TW201916088A - 保護元件及其電池組 - Google Patents

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Abstract

本發明提出一種保護元件及其電池組，保護元件包括：絕緣基板；多個端電極，配置在絕緣基板上，包含第一端電極與第二端電極；導體，該導體的兩端分別經由連接材料電氣連接該第一端電極與該第二端電極，以在該第一端電極與該第二端電極之間形成第一雙向的電流路徑；以及一個或多個截斷元件，當連接材料被熔融或被液化時，該截斷元件將該第一雙向的電流路徑斷開。

Description

保護元件及其電池組
本發明是有關於一種保護元件及其電池組，且特別是有關於一種具備過電流或過電壓或過溫度保護功能的保護元件及其可承受高充放電電流的電池組。
先前的保護元件，其端電極大都配置於基板上，且將可熔導體配置在端電極上，未來應用於馬達相關的瞬間工作電流或額定電流都相當的高，甚至高於40A或60A，設置於基板上的可熔導體的體積，因為工作電流或額定電流的原因而變大，特別是在可熔導體的厚度增厚。當可熔導體被熔斷的瞬間，所產生的電弧、高熱或高壓，可能造成端電極與基板被熔融或斷裂。另，可熔導體若要能承受40A或60A以上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。現有的保護元件，可熔導體的截面積因額定電流變大而必須加大，當可熔導體被熔斷的瞬間，被熔融的可熔導體四處飛濺，造成可熔導體被熔斷後絕緣電阻不夠高或不足的情況。
先前技術的保護元件，大都藉由可熔導體的熔斷，來斷開保護元件第一電極與第二電極之間的電流路徑，但因保護元件的工作電流或額定電流不斷地提升，進而促使可熔導體的體積也不斷地增大或厚度的增加，最後終會造成可熔導體的熔斷時間太長而無法滿足市場的需求或各國的安規的要求。
為了解決上述的問題，本發明不使用熔斷可熔導體的方式，來斷開保護元件第一電極與第二電極之間的電流路徑，而是藉由截斷元件來加速斷開保護元件第一電極與第二電極之間的電流路徑，並確保第一電極與第二電極之間的電流路徑斷開後，保護元件的絕緣電阻在安全範圍內。
為了解決上述的問題，本發明提出一種保護元件及其電池組。保護元件包括：絕緣基板；多個端電極，配置在絕緣基板上，包含第一端電極與第二端電極；導體，該導體的兩端分別經由連接材料電氣連接該第一端電極與該第二端電極，以在該第一端電極與該第二端電極之間形成第一雙向的電流路徑；以及一個或多個截斷元件，當連接材料被熔融或被液化時，該截斷元件將該第一雙向的電流路徑斷開。截斷元件包含熱膨脹元件(材料)、彈性元件(材料)、熱變形元件(材料)、收縮元件(材料)、熱縮元件(材料)、記憶元件(材料)、磁性元件(材料)等七者中的任一者或其中部分的組合。導體在保護元件動作保護的過程或過電流時，不會熔斷。本發明的保護元件適用於額定電流值大於40A之電路保護，最佳的是適用於額定電流值大於60A之電路保護。
本發明提出一種電池組，包括：至少一電池元件；充放 電控制電路；上述的保護元件，其中該保護元件串聯連接在該至少一電池元件與該充放電控制電路之間以形成至少一充放電電流路徑，並且具有斷開該充放電電流路徑的能力；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輸出信號給該充放電控制電路，其中該充放電控制電路依據該信號控制該充放電電流路徑上的充電電流或放電電流的開啟與關閉。
本發明提出一種電池組，包括：至少一電池元件；上述的保護元件，其中該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，並且具有斷開該充放電電流路徑的能力；開關電路，用於控制通過該熱產生組件的電流；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、888d、888d1‧‧‧保護元件
1‧‧‧充電裝置或電子裝置
2‧‧‧充放電控制電路
4‧‧‧電池元件組
5‧‧‧偵測控制電路
6‧‧‧開關電路
7‧‧‧熱產生組件
7a、7b‧‧‧發熱體電極
7c、7c1、7c2‧‧‧發熱體
7x‧‧‧引出電極
8‧‧‧導體
9(1)‧‧‧連接材料或第一連接材料
9(2)‧‧‧連接材料或第二連接材料
9(3)‧‧‧連接材料或第一連接材料
10‧‧‧絕緣基板
10-1‧‧‧第一絕緣基板
10-2‧‧‧第二絕緣基板
10a‧‧‧絕緣基板的上表面
10b‧‧‧絕緣基板的下表面
11‧‧‧端電極或第一端電極
21‧‧‧端電極或第二端電極
31‧‧‧端電極或第三端電極
11a、21a‧‧‧引出外部電極
14‧‧‧外殼
14x‧‧‧連接部
18‧‧‧導電層
588‧‧‧電池組
19‧‧‧截斷元件或熱膨脹元件或彈性元件或熱變形元件
Ic、Id‧‧‧輸出入電流或第一雙向電流路徑
圖1為本發明之一種保護元件888的剖面示意圖。
圖2為本發明之一種保護元件888的剖面示意圖。
圖3為本發明之一種保護元件888的剖面示意圖。
