CN102055003A - 具有导热胶的电池组 - Google Patents

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林国桢
魏增德
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Abstract

本发明公开一种具有导热胶的电池组，该电池组包含一具有冷却装置的壳体及多个电池单元，该电池单元设置于该壳体中，该电池单元外部设有具有电绝缘特性及热传导特性的导热胶，该导热胶与该电池单元外表面接触。

Description

具有导热胶的电池组
技术领域
本发明涉及一种填充导热胶的电池组，尤其是涉及一种将具有电绝缘特性及热传导性能良好的导热胶填充于电池组的各电池单元之间，再配合气冷式或水冷式等冷却装置，确实可快速降低各电池单元的工作温度，而且能平均各电池单元之间的温度差异，此外，由于电池单元被包覆于具有弹性的导热胶，更可达到吸收震动、降低噪音等功能的电池组。
背景技术
由于电池单元，尤其是锂类电池，由于锂金属的可燃烧性，使得锂类电池具有安全上的顾虑，当其纯度不足或使用不当时，因内电阻过大或瞬间电流过大或因为散热不良造成过热现象，会有引发燃烧分解的可能性，因此锂类电池若要制作成高电压或高电流的高功率大型电池，其困难度非常高，制作成本也非常高；一般皆以品质成熟的较小型电池为单元，以串联或并联的方式，组合多个小型电池单元，以外壳包装成一体，成为一个大型电池使用，来达到大功率应用的目的；此时电池组的散热问题也是一个重要的议题，故电池组常以热传导良好的金属外壳包装，以利热量的发散；或设计有空气流道，以利热传的对流；越大型的电池单元在安全上的顾虑越高，例如目前电动车有使用48V的电池模块，是以13个3.7V能量20Ah的大型电池单元串联而成，6个48V电池模块又再串并联成为一组144V能量40Ah的大型电池组；若散热不良时，其核心温度可能达到200℃危险高温，不论是气冷式或水冷式的电池组，在电池单元与散热体之间如果有静止的空气形成热传导系数很低的隔离层时，将严重妨碍电池单元的散热，如果能有更高热传系数的介质取代空气隔离层，就能提高原装置的传热效率。
一般气冷式的电池组，采用风扇强迫空气对流带走热量的方式来散热；但是由于电池组设置空间的限制，例如将电池组设置于小型电动车时，电池组的安装体积被压缩，使得电池单元之间距离无法拉开，冷气路径的风阻非常大，无法保持足够的距离让冷气空气能畅通，且容易于电池单元间形成回流，反使得热空气滞留在电池单元间无法顺利排出，例如图1及图2所示，该电池组10在一概呈扁平板状的上盖111及底壳112所构成的壳体11之间夹设有多个的电池单元12，在该上盖111及底壳112之间设有螺栓16相互锁固或分离，图示将该上盖111部分剖开，以显示该电池单元12的电极121凸出于该上盖111顶部，于该上盖111顶部设有电极连接片13串联或并联连接各个电极121，该电池组10搭配气冷式冷却装置提供冷却风14吹向该电池单元12，在该底壳112底部设有散热鳍片113辅助热量散发，由于电池单元12具有一定间距，因此容易于电池单元12间形成回流15，同时会阻碍该冷却风14的行进；若以较强的风扇鼓风冷却，风力强大的位置(靠近进风处)带走的热较多，风力弱的位置(靠近出风处)散热慢，不仅增加功率损耗，更会使得各电池单元之间的温度差异变大；此电池单元的温度差异太大，会造成电池单元本身因热膨胀而产生不同的长度尺寸变化，不仅不利于电池单元的寿命维持，还使得包装固定电池组外壳的各扣件，因同时受不同的应力差异变化而逐渐松动。
至于散热效果较佳的水冷式电池组，以水冷的方式散热，将电池组的外壳制成内含水道，并以外加水帮浦将冷却水循环，并将高温水经散热器降温之后再使用，此种水冷方式散热虽能大幅带走热量，却因为电池单元与电池组的外壳之间常有空气细缝，无法密却贴合，影响了热传导效率，因此需有较大的水帮浦以供应更多的冷却水量，如此徒然增加成本。
据此可知，现有采用气冷或水冷散热方式，仍会有散热的死角，造成局部位置散热不良，及各个电池单元的散热不均匀造成温度分布差异太大的问题，严重限制电池组的应用范围并减少电池使用寿命！
