CN108695448B - 一种锂电池模块的过电流保护结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种锂电池模块的过电流保护结构，包括：一电池单元、一绝缘框架集以及一电极连接组件，电池单元包含多个电芯，各电芯具有一第一电极与极性相异于第一电极的一第二电极；绝缘框架集包含一上框架与一下框架，上框架与下框架分别设有多个定位贯孔以套覆各电芯的两端；电极连接组件为一对金属板且分别配置于上框架和下框架上远离各电芯的一侧，所述一对金属板包含一板体部、多个电连接部与一限位部；各电连接部自板体部表面凸伸以分别嵌设各定位贯孔，并通过焊料连接第一电极；限位部用于与绝缘框架集相互组接以限制电极连接组件的位移。从而，有效地降低各锂电池串/并联后的锂电池模块可能造成短路的风险。

Description

一种锂电池模块的过电流保护结构

技术领域

本发明提供一种锂电池组装技术领域，尤指一种降低锂电池模块中的各锂电池串并联后可能造成短路的风险，以确保锂电池模块安全使用的过电流保护结构。

背景技术

为了让用户可以长时间的使用移动电子产品，科研技术人员不断的提升电池的蓄电能力，且不断的寻求蓄电能力更大、更稳定的材料来制作高蓄电量的电池。市面上常见的各类型电池所使用的材料包括铅、碳、锌、锰以及水银等化学材料，但上述常用电池大部分是无法充电再利用的，除了无法再使用造成浪费以外，使用后的废弃电池会产生严重的环境污染问题。

技术发展至今，可充电电池已普遍使用于各类型电子产品，现今较普遍的有镍化合物电池(如镍-镉、镍-氢，以下用“镍电池”统称使用镍的各类型电池)以及锂化合物电池(如锂-铁，以下用“锂电池”统称使用锂的各类型电池)，其中镍电池在实际运用上具有“记忆效应”以及“自耗电率”的问题，而锂电池的“记忆效应”与“自耗电率”的现象都较镍电池轻微许多，且以同样的大小，锂电池的蓄电量与最大电流都优于镍电池。但锂电池亦有其缺点，由于锂的化学特性较不稳定，在充电过度、过热、外力破坏时易燃烧或爆炸。

在说明锂电池充电的现有技术前先行定义锂电池各结构，其中锂电池至少包含了储存电能的电芯(Cell)、包覆该电芯的封闭容器、连接该电芯而向外延伸至封闭容器外的正电极与负电极，所述电芯的结构具有多种不同的化学材料，但电芯的结构与本案的申请技术核心并不具有直接的关系，故不详述。为了避免锂电池产生燃烧或爆炸的危险，锂电池的充电装置需具备保护电路来确保锂电池充电时的电池电压不超过一临界电压(通常为4.2V)，而为了配合充电装置的保护电路位置，锂电池的正电极与负电极需设置于同一侧而受保护电路监测。

事实上，笔记本电脑的电池由于具有较大的空间而都可设置保护电路，但手机或其他小型电器使用的薄型电池会受限于电池本身体积的问题而由手机或电器内的保护电路监控电池，但未装设于手机或电器内的锂电池则未受监控与保护，曾经发生过锂电池放在手提袋中短路燃烧的情况。在台湾专利证书第I305965号“改善稳定性的电池组”的专利文献中，依据其说明书可知其技术核心在于电池(即先前所定义的电芯)与壳体之间填充一绝缘材料，除了加强绝缘效果以外还提高了抵抗外力破坏的能力。值得注意的是，该专利文献中还揭示了电池与壳体之间设置一保护电路模块的技术。虽然薄型锂电池单体内具有保护电路模块可加强安全性，但亦牺牲了体积，或者需耗费更大的成本去达到小型化的目的。

虽然锂电池的技术已渐趋成熟，但上述的锂电池皆是为了手机、笔记本电脑或3C电子产品而量身订作的，除了镍电池在市场上已有一般的电池规格(如AAA型、AA型)的产品以外，锂电池受限于安全性而仍无此类实用的产品。