圖4為保護元件888動作後的剖面示意圖。
圖5為本發明之一種保護元件888a的剖面示意圖。
圖6為本發明之一種保護元件888a的剖面示意圖。
圖7為保護元件888a動作後的剖面示意圖。
圖8為保護元件888a動作後的剖面示意圖。
圖9為本發明之一種保護元件888的剖面示意圖。
圖10為本發明之一種保護元件888的剖面示意圖。
圖11為本發明之一種保護元件888的剖面示意圖。
圖12為本發明之一種保護元件888的剖面示意圖。
圖13為本發明之一種保護元件888b的剖面示意圖。
圖14為本發明之一種保護元件888c的俯視示意圖。
圖15為本發明之一種保護元件888c的剖面示意圖。
圖16為本發明之一種保護元件888c的剖面示意圖。
圖17為本發明之一種保護元件888d的剖面示意圖。
圖18為本發明之一種保護元件888d1的剖面示意圖。
圖19為本發明之一種保護元件的等效電路圖。
圖20為本發明之一種保護元件的等效電路圖。
圖21為本發明之一種保護元件的等效電路圖。
圖22為熱膨脹元件相關參數的關係圖。
圖23為本發明之一種電池組588的電路構成的例圖。
圖24為本發明之一種保護元件888d的剖面示意圖。
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形態的保護元件，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。實施方式說明如下：
【第一實施例之保護元件888】
圖1、圖2以及圖3繪示為本發明之第一實施例的保護元件888的剖面示意圖。圖19繪示為保護元件888的等效電路圖。請同時參考圖1、圖2、圖3以及圖19。本實施例的保護元件888包括：絕緣基板10；多個端電極，包含第一端電極11與第二端電極21，配置在絕緣基板10上；導體8，導體8的兩端分別經由連接材料〔9(1)、9(2)〕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之間形成第一雙向(Ic、Id)的電流路徑；以及一個(請參考圖1)或多個截斷元件19(請參考圖2)。截斷元件19，配置在第一端電極11與第二端電極21之間，或者是，配置於該導體8任一表面的上方或下方或左方或右方或前方或後方。截斷元件19的功用為：當連接材料9(1)、9(2)被熔融或液化時，截斷元件19開始將導體8推離開第一端電極11或第二端電極21或第一端電極11、第二端電極21，因此，斷開第一端電極11與第二端電極21之間的第一雙向電流路徑(請參考圖4)。
【絕緣基板10】
詳細來說，絕緣基板10是可以是單層結構或多層的結構。絕緣基板10的材料種類可包含有機系基板或玻纖環氧基板(如：FR4或FR5)或無機系基板或陶瓷基板等，較佳的是陶瓷基板或低溫共燒陶瓷(LTCC)基板，基板的材料包括無機陶瓷材料、低 溫共燒陶瓷(LTCC)、玻璃陶瓷、玻璃粉、玻纖、環氧樹酯、氧化鋁、氮化鋁、氧化鋯、氮化矽、氮化硼、硼矽酸鈣、鹼石灰、鋁矽酸鹽、鉛硼矽酸以及有機黏結劑等其中之一或其部分組合之合成物或複合物。低溫共燒陶瓷(LTCC)基板是將多層的絕緣基板堆疊後，進行鍛燒或與絕緣基板內的其他構件共燒。
【多個端電極】
上述第一端電極11、第二端電極21，可分別以銅(Cu)或銀(Ag)為主材料，用印刷的方式(或以其他積層的方式)將電極的圖案印刷在絕緣基板10上。除此之外，該些端電極(即第一端電極11、第二端電極21)並非一定要以印刷製程所製成，也可以業界熟知的其他製程(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該些端電極的厚度與密度，以降低該些端電極的內阻。本發明所有的端電極的材料包含以金、銀、銅、錫、鐵、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，該些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表面氧化。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。
【導體8以及連接材料9(1)、9(2)】
請參考圖1、圖2以及圖3中導體8的兩端分別經由連接材 料〔即9(1)、9(2)〕電氣連接該第一端電極11與該第二端電極21，以在第一端電極11與第二端電極21之間形成第一雙向的電流路徑(Ic、Id)。詳細來說，導體8可以是任何形狀，如圖1、圖2，導體8是平的長條狀。另，如圖3，導體8是中間突起的長條狀。另，導體8可以是多層結構，具有不同金屬的導體層。當然，導體8也可是單層結構，只包含單一金屬導體層。導體8的主材料包含以金、銀、銅、鋁、鐵、鈷、鎳、銅合金等具高熔點與高導電性的金屬材料中任一者或其中二者以上組成的合金。導體8的熔點溫度高於380℃，適當的熔點溫度是高於620℃，較佳的熔點溫度選擇是介於1000℃~2000℃之間。導體8在保護元件888的使用過程或動作過程中，或者是，流經導體8的電流超過保護元件888的額定電流時，導體8不會因本身發熱而發生熔融或熔斷的情形。