TW201740597A - 複合式保護元件以及電池組 - Google Patents
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Abstract
本發明提出一種複合式保護元件以及電池組，複合式保護元件包括：絕緣外殼體、多個端電極、第一熱產生組件以及可熔導體。絕緣外殼體，包括絕緣外殼體基體與絕緣外殼體蓋體。多個端電極，包括第一端電極與第二端電極，該些端電極分別貫穿該絕緣外殼體，且分別被該絕緣外殼體所支撐。第一熱產生組件，配置在該絕緣外殼體內，包括多個第一發熱體電極以及第一發熱體，且形成三明治的結構。可熔導體，配置在該絕緣外殼體內，用以在該複合式保護元件的第一端電極與第二端電極之間提供第一雙向的電流路徑。
Description
本發明是有關於一種電池組及其複合式保護元件，且特別是有關於一種具備過電流、過電壓或過溫度保護功能以及可承受高充放電電流的電池組及其複合式保護元件。
先前技術複合式保護元件的電極大都配置於基板上，且將可熔導體配置在電極上，未來應用於馬達相關的瞬間工作電流都相當的高，甚至高於50A，設置於基板上的電極與基板都無法承受如此大異常電流的流通，甚至，電極與基板都會因可熔導體於熔斷的瞬間，所產生的高熱以及高壓而被熔融或斷裂。
另，可熔導體若要能承受30A~100A之間的工作電流或額定電流，其截面積(厚度與寬度)都必須加大，該可熔導體熔斷後分開成兩部分的距離，也必須有足夠的空間，確保斷開後可熔導體的絕緣電阻在安全範圍內。
本發明提出一種複合式保護元件，其第一熱產生組件配置在絕緣外殼體內，該第一熱產生組件包括多個第一發熱體電極以及第一發熱體，並且形成三明治的結構，當第一熱產生組發熱並且熔斷可熔導體後，
能夠確保斷開的可熔導體其絕緣電阻在安全範圍內。
本發明提出一種複合式保護元件，包括：絕緣外殼體，包括絕緣外殼體基體與絕緣外殼體蓋體；多個端電極，包括第一端電極與第二端電極，該些端電極分別貫穿該絕緣外殼體，且分別被該絕緣外殼體所支撐；第一熱產生組件，配置在該絕緣外殼體內，包括多個第一發熱體電極以及第一發熱體，且三者形成三明治的結構；以及可熔導體，配置在該絕緣外殼體內，用以在該複合式保護元件的第一端電極與第二端電極之間提供第一雙向的電流路徑。
本發明提出一種電池組，包括：至少一電池元件；上述的複合式保護元件，其中該複合式保護元件與該至少一電池元件串聯連接以形成至少一充放電電流路徑；開關電路，耦接到該至少一發熱體的第二端；以及偵測控制電路，用以偵測該至少一電池元件的電壓或溫度，依據所偵測到的電壓或溫度而決定該開關電路的狀態。
888、888a、888b、888c、888c1、888d‧‧‧複合式保護元件
1‧‧‧充電裝置或電子裝置
2‧‧‧充放電控制電路
4‧‧‧電池元件
5‧‧‧偵測控制電路
S‧‧‧開關電路
6‧‧‧多孔洞的陶瓷結構
7(1)、7(2)‧‧‧熱產生組件
7a、7b‧‧‧發熱體電極
7c‧‧‧發熱體
8‧‧‧可熔導體
10‧‧‧絕緣基板
10a‧‧‧絕緣基板的上表面
10b‧‧‧絕緣基板的下表面
11、21、31‧‧‧端電極
16‧‧‧絕緣層
18‧‧‧開口
19‧‧‧絕緣外殼體
19a‧‧‧絕緣外殼體蓋體
19b‧‧‧絕緣外殼體基體
19x1、19x2、19x3、19x4、19x5、19x6‧‧‧絕緣外殼體的六個面
588‧‧‧電池組
Ic、Id‧‧‧輸出入電流或雙向電流路徑
圖1為本發明之一種複合式保護元件888的剖面示意圖。
圖1A為本發明之一種複合式保護元件888的剖面示意圖。
圖1B為複合式保護元件888的可熔導體被熔斷之剖面示意圖。
圖1C為複合式保護元件888的外觀示意圖。
