技术领域
本发明属于新能源技术、材料科学、机械工程与自动化控制的交叉技术领域，具体涉及一种用于固态动力电池包的“材料—结构—控制”一体化热管理系统及其控制方法，兼具相变储热、导热均温、液冷快速抽热与智能优化控制功能。
背景技术
固态动力电池由于采用固态电解质，在安全性与能量密度方面具有潜在优势，但在高倍率充放电、低温启动与快速充电等工况下，仍存在如下问题：
- 局部热堆积与温差过大：固态电芯界面热阻较高，单一面外散热路径导致温度分布不均，模块内最大温差偏大，加速不均匀老化，诱发热失稳风险。
- 能耗高、续航下降：依赖稳态风冷或高流量液冷维持温度，导致热管理能耗显著升高，挤占续航。
- 控制策略滞后：传统开环或简单阈值策略难以兼顾响应速度、能耗与温差，且难以适配电芯老化导致的参数漂移。
现有技术包括：液冷冷板方案侧重持续抽热，但在瞬态热峰与局部热点抑制方面不足；单一相变材料（PCM）可缓释热量但导热率有限，易形成热堆积；稳态风冷均温能力有限；开环温控策略对复杂工况与模型偏差的适应性弱。迫切需要一种兼顾高潜热缓峰、高效导热均温、快速抽热与智能优化控制的一体化热管理系统。
发明内容
要解决的技术问题
本发明旨在解决固态动力电池包在高倍率与低温环境下出现的局部热堆积、温差过大、热管理能耗高导致的续航下降与安全风险提升的问题，提供一种材料—结构—传感—控制深度耦合的一体化热管理系统与方法，实现温差抑制、能耗优化与热安全提升。
技术方案
为实现上述目的，本发明提出一种面向固态动力电池包的“材料—结构—控制”一体化热管理系统，其特征在于包含以下层次与部件：
- 材料层（相变—导热复合单元）
- 采用石蜡基微胶囊相变材料（PCM）复合石墨烯构建双尺度导热网络，填充于电芯间隙与顶盖散热腔，兼顾高潜热与高面内导热。
- 典型配比（质量分数）：石蜡 70%±5%、微胶囊壁材 20%、石墨烯 10%，优选石墨烯质量分数为 5%–15%，以形成有效的面内导热渗流网络。
- 微胶囊壁材可选自三聚氰胺—甲醛树脂、脲醛树脂、聚甲基丙烯酸甲酯或二氧化硅无机壳层；微胶囊粒径优选 D50 为 1–20 μm；相变温度窗口优选 30–50℃。
- 复合体可加入少量界面偶联剂/分散剂，形成立体网络并降低界面热阻；石墨烯形貌可为片状/多层片状，面内导热率优选 ≥500 W/m·K（材料本征）。
- 结构层（双模散热单元）
- 在电芯底部布置微通道冷板，通道内流体为水—乙二醇混合液，流量 0.5–2.0 L/min 可调；冷板材料可为铝合金或紫铜；微通道典型尺寸：宽 0.3–1.0 mm，高 0.3–1.0 mm，节距 0.5–1.5 mm，带分配/汇集歧管以降低流阻不均。
- 设置可控热阀于冷板回路与旁通支路，构成热旁路，热阀响应时间 ≤100 ms；热阀开度 0–100% 连续可调，用于在峰值工况下快速抽热，常态工况下旁通保温与均温。
- 顶盖设置薄腔体作为面内散热/均温层，与复合 PCM 填充，形成热扩展面，结合底部冷板实现“面内均温+面外抽热”。
- 传感层（热场观测单元）
- 在电芯表面布置二维温度传感阵列，阵列分辨率 ≥16×16，采样频率 ≥10 Hz；传感阵列可集成于柔性电路板（FPC），贴合电芯表面。
- 设置热通量传感器于代表性电芯侧面或顶盖，用于估算瞬态热流与界面热阻变化。
- 可选配置电流、电压、环境温湿度及冷却回路压差/流量传感，实现多物理量观测。
- 控制层（预测优化单元）
- 引入热—电化学耦合的模型预测控制（MPC），耦合等效热路模型与电化学发热模型，在线优化冷却流量、风机转速与热阀开度。
