CN103138027A - 高导热电池组件 - Google Patents

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Abstract

一种高导热电池组件，包括一个形成有一个中空容置腔室的金属壳体；复数个彼此平行设置于该金属壳体中、分别具有两个电极、且以其中一个彼此对应的电极，导热连接至上述金属壳体的电池芯；一个供导接上述各电池芯的另一电极的共同电极。本发明使用金属的高导热率来进行散热，且针对电池电极导接金属壳体处进行散热，并于该金属壳体上形成有固定槽，可缩减高导热电池组件的体积。

Description

高导热电池组件
【技术领域】
本发明是关于一种高导热电池组件，尤其适用于电动车的高导热电池组件。
【背景技术】
电池技术的诞生，是人类驾驭电力的起点。从「莱特瓶」与「伏特堆」，到现代的锂离子电池，可以支援人们在脱离供电区域时，还可随意驱使更大容量、高功率的电力，从而使用高动力需求的机具。即使透过新闻传播，一般手机、电脑等电子、通讯产品的安全问题常吸引众人目光，但电子通讯产品的电池往往只有单独一个电池芯、或至多三颗的少数电池芯；相形之下，若驱动电动车这一类大型的用电物件时，需要将大量的电池组合，藉由串连、并连的电池阵列来提供高电压与大电流的电源动力。
然而，组合大量电池后，所提供更大的电流在流经电阻时所产生的大量热能，对电池组则是一种严酷的考验。一方面，温度上升会降低金属的导电率，使得电力供应脱离预定范围；另方面，温度上升将使内含液体的电池芯体积膨胀，相邻的电池芯彼此相互挤压，增加破裂损坏、漏液、甚至燃烧爆炸的风险。更糟的是，一旦有任何一颗电池芯开始破裂、漏液，将可能造成相邻电池芯因而短路，引起非预期的瞬间大量电流释放。因此，如何顺利地将发热导出，一直是业界研究的重点之一。
一种常见的散热设计，如图1所示，在每一颗电池2侧边添加散热鳍片，并藉此在各电池2间留下空隙，并藉由风扇20鼓风而强制空气对流，由电池2侧边与散热鳍片处携走热量。不幸地，由于一般常见的锂二次电池等，电池芯中主要的金属与导热材料都是沿顶面21至底面22方向延伸设置；而电池芯的中心轴至侧边之间，则是充满不利于导热的电池液，热阻随之大幅提升。也就是说，即便顶面与底面间距明显大于相反侧面的间距，但电池芯向顶面与底面传热的效率却远高于侧面。因此，前述解决方案散热所针对的位置，无论是散热鳍片或强制对流，主要都是针对导热较差、热能累积有限的部位；而不是电池最有效散热的区域。
【发明内容】
本发明的一目的在于提供一种利用金属的高导热效率，让电池芯的金属电极与金属壳体直接导热接合而有效散热的高导热电池组件。
本发明的另一目的是提供一种在特定规格壳体中，藉由置放多个标准规格电池芯，达成符合上述特定规格要求的高导热电池组件。
本发明的再一目的是提供一种在特定规格壳体中，设置搭配有保险丝装置的多个独立电池芯的高导热电池组件，藉以在各别电池芯损坏时将损坏的电池芯单独由电路中排除。
本发明为一种高导热电池组件，包括：一个形成有一个中空容置腔室的金属壳体；复数个彼此平行设置于该金属壳体中、分别具有两个电极、且以其中一个彼此对应的电极，导热连接至上述金属壳体的电池芯；一个供导接上述各电池芯的另一电极的共同电极。
透过上述的结构，高导热电池组件中的多个电池芯，将分别把电极导热连接至金属壳体，使得电池芯沿着导热效率较佳的轴向方向，把发热迅速传导至金属壳体；并且可以更进一步，将每一个电池芯都分别导接设置有一个保险丝，透过这一结构设计，其中任一电池芯损毁而无法运作时，将立即从供电系统中被断开，无法因短路而损及其余相邻电池芯。
本发明也提供一个改良金属壳体的电池组结构，该金属壳体内切而形成复数个凹槽，该凹槽是用以固定电池的固定槽。其中，该固定槽甚至可以透空，让装置于电池组内部的电池部分裸露于壳体外。这种金属壳体的设计是为达到两项功能：一方面，如上述是用以卡扣、固定电池；同时，也在该金属壳体中形成电池部分的容置空间，电池组可以内缩以减少体积。
因此，本发明透过上述结构解决以往技术的散热局限。能够针对导热最佳、且容易累积热能之处进行散热；大幅提升散热效率。另外也改良电池组壳体，缩减电池组的体积；进而提升电池组的运用灵活度。
【附图说明】
图1是公知电池组的外壳体示意图；
图2是本发明的主要元件的示意图；
图3是本发明的金属壳体的示意图；
图4是本发明的侧剖面示意图；
图5是辅助图4的俯视透视图；
图6是本发明第二较佳实施例的具绝缘外表面层的金属壳体示意图；
图7是本发明第三较佳实施例的具有固定槽的金属壳体俯视示意图；
图8是图7实施例的立体示意图；
图9是本发明第四较佳实施例的具有穿透固定槽的金属壳体俯视示意图；
图10是图9实施例的立体示意图；
图11是本发明第五较佳实施例金属壳体组合状况的示意图，说明如何在金属壳体角隅形成导角边缘；
图12是图11实施例的第二共同电极的示意图；
图13是图11实施例的保险丝装置的示意图。
【主要元件符号说明】
高导热电池组件        1                   金属壳体        10
中空容置腔室          100                 泄气阀          101
内侧面                102                 外侧面          104
绝缘外表面层          106                 相变化材料      107
固定槽                108                 温度感测器      109
电池芯                12                  导角边缘        13
共同电极              14                  细导线          140
第二共同电极          15                  粗导线          150
中空焊线区            151                 保险丝装置      16
保险丝                161                 挠性垫片        17
电池                  2                   风扇            20