導體8額定電流的高低(或大小)可調整導體8的截面積或選擇不同導電率的材料而達成。連接材料包含第一連接材料9(1)與第二連接材料9(2)。第一連接材料9(1)電氣連接導體8的一端與第一端電極11。第二連接材料9(2)電氣連接導體8的另一端與第二端電極21。連接材料為具有導電性的連接材料，且其熔點或液化點低於導體8的熔點或液化點，例如，業界作為焊料使用的無鉛焊料(以錫為主成分)或有鉛焊料，其中，第一連接材料9(1)與第二連接材料9(2)的熔點或液化點可以是一樣或不一樣。第一連接材料9(1)、第二連接材料9(2)的熔點可以等於或接近或高於客戶(即保護元件888的使用者)製程中回焊爐的最高溫度(目前大約在260℃)。連接材料的熔點或液化點是可以調整的，熔點溫度可以是介於200℃~360℃，較佳溫度選擇是介於230℃~360 ℃之間。導體8可以具有凸點8x，凸點8x與連接材料9(1)、9(2)可以確保導體8與端電極(即第一端電極11、第二端電極21)之間的電氣連接。第一連接材料9(1)、第二連接材料9(2)在保護元件888的動作過程中，或者是，流經導體8與第一連接材料9(1)、第二連接材料9(2)的電流超過保護元件888的額定電流時，第一連接材料9(1)、第二連接材料9(2)兩者中的至少一者，會被熱熔融或液化(來自導體8本身發熱或連接材料9(1)、9(2)本身發熱)。本發明的所有導體8以及連接材料都適用上述的說明。
【截斷元件19】
請參考圖1、圖2以及圖3所繪示，截斷元件19可以是一個(請參考圖1)或多個(請參考圖2)截斷元件19。本發明所有實施例中的截斷元件19包含熱膨脹元件、熱變形元件、彈性元件、收縮元件、熱收縮元件、記憶元件(如：形狀記憶合金)以及磁性元件等七者中的任一者或其中部分的組合。本發明中的截斷元件19(如：熱膨脹元件、熱變形元件、熱收縮元件、記憶元件)的技術特徵屬於會因受熱而產生形變或位移的元件，藉由膨脹、收縮、位移等動作，將導體8推離或拉離開原來的位置。本發明中的截斷元件19(如：彈性元件、磁性元件、收縮元件)的技術特徵屬於藉由本身的特性(如：彈力、收縮力、吸力)，藉由推離、收縮、吸附、位移等動作，將導體8推離或吸離或拉離開原來的位置。本實施例的截斷元件19選擇的是熱膨脹元件19。例如：圖2中繪示，保護元件888具有二個熱膨脹元件19(以下說明中，以熱膨脹元件19替代截斷元件19)，配置在第一端電極11與第二端電極21之間。請參 考圖1、圖3中只有一個熱膨脹元件19，配置在第一端電極11與第二端電極21之間。另，請參考圖12中只有一個熱膨脹元件19，配置在導體8右側表面的右方或上方(當然，也可以配置在導體8左側表面的左方或上方)。熱膨脹元件19的功用是：當連接材料9(1)、9(2)被熔融或液化時，熱膨脹元件19開始膨脹並將導體8推離開第一端電極11或第二端電極21或第一端電極11、第二端電極21，因此，斷開第一端電極11與第二端電極21之間的第一雙向電流路徑(Ic、Id)。膨脹後的熱膨脹元件19在熱源消失後，仍能維持膨脹後的形狀，如此，導體8就算會到處移動，但因凸出的熱膨脹元件19使得導體8的二端無法同時接觸到第一端電極11與第二端電極21(請參考圖4)。熱膨脹元件19的材料包含聚合物或任何與溫度相關且會膨脹的材料。本發明中熱膨脹元件19的材料選擇以橡膠為主的橡膠材料。本發明的熱膨脹元件19具有絕緣特性或具有高絕緣電阻。本發明的熱膨脹元件19具有阻燃性。上述二者絕緣性、阻燃性可以在導體8與該些端電極(11、21)分離時，減少可能產生的高溫或電弧的可能性(尤其，是在高額定電壓、高額定電流的情況)。本發明的熱膨脹元件19的膨脹開始溫度是可以調整。本發明的熱膨脹元件19的膨脹倍率是可以調整的。請參考圖22，熱膨脹元件19其膨脹開始溫度(℃)、時間(min)以及膨脹率(%)的關係，上述膨脹開始溫度係設計在275℃，較明顯的膨脹開始溫度係設計在350℃，當然，熱源溫度愈高(>350℃)膨脹率(%)也會愈高。圖22繪示，當熱源溫度低於260℃以下時，膨脹率與時間的關係不大，240℃與260℃的曲線顯示膨脹率都低於5%。當熱 源溫度為275℃時，5分鐘內膨脹率即達到130%。當熱源溫度為350℃時，3分鐘內膨脹率即達到580%。當熱源溫度為600℃時，3分鐘內膨脹率即達到950%。所以較佳的膨脹開始溫度介於275℃~600℃之間。當然，上述三個參數(膨脹開始溫度、時間、膨脹率)都是可以調整的，可依實際的需要而調整材料的配方，修改上述三個參數三者之間的關係。