圖1D為複合式保護元件888的等效電路圖
圖2為本發明之一種複合式保護元件888a的剖面示意圖。
圖2A為複合式保護元件888a的可熔導體被熔斷之剖面示意圖。
圖2B為複合式保護元件888a與888b的等效電路圖。
圖3為本發明之一種複合式保護元件888b的剖面示意圖。
圖4為本發明之一種複合式保護元件888c的剖面示意圖。
圖4A為複合式保護元件888c的等效電路圖。
圖4B為本發明之一種複合式保護元件888c1的剖面示意圖。
圖5為本發明之一種複合式保護元件888d的剖面示意圖。
圖6為本發明之一種電池組588的電路圖。
為使能更進一步瞭解本發明之特徵和技術內容，請參閱以下相關的實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件代表相同或類似部分。此外，圖示是以示意方式繪示，會有各尺寸的比率與實際不同的情形，應參酌以下的說明自行判斷。實施例說明如下：
【複合式保護元件888】
圖1繪示為本發明第一實施例的一種複合式保護元件888的剖面示意圖。圖1D繪示為複合式保護元件888的等效電路圖。請同時參考圖1、圖1B、圖1C以及圖1D。本實施例的複合式保護元件888包括：絕緣外殼體19、二個端電極、第一熱產生組件7(1)以及可熔導體8。上述二個端電極包含第一端電極11與第二端電極
21。絕緣外殼體19包含絕緣外殼體蓋體19a與絕緣外殼體基體19b。絕緣外殼體19的成分包含聚合物(polymer)與陶瓷材料等其中之一者或兩者的組合。其中，該陶瓷材料包含碳化矽SiC、氧化鋁、氮化鋁、氮化矽SiN、石墨等其中任一者或其中的兩者以上的組合。其中，聚合物包含耐熱性良好的工程塑膠中的任一種或二種以上的組合。第一實施例之複合式保護元件888的絕緣外殼體19的主成分為聚合物(polymer)，包含聚苯硫醚(Polyhenylenesulfide)。絕緣外殼體19在成形為圖1A的形狀(或其他形狀)時，可以分成絕緣外殼體基體19a與絕緣外殼體基體19b兩部分，分別成型。其中，絕緣外殼體蓋體19a也可以同時使用嵌入成型的製程，將第一端電極11、第二端電極21以及絕緣外殼體蓋體19a一體化成型。絕緣外殼體19具有左面部19x1、右面部19x2、上面部19x3、底面部19x4、前面部19x5以及後面部19x6等六個面部(如圖1C)。
第一熱產生組件7(1)，配置在該絕緣外殼體19內，並且位於可熔導體8的大致中央部的下方，包括二個第一發熱體電極7a、7b以及第一發熱體7c，且三者形成所謂三明治的結構，第一發熱體7c被夾在二個第一發熱體電極7a、7b之間(例如：晶片型的正溫度係數電阻PTC Resister)。第一發熱體7c是電阻值相對較高的元件(相較於第一可熔導體8)，且具有電流通過就會發熱的特性，其材料包括二氧化釕(RuO2)、氧化釕、氧化鋅、釕、銅、鈀、白金、碳化鈦、碳化鎢、鉑、鉬、鎢、碳黑、有機結合劑或無機結合劑等其中之一為主成分或其中部分組合物為主成分的陶瓷元件。第一發熱體電極7a、7b可以是
單層金屬或多層金屬結構，其各層的材料包括銅、錫、鉛、鐵、鎳、鋁、鈦、鉑、鎢、鋅、銥、鈷、鈀、銀、金、羰基鐵、羰基鎳、羰基鈷等其中之一或其部分組合成的合金。
