TWI445233B - 具有導熱膠之電池組 - Google Patents

Description

具有導熱膠之電池組

本發明係有關於一種填充導熱膠之電池組，尤指一種將具有電絕緣特性及熱傳導性能良好之導熱膠填充於電池組之各電池單元之間，再配合氣冷式或水冷式等冷卻裝置，確實可快速降低各電池單元之工作溫度，而且能平均各電池單元之間的溫度差異，此外，由於電池單元被包覆於具有彈性之導熱膠，更可達到吸收震動、降低噪音等功能之電池組。

由於電池單元，尤其是鋰類電池，由於鋰金屬之可燃燒性，使得鋰類電池具有安全上之顧慮，當其純度不足或使用不當時，因內電阻過大或瞬間電流過大或因為散熱不良造成過熱現象，會有引發燃燒爆炸之可能性，因此鋰類電池若要製作成高電壓或高電流的高功率大型電池，其困難度非常高，製作成本也非常高；一般皆以品質成熟的較小型電池為單元，以串聯或並聯的方式，組合多個小型電池單元，以外殼包裝成一體，成為一個大型電池使用，來達到大功率應用之目的；此時電池組的散熱問題也是一個重要的議題，故電池組常以熱傳導良好的金屬外殼包裝，以利熱量之發散；或設計有空氣流道，以利熱傳之對流；越大型的電池單元在安全上之顧慮越高，例如目前電動車有使用48V的電池模組，是以13個3.7V能量20Ah的大型電池單元串聯而成，6個48V電池模組又再串並聯成為一組144V能量40Ah的大型電池組；若散熱不良時，其核心溫度可能達到200℃危險高溫，不論是氣冷式或水冷式的電池組，在電池單元與散熱體之間如果有靜止的空氣形成熱傳導係數很低的隔離層時，將嚴重妨礙電池單元的散熱，如果能有更高熱傳係數的介質取代空氣隔離層，就能提高原裝置之傳熱效率。

一般氣冷式的電池組，係採用風扇強迫空氣對流帶走熱量的方式來散熱；但是由於電池組設置空間的限制，例如將電池組設置於小型電動車時，電池組的安裝體積被壓縮，使得電池單元之間距離無法拉開，冷氣路徑的風阻非常大，無法保持足夠的距離讓冷氣空氣能暢通，且容易於電池單元間形成迴流，反使得熱空氣滯留於電池單元間無法順利排出，例如第一圖及第二圖所示，該電池組10係於一概呈扁平板狀之上蓋111及底殼112所構成之殼體11之間夾設有複數之電池單元12，於該上蓋111及底殼112之間設有螺栓16相互鎖固或分離，圖示係將該上蓋111部份剖開，以顯示該電池單元12之電極121凸出於該上蓋111頂部，於該上蓋111頂部設有電極連接片13串聯或並聯連接各個電極121，該電池組10搭配氣冷式冷卻裝置提供冷卻風14吹向該電池單元12，於該底殼112底部設有散熱鰭片113輔助熱量散發，由於電池單元12具有一定間距，因此容易於電池單元12間形成迴流15，同時會阻礙該冷卻風14之行進；若以較強的風扇鼓風冷卻，風力強大的位置(靠近進風處)帶走的熱較多，風力弱之位置(靠近出風處)散熱慢，不僅增加功率損耗，更會使得各電池單元之間的溫度差異變大；此電池單元的溫度差異太大，會造成電池單元本身因熱膨脹而產生不同的長度尺寸變化，不僅不利於電池單元之壽命維持，還使得包裝固定電池組外殼的各扣件，因同時受不同的應力差異變化而逐漸鬆動。

至於散熱效果較佳之水冷式電池組，以水冷的方式散熱，將電池組的外殼製成內含水道，並以外加水幫浦將冷卻水循環，並將高溫水經散熱器降溫之後再使用，此種水冷方式散熱雖能大幅帶走熱量，卻因為電池單元與電池組的外殼之間常有空氣細縫，無法密卻貼合，影響了熱傳導效率，因此需有較大的水幫浦以供應更多的冷卻水量，如此徒然增加成本。