另，圖1、圖2以及圖3中之截斷元件19的另一選擇是彈性元件或熱變形元件，具有絕緣特性或具有高絕緣電阻，其中，熱變形元件或彈性元件或記憶元件若是以金屬材料構成，則可在熱變形元件或彈性元件的表面包覆絕緣材料，使其具有良好的絕緣性或高絕緣電阻。例如：彈性元件19具有多層結構，內層為具彈性的金屬材料，外層為具有絕緣或高絕緣電阻的聚合物。當然，本發明的彈性元件19也可以是單層結構，其主材料包含具彈性、高絕緣電阻的聚合物。彈性元件19的功用是：當連接材料9(1)、9(2)被固化(即固體狀態)時，彈性元件19被導體壓縮在導體8與絕緣基板10之間。當連接材料9(1)、9(2)被熔融或液化時，連接材料9(1)、9(2)無法將彈性元件19被導體壓縮或限制在導體8與絕緣基板10之間，彈性元件19的彈性將導體8推離開第一端電極11或第二端電極21或第一端電極11、第二端電極21，因此，斷開第一端電極11與第二端電極21之間的第一雙向電流路徑(Ic、Id)。熱變形元件或記憶金屬也都是業界習知的技術(類似雙金屬元件，某些金屬合金都具有在特定溫度下會產生變形，唯本發明中之截斷元件19具有絕緣性，故可在這些金屬合金或金屬材料的表 面包覆絕緣材料，使之具有絕緣的特性。
另，本發明的截斷元件19的另一選擇是收縮元件或熱收縮元件，請參閱圖9，圖9中繪示的截斷元件19是收縮元件或熱收縮元件，當連接材料9(1)、9(2)被熔融或液化時，收縮元件19(或熱收縮元件)開始收縮並將導體8拉離開第一端電極11或第二端電極21或第一端電極11、第二端電極21，因此，斷開第一端電極11與第二端電極21之間的第一雙向電流路徑(Ic、Id)。
另，本發明的截斷元件19的另一選擇是磁性元件，請參閱圖11，圖11中繪示的截斷元件19是磁性元件，配置在導體8的上方，或者是，配置在大約位於導體8與第一端電極11兩者重疊區域的上方(圖11繪示，磁性元件19嵌入在外殼14內)。當連接材料9(1)、9(2)被熔融或液化時，磁性元件19開始吸引並將導體8拉離開或吸離開第一端電極11或第二端電極21或第一端電極11、第二端電極21，將導體8或導體8的任一端吸附在磁性元件(截斷元件19)上。因此，斷開第一端電極11與第二端電極21之間的第一雙向電流路徑(Ic、Id)。當然，保護元件888也可以具有二個磁性元件19，分別配置在導體8的上方，且一個在導體8與第一端電極11兩者重疊區域的上方，另一個在導體8與第二端電極21兩者重疊區域的上方。本實施例中的熱膨脹元件或彈性元件或熱變形元件或收縮元件或熱收縮元件或磁性元件都適用於本發明中的所有截斷元件19。以下說明都以熱膨脹元件19替代截斷元件19。
【保護元件888的變形例】
圖10繪示為將本發明之第一實施例的保護元件888倒置於外殼14上，並將第一端電極11經由引出外部電極11a引出外殼14外，將第二端電極21經由引出外部電極21a引出外殼14外。
【保護元件888的動作說明】
請參閱圖1、圖2以及圖3，當低於額定電流值的電流流經導體8以及連接材料9(1)、9(2)時，保護元件888不會動作，維持保護元件888的初始狀態。請參閱圖4，當高於額定電流值的電流流經導體8以及連接材料9(1)、9(2)時，連接材料9(1)、9(2)會因導體8以及連接材料9(1)、9(2)本身發熱而造成連接材料9(1)、9(2)二者中的至少一者被熔融或液化。本實施的連接材料9(1)、9(2)的熔點是一樣的(當然，連接材料9(1)、9(2)的熔點也可以是不一樣)，故連接材料9(1)、9(2)都被熔融。在此同時，熱膨脹元件19也因導體8以及連接材料9(1)、9(2)本身發熱而膨脹，因此而斷開第一雙向(Ic、Id)的電流路徑。需特別說明的是，熱膨脹元件19膨脹後介於第一端電極11與第二端電極21之間，因熱膨脹元件19具有阻燃性、高絕緣電阻的特性，所以第一端電極11與第二端電極21之間可以承受較高的額定電流以及額定電壓。
【第二實施例之保護元件888a】
圖5繪示為本發明第二實施例的一種保護元件888a的剖面示意圖。圖19繪示為保護元件888a的等效電路圖。本實施例的保護元件888a包括：絕緣基板10；多個端電極，包含第一端電極11、第二端電極21，配置在絕緣基板10上；導體8，導體8的兩端分別經由第一連接材料9(1)、第二連接材料9(2)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之間形成第一雙向(Ic、Id)的電流路徑；引出電極7x，配置在第一端電極11與第二端電極21之間，並經由第三連接材料9(3)電氣連接導體8；以及熱膨脹元件19，配置在第一端電極11與第二端電極21之間。本實施例之保護元件888a與圖1之保護元件888相似，惟二者主要差異之處在於：本實施例之保護元件888a另包括引出電極7x，配置於第一端電極11與第二端電極21之間，並經由連接材料9(3)電氣連接導體8。保護元件888a包含二個熱膨脹元件19，配置在第一端電極11與第二端電極21之間，且其中一個配置在第一端電極11與引出電極7x之間，另一個配置在第二端電極21與引出電極7x之間。另，本實施例中之導體8也可以是多數個，請參考圖6，圖中繪示保護元件888a具有二個導體8。圖7以及圖8繪示為本實施例之保護元件888a動作後的剖面示意圖。第一連接材料9(1)、第二連接材料9(2)以及第三連接材料9(3)的熔點或液化點可以是一樣或不一樣。圖7中的第一連接材料9(1)的熔點低於第二連接材料9(2)、第三連接材料9(3)的熔點。圖8中的第一連接材料9(1)、第二連接材料9(2)的熔點相同，但低於第三連接材料9(3)的熔點。