CN101517781B - 使用热缩管的安全开关和包括这种开关的二次电池 - Google Patents

Abstract

本说明书公开的是一种安全开关，其包括一个当暴露在超过一预定温度水平的温度中时能够收缩的管(“热缩管”)，其中热缩管的长度可变，以控制电流传导，热缩管的一端是固定的，热缩管的另一端连接到电线连接部，以通过当热缩管因热而变时而引起该热缩管的长度改变，来实现电流传导或电流中断。当电池或电池组暴露在异常环境下，使得电池或电池组的温度超过一预定温度水平时，安全开关的热缩管收缩，以直接中断外部充电电流，由此防止电池或电池组进一步被充电。此外，积聚在电池组电池内的内部能量被强制地消耗，由此根本地防止了电池或电池组的异常工作的进一步发展。因此，确保了电池的安全。

Description

使用热缩管的安全开关和包括这种开关的二次电池

技术领域

本发明涉及一种安全开关，其包括一个当暴露在超过一预定温度水平的温度中时能够收缩的管(“热缩管”)，并且更具体地，涉及一种以下述结构构建的安全开关，在该结构中的热缩管的长度可变，以控制电流传导，热缩管的一端是固定的，而该热缩管的另一端连接到电线连接部，以通过当该热缩管因热而变化时而引起该热缩管的长度改变，从而来实现电流传导或电流中断，借此，当电池的内部温度因该电池的异常工作而过度地升高，导致电池过热时，热缩管收缩以操作该安全开关，以使外部充电电流中断，从而，电池的进一步充电被阻止，由此大大地提高了电池的安全性。

背景技术

随着移动设备被不断开发，并且对这样的移动设备的需求增加，对作为移动设备的能源的电池的需求也急剧地增加。相应地，对满足各种需要的电池也进行了许多研究。

基于电解质的构造，锂二次电池可以被分类为：锂离子电池、锂离子聚合物电池或锂聚合物电池。锂离子电池是一种以下述结构构建的电池：在该结构中具有阴极/分隔板/阳极布置的电极组件被充满锂电解质溶液；锂聚合物电池是一种以下述结构构建的电池：在该结构中固体电解质被用作电解质，以使固体电解质充当分隔板。锂离子聚合物电池是一种介于锂离子电池和锂聚合物电池之间的电池。具体地，锂离子聚合物电池以下述结构构建：在该结构中阴极和阳极被耦合到分隔板，并且它们的耦合区被充满锂电解质溶液。

基于电池壳的形状，锂二次电池可以被分类为：圆柱形电池、棱形电池或袋形电池。圆柱形电池或棱形电池是一种以下述结构构建的电池：在该结构中电极组件被安装在金属容器中。袋形电池是一种以下述结构构建的电池：在该结构中电极组件被安装在由铝薄板制成的袋形壳中。

与这样的电池有关的待解决的主要问题之一是，提高电池的安全性。例如，锂二次电池可以因电池内的高温和高压而爆炸，这可以由电池的异常工作导致，诸如：电池内部短路、电池超过允许的电流和电压的过充电、电池暴露在高温中、电池坠落或电池因外部撞击而变形。

因此，在开发锂二次电池时必须考虑的事情是，确保电池的安全性。已做出多种尝试来确保电池的安全性。例如，日本专利申请公布第2005-285429号公开了一种具有非水电解质的二次电池，其以下述结构构建：热缩树脂被用作一种用于将剪应力施加于阳极集电器的装置，该阳极集电器具有不形成阳极活性材料的区域，在电池过充电期间，当铝-锂合金形成时，在不形成阳极活性材料的区域内，与阴极活性材料相对的那部分的阳极集电器被削弱，借此，通过切断该部分，电流被中断。然而，上述技术具有的问题是，电池的过热一直持续到A1-Li合金形成，从电池外部引入的电流中断仅在合金形成区充分形成以及由此切断集电器之后才是可能的，由此不可能确保电池的可靠工作。

此外，日本专利申请公布第2003-243036号公开了一种圆柱形二次电池，其以下述结构构建：在该结构中由热缩材料制成的绝缘层被布置在芯核(core)与阴极集电环或阳极集电环之间，当电池异常时，电极电流流动，芯核与集电环彼此接触，从而使得电极内的电流被中断。然而，该绝缘层仅对于以一种难以将安全部件安装于电池外部的结构来构造的圆柱形电池有意义。

