CN1930704A - 防止过充电的安全装置和与该安全装置结合的二次电池 - Google Patents

防止过充电的安全装置和与该安全装置结合的二次电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种安全装置和使用该安全装置的二次电池。该安全装置包括：当在其两端之间的电压差超过预定电压水平时产生热的电压敏感加热元件，和具有根据温度而定的可逆电流开/关功能的温度敏感元件。温度敏感元件与电压敏感加热元件结合，使得温度敏感元件检测电压敏感加热元件产生的热。

Description

防止过充电的安全装置和与该安全装置结合的二次电池
技术领域
本发明涉及用于保护二次电池免于过充电、过电压、过电流和过热的具有简单结构的安全装置。
背景技术
二次电池是可再充电电池，包括Ni-Cd电池、Ni-MH电池和锂离子电池。最近，由于锂离子电池为公众所注意，因此积极进行了有关锂离子电池的研究。这是因为锂离子电池具有能量密度比Ni-Cd电池或Ni-MH电池的能量密度高的优点。锂离子电池可被制造成轻量的小型尺寸，因而锂离子电池能被有效地用作便携式电子设备如移动电话、可携式摄像机或笔记本电脑的电源。另外，锂离子电池被广泛地用作电动车辆的电源，因而锂离子电池目前已作为下一代能量存储介质而被公众注意。
尽管离子电池具有上述优点，但锂离子电池存在容易受过充电损害的缺点。如果二次电池不装备安全装置，则可能由于过充电而发生二次电池的意外着火或爆炸，从而造成危险事故或财产损失。因此，防止或限制过充电或解决由过充电引起的问题对于二次电池来说非常重要。
例如，当锂离子电池经受过充电时，在正极活性材料(例如LiCoO2)和锂离子电池的电解液之间可能递增加地发生负反应。这种负反应破坏了正极活性材料的结构，同时引起电解液的氧化反应。同时，锂可沉积在由石墨等组成的负极活性材料上。如果施加到二次电池的电压连续升高，即使二次电池已被过充电，也可能发生二次电池的意外着火或爆炸。
如果二次电池连接到高电压电源上，则上述问题可能变得严重。例如，如果锂离子二次电池连接到车用电源上，在乘用车场合时施加12V，在货车场合时施加24V，因为两个12V的电源并联连接。在这种情况下，如果突然施加偏离二次电池标准的过量电压到二次电池上，则可能发生危险事故，因而必需提供能有效保护二次电池免于过瞬时电压的安全装置。
例如，日本专利未审公开No.2003-284237公开了一种用于二次电池的安全装置，包括齐纳二极管和热结合到齐纳二极管上的热熔丝。根据具有上述安全装置的上述二次电池，当二次电池受到过充电电压时，流向齐纳二极管的电流突然增加，因而齐纳二极管的功率消耗突然增加，从而产生热。由于齐纳二极管产生热，因而连接到齐纳二极管的热熔丝被不可逆地切断，从而切断了正被施加到二次电池上的电流。根据日本专利未审公开No.2003-284237，当二次电池受到过充电电压时，利用齐纳二极管的击穿电压以便断开热熔丝。但是，如果齐纳二极管的击穿电压稍微高于二次电池的最大充电电压，则当二次电池在正常工作时，齐纳二极管可能具有泄漏电流，尽管可防止二次电池的过充电。
本领域中通常知道，齐纳二极管在低于齐纳二极管击穿电压1V或更小的预定电压下有泄漏电流。因此，如果从连接到二次电池的正极和负极的元件产生泄漏电流，则二次电池可能自放电，因而在二次电池被充电后，二次电池的工作时间和寿命可能会降低。
如果使用在二次电池的充电电压下不会引起泄漏电流的齐纳二极管用于二次电池，则当二次电池受到过充电时，不能充分地放电电流。另外，当高电流被施加到齐纳二极管上时，齐纳二极管被击穿，从而齐纳二极管可能不再起它原来的作用。即使电压升高，电阻也高至电流不能流过齐纳二极管。
