TW419843B - Secondary batteries, temperature sensing device for a secondary batteries and a process therefor - Google Patents

Secondary batteries, temperature sensing device for a secondary batteries and a process therefor Download PDF

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Shou-Mean Fang
Takashi Hasunuma
Noriyuki Nagashima
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Raychem Kk
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Description

419843 五、發明說明（1) [發明之技術領域] 本發明關於一二次電池’.用於二次電池之溫度感測裝置 及其製程。.
[先前技藝] 二次電池，如鎳氫電池及經離子電池.，相較於先前鉛電 池比較輕且容量比較大，.近幾年來已發展及使用在不同應 用例、該二次電池的一應用例，.其已接近商業化及使用較 輕重量及較大容量特性：是一使用電動馬達做能量源的電 動車，.或一氫化車結合一電動馬達及一内部引擎做能量 源。. 因為二次電池的最大電壓及電流容量受限於其反應原 理，.需多個電池串聯以獲致特定電壓.；該等電池則另並聯 以獲致特定電流容量以使用做如上述大驅動力所需之一能 源ΐ [本發明欲解決之問題] 充電’·在使用二次電池時不可避免之問題：則由施與充 電電池至整體串聯連接的二次電池：下列相關充電問題必 須解決，。 因為很難使得二次電池的充放電特徵一致.，即使是在嚴 格質管制，，依充放電狀況改變的内部 不可避免的。·因此·，當多個具有不同電二：次電= 在一起且一充電電壓施於整個電池，，—接收電流一致地通 過該等電％，·在部份例因一大内部電阻導致二次電池相當 大的溫升。•該等二次電池相當大的
41跑 五、發明說明（2) 損壞到其外殼， 一種解決該問題的方法是施 — 個終端且同時控制充電電、士，$特疋電壓在二次電池的兩 多二次電池係困難的，g此 徒^別之充：路給终 測如上所述之不正常溫升…：：,電池充電時必須感 方法以感測溫度m方法種^則是使用雙金屬接點 達作響發生_，開/關^乍導致接電卡 作動如„ e. ' 〇X *'冓件會粘在一起/以使得接點不再 作^如一開關，·安全上也會有問題。 ::法貝二” PTC(正溫度係數)材料以感測二次電池 且右/ — S凋量標的的表面溫度由接點傳送，♦此PTC材料 :g W室1下’ S曝露在不正常大電流流經測量標的所產 n [ /JDL下.呈現出在相對低溫具有相對低電氣電阻的特 斗‘至7 “使用PTC材料以感測二次電池的不正常盔 ‘特別疋在充電時.，多個二次電池串聯，及使用PTC材 感，器疋各別附著至每一二次電阻於充電時，.且也有複 雜問題如感測器間接線及從感測器至處理資料的溫度感測 電路之接線等，。 本發明有雲於該專環境及企圖提供一二次電池，二次電 池之溫度感測裝置及其製程'其可：用以感u 池或多個串聯的二次電池，其在使用時，，因為較少焊接 奴及可以不同型狀製造：具有低製造成本及高可靠度。 [解決問題的方法] 申請專利範圍第1項之方法是一可連接至每一電源以提 供監督多個電池溫升的感測器之延長溫度感測裝置，該裝
IEH
