TWI833208B - 具有熱防護機制的電池設備 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種具有熱防護機制的電池設備，包括複數個電池芯及至少一散熱容器。散熱容器包括一框架及兩個薄膜，其中框架包括至少一穿孔部。薄膜連接框架，並覆蓋框架上的穿孔部，使得穿孔部成為一密閉空間。一液體設置在密閉空間內，其中液體為水或水溶液。電池芯的底部與散熱容器的薄膜相鄰，當電池芯的溫度過高時，會造成散熱容器的薄膜破損。液體會噴出散熱容器並接觸電池芯，以降低電池芯的溫度。

Description

具有熱防護機制的電池設備
本發明有關於一種具有熱防護機制的電池設備，可快速降低熱失控的電池芯的溫度，並可有效避免熱失控的電池芯造成其他電池芯發生熱失控。
可充電電池(Rechargeable battery)泛指可以再次充電及反覆使用的電池的總稱，主要包括鎳氫電池、鎳鎘電池、鋰離子電池等，並被大量的應用在電子產品、家電產品及交通工具上。
此外隨著工業的發展及環保意識的抬頭，空氣汙染及地球暖化的問題逐漸受到重視。目前世界各國逐漸訂定相關的法規，以推廣及研發電動車的產業，並研擬在一定的時間後便禁止販售燃油車，以降低交通工具對都會區造成的空氣汙染。
可充電電池是發展電動車產業的重點技術之一，如何提高可充電電池的充電量、縮短可充電電池的充電時間及提高可充電電池的安全性，都是推廣及發展電動車產業的重點。鋰離子電池具有高能量密度、輸出功率大、無記憶效應、低自放電、工作溫度範圍廣及充放電速度快等優點，已成為電動車主要使用的可充電電池。
一般而言會將複數個電池芯(Cell)連接，以形成一電池組，並調整各個電池芯的串聯及/或並聯，使得電池組可輸出產品需要的電壓。然而當電池組中的其中一個電池芯故障而導致短路時，將會造成其他正常的電池芯對短路的電池芯大電流充電，進而導致短路的電池芯的溫度不正常的上升。當溫度超過電池芯內部的隔離層所能承受的溫度時，將會造成隔離層溶解，使得電池芯的正負極材料短路，進而引發電池芯燒熔或爆炸的情形。
故障的電池芯產生的高溫或噴出的電解液會傳遞到其他的電池芯或導電片，進而導致導電片及連接的電池芯的溫度不正常的上升，並可能會造成其他正常的電池芯損壞，而造成電池組發生熱失控。
為了解決上述先前技術面臨的問題，本發明提出一種具有熱防護機制的電池設備，主要包括複數個電池芯及至少一散熱容器。散熱容器包括一框架及至少一薄膜，其中框架包括一穿孔部或一凹陷部。薄膜連接框架，並覆蓋穿孔部或凹陷部，以在框架及薄膜之間形成容置空間。
電池芯的底部或正極朝向散熱容器的薄膜，當電池芯的溫度過高或發生熱失控時，例如電池芯的溫度超過攝氏160度至200度，將會導致散熱容器的薄膜破損。容置空間內設置液體，例如液體可以是水或水溶液，其中液體會經由破損的薄膜流出，並噴灑撒在溫度過高或熱失控的電池芯上，以降低電池芯的溫度，並防止其他正常的電池芯發生熱失控的連鎖反應。
本發明設置在散熱容器的密閉空間內的液體主要成分是水，水具有相當高的熱穩定性及比熱，使得噴出散熱容器的水或水溶液可有效降低熱失控的電池芯的溫度。另外水的汽化熱為40.8千焦/摩爾，相當於2266千焦/千克，大約為水自0℃加熱至100℃所需能量的5.4倍。因此水被熱失控的電池芯加熱置沸點並由液態蒸發為氣態時，更可大量的吸收熱失控的電池芯產生的熱量，並大幅降低熱失控的電池芯的溫度。
此外，當散熱容器的薄膜破裂時，有部分的水會噴出容器，而有部分的水則會殘留在散熱容器內。噴出散熱容器的液體或氣化的水會直接且快速地降低熱失控的電池芯溫度，而留在散熱容器內的水則會持續吸收熱失控的電池芯的溫度。當留在散熱容器內的水溫大於沸點時會氣化成水蒸氣，並由熱失控的電池芯吸收大量的熱量，以持續降低熱失控的電池芯的溫度，直到殘留在散熱容器內的水消耗殆盡。
