CN1168962C - 二次电池,用于二次电池的温度检测装置及其制造方法 - Google Patents

二次电池,用于二次电池的温度检测装置及其制造方法 Download PDF

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Abstract

提供一种温度检测装置及其制造方法，用以检测串联连接的二次电池的不正常温升。一温度检测装置11置于与多个串联连接二次电池接触及连接至一电源12及一电流测量设备13，其中每一温度检测部与各别二次电池接触以检测该温度。各温度检测部包括一正温度系数(PTC)层及与该层接触并夹在顶端及底端上的电极片，该电极片在顶端及底端方向层级交错及间歇地置于左和右方向，其整个长度由一透明塑胶片所覆盖。

Description

二次电池，用于二次电池的温度检测装置及其制造方法
发明的技术领域
本发明涉及一种二次电池，用于二次电池的温度检测装置及其制造方法。
背景技术
二次电池，如镍氢电池及锂离子电池，相较于先前铅电池比较轻且容量比较大，近几年来已发展及使用在不同应用例。该二次电池的一应用例，其已接近商业化及使用较轻重量及较大容量特性，是一使用电动马达做能量源的电动汽车，或结合使用电动马达和内燃机做能量源的混合式的汽车。
因为二次电池的最大电压及电流容量受限于其反应原理，需多个电池串联以获致特定电压；该等电池则另并联以获致特定电流容量以使用做如上述大驱动力所需的一能源。
本发明欲解决的问题
在使用二次电池时所必需的充电，是通过对充整体串联连接的二次电池施加充电电压而进行的。下列有关充电问题必须解决。
因为很难使得二次电池的充放电特性一致，即使是在严格品质管制，依充放电状况改变的内部电阻变化，则也是不可避免的。因此，当多个具有不同电阻的二次电池串联在一起且将一充电电压施于全部电池，接收电流便一致地通过该等电池，在部分电池会因其内部电阻大而导致二次电池相当大的温升。该等二次电池相当大的温升不仅缩短其寿命也损坏到其外壳。
一种解决该问题的方法是将特定电压分别施加在二次电池的两个终端且同时控制充电电流，然而提供各别的充电路给许多二次电池是困难的。
因此，在对二次电池的充电中，当检测到如上所述的不正常温升时，必须停止该异常电池的充电处理。一种方法则是使用双金属接点方法以检测温度。但在此方法，当开/关动作导致接点振动发生时，由于电弧放电使该接点构件会粘在一起，以使得接点不再发挥开关的功能，安全上也会有问题。
另一方法则是使用PTC(正温度系数)材料以检测二次电池的温度。当测量对象的表面温度由接点传送时，此PTC材料具有在室温下，呈现出在相对低温下具有相对低电阻的特性。但当曝露在由于异常大电流流经测量标的所产生高温下，则具有很高的电阻。至今，当使用PTC材料以检测二次电池的不正常温升，特别是在充电时，多个二次电池串联，使用PTC材料检测器分别附着至每一个二次电阻以检测充电时的温度异常上升。但在这一方法中，也有复杂的问题，如检测器间的接线及从检测器至处理资料的温度检测电路的接线等。
本发明是鉴于该等环境而创作的。其目的是提供一种二次电池，二次电池的温度检测装置及其制造方法，其可使用以检测单一个的二次电池或多个串联的二次电池，因为较少焊接部分，及可以制成不同形状，具有低制造成本及使用时的高可靠性。
解决问题的方法
根据本发明的第1项的温度检测装置呈细长形，具有一可连接至每一电源以检测多个电池的温度的检测部，该装置包含：
(A)一正温度系数元件(PTC)，其
(1)具有相对的第一和第二表面，呈连续细长带状，及
(2)包含一种具有PTC特性的导电聚合物；
(B)多个第一电极，其
(1)固定至PTC元件的第一表面，及
(2)彼此纵向间隔；
(C)多个第二电极，其
(1)固定至正温度系数元件的第二表面，及
(2)彼此纵向间隔地配置；
