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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(下)
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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(下)
[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(下)
Wispro
發表於 2022-12-26
觀看數 2565
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。此篇文章為「專利有解:從電芯、模組、電池管理的角度防止鋰電池熱失控」系列文章之最後一篇。  

電池管理技術分類

  電池模組在使用時,發生熱失控主要來自兩個原因:一個是電池碰撞破裂;一個是不當使用造成電池損壞。解決電池碰撞破裂產生熱失控的方式是對電芯進行改良或是強化模組設計。電芯改良主要為材料改良,例如採用不容易延燒的固態電解質。強化模組設計包含從結構上增加對電池芯的保護,或是提供滅火機制。   為了避免不當使用電池,需要即時地了解電池的狀態並進行管理,以避免例如過度充電或過度放電造成電池損壞。前一篇文章提到電池容量85kWh的Tesla MODEL S共使用了7,104顆電池芯[1]。使用時,每顆電池芯的電壓、溫度、容量等狀態可能有所差異。透過電池管理技術,可以監控電池模組內部的狀態,提早預防熱失控的危險。圖1為從電池管理角度處理熱失控議題相關專利的技術分類。  

圖1 電池管理防止熱失控之技術分類

 

SOC (State of Charge)監控

  SOC(State of Charge)代表電池容量狀態,例如一顆充飽電容量為3Ah的電池芯,其SOC為50%代表剩餘容量為1.5Ah。電池在充放電循環中不會使用100%的電量範圍,例如設定在90%~10%之SOC為充放電範圍,避免過度充放電損害電池壽命。因此,在使用電池時,需要即時地了解電池容量狀態,特別是電動車應用,也方便計算剩餘電量所能行駛的里程數。電池芯電壓跟容量之具有一定的關係,例如圖2所示。因此,透過量測電壓的方式可以估算電池的容量。不同材料的電池芯,其電壓容量曲線各有不同,因此需要預先了解所使用的電池芯之電壓容量曲線。然而,即使是同一顆電池芯,溫度高低、充放電電流大小、電池使用壽命都會影響該電壓容量曲線。例如圖2所示,顯示電池隨著充放電次數變多變後的電壓容量曲線會發生變化。因此,計算電池容量時,量測電池電壓之後,需要再依據電池溫度、已充放電循環次數進行校正,才能算出比較準確的容量。以California Institute of Technology美國專利US10556510為例,該專利在計算電池容量時,所考慮的參數包含焓變化(enthalpy, ΔH)進行校正。可以使校正過後的電壓容量曲線不會受充放電次數影響,如圖3所示,以方便使用電池時利用量測電壓的方式計算電池容量狀態。  

圖2 California Institute of Technology美國專利US10556510之圖式

 

圖3 California Institute of Technology美國專利US10556510之圖式

 

健康狀態監控

  電池使用一段時間之後,會發生容量衰減、內阻升高等老化的狀況,隨著使用次數越多,老化狀況越明顯。電池健康狀態[2]即代表相對於理想狀態(例如尚未使用之新電池)之電池老化程度,或是其他異常狀況(例如內短路)。電動車應用中,需要了解電池的健康狀態,以便即時更換老化的電池模組,避免影響行車里程甚至發生熱失控的危險。以Samsung美國專利US11402433為例,該專利提供一種確認電池健康狀態的方法。該專利利用對充電中的電池提供一個低頻電流或低頻電壓訊號,偵測電池對此低頻電流或電壓訊號的反應,並計算電池內阻值,以此方式推測電池的健康狀態,如圖4所示。  

圖4 Samsung美國專利US11402433之圖式

 

充放電優化

  對鋰電池進行充電時一般會採用定電流或定電壓的方式充電。提高充電電流或電壓可以加快充電速度,但是也會增加鋰金屬沉積在電池負極的可能性,尤其是在電池快要充飽時,從而導致熱失控產生。因此,需要對充電方法進行優化,以達到快速充電並同時避免鋰金屬沉積。以Honda美國專利US11177675為例,如圖5所示。該專利強調在充電之前先偵測電池容量SOC,依據起始充電時的SOC設定充電電流,並且隨著電池容量增高降低充電電流。以此方式,可以降低充電過程中鋰金屬沉積的機率。    

圖5 Honda美國專利US11177675之圖式

 

電池平衡

  前文提及電池模組由多個電芯串並聯組成。實際應用時,由於電芯之間的化學性能不同以及使用環境不同,經歷充放電循環之後會使電芯的容量電壓等電性能產生差異。當這些電芯組成模組使用時,有些電芯在充電時可能已經過度充電,但有些串電芯卻充電不足。導致某些電芯長時間處於過充與過放的使用,將對電池模組造成了非預期的耗損,使得電池加速劣化。因此,使用電池時需要平衡電池之間的差異。以工研院美國專利US20210328441為例,如圖6所示。該專利提供了一種多個電池單元之間的電池平衡方法,依據多個電池單元之間的電壓差異分別進行充電,以達到電池平衡。

圖6 工研院美國專利US20210328441之圖式

 

防止過充

  對電池進行充電時需要防止過充電保護,以避免損壞電池。以Tesla美國專利US8659270為例,如圖7所示。該專利強調除了傳統的充電控制之外,也增加了額外的過充電保護單元。當過充電發生時,如果傳統充電控制電路沒有停止充電,過充電保護單元就會啟動並使連接電池模組充電的保險絲熔斷,避免繼續充電。

圖7 Tesla美國專利US8659270之圖式

 

異常偵測

  異常偵測是指偵測電池的各種參數,並判斷是否處於異常狀態或是即將發生異常,以方便即時處理避免危害擴大,包含以下偵測項目。   氣體偵測:如前所述,當電池芯發生熱失控時,內部會產生氣體,透過電池芯的排氣孔排出。因此可以利用感測器偵測電池熱失控產生的氣體,來判斷是否有熱失控發生。   異常放電、內短路:當電池芯內部產生枝晶並形成內短路時,枝晶會因短路被溶解,因此並不會立即造成熱失控,而是使電池內部產生緩慢地自放電。當枝晶重複出現,並使電池正極負極持續電連接時才會發生熱失控。因此,可以透過監控電池是否發生異常自放電以及內短路來提早預防熱失控。   內阻、溫度:電池因老化後,內阻會上升,因此充放電過程中會產生更多的熱量,導致溫度上升速度變快。因此透過內阻、溫度的變化,可以提早預測熱失控的發生。   變形偵測:電池內部因產生氣體壓力上升時,會使電池產生膨脹變形。因此,偵測電池膨脹程度也可以提早預測可能的危險。以Hyundai美國專利US20220045371為例,如圖8所示,該專利在電池芯表面貼附一個應變計(strain gauge),以偵測電池芯膨脹變形的程度。當膨脹變形超過一預設值時,電池管理系統發出示警以便即時更換電池模組。

圖8 Hyundai美國專利US20220045371之圖式

  綜上,為了增加鋰電池用於電動車的安全性,業界從電芯改良、電池模組以及電池管理技術都提出了各種解決方案,如圖9所示。

圖9 鋰電池防止熱失控相關專利之技術歸納

  本系列文章僅從專利分析的角度,整理業界對於熱失控解決方案所提出的專利佈局,並挑選主要專利權人之專利技術進行介紹。期待以此啟發業界提出更多的技術創新,持續提升電動車安全。   [1] Tesla Model S - https://en.wikipedia.org/wiki/Tesla_Model_S [2] State of Health- https://en.wikipedia.org/wiki/State_of_health    

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
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