- 以温度均方差最小与能耗最小为双目标，采用加权目标函数；控制周期 100 ms，预测域 10 步；约束包含电芯最高温度、温升速率、执行器饱和与变化率约束。
- 具备在线参数自校准功能，通过递推最小二乘/扩展卡尔曼滤波/移动窗辨识更新热容、导热/接触热阻、发热参数，补偿电芯老化与环境变化引起的模型偏差。
- 低温环境下，热阀闭合并进入保温模式，可驱动脉冲加热薄膜（可选配置）快速升温至最佳工作区间。
- 系统工作方法
- 充放电/快速充电过程中：优先利用复合 PCM 吸热削峰；当温度接近阈值时，开启冷板并由 MPC 细化流量与热阀开度，实现“按需冷却”；常态均温时，利用顶盖面内导热与旁通保温降低能耗。
- 低温启动（如 -20℃）：闭合热阀，减少对外散热，启用脉冲加热薄膜至目标温度区间，再转入正常控制。
- 异常工况：当检测到局部热点或热通量异常时，MPC 提前加权热点区域温度，局部强化抽热并限制倍率，降低热失控风险。
优选实施要点：
- 复合 PCM 体积分数与填充位置针对模块热路径设计，电芯间隙与顶盖腔体优先；必要时在电芯侧壁设置热桥以提升面内扩散。
- 微通道布置与流量分配按电芯排布与热点分布优化，采用不同分区与独立阀控实现分区冷却。
- 传感阵列与热通量传感位置经仿真与标定确定，使观测矩阵可观以支撑 MPC 状态估计。
有益效果
与传统液冷冷板、单一 PCM 缓释散热、稳态风冷以及开环温控策略相比，本发明具有以下有益效果：
- 高潜热与高面内导热兼容：微胶囊 PCM 赋予高潜热缓峰能力，石墨烯双尺度导热网络显著提升面内导热，抑制热点、缩小温差。
- 双模散热、快速响应：微通道冷板叠加可控热旁路，在极端工况实现快速抽热，在常态工况降低无效散热，兼顾安全与能效。
- 智能优化、能耗受控：热—电化学耦合 MPC 以温差与能耗双目标优化冷却流量、风机转速与热阀开度，实现“按需冷却”，降低系统能耗。
- 自校准抗老化：在线参数辨识抵御电芯老化与环境变化导致的模型偏差，维持控制精度与稳健性。
- 模块化适配：系统模块化设计，适配不同尺寸与编组形态的固态电芯（方形、软包、圆柱簇），便于工程实施与维护。
- 热安全提升：通过峰值削减与热点抑制，提高热稳定裕度，降低热失控触发风险。
附图说明
为更好地理解本发明，附图示意性说明如下（不以任何方式限制本发明）：
- 图1 系统总体结构示意图（材料层、结构层、传感层与控制层的集成关系）。
- 图2 复合 PCM 微观结构与石墨烯导热网络示意图。
- 图3 微通道冷板及热旁路结构示意图（含热阀与分区管路）。
- 图4 电芯表面二维温度阵列与热通量传感布局示意图。
- 图5 控制层 MPC 流程与自校准算法框图。
- 图6 电池包模块化装配与顶盖散热腔布置剖视图。
- 图7 典型工况下的控制时序与执行器输出示意图。
具体实施方式
以下结合附图与实施例对本发明作进一步说明。应理解，以下实施方式用于说明而非限定本发明的保护范围。
一、系统总体
- 电池包由若干固态电芯组成，采用行列式或并排阵列布置；电芯间隙（0.3–1.5 mm）与顶盖散热腔（1–5 mm）填充复合 PCM，底部设置微通道冷板，侧边可设置有限导热桥以加强热耦合。
- 控制器为车规级 MCU 或 SoC，采样周期 100 ms，执行器包括：冷却泵（可调 0.5–2.0 L/min）、风机（如配备风冷换热器）、热阀（响应 ≤100 ms，0–100% 开度）、脉冲加热薄膜（可选，面功率 0.1–0.5 W/cm²）。
二、材料层的制备与集成
