BRPI0508152B1 - Dispositivo de segurança para prevenir sobrecarga e bateria secundária empregando tal dispositivo - Google Patents

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Kyun Chang Sung
Jae Hyun Lee
Hwan Lee Joon
Hyun Ha Soo
Ju Cho Jeong
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Lg Chem, Ltd.
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Abstract

dispositivo de segurança para prevenir sobrecarga e bateria secundária empregando tal dispositivo descreve-se um dispositivo de segurança e uma bateria secundária usando mesmo. o dispositivo de segurança inclui um dispositivo de aquecimento sensível à voltagem que gera calor quando a diferença de voltagem entre suas ambas extremidades excede um pré-determinado nível de voltagem, e um dispositivo sensível à temperatura tendo uma função de liga/desliga de corrente reversível de acordo com a temperatura. o dispositivo sensível à temperatura é acoplado com dispositivo de aquecimento sensível à voltagem de tal maneira que o dispositivo sensível à temperatura detecta o calor gerado pelo dispositivo de aquecimento sensível à voltagem.

Description

(54) Título: DISPOSITIVO DE SEGURANÇA PARA PREVENIR SOBRECARGA E BATERÍA SECUNDÁRIA EMPREGANDO TAL DISPOSITIVO (51) Int.CI.: H01M 2/34 (30) Prioridade Unionista: 07/09/2004 KR 10-2004-0071285 (73) Titular(es): LG CHEM, LTD.
(72) Inventor(es): SUNG KYUN CHANG; LEE JAE HYUN; JOON HWAN LEE; SOO HYUN HA; JEONG JU CHO
DISPOSITIVO
DE
SEGURANÇA PARA
PREVENIR w'
SOBRECARGA E BATERÍA SECUNDÁRIA EMPREGANDO TAL DISPOSITIVO
A presente invenção se relaciona a um dispositivo de segurança tendo uma estrutura simples para proteger uma bateria secundária de sobrecarga, sobre-voltagem, sobre-corrente e superaquecimento .
Estado da Arte
Baterias secundárias são baterias recarregáveis incluindo baterias de Ni-Cd, baterias de Ni-MH, e baterias de íons de litio. Recentemente, como as baterias de íons de lítio estão em evidência, estudos e pesquisas têm sido ativamente efetuados com relação às baterias de íons de litio. Isto porque as baterias de íons de litio têm as vantagens de ter densidade de energia mais alta do que as baterias de Ni-Cd ou baterias de Ni-MH. A bateria de íons de litio pode ser fabricada em um tamanho compacto com peso menor, e assim a bateria de íons de litio pode ser efetivamente utilizada como uma fonte de energia para eletrodomésticos eletrônicos portáteis, tais como telefones portáteis, filmadoras ou computadores notebook. Além disso, a bateria de íons de litio é extensivamente usada como fonte de energia para veículos elétricos, logo, a bateria de íons de litio é atualmente referenciada como o meio de armazenamento de energia da próxima geração.
Embora as baterias de íons de litio tenham as vantagens citadas, as baterias de íons de litio apresentam a desvantagem de serem vulneráveis à sobrecarga. Se uma bateria secundária não está equipada com um dispositivo de segurança, a ignição acidental ou explosão da bateria secundária pode ocorrer devido à sobrecarga, causando assim um perigoso acidente ou danos maiores. Então, é muito importante que a bateria secundária previna ou restrinja a sobrecarga ou resolva os problemas derivados da sobrecarga.
Por exemplo, quando a bateria de íons de litio é sujeita à sobrecarga, uma reação negativa pode ocorrer crescentemente entre um material ativo de catodo (por exemplo, LiCoO2) e um eletrólito da bateria de íons de litio. Tal reação negativa destrói a estrutura do material ativo de catodo enquanto causando uma reação de oxidação do eletrólito. Enquanto isso, o lí tio pode ser depositados em um material ativo de anodo que consiste em grafite, etc. Se a voltagem aplicada à batería secundária continuar a subir mesmo se a bateria secundária foi sobrecarregada, pode acontecer a ignição acidental ou explosão da bateria secundária.
O problema acima pode se tornar sério se a bateria secundária for conectada a uma fonte de energia de alta voltagem. Por exemplo, se a bateria secundária de íons de lítio é conectada a uma fonte de energia para um veículo, 12V são aplicados no caso de automóveis, e 2 4V são aplicados no caso de veículos de carga porque duas fontes de energia de 12 V são conectadas em série. Neste caso, se uma voltagem excessiva diferente do padrão da bateria secundária for aplicada repentinamente à bateria secundária, um acidente perigoso pode acontecer, de modo que é necessário prover um dispositivo de segurança capaz de proteger efetivamente a bateria secundária do excesso de voltagem.
