CN109565174A - 具有电池管理系统的柔性正温度系数设备 - Google Patents

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Abstract

一种电子设备包括：受保护组件；柔性正温度系数(PTC)设备，其包括联接到受保护组件表面的柔性PTC材料片，该柔性PTC设备电连接到受保护组件并适于在发生过电流情况时抑制或减小流过受保护组件的电流；以及电池管理系统，其联接到柔性PTC设备，该电池管理系统被配置成测量柔性PTC设备两端的电压，并且如果柔性PTC设备两端的测量电压超过预定阈值，则抑制或减小电子设备中的电流。

Description

具有电池管理系统的柔性正温度系数设备
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年8月15日提交的美国临时专利申请第62/375,092号的权益，其整体以引用方式并入本文中。
技术领域
本发明一般涉及正温度系数(PTC)材料。更具体地，本发明涉及一种PTC材料形成的超薄柔性片。
背景技术
PTC设备通常用于电子设备中，以提供对过电流和/或过热条件的保护。选择这种设备中的PTC材料，使其在电子设备的正常工作温度范围内具有相对低的电阻，并且在电子设备的正常工作温度以上具有高电阻。例如，PTC设备可以串联地电连接在电池和负载之间，使得从电池流到负载的电流流过PTC设备。随着流过PTC设备的电流增加，PTC设备的温度逐渐升高。当PTC设备的温度达到“活化温度”时，PTC设备的电阻急剧增加。这继而急剧减小了流过PTC设备的电流，从而保护电池和负载免受过电流或过热状况的影响。
现有的PTC设备通常包括由封装件包围的具有PTC特性的芯材料。导电垫或导电引线可以设置在封装件的外侧，并且可以电联接到芯材料的相对表面，使得电流流过芯材料的横截面。
现有的PTC材料和设备通常具有约200μm或更大的厚度，这受到常规制造方法的限制。在这样的厚度下，典型的PTC材料和设备太硬而不能与可能受益于具有柔性和可延展属性的PTC材料或设备的应用结合使用。这些应用包括例如手机和可穿戴电子设备中的电池的过电流和过热保护。
关于这些和其它考虑因素，本发明的改进可能是有用的。
发明内容
提供本发明内容是为了以简化的形式介绍构思的选择，这将在下面的具体实施方式中进一步描述。本发明内容不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在帮助确定所要求保护的主题的范围。
根据本发明的电子设备的示例性实施例可以包括：受保护组件；柔性正温度系数(PTC)设备，其包括联接到受保护组件的表面的柔性PTC材料片，该柔性PTC设备电连接到受保护组件并且适于在发生过电流情况时抑制或减小流过受保护组件的电流；以及电池管理系统，其联接到柔性PTC设备，该电池管理系统被配置成测量柔性PTC设备两端的电压并且如果柔性PTC设备两端的测量电压超过预定阈值，则抑制或减小电子设备中的电流。
根据本发明的电子设备的另一示例性实施例可以包括：电池组，其包括彼此电连接的第一电池单元和第二电池单元，使得电池组提供所需的电输出；柔性正温度系数(PTC)设备，其包括联接到第一电池单元的表面并设置在第一电池单元和第二电池单元中间的柔性PTC材料片，该柔性PTC设备电连接到电池组并适于在发生过电流情况时抑制或减小流过电池组的电流；以及电池管理系统，其联接到柔性PTC设备，该电池管理系统被配置成测量柔性PTC设备两端的电压，并且如果柔性PTC设备两端的测量电压超过预定阈值，则抑制或减小电子设备中的电流。
附图说明
图1A是示出根据本发明的柔性正温度系数(PTC)材料片的示例性实施例的俯视图；
图1B是示出根据本发明的柔性PTC材料片的另一示例性实施例的俯视图；
图2是说明根据本发明的用于形成柔性PTC材料片的示例性方法的流程图；
图3是示出根据本发明的PTC设备的示例性实施例的截面图；
图4是示出根据本发明的电子设备的示例性实施例的示意图；
图5是示出根据本发明的电子设备的另一示例性实施例的示意图；
图6是示出根据本发明的电子设备的另一示例性实施例的示意图。