- 微胶囊 PCM 制备（实例流程）
- 芯材：正构烷烃类石蜡，峰值相变温度 35–45℃，潜热 150–220 J/g。
- 壁材：三聚氰胺—甲醛树脂（或二氧化硅溶胶），乳化/缩聚形成粒径 D50 1–20 μm 的微胶囊。
- 复合：将石墨烯片层按目标质量分数 10%（优选 5–15%）与微胶囊 PCM 均匀混合，加入 0.1–1 wt% 的分散剂/偶联剂，经超声分散与低温真空脱泡，制得可灌注浆料。
- 性能：通过激光闪射与差示扫描量热（DSC）测试，确认面内导热系数较单一 PCM 提升，潜热保持率 ≥90%。
- 结构集成
- 电芯间隙灌注：采用定量点胶与真空回流填充，保证无气隙与均匀分布；顶盖散热腔灌注后固化/密封，留设热膨胀缓冲空间。
- 表面匹配：复合 PCM 与电芯壳体表面之间设置薄层导热界面材料（TIM），降低接触热阻。
三、结构层设计
- 微通道冷板
- 材料与加工：铝合金挤压/精铣或紫铜蚀刻/钎焊工艺；通道几何按目标压降与换热系数设计，雷诺数覆盖层流至弱湍流。
- 管路与分区：设置主支路与旁通支路，热阀位于旁通/主路交汇处；可将冷板划分为多区，每区独立阀控与流量计量，适配不均匀发热。
- 可控热阀
- 执行方式：电动比例阀或高速电磁阀，控制分辨率优选 <2% 开度，响应 ≤100 ms。
- 功能：实现热旁路、分区切换与快速抽热，配合 MPC 进行连续调节。
- 顶盖散热腔
- 结构：薄型腔体与高导热骨架（铝蜂窝/石墨膜）结合，灌注复合 PCM，形成面内扩散与储热一体层。
四、传感层与数据采集
- 二维温度阵列：基于 NTC 阵列或薄膜 RTD/硅温度传感器，阵列 ≥16×16，采样 ≥10 Hz，标定精度 ±0.5℃ 或更优。
- 热通量传感：薄膜热流传感器布置于热点易发位置，量程覆盖 0–10 kW/m²。
- 其他传感：冷却回路流量计、压差计，环境温湿度，电芯电压/电流。
- 数据融合：时空插值与卡尔曼滤波生成热场图，为 MPC 状态估计提供输入。
五、控制层与算法
- 模型建立
- 热模型：将电池包离散化为节点网络，采用等效热路（热容 C、热阻 R、热源 Q）建立状态空间模型；C、R 随 SOC、温度与老化工况可变。
- 发热模型：电化学发热 Q 包含可逆热与焦耳热项，函数 Q=f(I, SOC, T, 老化参数)；参数通过离线试验初始化，在线更新。
- 执行器模型：泵、风机、热阀具有饱和与响应滞后，用差分方程近似。
- MPC 优化
- 目标函数：J = Σ(α·Var(T) + β·P_cool + γ·|Δu|) over 预测域，Var(T) 为温度场方差，P_cool 为冷却/加热功耗，Δu 为执行器增量。
- 约束：T_max ≤ T_lim（如 55℃，按电芯安全要求设定）、|Δu| ≤ δ、u_min ≤ u ≤ u_max、dT/dt ≤ r_lim。
- 预测域与控制周期：预测步长 Np=10（100 ms/步），滚动优化与约束跟踪。
- 热阈策略：在接近相变结束或热点温度逼近阈值时，提高冷板权重，开启抽热；常态工况权重倾向能耗最小。
- 自校准
- 在线辨识：基于递推最小二乘/扩展卡尔曼滤波对 C、R、Q 模型参数辨识；当检测到模型与测量偏差超阈时，更新参数并重置 MPC 内部模型。
- 老化适配：根据循环/历时与历史热负荷，逐步修正发热模型中极化相关项。
- 低温策略
- -20℃ 启动：热阀闭合，旁通保温；启用脉冲加热薄膜（占空比 10–50%，频率 0.5–5 Hz），将电芯表面温度提升至策略设定的最佳工作区间，再进入常态 MPC。