附图说明
图1A为说明当恒定电流(1安培)施加到齐纳二极管时温度变化随电压变化的图，齐纳二极管为一种电压敏感加热元件。
图1B为说明泄漏电流区间和击穿电压区间随齐纳二极管电压的图。
图2为说明当恒定电流(1安培)施加到压敏变阻器时温度变化随电压变化的图，非线性电阻器为一种电压敏感加热元件。
图3为说明电阻变化特性随PTC元件温度的图，PTC元件为一种温度敏感元件。
图4为说明根据本发明一种实施方案的安全装置和二次电池之间的结合关系和工作原理的示意图。
图5A和5B为说明图4中所示安全装置的示意图，其中环绕安全装置涂敷防腐/防水材料。
图6A和6B为说明根据本发明另一种实施方案的安全装置和二次电池之间的结合关系的示意图。
图7A和7B分别为图6中所示安全装置的正视图和俯视图。
图8为说明与聚合物电池结合的图6所示的安全装置的示意图。
图9A和9B分别为与方形二次电池结合的图6所示的安全装置的正视图和俯视图。
发明内容
当温度升高超过预定温度时，具有根据温度而定的可逆电流开/关功能的温度敏感元件如PTC元件起作用。因此，温度敏感元件只有在二次电池被过热到预定温度水平时才起作用，即使二次电池受到过充电。因此，温度敏感元件可能在二次电池由于施加到其上的热冲击被破坏后起作用。
为了解决上述问题，本发明提供一种利用电压敏感加热元件产生的热起作用的温度敏感元件，当电压敏感加热元件的两端之间的电压差达到预定电压水平(例如过充电电压)时就产生热，按照这种方式，电流在二次电池受到过热前被切断，从而防止了二次电池被破坏或过充电。
另外，与使用击穿电压类似于二次电池标准充电电压的恒定电压元件的现有技术不同，为了防止二次电池由于并联连接到二次电池正极和负极的元件引起的泄漏电流造成的自放电，本发明利用能通过使用二次电池受到过充电时击穿电压前产生的热操纵温度敏感元件如PTC元件的电压敏感加热元件。在这种情况下，并联连接到二次电池正极和负极的电压敏感加热元件具有明显高于二次电池标准充电电压的击穿电压，当二次电池被正常充电或放电时不可能出现泄漏电流。
本发明提供一种安全装置和与它结合的二次电池。安全装置包括在其两端之间的电压差超过预定电压水平时产生热的电压敏感加热元件，和具有根据温度而定的可逆电流开/关功能的温度敏感元件，其中温度敏感元件与电压敏感加热元件结合，使得温度敏感元件检测电压敏感加热元件产生的热。
根据本发明的优选实施方案，电压敏感加热元件在其击穿电压前产生热，温度敏感元件利用电压敏感加热元件在低于击穿电压的预定电压下产生的热起作用。此时，电压敏感加热元件的击穿电压比引起电压敏感加热元件产生操作温度敏感元件的热的预定电压高至少15％。另外，引起电压敏感加热元件产生操作温度敏感元件的热的预定电压高于装备有安全装置的电气和/或电子设备的最大标准电压和低于电气和/或电子设备的击穿电压。
同时，得到电压敏感加热元件的1小时的泄漏电流值优选小于电池容量值(mAh)的0.05％。如果在二次电池的满充电电压下泄漏电流值小于电池容量值(mAh)的0.05％，则泄漏电流可在二次电池的使用电压范围内被忽略。
发明方式
现在将对本发明的优选实施方案详细地作出说明。
根据本发明，电压敏感加热元件与具有可逆电流开/关功能的温度敏感元件导热地结合，其中电压敏感加热元件在其两端之间的电压差达到预定电压水平并因此电流从中流过时产生热，结合方式为温度敏感元件可检测电压敏感加热元件产生的热。因而电压敏感加热元件产生的热直接被转移到温度敏感元件上，从而施加到温度敏感元件的电流被切断。优选地，电压敏感加热元件与温度敏感元件物理接触。
