CN112530741B - 一种锂离子电池磁控开关及其控制方法 - Google Patents

一种锂离子电池磁控开关及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电池磁控开关技术领域，公开了一种锂离子电池磁控开关及其控制方法，包括锂离子电池，锂离子电池的正极端具有极耳，所述正极端的极耳电性连接有开关盖帽，所述开关盖帽包括开关盖帽上部和开关盖帽下部，所述开关盖帽下部具有导电块。所述锂离子电池的电芯中插入有第一铁芯，在锂离子电池充放电时产生螺旋电流并形成第一磁场。所述开关盖帽上部和开关盖帽下部之间具有第二铁芯，在第二铁芯上绕制导线绕组，导线绕组通电后形成第二磁场。所述第一磁场的磁极方向由螺旋电流流向决定，通过控制第一磁场与第二磁场的磁极相同或相异，进而决定第二铁芯是否与导电块吸合，控制锂离子电池的充放电并实时进行保护。

Description

一种锂离子电池磁控开关及其控制方法
技术领域
本发明涉及电池磁控开关技术领域，具体而言，涉及一种锂离子电池磁控开关及其控制方法。
背景技术
目前，随着锂离子电池的研究和应用，锂离子电池技术得到了很大的提升，锂离子电池在应用方面非常广泛，比如日常使用的吸尘器，工业上应用的机器人，及轻载型的动力方面。同时锂离子电池在安全方面一直存在困扰，尤其是锂离子电池安全事故方面，锂离子电池安全事故发生的原因有很多种，比较常见的如电池自身材料、电池过充、内部短路及外部线路出现短路等问题，很多时候都是外部短路的原因导致电芯爆炸起火。现有市场上大多数是通过尽量合理使用，不断地改进电池自身材料，及尽量避免将电池存放在高温危险地方来避免电池安全事故，但是并没有能够从根源的角度上解决问题。
针对上述问题，本发明提供一种锂离子电池磁控开关，利用电池电芯充放电时的螺旋电流产生的磁场，与磁控开关产生的磁场相互作用来控制电池与负载端外部电路的连接。磁控开关是在电芯内部的控制开关，当电池电芯放电时外部任意位置现短路时，可以紧急关闭，此时电芯只能充电，不能放电，不会出现安全失效中的第二次失效。同理当电池电芯出现充电过充风险时，电池电芯电流流向发生变化，导致磁场方向也会变化，此时只能放电，不能充电。
发明内容
本发明的目的在于提供一种锂离子电池磁控开关及其控制方法，旨在解决现有技术中，锂离子电池在放电时负载端外部电路短路发生着火或爆炸安全事故，及在锂离子电池充电时由于过充产生的安全问题。
本发明是这样实现的，该一种锂离子电池磁控开关，包括锂离子电池，锂离子电池的正极端具有极耳，所述正极端的极耳电性连接有开关盖帽，所述开关盖帽包括开关盖帽上部和开关盖帽下部，所述开关盖帽下部具有导电块。所述锂离子电池的电芯中插入有第一铁芯，在锂离子电池充放电时产生螺旋电流并形成第一磁场。所述开关盖帽上部和开关盖帽下部之间具有第二铁芯，所述第二铁芯与开关盖帽上部通过弹性件相连接，在第二铁芯上绕制导线绕组，导线绕组通电后形成第二磁场。
所述第一磁场的磁极方向，通过改变锂离子电池产生的螺旋电流流向而改变。
进一步地，所述锂离子电池的电芯采用螺旋卷绕式结构，在充放电时产生螺旋电流，进而形成第一磁场。
进一步地，所述极耳电性连接所述开关盖帽下部的导电块，所述导电块包括具有导电性的金属片。
进一步地，所述弹性件包括具有导电性的弹簧、弹性金属片或导线。
进一步地，所述极耳包括具有导电性的导线和金属材质。
进一步地，所述锂离子电池为18650锂离子电池，包括正极层和负极层，所述正极层和负极层之间具有隔膜层，所述正极层与正极端的极耳相连接。
一种锂离子电池磁控开关的控制方法，所述控制方法包括以下步骤：
1)、锂离子电池放电：所述锂离子电池需要放电时产生螺旋电流并形成第一磁场，设于锂离子电池正极端上方的开关盖帽的导线绕组通电，产生与第一磁场磁极相异的第二磁场，所述第二铁芯往下与导电块相吸，锂离子电池与负载端外部电路接通进入正常放电工作状态；
此时，所述锂离子电池无法进行充电。