在另一方面，韩国专利申请公布第2006-0054635号公开了一种包括盖组件的锂二次电池，该锂二次电池具有安全排架(safety bent)和电流中断设备，并以下述结构构建：在该结构中电流中断设备进一步包括以一预定形状形成的热缩膜，该热缩膜的一端固定在外环与绝缘环之间，该热缩膜具有一预定形状的切除部(cutout part)，以允许一双金属件接触安全排架，当电池的温度增加时，该热缩膜使双金属件与安全排架绝缘。然而，根据此技术，热缩膜使双金属件与安全排架绝缘，结果是，当双金属件与安全架二者之一出故障时，电池的工作就不能执行。此外，包括双金属件和安全排架使得制造过程复杂化，并增加了制造成本。

因此，亟需一种设备，用于当电池出现异常时，迅速且灵敏地中断外部充电电流。

发明内容

因此，做出了本发明来解决上述问题和其他仍待解决的技术问题。

作为解决上述问题的许多广泛深入的研究和实验的结果，本发明的发明人开发出一种使用热缩管作为操作设备的安全开关，并发现，当电池的温度超过一预定温度水平时，热缩管收缩，以可靠地中断外部充电电流或强制地消耗积聚在电池组电池内的能量，由此大大地提高了电池的安全性。本发明基于这些发现而完成。

根据本发明的一个方面，上述及其他目标可以通过提供一种安全开关来实现，该安全开关包括一个当暴露在超过一预定温度水平的温度中时能够收缩的管(“热缩管”)，其中热缩管的长度可变，以控制电流传导，热缩管的一端是固定的，而热缩管的另一端连接到电线连接部，以通过当热缩管因热而变化时而引起该热缩管的长度改变，来实现电流传导或电流中断。

具体地，当电池或电池组暴露在异常环境中，使得电池或电池组的温度因该电池或电池组外的温度或因该电池或电池组内产生的热量，而超过一预定温度水平时，热缩管收缩以操作电池的开关。因此，通过电流中断或电流传导，外部充电电流被中断或积聚在电池组电池内的内部能量被消耗，由此电池的安全得到了保障。因此，当电池异常工作时，该安全开关可以迅速且灵敏地高可靠性工作。而且，该安全开关不以电路形式构建，从而即使当电池的电路异常时，该安全开关也可以工作，而不必修改与电池运行相关的电路。

安全开关的热缩管可以以多种结构构建，只要该热缩管在其暴露在超过一预定温度水平的温度中时能够收缩，以使得安全开关可以根据环境温度的改变而被机械地操作。例如，热缩管可以被构建为水平截面为圆形、椭圆形、矩形或三角形。然而，热缩管不局限于上述特定形状。

在一个优选的实施方案中，热缩管被构建为水平截面为椭圆形或矩形中空结构。在此情形下，作为一固定轴的支撑部件在该椭圆形或矩形中空结构内并位于其一侧；连接到电线连接部的可变部件在该椭圆形或矩形中空结构内并位于其另一侧。

因此，当电池或电池组过热时，热缩管收缩，以将电线连接部转换为电流中断状态或电流传导状态。另一方面，当电池组电池的温度因多种原因降低到正常温度水平时，热缩管扩张至它的初始状态，由此使电线连接部恢复到电流传导状态或电流中断状态。

用于热缩管的材料没有特殊限制，只要热缩管具有当其暴露在超过一预定温度水平的温度中时收缩的特性。例如，热缩管可以由选自下述组的一种或多种材料制成：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、乙丙橡胶、异戊橡胶、氯丁橡胶、丁苯橡胶、丁腈橡胶和特富龙(Teflon)。优选地，热缩管是由聚氯乙烯制成。

热缩管开始收缩时的温度可以根据电池的构造而被改变。优选地，热缩管在至少60℃至120℃的温度收缩。通常，锂二次电池在正常状态下工作在低于60℃的温度。为此，热缩管优选地在高于60℃的温度收缩，在该温度时锂二次电池工作异常。另一方面，当锂二次电池的内部温度超过120℃时，锂二次电池可能爆炸。因此，当热缩管在120℃的温度不收缩时，不能确保锂二次电池的安全。