具体实施方式
现在将在下文中参考附图更全面地描述根据本发明的柔性正温度系数(PTC)材料片、并入柔性片的设备和制造柔性片的方法的示例性实施例。然而，柔性片、设备和方法可以以许多不同的形式实施，并且不应该被解释为限于本文阐述的实施例。更确切而言，提供这些实施例，使得本发明将向本领域技术人员传达柔性片、设备和方法的某些示例性方面。
参考图1a，示出了根据本发明的示例性实施例的由PTC材料层形成的柔性片102的俯视图。柔性片102的厚度可以显著小于常规PTC材料片的厚度，从而为柔性片102提供柔性和延展性，使得柔性片102能够缠绕并且与其它结构和设备(例如电池)的表面一致，同时保持柔性片102的PTC特性。在非限制性示例中，柔性片102的厚度可以在大约10μm到大约100μm的范围内。在另一个非限制性示例中，柔性片102的厚度可以在大约10μm到大约50μm的范围内。在具体示例中，柔性片102的厚度可以是25μm。在另一个具体示例中，柔性片102的厚度可以是15μm。
柔性片102可以是由多个节点108形成的穿孔的网状结构，该多个节点通过多个螺纹110互连以限定多个开口106。开口106可以相对于实心的无孔片改善柔性片102的柔性，该开口可以在以下面描述的方式(诸如通过冲压、切割、钻孔、蚀刻柔性片102等方式)制造柔性片102之后形成在柔性片102中。节点108和螺纹110分别被描绘为矩形和线性，但这并不重要。在各种替代实施例中，在不脱离本发明的情况下，节点108可以是圆形、三角形、四面体、不规则形等，并且螺纹可以是弯曲的、Z字形等。在一些实施例中，大于25％的柔性片102可以是由开口106限定的开放空间。在其它实施例中，大于50％的柔性片102可以是由开口106限定的开放空间。在其它实施例中，大于75％的柔性片102可以是由开口106限定的开放空间。
参考图1b，示出了根据本发明示例性实施例的由PTC材料层形成的柔性片120的俯视图。柔性片120可以基本上类似于上述柔性片102，但是可以形成为实心的PTC材料层，其中没有形成穿孔或开口。与柔性片102类似，柔性片120的厚度可以显著小于常规PTC材料片的厚度，从而为柔性片120提供柔性和延展性，使得柔性片120缠绕并且与其它结构和设备(例如电池)的表面一致，同时保持柔性片120的PTC特性。在非限制性示例中，柔性片120的厚度可以在大约10μm到大约100μm的范围内。在另一个非限制性示例中，柔性片120的厚度可以在大约10μm到大约50μm的范围内。在具体示例中，柔性片120的厚度可以是25μm。在另一个具体示例中，柔性片120的厚度可以是15μm。
参考图2，描绘了示出用于形成上述柔性PTC材料片102、120的示例性方法的流程图。下面描述的方法有利于柔性片102、120的超薄形状因子，其继而为柔性片102、120提供了在常规PTC材料和设备中没有的柔性和延展性。
在图2中所示的示例性方法的步骤200中，聚合物树脂和导电填料可以溶解在溶剂中以产生流体“PTC油墨”。可以以粒化或粉末形式提供的聚合物树脂可以包括半结晶聚合物颗粒。可以使用的半结晶聚合物的示例包括但不限于聚偏二氟乙烯、聚乙烯、乙烯四氟乙烯，乙烯乙酸乙烯酯、乙烯丙烯酸丁酯和具有类似特性的其它材料。导电填料可以包括导电金属颗粒、金属陶瓷、碳或选择用于特定导电属性的各种其它材料。导电填料的具体示例包括但不限于碳化钨、镍和碳化钛。溶剂可以是或可以包括二甲基甲酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮、四氢呋喃、三氯苯、二氯苯、二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、环己烷、甲苯，或能够溶解或悬浮聚合物树脂和导电填料的不同溶剂。
在示例性方法的可选步骤210中，可以向PTC油墨中添加添加剂，诸如抗氧化剂、粘合促进剂、抗电弧材料或不同的添加剂，以改善将由PTC油墨形成的柔性片(例如，上述102、120)的各种特性。这些特性可以包括但不限于聚合物稳定性、电压容量或膜粘附性。