2)、锂离子电池充电：在步骤1)的锂离子电池正常放电过程中，当负载端外部电路任意一处发生短路，产生过大电流，所述锂离子电池的螺旋电流流向呈相反方向，并改变第一磁场的磁极方向，第一磁场的磁极方向与所述开关盖帽的第二磁场的磁极方向相同，所述第二铁芯收到排斥与导电块分离，所述锂离子电池与负载端外部电路的连接被切断，锂离子电池进入充电状态；
此时，所述锂离子电池无法进行放电。
进一步地，在第1)步骤中，所述锂离子电池的正极端通过所述第二铁芯与导电块相吸合，形成与负载端外部电路相连接的放电回路。
进一步地，在第2)步骤中，所述锂离子电池出现充电过充风险时，锂离子电池的螺旋电流流向发生变化，改变第一磁场磁极方向，与第二磁场的磁极方向相异，所述第二铁芯往下与导电块相吸，锂离子电池与负载端外部电路重新接通进入正常放电工作状态。
进一步地，所述锂离子电池在充电和放电时，产生的螺旋电流流向是相反的，产生的磁场的磁极方向也呈相反。
与现有技术相比，该锂离子电池磁控开关及其控制方法，包括锂离子电池，锂离子电池的正极端具有极耳，所述正极端的极耳电性连接有开关盖帽，所述开关盖帽包括开关盖帽上部和开关盖帽下部，所述开关盖帽下部具有导电块。所述锂离子电池的电芯中插入有第一铁芯，在锂离子电池充放电时产生螺旋电流并形成第一磁场。所述开关盖帽上部和开关盖帽下部之间具有第二铁芯，在第二铁芯上绕制导线绕组，导线绕组通电后形成第二磁场。所述第一磁场的磁极方向由螺旋电流流向决定，通过控制第一磁场与第二磁场的磁极相同或相异，进而决定第二铁芯是否与导电块吸合，控制锂离子电池的充放电，实现锂离子电池充放电的安全保护效果。
附图说明
图1是本发明的锂离子电池放电时导电块与第二铁芯吸合连接的示意图；
图2是图1中锂离子电池放电时螺旋电流的流向及第一磁场的磁极方向的示意图；
图3是本发明的锂离子电池充电时导电块与第二铁芯分离的示意图；
图4是图3中锂离子电池充时螺旋电流的流向及第一磁场的磁极方向的示意图。
图中：1-锂离子电池、11-电芯、12-第一铁芯、13-正极层、14-负极层、15-隔膜层、16-极耳、2-开关盖帽、21-开关盖帽上部、22-开关盖帽下部、23-第二铁芯、24-导线绕组、25-导电块。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细的描述。
本实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须设有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本发明提供了锂离子电池磁控开关及其控制方法，如图1至4所示，具体来说，锂离子电池磁控开关包括锂离子电池1，锂离子电池1的正极端具有极耳16，所述正极端的极耳16电性连接有开关盖帽2，所述开关盖帽2包括开关盖帽上部21和开关盖帽下部22，所述开关盖帽下部22具有导电块25。所述锂离子电池1的电芯11中插入有第一铁芯12，在锂离子电池1充放电时产生螺旋电流并形成第一磁场。所述开关盖帽上部21和开关盖帽下部22之间具有第二铁芯23，所述第二铁芯23与开关盖帽上部21通过弹性件相连接，在第二铁芯23上绕制导线绕组24，导线绕组24通电后形成第二磁场。所述第一磁场的磁极方向，通过改变锂离子电池1产生的螺旋电流流向而改变。
较佳的，所述锂离子电池1需要放电时，所述第二铁芯23往下与导电块25相吸，锂离子电池1与负载端外部电路接通形成放电工作回路，此时，所述锂离子电池1无法进行充电；所述锂离子电池1需要充电时，所述第二铁芯23与导电块25分离，锂离子电池1与负载端外部电路断开进入充电工作状态，此时，所述锂离子电池1无法进行放电。
针对上述附图的对应方案，下面展开具体实施例进行描述：
第一实施例
