CN1320563C - 电路保护装置和电池组件 - Google Patents

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Abstract

电路保护装置(1)在保护电池组件方面特别有用。该装置包括第一PTC装置(3)，其具有第一开关温度Ts1，具有在20℃的阻抗R1，具有在第一指定温度的保持电流IH1，且由含有第一导电聚合物成分的第一PTC阻抗元件制成，该第一PTC阻抗元件连接于第一和第二电极，以及第二PTC装置(5)其电串联连接于第一PTC装置，其具有小于Ts1的第二开关温度Ts2，在20℃时具有小于R1的阻抗R2，具有在第一指定温度时大于IH1的第二保持电流IH2，以及其由含有第二导电聚合物成分的第二PTC阻抗元件制成，且该第二PTC阻抗元件连接于第二PTC元件的第三和第四电极。在临界温度Tcrit，IH1等于IH2使得在低于Tcrit的温度，第一PTC装置转换到高阻抗状态且电路保护装复位，以及在高于Tcrit的温度，第二PTC装置转换到高阻抗状态且启动一个操作导致电路保护装置持久打开。

Description

电路保护装置和电池组件
技术领域
本发明涉及一种包括导电聚合物装置的电路保护装置，和包括这种装置的电路和组件。
背景技术
呈现阻抗的正温度系数(PTC特性)的电气装置用作电路保护装置是公知的。这样的装置通常包括含有导电聚合物成分的PTC元件，其中，颗粒状导电填充物分散在结晶聚合成分中。第一和第二电极，例如以金属片的形式，连接于导电聚合物用以允许电连接至电路中的装置。在正常操作期间，PTC装置处于低阻抗，低温度状态。当出现非常高的电流时，例如，由于短路或过电压情况，或当非常高的温度情况发生时，例如，在电池过度充电期间，装置“切换”或“跳闸”为高阻抗，高温度状态，由此将通过电路的电流减少到低的级别且保护电路中的电气元件。
从低阻抗转变为高阻抗时的温度是开关温度Ts。Ts被定义为作为温度函数的PTC元件的阻抗的对数的曲线图中大致成直线的部分的延伸交叉点处的温度，该温度位于显示斜率突然改变的的曲线的任一边。开关温度是用在该装置中的导电聚合体混合物的类型的函数。通常，Ts稍低于聚合物成分的熔化温度Tm，其中Tm被定义为微分扫描热量计的吸热峰值。当具有多于一个的峰值时，Tm被定义为具有最大含量的成分的峰值温度，即，混合物中的主要成分。因此，根据应用和期望的热环境，基于具有特定的Ts的特定混合物选择PTC装置。
根据PTC装置能无故障地承受的电压和电流的具体结合的能力来评价PTC装置。因此，PTC装置具有保持电流IH，其是在指定的周围环境的情况下最大的稳态电流，该电流可以在不导致装置切换为高阻抗状态的情况下通过装置；跳闸电流IT，是如果通过装置，将导致装置跳闸的最小的稳态电流；以及最大断续电流Imax，其是在指定的情况下可以安全的断开装置的最高故障电流。保持和跳闸电流是温度的函数，随温度的增加而减小。
发明内容
其中存在多个电池，如原电池的电池组通常用于如照相机，录像机，仪器，便携式计算机，个人数据助手(PDA)以及蜂窝电话的电气设备中。希望把电池组制作的尽可能的小且轻，但是还要在短路，失控充电故障，在错误电压下充电，和/或反向充电的情况下提供足够的保护。PTC装置通常与电池组的原电池串联使用，且最好具有低的阻抗和低的开关温度，例如，小于100℃，且最好是小于90℃，使得具有相对长的放电时间的电池，例如镍-氢电池和锂离子电池，其对过热状态敏感，在足够低的温度下开关以防止损害电池本身或其周围的壳体。
现在发现具有不同特性，如开关温度或保持电流的两个PTC装置可以用于组成电路保护装置，如复合电气装置，其在第一组情况下是可复位的，但是在第二组情况下是不可复位的。因此，电路保护装置可以在正常的操作情况下重复使用，但是，如果是到极端情况，例如非常高的过电流或过热，装置将变为非常高的阻抗状态且将以安全和可靠的方式“打开”。这样的电路保护装置特别适用于电池组件，该电池组件用于具有某些情况，如暴露于非常高的温度，此后，其最好是使电池组永久的损坏以防止继续使用。