圖7繪示，第一連接材料9(1)被熔融且熱膨脹元件19膨脹，膨脹的熱膨脹元件19將導體8的一端推離第一端電極11，因此，第一端電極11與第二端電極21之間的第一雙向(Ic、Id)的電流路徑被斷開。圖8繪示為本實施例之保護元件888a另一種條件(如：連接材料9(1)、9(2)的熔點相同)動作後的剖面示意圖。圖8繪示，第一連接材料9(1)、第二連接材料9(2)被熔融且熱膨脹元件19膨脹，膨脹的熱膨脹元件19將導體8的二端分別推離第一端電極11與第二端電極21，因此，第一端 電極11與第二端電極21之間的第一雙向(Ic、Id)的電流路徑被斷開。當然，連接材料9(1)、9(2)、9(3)的熔點也可以都相同，當連接材料9(1)、9(2)、9(3)被熔融且熱膨脹元件19膨脹，膨脹的熱膨脹元件19將導體8分別推離第一端電極11、引出電極7x以及第二端電極21(未繪示)。本實施例其他相關的說明與第一實施例的保護元件888的說明相似，請自行參閱，在此不再贅述。
【第三實施例之保護元件888b】
圖13繪示為本發明第三實施例的一種保護元件888b的俯視示意圖。圖20繪示為保護元件888b的等效電路圖。本實施例的保護元件888b包括：絕緣基板10；多個端電極，包含第一端電極11、第二端電極21以及第三端電極31，配置在絕緣基板10上；導體8，導體8的兩端分別經由連接材料〔9(1)、9(2)〕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之間形成第一雙向(Ic、Id)的電流路徑；熱產生組件7；以及熱膨脹元件19，配置在第一端電極11與第二端電極21之間，或者是，配置在導體8的旁邊。本實施例之保護元件888b與圖1之保護元件888相似，惟二者主要差異之處在於：本實施例之保護元件888b另包括熱產生組件7，配置在絕緣基板10的上表面10a，熱產生組件7包含發熱體7c以及二個發熱體電極7a、7b。熱產生組件7電氣連接在第一雙向(Ic、Id)的電流路徑與第三端電極31之間。詳細來說，發熱體7c的一端經由發熱體電極7a與導電層18電氣連接第二端電極21或第一端電極11，發熱體7c的另一端經由發熱體電極7b與導電層18電氣連接第三端電極31。當然，本實施例可以不需要導電層18，發熱體7c的一端 經由發熱體電極7a直接電氣連接第二端電極21或第一端電極11，發熱體7c的另一端經由發熱體電極7b直接電氣連接第三端電極31。上述熱產生組件7電氣連接方式適用於本發明中的所有實施例。
【熱產生組件7】
熱產生組件7包括發熱體7c以及二發熱電極(即7a、7b)。發熱體7c是電阻值相對較高的元件(相較於導體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。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。本發明的所有熱產生組件7都可採用類似於上述說明的方式來實現。本實施例其他相關的說明與第一實施例的保護元件888的說明相似，請自行參閱，在此不再贅述。
【第四實施例之保護元件888c】
圖14繪示為本發明第四實施例的一種保護元件888c的剖面示意圖。圖21繪示為保護元件888c的等效電路圖。本實施例的保護元件888c包括：絕緣基板10；多個端電極，包含第一端電極11、第二端電極21以及第三端電極31，配置在絕緣基板10上；導體8，導體8的兩端分別經由連接材料〔9(1)、9(2)〕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之間形成第一雙向(Ic、Id) 的電流路徑；引出電極7x，配置在第一端電極11與第二端電極21之間，並經由第三連接材料9(3)電氣連接導體8；熱產生組件7；以及熱膨脹元件19，配置在第一端電極11與第二端電極21之間。本發明的第一連接材料9(1)、第二連接材料9(2)以及第三連接材料9(3)的熔點或液化點可以是一樣或不一樣。本實施例之保護元件888c與圖5之保護元件888a相似，惟二者主要差異之處在於：本實施例之保護元件888c另包括熱產生組件7，配置在絕緣基板10的上表面10a，或者是，配置在導體8的旁邊，熱產生組件7包含發熱體7c以及二個發熱體電極7a、7b。熱產生組件7電氣連接在第一雙向(Ic、Id)的電流路徑與第三端電極31之間。詳細來說，發熱體7c的一端經由發熱體電極7a、引出電極7x以及連接材料9(3)(隱藏在導體8之下)電氣連接導體8，發熱體7c的另一端經由發熱體電極7b電氣連接第三端電極31。另，本實施例之保護元件888c的熱產生組件7也可以配置在絕緣基板10內(請參閱圖15)，或者是，本實施例之保護元件888c的熱產生組件7也可以配置在絕緣基板10的下表面10b(請參閱圖16)，或者是，熱產生組件7也可以配置在導體8與第二端電極21或第一端電極11二者重疊區域的下方(請參閱圖15、16)。需說明的是，熱產生組件7可以是一個或多個，圖14中繪示一個熱產生組件7，圖15、圖16中各自繪示二個發熱體7c1、7c2，即二個熱產生組件。二個發熱體7c1、7c2可以彼此並聯或串聯，且電氣連接在第一雙向(Ic、Id)的電流路徑與第三端電極31之間，或者是，電氣連接在引出電極7x與第三端電極31之間。