Por exemplo, a Publicação de Patente japonesa N° 2003-284237 descreve um dispositivo de segurança para uma bateria secundária incluindo um diodo zener e um fusível térmico unido termicamente ao diodo zener. De acordo com a bateria secundária acima tendo o dito dispositivo de segurança, a corrente fluindo pelo diodo zener aumenta repentinamente quando a bateria secundária fica sujeita à voltagem de sobrecarga, de modo que o consumo de potência do diodo zener aumenta repentinamente, gerando assim calor. Como o diodo zener gera calor, o fusível térmico conectado ao diodo zener se interrompe irreversivelmente, cortando assim a corrente sendo aplicada à bateria secundária. De acordo com a Publicação de Patente japonesa N° 2003-284237, a voltagem de avalanche (breâkdown) do diodo zener é empregada para desconectar o fusível térmico quando a bateria secundária estiver sujeita à voltagem de sobrecarga. Porém, se a voltagem de avalanche do diodo zener for ligeiramente mais alta do que a voltagem de sobrecarga máxima da bateria secundária, o diodo zener pode ter fuga de corrente quando a bateria secundária for operada normalmente, apesar da sobrecarga da bateria secundária poder ser prevenida.
É conhecido do estado da arte que geralmente o diodo zener tem fuga de corrente sob uma pré-determinada voltagem menor do que a voltagem de avalanche do diodo zener, por IV ou menor. Assim, se a corrente de fuga é gerada a partir de elementos conectados ao catodo e ao anodo da bateria secundária, a bateria secundária pode sofrer auto-descarregamento, de forma que o tempo operacional e de vida da bateria secundária pode diminuir depois que a bateria secundária for carregada.
Se um diodo zener, que não causa a fuga de corrente sob a voltagem de carga da bateria secundária, for usado para a bateria secundária, a corrente não pode ser descarregada suficientemente quando a bateria secundária for suj eita à sobrecarga. Além disso, quando uma alta corrente for aplicada ao diodo zener, o diodo zener é danificado de modo que o diodo zener não pode mais cumprir seu papel original. Mesmo se a voltagem subir, a resistência é tão alta que a corrente não pode fluir pelo diodo zener.
Breve Descrição dos Desenhos
A fig. IA é um gráfico que ilustra a variação de temperatura de acordo com a variação de voltagem quando uma corrente constante (1 ampère) é aplicada a um diodo zener, que é um tipo de dispositivo de aquecimento sensível à voltagem.
A fig. 1B é um gráfico ilustrando o período de fuga de corrente e o período de voltagem de avalanche de acordo com a voltagem de um diodo zener.
A fig. 2 é um gráfico que ilustra a variação de temperatura de acordo com a variação de voltagem quando uma corrente constante (1 ampère) é aplicada a um varistor, que é um tipo de dispositivo de aquecimento sensível à voltagem.
A fig. 3 é um. gráfico ilustrando as características de variação de resistência de acordo com a temperatura de um dispositivo de PTC. que é um tipo de dispositivo sensível à temperatura.
A fig. 4 é uma vista esquemática que ilustra a relação e o princípio operacional entre um dispositivo de segurança e uma bateria secundária de acordo com uma forma de incorporação da presente invenção.
As figs. 5A e 5B são vistas esquemáticas ilustrando o dispositivo de segurança mostrado na fig. 4, no qual um material resistente a erosão/água é colocado ao redor do dispositivo de segurança.
As figs 6A e 6B são vistas esquemáticas que ilustram a relação entre um dispositivo de segurança e uma bateria secundária de acordo com outra forma de incorporação da presente invenção.
As figs. 7A e 7B são vistas frontais e de topo do dispositivo de segurança mostrado nas figs. 6A e 6B, respectivamente.
A fig. 8 é uma vista esquemática ilustrando o dispositivo de segurança mostrado nas figs. 6A e 6B acoplado com uma bateria de polímero.
As figs. 9A e 9B são vistas frontais e de tôpo do dispositivo de segurança mostrado nas figs. 6A e 6B acoplado com uma bateria secundária de tipo quadrado, respectivamente.
Descrição da Invenção
Um dispositivo sensível à temperatura, tal como um dispositivo de PTC, tendo uma função liga/desliga de corrente reversível de acordo com a temperatura é operado quando a temperatura sobe acima de uma pré-determinada temperatura. Assim, o dispositivo sensível à temperatura somente é operado quando a bateria secundária está super-aquecida a um pré-determinado nível de temperatura mesmo se a bateria secundária estiver sujeita a sobrecarga. Adequadamente, o dispositivo sensível à temperatura pode ser operado depois que a bateria secundária foi danificada devido ao impacto térmico aplicado.
Para resolver o problema acima, a presente invenção provê um dispositivo sensível à temperatura operado por meio do calor gerado por um dispositivo de aquecimento sensível à voltagem, que gera calor quando a diferença de voltagem entre suas ambas extremidades alcança um pré-determinado nível de voltagem (por exemplo, voltagem de sobrecarga), de tal maneira que a corrente é interrompida antes que a bateria secundária fique sujeita a super-aquecimento, impedindo assim que a bateria secundária seja danificada ou sobrecarregada.
Além disso, diferentemente do estado da arte anterior empregando um dispositivo de aquecimento sensível à voltagem capaz de operar um dispositivo de voltagem constante tendo uma voltagem de avalanche semelhante à voltagem de carga padrão da batería secundária, para prevenir que a bateria secundária seja auto-desoarregada devido à fuga de corrente causada pelos dispositivos conectados ao catodo e ao anodo da bateria secundária, a presente invenção emprega um dispositivo de aquecimento sensível à temperatura capaz de operar um dispositivo sensível à temperatura, tal como um dispositivo de PTC, usando o calor gerado antes da voltagem de avalanche quando a bateria secundária está sujeita a uma sobrecarga. Neste caso, o dispositivo de aquecimento sensível à voltagem conectado ao catodo e ao anodo da bateria secundária tem a voltagem de avalanche significativamente maior do que a voltagem de carga padrão da bateria secundária e a corrente de fuga pode não ocorrer quando a bateria secundária é carregada ou descarregada normalmente.
