CN112955521B - 用于冷却能量包的热调节模块 - Google Patents

用于冷却能量包的热调节模块 Download PDF

Info

Publication number
CN112955521B
CN112955521B CN202180000300.8A CN202180000300A CN112955521B CN 112955521 B CN112955521 B CN 112955521B CN 202180000300 A CN202180000300 A CN 202180000300A CN 112955521 B CN112955521 B CN 112955521B
Authority
CN
China
Prior art keywords
thermally conductive
region
thermally
conductive composite
frame structure
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202180000300.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112955521A (zh
Inventor
向静
林葆喜
解来勇
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hong Kong Applied Science and Technology Research Institute ASTRI
Original Assignee
Hong Kong Applied Science and Technology Research Institute ASTRI
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from US17/152,384 external-priority patent/US12009494B2/en
Application filed by Hong Kong Applied Science and Technology Research Institute ASTRI filed Critical Hong Kong Applied Science and Technology Research Institute ASTRI
Priority claimed from PCT/CN2021/073918 external-priority patent/WO2022155987A1/en
Publication of CN112955521A publication Critical patent/CN112955521A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112955521B publication Critical patent/CN112955521B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K5/00—Heat-transfer, heat-exchange or heat-storage materials, e.g. refrigerants; Materials for the production of heat or cold by chemical reactions other than by combustion
    • C09K5/08—Materials not undergoing a change of physical state when used
    • C09K5/14—Solid materials, e.g. powdery or granular
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K5/00—Heat-transfer, heat-exchange or heat-storage materials, e.g. refrigerants; Materials for the production of heat or cold by chemical reactions other than by combustion
    • C09K5/02—Materials undergoing a change of physical state when used
    • C09K5/06—Materials undergoing a change of physical state when used the change of state being from liquid to solid or vice versa
    • C09K5/063—Materials absorbing or liberating heat during crystallisation; Heat storage materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/61—Types of temperature control
    • H01M10/613—Cooling or keeping cold
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/653—Means for temperature control structurally associated with the cells characterised by electrically insulating or thermally conductive materials
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Battery Mounting, Suspending (AREA)

Abstract

本公开描述了其中导热复合材料包括非均匀吸热分布的热反应材料的系统和方法。导热复合材料可用于热调节模块中，其梯度结构被配置为将热能从靠近热源的区域转移到具有相对较大潜热吸收能力的区域。可以在框架结构中提供导热材料，该框架结构在更靠近热源的第一区域中具有较低的孔隙率，在更远离热源的第二区域中具有较高的孔隙率。可以沉积热反应材料，使其布置在导热材料框架结构的孔隙内，其中导热复合材料的第一区域中的热反应材料的密度低于导电复合材料第二区域中的热反应材料的密度。

