CN214589018U - 基于过冷相变材料的被动式电池热调节器、热管理系统和电池组 - Google Patents

Abstract

基于过冷相变材料的被动式电池热调节器、热管理系统和电池组，包括相变模块、热开关装置，相变模块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；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。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。

Description

基于过冷相变材料的被动式电池热调节器、热管理系统和电 池组

技术领域

本实用新型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。

背景技术

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。

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15-35℃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。

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。

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。

本实用新型基于过冷相变材料的特殊性能，发明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。

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。

中国专利申请CN110416658A，公开了一种带有温控热开关的热管-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。

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。

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。

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。

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。

实用新型内容

本实用新型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。

技术方案如下：

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、辅助换热装置，其特征在于：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，所述热开关装置随过冷相变模块中过冷相变材料温度变化时的体积变化移动，使过冷相变材料与辅助换热装置中的冷板接触或分离。

优选为：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；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。

优选为：所述热开关装置包括活塞和回复机构；所述回复机构可以为数个将冷板和活塞连接的弹簧组成的弹簧回复机构，在回复机构完全压缩时，弹簧被压缩，冷板与活塞完全贴合，当回复机构完全回复位置时，弹簧伸长，冷板与活塞分离。

优选为：所述冷板、活塞与电池外壳之间围成的空腔可由空气、液体材料进出，当活塞与冷板分离时形成气体或液体填充层；所述冷板中间布置供冷却液流动的循环回路，所述回路为纵向均匀排列一系列的横截面为圆形的直线型管路。

优选为：所述活塞在接触相变材料的一侧带有翅片，以增强相变材料与活塞的换热，或所述冷板上固定翅片，一方面通过活塞的移动距离来改变翅片在接触相变材料的一侧的高度，增强冷板与相变材料的换热，另一方面减小活塞表面积，在相变材料膨胀较小时增加活塞行程以分离冷板和相变材料。

优选为：所述活塞和冷板上均带有翅片。

优选为：所述冷板与所述回复机构中的弹簧连接处留有凹槽，在相变材料受热体积膨胀时压缩弹簧使活塞完全接触冷板，接触部位加装有柔性导热垫片以实现冷板与活塞的紧密接触。

优选为：所述过冷相变模块的过冷相变材料可以使用具有过冷度的材料五水合硫代硫酸钠，使熔化温度接近电池工作温度上限，凝固温度接近电池工作温度下限。

本实用新型还公开一种采用基于过冷相变材料的被动式电池热调节器的热管理系统，包括所述的基于过冷相变材料的被动式电池热调节器。

本实用新型还公开一种电池组，包括电池热管理器，其特征为：所述电池热管理器包括上述的采用基于过冷相变材料的被动式电池热调节器的热管理系统。

本发明有如下有益效果：

(1)利用过冷相变材料凝固熔化(潜热的充放热)过程温度不一致，实现电池温度上下限(电池工作温度区间)第一重被动控制。本发明所采用的相变材料，具有较大的过冷度，熔化点和凝固点相差较大(如五水合硫代硫酸钠(Na2S2O3·5H2O))。因此，能够在电池温度接近或超过最适工作温度区间上限时熔化吸热，利用熔化吸热过程使电池温度保持稳定不至于过热；能够在电池温度接近或低于最适工作温度区间下限时凝固放热，利用凝固放热过程使电池温度保持相对稳定(温度不变，升高或降温速度缓慢)不至于低于电池工作温度下限。通过相变材料过冷度来保证电池工作温度区间，保持电池充放电性能。

(2)利用过冷相变材料的体积变化特别是在凝固点熔点体积变化显著的特性驱动热开关实现温度上下限(电池工作温度区间)第二重被动控制。当电池温度过高时，相变材料完全熔化，体积膨胀，使活塞触碰冷板贴合，热开关闭合，由冷板进行辅助换热。过冷相变材料在电池温度升高趋势下起到在一定时间内将热能吸收并保持电池温度稳定的作用，热开关实现进一步吸收热能和稳定温度的作用。当温度下降到凝固点时，相变材料凝固，体积收缩，活塞与冷板分离，热开关断开，通过气/液填充层避免与冷板的接触实现保温。过冷相变材料在电池温度降低趋势下起到在一定时间内将热能放出并保持电池温度相对稳定的作用，热开关实现进一步放出热能和保持温度的作用。相变材料储存的潜热和显热热量可在调节过程中最大程度的释放给电池。

