基于相变材料及其从动弹性软管的热调节器及热控方法

本发明设计一种调节器及其控制方法，尤其是涉及一种基于相变材料及其从动弹性软管的热调节器及热控方法，属于热管理。

背景技术：

1、电池储能具有响应速度快、调节灵活、便携性好的优势，在电网和移动设备领域应用潜力巨大，可有效提高电网运行稳定性，可为移动设备提供经济高效的能源服务。在储能系统高功率密度、能量密度、长循环寿命不断增加的需求下，储能箱体中电池排布的密集程度也逐渐提高。电池包密集安放在密闭的电池箱内，很容易出现温度分布不均和局部热区，一旦发生安全问题，可能引起电池链式反应，导致热失控，造成严重安全事故。

2、以磷酸铁锂电池和三元锂电池为例，其最适宜的工作温度一般在20至40℃。电池内部的产热主要来源于电化学反应热、欧姆内阻热、极化热和电解液分解热等。当电池产热速度快于散热速度时，电解液活性和电池性能会随着温度的升高而增强，但同时高温也会加速电极降解和电解液分解，给电池内部造成伤害。而在低温环境下，电池内部结构会发生改变，内阻增大，充放电电压改变，充放电能力和容量降低，从而使电池的工作效率下降，设备的启动性能也会变差。因此，电池热管理不仅需要提升散热性能，也需要有适当的预热和保温措施。

3、相比风冷、液冷等传统冷却方式，相变材料因其高焓值的特性，吸热放热过程中系统温度平稳，可以达到近似恒温的效果，已经在大功率电力电子器件的冷却，太阳能系统的冷却，建筑材料，汽车电池热管理等领域得到应用。相变材料的三个指标参数：相变潜热、相变温度和相变体积比。在一定相变温度区间内，相变潜热越大，材料保持环境温度恒定的能力越强。而相变材料在相变过程中因密度改变引起的体积变化，也为其在冷却功能中起到了额外的作用。

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

5、中国专利申请cn113097599a，公开了一种基于过冷相变材料的被动电池温度调控器，其包括相变单元和热开关设备。所述的相变单元，其构成物质中含有具备一定过冷程度的相变材料，这种材料结合其充/放热过程中的体积变化以及其熔化点和凝固点的不同，可以实施对电池温度的无动力管理与调控。这种具有过冷程度的相变材料的功能不仅为热开关设备的打开/关闭过程提供驱动力，而且通过其熔化点与凝固点的不同，在高温环境下吸收电池产生的热量以维持电池温度不再增高，在低温环境下向电池放热以提升电池温度。从而在热开关设备的基础上，对电池的工作温度实施进一步的控制。

6、中国专利申请cn115148542a，公开了一种相变式热开关，其用于实现第一导热件与第二导热件的接触或分离，从而实现热流导通或阻断。所述的热开关单元包括活动配合的缸体和活塞，活塞与缸体之间通过弹簧连接，活塞同时与一固定基准相连，缸体内设有相变材料，相变材料相变引起的体积变化和弹簧的预紧力为缸体与活塞之间的相对直线运动提供动力；所述第二导热件与缸体相连，用于驱动相变材料相变，并在相对直线运动的驱动下，与第一导热件接触或分离。具有较高的开关热阻比，无需驱动和控制设备，不额外消耗能源。

7、日本专利申请jp2018-25319a，公开了一种热控开关装置，用于将电池包的温度保持在规定的温度范围。所述电池包若超过40℃，则熔点为40℃附近的导热材料通过来自与电池包热连接的第一壁部的辐射热进行热移动而到达熔点并熔融。导热材料从固相向液相进行相变，体积比固相增加，填充密闭空间，则电池组从第一壁部向热传导材料直接传热。到达第二壁部的热向散热器传递而向外部放出。若电池包的温度下降而低于导热材料的熔点，则从液相向固相进行相变。由于固相的状态下的体积比液相的状态下体积小，所以通过重力一边偏向密闭空间的下方侧一边相变。在密闭空间的与第一壁部相邻的空间形成空洞，因此来自第一壁部的热向热传导材料的传热被抑制。即热开关装置在电池包的温度上升而超过规定的温度范围时，将电池包发出的热向外部散热，在电池包的温度处于规定的温度范围的情况下，进行抑制向外部散热。

