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TWI419391B - 電池系統中的散熱與熱失控擴散防護結構 - Google Patents

電池系統中的散熱與熱失控擴散防護結構 Download PDF

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TWI419391B
TWI419391B TW98145069A TW98145069A TWI419391B TW I419391 B TWI419391 B TW I419391B TW 98145069 A TW98145069 A TW 98145069A TW 98145069 A TW98145069 A TW 98145069A TW I419391 B TWI419391 B TW I419391B
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Jenn Dong Hwang
Cheng Chou Wong
Jian Chuang Chang
Sen Fa Yeh
bing ming Lin
Yu Min Peng
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Description

電池系統中的散熱與熱失控擴散防護結構
本發明是有關於一種電池系統(battery system)，且特別是有關於一種電池系統中的散熱與熱失控(thermal runaway)擴散防護結構。
在石油儲存量日趨短少及石油價格升高為全球所需面對的問題，電動車輛為目前最佳的解決方案。在美國加州已經立法強制車商必須銷售特定比率的電動汽車，其他各州也將跟進；法國、德國、瑞士、日本等均有獎勵補助電動車輛使用或技術研發的政策，具實用性能的電動車輛也陸續開發完成，正以實驗性試用逐步推廣。
歐、美、日等先進國家對都會區交通工具的空氣污染及石油儲存量日益短少相當重視，均認為目前是發展使用電動車輛的時機，且大力投入電動車輛之研發及推廣，美國加州已經立法強制車商必須銷售特定比率的電動汽車，其他各州也將跟進；法國、德國、瑞士、日本等均有獎勵補助電動車輛使用或技術研發的政策，具實用性能的電動車輛也陸續開發完成，正以實驗性試用逐步推廣。其中鋰電池導入是電動車發展成功關鍵，因鋰電池重量僅為鎳氫電池的一半，續航力卻是鎳氫電池的兩倍，再加上鋰電池工作電壓高、能量密度大、壽命長及環保等優點，行駛過程中不會排放廢氣，不但節能減碳，更減少汽油的使用量，未來汽車大廠全面換用充電式鋰電池將是銳不可擋的趨勢。
2006年SONY筆記型電腦鋰電池的全球回收事件，讓鋰電池的熱失控安全問題被突顯出來，而筆記型電腦所使用的電池組僅由3~8顆不等的18650單元電池所組成，電動車輛上若搭載18650單元電池，電池數則要達到4000~6000顆不等，才能提供車輛足夠的功率(動力)和電容量(續航力)，電池數目增加意味者熱失控機會增加，電池組中單一電池的熱失控就有可能擴散造成整個電池組。一旦電池組中某一顆電池的熱失控無法受掉有效控制，熱失控逐漸由最鄰近的電池蔓延開來，將導致整個電池組發生熱失控，其危險性將類似一顆小型炸彈爆炸。
因此，近年來美國國家再生能源實驗室(NREL)對於鋰電池組的熱失控擴散做了一系列的研究。熱失控擴散過程是當電池組中某一顆電池因為斷短路、或電性不均衡(指容量過低或內阻過高)時會導致電池在充放電過程中異常發熱，一旦該電池超過熱失控反應臨界溫度(一般約150℃左右)，電池內部的材料就會陸續發生熱分解放熱反應，所謂熱分解放熱是一種自加熱的自催化反應過程，會急遽推升該電池的溫度，在熱失控時電池溫度可超過500℃以上，每分鐘的自加熱溫升可超過20℃以上。所以該電池在超過臨界熱失控溫度後，會瞬間升溫而產生所謂熱失控。這顆電池熱失控所釋放的熱量如果沒有作良好的阻隔和散熱設計，就會接續加熱鄰近的電池，如美國國家再生能源實驗室在2008年5月在大型鋰離子電池技術與應用(Large Lithium Ion Battery Technology and Applications，LLIBTA)之第四屆國際研討會(4th International Symposium)發表的“Thermal Abuse Modeling of Li-ion Cells and propagation in Modules”中第30頁左圖所示，其中顯示熱失控的電池導致鄰近的幾顆電池也接連發生熱失控反應；電池組內部的熱失控一旦進入此階段，預期將無法被有效控制，最終將導致整個電池組內其它所有電池發生全面的熱失控，產生劇烈的燃燒放熱反應，這過程通常會伴隨大量的可燃性電解液氣體以及電池材料分解氣體的釋放，嚴重甚至會產生爆炸。
鋰電池的熱失控安全問題主要是由過充、短路情況所引起的，但是電池在受到外部撞擊而產生電池受到穿刺情況時，也會發生電池的熱失控。電池熱失控其實就是電池內部材料熱劣解放熱的反應過程表現。
目前已知管控熱失控擴散的如美國專利US6942944、美國公開專利US20060073377和US20090004556，以上專利的發明團隊即是參與NREL電池熱失控研究的研究成員，其利用將相變材料填入到電池間之間隙，利用相變材料相變過程具有吸熱之特性，來吸收電池熱失控時所生成的熱。