(3)在电池运行温度升高(大功率充放电)后过冷相变材料高温下存蓄了电池运行过程中过多放热量，可在电池温度过低时(环境温度较低，电池不工作或低功率充放电时)释放出来用于电池温度保持。与采用相变材料的电池热管理类似，与空冷和液冷相比，本发明利用了相变材料所具有的较大的潜热，一方面通过吸收和释放热量帮助维持电池温度区间稳定，另一方面，通过实现潜热和显热储热，不需要消耗额外的能量用于低温下电池加热，实现了电池耗散热能的二次利用。

(4)同时，本发明中采用的翅片换热结构具有双重作用，其一，热开关闭合过程中，翅片加大了相变材料换热的接触面积，深入相变材料内部的翅片也使内层相变材料能够参与换热，快速释放热量，能够提高相变材料与冷板间的换热性能；其二，热开关打开过程中，翅片等结构可以调整相变材料与活塞移动区域的接触面积，从而调整体积变化引起的活塞行程，在翅片等结构占比较大时行程较长，能够使低温冷板与较热的相变材料相距更远，形成更厚的气/液填充层，能够提高相变材料与冷板间的保温性能。事实上，翅片结构是对热开关开关比这一参数的重要调控手段，一些本身固液相变体积变化不足难以实现热开关动作的材料可通过翅片结构配合增强移动行程，起到热开关的作用。

附图说明

图1为本申请实施例1所提供的热开关的外形结构图；

图2A为图1所示结构，当翅片固定于活塞上时的侧视剖面图；

图2B为图1所示结构，当翅片固定于冷板上时的侧视剖视图；

图3为图1所示结构的俯视剖面图；

图4为图1所示翅片对等效导热系数和活塞行程的影响；

图5：(a)为过冷相变材料凝固和融化曲线；(b)为过冷相变材料的体积变换曲线；

图6A为过冷相变材料热调节器工作过程，包括电池升、降温时的温度曲线；

图6B为非过冷相变材料热调节器工作过程，包括电池升、降温时的温度曲线；

图7为辅助换热装置冷却液循环回路；

图8为实施例2的外形结构图；

图9为实施例3多层相变材料结构剖视图；

图10为实施例4锂离子电池组剖视图；

图11为实施例5的冷板中冷却回路图；

附图标记：

10-外壳用来固定和支撑电池组及其周围的相变材料

20-辅助换热装置当热量缓冲件的潜热被完全利用后进行辅助换热

201-冷板内有孔道，冷却液在其中流通

202-冷却液优先选取比热容较大粘度较小的液体如水

203-冷却液循环回路冷却液换热流通的回路

2031-储液槽储存冷却液的区域

2032-水泵为冷却液循环回路提供动力的部件

2033-节流阀调节冷却液流量与流速、

2034-空气冷却装置将冷却液中含有的热量散发到环境中

30-锂离子电池可选用方型或圆柱型电池

301-锂离子电池组可由多个圆柱型或方形电池构成

40-热开关装置调节气/液填充层的厚度来调节等效导热系数

401-活塞在相变材料体积变化带动下移动，接触冷板或与冷板分离

4010-有翅片无孔的活塞本体增强辅助换热效果

4011-无翅片无孔的活塞本体增大相变材料储存空间

4012-无翅片有孔的活塞本体活塞上的孔与固定于冷板的翅片相配合

4013-固定于活塞的翅片增大活塞与相变材料接触面积从而增强换热

4014-固定于冷板的翅片增强冷板与相变材料换热，并增加活塞行程长度

402-空气填充层空气填充的区域，在空气调节器处于断开状态时隔离冷板和活塞，起到保温作用

403-回复机构可以为弹簧等，用以联结活塞和冷板，并通过控制两板的间距来控制空气填充层厚度

50-过冷相变模块存放相变材料的区域

501-多层相变储能材料多层结构储存相变材料的区域

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

具体实施方式

下面通过具体的实施例并结合附图对本申请做进一步的详细描述。可以理解的，电池组 30、外壳10、热开关装置40、辅助换热装置20和过冷相变模块50等的配合形式多种多样，下面列举几种综合效果比较理想的形式，当然，三者之间的配合形式并不局限于以下列举的几种。