【保護元件888c的動作說明】
保護元件888c共有三種情況會發生，情況1：請參閱圖14或圖5，當低於額定電流值的電流流經導體8以及連接材料9(1)、9(2)時，保護元件888c不會動作，維持保護元件888c的初始狀態。情況2：當高於額定電流值的電流流經導體8以及連接材料9(1)、9(2)時，連接材料9(1)、9(2)會因導體8以及連接材料9(1)、9(2)本身發熱而造成連接材料9(1)、9(2)二者中的至少一者被熔融或液化，在此同時，熱膨脹元件19也因導體8以及連接材料9(1)、9(2)本身發熱而膨脹，因此而斷開第一雙向(Ic、Id)的電流路徑，請參閱圖7或圖8(本實施例之保護元件888c與圖7或圖8之保護元件888a的動作相似)。情況3：保護元件888c與圖7或圖8之保護元件888a的動作相似，當熱產生組件7通電發熱時，熱產生組件7的熱能經由發熱體電極7a、引出電極7x以及導體8傳遞給連接材料9(1)、9(2)、熱膨脹元件19，連接材料9(1)、9(2)二者中的至少一者被熔融或液化，在此同時，熱膨脹元件也膨脹，因此而斷開第一雙向(Ic、Id)的電流路徑。另，本發明或第四實施例的第一連接材料9(1)的熔點可以低於第二連接材料9(2)的熔點。當熱產生組件7通電發熱時，連接材料9(1)先被熔融或液化，在此同時，熱膨脹元件19也膨脹，將導體8的一端推離開第一端電極11(請參閱圖7)，導體8與第一端電極11之間的電流路徑先被熱膨脹元件19斷開，一段時間後，連接材料9(2)被熔融或液化，熱膨脹元件19將導體8的另一端推離開第二端電極21(請參閱圖8)，導體8與第二端電極21之間的電流路徑才被熱膨脹元件19斷開。第三實施例保護元件888b的動作說明類似於保護元件888c的動作說明，請自行參閱，保護元件888b的第一連接材料9(1)的熔點也可以低於第二連接材料9(2)，同樣可具 有上述的技術特徵。本實施例其他相關的說明與第二實施例的保護元件888a的說明相似，請自行參閱，在此不再贅述。
【第五實施例之保護元件888d】
圖17、圖18繪示為本發明第五實施例的一種保護元件888d以及保護元件888d1的剖面示意圖。圖20繪示為圖18保護元件888d1的等效電路圖。圖21繪示為圖17保護元件888d的等效電路圖。圖17繪示，本實施例的保護元件888d包括：絕緣基板10，包含第一絕緣基板10-1與第二絕緣基板10-2；多個端電極，包含第一端電極11、第二端電極21以及第三端電極31，配置在絕緣基板10上；導體8，導體8的兩端分別經由連接材料〔9(1)、9(2)〕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之間形成第一雙向(Ic、Id)的電流路徑；引出電極7x(保護元件888d1不包含引出電極7x)，配置在第一端電極11與第二端電極21之間，並經由第三連接材料9(3)電氣連接導體8；熱產生組件7；以及熱膨脹元件19，配置在第一端電極11與第二端電極21之間。本實施例之保護元件888d或保護元件888d1與圖14之保護元件888c相似，惟二者主要差異之處在於：本實施例之保護元件888d的絕緣基板10包含第一絕緣基板10-1與第二絕緣基板10-2，第一絕緣基板10-1配置在導體8的下方，第二絕緣基板10-2配置在導體8的上方。該些端電極配置在第一絕緣基板10-1上或第二絕緣基板10-2上。熱產生組件7包含發熱體7c以及二個發熱體電極7a、7b，配置在第二絕緣基板10-2上或第一絕緣基板10-1上(請參考圖14)，或者是，配置在導體8的上方，或者是，配置在導體8與第一端電極11二者重疊區域的上方(未 繪示)，或者是，配置在導體8與第二端電極21二者重疊區域的上方(請參考圖18)。保護元件888d的熱產生組件7經由引出電極7x電氣連接或耦接或熱耦接在第一雙向(Ic、Id)的電流路徑與第三端電極31之間。另，本實施例之熱產生組件7也可以包含二熱產生組件7，一個配置在第一絕緣基板10-1上，另一個配置在第二絕緣基板10-2上，二熱產生組件7可以彼此電氣串聯或電氣並聯連接。第一絕緣基板10-1與第二絕緣基板10-2之間有連接部14x連接或支撐。熱產生組件7通電發熱，所產生的熱能經由引出電極7x與導體8(另，保護元件888d1的熱產生組件7通電發熱，所產生的熱能經由連接材料9(3)與導體8)，傳遞給連接材料〔9(1)、9(2)〕以及熱膨脹元件19。需說明的是，另一變形例，保護元件888d的多個端電極，包含第一端電極11、第二端電極21以及第三端電極31也可以配置在第二絕緣基板10-2上(請參考圖24)。綜合上述的說明，本發明的保護元件，其中，絕緣基板10包含第一絕緣基板10-1與第二絕緣基板10-2，熱產生組件7可配置在第一絕緣基板10-1上或第一絕緣基板10-1內或第二絕緣基板10-2上或第二絕緣基板10-2內，其中，第一端電極11與該第二端電極21可配置在第一絕緣基板10-1上或第二絕緣基板10-2上。