A presente invenção provê um dispositivo de segurança e uma bateria secundária tendo o mesmo. O dispositivo de segurança inclui um dispositivo de aquecimento sensível à voltagem gerando calor quando a diferença de voltagem entre suas ambas extremidades excede um pré-determinado nível de voltagem, e um dispositivo sensível à temperatura tendo uma função liga/desliga reversível de corrente de acordo com a temperatura, em que o dispositivo sensível à temperatura está acoplado com o dispositivo de aquecimento sensível à voltagem de tal modo que o dispositivo sensível à temperatura detecta o calor gerado pelo dispositivo de aquecimento sensível à voltagem.
De acordo com a forma de incorporação preferida da presente invenção, o dispositivo de aquecimento sensível à voltagem gera calor antes da sua voltagem de avalanche e o dispositivo sensível à temperatura é operado por meio do calor gerado pelo dispositivo de aquecimento sensível à voltagem sob uma voltagem pré-determinada abaixo da voltagem de avalanche. Neste momento, a voltagem de avalanche do dispositivo de aquecimento sensível à voltagem é pelo menos 15% maior do que a voltagem prédeterminada que faz o dispositivo de aquecimento sensível à voltagem gerar o calor para operar o dispositivo sensível à temperatura. Além disso, a voltagem pré-determinada que faz o dispositivo de aquecimento sensível à voltagem gerar o calor para operar o dispositivo sensível à temperatura é maior do que a voltagem padrão máxima de eletrodomésticos elétricos e/ou eletrônicos equipados com o dispositivo de segurança e mais baixa do que a voltagem de avalanche para os eletrodomésticos elétricos e/ou eletrônicos.
voltagem, sensível sensível à dispositivo
Enquanto isso, o valor da corrente de fuga do dispositivo de aquecimento sensível à voltagem obtida durante uma hora é preferivelmente menor do que 0,05% da capacidade da bateria (mAh) . Se o valor de corrente de fuga é menor do que 0,05% da capacidade da bateria (mAh) sob da voltagem de carga completa da bateria secundária, a corrente de fuga pode ser desconsiderada dentro da faixa de voltagem de utilização da bateria secundária.
Execução da Invenção
Referência será feita agora em detalhes às formas de incorporação preferidas da presente invenção.
De acordo com a presente invenção, um dispositivo de aquecimento sensível à voltagem, que gera calor quando a diferença de voltagem entre suas ambos extremidades alcança um pré-determinado nível de voltagem e assim a corrente flui por ele, é termo-condutivamente acoplado com um dispositivo sensível à temperatura tendo um função liga/desliga reversível de corrente de tal maneira que o dispositivo sensível à temperatura pode detectar o calor gerado pelo dispositivo de aquecimento sensível à Assim o calor gerado pelo dispositivo de aquecimento a voltagem é transferido diretamente ao dispositivo à temperatura, de modo que a corrente aplicada ao sensível â temperatura é interrompida. Preferivelmente, o dispositivo de aquecimento sensível à voltagem faz contato físico com o dispositivo sensível à temperatura.
Então, o dispositivo de segurança de acordo com a presente invenção pode representar características de segurança superiores mesmo se o dispositivo de aquecimento sensível à voltagem, tal como um dispositivo de voltagem constante com baixa capacidade, for aplicado ao dispositivo de segurança.
Se ο dispositivo de segurança tendo o dispositivo de aquecimento sensível à voltagem e o dispositivo sensível à temperatura de acordo com a presente invenção for usado para eletrodomésticos eletrônicos e/ou elétricos, tal como uma bateria secundária, os eletrodomésticos eletrônicos e/ou elétricos podem ser impedidos de serem suj eitados a uma sobrecarga ou sobrevoltagem.
No dispositivo de segurança de acordo com a presente invenção, o dispositivo de aquecimento sensível à voltagem é conectado a terminais (catodo e anodo) da bateria secundária em paralelo e o dispositivo sensível à temperatura é conectado aos terminais da bateria secundária em série ou em paralelo (preferivelmente, em série) . Por exemplo, quando o dispositivo de segurança de acordo com a presente invenção é acoplado com a bateria secundária, o dispositivo de aquecimento sensível à voltagem é conectado entre o catodo e o anodo da bateria secundária em paralelo e o dispositivo sensível à temperatura é conectado em série ao catodo ou ao anodo da bateria secundária.
A presente invenção não limita os materiais para o dispositivo sensível à temperatura se eles tiverem a função de liga/desliga de corrente reversível. Preferivelmente, o dispositivo sensível à temperatura interrompe a corrente quando a temperatura exceder uma pré-determinada temperatura.
dispositivo sensível à temperatura inclui, mas não exclusivamente, um dispositivo com PTC (coeficiente de temperatura positivo) ou um bimetal.
