CN102117945A

CN102117945A - 电池***中的散热与热失控扩散防护结构

Info

Publication number: CN102117945A
Application number: CN2009102660950A
Authority: CN
Inventors: 胡宪霖; 黄振东; 翁震灼; 张金泉; 叶胜发; 林炳明; 彭裕民
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2009-12-31
Filing date: 2009-12-31
Publication date: 2011-07-06

Abstract

本发明公开一种电池***中的散热与热失控扩散防护结构，包括一电池组(module)壳体以及至少一复合式导热板。在电池组壳体内置有多个单元电池(unit cell)。而所述复合式导热板是位于电池组壳体内与电池组壳体接触，并置入至少两个的单元电池之间，作为热在电池和壳体间的传递媒介，以及控制热在电池间的传递，其中复合式导热板是由至少一导热层与至少一隔热层组成的一多层异向性导热结构。

Description

电池***中的散热与热失控扩散防护结构

技术领域

本发明涉及一种电池***(battery system)，且特别是涉及一种电池***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***。

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***。

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。

但是，上述专利有一最大的缺点，就是相变化材料的热传导特性并不佳，其特性可用于阻隔热失控时热在电池间的传递，但由于其导热性差，电池组在正常使用中的温升虽可受到控制，其后续的降温速率却需要很长的时间。举例来说，在美国专利US6942944中的图9显示电池组在放电后，在自然对流散热(无外加风扇散热)情况下，电池组需静置将近24小时才会回复到接近放电前的温度，相变化材料的低热传导和吸热特性虽可用于阻隔电池组内的热失控扩散和降低电池充放电池的温升，但回复降温时间过长是其最大的缺点，不利于电池组的连续充放电操作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电池***中的散热与热失控(thermalrunaway)扩散防护结构，提供电池***内其中一单元电池热失控扩大引发整个电池组热失控的安全防护。本发明同时具有导热散热功能，解决模块内电池温度不均与过热问题，提高锂电池组循环寿命。

为达上述目的，本发明提供一种电池***中的散热与热失控扩散防护结构，包括一电池组(module)壳体以及至少一复合式导热板。在电池组壳体内有多个单元电池(unit cell)。所述复合式导热板是位于电池组壳体内与电池组壳体接触并置入至少两个的单元电池之间，做为热在电池和壳体间的传递媒介，以及控制热在电池间的传递；其中复合式导热板是由至少一导热层与至少一隔热层组成的一多层异向性导热结构。

本发明提供另一种电池***中的散热与热失控扩散防护结构，包括一电池模块(pack)壳体以及至少一复合式导热板。在电池模块壳体内有多个电池组，而所述复合式导热板是位于电池模块壳体内与电池模块壳体接触并置入至少两个的电池组之间，其中复合式导热板是由至少一导热层与至少一隔热层组成的一多层异向性导热结构。

在本发明的第一实施例中，上述复合式导热板是由一层的隔热层与一层的导热层所构成的双层结构。

在本发明的第二实施例中，上述复合式导热板是由两层的导热层夹一层的隔热层所构成的三层结构。

在本发明的第三实施例中，上述复合式导热板包括多层的导热层与多层的隔热层交替配置的结构。

在本发明的第四实施例中，上述复合式导热板包括两层导热层、多个结构支架以及作为隔热层的隔热材料。所述结构支架是设置在导热层之间，以支撑并控制导热层间距，以方便于导热层间填充或安置隔热层。而隔热材料即填充于内部空间内。其中，上述结构支架包括线型勒条、格状勒条、方点型结构、菱格型点状结构或圆点型结构。此外，上述复合式导热板的导热层可为单元电池的外壳或电池组的壳体。

在本发明的实施例中，上述导热层的热传导系数k大于50W/m·K。当热传导系数k在50W/m·K～100W/m·K之间时，导热层的材料包括镍、镍合金、铁、钢、碳材或以上其中一材料与塑料混成的复合材料。当热传导系数k在100W/m·K～450W/m·K之间时，导热层的材料包括金、银、铝、铝合金、铜、铜合金、镁、镁合金、金属氧化物或以上其中一材料与塑料混成的复合材料；或者高导热陶瓷粉末与塑料混成的复合材料。

在本发明的实施例中，上述隔热层的热传导系数k小于2W/m·K。当热传导系数k在0.05W/m·K～2W/m·K之间时，隔热层包括石棉、树脂胶合玻纤板或塑胶板，其中塑胶板的材料如聚乙烯(PE)、醋酸乙烯酯(EVA)、聚丙烯(PP)、环氧树脂(Epoxy)或聚氯乙烯(PVC)。当热传导系数k在0.001W/m·K～0.5W/m·K之间时，隔热层包括发泡的高分子材料、低熔点高分子材料、液体或空气。上述发泡的高分子材料包括PE、PP、Epoxy或PVC，且该低熔点高分子材料是指熔点在40℃～80℃之间的高分子材料；上述低熔点高分子材料可为天然或人工合成的石蜡油或脂肪酸；上述液体包括水或硅油。