在本发明的第一方面提供的电路保护装置包括：
(1)第一PTC装置，其(i)具有第一开关温度Ts1，(ii)具有在20℃的阻抗R1，(iii)具有在第一指定温度的保持电流IH1，且(iv)包括：
(a)含有第一导电聚合物成分的第一PTC阻抗元件，该导电聚合物成分包括聚合体成分，以及分散在其中的微粒导电填充物，以及
(b)连接于第一PTC阻抗元件的第一和第二电极，以及
(2)第二PTC装置(i)其电串联连接于第一PTC装置，(ii)其具有小于Ts1的第二开关温度Ts2，(iii)在20℃时具有小于R1的阻抗R2，(iv)具有在第一指定温度大于IH1的第二保持电流IH2，以及(v)包括
(a)含有第二导聚合物成分的第二PTC阻抗元件，该导电聚合物成分包括聚合体成分，以及分散在其中的微粒导电填充物，以及
(b)连接于第二PTC阻抗元件的第三和第四电极，
在大于第一指定温度的临界温度Tcrit下，IH1等于IH2，使得
(A)在低于Tcrit的温度，第一PTC装置切换到高阻抗状态且电路保护装置可被复位，以及
(B)在高于Tcrit的温度，第二PTC装置切换到高阻抗状态且启动一操作导致电路保护装置永久打开。
本发明第一方面的电路保护装特别适用于电池组件。因此，在本发明的第二方面提供了电池组件，其包括
(I)电池；以及
(II)本发明第一方的电路保护装置，其中第一和第二PTC装置与电池电接触。
附图说明
本发明由附图说明，其中
图1是作为用于本发明电路保护装置的第一和第二PTC装置的温度函数的阻抗的图解性表示；
图2是作为用于本发明电路保护装置的第一和第二PTC装置的温度函数的保持电流的图解性表示；
图3是用于本发明电路保护装置的电路图；
图4是图3的装置的示意性简图；
图5是用于本发明电路保护装置的电路图；
图6是图5装置的示意性简图。
具体实施方式
本发明的电路保护装置包括第一和第二PTC装置，其相互电串联，但是最好是彼此热隔离的。虽然根据应用和用于安装的可用空间，第一和第二PTC装置可以不同，但是第一和第二PTC装置最好具有大体相同的结构。通常，第一和第二PTC装置都包括由聚合混合物组成的PTC阻抗元件。这种聚合混合物包括聚合体成分，和分散在其中的如碳黑或金属的微粒导电填充物。导电聚合混合物在美国专利4237441(van Konynenburg等)，4545926(Fouts等)，4774026(Deep等)，4935156(van Konynenburg等)，5049850(Evans等)，5378407(Chandler等)，5451919(Chu等)，5582770(Chu等)，5747147(Wartenberg等)，5801612(Chandler等)，6130597(Toth等)，6358438(Isozaki等)，以及6362721(Chen等)中描述。在此结合这些专利的每一个所揭示的内容作为参考。第一PTC装置包括由第一导电聚合混合物组成的第一阻抗元件，同时第二PTC装置包括含有第二导电聚合混合物的第二阻抗元件。第一PTC装置的开关温度Ts1高于第二PTC装置的开关温度Ts2，第一导电聚合混合物的聚合成分通常具有比第二导电聚合混合物的聚合成分高例如至少10℃的熔化温度。
第一和第二PTC装置呈现出正温度系数(PTC)特性，即，它们显示出在相对小的温度范围电阻率显著增加。术语“PTC”用于表示具有至少2.5的R14的值和/或至少10的R100的值的混合物或装置，且最好是混合物或装置应该具有至少6的R30的值，其中R14是在14℃范围的终点和起始点的电阻比率，R100是在100C范围的终点和起始点的电阻比率，以及R30是在30℃范围的终点和起始点的电阻比率。最好是用于本发明的装置的混合物在从20℃到(Tm+5℃)的至少103.0，最好是103.5的，特别是104.0的范围的至少一个温度显示出PTC异常，即log[(Tm+5℃)时的电阻/20℃时的电阻]至少是3.0，最好是3.5，特别是至少4.0。如果在低于(Tm+5℃)的温度Tx达到最大电阻，PTC异常由log(Tx时的电阻)/20℃时的电阻决定。特别优选的是第一PTC装置具有比第二PTC装置更高的PTC异常。