因此，根据本发明的安全装置可表现出优良的安全特性，即使电压敏感加热元件如具有低容量的恒压元件被应用到安全装置上。
如果根据本发明的具有电压敏感加热元件和温度敏感元件的安全装置用于电气和/或电子设备，如二次电池，则可防止电气和/或电子设备经受过充电或过电压。
在本发明的安全装置中，电压敏感加热元件并联连接到二次电池的端子(正极和负极)上，温度敏感元件串联或并联(优选串联)连接到二次电池的端子上。例如，当本发明的安全装置与二次电池结合时，在二次电池的正极和负极之间并联连接电压敏感加热元件，温度敏感元件则串联连接到二次电池的正极或负极上。
本发明不限制温度敏感元件的材料，条件是它们具有可逆的电流开/关功能。优选地，当温度超过预定温度时，温度敏感元件切断电流。
温度敏感元件包括但不仅仅是PTC(正温度系数)元件或双金属。
PTC元件为具有正温度系数特性的保护元件。当PCT串联连接到二次电池的端子时，如果PTC的温度由于过电流、外部短路或过充电而升高，则PTC的电阻急剧增加，从而切断电流。与热熔丝不同，PTC元件为可再使用的元件。
PTC元件被分为使用BaTiO3基陶瓷的陶瓷PTC和使用聚合物的聚合物PTC。聚合物PTC通过使用与绝缘树脂如聚烯烃混合的导电碳来制造，并提供正温度系数特性，其中它的电阻值随温度升高而增加。聚合物PTC电阻变化的基本原理在于，在正常状态下，分布在聚合物中的碳形成导电通道，并且比电阻变低，从而电流可容易地流动。但是，如果PTC元件的温度由于过电流等升高，则PTC元件的温度超过聚合物的熔点，从而聚合物的体积可在其百分之几十的范围内显著变化，因而中断碳的导电通道，这被称为“跳闸(trip)现象”。因此，电阻被显著增加，从而切断电流。陶瓷PTC元件在居里温度附近引起跳闸现象。
图3为说明电阻变化特性随PTC元件温度的图。参考图3，在120℃临界温度附近电阻突然增加103倍。
本发明的电压敏感加热元件包括但不仅仅是恒压元件如齐纳二极管或非线性电阻器。本发明不限制电压敏感加热元件的类型和标准，只要它们在其两端之间的电压差超过预定电压水平时产生热并且在它们并联连接到二次电池的端子时不会产生严重泄漏电流即可。
通常，恒压元件表示在对其两端施加超过预定电压水平的电压时具有使电流快速流动的特性的元件。通常，恒压元件如齐纳二极管或非线性电阻器被用作旁路元件，用于在预定电压条件下分流电流。
齐纳二极管可被制造成半导体p-n结二极管的形式。如果在其反方向上对齐纳二极管施加较高的电压，则可在特定电压下产生高电流，并恒定地保持电压。这种现象被称为“击穿”，其电压被称为“击穿电压”。
齐纳电压是指当电流开始在齐纳二极管的反方向上流动时即当齐纳二极管开始工作时施加到齐纳二极管上的电压。通常，击穿电压高于齐纳电压。
同时，非线性电阻器为非线性半导体电阻器，其中非线性电阻器的电阻值可随施加到非线性电阻器两端上的电压变化。非线性电阻器为“可变电阻器”的简写形式。
图1A和1B为说明当恒定电流(1安培)被施加到齐纳二极管时温度变化随电压变化的图，和图2为说明当恒定电流(1安培)被施加到非线性电阻器时温度变化随电压变化的图。
从图1和2可认识到，在齐纳二极管或非线性电阻器的击穿电压附近，温度突然升高，在击穿电压区间前表示产生热的电压区间(在图1A中显示为具有实线的矩形框)。
