CN101171704B - 二次电池的保护电路以及包含该保护电路的二次电池 - Google Patents
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Abstract
揭露一种二次电池保护电路及使用其的二次电池，当二次电池因过度充电而温度上升时，保护电路及使用其同的二次电池是能中断电流输入至二次电池，并且在已充电的二次电池由于二次电池外部或内部温度上升而使其暴露在高温的状况下时，也能保护二次电池。保护电路包括：具有末端连接至二次电池的第一电极的手段，用以电流限制；连接二次电池的第二电极至第一外部电极或至电流限制装置以回应温度的开关装置，以及连接二次电池的第一电极至第二外部电极的导线。
Description
技术领域
本发明关于一种二次电池，尤指一种对二次电池的保护电路及具有该保护电路的二次电池，甚至在二次电池暴露于高温之下时，保护电路也能保护二次电池，且也能防止由于过度充电而导致的二次电池的温度上升。
背景技术
近来，当二次电池的应用领域扩展至便携式终端、可携式摄像机、笔记型电脑、混合动力车(HEV)、及电动车(EV)的能量源时，二次电池的研究和发展逐渐加速。
在目前可取得的二次电池中，早在1990年就发展且成为众人注目中心的锂离子二次电池是具有如下优点，即，具有大大高于传统电池的操作电压及能量密度，这些传统电池包括有镍氢电池、镍镉电池、及硫酸铅电池等等。
大体上来说，当二次电池，如：锂离子电池，被过度充电至高于预定电压时，阳极活性材料和电解液所发生的副反应增加了。在较差的情况下，可能发生阳极活性材料的结构崩溃和电解液氧化等等。因此，锂也可能从负极活性材料沉淀。从这个状况，如果电压进一步地增加，二次电池可能***或燃烧。
进一步地，当锂离子二次电池暴露于比期望温度还高的高温时，阳极活性材料不稳定地被活化且快速地与电解液反应，以至于二次电池膨胀。在一些情况下，锂离子电池可能***或燃烧。
由于暴露于高温之中而导致的二次电池***和燃烧的机率根据二次电池的充电状态而变化。更具体地，在二次电池充电期间，因为二次电池的能量密度增加，且电极活性材料不稳定性加深，因而充电比增加得越高，***或燃烧的机率就越大。
为了解决这样的问题，根据现有技术，被称作正温度系数电阻(PTC电阻)的有源元件是串联连接至两个电极，其内部电阻根据二次电池因过度充电而增加的温度而提高，以便中断将被输入的电流并防止过度充电。
然而，因为PTC电阻只有在二次电池因过度充电而温度提高时才中断将被输入到二次电池的电流，因此其中有个问题，即，当已充电的二次电池暴露于高温时无法保护二次电池。
发明内容、
因此，本发明为解决上述所提及的背景技术问题，本发明的目的是提供一种二次电池保护电路及使用该保护电路的二次电池，在二次电池因过度充电而温度增加时，其能中断电流流进二次电池，而且也能在已充电的二次电池由于二次电池内部或外部温度增加而暴露于高温的情况中保护二次电池。
为达成上述目的，本发明提供一种二次电池保护电路，包括：限制用电流手段，其具有末端连接至该二次电池的第一电极；开关装置，其连接二次电池的第二电极至第一外部电极，或至电流限制装置以回应温度；以及导线，其连接二次电池的第一电极至第二外部电极。
开关装置包括双金属以在高温时执行预定的开关操作。
限制电流的手段是经由导体连接至二次电池的第一个电极，导体是形成于二次电池的第一电极上，且包括其电阻值是大到足够避免双金属崩溃，并小到足够使电流从二次电池安全地流出的电阻。
根据本发明，其是提供一种二次电池保护电路，包括：限制电用流手段，其是连接于二次电池的第一电极及第一外部电极之间，以；开关装置，其是用以连接二次电池的第二电极至第二外部电极，或至第一外部电极，以回应温度。
