CN103608951B - 钎焊连接器、具有该钎焊连接器的电池模块和包括该电池模块的电池组 - Google Patents

Abstract

根据本发明的钎焊连接器将多个单元电池电连接，并且包括含有锡（Sn）和铜（Cu）的无铅合金。根据本发明，当由于二次电池的故障而发生过热时，通过在较低的温度和电流范围中快速地断开在构成电池模块的单元电池之间的电连接，确保了使用二次电池的安全性。

Description

钎焊连接器、具有该钎焊连接器的电池模块和包括该电池模 块的电池组

技术领域

本发明涉及一种二次电池技术，并且更具体地，涉及一种改善使用二次电池的安全性的钎焊连接器(soldering connector)，以及一种具有该钎焊连接器的电池模块和一种包括该电池模块的电池组。

本申请要求于2011年6月17日在韩国提交的韩国专利申请No.10-2011-0059254的优先权，其公开在此通过引用并入本文。

另外，本申请要求于2012年6月18日在韩国提交的韩国专利申请No.10-2012-0065094的优先权，其公开在此通过引用并入本文。

背景技术

随着便携式电子产品诸如摄影机、移动电话、便携式PC等的使用的增多，二次电池通常被用作主电源，并且因此二次电池的重要性正在增长。

不象不能再充电的原电池那样，关于能够充电和放电的二次电池进行了广泛的研究从而它们可以在在高科技工业中正在快速发展的数字照相机、移动电话、膝上型计算机、电动工具、电动自行车、电动车辆、混合动力电动车辆、大容量电力存储设备等中使用。

特别地，因为与其它二次电池诸如铅蓄电池、NiCd电池、NiMH电池、锂锌电池等相比较，锂二次电池具有每单位重量更高的能量密度并且能够快速地充电，所以锂二次电池的使用正在增多。

锂二次电池具有3.6V或者更大的操作电压，并且被用作便携式电气设备的电源，或者多个锂二次电池被串联或者并联连接以在高功率电动车辆、混合动力电动车辆、动力工具、电动自行车、电力存储设备、UPS等中使用。

而且，因为锂二次电池具有比NiCd电池或者NiMH电池的操作电压高三倍的操作电压并且具有优良的每单位重量能量密度特性，所以锂二次电池的使用正在广泛地扩大。

根据电解质的类型，锂二次电池被分类成使用液体电解质的锂离子电池和使用聚合物固体电解质的锂离子聚合物电池。根据聚合物固体电解质的类型，锂离子聚合物电池还被划分成两个类型的电池：不包含任何电解质溶液的全固体锂离子聚合物电池和包含电解质溶液并使用凝胶型聚合物电解质的锂离子聚合物电池。

通常，使用液体电解质的锂离子电池被接收在柱形或者棱形金属罐形容器中并且被以密闭方式密封以进行使用。然而，因为使用金属罐形容器的罐式二次电池的形状是固定的，所以具有作为电源的罐式二次电池的电子产品的设计受到限制，并且难以减小它的体积。相应地，通过在由薄膜制成的袋包装中接收电极组件和电解质，随后进行密封而制造的袋式锂二次电池已经得到研制和使用。

然而，当锂二次电池过热时，可能存在爆炸危险的可能性，从而确保二次电池的安全性是必须的。锂二次电池的过热是由各种因素引起的。因素之一是在锂二次电池中存在过电流。即，如果过电流通过锂二次电池流动，则通过焦耳加热产生热，并且因此电池的内部温度快速地增加。温度的这种增加引起电解质的分解反应，这导致热运行，从而引起电池不可避免地爆炸。当尖锐的金属物穿过锂二次电池时，或者如果通过被置入阴极板和阳极板之间的分隔物的收缩在阴极板和阳极板之间的绝缘体受到破坏，或者如果由于异常充电电路或者被连接到外部的负载而使冲流施加到电池，则过电流发生。

为了针对异常诸如过电流保护锂二次电池，电池通常在使用之前被联接到保护电路，并且保护电路包括不可逆地断开充电或者放电电流流过的线路的熔丝元件。

图1是示出在与具有锂二次电池的电池组联接的保护电路的构造中熔丝元件的布置结构和操作机构的电路图。

如在图1中所示，保护电路包括用于当过电流发生时保护电池组的熔丝元件1、用于感测过电流的感测电阻器2、用于监视过电流的产生并且当过电流发生时操作熔丝元件1的微控制器3和用于切换操作电流流入熔丝元件1中的开关4。

