TWI684300B

TWI684300B - 獨立大電能電動設備用之熱管理系統

Info

Publication number: TWI684300B
Application number: TW107140368A
Authority: TW
Inventors: 莊嘉明
Original assignee: 明創能源股份有限公司
Priority date: 2017-11-20
Filing date: 2018-11-14
Publication date: 2020-02-01
Also published as: US11605849B2; CN109818101B; SG11202003533PA; CN109818101A; TW201941487A; WO2019096090A1; TW201924134A; US20210210810A1; SG10202103483TA; TWI750487B

Abstract

一種獨立大電能電動設備用之熱管理系統，供將電池芯保持在預定溫度範圍，其中電池芯是被裝置於電池外殼中，以及電池芯是供驅動獨立大電能電動設備，該熱管理系統包括：調溫裝置，包括小型與大型調溫器，分別導熱連結電池芯和電池外殼，及選擇切換調溫器的選擇切換開關；感測裝置，包括溫度感測器及電量感測器，並供分別輸出對應電池芯的溫度信號及對應電池芯的電量信號；及接收信號的微處理裝置依照溫度信號指令調溫裝置是否開啟，以及當調溫裝置需開啟時，依照電量信號指令上述選擇切換開關，決定切換至開啟小型和/或大型調溫器。

Description

獨立大電能電動設備用之熱管理系統

一種獨立大電能電動設備用之熱管理系統。

世界對於能源的需求，在全球氣候暖化與變遷下，逐漸由石化燃料轉向可再生資源作為取代的動力來源，達到減少溫室氣體的排放，希冀減緩全球暖化的趨勢，同時改善空氣品質。隨著蓄電芯的發展，電能正日漸取代汽油作為主要的動力來源。

然而，採以電能作為動力的電動汽車，所用的電池芯常選用鋰離子電池(Lithium-ion battery)做為電能的供應源，鋰離子電池卻因工作溫度與運作之環境使得使用年限非常有限，同時年限終結後的重置成本又高的驚人，主要因電池芯內溫度管理不當，鋰離子耗損過快，就以電動汽車為例，生產電動汽車成本通常電池芯就占電動汽車的造價成本三分之一，且這也是未來更換電池芯的重置成本，故而電動汽車仍讓人們望之卻步。

此外，電動汽車的電池芯年限相較於傳統汽車年限而言極為短暫，遑論電動汽車的電池芯更換費用往往相較於傳統汽車的保養費用更是高出許多，尤其就在購入電動汽車的短短數年後，電池芯隨著使用時間與運作環境等，自然衰退將無法蓄存原來的電容量，降低了電動汽車本身電池芯蓄滿電能下夠行駛的里程，也就造就電動汽車於市場布局上受到鉅大的挑戰與阻礙。本專利大電能熱管理系統可將電芯溫度管控於非常嚴苛的溫度範圍，可延長電池系統壽命至十年以上，充分解決電動汽車市場布局的問題。

電動汽車於行駛下，熱源不僅來自於車內的電池充放，馬達運轉，也會從環境接收熱能，當電芯溫度從攝氏20度攀升到攝氏30度，電池壽命會減半，當電芯溫度從攝氏30度攀升到攝氏38度，電池壽命會再減半，溫度越高，壽命減損倍率更快。而且，如果電池芯上沒有設置保護裝置或保護裝置沒有及時切斷迴路，將使電池芯內部自我反應加速，溫度持續升高而造成電池負極瓦解，隔離膜燒毀，正負極短路，電解液氣化，電池洩閥，高溫氣體外洩，造成火燒車事件。習知溫控系統在駕駛離座鑰匙拔離時停止運作。然而電芯在沒有充放電但是溫度高於攝氏60度時自我反應所產生的熱量若無法排除，電芯溫度會因此緩慢上升，當溫度高於攝氏100度時，反應加速，通常在不到一小時即會造成電池負極瓦解，電池洩閥，高溫氣體外洩，造成火災。這是所有鋰離子電池系統共同的特性，也是目前電動車及手機在待用時自燃的主要原因。

基於電池芯在高溫狀態下易有安全疑慮，有業者提出關於電池的熱管理裝置，試圖以致冷裝置與冷卻液調節電池芯的溫度，提升使用時的安全性。受限於目前的電池芯一般是以多個標準鋰電池例如18650，共同並排豎立在一個盒中，彼此串接或並接，且每一個標準鋰電池和相鄰的標準鋰電池間，僅有約1毫米的間距，無法在標準鋰電池之間設置冷卻器。因此，如圖1所示為一種現有的電池熱管理裝置，是以一致冷裝置8降低循環管80 內的冷卻液溫度，並將循環管80路徑設置於電池芯920與電池外殼90一側，藉以吸收電池外殼90與電池芯920所產生的熱能。然而這種設計，冷卻液是在一次循環內同步對電池芯920與電池外殼90進行溫度調節，例如在夏天的烈日下，則電池外殼90受外部環境影響而不斷升溫，甚至高於電池芯920的溫度，也會不斷拉高冷卻液的溫度，使致冷裝置需要耗費更大的功率來進行冷卻。電池外殼有相當的熱容量，等到電芯外部測到攝氏30度再開啟制冷裝置，溫度會繼續爬升再緩慢降溫，同時對電芯壽命造成影響。

但電動車內的電池主要功能是供應電能讓馬達運轉，也要同時確保電池芯的溫度不致過高，考量當電池的電量低於一定水準時，致冷裝置卻需要如上述情況抽取大量電能運作致冷，用來主要降溫電池外殼，而無法直接單獨對電池芯進行冷卻，這會造成電能貧乏時的配置順序失當，不能有效地配置，尤其如上述情況當電池外殼的溫度更高於電池芯時，也讓電池芯無法有效的被控制在最適當的溫度範圍內操作。