但是，上述專利有一最大的缺點，就是相變化材料的熱傳導特性並不佳，其特性可用於阻隔熱失控時熱在電池間的傳遞，但由於其導熱性差，電池組在正常使用中的溫升雖可受到控制，其後續的降溫速率卻需要很長的時間。舉例來說，在美國專利US6942944中的圖9顯示電池組在放電後，在自然對流散熱(無外加風扇散熱)情況下，電池組需靜置將近24小時才會回復到接近放電前的溫度，相變化材料的低熱傳導和吸熱特性雖可用於阻隔電池組內的熱失控擴散和降低電池充放電池的溫升，但回復降溫時間過長是其最大的缺點，不利於電池組的連續充放電操作。
本發明提供一種電池系統中的散熱與熱失控(thermal runaway)擴散防護結構，提供電池系統內其中一單元電池熱失控擴大引發整個電池組熱失控的安全防護。本發明同時具有導熱散熱功能，解決模組內電池溫度不均與過熱問題，提高鋰電池組循環壽命。
本發明提供一種電池系統中的散熱與熱失控擴散防護結構，包括一電池組(module)殼體以及至少一複合式導熱板。在電池組殼體內有多個單元電池(unit cell)。所述複合式導熱板是位於電池組殼體內與電池組殼體接觸並置入至少兩個的單元電池之間，做為熱在電池和殼體間的傳遞媒介，以及控制熱在電池間的傳遞；其中複合式導熱板是由至少一導熱層與至少一隔熱層組成的一多層異向性導熱結構。
本發明提供另一種電池系統中的散熱與熱失控擴散防護結構，包括一電池模組(pack)殼體以及至少一複合式導熱板。在電池模組殼體內有多個電池組，而所述複合式導熱板是位於電池模組殼體內與電池模組殼體接觸並置入至少兩個的電池組之間，其中複合式導熱板是由至少一導熱層與至少一隔熱層組成的一多層異向性導熱結構。
在本發明之第一實施例中，上述複合式導熱板是由一層的隔熱層與一層的導熱層所構成之雙層結構。
在本發明之第二實施例中，上述複合式導熱板是由兩層的導熱層夾一層的隔熱層所構成之三層結構。
在本發明之第三實施例中，上述複合式導熱板包括多層的導熱層與多層的隔熱層交替配置之結構。
在本發明之第四實施例中，上述複合式導熱板包括兩層導熱層、多個結構支架以及作為隔熱層的隔熱材料。所述結構支架是設置在導熱層之間，以支撐並控制導熱層間距，以方便於導熱層間填充或安置隔熱層。而隔熱材料即填充於內部空間內。其中，上述結構支架包括線型勒條、格狀勒條、方點型結構、菱格型點狀結構或圓點型結構。此外，上述複合式導熱板之導熱層可為單元電池的外殼或電池組的殼體。
在本發明之實施例中，上述導熱層之熱傳導係數k大於50W/m‧K。當熱傳導係數k在50W/m‧K~100W/m‧K之間時，導熱層的材料包括鎳、鎳合金、鐵、鋼、碳材或以上其中一材料與塑料混成之複合材料。當熱傳導係數k在100W/m‧K~450W/m‧K之間時，導熱層的材料包括金、銀、鋁、鋁合金、銅、銅合金、鎂、鎂合金、金屬氧化物或以上其中一材料與塑料混成之複合材料；或者高導熱陶瓷粉末與塑料混成之複合材料。
在本發明之實施例中，上述隔熱層之熱傳導係數k小於2W/m‧K。當熱傳導係數k在0.05W/m‧K~2W/m‧K之間時，隔熱層包括石棉、樹脂膠合玻纖板或塑膠板，其中塑膠板之材料如聚乙烯(PE)、醋酸乙烯酯(EVA)、聚丙烯(PP)、烷基苯磺酸鹽(ABS)、環氧樹脂(Epoxy)或聚氯乙烯(PVC)。當熱傳導係數k在0.001W/m‧K~0.5W/m‧K之間時，隔熱層包括發泡的高分子材料、低熔點高分子材料、液體或空氣。上述發泡的高分子材料包括PE、PP、ABS、Epoxy或PVC，且該低熔點高分子材料是指熔點在40℃~80℃之間的高分子材料；上述低熔點高分子材料可為天然或人工合成之石蠟油或脂肪酸；上述液體包括水或矽油。
在本發明之實施例中，上述複合式導熱板的總厚度在2.0cm~0.05cm之間時，導熱層的厚度佔總厚度的3%~70%以及隔熱層的厚度佔總厚度的30%~97%。
在本發明之實施例中，上述複合式導熱板的總厚度在1.0cm~0.05cm之間時，導熱層的厚度佔總厚度的5%~70%以及隔熱層的厚度佔總厚度的30%~95%。
在本發明之實施例中，上述複合式導熱板的總厚度在0.5cm~0.05cm之間時，導熱層的厚度佔總厚度的10%~70%以及隔熱層的厚度佔總厚度的30%~90%。
在本發明之實施例中，上述電池組殼體或電池模組殼體還包括散熱鰭片。上述複合式導熱板與散熱鰭片可經由物理或焊接結合方式相互連接。
在本發明之實施例中，上述電池系統中的散熱與熱失控擴散防護結構還包括設置在電池組殼體或電池模組殼體內的一控制電路板，因此在控制電路板與單元電池或電池組之間可設上述複合式導熱板。
在本發明之實施例中，上述電池系統中的散熱與熱失控擴散防護結構還包括設置在電池組殼體或電池模組殼體內的線路，因此在線路與單元電池或電池組之間可設上述複合式導熱板。
基於上述，本發明因為在單元電池以及/或是電池組之間設置由導熱層與隔熱層交替組成之複合式導熱板，所以當電池組內其中任一顆單元電池因短路、過度充電或其它原因而異常發熱時，該單元電池就可能發生熱失控，藉由複合式導熱板中的隔熱層有效地阻隔熱擴散至鄰近電池，同時上述複合式導熱板中的導熱層可將熱傳導至殼體散熱，將電池的熱失控侷限在單一電池或有限的電池間，避免整個電池組或電池系統發生全面熱失控而危害使用者生命安全。此外，對於部分控制電路板安置在電池組殼體內的電池組，本發明的複合式導熱板可設置在電池和電路板以及電池和連接線路間，降低電路板和線路早成的加熱電池問題。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