顶面                  21                  底面            22
【具体实施方式】
本发明为一种高导热电池组件，该高导热电池组件的结构包括：一个中空的金属壳体；以及，平行装置于上述的金属壳体中的复数个电池，上述复数电池分别具有两个电极、以其中一个彼此对应的电极导热连接至上述金属壳体的电池芯；还有一个供导接上述各电池芯的另一电极的共同电极。
电池芯为导热而连接至金属壳体，其中接触上述金属壳体的电极，在本实施例中暂释例为负极。这样的设计充分利用金属高热导效率来进行电池散热，但为达到电池芯的负极金属直接导接金属壳体，必须在结构上进一步发明改良。其结构请参考图2，本发明的高导热电池组件1主要结构可具有一金属壳体10，金属壳体10容纳复数个提供电能的电池芯12，各电池芯12的负极直接导接至金属壳体10上，利用金属导热佳的特性迅速散热；相对于负极，各电池芯12的正极则分别导接至一个共同电极14；在正极与共同电极14之间，还设有一组保险丝装置16。
图3为金属壳体10的立体示意图，金属壳体10具有一个内侧面102与相对上述内侧面102的外侧面104；中间中空的部分则为一个中空容置腔室100，作为上述的复数电池芯12、共同电极14、以及接合于两者之间的保险丝装置16的置放空间。一并参照图4及图5，本实施例中，是将电池芯12以上下两行排列，每一行各有四个电池芯12，且上下两行的电池芯12彼此反向配置；各电池芯12的正极都直接导接至金属壳体10，使得该金属壳体10作为共同接地而成为零电位、或称一共同负极。
由于上下两行的电池芯12反向设置，各正极则上下相互对应，且在上方电池芯的正极与下方电池芯的正极之间，更设置有一个共同电极14，成为一个导接至金属壳体10外的正极电路。且在本例中，共同电极14与各电池芯12正极之间，更设有一组保险丝装置16，该组保险丝装置16包括复数根保险丝161，每一根保险丝161分别具有对应各电池芯12的低熔点融断部，故当某一电池芯12短路而使电流过量时，过度的热能会累积于对应的狭窄融断部而使单一的保险丝161融断，形成断路以强制隔离该受损电池。熟知本技术领域者可轻易推知，上述的保险丝装置并不局限装设于电池芯正极位置，亦可设置于负极的电路位置。
本发明第二较佳实施例如图6所示，为避免使用者直接触碰作为共同负极的金属壳体而有安全顾虑，故对金属壳体10的外侧面104透过例如阳极处理等化成皮膜(Conversion Coating)技术使金属壳体10近外侧面104处的金属氧化形成一个绝缘外表面层106。
更进一步，当要缩减金属壳体10整体的体积时，受限于一般电池芯有其标准规格，不能轻易更改其尺寸，故在本发明第三较佳实施例中，如图7、图8所示，金属壳体10的内侧面102往内壁凹切有数个固定槽108，一方面用来卡扣电池芯12，同时还可以有效地缩减金属壳体10的体积。在本例中，金属壳体10内部另填塞有相变化材料107，当将电池组应用于例如电动车上时，电池组限温仅约60℃，但电动车停放在太阳下时，单纯车内温度都可到达4～50℃，温度安全容许范围相当窄小。因此，本例中是在金属壳体10与电池芯12间的缝隙位置填塞有相变化材料107，其在4～50℃时为固态，接近60℃时则吸收热能而转化为液态；藉此精确控制整体温度不超过规范。金属壳体10上加装有一个泄气阀101，防范因电池化学变化而产生的高压无处宣泄，导致金属壳体10气爆。一旦壳体内部的压力超过安全值，泄气阀101就自动开启，达到降压效果。
当然，还可如图9及10的第四较佳实施例所示，将固定槽108再深化，使其从金属壳体10的内侧面102向外贯穿外侧面104，形成例如四个篓空的固定槽108。藉此，金属壳体10的实质厚度将缩减至最薄，整体外廓也同步减小。此外，在金属壳体10内额外加装有一个温度感测器109，藉以量测金属壳体10内部的温度是否超过标准值，并发出警讯而通知使用者进行抢救措施或先行回避。
承接上述，当将本发明的电池组设置于例如电动车等严酷操作环境时，由于电池组数多、且散热要求较高，必须在有限空间内尽量提升散热效果，故本发明第五较佳实施例如图11所示，金属壳体10外廓大致为长方形结构，但在角隅位置则并非直角，而是蓄意截角而形成近似圆弧形的导角边缘13。故当两组以上的高导热电池组件1相互结合时，在电池组角隅处可形成一个导角边缘13，除散热外，亦可作为管线通道，而在搬移置放时，更可减少人员被刮伤的风险。当然，此处导角并不局限于圆弧状，亦可为斜切面，仍无碍于形成散热通道或管线通道，也仍可保障组装人员安全。
且如图12所示，在各电池芯12接近金属壳体10处，更设置有一个第二共同电极15，而非直接导接至金属壳体10，第二共同电极15对应每个电池芯12处，分别形成有一个中空焊线区151，供一粗导线150由电池芯12的电极处焊接至第二共同电极15上。另于上述第二共同电极15与金属壳体10的接合处，设置有一片导热的挠性垫片17。因此，当由电池芯12轴向施压组装时，电池芯12经由共同电极15与导热的挠性垫片17，提供一个受迫紧而紧密结合的导热回路，在轴向由电极直接将热传输至金属壳体10，并有助电池芯12与金属壳体10间的弹性缓冲，使得如电动车的振动不会直接损及电池芯12的焊点。
在本例中，由于共同负极由第二共同电极来承担，金属壳体不需特别进行阳极处理。另如图13所示，相较于电池芯12与共同电极15之间导线的线径所形成的粗导线150，电池芯12与共同电极14之间，刻意选择直径较细的细导线140作为焊接线，因此当流经的电流大于预定的门槛电流时，细导线即可被熔断而具有保险丝装置16的功效。
由于一般电池芯在正负极的轴向导热性较佳，本发明修正以往技术在电池芯侧面导热的架构，改采正负极方向导热，一方面大幅提高导热效率，并且可同步装设保险丝装置，即时排除损坏的电池芯，避免干扰其他电池芯的正常运作；再者，可以在金属壳体内侧面形成固定槽，进一步缩减整体电池组的尺寸；尤其藉由角隅进一步散热，充分解决既有的技术问题。
以上所述仅本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即依照本发明权利要求书范围及说明书内容所作简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (10)