就现有专利而言，例如中国台湾发明专利公告号I283493“使用部分涂布凝胶聚合物的隔离板的可充电锂电池”，该案揭露将导电胶涂布于电池单元内部的阳极板与阴极板之间，构成固态的电解液，以形成电离子的回路，让电池能够产生放电或充电功能。
再例如美国发明专利US6716552「Secondary Lithium Battery Constructionfor Improved Heat transfer」，该案揭露于电池单元内部的电极之间，填充入电解液，使得反应浓度能均匀化，而且反应热能经由此电解液，传导至电池单元的金属外壳，再导出至空气中，因此降低电池单元的反应温度，避免分解的发生率。
又例如中国发明专利公开号CN101432906“具有凝胶聚合物层的电池用隔膜”，该案揭露在电池单元内部的阳极与阴极之间，夹带一层多孔的胶状隔离层，以便含锂离子电解液能容纳在其中，以提高电池的供电品质。
据此可知，现有专利所揭露对于电池单元的散热技术皆是针对电池单元的内部结构加以改良，并未见针对电池单元外部散热的技术手段。
发明内容
有鉴于现有技术的缺失，本发明的目的在于提出一种填充导热胶的电池组，将具有电绝缘特性及热传导性能良好的导热胶填充于电池组的各电池单元之间，再配合气冷式或水冷式等冷却装置，确实可快速降低各电池单元的工作温度，而且能平均各电池单元之间的温度差异，此外，由于电池单元被包覆于具有弹性的导热胶，更可达到吸收震动、降低噪音等功能。
为达到上述目的，本发明提出一种具有导热胶的电池组，包含：
一壳体，该壳体具有至少一冷却装置；以及
多个电池单元，设置于该壳体中，该电池单元外部设有具有电绝缘特性及热传导特性的导热胶，该导热胶与该电池单元外表面接触。
为使贵审查委员对于本发明的结构目的和功效有更进一步的了解与认同，兹配合图示详细说明如后。
附图说明
图1是现有气冷式壳体电池组实施例立体组合图；
图2是图1的A-A剖视结构示意图；
图3是本发明第一实施例的外观立体组合结构图；
图4是图3的B-B剖视结构示意图；
图5及图6是本发明的电池单元组的制造方式实施例示意图；
图7是本发明第二实施例的立体组合结构示意图；
图8是本发明第二实施例的立体分解结构示意图；
图9是图7的C-C剖视结构示意图；
图10是本发明第三实施例的正视断面组合结构示意图；
图11是未实施本发明的水冷式冷却装置的壳体，其两不同排电池单元组的温度变化示意图；
图12是实施本发明在具有水冷式冷却装置的壳体时，对于各排电池单元的降温度及降温差效果示意图。背景技术：
10-电池组
11-壳体
111-上盖
112-底壳
113-散热鳍片
12-电池单元
121-电极
13-电极连接片
14-冷却风
15-回流
本发明：
30-电池组
31-壳体
311-上盖
312-底壳
313-散热鳍片
32-电池单元组
321-电池单元
322-导热胶
323-导热结构
324-电极
325-治具
33-电极连接片
34-冷却风
35-螺拴
40-电池组
41-壳体
411-上盖
412-底壳
413-绝缘板
414、415-孔洞
416、417-散热鳍片
418-容置空间
419-灌胶孔
42-电池单元
421、422-电极
43-螺栓
44-冷却风
45-导热胶
46-螺帽
50-电池组
51-壳体
511-上盖
512-底壳
513-容置空间
52-电池单元
53-导热胶
54-冷却水道
55-冷却水
A1～A7、B1～B7、C1～C7、D1～D7-电池单元
具体实施方式
以下将参照随附的附图来描述本发明为达成目的所使用的技术手段与功效，而以下附图所列举的实施例仅为辅助说明，以利贵审查委员了解，但本案的技术手段并不限于所列举附图。
请参阅图3及图4所示本发明第一实施例，该电池组30包含一概呈扁平板状的一上盖311及底壳312所构成的壳体31，在该上盖311及底壳312之间夹设有多个的电池单元组32，各个电池单元组32分别具有一电极324，在该上盖311及底壳312之间设有螺栓35相互锁固或分离，图示是将该上盖311部分剖开，以显示该电极324位置，其于该上盖31设有孔洞，以提供该电极324可由该上盖311的底部向上穿设并可凸出于该上盖311的顶部，再于该上盖311顶部设有电极连接片33串联或并联连接该各个电极324，该电池组30搭配气冷式冷却装置提供冷却风34吹向该电池单元组32(如图6所示)，在该底壳312底部设有散热鳍片313辅助热量散发。