熔丝元件1被安装在连接到电池组的最外面端子的主线路中。主线路是充电电流或者放电电流流过的导线。图1示出熔丝元件1被安装在高电压线路（Pack+）中。

熔丝元件1具有三个端子，在这些端子之中，两个端子与充电或者放电电流流过的主线路接触，而其余一个端子与开关4接触。而且，熔丝元件1包括被与主线路串联连接并且在预定温度下熔化的熔丝1a和向熔丝1a施加热的电阻器1b。

微控制器3通过定期地检测感测电阻器2的两端的电压而监视过电流是否发生，并且当确定过电流发生时，微控制器3接通开关4。然后，在主线路中流动的电流绕开熔丝元件1并且被施加到电阻器1b。由此，从电阻器1b产生的焦耳热被传导到熔丝1a以增加熔丝1a的温度，并且当熔丝1a的温度达到熔化温度时，熔丝1a熔化，并且因此主线路被不可逆地断开。当主线路被断开时，过电流不再流动，由此克服与过电流相关联的问题。

然而，在上述常规技术中存在很多问题。即，如果微控制器3存在问题，则即使当过电流发生时，开关4也可能不接通。在此情形中，因为电流并不流入熔丝元件1的电阻器1b中，所以存在熔丝元件1将不操作的问题。另外，在保护电路中单独地要求用于置放熔丝元件1的空间，并且用于控制熔丝元件1的操作的程序算法必须在微控制器3中加载。结果，保护电路的空间效率降低并且微控制器3的负载增加。

发明内容

技术问题

本发明被设计用于解决现有技术的问题，并且因此本发明的一个目的在于提供一种钎焊连接器，该钎焊连接器在包括电池模块的二次电池中使用，以当由于异常而使温度增加时，容易地中断在单元电池之间的电连接，由此确保电池的安全性；一种具有该钎焊连接器的电池模块；和一种包括该电池模块的电池组。

然而，本发明不限于上述技术问题，并且根据以下说明，本领域技术人员可以理解其它技术问题。

技术方案

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供一种用于使多个单元电池相互电连接的钎焊连接器，该钎焊连接器包括包含锡（Sn）和铜（Cu）的无铅合金。

根据本发明，该钎焊连接器可以具有100℃到250℃的熔点。

优选地，锡的含量可以是80wt%到99.9wt%并且铜的含量可以是0.01wt%到20wt%。

可选地，该钎焊连接器可以进一步包括选自镍（Ni）、锌（Zn）和银（Ag）的至少一种另外的金属。

优选地，该另外的金属的含量可以是0.01wt%到10wt%。

为了实现上述目的，根据本发明的另一个方面，提供一种电池模块，该电池模块包括：多个单元电池，该多个单元电池相互串联、并联或者串联和并联连接；和钎焊连接器，该钎焊连接器用于使在该多个单元电池中的至少一对单元电池电连接，该钎焊连接器包括含有Sn和Cu的无铅合金。

每一个单元电池可以具有一对电极引线，所述一对电极引线包括由铜材料或者涂敷有镍的铜制成的阳极引线；和由铝材料制成的阴极引线。

根据本发明，选自该多个单元电池的第一单元电池的电极引线中的任何一根和与第一单元电池相邻的第二单元电池的电极引线中的任何一根可以直接地相互连接，或者通过钎焊连接器连接。

该钎焊连接器可以具有100℃到250℃的熔点。

优选地，锡的含量可以是80wt%到99.9wt%并且铜的含量可以是0.01wt%到20wt%。

可选地，钎焊连接器可以进一步包括选自镍（Ni）、锌（Zn）和银（Ag）中的至少一种另外的金属。

优选地，该另外的金属的含量可以是0.01wt%到10wt%。

可以通过使用超声波焊接或者激光焊接执行在钎焊连接器和电极引线中的任何一根之间的联接和在电极引线之间的联接。

同时，为了实现在根据本发明的又一个方面中描述的目的，提供一种电池组，该电池组包括相互串联、并联或者串联和并联连接的多个电池模块。

该电池组可以被用作如下设备的电源，该设备包括：动力工具；包括电动车辆（EV）、混合动力电动车辆（HEV）和插电式混合动力电动车辆（PHEV）的利用电力提供动力的车辆；电动卡车(electric trucks)；或者电力存储设备。

