TWI492437B - 用於電池單元間平均分佈溫度的系統 - Google Patents

Description

用於電池單元間平均分佈溫度的系統

本發明關於一種用於平均分佈溫度的系統，特別是本發明關於一種用於電池單元間平均分佈溫度的系統。

充電電池組廣泛地應用於許多領域。從個人電腦到電動車輛，多數日常使用的產品皆是由充電電池組所驅動。新研發的充電電池組具有環保、長效及穩定的品質，這使得人們可以享受更好的生活但製造較少的二氧化碳與空氣汙染。

然而，充電電池組還存在一些缺點需要改進，其中之一是因充電電池芯間的不平衡而導致的老化。一個充電電池組是由許多充電電池芯，依照設計容量所組合而成的，充電電池芯間彼此以串聯或並聯的方式連接。充電電池芯也是充電電池組的核心組件。當充電電池芯充放電時，它們會發燙。當充電電池芯的溫度過高時，它的生命週期就會縮短。因而，如何防止充電電池芯發熱已成研究顯學，並有了非常好的結果，特別是對大電量的充電電池組。另一方面，還存 在一個問題：充電電池芯間的溫度分佈不均勻。這是眾所周知，造成充電電池芯不平衡的因素。較燙的充電電池芯比其它的充電電池芯更容易老化。因此，它的電氣特性，諸如電量，會與其它的來的不同。因為充電電池芯的健康運作是充電電池組工作的基石，當一或多個充電電池芯因不平衡的困擾而無法有效做好應該執行的工作時，充電電池組可能會失效或性能變差。

因此，有許多的先前技術提供了不同的溫度控制方法來解決上述問題。其中之一，揭露於美國專利第8,426,050。請參閱第1圖，該圖描述用於將一充電電池模組降溫的一溫度控制系統10。系統10包含一水池2、一泵浦4與導管7、8與9。水池2中有一流體。泵浦4經由導管7將流體自水池2中抽出。此後，泵浦4經由導管8將流體送至充電電池模組6中。充電電池模組6包含一冷卻集管1、熱交換器5及一冷卻集管3，細說如下。冷卻集管1配置以經由充電電池模組6中的每一熱交換器5，提供實質相等流量，以便其中的該些充電電池芯具有實質相等的熱能被移除。因而，所有在充電電池模組6中的充電電池芯維持於一實質相似的溫度，進而導致充電電池芯具有包含輸出電壓的均勻操作特性。冷卻集管3接收來自充電電池模組6內的熱交換器5被加熱的流體，並經由導管9發送該被加熱的流體回到水池2中。

‘050是一個典型的發明，藉某些其它部件的協助，提供了冷卻內部充電電池芯溫度的結構。然而，這有一個問題。很顯然，因為導管9內的流體回流藉外界環境而冷卻，導管8內流體的溫度較導管9內的來的低。但對於充電電池芯而言，較接近導管8側的，冷卻效果(溫度下降)會較好，這是因為該流體攜帶了來自較先接觸的充電電池芯的熱量到較後接觸者。而兩者都在相同的情況下運作及產生幾乎相同的熱，後者無法消散以前者更多的熱能。此外，冷卻集管1與3及熱交換器5是複雜的設備。複雜性造成系統10的成本較高。

因此，具有簡單設計及低建造成本，可以實現於電池組間控制與平均分佈溫度的系統，亟為業界所需。

目前用於充電電池芯，或甚至充電電池組的溫度控制系統有著以下的缺點：溫度分佈不均、成本高及無法進一步控制加熱或降溫。因此，具有簡單設計及低建造成本，可以實現於電池組間控制與平均分佈溫度的系統，亟為業界所需。