在本发明的实施例中，上述复合式导热板的总厚度在2.0cm～0.05cm之间时，导热层的厚度占总厚度的3％～70％以及隔热层的厚度占总厚度的30％～97％。

在本发明的实施例中，上述复合式导热板的总厚度在1.0cm～0.05cm之间时，导热层的厚度占总厚度的5％～70％以及隔热层的厚度占总厚度的30％～95％。

在本发明的实施例中，上述复合式导热板的总厚度在0.5cm～0.05cm之间时，导热层的厚度占总厚度的10％～70％以及隔热层的厚度占总厚度的30％～90％。

在本发明的实施例中，上述电池组壳体或电池模块壳体还包括散热鳍片。上述复合式导热板与散热鳍片可经由物理或焊接结合方式相互连接。

在本发明的实施例中，上述电池***中的散热与热失控扩散防护结构还包括设置在电池组壳体或电池模块壳体内的一控制电路板，因此在控制电路板与单元电池或电池组之间可设上述复合式导热板。

在本发明的实施例中，上述电池***中的散热与热失控扩散防护结构还包括设置在电池组壳体或电池模块壳体内的线路，因此在线路与单元电池或电池组之间可设上述复合式导热板。

基于上述，本发明因为在单元电池以及/或是电池组之间设置由导热层与隔热层交替组成的复合式导热板，所以当电池组内其中任一颗单元电池因短路、过度充电或其它原因而异常发热时，该单元电池就可能发生热失控，通过复合式导热板中的隔热层有效地阻隔热扩散至邻近电池，同时上述复合式导热板中的导热层可将热传导至壳体散热，将电池的热失控局限在单一电池或有限的电池间，避免整个电池组或电池***发生全面热失控而危害使用者生命安全。此外，对于部分控制电路板安置在电池组壳体内的电池组，本发明的复合式导热板可设置在电池和电路板以及电池和连接线路间，降低电路板和线路早成的加热电池问题。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。

附图说明

图1为单元电池在不同温度下的电池容量与循环寿命的曲线图；

图2为依照本发明的第一实施例的一种电池***中的散热与热失控(thermal runaway)扩散防护结构的剖视图；

图3A与图3B分别为根据本发明的第二实施例的电池***中的散热与热失控扩散防护结构的立体图；

图4为根据本发明的第三实施例的一种电池***中的散热与热失控扩散防护结构的立体图；

图5为根据本发明的第四实施例的一种电池***中的散热与热失控扩散防护结构的立体图；

图6为图5的复合式导热板的立体图；

图7A与图7B分别为根据本发明的第五实施例的电池***中的散热与热失控扩散防护结构的立体图；

图8为模拟实验例一的电池组结构；

图9为模拟实验例一的单元电池的温度对时间的曲线图；

图10为模拟实验例二的电池组结构；

图11为模拟实验例二的单元电池的温度对时间的曲线图；

图12为对照例的电池组结构；

图13为对照例的单元电池的温度对时间的曲线图；

图14为在电池组壳体中安置控制电路板的电池组的立体图；

图15为图14的单元电池对温度的曲线图；

图16与图17分别为根据本发明的第六实施例的电池***中的散热与热失控扩散防护结构的立体图；

图18为根据本发明的第七实施例的一种电池***中的散热与热失控扩散防护结构的上视图。

主要元件符号说明

200、300、400、500、700、808、1008、1202、1400：电池组壳体

202、302、402、502、702、1401～1416、1604：单元电池

204：接触面

210、310、320、410、510、710、720、802、1002、1602a、1602b、1702a、1702b、1702c、1810：复合式导热板

212、412、600、712、722、804、1004、1812：导热层

214、414、714、726、806、1006、1814：隔热层

304：隔板

306：散热鳍片

404：导热板

602、724：结构支架

604：隔热材料

606：内部空间

800a～g、1000a～g、1200a～g：锂电池

1418、1606、1704：控制电路板

1706：线路

1800：电池模块壳体

1802：电池组

具体实施方式

在电池***(battery system)中，譬如车用的锂电池一般为多个单元电池(unit cells)串并联所组成，以提供足够的电压和电容量。同时基于使用的空间的考量，单元电池间会紧密地排列在电池组(module)壳体内，并由多个电池模块组成电池模块(pack)。在电池组长时间充放电使用中，电池组内部电池的短路、内阻增加、容量老化差异，将使得这些异常的电池出现过温现象。在周遭电池也持续放热的环境下，异常电池的温度将更容易超过其热失控临界温度，这颗电池就会发生热失控；热失控过程中该单元电池会因为内部材料的热分解而释放出更多的热量，这些热量会传递到采堆叠设计的邻近电池上，导致邻近电池陆续发生热失控。

