CN108220660A - 大电流电池过流保护用合金、大电流电池过流保护件、大电流电池过流保护器及电池单体 - Google Patents

大电流电池过流保护用合金、大电流电池过流保护件、大电流电池过流保护器及电池单体 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种大电流电池过流保护用合金、大电流电池过流保护件、大电流电池过流保护器、电池单体及电池。提供一种大电流电池过流保护用合金，其包括以下质量分数的元素：银89.8～92.9％；铜4～6％；锡3～4％；金0.1～0.2。本发明通过银铜锡金合金制作的大电流电池过流保护件可以实现大电流充放电(20A以上)的安全保护方案，且体积小成本低，制作工艺简单。

Description

大电流电池过流保护用合金、大电流电池过流保护件、大电流 电池过流保护器及电池单体
技术领域
本发明涉及大电流电池过流保护用合金、大电流电池过流保护件、大电流电池过流保护器及大电流电池单体。
背景技术
目前，动力锂电池发展非常迅猛，特别是电动乘用车、电动公交、电动大巴等汽车产业的迅速崛起，使得锂电池大电流充放电的应用越来越多，从而也带来了锂电池的安全隐患。目前市场上对于锂电池单体大电流充放电没有很好的安全防护措施，特别是当单体充放电流达到20A或以上时，如何对电池单体大电流充放电进行保护还没有相关研究报道。较小功率锂电池，比如单体电池最大充放电电流在5A以下的，由于其电流小，功率小，所以其保护方案成熟、稳定，像这种小功率锂电池的保护一般采用加PTC进行保护设计，而且过电流保护装置做到很小的体积，因此再加入保护板后对单体电池的体积大小没有太大影响且方便安装。如果采用市场上常用的熔断丝和玻璃管的保险丝对大电流充放电的单体电池的进行保护，则体积太大且成本也太高，根本不适合生产；如果用保护电路板的方式来实现，如通过检测电流后用MOS管来控制单体电芯充放电回路的通断来保护，由于MOS管无法承受这么大功率的电流，因此需要用多个MOS管进行并联来实现，同时要加很大的散热器，因此这种保护方法体积大且成本高，也不适合实际批量生产应用。因此，对于锂电池单体大电流充放电，目前迫切需要提供一种体积小且成本低的过电流保护方案。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提供一种大电流电池过流保护用合金，其包括以下质量分数的金属元素：银89.8～92.9％；铜4.0～6.0％；锡3.0～4.0％；金0.1～0.2％。
本发明使用的是一种银铜锡金合金，并通过该合金制作大电流电池过流保护件以实现大电流充放电(20A以上)的安全保护方案。
作为一种实施方式，所述大电流电池过流保护用合金，还包括金属镉和/或金属铅。
本发明另一个目的是提供大电流电池过流保护件，采用上述大电流电池过流保护用合金制作而成。
本发明的大电流电池过流保护件可以为任何形状，如带状、薄板状、丝状等，可以根据具体需要进行设计，如制作为常见的熔断丝。通过本发明合金制作的大电流电池过流保护件体积小，成本低，安装方便，易于实现大规模生产和装配。
作为一种实施方式，所述大电流电池过流保护件为丝状，其截面为圆形且截面直径≤0.50mm。
本发明可以通过调配合金中不同金属元素的含量，实现不同电流的保护，即可以设计出不同电流规格的大电流电池过流保护件。作为一种实施方式，本发明的大电流电池过流保护件设计规格包括20A、25A、35A、30A、40A、50A及60中至少一种的单体保护件。当要求的保护电流为120A时，可以采用两个60A的器件并联。作为另一种实施方式，所述大电流电池过流保护件的熔断电流为30A、40A及50A中至少一种。
作为一种实施方式，所述熔断电流为30A的大电流电池过流保护件，其采用的合金包括以下质量分数的金属元素：
银 89.8～90.5％％；
铜 5.0～6.0％；
锡 3.0～4.0％；
金 0.2～0.5％；
镉 0.1～0.2％；
铅 ≤0.1％