更進一步，由於冷卻液通常是藉由泵浦的壓力輸送，當剩餘電能已經偏低，還要耗費在泵浦的運轉而輸送大量冷卻液至電池外殼，將進一步損耗已經偏低的電能存量，卻無助於在低電量下維持電動設備的正常運轉與使用，更難確保電池芯是被維持在有效的工作溫度範圍內。在長期的使用過程中，屢屢攀升的電池芯溫度將不斷加速電池劣化以及電池芯的電容量衰退，也讓採用此解決熱管理方案之電動設備維護成本變相增加。

但如果過度冷卻而因此將電池芯溫度持續降至過度低溫的狀態時，雖能確保電池芯內電解液不至因蓄放電的高溫，而產生電解液汽化導致一連串的連鎖反應；但會降低電池芯的放電效率，使得電動設備運轉的性能功率打折扣，以上都說明將使得成本、可靠性、安全性、行駛里程、駕駛性能皆受到影響。

由於上述現行熱管理系統的無效率與能量配置使用順序錯誤，一方面無法將電池芯維持於較佳的溫度範圍，使得電池芯性能劣化；另方面提高充放電頻率，更進一步減短使用年限。因此在部分透過空氣冷卻的熱管理系統維護下，電池芯的使用年限僅區區兩年；相反地，部分採用液態冷卻的熱管理系統下的電池芯，在寒帶氣候下使用年限延長達近十年。但同樣的液態冷卻熱管理系統，如果是在亞熱帶氣候下，所維護的電池芯使用壽命又再度減短到僅有四年，尤其相較於傳統使用石化燃料車輛的鉛酸蓄電池，電動車全面更換電池芯的昂貴價格更顯得十分可觀。

當然，這類電池芯常應用於發電設施，由於鉛酸蓄電池特性反應速度遲緩，且使用的年限經常於數年就已衰退到不堪使用，因此隨著電池芯技術發展，環保意識抬頭，新的電池芯技術逐漸擴展成為風力、太陽能設施及發電廠的電能儲存設備，雖然使用年限延長卻也帶來較高的重置成本，本專利大電能熱管理系統可將電芯溫度管控於非常嚴苛的溫度範圍，可延長電池系統壽命至十年以上，加速鋰離子電池替代鉛酸蓄電池的市場發展。

基於前述，如何在上述動輒數百安培電流輸出的獨立大電能電動設備中，維持電池芯溫度於最適工作溫度，提供電池芯的使用安全性，延長電池芯的使用年限以及沿用率，以提升總工作運轉時數就是本發明所要達成之目的。

本發明之一目的，在提供一種獨立大電能電動設備用之熱管理系統，既偵測電池芯的溫度，也量測電池芯剩餘電量，以便在電量充分時，讓大型調溫器運轉，確保電池芯維持於最適工作溫度，降低電池芯衰退速度與提升電池芯放電效率，以延長電池芯的使用年限與沿用率。

本發明之另一目的，在提供一種獨立大電能電動設備用之熱管理系統，藉由感測器偵測電池芯剩餘電量，在剩餘電量過低時，僅讓小型調溫器運轉，提高電動設備總運轉時數，藉以維持較長的續航力。

本發明之再一目的，在提供一種獨立大電能電動設備用之熱管理系統，藉由獲得環境物理變化量，預估未來溫度改變，提前調節電池芯溫度，確保電池芯維持於最適工作溫度，大幅提高電能的使用效率，降低電池芯封裝破損風險。

本發明之又另一目的，在提供一種獨立大電能電動設備之熱管理控制方法，藉由感測電池芯溫度及剩餘電量，決定讓小型調溫器和/或大型調溫器運轉，在電量充裕時確保電池芯在理想工作溫度，電量較低時則在盡力維持電池芯提供較長的續航力。

本發明之又再一目的，在提供一種獨立大電能電動設備之熱管理控制方法，獲得環境物理變化量並估算該電動設備的溫度變化量，藉以精準動態維持電池芯在理想工作溫度，大幅延長電池芯的使用壽命，降低電動設備的操作成本。

為達上述目的，本發明提供一種獨立大電能電動設備用之熱管理系統，供將複數的電池芯保持在一預定溫度範圍，其中前述電池芯設置於至少一電池外殼中，以及前述電池芯供驅動上述電動設備，該熱管理系統包括：一調溫裝置，包括至少一小型調溫器與至少一功率大於前述小型調溫器的大型調溫器，前述小型調溫器和前述大型調溫器分別導熱連結上述電池芯和上述電池外殼，及至少一組選擇切換上述小型調溫器或上述大型調溫器的選擇切換開關；一感測裝置，包括至少一感測上述電池芯溫度的溫度感測器，及至少一感測上述電池芯剩餘電量的電量感測器，並供分別輸出對應上述電池芯溫度的溫度信號，及對應上述電池芯剩餘電量的電量信號；以及一接收上述溫度信號及上述電量信號的微處理裝置，該微處理裝置依照上述溫度信號指令起始、持續或停止上述調溫裝置，或依上述電量信號指令上述選擇切換開關，決定開啟上述小型調溫器或上述大型調溫器。

此外，本發明的另一種獨立大電能電動設備用之熱管理系統，供將複數電池芯保持在一預定溫度範圍，其中前述電池芯是被裝置於至少一電池外殼中，以及前述電池芯是供驅動上述獨立大電能電動設備，該熱管理系統包括：一調溫裝置，包括至少一導熱連結上述電池芯的小型調溫器；一組感測裝置，包括至少一個感測上述電池芯溫度的溫度感測器，及至少一個感測周邊環境資訊的環境感測器，並供分別輸出對應上述電池芯溫度的溫度信號及對應上述環境資訊的環境信號；及一接收上述溫度信號及上述環境信號的微處理裝置，該微處理裝置依照上述溫度信號及上述環境信號，指令上述調溫裝置是否開啟。