本發明的一目的，在於提供一種具有熱防護機制的電池設備，不需要額外設置偵測器及複雜的控制電路來量測電池芯的溫度，並判斷電池芯是否發生熱失控。具體而言，本發明可透過黏膠或焊接，例如硬焊(welding)或軟焊(soldering)，將薄膜設置在框架上，以在薄膜及框架之間形成密閉空間，並將水設置在密閉空間內。因此本發明可提供一種低廉且安全穩定的具有熱防護機制的電池設備，可在減少電池裝置的設置成本的同時，達到防止電池裝置熱失控的目的。
此外複數個導電層可串聯或並聯複數個電池芯，以形成一電池模組。在使用過程中，例如充電及放電，電池模組兩側的溫度會產生差異，其中一側為高溫側(hot side)，而另一側為低溫側(cool side)。高溫側及低溫側的電池模組會經由熱傳導的方式將熱量傳遞給散熱容器，使得散熱容器的兩側產生溫度差。散熱容器的密閉空間內的液體會因為溫差而產生對流，並可用以平衡電池模組的高溫側及低溫側的溫度。
為了達到上述的目的，本發明提出一種具有熱防護機制的電池設備，包括：複數個電池芯，其中電池芯包括兩個底面及一側面，側面位於兩個底面之間；至少一散熱容器，與複數個電池芯相鄰，並包括：一框架，包括至少一穿孔部或一凹陷部；至少一薄膜，連接框架並覆蓋穿孔部或凹槽，並在薄膜與框架之間形成一密閉空間，其中薄膜與複數個電池芯的至少一底面相鄰；及一液體，放置在散熱容器的密閉空間內，其中液體為一水或一水溶液。
本發明提出另一種具有熱防護機制的電池設備，包括：複數個電池芯，其中電池芯包括兩個底面及一側面，側面位於兩個底面之間；至少一散熱容器，與複數個電池芯相鄰，並包括：一框架，包括至少一穿孔部；兩個薄膜，連接框架並覆蓋穿孔部，並在兩個薄膜與框架之間形成一密閉空間，其中薄膜接觸複數個電池芯的側面；及一液體，放置在散熱容器的密閉空間內，其中液體為一水或一水溶液。
所述的具有熱防護機制的電池設備，其中框架包括一第一表面、一第二表面及一側表面，側表面連接第一表面及第二表面，而薄膜為兩個，分別連接第一表面及第二表面。
所述的具有熱防護機制的電池設備，包括至少一連接支架連接框架，並將框架及薄膜之間的密閉空間區分成複數個容置空間。
所述的具有熱防護機制的電池設備，其中連接支架上設置一凹部或一連接孔，並經由凹部或連接孔連接位於連接支架兩側的容置空間。
所述的具有熱防護機制的電池設備，包括至少一導熱單元位於相鄰的電池芯的側面之間，導熱單元朝向連接支架，而電池芯則朝向容置空間。
所述的具有熱防護機制的電池設備，包括複數個導電片串聯或並聯複數個電池芯，並位於電池芯的底面與散熱容器的薄膜之間。
所述的具有熱防護機制的電池設備，其中薄膜包括至少一金屬層及至少一塑膠層。
所述的具有熱防護機制的電池設備，包括複數個凸起部設置在框架的第一表面及第二表面上，並於相鄰的凸起部之間存在一凹陷部，其中一薄膜連接第一表面及位於第一表面的凸起部，而另一薄膜則連接第二表面及位於第二表面的凸起部。
所述的具有熱防護機制的電池設備，其中電池芯位於散熱容器的凹陷部內，散熱容器的凸起部則位於相鄰的電池芯之間。
請參閱圖1及圖2，分別為本發明具有熱防護機制的電池設備一實施例的立體分解示意圖及側面分解示意圖。圖3及圖4分別為本發明具有熱防護機制的電池設備的散熱容器一實施例的立體分解圖及立體透視圖。如圖所示，具有熱防護機制的電池設備10主要包括至少一散熱容器11及複數個電池芯13，其中散熱容器11與電池芯13相鄰，例如位於電池芯13的兩端。
如圖3及圖4所示，散熱容器11包括一框架111及兩個薄膜113，框架111包括一穿孔部112，而兩個薄膜113分別設置在框架111的兩個表面，並覆蓋框架111上的穿孔部112，以在框架111及薄膜113之間形成一密閉空間114。
密閉空間114內設置一液體15，其中液體15可以是水或水溶液。在本發明一實施例中，液體15僅佔據部分的密閉空間114，而其他的密閉空間114則未放置液體15。液體15可以在密閉空間114內流動，並受到重力的作用位於密閉空間114的底部，而放置液體15的密閉空間114則可能會存在氣體或水蒸氣。在不同實施例中亦可於密閉空間114內填滿液體15。