请参考图1～4所示，于本实施例中，该锂离子电池磁控开关及其控制方法，应用范围较广，主要优选应用领域是吸尘器，工业上应用的机器人，及轻载型的动力方面。针对目前的锂离子电池1存在的安全问题，本发明的锂离子电池1作出了改进。具体地，所述锂离子电池1在本实施例采用的是“18650锂离子电池”，该“18650锂离子电池”包括正极层13和负极层14，所述正极层13和负极层14之间具有隔膜层15，设置隔膜层15以防止正极层13与负极层14之间短路，所述正极层13与正极端的极耳16相连接，所述极耳16可以采用导线或具备导电性的金属材质。所述锂离子电池1中具有电芯11，该电芯11采用螺旋卷绕式结构，当锂离子电池1在充放电时即会产生螺旋电流，根据电生磁原理，在锂离子电池1内会产生磁场，该磁场在本实施例中为第一磁场。在实际应用中，所述第一磁场的磁极方向由充放电时产生的螺旋电流的流向来确定。
在所述锂离子电池1的正极端设置金属材质的开关盖帽2，该开关盖帽2主要由上下两层构成，上面一层为开关盖帽上部21，下面一层为开关盖帽下部22，且在开关盖帽上部21和开关盖帽下部22之间设置第二铁芯23，所述第二铁芯23绕制有导线绕组24。当所述导线绕组24通电时，根据电生磁原理，在所述第二铁芯23和导线绕组24范围附近会产生磁场，该磁场在本实施例中为第二磁场。
具体地，所述第二铁芯23上端通过弹性件与开关盖帽上部21电性连接，所述弹性件选用的是包括具有导电性的弹簧、弹性金属片或电线，较佳的，所述弹性件采用导电性的弹簧。所述开关盖帽下部22设有导电块25，所述导电块25与锂离子电池1的正极端的极耳16电性连接，较佳的，所述导电块25采用具备导电性的金属片。
根据上述方案，本实施例中，所述开关盖帽2的结构包括圆柱形结构，当然在不影响实际应用的情况，也可以设为方块状或圆球状。
所述锂离子电池1需要放电时，在所述锂离子电池1范围内形成第一磁场，请参考图2所示，为放电时所述锂离子电池1产生的螺旋电流的流向和第一磁场的磁极方向。
所述锂离子电池1需要充电时，在所述锂离子电池1范围内形成第一磁场，请参考图4所示，为充电时所述锂离子电池1产生的螺旋电流的流向和第一磁场的磁极方向。
请参考图1所示，所述锂离子电池1放电工作状态，所述锂离子电池1产生螺旋电流，并产生第一磁场，此时所述第一磁场的磁极N极朝上；所述开关盖帽上部21与开关盖帽的下部之间的导线绕组24通电形成第二磁场，此时第二磁场的S极朝下，第一磁场的磁极与第二磁场的磁极为异性相吸。因此，所述第二铁芯23往下与导电块25相吸合，所述锂离子电池1与负载端外部电路形成放电电路，在所述锂离子电池1放电的过程中，不能进行充电工作。
请参考图3所示，当所述锂离子电池1放电过程中发生外部电路短路了，产生电流过大情况，为了避免锂离子电池1发生着火爆炸的危险。所述锂离子电池1需要进入充电工作状态，所述锂离子电池1产生螺旋电流，并产生与放电时磁场方向相反的第一磁场，此时所述第一磁场的磁极S极朝上。所述开关盖帽上部21与开关盖帽的下部之间的导线绕组24通电形成第二磁场，此时第二磁场的磁场不变S极朝下，第一磁场的磁极与第二磁场的磁极为同性相斥。因此，所述第二铁芯23与导电块25相分离，同时由于第二铁芯23上端与开关盖帽上部21连接，所以不会往下掉。所述锂离子电池1与负载端外部电路被切断，在所述锂离子电池1充电的过程中，不能进行放电工作。
根据上述方案，在实际应用中，该锂离子电池磁控开关的控制方法，具体步骤如下：
1)、锂离子电池1放电：所述锂离子电池1需要放电时产生螺旋电流并形成第一磁场，设于锂离子电池1正极端上方的开关盖帽2的导线绕组24通电，产生与第一磁场磁极相异的第二磁场，所述第二铁芯23往下与导电块25相吸，第二铁芯23与锂离子电池1的正极接通，锂离子电池1与负载端外部形成放电电路进入正常放电工作状态；
此时，所述锂离子电池1无法进行充电。
2)、锂离子电池1充电：在步骤1)的锂离子电池1正常放电过程中，当负载端外部电路任意一处发生短路，产生过大电流，所述锂离子电池1的螺旋电流流向呈相反方向，并改变第一磁场的磁极方向，第一磁场的磁极方向与所述开关盖帽的第二磁场的磁极方向相同，所述第二铁芯23收到排斥与导电块25分离，所述锂离子电池1与负载端外部电路的连接被切断，锂离子电池1进入充电状态；
