CN102315408A

CN102315408A - 可重复使用的热敏电阻过流保护装置及电池模块中的应用

Info

Publication number: CN102315408A
Application number: CN201110298049A
Authority: CN
Inventors: 要智勇; 郑存卫; 关桂龙
Original assignee: BEIJING SHENZHOU YUANWANG TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: BEIJING SHENZHOU YUANWANG TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2011-09-29
Filing date: 2011-09-29
Publication date: 2012-01-11

Abstract

本发明涉及一种可重复使用的可通过大电流的热敏电阻装置及其在电池模块中的应用。该装置为三层复合平板结构，中间层为聚合物型PTC薄膜，两边为导电性良好的铜质或者铝质等的平板，采用热压工艺将薄膜和平板复合成一个整体。平板及薄膜具有数个带孔径和位置相同的通孔，复合后采用绝缘螺钉穿过上下金属平板，用螺母锁紧固定。该装置在电池模块中作为汇流排，下部与电池极耳或由极耳导出的平板连接，上部的金属板上导出正负极极柱。该装置温度在居里温度点以下时做为汇流排正常使用，当电池模块发生外部短路或其它意外导致输出、输入电流忽然大幅度增加时，该装置温度超过居里温度点，电阻最高增加近10000倍，有效保证了安全性和可靠性。

Description

可重复使用的热敏电阻过流保护装置及电池模块中的应用

技术领域：

本发明涉及电池领域，具体涉及大容量电池模块热敏电阻过流保护装置。

背景技术：

目前，储能及交通工具动力领域成为锂离子电池的新型市场。随着该锂离子电池在应用领域的扩展，锂离子电池单体及模块逐渐由小容量、小规模向大容量、大规模方向发展，单体容量由5安时以下发展到1百安时以上，电池使用规模也由几只电池串并联发展到上千只电池串并联。大容量、大规模的锂离子电池应用给锂离子电池带来了新的发展机遇，同时也对锂离子电池的安全性、可靠性提出了更高的要求。

目前，单体电池并联组成的电池模块一般由单体电池、汇流排、外壳、正负极输出端组成。由于锂离子电池的特性，电池在使用时需要配合管理系统使用，避免电池过流、过压使用。小型数码电池容量一般为几十毫安时到五千毫安时，电池保护板中设计串联PTC元件做为过温过流保护装置，已成熟应用。但是在储能及特种动力电池领域中，电池模块容量可达几千安时，输出电流高达上万安培，传统的PTC元器件已远远无法满足要求。而在大电流保护领域经常使用的空开由于体积庞大，导致电池模块结构非常复杂，同时严重影响电池模块的体积比能和重量比能。

电池外部短路，是电池模块存储、使用过程中最容易发生的意外事故，由于输出大幅度超过使用范围的大电流，可能会导致电池损伤，严重会导致电池起火爆炸等事故。

发明内容：

为了解决大容量电池模块安全系数低的缺点，本发明提供了一种可用于电池模块内的具有热敏电阻功能的汇流排装置。其特点在于电池模块中必然要用到的汇流排具有热敏电阻的功能和特性，不需要额外在电池模块内外部串联体积庞大、复杂的断路器等保护装置，在电池短路等故障排除，温度降低后，电池模块可以直接继续使用，无需进行更换和维护。电池模块具有结构简单、性能可靠、维护方便的特点，充分保证了电池在意外大电流输出如外部短路时的电池模块的安全性和可靠性。

为了达到上述发明目的，本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种具有热敏电阻功能和特性的汇流排装置，该装置由金属平板和聚合物型PTC薄膜组成。

本发明提供一种可重复使用的热敏电阻过流保护装置，其特征在于：该装置为三层复合平板结构，中间层为聚合物型正温度系数材料PTC，两边为上下两层金属平板，金属平板采用的铜质或铝质平板；聚合物型正温度系数材料PTC薄膜厚度为0.25mm至2mm，居里温度点在80至120℃之间，升阻比不低于10⁴。

