气体与吸热粉末混合的两相流电池热管理方法

本发明属于热管理，具体涉及气体与吸热粉末混合的两相流电池热管理方法。

背景技术：

1、各类电池在使用过程中均会产生热量，以锂离子电池为例，其热量来源包含化学反应热，电池极化热，内阻焦耳热和分解热。这些产生的热量提高了电池使用过程中的温度超过35℃，而且会出现电池模组里各个电池温度的不一致，而锂离子电池使用的最佳温度为20～35℃。温度过高和不一致会影响电池的充电和放电效率，从而影响电池的使用寿命。据报道，30～40℃范围内，温度提高1℃，电池的预期寿命将减少2个月。更为重要的是，温度过高和不一致极易导致电池模组过热发生火灾，造成财产损失和人员伤亡。

2、目前冷却方式主要有气体冷却、液体冷却、相变材料及热管冷却。国内外的科研工作者通过设计不同的流道、不同的气体、液体以及相变材料种类优化热管理方案的冷却效果。然而，液体冷却存在较高的安全隐患，一旦发生碰撞，冷却液体流出，极易造成电池短路，引发火灾，而且液体冷却增加了使用设备的重量，增加使用成本。而相变材料同样会增加使用设备的重量和成本，同时，固定安装的相变材料具有吸热上限，不能及时的将吸收的热量带走。热管冷却极大的增加了使用设备的重量及成本。而气体冷却虽然重量轻，安全且使用成本低，但是因为其热导率低且单位体积升高1℃吸收的热量低，使其相对液体冷却、相变材料冷却和热管冷却的冷却效果差。

3、然而，很多固体如单质或化合物的金属、非金属、高分子、相变材料具有高的热传导率，且单位体积升高1k所吸收的热量要远远高于常用气体。例如：二氧化硅的热传导率为1.4w/m·k，是空气热传导率0.025w/m·k的56倍，而二氧化硅单位体积升高1k所吸收的热量为2241kj/m3·k，是空气单位体积升高1k所吸收热量1.30kj/m3·k的1700倍左右。再例如：金属铝的热传导率为218w/m·k，是氩气热传导率0.017w/m·k的12800倍左右，而金属铝单位体积升高1k所吸收的热量为2376kj/m3·k，是氩气单位体积升高1k所吸收热量0.93kj/m3·k的2500倍左右。这些数据表明，二氧化硅与空气混合的两相流或者金属铜与氩气混合的两相流比相同体积的空气或者氩气所吸收的热量更多且热传导率更快。因此，如果能将具有更好吸热功能的吸热粉末引入至气体冷却方法中，必将提高纯气体冷却的温度降低及平衡效果。

4、因为液体浮力大，可以较为容易的使固体分散相悬浮在液体中，所以吸热粉末相分散在液体中的两相流冷却方法已有报道。然而，气体浮力相对小，重量较大的固体颗粒被认为很难悬浮在气体中，实现两相流的均匀混合。其实，日常生活中我们常常听见pm2.5的说法，就是悬浮在空气中直径为2.5μm的固体颗粒。据研究报道，空气中可悬浮的颗粒物的直径小于等于100μm，因此本发明中吸热粉末的直径小于等于100μm，属于空气或常用气体中可悬浮的固体颗粒范围，可实现两相流的均匀混合。同时，空气的比热容为1.004kj/kg·k，比固体的比热容如al:0.88kj/kg·k,fe:0.46kj/kg·k,cu:0.39kj/kg·k，sio2:0.96kj/kg·k均要高，因此会被认为固体粉末的添加反而会削弱纯气体冷却的效果。其实不然，电池模组进行冷却时是按照流体的体积为等值条件的，相当于说将原来属于气体的那部分体积换成了相同体积的固体，那么就要以单位体积升高1k所吸收的热量(kj/m3·k)多少进行比较，如上一段落文字描述，单位体积的二氧化硅或铝升高1k所吸收的热量是对应空气或者氩气的1700倍或2500倍。因此，吸热固体粉末与气体混合形成的两相流理论上是可以提高纯气体冷却方法的冷却效果的。

