TW493291B - Thermal management of battery systems - Google Patents

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493291 A7 B7 五、發明說明（i) 本發明背景 本發明大體有關電池組電源，而更明確言之，有關在 此等電池組電源系統內之熱管控〇本文中vv電池組〃一字 意在包括各種電化學發電形式，其共同點爲以一或更多在 有限空間內所儲存化學反應物之形式存在之化學能量在一 電化學反應內彼此間或與一外來反應物相反應，以於有需 要時產生電力〇 電池組電源之各種用法已然適切建立〇舉例言之，將 多數電池併合成並聯或串聯構形以形成一電池組模組或包 供用作個人電子裝置譬如行動電話、搭頂電腦、攝錄機一 類之電源已成爲詳知且普遍者〇此外，電池組電源之合宜 性質或特性，例如某些電池組電源待再充電之能力使此等 電池組電源成爲載具推進亦即電動載具（EV)所需之潛在電 源〇晚近，電池組電力之概念以及應用已予擴充以包括a 燃料電池組〃或a燃料電池電池組〃，其中係使用一種燃 料電池反應之產生電力，類似習用之可再充電電池組，但 其中有一反應物（燃料）必須時常予以補充〇 在各種應用中，有多種電池常予併合成育先選定之構 形（例如並聯或串聯），以形成一電池組模組。有許多此 種電池組模組可依次予結合或連接以形成各種電池組或電 池組包，譬如業界所已知者〇在操作或放電期間，此等電 池、電池組模組或電池組包通常生成或產生大量之熱，可 顯著衝擊因其所造成之性能。因此，爲維持此等電池或所 得電池組模組或電池組包，之所需或最佳性能，一般而言要 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公穿） I1IUIIU— — — · - I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) I*— 訂· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 493291 A7 — B7 五、發明說明（2) 將此等電池或所得電池組模組或電池組包之溫度維持於相 當狹窄之指定範圍內〇 實作中，個別電池間之溫度變化可由一或更多之各種 不同因素所造成，包括例如： (1) 周圍溫度之改變； (2) 電池間之不均等阻抗分布；及 (3 )電池間熱轉移效率差異〇 典型上，電池間熱轉移係數差異主要可歸因於電池包構形 〇舉例言之，在電池包構形中心之各電池元件可能傾向於 聚積熱，而在電池包構形周邊之各電池元件一般而言傾向 於更容易或更自由被冷卻，成爲熱轉移至周圍環境之結果 〇此外，此一熱轉移效率變化可能導致進一步之阻抗差異 ，如此可能作用以放大電池間之容量差異〇此等容量不均 衡會導致或造成一些電池過度充電或過度放電，後者依次 可造成電池包或其特定電池元件過早失效。明確言之，此 等失效可能採取熱逸散或加速容器量消減之形式〇 基於有效冷卻之使用（例如基於空氣、液體或其他選 定冷卻用媒介之强制循環）之熱管控系統曾予建議與此等 電池組電源系統一併使用。然而，此等有效冷卻體制之納 入及使用可能在電源設計及操作中之一或二者之上引進一 定位準之複雜性，如此可能阻礙或防止此等電源之更廣泛 使用。 此外，電池組電源之必要或所需尺寸一般而言取決於 其特定之應用。因此，對於此等電源之某些企圖或設想之 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -5- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