上述二個端電極(即第一端電極11與第二端電極21)貫穿絕緣外殼體蓋體19a且由絕緣外殼體蓋體19a支撐。每一個端電極(即第一端電極11、第二端電極21)的其中一端(第一端)配置(外露)於絕緣外殼體19外，另一端(第二端)配置(浮設)於絕緣外殼體19內或延伸至絕緣外殼體19內。更進一步來說，第一端電極11的第二端與絕緣外殼體基體19b之間具有間隙，且第二端電極21的第二端與絕緣外殼體基體19b之間也具有間隙，如此一來，可降低端電極(第一端電極11或第二端電極21)與緣外殼體19彼此之間受到對方溫度的影響。除此之外，由於第一端電極11與第二端電極21並非以印刷製程而是以其他製程(如：壓合製程)成型，設計者可根據實際應用或設計需求而調整第一端電極11及第二端電極21的厚度與密度，以降低第一端電極11及第二端電極21的內阻。本發明所有的端電極的材料包含以金、銀、銅、錫、鉛、鋁、鎳、鈀、白金等中任一種作為主成份或其部分的組合作為主成分的材料所製成的片狀或長條狀的金屬。另，外露在絕緣外殼體19外的部分端電極的表面可以鍍上一層或多層較不易氧化或較穩定的金屬材料如：鎳、錫、鉛、鋁、鎳、金等。如此一來，可避免大電流流經第一端電極11與第二端電極21時產生高溫而使第一端電極11與第二端電極21被熔融。本發明的所有端電極都可採用類似於上述說
明的方式來實現。需說明的是本實施例的第一端電極11與第二端電極21的第二端亦可由絕緣外殼體蓋體19a(如圖1)或絕緣外殼體基體19b支撐(如圖1A)。
本實施例的可熔導體8配置在絕緣外殼體19內。絕緣外殼體19具有保護絕緣外殼體19內的元件的功用，如：可熔導體8、第一端電極11、第二端電極21的第二端以及第一熱產生組件7(1)。可熔導體8可以是多層結構，具有低熔點導體層與高熔點導體層，其中低熔點導體層與高熔點導體層的熔點不相同。當然，可熔導體8也可是單層結構，只包含單一熔點的金屬導體層(低熔點導體層或高熔點導體層)。可熔導體8中的低熔點導體層的材料包含以錫為主成分的有鉛或無鉛金屬合金。可熔導體8中的高熔點導體層的材料包含以銀、銅、錫、鉍、銦、鋅、鋁等部分組成的合金。本發明的所有可熔導體都適用上述的說明。可熔導體8的兩端分別電氣連接第一端電極11與第二端電極21，以在第一端電極11與第二端電極21之間形成雙向的電流路徑。需說明的是，本實施例中的可熔導體8是由熱產生組件7(1)所支撐。
【複合式保護元件888的動作說明】
請參閱圖1B，當低於額定電流值的電流流經可熔導體8時，複合式保護元件888不會動作，維持複合式保護元件888的原始狀態。當高於額定電流值的電流流經可熔導體8時，可熔導體8會因本身發熱而被熔斷(請參考圖1B)。圖1B中繪示可熔導體8被熔斷的部分是介於熱產生組件7(1)與第一端電極11之間的位置。當
然，也有可能熔斷的位置發生在熱產生組件7(1)與第二端電極12之間的位置(未繪示)。
【變形例：圖1A】
圖1A所繪示的複合式保護元件888是第一實施例的變形例，其中主要的差異在：本變形例的第一端電極11與第二端電極21的第二端由絕緣外殼體基體19b支撐。其中可熔導體8的兩端分別電氣連接第一端電極11與第二端電極21，其中一種電氣連接的實施方式：是在第一端電極11與可熔導體8之間配置焊料9以及在第二端電極21與可熔導體8之間配置焊料9，經迴焊製程將第一端電極11與第二端電極21分別與可熔導體8的兩端耦接在一起，達到電氣連接的目的。本發明說明書中任何地方有提到的電氣連接，都可適用上述的方法。當然，任何其他業界習知的電氣連接方式，也都可適用於本發明。本變形例中的可熔導體8，也是由熱產生組件7(1)所支撐。本變形例之動作說明與第一實施例相同，請自行參閱，不再贅述。
圖2繪示為本發明第二實施例的一種複合式保護元件888a的剖面示意圖。圖2B繪示為複合式保護元件888a的等效電路圖。本實施例之複合式保護元件888a與第一實施例的複合式保護元件888相似，兩者主要的差異是：本實施例之複合式保護元件888a還包括第三端電極31。第三端電極31貫穿絕緣外殼體基體19b且由絕緣外殼體基體19b支撐。第三端電極31的其中一端(第一端)配置(外露)於絕緣外殼體19外，另一端(第二端)配置(浮設)於絕緣外殼體19