因此，已知的锂电池及其充电装置具有以下的缺陷：

1.锂电池需使用于具有保护电路的电器上，以避免电池损坏造成燃烧或爆炸。

2.锂电池与电器接触导通的电极都布设在同一侧，无法兼容于使用圆筒型电池的电器。

3.已知锂电池的型态受限，而进一步限制其应用范围。

4.已知锂电池要依使用电器而制订规格，设计成本较高。

再者，如图8～9所示的已知圆筒型锂电池结构，其包括正极92、负极93，正极92与负极93之间设有隔膜板95，而锂电池一端设有正极接线端96，另一端为绝缘板94，并且以绝缘外壳91包覆形成圆筒型锂电池结构(通常电池外壳亦是负极)。当镍片放置于正极92上时，绝缘外壳91可能会因碰撞或高温或长时间放置造成脆化或破损，使得点焊在正极的镍片短路至罐身负极；换言之，当此电池结构的锂电池模块在使用金属电极片80形成串/并联时，金属电极片80(例如镍金属片)通常贴平电芯(金属电极片80贴平正极接线端96)，绝缘外壳91可能会因碰撞或高温或长时间放置造成脆化或破损，使得点焊在正极92的金属电极片80与负极93导通形成短路。

因而，各界莫不亟待开发出一种能够避免正极端镍片与罐身接触造成短路的过电流保护结构，以确保锂电池模块使用的安全性。

所以，有鉴于已知技术中所存在的缺陷，申请人经过悉心试验与研究，并一本锲而不舍的精神，终构思出本发明以解决已知技术所存在的技术问题，提升锂电池模块使用的安全性，进而扩展锂电池的应用范围。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种锂电池模块的过电流保护结构，通过特殊结构的金属片材做多个锂电池的串/并联，并搭配对应金属片材的绝缘框架，以有效地降低各锂电池串/并联后的锂电池模块可能造成短路的风险。

为达到本发明的目的，本发明提供一种锂电池模块的过电流保护结构，包括一电池单元、一绝缘框架集以及一电极连接组件，所述电池单元包含多个电芯，各电芯分别具有一第一电极与极性相异于第一电极的一第二电极；绝缘框架集包含一上框架与一下框架，上框架与下框架分别设有多个定位贯孔以套覆各电芯的两端；电极连接组件为一对金属板且分别配置于上框架和下框架上远离各电芯的一侧，所述一对金属板包含一板体部、多个电连接部与一限位部；各电连接部自板体部表面凸伸以分别嵌设各定位贯孔，并且通过焊料连接第一电极；限位部用于与绝缘框架集相互组接以限制电极连接组件的位移。

于一实施例中，其中所述第一电极与第二电极位于电芯的相同平面。

于一实施例中，其中所述一对金属板为材料相同或相异的金属薄板。

于一实施例中，其中所述一对金属板为含镍的金属薄板。

于一实施例中，其中各电连接部包含一环墙、一底板以及一镂空区，所述环墙自板体部表面向外凸伸以嵌设各定位贯孔；所述底板连接环墙且底板通过焊料连接第一电极；所述镂空区为在环墙开设的开口。

于一实施例中，其中所述镂空区自底板延伸至板体部的表面。

于一实施例中，其中所述环墙开设有多个镂空区。

于一实施例中，其中所述一对金属板的限位部为自板体部的至少一侧周缘直向延伸的多个板翼，而所述上框架与下框架在分别远离各电芯的一侧表面设有一定位凹槽，各定位凹槽分别与所述一对金属板的几何轮廓相匹配，以使板体部以及限位部平置于定位凹槽中，从而使各板翼与绝缘框架集相互卡合形成限位结构。

于一实施例中，其中所述各定位贯孔邻近电极连接组件的孔径小于各定位贯孔邻近各电芯的孔径，而上框架与下框架分别对应较大孔径的各定位贯孔位置具有一侧壁部，上框架与下框架分别对应较小孔径的各定位贯孔位置具有一遮蔽部，所述侧壁部分别环围于各电芯，所述遮蔽部盖覆于各电芯的第二电极。