Description

用于冷却能量包的热调节模块
技术领域
本发明总体上涉及热调节，特别涉及用于冷却各种形式的热源(包括能量包)的热调节模块，例如用于移动机器人的能量包。
背景技术
在日常活动中，各种不同应用的装置普遍存在，它们当中都使用了能量包或需要热调节的其他热源。例如，鉴于全球电子商务和物流行业的蓬勃发展，移动机器人技术(例如，实施自动导引车(AGV)、自主移动机器人(AMR)和无人地面车(UGV)的机器人平台)越来越受到欢迎。这样的机器人平台通常利用能量包(例如，一个或多个电池单元，如可能包括锂离子(Li-ion)、磷酸铁锂(LiFePO4)或其他高能量密度的电池化学物质)为移动机器人提供驱动动力。构成能量包的能量模块可以实施快速充电技术(例如，以等于或大于电池每小时容量的速率进行充电，如图1所示的充电速率1C或2C)，以提高移动机器人的运行效率，支持24小时x 7天的运行等。但是，为了能量包的可靠性和安全性，有效的热调节可能是必要的。
如果电池(如移动机器人能量包的电池)的充电温度超过60℃的工作温度，通常会严重影响电池的性能、安全性和循环寿命。例如，当锂离子电池的温度(T)超过60℃时，锂离子电池中会发生三个阶段的连锁反应(例如，参见eTransportation，2019，1，100011，其公开内容通过引用并入本文)。在第一阶段(60℃<T<110℃)，镀锂与电解液发生反应并加热电池。在此阶段，镀锂表面上的固体电解质界面(SEI)膜不断被分解和再生，而升温速率保持相对较低。在第二阶段(热失控触发过程，110℃<T)，镀锂在与电解液的剧烈反应中大量消耗，使温度急剧上升。在此阶段，隔膜破裂，阴极和阳极相互连接。第二阶段的剧烈反应和相关的热量可能会使电池明显膨胀，往往导致电池和周围部件的物理损坏。在第三阶段(热失控发展到最高温度)，由于温度的突然升高，引发了其他反应，如阳极和电解质的反应、阳极和阴极的反应、以及阴极和电解液的反应。因此，电池达到了热失控的最高温度。第三阶段产生的反应和热量可能导致电池进一步膨胀，往往会导致电池外壳发生灾难性故障，并严重损坏周围部件。因此，能量包的热调节，特别是在快速充电操作方面，对安全和电池寿命具有重要意义。
热管理通常分为主动冷却和被动冷却。被动冷却技术利用具有各种热属性的材料来实现热增益控制。相反，主动冷却包括诸如强制空气冷却和强制液体冷却的技术，这些技术使用实施运动部件的冷却装置。
主动冷却技术的使用存在许多缺点，这使得主动冷却通常不适合许多移动机器人应用。例如，在主动冷却中利用了相对复杂的冷却装置，包括鼓风机、泵等。这些部件通常很笨重，不能很好地适合移动机器人车辆的能量模块尺寸，如AGV(例如，对于在仓库、工厂、物流中心等地作为商业取货和货运机器人使用的AGV，能量模块的尺寸可能是140mm长、75mm宽和70mm高)。此外，主动冷却部件需要额外的能量电力输入(例如，用于驱动鼓风机和/或泵)，这增加了其使用的总成本。主动式液体冷却系统可能会泄漏液体冷却剂(例如，可能导致电池短路)，这也是在某些情况下不鼓励使用主动式冷却的充分原因。
对于许多移动机器人应用(例如AGV)，被动冷却技术可能比主动冷却技术更合适。因此，已经提出了一些现有的被动冷却技术。
例如，US20170125866A1公开了一种被动冷却技术，其实现了一种由相变材料组成的均匀多孔导热材料的壳体。该壳体用于冷却整个能源模块而不是单个电池。
CN202758989U公开了一种实现相变材料和热管构造的冷却技术。该构造可使填充在电池组单个电池单元之间的间隙中以及电池组与电池盒之间的空间内的相变材料的均匀分布，其中热管的一端位于相变材料中，热管的另一端连接到冷却单元。
US20030015811A1公开了一种可用于被动冷却技术的碳泡沫散热器。碳泡沫散热器由填充有相变材料的高导热率均匀多孔碳泡沫构成，其中热能的存储和释放非常迅速。然而，多孔碳泡沫可以是导电的，由于潜在的短路风险，这通常不利于能量模块的应用。
US7316262B1公开了一种实施热吸收器的冷却技术，该热吸收器包括具有高导热率的均匀多孔的主体材料，其中存储有相变材料。置于主体材料中的相变材料基本上是均匀分布的。包裹相变材料的主体材料包括金属泡沫或石墨泡沫材料，如可能是导电的，由于潜在的短路风险而不利于能量模块的应用。
US20150236386A1公开了一种冷却技术，实现了一种具有微纤维介质与相变材料和金属片外壳的电池冷却结构。微纤维介质是导热的，并为相变材料提供快速的热传导。相变材料基本上均匀地分布在微纤维介质内。
现有的被动冷却技术通常不足以为支持快速充电至电池满电容量的能量包提供足够的热调节。作为让步，能量包的电池只能进行部分充电(例如，最多达到电池容量的70％)，然后由电池管理系统(BMS)对充电电流进行切断，以避免将电池暴露在高温下。如图2A和2B的示例所示，可以为能量包200(例如，包括7个串联电池、4个并联电池(7S4P)的配置的AGV能量包)提供快速充电(例如，充电速率：1C(10A)，电压范围：23.1-29.4V，环境温度：25℃，充电时间：60分钟)，并在多个点(例如，点P1、P2、P3、P4、和P5)监测电池温度，证明在达到完全充电状态(SOC)之前存在不可接受的高温。在图2A和2B所示的示例中，当能量包在60℃仅返回到大约70％的容量(例如，充电容量比完全SOC少大约30％)时，监测电池温度的BMS将操作以终止快速充电周期。
发明内容
本发明涉及其中导热复合材料包含非均匀吸热分布的热反应材料的系统和方法。例如，本发明实施例的导热复合材料用于提供具有梯度结构的热调节模块，该梯度结构被配置为将热能从靠近热源的区域转移到具有相对较大潜热吸收能力的区域。可以利用根据本文概念实施的导热复合材料的热调节模块来有效提供改善的冷却，尤其是关于大型能量模块中的内部区域。本发明实施例的热调节模块非常适合用于移动机器人的能量包或其他受益于快速热冷却性能的热能源。
例如，本发明实施例的导热复合材料可以包括导热材料(例如，表现出良好的导热特性并具有低线性热膨胀系数的材料)和热反应材料(例如，能够吸收、存储和释放热能的相变材料)。根据本发明实施例，导热材料可以设置在具有多个孔隙(例如，大孔和/或中孔)的骨架结构(例如，刚性框架)中，其中较低的孔隙率设置在框架结构的更靠近热源(例如，能量包的电池)的区域中，而较高的孔隙率设置在框架结构的更远离热源的区域中。