在上述根据本发明的保护电路中，双金属是串联连接至二次电池的阳极电极(+)和室温中的外部阳极电极(+)，以便允许电流流动。当温度增加时，原本连接外部阳极电极(+)的双金属是连接至外部阴极电极(-)并且二次电池的阴极是不连接于阳极电极，以便中断来自于外部电极的电流流入。此外，双金属如此而感应出电荷。因此，本发明中断施加于二次电池上的电流，以便防止在二次电池过度充电期间的温度增加时，及二次电池外部或内部温度增加时，二次电池的温度增加。
同时，为了防止二次电池由于电流流动于双金属中而导致的热放电所引起的不稳定，用以限制电流流动的电阻是连接于双金属的端，且调整出的电流量，以便减少由双金属和二次电池产生的热量。此处，电阻可直接连接至双金属，或者经由导线连接。
根据本发明的一个方面，涉及一种二次电池的保护电路，包括：
用于限制电流的装置，其具有连接至该二次电池的第一电极的一端；
开关装置，其用以将该二次电池的第二电极连接至第一外部电极，或响应于温度而将该二次电池的第二电极连接至电流限制装置；以及
导线，其连接该二次电池的该第一电极至第二外部电极，
其中该开关装置包括双金属，用以在高温下执行期望的开关操作，
该电流限制装置包括电阻，该电阻具有如下电阻值，该电阻值大到足以避免双金属崩溃，且该电阻值小到足以从该二次电池安全地释放电流，所述电阻具有1Ω～25Ω的电阻值。
根据本发明的另外一个方面，涉及一种二次电池的保护电路，包括：
用于限制电流的装置，其连接在该二次电池的第一电极及第一外部电极之间；以及
开关装置，其用以将该二次电池的第二电极连接至第二外部电极，或响应于温度将该二次电池的第二电极连接至该第一外部电极，
其中该开关装置包括双金属，用以在高温下执行期望的开关操作，
该电流限制装置包括电阻，该电阻具有如下电阻值，该电阻值大到足以避免双金属崩溃，且该电阻值小到足以从该二次电池安全地释放电流，所述电阻具有1Ω～25Ω的电阻值。
根据本发明的另外一个方面，涉及一种二次电池，其包括如上所述的保护电路。
附图说明
图1是根据本发明第一实施例说明二次电池的保护电路的电路图。
图2是根据本发明第二实施例说明二次电池的保护电路的电路图。
图3是根据本发明第三实施例的实验曲线图。
图4是根据本发明第三实施例显示经实验后所观察到的二次电池和双金属的照片。
图5显示了第一比较实例的实验曲线图。
图6说明利用第一比较实例的方法完成实验后所观察到的二次电池的照片。
图7显示第二比较实例的实验曲线图。
图8说明利用第二比较实例的方法完成实验后所观察到的二次电池和双金属的照片。
图9显示根据本发明第四实施例的实验曲线图。
图10说明以本发明的第四实施例的方法实验后所观察到的二次电池和双金属的照片。
图11显示根据本发明第五实施例的实验曲线图。
图12说明以本发明的第五实施例的方法实验后所观察到的二次电池和双金属的照片。
具体实施方式
在此将参照附加图示以描述本发明的较佳实施例。已知元件及其结构的描述将省略。
本发明利用双金属拥有的依温度变化而弯曲的特性，在二次电池牌暴露高温中时，中断输入至二次电池的电流。各种各样的材料被使用于双金属，包括具有低延展性的镍铁合金，和具有高延展性的铜锌合金、镍锰铁合金、镍钼铁合金，锰镍铜合金。最简单的双金属是在低温时为水平的，而在高温时朝镍铁合金弯曲。低温时电流流过双金属，但因为金属未连接至接触点上，因此在高温时电流不能流过。
根据本发明的实施例，双金属的三个端点分别连到二次电池的阳极电极(+)、外部阳极电极(+)、和外部阴极电极(-)。双金属在室温下连接二次电池的阳极电极(+)至外部阳极电极(+)，而在高温时，连接二次电池的阳极电极(+)至外部阴极电极(-)。在此，二次电池阴极电极(-)和外部阴极电极(-)是相互连接的。