五、發明說明（3) 置包含 (A ) "正溫度係數疋件> (p τ c >其_ (1)疋一具有相對第_ ίττ楚-主二，， J弟 和第一表面的連績延長帶型式、’ (2)包含一具有Ptc特性之導電聚合物； (B) 多個第一電極其 ‘ U)固鎖至PTC元件的第一表面，及 (2)彼此縱向間隔； (C) 多個二次電極其_ (1) 固鎖至PTC元件的第二表面，及 (2) 彼此縱向間隔； 有(1)級一交不錯番及蟲重疊的第—和第二表面♦，以使得每-電極具 Μ 4 f 4展驗極在相反表面上的中央埠及（b)兩個終 面的相鄰電極的各別終端皡；及 Ε Κ::絕緣罩環繞該ΡΚ元件及第-和第二電極； 严二:間隔感測組件，·每個感測組件包含' 極之一的一重疊終端埠‘， ⑻m元件的二皋的二重疊終端槔、，及 穿越在電極的重悬狄山虽裝置連接至電源.，由此電流橫斷 包蚀的重疊終端埠間； 及 . (F)多個縱向間隔連接組 (1) 聯接兩個串聯相鄰 (2) 包含
件.，每個連接組件 的電氣感測組件，及 五、發明說明（4) (a) PTC元件的一槔，.及 (b) 第一電極之一的一 t央端埠或苐二電極之一的一 中央埠，.當裴置連接至電源：由此電流縱向穿 申^利範圍第2項是申請專利範圍第！ 感測裝置，，其特徵是 & 又 (阻〇上及述導電聚合物在23。〇具有一8Q_cm或較小的體積電 (至β)少 測組件的電阻值在23t是5Ω或更小及在，C是 申吻專利圍第3項是申請專利範圍第 溫度感測裝置 '其特徵是上述第一：幻匕項所述之： 電極。 々弟一電極是一金屬箔 :請專利範圍第4項是申請專利 述之一溫度感測裝置，装姓料e u I乐1至3項任項所 相同且沿著上述溫产咸、：徵疋上述感蜊組件是實質彼此 件間之間隔，換：：相2置均勻間隔‘’其中上述感測組 在1 〇mm至3〇rom間^鄰感測組件的對應點間間隔係重複 申請專利範圍第5 Jg e 述之-溫度感測項疋/请專利範圍第1至3項任-項所 置，.其中每對的兩彳@ ά二特徵是上述感濟I組件是成對擺 重複間隔.。兩個組件間間隔是實質地小於上述每對間 申請專利範圍第6項 感測裝置，‘其特徵a 士 *清專利範圍苐5項所述之一溫度 少0 · ·4ππη，·相鄰第_疋目第一電極的終峭埠間的間隔是至 一電極的終端蟫間的間隔是至少5〇聽.， 晒
Μ $ 8頁 五、發明說明（5) 及上述PTC元件沾jg φ & —的厚度則至少是3mm。 冲夕L π奋，圍第7項是申請專利範圍第1至6項任一項所 丄知鄱=Γ番剛裂置，.其特徵是假設電阻跨接及連接在每 丨 極的間隙間.，上束電阻由是並聯聯接至相鄰 組感測蚯件，箕击“ ,^ 斗灿如抑A i 、中該電阻的電阻值是在23 °C實質大於 感測組件。.件 '及(Β)在9〇C實質小於該射相鄰組 申°】Π圚第8項是申請專利範圍第7項所述之-溫度 感測裝置，.其特徵是上述電阻包含 申請專=圍第9項是中請專利範圍第任〆項所 述之一溫度感測裝置的製程，包含 8項 (A) —提供薄片之步驟包含 (1) —片 具有相對第-和第二表面.，及 ()是由具_pTc特性的一導電聚合 (2) —第一金屬承口物所組成 乂 ！ 附加至⑴所述該片的第-袅面，及 (3) — 第二金屬 第一录 © (B) —步驟經由將第至1所*述該片的第二表面。 以形成多個第一凹第槽一，多個平行帶從上述第一金屬片移走 (C) 一步驟經由將上述第二多個平行帶 移走以形成多個第- 上述第一金 此平行但不交4;^:.其中上…和第』槽是彼 ⑻二/㈣：「操作經由將來自⑹的該片”垂直上述第 -和弟二四槽區分成的多個帶狀型式垂直上