在根据实施例制备包括导热材料框架结构的导热复合材料时，可以对框架结构表面进行功能化处理，以提供化学耦合界面，从而促进导热材料颗粒的化学增强连接。例如，可以进行表面处理和耦合制备，以增强导热复合材料中一种或多种材料颗粒之间的连接。这种增强的导热连接可以稳定框架结构和/或促进热能通过实施例结构的传递。
可以沉积热反应材料，以便将其布置在导热材料框架结构的孔隙内，其中，导热复合材料的第一区域中的热反应材料的密度低于导热复合材料的第二区域中的热反应材料的密度。上述配置的导热材料和热反应材料可以提供一种具有梯度结构的导热复合材料，该梯度结构被配置为将热能传递到导热复合材料的具有相对较大潜热吸收能力的区域。例如，实施例的导热复合材料的梯度结构可以提供非均匀的吸热分布，该非均匀吸热分布被配置为将热能从靠近热源的区域转移到具有相对较大潜热吸收能力的区域。此外，根据本发明的实施例，由具有低线性热膨胀系数的导热材料提供的固体框架结构可以避免或减轻形状变形或相分离，例如在使用单纯的吸热介质的吸热过程中可能发生变形或相分离。
根据本发明的实施例，具有非均匀吸热分布的导热复合材料结合梯度框架结构中导热材料的高导热性和热反应材料的吸热能力的优点，以提供冷却效率。例如，在导热复合物中使用非均匀的、差异化的热反应材料密度，可以在靠近热源的第一区域内提供整体较高的导热率，而在远离热源的第二区域内提供总体较低的导热率。因此，根据本文的概念，热量可能不会被困在由导热复合材料构成的热调节模块的中央部分中，这可以有效地降低热调节模块的总体最高温度。例如，本发明实施例可以用于提供热调节模块，允许电池快速充电(例如，以高于1C的充电速率)，而不会使用户和设备(如AGV)面临安全风险。
前面已经相当广泛地概述了本发明的特征和技术优点，以便更好地理解下面对本发明的详细描述。下面将描述本发明的其他特征和优点，这些特征和优点构成本发明的权利要求主题。本领域技术人员应该理解，所公开的概念和具体实施例可以很容易地用作修改或设计其他结构以实现本发明的相同目的的基础。本领域技术人员还应当认识到，这种等效结构并不偏离所附权利要求书中所阐述的本发明的精神和范围。当结合附图考虑时，从以下描述中可以更好地理解被认为是本发明特点的新颖特征，包括其组织和操作方法，以及进一步的目的和优点。但是，应该清楚地理解，每个附图都只是出于说明和描述的目的而提供，并且不旨在作为对本发明的限制的定义。
附图说明
为了更完整地理解本发明，现在参考以下结合附图进行的描述，其中：
图1是显示充电倍率与充电时间的关系的图；
图2A显示一个能量包，包括7个串联电池、4个并联电池(7S4P)的配置；
图2B显示在图2A的能量包上的几个点监测的电池温度的曲线图；
图3A-3C显示由本发明实施例的导热复合材料构成的热调节模块；
图4显示由本发明实施例的导热复合材料构成的热调节模块的制备过程；
图5显示根据本发明实施例的用于提供热调节冷却块的导热模块的加工和组装操作的示例；
图6A和6B显示根据本发明实施例可以实现的改善的冷却效率的曲线图。
具体实施方式
图3A-3C显示由本发明实施例的导热复合材料构成的热调节模块。特别地，使用根据本文概念提供的导热复合材料310形成的热调节模块300。实施例的热调节模块300可以针对各种形式的热源进行利用。例如，热调节模块300可以包括就移动机器人的能量包使用的热调节冷却块的一部分，其中一个或多个热源以电池的形式存在。因此，热调节模块300的所示实施例包括空腔301，热源(如电池单元350)可以设置其中以与导热复合材料310对接，从而受益于由此提供的快速热冷却性能。例如，实施例的热调节模块300可以用于热调节冷却块配置中，允许电池快速充电(例如，以高于1C的充电速率)，而不会使用户和设备(如AGV)暴露于安全风险中。然而，应理解，热调节模块300和/或导热复合材料310不限于相对于能量包或其电池而使用，因此，可以用于其他热能源，受益于快速热冷却性能。
本发明实施例的导热复合材料310包括梯度结构，该梯度结构被配置以将热能从靠近热源的区域(例如，与腔301相邻的区域)转移到具有相对较大的潜热吸收能力的区域(例如，朝向热调节模块300的外边缘的区域)。例如，实施例的导热复合材料310包括导热材料320和热反应材料330，热反应材料被配置为非均匀吸热分布。
导热材料320可以包括一种或多种表现出良好的热能传递特性并且具有低线性热膨胀系数的材料。例如，实施例的导热材料320可以包括具有10nm-20μm的范围内的粒径的电绝缘性(电阻率>109Ω·m)、导热性(例如，>5W/(m·K))、低线性热膨胀系数(例如，<10-5/K)的材料。根据一些示例，导热材料320可以包括氧化铝(Al2O3)、氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)和/或氮化硼(BN)。
热反应材料330可以包括一种或多种能够吸收、存储和释放热能的相变材料(PCM)。例如，实施例的热反应材料330可以包括在限定的温度范围(例如，20-60℃内的温度范围)内改变相或状态的材料，例如石蜡、盐水合物和脂肪酸。根据一些示例，热反应材料330可以包括一种或多种烷烃，例如二十烷(C20H42)和/或其他吸热介质。
根据导热复合材料310的实施例，导热材料320以框架结构(例如，刚性框架)提供。例如，导热复合材料310可以形成为对应于热调节模块300的所需尺寸和形状的固体框架结构。这种由实施例的导热复合材料310构成的框架结构可以具有低的线性热膨胀系数，在热能传递操作中，可以避免或减轻热反应材料320的形状变形或相分离。
如图3A的放大部分所示，导热材料320以多孔构造提供，其中导热材料320可以容纳在多个孔中以提供导热复合材料310。例如，形成为框架结构的导热材料320可以具有多个大孔和/或中孔。
