在電動載具的應用裡，為了維護車載人員的生命財產，評估電池與電池模組的安全性在車用電池模組裡相當重要。電池模組的設計製造於安全性的考量主要在處理電池組的熱問題，即使通過安全規範測試的單電芯進行多電池的串並形成電池模組後，由於散熱面積的減小，一旦電池模組因不當的使用而使內部電池發生熱暴走，如何將電池模組的風險(Failsafe)控制在可接受的一定範圍內而不發生全面的燒毀，是維護生命財產的一個重點。
本文將從以下大綱，以實際模組的安全設計為例，利用模組針刺安全測試來描述熱模擬分析在電池模組安全設計的應用。
‧前言
‧單電芯的熱能發展
1. 電池的熱能量測
2. 多孔電極理論的離子傳導模擬計算
‧電池模組的熱能分析
‧電池模組熱蔓延的安全設計
‧結論
【內文精選】
台灣具有完整的機車市場產業鏈，發展電動機車為一大優勢，在經過多年的政策支援與推廣，電動機車的應用開始有普及化的趨向，而各大車廠也開始推出相應的產品。但由於電池模組隨電動車推廣應用的增加，電動車電池模組壽命不佳或電池模組燒毀的消息也時有所聞，加上電池模組延燒測試的項目欲納入安全測試標準，因此電動車消費者或製造廠商對電池模組的安全性、妥善率、壽命與成本都越來越注重。
單電芯的熱能發展
電池模組的組成由單電芯進行串並而成，因此必須先來了解單電芯的熱能發展，在實務上大部分皆採用溫度線來量測電池溫度，用以定義電池的發熱狀況，然而單純溫度量測僅能定義電池的量測狀態，難以植入電池模組架構的熱處理，因此本文採用計算模擬方法處理熱路徑問題。
1. 電池的熱能量測
單電池的熱變化，來自於操作時電流流動在離子阻抗與電子阻抗的功率消耗，使電池溫度上升。以開放環境下實驗量測18650電池放電為例，如圖一18650電池在各種C-rate放電電壓與溫度變化所示，電池溫升隨C-rate增加而快速加溫；溫度的變化在電池平均工作電壓範圍時，電池溫升平緩，當電池容量減少至1.5 Ah左右、電壓下降後，電池溫度上升速率大。
電池模組的熱能分析
由於模組是多電池進行串並聯而形成電池模組，每顆電池皆為發熱源，當進行電池的堆積後，電池堆散熱的不均勻會使電池堆內部電池的溫度高於外部。當電池發熱量越大，不均勻程度越高，而高溫電池的材料衰減速率大於低溫電池，一般需要控制溫差小於5˚C之內，因此對於電池模組的均溫維持與控管最高溫度，是一個增長使用壽命的重要因素。
圖七為實際電池模組的構造與1C放電狀態下的紅外線熱攝像。電池組經由圖六的計算與實際測試比對，最高溫度差大約差2˚C左右，結果相當準確。
圖七、1S72P電池模組與1C放電最高溫度IR量測
電池模組熱蔓延的安全設計
為了阻止火焰噴出在電池間造成快速燒毀的熱暴走，「隔熱防火牆」概念引入電池模組的設計是安全保障的一個選擇。圖十二為無防護結構18650單電芯置放在一四方形空氣層中，利用600˚C熱空氣以每秒10 m的噴速在圖十二(a)空氣層圓孔噴向電芯，熱空氣噴發時間由5秒開始至30秒結束；圖十二(b)中為10秒時的溫度分布；圖十二(c)為10秒時等溫曲面分布狀況，由此可獲得熱空氣噴發時的狀態；圖十二(d)為80秒後溫度分布，電池已經被加熱燒毀；圖十二(e)為過程中電池的溫度變化狀況。
圖十二、單電芯以速度10 m/s、溫度600˚C的熱空氣噴於殼體表面(a)單電芯位於四方形具噴孔之空氣構造；(b) 10 s噴發後電池溫度分布；(c) 10 s噴發之等溫曲面分布；(d) 80 s後電池溫度分布；(e)電池溫度與時間的關係
利用圓管型防火複合材料，包覆於電池外圍，如圖十三(a)，以相同方式進行計算，當熱空氣噴於電池表面，防火複材由於熱傳導值低，會暫時隔離熱空氣於…...以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
作者：葉勝發／工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」379期，更多資料請見下方附檔。