作为一种实施方式，所述熔断电流为40A的大电流电池过流保护件，其采用的合金包括以下质量分数的金属元素：
银 90.5～91.5％；
铜 4.0～5.0％；
锡 3.0～4.0％；
金 0.2～0.5％；
镉 0.1～0.2％；
铅 ≤0.1％。
作为一种实施方式，所述熔断电流为50A的大电流电池过流保护件，其采用的合金包括以下质量分数的金属元素：
银 91.5～92.5％；
铜 4.0～4.5％；
锡 3～3.5％；
金 0.2～0.5％；
镉 0.1～0.2％；
铅 ≤0.1％。
本发明研发的大电流电池过流保护件可有效防止电池大电流异常情况下导致的过热、燃烧和***，特别是锂电池。当单体电芯出现某种异常时,如外部放电回路或充电回路大于额定工作电流时或是出现滥用状况如短路现象时，通过本发明的大电流电池过流保护件可以实现电芯的安全保护，防止电芯因大电流充放电导致电池出现过热从而引发燃烧甚至***的安全问题。
通过使用本发明的合金可以实现电池单体尤其是锂离子电芯充放电电流范围在20A～120A的过流保护。作为一种实施方式，所述大电流电池过流保护件的熔断电流为20A～60A。根据不同的工作电流选配不同的防护等级，如需要最大充放电电流为20A时，则一旦大于20A的电流就开始保护；如果用户需要最大放电电流为30A，则一旦大于30A的电流就开始保护。如此类推，本发明最大可以做到120A的单体电芯的充放电保护。另外，根据用户不同的需要进行不同的保护设计应用，如对于大于120A的保护，可以采用两个60A保护件并联的方式进行保护。虽然120A的保护也可以采用四个30A的保护件来实现，但是成本比两个60A保护件并联的方式进行保护高，同时生产过程比较费时，也会降低稳定性，因为元器件越多，稳定性就会降低。因此，本发明优选在电流小于60A时，采用单个保护件进行保护，在大于60A以上时才采用多个保护件并联的方式进行保护。
作为一种实施方式，所述大电流电池过流保护件的熔断时间为0～40秒。作为另一种实施方式，所述大电流电池过流保护件的熔断时间为0～20秒。作为另一种实施方式，所述大电流电池过流保护件的熔断时间为0～10秒。熔断时间与其过流大小有关，过流越多，熔断时间就越快。本发明对大电流电池过流保护件的结构和尺寸不作限制，只要采用本发明的合金制作的保护件，其熔断时间为0～40秒均在本发明的保护范围。大电流电池过流保护件的具体设计，可以参考本发明附图3所示的不同电流规格保护件、熔断时间及通过电流的曲线图，熔断原理为：根据P＝i*i*r的原理，当电流大于设计电流，则发热功率P大于所能承受的能力，于是过流保护件进行保护并熔断。对于同样尺寸和结构的不同电流规格的大电流电池过流保护件，其熔断时间与通过的电流存在的关系如图3所示。(图3用于测试的不同电流规格的大电流电池过流保护件的形状相同且均为丝状，其截面直径为0.30mm。)如制作为20A规格的保护件，当其通过的电流为100A时，其熔断的时间接近0.15秒。作为一种实施方式，所述大电流电池过流保护件的截面为圆形，其截面积直径小于等于0.50mm。作为一种实施方式，当保护的电流为30A时，所述熔断保护件设计为丝状，其截面直径设计为0.10～0.50mm即可满足熔断时间的需求，体积非常小。作为另一种实施方式，所述大电流电池过流保护件的截面为圆形，其截面积直径为0.10～0.30毫米。作为一种实施方式，本发明不同电流规格保护件、熔断时间及通过电流的曲线图本发明的电池过流保护件由于体积小、制作方法且成本低非常适用于单体电池，尤其是锂离子单体大功率电池的使用。
本发明另一个目的是提供一种大电流电池过流保护器，包括上述大电流电池过流保护件。本发明大电流电池过流保护器可以采用任何现有保护器结构，只需要将保护件换为本发明的铜锡金合金制作而成即可。本发明大电流电池过流保护器优选设计成表面贴装器件(SMD)贴片封装的方式，因为其体积小，有利于和电芯的安装和生产。如外壳采用陶瓷材料，可耐高温(1500～1800摄氏度)，可以很好的承受大电流甚至120A的电流的过流保护模块；且强度好，同时绝缘等级高，可承受10000～20000V高压。