本发明通过异向性的导热设计，将电池的热作具有方向性的导热和散热，阻隔热失控的热向邻近电池传递，可有效防止电池组发生全面热失控，提高电池组的安全性。

同时，本发明的结构也可作为电池组的散热结构，降低电池组的内部温度，以及降低电池组内部温度梯度，延长电池组的循环寿命，电池温度与电池寿命(容量衰减)关系如图1所示，电池组的温度与散热对电池组循环寿命有极大的影响，本发明也在热失控扩散的安全防护外，也同时具备作为电池散热的功能。

以下根据本发明提出第一实施例，关于一种电池***中的散热与热失控(thermal runaway)扩散防护结构(如图2所示)，来阻断电池的热失控扩散以及提供电池组散热功能。

请参照图2，本实施例的散热与热失控扩散防护结构包括一电池组(module)壳体200以及多个复合式导热板210。在电池组壳体200内通常设置有多个单元电池(unit cell)202，且在本图中仅显示电池组壳体200的一部分，以简化附图。至于复合式导热板210则位于电池组壳体200内与电池组壳体200相接触，并置入至少两个的单元电池202之间。在图2中，复合式导热板210是介于两个单元电池202之间，而复合式导热板210是由一导热层212与一隔热层214组成的一双层异向性导热结构。除此之外，复合式导热板210还可隔着两个以上的单元电池202配置，或者复合式导热板210可以为三层或包括多层导热层与多层隔热层交替配置的多层结构，而并不局限于第一实施例。

请继续参照图2，复合式导热板210的总厚度与导热层212及隔热层214的个别厚度可根据应用领域或者其本身的热传导系数来决定。举例来说，当复合式导热板210的总厚度在2.0cm～0.05cm之间时，导热层212的厚度约占总厚度的3％～70％以及隔热层214的厚度约占总厚度的30％～97％。在另一实施例中，复合式导热板210的总厚度在1.0cm～0.05cm之间时，导热层212的厚度约占总厚度的5％～70％以及隔热层214的厚度约占总厚度的30％～95％。在又一实施例中，上述复合式导热板210的总厚度在0.5cm～0.05cm之间时，导热层212的厚度约占总厚度的10％～70％以及隔热层214的厚度约占总厚度的30％～90％。

在本实施例中，导热层212的热传导系数k大于50W/m·K。举例来说，当热传导系数k在50W/m·K～100W/m·K之间时，导热层212的材料例如镍、镍合金、铁、钢、碳材或以上其中一材料与塑料混成的复合材料。当热传导系数k在100W/m·K～450W/m·K之间时，导热层212的材料例如金、银、铝、铝合金、铜、铜合金、镁、镁合金、金属氧化物或以上其中一材料与塑料混成的复合材料；或者氮化碳、氮化硅等的高导热陶瓷粉末与塑料混成的复合材料。下表一即可用作导热层212的材料及其热传导系数k。

表1

纯金属	k(W/m·K)
		银	418
金	318
		铜	386
镍	99
		铝	220
铁	71.8
		镁	171
锌	112.2

合金	k(W/m·K)
		铝合金	100～190
钢	50～100
		镁铝合金	50～70
铜合金	60～400

复合材料	k(W/m·K)
		石墨复材	100～450
铝、铜、镁等金属高分子复材	50～150
		氮化碳、氮化硅等陶瓷高分子复材	50～100

在本实施例中，隔热层214的热传导系数k小于2W/m·K。举例来说，当热传导系数k在0.05W/m·K～2W/m·K之间时，隔热层214例如石棉、树脂胶合玻纤板或塑胶板，其中塑胶板的材料如聚乙烯(PE)、醋酸乙烯酯(EVA)、聚丙烯(PP)、环氧树脂(Epoxy)或聚氯乙烯(PVC)。当热传导系数k在0.001W/m·K～0.5W/m·K之间时，隔热层214例如发泡的高分子材料、低熔点高分子材料、液体或空气，其中所谓的低熔点高分子材料是指熔点在40℃～80℃之间的高分子材料；上述发泡的高分子材料如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、环氧树脂(Epoxy)或聚氯乙烯(PVC)；上述低熔点高分子材料可为天然或人工合成的石蜡油或脂肪酸；而上述液体如水或硅油(Silicone oil)。下表二则是可用作隔热层214的材料及其热传导系数k。

表二

材料	k(W/m·K)
		PE	0.42～0.51
Epoxy	～0.35
		ABS	0.18～0.34
聚四氟乙烯(PTFE)	～0.25
		乙烯酯(Vinyl ester)	～0.25
酚醛树脂(Phenolic Resin)，又称电木	～0.22
		丙烯酸(Acrylic)树脂	～0.2
PVC	～0.19
		PP	0.1～0.22
绝缘玻纤板(Fiber insulating board)	～0.048
		发泡聚苯乙烯(Polystyrene expanded)	～0.03
Styrofoam^TM	～0.033

酚醛泡沫(phenolic resin foam)	～0.022
		氧化硅气凝胶(Silica aerogel)	～0.003
水	～0.58
		丙酮	～0.16
硅油	～0.1
		石蜡油	0.1～0.25
脂肪酸	0.1～0.35