根据本发明，通过由电压敏感加热元件在低于击穿电压的较低电压下产生的热(即在图1A中显示为带实线的矩形框的电压区间内产生的热)来使温度敏感元件如RTC元件工作，而不是通过在超过击穿电压的电压下由快速流过电压敏感加热元件的电流引起的电压敏感加热元件的增加的功率消耗(W＝I2R，其中W为功率消耗，I为电流，R为电阻)得到的热来工作。在这种情况下，并联连接到二次电池端子的电压敏感加热元件具有明显高于二次电池满充电电压的击穿电压，可解决正常充电/放电操作中的泄漏电流问题。满充电电压是指由制造商印刷在二次电池上的二次电池使用电压的最大值。
优选地，电压敏感加热元件具有低容量。这是因为加热元件如具有低容量的恒压元件在引起泄漏电流的电压和引起电流快速流动的击穿电压之间具有短的间隔。因此，当二次电池受到过充电时，可能恰好在击穿电压引起电流快速流动前由于电压敏感加热元件而出现泄漏电流。因此，包括能在低于击穿电压的较低电压下操纵温度敏感元件的电压敏感加热元件的本发明的安全装置可解决正常充电/放电操作中发生的泄漏电流问题。
可在市场上得到具有各种击穿电压的恒压元件，因而本领域的技术人员可选择性地使用恒压元件作为符合其应用的电压敏感加热元件。
优选地，电压敏感加热元件的击穿电压低于二次电池的爆炸电压或着火电压。
本发明的安全装置可通过配合使用电压敏感加热元件和温度敏感元件在过充电或过电压时切断电流来防止过充电或过电压。另外，由于每个电压敏感加热元件和温度敏感元件的特殊特性，因此能确保装备有电压敏感加热元件和温度敏感元件的电子和/或电气设备的安全。例如，电压敏感元件如恒压元件(齐纳二极管或非线性电阻器)被并联连接到二次电池的正极和负极上，从而当二次电池在被超过击穿电压的电压过充电时，放电电流快速流动，同时分流电流。因此，电压被降低，从而保护了二次电池免于爆炸或意外着火。另外，温度敏感元件如PTC元件被串联连接到二次电池的正极和／或负极上，从而当二次电池受到过充电或过电流时切断电流，从而保护了二次电池。因此，本发明通过使用具有简单和新颖结构的安全装置可安全地保护二次电池免于过充电、过电压、过电流和过热。
在本发明的安全装置中，能可逆地操作电压敏感加热元件和温度敏感元件。因此，本发明的安全装置不是一次性装置，而是可再使用的装置。
可在超过装备有安全装置的电气和/或电子设备的最大标准电压和低于电气和/或电子设备的击穿电压的电压范围内适当地选择一预定电压，该预定电压能使安全装置的电压敏感加热元件产生热用于操作温度敏感元件。
如果本发明的安全装置用于二次电池，则温度敏感元件的临界温度优选在50-150℃的范围内，并且电压敏感加热元件优选在4-5V的电压水平下产生热来操作温度敏感元件。如果电流在低于50℃的温度下由于电阻的突然升高而被切断，则二次电池可能不能在-20到60℃的温度范围内被充电，-20到60℃是二次电池的使用温度。另外，如果电阻在超过150℃的温度下突然增加，则二次电池已经由于高温被损坏或变形，因而切断电流是无用的。
下文中，将描述本发明的安全装置的电压敏感加热元件和温度敏感元件之间的操作关系。电压敏感加热元件在其电压升高超过二次电池的满充电电压时放电，并利用电压敏感加热元件放电时产生的热操作温度敏感元件。因此，在引起放电和从电压敏感加热元件产生热的电压下，即在二次电池的满充电电压(例如4-5V)下，电压敏感加热元件必须产生热，以便它可升高温度敏感元件的温度达到温度敏感元件的工作温度，即超过临界温度(例如50-150℃，参见图4)。
因此，在上述电压水平下，电压敏感加热元件优选在温度敏感元件的温度达到其工作温度以前产生热。
图4为说明根据本发明一种实施方案的安全装置和二次电池之间结合关系的示意图。下文中，将描述图4中所示的在装置和二次电池端子(正极和负极)之间的电压敏感加热元件和温度敏感元件之间的关系。首先，加热元件1的一个侧面(结合面)被结合到PTC元件2的一个侧面(结合面)上。由于加热元件1的两端检测二次电池的电压，并在必要时进行放电操作，因此加热元件1通过金属引线3并联连接在二次电池的正极端子11和负极端子12之间。另外，由于当温度升高时施加到PTC元件2的电流被切断，因此PTC元件2通过金属引线3串联连接到正极端子11或负极端子12的中部。