變形例，圖18繪示，本實施例的保護元件888d1包括：絕緣基板10；多個端電極，包含第一端電極11、第二端電極21以及第三端電極31，配置在絕緣基板10上；導體8，導體8的兩端分別經由連接材料〔9(1)、9(2)〕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之間形成第一雙向(Ic、Id)的電流路徑；熱 產生組件7；以及熱膨脹元件19，配置在第一端電極11與第二端電極21之間。圖18的保護元件888d1與圖17的保護元件888d相似，惟二者主要差異之處在於：圖18中沒有引出電極7x，熱產生組件7包含發熱體7c與二發熱體電極7a、7b等三者，且三者形成類似三明治的結構(當然，保護元件888d1的熱產生組件7也可以與保護元件888d的熱產生組件7相同，經由發熱體電極或引出電極電氣連接導體8)，熱產生組件7配置在導體8的上方，或者是，熱產生組件7配置在第二端電極21與導體8兩者重疊區域的上方或第一端電極11與導體8兩者重疊區域的上方(未繪示)，發熱體電極7a經由連接材料9(3)電氣連接導體8，發熱體電極7b電氣連接第三端電極31，其中第三端電極31可以配置在第二絕緣基板10-2上且延伸至第一絕緣基板10-1，也可以配置在第一絕緣基板10-1上且延伸至第二絕緣基板10-2。需說明的是，圖17繪示的保護元件888d，也可以不包括引出電極7x，以圖18發熱體7c與二發熱體電極7a、7b同樣的方式(類似三明治的結構)，達到與圖17所繪示的保護元件888d具有同樣的效果。本實施例其他相關的說明與第四實施例的保護元件888c的說明相似，請自行參閱，在此不再贅述。綜合上述的說明，本發明的保護元件888d或888d1，其中，絕緣基板10可包含第一絕緣基板10-1與第二絕緣基板10-2，熱產生組件7可配置在第一絕緣基板10-1上或第一絕緣基板10-1內或第二絕緣基板10-2上或第二絕緣基板10-2內，其中，第一端電極11與該第二端電極21可配置在第一絕緣基板10-1上或第二絕緣基板10-2上，其中，第三端電極31可配置在第一絕緣基板10-1上或第二絕緣基板10-2上。
圖23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：電池元件組4、充放電控制電路2、偵測控制電路5、開關電路6(但本發明也可以不包含開關電路6)以及上述之保護元件888或888a或888b或888c或888d或888d1。電池元件組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6的初始狀態為斷路，此時，電流無法通過熱產生組件7，開關電路6可分別依據偵測控制電路5的輸入信號，使開關電路6導通。若本發明不包含開關電路6，保護元件888b或888c或888d或888d1連接開關電路6的第三端電極31就浮接或不接其他線路，保護元件888或888a無任何端電極需連接開關電路6。偵測控制電路5分別偵測電池元件組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6或充放電控制電路2、開關電路6。保護元件888的端電極11、21串聯連接於電池元件組4與充放電控制電路2之間，形成充放電路徑(即電流Ic與電流Id的路徑)，第三端電極31連接開關電路6。本實施例的可充放電電池組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充電電流Ic流經導體8或高於額定電流值的放電電流Id流經導體8時，保護元件888或888a或888b或888c或888d或888d1會動作，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組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6，以將開關電路6切換至導通狀態，致使電流可流經熱產生組件7。發熱體7c因通電發熱，保護元件888b或888c或888d或888d1會動作，斷開充電電流Ic與放電電流Id，達成可充放電電池組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形態揭露如上，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。

Claims (20)