透過本發明所揭露的調溫裝置以及感測裝置，使本身無法由外部取得電能支援的獨立電動設備，尤其是運用上百安培或數千瓦之大電能電動設備，可以藉由量測和/或推估外部環境熱源、量測電池組的剩餘電量以及外部環境物理變化量作為切換選擇調溫器的基準，以及有效預調節電池組溫度，確保當電量充分時，可以精準維持電池芯操作環境溫度，大幅提升電池芯使用壽命及效率，提高電動設備持續運轉的時間；更得以於電動設備即將受到衝擊或翻轉時，有效地大量耗盡電池組所儲存電能，而將電池組迅速降低至低溫狀態，避免電池芯因高溫所產生的內部電解液汽化，而造成連鎖反應的危機，藉以提供絕佳的安全性，一舉達成上述目的。

1⁽¹⁾ 1⁽⁴⁾‧‧‧調溫裝置

10⁽¹⁾ 10⁽²⁾ 10⁽³⁾‧‧‧小型調溫器

100⁽³⁾‧‧‧冷面

102⁽³⁾‧‧‧熱面

104⁽⁵⁾‧‧‧冷卻油

11⁽¹⁾ 11⁽⁵⁾‧‧‧水泵

12⁽¹⁾ 12⁽²⁾ 12⁽⁴⁾‧‧‧大型調溫器

14⁽¹⁾ 14⁽²⁾‧‧‧選擇切換開關

16⁽¹⁾ 16⁽⁵⁾‧‧‧導熱通道

161⁽¹⁾ 161⁽²⁾‧‧‧內部導熱通道

162⁽¹⁾ 162⁽²⁾‧‧‧外部導熱通道

18⁽¹⁾‧‧‧循環通道

2⁽¹⁾ 2⁽³⁾ 2⁽⁴⁾‧‧‧感測裝置

20⁽¹⁾ 20⁽³⁾‧‧‧溫度感測器

22⁽¹⁾‧‧‧電量感測器

24⁽³⁾ 24⁽⁴⁾‧‧‧環境感測器

240⁽⁴⁾‧‧‧全球定位系統

242⁽⁴⁾‧‧‧記憶體

244⁽⁴⁾‧‧‧時鐘電路

246⁽⁴⁾‧‧‧加速規

3⁽³⁾ 3⁽⁴⁾‧‧‧微處理裝置

90 90⁽¹⁾ 90⁽²⁾ 90⁽³⁾ 90⁽⁴⁾‧‧‧電池外殼

92⁽¹⁾ 92⁽²⁾ 92⁽³⁾ 92⁽⁴⁾ 92⁽⁵⁾‧‧‧電池組

920 920⁽¹⁾ 920⁽²⁾ 920⁽³⁾ 920⁽⁴⁾‧‧‧電池芯

94⁽¹⁾‧‧‧電動車外殼

96⁽³⁾‧‧‧獨立充電站

8‧‧‧致冷裝置

80‧‧‧循環管

50~55、50’~55’、60~64‧‧‧步驟

圖1是習知技術的電池包熱管理裝置示意圖。

圖2是本發明獨立大電能電動設備用之熱管理系統第一較佳實施例之熱管理系統的立體分解示意圖。

圖3是圖2實施例的熱管理方塊圖。

圖4是圖2實施例的操作流程圖。

圖5是本案獨立大電能電動設備用之熱管理系統第二較佳實施例的流程圖。

圖6是圖5實施例的調溫裝置並聯剖視圖。

圖7是本案獨立大電能電動設備用之熱管理系統第三較佳實施例的方塊圖。

圖8係圖7第三較佳實施例的立體示意圖。

圖9係是本案獨立大電能電動設備用之熱管理系統之溫度優先環境感測裝置系統執行流程圖。

圖10係本案獨立大電能電動設備用之熱管理系統第四較佳實施例的方塊圖。

圖11係圖9第四較佳實施例剖視圖。

圖12係本案獨立大電能電動設備用之熱管理系統第五較佳實施例的剖視圖。

有關本發明前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明，將可清楚呈現；此外，於各實施例中，相同之元件將以相似之標號表示。

如圖2所示，為本發明獨立大電能電動設備用之熱管理系統第一較佳實施例之熱管理系統的拆解立體示意圖，本實施例中的電動設備是以電動小客車為例，請一併參考圖3，當小客車行駛於夏日午後的道路上，外部環境例如太陽光的熱輻射藉由電動車外殼94⁽¹⁾傳導入電池外殼90⁽¹⁾，車內運轉的馬達是電池芯920⁽¹⁾外部的另一熱源，電池芯920⁽¹⁾本身也因放電過程逐漸升溫，電池外殼90⁽¹⁾與電池芯920⁽¹⁾受到上述外部環境及車內的外部熱源影響，操作環境溫度逐漸升高。

電池芯920⁽¹)在此是以標準鋰電池例如18650為例，為便於作業，例如數十個電池芯920⁽¹⁾會被整併為一個電池組92⁽¹⁾，而電動車的電源則是由數十至數百個電池組92⁽¹⁾共同組合而成。且本例中，對於每個電池組92⁽¹⁾皆設有溫度感測器20⁽¹⁾，用以感測各電池組92⁽¹⁾內的電池芯920⁽¹⁾溫度；在本例中，每一電池組92⁽¹⁾另設置有一個對應該電池組92⁽¹⁾的電量感測器22⁽¹⁾，供量測該電池組92⁽¹⁾的剩餘電量。為便於說明起見，在此將前述溫度感測器20⁽¹⁾和電量感測器22⁽¹⁾，共同稱為感測裝置2⁽¹⁾，以量測電池組92⁽¹⁾的內部溫度與剩餘電量，並且輸出信號至一個微處理裝置(未揭示於圖)。當然熟知本技術領域人士可輕易將上述電量感測器分別設置於對應每一電池組的各別電路控制板，或集中設置於單一迴路，甚至對應每一電池芯設置，均無礙於本案實施。

