[发明专利]电池系统中的散热与热失控扩散防护结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种电池系统(battery system)，且特别是涉及一种电池系统中的散热与热失控(thermal runaway)扩散防护结构。

背景技术

在石油储存量日趋短少及石油价格升高为全球所需面对的问题，电动车辆为目前最佳的解决方案。在美国加州已经立法强制车商必须销售特定比率的电动汽车，其他各州也将跟进；法国、德国、瑞士、日本等均有奖励补助电动车辆使用或技术研发的政策，具实用性能的电动车辆也陆续开发完成，正以实验性试用逐步推广。

欧、美、日等先进国家对都会区交通工具的空气污染及石油储存量日益短少相当重视，均认为目前是发展使用电动车辆的时机，且大力投入电动车辆的研发及推广，美国加州已经立法强制车商必须销售特定比率的电动汽车，其他各州也将跟进；法国、德国、瑞士、日本等均有奖励补助电动车辆使用或技术研发的政策，具实用性能的电动车辆也陆续开发完成，正以实验性试用逐步推广。其中锂电池导入是电动车发展成功关键，因锂电池重量仅为镍氢电池的一半，续航力却是镍氢电池的两倍，再加上锂电池工作电压高、能量密度大、寿命长及环保等优点，行驶过程中不会排放废气，不但节能减碳，更减少汽油的使用量，未来汽车大厂全面换用充电式锂电池将是锐不可挡的趋势。

2006年SONY笔记型电脑锂电池的全球回收事件，让锂电池的热失控安全问题被突显出来，而笔记型电脑所使用的电池组仅由3～8颗不等的18650单元电池所组成，电动车辆上若搭载18650单元电池，电池数则要达到4000～6000颗不等，才能提供车辆足够的功率(动力)和电容量(续航力)，电池数目增加意味者热失控机会增加，电池组中单一电池的热失控就有可能扩散造成整个电池组。一旦电池组中某一颗电池的热失控无法受掉有效控制，热失控逐渐由最邻近的电池蔓延开来，将导致整个电池组发生热失控，其危险性将类似一颗小型炸弹爆炸。

因此，近年来美国国家再生能源实验室(NREL)对于锂电池组的热失控扩散做了一系列的研究。热失控扩散过程是当电池组中某一颗电池因为断短路、或电性不均衡(指容量过低或内阻过高)时会导致电池在充放电过程中异常发热，一旦该电池超过热失控反应临界温度(一般约150℃左右)，电池内部的材料就会陆续发生热分解放热反应，所谓热分解放热是一种自加热的自催化反应过程，会急遽推升该电池的温度，在热失控时电池温度可超过500℃以上，每分钟的自加热温升可超过20℃以上。所以该电池在超过临界热失控温度后，会瞬间升温而产生所谓热失控。这颗电池热失控所释放的热量如果没有作良好的阻隔和散热设计，就会接续加热邻近的电池，如美国国家再生能源实验室在2008年5月在大型锂离子电池技术与应用(Large Lithium IonBattery Technology and Applications，LLIBTA)的第四届国际研讨会(4^thInternational Symposium)发表的“Thermal Abuse Modeling of Li-ion Cells andpropagation in Modules”中第30页左图所示，其中显示热失控的电池导致邻近的几颗电池也接连发生热失控反应；电池组内部的热失控一旦进入此阶段，预期将无法被有效控制，最终将导致整个电池组内其它所有电池发生全面的热失控，产生剧烈的燃烧放热反应，这过程通常会伴随大量的可燃性电解液气体以及电池材料分解气体的释放，严重甚至会产生爆炸。

锂电池的热失控安全问题主要是由过充、短路情况所引起的，但是电池在受到外部撞击而产生电池受到穿刺情况时，也会发生电池的热失控。电池热失控其实就是电池内部材料热劣解放热的反应过程表现。

目前已知管控热失控扩散的如美国专利US6942944、美国公开专利US20060073377和US20090004556，以上专利的发明团队即是参与NREL电池热失控研究的研究成员，其利用将相变材料填入到电池间的间隙，利用相变材料相变过程具有吸热的特性，来吸收电池热失控时所生成的热。