TWI628835B - Overcurrent protection structure of lithium battery module - Google Patents

Abstract

本發明係關於一種鋰電池模組的過電流保護結構，其包括一電池單元、一絕緣框架組以及一電極連接元件，該電池單元包含複數電芯，各該電芯分別具有一第一電極與極性相異於該第一電極之一第二電極；絕緣框架組包含一上框架與一下框架，該上框架與該下框架係分別設有複數定位貫孔以套覆各該電芯的兩端；電極連接元件係為一對金屬板且分別配置於該上框架和該下框架為遠離各該電芯的一側，該對金屬板包含一板體部、複數電連接部與一限位部；各該電連接部自該板體部表面凸伸以分別嵌設各該定位貫孔，並且透過焊料連接該第一電極；限位部用於與該絕緣框架組相互組接以限制該電極連接元件的位移。藉此，有效地降低各鋰電池串/並聯後的鋰電池模組可能造成短路的風險。

Description

鋰電池模組的過電流保護結構

本發明係關於一種鋰電池組裝技術領域，尤指一種降低鋰電池模組中的各鋰電池串並聯後可能造成短路的風險，以確保鋰電池模組使用上的安全性。

為了讓使用者可以長時間的使用行動電子產品，電池的蓄電能力不斷的精進，且不斷的尋求蓄電能力更大、更穩定的材質來製作高蓄電量的電池。市面上常見的各型電池所使用的材質包括鉛、碳、鋅、錳以及水銀等化學材料，但上述習用電池大部份是無法充電再利用的，除了無法再使用造成浪費以外，使用後的廢棄電池產生嚴重的環保問題。

發展至今，可充電電池普遍使用於各類型電子產品，現今較普遍的有鎳化合物電池(如鎳-鎘、鎳-氫，以下用「鎳電池」統稱使用鎳的各類型電池)以及鋰化合物電池(如鋰-鐵，以下用「鋰電池」統稱使用鋰的各類型電池)，其中鎳電池在實際運用上具有「記憶效應」以及「自耗電率」之問題，而鋰電池的「記憶效應」與「自耗電率」的現象都較鎳電池輕微許多，且以同樣的大小，鋰電池的蓄電量與最大電流都優於鎳電池。但鋰電池亦有其缺點，由於鋰的化學特性較不穩定，在充電過度、過熱、外力破壞時恐發生燃燒或爆炸。

在說明鋰電池充電之先前技術之前先行定義鋰電池各結構，其中該鋰電池至少包含了儲存電能的電芯(Cell)、包覆該電芯的封閉容器、連接該電芯而向外延伸至該封閉容器外的正電極與負電極，該電芯之結構具有多種不同的化學材料，但該電芯之結構與本案之申請技術核心並不具有直接的關係，故不詳述。為了避免鋰電池產生燃燒或爆炸之危險，鋰電池的充電裝置需具備保護電路來確保鋰電池充電時的電池電壓不超過一臨界電壓(通常為4.2V)，而為了配合充電裝置的保護電路位置，鋰電池的正電極與負電極需設置於同一側而受該保護電路監測。

事實上，筆記型電腦的電池由於具有較大的空間而都可設置保護電路，但手機或其他小型電器使用的薄型電池會受限於電池本身體積的問題而由手機或電器內的保護電路監控電池，但未裝設於手機或電器內的鋰電池則未受監控與保護，仍曾經發生鋰電池放在手提袋中短路燃燒之情況。因此又有另一創作如中華民國專利證書第I305965號「改善穩定性的電池組」，依據其說明書可知其技術核心在於電池(即先前所定義之電芯)與殼體之間填充一絕緣材料，除了加強絕緣效果以外更提高了抵抗外力破壞的能力。值得注意的是該案中更揭示了該電池與殼體之間設置一保護電路模組之技術。雖然薄型鋰電池單體內具有保護電路模組可加強安全性，但亦犧牲了體積，或者需耗費更大的成本去達到小型化的目的。

雖鋰電池的技術已漸趨成熟，但上述之鋰電池皆是為了手機、筆記型電腦或3C電子產品而量身訂作的，除了鎳電池在市場上已有一般的電池規格(如AAA型、AA型)的產品以外，鋰電池受限於安全性而仍無此類實用之產品。