在電池系統(battery system)中，譬如車用的鋰電池一般為多個單元電池(unit cells)串並聯所組成，以提供足夠的電壓和電容量。同時基於使用的空間的考量，單元電池間會緊密地排列在電池組(module)殼體內，並由多個電池模組組成電池模組(pack)。在電池組長時間充放電使用中，電池組內部電池的短路、內阻增加、容量老化差異，將使得這些異常的電池出現過溫現象。在周遭電池亦持續放熱的環境下，異常電池的溫度將更容易超過其熱失控臨界溫度，這顆電池就會發生熱失控；熱失控過程中該單元電池會因為內部材料的熱分解而釋放出更多的熱量，這些熱量會傳遞到採堆疊設計的鄰近電池上，導致鄰近電池陸續發生熱失控。
本發明透過異向性的導熱設計，將電池的熱作具方向性的導熱和散熱，阻隔熱失控的熱向鄰近電池傳遞，可有效防止電池組發生全面熱失控，提高電池組的安全性。
同時，本發明之結構亦可作為電池組的散熱結構，降低電池組的內部溫度，以及降低電池組內部溫度梯度，延長電池組的循環壽命，電池溫度與電池壽命(容量衰減)關係如圖1所示，電池組的溫度與散熱對電池組循環壽命有極大的影響，本發明亦在熱失控擴散的安全防護外，亦同時具備作為電池散熱的功能。
以下根據本發明提出第一實施例，關於一種電池系統中的散熱與熱失控(thermal runaway)擴散防護結構(如圖2所示)，來阻斷電池的熱失控擴散以及提供電池組散熱功能。
請參照圖2，本實施例的散熱與熱失控擴散防護結構包括一電池組(module)殼體200以及多個複合式導熱板210。在電池組殼體200內通常設置有多個單元電池(unit cell)202，且於本圖中僅顯示電池組殼體200的一部份，以簡化圖式。至於複合式導熱板210則位於電池組殼體200內與電池組殼體200相接觸，並置入至少兩個的單元電池202之間。在圖2中，複合式導熱板210是介於兩個單元電池202之間，而複合式導熱板210是由一導熱層212與一隔熱層214組成的一雙層異向性導熱結構。除此之外，複合式導熱板210還可隔著兩個以上的單元電池202配置，或者複合式導熱板210可以為三層或包括多層導熱層與多層隔熱層交替配置之多層結構，而並不侷限於第一實施例。
請繼續參照圖2，複合式導熱板210的總厚度與導熱層212及隔熱層214之個別厚度可根據應用領域或者其本身的熱傳導係數來決定。舉例來說，當複合式導熱板210的總厚度在2.0cm~0.05cm之間時，導熱層212的厚度約佔總厚度的3%~70%以及隔熱層214的厚度約佔總厚度的30%~97%。在另一實施例中，複合式導熱板210的總厚度在1.0cm~0.05cm之間時，導熱層212的厚度約佔總厚度的5%~70%以及隔熱層214的厚度約佔總厚度的30%~95%。在又一實施例中，上述複合式導熱板210的總厚度在0.5cm~0.05cm之間時，導熱層212的厚度約佔總厚度的10%~70%以及隔熱層214的厚度約佔總厚度的30%~90%。
在本實施例中，導熱層212之熱傳導係數k大於50W/m‧K。舉例來說，當熱傳導係數k在50W/m‧K~100W/m‧K之間時，導熱層212的材料例如鎳、鎳合金、鐵、鋼、碳材或以上其中一材料與塑料混成之複合材料。當熱傳導係數k在100W/m‧K~450W/m‧K之間時，導熱層212的材料例如金、銀、鋁、鋁合金、銅、銅合金、鎂、鎂合金、金屬氧化物或以上其中一材料與塑料混成之複合材料；或者氮化碳、氮化矽等的高導熱陶瓷粉末與塑料混成之複合材料。下表一即可用作導熱層212的材料及其熱傳導係數k。
在本實施例中，隔熱層214之熱傳導係數k小於2W/m‧K。舉例來說，當熱傳導係數k在0.05W/m‧K~2W/m‧K之間時，隔熱層214例如石棉、樹脂膠合玻纖板或塑膠板，其中塑膠板之材料如聚乙烯(PE)、醋酸乙烯酯(EVA)、聚丙烯(PP)、烷基苯磺酸鹽(ABS)、環氧樹脂(Epoxy)或聚氯乙烯(PVC)。當熱傳導係數k在0.001W/m‧K~0.5W/m‧K之間時，隔熱層214例如發泡的高分子材料、低熔點高分子材料、液體或空氣，其中所謂的低熔點高分子材料是指熔點在40℃~80℃之間的高分子材料；上述發泡的高分子材料如PE、PP、ABS、Epoxy或PVC；上述低熔點高分子材料可為天然或人工合成之石蠟油或脂肪酸；而上述液體如水或矽油(Silicone oil)。下表二則是可用作隔熱層214的材料及其熱傳導係數k。
當圖2中的一顆單元電池202因短路或過充發生熱失控使得內部材料熱分解而釋出大量熱量時，可藉由上述複合式導熱板210中的導熱層212經由接觸面204，將熱傳導至電池組殼體200，同時藉由隔熱層214有效地將熱隔絕開來。
圖3A與圖3B分別為根據本發明之第二實施例的電池系統中的散熱與熱失控擴散防護結構之立體圖。
請先參照圖3A，其中的熱失控擴散防護結構包括一電池組殼體300以及多個複合式導熱板310。在電池組殼體300內的單元電池302為平板狀，且每個複合式導熱板310的一側各有兩個單元電池302，單元電池302間有隔板304，如金屬鋁、鋁合金、銅、銅合金或石墨等導熱材料。在最鄰近兩個複合式導熱板310之間的電池數除圖3A的兩個單元電池302之外，也可以根據單元電池302的尺寸改變電池數，較佳是小於3個。在第二實施例中，複合式導熱板310與第一實施例相同，是由一導熱層212與一隔熱層214組成的雙層異向性導熱結構，故導熱層212與隔熱層214之材料與厚度均可參考第一實施例。此外，在本實施例中，電池組殼體200可包括一散熱鰭片306，並可經由物理接觸(界面塗覆導熱膏)或膠合(譬如使用錫膏或導熱膠)或焊接方式與複合式導熱板310相互連接。