然而，根据本发明的实施例，导热材料320内的孔隙分布是非均匀的。本发明实施例的导热材料320可以包括具有梯度多孔结构的非均匀分布的孔，其中定义了较低孔隙率和较高孔隙率的区域。例如，导热材料320可以在梯度多孔结构中提供，其中较低的孔隙率设置在框架结构的更靠近热源的区域中，而较高的孔隙率设置在框架结构的更远离热源位置的区域中。如图3B(X截面图)和3C(Y对角线图)的截面图所示，导热复合材料310可以被配置成使得区域311内(例如，靠近或邻近空腔301的第一区域)的导热材料320的孔隙密度较低(例如，体积比范围为0％-50％的孔隙率，在一些示例中为1％-50％，在其他示例中为10％-50％)，并且导热材料的密度较高。相比之下，导热复合材料310可以被配置为使图3B和3C所示的区域312(例如，靠近或邻近热调节模块300的外边缘的第二区域)内的导热材料320的孔隙密度较高(例如，体积比范围在30％-100％的孔隙率，在一些示例中为30％-99％，在其他示例中为30％-80％)，且导热材料的密度较低。根据一些示例，第一区域(例如，区域311)内的导热材料320的孔隙率按体积比为10％，第二区域(例如，区域312)内的导热材料320的孔隙率按体积比为60％。
应当理解，尽管图3B和3C所示的例子显示了较低孔隙率和较高孔隙率区域之间的相对清晰的界线，但是本发明实施例可以实现梯度多孔结构的各种配置。例如，较低孔隙率和较高孔隙率之间的过渡可以是渐进的，使得在最低孔隙率区域和最高孔隙率区域之间提供明显的孔隙率变化区域。此外或替代地，根据实施例实施的梯度多孔结构可以包括不同数量的限定孔隙率区域。作为一个例子，导热复合材料310可以被配置成使得在第一区域内的导热材料320内的孔隙密度具有较低的孔隙密度，在第二区域内具有中等水平的孔隙密度，第三区域具有较高的孔隙密度。
根据导热复合材料310的实施例，沉积热反应材料330以使其布置在导热材料320的孔隙内。根据一些实施例，热反应材料330被包覆在导热材料320的大孔和/或细孔内。在导热材料320以梯度多孔结构提供的实施例中，导热复合材料310的第一区域中的热反应材料330的体积比密度低于导热复合材料的第二区域。例如，如图3B和3C的截面图所示，导热复合材料310可以被配置成使区域311内的热反应材料330的体积比密度较低(例如，包含0％-50导热复合材料的热反应材料，在一些示例中是包含1％-50％的导热复合材料，在其他示例中是包含10％-50％导热复合材料)，而区域312中的热反应材料330的体积比密度可以更高(例如，包含30％-100％导热复合材料的热反应材料，在一些示例中是包含30％-99％的导热复合材料，在其他示例中是包含30％-80％的导热复合材料)。
前述实施例的包含关于导热材料320和热反应材料330的梯度结构的导热复合材料310，被配置成将热能传递到导热复合材料的具有相对较大潜热吸收能力的区域。例如，根据实施例的梯度结构，内框架结构(例如，靠近热源)中的低孔隙率提供较多的导热材料和较少的热反应材料(例如，吸热介质)，而外框架(例如，远离热源)中的高孔隙率提供较少的导热材料和较多的热反应材料，有助于通过框架结构将热能从热源传递出去。也就是说，导热复合材料310的梯度结构可以提供非均匀的吸热分布，该非均匀的吸热分布被配置成将热能从靠近热源的区域(例如，与空腔301相邻的区域311)转移到具有相对较大的潜热吸收能力的区域(例如，朝向热调节模块300的外边缘的区域312)。实施例的这种梯度结构构造可以用于提供改进的冷却效率实施，例如关于大能量包(例如，包括多个电池的能量包)的内部区域。
图4显示制备由本发明实施例的导热复合材料构成的热调节模块的过程。特别地，图4显示了由包含导热材料420和热反应材料430的导热复合材料制成的热调节模块400的各种形成状态(例如，从俯视图示出)。例如，热调节模块400可以包括图3A-3C的热调节模块300的实施方式。类似地，导热材料420和热反应材料430可以包括图3A-3C的导热材料320和热反应材料330的实施方式。
图4所示的过程开始于从导热材料420(例如，Al2O3、Si3N4、SiC、BN等)构建导电骨架400a。例如，导电骨架400a可以包括具有由导热材料420形成的多个孔(例如，大孔和/或中孔)的框架结构(例如，刚性框架)。用于形成导电骨架400a的制造工艺可以包括导热材料420的冷压烧结，以提供导热材料的连续固体网络。用于形成实施例的导电骨架400a的其他或替代的制造工艺可以包括溶胶-凝胶法、电纺、离心、3D打印等。
本发明实施例的导电骨架400a提供一种为热调节模块建立总体形状的框架结构，以包括导热复合材料，并且该框架结构被构造成将热能从靠近热源的区域转移到具有相对较大的潜热吸收能力的区域。例如，导电骨架可以被配置为接收热源并与热源相接。因此，所示实施例的导电骨架400a包括腔体401，其形状和尺寸设计成接收热源和与热源(例如，一个或多个电池单元)相接，并为其提供热调节冷却。所示实施例的导电骨架400a还包括相对密集的导热材料420构成的外骨骼部分，诸如可以提供促进框架结构的刚度。
根据本发明的实施例，导电骨架400a包括梯度多孔结构，其中在第一区域(例如，框架结构中更靠近热源的区域，诸如围绕空腔401的区域)提供较低的孔隙率，在第二区域(例如，框架结构中离热源更远的区域，例如导电骨架的外骨骼部分附近的区域)提供较高的孔隙率。根据一些实施例，对导热材料420的一个或多个内层的冷压烧结，可以利用较高的压力在这些一层或多层的导热材料内产生较低的孔隙率(例如，0％-50％的孔隙率，在一些例子中为1％-50％的孔隙率，在其他例子中为10％-50％的孔隙率)。相应地，导热材料420的一个或多个外层的冷压烧结可以利用较低的压力在这些一层或多层的导热材料中产生较高的孔隙率(例如，30％-100％的孔隙率，在一些示例中为30％-99％的孔隙率，在其他示例中为30％-80％的孔隙率)。
在制备导热模块400的导热复合材料时，可以对导电骨架400a的框架结构表面进行功能化处理，以提供化学耦合(chemical coupling)界面，以稳定框架结构和/或促进通过导电骨架的热传递。例如，可以进行表面处理和耦合制备以增强一种或多种导热材料的颗粒之间的连接。
根据图4所示的过程，对导电骨架400a进行表面处理，以促进导电骨架420a的导热材料420颗粒的化学耦合，例如与导热材料420的其他颗粒和/或热反应材料430颗粒的化学耦合。例如，可以使用包含过氧化氢(H2O2)的表面处理，从导电骨架400a来制备框架结构的表面(羟基化/甲氧基化/甲硅烷基化表面)和功能化的导电骨架400b，其包括羟基和甲氧基化，并引入了取代的甲硅烷基。
可以根据图4所示过程进一步处理功能化的导电骨架400b，以提供导热材料420颗粒的化学耦合界面。例如，可以使用一种或多种硅烷耦合剂(如Y(CH2)nSiX3)，从功能化的导电骨架400b来制备化学耦合增强型导电骨架400c。