因此，習知的鋰電池以及其充電裝置具有以下的限制：

1.鋰電池需使用於具有保護電路的電器上，以避免電池損壞造成燃燒或爆炸。

2.鋰電池與電器接觸導通的電極都佈設在同一側，無法相容於使用圓筒型電池的電器。

3.習知鋰電池之型態受限，而進一步限制其應用範圍。

4.習知鋰電池要依使用電器而制訂規格，設計成本較高。

再者，如圖8~9所示的習知圓筒型鋰電池結構圖，其係由正極92、負極93且其間設有隔膜板95，而鋰電池一端設有正極接線端96，另一端為絕緣板94，並且以絕緣外殼91包覆形成圓筒型鋰電池結構(通常電池外殼亦是負極)。當鎳片放置於正極92上時，絕緣外殼91可能會因碰撞或高溫或長時間放置造成脆化或破損，使得點焊在正極的鎳片短路至罐身負極；換言之，當此電池結構的鋰電池模組在使用金屬電極片80形成串/並聯時，金屬電極片80(例如鎳金屬片)通常貼平電芯(金屬電極片80接觸貼平正極接線端96)，絕緣外殼91可能會因碰撞或高溫或長時間放置造成脆化或破損，使得點焊在正極92的金屬電極片80與負極93導通形成短路。

因而，各界莫不亟待開發出一種能夠避免正極端鎳片與罐身接觸造成短路的過電流保護結構，以確保該鋰電池模組使用之安全性。

是以，有鑑於習知技術中所產生之缺失，申請人經過悉心試驗與研究，並一本鍥而不捨之精神，終構思出本發明以解決習知技藝的缺點，能夠改善上述問題並且提升鋰電池模組使用的安全性，進而擴展鋰電池的應用範圍。

有鑑於此，本發明提供一種鋰電池模組的過電流保護結構，透過特殊結構的金屬片材做複數個鋰電池的串/並聯，並搭配對應該金屬片材的絕緣框架，以有效地降低各鋰電池串/並聯後的鋰電池模組可能造成短路的風險。

為達成本發明的目的，本發明提供一種鋰電池模組的過電流保護結構，其包括一電池單元、一絕緣框架組以及一電極連接元件，該電池單元包含複數電芯，各該電芯分別具有一第一電極與極性相異於該第一電極之一第二電極；絕緣框架組包含一上框架與一下框架，該上框架與該下框架係分別設有複數定位貫孔以套覆各該電芯的兩端；電極連接元件係為一對金屬板且分別配置於該上框架和該下框架為遠離各該電芯的一側，該對金屬板包含一板體部、複數電連接部與一限位部；各該電連接部自該板體部表面凸伸以分別嵌設各該定位貫孔，並且透過焊料連接該第一電極；限位部用於與該絕緣框架組相互組接以限制該電極連接元件的位移。

於一實施例中，其中該第一電極與該第二電極位於該電芯之相同平面。

於一實施例中，其中該對金屬板係分別為相同或相異材質之金屬薄板。

於一實施例中，其中該對金屬板分別為含鎳的金屬薄板。

於一實施例中，其中各該電連接部包含一環牆、一底板以及一鏤空區，該環牆自該板體部表面向外凸伸以嵌設各該定位貫孔；該底板連接該環牆且該底板透過該焊料連接該第一電極；該鏤空區為自該環牆開設的開口。

於一實施例中，其中該鏤空區係自該底板延伸至該板體部的表面。

於一實施例中，其中該環牆開設有多個該鏤空區。

於一實施例中，其中該對金屬板的該限位部係為自該板體部的至少一側周緣直向延伸之複數個板翼，而該上框架與該下框架為分別遠離各該電芯的一側表面設有一定位凹槽，各該定位凹槽係分別相符於該對金屬板的幾何輪廓，以使該板體部以及該限位部平置於該定位凹槽中，從而使各該板翼與該絕緣框架組相互卡合形成限位作用。

於一實施例中，其中各該定位貫孔為鄰近該電極連接元件的孔徑小於各該定位貫孔為鄰近各該電芯的孔徑，而該上框架與該下框架分別對應較大孔徑的各該定位貫孔位置具有一側壁部，該上框架與該下框架分別對應較小孔徑的各該定位貫孔位置具有一遮蔽部，該側壁部分別環圍於各該電芯，該遮蔽部蓋覆於各該電芯的該第二電極。

於一實施例中，其中該上框架與該下框架的各該定位貫孔係呈陣列分布、同心圓狀分布或任意分布型態。

為了對本發明的技術特徵、目的和效果有更加清楚的理解，現對照附圖詳細說明本發明的具體實施方式。

請參閱本發明圖1~3所示，其分別繪製具過電流保護結構的鋰電池模組的外觀以及分解示意圖；下面將詳細描述本發明的鋰電池模組的過電流保護結構，其包括一電池單元(10)、一絕緣框架組(20)以及一電極連接元件(30)。