有利效果

根据本发明，当由于其故障二次电池过热时，在于电池模块中包括的单元电池之间的电连接在相对低的温度和电流范围下快速地断开，由此确保二次电池的安全性。

附图说明

参考附图，根据实施例的以下说明，本发明的其它目的和方面将变得显而易见，在附图中：

图1是示出联接有电池模块的保护电路的构造中的熔丝元件的布置结构和操作机构的电路图；

图2是示出使用根据本发明的实施例的钎焊连接器的电池单元的平面视图；

图3是示出图2的区域A的部分放大视图；

图4是示出图3的钎焊连接器的改进实施例的部分放大视图；

图5是示出根据本发明的实施例的电池模块的透视图；

图6是示出根据本发明的实施例的电池组的透视图；

图7是根据本发明从短路测试获得的示出随着时间的电流测量值的曲线图；

图8是根据本发明从短路测试获得的示出随着时间的温度测量值的曲线图；并且

图9是根据本发明根据抗拉强度评价测试获得的示出根据铜含量的抗拉强度特性的曲线图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图详细描述本发明的优选实施例。在描述之前，应该理解，在说明书和所附权利要求中使用的术语不应该被理解成限制于通常的和字典的含义，而是根据允许本发明人为了最佳解释而适当地定义术语的原则，基于对应于本发明的技术方面的含义和概念解释的。因此，在此处给出的描述只是仅用于图示目的的优选实例，而非旨在限制本公开的范围，从而应该理解，能够在不偏离本公开的精神和范围的情况下，对于本公开实施其它等价物和变型。

图2是示出使用根据本发明的实施例的钎焊连接器的电池单元的平面视图，图3是示出图2的区域A的部分放大视图，并且图4是示出图3的钎焊连接器的改进实施例的部分放大视图。

参考图2，根据本发明的实施例的钎焊连接器10被连接在电极引线21、22之间，该电极引线21、22设置于在被相互电连接以在电池单元30中包括的多个单元电池20中的至少一对单元电池20中的每一个中。在此情形中，钎焊连接器10可以通过使用包括超声波焊接、激光焊接等的各种已知方法而被联接到电极引线21、22。图2仅示出通过使用钎焊连接器10实施在电极引线21、22之间的所有的电连接的实施例，但是本发明不限于此。即，可以仅电极引线21、22的一部分通过使用钎焊连接器10而被联接，并且其余部分可以在其间直接地相互连接。

在电极引线21、22中，阴极引线21可以由铝（Al）制成并且阳极引线22可以由铜（Cu）或者涂敷镍的铜制成，而钎焊连接器10由具有比电极引线21、22的熔点低的熔点的材料制成。

相应地，当过电流在该多个单元电池10被相互串联、并联或者串联和并联连接的电池单元30中流动时，钎焊连接器10可以快速地熔化，由此中断部分或者全部电流。

特别地，替代对于环境和人体有毒的铅（Pb），钎焊连接器10由包含锡（Sn）和铜（Cu）的环境友好合金制成。根据成分的含量比，钎焊连接器10的熔点是约100到250℃。

考虑到旨在中断的过电流水平地设定钎焊连接器10的熔点范围。如果钎焊连接器10的熔点小于100℃，则尽管是常规的电流，但钎焊连接器10仍然可以熔化。例如，如果在车辆中使用应用有钎焊连接器10的二次电池，则钎焊连接器10可以由于快速的充电和放电电流而熔化。而且，如果钎焊连接器10的熔点高于250℃，则尽管是过电流，钎焊连接器10仍然可以不那么快速地熔化，从而使得难以有效地中断所产生的过电流。

在钎焊连接器10的成分中，锡影响钎焊连接器10的熔点和抗拉强度特性。为了使得钎焊连接器10具有在100到250℃的范围中的熔点并且还具有优秀的抗拉强度特性，锡的含量在80到99.9wt%，优选地92到96wt%的范围中调节。铜的功能用于改进钎焊连接器10的导电性，从而铜的含量在0.01到20wt%，优选地4到8wt%的范围中调节。在此处使用的wt%是基于在钎焊连接器10中包括的材料的总重量的单位并且在下面具有相同的含义。