在示例性方法的步骤220中，可以将PTC油墨施加到基本平坦的表面或基板上。例如，可以将PTC油墨倾倒或喷射到基本平坦的表面上。在该方法的步骤230中，可以将刀片拉过PTC油墨，使刀片的边缘平行于表面并且在表面上间隔短距离(例如，15μm)设置以产生具有所需厚度的均匀PTC油墨层。例如，均匀PTC油墨层的厚度可以在大约10μm至大约100μm的范围内。
在示例性方法的步骤240中，可以允许PTC油墨干燥，由此溶剂可以从油墨中蒸发，留下类似于上述柔性片120的超薄实心PTC材料层。在该方法的可选步骤250中，PTC材料层可以被冲压、蚀刻、切割、钻孔等，以形成类似于上述柔性片102的超薄穿孔PTC材料片。在该方法的可选步骤260中，可以将一个或多个附加材料层(包括但不限于柔性支撑膜和/或柔性绝缘基板)施加到PTC材料层上，这可能适合于特别的应用。
参考图3，示出了根据本发明的示例性PTC设备300的横截面图，该PTC设备包括超薄柔性PTC材料片302。柔性片302可以与上述穿孔或实心柔性片102、120中的任一个基本相同。特别地，柔性片302可以是柔性的和可延展的，并且其厚度可以在大约10μm到大约100μm的范围内。在具体示例中，柔性片302的厚度可以是25μm。在另一个具体示例中，柔性片302的厚度可以是15μm。
PTC设备300还可以包括可联接到柔性片302的相对平坦表面的第一和第二柔性导电箔或金属化聚酰胺材料层308、310(下文中分别为“第一导电箔308”和“第二导电箔310”)。例如，第一导电箔308和第二导电箔310可以由铜、镍等形成。导电箔308、310可以用作热接触层，为PTC设备300提供增强的导热性。导电箔308、310也可以从柔性片302延伸，并且可以用作电引线，以利于PTC设备300在电能源和负载之间的电连接，如下面进一步描述。在各种实施例中，导电箔308、310中的一者或两者可设置有联接到其上的电绝缘基板或覆盖物312，以防止与周围设备或结构的无意电接触。
参考图4，示出了实现上述PTC设备300的示例性电子设备400的示意图。电子设备400可以包括可以受PTC设备300保护的一个或多个组件(下文中称为“受保护组件”)。在图4所示的示例性实施例中，受保护组件是电池或电池组402(下文统称为“电池402”)。本发明不限于此，并且可以预期受保护组件可以替代地是或可以替代地包括可以受益于过电流或过热保护的各种电源和/或电设备中的任何一种。
在各种示例中，电池402可以是锂离子电池、锂聚合物电池、镍氢可充电电池等。虽然电池402示出为大致矩形，但是在各种实施例中，电池可具有可适合于特定应用的各种其它形状(例如，圆柱形、不规则形)。另外，在各种实施例中，电池402可以是柔性的，诸如可以适用于柔性可穿戴电子设备。
PTC设备300可以以与其外表面一致的关系联接到电池。柔性片302示意性地示出为覆盖电池402的前表面的一部分，但是在各种替代实施例中，柔性片可以覆盖电池402的大部分或全部外表面。在一些示例中，柔性片302可以覆盖电池402的小于25％的外表面。在其它示例中，柔性片302可以覆盖电池402的大于25％的外表面。在其它示例中，柔性片302可以覆盖电池402的大于50％的外表面。在另外的示例中，柔性片302可以覆盖电池402的大于75％的外表面。在一些示例中，柔性片302可以缠绕、弯曲或成形在电池402的边缘、拐角、轮廓和其它表面特征周围，与其成一致或基本一致的关系(例如，与其平坦或连续接触)。在各种示例中，PTC设备可以使用超声波焊接、激光或等离子体清洗和夹持、导电环氧树脂、各种其它导电或非导电粘合剂等联接到电池402。本发明不限于此方面。
PTC设备300可以被配置成感测电池402中的过电流或过热状况，并且在发生这种情况时抑制或减小流入或流出电池的电流。例如，PTC设备300可以电串联连接在电池402和由电池402供电的电负载404(例如，可穿戴电子设备、手机等中的电路)之间。例如，PTC设备300的第一导电箔308可以连接到电池402的正或负端子406，并且PTC设备300的第二导电箔310可以连接到电负载404。因此，PTC设备300可以操作以防止或减小可能由电子设备400中的过电流或过热状况导致的对负载404和/或电池402的损坏。例如，在电子设备400中发生过电流或过热状况时，电池402(或电池402的一部分)的温度可能升高，导致相邻柔性片302的温度升高。当柔性片302的温度达到“活化温度”时，形成柔性片302的PTC材料的电阻可能急剧增加。这继而抑制或减小了流过柔性片302以及电池402和负载404之间的电流，从而保护电池402和负载404免受过电流状况的影响。当过电流状况平息时，电池402和柔性片302的温度可以降低到低于活化温度，并且可以再次允许电流如在正常操作期间一样在电池402和负载404之间流动。