实施例的化学耦合增强型导电骨架400c实现了化学耦合界面，其促进了导热材料420颗粒与导热材料420的其他颗粒和/或热反应材料430的颗粒之间的持久结合。可以利用化学耦合增强型导电骨架400c提供的耦合，来提供材料颗粒的增强连接，以稳定框架结构和/或由导热复合物提供有效的热传递。
尽管前述示例描述了在构建导电骨架之后对用于形成导电骨架400a的导热材料420的材料进行表面处理，但是根据本发明实施例，在制备热调节模块的过程中，可以在不同的点执行表面处理方案的一个或多个方面。例如，在形成导电骨架400a之前，可以对导热材料420进行功能化导电材料的制备(例如，使用包含H2O2的表面处理)。另外，在形成导电骨架400a之前，可以对功能化导电材料进行功能化导电材料的处理(例如，使用一种或多种硅烷耦合剂)。
图4中所示的过程通过沉积热反应材料430以使其位于化学耦合增强型导电骨架400c的导热材料420的孔隙内来制备导热复合材料，从而形成实施例的导热模块400。例如，可以将热反应材料430注入到化学耦合增强型导电骨架400c中以填充梯度结构孔隙。根据本发明的实施例，可以加热热反应材料430以进入流体相或较低粘性相，以促进将热反应材料引入导热材料420的孔隙中。
根据本发明的实施例，包含导热复合材料(其实施梯度结构的导热材料，其中具有热反应材料)的导热调节模块，可以构成较大导热调节冷却块的一部分。例如，导热模块400可用于移动机器人的能量包，其中一个或多个热源以电池的形式存在。因此，除了图4所示的过程之外，还可以对本发明实施例的导热模块进行各种处理和/或组装操作。
图5显示本发明一些实施例的用于提供热调节冷却块的导热模块400的处理和组装操作的一个示例。在图5所示的示例中，对导热模块400进行加工以与其他导热模块集成在一起，配置(例如，成形)成模块。例如，可以通过使用计算机数控(CNC)机床或其他减法制造工艺来对导热模块400进行加工(例如，对导热模块的外骨架部分进行铣削、钻孔、车削)，得到导热冷却块单元500a，其上有一个或多个榫头(如榫头501)和/或榫眼(如榫眼502)，用于与其他导热模块的相应榫头和/或榫眼互锁对接。多个导热冷却块单元(如导热冷却块单元500a-500g等)可以被组装(例如，使用相应的榫头和榫眼互锁在一起)以形成导热调节冷却块510。
图5中所示例子的热调节冷却块510被配置用于包括多个电池的能量包。特别地，热调节冷却块510提供了7×4导热冷却块单元结构，例如可用于承载28个电池的能量包。能量包520是热调节冷却块510的一个示例，其电池布置在热冷却块单元的空腔内，因此提供了7个电池串联、4个电池并联的7S4P配置。热调节冷却块510的导热复合材料配置使用非均匀吸热分布，来提供相对于能量包电池的冷却效率，其中在梯度框架结构中提供导热材料的高导热性，而在远离电池的区域中热反应材料的吸热能力更密集。也就是说，实施例的热调节冷却块510的具有较大潜热的吸热介质和梯度结构设计，有助于提高冷却效率，特别是对于能量包520的内部电池。例如，在实施例的能量包520的工作中，热量不会在电池附近滞留，而是由导热材料传导到远离电池的地方，以便热反应材料吸收热量，使热量更密集地集中在热调节冷却块的区域，从而有效地降低调节冷却块的整体最高温度。例如，实施例的热调节冷却块510可用于允许能量包520的电池被快速充电(例如，以高于1C的充电速率)，而不会使用户和设备(如AGV)面临安全风险。
图6A和6B的曲线图显示根据本发明实施例可以实现的改善的冷却效率。具体而言，图6A的曲线图610显示了在快速充电过程中(例如1C充电速率)的模拟电池温度的比较，其中电池是通过(i)实施本发明实施例的梯度结构的导热复合材料、(ii)具有均匀多孔结构的导热复合材料、和(iii)不具有热反应材料的导热结构冷却。图6B的曲线图620显示了7S4P能量包在快速充电过程中(例如1C充电速率)的模拟电池温度的比较，其中电池(i)由具有实施本发明实施例的梯度结构的导热复合材料的热调节冷却块提供冷却、(ii)不由冷却块提供冷却。
图6A中曲线图610的曲线611显示了当使用实施本发明实施例的梯度结构的导热复合材料(使用体积比为30％的热反应材料)提供冷却时，对电池进行模拟快速充电的电池温度随时间的变化。为了比较，曲线图610的曲线612显示了当使用具有均匀多孔结构的导热复合材料(同样使用体积比为30％的热反应材料)提供冷却时，模拟快速充电的电池温度随时间的变化，曲线图610的曲线613显示了当使用不具有热反应材料的导热结构提供冷却时，模拟快速充电的电池温度随时间的变化。从曲线图610的曲线中可以看出，实施梯度结构的导热复合材料将电池温度保持在50℃以下，而具有均匀多孔结构的导热复合材料和不具有热反应材料的导热结构使电池温度超过50℃(没有热反应材料的导热结构使电池温度超过55℃)。模拟结果表明，快速充电过程中产生的热量并不是单单由导热结构吸收。相反，具有较低孔隙率的内层导热材料的导热复合材料的梯度结构产生较高的导热率区域，从而有助于更快地将热量传递至提供吸热介质的热反应材料，从而提供更有效的冷却效果。
图6B中曲线图620的曲线621显示了实施有梯度结构导热复合材料(在每个导热冷却块单元的内层中使用体积比10％的热反应材料，在每个导热冷却块单元的外层中使用体积比60％的热反应材料)的热调节冷却块的7S4P能量包在模拟快速充电时电池温度随时间的变化。为了进行比较，曲线图620的曲线622显示了在没有冷却块的情况下对7S4P能量包进行模拟快速充电时的电池温度随时间的变化。模拟结果说明，当7S4P能量包经历1C快速充电过程时，使用本发明实施例的冷却结构将电池最高温度保持在40℃以下。
尽管已经详细描述了本发明及其优点，但是应当理解，在不脱离由所附权利要求书定义的本发明的精神和范围的情况下，可以在此进行各种变化、替换和变更。此外，本申请的范围并不打算局限于说明书中描述的过程、机器、制造、物质组成、装置、方法和步骤的特定实施例。如本领域普通技术人员从本发明的公开中容易理解的那样，根据本发明，可以利用目前存在的或以后开发的与本文所述相应实施例具有基本相同功能或达到基本相同结果的工艺、机器、制造、物质组成、装置、方法或步骤。因此，所附权利要求书旨在在其范围内包括这样的工艺、机器、制造、物质组成、装置、方法或步骤。
此外，本申请的范围并不打算限于说明书中所述的工艺、机器、制造、物质组成、装置、方法和步骤的特定实施例。

