[发明专利]一种基于微柱阵列相变换热的电池夹层装置及换热方法

说明书

本发明涉及一种基于微柱阵列相变换热的电池夹层装置及换热方法，属于电池技术领域。本发明电池夹层装置包括锂电池组、微通道Ⅰ、微通道Ⅱ、微通道Ⅲ，微通道Ⅰ与微通道Ⅲ平行，微通道Ⅰ固定设置在锂电池组顶端，微通道Ⅲ固定设置在锂电池组底端，微通道Ⅱ固定设置在锂电池组侧端，微通道Ⅰ、微通道Ⅱ和微通道Ⅲ依次连通形成相变换热夹层，微通道Ⅰ的底面内壁均匀设置有微柱阵列Ⅰ，微通道Ⅲ的顶面内壁均匀设置有微柱阵列Ⅱ。本发明利用微柱阵列表面毛细管泵送薄膜蒸发和蒸汽冷凝在汽液相变时产生的巨大潜热进行相变传热，实现电池的快速预热(冬季)及冷却(夏季)，具有传热效率高，结构简单，体积轻便，经济实用等显著优势。

技术领域

本发明涉及一种基于微柱阵列相变换热的电池夹层装置及换热方法，属于电池技术领域。

背景技术

当今世界的能源需求很大程度上依赖石油、天然气、煤炭等化石燃料来满足。电动汽车利用电能在行驶中无废气排出、不污染环境，在世界范围内得到广泛应用。然而，极端气候对电池的充放电性能有着重要的影响，低温会降低电池内的电化学反应速率并显著改变电池特性，高温会破坏电池内的化学平衡导致副反应。

电池热管理系统已被广泛研究，典型的例子有：空气冷却方法，其结构简单，但冷却效率不高；液体冷却方式或基于制冷剂的冷却方式热效率较高，但组件复杂、需要额外能源；脉动热管传热能力好、成本低、导热系数高、结构简单，也因热管系统很难集成，有一定局限性。因此，高效、轻量、结构简单、易于集成、低成本的预热与冷却系统是电动汽车热管理系统综合性能优化的巨大挑战。

发明内容

本发明针对电池热管理系统中存在的问题，提出一种基于微柱阵列相变换热的电池夹层装置及换热方法，本发明基于微柱阵列表面毛细管泵送薄膜蒸发和蒸汽冷凝进行相变传热，即微柱阵列中液-气弯月界面产生毛细管力，在蒸发过程中推动液体自发流动，有助于延长液膜并延缓干燥；高温蒸汽在微柱阵列表面遇冷凝结，重力逐步去除冷凝液滴以刷新表面重新成核，增强冷凝传热性能。

一种基于微柱阵列相变换热的电池夹层装置，包括锂电池组1、微通道Ⅰ2、微通道Ⅱ4、微通道Ⅲ5，微通道Ⅰ2与微通道Ⅲ5平行，微通道Ⅰ2固定设置在锂电池组1顶端，微通道Ⅲ5固定设置在锂电池组1底端，微通道Ⅱ4固定设置在锂电池组1侧端，微通道Ⅰ2、微通道Ⅱ4和微通道Ⅲ5依次连通形成相变换热夹层，微通道Ⅰ2的底面内壁均匀设置有微柱阵列Ⅰ3，微通道Ⅲ5的顶面内壁均匀设置有微柱阵列Ⅱ6；

优选的，微通道Ⅰ2焊接设置在锂电池组1顶端，微通道Ⅲ5焊接设置在锂电池组1底端，微通道Ⅱ4通过电焊固定设置在锂电池组1侧端；

所述微柱阵列Ⅰ3与微通道Ⅰ2的底面垂直，微柱阵列Ⅱ6与微通道Ⅲ5的顶面；

所述微通道Ⅱ4垂直于微通道Ⅰ2；

所述微通道Ⅰ2与微通道Ⅲ5的长度、宽度和高度均相等；

进一步的，所述微通道Ⅰ2的长度为锂电池组1长度的1～1.1倍，宽度为锂电池组1宽度的1～1.1倍，高度为500～1000μm；所述微通道Ⅰ2和微通道Ⅲ5的间距与微通道Ⅱ4的长度匹配，微通道Ⅱ4的宽度与微通道Ⅰ2的宽度匹配，高度为500～1000μm；

所述微柱阵列Ⅰ3和微柱阵列Ⅱ6均采用亲水性双面抛光硅(100)晶片制备而成；

进一步的，所述微柱阵列Ⅱ(6)通过疏水性涂层功能化处理将粗糙的亲水表面涂覆形成超疏水表面；

所述疏水性涂层为含有疏水官能团的聚合物材料，疏水官能团为烃基或酯基；

所述微柱阵列Ⅰ3为圆柱体或方形柱结构，微柱阵列Ⅰ3的直径或边长为10～100μm，高度为微通道Ⅰ2高度的0.5～0.75倍，相邻微柱的间距为10～100μm；

所述微柱阵列Ⅱ6为圆柱体或方形柱结构，微柱阵列Ⅱ6的直径或边长为300～500nm，高度为6～10μm，相邻微柱的间距为2～10μm；