如上述，在二次电池温度升高时，随着连接至外部阳极电极(+)的双金属被连接至与二次电池阳极电极(+)相连接的外部阴极电极(-)时，二次电池阳极电极(+)经由双金属连接到外部阴极电极(-)。因此，二次电池的阳极电极通过双金属从二次电池的阴极电极断开，以便中断来自于外部电极的电流输入，且经由双金属导致放电，因此而稳定地维持二次电池。
如上述，在由于二次电池过度充电或是由于外部或内部影响而导致二次电池温度提高时，通过运用响应于二次电池温度而执行期望的切换操作的双金属，本发明中断了供应至二次电池的电流，并使得二次电池放电，因此而稳定地维持二次电池。
然而，在双金属直接连接至二次电池而同时产生短路时，自二次电池放电的电流快速流至双金属，以至于由双金属产生的大量的热与电流平方成比例。热可以导致双金属崩溃，或是破坏机械地支持双金属的物理支持物。更进一步地，当双金属操作于高于大约60℃的高温时，二次电池本身可能快速地放电并且产生热，而使二次电池变得更不稳定。
当双金属导致外部短路时，为了调整二次电池和双金属所产生的大量的热，电阻连接在双金属和二次电池之间。电阻调整放电的电流量以便减少热量。例如，当双金属具有10mΩ的电阻，在现今的锂离子二次电池在完全充电之前，其在电压4.2V处流动的最大电流是420Ah。因此，如果双金属的电阻是一致的，则具有1Ω电阻的外部电阻被连接至双金属，以便将电流减少至4.2A，并可使热量明显地减少。
如上述，根据本发明被提供至二次电池保护电路的电阻具有如下的值，其大到足以防止双金属的崩溃，并小到足以充分且安全地使电流自二次电池释放。根据本发明，电阻拥有的电阻值是在1Ω～25Ω。尤其，在电阻小于1Ω时，电阻太小而无法调整双金属所产生的热量，大量的热从双金属产生。在电阻大于25Ω时，电阻本身产生大量的热，因此导致二次电池变得不稳定。
之后，本发明的实施例将参照各式比较实例以详细描述。
第一实施例：三端双金属和电阻的连接
图1是根据本发明第一实施例说明二次电池保护电路的电路图。
二次电池的保护电路包括双金属BM1和电阻R1。双金属BM1三端的其中一端连接至二次电池V1的阳极电极(+)，另一端连接至外部阳极电极(+)(未显示)，而剩余的端连接至电阻R1的一端。电阻R1的另一端连接至二次电池的阴极电极(-)。此外，二次电池和外部阴极电极(-)相互连接。在此处，电阻R1可直接地连接至双金属BM1，或是通过导线连接至双金属BM1。
之后，将描述具有上述结构的二次电池保护电路的操作。
在室温下，双金属BM1将二次电池的阳极电极(+)连接至外部阳极电极(+)，而在高温时，其通过电阻R1将二次电池的阳极电极(+)连接至外部阴极(-)。在高温下，二次电池V1短路，以使得来自外部电极的电流供应中断，而且，电流经由双金属BM1和电阻R1放电。
第二实施例：双金属、导线和电阻的连接
图2是说明根据本发明第二实施例的二次电池保护电路的电路图。
二次电池的保护电路包括有双金属BM2和电阻R2。双金属三端点的其中一个端点连接至二次电池V2的阳极电极(+)，另一端连接外部阳极电极(+)(未显示)，剩下的端点经由导线连接至电阻R2一端和外部阴极电极(-)。电阻的另一端连接至二次电池V2的阴极电极(-)。
除了电阻R2连接在二次电池V2的阴极电极(-)和外部阴极电极(-)之间之外，第二实施例与第一实施例相同。
第三实施例：双金属、导体和电阻的连接
浆液是通过混合作为阳极活性材料的LiCoO2、传导剂、粘合剂所做成的，然后再包覆铝箔，由此制成阳极电极。阴极电极的制造是以如下方式做成的，即，混合基于碳的阴极活性材料、传导剂、粘合剂做成浆液，然后再包覆铜箔。在上述制造的两个电极之间***由聚乙烯树脂和聚丙烯树脂组成的分隔膜，然后卷绕电极并将其插进金属容器制成的护套以便完成矩形的二次电池。这里，基于电解液的EC/PC被用于具有800mAh容量的矩形二次电池。