  1. 一種保護元件，包括：絕緣基板；多個端電極，配置在絕緣基板上，包含第一端電極與第二端電極；導體，該導體經由連接材料電氣連接該第一端電極與該第二端電極，以在該第一端電極與該第二端電極之間形成第一雙向的電流路徑；以及一個或多個截斷元件，當該連接材料被熔融或被液化時，該截斷元件將該第一雙向的電流路徑斷開。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的保護元件，該一個或多個截斷元件包含熱膨脹元件、熱變形元件、彈性元件、收縮元件、熱收縮元件、記憶元件以及磁性元件七者中的任一者或其中部分的組合。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的保護元件，其中，該一個或多個截斷元件配置於該第一端電極與該第二端電極之間，或者是，配置於該導體任一表面的上方或下方或左方或右方或前方或後方。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的保護元件，其中，該一個或多個截斷元件具有絕緣特性或具有高絕緣電阻。
  5. 如申請專利範圍第2項所述的保護元件，其中，該熱膨脹元件具有阻燃性。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的保護元件，其中，該連接材料包含第一連接材料、第二連接材料以及第三連接材料，其中，該第一連接材料、該第二連接材料以及該第三連接材料的熔點或液化點可以是相同或不相同，該保護元件另包括引出電極，該引出電極耦接或電氣連接該導體，或者是，該引出電極經由該第三連接材料耦接或電氣連 接該導體。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的保護元件，其中，該導體包含二個或二個以上導體，該二個或二個以上導體各有一端彼此相互電氣連接且電氣連接該引出電極，該二個或二個以上導體各有一個另一端，每個另一端分別電氣連接不同的端電極。
  8. 如申請專利範圍第1項或第6項或第7項所述的保護元件，其中，該些端電極還包括第三端電極，該保護元件另包括熱產生組件，該熱產生組件耦接或電氣連接於該第一雙向的電流路徑與該第三端電極之間。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的保護元件，其中，該熱產生組件配置在該導體的上方或該導體的下方或該導體的旁邊，或者是，該熱產生組件配置在該導體與該第二端電極或該第一端電極二者重疊區域的上方，或者是，該熱產生組件配置在該導體與該第二端電極或該第一端電極二者重疊區域的下方。
  10. 如申請專利範圍第8項所述的保護元件，另包括絕緣基板，該熱產生組件配置在該絕緣基板上或該絕緣基板內。
  11. 如申請專利範圍第9項或第10項所述的保護元件，該熱產生組件的其中一端電氣連接該第一端電極或該第二端電極，另一端電氣連接該第三端電極。
  12. 如申請專利範圍第10項所述的保護元件，其中，該絕緣基板包含第一絕緣基板與第二絕緣基板，該熱產生組件配置在該第一絕緣基板上或該第一絕緣基板內或該第二絕緣基板上或該第二絕緣基板內。
  13. 如申請專利範圍第1項所述的保護元件，其中，該連接材料包含第一連接材料與第二連接材料，該第一連接材料與該第二連接材料的熔點或液化點可以是相同或不相同。
  14. 如申請專利範圍第6項或第13項所述的保護元件，其中，該第一連接材料的熔點或液化點低於該第二連接材料的熔點或液化點。
  15. 如申請專利範圍第14項所述的保護元件，另包括熱產生組件，當該熱產生組件通電發熱時，該導體與該第一端電極之間的電流路徑先被該一個或多個截斷元件斷開，一段時間後，該導體與該第二端電極之間的電流路徑才被該一個或多個截斷元件斷開。
  16. 如申請專利範圍第1項所述的保護元件，該絕緣基板配置在該導體的上方或下方。
  17. 如申請專利範圍第8項所述的保護元件，其中，該熱產生組件包含二個或二個以上熱產生組件，該二個或二個以上熱產生組件彼此互相電氣串聯或並聯連接。
  18. 如申請專利範圍第6項或第7項所述的保護元件，其中，該些端電極還包括第三端電極，該保護元件另包括熱產生組件，該熱產生組件的其中一端耦接或電氣連接該引出電極，另一端耦接或電氣連接該第三端電極。
  19. 一種電池組，包括：至少一電池元件；充放電控制電路；如申請專利範圍第1項至第18項中任一項所述的保護元件，其中該保護元件串聯連接在該至少一電池元件與該充放電控制電路之間以形成至少一充放電電流路徑，並且具有斷開該至少一充放電電流路徑的能力；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輸出信號給該充放電控制電路，其中該充放電控制電路依據該信號控制該至少一充放電電流路徑上 的充電電流或放電電流的開啟與關閉。
  20. 一種電池組，包括：至少一電池元件；如申請專利範圍第8項至第12項、第15項、第17項以及第18項中任一項所述的保護元件，其中該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，並且具有斷開該至少一充放電電流路徑的能力；開關電路，用於控制通過該熱產生組件的電流；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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