此时，所述锂离子电池1无法进行放电。
在上述第2)步骤中，当所述锂离子电池1出现充电过充风险时，锂离子电池1的螺旋电流流向发生变化，改变第一磁场磁极方向，与第二磁场的磁极方向相异，所述第二铁芯23往下与导电块25相吸，锂离子电池1与负载端外部电路重新接通进入正常放电工作状态，以此防止锂离子电池1过充产生的安全危险。
较佳的，所述锂离子电池1在充电和放电时，产生的螺旋电流流向是相反的，产生的磁场的磁极方向也呈相反。确切地说，通过锂离子电池1的充放电形成不同流向的螺旋电流，进而改变自身的磁场方向，与开关盖帽的磁场进行对比，使第二铁芯23与锂离子电池的正极端相连通或分离，进而确定锂离子电池1是否与负载端外部电路相连接。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种锂离子电池磁控开关，包括锂离子电池，锂离子电池的正极端具有极耳，其特征在于，所述正极端的极耳电性连接有开关盖帽，所述开关盖帽包括开关盖帽上部和开关盖帽下部，所述开关盖帽下部具有导电块；
所述锂离子电池的电芯中插入有第一铁芯，在锂离子电池充放电时产生螺旋电流并形成第一磁场；
所述开关盖帽上部和开关盖帽下部之间具有第二铁芯，所述第二铁芯与开关盖帽上部通过弹性件相连接，在第二铁芯上绕制导线绕组，导线绕组通电后形成第二磁场；
所述第一磁场的磁极方向通过改变锂离子电池产生的螺旋电流流向而改变。
2.如权利要求1所述的锂离子电池磁控开关，其特征在于，所述锂离子电池的电芯采用螺旋卷绕式结构，在充放电时产生螺旋电流，进而形成第一磁场。
3.如权利要求1所述的锂离子电池磁控开关，其特征在于，所述极耳电性连接所述开关盖帽下部的导电块，所述导电块包括具有导电性的金属片。
4.如权利要求3所述的锂离子电池磁控开关，其特征在于，所述弹性件包括具有导电性的弹簧、弹性金属片或导线。
5.如权利要求1所述的锂离子电池磁控开关，其特征在于，所述极耳包括具有导电性的导线。
6.如权利要求2所述的锂离子电池磁控开关，其特征在于，所述锂离子电池为18650锂离子电池，包括正极层和负极层，所述正极层和负极层之间具有隔膜层，所述正极层与正极端的极耳相连接。
7.一种如权利要求1所述的锂离子电池磁控开关的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：
1）、锂离子电池放电：所述锂离子电池需要放电时产生螺旋电流并形成第一磁场，设于锂离子电池正极端上方的开关盖帽的导线绕组通电，产生与第一磁场磁极方向相异的第二磁场，所述第二铁芯往下与导电块相吸，锂离子电池与负载端外部电路接通进入正常放电工作状态；
此时，所述锂离子电池无法进行充电；
2）、锂离子电池充电：在步骤1）的锂离子电池正常放电过程中，当负载端外部电路任意一处发生短路，产生过大电流，所述锂离子电池的螺旋电流流向呈相反方向，并改变第一磁场的磁极方向，第一磁场的磁极方向与所述开关盖帽的第二磁场的磁极方向相同，所述第二铁芯受到排斥与导电块分离，所述锂离子电池与负载端外部电路的连接被切断，锂离子电池进入充电状态；
此时，所述锂离子电池无法进行放电。
8.如权利要求7所述的锂离子电池磁控开关的控制方法，其特征在于，在步骤1）中，所述锂离子电池的正极端通过所述第二铁芯与导电块相吸合，形成与负载端外部电路相连接的放电回路。
9.如权利要求7所述的锂离子电池磁控开关的控制方法，其特征在于，在步骤2）中，所述锂离子电池出现充电过充风险时，锂离子电池的螺旋电流流向发生变化，改变第一磁场磁极方向，与第二磁场的磁极方向相异，所述第二铁芯往下与导电块相吸，锂离子电池与负载端外部电路重新接通进入正常放电工作状态。
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