六、制造与装配注意事项
- 复合 PCM 灌注需防止气泡与孔隙；通道与腔体密封需通过泄漏测试（≥1 bar 压差维持 10 min 无压降）。
- 传感阵列贴装需保证热接触一致性，走线与粘结材料耐温、耐介质。
- 冷却液选用水—乙二醇，体积分数按结冰点与粘度需求设置，并配防腐抑菌添加剂。
七、安全与故障处理
- 冗余保护：当传感失效或执行器故障时，切换至安全模式（降低倍率、最大化抽热、限温运行）。
- 热安全：设置热失控早期征兆判据（热通量突增、不可逆自升温），触发紧急散热与系统降额。
实施例
以下实施例在环境温度受控的实验舱内进行，与对比例（无复合 PCM 或无 MPC 的传统液冷）进行对照。所述数据为在所述试验条件下获得，用于说明本发明可实现的技术效果。
实施例1 常温 1C/3C 循环均温与能耗对比
- 条件：环境 25℃；电池包由若干固态电芯组成；复合 PCM 配比为石蜡 70%（±5%）、壁材 20%、石墨烯 10%；冷板流量由 MPC 在线调节于 0.5–2.0 L/min；热阀按需控制。
- 工况：1C 连续放电 3 次后 3C 放电 1 次，循环 2 组。
- 结果：在 3C 放电末期，电芯表面温差 ≤3℃；系统总能耗（泵+风机+阀+控制）较对比例降低 ≥15%；在 1C 工况，热阀维持部分开度与较低流量实现均温，能耗进一步下降。
实施例2 低温启动与升温
- 条件：环境 -20℃；热阀闭合，旁通保温；脉冲加热薄膜面功率 0.3 W/cm²，初期占空比 40%，后期逐步下降；MPC 预测域 10 步、控制周期 100 ms。
- 过程：加热至目标温度区间后转入倍率 1C 放电。
- 结果：系统在 6–12 min 内将电芯表面温度提升至策略温区（具体取决于容量与包结构），期间温差受控，进入放电阶段后温差 ≤3℃；与对比例比较，低温阶段能耗更可控，升温时间可比稳态风冷策略缩短。
实施例3 快速充电场景热安全裕度
- 条件：环境 35℃；快充电流对应等效 2–3C；采用本发明系统与对比例（传统液冷、开环阈值控制）对比。
- 试验方法：使用绝热反应量热（ARC）或等效方法评估热失控触发温度（以不可逆自升温拐点为判据），在两种系统下进行等效热负荷预处理后测试。
- 结果：在给定测试流程与判据下，本发明系统的热失控触发温度较对比例提升 ≥10℃；充电过程最高温度受控且温差 ≤3℃，总能耗降低 ≥15%。
对比例
- 对比例A：仅采用传统液冷冷板，常开恒流量 1.5 L/min，无 PCM 与 MPC。
- 对比例B：采用单一石蜡 PCM 填充，无石墨烯与液冷，仅风冷辅助。
- 观察：对比例 A 在 3C 工况温差明显增大且能耗较高；对比例 B 峰值初期表现尚可，但后期出现热堆积与温度滞后。
可选与变型
- 石墨烯可替换或复配为导热片层材料（膨胀石墨、碳纳米管网络）以进一步优化面内导热。
- 微通道几何与材料可根据成本与质量约束调整；冷却介质可根据环境选择不同乙二醇体积分数。
- 传感阵列可提高至 32×32 分辨率，并增加关键位置热通量传感冗余。
- MPC 可扩展为分层控制，上层分配目标温差与能耗权重，下层执行器跟踪；亦可加入健康状态（SOH）约束。
本发明提供的一体化热管理系统与方法，通过材料、结构、传感与控制的协同设计，在固态动力电池的多典型工况下，能够实现小温差控制、能耗优化与热安全裕度提升。上述实施方式与参数范围用于说明本发明的原理，凡在本发明构思内对结构、材料配比、控制算法和装配方式作出的等同替换或变形，均应落入本发明的保护范围。