图5A为说明图4所示安全装置的示意图，其中围绕安全装置涂敷防腐/防水材料4。在这种情况下，加热元件1在防腐/防水材料4中与PTC元件2导热地结合。优选地，加热元件1与PTC元件2物理接触。图5B为说明安全装置的示意图，其中分别围绕加热元件和PTC元件涂敷防腐/防水材料，加热元件的一个侧面(结合面)结合到PTC元件的一个侧面上。在这种情况下，加热元件通过防腐/防水材料与PTC元件导热地结合。优选地，加热元件与PTC元件物理接触。图5A和5B中所示的元件和二次电池端子之间的结合状态与二次电池端子和图4所示元件之间的结合状态相同。
防腐/防水材料可在安全装置的加热元件和PTC元件被彼此结合后再涂敷到它们周围，如图5A所示，或在分别围绕安全装置的加热元件和PTC元件涂敷防腐/防水材料后将安全装置的加热元件和PTC元件彼此结合，如图5B所示。
图6A和6B为说明根据本发明另一实施方案的安全装置和二次电池之间关系的示意图。参考图6A，加热元件1的一个侧面(结合面)通过一个金属引线3被结合到PTC元件2的一个侧面(结合面)上，另一金属引线3分别连接到加热元件1和PTC元件2的其它侧面(相对面)上。在加热元件1和PTC元件2之间提供的金属引线3连接到二次电池正极端子11的一端上。另外，在加热元件1的另一侧面(相对面)处提供的另一金属引线3连接到二次电池的负极端子12上，从而电压敏感加热元件1并联连接在二次电池的正极端子11和负极端子12之间。另外，由于在PTC元件2的另一侧面(相对面)处提供的金属引线3连接到二次电池正极端子11的另一端，因此PTC元件2串联连接到二次电池正极11的中部。
图6B为说明图6A所示安全装置的示意图，其中防腐/防水材料4被涂敷在安全装置周围。在这种情况下，加热元件在防腐/防水材料材料4中与PTC元件物理接触。
图7A为图6所示安全装置的正视图。参考图7A，加热元件1的结合面通过金属引线3被结合到PTC元件2的结合面上。另外，另一金属引线3被连接到与加热元件1和PTC元件2的结合面相对的加热元件1和PTC元件2的其它表面上。图7B为图6所示安全装置的俯视图。参考图7B，加热元件1通过连接到加热元件1左侧的金属引线3被连接到二次电池的正极端子11上，并通过在向下方向上连接到加热元件1的上表面的金属引线3连接到二次电池的负极端子12上，从而加热元件1可被并联连接在二次电池的两个端子之间。尽管在图7B中没有示出，但PTC元件2通过连接到PTC元件2的左和右侧的两个金属引线串联连接到二次电池正极端子的中间部分。
图8为说明根据本发明的与使用袋状电池的聚合物电池结合的安全装置的示意图。参考图8，PTC元件2被连接到正极端子11的中部，加热元件1通过提供在结合到PTC元件2的加热元件1的另一表面处的金属引线3连接到负极端子12上。因此，加热元件1并联连接在二次电池的正极端子11和负极端子12之间，PTC元件串联连接到二次电池的正极端子11的中部。
图9A为根据本发明的与方形二次电池结合的安全装置的正视图，图9B为根据本发明的与方形二次电池结合的安全装置的俯视图。由于方形二次电池具有涂有导电材料如铝或铝合金的电池壳，因此方形二次电池的主体可用做正极端子。另外，负极端子从方形二次电池的上端向上突出。在这种情况下，加热元件1的结合面通过提供在加热元件1结合面处的金属引线3连接到PTC元件2和正极端子11上，与结合面相对的加热元件1的另一表面通过另一金属引线3连接到负极端子12上。另外，PTC元件2的一端通过金属引线3连接到电池体上，与加热元件1形成结合面的PTC元件2的另一端连接到用作正极端子的电池体上。
