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