493291 A7 __ B7 五、發明說明（3) 應用例如推動電動載具，可能需要使用常用或可用之實體 尺寸顯著較大之電源。如業界熟練人士所認知，電源系統 內之熱管控會在此等電池、電池組模組、或電池組包之尺 寸增大時變成更關鍵或更重要〇 因此，對於允許熱管控更有效率或有效果或二者之新 穎且改良之電源系統及操作方法爲有需求及要求〇明確言 之，對於適切避免此等典型企望之有效冷卻用熱管控系統 之潛在錯縱複雜性之電源系統及操作方法爲有需求及要求 〇此外，對於周全設計之熱管控系統致可以合宜方式更確 保一相關電源之性能、安全或容量中之一或多項爲有需求 及要求〇 本發明綜述 本發明之一般目的爲提供一種改良之電源系統及操作 方法〇 本發明之一更特定目的爲克服一或更多上述之問題〇 本發明之該一般目的至少部份可經由一電源系統予以 達成，該系統包括至少一能進行發熱性充電或放電之電池 元件，以及一與該至少一電池元件熱接觸之相變物質源， 如此該相變物質吸收至少一部份於至少一電池元件放電時 所產生之熱0 一般而言，舊法無法提供一種提供或造成如所需爲有 效率或有效果或二者之熱管控之電源系統及操作方法〇此 外，舊法通常無法提供譬如可更便利或有效允許使用譬如 企圖或設想用於某些應用例如推動電動載具之較大尺寸電 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公^1 ----h---1---_-裝—— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -Γ訂· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 493291 A7 — B7 五、發明說明（4) 池組電源之電源系統熱管控及操作〇 本發明尙包含一種操作電源系統之方法〇依據本發明 之一具體形式，此一方法包括於至少一電池元件放電以產 生一電量及一熱量〇另法，將至少一電池元件充電則可以 類似方式產生一熱量〇至少一部份之該熱量被吸收於與放 電中電池元件熱接觸之相變物質內0此方法尙包括後續自 該相變物質釋放至少一部份之所吸收熱量，以加熱該至少 一電池元件〇 對業界熟練人士而言，其他目的及優點將因以下詳述 併同所附申請專利範圍及圖式而成爲明顯。 簡要圖說 圖1爲一將本發明一熱管控系統具體形式併入之電池 組模組之頂部示意圖0 圖2爲一用於圖1中所示電池組模組內之電池元件之 透視示意圖。 圖3爲多數用於圖1中所示電池組模組內之電池元件 之透視示意圖。 圖4爲模擬電池組模組一角隅之頂部示意圖，顯示該 模組內總共八個電池中之二個電池〇 圖5至8爲以選定之放電率及以各種選定之放電深度 (DOD)放電期間橫過圖4中所示電池組模組角隅之溫度輪 廓圖形0 圖9爲弛緩期間於選定之時點橫過圖4中所示電池組 模組角隅之溫度輪廓圖形〇 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 零·裝 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 493291 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（5) 本發明詳沭 本發明大體提供一種改良之電源系統及操作方法。更 明確言之，本發明提供一種改良之電源系統及操作方法， 以便提供或造成改良之熱管控，如此其中不合宜之溫度漂 移及溫度不均一性可予適當降低、最小化或以其他方式適 切管控〇 本發明可以各種不結構中予以體現〇作爲代表，圖 1例示以電池組模組體現之本發明，通以參考數字1 〇指派 。電池組模組10包括一電池包12，係由八個電池元件14、 16、18、20、22、24、26及2 8組成，譬如業界所知者〇 圖2例示分離且較細部之電池元件14〇如所示，電池 元件14大體上爲圓柱形，由長度L及寬度D構成〇雖然此 等形狀之電池元件屬常見且爲詳知者，但本發明之較廣範 圍施作不必受限於此，因若有需要，可將具有其他所需形 狀或尺寸之電池元件單獨或組合使用〇 圖3例示分離且較細部之亀池包12。 回到圖1 ;電池組模組10形成或包括多數空隙（通以 參考數字32指派）於電池包12之各相鄰電池元件14、16、 18、20、22、24、26及 28之間 〇 依據本發明之一較佳施作，此等電池組模組空隙係予 填充或以其他方式適當含容一通以參考數字34指派且詳述 於下之合宜相變物質（PCM)，以便於此一電源系統內促進 所需之熱管控〇明確言之，在例示之具體形式中，相變物 質34包圍每一電池元件14、16、18、20、22、24、26及28 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公$ ) -----·---*----裝-------*丨訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 493291 A7 _______ B7 五、發明說明（6) ，並大體與其成熱接觸〇 依據本發明之一較佳具體形式，若此所包括或併入之 相變物質34可適切作用如一散熱裝置，以吸收譬如於電池 組放電或充電之較高放熱程序期間在模組1〇內所產生之超 量熱。