在本例中，調溫裝置1⁽¹⁾包括一個小型調溫器10⁽¹⁾、一個大型調溫器12⁽¹⁾、一組提供選擇切換小型調溫器10⁽¹⁾與大型調溫器12⁽¹⁾的選擇切換開關14⁽¹⁾，在本例中選擇切換開關14⁽¹⁾是以電磁閥為例。並且該小型調溫器10⁽¹⁾和該大型調溫器12⁽¹⁾分別透過導熱通道16⁽¹⁾的內部導熱通道161⁽¹⁾導熱連結於該電池芯920⁽¹⁾與透過外部導熱通道162⁽¹⁾導熱連結該電池外殼90⁽¹⁾，本例中是以水泵11⁽¹⁾作為增壓裝置，驅動冷卻液運行。冷卻液在此以乙二醇或丙二醇等抗凍劑與水混合而成，防止冷卻液於溫度極低時凍結，利於極低溫狀態下維持可流動的狀態，藉由冷卻液熱容量大的特性，吸收較多的熱能，並以水泵11⁽¹⁾產生壓力推動冷卻液，使冷卻液可在導熱通道16⁽¹⁾內流動，用小型調溫器10⁽¹⁾或大型調溫器12⁽¹⁾冷卻冷卻液。電池外殼90⁽¹⁾內則容納有導熱連接大型調溫器12⁽¹⁾的冷卻液。由於冷卻液本身的熱容量相當大，依照現有電動車的冷卻模式，電動車剛由車庫中陰涼的靜止狀態，行駛進入太陽曝曬下的道路時，電池組92⁽¹⁾會受到冷卻液的包圍而沒有明顯升溫，調溫裝置1⁽¹⁾因而不會開啟。

但是，隨太陽光所發熱能、柏油路面輻射熱和馬達所發熱能共同影響，當冷卻液已經被逐步升溫例如攝氏兩三度之後，此時才開啟的調溫裝置1⁽¹⁾將無法負荷同時對抗太陽輻射熱源、車外環境輻射熱源、馬達熱源以及電池組本身運作放熱的共同影響，將會以非常明顯的幅度持續升溫，直到電池芯920⁽¹⁾的操作環境溫度被升高十餘度，在調溫裝置1⁽¹⁾強力運作下，才能逐漸將溫度降回理想的數值。

請一併參照圖4所示，在本例中，當電動車被發動，微處理器將於步驟50開始執行全系統檢測，隨即在步驟51，經由溫度感測器20⁽¹⁾量測且蒐集電池外殼90⁽¹⁾和電池芯920⁽¹⁾的溫度且輸出溫度信號給微處理裝置，由該微處理裝置進行輸入熱能的計算，並依據如何達成熱平衡而判斷，決定是否需開啟調溫裝置1⁽¹⁾；若需要開啟調溫裝置1⁽¹⁾，便在步驟52進一步接收電量感測器22⁽¹⁾所偵測電池芯920⁽¹⁾的電量信號進行判斷，當各電池組92⁽¹⁾儲存的電量充裕超過一個預設門檻時，則在步驟55指令大型調溫器12⁽¹⁾運轉，對電池外殼90⁽¹⁾和電池組92⁽¹⁾同時進行降溫。

由於電池外殼90⁽¹⁾比電池芯920⁽¹⁾更早接收到太陽輻射熱源、柏油馬路等的輻射熱源、以及馬達運轉的熱源影響，因此本案的調溫裝置1⁽¹⁾將會比現行電動車的情況更早在步驟55啟動調溫，並且回到步驟50反覆循環。更進一步，一旦大型調溫器12⁽¹⁾同步冷卻電池外殼90⁽¹⁾和電池組92⁽¹⁾時，冷卻液的熱容量將可以有效緩衝少量入侵的熱能，電池組92⁽¹⁾外部的熱源所造成的影響，將被大幅隔離在電池外殼90⁽¹⁾處，也使得電池芯920⁽¹⁾的操作環境溫度可以被有效控制在例如攝氏正負一度的範圍，大幅延長電池芯 920⁽¹⁾的使用壽命；並且大型調溫器無須過度運轉，讓有限的電能被有效運用。

相反地，當電池組92⁽¹⁾的剩餘電量有限，不符合預訂的電量門檻時，則在步驟53透過警示裝置(圖未示)發出警告提示，例如由微處理器依照預訂流程，由車內音響的揚聲器發出警示音通知駕駛人。並且在步驟54單純運轉小型調溫器10⁽¹⁾，以循環通道18⁽¹⁾使冷卻液體進入部分管道的小循環，僅針對電池組92⁽¹⁾進行溫度調節，而不顧及電池外殼90⁽¹⁾。一方面，當電能有限時，最優先應處理的並不是電池芯920⁽¹⁾的壽命問題，而是如何警示駕駛人迅速找尋充電站，並且避免車輛因電量耗盡而拋錨路邊；因此在比較得失之下，用以調溫的電能，應該被限制在讓電池芯920⁽¹⁾能維持運作的低標準，盡量節省電能延長車輛行駛距離，降低拋錨在路邊的機率。

另方面，電動車相異於一般汽柴油車輛，會有電池過熱而讓某一電池芯920⁽¹⁾中電解液汽化破裂噴出，並且波及鄰近電池芯紛紛短路的危險連鎖反應，經由本案之揭露，即使最終電動車仍然拋錨於路邊，並且在太陽曝曬下造成某電池芯破裂，但因所有電池組92⁽¹⁾的電能都已經耗盡，鄰近電池芯920⁽¹⁾即使因而短路，也沒有電能可以再繼續釋放，就無從造成連鎖大量急速釋放電能的火燒車風險。