內或延伸至絕緣外殼體19內。其中，第一發熱體電極7b電氣連接第三端電極31，第一發熱體電極7a電氣連接可熔導體8的大概中央部。其中，本實施例之複合式保護元件888a的可熔導體8，包含薄部8a與厚部8b。可熔導體8的薄部8a配置在可熔導體8的大概中央部，厚部8b配置在可熔導體8的兩端。需特別說明的是，可熔導體8的薄部8a與厚部8b可通過的額定電流值都是一樣的，薄部8a的功用在於當第一熱產生組件7(1)發熱時，薄部8a被熔融的速度較快(相對於厚部8b)。
【複合式保護元件888a的動作說明】
請參考圖1B，複合式保護元件888a過電流的動作說明類似於第一實施例複合式保護元件888的動作說明，請自行參閱。請參考圖2A，複合式保護元件888a的另一保護動作是，當第一熱產生組件7(1)發熱時，位於第一熱產生組件7(1)上的可熔導體8的薄部8a被熔融，並且可熔導體8被斷開，使複合式保護元件888a的第一端電極11與第二端電極21之間提供第一雙向的電流路徑被斷開(open)，部分被熔融的薄部8a吸附在第一熱產生組件7(1)上。
圖3繪示為本發明第三實施例的一種複合式保護元件888b的剖面示意圖。請同時參考圖3與圖2，本實施例的保護元件888b與第二實施例的保護元件888a相似，惟二者主要差異之處在於：本實施例的第一端電極11與第二端電極21的高度高於第一熱產生組件7(1)的高度，因此可熔導體8的兩端(位於第一端電極11與第二端電極21上的可熔導體8)與大概中央部(位於第一熱產生組
件7(1)上的可熔導體8)的高度有落差，且可熔導體8在大概中央部與第一端電極11之間具有一斜率的變化，且可熔導體8在大概中央部與第二端電極21之間也具有一斜率的變化，此高度落差有助於可熔導體8熔斷的時間再縮短一些。本實施例的保護元件888b的運作可參上述第二實施例的保護元件888a的相關說明，在此不再贅述。
圖4繪示為本發明第四實施例的一種複合式保護元件888c的剖面示意圖。圖4A繪示為複合式保護元件888c的等效電路圖。本實施例之複合式保護元件888c與第一實施例的複合式保護元件888相似，惟兩者主要的差異是：本實施例的複合式保護元件888c還包括第二熱產生組件7(2)。第二熱產生組件7(2)，配置在該絕緣外殼體19內，並且位於可熔導體8的大致中央部的上方，包括二個第二發熱體電極7a、7b以及第二發熱體7c，且三者形成所謂三明治的結構，第二發熱體7c被夾在二個第二發熱體電極7a、7b之間(例如：晶片型的正溫度係數電阻PTC Resister)。第二熱產生組件7(2)與第一熱產生組件7(1)電氣並聯。更詳細的說，第二熱產生組件7(2)的第二發熱體電極7a電氣連接可熔導體8的大致中央部，第二熱產生組件7(2)的第二發熱體電極7b電氣連接第三端電極31。
【複合式保護元件888c的動作說明】
第二熱產生組件7(2)的功用是，當第一熱產生組件7(1)與第二熱產生組件7(2)同時發熱時，位於第一熱產生組件7(1)與第二熱產生組件7(2)之間的可熔導體8，因被上方第二熱產生組
件7(2)以及下方第一熱產生組件7(1)同時加熱，故本實施例的可熔導體8被熔斷的速度會比第一實施例之複合式保護元件888的可熔導體8被熔斷的速度快。部分被熔融的可熔導體8吸附在第一熱產生組件7(1)與第二熱產生組件7(2)之間(未繪示)。