明確言之，放電期間由電池I4、18、20、22、 24、26及28產生之熱可予儲存，至少暫時在相變物質34內 作爲潛熱〇 因此，相變物質34允許儲存此種熱供稍後或隨後之使 用或利用。舉例言之，所儲存或以其他方式含容於此種相 變物質內之熱可於稍後予以適當釋放或（如通常所稱之） a斥拒〃，供適當使用於或併用於電池組模組〇明確言 之，此種儲存之熱可在弛緩期間內適當斥拒至該電池模組 ，並將各電池維持於一高於周圍溫度之高溫達一段長時間 〇舉例言之，此種熱稍後可在譬如電池組溫度降低時，譬 如於電池組放電期間或寒冷氣候條件下，予以斥拒〇 各種相變物質譬如業界已知者均可合宜用於該施作。 舉例言之，用於鋰離子電池組應用之合宜相變物質將適切 具有在30 eC至6(TC範圍內之熔點、按照單位質量比之高潛 熱、及狹窄之熔化溫度範圍。此外，用於本發明施作中之 相變物質亦宜爲可熱循環、無害、無汚染、對其他電池組 組件不反應或遲鈍、無毒性、價廉、以及重量或密度較小 〇因此，此等合宜之相變物質一般而言可包括石蠟，如此 較不昂貴、不易或不傾向分解，且通常在鋰離子電池之推 薦操作範圍內具有較低之熔化溫度。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公$) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) · ϋ ϋ m n l §1 一口、· ·ϋ ί I n n —Hai 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 493291 A7 ___ B7 五、發明說明（7) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 另法，業界熟練人士及由本文中提供之敎示所導引之 人士均將認知，氯苯及溴苯結晶成極類似之結構並具有狹 窄之晶化溫度範圍。因此，氯苯與溴苯之混合物可適用於 特別之應用，譬如涉及介於例如3(TC與45 eC之精密溫度控 制。 供此等應用之其他可能或合宜之相變物質可包括熔點 約70 eC之硬脂酸，以及硬脂酸與甲基醇、丙基醇及丁基醇 之各種熔點範圍爲約17 eC至34 °C之市售酯類。另一用於本 發明施作之候選相變物質爲聚乙二醇（PEG) 〇然而，潛在 或可能之PEG熱降解問題或關切可能防止、限制或其他方 面拘束此種使用或應用〇有鑒於上，一般均了解，本發明 之較廣範圍施作不必受限或拘束於併同各種特定或特別相 變物質之使用或施作〇 經濟部智慧財產局員工消費合阼fi印製 本發明係用以下例示或模擬本發明施作中所涉各種情 況之實例併同詳述之〇 —般均了解，所有在本發明精神範 疇內之變化均希欲加以保護，故而本發明不應予解釋成受 限於此等實例〇 實例 爲此等模擬實例之目的，故採取一由八個成串聯之依 比例放大原型所組成且排列類似圖1中所示電池組模組1 〇 之可再充電電池組模組〇此模擬電池組模組（通以參考數 字40指派），尤其一含有總共八個電池中之二個（分別以 參考數字44及4 5指派）之角隅42，係示於圖4 〇如所將認 知，電池44與46之角隅配對大體對應於任何電池之角隅配 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297兮 493291 A7 _____ B7 五、發明說明（8) 對’例如圖1及圖3中所不之14與16; 18與20; 22與24; 及26與28 〇 進一步設定模擬電池組模組4 0所由組成之依比例放大 原型電池具有相同於已知電池之化學，後者之熱物理性質 及每單位體積之熱產生率早已加以測量且可用作輸入〇 依據本發明，在模組電池4 4與4 6間之空隙5 0係假定用 一相變物質52予以填充，以便克服預期之過熱問題。爲此 等模擬實例之目的’故採取一^種具有下表1中所列示物理 性質之石蠟相變物質〇 表1 —模擬用石蠟之物理性質 性質 _1直 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 熔融蠟之密度 固體蠟之密度 熔化溫度 Cp (熔融蠟） Cp (固體蠟） k (熔融蠟） k (固體蠟） 融合潛熱