另外，請參照圖3B，如果將圖3A中的複合式導熱板310變更為由兩層導熱層212夾一層隔熱層214所構成之三層異向性導熱結構是複合式導熱板320，則因為圖3B中的兩個單元電池302有一側已接觸到複合式導熱板320，則中間間隔的隔板304除可採用導熱材料外，更可選擇如酚醛樹脂、ABS、Epoxy或PVC等隔熱材料，以達到最佳的阻斷熱失控擴散效果。這種複合式導熱板320的製作，可以兩層導熱層212黏合一層隔熱層214；或者，以一層隔熱層214兩面塗覆導熱層212。
圖4為根據本發明之第三實施例的一種電池系統中的散熱與熱失控擴散防護結構之立體圖。
請參照圖4，本實施例的熱失控擴散防護結構包括一電池組殼體400以及與電池組殼體400接觸的多個複合式導熱板410。在電池組殼體400內的單元電池402間可安裝導熱板404，且每個複合式導熱板410的一側各有三個單元電池402。在第三實施例中，複合式導熱板410是由兩層導熱層412夾一層隔熱層414所構成之三層異向性導熱結構，且導熱層412與隔熱層414之材料及其厚度均可參考第一實施例。至於複合式導熱板410的製作，可以兩層導熱層412黏合一層隔熱層414；或者，以一層隔熱層414兩面塗覆導熱層412。一般而言，對於厚度較薄(如0.5cm)的電池而言，採用雙層的複合式導熱板(如圖3A)即可。但對於尺寸較大的電池(譬如厚度>1cm以上的電池)或者中間夾多個單元電池402的情形，則可採用本實施例之三層結構的複合式導熱板410，以便提供足夠導熱和散熱功能。此外，本實施例之電池組殼體400還可如圖3B之散熱鰭片306。
圖5為根據本發明之第四實施例的一種電池系統中的散熱與熱失控擴散防護結構之立體圖。
請參照圖5，本實施例的熱失控擴散防護結構包括一電池組殼體500以及與電池組殼體500接觸的多個複合式導熱板510。而複合式導熱板510是位在兩個單元電池502之間，其構造如第一實施例，不同處只在複合式導熱板510的詳細結構，詳見圖6。
圖6為圖5之複合式導熱板510的立體示意圖。在第四實施例中，每一複合式導熱板510包括兩層導熱層600、導熱層600之間的多個結構支架602以及隔熱層604。其中，結構支架602是用來支撐導熱層600並形成多個內部空間606，而隔熱層604即填充於內部空間606內。其中，結構支架602可如圖6為線型勒條，或者其他型式的結構，如格狀勒條、方點型結構、菱格型點狀結構或圓點型結構，以維持結構強度並強化複合式導熱板516厚度穩定性。至於複合式導熱板510的製作，舉例來說可利用鑄造、擠型、射出或其他適合的方法製作或組合出一具上下兩導熱層600與中間結構支架602的結構體，再於其內部灌注並成型隔熱層604。
此外，如果單元電池502的外殼(未標示)為具高導熱特性的金屬材料(例如：鋁、鋁合金等)，則導熱層600可直接用單元電池502的外殼取代。結構支架602只需作為內部灌注隔熱層604和固定單元電池502的結構支撐，並不侷限使用表一或表二例舉的材料。
當圖5中的複合式導熱板510是用液體(如水)為隔熱層604時，在沒有單元電池502熱失控時，複合式導熱板510中的是熱傳導係數kz約0.58W/m‧K的水。不過當有一顆單元電池502發生熱失控時，隨著溫度上升，複合式導熱板510內的水會汽化為水蒸氣，汽化後的水蒸氣其熱傳導係數k僅約水的1/25。如此，可使圖5中的複合式導熱板510更為有效地將熱隔絕開來。此外，亦可填充室溫下為固態的石蠟油或脂肪酸為隔熱層604，以便在單顆電池發生熱失控時，因高溫使得石蠟油或脂肪酸熔化，降低其熱傳導係數k，同樣可提高熱阻隔效果。另外，本實施例之電池組殼體500還可如圖3B之散熱鰭片306。
圖7A與圖7B分別為根據本發明之第五實施例的電池系統中的散熱與熱失控擴散防護結構之立體圖。
請先參照圖7A，本實施例的熱失控擴散防護結構包括一電池組殼體700以及與電池組殼體700接觸的多個複合式導熱板710。在電池組殼體700內的單元電池702為圓筒狀，在本例圖中以4個單元電池702為一排為例，故圖7A的每個複合式導熱板710是位在兩排單元電池702之間。不過，單一排的單元電池數實際上仍可依照實際使用需要進行調整，並不僅限於圖示。至於複合式導熱板710之結構類似第三實施例，是由兩層導熱層712夾一層隔熱層714所構成之三層結構，且導熱層712與隔熱層714之材料及其厚度均可參考第一實施例。
為配合單元電池702的形狀，導熱層712可藉著鑄造等方式製作出具有可容納單元電池702的圓筒狀通孔，且為加強單元電池702與導熱層712之間的熱傳導，還可在其間使用散熱膏之類的材料。此外，本實施例之電池組殼體700也可如圖3B之散熱鰭片306。
另外，如果單元電池702的外殼(未標示)為具高導熱特性的金屬材料(例如：鋁、鋁合金等)，則單元電池702的外殼可直接當作複合式導熱板710之導熱層。圖7A中標示712的結構則只需作為固定單元電池702的結構支撐，並不侷限使用表一或表二例舉的材料。
然後，請參照圖7B，本圖與圖7A之不同處在於複合式導熱板720的構造。圖7B中的複合式導熱板720之導熱層722是順著單元電池702的形狀成型的膜層，且於其中設有結構支架724，而隔熱層726則填滿導熱層722之間的空間。
