热管理系统的制作方法

1.本发明涉及热管理系统、用于发热部件的热管理方法以及费-托衍生基础流体在与热管理系统中的发热部件接触的工作流体中的用途。

背景技术：

2.纵观各行各业，都在寻求新技术以提供更节能、更低co2排放的解决方案。本发明涉及驱动更低能量需求和更低co2排放的许多可能的效率。首先，其涉及电动车辆技术。其次，本发明还适用于it设备(诸如服务器)的热管理。然而，本文所述的发明本质上不受其可以应用的技术的限制。本发明适用于任何发热电气技术。
3.到2040年，预期所有新的客车销售中高达50％将是电动车辆。这包括电池组电动车辆(bev)和燃料电池电动车辆(fcev)的混合动力电动车辆(hev)。混合动力电动车辆包括与传统内燃机或燃料电池结合的电池组。燃料电池电动车辆还需要电池组来缓冲和临时存储电能。
4.目前的电池组技术依赖于锂离子电池组，而且至少在未来15年内，锂离子电池组很可能仍将是主要电池组技术。虽然在家中或目的地的慢速充电可能是主要的充电方式，但是很多想要行驶更远距离的客户将需要在旅途中进行高性能快速充电(hpc)。为了改善和缩短充电过程，需要同时增加电压、电流或它们二者。更高的电流也会增加产生多余的热量。多余的热量水平非常高，可以达到20kwh或更高。需要有效的热管理来控制电池组内的温度均匀性，以防止电池组电池发生不可逆的恶化。
5.在电动车辆中，其他部件也需要热管理，尤其是冷却。使用中的电动机和逆变器都会产生热量。可以应用于这些部件中的每个以及优选地包含所有这些部件(包括电池组)的回路的热管理方法将是最期望的。
6.燃料电池供电的电气系统在使用过程中也会产生大量废热(大约50％的能量以废热的形式产生)，这些废热需要在运行期间除去。
7.部件的热管理也为其他行业带来了挑战。it部件(尤其是服务器)的热管理也带来了很多挑战。这些部件的空气冷却需要高能耗和昂贵的冷却基础设施。用于这些电子部件的热管理的更简单、更节能的系统将是非常期望的。
8.过去，大多数冷却系统都使用通过热源的空气来管理多余的热量。然而，这种系统在热容方面受到限制，并且不能管理所产生的热量，例如，在经受过程(诸如hpc)的应变的电气装置中。空气冷却系统中包括的基础设施也可以是复杂的、昂贵的，并且涉及很多运动部件的维护。
9.已经开发出更先进的热管理系统，其中使用常规的水/乙二醇混合物作为传热流体。含有大量单独的电池组电池的电池组块可以通过水/乙二醇混合物有效地冷却。这正迅速成为当今销售的电动车辆中使用的主要热管理技术，因为它比空气冷却更有效。以tesla motors inc.的名义申请的us20090023056、us20100025006和us2011021356描述了管道系统，其中约11％的电池表面直接接触含有冷却剂的管道。在这些间接热管理系统中，热量需
要通过管道材料，然后将热量传递给乙二醇/水。这限制了这种传热设计的总体有效性。
10.相变材料(pcm)也被用于一些系统中，并且是在它们从固态转变为液态时吸收热量的有效手段。pcm仅限于选定的熔化温度，不适用于热管理。在高环境温度下，pcm可以熔化，而不会从发热部件中散发任何额外的热量。
11.在hpc条件下，如果这些系统无法有效控制电池温度和均匀性，那么车内的电池组管理系统(bms)就会限制电流以保护电池组。这可以显著减慢充电过程并限制快速充电能力。其他系统在高温条件下可以仅仅是过热或经受安全关闭。