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、热开关装置和辅助换热装置，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。过冷相变材料的作用，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。

所述过冷相变模块包裹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，所述辅助换热装置包括有冷板。活塞及回复机构随相变材料温度变化时的体积变化移动，使过冷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。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，所属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。

所述辅助换热装置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。

所述外壳即包裹每个电池单体或电池组外侧的罩盖状部分，电池单体或电池组由电池固定装置与外壳之间固定。

所述回复机构可以为数个将冷板和活塞连接的弹簧组成的弹簧回复机构。在回复机构完全压缩时，弹簧被压缩，冷板与活塞完全贴合；当回复机构完全回复位置时，弹簧伸长，冷板与活塞分离。

所述冷板、活塞与外壳之间围成的空腔可由空气或其他气、液材料进出，当活塞与冷板分离时形成气体或液体填充层。

所述活塞在接触相变材料的一侧可带有翅片，以增强相变材料与活塞的换热；亦可将翅片固定在冷板上，一方面通过活塞的移动距离来改变翅片在接触相变材料的一侧的高度，增强冷板与相变材料的换热，另一方面减小活塞表面积，在相变材料膨胀较小时增加活塞行程以分离冷板和相变材料；亦可结合上述特征在活塞和冷板上均带有翅片。

所述过冷相变模块可包括一种或多种相变材料，分布在由外壳与翅片和活塞组成的密闭空间内。

所述冷板中间布置供冷却液流动换热的流道，可为纵向均匀排列一系列的横截面为圆形的直线型管路。

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。

所述冷却液选用沸点低的水、乙二醇与水的混合液等流体。

所述冷板与所述弹簧连接处留有凹槽，在相变材料受热体积膨胀时压缩弹簧使活塞完全接触冷板，接触部位加装有柔性导热垫片以实现冷板与活塞的紧密接触。

所述活塞可具有一定厚度或密封结构，确保当活塞紧贴冷板时相变材料不向外泄漏。

所述过冷相变模块的相变材料可以使用具有过冷度的含水化合物和糖醇类化合物等，如五水合硫代硫酸钠、三水合醋酸钠、三水合硝酸锂，使熔化温度接近电池工作温度上限，凝固温度接近电池工作温度下限，也可以使用具有类似特征的复合相变材料。

所述相变材料可以填充于泡沫骨架中，泡沫骨架由金属或非金属材料制成。

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。

所述外壳、翅片及活塞，其特征在于，由具有高导热能力的不锈钢、铜铝合金和碳材料等制成。

实施例1：

如图1所示，本申请实施例提供了一种被动式热调节器装置，该热调节器装置可以通过对电池组30产生的热量的储存和释放，实现将电池组的温度控制在合理的温度工作区间，其中包括外壳10、过冷相变模块50、辅助换热装置20和热开关装置40。

图2A展示了当翅片4013固定于活塞本体4010上时、图1所示装置的侧视剖面结构。图 3所示为图1、图2A所示装置的俯视剖面图。该电池组配有由刚性外壳形成的电池组外壳10，该刚性外壳由铜或其他导热性良好的金属构成，目的是封闭锂离子电池组并确保电池组和其热传导具有机械支撑，同时增强与环境的自然对流换热强度。锂离子电池30固定于外壳内侧，冷板201固定于外壳一侧，与热开关装置20同侧安装，且冷板201与活塞401之间具有供空气的流入和流出通道或腔室。而活塞401与外壳201之间构成容纳过冷相变模块50的腔室，使相变材料填充于锂离子电池与外壳201、活塞401之间。活塞401上包括有翅片4013，通过一体成形或焊接等方式固定于活塞本体4010。

