TWI610487B

TWI610487B - 電池模組

Info

Publication number: TWI610487B
Application number: TW105128834A
Authority: TW
Inventors: 鍾昀衞; 王崇翰; 程聖皓
Original assignee: 達方電子股份有限公司
Priority date: 2016-09-06
Filing date: 2016-09-06
Publication date: 2018-01-01
Also published as: TW201810795A

Abstract

本發明揭露一種電池模組，其包含一外殼、二電池組及二熱傳導件。該外殼於其內部形成相連通且相對之二容置空間且於其外部形成位於該二容置空間之間之一貫穿通道。該二電池組分別相對設置於該二容置空間中，該二熱傳導件分別對應該二電池組設置於該二容置空間中。每一個熱傳導件位於該對應的電池組與形成該貫穿通道之一側壁之間且接觸該對應的電池組及該側壁。藉此，該貫穿通道能於該電池模組運作時產生一煙囪效應氣流，可降低該側壁的溫度。此外，該外殼可透過一上殼體與一下殼體的結合而形成。

Description

電池模組

本發明關於一種電池模組，尤指一種被動式散熱之電池模組。

電池是一種利用化學反應以將化學能轉為電能的裝置。電池模組包含多個電池，故相較單一電池可提供更大的電流及更長的使用時間。然而，電池原則上於運作時會產生熱，使得電池的溫度升高，不利於放電效率。為使電池模組的體積減少，電池模組包裝的電池通常採緊密排列，但這種排列方式通常使得電池產生的熱更難以消散，使得電池的溫度居高不下。為使電池模組於運作時不致溫度過高，目前通常於整個電池模組外側殼體使用散熱鰭片，但一般而言，散熱效率有限。而且，當電池模組體積較大時，例如包含兩組相鄰設置的電池時，電池模組中心處的溫度將仍難以有效降低，電池模組的放電效率改善有限。另外，亦可使用風扇(或再搭配散熱鰭片)，以對電池模組產生強制對流，提昇散熱效率，進而有效降低電池模組整體溫度。然而，風扇需額外的電力驅動，通常是直接由電池模組提供，增加電池模組負擔。此外，由於為使風扇產生的強制氣流能順利流動而所需的空間及風扇(或再加上散熱鰭片)的設置空間，採用此解決方案之電池模組整體(包含電池模組本體、風扇及散熱鰭片)的體積將明顯地增大，不利於電池模組的設置。

鑑於先前技術中的問題，本發明提供一種電池模組，利用結構外殼於其中間部位形成貫穿通道，使得該貫穿通道能於該電池模組運作時產生一煙囪效應氣流，流貫該貫穿通道，以加速該電池模組的散熱速率。

根據本發明之一實施例之一電池模組包含一外殼、一第一電池組、一第一熱傳導件、一第二電池組及一第二熱傳導件。該外殼包含一第一殼體部、相對於該第一殼體部之一第二殼體部、及連接該第一殼體部及該第二殼體部之二連接部，該第一殼體部具有一第一通道側壁及一第一容置空間，該第二殼體部具有一第二通道側壁及一第二容置空間，該第一通道側壁與該第二通道側壁相對設置且形成一貫穿通道，且該第一殼體部、該第二殼體部、及該二連接部環繞該貫穿通道而構成一環形結構，且該貫穿通道上下延伸於該環形結構中。該第一電池組設置於該第一容置空間內。該第一熱傳導件設置於該第一容置空間內且接觸該第一電池組及該第一通道側壁。該第二電池組設置於該第二容置空間內。該第二熱傳導件設置於該第二容置空間內且接觸該第二電池組及該第二通道側壁。藉此，該貫穿通道於該電池模組運作時，基於煙囪效應產生一氣流，該氣流流貫該貫穿通道，可降低該第一通道側壁與該第二通道側壁的溫度，進而降低該電池模組整體的溫度。