電池單元(10)，其包含複數電芯(11)，各該電芯(11)分別具有一第一電極(12)與極性相異於該第一電極(12)之一第二電極(13)，本實施例中主要係說明應用於圓筒狀的鋰電池結構，但不依此為限；在此說明，該第一電極(12)與該第二電極(13)係可位於該電芯(11)之相同平面，或者是相異平面，而第一電極(12)可為電芯(11)的正極或負極，第二電極(13)則對應第一電極(12)的極性可為正極或負極，在此不限制。

絕緣框架組(20)，其包含一上框架(20a)與一下框架(20b)，該上框架(20a)與該下框架(20b)係分別設有複數定位貫孔(200a,200b)以及一定位凹槽(210a,210b)，該上框架(20a)與該下框架(20b)係以定位貫孔(200a,200b)套覆各該電芯(11)的兩端，而定位凹槽(210a,210b)係用以放置電極連接元件(30)，以下將配合電極連接元件(30)的結構說明定位凹槽(210a,210b)的幾何結構，補充說明，該上框架(20a)與該下框架(20b)於最外側電池單元(10)的部分係可延伸至相互接觸而形成封閉空間，亦可不相互接觸而形成開放型態；雖本發明圖示係顯示為不相互接觸而形成開放型態，但不依此為限。

承上所述，該上框架(20a)與該下框架(20b)的各該定位貫孔(200a,200b)係呈陣列分布、同心圓狀分布或任意分布型態；雖圖式表示為陣列分布型態，但不依此為限。

請配合參閱圖4-5所示，其分別繪製鋰電池模組的電極連接元件的上視圖以及側視圖；本發明過電流保護結構的一主要技術特徵係在於電極連接元件(30)的結構特徵，以有效降低鋰電池模組於使用時因習知技藝的缺點造成長時間的使用後，絕緣材料很可能因為長時間的高低溫變化或震動導致脆化或損毀而引起鋰電池短路的問題。

承上所述，電極連接元件(30)係主要為一金屬板且包含一板體部(31a,31b)、複數電連接部(32)以及一限位部(33)；其中該電連接部(32)係包含自該板體部(31)表面凸伸出一環牆(321)、延續連接該環牆(321)的一底板(322)以及開設於環牆(321)位置的一鏤空區(324)，其可為各種幾何輪廓形狀的開口，在此不限制；限位部(33)則主要用於與該絕緣框架組(20)相互組接以限制該電極連接元件(30)的位移，以下將以本發明所舉之鋰電池模組的結構說明限位部(33)如何限制該電極連接元件(30)的位移；而該鏤空區(324)係具有對於本發明以下幾個重要的功能：

1. 電極連接元件(30)進行沖壓該複數電連接部(32)的過程時避免破面的情況發生。

2.用以針對鋰電池模組中放電過程時的容易熱聚集形成高溫之各電池二電極位置的散熱之效。

3.特定形式的圓筒狀鋰電池於二電極位置設有洩壓閥，其有助於洩壓。

請再配合參閱圖6-7所示，其繪製本發明之鋰電池模組的過電流保護結構的局部放大示意圖；在本發明一實施例中，電極連接元件(30)其係為對應配置於該上框架(20a)和該下框架(20b)為遠離各該電芯(11)的一側的一對金屬板(30a,30b)，該對金屬板(30a,30b)包含一板體部(31a,31b)、複數電連接部(32a,32b)以及一限位部(33a,33b)；其中該對金屬板(30a,30b)係可分別為相同或相異材質之金屬薄板，較佳地，該對金屬板(30a,30b)係分別為相同材質之含鎳的金屬薄板；而該對金屬板(30a,30b)的厚度係近似於該上框架(20a)與該下框架(20b)之定位凹槽(210a,210b)的深度，但不依此為限；在此說明，所謂前述近似的概念係指定位凹槽的深度可為大於、等於或小於該對金屬板(30a,30b)的厚度，而其誤差值約略介於正負10%以內。

電連接部(32a,32b)，其自該板體部(31a,31b)表面凸伸以分別嵌設各該定位貫孔(200a,200b)並且透過焊料(圖未示)連接該第一電極(12)；而電連接部(32a,32b)係包含一環牆(321a,321b)、延續連接該環牆(321a,321b)的一底板(322a,322b)以及開設於該環牆(321a,321b)位置的一一鏤空區(324a,324b)。