如图2A，热开关装置40中，活塞401上带有翅片4013的一侧与过冷相变模块50相接触，通过翅片4013增大与相变材料的接触面积，从而增强热量储存件与外界的换热能力，选用铜、铝等具有较好导热性的材料制作活塞401。回复机构403一端与活塞401固定，另一端与冷板201固定。冷板201与回复机构403联结处有凹陷结构，弹簧被压缩时完全进入冷板凹陷结构中，保障压缩弹簧后活塞本体4010与冷板201能够紧密贴合。可选的，活塞 401外侧可以贴一层刚性或柔性导热垫片，用于减小完全闭合时与冷板201之间的接触热阻。在凝固过程中，弹簧伸长并迫使相变材料50沿活塞401移动方向进行体积变化。冷板201 与带翅片的活塞401中的空气层402的厚度同样发生变化，通过外壳10上部未与冷板201 联结的部分将空气吸入和排出。带翅片4013的活塞401具有足够厚度，活塞401与外壳10 接触区域应采用合理的密封方式，保证活塞401与外壳10紧密贴合，如采用压缩环和密封圈等，确保相变材料50处于液态时不会产生漏液现象，也确保外界空气不会漏入相变储能材料区域。

图2B展示了当翅片4014固定于冷板201上时、图1所示装置的侧视剖面结构。图3所示为图1、图2B所示装置的俯视剖面图。图2B的翅片4014固定在冷板201上，此时活塞本体4012上开一些横孔与冷板201上的翅片4014形成紧密的配合关系并密封。当过冷相变材料50未开始融化时，活塞4012与翅片4014顶端齐平，翅片4014的顶端与相变材料接触而与侧壁未接触；当过冷相变材料50开始融化后，随着活塞4012的移动，翅片4014的顶端与两侧同时开始与过冷相变材料50换热；随着移动距离的增大，侧壁与相变材料接触面积也随之增大，换热效果逐渐提升；当活塞401与冷板201贴合时，即翅片4014的侧壁完全与过冷相变材料50接触后达到最大值。由于冷板翅片翅片4014本身占据一定体积，使得活塞4012表面积变小，可使过冷相变材料50体积变化时活塞4012的移动距离增加，能够在较低的膨胀率下更好地实现热开关分离冷板201和相变材料50的作用，在断开时实现更好的保温性能，翅片4014增强换热和活塞行程的功能如图4所示。

过冷相变模块50由具有过冷度的相变材料制成，因此可以在较高温度储存电池组30 工作产生的热量，并在较低温度释放所存储的热量。例如本发明例举的相变材料为五水合硫代硫酸钠，其化学式为Na2S2O3·5H2O，其各项物理性质如下表所示。

相变材料	五水合硫代硫酸钠
		导热系数	0.57w/(m·℃)
潜热	209J/g
		固体密度	1730kg/m<sup>3</sup>
液体密度	1665kg/m<sup>3</sup>
		熔点	48.5℃
凝固点	25-30℃之间

电池组的热管理需要在电池升温和降温两种情况下将电池的温度控制在合理的区间，如果相变材料的相变温度只有一个，那么只能控制电池温度的上限或下限，或在温度上下限之间的某一温度相变利用自身潜热蓄热起到热缓冲的作用，并不能同时满足上下限温度限制的控制要求。如前所述，本发明的核心创新点，在于利用大过冷度相变材料结合热开关对电池温度实现上下限控制。对本实施例而言，综合电池工况，控制工作温度上限在40℃-50℃之间，工作温度下限在25℃-30℃之间。为了将温度控制在该范围内，所选用的五水合硫代硫酸钠等材料应具有较高的熔点和较低的凝固点两个相变温度(大过冷度)，可以实现在不同温度的情况下实现潜热热量的储存与释放，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，确保电池处于合适的温度工作区间。图5所示为过冷相变材料凝固和融化过程中体积、温度的变化曲线；

实现过冷相变模块50可以通过热开关装置40与辅助换热装置20进行热量交换。即，电池组30产生的热量可以通过过冷相变模块50传递到辅助换热装置20上。热开关装置包括带翅片的活塞401、空气填充层402和回复机构403。由表和图5中数据可以看出，五水合硫代硫酸钠在相变的过程中存在明显的体积变化，由此我们可以利用体积的变化实现热开关装置40在打开和闭合状态的切换，进而调节电池到冷板201之间等效导热系数。如图4所示，在设计中，也可通过翅片结构和占比设计实现相变材料的接触面积、活塞全行程的移动距离的调整，以产生更好的换热或隔热效果。