822 kg 910 kg 5 6eC 1770 J 1 770 J 0.21 W 0.29 W 195 kJ kg· kg- kg· • K- • K-K- 1 K- 1 將一由Macsyma公司稱爲PDEase2D (商標）之商用二 維有限元素（FE)軟體程式用以模擬該電池組包之熱性能。 結果及討論 圖5至8爲以選定之放電率（分別爲c/1、c/2、c/3 及C/6 ，且熱轉移係數各爲h = 6.4 W· m-2 · K-i ，通常繫 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297会# 493291 Α7 _______ Β7 五、發明說明（9) <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 應於無有效冷卻作用之自然冷卻率）及以各種選定之放電 深度（DOD)放電期間橫過圖4中所示電池組模組40之角隅 4 2之溫度輪廓圖形。其他三個角隅電池配對之結果因模組 對稱性而假定爲相同〇 如圖5中所示，電池44及46二者中心之溫度上升在放 電結束時爲53 K，而PCM物質所得之溫度上升僅11 K〇在 所有D0D上，每一電池之表面與中心間之溫度差均小於2 Κ 〇該相變物質內之較低溫度上升係歸因於該相變物質所 經歷相改變之潛熱〇亦即，大部份在放電期間被模組電池 斥拒之熱，係藉由將此物質之相位或其一部份自固體改變 成液體而作爲潛熱儲存於相關之相變物質內〇此儲存之熱 可在放電後譬如電池弛緩時間期間續予釋放。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 對其他放電率可發現類似之結果，如圖6至8所示〇 電池44及46二者中心之溫度上升在較緩慢之C/2 、C/3及 C/6放電率放電結束時分別爲34 Κ、29 Κ及24 Κ 〇因此， 凡業界熟練人士及由本文中提供之敎示所導引之人士均將 認知，較快或較大之放電率通常造成增加之熱產生作用， 故可提供高或增大對有效熱管控之需求，譬如可由本發明 之實施予以實現者〇 圖9爲弛緩期間於選定之時點上橫過圖4中所示電池 組模組40之角隅42之溫度輪廓圖形〇如所示，在弛緩24小 時後，每一電池44及46之溫度幾乎高出初始（周圍）溫度 10 Κ 〇如所將認知，此一性能可具有顯著之設計及使用意 涵〇舉例言之，經顯示，鋰離子電池組之資用容量强烈取 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297合&) 493291 A7 B7 五、發明說明（10) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 決於溫度，尤其於低操作溫度時爲然。因此，一對應電池 組之資用容量可藉升高操作期間之電池溫度予顯著增加〇 作爲另一實例，燃料電池組（燃料電池電池組）之性能， 譬如利用氫或甲醇燃料及以業界現有固體聚合物電解質操 作，已然顯示在超過某一最大溫度時嚴重退化0因此，在 高電力輸出期間所發展出之熱有必要迅速移除，其在有限 空間內可以一相變物質有效率達成〇 有鑒於此並依據本發明之一較佳具體形式，但一相關 相變物質內所儲存熱之利用可使電池組包內之電池能在驰 緩期間保持於一較周圍溫度爲高之溫度，故而在該電池接 著充電或放電時增加該資用容量。因此，本發明可有各種 重要之實際應用，譬如電池組或電池於寒冷條件下用於電 動載具電池組模組之情況〇 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本發明另一企圖應用實例爲與電池組電源系統（例如 鋰離子電池組之類）併用，譬如用於太空衛星〇舉例言之 ，由於衛星繞地球旋轉，故衛星在其由地球之亮側移動至 暗側時通常經過陡峭之溫度改變〇此一陡峭之溫降影響電 池組之性能。經由本發明之應用及施作，經由一合宜相變 物質儲存於電池組包內之熱可用以減小此一陡峭溫度改變 之效應〇 如所將認知，電源系統及操作方法譬如上述者能應用 於各種環境。有鑒於此，本發明之較廣範圍施作不必受限 於併同特定或特別環境之施作或使用。