如上所描述地建构的二次电池的阳极电极与双金属的两端串联，以在双金属工作温度之下提供电流，而在超过双金属工作温度时提供电流的双金属剩余端连接至1Ω电阻的一端，该1Ω电阻的另一端连接至阴极电极，如此形成了二次电池的保护电路。
在充电至4.4Ah之后，二次电池被***烤箱中，然后以5℃/min的速度加热至150℃，接下来保持150℃一个小时。然后，通过测量二次电池温度的改变和检测是否发生***及/或燃烧以检查二次电池的安全性。
图3是说明实验结果的曲线图，而图4显示了在实验后观察到的二次电池及双金属照片。
如图4中所示，没有发生二次电池的***和燃烧，且也没有发生双金属崩溃。
比较实例1
准备并用与第三实施例相同的方式检查除了未使用双金属和电阻之外，其他皆与第三实施例的二次电池相同的二次电池。结果是显示在图5、和图6。请参照图5、及图6，二次电池暴露在高温下。
比较实例2
准备并用与第三实施例相同的方式检查除了未使用电阻之外，其他皆与第三实施例的二次电池相同的二次电池。结果显示在图7、和图7。请参照图7、和图8，发生了二次电池***和双金属崩溃。
第四实施例
准备并用与第三实施例相同的方式检查除了使用2Ω的电阻之外，其他皆与第三实施例的二次电池相同的二次电池。结果显示在图9、和图10。请参照图9、和图10，并未发生二次电池的***和燃烧以及双金属崩溃。
第五实施例
准备并用与第三实施例相同的方式检查除了使用5Ω的电阻之外，其他皆与第三实施例的二次电池相同的二次电池。结果显示在图11、和图12。请参照图11和图12，并未发生二次电池***和燃烧及双金属崩溃。
工业实用性
为防止电池在过度充电期间温度上升，本发明运用元件以响应于温度而执行预定的切换动作，取代了传统的正温度系数电阻(PTC)技术。在高温时，本发明中断了施加于二次电池的外部电极的电流，且也允许二次电池放电，因此改善了二次电池的安全性。
上述实施例仅是为了方便说明而举例而已，本发明所主张的权利范围自应以权利要求范围所述为准，而非仅限于上述实施例。
Claims (6)
1.一种二次电池的保护电路，包括：
用于限制电流的装置，其具有连接至该二次电池的第一电极的一端；
开关装置，其用以将该二次电池的第二电极连接至第一外部电极，或响应于温度而将该二次电池的第二电极连接至电流限制装置；以及
导线，其连接该二次电池的该第一电极至第二外部电极，
其中该开关装置包括双金属，用以在高温下执行期望的开关操作，
该电流限制装置包括电阻，该电阻具有如下电阻值，该电阻值大到足以避免双金属崩溃，且该电阻值小到足以从该二次电池安全地释放电流，所述电阻具有1Ω～25Ω的电阻值。
2.如权利要求1所述的二次电池的保护电路，其中该电流限制装置通过导体连接至该二次电池的该第一电极，该导体形成于该二次电池的该第一电极之上。
3.如权利要求1所述的二次电池的保护电路，其中该电流限制装置直接连接到该开关装置或是通过该导线连接到该开关装置。
4.一种二次电池的保护电路，包括：
用于限制电流的装置，其连接在该二次电池的第一电极及第一外部电极之间；以及
开关装置，其用以将该二次电池的第二电极连接至第二外部电极，或响应于温度将该二次电池的第二电极连接至该第一外部电极，
其中该开关装置包括双金属，用以在高温下执行期望的开关操作，
该电流限制装置包括电阻，该电阻具有如下电阻值，该电阻值大到足以避免双金属崩溃，且该电阻值小到足以从该二次电池安全地释放电流，所述电阻具有1Ω～25Ω的电阻值。
5.如权利要求4所述的二次电池的保护电路，其中该电流限制装置通过导体连接至该二次电池的该第一电极，该导体形成于该二次电池的该第一电极之上。
6.一种二次电池，其包括权利要求1至5项中任何一项所述的保护电路。
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