12.直接液体冷却，涉及通常设计有浸入液体冷却剂中的发热部件的新型热管理系统，可以帮助更有效地控制每个部件的温度，因为流体与电池表面直接接触。这种系统例如在us20170279172中有所描述。为了防止短路，这需要具有非常好的介电性质的流体。合适的流体还需要低粘度(以帮助泵送)以及高热导率和热容。已经证明，浸入式热管理可以帮助提高功效和能量密度比，还可以显著提高电池耐用性。
13.已经证明，氢氟化醚是适用于浸入式热管理的流体(例如，在wo2018224908中)。虽然这种流体降低了易燃风险，但是它给应用带来了若干技术挑战，诸如由于其低沸点、高密度和材料相容性的挑战而产生的高压。
14.开发用于电气系统的直接热管理的改善的方法和合适的工作流体仍然是持续的挑战。这种工作流体需要极好的材料相容性、热力学性质和低易燃性。出于实际目的，还需要考虑成本和重量因素。这些工作流体的介电性质必须随时间推移而维持。重要的是，流体具有低电导率水平，该水平可以随流体老化而维持，从而防止短路和/或损害发热部件。在使用期间，例如当以高流速泵送时，避免工作流体的静电充电也是所期望的。
附图说明
15.图1展示了用于本发明的热管理系统的简化回路。
16.图2是在根据本发明的热管理系统内的包括多个电池的电池组的图示。

技术实现要素：

17.本发明提供了一种热管理系统，所述系统包括：
18.具有内部空间的壳体；
19.设置在所述内部空间内的发热部件；
20.热交换器；以及
21.工作流体液体，其设置在所述内部空间内，以使得所述发热部件与所述工作流体接触；
22.其中所述工作流体包含费-托衍生基础流体；抗氧化添加剂和抗静电添加剂，其中所述热管理系统被配置为使得恒定的工作流体循环流被维持穿过一个或多个发热部件，流到所述热交换器，然后回到所述发热部件。
23.本发明还提供了一种发热部件的热管理方法，所述方法包括以下步骤：将发热部件至少部分地浸入工作流体中；以及使用所述工作流体使得其以恒定的工作流体循环流穿过一个或多个发热部件，从而将热从所述发热部件传递到热交换器，然后回到所述发热部件，其中所述工作流体包含费-托衍生基础流体；抗氧化添加剂；和抗静电添加剂。
24.本发明还提供了费-托衍生基础流体在与热管理系统中的发热部件接触的工作流体中用于改善所述工作流体的抗老化性能的用途，其中所述工作流体还包含抗氧化添加剂和抗静电添加剂。
具体实施方式
25.本发明人出乎意料地发现，可以提供用于发热部件的浸入式热管理的高效系统和方法，其中发热部件与工作流体直接接触，并且其中所述工作流体包含费-托衍生基础流体；抗氧化添加剂；和抗静电添加剂。
26.发热部件优选地是电气元件。可以受益于本文所述的系统和方法的典型电气元件包括计算机服务器、电池组、逆变器、电动机和燃料电池，或者这些的任何组合。
27.一个或多个发热部件可以在本发明的热管理系统内冷却。
28.本发明的热管理系统包括具有内部空间的壳体；设置在内部空间内的发热部件；以及工作流体液体，其设置在内部空间内，以使得发热部件与工作流体直接接触。发热部件可以部分浸入，直至完全浸入工作流体中。
29.热管理系统被配置为使得恒定的工作流体循环流被维持穿过一个或多个发热部件，流到热交换器，然后回到发热部件。
30.热交换器可以被设置在壳体的内部或外部。
31.热管理系统可以包括具有泵和热交换器的液体回路。在该实施方案中，泵运行以将来自发热部件的工作流体移入和移出热交换器。
32.热量从发热部件传递到工作流体。然后工作流体可以被从发热部件泵送到热交换器。然后热量可以从工作部件传递通过热交换器。然后工作流体可以返回发热部件。