據此可知，習知採用氣冷或水冷散熱方式，仍會有散熱之死角，造成局部位置散熱不良，及各個電池單元的散熱不均勻造成溫度分佈差異太大的問題，嚴重限制電池組的應用範圍並減少電池使用壽命！

就習知專利而言，例如中華民國發明專利公告號I283493「使用部分塗佈凝膠聚合物的隔離板之可充電鋰電池」，該案揭露將導電膠塗佈於電池單元內部之陽極板與陰極板之間，構成固態之電解液，以形成電離子之迴路，讓電池能夠產生放電或充電功能。

再例如美國發明專例US6716552「Secondary Lithium Battery Construction for Improved Heat transfer」，該案揭露於電池單元內部之電極之間，填充入電解液，使得反應濃度能均勻化，而且反應熱能經由此電解液，傳導至電池單元之金屬外殼，再導出至空氣中，因此降低電池單元之反應溫度，避免爆炸之發生率。

又例如中國發明專利公開號CN101432906「具有凝膠聚合物層的電池用隔膜」，該案揭露在電池單元內部之陽極與陰極之間，夾帶一層多孔之膠狀隔離層，以便含鋰離子電解液能容納於其中，以提高電池之供電品質。

據此可知，習知專利所揭露對於電池單元之散熱技術皆是針對電池單元的內部結構加以改良，並未見針對電池單元外部散熱之技術手段。

有鑑於習知技術之缺失，本發明提出一種填充導熱膠之電池組，將具有電絕緣特性及熱傳導性能良好之導熱膠填充於電池組之各電池單元之間，再配合氣冷式或水冷式等冷卻裝置，確實可快速降低各電池單元之工作溫度，而且能平均各電池單元之間的溫度差異，此外，由於電池單元被包覆於具有彈性之導熱膠，更可達到吸收震動、降低噪音等功能。

為達到上述目的，本發明提出一種具有導熱膠之電池組，包含：一殼體，該殼體具有至少一冷卻裝置；以及複數電池單元，係設置於該殼體中，該電池單元外部設有具有電絕緣特性及熱傳導特性之導熱膠，該導熱膠係與該電池單元外表面接觸。

為使　貴審查委員對於本發明之結構目的和功效有更進一步之了解與認同，茲配合圖示詳細說明如后。

以下將參照隨附之圖式來描述本發明為達成目的所使用的技術手段與功效，而以下圖式所列舉之實施例僅為輔助說明，以利　貴審查委員瞭解，但本案之技術手段並不限於所列舉圖式。

請參閱第三圖及第四圖所示本發明第一實施例，該電池組30包含一概呈扁平板狀之一上蓋311及底殼312所構成之殼體31，於該上蓋311及底殼312之間夾設有複數之電池單元組32，各個電池單元組32分別具有一電極324，於該上蓋311及底殼312之間設有螺栓35相互鎖固或分離，圖示係將該上蓋311部份剖開，以顯示該電極324位置，其係於該上蓋31設有孔洞，以提供該電極324可由該上蓋311之底部向上穿設並可凸出於該上蓋311之頂部，再於該上蓋311頂部設有電極連接片33串聯或並聯連接該各個電極324，該電池組30搭配氣冷式冷卻裝置提供冷卻風34吹向該電池單元組32(如第六圖所示)，於該底殼312底部設有散熱鰭片313輔助熱量散發。