第9頁 五、發明說明（6) "— (Ε)形成多個聚合物絕緣組件以帶狀型式環繞每一組件.。 申请專利範圍第1 〇項是一組電池提供與 (A) 多個二次電t，及 (B) 如申請專利範圍第【至8項任一項所述之一溫度感測裝 置' 由是每一電池被提供以至少—熱連接的感測組件.。 [本發明之具體例] 本發明之一具體例係使用圖1說明如下。圖1是根據本發 明的一組具有一溫度感測裝置的二次電池。.在圖1，多個 二次電池（圖内為6個）串聯連接及更換。，符號10表示串聯 連接的二次電池；該圖省略連接至二次電池丨〇以為充電之 充電设備、一溫度感測裝置丨丨具有聯結的多個溫度感測段 (如該圖内六個二次電池）則與二次電池丨〇連接以感測二次 電池1 0的溫度/ 一電源丨2及一電流測量設備丨3則串聯電氣 連接在本溫度感測裝置1丨的兩個終端間。 其次•，根據本發明一組具有一溫度感測裝置的二次電池 使用圖1說明如下，電壓從電源丨2施於溫度感測段〗丨.，如 電流流經一閉迴路之結果，，包含溫度感測裝置丨〗，電源 1 2 及電流測量設備1 3 :在充電時：二次電池1 〇的表面溫 度經由接觸傳送至溫度感測裝置丨丨，。電流測量設備丨3測量 流經上述閉迴路的電流.；若該電流變的比正常狀態下二次 電池的特定值大：則測量之二次電池之一的溫度以上升及 因此:異常已發生，.且充電程序停止3 其次；溫度感測裝置丨丨的結構則使用圖2予以詳細說 明？圖2是溫度感測裝置丨〗和二次電池丨〇的放大和分離段
第10頁 4198^3 五、發明說明（？） 之一間接圖，.兩者是在實際使用狀態下相互接觸，。在該 圖.’P2的長度表示一單二次電池：電極片2〇，·由Cu-Ni薄 月所紐·成’，則間歇地接觸PTC層21的頂端和底端埠.，其是 具有在特定溫度特性改變基礎之ΡΊχ特性的導電聚合物 層。、在每一電極片間是一符號22所表示的間隙；，電極片2〇 則曝露在此間隙2 2 , ’ p 1所示範圍的較上段表示一單溫度感測段，，包含電極片 20a的右半·，電極片20c :電極片20b的左半，。在此第一具 體例，·溫度感測裝置的結構包含該等溫度感測段的一連續 6 \相同號碼為二次電池□•在此具體例，.當從圖2的Z方向 觀視’· PTC多元層21的頂端埠上電極片2〇a.和電極片20b^與 PTC多元層21的底端埠上電極片2〇c重疊.，該ρκ層21則如 圖示在其間，。 在實際使用此溫度感測段p 1則與一單二次電池丨〇 a連 接以感測二次電池1 〇a的溫度。而且：若pTC層2 1的厚度為 dl及電極片間間隔為d2如圖所示.，本具體例之每個電極片 配置則使彳于d 2 > d 1 _。該溫度感測段之連續的整個頂端和底 端則由透明塑膠絕緣片覆蓋以形成溫度感測裝置丨丨.。圖3 展示圖2的方向Z之溫度感測裝置的剖面圖，.其中符號3〇是 上述透明塑膠片。 其次，，本具體例之溫度感測段所感測的溫度原理被描 述。圖2的溫度感測段p 1則為一範例。相對應圖1 ,在圖2 電流由左流向右？電源1 2供給之電流路徑從電極片2〇a經 由P T C層2 1流至電極片2 0 c 在已流經此電極片2 〇 c ;電流
第11頁 419P43 五、發明說明（8) 經由PTC層21流至電極片20b ；>這是因為，.上述d2>dl.’本 路徑内電氣阻抗小於電流路徑從電極片20a直接流至電極 片20b的電氣阻抗。.因此，.電流以一曲折方向在每一溫度 感測的頂端和底端間流動.。 首先，.若測量的二次電池10a溫度為正常.，PTC層21的電 氣阻抗也為低，.及流經上述路徑的電流在電流測量設備1 3 測量為一正常值 '其次，.若所有發生在二次電池的損壞且 溫度上升至一不正常範圍：與二次電池接觸之PTC層21的 電氣阻抗則也經由此溫度上升而增加，，由是增加上述路徑 的整個電阻，，因此在電流測量設備1 3測量的電流增加且二 次電池内不正常可被檢測，。 圖6疋一曲線展示PTC層的電氣阻抗改變及二次電池的溫 度改變間關係。.在此範例•’電氣阻抗展示特定溫度Τχ附近 之大然改變。.正常溫度範圍内點Α和溫升所導致的不正常 溫度範圍内點B被比較.，在範例電氣電阻則增加約幾百 倍。- ' 其次，·一第二具體例被描述。.第二〃具體例是一溫度感測 裝置包含 多個帶狀形式間隔感測組件，每一感測組件則提供以 PTC構件，，每一構件具有一薄片型式及相對第一和'第二 表面及提供以一導電聚合物具有PTC特性， 一第—電極連接至上述每一 PTC片的第•一表面，及 一第二電極連接至上述每一 ptc片的第二表面·，及 多個帶狀間隔連接組件，.其中每—連接組件則定位在2