當然，如熟悉本技術領域人士所能輕易理解，雖然本例中的小型調溫器10⁽¹⁾與大型調溫器12⁽¹⁾都是以液體熱交換器為例，選擇切換開關則是以三向二位換向電磁閥為例，且判斷流程是先考慮溫度信號再考慮電量信號，但上述敘述都不是對本案之限制，選擇切換開關可輕易替換為機械式方向控制閥或其他方向控制閥；冷卻液與水泵皆可替換為其他對應的配件，僅需可以分別依據溫度與電量或其他參考資訊，選擇性地調節電池外殼和電池組的溫度即可，上述替換都無礙於本案的實施。

為說明上述流程判斷中，溫度信號和電量信號並沒有區分先後順序的必要，如圖5及圖6本案的第二較佳實施例所示，亦可將前上述步驟順序調換，在執行全系統檢測流程50’後，先執行電量偵測步驟51’，由電量偵測器(圖未示)偵測前述電池芯920⁽²⁾電量，並輸出電量信號給微處理裝置；隨後以步驟52’由溫度感測器(圖未示)偵測前述電池外殼90⁽²⁾和/或前述電池組92⁽²⁾的溫度，並輸出溫度信號給微處理裝置。當電量高於預設門檻值時，且溫度也高於電池芯920⁽²⁾正常操作環境溫度例如攝氏17度逾1度的預設門檻，則依循步驟55’運轉大型調溫器12⁽²⁾，使電池外殼90⁽²⁾與電池組92⁽²⁾溫度同步降低，甚至令電池外殼90(²)溫度降至略低於電池芯920⁽²⁾溫度，使得外部環境以及馬達等熱源的影響根本無法進入電池殼體，確保電池芯920⁽²⁾的操作環境溫度僅受電池芯920⁽²⁾本身發熱影響。

在本實施例中僅有單一的冷卻器存在，並且同時供應冷卻液給對應各電池芯920⁽²⁾處的內部導熱通道161⁽²⁾、以及對應電池外殼90⁽²⁾處的外部導熱通道162⁽²⁾。而在本例中所謂的大型調溫器12⁽²⁾和小型調溫器10⁽²⁾的差異，乃在於大型調溫器12⁽²⁾同時包括上述冷卻器和兩重導熱通道，當電量充裕時，兩者均可獲得良好的溫度調節；相對地，小型調溫器10⁽²⁾則僅包括上述冷卻器和對應電池芯920⁽²⁾處的內部導熱通道161⁽²⁾。藉由選擇切換開關14⁽²⁾的運作，當電池組92⁽²⁾電量不足時，冷卻器僅單純針對消耗功率較少的內部導熱通道161⁽²⁾作用，保障電池芯920⁽²⁾溫度不致失去控制，並盡其所能地延長小客車可行使的里程，直至行駛於蓄電站。

當然，透過導熱通道並聯電池芯或電池外殼絕非本發明之限制，熟悉本技術領域人士可輕易依據電池組的設計用串聯取代並聯方式，作為調節電池芯或電池外殼溫度之手段，依電池外殼與電池芯內結構設計需求，或依據其電動設備或電池芯使用需求而改變導熱通道循環結構方式，配合低熱阻材質的導熱通道連通皆無礙於本案之實施。

相對地，如剩餘的電量低於預訂門檻，就會在步驟53’由微處理裝置指令發出警告信號給警告裝置，在例如電動車顯示面板上顯示警告文字提示，且此時的調溫裝置被指令僅能於步驟54’運轉小型調溫器10⁽²⁾，進行如前一實施例的延長續航力模式冷卻，盡量節約調溫裝置所耗用的電能，將節約的電能供給馬達讓車輛運行至最近的供電站，並且反覆上述流程迴路步驟50’執行全系統檢測。當然，本例的警示裝置即使更換為蜂鳴器、揚聲器、多媒體影音設備、GSM/UMTS/LTE數據交換裝置發送簡訊或電子郵件等，均可達成提醒駕駛人儘速前往蓄電站進行蓄電的提醒功效，降低電池芯過度放電所造成加速永久衰退，提高電池芯的使用年限。

再次強調，由於電池芯內部的電解液具有相當高的比熱容，電池芯因蓄電或放電所積累於內部的熱能，需要花費一段時間才能逐漸傳達到電池芯外層封裝位置，使得電池芯外層封裝與電池芯的核心內部具有一定的溫度落差，因此一般設置於電池芯外層封裝處的溫度感測器所偵測的溫度信號相對於電池芯的核心溫度其實是一個落後指標；相對地，對於來自電池殼體以外的熱源，要通過同樣有相當高熱容量的冷卻液而傳達到電池芯外層封裝處的溫度感測器，也會造成電池外殼和電池芯之間的溫度落差。所以，單純憑藉電池芯封裝處的溫度感測器偵測電池芯的操作環境溫度，以及憑藉電池芯封裝處的溫度感測器偵測外部環境熱源對電池芯的影響，均會有時間落差而造成失真。同樣地，設置在電池外殼的溫度感測器對於電池芯的操作環境溫度也會產生相同的時間落差。這也就是現在電動車等獨立大電能電動設備，無法精準且恆定地維持電池封包在一個理想操作環境溫度的最大問題。

因此，本案第三較佳實施例的熱管理系統如圖7及圖8所示，是設置於一個位於野外的獨立充電站96⁽³⁾，本例的熱管理系統包括一組調溫裝置(圖未示)，一組感測裝置(圖未示)，及一組微處理裝置3⁽³⁾。由於電動車輛日漸盛行，而對於幅員遼闊的國家地區，道路所經過的地區即使是荒郊野外，也必須依照固定里程建設充電站，而且這類充電站並不適合花費鉅資由遠處拉線供電，因此必須依賴例如太陽能電力或風力發電作為能源供應，並且利用眾多電池組92⁽³⁾儲存所發電力而供應電動車輛充電使用，此外在獨立充電站96⁽³⁾的人員休息區、服務區，也都有賴自身的電力供應運轉。在電池組92⁽³⁾每日的充電及放電過程中，電池芯920⁽³⁾都會釋放大量熱能，加上野外的氣候變化，環境溫度可以有極大差異，若不能妥善處理操作環境溫度等條件，勢必造成獨立充電站96⁽³⁾必須頻繁請人進行維修保養，電池芯920⁽³⁾的壽命也大幅縮短，造成成本暴增及運轉的莫大不便。以下將說明如何針對此種獨立大電能電動設備的電池芯進行熱管理。