依照本發明的一態樣，一種用於電池單元間平均分佈溫度的系統，包含：一導熱流體，包覆該些電池單元並能實質圍繞該些電池單元及/或沿該些電池單元間的一特定路徑循環；一封閉式外殼，包覆該些電池單元與該導熱流體；及一循環模組，裝設於該封閉式外殼的內部或外部，用以驅 動該導熱流體以圍繞該些電池單元及/或沿該特定路徑循環。每一電池單元彼此以串聯或並聯方式連接；當該循環模組驅動該導熱流體循環時，該些電池單元間的溫度為實質均勻地分佈。

依照本案構想，該電池單元為一充電電池芯或一充電電池組。該導熱流體為一導熱氣體或一導熱液體。該導熱氣體為空氣或惰性氣體。該導熱液體為水、矽油或含磁性物質之液體。

該系統進一步包含一循環導管，佈設於該些電池單元間，用以提供該特定路徑給該導熱流體。該循環模組為一泵浦、一振動器、一風扇或一具有磁性轉子的馬達。

依照本發明的另一態樣，一種用於電池單元間平均分佈溫度的系統，包含：一導熱流體，包覆該些電池單元並能實質圍繞該些電池單元及/或沿該些電池單元間的一特定路徑循環；一外殼，容置該些電池單元且部份地容置該導熱流體，具有至少一流通孔，在該流通孔處一部分導熱流體能進出該外殼；及一循環模組，裝設於該外殼的內部或外部，用以驅動該導熱流體以圍繞該些電池單元及/或沿該特定路徑循環，其中每一電池單元彼此以串聯或並聯方式連接；當該循環模組驅動該導熱流體循環時，該些電池單元間的溫度為實質均勻地分佈。

依照本案構想，該導熱流體為一導熱氣體或一導熱液體。導熱氣體為空氣或惰性氣體。導熱液體為水、矽油或含磁性物質之液體。電池單元為一充電電池芯或一充電電池組。循環模組為一風扇、一震動器、一具有磁性轉子的馬達或一具有磁性轉子的裝置並藉由外殼外部磁力變化驅動。於循環時進出該外殼導熱流體的量小於循環開始前外殼內整體導熱流體的一交換量。該交換量為外殼內整體導熱流體的30%或以內。

藉由導熱流體的循環，溫度能於電池單元間平均地分佈。此外，依照本發明的系統具有低的建造成本，均勻分佈的溫度能進一步由系統外的其它方式而調整。

1‧‧‧冷卻集管

2‧‧‧水池

3‧‧‧冷卻集管

4‧‧‧泵浦

5‧‧‧熱交換器

6‧‧‧充電電池模組

7‧‧‧導管

8‧‧‧導管

9‧‧‧導管

10‧‧‧系統

100‧‧‧系統

110‧‧‧充電電池芯

120‧‧‧導熱流體

130‧‧‧封閉式外殼

140‧‧‧泵浦

142‧‧‧循環導管

150‧‧‧輔助泵浦

200‧‧‧充電電池組

210‧‧‧充電電池芯

220‧‧‧殼體

300‧‧‧系統

310‧‧‧電池單元

320‧‧‧導熱流體

330‧‧‧外殼

332‧‧‧流通孔

340‧‧‧風扇

第1圖顯示一冷卻系統的習知技術。

第2圖說明依照本發明的一實施例。

第3圖說明依照本發明的另一實施例。

第4圖說明依照本發明的又一實施例。

第5圖顯示一充電電池組，在不同系統中，充電電池芯的溫度分佈。

第6圖說明依照本發明的再一實施例。

本發明將藉由參照下列的實施例而更具體地描述。

請見第2圖，該圖揭露本發明的一實施例。一系統100用來於充電電池芯110間平均分佈溫度。為了說明起見，繪示8個充電電池芯110。

系統100包含一導熱流體120、一封閉式外殼130與一泵浦140。請注意第2圖僅用於說明，以致封閉式外殼130的某些部分被移除，封閉式外殼130內的部件可以被看到。事實上，封閉式外殼130是完好的，能於其內保留該導熱流體120而不會發生溢流或滲流。此外，充電電池芯110間彼此以串聯或並聯方式連接。充電電池芯110的數量不限於8個。當它們是要進一步用於具有設計容量的一充電電池組中，這可以是任何的數量。本發明提供的系統100能被應用於任何充電電池芯110的組合。故，每一充電電池芯110間的任何詳細連接方式與其它用於固定充電電池芯110及電傳導的輔助件皆可行但不描述於此，僅出示系統100本身與操作方法。