第一和第二电极成交错及重叠的关系，使得(i)每个第一电极具有(a)不与第二表面上的第二电极重叠的一个中央部；及(b)两个端部，其中的每一个端部与第二表面上的相邻第二电极的一个端部重叠；及(ii)每个第二电极具有(a)不与第一表面上的第一电极重叠的一个中央部；及(b)两个端部，其中的每一个端部与第一表面上的相邻第一电极的一个端部重叠；
(D)一聚合物绝缘罩，被覆在该PTC元件及第一和第二电极上；
(E)多个纵向间隔检测组件，每个检测组件由下述构成：
(1)重叠在所述第一电极之一的一端部，
(2)重叠在所述第二电极之一的一端部，及
(3)PTC元件的一部分，当上述温度检测装置连接至电源时，由此电流横断流经在电极的重叠端部之间；和
(F)多个纵向间隔连接组件，每个连接组件具有：
(1)串联两个连接相邻的电气检测组件，及
(2)由下述构成
(a)PTC元件的一部分，及
(b)第一电极之一的一中央部或第二电极之一的一中央部，当所述温度检测装置连接至电源，由此电流纵向流经该中央部。
根据本发明的第2项是所述第1项所述的温度检测装置，其特征是，(A)所述导电聚合物在23℃具有一8Ω-cm或较小的体积电阻值，及(B)所述检测组件的电阻值在23℃是5Ω或更小及在90℃是至少100Ω。
根据本发明的第3项是所述第1或2项所述的温度检测装置，其特征是，所述第一和第二电极是一金属箔电极。
根据本发明的第4项是所述第1至3项任一项所述的温度检测装置，其特征是，所述检测组件是实质上彼此相同且沿着所述温度检测装置匀匀间隔，所述检测组件间的间隔，即相邻检测组件的对应点间的距离是重复在10mm至30mm间的距离。
根据本发明的第5项是所述第1至3项的任一项所述的温度感装置，其特征是，所述检测组件是成对配置，其中每对的两个组件间的间隔是实质地小于所述每对间的重复间隔。
根据本发明的第6项是所述第5项所述的温度检测装置，其行征是，相邻第一电极的端部间的间隔是至少0.4mm，相邻第二电极的端部间的间隔是至少50mm，及所述PTC元件的厚度则至少是2mm。
根据本发明的第7项是所述第1至6项的任一项所述的温度检测装置，其特征是，具有跨接及连接在每对相邻第一电极的间隙间的电阻，所述电阻由是并联连接至相邻的一组检测组件，其中该电阻的电阻值是(A)在23℃实质大于该对相邻的检测组件，及(B)在90℃实质上小于该对相邻的检测组件。
根据本发明的第8项是所述第7项所述的温度检测装置，其特征是，所述电阻包含一导电聚合物。
根据本发明的第9项是所述第1至8项的任一项所述的温度检测装置的制造方法，包含
(A)提供薄片的步骤，该薄片包含
(1)一片(a)具有相对第一和第二表面，及
       (b)是由具有PTC特性的一导电聚合物所组成，
(2)一第一金属片附加至(1)所述该片的第一表面，及
(3)一第二金属片附加至(1)所述该片的第二表面；
(B)步骤，将多个第一平行带从上述第一金属片移走以形成多个第一凹槽，
(C)步骤，将所述多个第二平行带从上述第二金属片移走以形成多个第二凹槽，其中所述第一和第二凹槽是彼此平行但不交错及不重叠，
(D)步骤，将来自(C)的该片沿着垂直上述第一和第二凹槽区分成的多个带状组件，及
(E)步骤，在所述由(D)步骤所得的带状组件的周围形成多个聚合物绝缘组件。
根据本发明的第10项是一组电池，具有：
(A)多个二次电池，及
(B)如所述第1至8项的任一项所述的温度检测装置，其中每一电池被提供以至少一热接触的检测组件。
附图的简单说明
图1是展示出根据本发明具有一温度检测装置的二次电池组；
图2是放大图，展示根据本发明的温度检测装置及二次电池的第一实施例；
图3是剖面图，展示根据本发明的温度检测装置的一第一实施例；
图4是展示根据本发明的温度检测装置的制造方法的说明图；
图5是展示根据本发明的温度检测装置的制造方法的说明图；