为进一步说明本实施例的作用和效果，图6A表示了本发明电池组30温度升高和温度降低的过程。如图6A所示，起始时刻温度较低，五水合硫代硫酸钠相变材料处于固态，热开关装置40处于断开状态，当电池组30从较低温度开始，经历充放电过程释放热量，温度升高时，固态五水合硫代硫酸钠吸收热量，温度随之上升，至熔点温度49℃开始熔化，此时电池继续释放热量，被相变材料潜热吸收，但电池和相变材料温度保持不变。熔化过程中相变材料体积膨胀，带翅片的活塞401开始移动，逐渐与冷板201贴合，热开关装置40处于闭合状态，此时辅助换热装置20充分起到冷却作用，通过冷板内的冷却液将继续产生的热量带走，从而控制电池和相变材料的温度不超过上限。如图6A所示，电池组30处于较高温度状态，五水合硫代硫酸钠相变材料处于液态，热开关装置40处于闭合状态，外界环境温度较低，此时停止电池工作，电池和液态五水合硫代硫酸钠温度逐渐下降，到25-30℃之间，液态五水合硫代硫酸钠开始凝固过程，逐渐释放潜热，但相变材料和电池温度维持在25-30℃不变，直至潜热耗尽，温度开始进一步下降。凝固过程中相变材料体积收缩，带翅片的活塞 401开始移动，逐渐脱离冷板201，热开关装置40处于断开状态，冷板与活塞之间形成空气层402起到保温作用，尽可能延缓相变材料潜热释放速度，维持电池组温度不低于工作温度下限更长时间。图6B所示为采用不具备大过冷度特征的普通相变材料时，机械式相变热开关的效果。可以看到，由于相变点为恒定温度，凝固或熔化过程只能利用潜热起到热缓冲的作用，无法实现电池温度上下限的控制过程。采用过冷相变热开关后，熔点形成工作温度上限控制，凝固点形成工作温度下限保持能力，从而将电池工作温度控制在合理区间，该特征也是本发明区别于以往专利的主要特点。

上述电池组热开关装置工作时，相变材料在电池温度变化时储存或释放热量，产生缓冲的作用，防止电池组在短时间内温度产生较大的变化。因此，在过冷相变模块50、热开关装置40，和辅助换热装置20的帮助下，电池组30温度变化更加平缓，从而将电池组30的性能维持在最佳状态，延长电池使用寿命。同时，相变材料起到了存储热量的作用，维持电池温度高于工作温度下限所需热量来自于电池本身的热耗散，从而起到了节能的作用。

图7展示了辅助换热装置20的可选的流通回路。辅助换热装置20由夹在电池外壳中间的冷板201、冷板内流动的冷却液202、冷却液循环回路203构成。冷却液循环回路203包括储液槽2031，泵2032，节流阀2033，空气冷却装置2034。储液槽2031用于储存冷却液，泵2032提供整个冷却液循环回路的动力，使冷却液能够持续在回路中流通。节流阀2032用于调节液体的流量与流速，使其能够满足不同程度的换热需求。空气冷却装置2033可由若干个风扇组成，其作用为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，此部分亦可以利用动力电动汽车在行驶中产生的迎面风速来实施。

图7中实线箭头表示冷却液202流通方向，虚线箭头表示热量传递方向。辅助换热装置 20的工作过程为：冷却液202由水泵2032从储液槽2031中抽出，进入冷却液循环回路203 中，通过节流阀2033来控制冷却液的流量与流速，冷却液随后进入冷板201中的孔道与过冷相变模块50进行换热。将电池组产生的多余热量通过与冷却液对流换热的方式吸收后，冷却液进入空气冷却装置2034中，通过与空气的对流换热来将热量散发到环境中。最终冷却液流入储液槽中，形成封闭式的循环回路。