Claims (18)

1.一种导热复合材料，包括：
具有多个孔隙的导热材料，其提供梯度多孔结构，所述梯度多孔结构具有较低孔隙率的第一区域和较高孔隙率的第二区域；
设置在所述多个孔隙中的热反应材料，使所述热反应材料在所述导热复合材料的所述第一区域中的密度低于在所述导热复合材料的所述第二区域中的密度；
其中所述导热材料被配置成在所述导热材料的颗粒之间和所述导热材料的颗粒与所述热反应材料之间提供化学耦合界面，来提供材料颗粒的增强连接，以稳定框架结构和/或由导热复合材料提供有效的热传递。
2.根据权利要求1所述的导热复合材料，其中所述导热复合材料在所述第一区域中的导热率高于所述导热复合材料在所述第二区域中的导热率。
3.根据权利要求1所述的导热复合材料，其中所述导热材料的热膨胀系数低于所述热反应材料的热膨胀系数。
4.根据权利要求1所述的导热复合材料，其中所述热反应材料包括烷烃，其中所述导热材料包括选自以下的材料：
氧化铝(Al2O3)；
氮化硅(Si3N4)；
碳化硅(SiC)；
氮化硼(BN)。
5.根据权利要求1所述的导热复合材料，其中所述第一区域中的孔隙率在0％-50％体积比范围内，所述第二区域中的孔隙率在30％-100％体积比范围内。
6.根据权利要求5所述的导热复合材料，其中所述第一区域中的所述热反应材料的密度在按体积比计的0％-50％范围内，所述第二区域中的所述热反应材料的密度在按体积比计的30％-100％范围内。
7.根据权利要求1所述的导热复合材料，其中所述导热材料形成为刚性框架结构，所述刚性框架结构具有配置为接收热源的空腔和相对密集的导热材料的外骨架部分，其中所述第一区域更靠近所述空腔，所述第二区域更靠近所述外骨架部分，使得所述梯度多孔结构在所述空腔附近提供较低的孔隙率，在所述外骨架部分附近提供较高的孔隙率。
8.一种形成由导热复合材料构成的热调节模块的方法，所述方法包括：
由导热材料形成框架结构，其中所述框架结构中的所述导热材料包括多个孔隙，提供具有较低孔隙率的第一区域和较高孔隙率的第二区域的梯度多孔结构；
将热反应材料沉积到所述多个孔隙中以形成所述导热复合材料，其中在所述导热复合材料的所述第一区域中的热反应材料的密度低于在所述导热复合材料的所述第二区域中的密度；
其中在沉积所述热反应材料之前，对所述框架结构的导热材料进行处理，以在所述导热材料的颗粒之间和所述导热材料的颗粒与所述热反应材料之间提供化学耦合界面，来提供材料颗粒的增强连接，以稳定框架结构和/或由导热复合材料提供有效的热传递。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述框架结构是使用选自以下的制造工艺由所述导热材料形成的：
冷压烧结法；
溶胶-凝胶法；
电纺法；
离心法；
3D打印。
10.根据权利要求8所述的方法，其中形成所述框架结构，使得所述第一区域中的孔隙率在0％-50％体积比的范围内，所述第二区域中的孔隙率在30％-100％体积比的范围内。
11.如权利要求8所述的方法，其中对所述框架结构的导热材料进行处理包括：
对所述框架结构的导热材料进行表面处理，以提供具有羟基化/甲氧基化/甲硅烷基化表面的功能化框架结构；
使用硅烷耦合剂从所述功能化框架结构制备化学耦合增强型框架结构。
12.根据权利要求8所述的方法，其中所述框架结构包括配置为接收热源的空腔和由相对密集的导热材料构成的外骨架部分，其中所述第一区域更靠近所述空腔，所述第二区域更靠近所述外骨架部分，使得所述梯度多孔结构在所述空腔附近提供较低的孔隙率，在所述外骨架部分附近提供较高的孔隙率。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括：
加工所述外骨架部分的至少一部分，以配置所述热调节器模块与一个或多个其他热调节器模块互锁对接，其中多个互锁的热调节器模块形成一个热调节冷却块。
14.一种系统，包括：
第一热调节模块，其由导热复合材料组成，其中所述导热复合材料包括：
形成框架结构的导热材料，其中所述框架结构中的导热材料包括多个孔隙，提供具有较低孔隙率的第一区域和较高孔隙率的第二区域的梯度多孔结构，其中所述框架结构包括配置为接收热源的空腔，其中所述第一区域比所述第二区域更靠近所述空腔，所述第二区域比所述第一区域更远离所述空腔，使得所述梯度多孔结构在所述空腔附近提供较低的孔隙率，而在远离所述空腔的地方提供较高的孔隙率；
设置在所述多个孔中的热反应材料，使所述热反应材料在所述导热复合材料的所述第一区域中的密度低于在所述导热复合材料的所述第二区域中的密度，其中所述第一区域中的所述热反应材料的密度在0％-50％体积比的范围内，所述第二区域中的所述热反应材料的密度在30％-100％体积比的范围内；
其中所述导热材料被配置成在所述导热材料的颗粒之间和所述导热材料的颗粒与所述热反应材料之间提供化学耦合界面，来提供材料颗粒的增强连接，以稳定框架结构和/或由导热复合材料提供有效的热传递。
15.根据权利要求14所述的系统，其中所述框架结构包括由相对密集的导热材料的外骨架部分，其中所述第二区域比所述第一区域更靠近所述外骨架部分。
16.根据权利要求14所述的系统，还包括：
多个附加的热调节模块，其中所述第一热调节模块与所述多个模块中的一个或多个热调节模块对接，以形成一个热调节冷却块。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述第一热调节模块被配置为与所述一个或多个热调节模块互锁对接。
18.根据权利要求14所述的系统，其中所述热反应材料包括相变材料，其中所述导热材料的热膨胀系数低于所述相变材料的热膨胀系数。
CN202180000300.8A 2021-01-19 2021-01-27 用于冷却能量包的热调节模块 Active CN112955521B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US17/152,384 US12009494B2 (en) 2021-01-19 Thermal regulatory modules useful for cooling energy packs
US17/152,384 2021-01-19
PCT/CN2021/073918 WO2022155987A1 (en) 2021-01-19 2021-01-27 Thermal regulatory modules useful for cooling energy packs