进一步，其特征在于：上下两层金属平板的厚度为2.5mm-6mm之间，金属平板的平面面积与PTC薄膜的面积相同，面积在4000mm²至90000mm²之间。

进一步，其特征在于：采用热压工艺将三层平板进行复合，热压温度为90～150℃，压强为3000-5000Pa，保压时间为5～20min。

所述的可重复使用的热敏电阻过流保护装置的应用，其特征在于：在大容量电池模块中，该装置下层金属平板与电池极耳压接，上部导出极柱，直接作为汇流排使用，在过流时电阻迅速升高，升阻比最高达10000倍，起电池模块过流保护作用。

该装置做为电池模块中的汇流排，下层金属板与电池极耳连接，上层金属板引出电池模块输出极柱，与外部负载相连建，在电池模块输出大幅度超过规定范围的电流时，该装置温度超过居里温度点，电阻显著增加，从而导致电流下降。解决了电池在外部短路等意外时输出、输入规定范围的大电流，电池温度升高导致电池受到伤害，甚至发生起火爆炸等危险的问题。在意外排除后，该装置温度降低，可继续做为汇流排正常使用，无需进行维护或更换。

附图说明

图1过流保护板示意图

图2稳定性测试曲线图

图3电池单元示意图

图4电池模块示意图

图50.1mΩ短路测试短路电路曲线图

图6电池模块不同倍率放电曲线图

具体实施方式

两块金属平板，上平板A和下平板B，平板开有数个的通孔。聚合物型PTC薄膜，面积与金属平板相等，带有与金属平板相同位置，相同孔径的通孔。

将聚合型PTC薄膜放置在两块金属平板之间，两块金属板与PTC薄膜四边、通孔相对应，形成类似三明治结构，如图1所示。在热压机上加热到90-150℃，压强为3000-5000Pa，压力保持时间为5-20min，完成复合，形成上下两层为金属板，中间为聚合物PTC材料的一体结构。将压机卸去压力，冷却后将该复合平板移出，用经过绝缘处理的螺钉将复合平板锁定。

下面结合附图说明本发明的优选实施例。

实施例1：图1为具有热敏电阻功能和特性的汇流排装置结构示意图，如图1实施例所示，该装置包括：

两块紫铜板，上平板A和下平板B，每块厚度为2.5mm，聚合物型PTC薄膜，厚度为0.3mm，居里温度点为85℃，升阻比不低于10⁴，由上海科特有限公司提供。平板A和B、PTC薄膜具有2个带螺纹的通孔。上下平板外形为20*250*2.5mm(W*L*H)，PTC薄膜外形为20*250*0.3mm(W*L*H)，角螺纹孔径为4mm。

将聚合型PTC薄膜放置于两块金属平板之间，两块平板与PTC薄膜四边、及四个孔相对齐。保持位置固定，放置于热压机下层平板处，并在热压机平板处设置两个压机行程定位块，使压机加压后三层复合厚度整体不小于为5.25mm。在热压机上加热到120℃，压强设置为3000Pa，。温度达到后开始加压，压力保持5min。

卸去压力，冷却后将该复合平板移出，用绝缘螺钉通过四个带螺纹的通孔将复合平板锁定。形成上下两层为铜板，中间为聚合物PTC材料的类三明治一体结构。

实施例2：

两块紫铜板，上平板A和下平板B，每块厚度为3mm，聚合物型PTC薄膜，厚度为0.3mm，居里温度点为90℃，升阻比不低于10⁴，由上海科特有限公司提供。平板A和B、PTC薄膜具有4个带螺纹的通孔。上平板外形为100*100*3mm(W*L*H)，PTC薄膜外形为100*100*0.3mm(W*L*H)，螺纹孔径为6mm。

将聚合型PTC薄膜放置于两块金属平板之间，两块平板与PTC薄膜四边、及四个孔相对齐。保持位置固定，放置于热压机下层平板处，并在热压机平板处设置两个压机行程定位块，使压机加压后三层复合厚度整体不小于为6.25mm。在热压机上加热到125℃，压强设置为3500Pa，。温度达到后开始加压，压力保持5min。

卸去压力，冷却后将该复合平板移出，用绝缘螺钉通过四个带螺纹的孔将复合平板锁定。形成上下两层为铜板，中间为聚合物PTC材料的类三明治一体结构。

实施例3：

两块紫铜板，上平板A和下平板B，每块厚度为4mm，聚合物型PTC薄膜，厚度为0.3mm，居里温度点为85℃，升阻比不低于10⁴，由上海科特有限公司提供。平板A和B、PTC薄膜具有4个带螺纹的通孔，且有20个直径为12的通孔。上下平板外形为300*300*4mm(W*L*H)，PTC薄膜外形为300*300*0.3mm(W*L*H)，螺纹孔径为8mm。

