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。本发明专利技术利用过冷现象，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。起到电池温度上下限双重被动控制的作用。
【技术实现步骤摘要】
基于过冷相变材料被动式电池热调节器、方法和管理系统
[0001]本专利技术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。
技术介绍
[0002]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。
[0003]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
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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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]本专利技术基于过冷相变材料的特殊性能，专利技术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。
[0007]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。
[0008]中国专利申请CN110416658A，公开了一种带有温控热开关的热管
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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。
[0009]中国专利申请CN210897488U公开一种带蓄热加热器的燃料电池冷启动系统，利用相变材料受热蒸发带动活塞、转杆和棘齿轮往复运动，扭转弹簧发生形变，将热能转化的动能储存，达到蓄热的目的，并在冷启动时，主动抬起T形卡块，通过扭转弹簧的弹力作用带动齿轮转动，向下压动压板使部分气态的相变材料液化并散发热量，对燃料电池进行加温。该专利利用气液相变材料的体积变化作为动作驱动，并进一步结合弹簧实现蓄能，利用弹簧存蓄能量，通过开关动作实现弹性势能转化为热能，为燃料电池低温启动提供加热。
[0010]中国专利申请CN112002959A，公开一种用于通信基站电池热管理的变相材料，在电池组之间设有内腔开设有活动槽的相变材料储能棒，活动槽的内腔设有伸缩机构，相变材料在吸热饱和后膨胀形成气压差，推动伸缩机构向上移动接触箱体盖底部的石墨层进行二次散热，对电池组进行热量管理。该专利利用气液相变材料体积变化形成压差推动机械机构伸缩接触换热器件，被动实现电池温度控制。
[0011]此外，中国专利申请CN109802196A，公开一种水合盐相变材料的电池快速加热装置，利用水合盐相变材料包裹电池，并设置凝固过程释放潜热快速加热电池的潜热释放装置，通过机械撞击、搅拌、加入成核中心等方式，破坏相变材料的过冷状态以触发其凝固过程，促使相变材料内存储的热量瞬间释放，从而快速加热电池。中国专利申请CN104246378A，公开一种具有过冷相变材料的空调系统，其冷凝器与相变材料热连通，通过预测的温度分布触发信号提供给致动器使相变材料从过冷状态的液体改变为固体，所释放的潜热提供给冷却剂以提高系统的容量和效率。中国专利申请CN110173907A，公开一种一种可控相变材料包及其制备方法与应用。上述专利利用水合盐、糖醇等相变材料的过冷特性，通过凝固过程中超声、电流、成核剂等条件触发促使相变材料的蓄热释放，用于加热电池和冷却剂等，实现可控的相变材料潜热释放过程。
[0012]综合对比现有技术，虽然类似温控装置和蓄热装置已有大量专利，但目前专利的运行原理均非通过过冷相变材料被动驱动热开关工作，利用“熔点高温潜热吸热——膨胀驱动热开关闭合冷却——温度上限控制”与“凝固点低温潜热放热——收缩驱动热开关打开保温——温度下限控制”这一巧妙结合来实现完全被动的电池热管理，其目的也只是单纯利用相变材料的体积变化特性实现热开关和利用相变过程潜热蓄热实现热缓冲或低温加热。采用的方案中或不利用“过冷”相变点的差异性，释放热量和吸收热量的温度一致，无法基于材料物性被动实现高温吸收热量，低温释放热量的作用，或不利用凝固点熔点附近体积变化显著的特性与热开关结合工作。
技术实现思路
[0013]本专利技术是利用过冷现象，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，其原理并非目前现有技术简单叠加而实现，也并不能从上述技术中获得结合启示。
[0014]本专利技术的目的在于提供一种基于过冷相变材料实现上下温度限制双重保护的被动式电池热调节器，用于在不同运行工况和外界环境条件下维持电池的工作温度处于合理区间。
[0015]一种基于过冷相变材料的被动式电池热调节器，包括相变模块、热开关装置和辅助换热装置，其特征在于：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本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于过冷相变材料的被动式电池热调节器，包括过冷相变模块、热开关装置，其特征在于：所述过冷相变模块，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；具有该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。2.根据权利要求1所述的一种基于过冷相变材料的被动式电池热调节器，所述过冷相变模块包裹在各电池单体或多个电池组成的电池组外侧，所述热开关装置包括活塞和回复机构；还包括辅助换热装置，所述辅助换热装置包括有冷板；所述活塞及回复机构随过冷相变材料温度变化时的体积变化移动，使相变材料与冷板接触或分离，达到被动闭合或打开热开关的目的。3.根据权利要求2所述的一种基于过冷相变材料的被动式电池热调节器，在过冷相变材料温度为熔点附近时，所述过冷相变材料吸收热量熔化，保持电池温度不变，同时过冷相变材料体积膨胀，冷板与活塞间逐渐贴合换热，保持电池温度低于最高工作温度；在过冷相变材料温度为低于熔点温度的凝固点附近时，所述过冷相变材料放出热量而体积缩小，保持电池温度高于最低工作温度，同时所述冷板与活塞间形成空腔保温。4.根据权利要求2所述的一种基于过冷相变材料的被动式电池热调节器，其特征为：所述辅助换热装置进一步包括夹在电池外壳中间的冷板、冷板内流动的冷却液、冷却液循环回路、及循环控制部分；所述冷却液循环回路包括储液槽、水泵、节流阀和空气冷却装置；所述节流阀可调节冷却液流量与流速使其能够满足不同程度的换热需求；所述空气冷却装置可将冷却液带出的电池热量通过对流换热的方式释放到环境中。5.根据权利要求2所述的...
【专利技术属性】
技术研发人员：巨星，王泽旭，许瑶，李冰辰，李凯璇，徐超，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：
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