然而，如目前所企 圖，本發明在用於或併同用於電池組包譬如包括或併納多 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297 493291 A7 B7__ 五、發明說明（11) 數鋰離子電池或電池組時，可發現特別之應用性之合宜性 ，譬如可應用或使用以推動電動載具（EV ) 〇 因此，本發明提供一種提供或造成改良熱管控之電源 系統及操作方法〇明確言之，本發明提供一種較前此可以 其他方式實現者爲更有效果或有效率或二者之電源系統及 操作方法〇此外，本發明合宜提供一種熱管控系統，譬如 可以合宜方式更確保一相關電源之性能、安全或容量中之 一或多項〇至少部份側作爲其結果，本發明之施作可更便 利或有效允許使用譬如企圖或設想用於某些應用例如推動 電動載具之較大尺寸電池組電源〇 以例示降級揭示於本文中之本發明可合宜在欠缺任何 非明確揭示於本文中之元件、部件、步驟、組件、或成份 時予以施作〇 雖然本發明已在以上詳述中就某些較佳之具體形式予 以說明，且爲例示之目的列示多項細節，但業界熟練人士 明顯可知，本發明能有額外之具體形式，且本文中所述之 某些細節可予可觀變化而不背離本發明之基本原理0 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

* H ϋ ϋ n I I I 一-0、I — — — — — — I 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公g)

Claims (1)

1. 493291 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 g88六、申請專利範圍 1 · 一種電源系統，包含： 至少一電化學電池元件，能進行發熱性充電或放電 ;以及 一相變物質源，與該至少一電池兀件熱接觸，如此 該相變物質吸收至少一部份於該至少一電池元件充電或放 電時所產生之熱〇 2 .如申請專利範圍第1項之電源系統，其中該至少一 電池元件爲一預選定構形中之多數電池元件中之一。 3 ·如申請專利範圍第2項之電源系統，其中該多數電 池元件成並聯構形〇 4 ·如申請專利範圍第2項之電源系統，其中該多數電 池元件成串聯構形◦ 5 ·如申請專利範圍第1項之電源系統，其中該至少一 電池元件可再充電◦ 6 ·如申請專利範圍第1項之電源系統，其中該至少一 電池元件爲鋰離子電池、氫燃料電池組（燃料電池電池組 )、或甲醇燃料電池組（燃料電池電池組）〇 7 . —種操作電源系統之方法，該方法包含： 將至少一電池元件放電，以產生一電量及一熱量； 將至少一部份之該熱量吸收於一與該放電中之電池 元件熱接觸之相變物質內；以及 續自該相變物質釋放至少一部份之所吸收熱量，以 加熱該至少一電池元件〇 8 .如申請專利範圍第7項之方法，其中該至少一電池 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公一 ' (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 一裝 ϋβ n ϋ n n n 1· ·1 ϋ i^i in n .Φ. 493291 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 爲一預選定構形中之多數電池元件中之一 〇 9 ·如申請專利範圍第8項之方法，其中該至少一電池 係與該多數電池元件中之至少另〜個並聯放電〇 I 0 ·如申請專利範圍第8項之方法，其中該至少一電池 係與該多數電池元件中之至少另〜個串聯放電〇 II ·如申請專利範圍第7項之方法，其中該續自該相變 物質釋放至少一部份之所吸收熱量以加熱該至少一電池元 件之工作發生於該至少一電池元件再充電或放電期間內〇 1 2 ·如申請專利範圍第7項之方法，其中該續自該相變 物質釋放至少一部份之所吸收熱量以加熱該至少一電池元 件之工作發生於該至少一電池元件之低溫操作期間內〇 1 3 ·如申請專利範圍第7項之方法，其中至少一部份之 該電量係供應以推動電動載具。 14 ·如申請專利範圍第7項之方法，其中至少一部份之 該電量係供應以推動個人電氣裝置〇 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297