1.一种高导热电池组件，包括：
一个形成有一个中空容置腔室的金属壳体；
复数个彼此平行设置于该金属壳体中、分别具有两个电极、且以其中一个彼此对应的电极，导热连接至上述金属壳体的电池芯；及
一个供导接上述各电池芯的另一电极的共同电极。
2.如权利要求1所述的电池组件，其中上述金属壳体具有一个远离该中空容置腔室的外侧面、及一个面向该中空容置腔室的内侧面；且上述电池芯分别具有一个轴向，而上述金属壳体形成有复数个分别对应上述各电池芯轴向延伸、由上述内侧面朝向上述外侧面形成的固定槽。
3.如权利要求2所述的电池组件，其中上述固定槽分别贯穿上述金属壳体内侧面及外侧面。
4.如权利要求1所述的电池组件，更包括一组设置于该金属壳体中的保险丝装置。
5.如权利要求4所述的电池组件，其中上述电池芯分别将其负极导热连接至该金属壳体，且上述电池芯的各正极是连接至上述共同电极，及该保险丝装置是复数个分别介于该共同电极与上述各电池芯正极间的保险丝。
6.如权利要求1、2、3、4或5所述的电池组件，更包括设置于该金属壳体上的一个泄气阀。
7.如权利要求1、2、3、4或5所述的电池组件，其中上述金属壳体具有一个绝缘外表面层。
8.如权利要求1、2、3、4或5所述的电池组件，更包括设置于该中空容置腔室中、相变化温度低于一个预定安全门槛的相变化材料。
9.如权利要求1、2、3、4或5所述的电池组件，更包括至少一个设置于该中空容置腔室中的温度感测器。
10.如权利要求1、2、3、4或5所述的电池组件，其中该金属壳体具有长方形外廓，且在角隅形成有导角边缘。
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