参考图5，是示出了实现上述PTC设备300的另一示例性电子设备500的示意图。电子设备500可以类似于上述电子设备400，并且可以包括可以受PTC设备300保护的一个或多个组件(下文中称为“受保护组件”)。在图5所示的示例性实施例中，受保护组件是电池或电池组502(下文统称为“电池502”)。本发明不限于此，并且可以预期受保护组件可以替代地是或可以替代地包括可以受益于过电流或过热保护的各种电源和/或电设备中的任何一种。
在各种示例中，电池502可以是锂离子电池、锂聚合物电池、镍氢可充电电池等。虽然电池502示出为大致矩形，但是在各种实施例中，电池可具有可适合于特定应用的各种其它形状(例如，圆柱形、不规则形)。另外，在各种实施例中，电池502可以是柔性的，诸如可以适用于柔性可穿戴电子设备。
PTC设备300可以以与其外表面一致的关系联接到电池。柔性片302示意性地示出为覆盖电池502的前表面的一部分，但是在各种替代实施例中，柔性片302可以覆盖电池502的大部分或全部外表面。在一些示例中，柔性片302可以覆盖电池502的小于25％的外表面。在其它示例中，柔性片302可以覆盖电池502的大于25％的外表面。在其它示例中，柔性片302可以覆盖电池502的大于50％的外表面。在另外的示例中，柔性片302可以覆盖电池502的大于75％的外表面。在一些示例中，柔性片302可以缠绕、弯曲或成形在电池502的边缘、拐角、轮廓和其它表面特征周围，与其成一致或基本一致的关系(例如，与其平坦或连续接触)。在各种示例中，PTC设备300可以使用超声波焊接、激光或等离子体清洗和夹持、导电环氧树脂、各种其它导电或非导电粘合剂等联接到电池502。本发明不限于此方面。
PTC设备300可以被配置成感测电池502中的过电流或过热状况，并且在发生这种状况时抑制或减小流入或流出电池的电流。例如，PTC设备300可以电串联连接在电池502和由电池502供电的电负载504(例如，可穿戴电子设备、手机等中的电路)之间。例如，PTC设备300的第一导电箔308可以连接到电池502的正或负端子506，并且PTC设备300的第二导电箔310可以连接到电负载504。因此，PTC设备300可以操作以防止或减小可能由电子设备500中的过电流或过热状况引起的对负载504和/或电池502的损坏。例如，在电子设备500中发生过电流或过热状况时，电池502(或电池502的一部分)的温度可能升高，导致相邻柔性片302的温度升高。当柔性片302的温度达到“活化温度”时，形成柔性片302的PTC材料的电阻可能急剧增加。这继而抑制或减小了流过柔性片302以及电池502和负载504之间的电流，从而保护电池502和负载404免受过电流状况的影响。当过电流状况平息时，电池502和柔性片302的温度可以降低到低于活化温度，并且可以再次允许电流如在正常操作期间一样在电池502和负载504之间流动。
电子设备500还可以包括有源电池管理系统(BMS)508，其可以被配置成监测电池502的各种操作参数(例如，温度、电压等)并且如下进一步描述的根据这类监测参数调节电池502的操作。BMS 508可以联接到电池502、PTC设备300和高压断开开关(HVDS)510，其可以在电池502和负载504中间串联电连接。例如，HVDS 510可以如图5中所示连接到PTC设备的第二导电箔310和电负载504。本发明不限于此方面。