33.除用于从设置于其中的发热部件除去热量之外，热管理系统还可以适合于在所述部件的运行期间的特定时间，例如在启动时或在寒冷的环境中运行期间为发热部件提供热量。在本发明的该实施方案中，热源将被包括在热管理系统中。这种热源可以包括内部热源或外部热源。控制机构也将被包括在热管理系统中，以允许在系统的冷却和加热实施方案之间切换。
34.合适的内部热源可以涉及电池组与负载，以形成发热电路。合适的外部热源包括热泵、能够在相变时释放热量的相变材料、电加热器以及燃烧乙醇、生物乙醇或其他燃料的加热器。
35.工作流体包含费-托衍生基础流体和抗氧化添加剂。优选地，工作流体还包含抗静电添加剂。
36.费-托衍生基础流体是本领域已知的。术语“费-托衍生”是指基础流体是或衍生自费-托工艺的合成产物。
37.费-托衍生基础流体通常根据费-托工艺中的起始材料进行分类，即“x制液体(x-to-liquids)”或“xtl”，其中x代表所述起始材料。生物质制液体(btl)、煤制液体(ctl)、气制液体(gtl)和动力制液体(ptl)工艺是产生基础流体的费-托工艺的一些实例。优选地，费-托衍生基础流体是gtl(气制液体)基础流体。
38.合适的费-托衍生基础流体包括可以方便地用于费-托衍生工作流体的油，例如在ep0776959、ep0668342、wo97021788、wo0015736、wo0014188、wo0014187、wo0014183、
双-(2.6-叔丁基苯酚)、2,2'-亚甲基双-(4,6-二叔丁基苯酚)、1,6-六亚甲基-双-(3,5-二叔丁基羟基氢化肉桂酸酯)(以商品名“irganox tm l109”从basf获得)、((3,5-双(1,1-二甲基乙基)-4-羟基苯基)甲基)硫代)乙酸的c
10-c
14
异烷基酯(以商品名“irganox tm l118”从basf获得)、3,5-二叔丁基-4-羟基氢化肉桂酸的c
7-c9烷基酯(以商品名“irganox tm l135”从basf获得)、四-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)-丙酰氧基甲基)甲烷(以商品名“irganox tm 1010”从basf获得)、双(3,5-二叔丁基-4-羟基氢化肉桂酸硫代二亚乙基酯(以商品名“irganox tm 1035”从basf获得)、3,5-二叔丁基-4-羟基氢化肉桂酸十八烷基酯(以商品名“irganox tm 1076”从basf获得)、2,5-二叔丁基氢醌以及它们的混合物。
53.用于本文的特别优选的抗氧化剂是二叔丁基羟基甲苯(“bht”)和3,5-二-叔丁基-4-羟基氢化肉桂酸的c7至c9烷基酯(以商品名“irganox tm l135”从basf获得)。
54.在本发明的一个实施方案中，多于一种抗氧化添加剂可以存在于工作流体中。
55.任选地，可以将另外的胺抗氧化剂，例如烷基化或苯乙烯化二苯胺添加至工作流体中。
56.胺抗氧化剂的实例是芳族胺抗氧化剂，例如n,n'-二异丙基对苯二胺、n,n'-二仲丁基对苯二胺、n,n'-双(1,4-二甲基-戊基)-对苯二胺、n,n'-双(1-乙基-3-甲基-戊基)-对苯二胺、n,n'-双(1-甲基-庚基)-对苯二胺、n,n'-二环己基-对苯二胺、n,n'-二苯基-对苯二胺、n,n'-二(萘基-2-)-对苯二胺、n-异丙基-n'-苯基-对苯二胺、n-(1,3-二甲基丁基)-n'-苯基-对苯二胺、n-(1-甲基庚基)-n'-苯基-对苯二胺、n'-环己基-n'-苯基-对苯二胺、4-(对甲苯-磺酰胺基)二苯胺、n,n'-二甲基-n,n'-二仲丁基-对苯二胺、二苯胺、n-烯丙基二苯胺、4-异丙氧基二苯胺、n-苯基-1-萘胺、n-苯基-2-萘胺、辛基化二苯胺