CN107437635A - 一种内置气体发生装置的锂离子电池 - Google Patents
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Abstract
一种内置气体发生装置的锂离子电池。本申请公开了一种锂离子电池，其内部有气体发生装置。所述气体发生装置包含产气物质和触发电路。所述触发电路以所述电池为电源，所述触发电路读取所述锂离子电池的电压、充放电电流、温度、气压、和内部气氛来决定是否触发所述气体发生装置。如果所读到的电池电压值或其它参数值或这些数值的变化率，或所得到的数值组合超出预定范围，即启动气体发生装置，产生气体，并由高气压推动安全装置起作用。本申请的益处是，不用将产气物质混合到电极活性材料中，因而不会因为产气物质而恶化电池的电化学性能，且能起到的安全保护范围更广泛。
Description
技术领域
本申请涉及动力锂离子电池安全技术。更具体地说是通过在锂离子电池内部置入一个产气装置来提高动力锂离子电池组安全性的方法，主要应用于新能源汽车动力电池领域。
背景技术
锂离子电池以其能量密度高，循环寿命长，所用材料环境友好而成为新能源汽车的优选动力源，然而，恰由于能量密度高，大容量的车用动力锂离子电池组，存在不可忽视的安全风险，比如，锂离子电池在过充，或发生内短路的时候有发生热失控，从而燃烧爆炸的风险。
过充是影响离子电池安全的关键问题。在过充状态下，电池的正极和负极，都处于不稳定的高能状态，尤其是比如三元锂离子电池的正极，在过充状态下容易析出氧气产生副反应，严重时甚至会起火爆炸，所以防止离子电池的过充就显得非常必要。尽管在电池管理系统里面，都会有防止过充的机制，但是系统可能会因为不可预知的软硬件故障导致电池管理系统无法在过充时按照预想断开充电电路，所以在电池管理系统之外设置过充断路机制，在电池发生过充时及时将电池的一极或两极从充电电路中断开，以避免持续过充导致电池发生热失控是公知的技术准则。公知的技术方案是在电解液和电极材料中加入可以在电池过充时产生气体的物质，比如在正极材料中加入碳酸锂。锂离子电池在过充状态下，正极的电化学电位升高，碳酸锂在高电化学电位下，会放出二氧化碳，从而使电池内部的气压升高，利用升高的气压推动机械机构动作从而终止充电过程。所述机械机构可以分为两类，一种是利用升高的内部气压推动弹性部件变形将电路中有预制刻痕的部位拉断从而断开电路；另一种是利用内部气压推动一个弹性金属膜片翻转使电池壳体两极柱通过一个阻值很小的电阻放电从而将电池卷芯极耳与极柱相连部位电路中较细的一段相当于保险丝功能的位置烧断，烧断后电池卷芯脱离了放电或充电回路，而电池壳体两极柱处于短路状态保证了串联电池组依然可以持续对外供电，从而保证了车辆不会面临突然失去主电源的危险。这种在电极材料中添加产气物质方式的缺点在于：首先产气添加剂对电池的电化学性能有害，会降低能量密度并且增加内阻；其次由于机械机构参数的离散性，这种方式也很难保证机械机构触发点的准确性。
除了过充导致的电压过高之外，还有其他一些参数，当它们超出安全范围的时候，意味着锂离子电池处于不安全状态，这个时候将该节锂离子电池卷芯从电池组放电或充电回路中断开是一个优选的方案。所述的不安全状况包括但不限于电压过低，电压变化速率过大，充电或放电电流过大，温度过高，温度变化速率过大，电池内部气压过高，电池内部气压过低，电池内部气压变化速率过大。前述公知的过充产气触发断路技术只能在电压过高的情况下起到保护作用，对电压过低的情况不能响应，对温度，电池内部气压等参数也不能响应。
发明内容
本申请的目的之一在于针对现有技术的不足，提供一种产气装置，从而无需在电极材料中加入产气物质，且所述产气装置在电池过充时，被触发起作用的动作点更精确。
本申请的另一个目的在于提供一种安全装置在电池发生电压过低，电压变化速率过大，充电或放电电流过大，温度过高，温度变化速率过大，电池内部气压过高，电池内部气压过低，或电池内部气压变化速率过大的状况时，将有安全风险的电池卷芯从电池组放电或充电回路中断开。
为了达到上述目的，本申请采用如下技术方案：在电池内部置入产气装置，所述产气装置包括控制电路和产气物质，所述产气物质可以通过物理相变或化学反应的方式产生气体，可选的，所述产气物质为硝酸纤维和氢氧化铝的混合物，硝酸纤维在引发后通过化学反应产生气体，氢氧化铝在高温下分解能够吸收热量，降低所产生气体的温度。所述控制电路以所述电池为电源，可选的，所述电池的电压也是控制电路的输入信号，所述电压超过门限值，控制电路即加热产气物质，产生气体使气压升高，推动机械机构动作，使电池壳体两极柱短路同时将电池卷芯极耳与极柱相连电路中较细的一段相当于保险丝功能的位置烧断，从而使所述电池卷芯脱离放电或充电回路，以保证安全。