当图2中的一颗单元电池202因短路或过充发生热失控使得内部材料热分解而释出大量热量时，可通过上述复合式导热板210中的导热层212经由接触面204，将热传导至电池组壳体200，同时通过隔热层214有效地将热隔绝开来。

图3A与图3B分别为根据本发明的第二实施例的电池***中的散热与热失控扩散防护结构的立体图。

请先参照图3A，其中的热失控扩散防护结构包括一电池组壳体300以及多个复合式导热板310。在电池组壳体300内的单元电池302为平板状，且每个复合式导热板310的一侧各有两个单元电池302，单元电池302间有隔板304，如金属铝、铝合金、铜、铜合金或石墨等导热材料。在最邻近两个复合式导热板310之间的电池数除图3A的两个单元电池302之外，也可以根据单元电池302的尺寸改变电池数，较佳是小于3个。在第二实施例中，复合式导热板310与第一实施例相同，是由一导热层212与一隔热层214组成的双层异向性导热结构，故导热层212与隔热层214的材料与厚度均可参考第一实施例。此外，在本实施例中，电池组壳体200可包括一散热鳍片306，并可经由物理接触(界面涂覆导热膏)或胶合(譬如使用锡膏或导热胶)或焊接方式与复合式导热板310相互连接。

另外，请参照图3B，如果将图3A中的复合式导热板310变更为由两层导热层212夹一层隔热层214所构成的三层异向性导热结构是复合式导热板320，则因为图3B中的两个单元电池302有一侧已接触到复合式导热板320，则中间间隔的隔板304除可采用导热材料外，更可选择如酚醛树脂、ABS、Epoxy或PVC等隔热材料，以达到最佳的阻断热失控扩散效果。这种复合式导热板320的制作，可以两层导热层212黏合一层隔热层214；或者，以一层隔热层214两面涂覆导热层212。

图4为根据本发明的第三实施例的一种电池***中的散热与热失控扩散防护结构的立体图。

请参照图4，本实施例的热失控扩散防护结构包括一电池组壳体400以及与电池组壳体400接触的多个复合式导热板410。在电池组壳体400内的单元电池402间可安装导热板404，且每个复合式导热板410的一侧各有三个单元电池402。在第三实施例中，复合式导热板410是由两层导热层412夹一层隔热层414所构成的三层异向性导热结构，且导热层412与隔热层414的材料及其厚度均可参考第一实施例。至于复合式导热板410的制作，可以两层导热层412黏合一层隔热层414；或者，以一层隔热层414两面涂覆导热层412。一般而言，对于厚度较薄(如0.5cm)的电池而言，采用双层的复合式导热板(如图3A)即可。但对于尺寸较大的电池(譬如厚度＞1cm以上的电池)或者中间夹多个单元电池402的情形，则可采用本实施例的三层结构的复合式导热板410，以便提供足够导热和散热功能。此外，本实施例的电池组壳体400还可如图3B的散热鳍片306。

图5为根据本发明的第四实施例的一种电池***中的散热与热失控扩散防护结构的立体图。

请参照图5，本实施例的热失控扩散防护结构包括一电池组壳体500以及与电池组壳体500接触的多个复合式导热板510。而复合式导热板510是位在两个单元电池502之间，其构造如第一实施例，不同处只在复合式导热板510的详细结构，详见图6。

图6为图5的复合式导热板510的立体示意图。在第四实施例中，每一复合式导热板510包括两层导热层600、导热层600之间的多个结构支架602以及隔热层604。其中，结构支架602是用来支撑导热层600并形成多个内部空间606，而隔热层604即填充于内部空间606内。其中，结构支架602可如图6为线型勒条，或者其他型式的结构，如格状勒条、方点型结构、菱格型点状结构或圆点型结构，以维持结构强度并强化复合式导热板516厚度稳定性。至于复合式导热板510的制作，举例来说可利用铸造、挤型、射出或其他适合的方法制作或组合出一具上下两导热层600与中间结构支架602的结构体，再在其内部灌注并成型隔热层604。

此外，如果单元电池502的外壳(未标示)为具高导热特性的金属材料(例如：铝、铝合金等)，则导热层600可直接用单元电池502的外壳取代。结构支架602只需作为内部灌注隔热层604和固定单元电池502的结构支撑，并不局限使用表一或表二例举的材料。

当图5中的复合式导热板510是用液体(如水)为隔热层604时，在没有单元电池502热失控时，复合式导热板510中的是热传导系数kz约0.58W/m·K的水。不过当有一颗单元电池502发生热失控时，随着温度上升，复合式导热板510内的水会汽化为水蒸气，汽化后的水蒸气其热传导系数k仅约水的1/25。如此，可使图5中的复合式导热板510更为有效地将热隔绝开来。此外，也可填充室温下为固态的石蜡油或脂肪酸为隔热层604，以便在单颗电池发生热失控时，因高温使得石蜡油或脂肪酸熔化，降低其热传导系数k，同样可提高热阻隔效果。另外，本实施例的电池组壳体500还可如图3B的散热鳍片306。