_ 4ιϋ：：'43 五、發明說明（9) 相鄰感測組件間I該連接組件則替代地連接至 相鄰感測組件的第一電極及 相鄰感測組件的第二電極. 當溫度感測裝置連接至電源，·由是電流橫斷地流經上述 PTC構件及縱向地經由上述連接組件。 圖7則以一範例說明.。該圖是溫度感測裝置的組件，，單 溫度感測段的橫剖面？其假設具有溫度感測段的溫度感測 裝置係以如第一具體例的相同方式使用？在此：PTC層2 i 不是如第一具體例的一連績層，.但以組件存在由一溫度感 測段的頂端和底端電極片2 0的相反組件所包炎.。 圖8是一垂直圖7其中頂端和底端電極片2〇及pTc層21呈 現的溫度感測段的橫剖面。如在上述圖3，溫度感測裝置 的頂端和底端則覆蓋以一透明塑膠片30。.在此第二具體 例’該PTC層21小於在整個長度及在每個溫度感測段的面 積’.由是具有對測量的二次電池溫度改變更靈敏的反應效 應。. 其次，，一第三具體例如圖9所示將予以說明：該圖是溫 度感測裝置的部份放大橫剖面。.如在圖2 : p 1展示範圍的 頂端埠表示一單溫度感測段；在實際使用.，這是與一單二 次電池接觸1 0 a接觸以測量其溫度：在此例.，除了圖2所示 第一具體例之範例，，一ZTC層23 :其是具有零溫度係數的 一導電聚合物層則提供間斷地接觸及覆蓋電極片2〇的間 斷段f 該圖的其他部份則與上述第一具體例所述圖2相同.。在
第13頁 4198/^3 五、發明說明（ίο) 此具體例’，若P T C層21有中斷而無法使電流流經該層：電 流將流經電極片2 0及Z T C層2 3及容許溫度感測裴置本身被 檢測到的所有不正常或故障，。 本具體例也關於一對感測多個電池的溫度特別有效的溫 度感測裝置，、如車輛上的二次電池。 下列所示溫度感測裝置的製程，·使用上述第一具體例做 為一範例 '首先’在圖4 ! 一具有一均勻厚度di的pTC層被 準備；.包夾著此.，電極片20則與頂端和底端連接以製成一 基片。‘其次·，罩覆則用於寬帶由圖4的雙點線所示，在 PTC層21的頂端和底端上電極片2〇以移走圖5所示d2該段。 遵循此蝕刻執行以熔化上述罩覆以外段的電極片2 〇 其保持如電極片間隔為d 2距離。.在此後.，基片依著圖5内 雙點線在橫斷方向切割。該等獲致的帶則各別從上及下使 用透明塑膠片包夾，，在其後電極則經由焊接連接在兩個終 端以獲致多個溫度感測裝置q 經由每一具體例所述之結構，，根據本發明的溫度感測裝 置可被製造’即使當多個被測量的二次電池是以一L型串 聯連接，·例如以符合L型輪廓以使得其可定位以沿著二 次電池接觸》此外，.上述製造方法則比較簡單，容許製造 穩定度，•及因此適合量產。. 最後*·雖然本發明已經由上述描述以應用於二次電池.， 其並未受限於二次電池，.但可有效地應用至需要監督溫升 的其他標的，。 根據本發明的二次電池，，二次電池的溫度感測裝置及製
第14頁 五、發明說明（II) 法，，及特別是在溫度感測裝置，.一單一裝置可被使用以感 測單一二次電池的溫度或多個_聯連接的二次電池。、此 外，，當根據本發明的製造溫度感測裝置方法被使用，製造 成本低使用可信度高因為焊接段少：且可以不同型狀 製造β 圖示之簡單說明 [圖1 ] 一圖展示根據本發明具有一溫度感測裝置的二次電池 組。， [圖2] 一放大圖展示根據本發明的溫度感測裝置及二次電池的 一第一具體例，。 [圖 3] · 一剖面圖展示根據本發明的溫度感測裝置的一第一具體 例。.
[圖4] 一圖展示根據本發明的溫度感測裝置的製程/ [圖5] 一圖展示根據本發明的溫度感測裝置的製程.。 [圖6] 一圖展示本發明使用的PT C材料的溫度特徵·。 [圖7] 一放大圖展示根據本發明的溫度感測裝置一第/具體 例。.
