方法具有本質(zhì)的不同。