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木虫之王 (文学泰斗)

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模組設計之差�?(下)

小容量鋰電池/模組與大容量動力電池/模組設計之差�?(下) 2010/1/29 [ [url=

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小型鋰電池因3C產業的蓬勃發展，在短短十幾年內發展快速，且已具備良好的製造技術與商業規模，因為大量生產使得價格快速滑落至與鎳氫電池相近，再加上藉由目前3C產業的鋰電池生產經驗與規模，各電池製造商在現階段跨足開發高功率與高性能之車用鋰電池時間點是恰到好處。
而近幾年也因為全球暖化與油價逐年攀升等因素，對車市造成前所未有的衝擊，這樣的危機也迫使汽車製造商重新思考未?碚麄€運輸業的趨勢，?K且轉型發展更�?能與環保的運輸工具，因此電動車與油電混合車等各式搭載電力驅動的車輛開始蓬勃發展，在電動車所需的各項科技中，車用電池模組是起步最慢且危險性最高的關鍵技術。若由這個角度?砜矗囇u造商不應只是單純的將車用電池模組看待成電動車的一個零組件，不斷的要求電池製造商縮減電池模組的體積與重量以配合汽車性能、外型或動力等設計要求，而是應以目前電池模組的技術與安全為思考中心，反向思考電池性能、外觀或動力驅動技術該如何配合，才能使電池模組處於最佳的安全運作環境。
可以用小電池的篩選方式?矸诸?大尺寸動力電池模組之電池嗎？
一般手機與數位相機等使用的鋰離子電池，因屬於獨立操作的電池特性，所以沒有匹配的問題，大多只進行電池篩選的動作，亦即將容量過低或明顯故障的電池挑出?恚菍︗峨姵匦璐�?K聯成電池模組的產品，例如筆記型電腦所使用的電池模組，單純的篩選是絕對不夠的。熟悉電池模組的工程師都知道，電池在組裝成模組之前，必須先經過電池篩選與匹配的程序，以確保該電池模組上所使用的電池有較好的一致性，電池一致性在電池模組循環壽命的表現上占有相當大的因素，接著將針對電池匹配對串聯與?K聯的組裝方式做一簡單的說明。
Case 1：?娜萘拷嵌�?砜矗鬋ell-1~Cell-3 的電池容量均為4 Ah，則整個模組內所有電池都能夠完全釋放4 Ah的電量，假設若Cell-2的電池容量只有3.5 Ah，則整個電池模組在放電至3.5Ah時，Cell-2的電量已完全釋放完畢，使電池模組�?際有效電量縮減至3.5 Ah，?K且導致Cell-1與Cell-3電池還有0.5 Ah的容量無法完全釋放。
Case 2：?碾姵仉妷航嵌�?砜矗话沅囯姵貫榉乐惯^充電與過放電的�?常操作發生，都會設定電池保護的電壓?娭平刂裹c，若Cell-1~Cell-3的電池電壓均等，當所有電池能夠在同一時間放電至保護截止點時（假設2.8 V），則Cell-1~Cell-3 幾乎可在同一時間完全充電與完全放電，然而當電池模組設計採用高串接電池設計時，串接電池數量越多，每串電池在過充電與過放電的風險就會更高，電池模組整體性能衰退的速度就會越快。。舉例?碚f，一個三串的鋰錳電池系電池模組，在進行串聯充電時，串聯充電在進入定電壓充電（Constant Voltage Mode ; CV充電）時，充電器所設定的CV電壓為每個電池CV電壓之和，亦即12.6V(4.2×3)，因為進行總電壓充電，若Cell-1的電壓達到4.25 V，則表示Cell-1超出4.2 V的電壓差需由Cell-2與Cell-3提供。
Case 3：?碾姵貎炔孔杩�?砜矗ㄈ鐖D十一），整個電池模組的阻抗相當於R1~R3的串聯(R = R1 + R2 + R3)，由最簡單的歐姆定律(V = I×R)可知，假設所有電池內阻均為100 mΩ，則電池模組之總體阻抗為300 mΩ，若以3安培電流放電，則每個電池在放電時之壓降為300 mV，若R1與R2不變，將R3的阻值變更為300 mΩ ，則在相同3安培放電電流下，Cell-3的電池壓降高達900 mV，將迅速觸抵放電保護截止電壓點，導致整個模組無法放電，且多數熱量將集中在Cell-3上，因此電池模組整體性能表現將被Cell-3所牽制。
?纳鲜鋈齻€Case可知，當電池電壓、容量與阻抗無法適當匹配時，將導致電池在經過串/?K聯成電池模組後，造成整個電池模組性能劣化加劇，同時影響循環壽命與有效的放電容量，嚴重時甚至會引發電池起火與爆炸。因此一般電池?S會開發自有的篩選條件與方法，確保電池的一致性能夠控制在容許的誤差範圍內，良好的篩選條件將有助於模組?S在電池的耐用性與可靠度上達到一定的水準。

圖十二、三?K電池模組之阻抗示意圖
小尺寸電池/ 模組的散熱設計可套用至大尺寸電池/模組？
不論採用何種方式，當電池往大容量與高功率的方向發展時，其�?不只是單純的將電池?K聯或尺寸變大，還必須重新檢視電池變大之後產生的散熱問題，而這個現象可藉由自然界相當重要的物理定律“平方/立方定律”說明（如圖十九）。圖十九中，假設一放熱物體為一立方體，邊長為1公分，且每立方公分發出的熱量為1 W/s，表面積與體積比可視為表面積與熱量比，因此1 W/s 的熱量具有6×1 cm2的散熱面積；但是若將該放熱物體放大4倍，也就是邊長為4公分之立方體，此時總面積相當於增加4的平方倍，但是體積卻是增加4的立方倍，根據相同之放熱條件可知，放熱量也是呈立方倍的增加，假設物體放大前後所處的溫差與厚度等條件相同下，則面積與體積比降低至1/4，也就是散熱速率只有1立方體的1 /4倍，以此�?推，當該立方體放大N倍，則散熱速率將只有1公分立方體的1/N倍，也就是當電池尺寸越大，散熱速率越低，如果無法及時散熱，則電池就會有熱堆積的問題。
不幸的是，鋰電池對熱相當敏感，圖廿顯示在不同溫度下，鋰電池可能產生的問題與結果，到預防及控制手段做一說明與整理。?膱D廿不難發現鋰電池一旦超過80°C以上，就可能引發SEI層破裂或內部短路等結果，輕則影響壽命與充放電性能，重則因為內部短路、隔離膜破裂，甚至到電解液汽化分解而導致熱失控(Thermal Run Away)引發冒煙或爆炸等事故，因此，不論是採用單顆大尺寸電池或是多顆小尺寸電池?K聯組裝電池模組，?碾姵貎炔坎牧厦娴母纳啤⑸�/導熱機構的設計、電池外部的模組組裝與串?K聯機構設計等都與電池溫度息息相關，缺一不可……詳細全文請見原文

圖十九、根據平方/立方定律說明物體放大後之散熱問題
作者：孫建中、�?程鴻、?埩技ⅫS怡碩/工研院能環所
★本文�?錄自「工業材料雜誌277期」，更多資料請見：http://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=8296

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