本发明另一个目的是提供一种电池单体，采用上述的大电流电池过流保护件。由于本发明大电流电池过流保护件的体积小，因此安装非常方便。作为一种实施方式，大电流电池过流保护件与电芯正极的极耳或负极的极耳串联。作为一种实施方式，大电流电池过流保护件通过SMD的方式制作为电池过流保护器嵌入单体电池中，串联可以选择焊接等常用方式。如通过与正极的极耳串联。本发明实现了将保护件与大功率锂电池电芯的成功嵌入，实现对每一片的锂电电芯的保护。
本发明另一个目的是提供一种锂电池，包括上述的电池单体。
附图说明
图1本发明实施例1大电流电池过流保护器的俯视图；
图2本发明实施例1大电流电池过流保护器除去铜帽的截面结构示意图；
图3本发明不同电流规格保护件、熔断时间及通过电流的曲线图。
图中，1-陶瓷外壳；2-陶瓷片；3-铜帽；4-电池过流保护件。
具体实施方式
以下的具体实施例对本发明进行了详细的描述，然而本发明并不限制于以下实施例。
实施例1
本发明30A规格的大电流电池过流保护件4制作的大电流电池过流保护器，形状为长方体，体积约为42mm3，其中陶瓷外壳截面如图2所示类似U型，其U型开口部分通过陶瓷片2将大电流电池过流保护件4盖合并封装于陶瓷外壳，使制作过程更简单方便。所述30A规格的大电流电池过流保护件4由合金制作而成，其包括以下质量分数的金属元素银90.0％；铜5.6％；锡4.0％；金0.2％；镉0.1％；铅0.1％。所述大电流电池过流保护件截面为矩形薄片，厚度约为0.37毫米，截面积为0.30mm2，体积非常小。当100A的电流通过大电流电池过流保护器时，熔断时间约为0.90s左右；当200A的电流通过大电流电池过流保护器时，熔断时间约为0.04s左右；当1000A的电流通过大电流电池过流保护器时，熔断时间约为0s。
实施例2
本发明30A规格的大电流电池过流保护件4制作的大电流电池过流保护器，形状为长方体，体积约为42mm3，其中陶瓷外壳截面如图2所示类似U型，其U型开口部分通过陶瓷片2将大电流电池过流保护件4盖合并封装于陶瓷外壳，使制作过程更简单方便。所述30A规格的大电流电池过流保护件4由合金制作而成，其包括以下质量分数的金属元素银89.8％；铜5.4％；锡4.0％；金0.5％；镉0.2％；铅0.1％。所述大电流电池过流保护件截面为矩形薄片，厚度约为0.37毫米，截面积为0.30mm2，体积非常小。当100A的电流通过大电流电池过流保护器时，熔断时间约为0.90s左右；当200A的电流通过大电流电池过流保护器时，熔断时间约为0.04s左右；当1000A的电流通过大电流电池过流保护器时，熔断时间约为0s。
实施例3
同实施例1，不同的是，电池过流保护件截面为圆形，直径约为0.60毫米。当100A的电流通过大电流电池过流保护器时，熔断时间约为1.50s左右；当200A的电流通过大电流电池过流保护器时，熔断时间约为0.09s左右；当1000A的电流通过大电流电池过流保护器时，熔断时间约为0s。
实施例4
本发明40A规格的电池过流保护件4制作的电池过流保护器，形状为长方体，体积约为42mm3，其中陶瓷外壳截面如图2所示类似U型，其U型开口部分通过陶瓷片2将电池过流保护件4盖合并封装于陶瓷外壳，使制作过程更简单方便。所述40A规格的电池过流保护件4由合金制作而成，其包括以下质量分数的金属元素银91.5％；铜4.1％；锡4.0％；金0.2％；镉0.1％；铅0.1％。所述电池过流保护件截面为矩形薄片，厚度约为0.37毫米，截面积为0.30mm2，体积非常小。当100A的电流通过电池过流保护器时，熔断时间约为2.50s；当200A的电流通过电池过流保护器时，熔断时间约为0.15s；当1000A的电流通过电池过流保护器时，熔断时间约为0s。
实施例5
