- 选题背景和意义：能源应用领域正在向着可再生能源和先进电池技术转型，锂离子电池也随之登上了科技时代的中心舞台上。近些年来, 锂离子电池在高端电子消费品、电动汽车、无人机和以及规模化储能领域的使用也在稳步增长。然而，这种应用趋势受到了锂电池在冷热两种环境下表现不佳的阻碍。在高温下，电池的降解率会提高，导致电池更换成本增加；在低温下，锂电池受制于容量、功率和效率减少，多表现为例如电动汽车较短的巡航里程和智能手机的自动关机。同时，随着快速充放电发展的趋势，电池的热管理变得更具挑战性。一方面，电池在低温下失去储能功率，这使得实现高C率（C率即在1小时内对电池充分充放电次数）变得更加困难。另一方面，高C率也同时增加电池内部的热量产生。快充技术被电动汽车应用，但如果热沉设置不当，将导致电池温度升至200℃以上，造成危险。因此高的热导是避免电池在热环境过热的关键。由于对电池热管理的这些相互冲突的需求，即低温绝热和高温导热，需要设计一种实用高效的热开关，实现对锂电池的热管理。
- 课题关键问题及难点：针对“低温绝热、高温导热”的热开关设计需求，现阶段主要的热调节器的问题是开关比低，占地面积大，成本高，可循环性差。热调节器的关键特性是热导随温度呈函数关系变化。开关热导比，是热管理器最重要的性能指标。传统的线性热元件由于其中热流密度和温度梯度总是线性比例，电池温度一直难以管理。基于热导率随固体相变而变化的材料而设计的热调节器，由于急剧相变的性质，热导率通常会表现出来良好的突变性，但还没有达到能被应用的高开关比。控制流体回路可以在一定程度上执行热管理功能，但开关比为不够大。此外，这类系统会产生更高的成本和重量，并不适用于实际的便携式设备。另一类热调节器是基于打开和关闭一个宏观界面，这种类型的调节器通常依赖于两种不同材料诱发的差热膨胀，进而引起几何变化，并形成压力接触。对于这类调节器，间隙大小取决于热管理器的特征长度和驱动应变。然而热膨胀是一种弱效应，一个热调节器即使很小也需要差距约0.1mm的间隙。成本、重量、精度，成为应用在如汽车和便携式电子设备等产品上的困难。综上，要求本次设计的热开关开关比尽可能大，且质量、体积、制造成本尽可能小。
- 文献综述（或调研报告）：
现有的热调节方案基本分为三种，即流体回路热控、相变材料热控和导热式热控。
受控流体回路是利用流体的对流换热方法对设备实施热控制。在一些微重力应用场合，例如航天器，需要用强迫对流的方法组织热交换，大多数时候需要一些动力设备如泵和风机等部件，系统也会因此变得比较复杂。液体循环热控系统是利用单相流体在管路及换热装置中的强迫对流换热，流体回路中为单相液态工质，在泵的驱动下，在流体回路内循环。工质通过冷板或换热器吸收热量并使温度升高，吸热后的工质流向辐射器并将热量向空间排散，或通过换热器传给温度较低的另一回路内的介质。对流换热方法有其突出的优点，它的换热能力强，组织换热较容易，尤其对较大范围的热管理系统是十分有效的，它可以精确实施对系统中热量的输运、排散、利用和控制。
自然界物质在一定条件下会发生相变，而相变时伴随着能量的释放和吸收，且其温度基本保持不变。利用物质的这种特性，实现温度控制，称为相变材料热控。将相变材料放置在被控设备与外部环境之间，当相变材料与被控设备（发热部件）的界面温度升高到相变材料的熔点时，相变材料熔化并吸收与熔化潜热相当的热量，使界面温度保持在熔点温度附近；当界面温度由于内部或外部原因而下降时，相变材料凝固并放出潜热，维持界面温度基本不变。这种方式特别适用于具有周期性工作的脉冲式热源特点的设备和部件。相变材料热控的另一个特点是它没有运动部件，原则上可以进行无限次的可逆工作，具有很高的可靠性。
对导热途径上的热阻（或热导）的控制也是有效的热控制方法。导热式主动热控制方法就是在发热量变化较大或热沉温度变化较大时，相应地改变热传导的热阻，从而把被控设备的温度控制在要求的范围内。接触式热开关一般是以切断和导通导热通路进而控制散热通路的热控制机构，主要任务是，在热源热量增大、温度升高时，使热源与散热面间的导热通路畅通。反之，在热源发热量减小时切断导热通路。常见的包括：往复式热开关，由双金属片推动其高低温部分接触和断开；石蜡热开关，利用石蜡熔解时容积膨胀所产生的液体压力转换成动作。
在新型的高开关比热开关设计中应考虑到上述多种方法各自的优劣，综合设计，尝试新的思路，提出改进方案。
- 方案（设计方案、或研究方案、研制方案）论证：
锂电池在极端温度下的糟糕性能阻碍了其在能源领域的广泛应用。电池热管理系统面临的一个挑战是：冷热环境对电池提出了对立的要求，即高温时进行热传导为电池冷却，低温时热隔离为保留电池的内部产生的热量，这导致冷热性能一个不可避免的折中。因此，需要为锂电池设计更为完善的热开关。
首先，考虑基于两种实现热导非线性变化的方法，即固态相变和界面接触，结合两种方案的优势。考虑使用形状记忆合金材料。形状记忆合金材料本身也是一个相变材料，并广泛应用于生物医学和汽车设备中。考虑利用形状记忆合金机械性能的优势,而不是直接利用与相变有关的特性，即在一个常数应力下，这转化为线应变的变化，因而产生宏观位移。形状记忆合金在其转变温度中平均应变响应比热能单独膨胀大两个数量级，因此打开相同的间隙尺寸，利用记忆合金的热调节器中所需的特征长度更小。在实际设计制作中，形状记忆合金的结构设计以及选型优化需要特别重视。
其次，考虑采用石蜡作为驱动的热开关方案，由于石蜡在熔化和凝固时需要吸收或放出热，因此，在开关转换时可避免温度脉冲，使温度控制得平稳，当在数分钟时间内功率产生阶梯突变时，石蜡热开关就可反应。石蜡的熔点可以满足各种不同的温度要求，从正11烷C11H24到C28H58不同的碳原子的石蜡有不同的熔点，为得到不同要求的熔点温度，通过化学分析可加以调配和裁剪，得到应用需要的开关设定点温度。
另外，其他包括基于相变材料设计的热开关，或通过特殊的接触结构实现热开关在导通和切断状态时的高导热量比的方案也在考虑范围内。
- 进度安排：
2019.12-2020.2 确定选题，并开始前期准备，包括阅读文献、搜集相关资料、补充专业知识漏洞，并了解热管理、和热元器件的相关知识和前沿资讯。
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