圖4B繪示為本發明第五實施例的一種複合式保護元件888c1的剖面示意圖。圖4A繪示為複合式保護元件888c1的等效電路圖。本實施例之複合式保護元件888c1與第四實施例的複合式保護元件888c相似，惟兩者主要的差異是：本實施例之複合式保護元件888c1，還包括絕緣基板10以及絕緣層16。絕緣基板10配置在絕緣外殼體19內，並且在可熔導體8的上方。其中，第二熱產生組件7(2)配置在絕緣基板10上。第二發熱體電極7a電氣連接可熔導體8的大致中央部，絕緣層16配置在第二發熱體7c與第二發熱體電極7a之間。需特別說明的是，本實施例之複合式保護元件888c1也可以不包括絕緣層16，只需將第二發熱體7c與第二發熱體電極7a、7b三者平行的配置在絕緣基板10上即可。另外，本實施例之複合式保護元件888c1的第二熱產生組件7(2)也可以配置在絕緣基板10內，只需將第二發熱體電極7a、7b延伸或電氣連接至絕緣基板10上即可。
圖5繪示為本發明第六實施例的一種複合式保護元件888d的剖面示意圖。本實施例之複合式保護元件888d與第四實施例的複合式保護元件888c相似，惟兩者主要的差異是：本實施例的複合式保護元件888d的絕緣外殼體19還包含開口18與多孔洞陶瓷結構6。
本實施例的絕緣外殼體基體19b，包含一開口18(請參考圖5)。詳細來說，本實施例之絕緣外殼體19可以包含一個開口18，也可以包含多個開口18(如圖1C)，且在絕緣外殼體19的任何位置。另外，本實施例的絕緣外殼體蓋體19a，包含多孔洞陶瓷結構6，其特徵是：該絕緣外殼體蓋體19a具有多孔洞陶瓷結構6，其主要成份是由陶瓷粉體所組成，藉由燒結的製程將之燒結成型，並在陶瓷顆粒之間產生間隙或孔洞，因此本實施例之絕緣外殼體蓋體19a的多孔洞陶瓷結構6，其孔洞的最小直徑比開口18小，或者是，本實施例的絕緣外殼體蓋體19a的孔洞的數量多於絕緣外殼體基體19b的開口18的數量，且本實施例的絕緣外殼體蓋體19a大部分孔洞是互通的。當複合式保護元件888d的額定電壓值與額定電流值較高時(如：大於30A或50A或100A以上)，可熔導體8被熔斷的瞬間，氣體所產生的高壓，可經由絕緣外殼體19的多孔且互通的結構較均勻地排洩出去或可經由絕緣外殼體19的一個或多數個開口18排洩出去。本實施例之絕緣外殼體機體19b的開口18是由絕緣外殼體19的表面貫通至內部，如直徑最小為0.05mm以上之大小或單邊長最小為0.05mm以上之大小。本實施例之多孔洞陶瓷結構6之多個孔洞並非單一個尺寸或大小，而是由每顆陶瓷顆粒之間不同的間隙(或距離)所組成，本實施例之絕緣外殼體19的表面至內部的多孔洞陶瓷結構，即便用放大鏡也無法看到絕緣外殼體的內部，其製程是將不同粒徑的高熱導率陶瓷粉體(如：碳化矽SiC)，以高壓擠出再滾壓成型或加壓成型或調配成漿料灌注成型的方式結合，再燒結成具
有間隙的多孔洞陶瓷結構。本發明的所有實施例之複合式保護元件的絕緣外殼體19都可以包含一個或多數個開口18或多孔洞陶瓷結構6。並且，多孔洞陶瓷結構6也可以是局部的任何形狀的，不一定需要如圖5所示，是整個絕緣外殼體蓋體19a。多孔洞陶瓷結構6也可以配置在絕緣外殼體19的任何位置。
圖6繪示為本發明實施例的一種電池組588的電路圖。電池組588包括：電池元件4、充放電控制電路2、偵測控制電路5、開關電路以及複合式保護元件888。電池元件4具有四個電池元件4-1、4-2、4-3、4-4(但本發明不限於此)。充放電控制電路2負責控制充放電電流(Ic、Id)的開啟與關閉。開關電路S的初始狀態為斷路，可分別依據輸入信號，使開關電路S短路或導通。偵測控制電路5分別偵測電池元件4中每個電池元件4-1、4-2、4-3、4-4的電壓值或溫度值，並輸出信號給充放電控制電路2或開關電路S。複合式保護元件888的端電極11、21串聯連接於電池元件4與充放電控制電路2之間，形成不同的充放電路徑(即電流Ic與電流Id的路徑)。本實施例的可充放電電池包588中的充放電控制電路2，可依據外接的是充電裝置1或電子裝置1以及偵測控制電路5所輸出的信號來開啟與關閉充放電的電流。當高於額定電流值的電流Ic流經可熔導體8或高於額定電流值的電流Id流經可熔導體8時，可熔導體8會熔斷，以斷開充電電流Ic或放電電流Id的路徑，以達到保護電池元件4或電池組588的過電流保護功能。另，當偵測控制電路5偵測到電池元件4-1、4-2、4-3、4-4中的任何一個發生異常(如：