第15頁 五、發明說明（12) [圖8] 一剖面圖展示根據本發明的溫度感測裝置一第二具體 例，.如圖7所示，。 [圖9] 一放大圖展示根據本發明的溫度感測裝置及二次電池的 一第三具體例.。 [符號之說明] 1 0，1 0 a -二次電池 1卜溫度感測裝置 12-電源 1 3 -電流測量設備 20-電極片 2卜PTC層 22- 間隙 23- ZTC 層 20a，20b-電極片 2 0c-PTC層[注意：電極層？] 30 -透明塑膠片
第16頁

Claims (1)

  1. 41ϋ843_^_ 六、申請專利範圍 1. 一種可連接至每一電源以提供監督多個電池溫升的感 測器之延長溫度感測裝置，.該裝置包含 (Α) —正溫度係數（PTC)元件其 (1) 是一具有相對第一和第二表面的連續延長帶型 式，.及 (2) 包含一具有PTC特性之導電聚合物，； (B) 多個第一電極其. U )固鎖至PTC元件的第一表面.，及 (2)彼此縱向間隔.； (C) 多個二次電極其. (1)固鎖至PTC元件的第二表面.，及 (2 )彼此縱向間隔；. 層級交錯及重疊的第一和第二表面：以使得每一電極 具有（a) —不重疊在相反表面上電極的中央埠及（b)兩個終 端埠重疊相對表面的相鄰電極的各別終端埠；及 鲁 (D) —聚合物絕緣罩環繞該PTC元件及第一和第二電 極； (E )多個縱向間隔感測組件每個感測組件包含 (1) 第一電極之一的一重疊終端埠.， (2) 第二電極之一的一重疊終端埠·，及 (3 ) PT C元件的一埠，當裝置連接至電源.，由此電流 橫斷穿越在電極的重疊終端埠間；_及 (F )多個縱向間隔連接組件，，每個連接組件 (1 )聯接兩個串聯相鄰的電氣感測組件.，及
    第17頁
    4丄_3 六、申請專利範圍 (2 )包含 及 (a) PTC元件的一埠 (b) 第一電極之一的一中央端埠或第二電極之一 的一中央埠，當裝置連接至電源，由此電流縱向穿越 [sic] ° 2 .如申請專利範圍第1項所述之溫度感測裝置，其特徵 是 (A)上述導電聚合物在23 °C具有一 8Ω-cm或較小的體 積電阻，及 (B )上述感測组件的電阻值在2 3 °C是5 Ω或更小及在 9 0 °C是至少1 Ο Ο Ω 。 3. 如申請專利範圍第1或2項所述之溫度感測裝置，其特 徵是上述第一和第二電極是一金屬箔電極。 4. 如申請專利範圍第1或2項所述之溫度感測裝置，其特 徵是上述感測組件是實質彼此相同且沿著上述溫度感測裝 置均勻間隔，其中上述感測組件間之間隔，換言之相鄰感 測組件的對應點間間隔係重複在1 0 m m至3 0 m m間距離。 5. 如申請專利範圍第1或2項所述之溫度感測裝置，其特 徵是上述感測組件是成對擺置，其中每對的兩個組件間間 隔是實質地小於上述每對間重複間隔。 6. 如申請專利範圍第5項所述之溫度感測裝置，其特徵 是 相鄭第一電極的終端埠間的間隔是至少0. 4 m m，相鄰 第二電極的終端埠間的間隔是至少50mm，及上述PTC元件
    O:\57\57702.PTD 第18頁
    ^、申請專利範圍 的厚度則至少是3mm。 7. 如申請專利範圍第1或2項所述之溫度感測裝置，其特 徵是假設電阻跨接及連接在每對相鄰第一電極的間隙間， 上束電阻由是並聯聯接至相鄰組感測組件，其中該電阻的 電阻值是（A ) 在2 3 °C實質大於該對相鄰組感測組件，及 (B )在9 0 °C實質小於該對相鄰組感測組件。 8. 如申請專利範圍第7項所述之溫度感測裝置，其特徵 是上述電阻包含一導電聚合物。 9. 一種製造如申請專利範圍第1項所述之溫度感測裝置 的製程，包含 (A) —提供薄片之步驟，包含 ⑴一片 (a) 具有相對第一和第二表面，及 (b) 是由具有PTC特性的一導電聚合物所組成， (2) —第一金屬片附加至（1)所述該片的第一表面， 及 (3) —第二金屬片附加至（1)所述該片的第二表面。 (B) —步驟經由將第一多個平行帶從上述第一金屬片 移走以形成多個第一凹槽， (C) 一步驟經由將上述第二多個平行帶從上述第二金 屬片移走以形成多個第二凹槽，其中上述第一和第二凹槽 是彼此平行但不交錯及不重疊， (D) —步騍用以操作經由將來自（C )的該片沿著垂直上 述第一和第二凹槽區分成的多個帶狀型式組件，及
    O:\57\57702.PTD 第19頁 六、申請專利範圍 (E )形成一聚合物絕緣組件以帶狀型式環繞每一組 件。. 1 0 . —種二次電池，.提供以 (A) 多個二次電池：及 (B) 如申請專利範圍第1至8項任一項所述之溫度感測 裝置，，由此每一電池被提供以至少一熱連接的感測組件·。
    O:\57\57702.PTD 第20頁
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