图7A与图7B分别为根据本发明的第五实施例的电池***中的散热与热失控扩散防护结构的立体图。

请先参照图7A，本实施例的热失控扩散防护结构包括一电池组壳体700以及与电池组壳体700接触的多个复合式导热板710。在电池组壳体700内的单元电池702为圆筒状，在本例图中以4个单元电池702为一排为例，故图7A的每个复合式导热板710是位在两排单元电池702之间。不过，单一排的单元电池数实际上仍可依照实际使用需要进行调整，并不仅限于图示。至于复合式导热板710的结构类似第三实施例，是由两层导热层712夹一层隔热层714所构成的三层结构，且导热层712与隔热层714的材料及其厚度均可参考第一实施例。

为配合单元电池702的形状，导热层712可借着铸造等方式制作出具有可容纳单元电池702的圆筒状通孔，且为加强单元电池702与导热层712之间的热传导，还可在其间使用散热膏之类的材料。此外，本实施例的电池组壳体700也可如图3B的散热鳍片306。

另外，如果单元电池702的外壳(未标示)为具高导热特性的金属材料(例如：铝、铝合金等)，则单元电池702的外壳可直接当作复合式导热板710的导热层。图7A中标示712的结构则只需作为固定单元电池702的结构支撑，并不局限使用表一或表二例举的材料。

然后，请参照图7B，本图与图7A的不同处在于复合式导热板720的构造。图7B中的复合式导热板720的导热层722是顺着单元电池702的形状成型的膜层，且在其中设有结构支架724，而隔热层726则填满导热层722之间的空间。

而且，如图7A所述，如果单元电池702的外壳(未标示)为具高导热特性的金属材料(例如：铝、铝合金等)，则单元电池702的外壳可直接当作复合式导热板710的导热层。图7B中标示722的结构则只需作为内部灌注隔热层726和固定单元电池702的结构支撑，并不局限使用表一或表二例举的材料。

为验证上述实施例的效果，列举下列模拟实验例与对照例作比较。

模拟实验例一

模拟一个类似第一实施例的结构(如图8)，其是以方型锂电池为例，模拟在锂电池800a～g组成的电池组中，其在加入复合式导热板802进行导热和隔热后，电池组在防护单颗锂电池800a热失控扩散的功效。以目前锂电池而言，其自加热热失控反应起始温度(即SEI)起始裂解反应温度约80～90℃，单元电池的热失控临界温度约～150℃。

在这个实验例中，每个锂电池800a～g的厚度为0.5cm(这是目前方型铝箔包电池最常采用的厚度)，而模拟的电池800a～g尺寸的面尺寸为10cm×13cm，以高度13cm方向进行模拟。至于模拟的复合式导热板802是由一层导热层804与一层隔热层806组成的双层结构。导热层804的材料是采用高导热的铝材，厚度为0.1cm，热传导系数为237W/m·K。隔热层806的材料则为高分子材料，厚度为0.1cm，热传导系数为0.2W/m·K。

由导热层804与隔热层806所组成的复合式导热板802，其热传导具有异向性特性，即复合式导热板802在平面方向的热传导系数kxy会高于厚度方向(即电池热阻隔方向)的热传导系数kz，以有效的限制热朝向xy方向传导，使热不会朝z方向传导致邻近的电池。以这个实验例来看，复合式导热板802的等效热传导系数kxy和kz可由下式计算得到：

kz = \frac{L_{1} + L_{2}}{(L_{1} / k_{1}) + (L_{2} / k_{2})}

kxy = \frac{A_{1}}{A_{1} + A_{2}} k_{1} + \frac{A_{2}}{A_{1} + A_{2}} k_{2}

上式中的L₁是导热层804的厚度、L₂是隔热层806的厚度、k₁是导热层804的热传导系数、k₂是隔热层806的热传导系数、A₁是导热层804的热传导方向截面积、A₂是隔热层806的热传导方向截面积。

换言之，复合式导热板802的等效热传导系数kxy和kz可以通过材料选择和厚度控制进行调整。上述复合式导热板802的导热层与隔热层的厚度比各为50％，且通过上面的方程式可以计算出该复合式导热板的非等向性热传导系数kz＝0.4W/m·K，kxy＝118.6W/m·K，本实验例的kxy～300倍kz。

当锂电池800a发生热失控时，锂电池800a将因为电池内部材料的热劣解而释放大量热量，请见图9。从图9可知包含锂电池800a在内的所有锂电池800a～g的温度对时间的关系，其中显示当加入具有导热/隔热功能的复合式导热板802后，锂电池800a绝大部分热量将沿着图8中的箭头方向传递至电池组壳体808散出，而不会扩散影响到锂电池800b。电池组内部单一单元电池的热失控将得到良好的散热与阻隔，达到确保整个电池组安全的目的。

