本發(fā)明涉及電池?zé)峁芾?，尤其涉及一種溫度監(jiān)測(cè)與高效降溫一體化的電池?zé)峥叵到y(tǒng)。該系統(tǒng)通過集成溫度監(jiān)測(cè)與高效降溫技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)電池溫度，并通過水凝膠的吸濕-蒸發(fā)機(jī)制實(shí)現(xiàn)高效降溫，同時(shí)配備電加熱器以應(yīng)對(duì)低溫環(huán)境，確保電池在各種溫度條件下均能安全、高效地工作。

背景技術(shù)：

1、隨著電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能系統(tǒng)及便攜式電子設(shè)備的快速發(fā)展，鋰離子電池因其高能量密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命等優(yōu)勢(shì)成為主流儲(chǔ)能載體。然而，電池在工作過程中因內(nèi)阻產(chǎn)熱、環(huán)境溫度波動(dòng)及高倍率充放電等因素，易出現(xiàn)局部過熱問題。研究表明，電池溫度每升高10℃，其循環(huán)壽命將縮短約50％，且溫度超過60℃時(shí)可能引發(fā)熱失控，導(dǎo)致燃燒或爆炸等嚴(yán)重安全事故。因此，高效的熱管理系統(tǒng)對(duì)保障電池性能、壽命及安全性至關(guān)重要。

2、目前，電池?zé)峁芾砑夹g(shù)主要分為被動(dòng)散熱與主動(dòng)散熱兩類。被動(dòng)散熱技術(shù)依賴材料自身的熱物理特性實(shí)現(xiàn)熱量吸收或擴(kuò)散，例如：

3、1.相變材料(pcm)散熱：利用相變材料(如石蠟、脂肪酸)在相變過程中吸收潛熱的特性，延緩溫升。然而，傳統(tǒng)pcm熱導(dǎo)率普遍低于0.5w/(m·k)，熱量無法快速導(dǎo)出，導(dǎo)致相變材料吸熱飽和后散熱失效，且存在泄露風(fēng)險(xiǎn)。

4、2.高導(dǎo)熱填料復(fù)合材料：通過向聚合物基體(如硅膠、環(huán)氧樹脂)中添加石墨烯、碳納米管等材料提升導(dǎo)熱性能。此類材料雖能改善熱擴(kuò)散效率，但缺乏主動(dòng)控溫機(jī)制，難以應(yīng)對(duì)突發(fā)性高發(fā)熱工況。

5、3.熱管技術(shù)：通過內(nèi)部工質(zhì)的相變循環(huán)實(shí)現(xiàn)高效傳熱，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高昂，且對(duì)安裝角度敏感，限制了在柔性或緊湊型電池包中的應(yīng)用。

6、主動(dòng)散熱技術(shù)通過外部能量驅(qū)動(dòng)強(qiáng)制散熱，典型方案包括：

7、1.強(qiáng)制風(fēng)冷：利用風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)氣流帶走熱量，但散熱效率受環(huán)境溫度影響顯著，且在密閉空間中易產(chǎn)生溫度分布不均問題。

8、2.液冷系統(tǒng)：通過循環(huán)冷卻液(如水-乙二醇)直接接觸電池表面或流經(jīng)冷板實(shí)現(xiàn)降溫，雖散熱能力強(qiáng)，但需配置泵、管路及換熱器，系統(tǒng)復(fù)雜且存在漏液風(fēng)險(xiǎn)。

9、3.半導(dǎo)體制冷(tec)：基于帕爾帖效應(yīng)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控溫，但單獨(dú)使用時(shí)制冷效率低、能耗高，需配合其他散熱手段。

10、此外，現(xiàn)有技術(shù)多采用單一散熱模式，缺乏溫度監(jiān)測(cè)與動(dòng)態(tài)調(diào)控的協(xié)同。例如，部分方案僅依賴固定閾值觸發(fā)散熱，無法根據(jù)電池實(shí)時(shí)熱負(fù)荷調(diào)整策略，導(dǎo)致能耗浪費(fèi)或控溫滯后；另一些方案雖集成溫度傳感器，但監(jiān)測(cè)點(diǎn)稀疏，難以捕捉局部熱點(diǎn)。

11、綜上所述，現(xiàn)有電池?zé)峁芾砑夹g(shù)存在以下瓶頸：

12、1.被動(dòng)散熱效率受限：材料熱導(dǎo)率與潛熱容量難以兼顧，熱量積聚問題突出；

13、2.主動(dòng)散熱能耗高：復(fù)雜的外部供能系統(tǒng)增加成本與故障風(fēng)險(xiǎn)；

14、3.監(jiān)測(cè)與調(diào)控脫節(jié)：缺乏高密度溫度感知與智能算法的協(xié)同，響應(yīng)速度與精度不足。

15、針對(duì)上述問題，亟需一種集成實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)、高效被動(dòng)吸熱與低能耗主動(dòng)散熱的智能熱管理系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控溫、快速響應(yīng)與能效優(yōu)化的多重目標(biāo)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本申請(qǐng)實(shí)施例通過提供一種溫度監(jiān)測(cè)與高效降溫一體化的電池?zé)峥叵到y(tǒng)，解決了現(xiàn)有技術(shù)中電池溫度過高導(dǎo)致性能衰減及安全隱患的問題，實(shí)現(xiàn)了電池溫度的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)與高效降溫，顯著提升了電池的壽命與安全性。