如上所述，通过在诸如以上的范围中调节锡和铜的含量，不仅钎焊连接器10实现了优秀的抗拉强度而且由于钎焊连接器10引起的电阻的增加还可以被抑制在百分之几的低水平内。

为了具有甚至进一步得到改进的性质，除了锡和铜，钎焊连接器10可以包括作为另外的合金成分的具有优良导电性的金属诸如镍（Ni）、银（Ag）、锌（Zn）等。基于在钎焊连接器10中包括的材料的总重量，该另外的合金成分的含量优选地是0.01到10wt%。

同时，参考图3和4，钎焊连接器10具有包括“-”或者“”的各种形状。

换言之，因为与电极引线21、22中的每一个联接的一对联接部分11通过连接部分12连接并且在其间的连接部被弯曲，所以钎焊连接器10的总体形状可以是大致“”形状（见图3）。

而且，因为联接部分11中的每一个通过直线的方式延伸而被连接到连接部分12，所以钎焊连接器10的总体形状可以是大致“-”形状。在此情形中，电极引线21、22的端部沿着电极引线21、22的延伸方向大致竖直地弯曲并且端部可以被联接到钎焊连接器10的联接部分11。

图3和4的钎焊连接器10的形状只是用于示意，并且钎焊连接器10的形状不限于此。即，根据与电极引线21、22的位置关系和电极引线21、22的形状，钎焊连接器10的形状是可变的。

图5是示出根据本发明的实施例的电池模块的透视图。

参考图5，根据本发明的实施例的电池模块M包括电池单元30、汇流条40、外壳50和外部端子60。

在电池单元30中，通过应用根据本发明的实施例的钎焊连接器10，如上所述，多个单元电池20被相互连接。

汇流条40被连接到位于电池单元30的两侧的最外面的壳处的电极引线21、22中的每一根，并且因此汇流条40被电连接到电池单元30。

连接到汇流条40的电池单元30被接收在外壳50的内侧以将汇流条40置于外壳50的外侧处，并且汇流条40被连接到在外壳50处安装的外部端子60以在电池单元30和外部端子60之间实施电连接。

图6是示出根据本发明的实施例的电池组的透视图。

参考图6，通过串联、并联或者串联和并联地利用连接杆70连接多个电池模块M而获得根据本发明的实施例的电池组P。

例如，作为如下设备的电源，即，该设备是动力工具；包括电动车辆（EV）、混合动力电动车辆（HEV）和插电式混合动力电动车辆（PHEV）的利用电力提供动力的车辆；电动卡车；或者电力存储设备，这种电池组P能够被不同地使用。

如上所述，根据本发明的实施例的钎焊连接器10由具有比电极引线21、22的熔点低的熔点的材料制成，从而如果使用电池模块M和电池组P，则由过度充电或者短路引起的过电流的发生使得钎焊连接器快速地断裂，由此中断部分或者全部电流。因此，钎焊连接器10确保二次电池诸如电池模块M、电池组P等的安全性。

另外，钎焊连接器10具有优良的与电极引线21、22焊接的特性，并且可以将二次电池中的电阻的增加抑制在百分之几的低水平内。

在下文中，使用实例更详细地解释本发明。然而，可以用各种方式改进以下实例，并且本发明不应该被解释成限制于此。

实例1

从Ecojoin有限公司购买并且使用构成钎焊连接器的金属合金。该金属合金包括96%的锡和4%的铜。

用于PHEV/EV电池的八个单元电池均被提供，并且1到8号单元电池被串联连接以制造电池模块。此时，执行激光焊接从而将阳极引线和与其相邻的阴极引线相互电连接。为了连接4号单元电池的阴极引线和5号单元电池的与4号单元电池邻近的阳极引线，利用包括所购买的合金的钎焊连接器（具有40mm的长度的“”形连接器）执行激光焊接。在以下条件下执行激光焊接，即，3.5kV的能量被施加到阳极电极部，并且在阴极电极部中施加2.8kV的能量。