于一实施例中，其中所述上框架与下框架的各定位贯孔呈数组分布、同心圆状分布或任意分布型态。

附图说明

下面，将结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

图1为本发明的具过电流保护结构的锂电池模块外观示意图。

图2为本发明的具过电流保护结构的锂电池模块的分解示意图。

图3为本发明的具过电流保护结构的锂电池模块的另一侧分解示意图。

图4为本发明的锂电池模块的电极连接组件的俯视图。

图5为本发明的锂电池模块的电极连接组件的侧视图。

图6为本发明的锂电池模块的过电流保护结构一侧局部放大图。

图7为本发明的锂电池模块的过电流保护结构另一侧局部放大图。

图8为已知圆筒型锂电池的结构示意图。

图9为已知圆筒型锂电池的电极连接示意图。

其中，10：电池单元；11：电芯；12：第一电极；13：第二电极；20：绝缘框架集；20a：上框架；201a：侧壁部；202a：遮蔽部；200a：定位贯孔；210a：定位凹槽；20b：下框架；201b：侧壁部；202b：遮蔽部；200b：定位贯孔；210b：定位凹槽；30：电极连接组件；31：板体部；321：环墙；322：底板；324：镂空区；31a,31b：板体部；32a,32b：电连接部；321a,321b：环墙；322a,322b：底板；324a,324b：镂空区；33a,33b：限位部；80：金属电极片；91：绝缘外壳；92：正极；93：负极；94：绝缘板；95：隔膜板；96：正极接线端。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

请参阅本发明图1～3所示，其分别为本发明具过电流保护结构的锂电池模块的外观以及分解示意图；下面将详细描述本发明的锂电池模块的过电流保护结构，其包括一电池单元10、一绝缘框架集20以及一电极连接组件30。

电池单元10，其包含多个电芯11，各电芯11分别具有一第一电极12与极性相异于第一电极12的一第二电极13，本实施例中主要是说明应用于圆筒状的锂电池结构，但不限于此；在此说明，第一电极12与第二电极13可位于电芯11的相同平面，也可以位于电芯11的相异平面，而第一电极12可为电芯11的正极或负极，对应地第二电极13的极性相异于第一电极12的极性，也可为正极或负极，在此不限制。

绝缘框架集20，其包含一上框架20a与一下框架20b，上框架20a与下框架20b分别设有多个定位贯孔(200a,200b)以及一定位凹槽(210a,210b)，上框架20a与下框架20b通过定位贯孔(200a,200b)套覆各电芯11的两端，而定位凹槽(210a,210b)用于放置电极连接组件30。以下将配合电极连接组件30的结构说明定位凹槽(210a,210b)的几何结构，补充说明，上框架20a与下框架20b于最外侧电池单元10的部分是可延伸至相互接触而形成封闭空间的，亦可不相互接触而形成开放型态；虽然本发明的图示结构为不相互接触的开放型态，但上框架与下框架的结构并不限于此。

承上所述，上框架20a与下框架20b的各定位贯孔呈数组分布、同心圆状分布或任意分布型态；虽然图示结构为数组分布型态，但定贯孔的分布型态不限于此。

请配合参阅图4-5，其分别为锂电池模块的电极连接组件的俯视图以及侧视图；本发明过电流保护结构的一个主要技术特征在于电极连接组件30的结构特征，可有效解决锂电池模块在使用时因现有技术的缺点造成长时间使用后，绝缘材料很可能因为长时间的高低温变化或震动导致脆化或损毁而引起锂电池短路的问题。