而且，如圖7A所述，如果單元電池702的外殼(未標示)為具高導熱特性的金屬材料(例如：鋁、鋁合金等)，則單元電池702的外殼可直接當作複合式導熱板710之導熱層。圖7B中標示722的結構則只需作為內部灌注隔熱層726和固定單元電池702的結構支撐，並不侷限使用表一或表二例舉的材料。
為驗證上述實施例之效果，列舉下列模擬實驗例與對照例作比較。
模擬實驗例一
模擬一個類似第一實施例的結構(如圖8)，其是以方型鋰電池為例，模擬在鋰電池800a~g組成的電池組中，其在加入複合式導熱板802進行導熱和隔熱後，電池組在防護單顆鋰電池800a熱失控擴散的功效。以目前鋰電池而言，其自加熱熱失控反應起始溫度(即SEI)起始裂解反應溫度約80~90℃，單元電池的熱失控臨界溫度約~150℃。
在這個實驗例中，每個鋰電池800a~g的厚度為0.5cm(這是目前方型鋁箔包電池最常採用的厚度)，而模擬的電池800a~g尺寸的面尺寸為10cm×13cm，以高度13cm方向進行模擬。至於模擬的複合式導熱板802是由一層導熱層804與一層隔熱層806組成的雙層結構。導熱層804的材料是採用高導熱的鋁材，厚度為0.1cm，熱傳導係數為237W/m‧K。隔熱層806的材料則為高分子材料，厚度為0.1cm，熱傳導係數為0.2W/m‧K。
由導熱層804與隔熱層806所組成的複合式導熱板802，其熱傳導具有異向性特性，即複合式導熱板802在平面方向的熱傳導係數kxy會高於厚度方向(即電池熱阻隔方向)的熱傳導係數kz，以有效的限制熱朝向xy方向傳導，使熱不會朝z方向傳導致鄰近的電池。以這個實驗例來看，複合式導熱板802的等效熱傳導係數kxy和kz可由下式計算得到：
上式中的L1 是導熱層804的厚度、L2 是隔熱層806的厚度、k1 是導熱層804的熱傳導係數、k2 是隔熱層806的熱傳導係數、A1 是導熱層804的熱傳導方向截面積、A2 是隔熱層806的熱傳導方向截面積。
換言之，複合式導熱板802的等效熱傳導係數kxy和kz可以透過材料選擇和厚度控制進行調整。上述複合式導熱板802的導熱層與隔熱層之厚度比各為50%，且透過上面的方程式可以計算出該複合式導熱板的非等向性熱傳導係數kz=0.4W/m‧K，kxy=118.6W/m‧K，本實驗例的kxy~300倍kz。
當鋰電池800a發生熱失控時，鋰電池800a將因為電池內部材料的熱劣解而釋放大量熱量，請見圖9。從圖9可知包含鋰電池800a在內的所有鋰電池800a~g的溫度對時間的關係，其中顯示當加入具有導熱/隔熱功能的複合式導熱板802後，鋰電池800a絕大部分熱量將沿著圖8中的箭頭方向傳遞至電池組殼體808散出，而不會擴散影響到鋰電池800b。電池組內部單一單元電池的熱失控將得到良好的散熱與阻隔，達到確保整個電池組安全的目的。
模擬實驗例二
模擬一個類似第三實施例的結構(如圖10)，其中的鋰電池1000a~g尺寸與模擬實驗例一相同。而模擬的複合式導熱板1002是由兩層導熱層1004夾一層隔熱層1006組成的三層結構。每層導熱層804與隔熱層806的材料、厚度和熱傳導係數均與模擬實驗例一一樣，即導熱層的總厚度為0.2cm，隔熱層的厚度為0.1cm。上述複合式導熱板1002的導熱層佔整體複合式導熱板厚度的2/3，隔熱層佔整體複合式導熱板厚度的1/3，按照模擬實驗例一中的方程式可得，該複合式導熱板的非等向性熱傳導係數kz=0.6W/m‧K，kxy=158.1W/m‧K，本實驗例的kxy~260倍kz。
當鋰電池1000a發生熱失控時，將因其內部材料的熱劣解而釋放大量熱量，模擬結果請見圖11。從圖11可知複合式導熱板1002能有效阻隔將鋰電池1000a所產生的熱傳遞至鋰電池1000b~g，並可推知導熱層1004能將鋰電池1000a所產生的熱如圖10中的箭頭傳遞至電池組殼體1008散出；隔熱層1006則可阻隔鋰電池1000a所產生的熱傳遞至鋰電池1000b。
對照例
模擬一個沒有複合式導熱板的結構(如圖12)，其中的鋰電池1200a~g之尺寸與模擬實驗例一相同。鋰電池1200a~g間無任何導熱或隔熱材料，鋰電池1200a~g以緊鄰方式堆疊形成電池組，這也是現有電池模組最常採用的堆疊方式。
當鋰電池1200a發生熱失控時，模擬結果如圖13。從圖13可知，鋰電池1200a的起始熱失控溫度約為180℃，在很短的時間(約2分鐘)鋰電池1200a的溫度即因內部材料的劣解放熱，使得溫度快速上升到接近350℃。而鋰電池1200a的熱將逐漸傳遞到鄰近的鋰電池1200b，造成鋰電池1200b緊接著發生熱失控。之後鋰電池1200a和1200b熱失控所產生的熱，將逐一加熱電池組內部其他鋰電池，使得整個電池組發生全面的熱失控。
在對照例中，鋰電池1200a和1200b必須經過一段時間加熱其它鋰電池1200c~g。一但整個電池組發生全面的熱失控，電池組溫度將急遽升高，造成電池組全面燃燒和爆炸，其危險性遠高於單顆單元電池的熱失控。尤其是單元電池尺寸越大時(尺寸大於以上模擬條件)，電池組內部的熱傳遞至電池組殼體1202的散熱性越差，單元電池發生熱失控的擴散情況將更趨嚴重。
因此，藉由模擬可知在本發明之電池系統中散熱與熱失控擴散防護結構中，當kxy>30倍kz時即可得到散熱與熱失控擴散阻隔效果，又kxy>100倍kz時可得到顯著的散熱與熱失控擴散阻隔功效。
另外，在部分電池組中，會如圖14所示在具有單元電池1401~1416的電池組殼體1400中安置控制電路板1418，而控制電路板1418上的電阻、電晶體和導電線路(未繪示)在充放電過程中會產生熱量，控制電路板1418的熱會加熱單元電池1401~1416導致緊鄰控制電路板1418附近的單元電池1403~1406溫度高於單元電池平均溫度。