8、此外，虽然现有技术中存在采用相变材料实现对热源进行温度调节，如：cn211507827u、cn111403847 a、cn111834700 a、cn111883877 a、cn109244593 a、cn109361036 a、cn109449334 a、cn207765585u、cn208014863u、cn208315711u、cn208570863u、cn106299542 a、cn107591587 a、cn108206316 a、cn108258162 a、cn206148574u、cn206628561u、cn206976398u、cn103855441 a、cn106025426 a，但是上述现有技术常规手段都是：或将相变材料包裹在热源上或设置在冷板内、或填充在电池与箱体内壁之间的间隙中或设置弹性吸热件等，并不构成浸没式热调节器及其控制方法。基于桥式散热方法，电池热源和散热部件之间没有直接接触，更类似于热开关的概念，阶跃控制过程具有很强的不连续性。这不利于实现稳定的温度和减少不一致性。经过理论和实践论证，上述类似现有技术其温度调节效果都不理想，尤其是相变材料设置的位置、方式、热源与冷板之间的位置设置都影响了热源温度调节，进而无法保证热源在适合的温度下发挥其最大的效率。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于相变材料及其从动弹性软管的热调节器及热控方法，通过利用相变材料的高焓值特性对热源的温度均一性和波动性进行优化，以及相变中热胀冷缩体积变化特性从动主通道的高回弹软管来实现对热源周围流道流量的调控，从而实现对热的传递和阻隔。其构成材料简单，制作方便，能在电池工作温度较高时迅速为其散热，并能在电池工作温度较低时停止散热及时保温，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。

2、本发明基于相变材料的体积变化的特殊性能，基于顺应材料热胀冷缩本身物性特征的思路，提出了一种基于相变材料及其从动弹性软管的热调节器及热控方法，通过体积变化实现对高回弹软管的横截面大小的控制，从而对热源温度的调节，在极端和不稳定的环境温度中具有优异的热管理性能。目前并无相关相似的专利或文献涉及类似的热管理方法。

3、本发明提供的技术方案如下：

4、将热源、相变材料、带有弹性软管的冷管封装于外壳箱体中，冷管在箱体内分为带有一段从动弹性软管的控制管道和深入电池内部需冷却区域并具有强化传热特征的换热管道，换热管道的流阻高于控制管道；

5、当环境温度或热源温度低于相变材料的相变温度时，相变材料吸收的热量不足以使其发生相变，其物理形态为固态，控制管道中间的弹性软管完全打开，冷却液由控制管道直接流出箱体，热源周围的热通量较小；

6、当环境温度或热源温度高于相变材料的相变温度时，相变材料从环境或热源吸收了足够的热量，其物理形态为液态，由于相比固态时体积增大，由于外壳箱体不可形变，腔内容量固定，体积增量由弹性软管的形变吸收，软管受挤压后控制管道流阻增大，使冷却液从控制管道向热源周围的换热管道进行分流，热源周围的热通量增大；

7、随着环境温度降低到相变温度以下，热源放热量不足以维持箱体温度继续上升时，相变材料开始释放潜热，使箱体内的平均温度维持在相变温度一定时间，相变材料液态转化为固态或半固态，体积收缩，弹性软管回弹，控制管道的流阻减小，冷却液全部或部分由控制管道流出，换热管道的流量减小，热源周围的热通量也随之减小。

8、优选为：所述热源包括但不限于动力/储能电池、igbt器件等。

9、优选为：所述电池包括但不限于软包电池、方形电池、圆柱形电池等。

10、优选为：所述电池包括但不限于铅酸电池，镍镉电池，镍氢电池，锂离子电池，锂空电池等。

11、优选为：所述相变材料包括但不限于石蜡类、烷烃类、脂肪酸类、氟利昂类、水合盐类材料或多种材料混合物，以及它们与高导热材料或颗粒混合制成的复合材料等。所述高导热颗粒包括但不限于石墨、铜、铝、等金属、合金、半导体、碳基、硅基颗粒等。

12、优选为：所述冷却液或预热液包括但不限于水、乙二醇与水的混合液、纳米材料等流体。

13、优选为：所述外壳箱体材料包括但不限于铜、铝、镍等金属材料、合金、高分子材料等。

14、优选为：所述支撑结构包括但不限于支柱、金属网、水平支撑等。

15、优选为：所述冷却液通道或预热液通道材料采用高导热材料制成，包括但不限于铜、铝、等金属、合金、硅等。

16、优选为：所述冷却液通道或预热液通道技术形式包括但不限于匀温板、热管、微通道等技术形式。

17、优选为：所述冷板固定位置包括但不限于电池组之间或电池组顶部。

18、优选为：所述热源向相变材料，或冷源向相变材料的传热过程可通过布置翅片的方式加强换热。

19、优选为：所述相变材料可以填充于泡沫骨架增强换热，泡沫骨架由金属或非金属材料制成。

20、优选为：所述相变材料与单体电池与相变材料接触面可涂抹有绝缘导热剂。

21、优选为：所述相变材料可以选用具有一定过冷度的相变材料，使融化温度与凝固温度分离，在不同温度上控制相变材料的充放热。

22、优选为：所述相变材料可以选用不同温度相变或具有高焓值的几种材料所制的复合材料。

23、优选为：所述流道的出入口分布可以在同侧或异侧，使流体从同侧流入或异侧对流。

24、优选为：在热源与冷管之间填充高导热材料或结构，且与相变材料不互溶，不改变相变材料的焓值和相变温度；箱体内封装的相变材料，其用量满足融化后产生的体积变化产生的压强能够挤压弹性软管至完全闭合。