請參閱第四圖至第六圖所示，該電池單元組32係由電池單元321、導熱膠322及導熱結構323所構成，該電池單元321之種類無一定限制，但以發熱量高之鋰類電池更能顯現本發明所能達成之冷卻功效，該導熱膠322係由具有電絕緣特性及抗火燄燃燒之矽膠為主體，再添加具良好熱傳導特性之其他電絕緣物質(例如氮化鋁)所構成，例如可使用Momentive Performance Materials Japan LLC出產的TSE3941-Flame Retardant Silicone Adhesive Sealant，採用矽膠之好處在於，矽膠對於金屬容器具有良好貼附性，而其黏性又不至於過高，有利於日後該電池組30之拆解，或該電池單元321之維修或更換，且矽膠具有電絕緣特性，即使不慎沾黏於電極324也不會造成電源短路；該導熱結構323係具有高導熱性之材質構成，圖示該導熱結構323為一波浪狀片材；如第四圖所示，將電池單元321定位於一治具325上，再將該導熱結構323對稱設置於陣列之電池單元321兩側，該兩片導熱結構323可先以螺栓或鉚釘相互結合後，再套設於該電池單元321外，並定位於該治具325上，該導熱結構323與該電池單元321之間具有一定間距，其次，由於該導熱膠322係以矽膠為主體，該矽膠原材料原本為流動性甚佳的液體狀態，但具有遇空氣與濕氣一定時間後，就形成彈性很好的固態膠狀物且能抗高溫耐火燃燒之特性，因此，可將原本液態之導熱膠灌注於該導熱結構323與該電池單元321之間，待一段時間後，該導熱膠322可自然固化，或可添加固化劑加速固化，而後即可將該電池單元321、導熱膠322及導熱結構323構成之組合物由該治具325取下，形成一電池單元組32(如第六圖所示)，再將該電池單元組32組裝於第三圖所示該殼體31內，以構成該電池組30。必須說明的是，該導熱膠322以能夠完全填充於該導熱結構323與該電池單元321間之空間，且可大致完全覆蓋該電池單元321之表面為佳。

請參閱第六圖所示，由於該電池單元321外表面包覆有該具有電絕緣及熱傳導特性之導熱膠322，因此該電池單元321之熱量可快速地經由該導熱膠322傳送至該導熱結構323，再藉由該冷卻風34將該導熱結構323表面所散發之熱量冷卻或送走，值得注意的是，藉由該導熱結構323之設置，可於各個電池單元組32之間形成一平滑順暢之風道，因此，該冷卻風34不容易於該電池單元332間滯留或形成迴流，因此熱量可順利的被送出並快速冷卻。

請參閱第七圖至第九圖所示本發明第二實施例，該電池組40包括一上蓋411及一底殼412構成之殼體41，於該殼體41內設有複數電池單元42，該電池單元42頂部具有陰陽兩支電極421、422，於該上蓋411設有絕緣板413，該上蓋411及絕緣板413對應於該電池單元42之電極421、422位置設有孔洞414，以提供該電極421、422由該上蓋411之底部向上穿設並可凸出於該絕緣板413之頂部，再於該絕緣板413頂部設置電極連接片(圖中未示出)串聯或並聯連接該各個電極421、422並以螺帽46鎖固，於該上蓋411及底殼412之外圍均設有複數散熱鰭片416、417，於該上蓋411及底殼412之間設有複數螺栓43可相互鎖固或分離，該電池組40係搭配氣冷式冷卻裝置提供冷卻風44，冷卻風44以平行各散熱鰭片為佳，本實施例與第三圖所示該實施例之主要差異在於，本實施例之底殼412呈盒體態樣，其具有一容置空間418可用以容置該複數電池單元42，於該上蓋411兩側對稱設有一灌膠孔419，該灌膠孔419係連通該底殼412之容置空間418，將該上蓋411螺合於該底殼412上，可由該灌膠孔419將液態之導熱膠45灌入該容置空間418，原空間內的空氣被液態導熱膠逼走，使得該導熱膠45可充分填滿各電池單元42間之所有空隙，以及該電池單元42與該底殼412間之所有空隙，待導熱膠45固化後，該電池單元42可被固結於具有彈性之固態導熱膠45內，而且熱導膠45與空間中所有電池單元43及殼體41密切貼合沒有空氣間隙，使得邊界熱傳效率非常高，因此該電池單元43之熱量可快速地經由該導熱膠45傳送至該殼體41，並由該散熱鰭片416、417加速散熱，同時可藉由該冷卻風44將熱能快速送走及降溫。