使用於此的導熱流體120為矽油。事實上，導熱流體120可以是其它的導熱氣體或導熱液體。舉例來說，如果是使用導熱氣體，那它可以是空氣、一種惰性氣體或一種混合惰性氣體，甚至是空氣與惰性氣體的組合，皆依照系統100想要呈現的冷卻效果與成本而定。如果使用導熱液體，在一種非常特別的情況下，含磁性物質之液體可以被使用。這將 描述於後文中。導熱流體120包覆充電電池芯110而不導致任何物理性或化學性的傷害。導熱流體120能實質圍繞充電電池芯110而進行循環。如第2圖所示，導熱流體120能被驅動以圍繞著充電電池芯110外部轉動。因為只有8個充電電池芯110，該循環經過充電電池芯110並均勻地帶走充電電池芯110工作時產生的熱量。因此，充電電池芯110間的溫度是實質均勻地分佈。

封閉式外殼130包覆充電電池芯110與導熱流體120於其內部。如果系統100與導熱流體120被用作為一個充電電池組，那封閉式外殼130就能是充電電池組的殼體。封閉式外殼130的材料可以是金屬、塑膠、玻璃纖維或其它適合的材料。

泵浦140是系統100運作的重要部件，它裝設於封閉式外殼130內部。當該泵浦140運轉時，導熱流體120被驅動以圍繞(如第2圖箭號所示)該些充電電池芯110或沿充電電池芯110間的一特定路徑循環，以便達成充電電池芯110間溫度的均勻分佈。該循環也能同時經過該特定路徑並圍繞於該些充電電池芯110四周。可以理解的是任何形式的泵浦都能使用於本發明中。也因為導熱流體120本身循環經過所有與充電電池芯110相連接的部件，比如說固定架、導電片、BMS，這些部件的高於平均溫度的熱量也會被帶走，使得循環所經的空間內，溫度是實質均勻地分佈。

在另一實施例中，該特定路徑能具體地實現。請參閱第3圖。為了說明起見，前面實施例中的系統100的結構使用於本實施例中。不同處在於泵浦140進一步連接到一循環導管142。該循環導管142安置於該些充電電池芯110間。於第3圖中，循環導管142形成為蜿蜒的形狀於前面4個充電電池芯110與後面4個充電電池芯110間。循環導管142提供該特定路徑給導熱流體120。當導熱流體120由泵浦140驅動並經該循環導管142而循環時，它帶走來自充電電池芯110的熱量。泵浦140也能交換循環導管142內的導熱流體120與循環導管142外的導熱流體120。不同於習知技術‘050，因為封閉式外殼130形成侷限的空間，在數次循環後，溫度能均勻地分佈於充電電池芯110間，理想上，甚至到整個封閉式外殼130內部的空間。

在又一實施例中，導熱流體120能既圍繞充電電池芯110而循環，又沿充電電池芯間110該特定路徑而循環，以於充電電池芯110間均勻地分佈溫度。此即，基於第4圖的結構裝設一輔助泵浦150。該輔助泵浦150被用來驅動導熱流體120以圍繞(如第4圖中箭號所示)該些充電電池芯110循環。該系統能以兩道流動來分佈溫度。依照本發明，任何數量的泵浦或循環模組能用來製造用作溫度分佈的流動。另一種變化方式是循環導管142內的導熱流體120為某一材料，獨立於循環導管142外的導熱流體120，兩者各自獨立流動於循環導 管142內外。比如，循環導管142內的導熱流體120為水，外部導熱流體120為矽油。這樣還是能依照本發明的精神，達到預期均勻分佈溫度的功效。通常來說，泵浦140或150能置換為一振動器。該振動器仍具有導向導熱流體120流動的作用。在其它實施例中，泵浦140或150以一具有磁性轉子的馬達形式存在，但該導熱流體120必須為一含磁性物質之液體。如此一來，當馬達轉動該磁性轉子時，液體中的磁性物質會跟著移動。結果，導熱流體120(液體)循環以均勻地分佈溫度。該具有磁性轉子的馬達更可以是一具有磁性轉子的裝置，藉由封閉式外殼外面磁力變化驅動，等於驅動裝置是裝設在封閉式外殼130外部。