O dispositivo de PTC é um dispositivo protetor que tem características de coeficiente de temperatura positivo. Se a temperatura do PTC subir devido a uma sobre-corrente, a um curto circuito externo ou a uma sobrecarga quando o PTC está conectado em série ao terminal da bateria secundária, a resistência do PTC aumenta repentinamente, interrompendo assim a corrente. Diferentemente do fusível térmico, o dispositivo de PTC é um dispositivo reutilizável.
dispositivo de PTC é classificado como um PTC cerâmico usando cerâmica baseada em BaTiO3 e um PTC de polímero usando polímero. O PTC de polímero é fabricado usando carbono condutivo misturado com resina isolante tal como poliolefina e apresenta as características de coeficiente de temperatura positivo nas quais o valor da sua resistência aumenta com a elevação da temperatura. O princípio básico para variação de resistência do PTC de polímero é que, no estado normal, o carbono distribuído no polímero forma um caminho condutivo e a resistência específica é diminuída de maneira que a corrente possa fluir facilmente. Porém, se a temperatura do dispositivo de PTC sobe devido a uma sobre-corrente, etc., a temperatura do dispositivo de PTC excede o ponto de derretimento do polímero de modo que o volume do polímero pode variar significativamente em uma faixa de várias dezenas da sua porcentagem, interrompendo assim o caminho condutivo de carbono, o que é chamado de fenômeno de condução. Adequadamente, a resistência aumenta significativamente, interrompendo assim a corrente. O dispositivo de PTC cerâmico causa o fenômeno de condução na vizinhança da temperatura de Curie.
A fig. 3 é um gráfico que ilustra as características de variação de resistência de acordo com a temperatura do dispositivo de PTC. Recorrendo à fig. 3, a resistência aumenta repentinamente IO3 vezes na vizinhança da temperatura crítica de 120 °C.
O dispositivo de aquecimento sensível à voltagem de acordo com a presente invenção inclui, mas não exclusivamente, um dispositivo de voltagem constante tal como um diodo zener ou um varistor. A presente invenção não limita o tipo e o padrão para os dispositivos de aquecimento sensíveis à voltagem se eles puderem gerar calor quando a diferença de voltagem entre suas ambas extremidades exceder um pré-determinado nível de voltagem e não puderem gerar uma séria fuga de corrente quando eles forem conectados em paralelo aos terminais da bateria secundária.
Em geral, o dispositivo de voltagem constante quer dizer um dispositivo tendo características que permitam que uma corrente flua rapidamente quando uma voltagem excedendo um pré-determinado nível de voltagem é aplicada a suas ambas extremidades. Geralmente, o dispositivo de voltagem constante, tal como o diodo zener ou o varistor, é usado como um dispositivo de desvio ou contorno para desviar a corrente sob a pré-determinada condição de voltagem.
diodo zener pode ser fabricado na forma de um diodo semicondutor de junção p-n. Se uma voltagem relativamente alta é aplicada ao diodo zener na direção reversa, uma alta corrente pode ser criada sob uma voltagem específica, e a voltagem é mantida constante. Este fenômeno é chamado de avalanche e sua voltagem é chamada de voltagem de avalanche.
Uma voltagem zener significa uma voltagem aplicada ao diodo zener quando a corrente começa a fluir na direção reversa do diodo zener, isto é, quando o diodo zener começa a operar. Em geral, a voltagem de avalanche é mais alta do que a voltagem zener.
Enquanto isso, o varistor é um resistor semicondutor não-linear, no qual o valor da resistência do varistor pode variar, dependendo da voltaqem aplicada a ambas as extremidades do varistor. Varistor é uma forma abreviada de resistor variável.
As figs. IA e 1B são gráficos ilustrando a variação de temperatura de acordo com a variação de voltagem quando uma corrente constante (1 ampère) é aplicada ao diodo zener, e a fig. 2 é um gráfico que ilustra a variação de temperatura de acordo com a variação de voltagem quando uma corrente constante (1 ampère) é aplicada ao varistor.
Pode ser entendido das figs. 1 e 2 que a temperatura sobe repentinamente na vizinhança da voltagem de avalanche do diodo zener ou do varistor, e uma seção de voltagem (mostrada na fig. IA como uma caixa retangular com uma linha sólida) gerando calor é representada antes da seção de voltagem de avalanche.
De acordo com a presence invenção, o dispositivo sensível à temperatura, tal como o dispositivo de PTC, é operado por meio do calor gerado pelo dispositivo de aquecimento sensível à voltagem sob a voltagem relativamente baixa abaixo da voltagem de avalanche (isto é, o calor gerado na seção de voltagem mostrada na fig. IA como uma caixa retangular com linha sólida), em lugar de ser operado por meio do calor derivado do consumo de potência aumentado (W=I2R, em que W é o consumo de potência, I é a corrente e R é a resistência) do dispositivo de aquecimento sensível à voltagem causado pela corrente fluindo rapidamente pelo dispositivo de aquecimento sensível à voltagem sob a voltagem abaixo da voltagem de avalanche. Neste caso, o dispositivo de aquecimento sensível à voltagem conectado aos terminais da batería secundária em paralelo tem uma voltagem de avalanche significativamente mais alta do que a voltagem de carga completa da batería secundária e o problema da corrente de fuga nas operações normais de carga/descarga pode ser resolvido. A voltagem de carga completa significa o valor máximo da voltagem de uso da bateria secundária impresso no corpo da bateria secundária pelos fabricantes.