請參閱第十圖所示本發明第三實施例，該電池組50包括一上蓋511及一底殼512構成之殼體51，該底殼512具有一容置空間513用以容置複數電池單元52，且該容置空間513灌注有導熱膠53，本實施例之特點在於，該電池組50係採用水冷式冷卻裝置，於該底殼512之底部設有一冷卻水道54，該冷卻水道54可提供冷卻水55流通，該電池單元52於工作時所產生之熱能，可藉由該導熱膠53快速傳導至該殼體51，且可藉由該冷卻水55將熱能快速送走及降溫。

上述不同實施例說明，本發明所提出之採用導熱膠快速傳熱之結構，可適用於不同型態之電池單元及殼體，且可搭配氣冷式及水冷式冷卻裝置。

請參閱第十一圖及第十二圖所示，該第十一圖為未實施本發明時之水冷式冷卻裝置之殼體，其對於電池單元第一排A1~A7、第二排B1~B7之溫度分佈及溫差狀況，該第十二圖為實施本發明之後各排電池單元之溫度分佈及溫差改善明顯；例如該電池單元A1，於未設置導熱膠而單純依靠水冷式冷卻裝置降溫時，其溫度變化在高達攝氏40.6至110度之間，當設置導熱膠且同時配合水冷式冷卻裝置時，可將溫度降至攝氏38.1至61.2.6度之間，溫度越高的地方獲得改善的效果越明顯。

本發明所提出之導熱膠，可同時應用於具有氣冷式冷卻裝置或水冷式冷卻裝置之電池組，其搭配水冷式冷卻裝置之效果更佳，即使原本已具有良好冷卻效果之水冷式冷卻裝置，於搭配本發明之導熱膠之後，更可提高其冷卻效果及降低溫差。

綜上所述，本發明提供之填充導熱膠之電池組，將具有電絕緣特性及熱傳導性能良好之導熱膠填充於電池組之各電池單元之間，再配合氣冷式或水冷式等冷卻裝置，確實可快速降低各電池單元之工作溫度，而且能平均各電池單元之間的溫度差異，此外，由於電池單元被包覆於具有彈性之導熱膠內，因此可達到吸收震動、降低噪音等功能。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以之限定本發明所實施之範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬於本發明專利涵蓋之範圍內，謹請　貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至禱。