承上所述，电极连接组件30主要包括一对金属板，所述一对金属板则包含一板体部(31a,31b)、多个电连接部32以及一限位部33；其中电连接部32包含自板体部31表面凸伸出的一环墙321、延续连接环墙321的一底板322以及开设于环墙321位置的一镂空区324，其中镂空区324可为各种几何轮廓形状的开口，在此不限制；限位部33则主要用于与绝缘框架集20相互组接以限制电极连接组件30的位移，以下将以本发明所举的锂电池模块的结构说明限位部33如何限制电极连接组件30的位移；而镂空区324具有对于本发明以下几个重要的功能：

1.电极连接组件30进行冲压多个电连接部32的过程时避免破面的情况发生。

2.用于针对锂电池模块中，在放电过程时容易因热聚集形成高温的各电池的二电极位置散热。

3.特定形式的圆筒状锂电池在二电极位置设有泄压阀，其有助于泄压。

沿图1的A-A’剖切线剖切后，可得图6-7。请再配合参阅图6-7，其为本发明的锂电池模块的过电流保护结构的局部放大示意图；在本发明一实施例中，电极连接组件30为对应配置于上框架20a和下框架20b上远离各电芯11的一侧的一对金属板，所述一对金属板包含一板体部(31a,31b)、多个电连接部(32a,32b)以及一限位部(33a,33b)；其中所述一对金属板可为材料相同或相异的金属薄板，较佳地，所述一对金属板采用相同材料的含镍的金属薄板；而所述一对金属板的厚度近似于上框架20a与下框架20b上的定位凹槽(210a,210b)的深度，但并不限于此；在此说明，上述近似的概念指的是定位凹槽的深度可大于、等于或小于金属板的厚度，但其误差值约略介于正负10％以内。

电连接部(32a,32b)，其自板体部(31a,31b)表面凸伸以分别嵌设各定位贯孔(200a,200b)并且通过焊料(图未示)连接第一电极12；而电连接部(32a,32b)包括一环墙(321a,321b)、延续连接环墙(321a,321b)的一底板(322a,322b)以及开设于环墙(321a,321b)位置的一镂空区(324a,324b)。

环墙(321a,321b)自板体部(31a,31b)表面向外凸伸以嵌设各定位贯孔(200a,200b)中，而底板(322a,322b)延续连接环墙(321a,321b)形成弯折的部分，环墙(321a,321b)凸伸的长度根据板体部(31a,31b)的厚度、定位凹槽(210a,210b)的深度做设计考虑，其使底板(322a,322b)与第一电极12的表面之间保持有微小的间隙，底板(322a,322b)通过焊料连接第一电极12，而镂空区(324a,324b)为在环墙(321a,321b)开设的开口，开口可为各种几何轮廓形状的开口，在此不限制；本实施例中，镂空区(324a,324b)从底板(322a,322b)延伸至板体部(31a,31b)的表面，但并不限于此；再者，环墙(321a,321b)可开设有多个镂空区(324a,324b)，虽然本发明图示结构中设有3个镂空区(324a,324b)，镂空区的数量并不限于此。

关于上述电极连接组件30与上框架20a和下框架20b的各定位凹槽(210a,210b)，在此说明本发明所述的限位部与定位凹槽形成限位的一实施例，电极连接组件30的限位部(33a,33b)为自板体部(31a,31b)的至少一侧周缘直向延伸的多个板翼，如图2-4所示，为从板体部(31a,31b)的四周向外直向延伸且周期性排列的矩形板翼，图中所示限位部的具体结构仅用于使本领域的普通技术人员能较容易理解本发明的一种实施例，限位部的结构并不限于此。

承上所述，上框架20a与下框架20b在分别远离各电芯11的一侧表面设有定位凹槽(210a,210b)，各定位凹槽(210a,210b)则配合限位部(33a,33b)的结构型态，分别与所述一对金属板的几何轮廓相匹配，以使板体部(31a,31b)以及限位部(33a,33b)平置于定位凹槽(210a,210b)中，从而使各板翼与绝缘框架集20相互卡合形成限位结构；再者，各板翼的宽度略小于对应各定位凹槽(210a,210b)位置的凹槽宽度；较佳地，两者的宽度差小于0.1mm。