在一些实施例中，BMS 508可以使用微处理器或其它形式的计算设备(例如，专用计算机处理器等)来实现，该计算设备是负载504的整体或板载组件。在其它实施例中，BMS508可以位于负载504的外部。BMS 508可以被配置成监测PTC设备300的电阻并从其确定电池502的温度。例如，如果BMS 508测量到PTC设备300中的相对低的电压，则BMS 508可以确定PTC设备300的电阻，因此PTC设备300和相邻电池502的温度相对较低并且在正常的安全操作范围内。然而，如果BMS 508测量到PTC设备300中的相对高的电压或电压的快速增加，则BMS 508可以确定PTC设备300的电阻，因此PTC设备300和相邻电池502的温度都相对较高。暴露于外部热源(例如，放置在阳光下的电子设备500)或者由于电池502中的内部故障可能导致温度升高。在任何情况下，如果BMS 508确定电池温度高于预定阈值，则BMS 508可以减少或抑制电子设备500中的电流流量。例如，BMS 508可以打开HVDS 510。
在非限制性示例中，BMS 508可以被配置成如果BMS确定PTC设备300达到对应于PTC设备300的载流容量(例如，300安培)的温度，则减小或抑制电子设备500中的电流。因此，BMS 508可以操作以减小和抑制超过PTC设备300的容量的大电流，从而相对于常规PTC过电流保护设备提供优异的过电流保护。
参考图6，示出了电子设备500的替代实施例的示意图，其中电池502包括第一电池单元502a和第二电池单元502b。例如，第一电池单元502a和第二电池单元502b可以彼此电联接，以便实现所需的电压和电流输出。为清楚起见，图6示出为与第一电池单元502a分开的第二电池单元502b可以与第一电池单元502a堆叠布置并与第一电池单元502a紧密接触，其中PTC设备300夹在它们之间。因此，PTC设备300可能对第一电池单元502a和第二电池单元502b中的温度升高敏感，并且BMS 508可以操作以经由PTC设备300监测第一电池单元502a和第二电池单元502b的温度，并且在发生过热状态时，可以以上述方式减小或抑制电子设备500中的电流。
虽然图6中的电池502示出为具有两个电池单元502a、502b，但设想了电子设备500的各种实施例，其中电池包括以堆叠布置方式设置的三个或更多个电池单元，其中附加的PTC设备设置在每对相邻的电池单元之间并且可操作地连接到BMS 508以与上述PTC设备300相同的方式利于附加电池单元的温度监测。
本领域普通技术人员将理解由上述超薄柔性片102、120和302提供的许多优点，如在PTC设备(例如，上述PTC设备300)中并且结合如上所述的电子设备500中的有源电池管理系统实现的。例如，由于柔性片102、120和302是柔性和可延展的，所以柔性片102、120和302可以挠曲、弯曲、膨胀和收缩以适应基础电池(或多个电池单元)的挠曲、弯曲、热膨胀和热收缩。此外，由于柔性片102、120和302可以缠绕或以其它方式设置在电池的整个外表面(或外表面的大部分)上，因此相对于在常规过电流/过温保护设备中使用并且仅感测电池外部的小离散点或部分上的温度的点传感器而言，柔性片102、120和302可以有效地感测电池的较大表面积上的温度升高。此外，由于柔性片102、120和302相对于常规PTC材料和设备非常薄，所以柔性片102、120可以在需要小的、细长的或薄型(low-profile)的形状因子的应用(例如，可穿戴设备、手机等)中实现，同时仍提供强大的过电流/过热保护。
如本文所使用，以单数形式记载并且用单词“一”或“一个”进行的元件或步骤应被理解为不排除多个元件或步骤，除非明确地记载了这种排它性。此外，对本发明的“一个实施例”的引用不旨在被解释为排除了存在也并入了所述特征的另外的实施例。
虽然本发明参考了某些实施例，但在不脱离如所附权利要求中限定的本发明的范围的情况下，可以对所描述的实施例进行多种修改、变更和改变。因此，意图是本发明不限于所描述的实施例，而是具有由所附权利要求的语言及其等效物限定的全部范围。

Claims (20)

1.一种电子设备，包括：
受保护组件；
柔性正温度系数(PTC)设备，包括联接到所述受保护组件的表面的柔性PTC材料片，所述柔性PTC设备电连接到所述受保护组件并适于在发生过电流情况时抑制或减小流过所述受保护组件的电流；以及