當然，熟悉本技術領域人士可輕易以一個固定數值或範圍作為上述電池芯操作環境溫度的預設門檻值，但是該門檻也可以是經由動態運算而來，由於電池芯、冷卻液、電池外殼等每一裝置元件的發熱量、熱容量、熱傳導效率、以及溫度曲線均為已知，因此在本例中是以前述內容加入外部環境如太陽輻射強度、柏油路面輻射強度等預估參數作為依據進行推算，並且以量測所得的溫度信號不斷回歸分析(Regression Analysis)作為實際運用的參數。

在本例的獨立充電站內，多組電池芯920⁽³⁾是被裝置於例如一個地下室中，而該地下室就成為本例中所定義的電池外殼90⁽³⁾，並且各組電池芯920⁽³⁾分別配置有對應的溫度感測器20⁽³⁾和例釋為調溫裝置的熱電致冷晶片(Thermoelectric Cooling Chip,TCC)。本例中的熱電致冷晶片是藉由N型半導體材料、P型半導體材料內部所載之載子(Carrier)的能量(Electron and hole，電子和電洞)移動，當載子能量不斷移動累積於上端時，將使上端溫度升高，反之下端溫度則逐漸降低，藉著電流流動產生一個冷面100⁽³⁾與熱面102⁽³⁾，且隨著電流越大所產生的溫度梯度(Temperature Gradient)就越大，用此特性作為冷卻手段。故在本例中，部分熱電致冷晶片是將冷面100⁽³⁾直接導熱接觸於電池芯920⁽³⁾的封裝表面，並將熱面102⁽³⁾與導熱通道相接合，藉由導熱通道帶走熱面102⁽³⁾上的溫度，以維持熱電致冷晶片10⁽³⁾熱面102⁽³⁾的溫度，在預設門檻值範圍內，前述導熱通道在此例釋為複數的散熱鰭片。

一方面，上述熱電致冷晶片10⁽³⁾本身體積小，並且無須藉由冷卻液與導熱通道進行導熱，可使電池芯920⁽³⁾所組成的電池組92⁽³⁾得以更節省空間，以便在相同的空間中放置更多的電池芯920⁽³⁾而增大電能儲備能力。此外，該熱電致冷晶片10⁽³⁾運作時，不會有機械元件運作的噪音的產生，簡易的結構無保養的需求且壽命較長，因為熱電材料可回收廢熱作為發電也更為環保。另一方面，本例中採並聯方式連結熱電致冷晶片10⁽³⁾，即使其中一個晶片損壞時，其他晶片仍能持續運作，當然熟悉本技術領域人士可輕易讓電池芯、熱電致冷晶片和對應的溫度感測器相互組合，共同模組化而構成一個一個完整模塊。由於本例中的熱電致冷晶片都是對應每一組電池芯設置，因此屬於前述實施例中，調溫裝置裡的小型調溫器。

由於獨立充電站96⁽³⁾原本就會透過通訊裝置和遠端的管理單位通訊聯繫，因此請一併參考圖9所示，在本例中，會從步驟60在作為管理核心的微處理裝置3⁽³⁾指令下，由該通訊裝置作為感測裝置中的環境感測器24⁽³⁾，在步驟61擔負起接收來自例如氣象單位所提供的環境信號的工作，藉以將例如往後若干小時該地區的溫度和降雨等現象的環境資訊提供給微處理裝置3⁽³⁾。微處理裝置3⁽³⁾在步驟62接收來自各電池芯處的溫度感測器20⁽³⁾和環境感測器24⁽³⁾所傳來的溫度信號和環境信號後，不僅可以依照電動設備內部現有的溫度狀況，還可以進一步在步驟63依照預訂參數評估計算未來數小時內的環境熱源及自身發熱量，從而獲得一個預估溫度值，進而在步驟64預先將冷卻液和電池芯920⁽³⁾降溫例如攝氏一度，利用其熱容量作為緩衝，以抵抗隨後可能降臨的午後高溫。

經由本發明所揭露這種預先評估未來熱能管制的方法，不必等候實際溫度上升，才急忙啟動調溫裝置，導致操作環境溫度失控飆高後，再過度降溫而過冷的不當熱管理循環。尤其是在本實施例中，更在地下室的牆壁部分額外設置例如橡膠及防火棉夾層等熱阻值高的隔熱層，讓外部的熱源不能輕易影響電池芯的環境溫度，藉以提高電池芯操作環境溫度的可預測性。

當然，本發明中所謂的溫度調控並不僅限制於單向冷卻，本案第四較佳實施例如圖10及圖11所示，是將熱管理系統設置於一種固定行程的大客車上，這類電動巴士由於行駛路線固定，因此對於行程和車輛外部環境的參數掌握度更好。並非單純憑藉直接量測的溫度信號作為調溫裝置1⁽⁴⁾起始、運轉或停止的判斷依據，而可以藉由電量信號、溫度信號以及外部環境信號等數據作為基準，用該基準調整預設門檻值範圍，確保電池組92⁽⁴⁾得以維持於最適工作溫度。使得當電量充分時，電池芯920⁽⁴⁾的操作環境溫度被極端妥善地維持在例如攝氏正負一度的範圍內。