Preferivelmente, o dispositivo de aquecimento sensível à voltagem tem baixa capacidade. Isto é porque o dispositivo de aquecimento, tal como um dispositivo de voltagem constante tendo baixa capacidade, tem um intervalo curto entre a voltagem que causa a fuga de corrente e uma voltagem de avalanche que faz a corrente fluir rapidamente. Adequadamente, a corrente de fuga pode acontecer a partir do dispositivo de aquecimento sensível à voltagem logo antes da voltagem de avalanche fazer a corrente fluir rapidamente quando a bateria secundária for suj eita a sobrecarga. Assim, o dispositivo de segurança da presente invenção incluindo o dispositivo de aquecimento sensível à voltagem capaz de operar o dispositivo sensível à temperatura sob voltagem relativamente baixa abaixo da voltagem de avalanche pode resolver o problema da fuga de corrente que ocorre durante a operação de carga/descarga normal.
Dispositivos de voltagem constante tendo várias voltagens de avalanche estão disponíveis no mercado, de modo que aqueles qualificados na arte podem usar seletivamente os dispositivos de voltagem constante como dispositivos de aquecimento sensíveis à voltagem de acordo com sua aplicações relacionadas.
Preferivelmente, a voltagem de avalanche do dispositivo de aquecimento sensível à voltagem é mais baixa do que a voltagem de explosão ou a voltagem de ignição da bateria secundária.
O dispositivo de segurança da presente invenção pode prevenir a sobrecarga ou a sobre-voltagem interrompendo a corrente na sobrecarga ou na sobre-voltagem usando o dispositivo de aquecimento sensível à voltagem e o dispositivo sensível à temperatura em coordenação. Além, devido às características específicas de cada dispositivo de aquecimento sensível à voltagem e de cada dispositivo sensível à temperatura, a segurança de eletrodomésticos elétricos e/ou eletrônicos equipados com o dispositivo de aquecimento sensível à voltagem e com o dispositivo sensível à temperatura pode ser garantida. Por exemplo, o dispositivo sensível à voltagem, tal· como um dispositivo de voltagem constante (diodo zener ou varistor), é conectado em paralelo ao catodo e ao anodo da bateria secundária, de maneira que a corrente de descarga flui rapidamente enquanto desviando a corrente quando a bateria secundária é sobrecarregada com uma voltagem acima da voltagem de avalanche. Assim, a voltagem pode ser diminuída, protegendo assim a bateria secundária de explosão ou ignição acidental. Além disso, o dispositivo sensível à temperatura, tal como um dispositivo de PTC, é conectado em série com o catodo e/ou com o anodo da bateria secundária para interromper a corrente quando a bateria secundária for sujeita a sobrecarga ou sobre-corrente, assim protegendo a bateria secundária. Então, a presente invenção pode proteger seguramente a bateria secundária de sobrecarga, sobre-voltagem, sobre-corrente e em super-aquecimento usando o dispositivo de segurança tendo a nova e simples estrutura.
No dispositivo de segurança de acordo com a presente invenção, o dispositivo de aquecimento sensível à voltagem e o dispositivo sensível à temperatura podem ser reversivelmente operados. Adequadamente, o dispositivo de segurança da presente invenção não é um dispositivo descartável, mas um dispositivo reutilizável.
A voltagem pré-determinada que faz o dispositivo de aquecimento sensível à voltagem do dispositivo de segurança gerar o calor para operar o dispositivo sensível à temperatura pode ser apropriadamente selecionada a partir da faixa de voltagem acima da voltagem padrão máxima dos eletrodomésticos eletrônicos e/ou elétricos equipados com o dispositivo de segurança e abaixo da voltagem de avalanche para os eletrodomésticos eletrônicos e/ou elétricos.
Se o dispositivo de segurança da presente invenção é usado para uma bateria secundária, a temperatura critica do dispositivo sensível à temperatura está preferivelmente na faixa de 50 a 150 °C, e o dispositivo de aquecimento sensível à voltagem gera calor preferivelmente sob o nível de voltagem de 4 a 5 V para operar o dispositivo sensível à temperatura. Se a corrente é interrompida a uma temperatura abaixo de 50 °C devido a um aumento súbito da resistência, a batería secundária pode não ser carregada na faixa de temperatura de -20 a 60 °C, que é a temperatura de utilização da batería secundária. Além disso, se a resistência aumentar repentinamente na temperatura acima de 150 °C, a batería secundária já foi danificada ou deformada devido à alta temperatura, de modo que é inútil interromper a corrente.