根据本发明的另一方面，提供了一种具有上述构造的安全开关的二次电池，所述安全开关作为当电池过热时确保电池安全的部件(“安全部件”)，并安装在电池组电池的外部。

根据本发明的二次电池可以以多种结构构建。例如，电极组件可以以凝胶卷形(jelly-roll)型结构或堆叠型结构构建。电池可以被安装在圆柱形容器内、棱形容器内、或由包括金属层和树脂层的薄板制成的电池壳内。二次电池的构造在本发明所属的领域内是众所周知的，因此没有给出其详述。

例如，安全开关可以被连接到作为电池组电池的外部输入和输出终端的该电池组电池的阴极终端和/或阳极终端。因此，电线连接部直接连接到电极终端，从而，安全开关迅速且灵敏地工作，以当电池异常工作时允许电池组电池内的电流传导或电流中断。

在一个优选实施方案中，电线连接部在电池组电池正常工作期间处于电流传导(开)，当电池组电池过热时，因安全开关的热缩管收缩，使得电线连接部处于电流中断(关)，因此电流被中断，从而控制了电池组电池的充电条件。在此情形下，安全开关可以被称为充电开关。

具体地，当热缩管因电池组电池过热而收缩，使得电极终端的连接被切断时，处于电流传导(开)状态的电线连接部被转换到电流中断(关)状态。另一方面，当电池组电池的温度因多种原因降至正常温度水平时，热缩管扩张以恢复与电极终端的连接，由此电线连接部回到电流传导(开)状态。

在另一优选实施方案中，电线连接部在电池组电池正常工作期间处于电流中断(关)，当电池过热时，因安全开关的热缩管的收缩，使得电线连接部处于电流传导(开)，由此控制了电池组电池的放电条件。在此情形下，该安全开关可以被称为放电开关。

放电开关的电线连接部与先前描述的充电开关的电线连接部在结构上和工作原理上相反；然而，放电开关的电线连接部与充电开关的电线连接部在通过电池组电池的电流传导而确保电池安全的方面是相同的。

当电池包括放电开关时，电池可以以下述结构构建：在该结构中电线连接部与电池组电池的阴极终端和阳极终端彼此串联，并且至少一个电阻器被连接到电线连接部与相应的电极终端之间。

因此，当电池异常工作，而使得电池过热到临界水平以上时，在放电开关处出现电流传导，从而，在电阻器处也出现电流传导。因此，积聚在电池组电池内的电能被电阻器消耗。

在电线连接部的电流传导期间，电阻器可以发出热量，以消耗电池组电池的电荷能量，由此减少电池组电池内积聚的内部能量。在此情形下，积聚在电池组电池内的大量内部电能通过电流传导被消耗。因此，大量热量可以因电阻器的电阻而从该电阻器产生。为此，需要有效地驱散由在强制放电期间的电流传导所产生的热量，从而，优选地，电阻器被定位在将该发热的影响最小化的电池组电池的外部的区域。

根据情况，可以控制电阻器的阻值，从而控制强制放电的程度。电阻器的阻值可以在一预定范围内被确定，该阻值大于用于连接电阻器的电线的电阻和安全开关的电阻之和，但不要过高。当阻值太小时，会剧烈发热，结果是电池可能因瞬时放电而爆炸。另一方面，当阻值太大时，放电速度降低，结果没有提高电池的安全性。

在一个优选实施方案中，基于电池的容量和电压设置阻值，以使电池的总容量在最短10秒至最长10小时内放完电。因此，允许的阻值范围可以根据电池的电压或电池的容量而改变。

例如，可以设置阻值，以使得电池以720A至0.2A的电流放电，以将根据本发明的安全开关安装到4V/2Ah的电池。在这时，包括电阻器、安全开关和电线的阻值的总阻值必须为5mΩ至20Ω以内。优选地，阻值被设置为使电池在1分钟至2小时内放完电。在此情形下，120A至1A的电流在电池内流动，总阻值被设置为33mΩ至4Ω。而且，如先前所述，需要将安全开关和电线的阻值设置为小于电阻器阻值的一半。

根据本发明的又一方面，提供了一种包括具有上述构造的安全开关的电池组。因此，根据本发明的安全开关可以被应用于小型电池组或者中型或大型电池组，该小型电池组具有一个被安装在该电池组壳体内的电池组电池，该中型或大型电池组以下述结构构建：在该结构中以高集成度堆叠的两个或更多个电池组电池作为单元电池被安装在该电池组壳体内。