本发明的安全装置可被安装在二次电池的各种位置处，如电池壳的内部或外部、保护电路模块或印刷电路板(PCB)中。
工业实用性
如上所述，根据本发明的安全装置可保护二次电池免于过充电、过电压、过电流和过热。
另外，根据本发明，利用电压敏感加热元件产生的热来操作温度敏感元件，电压敏感加热元件在其两端之间的电压差达到预定电压水平(例如过充电电压)时产生热，因此在二次电池受到过热前切断电流，从而防止了二次电池被损坏或过充电。
此外，本发明使用在二次电池受到过充电时能在击穿电压前产生热来操作温度敏感元件的电压敏感加热元件，因而可防止并联连接到二次电池端子上的电压敏感加热元件引起的泄漏电流。

Claims (15)

1.安全装置，包括：
当两端之间的电压差超过预定电压水平时产生热的电压敏感加热元件，和
具有根据温度而定的可逆电流开/关功能的温度敏感元件，
其中温度敏感元件与电压敏感加热元件结合，使得温度敏感元件检测由电压敏感加热元件产生的热。
2.如权利要求1所述的安全装置，其中电压敏感加热元件和温度敏感元件被可逆地操作。
3.如权利要求1所述的安全装置，其中当温度升高超过预定温度时温度敏感元件切断电流。
4.如权利要求1所述的安全装置，其中温度敏感元件包括正温度系数(PTC)元件或双金属。
5.如权利要求1所述的安全装置，其中电压敏感加热元件包括齐纳二极管或非线性电阻器。
6.如权利要求1所述的安全装置，其中电压敏感加热元件在其击穿电压前产生热，温度敏感元件通过在低于击穿电压的预定电压下由电压敏感加热元件产生的热被操作。
7.如权利要求6所述的安全装置，其中电压敏感加热元件的击穿电压比引起电压敏感加热元件产生操作温度敏感元件的热的预定电压高至少15％。
8.如权利要求1所述的安全装置，其中引起电压敏感加热元件产生操作温度敏感元件的热的预定电压高于装备有安全装置的电气和/或电子设备的最大标准电压和低于所述电气和/或电子设备的击穿电压。
9.如权利要求3所述的安全装置，其中电压敏感加热元件被并联连接且温度敏感元件被串联连接。
10.如权利要求1所述的安全装置，其中电压敏感加热元件与温度敏感元件物理接触。
11.如权利要求1所述的安全装置，其中在引起电压敏感加热元件产生操作温度敏感元件的热的预定电压下，电压敏感加热元件在温度敏感元件的温度达到其工作温度以前产生热。
12.包括如权利要求1至11中任一项所述的安全装置的二次电池，该二次电池包括：
具有电压敏感加热元件和温度敏感元件的安全装置，电压敏感加热元件当其两端之间的电压差超过预定电压水平时产生热，温度敏感元件具有根据温度而定的可逆电流开/关功能，
其中温度敏感元件与电压敏感加热元件结合，使得温度敏感元件检测由电压敏感加热元件产生的热，电压敏感加热元件并联连接在二次电池的正极和负极之间，温度敏感元件串联连接到二次电池的正极或负极上。
13.如权利要求12所述的二次电池，其中温度敏感元件的临界温度在50-150℃的范围内。
14.如权利要求12所述的二次电池，其中引起电压敏感加热元件产生操作温度敏感元件的热的工作电压在4V-5V的范围内。
15.如权利要求12所述的二次电池，其中得到电压敏感加热元件的1小时的泄漏电流值小于电池容量值的0.05％。
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