根據本發明之另一實施例之一電池模組包含一上殼體、一下殼體、一第一電池組、一第一熱傳導件、一第二電池組及一第二熱傳導件。該上殼體具有一第一容置空間、一第二容置空間及位於該第一容置空間及該第二容置空間之間之一貫穿槽，該貫穿槽具有一第一槽側壁與一第二槽側壁，該第一槽側壁位於該第一容置空間與該第二槽側壁之間，該第二槽側壁位於該第二容置空間與該第一槽側壁之間，該貫穿槽上下貫穿該上殼體。該下殼體與該上殼體結合，該下殼體具有一穿孔，該貫穿槽與該穿孔對齊並形成一貫穿通道。該第一電池組設置於該第一容置空間內。該第一熱傳導件設置於該第一容置空間內，該第一熱傳導件具有一第一平面與一第二平面，該第一平面接觸該第一電池組，該第二平面接觸該第一槽側壁。該第二電池組設置於該第二容置空間內。該第二熱傳導件設置於該第二容置空間內，該第二熱傳導件具有一第三平面與一第四平面，該第三平面接觸該第二電池組，該第四平面接觸該第二槽側壁。其中，該貫穿通道上下貫穿該電池模組以於該電池模組運作時產生一煙囪效應氣流，該煙囪效應氣流由下往上流過該貫穿通道，進而降低該第一槽側壁與該第二槽側壁的溫度。該電池模組整體的溫度也因而降低。

相較於先前技術，根據本發明之電池模組利用該貫穿通道，於運作時產生氣流(即該煙囪效應氣流)流貫該貫穿通道，故能在不使用額外電能且無需額外空間供風扇設置的情形下，提昇對流散熱效率。

關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。

請參閱圖1至圖5，其中圖3於橫向比例放大，以清楚顯示結構橫向相對位置。根據本發明之一實施例之一電池模組1包含一外殼10、一第一電池組12、一第二電池組14、一第一熱傳導件16、一第二熱傳導件18及一控制模組20。於本實施例中，外殼10包含一上殼體102及一下殼體104，上殼體102及下殼體104結合形成容置空間以容置第一電池組12、第二電池組14、第一熱傳導件16、第二熱傳導件18及控制模組20。以外殼10整體而言，外殼10包含一第一殼體部106、相對於第一殼體部106之一第二殼體部108、及連接第一殼體部106及第二殼體部108之二連接部110；於圖1及圖3中，第一殼體部106、第二殼體部108及連接部110均以虛線框示其範圍。第一殼體部106、第二殼體部108、及該二連接部110環繞連接形成一環形結構(如圖1所示)。第一殼體部106具有一第一通道側壁1062及一第一容置空間1064，第二殼體部108具有一第二通道側壁1082及一第二容置空間1084，第一通道側壁1062與第二通道側壁1082相對設置且形成一貫穿通道112，故貫穿通道112形成於第一容置空間1064與第二容置空間1084之間。第一殼體部106、第二殼體部108、及該二連接部110環繞貫穿通道112，貫穿通道112上下延伸於該環形結構中(如圖3所示)，故於本實施例中，貫穿通道112的通道側壁包含通道側壁1062、1082及連接部110相鄰貫穿通道112的側壁。

第一電池組12及第二電池組14大致以矩形方塊表現於圖中，以簡化圖面。第一電池組12設置於第一容置空間1064內，第二電池組14其設置於第二容置空間1084內。第一熱傳導件16其設置於第一容置空間1064內且接觸第一電池組12及第一通道側壁1062的內側表面1062a，第二熱傳導件18設置於第二容置空間1084內且接觸第二電池組14及第二通道側壁1082的內側表面1082a。藉此，第一電池組12於運作時產生的熱可經由第一熱傳導件16傳導至第一通道側壁1062，再經由貫穿通道112以對流的方式散熱(以箭頭表示)；同理，第二電池組14於運作時產生的熱可經由第二熱傳導件18傳導至第二通道側壁1082，再經由貫穿通道112以對流的方式散熱(以箭頭表示)。