Em seguida, a descrição será feita com respeito à relação operacional entre o dispositivo de aquecimento sensível à voltagem e o dispositivo sensível à temperatura do dispositivo de segurança de acordo com a presente invenção. O dispositivo de aquecimento sensível à voltagem é descarregado quando a sua voltagem sobe acima da voltagem de carga completa da bateria secundária e opera o dispositivo sensível à temperatura usando o calor gerado quando o dispositivo de aquecimento sensível a voltagem é descarregado. Adequadamente, abaixo da voltagem que causa a descarga e geração de calor do dispositivo de aquecimento sensível à voltagem, isto é, abaixo da voltagem de carga completa (por exemplo, 4-5 V) da batería secundária, o dispositivo de aquecimento sensível à voltagem deve gerar calor de tal modo que possa elevar a temperatura do dispositivo sensível à temperatura até a temperatura operacional do dispositivo sensível à temperatura, isto é, acima da temperatura crítica (por exemplo, 50 a 150 °C, veja-se a fig. 4)
Concordantemente, abaixo do nível de voltagem acima, o dispositivo de aquecimento sensível à voltagem gera o $0 calor preferivelmente até que a temperatura do dispositivo sensível à temperatura alcance sua temperatura operacional.
A fig. 4 é uma vista esquemática que ilustra a relação entre o dispositivo de segurança e a batería secundária de acordo com uma forma de incorporação da presente invenção. Em seguida, a relação entre o dispositivo de aquecimento sensível à voltagem e o dispositivo sensível à temperatura mostrado na fig. 4 e entre os dispositivos e os terminais (catodo e anodo) da bateria secundária será descrita. Primeiro, uma superfície lateral (superfície de união) de um dispositivo de aquecimento 1 é unida a uma superfície lateral (superfície de união) de um dispositivo de PTC 2. Uma vez que ambas as extremidades do dispositivo de aquecimento 1 detectam a voltagem da batería secundária e executam a operação de descarga se necessário, o dispositivo de aquecimento 1 está conectado entre um terminal de catodo 11 e um terminal de anodo 12 da bateria secundária em paralelo através de um terminal de metal 3. Além disso, uma vez que a corrente sendo aplicada ao dispositivo de PTC 2 é interrompida quando a temperatura sobe, o dispositivo de PTC 2 é conectado em série a uma parte mediana do terminal de catodo 11 ou o terminal de anodo 12 através do terminal de metal 3.
A fig. 5A é uma vista esquemática ilustrando o dispositivo de segurança mostrado na fig. 4 no qual um material resistente a erosão/água 4 é colocado ao redor do dispositivo de segurança. Neste caso, o dispositivo de aquecimento 1 é termocondutivamente acoplado com o dispositivo de PTC 2 no material resistente a erosão/água 4. Preferivelmente, o dispositivo de aquecimento 1 faz contato físico com o dispositivo de PTC 2. A fig. 5B é uma vista esquemática que ilustra o dispositivo de segurança no qual um material resistente a erosão/água 4 é colocado ao redor do dispositivo de aquecimento e do dispositivo de PTC, respectivamente, e uma superfície lateral· (superfície de união) do dispositivo de aquecimento é unida a uma superfície lateral do dispositivo de PTC. Neste caso, o dispositivo de aquecimento é termo-condutivamente acoplado com o dispositivo de PTC por meio do material· resistente a erosão/água. Preferivelmente, o dispositivo de aquecimento faz contato físico com o dispositivo de PTC. O estado do acoplamento entre os dispositivos mostrados nas figs. 5A e 5B e os terminais da bateria secundária é idêntico ao estado de acoplamento entre os terminais da bateria secundária e os dispositivos mostrados na fig. 4.
O material resistente a erosão/água pode ser colocado ao redor do dispositivo de aquecimento e do dispositivo de PTC do dispositivo de segurança depois que eles foram unidos um ao outro conforme mostrado na fig. 5A, ou o dispositivo de aquecimento e o dispositivo de PTC do dispositivo de segurança são unidos um ao outro depois que o material resistente a erosão/água é colocado ao redor do dispositivo de aquecimento e do dispositivo de PTC do dispositivo de segurança, respectivamente, conforme mostrado na fig. 5B.
As figs. 6A e 6B são vistas esquemáticas ilustrando a relação entre o dispositivo de segurança e a bateria secundária de acordo com outra forma de incorporação da presente invenção. Recorrendo à fig. 6A, uma superfície lateral (superfície de união) do dispositivo de aquecimento 1 é unida a uma superfície lateral (superfície de união) do dispositivo de PTC 2 por meio de um terminal de metal 3 e o outro terminal de metal 3 é conectado a outras superfícies laterais (superfícies opostas) do dispositivo de aquecimento 1 e do dispositivo de PTC 2, respectivamente. O terminal de metal 3 provido entre o dispositivo de aquecimento 1 e o dispositivo de PTC 2 é conectado a uma extremidade do terminal de catodo 11 da bateria secundária. Além disso, o outro terminal de metal 3 provido na outra superfície lateral (superfície oposta) do dispositivo de aquecimento 1 é conectado ao terminal de anodo 12 da bateria secundária de modo que o dispositivo de aquecimento sensível à voltagem 1 fica conectado entre o terminal de catodo 11 e o terminal de anodo 12 da bateria secundária em paralelo. Além disso, uma vez que o terminal de metal 3 provido na outra superfície lateral (superfície oposta) do dispositivo de PTC 2 é conectado à outra extremidade do terminal de catodo 11 da bateria secundária, o dispositivo de PTC 2 é conectado em série à parte mediana do catodo 11 da bateria secundária.