电池管理系统，联接到所述柔性PTC设备，所述电池管理系统被配置成测量所述柔性PTC设备两端的电压，并且如果所述柔性PTC设备两端的测量电压超过预定阈值，则抑制或减小所述电子设备中的电流。
2.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述受保护组件包括电源，并且其中所述柔性PTC设备串联地电连接在所述电源和电负载之间。
3.根据权利要求2所述的电子设备，其中所述电源包括至少一个电池。
4.根据权利要求2所述的电子设备，其中所述电池管理系统是所述电负载的板载组件。
5.根据权利要求2所述的电子设备，还包括断开开关，其可操作地连接到所述电池管理系统并且串联地电连接在所述柔性PTC设备和所述电负载之间，所述电池管理系统被配置成如果所述柔性PTC设备两端的测量电压超过预定阈值，则打开所述断开开关。
6.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述柔性PTC材料片的厚度在10μm至100μm的范围内。
7.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述柔性PTC材料片覆盖所述受保护组件的大于25％的表面。
8.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述柔性PTC材料片覆盖所述受保护组件的大于50％的表面。
9.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述柔性PTC材料片覆盖所述受保护组件的大于75％的表面。
10.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述电池管理系统被配置成如果流过所述柔性PTC设备的电流超过所述柔性PTC设备的载流容量，则抑制或减小所述电子设备中的电流。
11.一种电子设备，包括：
电池组，包括彼此电连接的第一电池单元和第二电池单元，使得所述电池组提供所需的电输出；
柔性正温度系数(PTC)设备，包括联接到所述第一电池单元的表面并设置在所述第一电池单元和所述第二电池单元中间的柔性PTC材料片，所述柔性PTC设备电连接到所述电池组并适于在发生过电流情况时，抑制或减小流过所述电池组的电流；以及
电池管理系统，联接到所述柔性PTC设备，所述电池管理系统被配置成测量所述柔性PTC设备两端的电压，并且如果所述柔性PTC设备两端的测量电压超过预定阈值，则抑制或减小所述电子设备中的电流。
12.根据权利要求11所述的电子设备，其中所述柔性PTC设备串联地电连接在所述电池组和电负载之间。
13.根据权利要求12所述的电子设备，其中所述电池管理系统是所述电负载的板载组件。
14.根据权利要求12所述的电子设备，还包括断开开关，所述断开开关可操作地连接到所述电池管理系统并且串联地电连接在所述柔性PTC设备和所述电负载之间，所述电池管理系统被配置成如果所述柔性PTC设备两端的测量电压超过预定阈值，则打开所述断开开关。
15.根据权利要求11所述的电子设备，其中所述柔性PTC材料片的厚度在10μm至100μm的范围内。
16.根据权利要求11所述的电子设备，其中所述柔性PTC材料片覆盖所述第一电池单元的大于25％的表面。
17.根据权利要求11所述的电子设备，其中所述柔性PTC材料片覆盖所述第一电池单元的大于50％的表面。
18.根据权利要求11所述的电子设备，其中所述柔性PTC材料片覆盖所述第一电池单元的大于75％的表面。
19.根据权利要求11所述的电子设备，其中所述电池管理系统被配置成如果流过所述柔性PTC设备的电流超过所述柔性PTC设备的载流容量，则抑制或减小所述电子设备中的电流。
20.根据权利要求11所述的电子设备，其中所述柔性PTC材料片是第一柔性PTC材料片，并且所述柔性PTC设备还包括第二柔性PTC材料片，并且其中所述电池组还包括第三电池单元，所述第二柔性PTC材料片联接到所述第二电池单元的表面并设置在所述第二电池单元和所述第三电池单元中间。
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