於本實施例中，貫穿通道112垂直延伸且貫穿外殼10的上表面(即上殼體102的頂表面102a)及下表面(即下殼體104的底表面104a)，故自第一通道側壁1062的外側表面1062b及第二通道側壁1082的外側表面1082b散出之熱可加熱貫穿通道112內的空氣，使得貫穿通道112內的空氣溫度高於貫穿通道112外的空氣溫度，故而貫穿通道112內的空氣受到向上移動的驅動力。換言之，貫穿通道112於電池模組1運作時產生一煙囪效應氣流(以空心箭頭表示於圖3中)，此氣流由下往上流過貫穿通道112，進而降低第一通道側壁1062與第二通道側壁1082的溫度；其中，貫穿通道112內的空氣自頂表面102a流出貫穿通道112，外部空氣自底表面104a補充進入貫穿通道112。此基於煙囪效應產生的氣流，其流速、流量、熱傳量可基於流體力學知識自該貫穿通道112的幾何尺寸(包含第一通道側壁1062與第二通道側壁1082間之間距)、流體性質等因素而可計算出，故於實作上，貫穿通道112的實際幾何尺寸可根據產品需求而設計，不另贅述。另外，於本實施例中，貫穿通道112垂直延伸，但本發明不此為限；例如斜向延伸亦能產生煙囪效應，進而增加對流流速，增加散熱效率。又，貫穿通道112亦不以單一流道為限；於實作上，貫穿通道112的流道設計可配合產品的使用環境而設計，原則上貫穿通道112具有垂直方向延伸的連續流道，即可產生煙囪效應。

於本實施例中，第一容置空間1064與第二容置空間1084經由該二連接部110連通，亦即該二連接部110本身亦形成容置空間，使得外殼10形成之容置空間(包含容置空間1064、1082及該二連接部110形成的容置空間)亦環繞貫穿通道112。控制模組20分別與第一電池組12與第二電池組14電連接。於本實施例中，第一電池組12與第二電池組14串聯，例如經由電線或金屬片電連接電極連接端12a、14a，控制模組20分別與第一電池組12的電極連接端12b(以隱藏線繪示於圖2中)及第二電池組14的電極連接端14b電連接。此外，於本實施例中，外殼10是密封的，具有防水效果，外部濕氣不會進入外殼10內部(即容置空間1064、1082及連接部110形成的容置空間)。其中，控制模組20經由設置於上殼體102的電連接器22提供外部負載電連接介面，電連接器22本身具防水效果且與上殼體102以密封結構(例如使用防水墊圈或以矽膠、樹脂填充間隙)結合，故仍能保持外殼10的密封性。此外，於本實施例中，控制模組20包含一電路板及設置其上所需的電子元件及用於與其他元件(例如第一電池組12、第二電池組14及電連接器22)連接的電連接器，其具體結構可由一般電池模組的控制模組實作，不另贅述。

另外，於本實施例中，上殼體102及下殼體104銜接形成外殼10，亦即形成第一殼體部106、第二殼體部108及該二連接部110。其中下殼體104大致呈一板狀，故外殼10形成之容置空間1064、1082及連接部110形成的容置空間均位於上殼體102，而形成貫穿通道112的結構亦大部分位於上殼體102；換言之，上殼體102實質上具有第一容置空間1064及第二容置空間1084。上殼體102還具有位於第一容置空間1064及第二容置空間1084之間之一貫穿槽1022，貫穿槽1022具有一第一槽側壁1022a與一第二槽側壁1022b，第一槽側壁1022a位於第一容置空間1064與第二槽側壁1022b之間，第二槽側壁1022b位於第二容置空間1084與第一槽側壁1022a之間，貫穿槽1022上下貫穿上殼體102，即貫穿槽1022連接頂表面102a(請併參圖4)；下殼體104具有一穿孔1042，穿孔1042貫穿下殼體104，即穿孔1042連接底表面104a(請併參圖5)。貫穿槽1022與穿孔1042對齊並形成貫穿通道112，使得貫穿通道112貫穿頂表面102a及底表面104a。