2、本申請(qǐng)實(shí)施例提供了一種溫度監(jiān)測(cè)與高效降溫一體化的電池?zé)峥叵到y(tǒng)，包括：

3、1.散熱系統(tǒng)：通過水凝膠的低溫吸水-高溫蒸發(fā)機(jī)制進(jìn)行降溫。

4、2.溫度傳感器：通常固定在電池外殼表面或內(nèi)部，用于檢測(cè)電池組的溫度，根據(jù)溫度傳感器的信號(hào)，判斷電池的實(shí)際溫度，發(fā)送控制信號(hào)，以便調(diào)節(jié)電池的溫度。

5、3.電加熱器：用于加熱電池，在低溫環(huán)境下啟用，以保證電池正常工作。

6、優(yōu)選的，所述水凝膠由pam(聚丙烯酰胺)和cacl2(氯化鈣)等原料作為吸濕材料，結(jié)合雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和納米級(jí)多孔設(shè)計(jì)，在50℃條件下自交聯(lián)制備而成。

7、本發(fā)明還提供水凝膠的制備方法，具體為：

8、步驟一：將丙烯酰胺am溶于去離子水中，并加入cacl2，攪拌后，在am-cacl2分散體中加入交聯(lián)劑，攪拌均勻后繼續(xù)加入交聯(lián)加速劑，攪拌均勻后加入熱引發(fā)劑，攪拌均勻，將溶液放入烘箱烘干，制得pam-cacl2基底膜。

9、步驟二：將丙烯酰胺am溶于去離子水中，并加入cacl2，攪拌后，在am-cacl2分散體中加入交聯(lián)劑，攪拌均勻后繼續(xù)加入交聯(lián)加速劑，攪拌均勻后加入熱引發(fā)劑，攪拌均勻，將溶液澆筑在所述步驟一制得pam-cacl2基底膜上，烘干后得到pam/cacl2雙層薄膜。

10、優(yōu)選的，所述步驟一中的丙烯酰胺和cacl2的質(zhì)量比為1.4～～3：1；步驟二中的丙烯酰胺、cacl2的質(zhì)量比為1.6～～3：1。

11、本申請(qǐng)實(shí)施例中提供的一個(gè)技術(shù)方案，至少具有如下技術(shù)效果或優(yōu)點(diǎn)：

12、1、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與精準(zhǔn)控溫：通過溫度傳感器實(shí)時(shí)采集電池溫度數(shù)據(jù)，確保監(jiān)測(cè)的及時(shí)性。控制器根據(jù)溫度傳感器的信號(hào)，智能調(diào)節(jié)散熱器和電加熱器的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)電池溫度的精準(zhǔn)調(diào)控，避免電池因溫度過高或過低而影響性能和壽命。

13、2、高效降溫：通過水凝膠的吸濕-蒸發(fā)機(jī)制，能夠在高溫環(huán)境下快速降溫。水凝膠由pam(聚丙烯酰胺)和cacl2(氯化鈣)等原料作為吸濕材料，結(jié)合雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和納米級(jí)多孔設(shè)計(jì)，在50℃條件下自交聯(lián)制備而成，具有高吸濕性和快速蒸發(fā)特性，能夠在電池溫度升高時(shí)吸收熱量，通過蒸發(fā)散熱降低電池溫度，顯著提升散熱效率。

14、3、低溫加熱：通過電加熱器在低溫環(huán)境下加熱電池，保證電池正常工作。電加熱器安裝在電池組的底部或側(cè)面，能夠在低溫環(huán)境下啟動(dòng)，確保電池在寒冷條件下仍能高效運(yùn)行，避免因低溫導(dǎo)致的性能下降或失效。

15、4、智能調(diào)控與節(jié)能：通過控制器根據(jù)溫度傳感器的信號(hào)，智能調(diào)節(jié)散熱器和電加熱器的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控溫。系統(tǒng)能夠根據(jù)電池的實(shí)際溫度動(dòng)態(tài)調(diào)整散熱和加熱策略，避免不必要的能耗，提升系統(tǒng)的能效比。

16、5、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單與易于維護(hù)：本發(fā)明的電池?zé)峥叵到y(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝和維護(hù)方便，水凝膠散熱器和電加熱器的設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)在高溫和低溫環(huán)境下均能高效運(yùn)行，且成本較低，適合大規(guī)模應(yīng)用。

17、6、延長(zhǎng)電池壽命：通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能調(diào)控，系統(tǒng)能夠有效避免電池因溫度過高或過低而導(dǎo)致的性能衰減和安全隱患，顯著延長(zhǎng)電池的使用壽命，提升電池的可靠性和安全性。