实例2

除了包括购买的合金的钎焊连接器被进一步用于连接2号单元电池的阴极引线和3号单元电池的与2号单元电池邻近的阳极引线之外，重复实例1的过程，以制造电池模块。

实例3

除了包括购买的合金的钎焊连接器被进一步用于连接6号单元电池的阴极引线和7号单元电池的与6号单元电池邻近的阳极引线之外，重复实例2的过程，以制造电池模块。

实例4到6

除了使用具有99.4%的锡、0.5%的铜和0.1%的镍的金属合金（Ecojoin有限公司）之外，重复实例1到3的过程，以制造电池模块。

比较例

除了完全不使用包括购买的金属合金的钎焊连接器之外，重复实例1的过程，以制造电池模块。

试验例1：电池模块的过度充电测试

为了评价根据本发明制造并且具有带有低熔点和高传导性的钎焊连接器的电池模块的安全性，执行以下试验。

使用在实例1到6和比较例中制造的电池模块，并且在10V/1A的条件下每一个电池模块被过度充电。每一个电池模块的状态在以下表格1中示出。

根据测试结果，当比较例的电池模块被过度充电时，包括该模块的电池的温度急剧地增加，由此导致电池点火和爆炸。然而，使用具有低熔点和高传导性的钎焊连接器的根据本发明的实例的电池模块，呈现了它们的安全性（见表格1）。相应地，能够理解，根据本发明的电池模块包括钎焊连接器，从而即使电池由于其故障而被加热也中断在电极引线之间的电连接，由此中断在电池模块水平中的电力的流动并在较低的温度和低电流范围中快速地产生断开条件，由此电池的电气和热安全性得以实现。

表格1

	点火	爆炸	烟雾
				实例1	X	x	x
实例2	X	x	x
				实例3	X	x	x
实例4	X	x	x
				实例5	X	x	x
实例6	X	x	x
				比较例	O	o	o

试验例2：电池模块的短路测试

为了测试使用根据本发明的钎焊连接器的电池模块的在电池模块的电极引线中的安全性，在过电流情况下执行短路测试。

实例1和2的电池模块被完全地充电至SOC（荷电状态）100%，并且阴极和阳极被相互连接以形成短路条件。在形成短路条件之后，以预定时间间隔测量短路电流，并且在钎焊连接器处和单元电池的本体的中央处观察随着时间的温度变化。关于短路电流和温度的监视结果在图7和8中示出。

如在图7中所示，实例1和2的电池模块这两者的短路电流急剧地增加到1465A，在短路条件形成之后的一秒内在钎焊连接器中产生断裂，并且因此短路电流降低为零。在钎焊连接器中的断裂意味着在钎焊连接器中包括的合金的温度快速地升高，直至达到其熔化温度。

而且，如在图8中所示，确认了即使实例1和2的电池模块这两者的短路电流已经急剧地增加，构成电池模块的单元电池的温度也不大地改变，并且钎焊连接器的温度在过电流发生之后增加了大约18℃并且然后在一分钟内恢复到室温。

关于比较例的电池模块同样地执行短路测试。基于测试结果，确认了单元电池的温度在两分钟内急剧地增加到100℃或者更高，并且包括单元电池的袋的密封部分打开以排放气体。在气体排放之后，单元电池的温度被维持为约60℃。

基于用于实例1和2的电池模块的这种测试的结果，能够理解，一旦短路电流发生，钎焊连接器的断裂便将过电流中断，并且仅在钎焊连接器的断裂部分处，温度局部地从100增加到250℃，从而过电流的产生并不实质性地影响构成电池模块的单元电池。

因此，确认了如果根据本发明的钎焊连接器被应用于二次电池诸如电池模块等，则能够在过电流情况下改善二次电池的安全性。

试验例3：二次电池构件的抗拉强度特性的评价测试

为了评价根据本发明的实施例的钎焊连接器的抗拉强度特性，执行以下测试。

首先，测量在根据本发明的实施例的钎焊连接器和构成电极引线的金属板之间的焊接强度。

样品1

带有1cm的宽度、4cm的长度和0.5mm的厚度的铜基板，和包括带有1cm的宽度、4cm的长度和0.5mm的厚度且具有69wt%的锡和4wt%的铜的合金的钎焊连接器被以3mm重叠，并且然后，沿着重叠部分的中心利用激光执行线焊接，以制造样品1。