25、优选为：以相变材料为媒介，建立热源温度与冷却液流量的负反馈机制；利用热源温度升高后的相变过程，同时实现控温与被动调节冷却液流量，对热源换热能力连续调节，稳定控制热源温度。所述热控方法包含如下单个模式或多个模式的组合：

26、开启模式：高温下处于有对流的高水平传热。随着环境温度或热源温度的升高达到相变温度以上，相变材料吸收足够的热量后体积膨胀，由于腔室体积固定，导致弹性软管压缩，这导致控制管道的流通截面积减小；冷却液逐渐流向换热管道，与热源进行对流换热，将热量带出箱体；

27、关闭模式：低温下处于无对流的低水平传热。随着环境温度或热源温度的降低至相变温度以下，相变材料凝固后体积收缩，导致弹性软管回弹；控制管道的流动截面积逐渐恢复；当相变材料凝固完成后，调节器中所有冷却液流出控制管道，热源周围的冷却液不再流动，热源热量通过热传导传递给箱体内的材料，再通过热辐射发散到外界环境；

28、自调节模式：温度自适应时传热能力在高水平和低水平之间转换。热调节器通过流量-温度自适应控制实现开启和关闭模式之间的连续控制，换热管道的流量受热源温度调节增大或减小，热对流随之增强或减弱，热量传递效率发生改变。

29、本发明还公开一种基于相变材料及其从动弹性软管的预热器，将相变材料、热源、弹性软管、预热结构均封装于外壳箱体中，外壳箱体密封，热源通过支撑结构固定于箱体底部，预热管进入箱体后依次缠绕过热源或布置于热源之间，与热源不发生直接接触，相变材料完全填充于热源与冷管之间的空隙，弹性软管布置于预热管末端；低温下，高于相变温度的预热液将融化相变材料，并对热源进行预热，随着相变材料融化后体积上升，挤压预热管上的弹性软管，减小预热液流量，同时热源工作的产热量进一步融化相变材料，对预热液流量进行负反馈调节；当弹性软管完全闭合，预热液停止流动后，由相变材料释放的潜热维持箱体温度直至下降到相变温度以下，此时相变材料凝固体积缩小，弹性软管回弹，预热液流量再次逐渐升高。

30、优选为：所述相变材料具有高焓值的物理特性，在预热液停止供应后，释放大量潜热为热源继续供热，提供保温效果。

31、优选为：以相变材料为媒介，建立热源温度与冷却液流量的负反馈机制；利用热源温度升高后的相变过程，同时实现控温与被动调节预热液流量，对热源换热能力连续调节，稳定控制热源温度。所述热控方法包含如下单个模式或多个模式的组合：

32、开启模式：低温下处于有对流的高水平传热。环境温度或热源温度低于相变温度时，相变材料凝固，弹性软管完全打开，此时预热液流量最大，对热源进行热通量最大的预热；

33、关闭模式：高温下处于无对流的低水平传热；环境温度或热源温度高于相变温度时，相变材料融化，弹性软管受压闭合，此时预热液流量为零，预热效果停止；

34、自调节模式：温度自适应时传热能力在高水平和低水平之间转换。热调节器通过流量-温度自适应控制实现开启和关闭模式之间的连续控制，预热液流量受热源温度调节增大或减小，热对流随之增强或减弱。

35、本发明的有益作用体现在，与现有热开关相比,具有如下优点：

36、（1）相比于主动式热开关，结构和组装简单，无传感器，动作驱动装置等主动部件，减少了发生故障的可能并降低了成本并可节约泵工。

37、（2）相比于活塞式的被动热开关，浸没式热调节器无机械运动部件，减少了发生液态物质渗漏的可能性。

38、（3）相比于开合式热开关，解决了电池与散热器桥接的问题，可以实现导热能力的连续调节，使热源的工作温度更加稳定。

39、（4）由于利用了相变材料，本热调节器更好的储热能力，能够在低温环境下为电池提供热量，保持最佳工作温度。

40、（5）本发明的两种冷却调节器和预热调节器，可分别适用于高温地区和极寒地区，均可使电池在最佳温度区间内工作。