图6是展示本发明使用的PTC材料的温度特性图；
图7是放大图，展示根据本发明的温度检测装置的第二实施例；
图8是剖面图，展示如图7所示的根据本发明的温度检测装置的第二具实施例；
图9是放大图，展示根据本发明的温度检测装置及二次电池的第三实施例。
符号的说明
10，10a-二次电池
11-温度检测装置
12-电源
13-电流测量设备
20-电极片
21-PTC层
22-间隙
23-ZTC层
20a，20b-电极片
20c-PTC层
30-透明塑胶片
本发明的实施例
参照图1，对本发明的第一实施例说明如下。图1是根据本发明的一组具有一温度检测装置的二次电池组。在图1中，多个二次电池(图内为6个)串联连接以进行充电。标号10表示串联连接的二次电池；该图省略了连接至二次电池10以进行充电处理的充电设备。一温度检测装置11具有连接的多个温度检测部(如该图内对于6个二次电池)则与二次电池10连接以检测二次电池10的温度。一电源12及一电流测量设备13则电气地串联连接在该温度检测装置11的两个端部。
其次，根据本发明的具有一温度检测装置的二次电池组使用图1说明如下。电压从电源12施加于温度检测部11，结果，电流流经一闭环路，该环路包含温度检测装置11，电源12，及电流测量设备13。在充电时，二次电池10的表面温度经由接触传送至温度检测装置11。电流测量设备13测量流经上述闭环路的电流；若该电流比正常状态下二次电池的特定值大，则测量的二次电池之一的温度正在上升，因此，被判断为异常已发生，并停止充电程序。
其次，温度检测装置11的结构则使用图2予以详细说明。图2是温度检测装置11和二次电池10的放大分离图，两者在实际使用状态下是相互接触的。在该图中，P2的长度表示一个二次电池。电极片20，由Cu-Ni薄片所组成，则间歇地接触PTC层21的顶部和底部，该PCT层是具有根据特定温度特性改变的正温度系数特性的导电聚合物层。在每一电极片间以标号22所表示其间隙；电极片20则曝露在此间隙22中。
P1所示范围的上段表示一个温度检测部，包含电极片20a的右半，电极片20c，电极片20b的左半。在此第一实施例中，温度检测装置的结构包含连续6个温度检测部，与二次电池的数目相同。在此实施例，当从图2的Z方向观察，PTC树脂层21的顶部上的电极片20a和电极片20b与PTC树脂层21的底部上电极片20c重叠，该PTC层21则如图示设在其间。
在实际使用状态下，此温度检测部P1则与一个二次电池10a连接以检测二次电池10a的温度。而且，若PTC层21的厚度为d1及电极片间间隔为d2，如图所示，本实施例的每个电极片配置则使得d2＞d1。该温度检测部的连续的整个顶部和底部则由透明塑胶绝缘片覆盖以形成温度检测装置11。图3展示图2的方向Z的温度检测装置的剖面图，其中标号30是上述透明塑胶片。
其次，就本实施例的温度检测部所检测的温度原理加以说明。图2的温度检测部P1则为一范例。对应于图1，在图2中，若电流由左流向右。电源12供给的电流路径从电极片20a经由PTC层21流至电极片20c；在已流经此电极片20c后，电流经由PTC层21流至电极片20b。这是因为，上述d2＞d1，本路径内电阻小于电流路径从电极片20a直接流至电极片20b的电阻。因此，电流以一曲折方向在每一温度检测部的顶部和底部间流动。
首先，若测量的二次电池10a温度为正常，PCT层21的电阻也为低值，则流经上述路径的电流在电流测量设备13被测量为一正常值。其次，若所有发生在二次电池的损坏且温度上升至一不正常范围，与二次电池接触的PTC层21的电阻则也经由此温度上升而增加，从而使上述路径的总电阻值增加；因此在电流测量设备13测量的电流增加，从而可检测二次电池不正常。