样品2

带有1cm的宽度、4cm的长度和0.5mm的厚度的铜基板，和带有1cm的宽度、4cm的长度和0.2mm的厚度的铝基板被以3mm重叠，并且然后，类似样品1地沿着重叠部分的中心利用激光执行线焊接，以制造样品2。

在样品1和2得以制备之后，利用万能试验机（UTM）测量每一个样品的抗拉强度。结果，样品1的抗拉强度是233.2N，并且样品2的抗拉强度是150.9N，并且认识到样品1具有比样品2的抗拉强度高约54.5%的抗拉强度。相应地，确认了在根据本发明的钎焊连接器中使用的合金具有优良的与电极引线焊接的特性。

接着，对于包括锡和铜的钎焊连接器，根据铜含量的变化评价抗拉强度特性的变化。为了实现这一点，铜含量分别地被调节为4wt%、6wt%、8wt%、10wt%、15wt%和20wt%的六个样品得以制备并且被命名为样品3到8。

样品3到8被制备为具有相同的厚度、宽度和长度，即0.5mm的厚度、1cm的宽度和5cm的长度，并且利用UTM测量每一个样品的抗拉强度。测量结果在图9中示出。

如在图9中所示，认识到包括具有4到8wt%的铜含量的合金的钎焊连接器呈现最高的抗拉强度。然而，通过样品1和2的抗拉强度测量测试，确认了具有4wt%的铜含量的钎焊连接器具有优良的与电极引线焊接的特性。相应地，明显的是，具有4到8wt%的铜含量的钎焊连接器也具有优良的与电极引线焊接的特性。而且，如果铜的含量小于4wt%，则具有良好的抗拉强度特性的锡的含量相对地增加。因此，即使不进行直接测量，也明显的是，铜的含量小于4wt%的情形的抗拉强度水平类似于铜的含量从4到8wt%的情形的抗拉强度水平。

同时，确认了如果铜的含量增加到10到20wt%，则与铜的含量处于4到8wt%的范围中的情形相比较，抗拉强度降低一点。然而，因为抗拉强度的降低是微小的，所以如在本技术领域中明显地，即使具有10到20wt%的铜含量的合金也具有能够应用于根据本发明的钎焊连接器的足够的抗拉强度。

工业实用性

已经详细描述了本发明。然而，应该理解，在示意本公开的优选实施例时，详细说明和具体实例是仅通过图示给出的，这是因为对于本领域技术人员而言，根据该详细说明，在本公开的精神和范围内的各种变化和变型将变得显而易见。

Claims (6)

1.一种电池模块，包括：

多个单元电池，所述多个单元电池相互串联连接、并联连接或者串联和并联连接；以及

钎焊连接器，所述钎焊连接器用于将在所述多个单元电池中的至少一对单元电池电连接，所述钎焊连接器包括含有锡(Sn)和铜(Cu)的无铅合金，

其中，锡的含量是92wt％到96wt％，并且铜的含量是4wt％到8wt％，

其中，所述单元电池中的每一个包括一对电极引线，

其中，从所述多个单元电池中选择的第一单元电池的所述电极引线中的任何一根和与所述第一单元电池相邻的第二单元电池的所述电极引线中的任何一根直接地相互连接，或者通过所述钎焊连接器连接，并且

其中，所述钎焊连接器由具有比所述电极引线的熔点低的熔点的材料制成，并且当过电流在所述单元电池中流动时通过熔化来中断所述单元电池之间的电连接，所述材料具有100℃到250℃的熔点。

2.根据权利要求1所述的电池模块，其中，所述一对电极引线包括由铜材料或者涂敷有镍的铜制成的阳极引线和由铝材料制成的阴极引线。

3.根据权利要求1所述的电池模块，其中，所述钎焊连接器进一步包括从镍、锌和银中选择的至少一种另外的金属。

4.根据权利要求1所述的电池模块，其中，通过使用超声波焊接或者激光焊接，执行在所述电极引线中的任何一根与所述钎焊连接器之间的联接以及在所述电极引线之间的联接。

5.一种电池组，包括多个根据权利要求1到4中任一项所述的电池模块，其中，所述电池模块相互串联连接、并联连接或者串联和并联连接。

6.根据权利要求5所述的电池组，所述电池组被用作如下设备的电源：电动工具；利用电力提供动力的车辆；或者电力存储设备。