(例如p,p'-二叔辛基二苯胺)、4-正丁基氨基苯酚、4-丁酰氨基苯酚、4-壬酰氨基苯酚、4-十二烷酰氨基苯酚、4-十八烷酰氨基苯酚、二(4-甲氧基苯基)胺、2,6-二叔丁基-4-二甲基氨基甲基苯酚、2,4'-二氨基二苯甲烷、4,4'-二氨基二苯甲烷、n,n,n',n'-四甲基-4,4'-二氨基二苯甲烷、1,2-二(苯基氨基)乙烷、1,2-二[(2-甲基苯基)氨基]乙烷、1,3-二(苯基氨基)丙烷、(邻甲苯基)双胍、二[4-(1',3'-二甲基丁基)苯基]胺、烷基化苯基α萘胺(例如叔辛基化n-苯基-1-萘胺)、单烷基化叔丁基二苯胺/叔辛基二苯胺和二烷基化叔丁基二苯胺/叔辛基二苯胺的混合物、2,3-二氢-3,3-二甲基-4h-1,4-苯并噻嗪、吩噻嗪、n-烯丙基吩噻嗪、叔辛基吩噻嗪、3,7-二叔辛基吩噻嗪。另外可能的胺抗氧化剂是根据ep1054052的式viii和ix的那些，这些化合物还在us4824601中有所描述。
[0057]
相对于工作流体的总重量，存在于工作流体中的一种或多种抗氧化添加剂的总量为优选地至少0.1重量％、更优选地至少0.15重量％、优选地至多3.0重量％、更优选地至多2.0重量％。
[0058]
本文所用的抗静电添加剂优选地选自含有烷基取代的萘磺酸、苯并三唑和取代的苯并三唑的那些。
[0059]
本文所用的取代的苯并三唑化合物可以以式(i)表示。
[0060]
[0061]
其中r4可以是氢或以式(ii)表示的基团
[0062][0063]
或以式(iii)表示的基团
[0064][0065]
其中：
[0066]
c为0、1、2或3；
[0067]
r1和r2是氢或者相同的或不同的1-18个碳原子的直链或支链烷基，优选地1-12个碳原子的支链烷基；r3是直链或支链c
1-4
烷基，优选地r3是甲基或乙基，并且c为1或2；r5是亚甲基或亚乙基；r6和r7是相同的或不同的3-15个碳原子，优选地4-9个碳原子的烷基。
[0068]
优选的化合物是1-[双(2-乙基己基)氨基甲基]苯并三唑、甲基苯并三唑、二甲基苯并三唑、乙基苯并三唑、乙基甲基苯并三唑、二乙基苯并三唑以及它们的混合物。其他优选的化合物包括(n-双(2-乙基己基)-氨基甲基-甲苯三唑、未经取代的苯并三唑和5-甲基-1h-苯并三唑。
[0069]
优选的烷基取代的萘磺酸包括二c8-c10、支链、富含c9的烷基萘磺酸，诸如以“stadis450”从innospec商购获得的那些。
[0070]
相对于工作流体的总重量，本文的工作流体中的上述抗静电添加剂的含量为优选地大于0.5mg/kg，更优选地大于1mg/kg。实际上限可以根据润滑组合物的具体应用而变化。相对于工作流体的总重量，该浓度可以为至多3重量％，然而优选地在1mg/kg至1重量％的范围内。然而，相对于工作流体的总重量，此类化合物可以有利地以小于1000mg/kg并且更优选地小于300mg/kg的浓度使用。
[0071]
还出乎意料地发现，在工作流体中使用费-托衍生基础流体为所述工作流体提供了改善的抗老化性能，所述工作流体还包含与热管理系统中的发热部件接触的这种抗氧化剂和抗静电添加剂。本文的“抗老化性能”意指至少一种选自以下的性质随时间推移维持在合适的水平：在24和/或90℃下的电导率(如根据iec 60247所测量)、外观和污积形成(如根据目测等级所测量)、相对介电常数(如根据iec 60247所测量)和变(如根据iso 2049所测量)。优选地，在工作流体中使用费-托衍生基础流体为所述工作流体提供了随时间推移而改善的电导率水平，所述工作流体还包含与热管理系统中的发热部件接触的抗氧化剂和抗静电添加剂。