在實測中，可發現單元電池1403~1406之溫度會較遠離控制電路板1418的單元電池1401、1402、1409、1410高出將近5~10℃，如圖15所示。在圖15中，溫度線與單元電池號數之對照如下表三，其中溫度線4和5分別是對單元電池1404的上方(接近控制電路板1418)與下方測量溫度。
從圖15可知，位在控制電路板1418正下方的單元電池1403~1406之溫度較單元電池1401~1402高出5℃以上，位在控制電路板1418下方第二層的單元電池1411~1413之溫度亦略高於其他單元電池。另外，從圖15還可觀察到單元電池1407與1408的溫度稍高於其他單元電池，這是因為外部電流連接線路位在其附近，導致線路的熱傳到單元電池1407與1408。
因此，本發明中的複合式導熱板還可設置在控制電路板及線路與單元電池之間，如圖16與圖17所示，其為根據本發明之第六實施例的電池系統中的散熱與熱失控擴散防護結構之立體圖。
請先參照圖16，本實施例的熱失控擴散防護結構包括一個由散熱鰭片組成之電池組殼體1600以及與電池組殼體1600接觸的多個複合式導熱板1602a、1602b。而且，複合式導熱板1602a、1602b可以根據單元電池1604的形狀作不同的結構設計，詳情請參照以上各實施例所述。且為簡化圖示，在圖16中僅以元件符號1602a、1602b顯示位在單元電池1604之間的複合式導熱板1602a以及位在單元電池1604與控制電路板1606之間的複合式導熱板1602b。在本實施例中的複合式導熱板1602b之導熱層(未繪示)可設在控制電路板1606側、隔熱層(未繪示)可設在單元電池1604側，因此可透過具有異向導熱特性的複合式導熱板1602b，將控制電路板1606的熱傳遞至電池組殼體1600散熱，並阻隔控制電路板1606的熱傳導至單元電池1604處加熱單元電池1604，以防止緊鄰控制電路板1606的單元電池1604較快劣化，影響到電池組整體壽命。
另外，請參照圖17，其中僅顯示電池組殼體內的結構，且單元電池1700的形狀為圓筒狀，所以位在單元電池1700之間的複合式導熱板1702a可以參照圖7A或圖7B，在圖17中則只以元件符號1702a、1702b和1702c顯示不同位置的複合式導熱板。其中，複合式導熱板1702a位在單元電池1700之間、複合式導熱板1702b位在單元電池1700與控制電路板1704之間、複合式導熱板1702c位在單元電池1700與線路1706之間。至於複合式導熱板1702b與1702c之導熱層(未繪示)可分別設在發熱之控制電路板1704側與線路1706側；複合式導熱板1702b與1702c之隔熱層(未繪示)則可設在單元電池1700側。
上述實施例是屬於在電池系統中的電池組內的散熱與熱失控擴散防護結構，但是本發明還可應用在電池系統中的電池模組，如圖18所示的本發明之第七實施例。
在圖18中，熱失控擴散防護結構包括一電池模組(pack)殼體1800以及至少一複合式導熱板1810。在電池模組殼體1800內有多個電池組1802，且每個電池組1802可以是圖2~圖7B與圖16~17中的其中一種類型或者多種混用，且電池模組殼體1800也可以像圖3一樣有散熱鰭片306。至於複合式導熱板1810是位於電池模組殼體1800內與電池模組殼體1800接觸並置入至少兩個的電池組1802之間，其中複合式導熱板1810的結構是由兩層導熱層1812夾一層隔熱層1814所構成之三層異向性導熱結構(如第三實施例)，抑或依照所需選擇上述第一、第二、第四或第五實施例中的複合式導熱板，故於此不再贅述。另外，在部分電池模組中會在具有電池組1802的電池組殼體1800中安置控制電路板、線路等會發熱的構件，所以複合式導熱板1810還可設置在電池組1802與這些會發熱的構件間。
另外，如果電池組1802的殼體(未標示)為具高導熱特性的金屬材料(例如：鋁、鋁合金等)，則電池組1802的殼體可直接當作複合式導熱板1810之導熱層。圖18中標示1812的結構則只需作為固定單元電池1802的結構支撐，並不侷限使用上述表一或表二例舉的材料。
綜上所述，本發明藉由設置於單元電池以及/或是電池組之間的複合式導熱板，可有控制並防止電池組或電池組的熱失控安全問題，有效把單一電池因短路、過度充電導致的熱失控危害，侷限單一電池或少數幾個電池內，將電池熱失控時釋放的熱量進行具特定方向性的傳導，主要的熱都直接傳遞到殼體的散熱鰭片進行散熱，降低熱傳到鄰近電池而引發鄰近電池熱失控情況發生，防止電池組發生全面的熱失控。此外，本發明的複合式導熱板亦同時具備導熱散熱功能，配合殼體的散熱鰭片可解決電池系統中散熱與溫度梯度的問題，提高電池組的循環壽命。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
200、300、400、500、700、808、1008、1202、1400．．．電池組殼體
202、302、402、502、702、1401~1416、1604．．．單元電池
204．．．接觸面
210、310、320、410、510、710、720、802、1002、1602a、1602b、1702a、1702b、1702c、1810．．．複合式導熱板
212、412、600、712、722、804、1004、1812．．．導熱層
214、414、714、726、806、1006、1814．．．隔熱層