模拟实验例二

模拟一个类似第三实施例的结构(如图10)，其中的锂电池1000a～g尺寸与模拟实验例一相同。而模拟的复合式导热板1002是由两层导热层1004夹一层隔热层1006组成的三层结构。每层导热层804与隔热层806的材料、厚度和热传导系数均与模拟实验例一一样，即导热层的总厚度为0.2cm，隔热层的厚度为0.1cm。上述复合式导热板1002的导热层占整体复合式导热板厚度的2/3，隔热层占整体复合式导热板厚度的1/3，按照模拟实验例一中的方程式可得，该复合式导热板的非等向性热传导系数kz＝0.6W/m·K，kxy＝158.1W/m·K，本实验例的kxy～260倍kz。

当锂电池1000a发生热失控时，将因其内部材料的热劣解而释放大量热量，模拟结果请见图11。从图11可知复合式导热板1002能有效阻隔将锂电池1000a所产生的热传递至锂电池1000b～g，并可推知导热层1004能将锂电池1000a所产生的热如图10中的箭头传递至电池组壳体1008散出；隔热层1006则可阻隔锂电池1000a所产生的热传递至锂电池1000b。

对照例

模拟一个没有复合式导热板的结构(如图12)，其中的锂电池1200a～g的尺寸与模拟实验例一相同。锂电池1200a～g间无任何导热或隔热材料，锂电池1200a～g以紧邻方式堆叠形成电池组，这也是现有电池模块最常采用的堆叠方式。

当锂电池1200a发生热失控时，模拟结果如图13。从图13可知，锂电池1200a的起始热失控温度约为180℃，在很短的时间(约2分钟)锂电池1200a的温度即因内部材料的劣解放热，使得温度快速上升到接近350℃。而锂电池1200a的热将逐渐传递到邻近的锂电池1200b，造成锂电池1200b紧接着发生热失控。之后锂电池1200a和1200b热失控所产生的热，将逐一加热电池组内部其他锂电池，使得整个电池组发生全面的热失控。

在对照例中，锂电池1200a和1200b必须经过一段时间加热其它锂电池1200c～g。一但整个电池组发生全面的热失控，电池组温度将急遽升高，造成电池组全面燃烧和分解，其危险性远高于单颗单元电池的热失控。尤其是单元电池尺寸越大时(尺寸大于以上模拟条件)，电池组内部的热传递至电池组壳体1202的散热性越差，单元电池发生热失控的扩散情况将更趋严重。

因此，通过模拟可知在本发明的电池***中散热与热失控扩散防护结构中，当kxy＞30倍kz时即可得到散热与热失控扩散阻隔效果，又kxy＞100倍kz时可得到显著的散热与热失控扩散阻隔功效。

另外，在部分电池组中，会如图14所示在具有单元电池1401～1416的电池组壳体1400中安置控制电路板1418，而控制电路板1418上的电阻、电晶体和导电线路(未绘示)在充放电过程中会产生热量，控制电路板1418的热会加热单元电池1401～1416导致紧邻控制电路板1418附近的单元电池1403～1406温度高于单元电池平均温度。

在实测中，可发现单元电池1403～1406的温度会较远离控制电路板1418的单元电池1401、1402、1409、1410高出将近5～10℃，如图15所示。在图15中，温度线与单元电池号数的对照如下表三，其中温度线4和5分别是对单元电池1404的上方(接近控制电路板1418)与下方测量温度。

表三

温度线	单元电池号数	温度线	单元电池号数
				1	1401	10	1409
2	1402	11	1410
				3	1403	12	1411
4	1404上方	13	1412
				5	1404下方	14	1413
6	1405	15	1414
				7	1406	16	1415
8	1407	17	1416
				9	1408

从图15可知，位于控制电路板1418正下方的单元电池1403～1406的温度较单元电池1401～1402高出5℃以上，位于控制电路板1418下方第二层的单元电池1411～1413的温度也略高于其他单元电池。另外，从图15还可观察到单元电池1407与1408的温度稍高于其他单元电池，这是因为外部电流连接线路位于其附近，导致线路的热传到单元电池1407与1408。

因此，本发明中的复合式导热板还可设置在控制电路板及线路与单元电池之间，如图16与图17所示，其为根据本发明的第六实施例的电池***中的散热与热失控扩散防护结构的立体图。

请先参照图16，本实施例的热失控扩散防护结构包括一个由散热鳍片组成的电池组壳体1600以及与电池组壳体1600接触的多个复合式导热板1602a、1602b。而且，复合式导热板1602a、1602b可以根据单元电池1604的形状作不同的结构设计，详情请参照以上各实施例所述。且为简化图示，在图16中仅以元件符号1602a、1602b显示位于单元电池1604之间的复合式导热板1602a以及位在单元电池1604与控制电路板1606之间的复合式导热板1602b。在本实施例中的复合式导热板1602b的导热层(未绘示)可设在控制电路板1606侧、隔热层(未绘示)可设在单元电池1604侧，因此可通过具有异向导热特性的复合式导热板1602b，将控制电路板1606的热传递至电池组壳体1600散热，并阻隔控制电路板1606的热传导至单元电池1604处加热单元电池1604，以防止紧邻控制电路板1606的单元电池1604较快劣化，影响到电池组整体寿命。