請見第5圖。考慮一充電電池組200。它包含許多充電電池芯210於一殼體220內。當充電電池組200於運作時沒有被冷卻，每一充電電池芯210的溫度分佈情況如充電電池組200的簡圖下方，一座標系統中實心曲線所表示。橫軸顯示一充電電池芯210在充電電池組200剖面上與A點間的距離。很明顯的，在充電電池芯210群中心的充電電池芯210具有比其它周邊充電電池芯210更高的溫度，這很容易想到因為該充電電池芯210難以藉由傳導而散熱。當習知技術的散熱系統藉由A點至B點間循環流體而帶走熱量時，該實心曲線改變為一虛曲線。可以在該虛曲線找到較近A點的充電電池芯210，能較稍 遠離A點的充電電池芯210降溫更多。位於較近B點的充電電池芯210是溫度最高的，但仍然比沒循環散熱時來得佳。

當本發明提供的系統應用時，溫度分佈曲線變成一條水平線(如第5圖中的點狀線所示)。它表示所有充電電池芯210獲致平均地冷卻。雖然該溫度高於使用先前技術得散熱系統的結果，但充電電池組200內的溫度能進一步由冷卻方法(未繪示)，例如一風扇或一通風的環境，於殼體220外部進行冷卻。溫度仍均勻地分佈於充電電池芯210間。此外，充電電池芯210能由另外的加熱方法(未繪示)而均勻地於外部加熱，以供充電電池組200於寒冷地區運作時，能獲得適當溫度而表現正常。

當然，依照本發明的精神，處理的對象不限於充電電池芯，也可以是充電電池組。也就是說，一群充電電池芯能在同時間進行冷卻。然而，重點在充電電池組間維持溫度的均勻性。

請見第6圖，該圖揭露依照本發明的另一實施例。一系統300用作以於電池單元間310平均分佈溫度。電池單元310間以串聯或並聯方式連接。如上所述，該些電池單元310可以是充電電池芯或充電電池組。系統300具有一導熱流體320、一外殼330與一風扇340。

本實施例不被封閉環境所限制，相反地，部分導熱流體320能進出外殼330。因此，空氣是最好被使用的導熱 流體320。導熱流體320包覆該些電池單元310並能實質圍繞該些電池單元310及/或沿該些電池單元310間的一特定路徑而循環。有其它內部路徑導引裝置來引導流動，但不於此討論。因此，外殼330僅能容置該些電池單元310而非包覆它們。該外殼330能部份地容置導熱流體320且具有至少一流通孔332。圍繞該流通孔332，一部分導熱流體320能進出外殼330。因為本發明的精神是提供一實質封閉的循環以供該些電池單元310間的溫度均勻分佈，流通孔332被用來些微地與外部環境進行熱交換，以便系統300能不僅為所有的電池單元310進行均勻的溫度分佈，也能稍微控制溫度。如果有太多的流通孔332或流通孔332面積太大，內部溫度分佈狀態就會被破壞。在較佳的情況下，於循環時進出外殼330導熱流體320的量，小於循環開始前外殼330內部整體導熱流體320的一交換量。該交換量可以是30%外殼330中整體導熱流體320的量，也可以小於30%。由於流體的邊界層效應，大於某種百分比的交換量已經視同將外殼330內的導熱流體320對外循環散熱，離開了本發明的精神；又該百分比是隨著不同設計而變動。在實作上30%是一個參考值，但更高的交換量也可能落於本發明的範圍內，這要依照實際上是否有固定比例的導熱流體320在外殼330內循環而定。