特别地，根据本发明的锂二次电池优选地被用作一种单元电池，该单元电池用于具有由过热而严重地引起的安全性相关问题的高输出、大容量电池或电池组。该电池组优选地被用作需要极好的高温储存性能的车辆的电源，例如用作电动车辆或混合动力电动车辆的电源。

附图说明

从下文结合附图的详述中，本发明的上述及其他目标、特征和其他优点将被更清晰地理解，其中：

图1和2是图示根据本发明的一优选实施方案的安全开关(充电开关)的工作原理的典型视图；

图3和4是图示图1所示的充电开关的具体工作原理的典型视图；

图5和6是图示根据本发明的另一优选实施方案的安全开关(放电开关)的工作原理的典型视图；

图7和8是图示图5中所示的放电开关的具体工作原理的典型视图；和

图9和10是分别图示包括图7中所示的放电开关的小型电池组和中型或大型电池组的典型视图。

具体实施方式

现在，将参考附图详述本发明的优选实施方案。然而应注意，本发明的范围并不局限于所图示的实施方案。

图1和2是图示根据本发明的一优选实施方案的安全开关的工作原理的典型视图。具体地，图1图示了电池正常工作期间，在安全开关执行操作之前的安全开关的状态，图2图示了当电池异常工作时，在安全开关执行操作之后的安全开关的状态。为了便于描述，图1和2所示的安全开关在下文将被称为充电开关。

参考图1和2，安全开关200以下述结构构建：在该结构中热缩管212的一侧被支撑轴211固定，热缩管212的另一侧连接到电线连接部210。热缩管212的长度随温度升高而减小。因此，电线连接部210在如图1所示的电池正常工作期间处于电流传导(开)；然而，当如图2所示电池过热时，因热缩管212的收缩，使得电线连接部210电流中断(关)。

图3和4是图示图1中所示的充电开关的具体工作原理的典型视图。具体地，图3图示了电池正常工作期间，在充电开关执行操作之前的充电开关的状态，图4图示了当电池异常工作时，在充电开关执行操作之后的充电开关的状态。

参考图3和4，充电开关200以下述结构构建：在该结构中两个连接终端213和214彼此垂直接触，热缩管212的一端被支撑轴211支撑，热缩管212的另一端被电线连接部210连接到上连接终端213。上连接终端213连接到外部设备或外部输入和输出终端，下连接终端214连接到电池组电池的电极终端(未示出)。因此，仅当上连接终端213与下连接终端214彼此连接时，才实现电池组电池内的电流传导。另一方面，当上连接终端213与下连接终端214彼此被断开时，能够为电池组电池(未示出)充电。

从而，当电池过热引起电池温度过高时，充电开关200的热缩管212因电池的高温而收缩。因此，如图4所示，上连接终端213上升，因此彼此垂直接触的两个连接终端213和214被断开，使得电流被中断。

另一方面，当电池温度下降时，通过逆过程使得电池处于电流传导。

图5和6是图示根据本发明的另一优选实施方案的安全开关的工作原理的典型视图。具体地，图5图示了电池正常工作期间，在安全开关执行操作之前的安全开关的状态，图6图示了当电池异常工作时，在安全开关执行操作之后的安全开关的状态。为了便于描述，图5和6所述的安全开关在下文中被称为放电开关。

参考图5和6，放电开关300以下述结构构建：在该结构中热缩管312的一侧被支撑轴311固定，热缩管312的另一侧连接到电线连接部310。电线连接部310在电池正常工作期间处于电流中断(关)。当电池过热时，因放电开关的热缩管312收缩，使得电线连接部310处于电流传导(开)。

图7和8是图示图5所示的放电开关的具体工作原理的典型视图。具体地，图7图示了在电池正常工作期间，在放电开关执行操作之前的放电开关的状态，图8图示了当电池异常工作时，在放电开关执行操作之后的放电开关的状态。

参考图7和8，放电开关300与图3和4所示的充电开关的操作过程的区别在于：放电开关300的两个连接终端313和314彼此临近，同时当电池正常工作时，该两个连接终端313和314彼此间隔开，即处于电流中断，而当电池异常工作时，连接终端313和314彼此连接。因此，仅当上连接终端313和下连接终端314彼此连接时，积聚在电池组电池内的电能通过电流传导被消耗。