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112955521A CN112955521A (zh) 2021-06-11
CN112955521B true CN112955521B (zh) 2022-05-17

Family

ID=76233918

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202180000300.8A Active CN112955521B (zh) 2021-01-19 2021-01-27 用于冷却能量包的热调节模块

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112955521B (zh)

Citations (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1067256A (zh) * 1991-05-30 1992-12-23 辛笑 海绵载体相变保暖保冷材料
CN1935932A (zh) * 2006-09-14 2007-03-28 电子科技大学 一种高导热复合相变储能材料及其制备方法
CN100999657A (zh) * 2006-12-22 2007-07-18 华南理工大学 有机物/膨胀石墨复合相变储热材料及其制备方法与储热装置
CN102181270A (zh) * 2011-04-28 2011-09-14 华南理工大学 一种用于锂电池散热的复合相变材料及装置
CN102364747A (zh) * 2011-11-11 2012-02-29 上海鸣源新能源科技有限公司 一种基于相变材料的蓄电池温度管理系统
CN102561532A (zh) * 2011-12-16 2012-07-11 南京航空航天大学 一种功能梯度泡沫混凝土保温材料及其制备方法
CN102660230A (zh) * 2012-04-01 2012-09-12 郑德强 超导热复合相变储能材料
CN103060592A (zh) * 2013-01-11 2013-04-24 上海交通大学 渐变形貌特征的通孔金属泡沫及其制备方法和换热装置
CN103234377A (zh) * 2013-05-16 2013-08-07 上海交通大学 渐变金属泡沫基相变蓄热装置
CN205425926U (zh) * 2016-02-03 2016-08-03 中国科学院理化技术研究所 一种多级梯度相变蓄冷器
CN106497519A (zh) * 2016-09-30 2017-03-15 中国科学院深圳先进技术研究院 一种相变导热片及制作方法、多孔氧化铝骨架的制作装置
CN108291783A (zh) * 2015-11-30 2018-07-17 英沃斯私人有限公司 加热和冷却空间
CN108598614A (zh) * 2018-04-10 2018-09-28 安徽奥兹信息科技有限公司 用于汽车电池的散热管套结构
CN109880596A (zh) * 2019-02-12 2019-06-14 武汉博茗低碳产业股份有限公司 一种梯度相变储热体及其制备方法
CN111728273A (zh) * 2020-05-15 2020-10-02 深圳麦克韦尔科技有限公司 梯度多孔材料及其制备方法、雾化器和电子雾化装置