A fig. 6B é uma vista esquemática que ilustra o dispositivo de segurança mostrado na fig. 6A, no qual um material resistente a erosão/água 4 é colocado ao redor do dispositivo de segurança. Neste caso, o dispositivo de aquecimento faz contato físico com o dispositivo de PTC no material resistente a erosão/água 4.
A fig. 7A é uma visão frontal do dispositivo de segurança mostrado na fig. 6. Recorrendo à fig. 7A, uma superfície de união do dispositivo de aquecimento 1 é unida a uma superfície de união do dispositivo de PTC 2 através de um terminal de metal 3. Além disso, outro terminal de metal 3 é conectado a outras superfícies do dispositivo de aquecimento 1 e do dispositivo de PTC 2 opostas às superfícies de união do dispositivo de aquecimento 1 e do dispositivo de PTC 2. A fig. 7B é uma vista de topo do dispositivo de segurança mostrado na fig. 6. Recorrendo à fig. 7B, o dispositivo de aquecimento 1 é conectado ao terminal de catodo 11 da batería secundária através do terminal de metal 3 conectado ao lado esquerdo do dispositivo de aquecimento 1 e é conectado ao terminal de anodo 12 da batería secundária por meio do terminal de metal 3 conectado a uma superfície superior do dispositivo de aquecimento 1 na direção descendente de modo que o dispositivo de aquecimento 1 pode ser conectado em paralelo entre dois terminais da batería secundária. Embora não esteja ilustrado na fig. 7B, o dispositivo de PTC 2 é conectado em série à parte mediana do terminal de catodo da batería secundária por dois terminais de metal conectados aos lados esquerdo e direito do dispositivo de PTC 2.
A fig. 8 é uma visão esquemática que ilustra o dispositivo de segurança acoplado com uma bateria de polímero usando um alojamento tipo bolsa de acordo com a presente invenção. Recorrendo à fig. 8, o dispositivo de PTC 2 é conectado à parte mediana do terminal de catodo 11 e o dispositivo de aquecimento 1 é conectado ao terminal de anodo 12 através do terminal de metal 3 provido na outra superfície do dispositivo de aquecimento 1 unido ao dispositivo de PTC 2. Assim, o dispositivo de aquecimento 1 está conectado em paralelo entre o terminal de catodo 11 e o terminal de anodo 12 da bateria secundária e o dispositivo de PTC está conectado em série à parte mediana do terminal· de catodo 11 da bateria secundária.
A fig. 9A é uma vista frontal do dispositivo de segurança acoplado com uma bateria secundária de tipo quadrado de acordo com a presente invenção, e a fig. 9B é uma vista de tôpo do dispositivo de segurança acoplado com a bateria secundária de tipo quadrado de acordo com a presente invenção. Uma vez que a bateria secundária de tipo quadrado tem um invólucro de bateria recoberto com um material condutivo, tal como alumínio ou uma liga de alumínio, o corpo da bateria secundária de tipo quadrado pode servir como um terminal de catodo. Além disso, um terminal de anodo protrae para cima a partir da extremidade superior da bateria secundária de tipo quadrado. Neste caso, a superfície de união do dispositivo de aquecimento 1 é conectada ao dispositivo de PTC 2 e ao terminal de catodo 11 da bateria secundária de tipo quadrado através do terminal de metal 3 provido na superfície de união do dispositivo de aquecimento 1, e a outra superfície do dispositivo de aquecimento 1 oposta à superfície de união é conectada ao terminal de anodo 12 por meio de outro terminal de metal 3. Além disso, uma extremidade do dispositivo de PTC 2 é conectada ao corpo da bateria através do terminal de metal 3 e a outra extremidade do dispositivo de PTC 2 que forma a superfície de união em relação ao dispositivo de aquecimento 1 é conectada ao corpo da bateria servindo como terminal de catodo.
O dispositivo de segurança da presente invenção pode ser instalado em vários lugares da bateria secundária, tal como na porção interna ou na porção externa do invólucro da batería, em um módulo de circuito protetor, ou em uma placa de circuito impresso (PCB).
Aplicabilidade Industrial
Como descrito acima, o dispositivo de segurança de acordo com a presente invenção pode proteger a bateria secundária de sobrecarga, sobre-voltagem, sobre-corrente e superaquecimento .
Além disso, de acordo com a presente invenção, o dispositivo sensível à temperatura é operado por meio do calor gerado pelo dispositivo de aquecimento sensível à voltagem, que gera o calor quando uma diferença de voltagem entre suas ambas extremidades alcança um pré-determinado nível de voltagem {por exemplo, voltagem de sobrecarga), de forma que a corrente é interrompida antes que a batería secundária fique sujeito a superaquecimento, impedindo assim que a bateria secundária seja danificada ou sobrecarregada.
Além disso, a presente invenção emprega o dispositivo de aquecimento sensível à voltagem capaz de gerar calor antes da voltagem de avalanche para operar o dispositivo sensível à temperatura, quando a bateria secundária é sujeita a sobrecarga, de modo que a corrente de fuga causada pelo dispositivo de aquecimento sensível à voltagem conectado em paralelo aos terminais da bateria secundária pode ser prevenida.

