具有低密度芯和高强度纤维的抗燃盒及具该盒的电池箱的制作方法

1.本发明涉及一种具有抗燃盒的电池箱，尤其是一种具有低密度芯和高强度纤维的抗燃 盒及具该盒的电池箱。


背景技术：

2.近年来，电动车在全球的市占率稳定的成长，从国际上的特斯拉到中国台湾的gogoro， 这些品牌创新的前景被许多人看好。电动车的核心技术在于「电池、电机和电控」，其中 电池作为能源供给可以说是电动车的根本技术，现今的电动车以使用锂电池组为主流。
3.电动车虽然具有环保、马力输出稳定的优势，唯有续航力相比传统汽油车略为不足。 虽然近年来各家大厂的电动车持续研发改良，使续航力达到与汽油车并驾齐驱的约500公 里，然而考虑到单次充电时间相比加油时间更长，且目前台湾的加油站布点较充电站点密 集，电动车续航力的提升对车主来说仍然是重要问题。目前常见的电池箱结构，多为金属 板冲压成型，不仅厚重，也由于金属板材质的难加工特性，不仅模具和工具机因此受到限 制必须笨重且昂贵，更无法灵活因应不同车型的需求而改变形貌。
4.为了提升续航力，可加大电池容量、降低酬载质量以及提升电能转换效率，其中降低 酬载质量可借由更轻量化的模块达成。如中国发明专利第cn109360919b所揭露的一种新 能源汽车用的全复合材料电池箱，使用纤维增强复合材料搭配三明治夹心结构，降低整体 重量同时保持结构强度，可有效提高续航里程。然而，目前常见的复合电池箱，多是在已 经成形的芯材表面贴附依照预定模型裁切好的纤维布，最后浸入树脂材料成形，因芯材通 常为平板状,会造成箱体无法做出复杂的曲面或凹槽,更造成结构应力集中在转折处或链接 处使得结构出现脆弱点。
5.电动车除了上述续航力问题之外，尚有一点时常被人所轻忽，电池的安全性。根据teslamodel s的危急应变指南，车内的电池组起火需要「使用大量的水，约10至30公吨的水 量」；然而根据实际的消防案例，特斯拉电池引起的火灾需要75至100公吨用水量并耗费 数小时才能确认扑灭。因为当锂电池发生火灾时，若仅扑灭其表面火焰，无法完整中断其 化学反应，电池内部通常还具有极高的温度，容易产生复燃现象，为此需要大量的水持续 降温，直至电池内化学反应结束。在国内，亦有数起锂电池热失控引起的火灾事件。
6.根据上述前案所采用的纤维材料，如碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维等，虽然属于不 可燃材料，然而其三明治结构内的泡沫芯材如pvc、pet等，在电池发生火灾时却有助长 火势之疑虑。在防火功能上，中国发明专利cn111469446b公开了一种汽车复合材料防火 电池箱的快速成形方法，在复合材料部件成形时采用防火层材料、快速固化阻燃树脂；然 而，这种阻燃设计并没有考虑电池箱内存放大量积蓄电能的众多电池芯，在闷烧过程中内 部热能累积，会让原本并不参与燃烧的电池芯也在长时间受热膨胀后漏液短路而参与燃 烧，因此电动车或设置有太阳能电池的住房的电池箱，一旦发生外部不可见的燃烧，往往 会从内而外，持续闷烧直到烧穿电池箱造成大火，可见采用防火阻绝层恐怕只能暂时将火 势控
制在范围内，而不是斧底抽薪的真正解决方案。
7.为能真正灭火，如图1所示，中国发明专利cn111384341a公开了一种具有防火功能 的锂电池箱，该电池箱可利用温度传感器和烟雾传感器侦测电池异常情况，再通过自动控 制阀门投放消防剂。然而由于该解决方案是依靠电控装置运作，在内部燃烧的情况下，并 不能确保侦测和控制的电路不受干扰而正常运转；此外一般电池箱具有寿命长的优点，通 常长达数年，因此在无故不会打开电池箱的条件下，其中的电路控制是否能长期保固，确 保消防装置的长期稳定运转也仍有疑虑。
8.火灾的分类以可燃物的类型来区别，其中a类火灾包含木制品、纸类、树脂类等，适 合以水、强化液灭火剂、泡沫灭火剂扑灭；b类火灾由油类、酒精类、瓦斯气体所引起， 适合以强化液、泡沫、二氧化碳、干粉灭火器扑灭；c类火灾则包含电器、电线走火，则 适合以水、强化液、干粉灭火器、二氧化碳扑灭。
9.至此，如何提供一种轻便、结构稳定且具有抗燃、隔热与灭火功能的电池箱；同时能 确保使用上之稳定性，进一步提供一种可依赖、可搭配的抗燃盒，将是本发明想解决的主 要问题。