PTC阻抗元件物理地和电气地与至少一个适合于将该元件连接于电源的电极接触。电极的类型根据元件的形状决定，且可以是例如固体的或多芯的线，金属箔，金属网状物或金属涂层。特别有用的装置包括两个薄片状电极，最好是金属箔电极，导电聚合物阻抗元件夹在它们中间。第一PTC元件连接于第一和第二电极，同时第二PTC元件连接于第三和第四电极。
当需要对PTC元件具有好的粘接时，特别适合的箔电极具有至少一个表面，该表面微粗糙，最好是通过电极沉积，例如在美国专利4689475(Matthiesen)和4800253(Kleiner等)以及共同公开的，共同转让的美国申请08/816471(Chandler等，于1997年3月13日提交的)中揭示的电极沉积的镍或铜电极，在此结合每一个揭示的内容作为参考。电极可以通过压制成型，夹制的叠片结构或其它任何适合的技术连接于阻抗元件。但是，在本发明的一个方面中，最好是第二PTC装置在第二PTC元件和第三和第四电极中的一个之间具有相对弱的粘接。对于这一应用，可以使用相对平滑的金属箔。
第一PTC装置在20℃具有电阻R1，其通常高于第二PTC装置在20℃的电阻R2，例如，至少10％，差不多100％，或更高。对于电池组件的应用，最好第一和第二PTC装置都具有低的阻抗，即，最多1.0ohm，最好是至多0.5ohm，，特别是最多0.1ohm，和更少。
用于第一和第二PTC装置的保持电流之间的关系是重要的。第一PTC装置具有在第一指定温度的保持电流IH1，以及第二PTC装置具有在第一指定温度的保持电流IH2，其大于IH1。但是，由于装置的热损耗，在大于第一指定温度的临界温度Tcrit下，IH1等于IH2。在操作中，在温度低于Tcrit时，如果电路保护装置处于过流或过热情况，第一PTC装置将转换为高阻抗状态。当故障被清除且电路的电源被移开，第一PTC装置将返回低阻抗状态，意味着电路保护装置被复位。但是在温度高于Tcrit时，如果过流或过热状态发生，第二PTC装置将转换到高阻抗状态且启动一操作。该操作将导致电路保护装置永久打开，且在电池组件的情况下，最好是使电池组丧失能力。
在用作永久打开电路保护装置的操作中是热熔断元件“熔断”或电极从PTC装置分层。任何适当的熔断元件都可以被使用，例如焊料或导电性粘接剂，其熔化且导致开路。特别优选的是热熔断元件的熔化温度高于Ts1。
第一和第二PTC装置可以位于相同的衬底上，例如一金属导线，其也可以提供电连接，或模制成型的衬底，其提供适当的电连接。可替换的，第一和第二PTC装置可以位于壳体/衬底上或位于壳体/衬底之中。
在另一个实施例中，连接于PTC装置的第一和第二电极的金属导线可以充分的偏移使得，在装置故障的情况下，金属导线将不接触，其中导电聚合混合物不再存在，这是由于例如破裂或燃烧。
本发明由附图表示。图1是电阻作为第一PTC装置3和第二PTC装置5的温度的函数的曲线图。从R(T)曲线可以明显看出，在最高温度，第一PTC装置3的电阻大于第二PTC装置5的电阻，但是第一PTC装置的开关温度Ts1，比第二PTC装置5的开关温度在更高的温度，例如Ts2。还示出了在临界温度Tcrit，第一和第二PTC装置的R(T)曲线相交。
图2是保持电流作为第一和第二PTC装置3，5的温度的函数的示意性表示。在低于Tcrit的第一指定温度，第一PTC装置的IH小于第二PTC装置5的值，但是两条曲线在Tcrit相交。