Patent Citations (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1067256A (zh) * 1991-05-30 1992-12-23 辛笑 海绵载体相变保暖保冷材料
CN1935932A (zh) * 2006-09-14 2007-03-28 电子科技大学 一种高导热复合相变储能材料及其制备方法
CN100999657A (zh) * 2006-12-22 2007-07-18 华南理工大学 有机物/膨胀石墨复合相变储热材料及其制备方法与储热装置
CN102181270A (zh) * 2011-04-28 2011-09-14 华南理工大学 一种用于锂电池散热的复合相变材料及装置
CN102364747A (zh) * 2011-11-11 2012-02-29 上海鸣源新能源科技有限公司 一种基于相变材料的蓄电池温度管理系统
CN102561532A (zh) * 2011-12-16 2012-07-11 南京航空航天大学 一种功能梯度泡沫混凝土保温材料及其制备方法
CN102660230A (zh) * 2012-04-01 2012-09-12 郑德强 超导热复合相变储能材料
CN103060592A (zh) * 2013-01-11 2013-04-24 上海交通大学 渐变形貌特征的通孔金属泡沫及其制备方法和换热装置
CN103234377A (zh) * 2013-05-16 2013-08-07 上海交通大学 渐变金属泡沫基相变蓄热装置
CN108291783A (zh) * 2015-11-30 2018-07-17 英沃斯私人有限公司 加热和冷却空间
CN205425926U (zh) * 2016-02-03 2016-08-03 中国科学院理化技术研究所 一种多级梯度相变蓄冷器
CN106497519A (zh) * 2016-09-30 2017-03-15 中国科学院深圳先进技术研究院 一种相变导热片及制作方法、多孔氧化铝骨架的制作装置
CN108598614A (zh) * 2018-04-10 2018-09-28 安徽奥兹信息科技有限公司 用于汽车电池的散热管套结构
CN109880596A (zh) * 2019-02-12 2019-06-14 武汉博茗低碳产业股份有限公司 一种梯度相变储热体及其制备方法
CN111728273A (zh) * 2020-05-15 2020-10-02 深圳麦克韦尔科技有限公司 梯度多孔材料及其制备方法、雾化器和电子雾化装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN112955521A (zh) 2021-06-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7340935B2 (ja) 車両内でバッテリを構造的に一体化するためのバッテリ構成
EP2436076B1 (en) System and method of altering temperature of an electrical energy storage device or an electrochemical energy generation device using microchannels
EP3105813B1 (en) Thermal management systems for energy storage cells having high charge/discharge currents and methods of making and using thereof
US8101293B2 (en) System for altering temperature of an electrical energy storage device or an electrochemical energy generation device using high thermal conductivity materials based on states of the device
US8715875B2 (en) System and method of operating an electrical energy storage device or an electrochemical energy generation device using thermal conductivity materials based on mobile device states and vehicle states
US10535905B2 (en) Cooling device and battery module having the same
KR101748645B1 (ko) 배터리 모듈
EP2719013A2 (en) Energy storage thermal management system using multi-temperature phase change materials
CN111196878A (zh) 现场固化轻质导热界面
US20190348726A1 (en) Electrified vehicle battery packs with improved thermal interface material distribution
CN115917841A (zh) 电池用导热分隔器结构
CN113745729A (zh) 电池的直接温度调节
CN112955521B (zh) 用于冷却能量包的热调节模块
US8802266B2 (en) System for operating an electrical energy storage device or an electrochemical energy generation device using microchannels based on mobile device states and vehicle states
WO2022155987A1 (en) Thermal regulatory modules useful for cooling energy packs
US12009494B2 (en) Thermal regulatory modules useful for cooling energy packs
US20100304259A1 (en) Method of operating an electrical energy storage device or an electrochemical energy generation device using high thermal conductivity materials during charge and discharge
KR101138541B1 (ko) 슈퍼 커패시터 모듈
Kumar et al. A Comparison of Three Strategies: Electric vehicles battery cooling strategies and use of nanomaterial for performance enhancement
EP4254608A1 (en) Battery system for use in an electric vehicle
Sura et al. 5 Increasing heat dissipation of a Li-ion battery electrode using lattice structures in cells
Victor et al. Thermal Analysis of PEM Fuel Cell and Lithium Ion Battery Pack in Confined Space
CN117355075A (zh) 一种电机控制器及动力总成
CN114823249A (zh) 冷却装置、高压盒、电池以及用电装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
REG Reference to a national code

Ref country code: HK

Ref legal event code: DE

Ref document number: 40067620

Country of ref document: HK