先前技術：

10．．．電池組

11．．．殼體

111．．．上蓋

112．．．底殼

113．．．散熱鰭片

12．．．電池單元

121．．．電極

13．．．電極連接片

14．．．冷卻風

15．．．迴流

本發明：

30．．．電池組

31．．．殼體

311．．．上蓋

312．．．底殼

313．．．散熱鰭片

32．．．電池單元組

321．．．電池單元

322．．．導熱膠

323．．．導熱結構

324．．．電極

325．．．治具

33．．．電極連接片

34．．．冷卻風

35．．．螺拴

40．．．電池組

41．．．殼體

411．．．上蓋

412．．．底殼

413．．．絕緣板

414、415．．．孔洞

416、417．．．散熱鰭片

418．．．容置空間

419．．．灌膠孔

42．．．電池單元

421、422．．．電極

43．．．螺栓

44．．．冷卻風

45．．．導熱膠

46．．．螺帽

50．．．電池組

51．．．殼體

511．．．上蓋

512．．．底殼

513．．．容置空間

52．．．電池單元

53．．．導熱膠

54．．．冷卻水道

55．．．冷卻水

A1~A7、B1~B7、C1~C7、D1~D7．．．電池單元

第一圖係習知氣冷式殼體電池組實施例立體組合圖。

第二圖係第一圖之A-A剖視結構示意圖。

第三圖係本發明第一實施例之外觀立體組合結構圖。

第四圖係第三圖之B-B剖視結構示意圖。

第五圖及第六圖係本發明之電池單元組之製造方式實施例示意圖。

第七圖係本發明第二實施例之立體組合結構示意圖。

第八圖係本發明第二實施例之立體分解結構示意圖。

第九圖係第七圖之C-C剖視結構示意圖。

第十圖係本發明第三實施例之正視斷面組合結構示意圖。

第十一圖係未實施本發明之水冷式冷卻裝置之殼體，其兩不同排電池單元組之溫度變化示意圖。

第十二圖係實施本發明於具有水冷式冷卻裝置之殼體時，對於各排電池單元之降溫度及降溫差效果示意圖。

312．．．底殼

32．．．電池單元組

321．．．電池單元

322．．．導熱膠

323．．．導熱結構

324．．．電極

34．．．冷卻風

Claims (15)

1. 一種具有導熱膠之電池組，包含：一殼體，該殼體具有至少一冷卻裝置；以及複數電池單元，該些電池單元設置於該殼體中，該些電池單元外部設有具有電絕緣特性及熱傳導特性之導熱膠，該導熱膠係與該些電池單元外表面接觸。
2. 如申請專利範圍第1項所述之具有導熱膠之電池組，其中該導熱膠可完全覆蓋該些電池單元之外表面。
3. 如申請專利範圍第1項所述之具有導熱膠之電池組，其中該導熱膠係由矽膠以及具導熱性之物質構成。
4. 如申請專利範圍第1項所述之具有導熱膠之電池組，其中該導熱膠之熱傳導係數高於空氣。
5. 如申請專利範圍第1項所述之具有導熱膠之電池組，其更包括至少一導熱結構，該至少一導熱結構係設置於至少一該電池單元之外圍，且該至少一導熱結構與該至少一該電池單元之間具有一定間距，於該間距內填充有該導熱膠。
6. 如申請專利範圍第5項所述之具有導熱膠之電池組，其中該至少一導熱結構係為具有高導熱性之片材。
7. 如申請專利範圍第1項所述之具有導熱膠之電池組，其中該殼體係由一上蓋以及一底殼構成。
8. 如申請專利範圍第7項所述之具有導熱膠之電池組，其中該上蓋及該底殼概成一扁平板狀，該些電池單元係夾設於該上蓋及該底殼之間。
9. 如申請專利範圍第7項所述之具有導熱膠之電池組，其 中該底殼具有一容置空間用以容置該些電池單元。
10. 如申請專利範圍第9項所述之具有導熱膠之電池組，其中該上蓋設有至少一灌膠孔，該灌膠孔係連通該底殼之容置空間。
11. 如申請專利範圍第9項所述之具有導熱膠之電池組，其中該灌膠孔係提供將非固態之導熱膠灌入該容置空間，且該導熱膠可填滿該些電池單元與該底殼間之空隙，以及每一該些電池單元間之空隙，使該導熱膠包覆於每一該些電池單元之外表面。
12. 如申請專利範圍第1項所述之具有導熱膠之電池組，其中該殼體設有複數散熱鰭片。
13. 如申請專利範圍第1項所述之具有導熱膠之電池組，其中該些電池單元為鋰類電池。
14. 如申請專利範圍第1項所述之具有導熱膠之電池組，其中該至少一冷卻裝置為氣冷式冷卻裝置，該氣冷式冷卻裝置具有至少一風扇，該風扇係用以產生冷卻風，且該冷卻風係朝向該包覆有導熱膠之該些電池單元吹送。
15. 如申請專利範圍第1項所述之具有導熱膠之電池組，其中該至少一冷卻裝置為水冷式冷卻裝置，於該殼體設有至少一冷卻水道，係提供冷卻水流通。