具體而言，框架111可包括一第一表面1111、一第二表面1113及一側表面1115，其中側表面1115連接第一表面1111及第二表面1113。兩個薄膜113分別連接框架111的第一表面1111及第二表面1113，例如可透過黏膠、硬焊(welding)或軟焊(soldering)將薄膜113設置在方形的框架111的第一表面1111及第二表面1113上，並形成長方體的散熱容器11。在不同實施例中，薄膜113亦可以是膠帶，並貼附在框架111的第一表面1111、第二表面1113及側表面1115上。
在本發明另一實施例中，框架111上的穿孔部112亦可以是一凹陷部，而薄膜113的數量則為一個，並用以覆蓋框架111上的凹陷部，使得凹陷部形成密閉空間114。框架111可以是具有高導熱係數的金屬材質所製成，例如鋁或銅等，其中框架111可經由薄膜113連接電池芯13，以利於電池芯13將熱量傳遞至框架111及溶液15，並降低電池芯13的溫度。
如圖2所示，電池芯13包括兩個底面131及一側面133，其中側面133位於兩個底面131之間，使得電池芯13的外觀近似柱狀體，例如圓柱體。電池芯13的其中一個底面131可為正極，而另一底面131及/或側面133則為負極。
複數個導電片12用以串聯及/或並聯複數個電池芯13，以形成一電池模組130。在本發明一實施例中，散熱容器11的數量可為兩個，並分別與電池芯13的兩個底面131相鄰。在本發明另一實施例中，散熱容器11的數量可為一個，並與電池芯13的其中一個底面131相鄰。
具體而言，散熱容器11的薄膜113與電池芯13的至少一底面131相鄰，或是在電池芯13的底面131與散熱容器11的薄膜113之間具有導電片12，例如電池芯13的正極及/或負極可直接接觸散熱容器11的薄膜113，或是經由導電片12接觸散熱容器11的薄膜113。當電池芯13發生熱失控(Thermal runaway)時，高溫氣體通常會由底面131，例如正極，的閥門噴出電池芯13，並接觸散熱容器11的薄膜113。
薄膜113在接觸高溫氣體時會產生破損，使得位於散熱容器11的密閉空間114內的液體15，經由薄膜113上的破孔噴出或流出散熱容器11。噴出散熱容器11的液體15會接觸熱失控的電池芯13，並降低熱失控的電池芯13的溫度。
在本發明一實施例中，密閉空間114內可設置一吸水層，例如多孔金屬或多孔陶瓷等，並透過吸水層吸附液體15。當薄膜113破損時，使得部分的液體15會經由薄膜113上的破孔噴出或流出散熱容器11，並直接接觸熱失控的電池芯13，而部分的液體15則會被吸水層吸附。
被吸水層吸附的液體15會持續由熱失控的電池芯13吸收熱量，並從液態轉變為氣態，以由熱失控的電池芯13吸收大量的熱量。水的汽化熱為40.8千焦/摩爾，相當於2266千焦/千克，當水轉變為水蒸氣時可由熱失控的電池芯13吸收大量的熱量，因此本發明裝設在散熱容器11內的液體15以水或水溶液為較佳。
一般而言，熱失控的電池芯13發生的溫度通常介於攝氏160度至240度之間，在本發明一實施例中可調整薄膜113的厚度、材質等變因，使得薄膜113在攝氏160度至240度之間破裂。在本發明一實施例中，薄膜113可以是金屬薄膜或塑膠薄膜，其中金屬薄膜包括至少一金屬層及至少一塑膠層的層疊，例如鋁箔及聚乙烯的層疊，並可透過熱壓的方式連接薄膜113及框架111。
此外當電池模組130包括複數個電池芯13的串聯時，在充電及放電的過程中，電池模組130兩側的電池芯13會產生溫差。如圖2所示，位於左側的電池芯13溫度會低於位於右側的電池芯13溫度，在經過多次的充放電後，右側的電池芯13的老化速度會比左側的電池芯13快。
在本發明實施例中，高溫的電池芯13除了可以經由框架111將熱量傳遞至低溫的電池芯13外，還可以經由框架111及/或薄膜113將熱量傳遞至密閉空間114內的液體15。具體而言，密閉空間114右側的液體15溫度會高於左側的液體15溫度，使得密閉空間114內的液體15產生對流，進而平衡各個電池芯13的溫度，以延長電池模組130的使用壽命。
如圖5所示，散熱容器11的框架111可包括至少一連接支架1117，其中連接支架1117位於框架111的穿孔部112或凹陷部內，並將框架111與薄膜113之間的密閉空間114區隔為複數個容置空間118，而薄膜113則連接框架111及連接支架1117。
