一种基于水合盐复合材料的全温域电池热管理方法及装置

本发明涉及电池热管理与热安全，特别涉及一种基于水合盐复合材料的全温域电池热管理方法及装置。

背景技术：

1、锂离子电池作为电动汽车及储能系统中应用最广泛的电池，其工作效率、安全性能和循环寿命受到广泛的关注。通常，锂离子电池对工作温度极其敏感，最佳工作温度在15～35℃之间，温度过低或过高都会导致电池性能下降、容量损耗，甚至会威胁电池的安全性，高温下还可能引发热失控；同时，锂离子电池内部温度分布不均匀也会进一步降低电池容量、影响循环寿命。因此，高效的电池热管理系统是保证锂离子电池长期、安全、高效运行的关键手段。

2、现有技术中，动力电池与储能电池的热管理系统在结构上相近，目前主要有空冷、液冷、相变材料冷却、热管冷却等。其中，相变材料冷却作为一种被动式冷却技术，无需附加供能，系统简单紧凑，受到了越来越广泛的关注。在相变材料中，水合盐材料作为一种无机相变材料，较常用的有机相变材料具有阻燃性好、价格较低、潜热较高等优点，作为一种热化学吸附材料在热化学储热技术中具有储热密度高、储热体积小、热损失小和环保等优点，因此，水合盐材料同时具有相变储热和热化学储热的能力，可以高效的进行热量储存与释放，满足锂离子电池热管理与热安全防护的需求。

3、当前，通过探索，人们已经提出了多种使用相变材料冷却技术对电池进行热管理的方法和系统：

4、如公开(公告)号为cn113097599a的中国专利申请公开了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，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。

5、公开(公告)号为cn110551485a的中国专利申请公开了一种水合盐相变储能材料及其制备方法、电池热管理系统，所述储能材料由以下原料制成：40～90％的水合盐，0～15％的温度调节剂，1～5％的成核剂，0～2％的增稠剂，9～38％的多孔吸附基质。制备方法包括步骤：(1)将温度调节剂与水合盐混合均匀，得混合物；(2)加热使混合物熔化；(3)搅拌均匀步骤(2)所得混合物，得到熔融态混合物；(4)将增稠剂、成核剂加入熔融态混合物持续搅拌至均相；(5)将步骤(4)所得均相混合物加入到多孔吸附基质中，持续搅拌至混合物完全吸附至多孔基质中；(6)冷却凝固。本发明具有双温段控温能力，实现全温程范围内对电池组的温度调控，提高电池组使用性能和寿命的同时，提高其安全性。

6、公开(公告)号为cn112552880a的中国专利申请公开了一种相变储能材料，由以下原料制成：无机水合盐、防过冷剂、成核剂、聚丙烯酸钠和多孔吸附基质，包括以下步骤：把无机水合盐和防过冷剂放置在一起，搅拌混合，制得水合无机盐溶液。该相变储能材料及热管理系统，通过具有双温度段的控温能力，解决了相变石蜡单一控温的能力缺陷，能更全面地实现对电池组的温度调控，在其制备过程时加入防过冷剂及聚丙烯酸钠；其中，防过冷剂可以有效地防止水合无机盐相变材料在进行相变过程时出现的过冷现象，而聚丙烯酸钠具有增稠作用，可以使水合无机盐相变材料在进行多次循环后还能保持相变材料的均匀性，有效地避免水合无机盐相变材料的相分离及分层现象。

7、公开(公告)号为cn113372884a的中国专利申请公开了一种膨胀石墨复合无机水合盐相变材料及其制备方法，涉及热交换或储热的材料领域，该制备方法由以下原料组成：无水乙醇、表面活性剂、膨胀石墨和无机水合盐；具体包括，先用无水乙醇溶解表面活性剂，再利用表面活性剂亲水亲油的特征，改性膨胀石墨的亲水力，最后，用改性膨胀石墨以真空超声方法封装无机水合盐，即得。整体制备方法工艺简单，封装高效，应用方便，操作过程无安全隐患，适合规模化工业生产制备。所得复合相变储能材料具有高储热容量，可广泛应用于太阳能储存、建筑温度调控、动力电池热管理、采暖、工业废热利用、电子器件散热等领域。

8、但在现有利用相变材料冷却技术对电池进行热管理的方法和系统中通常存在如下缺陷：

9、第一，单独使用相变材料冷却技术对电池进行热管理时通常存在温控范围有限，无法在全温段对电池进行有效的热管理、抑制热失控的缺陷；但在实际使用过程中，电池经常会处于低于0℃、甚至-10℃的低温和高于40℃、甚至60℃的高温环境中，这些环境温度都远远超出电池的正常工作范围，但使用相变材料冷却技术却无法对电池进行有效的热管理；

10、第二，为克服相变材料冷却技术的缺陷，若将相变材料冷却技术与其他冷却手段耦合，又会大幅增加系统的复杂性和成本；

11、第三，电池间的温度均匀性差，也会降低电池容量、影响循环寿命。

技术实现思路

1、本发明设计出一种基于水合盐复合材料的全温域电池热管理方法及装置，以实现对电池进行全温域热管理的目的。

2、为解决上述问题，本发明公开了一种基于水合盐复合材料的全温域电池热管理方法，在进行热管理的电池外侧设置复合材料，所述复合材料包括多孔介质骨架和填充在所述多孔介质骨架中的水合盐，所述电池的最佳工作温度区间为t0～t1，其中，t0为电池最佳工作温度区间的下限温度，t1为电池最佳工作温度区间的上限温度，所述全温域电池热管理方法包括步骤：