图3是结合示于图4的示意性图中所示电路保护装置1的电路图。第一PTC装置3和第二PTC装置与热熔断元件7和电池9电串联连接。热熔断元件7可以是导电材料，例如具有相对低的熔化温度的焊料。第一和第二PTC装置3，5位于壳体11中，该壳体电绝缘但是其上具有适当的导电轨迹以允许装置之间的电连接。例如，该壳体可以是模制的液晶聚合物或其它适合的材料。第一电导线13电连接于第一PTC装置3，且第二电导线15电连接于第二PTC装置5，且第一和第二电导线用于连接于电池9或其它电源。电流连续地通过第一导线13和第一PTC装置3，第二PTC装置5，热熔断元件7，然后到第二导线15。热熔断元件7可以与第二PTC装置直接物理接触。
图5是结合示于图6的示意性图中的电路保护装置1的电路图。在这个装置中，第一和第二PTC装置3，5位于金属衬底17上，该金属衬底使得这两个装置电连接。第一导线13连接于第一PTC装置和第二导线15连接于第二PTC装置5。在本发明的一个实施例中，第一PTC装置通过焊料连接于衬底17，同时第二PTC装置通过焊料连接于衬底17和第二导线15。焊料，其可以在非常小的箭头区域导电，可以防止整个装置暴露于回流焊需要的高温。
可以理解上述设备的装置和其形成方法仅仅是原理的应用的解释，可以在不脱离权利要求限定的发明精神和范围的情况下作出本发明的许多其他实施例和修正。

Claims (13)

1.一种电路保护装置，其包括：
(1)第一PTC装置，其(i)具有第一开关温度Ts1，(ii)具有在20℃的阻抗R1，(iii)具有在第一指定温度的保持电流IH1，且(iv)包括：
(a)含有第一导电聚合物成分的第一PTC阻抗元件，该导电聚合物成分包括聚合体成分，以及分散在其中的微粒导电填充物，以及
(b)连接于第一PTC阻抗元件的第一和第二电极，以及
(2)第二PTC装置(i)其电串联连接于第一PTC装置，(ii)其具有小于Ts1的第二开关温度Ts2，(iii)在20℃时具有小于R1的阻抗R2，(iv)具有在第一指定温度大于IH1的第二保持电流IH2，以及(v)包括
(a)含有第二导聚合物成分的第二PTC阻抗元件，该导电聚合物成分包括聚合体成分，以及分散在其中的微粒导电填充物，以及
(b)连接于第二PTC阻抗元件的第三和第四电极，
在大于第一指定温度的临界温度Tcrit下，IH1等于IH2，使得
(A)在低于Tcrit的温度，第一PTC装置切换到高阻抗状态且电路保护装置可被复位，以及
(B)在高于Tcrit的温度，第二PTC装置切换到高阻抗状态且启动一操作导致电路保护装置永久打开。
2.根据权利要求1的电路保护装置，其中所述操作是与第一和第二装置电串联的热熔断元件的启动。
3.根据权利要求2的电路保护装置，其中所述热熔断元件是焊料或导电粘合剂，其在高于Tcrit的温度熔化。
4.根据权利要求1的电路保护装置，其中所述操作是第三或第四电极从第二PTC元件的分层。
5.根据权利要求1的电路保护装置，其中所述第一和第二PTC装置之间没有热连接。
6.根据权利要求1的电路保护装置，其中所述第一和第二PTC装置物理地且电气地连接于导电衬底。
7.根据权利要求1的电路保护装置，其中Tcrit至少是90℃。
8.一种电池组件，其包括：
(I)电池；以及
(II)根据权利要求1的电路保护装置，其中所述第一和第二PTC装置电气连接于该电池。
9.根据权利要求8的组件，其中Tcrit至少是90℃。
10.根据权利要求8的组件，其中所述操作是与第一和第二装置电串联的热熔断元件的启动。
11.根据权利要求10的组件，其中所述热熔断元件是焊料或导电粘合剂，其在高于Tcrit的温度熔化。
12.根据权利要求11的组件，其中所述热熔断元件是焊料，其包括铋。
13.根据权利要求8的组件，其中所述电池包括锂离子电池或锂聚合物电池。
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