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[Wispro專家觀點] 專利有解:從電芯、模組、電池管理的角度防止鋰電池熱失控(中)
[Wispro專家觀點] 專利有解:從電芯、模組、電池管理的角度防止鋰電池熱失控(中)
[Wispro專家觀點] 專利有解:從電芯、模組、電池管理的角度防止鋰電池熱失控(中)
Wispro
發表於 2022-11-21
觀看數:433

日前曾經發生一起藝人駕駛電動車撞車事件。筆者細看了一下車禍現場的照片,發現電動車被嚴重燒毀。細查車禍當下車速並不快,而究竟是什麼原因導致汽車全毀。大部分的原因來自於電動車的動力來源鋰電池。鋰電池中包含了易燃的鋰金屬與有機材料,使得電池損壞時會持續高溫燃燒,不易撲滅,甚至產生爆炸,這樣的現象叫做熱失控(Thermal runaway)。隨著鋰電池被廣泛地運用在電動車中,為了提高行車安全,熱失控現象已成為業界急需解決的難題。前一篇文章討論從電池芯的角度如何防止電池熱失控,本文將從電池模組設計的角度探討如何解決熱失控問題

 

電池模組設計技術分類

單顆鋰電池的電壓為3.2V至3.7V,容量為2Ah至5Ah。作為電動車的動力來源,需要將多顆電池芯串並聯組成所需要的電壓與容量。以電池容量85kWh的Tesla MODEL S為例,一共運用了7,104顆電池芯[1]。當電池芯數量越多時,熱失控的風險越高。因此,在設計電池模組時,更需要防止熱失控,以及當單顆電池芯發生熱失控時避免擴散到其他的電池芯。圖1為從電池模組的角度出發,防止電池熱失控的各種技術方案分類,包含冷卻降溫、模組結構優化以及各種防護機制,以下將詳細介紹各種方案的技術內容。

 

圖1 電池模組防止熱失控之技術分類

冷卻降溫冷卻介質

電池在充放電過程中都會產生熱量。在電池模組裡面,最常發生熱失控的原因是局部電池過熱,因此如何均勻有效地散熱為模組設計最重要的議題。散熱所採用的冷卻介質一般分為氣冷式與液冷式,也就是低溫空氣或是冷卻水。以Samsung SDI美國專利US10340566為例,該專利強調用於電動車的電池模組中具有冷空氣通道進行散熱。並且,當特定電池芯發生熱失控而膨脹並產生有害氣體時,冷空氣閥會關閉以避免有害氣體透過空氣循環進入車內,如圖2所示。

圖2 Samsung SDI美國專利US10340566之圖式

 

冷卻降溫冷卻方式流道式冷卻

最常見的冷卻方式是在電池組中加裝導熱係數高的散熱板,讓電池表面的熱量透過熱傳導的方式傳遞到外界。在電動車應用中,往往會採用散熱效果更佳的流道式冷卻,也就是利用循環冷卻水帶走電池的熱量。例如Tesla美國專利US8647763就提供了一種圓柱狀電池芯所用的循環冷卻裝置。該冷卻裝置可以有效地接觸圓柱型電池芯表面以增加冷卻效果,如圖3所示。

圖3 Tesla美國專利US8647763之圖式

 

冷卻降溫冷卻方式沉浸式冷卻

除了使用循環冷卻流道對電池降溫之外,目前也有公司在發展一種沉浸式冷卻技術,也就是直接把電池浸沒在不導電的冷卻液中,以增加熱傳遞效果。以Ford美國專利US20220045388為例,該專利強調使用格狀結構的隔板,使用不導電的冷卻液充滿在格狀結構中,並與電池芯表面直接接觸進行冷卻,如圖4所示。

 

圖4 Ford美國專利US20220045388之圖式

冷卻方式吸熱材料

除了利用溫差進行冷卻之外,也可以利用吸熱材料吸收電池表面的熱量,包含相變化吸熱材料以及吸熱反應材料。以GM美國專利US20210104793為例,該專利強調在電池芯之間加裝隔板以隔絕熱傳遞,並且隔板中具有容納相變化材料的孔洞。當電池芯溫度過高時,孔洞中的材料會發生相變化並吸收熱量,以避免熱量傳遞到其他電池芯。除了相變化材料之外,也可以使用可進行化學反應吸熱的材料達成同樣的效果。