補充說明的是，請併參閱圖3及圖5，於本實施例中，因下殼體104大致呈一板狀，故第一通道側壁1062與第二通道側壁1082均位於上殼體102，其中第一通道側壁1062實質相當於第一槽側壁1022a，第二通道側壁1082實質相當於第二槽側壁1022b。貫穿通道112於電池模組1運作時產生的煙囪效應氣流，由下往上流過貫穿通道112，進而降低第一槽側壁1022a與第二槽側壁1022b的溫度。雖然於本實施例中，形成之容置空間1064、1082及貫穿通道112的結構大部分位於上殼體102，但本發明不以此為限；例如外殼10改以所佔空間大致相同之上、下殼體組合，使得容置空間1064、1082及貫穿通道112的結構亦大致平均形成於上、下殼體。此時，第一通道側壁即為上殼體的第一槽側壁及下殼體對應的穿孔側壁組合形成，第二通道側壁即為上殼體的第二槽側壁及下殼體對應的穿孔側壁組合形成。

此外，於本實施例中，外殼10更具有複數個連結構件114，上殼體102具有複數個連結構件座1024，位於第一槽側壁1022a及第二槽側壁1022b的底面，下殼體104對應具有複數個連結構件孔1044，連結構件座1024的厚度1024a大於第一槽側壁1022a及第二槽側壁1022b的厚度1022c，連結構件座1024至少部分突出於貫穿通道112(或貫穿槽1022)中。於本實施例中，第一槽側壁1022a及第二槽側壁1022b具有相同厚度，但本發明不以此為限。於上殼體102與下殼體104銜接時，連結構件孔1044對齊對應的連結構件座1024，連結構件114自其中一個連結構件孔1044穿過下殼體104而結合於對應的連結構件座1024中，使第一槽側壁1022a及第二槽側壁1022b連結於下殼體104。其中，連結構件114可為一螺絲，連結構件座1024為一配合的螺孔；但本發明不以此為限，例如連結構件114可為一卡柱(例如其末端彈性膨脹)，連結構件座1024為一卡孔(例如簡單地為一通孔，可容許該卡柱末端彈性變形通過並能卡持住該末端)。此外，於實作上，可於上殼體102與下殼體104結合面間設置一密封環，以利於外殼10的密封性。又，本發明不以前述上殼體102與下殼體104的銜接結構為限，例如上殼體102與下殼體104得以膠黏、卡勾與勾槽、額外的扣緊物(例如夾子)或其他固定件結合。另外，於本實施例中，下殼體104具有突出於底表面104a之複數個支撐腳1046，支撐腳1046除了具有平穩支撐電池模組1的功能外，還具有抬高底表面104a的效果(亦即於底表面104a與支撐、固定外殼10的支架的平面(以粗鏈線表示於圖3中)之間形成相當的空隙，可供空氣平順流動)，使得空氣能順利地自底表面104a補充進入貫穿通道112，亦即使該煙囪效應氣流能平順流動。

此外，於本實施例中，第一熱傳導件16具有一第一平面16a與一第二平面16b，其中第一平面16a接觸第一電池組12，藉以提昇第一電池組12與第一熱傳導件16間之熱傳導效率；第二平面16b接觸第一槽側壁1022a(或第一通道側壁1062的內側表面1062a)，藉以提昇第一熱傳導件16與第一槽側壁1022a(或第一通道側壁1062)間之熱傳導效率。藉由前述平面接觸，自第一電池組12至第一槽側壁1022a(或第一通道側壁1062)的熱傳導效率得以提昇，進而增進該煙囪效應氣流對第一電池組12的散熱效率。同理，第二熱傳導件18具有一第三平面18a與一第四平面18b，第三平面18a接觸第二電池組14，第四平面18b接觸第二槽側壁1022b(或第二通道側壁1082的內側表面1082a)。藉由前述平面接觸，自第二電池組14至第二槽側壁1022b(或第二通道側壁1082)的熱傳導效率得以提昇，進而增進該煙囪效應氣流對第二電池組14的散熱效率。補充說明的是，第一熱傳導件16與第一電池組12及第一槽側壁1022a(或第一通道側壁1062)之接觸不以平面接觸為限，原則上，第一熱傳導件16與第一電池組12及第一槽側壁1022a(或第一通道側壁1062)以緊密的方式貼合，即可產生面接觸的效果；關於第二熱傳導件18，亦同。