将聚合型PTC薄膜放置于两块金属平板之间，两块平板与PTC薄膜四边、及四个孔相对齐。保持位置固定，放置于热压机下层平板处，并在热压机平板处设置两个压机行程定位块，使压机加压后三层复合厚度整体不小于为8.25mm。在热压机上加热到135℃，压强设置为4000Pa，。温度达到后开始加压，压力保持10min。

将优选实施例1、2、3所制的复合平板进行升阻比性能测试，如下表示。

表1升阻比性能测试表

类型	25℃电阻	55℃电阻	120℃电阻	升阻比
					实施例1	0.942mΩ	1.265mΩ	3895.2mΩ	4125
实施例2	0.610mΩ	0.805mΩ	1495.1mΩ	2450
					实施例3	0.051mΩ	0.072mΩ	129.1mΩ	2531

图2为实施例3所做测试500次的数据对比图，纵坐标为电阻，单位为uΩ，横坐标为测试次数，测试条件为室温。图2中曲线B为通过4000A电流时的电阻值曲线图，温度稳定在32-35℃之间，曲线A为通过16000A电流时的电阻值，温度达到120摄氏度所测得电阻值。该图可以看出，在500次测试范围内，常温电阻和120℃电阻数值相对稳定，升阻比基本没有变化。

实施例4：

下图为实施例3在电池模块中的应用示意图：

电池单元由4个500Ah电池单体组合而成。其中电池单体采用压接的方式用上下铜板将电池单体并联，由螺钉穿过铜板后固定，如图3所示。电池单元的底部5个螺钉直径为10mm，螺钉套外径为11mm，高度为8mm，壁厚为1mm的聚四氟乙烯管与汇流排做绝缘保护。4个电池单元装入外壳后，将螺钉穿过实施例3所制汇流排的通孔，加绝缘保护垫片，用螺母锁死后，完成电池单元的并联，组成8000Ah电池模块，如图4所示。

电池模块用0.1mΩ的短路器做短路测试，电池短路电流迅速下降，在10分内降至100安培以下，电池模块趋于稳定，并且过程无泄放、不起火，不爆炸，短路电流曲线如图5所示。其中纵坐标为电流，单位为安培，横坐标为时间，单位为分钟。

短路测试后，温度回复到室温的电池模块在0.2I₁₀、1I₁₀、2I₁₀、5I₁₀、10I₁₀(I₁₀为800A)放电电流下能够平稳放电，放电曲线如图6所示。

本发明的可重复使用的的热敏电阻装置做为电池模块中的汇流排，不影响电池模块地正常输出电性能，同时解决了电池模块在外部短路等意外时输出规定范围的大电流导致电池受到伤害，甚至发生起火爆炸等危险的问题。

Claims

1.可重复使用的热敏电阻过流保护装置，其特征在于：该装置为三层复合平板结构，中间层为聚合物型正温度系数材料PTC，两边为上下两层金属平板，金属平板采用的铜质或铝质平板；聚合物型正温度系数材料PTC薄膜厚度为0.25mm至2mm，居里温度点在80至120℃之间，升阻比不低于10⁴。

2.根据权利要求1所述的可重复使用的热敏电阻过流保护装置，其特征在于：上下两层金属平板的厚度为2.5mm-6mm之间，金属平板的平面面积与PTC薄膜的面积相同，面积在4000mm²至90000mm²之间。

3.根据权利要求1所述的可重复使用的热敏电阻过流保护装置，其特征在于：采用热压工艺将三层平板进行复合，热压温度为90～150℃，压强为3000-5000Pa，保压时间为5～20min。

4.根据权利要求1所述的可重复使用的热敏电阻过流保护装置的应用，其特征在于：在大容量电池模块中，该装置下层金属平板与电池极耳压接，上部导出极柱，直接作为汇流排使用，在过流时电阻迅速升高，升阻比最高达10000倍，起电池模块过流保护作用。