作为本申请的一种改进，所述控制电路包含微处理器和多个传感器，所述微处理器有多个模数转换通道，所述模数转换通道可以读取所述电池的电压值或所述传感器输出的模拟量。所述传感器包括但不限于电流传感器、温度传感器、气压传感器、和化学传感器。所述微处理器反复循环读取所述电池的电压值和所述各个传感器输出模拟量的值，如果所读到的任一传感器输出的数值或数值的变化率，或所读到的数据组合超出预定范围，即由所述微处理器发出控制信号，通过所述控制电路加热引发所述产气物质。
作为本申请的一种改进，所述产气物质被置于一个所述锂离子电池壳体内小体积的气密空间中，所述气密空间的一个面是所述弹性翻转片，所述产气物质被引发后所产生的气体被限制于所述密闭空间中，并不扩散到所述电池内部的全部自由空间中，所述气体膨胀做功释放的能量大部分用于推动所述弹性翻转片翻转，这样做可以减少所述产气物质的用量并且有更高安全性，因为产气过程产生的热量更小并且热量向所述电池卷芯扩散的更少更慢。
本申请的有益效果是：产气物质单独存在，不参与电化学反应，因而不会恶化电池的电化学性能；针对过充电情况通过监控电压来触发断路装置，触发点准确；所述控制电路可以包含多种传感器，对多种信号、信号的变化速率、和多个信号的组合作出响应，因而安全保护范围更全面。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本申请及其有益技术效果进行详细说明，其中：
图1所示为完整电池壳体轴测图；
图2所示为本申请实施例1电池顶盖剖视图；
图3所示为本申请实施例1电池顶盖剖视图的局部放大视图；
图4所示为本申请实施例1电池顶盖的爆炸视图；
图5所示为本申请实施例1产气装置控制电路原理图；
图6所示为本申请实施例2电池顶盖剖视图的局部放大视图；
图7所示为本申请实施例2产气装置控制电路原理图。
具体实施方式
以下通过具体实施例并结合附图对本申请作进一步说明，但本申请并不限于以下实施例。
所述方法如无特别说明，均为常规方法，所述材料如无特别说明，均能从公开商业途径购买得到。
实施例1
如图1所示的完整电池壳体，其中1电池下壳体，2电池顶盖，3正极极柱，4负极极柱，5注液孔，6防爆阀；图2 所示为电池顶盖剖视图，所述剖视图更清晰的展示了电池顶盖的结构，其中31正极极柱上部，32正积极住下部，41负极极柱上部，42负极极柱下部，71产气头，72产气头正电源线，73产气头负电源线，8弹性翻转片；图3所示为电池顶盖剖视图的局部放大视图，图3展示了本实施例的关键结构细节，其中711产气头底含电路板，712引发头，713产气物质，714产气头壳，715产气头盖；图4所示为本发明的一种实施方式的电池顶盖的爆炸视图，其中33正极电阻，34正极密封垫圈，35正极绝缘下垫片，43负极绝缘上垫片，44负极密封垫圈，45负极绝缘下垫片；图5所示为一种电压触发的产气装置控制电路原理图，其中Vbatt接电池正极，GND接电池负极，Q1为功率达林顿晶体管，D1为齐纳二极管，R1为基极电阻，R2是负载电阻，也就是引发头712内部负载电阻。在本实施例中产气装置的工作原理如下：在电池电压低于正常值，如在0到2.5伏之间时，或者当电池电压处于容许范围内如在2.5伏到4.4伏之间时，Vbatt小于稳压二极管D1的反向击穿压降加上功率三极管Q1的基极和发射极之间两个正向PN结压降，所以几乎没有电流流过基极电阻R1，达林顿晶体管Q1处于截止状态，电路处于休眠状态。当电池电压超过4.4伏时，也就是总电压超过稳压二极管D1的反向击穿压降加上功率三极管Q1的基极和发射极之间1.4伏的两个正向PN结压降时，流经Q1基极的电流会随Vbatt迅速增大，在Q1的放大作用下，流经Q1集电极的电流也迅速增大，从而通过引发头712的负载电阻R2释放出热能并引发产气物质713，产气物质释放出大量气体，气体通过产气头盖715溢出，产气头盖715为通过粉末冶金法制造的多孔金属盖，溢出的气体使电池内部的气压增大并推动弹性翻转片8翻转使弹性翻转片8上面的突出触头与负极极柱上部41形成电接触，使电池两极通过正极电阻33放电，由于正极电阻33是一个毫欧级的小电阻，所以放电电流很大,从而将电池卷芯极耳与极柱相连电路中较细的一段相当于保险丝功能的位置烧断，烧断后电池卷芯脱离了放电或充电回路，从而阻止对电池的过充。