此外，於實作上，第一熱傳導件16可為單一結構件或一組合件，此可視產品對散熱的需求(包含熱傳量、電池組12、14的溫度分佈等)而定。於本實施例中，第一熱傳導件16一導熱片162及與導熱片162接觸之一均溫板164，導熱片162設置於均溫板164與第一電池組12之間且接觸第一電池組12，均溫板164設置於導熱片162與第一槽側壁1022a(或第一通道側壁1062)之間且接觸第一槽側壁1022a(或第一通道側壁1062)；同樣的，第二熱傳導件18一導熱片182及與導熱片182接觸之一均溫板184，導熱片182設置於均溫板184與第二電池組14之間且接觸第二電池組14，均溫板184設置於導熱片182與第二槽側壁1022b(或第二通道側壁1082)之間且接觸第二槽側壁1022b(或第二通道側壁1082)。其中，導熱片162、182可由導熱矽墊(thermally conductive silicon pad)、石墨烯(例如導熱石墨片材，thermal flexible graphite sheet)或其他具有導熱效果的片狀或板狀物質實作，均溫板164、184可由一金屬板件實作，例如銅板、鋁板、氮化鋁陶瓷塗層鋁板等。於實作上，第一熱傳導件16以單一結構件實作時，其可由一金屬板件(例如銅板、鋁板、氮化鋁陶瓷塗層鋁板)、導熱矽墊、石墨烯或其他具有導熱效果的片狀或板狀物質實作。另外，於本實施例中，上殼體102及下殼體104為塑膠射出件，但本發明不以此為限。

另外，於本實施例中，電池模組1除利用貫穿通道112散熱外，亦利用外殼10的其他結構散熱。如圖2及圖3所示，電池模組1還包含一第三熱傳導件17及一第四熱傳導件19，第一殼體部106具有相對於第一通道側壁1062之一外側壁1066，第二殼體部108具有相對於第二通道側壁1082之一外側壁1086。第三熱傳導件17相對於第一熱傳導件16設置於第一容置空間1064內且接觸第一電池組12及外側壁1066，使得第一電池組12於運作時產生的熱亦經由第三熱傳導件17傳導至外側壁1066，以對流的方式散熱(以箭頭表示)。第四熱傳導件19相對於第二熱傳導件18設置於第二容置空間1084內且接觸第二電池組14及外側壁1086，使得第二電池組14於運作時產生的熱亦經由第四熱傳導件19傳導至外側壁1086，以對流的方式散熱(以箭頭表示)。另外，前述關於第一熱傳導件16之變化例說明亦適用於第三熱傳導件17及第四熱傳導件19，不另贅述。

請參閱圖6及圖7。於本實施例中，第一電池組12包含複數個電池120、電池固定架122a、122b、一第一電極片124、相對於第一電極片124之一第二電極片126及其他多個電極片128。電池固定架122a、122b結合以固定、支撐該複數個電池120。每一個電池120具有一電池中軸120a、一正極120b與一負極120c，電池中軸120a為一虛擬軸線(以鏈線表示於圖中)且係自正極120b水平延伸至負極120c。第一電池組12利用電極片124、126、128以串聯方式電連接該複數個電池120，故該複數個電池120可區分為多組電池，其包含一第一組電池120d及一第二組電池120e，第一組電池120d的正極120b與第一電極片124電性耦合，第一組電池120d的負極120c與第二電極片126電性耦合，第二組電池120e的負極120c亦與第一電極片124電性耦合。從另一方面而言，第一組電池120d及第二組電池120e中的每一個電池120的正極120b及負極120c其中之一電性耦合於第一電極片124。第一熱傳導件16之第一平面16a接觸第一電極片124，故第一組電池120d及第二組電池120e於運作時產生的熱可經由第一電極片124傳遞至第一熱傳導件16。於本實施例中，電極片124、126、128均有與第一熱傳導件16或第三熱傳導件17接觸，故第一電池組12的電池120於運作時產生的熱均可迅速地經由第一熱傳導件16及第三熱傳導件17傳遞至外殼10。另外，於實作上，若第一熱傳導件16及第三熱傳導件17可能造成電極片124、126、128短路，可於第一熱傳導件16及第三熱傳導件17與電極片124、126、128之間形成一或多個絕緣層，此絕緣層可併於電極片124、126、128或熱傳導件16、17形成，而於結構邏輯上屬於電極片124、126、128或熱傳導件16、17之一部分結構。