過充或過溫)時，則會送出信號給開關電路S，以將開關電路S切換至短路狀態或導通狀態，致使電流可流經第一發熱體7c。第一發熱體7c因通電發熱而熔斷可熔導體8，以斷開充電電流Ic與放電電流Id，達成可充放電電池包588的過充或過電壓或過溫保護的功能。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準，凡合於本發明申請專利範圍之精神與其運用本發明說明書及圖式內容所為之類似變化，均包含於本發明之專利範圍內。
888‧‧‧複合式保護元件
7(1)‧‧‧第一熱產生組件
7a、7b‧‧‧第一發熱體電極
7c‧‧‧第一發熱體
8‧‧‧可熔導體
11、12‧‧‧端電極
19‧‧‧絕緣外殼體
19a‧‧‧絕緣外殼體蓋體
19b‧‧‧絕緣外殼體基體
Claims (10)
- 一種複合式保護元件，包括：絕緣外殼體，包括絕緣外殼體基體與絕緣外殼體蓋體；多個端電極，包括第一端電極與第二端電極，該些端電極分別貫穿該絕緣外殼體，且分別被該絕緣外殼體所支撐；第一熱產生組件，配置在該絕緣外殼體內，包括多個第一發熱體電極以及第一發熱體，且三者形成三明治的結構；以及可熔導體，配置在該絕緣外殼體內，用以在該複合式保護元件的第一端電極與第二端電極之間提供第一雙向的電流路徑。
- 如申請專利範圍第1項所述的複合式保護元件，其中，該第一熱產生組件配置於該可熔導體的大致中央部的下方，該可熔導體並且由該第一熱產生組件支撐。
- 如申請專利範圍第1項所述的複合式保護元件，其中，該可熔導體包含薄部與厚部
- 如申請專利範圍第3項所述的複合式保護元件，其中，該可熔導體的大概中央部具有薄部，該可熔導體的兩端具有厚部，且該薄部耦接或電氣連接該第一熱產生組件的第一發熱體電極，該兩端的厚部分別耦接或電氣連接該第一端電極以及該第二端電極。
- 如申請專利範圍第1項所述的複合式保護元件，還包括第二熱產生組件，該第一熱產生組件配置於可熔導體的下方，該第二熱產生組件配置於可熔導體的上方。
- 如申請專利範圍第5項所述的複合式保護元件，其中，該第一熱產生組件與該第二熱產生組件電氣並聯連接。
- 如申請專利範圍第5項所述的複合式保護元件，還包含絕緣基板，配置在該絕緣外殼體內，並且在該可熔導體8的上方，其 中，該第二熱產生組件配置在該絕緣基板上或配置在該絕緣基板內。
- 如申請專利範圍第1項所述的複合式保護元件，還包括第三端電極，其中，該第一熱產生組件的一端電氣連接該可熔導體，該熱產生組件的另一端電氣連接該第三端電極。
- 如申請專利範圍第1項至第8項中的任一項所述的複合式保護元件，其中，該絕緣外殼體包含開口或多孔洞的陶瓷結構。
- 一種電池組，包括：至少一電池元件；如申請專利範圍第1項至第9項中任一項所述的複合式保護元件，其中該複合式保護元件與該至少一電池元件串聯連接以形成至少一充放電電流路徑；開關電路，耦接到該至少一發熱體的第二端；以及偵測控制電路，用以偵測該至少一電池元件的電壓或溫度，依據所偵測到的電壓或溫度而決定該開關電路的狀態。
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