304．．．隔板
306．．．散熱鰭片
404．．．導熱板
602、724．．．結構支架
604．．．隔熱材料
606．．．內部空間
800a~g、1000a~g、1200a~g．．．鋰電池
1418、1606、1704．．．控制電路板
1706．．．線路
1800．．．電池模組殼體
1802．．．電池組
圖1為單元電池在不同溫度下之電池容量與循環壽命的曲線圖。
圖2為依照本發明之第一實施例的一種電池系統中的散熱與熱失控(thermal runaway)擴散防護結構的剖面圖。
圖3A與圖3B分別為根據本發明之第二實施例的電池系統中的散熱與熱失控擴散防護結構之立體圖。
圖4為根據本發明之第三實施例的一種電池系統中的散熱與熱失控擴散防護結構之立體圖。
圖5為根據本發明之第四實施例的一種電池系統中的散熱與熱失控擴散防護結構之立體圖。
圖6為圖5之複合式導熱板的立體圖。
圖7A與圖7B分別為根據本發明之第五實施例的電池系統中的散熱與熱失控擴散防護結構之立體圖。
圖8為模擬實驗例一的電池組結構。
圖9為模擬實驗例一的單元電池之溫度對時間的曲線圖。
圖10為模擬實驗例二的電池組結構。
圖11為模擬實驗例二的單元電池之溫度對時間的曲線圖。
圖12為對照例的電池組結構。
圖13為對照例的單元電池之溫度對時間的曲線圖。
圖14為在電池組殼體中安置控制電路板之電池組的立體圖。
圖15為圖14的單元電池對溫度的曲線圖。
圖16與圖17分別為根據本發明之第六實施例的電池系統中的散熱與熱失控擴散防護結構之立體圖。
圖18為根據本發明之第七實施例的一種電池系統中的散熱與熱失控擴散防護結構之上視圖。
200．．．電池組殼體
202．．．單元電池
204．．．接觸面
210．．．複合式導熱板
212．．．導熱層
214．．．隔熱層

Claims (38)

  1. 一種電池系統中散熱與熱失控(thermal runaway)擴散防護結構，包括：一電池組(module)殼體，其中置放多個單元電池(unit cell)；以及至少一複合式導熱板，位於該電池組殼體內與該電池組殼體接觸並置入至少兩個的該些單元電池之間，其中該複合式導熱板是由至少一導熱層與至少一隔熱層組成的一多層異向性導熱結構。
  2. 一種電池系統中的散熱與熱失控擴散防護結構，包括：一電池模組(pack)殼體，其中置放多個電池組；以及至少一複合式導熱板，位於該電池模組殼體內與該電池模組殼體接觸並置入至少兩個的該些電池組之間，其中該複合式導熱板是由至少一導熱層與至少一隔熱層組成的一多層異向性導熱結構。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之電池系統中的散熱與熱失控擴散防護結構，其中該複合式導熱板包括由一層的該隔熱層與一層的該導熱層所構成之雙層結構。
  4. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之電池系統中的散熱與熱失控擴散防護結構，其中該複合式導熱板包括由兩層的該導熱層夾一層的該隔熱層所構成之三層結構。
  5. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之電池系統中的散熱與熱失控擴散防護結構，其中該複合式導熱板包括多層的該導熱層與多層的該隔熱層交替配置之結構。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之電池系統中的散熱與熱失控擴散防護結構，其中該複合式導熱板包括：兩層該導熱層；多個結構支架，設置在該些導熱層之間，以支撐該些導熱層並形成多個內部空間；以及一隔熱材料，填充於該些內部空間內，作為該隔熱層。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之電池系統中的散熱與熱失控擴散防護結構，其中該些導熱支架包括線型勒條、格狀勒條、方點型結構、菱格型點狀結構或圓點型結構。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之電池系統中的散熱與熱失控擴散防護結構，其中該導熱層為該些單元電池的外殼。
  9. 如申請專利範圍第2項所述之電池系統中的散熱與熱失控擴散防護結構，其中該複合式導熱板包括：兩層該導熱層；多個結構支架，設置在該些導熱層之間，以支撐該些導熱層並形成多個內部空間；以及一隔熱材料，填充於該些內部空間內，作為該隔熱層。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之電池系統中的散熱與熱失控擴散防護結構，其中該些導熱支架包括線型勒條、格狀勒條、方點型結構、菱格型點狀結構或圓點型結構。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之電池系統中的散熱與熱失控擴散防護結構，其中該導熱層為該些電池組的殼體。
  12. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之電池系統中的散熱與熱失控擴散防護結構，其中該導熱層之熱傳導係數k大於50W/m‧K。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之電池系統中的散熱與熱失控擴散防護結構，其中該導熱層之熱傳導係數k在50W/m‧K~100W/m‧K之間。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之電池系統中的散熱與熱失控擴散防護結構，其中該導熱層的材料包括鎳、鎳合金、鐵、鋼、碳材或以上其中一材料與塑料混成之複合材料。