可选的，产气物质713为叠氮酸钠；可选的，产气物质713为硝酸纤维素；可选的，产气物质713为硝酸铵；优选的，产气物质713为硝酸纤维素和氢氧化铝的混合物，氢氧化铝在混合物中的重量比例为5%～90%，优选为67%。引发后硝酸纤维素分解产生大量气体和热量，氢氧化铝在高温下分解能够吸收热量，降低所生成气体的温度。
实施例2
如图6所示，本实施例与实施例1的一个不同之处在于，产气头与弹性翻转片8直接连接在一起。产气头底含电路板711、产气头壳714、以及弹性翻转片8共同组成一个气密空间，将引发头712和产气物质713密封在所述气密空间中，引发后产生的气体，使所述气密空间的内压增大，推动弹性翻转片8翻转动作。在本实施例中，产气头壳714 由金属制成，通过电池顶盖，然后通过正极电阻33和正极极柱上部31相连，可以向产气头底含电路板711提供电源的正极，所以在本实施例中，只需要一根产气头负电源线引线73将产气头底含电路板711和电池的负极极柱下部42连在一起。
实施例2优点在于所述气密空间体积小，因而只需使用较少量的产气物质713即能产生足够的气体推动弹性翻转片8翻转，因而更节约，同时也更安全，因为产气装置被引发后释放的热量对电池卷芯的影响更小。当然实施例1也有其优点，那就是与现有锂离子电池顶盖壳体体系的兼容性更好，只需在现有顶盖上增加一个产气装置即可。
如图7所示，本实施例与实施例1的另一个不同之处在于，控制电路不同。图中微处理器U2是电路的核心，U2通过模数转换端口读入5个与电池安全状态有关的模拟量，U2的针脚16(ADC1)通过R5读入电池的电压，C9起到滤波作用，U2的针脚2(ADC3)通过半导体氧化物化学传感器U3读入对电池内部的气体成分的响应数据，U2的针脚3(ADC4)通过扩散硅气压传感器U4读入电池内部的气体压力数据，U2的针脚4(ADC5)通过热敏电阻RT1读入电池的温度值数据。C4、C5对微处理器的5V供电电源进行滤波保证微处理器U2运行的稳定性。对引发头712内部负载电阻R2通断电的控制仍然用和图5中相同的达林顿晶体管Q1，只不过Q1的基极电阻R1的输入电平由微处理器U2针脚9(P3.0)控制。常态下P3.0输出低电位Q1截止，产气物质713不被引发。工作过程中所述微处理器U2反复循环读取所述电池的电压值和所述各个传感器输出模拟量的值，如果所读到的任一传感器输出的数值或数值的变化率，或所读取的各传感器输出的数据组合超出预定范围，即由所述微处理器U2控制针脚9(P3.0)输出高电平，使达林顿晶体管Q1导通，从而引发所述产气物质713。
一般以石墨为负极活性材料三元材料为正极活性材料的锂离子电池其设计使用温度范围为-20摄氏度到60摄氏度，高于100摄氏度有发生隔膜收缩的危险，优选的控制策略为所读取的温度超过90摄氏度即启动产气装置，这样做既保证了安全性也避免了误动作。对于数据组合而言，如果有多个参数同时逼近危险值，则在控制策略上更倾向于早启动产气装置，比如电压超过4.35伏同时温度超过85摄氏度，则启动产气装置，这样通过多个参数组合判断的方式可以使安全性和可靠性更好。
以芯片U1为核心组成了升压电路，U1按脉冲频率调制(PFM)方式工作，即通过U1内部针脚3(LX)到针脚1(Vss)的场效应管导通关断频率的变化来达到DC-DC升压目的。U1内部LX到Vss的场效应管导通后，电感L1受来自电池的电压Vbatt驱动，L1中的电流不断增大，电能转换为L1中的磁场能，U1内部LX到Vss的场效应管关断后，L1通过肖特基二极管D2，向输出电容C2充电，磁场能转化为输出的电能。所述升压电路保证在所述电池电压变化的时候，输出稳定的5V电压供给微处理器U2和所述各种传感器。
以扩散硅气压传感器U4为核心组成了气压传感电路，输出信号经R8和C7滤波后连接到微处理器U2的针脚3(ADC4)。
以半导体氧化物化学传感器U3为核心组成了化学传感电路，U3的脚3和脚4之间的电阻会随气相中化学物质成分的不同而变化，所述变化的电阻导致流经R6的电流变化并导致U3脚4的电位变化，所述变化电位信号经R7和C6滤波后连接到微处理器U2的针脚2(ADC3)。由于U3需要被加热才能提高测量的灵敏度，所以U3的脚1和脚2之间是内置的加热电阻。