技术实现思路

1、发明目的：本发明提供了气体与吸热粉末混合的两相流电池热管理方法，该方法将具有良好吸热效果的吸热粉末分散在气体中，随气体一起通入电池模组进行温度的降低与平衡。通过调节吸热粉末的种类、配比、颗粒大小、体积分数以及气体种类，获得最优的冷却效果，达到控制电池模组温度的目的。

2、技术方案：

3、首先，将选定的气体通入回字形前级混合室中，通过漏斗使选定成分的吸热粉末利用自重流入前级混合室中，吸热粉末的比例通过调节漏斗的流量进行控制。接着，在回字形前级混合室中通过风扇将吸热粉末和气体充分混合，打开电池模组冷却通道的入口和出口挡板，利用电扇将充分混合的两相流吹入电池模组冷却通道进行冷却。最后，受热的两相流从电池模组出口流出后，利用空调进行两相流的冷却后再通过电扇吹入电池模组进行冷却。

4、优选的，所述的吸热粉末为金属单质或化合物、非金属单质或化合物、高分子材料的单一或者混合粉末。

5、优选的，所述的气体为空气、氩气、氮气、二氧化碳的单一或者混合气体。

6、优选的，所述的吸热粉末若可燃，则气体为不含氧气体。

7、优选的，所述的吸热粉末若不可燃，则气体无限制。

8、优选的，所述的吸热粉末的热传导率大于气体。

9、优选的，所述的吸热粉末单位体积升高1k吸收的热量值大于气体。

10、优选的，所述的吸热粉末的颗粒直径小于100μm，并在一定流速的气体中悬浮。

11、本发明的有益效果：

12、①热传导率更高：气体中分散的吸热粉末的热导率比冷却气体的热导率高，因此气固混合的整体热导率要比单纯气体冷却热导率高，电池热量传递和吸收更快，电池模组中各个电池的温度更加平衡；

13、②单位体积材料升高1k吸收热量更高：通入冷却管道的流体是按照体积进入的，气体中分散的吸热粉末单位体积升高1k所吸收的热量比冷却气体吸收的热量高，因此气固混合物单位体积升高1k所吸收的热量比单纯气体冷却吸收的热量高，吸收更多电池发出的热量，使电池模组整体的温度降低更大。

14、③吸热粉末可悬浮：日常生活中的空气中悬浮着大大小小的颗粒。据研究报道，空气中可悬浮的颗粒物的直径小于等于100μm，因此本发明中吸热粉末的直径小于等于100μm，属于空气中可悬浮的固体颗粒范围，同时本发明中通入的气体为具有一定流速的气体，可以保证吸热粉末的悬浮流动，沉降率小，从而可以随着气体流动，吸收电池模组中的热量并带出。

15、④吸热粉末的热交换面积大：以相同体积为前提，一定颗粒直径吸热粉末的总表面积是块状吸热材料的2000倍，例如：1个边长为10mm的正方块吸热材料(体积为1000mm3)，其提供的换热表面积为600mm2。而直径为50μm的吸热粉末在1000mm3相同体积下提供的换热表面积为1200000mm2。因此，即使吸热粉末与气体混合的体积比只有1％，也可以提供12000mm2的换热面积，且当吸热粉末的体积比提高，在两相流中可以形成非常密集的热传导网。

16、⑤安全性更好：因为主要冷却介质为空气，氩气、氮气或者二氧化碳，即使碰撞泄漏，不会造成电池短路。同时，选用热导率高的可燃吸热粉末时(如金属)，混合气体须为氩气或者氮气不含氧气体，保证可燃粉末无法燃烧；选用热导率相对低的不可燃吸热粉末时(如氧化物)，混合气体可为空气，不会发生燃烧且降低成本。

17、⑥加工废料再利用：本发明中的粉末可以将机械加工过程中的粉末废料进行再利用，节约资源。