图6是一曲线展示PTC层的电阻改变与二次电池的温度改变间的关系。在此实施例，展示出电阻在特定温度Tx附近的突然改变。将正常温度范围内点A和温升所导致的不正常温度范围内点B相比较，其电电阻值则增加约几百倍。
其次，说明第二实施例。该第二实施例的温度检测装置包含：
PTC构件，多个带状形式间隔检测组件，每一检测组件则提供以该构件具有一薄片状及相对的第一和第二表面及提供以一导电聚合物具有PTC特性，
第一电极，连接至上述每一PTC片的第一表面，及
第二电极，连接至上述每一PTC片的第二表面，及
多个带状间隔连接组件，其中每一连接组件则定位在2相邻检测组件之间，该连接组件则交替地连接至相邻检测组件的第一电极及相邻检测组件的第二电极；
当温度检测装置连接至电源时，电流则横断地流经所述PTC构件及纵向地流经上述连接组件。
图7则以一范例说明。该图是温度检测装置的组件，1个温度检测部的横剖面图。假设具有温度检测部的温度检测装置是以如第一实施例的相同方式使用。在此，PTC层21不是如第一实施例的一连续层，但以组件存在由一温度检测部的顶部和底部电极片20的相对的组件所包夹。
图8是一垂直图7其中存在顶部和底部电极片20及PTC层21部分的温度检测部的剖面图。如在上述图3，温度检测装置的顶部和底部则覆盖以一透明塑胶片30。在此第二实施例，该PTC层21小于在整个长度及在每个温度测部的面积，具有对测量的二次电池温度改变更灵敏的反应效果。
其次，对如图9所示的第三实施例予以说明。该图是温度检测装置的部分放大剖面图。如在图2，P1展示范围的顶部表示一个温度检测部；在实际使用状态下，这是与一个二次电池10a接触以测量其温度。在实施例中，除了图2所示第一实施例的范例，还具有一ZTC(零温度系数)层23，它是具有零温度系数的一导电树脂层，断续地接触及覆盖电极片20的间断部分。
该图的其他部分则与上述第一实施例所述的图2相同。在此第三实施例中，若PTC层21有故障而无法使电流流经该层，电流将流经电极片20及ZTC层23，从而可检测温度检测装置本身的不正常或故障。
本实施例也是关于对检测如电动汽车上的二次电池的多个电池的温度特别有效的温度检测装置。
下面说明温度检测装置的制造方法，使用上述第一实施例做为一范例。首先，在图4中，准备具有均匀厚度d1的PTC层；将它包夹着，电极片20则与顶部和底部连接以制成一基片。其次，罩覆由图4的双点线所示的宽带部分，在PTC层21的顶部和底部的上下电极片20移走图5的d2所示的部分。
接着，对基片进行蚀刻处理，以熔化上述罩覆部分之外的电极片20，以形成具有间隔距离为d2的电极片。在此后，基片依着图5内双点线的横断方向切割。将获得的带状件分别从上及下使用透明塑胶片包夹，在其后电极则经由焊接连接在两个终端的电极以获得多个温度检测装置。
如上所述，具有每一实施例所述的结构的根据本发明的温度检测装置，即使当多个被测量的二次电池是以例如一L字形串联连接，也可以使得其可被制成沿着该L字形的形状。此外，所述制造方法比较简单，容易稳定制造，因此适合量产。
最后，虽然本发明已经由上述描述以应用于二次电池，其并未受限于二次电池，但可有效地应用至需要监督温升的其他对象。
根据本发明的二次电池，二次电池的温度检测装置及制造方法，及特别是在温度检测装置，一个单一装置可被使用以感测单一个二次电池或多个串联连接的二次电池的温度。此外，当采用根据本发明的制造温度检测装置方法时，制造成本低，因为焊接段少而使用可靠性高，且可以制成不同形状的产品。

Claims (10)

1.一种细长的温度检测装置，可连接至一电源以供给检测器对多个电池的温度作检测，其特征在于，该装置包含：
(A)一正温度系数元件，其
(1)是一具有相对第一和第二表面的连续细长的带状，及
(2)包含一个有正温度系数特性的导电聚合物；
(B)多个第一电极，其
(1)固定至正温度系数元件的第一表面，及
(2)彼此纵向间隔地配置；