3、s1，充放电前预热：在电池进行充放电之前，对环境温度t环进行检测，若t环＜t0，则对电池进行预热；若t环≥t0，则控制电池直接进行充放电；

4、s2，充放电过程控温：在电池进行充放电过程中，当电池温度t电池处于最佳工作温度区间t0～t1内时，对电池进行中温控温；当电池温度t电池＞t1时，通过高温吸热对电池进行降温。

5、进一步的，所述步骤s1包括：

6、s101，在电池进行充放电之前，对环境温度t环进行检测；

7、s102，对比环境温度t环和t0的相对大小，若t环＜t0，则继续执行步骤s103，若t环≥t0，则控制电池直接进行充放电；

8、s103，获取第一预设阈值t阈1，对比环境温度t环和第一预设阈值t阈1的相对大小，若t环＜t阈1，则对电池进行超低温预热；若t阈1≤t环，则对电池进行低温预热。

9、进一步的，所述步骤s103还包括：

10、当t阈1≤t环时，获取第二预设阈值t阈2，其中，t阈1＜t阈2＜t0；对比环境温度t环和第二预设阈值t阈2的相对大小，若t阈1≤t环＜t阈2，则对电池进行低温预热。

11、进一步的，所述步骤s103还包括：

12、若t环＜t阈1，则对电池进行超低温预热；并对电池温度t电池进行监测，当电t阈2≤t电池时，停止对电池进行超低温预热，转为对电池进行低温预热，直至电池温度t电池达到最佳工作温度区间的下限温度t0。

13、进一步的，在所述步骤s103中，所述超低温预热方式为对所述多孔介质骨架施加电流，通过焦耳效应将电能转换为热能对超低温环境下的电池预热；所述低温预热方式为向所述复合材料中通入空气，所述复合材料中的水合盐吸附空气中的水蒸气放热对低温环境下的电池预热。

14、进一步的，所述步骤s2包括：

15、s201，在电池进行充放电过程中，对电池温度t电池进行监测，当电池温度t电池处于最佳工作温度区间t0～t1中时，对电池进行中温控温；当电池温度t电池＞t1时，执行步骤s202通过高温吸热对电池进行降温；

16、s202，获取预设温度值t2，其中t1＜t2，判断电池温度t电池和预设温度值t2的相对大小，当t1＜t电池≤t2时，通过水合盐脱水吸热与水蒸汽逸出吸热对电池进行降温；当t电池＞t2时，通过无水盐高温相变吸热或无水盐高温热化学分解吸热对电池进行降温。

17、进一步的，在所述步骤s2中，所述中温控温通过水合盐的可逆相变进行。

18、一种基于水合盐复合材料的全温域电池热管理装置，所述全温域电池热管理装置采用上述的全温域电池热管理方法对电池进行热管理，所述电池热管理装置包括：

19、若干电池串联或并联连接的电池组；

20、包裹在电池外侧的复合材料，所述复合材料包括水合盐和多孔介质骨架，所述水合盐填充在多孔介质骨架中；

21、所述电池组设置在机柜中，所述复合材料与供电装置连接，所述供电装置能够向所述复合材料施加电流。

22、进一步的，所述水合盐为十水合硫酸钠、三水合醋酸钠、五水合硫代硫酸钠中的一种或多种；所述多孔介质骨架为膨胀石墨或泡沫金属。

23、进一步的，在所述机柜上设置开口面积可调的气孔。

24、本技术所述的基于水合盐复合材料的全温域电池热管理方法及装置具有以下优点：

25、第一，与现有的相变材料热管理方式相比，本技术通过充放电前的超低温预热、低温预热，以及充放电过程中的中温控温、高温吸热降温等方式将加热及冷却功能集于一体，使得所述水合盐复合材料具有多段控温能力，且其相变焓值与化学分解焓值较高，能量密度高，可有效的兼顾热管理与热失控防护，对电池实现了全温域范围内的电池热管理，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，抑制热失控，保证其安全运行，所述全温域电池热管理方法及装置对电池的热管理温度范围更广、适用性更强；

26、第二，与传统的空冷、液冷方式相比，本技术所述的电池热管理方法及装置结构简单紧凑，成本较低，高温吸热冷却阶段无需附加供能，可在全温段对电池进行有效的热管理、抑制热失控，高效的进行热量储存与释放；

27、第三，与现有水合盐材料热管理系统相比，本技术所述的复合材料可兼顾低温预热与高温冷却，特别考虑了不同外界环境与运行工况下的电池温度变化情况，通过机柜上的气孔面积大小控制机柜内热量与水蒸气的进出速率，进而配合调节电池组的温度与水合盐的吸附、脱附进程。

28、第五，本技术在传统多孔介质和水合盐复合材料的基础上，利用多孔介质良好的导电性与导热性，通过焦耳效应，实现了高效的电热转化，为超低温环境下的电池进行有效预热；

29、第六，利用水合盐材料的过冷相变或相变过程的热量转化，将电池维持在最佳工作温度区间内工作，并且提高了电池间的温度均匀性，同时水合盐作为一种无机材料，价格便宜、稳定性好、不易燃，可有效提升电池模组的经济性与安全性；

30、第七，通过水合盐脱水吸热与水蒸汽逸出吸热、无水盐高温相变吸热、无水盐高温热化学分解吸热等方式进行高温吸热，实现了对电池进行有效降温，抑制电池热失控蔓延的目的。