实施例2

本实施例提供一种被动式热调节器装置,其结构与实施例1基本相同,不同之处在于：如图 8所示，将热开关装置40中的带翅片的活塞401改为不带翅片的活塞4011结构。翅片的设计可以增大换热面积，增强换热效果，但会减少过冷相变模块50的空间。改为不带翅片的活塞4011可以增大过冷相变模块的储存空间从而储存更多的过冷相变模块，能够储存更多的热量，增大能量的存储能量，延长电池升温时间。

实施例3

本实施例提供一种被动式热调节器装置,其结构与实施例2基本相同,不同之处在于：如图9所示，将过冷相变模块50改为多层相变储能材料501的组合。多层相变储能材料501 可包括：具有过冷度的相变材料，如五水合硫代硫酸钠层、三水合醋酸钠层、三水合硝酸锂层等，有助于不同凝固-熔化电池工作温度控制范围的实现；体积变化较大的相变材料，如不饱和脂肪酸(月桂酸)层等，有助于相变过程中体积产生较大变化；具有较大潜热的相变材料，如脂肪烃类、聚多元醇类、聚烯醇类等有机固-液相变材料(石蜡)层等，有助于通过相变潜热储存更多热量；高导热率的相变材料，如添加石墨，泡沫金属等的复合相变材料等，有助于加强热量的传递。

实施例4

本实施例提供一种被动式热调节器装置,其结构与实施例1基本相同,不同之处在于：如图 10所示，将数个圆柱形电池或方形电池组成电池组301，可对电池组采用相同的基于过冷相变材料的被动式电池热开关。

实施例5

本实施例提供一种被动式热调节器装置,其结构与实施例1基本相同,不同之处在于：如图11所示，将辅助换热装置20中的冷板201多孔道改为单出入口U型孔道。冷却液在多孔道中流动可以产生很好的换热效果，但这也需要较大的流量，因此也会消耗更多的能量。由于流程较短，因此单位质量的冷却液吸收的热量较少。单出入口U型管道将流体流动的流程延长，减少了冷却液的流量，因此单位质量冷却液可以吸收更多的热量，能够更加发挥更高效的换热作用。

实施例6

本实施例提供一种采用基于过冷相变材料的被动式电池热调节器的热管理系统，包括上述基于过冷相变材料的被动式电池热调节器。

实施例7

本实施例提供一种电池组，包括电池热管理器，其特征为：所述电池热管理器包括实施例6中采用基于过冷相变材料的被动式电池热调节器的热管理系统。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (9)

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、辅助换热装置，其特征在于：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，所述热开关装置随过冷相变模块中过冷相变材料温度变化时的体积变化移动，使过冷相变材料与辅助换热装置中的冷板接触或分离。

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，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；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。

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，其特征为：所述热开关装置包括活塞和回复机构；所述回复机构为数个将冷板和活塞连接的弹簧组成的弹簧回复机构，在回复机构完全压缩时，弹簧被压缩，冷板与活塞完全贴合，当回复机构完全回复位置时，弹簧伸长，冷板与活塞分离。

4.根据权利要求3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：所述冷板、活塞与电池外壳之间围成的空腔能够使空气、液体材料进出，当活塞与冷板分离时形成气体或液体填充层；所述冷板中间布置供冷却液流动的循环回路，所述回路为纵向均匀排列一系列的横截面为圆形的直线型管路。

5.根据权利要求3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：所述活塞在接触相变材料的一侧带有翅片，或所述冷板上固定翅片，或所述活塞和冷板上均带有翅片。

6.根据权利要求3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：所述冷板与所述回复机构中的弹簧连接处留有凹槽，在相变材料受热体积膨胀时压缩弹簧使活塞完全接触冷板，接触部位加装有柔性导热垫片以实现冷板与活塞的紧密接触。

7.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，其特征为：所述过冷相变模块的过冷相变材料为具有过冷度的材料五水合硫代硫酸钠，使熔化温度接近电池工作温度上限，凝固温度接近电池工作温度下限。

8.一种采用基于过冷相变材料的被动式电池热调节器的热管理系统，其特征为：包括权利要求1-7任一所述的基于过冷相变材料的被动式电池热调节器。

9.电池组，包括电池热管理器，其特征为：所述电池热管理器包括如权利要求8所述的采用基于过冷相变材料的被动式电池热调节器的热管理系统。

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