並且由於在本例中，電動大客車是運用於寒帶氣候帶中，因此在例如夜間充電過程，就需要一方面顧及充電時電池芯920⁽⁴⁾所發的高溫，另方面也需要考量車體本身在低溫環境下，是否會被外部低溫影響，導致例如電池芯920⁽⁴⁾充電完畢後，逐步被降溫到甚至冰點以下而導致危險。因此，無論車輛是否在行駛狀態，對於電源部分的熱管理都會持續運作，並且在車輛沒有充電和行駛時，更需要時時將電池芯920⁽⁴⁾加熱，以確保操作環境溫度在例如攝氏17度左右。

為節約篇幅，熱管理系統中，調溫裝置1⁽⁴⁾、感測裝置(圖未示)及微處理裝置3⁽⁴⁾等與前述實施例相同的部分將不再重複贅述，但考量大客車在白天的行駛過程中，除每一次行程結束的停靠總站短暫休息整理，都沒有適當時機充電，在必須抓緊休息整理的空檔對電池組92⁽⁴⁾充電的限制條件下，進入電池芯920⁽⁴⁾的充電電流一般被設定為相當高，電流明顯大於一般行駛時的放電電流，使得充電時的發熱量也會對應提升，比一般行駛時的放電過程發熱更高，使得充電過程中的冷卻更形重要。尤其因為熱電致冷晶片的特性，當電池芯920⁽⁴⁾側所發的高溫遠高於相反側面時，甚至會因為熱電效應而利用溫度差自行發電，更進一步節約耗能；也可以藉由反向通入電流而達成加熱的功效，藉以因應大客車在寒帶氣候下運作時，電池芯920⁽⁴⁾的操作環境溫度不致過冷而損及電池芯920⁽⁴⁾，甚至發生意外。

此外，考量上述充電或行駛時需冷卻、以及停止時需保溫，可以發現在這種應用狀態下，溫度調節並不是單純地冷卻，而且車輛行駛時還需要提供車廂內乘客暖氣，因此在本實施例中的大型調溫器12⁽⁴⁾更包括一組通往車體內部的冷卻液管道，將電池外殼90⁽⁴⁾和電池組92⁽⁴⁾的發熱，經由切換開關將上述熱電致冷晶片所攜帶來的熱能儲存至冷卻液中。

而在本實施例的感測裝置，則包括感測上述電池芯溫度的溫度感測器，以及一組環境感測器24⁽⁴⁾，本例中的環境感測器24⁽⁴⁾包括大客車內建的全球定位系統240⁽⁴⁾、儲存有地圖資料庫的記憶體242⁽⁴⁾、時鐘電路244⁽⁴⁾，並且在該記憶體中輸入例如全球各地的各季節平均溫度。當電動巴士依照預訂路線進行自動駕駛時，微處理裝置3⁽⁴⁾將會依照全球定位裝置系統240⁽⁴⁾所傳來的資料以及地圖資料，確定該電動巴士所在位置。並且依照時鐘電路244⁽⁴⁾所提供的日期和時刻，對照記憶體242⁽⁴⁾中所儲存的該位置平均氣溫，預估在行駛過程中所需面對的環境參數，評估車體內外的熱源及可能發生的溫度變化，進而指令上述調溫裝置1⁽⁴⁾是否開啟。當然，如熟悉本技術領域人士所能輕易理解，為求更精準驗證當時的車外環境溫度與熱源，亦可增加一個或多個溫度感測器，監控車廂內和車體外部的溫度，動態回歸確認計算結果。也可以和前述實施例的電量感測器等進一步結合，讓智能駕駛車更易於實現。

在本例中，感測裝置中更額外包括有一加速規246⁽⁴⁾，藉由加速度量測，讓微處理裝置3⁽⁴⁾藉由整車控制器(VCU)、電池管理系統(BMS)及前述加速規三方訊息判斷震動幅度，以確認大客車是否受到撞擊或翻覆，一旦電動巴士遭受撞擊或翻覆的危急事件，微處理裝置3⁽⁴⁾將會立即指令調溫裝置1⁽⁴⁾以最大效率運轉，一方面藉此冷卻電池組92⁽⁴⁾，維持電池組92⁽⁴⁾於低溫狀態，避免電池芯920⁽⁴⁾因前述狀況產生高溫，導致電池芯920⁽⁴⁾的電解液流出或汽化撐破電池芯920⁽⁴⁾封裝，抑或電池芯920⁽⁴⁾封裝因外力所產生的損壞，即使破裂損壞，也會因為此時的電池芯920⁽⁴⁾已經冷卻至低溫狀態，電解液流出也不易立即產生燃燒的連鎖反應，直到電能耗光。

經由上述實施例的揭露，本發明提出將溫度信號和電量信號綜合判斷，以及預先評估環境影響，使得管理電池芯的操作環境溫度，不再是單純以現在所量得的溫度數據為準，而可以一併整合考慮電動設備所需要的優先順序，在電量即將不足的情況下，優先提供延長電動設備的續航力，讓電動設備不致輕易停擺。此外，更整合環境內外的熱源評估，預估隨後將影響電池芯的熱能進出，預先進行溫度調控，避免可預測的冷熱衝擊效應，藉以維持電池芯操作環境溫度在極小的例如攝氏一度範圍內，不僅確保電池芯的運作效率維持高檔，還同時大幅延長電池芯的使用壽命，因而明顯降低電動設備的使用成本、提高使用效能。尤其是在當對於電動設備無法控制的外力損壞來臨時，急遽地強冷降溫，不僅可大幅減少燃燒爆裂的風險，更可以盡其所能地迅速釋放所儲存的電能，減少電池芯所儲存能量造成的燃燒與爆裂，進行良好的風險及損害控制。