Claims (15)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Dispositivo de segurança para prevenir sobrecarga, caracterizado por compreender:
    um dispositivo de aquecimento sensível à tensão (1) gerando calor quando a diferença de tensão entre ambas suas extremidades excede um pré-determinado nível de tensão; e um dispositivo sensível à temperatura (2) tendo uma função liga/desliga de corrente reversível de acordo com a temperatura, onde o dispositivo sensível à temperatura (2) é acoplado com o dispositivo de aquecimento sensível à tensão (1) de tal forma que o dispositivo sensível à temperatura (2) detecta o calor gerado pelo dispositivo de aquecimento sensível à tensão (1).
  2. 2. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dispositivo sensível à tensão e o dispositivo sensível à temperatura (2) são operados reversivelmente.
  3. 3. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dispositivo sensível à temperatura (2) corta a corrente quando a temperatura de eleva acima de uma pré-determinada temperatura.
  4. 4. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dispositivo sensível à temperatura (2) inclui um dispositivo ou um bimetal com coeficiente de temperatura positivo (PTC - positive temperature coefficient).
  5. 5. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de aquecimento sensível à tensão (1) inclui um diodo zener ou um varistor.
  6. 6. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de aquecimento sensível à tensão (1) gera calor antes que ocorra sua tensão de avalanche e antes que o dispositivo sensível à temperatura (2) seja operado por meio do calor gerado pelo dispositivo de aquecimento sensível à tensão (1) sob uma pré-determinada tensão abaixo da tensão de avalanche.
    Petição 870170067534, de 11/09/2017, pág. 5/11
  7. 7. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a tensão de avalanche do dispositivo de aquecimento sensível à tensão (1) é pelo menos 15% mais alta do que a tensão pré-determinada que faz o dispositivo de aquecimento sensível à tensão (1) gerar o calor para operar o dispositivo sensível à temperatura (2).
  8. 8. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a tensão pré-determinada que faz o dispositivo de aquecimento sensível à tensão (1) gerar o calor para operar o dispositivo sensível à temperatura (2) é mais alta do que a tensão padrão máxima de eletrodomésticos eletrônicos e/ou elétricos equipados com o dispositivo de segurança e mais baixa do que a tensão de avalanche para os eletrodomésticos eletrônicos e/ou elétricos.
  9. 9. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de aquecimento sensível à tensão (1) está conectado em paralelo e o dispositivo sensível à temperatura (2) está conectado em série.
  10. 10. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de aquecimento sensível à tensão (1) faz contato físico com o dispositivo sensível à temperatura (2).
  11. 11. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de aquecimento sensível à tensão (1) gera o calor até que a temperatura do dispositivo sensível à temperatura (2) alcance uma temperatura operacional sob uma pré-determinada tensão que faz o dispositivo de aquecimento sensível à tensão (1) gerar o calor para operar o dispositivo sensível à temperatura (2).
  12. 12. Bateria secundária empregando o dispositivo de segurança conforme definido nas reivindicações 1 a 11, a bateria secundária caracterizada por compreender:
    o dispositivo de segurança tendo um dispositivo de aquecimento sensível à tensão (1) gerando calor quando a diferença de tensão entre suas ambas extremidades excede um prédeterminado nível de tensão e um dispositivo sensível à
    Petição 870170067534, de 11/09/2017, pág. 6/11 temperatura (2) tendo uma função liga/desliga de corrente reversível de acordo com uma temperatura;
    onde o dispositivo sensível à temperatura (2) é acoplado com o dispositivo de aquecimento sensível à tensão (1) de tal modo que o dispositivo sensível à temperatura (2) detecta o calor gerado pelo dispositivo de aquecimento sensível à tensão (1); o dispositivo de aquecimento sensível à tensão (1) está conectado entre um catodo e um anodo da bateria secundária em paralelo e o dispositivo sensível à temperatura (2) está conectado em série com o catodo ou anodo da bateria secundária.
  13. 13. Bateria secundária, de acordo com a reivindicação 12, caracteriz ada pelo fato de que a temperatura crítica do dispositivo sensível à temperatura (2) está em uma faixa de 50 a 150°C.
  14. 14. Bateria secundária, de acordo com a reivindicação 12, caracterizada pelo fato de que a tensão operacional que faz o dispositivo de aquecimento sensível à tensão (1) gerar calor para operar o dispositivo sensível à temperatura (2) está em uma faixa de 4V a 5V.
  15. 15. Bateria secundária, de acordo com a reivindicação 12, caracteriz ada pelo fato de que o valor da corrente de fuga do dispositivo de aquecimento sensível à tensão (1) obtida durante uma hora é menor que 0,05% da capacidade de bateria.
    Petição 870170067534, de 11/09/2017, pág. 7/11
    1/5 temperatura seção de . avalanche ψ seção de corrente de fuga
    0.2
    Φ
    M—'
    C OA Φ
    -0.4
    ;-------- O hkti -Mr* * ’—- 1 ........ tfc >* L Pj ί K vi*· c direção direçãt > L 5.......i í .......... , reversa direta • v<1 ϊ : . Mssek^c ----L.. „,.U i—,— k · •
    voltagem (V) (B)
    2/5
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