請參閱圖8及圖9。同樣的，第二電池組14包含複數個電池140、電池固定架142a、142b及複數個電極片144。電池固定架142a、142b結合以固定、支撐該複數個電池140。每一個電池140具有一電池中軸140a、一正極140b與一負極140c，電池中軸140a為一虛擬軸線(以鏈線表示於圖中)且係自正極140b水平延伸至負極140c。第二電池組14利用電極片144以串聯方式電連接該複數個電池140。每一個電池140的正極140b及負極140c均電性耦合於該複數個電極片144其中之一。電極片144均有與第二熱傳導件18或第四熱傳導件19接觸，故第二電池組14的電池140於運作時產生的熱均可迅速地經由第二熱傳導件18及第三熱傳導件19傳遞至外殼10。以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

1‧‧‧電池模組

10‧‧‧外殼

102‧‧‧上殼體

102a‧‧‧頂表面

1022‧‧‧貫穿槽

1022a‧‧‧第一槽側壁

1022b‧‧‧第二槽側壁

1022c‧‧‧厚度

1024‧‧‧連結構件座

1024a‧‧‧厚度

104‧‧‧下殼體

104a‧‧‧底表面

1042‧‧‧穿孔

1044‧‧‧連結構件孔

1046‧‧‧支撐腳

106‧‧‧第一殼體部

1062‧‧‧第一通道側壁

1062a‧‧‧內側表面

1062b‧‧‧外側表面

1064‧‧‧第一容置空間

1066‧‧‧外側壁

108‧‧‧第二殼體部

1082‧‧‧第二通道側壁

1082a‧‧‧內側表面

1082b‧‧‧外側表面

1084‧‧‧第二容置空間

1086‧‧‧外側壁

110‧‧‧連接部

112‧‧‧貫穿通道

114‧‧‧連結構件

12‧‧‧第一電池組

12a、12b‧‧‧電極連接端

120‧‧‧電池

120a‧‧‧電池中軸

120b‧‧‧正極

120c‧‧‧負極

120d‧‧‧第一組電池

120c‧‧‧第二組電池

122a、122b‧‧‧電池固定架

124‧‧‧第一電極片

126‧‧‧第二電極片

128‧‧‧電極片

14‧‧‧第二電池組

14a、14b‧‧‧電極連接端

140‧‧‧電池

140a‧‧‧電池中軸

140b‧‧‧正極

140c‧‧‧負極

142a、142b‧‧‧電池固定架

144‧‧‧電極片

16‧‧‧第一熱傳導件

16a‧‧‧第一平面

16b‧‧‧第二平面

162‧‧‧導熱片

164‧‧‧均溫板

17‧‧‧第三熱傳導件

18‧‧‧第二熱傳導件

18a‧‧‧第三平面

18b‧‧‧第四平面

182‧‧‧導熱片

184‧‧‧均溫板

19‧‧‧第四熱傳導件

20‧‧‧控制模組

22‧‧‧電連接器

圖1為根據本發明之一實施例之一電池模組之示意圖。圖2為圖1中電池模組之爆炸圖。圖3為圖1中電池模組沿線X-X之剖面圖。圖4為圖2中電池模組之一上殼體於另一視角之示意圖。圖5為圖2中電池模組之一下殼體於另一視角之示意圖。圖6為圖2中電池模組之一第一電池組之爆炸圖。圖7為圖6中第一電池組之電池與電極片組合之示意圖。圖8為圖2中電池模組之一第二電池組之爆炸圖。圖9為圖8中第二電池組之電池與電極片組合之示意圖。