圖5 GM美國專利US20210104793之圖式

 

模組結構

電池模組結構包含隔板、集流板、外殼等結構把多顆電池芯進行排列固定。模組結構的設計需要考量增加體積能量密度、散熱、增加機械強度、避免短路。以Panasonic美國專利US10693112為例,如圖6所示,該專利利用蜂巢形狀的固定架(battery holder)來容納圓柱狀電芯,以增加機械強度與散熱效果。

圖6 Panasonic美國專利US10693112之圖式

 

防護機制阻隔熱失控擴散

當電池模組中的一個電池芯發生熱失控時,需要避免熱失控擴散到隔壁的電池芯,以降低危害的程度。以SK Innovation的美國專利US20220037715,如圖7所示,該專利強調在鋁箔包電池芯之間設置多層防火牆,以避免電池芯起火時延燒至隔壁電池芯。

圖7 SK Innovation的美國專利US20220037715之圖式

 

防護機制排氣、防漏、防震、防止冷凝水

排氣:如前所提,電池芯熱失控時會產生氣體膨脹,因此在電池芯需要設置排氣孔。同樣地,在設計電池模組時也會需要有排氣孔,以即時地排出電池芯產生的有害氣體。

防漏:如果採用液態電解質的鋰電池,有可能發生電池芯破裂導致電解液洩漏的狀況,此時需要即時地處理洩漏的電解質,避免造成短路。

防止冷凝水:當環境溫度變化時,會使電池模組內部產生冷凝水,導致電池短路。因此,模組設計時也會需要考量如何避免產生冷凝水。以GM美國專利US20210159473為例,該專利強調在模組外殼加裝壓力閥。當外界溫度變化時,壓力閥會打開,使電池模組與外界透過氣流交換達成溫度平衡,避免產生冷凝水。

防震:作為電動車的動力來源,電池模組在使用時須要有防震保護,以降低電池因震動產生的短路或是斷路。以Tesla美國專利US10780767為例,如圖8所示,該專利提供了一種電池模組與汽車底盤之間的連結結構,可以有效地吸收並分散從汽車側面來的撞擊,避免電池模組受損。

圖8 Tesla美國專利US10780767之圖式

 

防護機制滅火設計

上一篇文章提到可以在電池芯內部增加滅火機制,當電池芯溫度過高時,滅火單元會噴出滅火粉末,避免延燒擴大。同樣地,在電池模組中也可以具有滅火設計。以LG Chem美國專利US10874889為例,如圖9所示,該專利強調在電池模組側邊電極串接的地方設置滅火單元。當電池溫度過高時,滅火單元會釋放滅火劑以防止起火。

圖9 LG Chem美國專利US10874889之圖式

 

防護機制斷電保護

當電池芯高於一定臨界溫度時,如果持續放電或充電,將引發更嚴重的熱失控現象。因此,可以將過熱的電池芯斷電,避免危害擴大。以Samsung SDI美國專利US10050315為例,如圖10所示。老化的電池芯因充放電產生熱氣噴出,會使電池芯與集流體(bus bar)之間的保險絲熔斷,讓該電池芯斷路,避免持續充電或放電導致危害擴大。

圖10 Samsung SDI美國專利US10050315之圖式

 

以上就是從電池模組設計的角度,防止熱失控或是降低熱失控的危害程度,包含降溫冷卻、模組結構優化以及各種熱失控防護機制。除了從電芯、電池模組的角度解決熱失控之外,當使用電池時,也需要透過電池管理技術處理熱失控的問題,此部分將在下一篇文章中詳細說明。

 

[1] Tesla Model S – https://en.wikipedia.org/wiki/Tesla_Model_S

 

 

本文作者:周靜(Jean Chou) 

中華民國專利師/企業評價分析師/專利師公會企業智權管理實務委員會主委/世博科技顧問股份有限公司副總經理

Email: jeanchou@wispro.com