技术实现要素：

10.针对现有技术的上述不足，根据本发明的实施例，希望提供一种具有抗燃盒的电池箱， 旨在实现如下目的：(1)借由将灭火单元安装至特殊设计的凹槽内，使得当箱内的电池因 故障开始燃烧时，箱内温度升高会被动触发灭火单元喷洒灭火剂，快速扑灭火势，进而防 止箱体内的火势不会扩散至箱体外或使邻近物体免于高温影响；(2)借由包覆低密度可挠 性芯材的高强度纤维，让结构体形状可以依据易于加工的芯材形状而改变，达成电池箱本 身结构的制造弹性；(3)借由包覆低密度芯的高强度纤维，让结构体在各方面受力强度均 匀化，免除特定脆弱部的结构缺陷。
11.此外，根据本发明的实施例，还希望提供一种抗燃盒，旨在：(1)借由具可挠性的低 密度芯以及高强度纤维包覆成为的结构体，一方面提升结构强度与降低整体重量，同时借 由特殊设计的凹槽容纳灭火单元并使得灭火剂的喷洒更具效率，产生有效灭火的功能； (2)借由包覆低密度可挠性芯材的高强度纤维，让结构体形状可以依据易于加工的芯材 形状而改变，达成抗燃盒本身结构的制造弹性及抗拉力方向的均匀化。
12.根据实施例，本发明提供的一种具有低密度芯和高强度纤维抗燃盒的电池箱，供使用 者将电池组安装后作为安全电源使用，该电池箱包括：
13.复数可相互结合构成一箱体的结构片，每一前述结构片包括
14.至少一低密度芯，具有一比重低于1的预定密度；以及
15.一包覆于上述低密度芯的纤维壳体，该纤维壳体具有高于上述低密度芯的密度和高于 上述低密度芯的机械强度；
16.其中前述结构片共同形成有至少一封闭的容纳空间，以及前述箱体形成有一导通至前 述容纳空间的凹陷部；
17.至少一安装于上述容纳空间的电池盒；以及
18.至少一安装于上述凹陷部中的灭火单元，供当上述容纳空间中的温度达到一预定门槛 时，前述灭火单元会被挤压喷出至少一灭火剂至前述容纳空间。
中，纤维壳体20所使用的材质为碳纤维，低密度芯22则是发泡pp塑料板；其中碳纤维 的密度为1.75g/cm3，发泡pp塑料板密度为0.6g/cm3，因此整体相较于一般金属壳体轻了 许多；因为低密度芯的材质相对于金属或经过固化的纤维布易于挠曲及加工，所以可以随 箱体设计形状而方便制造，制造弹性就此提升。同时由于纤维壳体20是整体包覆于低密 度芯22的碳纤维材料，在加工过程中并不需要像以往的纤维布材料的预裁切定型，尤其 整体包覆后具有较佳的机械强度，搭配合适的立体结构可保持箱体的结构强度与稳定度； 此外于其他实施例中，亦可选用其他种类的纤维壳体20与低密度芯22(如pei,pp,pvc, pet,pu,peek,pekk,san,ps,epoxy,pa(polyamide),ppa,pps,pa11,pa12,pbi,pi, srp,pai,tpi,paek,peek,pekk,ceramic fiber mat,sio2,metallic fiber mat)，故本发明所举 例之材料仅为一种具体说明，不应成为限制条件。
38.在本实施例中，纤维壳体20与低密度芯22的选材除了具有上述力学性质的优点，在 制造上亦提供更大的弹性，因为低密度芯的材料可借由射出成形产生想要的形状，亦可借 由选用高挠性材料在制造过程中以模具轻松挤压弯折，在碳纤维布紧密包覆在低密度芯22 外侧后，便可搭配树脂材料将纤维布固化而构成箱体，使得加工过程中完全不需要用到高 功率的冲压机具和高耐压模具，尤其是让随后所述的要在箱体中成形更精致的灭火剂容纳 和喷出结构成为可行。因此，上述的下半箱体的结构片2搭配上盖30，可以内共同形成一 容纳空间3，供安装多组电池盒4，其中每一电池盒4都经过串并多个例如标准电池芯 18650；在结构片2中更形成凹陷部5，供安装灭火单元6。
39.在本实施例中，每一凹陷部5包括左右两个凹室，分别容装两种不同化学材料，简称 a剂和b剂，在两个凹室之间形成有一个连通道，以及介于两凹室间并且例释为垂直于连 通道的一导沟50，则是略呈圆环形的预成形于低密度芯22内部，略呈半圆形的导沟50面 向容纳空间3一侧裸露，使得当箱体内的电池芯燃烧生热，a剂和b剂被加热膨胀，冲破 原先的包覆而浸入导沟50后，a剂和b剂会相互接触而产生化学作用，构成大量灭火剂 60而从灭火单元6内沿着导沟50流动，并且自然地喷发进入到容纳空间3中，对火势进 行扑灭降温。在本实施例中虽然仅绘示有单一的双凹室和a、b剂，但熟悉本技术领域人 士可以轻易理解，电池箱的内部可以依照箱体大小，预埋对应的多组灭火单元，让各区域 的电池芯燃烧都可以被就近熄灭。