图9和10是图示包括图7所示的放电开关的电池的典型视图。具体地，图9图示了单个电池组电池，其安装有放电开关；图10图示了包括多个电池组电池的中型或大型电池组，这些电池组电池相互堆叠以提供高输出和大容量，该电池组安装有放电开关。

首先参考图9，放电开关300的相对的两端与电池组电池100的阴极110和阳极120串联。在电池组电池100的阳极120与放电开关300之间连接有电阻器220。

参考图10，多个电池组电池101、102、103、104作为单元电池被依次堆叠，放电开关300被安装在单元电池101、102、103、104的外部。放电开关300的一端连接到第一电池组电池101的阳极终端121，放电开关300的另一端连接到第四电池组电池104的阴极终端114。在第一电池组电池101的阳极终端121与放电开关300之间连接有电阻器220。因此，当电池组电池101、102、103、104中的至少一个过热时，在放电开关300内出现电流传导，由此电池组的电能通过电阻器220被消耗。

虽然本发明的优选实施方案已为了说明目的被公开，但是本领域技术人员将理解，多种修改、添加和替换是可能的，而不脱离如附属的权利要求所公开的本发明的范围和精神。

工业实用性

从上文描述明显可见，当二次电池因该电池的异常工作而过热时，安全开关的热缩管收缩，以操作电池开关，由此外部充电电流被中断，因此，电池的进一步充电被阻止。此外，电池的内部能量被电阻器消耗，由此确保了电池的安全。

Claims (15)

1.一种安全开关，其包括一个当暴露在超过一预定温度水平的温度中时能够收缩的热缩管，其中

所述热缩管的长度可变，以控制电流传导，该热缩管的一端是固定的，而该热缩管的另一端连接到电线连接部，以通过当该热缩管因热而变化时而引起该热缩管的长度改变，来实现电流传导或电流中断。

2.根据权利要求1的安全开关，其中所述热缩管被构建为水平截面是椭圆形或矩形中空结构，其中，作为一固定轴的支撑部件在该椭圆形或矩形中空结构内并位于其一侧；以及连接到所述电线连接部的可变部件在所述椭圆形或矩形中空结构内并位于其另一侧。

3.根据权利要求1的安全开关，其中所述热缩管由选自由下述项组成的组的一种或多种材料制成：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、乙丙橡胶、异戊橡胶、氯丁橡胶、丁苯橡胶、丁腈橡胶和特富龙。

4.根据权利要求1的安全开关，其中所述热缩管是由聚氯乙烯制成。

5.根据权利要求1的安全开关，其中所述热缩管在至少60℃至120℃的温度收缩。

6.一种具有根据权利要求1至5的任一项所述的安全开关的二次电池，所述安全开关被作为当电池过热时确保该电池的安全的安全部件，并被安装在电池组电池的外部。

7.根据权利要求6的二次电池，其中所述安全开关被连接到作为所述电池组电池的外部输入和输出终端的该电池组电池的阴极终端和/或阳极终端，通过操作该安全开关，在连接区域的电线连接部允许所述电池组电池内的电流传导或电流中断。

8.根据权利要求7的二次电池，其中所述电线连接部在所述电池组电池的正常工作期间处于电流传导，而当所述电池组电池过热时，因所述安全开关的热缩管的收缩，使得该电线连接部处于电流中断，由此控制所述电池组电池的充电条件。

9.根据权利要求7的二次电池，其中所述电线连接部在所述电池组电池的正常工作期间处于电流中断，而当所述电池组电池过热时，因所述安全开关的热缩管的收缩，使得该电线连接部处于电流传导，由此控制所述电池组电池的放电条件。

10.根据权利要求9的二次电池，其中所述电线连接部将所述电池组电池的阴极终端和阳极终端彼此串联，至少一个电阻器被连接到所述电线连接部与相应的电极终端之间，从而控制所述电池组电池的放电条件。

11.根据权利要求10的二次电池，其中在所述电线连接部的电流传导期间，所述电阻器发出热量，以消耗所述电池组电池的电荷能量。

12.根据权利要求11的二次电池，其中所述电阻器具有使所述电池组电池的总容量在10秒至10小时内放完电的电阻值。

13.一种电池组，包括根据权利要求1至5的任一项所述的安全开关。

14.根据权利要求13的电池组，其中所述电池组包括两个或更多个作为单元电池的电池组电池。

15.根据权利要求14的电池组，其中所述电池组被用作电动车辆或混合动力电动车辆的电源。

Images