電動車電池模組熱模擬與安全設計

確保電動車電池安全：熱管理的重要性

在電動車（EV）應用中，確保電池及電池模組的安全至關重要，直接關係到車內乘客的生命與財產安全。電池模組的設計與製造以熱管理為核心，確保安全性。即使電池模組通過了安全標準測試，由多個電池串聯組成的模組因散熱面積減小，仍可能存在風險。若使用不當或遇到意外情況，電池內部可能發生熱失控（thermal runaway），引發嚴重的安全隱患。因此，控制風險（Failsafe），使電池模組在可接受範圍內運行，避免全面失效，是保障生命和財產安全的關鍵。

電池熱能與熱管理問題

鋰電池熱能的來源
鋰離子電池的熱狀態主要來源於運行中電流流經電池阻抗與電子阻抗時消耗的電能，進而引發溫度升高。

以18650鋰離子電池在開放環境下的放電實驗為例，觀察到以下關鍵現象：

• C倍率增加導致溫升加快：隨C倍率的升高，電池溫度迅速升高；但在平均工作電壓範圍內，溫升較為緩慢。
• 容量下降導致熱失控風險：當電池容量降至約1.5 Ah時，電壓下降，電池溫度迅速上升，熱失控風險增大。

電池模組的散熱挑戰
電池模組由多個電池串並聯組成，散熱問題尤為突出：

• 散熱不均勻：模組內部電池因散熱受限，溫度高於外部電池，導致熱分佈不均。
• 對壽命的影響：高溫電池的衰減速度遠快於低溫電池。保持溫度均勻性和控制最高溫度是延長電池壽命的關鍵。

優化電池安全的關鍵措施

為提高電池模組的性能與安全性，應採取以下措施：

1. 溫差控制：將模組內溫差控制在5˚C以內，確保熱分佈均勻。
2. 最高溫度調控：採取措施控制電池最高溫度，提升安全性並延長使用壽命。
3. 熱管理解決方案：採用先進材料和設計優化散熱，增強EV應用的安全性能。

總結

有效的熱管理是確保電動車電池安全的關鍵。透過解決散熱問題並維持溫度均勻性，製造商可顯著提高電池性能與可靠性，同時保護生命與財產安全。

文字編輯 高柏科技團隊

 

作者

林唯耕教授

學歷 | 美國馬里蘭大學博士

現職 | 國立清華大學，工程與系統科學系，兼任教授

專長 | 電子構裝散熱、熱管、環路式熱管(CPL，LHP，PHP)、節能設計、太陽能儲熱與冷卻、熱流系統、電子元件之冷卻、雙相流、人造衛星暨高空飛行物之熱傳元件