[0072]
附图详述
[0073]
图1显示了适用于本发明的热管理系统的液体回路。在图1中，发热部件(1)设置在壳体(2)内。工作流体(3)流过壳体(1)的内部空间，然后通过连接管道(4)流至一个或多个热交换器(5)。在该实施方案中，所述流动由泵(6)维持。
[0074]
图2是在根据本发明的热管理系统内的包括多个电池的电池组的图示。在该实施方案中，多个软包电池(7)被设置在壳体(未示出)内。工作流体穿过软包电池(7)和在软包电池之间的流动以箭头(8)表示。
[0075]
现在将通过以下非限制性实例进一步说明本发明。
[0076]
实例
[0077]
根据表2中列出的组分产生六种工作流体制剂的共混物。所用的基础油是从shell以hvi60商购获得的api i组基础油和从shell以gtl 3商购获得的费-托衍生基础油。基础油特征显示于表1中。
[0078]
表1
[0079] 测试方法api i组基础油gtl3基础油颜iso 20490.4《0,2在100℃下的运动粘度iso 31044.52.7在40℃下的运动粘度iso 310423.49.8倾点iso 3016-15-42闪点iso 2592216200
[0080]
实例中所用的抗氧化添加剂是二叔丁基羟基甲苯(bht)，抗静电添加剂是stadis 450,ex.innospec。据表征，stadis 450含有10％
–
25％的二c8-c10、支链、富含c9的烷基萘磺酸。
[0081]
将工作流体(每种流体900ml)分别放置于1000ml烧杯中。每个烧杯中还放置铜钢线圈。这种线圈属于astm d493氧化稳定性测试方法中使用的类型，但是只有通常尺寸的一半。
[0082]
为了制备铜钢丝线圈，将长度为112mm、直径为1.59mm的低类金属钢丝和长度也为112mm但直径为1.63mm的电解铜丝并排放置。然后将金属丝扭成线圈，线圈随后用于测试。
[0083]
然后将装有油样品和线圈的烧杯放置于120℃的烘箱中(通风)。烧杯敞开放置。
[0084]
在下表2所示的每个时间，取125ml油样品进行测试。电导率测试根据iec 60247进行。外观通过视觉评估测试。样品的颜根据iso 2049进行测试
[0085]
这些代表在热管理系统中使用工作流体的实例清晰地表明，与包含api i组基础油的工作流体(共混物4至6)相比，包含费-托衍生基础流体的工作流体(共混物1至3)具有并随时间推移而维持更好的导电性和外观特征。通过添加抗氧化添加剂进一步改善了这些特征(共混物2)。共混物2展示出维持低水平的电导率以及维持良好的外观和颜特征。向包含费-托衍生基础流体和抗氧化添加剂的工作流体中进一步添加抗静电添加剂，使所述流体的电导率随时间推移而维持在极好水平，从而防止静电积聚和短路。对于包含api i组基础油的工作流体(共混物4和5)中的等效混合物，未观察到这些改善。
[0086]
表2
[0087]

技术特征：

1.一种热管理系统，所述系统包括：具有内部空间的壳体；设置在所述内部空间内的发热部件；热交换器；以及工作流体液体，其设置在所述内部空间内，以使得所述发热部件与所述工作流体接触；其中所述工作流体包含费-托衍生基础流体；抗氧化添加剂和抗静电添加剂，其中所述热管理系统被配置为使得恒定的工作流体循环流被维持穿过一个或多个发热部件，流到所述热交换器，然后回到所述发热部件。2.如权利要求1所述的热管理系统，其中所述抗氧化添加剂包括受阻酚。3.如权利要求2所述的热管理系统，其中所述抗氧化添加剂选自由以下各项组成的组：2,6-二叔丁基苯酚、二叔丁基羟基甲苯、亚甲基-4,4'-双-(2,6-叔丁基苯酚)、2,2'-亚甲基双-(4,6-二叔丁基苯酚)、1,6-六亚甲基-双-(3,5-二叔丁基羟基氢化肉桂酸酯)、((3,5-双(1,1-二甲基乙基)-4-羟基苯基)甲基)硫代)乙酸的c