(C)多个第二电极，其
(1)固定至正温度系数元件的第二表面，及
(2)彼此纵向间隔地配置；
第一和第二电极成交错及重叠的关系，使得
(i)每个第一电极具有(a)不与第二表面上的第二电极重叠的一个中央部；及(b)两个端部，其中的每一个端部与第二表面上的相邻第二电极的一个端部重叠；及
(ii)每个第二电极具有(a)不与第一表面上的第一电极重叠的一个中央部；及(b)两个端部，其中的每一个端部与第一表面上的相邻第一电极的一个端部重叠；
(D)一聚合物绝缘罩，用来围绕正温度系数元件及第一和第二电极；
(E)多个纵向间隔的检测组件，每个检测组件由下述的构成：
(1)第一电极之一的一个重叠端部，
(2)第二电极之一的一个重叠端部，及
(3)正温度系数元件的一部分，当装置连接至电源，由此电流横断流经在电极的重叠端部之间；及
(F)多个纵向间隔的连接组件，每个连接组件
(1)以串联方式电连接两个相邻的检测组件，并且
(2)由下述的构成：
(a)正温度系数元件的一部分，及
(b)第一电极之一的一个中央部或第二电极之一的一个中央部，当装置连接至电源，由此电流纵向流经。
2.如权利要求1所述的温度检测装置，其特征在于，
(A)所述导电聚合物在23℃具有一8Ω·cm或较小的体积电阻，及
(B)所述检测组件的电阻值在23℃是5Ω或更小及在90℃是至少100Ω。
3.如权利要求1或2所述的温度检测装置，其特征在于，所述第一和第二电极是一金属箔电极。
4.如权利要求1或2所述的温度检测装置，其特征在于，所述检测组件是实质彼此相同且沿着所述温度检测装置均匀间隔，其中上述检测组件间的间隔，即相邻检测组件的对应点间的间隔是重复在10mm至30mm间的距离。
5.如权利要求1或2所述的温度检测装置，其特征在于，所述检测组件是成对地配置，其中每对的两个组件间的间隔是实质地小于所述每对间的重复间隔。
6.如权利要求5所述的温度检测装置，其特征在于，
相邻第一电极的端部间的间隔是至少0.4mm，相邻第二电极的端部间的间隔是至少50mm，及所述PTC元件的厚度则至少是2mm。
7.如权利要求1或2所述的温度检测装置，其特征在于，电阻跨接及连接在每对相邻第一电极的间隙间，所述电阻由是并联连接至相邻组检测组件，其中该电阻的电阻值是(A)在23℃实质上大于该对相邻组检测组件，及(B)在90℃实质上小于该对相邻组检测组件。
8.如权利要求7所述的温度检测装置，其特征在于，所述电阻包含一导电聚合物。
9.一种用于制造如权利要求1至8的任一项所述的温度检测装置的制造方法，其特征在于，包含以下步骤：
(A)一提供薄片的步骤，包含
(1)一片，它
(a)具有相对第一和第二表面，以及
(b)是由具有正温度系数特性的一导电聚合物所组成，
(2)将一第一金属片附加至(1)所述该片的第一表面，及
(3)将一第二金属片附加至(1)所述该片的第二表面。
(B)经由将多个第一平行带从所述第一金属片移走以形成多个第一凹槽的步骤，
(C)经由将上述多个第二平行带从所述第二金属片移走以形成多个第二凹槽的步骤，其中所述第一和第二凹槽是彼此平行但不交错及不重叠，
(D)用以操作经由将来自(C)的该片沿着垂直所述第一和第二凹槽区分成的多个带状型式组件的步骤，及
(E)形成一聚合物绝缘组件环绕上述(D)的带状的每一组件。
10.一种二次电池，其特征在于，具有：
(A)多个二次电池，及
(B)如权利要求1至8的任一项所述的温度检测装置，其中每一电池至少具有一个热连接的检测组件。
CNB998048704A 1998-04-07 1999-04-05 二次电池,用于二次电池的温度检测装置及其制造方法 Expired - Lifetime CN1168962C (zh)

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