環牆(321a,321b)係自該板體部(31a,31b)表面向外凸伸以嵌設各該定位貫孔(200a,200b)中，而底板(322a,322b)係延續連接該環牆(321a,321b)形成彎折的部分，該環牆(321a,321b)凸伸的長度係根據該板體部(31a,31b)的厚度、該定位凹槽(210a,210b)的深度做設計考量，其使該底板(322a,322b)與該第一電極(12)的表面之間保持有微小的間隙，該底板(322a,322b)係透過該焊料連接該第一電極(12)，而鏤空區(324a,324b)，其為自該環牆(321a,321b)開設的開口，該開口可為各種幾何輪廓形狀的開口，在此不限制，本實施例中，該鏤空區(324a,324b)係自該底板(322a,322b)延伸至該板體部(31a,31b)的表面，但不依此為限；再者，該環牆(321a,321b)可開設有多個該鏤空區(324a,324b)，雖圖本發明圖式顯示為3個鏤空區(324a,324b)，但不依此為限。

關於上述該電極連接元件(30)與該上框架(20a)和該下框架(20b)之各該定位凹槽(210a,210b)，在此說明本發明所述之限位部與定位凹槽形成限位的一實施態樣，該電極連接元件(30)的該限位部(33a,33b)係為自該板體部(31a,31b)的至少一側周緣直向延伸之複數個板翼，如各圖示中所示，雖圖示表示為該板體部(31a,31b)的四周向外直向延伸且周期性排列的矩形板翼，其僅用以使該領域通常技術之人能較容易理解本案的一種實施態樣之表示，但不依此為限；

承上所述，該上框架(20a)與該下框架(20b)為分別遠離各該電芯(11)的一側表面設有定位凹槽(210a,210b)，各該定位凹槽(210a,210b) 則配合該限位部(33a,33b)的結構型態，其分別相符於該對金屬板(30a,30b)的幾何輪廓，以使該板體部(31a,31b)以及該限位部(33a,33b)平置於該定位凹槽(210a,210b)中，從而使各該板翼與該絕緣框架組(20)相互卡合形成限位作用；再者，各該板翼的寬度係略小於對應各該定位凹槽(210a,210b)位置的凹槽寬度；較佳地，其兩者之間的寬度差係小於0.1mm。

承上所述，各該定位貫孔(200a,200b)為鄰近該電極連接元件(30)的孔徑小於各該定位貫孔(200a,200b)為鄰近該電芯(11)的孔徑，而該上框架(20a)與該下框架(20b)分別對應較大孔徑的各該定位貫孔(200a,200b)位置具有一側壁部(201a,201b)，該上框架(20a) 與該下框架(20b)分別對應較小孔徑的各該定位貫孔(200a,200b)具有一遮蔽部(202a,202b)，該側壁部(201a,201b)係分別環圍於各該電芯(11)，該遮蔽部(202a)係蓋覆於各該電芯(11)的該第二電極(13)，較佳地，該遮蔽部(202a)係完整蓋覆於各該電芯(11)的該第二電極(13)的表面。

綜所上述，本發明之鋰電池的過電流保護結構，係透過高功率點焊機將電極連接元件(30)的各電連接部(32)與各該電芯(11)依序焊接；而透過的特殊結構型態，並且組接於特定結構的絕緣框架，能避免習知技藝電極板結構同時直接或間接地接觸電芯的正負極，並大幅降低鋰電池模組的長時間的使用時，隔絕於中間的絕緣材料因為長時間的高低溫變化或震動導致脆化或損毀導致短路發生， 有效地降低鋰電池模組於使用鎳片串並聯後可能造成短路的風險。

上面結合附圖對本發明的實施例進行了描述，但是本發明並不局限於上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和申請專利範圍所保護的範圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬於本發明的保護之內。