40.在本实施例中，灭火剂60选用大量生成二氧化碳气体的ab剂灭火剂。而灭火单元6 的触发机制为一种温度感测计，其玻璃容器内装有一定量之酒精，使得当环境温度高于预 定温度例如摄氏80度时，酒精之蒸气压超过玻璃容器所能承受之压力而造成破裂，进而 促发灭火单元6的启动，将上述灭火剂喷洒而出。从以上实施例说明与图式可以得知，无 论是坚固轻便的结构、加工可塑性或由内部温度触发的灭火设计等，皆可应用在一般盒、 箱体或任何具有起火风险的容器中，故在不放置电池盒或电池芯的状态下，上述电池箱也 可以作为一般的抗燃盒使用。
41.另外，本实施例的电池箱1内更设置有一电池管理监测保险单元40，可随时对电池盒 4内的电池42进行电量、温度等各种数据量测，一旦电池出现异常状况，例如发生短路电 流或局部温度骤升，可随时通报用户或相关单位。另一方面由于灭火单元6在本实施例中 不受电池管理监测保险单元控制，因此也无须担忧电路故障导致灭火单元6失效的问题。
42.第二较佳实施例
43.如图6、7所示，本发明第二较佳实施例提供的具有低密度芯和高强度纤维的抗燃盒 的电池箱中，与第一较佳实施例相同部分，不再多加叙述。本实施例中，纤维壳体20’采 用玻璃纤维编织而成，密度约为2.6g/cm3，低密度芯22’则使用发泡pi板(聚酰亚胺)，且该 材质不需要加入阻燃剂即具有阻燃性质。
44.在本实施例中，箱体共有16个凹陷部5’，其中的灭火单元6’为一种特制的高压二氧 化碳气瓶，其封口处具有一易熔金属开关与高导热金属片连接至容纳空间3’中，使得当容 纳空间3’内之温度上升至一阈值温度时，热能沿着高导热金属片传导至易熔金属开关后将 其融化后，气瓶内的高压二氧化碳便会瞬间气化沿着通道52’灌入容纳空间上方。由于二 氧化碳较空气分子重，故可从上方顺势掩盖扑灭火势，同时快速汽化的二氧化碳具有带走 热能之效果，可降低箱体温度。
45.在本实施例中，凹陷部5’为成形于箱体外侧的凹穴，对于一个十年寿命的电池箱1
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以及两年寿命的二氧化碳气瓶来说，只需要定期更换气瓶即可，无须对电池箱1’进行不必 要的开箱作业。此外，由于二氧化碳从液体转化为气体时体积遽增为数倍，因此对于使用 者希望减少箱体质量的需求而言，高压二氧化碳在能有效扑灭火势的情形下也不会造成过 多负载。
46.第三较佳实施例
47.如图7所示，本发明第三较佳实施例提供的具有低密度芯和高强度纤维的抗燃盒的电 池箱1”中，与前二较佳实施例相同部分，不多叙述。在本实施例中，纤维壳体采用密度为 2.6g/cm3玄武岩纤维，材质较玻璃纤维坚韧且较碳纤维便宜，也同样具有防火功能；而低 密度芯使用的材料为发泡peek板材，内部更均匀掺有碳酸氢钠粉末。值得一提的是，本 实施例的灭火单元为潜藏在低密度芯22”内的微胶囊56”，其微胶囊56”内盛装有一定容 量之安全酸，表面则是容易融化的材质，使得当电池箱1”内部温度升高时，微胶囊56
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的表面会融化释出内部之安全酸，而酸与低密度芯内之碳酸氢钠会反应生成二氧化碳与 水，其中内部的纤维壳体表面又具有若干穿孔54”，使得上述产生的二氧化碳得以进入到 容纳空间内，熄灭火势，同时反应生成的水渗透至发泡板材中，能降低整体温度。此外， 一旦例如设置于电动车内而发生撞击时，也可能借由冲击压力的急遽变化，导置微胶囊56
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因应压力增大而破裂，随之喷发出灭火剂。
48.综上，本发明借由低密度芯与高强度纤维壳体构成的箱体，达成质轻、结构强度高、 加工容易；同时内部进一步包括被动式灭火单元，供用户安全无虞地使用。