请参阅图4至图6所示，该电池单元组32由电池单元321、导热胶322及导热结构323所构成，该电池单元321的种类无一定限制，但以发热量高的锂类电池更能显现本发明所能达成的冷却功效，该导热胶322由具有电绝缘特性及抗火焰燃烧的硅胶为主体，再添加具良好热传导特性的其他电绝缘物质(例如氮化铝)所构成，例如可使用Momentive Performance MaterialsJapan LLC出产的TSE3941-Flame Retardant Silicone Adhesive Sealant，采用硅胶的好处在于，硅胶对于金属容器具有良好贴附性，而其粘性又不至于过高，有利于日后该电池组30的拆解，或该电池单元321的维修或更换，且硅胶具有电绝缘特性，即使不慎沾粘于电极324也不会造成电源短路；该导热结构323具有高导热性的材质构成，图示该导热结构323为一波浪状片材；如图4所示，将电池单元321定位于一治具325上，再将该导热结构323对称设置于阵列的电池单元321两侧，该两片导热结构323可先以螺栓或铆钉相互结合后，再套设于该电池单元321外，并定位于该治具325上，该导热结构323与该电池单元321之间具有一定间距，其次，由于该导热胶322以硅胶为主体，该硅胶原材料原本为流动性甚佳的液体状态，但具有遇空气与湿气一定时间后，就形成弹性很好的固态胶状物且能抗高温耐火燃烧的特性，因此，可将原本液态的导热胶灌注于该导热结构323与该电池单元321之间，待一段时间后，该导热胶322可自然固化，或可添加固化剂加速固化，而后即可将该电池单元321、导热胶322及导热结构323构成的组合物由该治具325取下，形成一电池单元组32(如图6所示)，再将该电池单元组32组装于图3所示该壳体31内，以构成该电池组30。必须说明的是，该导热胶322以能够完全填充于该导热结构323与该电池单元321间的空间，且可大致完全覆盖该电池单元321的表面为佳。
请参阅图6所示，由于该电池单元321外表面包覆有该具有电绝缘及热传导特性的导热胶322，因此该电池单元321的热量可快速地经由该导热胶322传送至该导热结构323，再通过该冷却风34将该导热结构323表面所散发的热量冷却或送走，值得注意的是，通过该导热结构323的设置，可在各个电池单元组32之间形成一平滑顺畅的风道，因此，该冷却风34不容易于该电池单元332间滞留或形成回流，因此热量可顺利的被送出并快速冷却。
请参阅图7至图9所示本发明第二实施例，该电池组40包括一上盖411及一底壳412构成的壳体41，在该壳体41内设有多个电池单元42，该电池单元42顶部具有阴阳两支电极421、422，于该上盖411设有绝缘板413，该上盖411及绝缘板413对应于该电池单元42的电极421、422位置设有孔洞414，以提供该电极421、422由该上盖411的底部向上穿设并可凸出于该绝缘板413的顶部，再于该绝缘板413顶部设置电极连接片(图中未示出)串联或并联连接该各个电极421、422并以螺帽46锁固，在该上盖411及底壳412的外围均设有多个散热鳍片416、417，在该上盖411及底壳412之间设有多个螺栓43可相互锁固或分离，该电池组40搭配气冷式冷却装置提供冷却风44，冷却风44以平行各散热鳍片为佳，本实施例与图3所示该实施例的主要差异在于，本实施例的底壳412呈盒体态样，其具有一容置空间418可用以容置该多个电池单元42，于该上盖411两侧对称设有一灌胶孔419，该灌胶孔419连通该底壳412的容置空间418，将该上盖411螺合于该底壳412上，可由该灌胶孔419将液态的导热胶45灌入该容置空间418，原空间内的空气被液态导热胶逼走，使得该导热胶45可充分填满各电池单元42间的所有空隙，以及该电池单元42与该底壳412间的所有空隙，待导热胶45固化后，该电池单元42可被固结于具有弹性的固态导热胶45内，而且热导胶45与空间中所有电池单元43及壳体41密切贴合没有空气间隙，使得边界热传效率非常高，因此该电池单元43的热量可快速地经由该导热胶45传送至该壳体41，并由该散热鳍片416、417加速散热，同时可通过该冷却风44将热能快速送走及降温。