10‧‧‧電池單元

11‧‧‧電芯

12‧‧‧第一電極

13‧‧‧第二電極

20‧‧‧絕緣框架

20a‧‧‧上框架

201a‧‧‧側壁部

202a‧‧‧遮蔽部

200a‧‧‧定位貫孔

210a‧‧‧定位凹槽

20b‧‧‧下框架

201b‧‧‧側壁部

202b‧‧‧遮蔽部

200b‧‧‧定位貫孔

210b‧‧‧定位凹槽

30‧‧‧電極連接元件

31‧‧‧板體部

321‧‧‧環牆

322‧‧‧底板

324‧‧‧鏤空區

31a,31b‧‧‧板體部

32a,32b‧‧‧連接部

321a,321b‧‧‧環牆

322a,322b‧‧‧底板

324a,324b‧‧‧鏤空區

33a,33b‧‧‧限位部

80‧‧‧金屬電極片

91‧‧‧絕緣外殼

92‧‧‧正極

93‧‧‧負極

94‧‧‧絕緣板

95‧‧‧隔膜板

96‧‧‧正極接線端

圖1係顯示本發明之具過電流保護結構的鋰電池模組外觀示意圖。 圖2係顯示本發明之具過電流保護結構的鋰電池模組的分解示意圖。 圖3係顯示本發明之具過電流保護結構的鋰電池模組的另一側分解示意圖。 圖4係顯示本發明之鋰電池模組的電極連接元件的上視圖。 圖5係顯示本發明之鋰電池模組的電極連接元件的側視圖。 圖6係顯示本發明之鋰電池模組的過電流保護結構一側局部放大圖。 圖7係顯示本發明之鋰電池模組的過電流保護結構另一側局部放大圖。 圖8係顯示習知圓筒型鋰電池之結構示意圖。 圖9係顯示習知圓筒型鋰電池之電極連接示意圖

Claims (10)

1. 一種鋰電池模組的過電流保護結構，其包括：一電池單元(10)，其包含複數電芯(11)，各該電芯(11)分別具有一第一電極(12)與極性相異於該第一電極(12)之一第二電極(13)；一絕緣框架組(20)，其包含一上框架(20a)與一下框架(20b)，該上框架(20a)與該下框架(20b)係分別設有複數定位貫孔(200a,200b)以套覆各該電芯(11)的兩端；以及一電極連接元件(30)，其係為一對金屬板且分別配置於該上框架(20a)和該下框架(20b)為遠離各該電芯(11)的一側，該對金屬板包含：一板體部(31a,31b)；複數電連接部(32a,32b)，其自該板體部(31a,31b)表面凸伸以分別嵌設各該定位貫孔(200a,200b)並且透過焊料連接該第一電極(12)，各該電連接部(32a,32b)包含自該板體部(31a,31b)表面向外凸伸以嵌設各該定位貫孔(200a,200b)之環牆(321a,321b)、連接該環牆(321a,321b)之底板(322a,322b)、以及自該環牆(321a,321b)開設的開口所形成之鏤空區(324a,324b)；一限位部(33a,33b)，其用於與該絕緣框架組(20)相互組接以限制該電極連接元件(30)的位移。
2. 如請求項1所記載之鋰電池模組的過電流保護結構，其中該第一電極(12)與該第二電極(13)位於該電芯(11)之相同平面。
3. 如請求項1所記載之鋰電池模組的過電流保護結構，其中該對金屬板係分別為相同或相異材質之金屬薄板。
4. 如請求項1所記載之鋰電池模組的過電流保護結構，其中該對金屬板分別為含鎳的金屬薄板。
5. 如請求項1所記載之鋰電池模組的過電流保護結構，其中 該底板(322a,322b)透過該焊料連接該第一電極(12)。
6. 如請求項1所記載之鋰電池模組的過電流保護結構，其中該鏤空區(324a,324b)係自該底板(322a,322b)延伸至該板體部(31a,31b)的表面。
7. 如請求項1所記載之鋰電池模組的過電流保護結構，其中該環牆(321a,321b)開設有多個該鏤空區(324a,324b)。
8. 如請求項1所記載之鋰電池模組的過電流保護結構，其中該對金屬板的該限位部(33a,33b)係為自該板體部(31a,31b)的至少一側周緣直向延伸之複數個板翼，而該上框架(20a)與該下框架(20b)為分別遠離各該電芯(11)的一側表面設有一定位凹槽(210a,210b)，各該定位凹槽(210a,210b)係分別相符於該對金屬板的幾何輪廓，以使該板體部(31a,31b)以及該限位部(33a,33b)平置於該定位凹槽(210a,210b)中，從而使各該板翼與該絕緣框架組(20)相互卡合形成限位作用。
9. 如請求項1所記載之鋰電池模組的過電流保護結構，其中各該定位貫孔(200a,200b)鄰近該電極連接元件(30)的孔徑小於各該定位貫孔(200a,200b)鄰近各該電芯(11)的孔徑，而該上框架(20a)與該下框架(20b)分別對應較大孔徑的各該定位貫孔(200a,200b)之位置具有一側壁部(210b)，該上框架(20a)與該下框架(20b)分別對應較小孔徑的各該定位貫孔(200a,200b)之位置具有一遮蔽部(202b)，該側壁部(210b)係分別環圍於各該電芯(11)，該遮蔽部(202b)蓋覆於各該電芯(11)的該第二電極(13)。
10. 如請求項1所記載之鋰電池模組的過電流保護結構，其中該上框架(20a)與該下框架(20b)的各該定位貫孔(200a,200b)係呈陣列分布、同心圓狀分布或任意分布型態。