10-c
14
异烷基酯、3,5-二叔丁基-4-羟基氢化肉桂酸的c
7-c9烷基酯、四-(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)-丙酰氧基甲基)甲烷、双(3,5-二叔丁基-4-羟基氢化肉桂酸硫代二亚乙基酯、3,5-二叔丁基-4-羟基氢化肉桂酸十八烷基酯、2,5-二叔丁基氢醌以及它们的混合物。4.如权利要求1至3中任一项所述的热管理系统，其中所述抗静电添加剂选自由以下各项组成的组：二c8-c10、支链、富含c9的烷基萘磺酸、烷基化苯并三唑和苯并三唑。5.如权利要求1至4中任一项所述的热管理系统，其中所述热管理系统还包括泵，其中所述泵被配置为将所述工作流体移入和移出所述热交换器。6.如权利要求1至5中任一项所述的热管理系统，其中所述发热部件包括服务器。7.如权利要求1至5中任一项所述的热管理系统，其中所述发热部件是电池组。8.如权利要求1至4中任一项所述的热管理系统，其中所述发热部件是电动车辆内的电池组、电动机和逆变器中的一者或多者。9.一种发热部件的热管理方法，所述方法包括以下步骤：将发热部件至少部分地浸入工作流体中；以及使用所述工作流体使得其以恒定的工作流体循环流穿过一个或多个发热部件，从而将热从所述发热部件传递到热交换器，然后回到所述发热部件，其中所述工作流体包含费-托衍生基础流体；抗氧化添加剂；和抗静电添加剂。10.如权利要求9所述的方法，其中所述方法包括以下步骤：将所述工作流体泵送到热交换器；传递来自所述工作流体的热量；以及将所述工作流体返回至所述发热部件。11.如权利要求9或权利要求10所述的方法，其中所述抗氧化添加剂是受阻酚。12.如权利要求13所述的方法，其中所述抗氧化添加剂是2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚。13.如权利要求9至12中任一项所述的方法，其中所述抗静电添加剂选自由以下各项组成的组：二c8-c10、支链、富含c9的烷基萘磺酸、烷基化苯并三唑、苯并三唑以及它们的混合物。14.费-托衍生基础流体在与热管理系统中的发热部件接触的工作流体中用于改善所述工作流体的抗老化性能的用途，其中所述工作流体还包含抗氧化添加剂和抗静电添加剂。

技术总结

本发明提供了一种热管理系统，所述系统包括：具有内部空间的壳体；设置在所述内部空间内的发热部件；热交换器；以及工作流体液体，其设置在所述内部空间内，以使得所述发热部件与所述工作流体接触；其中所述工作流体包含费-托衍生基础流体；抗氧化添加剂和抗静电添加剂，其中所述热管理系统被配置为使得恒定的工作流体循环流被维持穿过一个或多个发热部件，流到所述热交换器，然后回到所述发热部件。本发明还提供了一种发热部件的热管理方法，所述方法包括以下步骤：将发热部件至少部分地浸入工作流体中；以及使用所述工作流体使得其以恒定的工作流体循环流穿过一个或多个发热部件，从而将热从所述发热部件传递到热交换器，然后回到所述发热部件，其中所述工作流体包含费-托衍生基础流体；抗氧化添加剂；和抗静电添加剂。本发明还提供了费-托衍生基础流体在与热管理系统中的发热部件接触的工作流体中用于改善所述工作流体的抗老化性能的用途，其中所述工作流体还包含抗氧化添加剂和抗静电添加剂。剂。剂。