请参阅图10所示本发明第三实施例，该电池组50包括一上盖511及一底壳512构成的壳体51，该底壳512具有一容置空间513用以容置多个电池单元52，且该容置空间513灌注有导热胶53，本实施例的特点在于，该电池组50采用水冷式冷却装置，在该底壳512的底部设有一冷却水道54，该冷却水道54可提供冷却水55流通，该电池单元52在工作时所产生的热能，可通过该导热胶53快速传导至该壳体51，且可通过该冷却水55将热能快速送走及降温。
上述不同实施例说明，本发明所提出的采用导热胶快速传热的结构，可适用于不同型态的电池单元及壳体，且可搭配气冷式及水冷式冷却装置。
请参阅图11及图12所示，该图11为未实施本发明时的水冷式冷却装置的壳体，其对于电池单元第一排A1～A7、第二排B1～B7的温度分布及温差状况，该图12为实施本发明之后各排电池单元的温度分布及温差改善明显；例如该电池单元A1，于未设置导热胶而单纯依靠水冷式冷却装置降温时，其温度变化在高达摄氏40.6至110度之间，当设置导热胶且同时配合水冷式冷却装置时，可将温度降至摄氏38.1至61.2.6度之间，温度越高的地方获得改善的效果越明显。
本发明所提出的导热胶，可同时应用于具有气冷式冷却装置或水冷式冷却装置的电池组，其搭配水冷式冷却装置的效果更佳，即使原本已具有良好冷却效果的水冷式冷却装置，在搭配本发明的导热胶之后，更可提高其冷却效果及降低温差。
综上所述，本发明提供的填充导热胶的电池组，将具有电绝缘特性及热传导性能良好的导热胶填充于电池组的各电池单元之间，再配合气冷式或水冷式等冷却装置，确实可快速降低各电池单元的工作温度，而且能平均各电池单元之间的温度差异，此外，由于电池单元被包覆于具有弹性的导热胶内，因此可达到吸收震动、降低噪音等功能。
以上所述者，仅为本发明的实施例而已，当不能以之限定本发明所实施的范围。即大凡依本发明权利要求所作的均等变化与修饰，皆应仍属于本发明专利涵盖的范围内，谨请贵审查委员明鉴，并祈惠准，是所至祷。

Claims (15)

1.一种具有导热胶的电池组，包含：
壳体，该壳体具有至少一冷却装置；以及
多个电池单元，设置于该壳体中，该电池单元外部设有具有电绝缘特性及热传导特性的导热胶，该导热胶与该电池单元外表面接触。
2.如权利要求1所述的具有导热胶的电池组，其中该导热胶大致可完全覆盖该电池单元的外表面。
3.如权利要求1所述的具有导热胶的电池组，其中该导热胶由硅胶以及具导热性的物质构成。
4.如权利要求1所述的具有导热胶的电池组，其中该导热胶的热传导系数高于空气。
5.如权利要求1所述的具有导热胶的电池组，其还包括至少一导热结构，该导热结构设置于至少一电池单元的外围，且该导热结构与该电池单元之间具有一定间距，在该间距内填充有该导热胶。
6.如权利要求5所述的具有导热胶的电池组，其中该导热结构为具有高导热性的片材。
7.如权利要求1所述的具有导热胶的电池组，其中该壳体由一上盖以及一底壳构成。
8.如权利要求7所述的具有导热胶的电池组，其中该上盖及该底壳成一扁平板状，该电池单元夹设于该上盖及该底壳之间。
9.如权利要求7所述的具有导热胶的电池组，其中底壳具有一容置空间用以容置该电池单元。
10.如权利要求9所述的具有导热胶的电池组，其中该上盖设有至少一灌胶孔，该灌胶孔连通该底壳的容置空间。
11.如权利要求9所述的具有导热胶的电池组，其中该灌胶孔提供将非固态的导热胶灌入该容置空间，且该导热胶可大致填满该电池单元与该底壳间的空隙，以及各个电池单元间的空隙，使该导热胶包覆于该电池单元的外表面。
12.如权利要求1所述的具有导热胶的电池组，其中该壳体设有多个散热鳍片。
13.如权利要求1所述的具有导热胶的电池组，其中该电池单元为锂类电池。
14.如权利要求1所述的具有导热胶的电池组，其中该冷却装置为气冷式冷却装置，该气冷式冷却装置具有至少一风扇，该风扇用以产生冷却风，且该冷却风朝向该包覆有导热胶的电池单元吹送。
15.如权利要求1所述的具有导热胶的电池组，其中该冷却装置为水冷式冷却装置，于该壳体设有至少一冷却水道，提供冷却水流通。
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