以线性霍尔传感器U5为核心组成了电流传感电路，将U5靠近电池极柱的位置，通过检测充电或放电电流产生的磁场强度来检测通过电池的电流，U5脚3的输出电位会随充放电电流的大小线性变化，所述变化电位信号经R9和C8滤波后连接到微处理器U2的针脚1(ADC2)。
以热敏电阻RT1为核心组成了温度传感电路，RT1的电阻会随温度的不同而变化，所述变化的电阻导致流经R3的电流变化并导致RT1和R3之间导线的电位变化，所述变化电位信号经R4和C3滤波后连接到微处理器U2的针脚4(ADC5)。
电路中的GND标识均接所述电池的负极。
由于在本实施例中，不需要通过产气将所述整个电池内部的气压升高，只需要能够使所述气密空间内部的气压升高，推动所述弹性翻转片8动作即可，因而在产气物质713的成分上有更多的选择，可选的，产气物质713为1，1，1，2-四氟乙烷，通过加热使其蒸气压升高；可选的，产气物质713为去离子水，通过加热使其蒸气压升高；可选的，产气物质713为碳酸氢氨，通过加热使其发生化学分解；优选的，产气物质713为碳酸氢钠，通过加热使其发生化学分解。
根据上述说明书的揭示和教导，本申请所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本申请并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本申请的一些修改和变更也应当落入本申请的权利要求的保护范围内。此外，尽管本申请书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本申请构成任何限制。
Claims (10)
1.一种锂离子电池，包括正极极片，负极极片，间隔于正极极片和负极极片之间的隔膜，以及电解液，所述电池通过其内部的产气物质产生气体膨胀做功来推动机械机构动作从而使所述电池卷芯脱离放电或充电回路，其特征在于：所述电池内部有气体发生装置，所述产气物质置于所述气体发生装置中，所述气体发生装置包括控制电路，所述控制电路以所述电池为电源，所述产气物质的产气由所述控制电路决定。
2.根据权利要求1所述的内部有气体发生装置的锂离子电池，其特征在于：所述控制电路以所述电池的电压为控制信号，所述电池被过充，所述电池的电压超过预定值时，所述控制电路引发所述产气物质，所述电压的预定值由齐纳二极管D1的反向压降和达林顿晶体管Q1的基极到发射极的压降之和决定。
3.根据权利要求1所述的内部有气体发生装置的锂离子电池，其特征在于：所述控制电路包含微处理器和传感器，所述传感器包括线性霍尔电流传感器、温度传感器、气压传感器、和化学传感器，所述微处理器通过模数转换通道反复循环读取所述电池的电压值和所述各传感器输出的模拟量，如果所读到的电池电压值或任一传感器输出模拟量的数值或数值的变化率，或所读取到的数据组合超出预定范围，即由所述微处理器发出控制信号，使功率元件导通引发所述产气物质。
4.根据权利要求1所述的内部有气体发生装置的锂离子电池，其特征在于：所述气体发生装置内使用硝酸纤维素、叠氮酸钠、或硝酸铵作为产气物质，所述控制电路通过加热使所述产气物质发生化学分解使气压升高。
5.根据权利要求4所述的内部有气体发生装置的锂离子电池，其特征在于：在所述产气物质中加入氢氧化铝，氢氧化铝在产气物质中的重量占比为5%～90%，优选为67％。
6.根据权利要求1所述的内部有气体发生装置的锂离子电池，其特征在于：所述气体发生装置内使用1，1，1，2-四氟乙烷、去离子水、碳酸氢氨、碳酸氢钠中的一种作为作为产气物质，所述控制电路通过持续加热使所述产气物质发生相变使气压升高。
7.根据权利要求1所述的内部有气体发生装置的锂离子电池，其特征在于：所述产气物质被置于一个所述锂离子电池壳体内小体积的气密空间中，所述气密空间的一个面是所述弹性翻转片8，所述产气物质被引发后所产生的气体被限制于所述密闭空间中，并不扩散到所述电池内部的全部自由空间中，所述气体在气密空间中膨胀做功推动所述弹性翻转片8翻转。
8.一种动力电池模组，包括多个动力电池，其特征在于，所述动力电池为权利要求1-7中任一项所述的锂离子电池。
9.一种动力电池包，其特征在于包括权利要求8所述的动力电池模组。
10.一种汽车，其特征在于，包括权利要求9所述的动力电池包。
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