[發明專利]基于過冷相變材料被動式電池熱調節器、方法和管理系統

有效

• 申請號: 202110372030.5
• 申請日: 2021-04-07
• 公開（公告）號: CN113097599B
• 公開（公告）日: 2022-07-01
• 發明（設計）人: 巨星;王澤旭;許瑤;李冰辰;李凱璇;徐超
• 申請（專利權）人: 華北電力大學
• 主分類號: H01M10/613
• 分類號: H01M10/613;H01M10/615;H01M10/625;H01M10/659
• 代理公司: 北京君有知識產權代理事務所(普通合伙) 11630
• 代理人: 焦麗雅

基于過冷相變材料的被動式電池熱調節器，包括相變模塊、熱開關裝置，所述相變模塊，其組成材料中包含具有一定過冷度的相變材料，能夠結合相變材料的充放熱過程體積變化、凝固點和熔點不一致的特性，實現被動的電池溫度管理和控制；該具有過冷度的相變材料作用是：除基于體積變化為熱開關裝置閉合打開過程提供動力之外，還通過熔點和凝固點的不同，在高溫時熔化吸收電池產生的熱量維持電池溫度不繼續升高，在低溫時凝固向電池放熱提高電池溫度，從而在熱開關裝置的基礎上進一步控制電池工作溫度。本發明利用過冷現象，實現高溫的熔點附近吸收熱量，低溫的凝固點附近釋放熱量，結合熔化凝固時體積的顯著變化推動熱開關開閉工作，起到電池溫度上下限雙重被動控制的作用。

技術領域

本發明公開一種電池熱調節器，尤其是涉及一種基于過冷相變材料的被動式電池熱調節器，屬于動力電池及儲能電池熱管理領域。

背景技術

汽車的內燃機大多以汽油、柴油為燃料，其燃燒產生的尾氣直接排放到大氣中會造成環境污染，因此我國現在正在逐步推廣電動汽車以取代燃油汽車。但電動汽車的動力電池組的溫度一直制約著電動汽車的推廣及使用，無論是傳統的鉛酸電池，還是現行的鎳氫、鋰離子電池，溫度對電池性能都有非常顯著的影響，溫度過高或過低均不利于電池性能的發揮。

鋰離子電池是電動汽車的核心構件之一，電池的發電能力、壽命以及抗破壞和惡劣環境的能力都將影響到汽車的使用壽命和續航能力。鋰離子電池的性能對溫度非常敏感。鋰離子電池最佳性能的溫度應在15-35℃之間。如果電池的溫度不合適或溫差較大，就會出現電池老化、性能下降等一些負面影響和一些安全問題。然而在我國東北地區，冬天溫度甚至可達零下40°，但我國中南地區如重慶，夏天地表溫度可達60°，這兩個環境溫度都遠遠超出電池的正常工作范圍。因此必須要對汽車動力電池進行熱管理，旨在使動力電池組溫度分布趨于均勻以及工作溫度穩定在合理區間，既包括低溫工作環境下的保溫、也包括高溫環境下的冷卻及余熱利用問題。

電動汽車熱管理技術從一開始發展到今天已經較為成熟，有風冷式、液冷式、相變材料式和熱管式等類型。風冷式由于導熱系數低，其缺點是冷卻效果差，導致電池溫度分布不均勻，增加能耗。液體冷卻系統也需要額外的能量，這與空氣冷卻系統類似。在相變式電池熱管理領域，目前多采用石蠟等相變材料，在電池溫度升高時利用相變潛熱吸收電池多余熱量調控電池溫度穩定，并蓄存熱量，在電池溫度降低時放出，緩和溫度過低問題，使電池工作溫度維持在合理區間。

在相變過程中，部分相變材料存在特殊的過冷現象，在過冷情況下，固液相變材料凝固點低于熔點，形成的溫差叫做過冷度。相變過冷現象通常被認為需要進行消除，通過增加成核劑、電流、超聲等方式使熔點和凝固點趨于一致減小過冷度，以避免存蓄的熱量無法放出。為與不具有明顯過冷度的普通相變材料、以及表示相變溫度較低的冷相變材料等概念區分，本專利所述過冷相變材料特指具有較大過冷度的相變材料。有關的過冷相變材料包括水合鹽(如五水合硫代硫酸鈉)等材料，其過冷度可達20℃左右。并且，相變材料體積在溫度變化和相變過程中均發生變化，特別是在凝固、熔化過程中，相變材料具有更顯著的體積變化。

本發明基于過冷相變材料的特殊性能，發明了一種被動式電池熱調節器，結合被動熱開關增強對電池溫度上下限控制功能。目前并無相關相似的專利或文獻涉及類似的熱管理方法。

現有其他技術包含數個有關相變材料電池熱管理裝置的實例。以下內容并非有關技術的完整列表。

中國專利申請CN110416658A，公開了一種帶有溫控熱開關的熱管-PCM耦合無功耗熱管理模塊，其中電池箱體內排列有若干電池單體，相鄰電池單體間及最外側電池表面與箱體間隙填充相變材料；相變材料內布置熱管構成相變材料熱管耦合散熱模塊；熱管冷凝端裝有熱開關，底部加裝肋板，肋板伸出至風道；熱開關由上部熱管夾板和下部肋板配合而成，動作模式由均布在電池表面及相變材料間的溫度傳感器電控。該專利使用固液相變材料作為熱緩沖、蓄熱裝置并進一步結合溫度信號主動控制型熱開關，實現被控對象溫度的調節控制。