在本發明一實施例中，複數個電池芯13以矩陣的方式排列，並可於相鄰的電池芯13的側面133之間設置一導熱單元17，其中導熱單元17朝向連接支架1117，而電池芯13則朝向容置空間118。例如導熱單元17可以是金屬製的圓形、四邊形或多邊形柱狀體，導熱單元17的一端或兩端可經由薄膜113連接框架111的連接支架1117。電池芯13產生的熱量可經由側面133傳遞至導熱單元17，並經由導熱單元17的一端或兩端傳遞至框架111的連接支架1117。
如圖6所示，框架111的連接支架1117上可設置至少一凹部1119或連接孔，並透過凹部1119或連接孔連接位於連接支架1117兩側的容置空間118。
如圖7所示，框架111可包括複數個凸起部115，並於相鄰的凸起部115之間形成一凹陷部116。在本發明一實施例中，框架111的第一表面1111及第二表面1113上可分別凸起部115，其中設置在第一表面1111的凸起部115與設置在第二表面1113的凸起部115可彼此交錯。如圖8所示，設置在框架111兩側的凸起部115，亦可橫跨框架111內的穿孔部112，並在穿孔部112的兩側形成柱狀的凸起部115。
兩個薄膜113分別連接框架111的第一表面1111及第二表面1113並覆蓋穿孔部112，以在兩個薄膜113與框架111之間形成一密閉空間114。在實際應用時，其中一個薄膜113會連接第一表面1111及位於第一表面1111的凸起部115，而另一薄膜113則連接第二表面1113及位於第二表面1113的凸起部115。
在本發明上述實施例中，主要將散熱容器11設置在電池芯13的底面131，使得散熱容器11的薄膜113與電池芯13的底面131相鄰。在本發明另一實施例中，如圖9所示，散熱容器11可設置在兩個相鄰的電池芯13之間，其中散熱容器11的薄膜113可接觸複數個電池芯13的側面133。可將電池芯13放置在散熱容器11的凹陷部116，使得電池芯13的側面133位於凹陷部116內，而散熱容器11的凸起部115則位於相鄰的兩個電池芯13之間。如此一來，將可以增加電池芯13的側面133與散熱容器11的接觸面積，並有利於提高電池芯13將熱量傳遞至散熱容器11的效率。
在實際應用時，電池模組130可包括複數個電池芯13及複數個散熱容器11，其中散熱容器11可盡可能的填滿相鄰的電池芯13之間的間隙，並使得各個電池芯13的側面133都接觸至少一個散熱容器11，以提高散熱的效果。
以上所述者，僅為本發明之一較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，即凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。
10:具有熱防護機制的電池設備 11:散熱容器 111:框架 1111:第一表面 1113:第二表面 1115:側表面 1117:連接支架 1119:凹部 112:穿孔部 113:薄膜 114:密閉空間 115:凸起部 116:凹陷部 118:容置空間 12:導電片 13:電池芯 130:電池模組 131:底面 133:側面 15:液體 17:導熱單元
[圖1]為本發明具有熱防護機制的電池設備一實施例的立體分解示意圖。
[圖2]為本發明具有熱防護機制的電池設備一實施例的側面分解示意圖。
[圖3]為本發明具有熱防護機制的電池設備的散熱容器一實施例的立體分解圖。
[圖4]為本發明具有熱防護機制的電池設備的散熱容器一實施例的立體透視圖。
[圖5]為本發明具有熱防護機制的電池設備又一實施例的立體分解示意圖。
[圖6]為本發明具有熱防護機制的電池設備的散熱容器一實施例的立體分解示意圖。
[圖7]為本發明具有熱防護機制的電池設備的散熱容器又一實施例的立體分解示意圖。
[圖8]為本發明具有熱防護機制的電池設備的散熱容器又一實施例的立體分解示意圖。
[圖9]為本發明具有熱防護機制的電池設備的又一實施例的立體分解示意圖。
10:具有熱防護機制的電池設備