技术特征：
1.一种具有低密度芯和高强度纤维抗燃盒的电池箱，供使用者将电池组安装后作为安全电源使用，其特征是，该电池箱包括：复数可相互结合构成一箱体的结构片，每一前述结构片包括至少一低密度芯，具有一比重低于1的预定密度；以及一包覆于上述低密度芯的纤维壳体，该纤维壳体具有高于上述低密度芯的密度和高于上述低密度芯的机械强度；其中，前述结构片共同形成有至少一封闭的容纳空间，以及前述箱体形成有一导通至前述容纳空间的凹陷部；至少一安装于上述容纳空间的电池盒；以及至少一安装于上述凹陷部中的灭火单元，供当上述容纳空间中的温度达到一预定门槛时，前述灭火单元会被挤压喷出至少一灭火剂至前述容纳空间。2.如权利要求1所述的电池箱，其特征是，上述结构片至少其中之一，形成有至少一导接上述凹陷部和上述容纳空间的导沟，供上述灭火剂通过。3.如权利要求2所述的电池箱，其特征是，上述通道是一个一端导接上述凹陷部的通道，且在朝向上述容纳空间形成有复数穿孔，使得当上述灭火剂通过时，可以借由上述穿孔在不同位置喷出上述灭火剂。4.如权利要求1所述的电池箱，其特征是，上述低密度芯是选自pei、pp、pvc、pet、pu、peek、pekk、san、ps、epoxy、pa、ppa、pps、pa11、pa12、pbi、pi、srp、pai、tpi、paek、peek、pekk、ceramic fiber mat、sio2、metallic fiber mat、silicate compound mat、mineral wool、magnesium oxide mat、perlite、melamine、modacrylic、armaid和geobond。5.如权利要求1所述的电池箱，其特征是，上述纤维壳体是选自碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、聚合物纤维、天然纤维和金属纤维。6.如权利要求1所述的电池箱，其特征是，进一步包括至少一分别连接上述电池盒的电池管理监测保险单元，供监测前述电池盒的异常温度状况。7.一种具有低密度芯和高强度纤维的抗燃盒，其特征是，包括：复数可相互结合构成一箱体的结构片，每一前述结构片包括至少一低密度芯，具有一比重低于1的预定密度；以及一包覆于上述低密度芯的纤维壳体，该纤维壳体具有高于上述低密度芯的密度和高于上述低密度芯的机械强度；以及至少一安装于上述凹陷部中的灭火单元，供当上述容纳空间中的温度达到一预定门槛时，前述灭火单元会被挤压喷出至少一灭火剂至前述容纳空间。8.如权利要求7所述的抗燃盒，其特征是，上述结构片中至少其中之一，形成有至少一导接上述凹陷部和上述容纳空间的内凹通道，供上述灭火剂通过。9.如权利要求8所述的抗燃盒，其特征是，上述内凹通道是一个一端导接上述凹陷部的环形管道，且在朝向上述容纳空间形成有复数穿孔，使得当上述灭火剂通过时，可以借由上述穿孔在不同位置喷出上述灭火剂。10.如权利要求7所述的抗燃盒，其特征是，上述凹陷部复数埋设于上述低密度芯和/或纤维壳体的微胶囊，供分别容装上述灭火剂。

技术总结
本发明公开了一种具有低密度芯和高强度纤维的抗燃盒及具该盒的电池箱，该电池箱包括：复数可相互结合构成一箱体的结构片，每一前述结构片包括至少一低密度芯，具有一比重低于1的预定密度；以及一包覆于上述低密度芯的纤维壳体，该纤维壳体具有高于上述低密度芯的密度机械强度；其中前述结构片共同形成有至少一封闭的容纳空间，以及前述箱体形成有一导通至前述容纳空间的凹陷部；至少一安装于上述容纳空间的电池盒；以及至少一安装于上述凹陷部中的灭火单元，供当上述容纳空间中的温度达到一预定门槛时，前述灭火单元会被挤压喷出至少一灭火剂至前述容纳空间。一灭火剂至前述容纳空间。一灭火剂至前述容纳空间。


技术研发人员：林伯修
受保护的技术使用者：林伯修
技术研发日：2022.01.27
技术公布日：2023/8/8