[发明专利]具有主动调节冷却能力分布的空间电源系统冷板

说明书

本发明公开了具有主动调节冷却能力分布的空间电源系统冷板100，包括碳纤维材料层、半导体制冷片(TEC)、微槽道板、温度控制系统、电源系统、单相流体冷却循环系统。碳纤维材料层用于辅助调节冷却能力分布；半导体制冷片夹在两层碳纤维材料中，用于调节冷却能力分布；微槽道板作为基层冷板，用于整体冷板的最终散热，将热量带入单相流体冷却循环系统；温度控制系统控制半导体制冷片工作，调节冷却能力分布；电源系统给半导体制冷片供电；单相流体冷却循环系统将冷板中热流散出，完成微槽道板中的流体回路。该冷板具有主动调节冷却能力分布、控制电池控制单元(PCU)和电池组底部温度、消耗性工质需求少、能提升电源充放电效率等优点。

技术领域

本发明涉及一种具有主动调节冷却能力分布的空间电源系统冷板。本发明还涉及基于一种空间电源系统冷板的冷却能力分布主动调节方法。

背景技术

空间站是人类探索太空过程中重要的驻扎地，属于大型长寿命空间研究设施。空间站具有执行天地往返运输任务的能力，在对接载人飞船或货运飞船后，来自地面的考察组可以在空间站内进行天体物理、空间生命科学、对地观测和材料加工等极为广泛的研究工作，得到实验数据并且获得认识宇宙探索太空的重要信息和知识。发展空间站项目，推进空间应用和技术实验，获得具有重大实用价值的成果，是推动我国空间科学与应用跨越发展的机遇。具有特色的空间应用和多领域科学技术实验研究工作的开展离不开空间站的能源供应，项目的进一步拓展也意味着能源需求的日益增长。空间站一般依靠太阳能作为能量供应，但太阳能具有周期性，在进入阴影区时没有光照就无法产生太阳能。因此需要依靠空间站的电源系统进行能源的转化、储存和供应，具有尤为关键的作用。

空间站电源系统设计必须确保供电可靠、安全和长寿命，还需具有一定的冗余能力。储能电池一直被认为是通信卫星、国际空间站以及用于深空探测的星际车辆供电的重要组成部分。最先进的锂离子电池具有环保性能好，循环寿命长，功率重量比高，操作和存储温度范围大等优点。锂离子电池的运行性能很大程度上取决于其温度水平。单电池通常串联连接，以高放电率和高速率变化为电力设备供电，这可能导致电池内部的高发热率并导致发生热失控，降低电池的性能并造成严重的安全问题。另外，不均匀的温度分布和低温也会降低电池容量。温度条件控制已被视为一种有效提高电池性能的方法。电池组外的热管理系统可以通过消除充电和放电过程中产生的大量热量，防止电池快速升温。

如图4所示，电池组(501)通常是在现有电池应用中进行真空封装，而机载真空封装电池的一种冷却方法是将其通过冷板(503)级联到单相流体冷却循环系统中。由于电池底部有散热片(504)，电池顶部的相对较高的温度和底部的较低温度容易出现较大的温差，通过顶部或底部设置风扇(505)吹风，可以保证真空封装电池的温度纵向均匀性。而每个电池柱之间的温度横向分布的均匀性则需要靠在电池组(501)下方用密封圈(506)固定的冷板(503)来解决。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了具有主动调节冷却能力分布的空间电源系统冷板，其特征在于包括：

碳纤维材料层、半导体制冷片、微槽道板、温度控制系统、电源系统和单相流体冷却循环系统，

其中：

碳纤维材料层用于初次均匀化冷却对象中的电源控制单元向下传递的副热流和冷却对象中的电池组向下传递的主热流，用于快速导热以初步平均化冷板的横向温差，碳纤维材料层包括第一碳纤维材料层和第二碳纤维材料层，

半导体制冷片被夹在第一碳纤维材料层和第二碳纤维材料层之间，用于控制空间电源系统冷板的纵向传热的方向和速率，以快速传递纵向大热流，并调节空间电源系统冷板的制冷能力分布，

微槽道板被设置在第二碳纤维材料层下方，作为基层冷板，微槽道板具有微槽道，通过其微槽道内的液体，将热量带入单相流体冷却循环系统，

温度控制系统用于控制半导体制冷片的工作，包括：

第一组温度传感器，其被均匀布置在第一碳纤维材料层的上表面，