風扇340或循環模組是裝設於該外殼330內。它被用來驅動導熱流體320以圍繞該些電池單元310及/或沿該特 定路徑而循環。當風扇340驅動導熱流體320循環時，該些電池單元310間的溫度為實質均勻地分佈。亦如上面數個實施例中所描述，雖然本實施例應用於一開放外殼330中，該導熱流體320並未限定為空氣，可以是任何的導熱氣體或導熱液體。如果是導熱氣體，它除了空氣外，也可以是惰性氣體。導熱液體可為水、矽油或含磁性物質之液體。風扇340可依不同的導熱流體320，換為震動器、具有磁性轉子的馬達，或具有磁性轉子的裝置並藉由外殼外面磁力變化驅動。

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，因此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。

100‧‧‧系統

110‧‧‧充電電池芯

120‧‧‧導熱流體

130‧‧‧封閉式外殼

140‧‧‧泵浦

Claims (15)

1. 一種用於電池單元間平均分佈溫度的系統，包含：一導熱流體，包覆該些電池單元並能實質圍繞該些電池單元及/或沿該些電池單元間的一特定路徑循環；一封閉式外殼，包覆該些電池單元與該導熱流體；及一循環模組，裝設於該封閉式外殼的內部或外部，用以驅動該導熱流體以圍繞該些電池單元及/或沿該特定路徑循環，其中每一電池單元彼此以串聯或並聯方式連接；當該循環模組驅動該導熱流體循環時，該些電池單元間的溫度為實質均勻地分佈。
2. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該電池單元為一充電電池芯或一充電電池組。
3. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該導熱流體為一導熱氣體或一導熱液體。
4. 如申請專利範圍第3項所述之系統，其中該導熱氣體為空氣或惰性氣體。
5. 如申請專利範圍第3項所述之系統，其中該導熱液體為水、矽油或含磁性物質之液體。
6. 如申請專利範圍第1項所述之系統，進一步包含：一循環導管，佈設於該些電池單元間，用以提供該特定路徑給該導熱流體。
7. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該循環模組為一泵浦、一振動器、一風扇、一具有磁性轉子的馬達或一具有磁性轉子的裝置並藉由封閉式外殼外面磁力變化驅動。
8. 一種用於電池單元間平均分佈溫度的系統，包含：一導熱流體，包覆該些電池單元並能實質圍繞該些電池單元及/或沿該些電池單元間的一特定路徑循環；一外殼，容置該些電池單元且部份地容置該導熱流體，具有至少一流通孔，在該流通孔處一部分導熱流體能進出該外殼；及一循環模組，裝設於該外殼的內部或外部，用以驅動該導熱流體以圍繞該些電池單元及/或沿該特定路徑循環，其中每一電池單元彼此以串聯或並聯方式連接；當該循環模組驅動該導熱流體循環時，該些電池單元間的溫度為實質均勻地分佈。
9. 如申請專利範圍第8項所述之系統，其中該導熱流體為一導熱氣體或一導熱液體。
10. 如申請專利範圍第9項所述之系統，其中該導熱氣體為空氣或惰性氣體。
11. 如申請專利範圍第9項所述之系統，其中該導熱液體為水、矽油或含磁性物質之液體。
12. 如申請專利範圍第8項所述之系統，其中該電池單元為一充電電池芯或一充電電池組。
13. 如申請專利範圍第8項所述之系統，其中該循環模組為一風扇、一震動器、一具有磁性轉子的馬達或一具有磁性轉子的裝置並藉由外殼外部磁力變化驅動。
14. 如申請專利範圍第8項所述之系統，其中於循環時進出該外殼導熱流體的量小於循環開始前外殼內整體導熱流體的一交換量。
15. 如申請專利範圍第14項所述之系統，其中該交換量為外殼內整體導熱流體的30%或以內。