11:散熱容器
12:導電片
13:電池芯
130:電池模組
131:底面
133:側面

Claims (13)

  1. 一種具有熱防護機制的電池設備，包括：複數個電池芯，其中該電池芯包括兩個底面及一側面，該側面位於兩個底面之間；至少一散熱容器，與該複數個電池芯相鄰，並包括：一框架，包括一凹陷部；一薄膜，設置在該框架的一表面上而覆蓋該框架上的該凹陷部，並在該薄膜與該框架之間形成一密閉空間，其中該薄膜與該複數個電池芯的至少一該底面相鄰，其中該薄膜為金屬薄膜或塑膠薄膜；及一液體，放置在該散熱容器的該密閉空間內，其中該液體為一水或一水溶液；其中，該薄膜被設計在一定的高溫以上產生破損，當該薄膜因高溫產生破損而形成破孔時，位在該密閉空間中的液體將從該薄膜的破孔噴出或流出。
  2. 如請求項1所述的具有熱防護機制的電池設備，其中該框架包括一第一表面、一第二表面及一側表面，該側表面連接該第一表面及該第二表面，而該薄膜為兩個，分別連接該第一表面及該第二表面。
  3. 如請求項1所述的具有熱防護機制的電池設備，包括至少一連接支架連接該框架，並將該框架及該薄膜之間的該密閉空間區分成複數個容置空間。
  4. 如請求項3所述的具有熱防護機制的電池設備，其中該連接支架上設置一凹部或一連接孔，並經由該凹部或該連接孔連接位於該連接支架兩側的該容置空間。
  5. 如請求項4所述的具有熱防護機制的電池設備，包括至少一導熱單元位於相鄰的該電池芯的該側面之間，該導熱單元朝向該連接支架，而該電池芯則朝向該容置空間。
  6. 如請求項1所述的具有熱防護機制的電池設備，包括複數個導電片串聯或並聯該複數個電池芯，並位於該電池芯的該底面與該散熱容器的該薄膜之間。
  7. 如請求項1所述的具有熱防護機制的電池設備，其中該薄膜包括至少一金屬層及至少一塑膠層。
  8. 一種具有熱防護機制的電池設備，包括：複數個電池芯，其中該電池芯包括兩個底面及一側面，該側面位於兩個底面之間；至少一散熱容器，與該複數個電池芯相鄰，並包括：一框架，包括至少一穿孔部； 兩個薄膜，連接該框架並覆蓋該穿孔部，並在該兩個薄膜與該框架之間形成一密閉空間，其中該薄膜接觸該複數個電池芯的該側面，其中該薄膜為金屬薄膜或塑膠薄膜；及一液體，放置在該散熱容器的該密閉空間內，其中該液體為一水或一水溶液；其中，該薄膜被設計在一定的高溫以上產生破損，當該薄膜因高溫產生破損而形成破孔時，位在該密閉空間中的液體將從該薄膜的破孔噴出或流出。
  9. 如請求項8所述的具有熱防護機制的電池設備，其中該框架包括一第一表面、一第二表面及一側表面，該側表面連接該第一表面及該第二表面，而該兩個薄膜分別連接該第一表面及該第二表面。
  10. 如請求項9所述的具有熱防護機制的電池設備，包括複數個凸起部設置在該框架的該第一表面及該第二表面上，並於相鄰的該凸起部之間存在一凹陷部，其中一該薄膜連接該第一表面及位於該第一表面的該凸起部，而另一該薄膜則連接該第二表面及位於該第二表面的該凸起部。
  11. 如請求項10所述的具有熱防護機制的電池設備，其中該電池芯位於該散熱容器的凹陷部內，該散熱容器的該凸起部則位於相鄰的該電池芯之間。
  12. 如請求項9所述的具有熱防護機制的電池設備，其中該薄膜包括至少一金屬層及至少一塑膠層。
  13. 一種具有熱防護機制的電池設備，包括：複數個電池芯，其中該電池芯包括兩個底面及一側面，該側面位於兩個底面之間；至少一散熱容器，與該複數個電池芯相鄰，並包括：一框架，包括一穿孔部；兩個薄膜，分別設置在該框架的兩表面上而覆蓋該框架上的該穿孔部，並在該兩個薄膜與該框架之間形成一密閉空間，其中該薄膜與該複數個電池芯的至少一該底面相鄰，其中該薄膜為金屬薄膜或塑膠薄膜；及一液體，放置在該散熱容器的該密閉空間內，其中該液體為一水或一水溶液；其中，該薄膜被設計在一定的高溫以上產生破損，當該薄膜因高溫產生破損而形成破孔時，位在該密閉空間中的液體將從該薄膜的破孔噴出或流出。
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