承上所述，各定位贯孔(200a,200b)邻近电极连接组件30的孔径小于各定位贯孔(200a,200b)邻近电芯11的孔径，而上框架20a与下框架20b分别对应较大孔径的各定位贯孔(200a,200b)位置具有一侧壁部(201a,201b)，上框架20a与下框架20b分别对应较小孔径的各定位贯孔(200a,200b)具有一遮蔽部(202a,202b)，侧壁部(201a,201b)分别环围于各电芯11，遮蔽部202a覆盖于各电芯11的第二电极13，较佳地，遮蔽部202a完整覆盖于各电芯11的第二电极13的表面。

综所上述，本发明的锂电池模块的过电流保护结构，是通过高功率点焊机将电极连接组件30的各电连接部32与各电芯11依序焊接；而通过特殊结构型态的技术手段，并且组接于特定结构的绝缘框架集，能避免现有技术电极板结构同时直接或间接地接触电芯的正负极，并大幅降低锂电池模块的长时间的使用时，隔绝于中间的绝缘材料因为长时间的高低温变化或震动导致脆化或损毁导致短路发生，有效地降低锂电池模块于使用镍片串并联后可能造成短路的风险。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求保护范围的情况下，还可做出很多形式的替换或修改，这些变化均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种锂电池模块的过电流保护结构，其特征在于，包括：

一电池单元，其包含多个电芯，各电芯分别具有一第一电极与极性相异于第一电极的一第二电极；

一绝缘框架集，其包含一上框架与一下框架，上框架与下框架分别设有多个定位贯孔以套覆各电芯的两端；以及

一电极连接组件，其为一对金属板且分别配置于上框架和下框架上远离各电芯的一侧，所述一对金属板包括：

一板体部；

多个电连接部，其自板体部表面凸伸以分别嵌设各定位贯孔并且通过焊料连接第一电极；

一限位部，其用于与绝缘框架集相互组接以限制电极连接组件的位移；

所述各电连接部包括：

一环墙，其自所述板体部表面向外凸伸以嵌设各定位贯孔；

一底板，其连接所述环墙且底板通过焊料连接所述第一电极；以及

一镂空区，其为在环墙开设的开口。

2.根据权利要求1所述的锂电池模块的过电流保护结构，其特征在于，所述第一电极与所述第二电极位于电芯的相同平面。

3.根据权利要求1所述的锂电池模块的过电流保护结构，其特征在于，所述一对金属板为材料相同或相异的金属薄板。

4.根据权利要求3所述的锂电池模块的过电流保护结构，其特征在于，所述一对金属板为含镍的金属薄板。

5.根据权利要求1所述的锂电池模块的过电流保护结构，其特征在于，所述镂空区自底板延伸至板体部的表面。

6.根据权利要求1所述的锂电池模块的过电流保护结构，其特征在于，所述环墙开设有多个镂空区。

7.根据权利要求1所述的锂电池模块的过电流保护结构，其特征在于，所述一对金属板的限位部为自板体部的至少一侧周缘直向延伸的多个板翼，而所述上框架与下框架在分别远离各电芯的一侧表面设有一定位凹槽，各定位凹槽分别与所述一对金属板的几何轮廓相匹配，以使板体部以及限位部平置于定位凹槽中，从而使各板翼与绝缘框架集相互卡合形成限位结构。

8.根据权利要求1所述的锂电池模块的过电流保护结构，其特征在于，所述各定位贯孔邻近电极连接组件的孔径小于各定位贯孔邻近各电芯的孔径，而所述上框架与所述下框架分别对应较大孔径的各定位贯孔的位置具有一侧壁部，所述上框架与所述下框架分别对应较小孔径的各定位贯孔的位置具有一遮蔽部，所述侧壁部分别环围于各电芯，所述遮蔽部盖覆于各电芯的第二电极。

9.根据权利要求1所述的锂电池模块的过电流保护结构，其特征在于，所述上框架与所述下框架的各定位贯孔呈多组分布或同心圆状分布。

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