本发明40A规格的电池过流保护件4制作的电池过流保护器，形状为长方体，体积约为42mm3，其中陶瓷外壳截面如图2所示类似U型，其U型开口部分通过陶瓷片2将电池过流保护件4盖合并封装于陶瓷外壳，使制作过程更简单方便。所述40A规格的电池过流保护件4由合金制作而成，其包括以下质量分数的金属元素银90.5％；铜5.0％；锡4.0％；金0.2％；镉0.2％；铅0.1％。所述电池过流保护件截面为矩形薄片，厚度约为0.37毫米，截面积为0.60mm2，体积非常小。当100A的电流通过电池过流保护器时，熔断时间约为5.00s；当200A的电流通过电池过流保护器时，熔断时间约为0.35s；当1000A的电流通过电池过流保护器时，熔断时间约为0s。
实施例6
同实施例4，不同的是，电池过流保护件截面为圆形，直径约为0.30毫米。当100A的电流通过电池过流保护器时，熔断时间约为2.50s；当200A的电流通过电池过流保护器时，熔断时间约为0.15s；当1000A的电流通过电池过流保护器时，熔断时间约为0s。
实施例7
本发明50A规格的电池过流保护件4制作的电池过流保护器，形状为长方体，体积约为42mm3，其中陶瓷外壳截面如图2所示类似U型，其U型开口部分通过陶瓷片2将电池过流保护件4盖合并封装于陶瓷外壳，使制作过程更简单方便。所述50A规格的电池过流保护件4由合金制作而成，其包括以下质量分数的金属元素银92.5％；铜4.1％；锡3.0％；金0.2％；镉0.1％；铅0.1％。所述电池过流保护件截面为矩形薄片，厚度约为0.37毫米，截面积为0.30mm2，体积非常小。当100A的电流通过电池过流保护器时，熔断时间约为5.00s；当200A的电流通过电池过流保护器时，熔断时间约为0.25s；当1000A的电流通过电池过流保护器时，熔断时间约为0s。
实施例8
同实施例7，不同的是，电池过流保护件截面为圆形，直径约为0.60毫米。当100A的电流通过电池过流保护器时，熔断时间约为1.00s；当200A的电流通过电池过流保护器时，熔断时间约为0.12s；当1000A的电流通过电池过流保护器时，熔断时间约为0s。

Claims (15)

1.一种大电流电池过流保护用合金，其包括以下质量分数的金属元素：
2.如权利要求1所述的大电流电池过流保护用合金，还包括金属镉和/或金属铅。
3.一种大电流电池过流保护件，采用如权利要求1所述的大电流电池过流保护用合金制作而成。
4.如权利要求3所述的一种大电流电池过流保护件，其特征在于：所述大电流电池过流保护件为带状、薄板状及丝状中任意一种。
5.如权利要求4所述的一种大电流电池过流保护件，其特征在于：所述大电流电池过流保护件为丝状，其截面为圆形且截面直径≤0.50mm。
6.如权利要求4所述的一种大电流电池过流保护件，其特征在于：所述大电流电池过流保护件的截面积≤0.80mm2。
7.如权利要求3所述的一种大电流电池过流保护件，其特征在于：所述大电流电池过流保护件的熔断电流为20A～60A。
8.如权利要求7所述的一种大电流电池过流保护件，其特征在于：所述大电流电池过流保护件的熔断电流为20A、25A、35A、30A、40A、50A及60中至少一种。
9.如权利要求8所述的一种大电流电池过流保护件，其特征在于：所述大电流电池过流保护件的熔断电流为30A、40A及50A中至少一种。
10.如权利要求8所述的一种大电流电池过流保护件，其特征在于：所述熔断电流为30A的大电流电池过流保护件，其采用的合金包括以下质量分数的金属元素：
11.如权利要求8所述的一种大电流电池过流保护件，其特征在于：所述熔断电流为40A的大电流电池过流保护件，其采用的合金包括以下质量分数的金属元素：
12.如权利要求8所述的一种大电流电池过流保护件，其特征在于：所述熔断电流为50A的大电流电池过流保护件，其采用的合金包括以下质量分数的金属元素：
13.如权利要求3所述的一种大电流电池过流保护件，其特征在于：所述大电流电池过流保护件在熔断电流下的熔断时间为0～40秒。
14.一种大电流电池过流保护器，采用如权利要求3所述的大电流电池过流保护件。
15.一种电池单体，采用如权利3所述的大电流电池过流保护件。
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