  15. 如申請專利範圍第12項所述之電池系統中的散熱與熱失控擴散防護結構，其中該導熱層之熱傳導係數k在100W/m‧K~450W/m‧K之間。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之電池系統中的散熱與熱失控擴散防護結構，其中該導熱層的材料包括金、銀、鋁、鋁合金、銅、銅合金、鎂、鎂合金、金屬氧化物或以上其中一材料與塑料混成之複合材料。
  17. 如申請專利範圍第15項所述之電池系統中的散熱與熱失控擴散防護結構，其中該導熱層的材料包括高導熱陶瓷粉末與塑料混成之複合材料。
  18. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之電池系統中的散熱與熱失控擴散防護結構，其中該隔熱層之熱傳導係 數k小於2W/m‧K。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之電池系統中的散熱與熱失控擴散防護結構，其中該隔熱層之熱傳導係數k在0.05W/m‧K~2W/m‧K之間。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之電池系統中的散熱與熱失控擴散防護結構，其中該隔熱層包括石棉、樹脂膠合玻纖板或塑膠板。
  21. 如申請專利範圍第20項所述之電池系統中的散熱與熱失控擴散防護結構，其中該塑膠板的材料包括聚乙烯(PE)、醋酸乙烯酯(EVA)、聚丙烯(PP)、烷基苯磺酸鹽(ABS)、環氧樹脂(Epoxy)或聚氯乙烯(PVC)。
  22. 如申請專利範圍第18項所述之電池系統中的散熱與熱失控擴散防護結構，其中該隔熱層之熱傳導係數k在0.001W/m‧K~0.5W/m‧K之間。
  23. 如申請專利範圍第22項所述之電池系統中的散熱與熱失控擴散防護結構，其中該隔熱層包括發泡的高分子材料。
  24. 如申請專利範圍第23項所述之電池系統中的散熱與熱失控擴散防護結構，其中該發泡的高分子材料包括PE、PP、ABS、Epoxy或PVC。
  25. 如申請專利範圍第22項所述之電池系統中的散熱與熱失控擴散防護結構，其中該隔熱層包括低熔點高分子材料、液體或空氣，且該低熔點高分子材料為熔點在40℃~80℃之間的高分子材料。
  26. 如申請專利範圍第25項所述之電池系統中的散熱與熱失控擴散防護結構，其中該液體包括水或矽油。
  27. 如申請專利範圍第25項所述之電池系統中的散熱與熱失控擴散防護結構，其中該低熔點高分子材料包括石蠟油或脂肪酸。
  28. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之電池系統中的散熱與熱失控擴散防護結構，其中該複合式導熱板的總厚度在2.0cm~0.05cm之間、該導熱層的厚度佔該總厚度的3%~70%以及該隔熱層的厚度佔該總厚度的30%~97%。
  29. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之電池系統中的散熱與熱失控擴散防護結構，其中該複合式導熱板的總厚度在1.0cm~0.05cm之間、該導熱層的厚度佔該總厚度的5%~70%以及該隔熱層的厚度佔該總厚度的30%~95%。
  30. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之電池系統中的散熱與熱失控擴散防護結構，其中該複合式導熱板的總厚度在0.5cm~0.05cm之間、該導熱層的厚度佔該總厚度的10%~70%以及該隔熱層的厚度佔該總厚度的30%~90%。
  31. 如申請專利範圍第1項所述之電池系統中的散熱與熱失控擴散防護結構，其中該電池組殼體包括一散熱鰭片。
  32. 如申請專利範圍第31項所述之電池系統中的散熱與熱失控擴散防護結構，其中該複合式導熱板與該散熱鰭片是經由物理或焊接結合方式相互連接。
  33. 如申請專利範圍第2項所述之電池系統中的散熱與熱失控擴散防護結構，其中該電池模組殼體包括一散熱鰭片。
  34. 如申請專利範圍第33項所述之電池系統中的散熱與熱失控擴散防護結構，其中該複合式導熱板與該散熱鰭片是經由物理或焊接結合方式相互連接。
  35. 如申請專利範圍第1項所述之電池系統中的散熱與熱失控擴散防護結構，更包括：一控制電路板，設置在該電池組殼體內；以及該複合式導熱板更包括位在該控制電路板與該些單元電池之間。
  36. 如申請專利範圍第2項所述之電池系統中的散熱與熱失控擴散防護結構，更包括：一控制電路板，設置在該電池模組殼體內；以及該複合式導熱板更包括位在該控制電路板與該些電池組之間。
  37. 如申請專利範圍第1項所述之電池系統中的散熱與熱失控擴散防護結構，更包括：一線路，設置在該電池組殼體內；以及該複合式導熱板更包括位在該線路與該些單元電池之間。
  38. 如申請專利範圍第2項所述之電池系統中的散熱與熱失控擴散防護結構，更包括：一線路，設置在該電池模組殼體內；以及該複合式導熱板更包括位在該線路與該些電池組之間。
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