另外，请参照图17，其中仅显示电池组壳体内的结构，且单元电池1700的形状为圆筒状，所以位在单元电池1700之间的复合式导热板1702a可以参照图7A或图7B，在图17中则只以元件符号1702a、1702b和1702c显示不同位置的复合式导热板。其中，复合式导热板1702a位在单元电池1700之间、复合式导热板1702b位在单元电池1700与控制电路板1704之间、复合式导热板1702c位于单元电池1700与线路1706之间。至于复合式导热板1702b与1702c的导热层(未绘示)可分别设在发热的控制电路板1704侧与线路1706侧；复合式导热板1702b与1702c的隔热层(未绘示)则可设在单元电池1700侧。

上述实施例是属于在电池***中的电池组内的散热与热失控扩散防护结构，但是本发明还可应用在电池***中的电池模块，如图18所示的本发明的第七实施例。

在图18中，热失控扩散防护结构包括一电池模块(pack)壳体1800以及至少一复合式导热板1810。在电池模块壳体1800内有多个电池组1802，且每个电池组1802可以是图2～图7B与图16～17中的其中一种类型或者多种混用，且电池模块壳体1800也可以像图3一样有散热鳍片306。至于复合式导热板1810是位于电池模块壳体1800内与电池模块壳体1800接触并置入至少两个的电池组1802之间，其中复合式导热板1810的结构是由两层导热层1812夹一层隔热层1814所构成的三层异向性导热结构(如第三实施例)，抑或依照所需选择上述第一、第二、第四或第五实施例中的复合式导热板，故在此不再赘述。另外，在部分电池模块中会在具有电池组1802的电池组壳体1800中安置控制电路板、线路等会发热的构件，所以复合式导热板1810还可设置在电池组1802与这些会发热的构件间。

另外，如果电池组1802的壳体(未标示)为具高导热特性的金属材料(例如：铝、铝合金等)，则电池组1802的壳体可直接当作复合式导热板1810的导热层。图18中标示1812的结构则只需作为固定单元电池1802的结构支撑，并不局限使用上述表一或表二例举的材料。

综上所述，本发明通过设置于单元电池以及/或是电池组之间的复合式导热板，可控制并防止电池组或电池组的热失控安全问题，有效地把单一电池因短路、过度充电导致的热失控危害，局限在单一电池或少数几个电池内，将电池热失控时释放的热量进行特定方向性的传导，主要的热都直接传递到壳体的散热鳍片进行散热，降低热传到邻近电池而引发邻近电池热失控情况发生，防止电池组发生全面的热失控。此外，本发明的复合式导热板也同时具备导热散热功能，配合壳体的散热鳍片可解决电池***中散热与温度梯度的问题，提高电池组的循环寿命。

虽然结合以上实施例揭露了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围应以附上的权利要求所界定的为准。

Claims

1.一种电池***中散热与热失控扩散防护结构，包括：

电池组壳体，其中置放多个单元电池；以及

至少一复合式导热板，位于该电池组壳体内与该电池组壳体接触并置入至少两个的该些单元电池之间，其中该复合式导热板是由至少一导热层与至少一隔热层组成的一多层异向性导热结构。

2.一种电池***中的散热与热失控扩散防护结构，包括：

电池模块壳体，其中置放多个电池组；以及

至少一复合式导热板，位于该电池模块壳体内与该电池模块壳体接触并置入至少两个的该些电池组之间，其中该复合式导热板是由至少一导热层与至少一隔热层组成的一多层异向性导热结构。