別於受限於導熱通道的結構，僅對於導接處進行導熱，本案第五較佳實施例如圖12所示，是將電池組92⁽⁵⁾浸泡於冷卻液，省去大部分導接於電池組92⁽⁵⁾的導熱通道16⁽⁵⁾結構，及選用特定熱導材質的導熱通道16⁽⁵⁾，電池組92⁽⁵⁾浸泡於冷卻油讓導熱面積增加達到最大，讓導熱效率提高，於本例係以冷卻液釋例為絕緣的冷卻油。藉由水泵11⁽⁵⁾產生壓力推動冷卻油，使冷卻油可在導熱通道流動，用調溫裝置冷卻冷卻油104⁽⁵⁾。在本例熱管理系統中，調溫裝置、感測裝置及微處理裝置等與前述實施例相同的部分就不再詳述。當然，熟悉該技術領域人士可以選擇將電池組浸泡或部分浸泡入冷卻液或搭配部分導熱通道等結構進行規劃設計及組合，或搭配任一熱交換作用之調溫裝置及設置附屬散熱元件(如散熱鰭片、散熱風扇等)，皆無礙於本案實施。

又因冷卻油具有絕緣效果，可提供電動設備如受無法控制外力損壞時，且電池組也因此外力而破損造成電解液滲流，所滲流的低溫卻具有高揮發性電解液此時會與冷卻油混和，藉著冷卻油高燃點的特性持續確保電動設備及周遭在安全狀態，不至因電動設備損壞而向外溢流的電解液造成第二次事故，使本案提高損害風險控制達到更高的安全水平。

綜合上所述僅為本發明的較佳實施例，並非用來限定本發明之實施例範圍。即凡依本發明申請專利範圍之內容所為的等校變化與修飾，皆應為本發明專利涵蓋之範疇。

1⁽¹⁾‧‧‧調溫裝置

10⁽¹⁾‧‧‧小型調溫器

11⁽¹⁾‧‧‧水泵

12⁽¹⁾‧‧‧大型調溫器

14⁽¹⁾‧‧‧選擇切換開關

16⁽¹⁾‧‧‧導熱通道

18⁽¹⁾‧‧‧循環通道

161⁽¹⁾‧‧‧內部導熱通道

162⁽¹⁾‧‧‧外部導熱通道

2⁽¹⁾‧‧‧感測裝置

20⁽¹⁾‧‧‧溫度感測器

22⁽¹⁾‧‧‧電量感測器

90⁽¹⁾‧‧‧電池外殼

92⁽¹⁾‧‧‧電池組

920⁽¹⁾‧‧‧電池芯

Claims

一種獨立大電能電動設備用之熱管理系統，供將複數電池芯保持在一預定溫度範圍，其中前述電池芯是被裝置於至少一電池外殼中，以及前述電池芯是供驅動上述獨立大電能電動設備，該熱管理系統包括：一調溫裝置，包括至少一小型調溫器與至少一功率大於前述小型調溫器的大型調溫器，前述小型調溫器導熱連結上述電池芯，且前述大型調溫器導熱連結上述電池芯和上述電池外殼，及至少一組選擇切換上述大/小型調溫器的選擇切換開關；一感測裝置，包括至少一個感測上述電池芯溫度的溫度感測器，及至少一個感測上述電池芯剩餘電量的電量感測器，並供分別輸出對應上述電池芯溫度的溫度信號及對應上述電池芯剩餘電量的電量信號；及一接收上述溫度信號及上述電量信號的微處理裝置，該微處理裝置依照上述溫度信號指令上述調溫裝置是否開啟，以及當上述調溫裝置需開啟時，依照上述電量信號指令上述選擇切換開關，決定切換至開啟上述小型調溫器和/或大型調溫器。
如申請專利範圍第1項所述獨立大電能電動設備用之熱管理系統，其中上述複數電池芯被區分為多組電池組，而且上述感測裝置包括複數分別量測每一前述電池組的溫度感測器，及複數分別量測每一前述電池組的剩餘電量的電量感測器。
如申請專利範圍第1項所述獨立大電能電動設備用之熱管理系統，其中上述電池組是被容納於上述電池外殼中，以及該電池外殼內更容納有導熱連接上述大型調溫器的冷卻液，供浸泡冷卻上述電池組。
如申請專利範圍第3項所述獨立大電能電動設備用之熱管理系統，更包括一組水泵，及連接上述電池外殼至前述水泵、供冷卻液循環的導熱通道，以及一設置連接上述選擇切換開關至上述電池外殼的循環通道。
一種獨立大電能電動設備用之熱管理方法，供將複數電池芯保持在一預定溫度範圍，其中前述電池芯是被裝置於至少一電池外殼中，前述電池芯是供驅動上述獨立大電能電動設備，以及，該熱管理系統包括一調溫裝置，一感測裝置，及一微處理裝置，前述調溫裝置包括至少一小型調溫器與至少一功率大於前述小型調溫器的大型調溫器，前述小型調溫器導熱連結上述電池芯且前述大型調溫器導熱連結上述電池芯和上述電池外殼，及至少一組選擇切換上述大/小型調溫器的選擇切換開關；上述感測裝置則包括至少一個感測上述電池芯溫度的溫度感測器，及至少一個感測上述電池芯剩餘電量的電量感測器；上述熱管理方法包括下列步驟：a)上述溫度感測器分別量測上述電池芯溫度，並輸出一溫度信號至上述微處理裝置；以及上述電量感測器分別量測上述電池芯剩餘電量，並輸出一電量信號至上述微處理裝置；b)上述微處理裝置接收上述溫度信號，並依照上述溫度信號，判斷上述電池芯溫度是否高於一預設溫度門檻值，以及依照上述電量信號判斷上述電池芯剩餘電量否高於一預設電量門檻值。c)當上述微處理裝置判斷上述述電池芯溫度高於一預設溫度門檻值且上述電池芯剩餘電量高於預設電量門檻值，上述微處理裝置指令上述選擇切換開關運轉前述大型調溫器。d)當上述微處理裝置判斷上述電池芯溫度高於一預設溫度門檻值且上述電池芯剩餘電量低於預設電量門檻值，上述微處理裝置指令上述選擇切換開關運轉前述小型調溫器。