技術(shù)特征：

1.一種溫度監(jiān)測(cè)與高效降溫一體化的電池?zé)峥叵到y(tǒng)，結(jié)構(gòu)包括散熱系統(tǒng)，溫度傳感器，電池單體或電池組，電加熱器。所述散熱系統(tǒng)由水凝膠組成，所述水凝膠由丙烯酰胺(aam)和mba等原料，并通過在50℃下進(jìn)行自交聯(lián)反應(yīng)制備而成，其內(nèi)部摻雜多種吸濕劑如cacl2(氯化鈣)。

2.如權(quán)利要求1所述的電池?zé)峥叵到y(tǒng)，其特征在于，所述水凝膠的雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通過化學(xué)交聯(lián)和物理交聯(lián)的雙重作用，形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)，能夠有效鎖住水分并增強(qiáng)材料的機(jī)械強(qiáng)度。

3.如權(quán)利要求1所述的電池?zé)峥叵到y(tǒng)，其特征在于，所述水凝膠的納米級(jí)多孔設(shè)計(jì)提供了大量的微孔通道，顯著提升了水凝膠的比表面積和吸濕能力，使其在低溫環(huán)境下能夠快速吸收水分，并在高溫環(huán)境下通過蒸發(fā)散熱迅速降低電池溫度。該水凝膠具有優(yōu)異的粘性，可以輕松附著于器件的表面。整個(gè)制備過程無需外部能源輸入，工藝簡(jiǎn)便且原料易于獲取，具備顯著的工業(yè)化生產(chǎn)可行性。

4.如權(quán)利要求1所述的電池?zé)峥叵到y(tǒng)，其特征在于，所述水凝膠的制備方法包括以下步驟：

5.如權(quán)利要求4所述的電池?zé)峥叵到y(tǒng)，其特征在于，所述步驟一中的丙烯酰胺和cacl2的質(zhì)量比為1.4～3：1；步驟二中的丙烯酰胺、cacl2的質(zhì)量比為1.6～3：1。

6.如權(quán)利要求1所述的電池?zé)峥叵到y(tǒng)，其特征在于，所述溫度傳感器為高精度熱電偶或紅外傳感器，分布密度為每平方厘米1～3個(gè)。

7.權(quán)利要求1所述的電池?zé)峥叵到y(tǒng)，其特征在于，所述控制器通過pid算法動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)散熱器和電加熱器的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控溫。

8.如權(quán)利要求1所述的電池?zé)峥叵到y(tǒng)，其特征在于，所述電加熱器安裝在電池組的底部或側(cè)面，能夠在低溫環(huán)境下啟動(dòng)，確保電池在寒冷條件下仍能高效運(yùn)行。

9.如權(quán)利要求1所述的電池?zé)峥叵到y(tǒng)，其特征在于，所述水凝膠的吸濕-蒸發(fā)機(jī)制能夠在高溫環(huán)境下將電池溫度降低20℃以上，顯著提升散熱效率。

10.如權(quán)利要求1所述的電池?zé)峥叵到y(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)能夠根據(jù)電池的實(shí)際溫度動(dòng)態(tài)調(diào)整散熱和加熱策略，避免不必要的能耗，提升系統(tǒng)的能效比。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種溫度監(jiān)測(cè)與高效降溫一體化的電池?zé)峥叵到y(tǒng)，包括散熱系統(tǒng)、溫度傳感器及電加熱器。所述散熱系統(tǒng)采用由PAM(聚丙烯酰胺)和CaCl<subgt;2</subgt;(氯化鈣)為原料的雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)水凝膠，結(jié)合納米級(jí)多孔設(shè)計(jì)，在50℃條件下自交聯(lián)制備而成，覆蓋于電池組表面或嵌入電池間隙。所述水凝膠通過低溫吸濕?高溫蒸發(fā)的機(jī)制實(shí)現(xiàn)高效散熱，能夠在高溫環(huán)境下快速吸收熱量并蒸發(fā)降溫，實(shí)驗(yàn)表明可降低電池溫度20℃以上。溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池溫度并根據(jù)信號(hào)動(dòng)態(tài)調(diào)控散熱系統(tǒng)與電加熱器的運(yùn)行：當(dāng)溫度超過閾值時(shí)啟動(dòng)水凝膠散熱，低溫環(huán)境下則啟用電加熱器維持電池工作溫度。本發(fā)明通過智能溫控策略，解決了電池因過熱或過冷導(dǎo)致的性能衰減與安全隱患，同時(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、成本低廉，散熱模塊柔性強(qiáng)且可緊密貼合電池表面，顯著提升了熱傳導(dǎo)效率與系統(tǒng)可靠性，延長(zhǎng)電池壽命30％以上，適用于電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能設(shè)備等場(chǎng)景的大規(guī)模應(yīng)用。

技術(shù)研發(fā)人員：張欣,潘浩宇,朱迎杰,郭瑞,唐少春
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15