3.如权利要求1或2所述的电池***中的散热与热失控扩散防护结构，其中该复合式导热板包括由一层的该隔热层与一层的该导热层所构成的双层结构。

4.如权利要求1或2所述的电池***中的散热与热失控扩散防护结构，其中该复合式导热板包括由两层的该导热层夹一层的该隔热层所构成的三层结构。

5.如权利要求1或2所述的电池***中的散热与热失控扩散防护结构，其中该复合式导热板包括多层的该导热层与多层的该隔热层交替配置的结构。

6.如权利要求1所述的电池***中的散热与热失控扩散防护结构，其中该复合式导热板包括：

两层该导热层；

多个结构支架，设置在该些导热层之间，以支撑该些导热层并形成多个内部空间；以及

隔热材料，填充于该些内部空间内，作为该隔热层。

7.如权利要求6所述的电池***中的散热与热失控扩散防护结构，其中该些导热支架包括线型勒条、格状勒条、方点型结构、菱格型点状结构或圆点型结构。

8.如权利要求6所述的电池***中的散热与热失控扩散防护结构，其中该导热层为该些单元电池的外壳。

9.如权利要求2所述的电池***中的散热与热失控扩散防护结构，其中该复合式导热板包括：

两层该导热层；

隔热材料，填充于该些内部空间内，作为该隔热层。

10.如权利要求9所述的电池***中的散热与热失控扩散防护结构，其中该些导热支架包括线型勒条、格状勒条、方点型结构、菱格型点状结构或圆点型结构。

11.如权利要求9所述的电池***中的散热与热失控扩散防护结构，其中该导热层为该些电池组的壳体。

12.如权利要求1或2所述的电池***中的散热与热失控扩散防护结构，其中该导热层的热传导系数k大于50W/m·K。

13.如权利要求12所述的电池***中的散热与热失控扩散防护结构，其中该导热层的热传导系数k在50W/m·K～100W/m·K之间。

14.如权利要求13所述的电池***中的散热与热失控扩散防护结构，其中该导热层的材料包括镍、镍合金、铁、钢、碳材或以上其中一材料与塑料混成的复合材料。

15.如权利要求12所述的电池***中的散热与热失控扩散防护结构，其中该导热层的热传导系数k在100W/m·K～450W/m·K之间。

16.如权利要求15所述的电池***中的散热与热失控扩散防护结构，其中该导热层的材料包括金、银、铝、铝合金、铜、铜合金、镁、镁合金、金属氧化物或以上其中一材料与塑料混成的复合材料。

17.如权利要求15所述的电池***中的散热与热失控扩散防护结构，其中该导热层的材料包括高导热陶瓷粉末与塑料混成的复合材料。

18.如权利要求1或2所述的电池***中的散热与热失控扩散防护结构，其中该隔热层的热传导系数k小于2W/m·K。

19.如权利要求18所述的电池***中的散热与热失控扩散防护结构，其中该隔热层的热传导系数k在0.05W/m·K～2W/m·K之间。

20.如权利要求19所述的电池***中的散热与热失控扩散防护结构，其中该隔热层包括石棉、树脂胶合玻纤板或塑胶板。

21.如权利要求20所述的电池***中的散热与热失控扩散防护结构，其中该塑胶板的材料包括聚乙烯、醋酸乙烯酯、聚丙烯、环氧树脂或聚氯乙烯。

22.如权利要求18所述的电池***中的散热与热失控扩散防护结构，其中该隔热层的热传导系数k在0.001W/m·K～05W/m·K之间。

23.如权利要求22所述的电池***中的散热与热失控扩散防护结构，其中该隔热层包括发泡的高分子材料。

24.如权利要求23所述的电池***中的散热与热失控扩散防护结构，其中该发泡的高分子材料包括聚乙烯、聚丙烯、环氧树脂或聚氯乙烯。

25.如权利要求22所述的电池***中的散热与热失控扩散防护结构，其中该隔热层包括低熔点高分子材料、液体或空气，且该低熔点高分子材料为熔点在40℃～80℃之间的高分子材料。

26.如权利要求25所述的电池***中的散热与热失控扩散防护结构，其中该液体包括水或硅油。

27.如权利要求25所述的电池***中的散热与热失控扩散防护结构，其中该低熔点高分子材料包括石蜡油或脂肪酸。

28.如权利要求1或2所述的电池***中的散热与热失控扩散防护结构，其中该复合式导热板的总厚度在2.0cm～0.05cm之间、该导热层的厚度占该总厚度的3％～70％以及该隔热层的厚度占该总厚度的30％～97％。

29.如权利要求1或2所述的电池***中的散热与热失控扩散防护结构，其中该复合式导热板的总厚度在1.0cm～0.05cm之间、该导热层的厚度占该总厚度的5％～70％以及该隔热层的厚度占该总厚度的30％～95％。

30.如权利要求1或2所述的电池***中的散热与热失控扩散防护结构，其中该复合式导热板的总厚度在0.5cm～0.05cm之间、该导热层的厚度占该总厚度的10％～70％以及该隔热层的厚度占该总厚度的30％～90％。

31.如权利要求1所述的电池***中的散热与热失控扩散防护结构，其中该电池组壳体包括一散热鳍片。

32.如权利要求31所述的电池***中的散热与热失控扩散防护结构，其中该复合式导热板与该散热鳍片是经由物理或焊接结合方式相互连接。

33.如权利要求2所述的电池***中的散热与热失控扩散防护结构，其中该电池模块壳体包括一散热鳍片。

34.如权利要求33所述的电池***中的散热与热失控扩散防护结构，其中该复合式导热板与该散热鳍片是经由物理或焊接结合方式相互连接。

35.如权利要求1所述的电池***中的散热与热失控扩散防护结构，还包括：

控制电路板，设置在该电池组壳体内；以及

该复合式导热板还包括位在该控制电路板与该些单元电池之间。

36.如权利要求2所述的电池***中的散热与热失控扩散防护结构，还包括：

控制电路板，设置在该电池模块壳体内；以及

该复合式导热板还包括位于该控制电路板与该些电池组之间。

37.如权利要求1所述的电池***中的散热与热失控扩散防护结构，还包括：

一线路，设置在该电池组壳体内；以及

该复合式导热板还包括位在该线路与该些单元电池之间。

38.如权利要求2所述的电池***中的散热与热失控扩散防护结构，还包括：

一线路，设置在该电池模块壳体内；以及

该复合式导热板还包括位在该线路与该些电池组之间。