專利名稱：具有壓電感測器的二次電池模塊的制作方法
技術領域：
本發明是關于一種二次電池模塊，且更特別的是，關于一中二次 電池模塊，其中當排列電池單元以組成二次電池模塊時， 一壓電感測器設置于設于電池單元間的一通道中，如此，當電池單元的內部壓力 因電池單元的異常操作而增加時，由電池單元膨脹所造成的壓力作用 于此壓電感測器，在壓電感測器輸出端產生電壓，且所產生的感測器電壓傳輸至一控制單元，例如電池管理系統(BMS)，在其中執行控 制算法，由此有效防止因電池單元的過充或過熱造成電池的膨脹或爆 炸，且因此，增加了電池的穩定性。
背景技術：
因為移動裝置大幅增長，且此類移動裝置的需求也增加，作為移 動裝置電源的二次電池的需求也同樣大幅增加。因此，已完成了對應 于各種需求的電池的許多研究。特別的是，因為鋰二次電池具有比傳統鎳鎘電池或傳統鎳氫電池 更高的電壓及對于鋰二次電池可增加充放電周期的數目，所以鋰二次 電池的需求大幅增加。就其外部形狀而論，因為矩形電池及袋形電池具有小的厚度，且 因此，矩形電池及袋形電池可易于應用于各種產品，如移動電話，所 以矩形電池及袋形電池的需求量大。就其材質而論，鋰二次電池，如 鋰鈷聚合電池的需求量大，因為鋰二次電池具有高能源密度及放電電 壓。圖1為一袋形二次電池100的一范例結構示意圖。 參考圖1，此二次電池包含電極組件300、從電極組件300延伸的 陰極分接頭(tap) 302及陽極分接頭304、電極導線400及410，分別 焊接至陰極分接頭302及陽極分接頭304、以及袋形殼體，用以容置此 電極組件300。電極組件300為結構組件，包含陰極、陽極及設置于陰極及陽極 間的隔板，用以互相隔離陰極與陽極，其連續地以陰極、隔板及陽極 的順序堆疊。陰極分接頭302及陽極分接頭304從電極組件300的各 個電極板延伸。電極導線400及410電連接至分別從各電極板延伸的 陰極分接頭302及陽極分接頭304。電極導線400及410從殼體200部 分露出。殼體200提供一空間，用以容置電極組件300。在如圖l所示 的電極組件300為一堆疊式電極組件的例子中，殼體200的內部上端 從電極組件300隔離，使得多個陰極分接頭302彼此互相附接，然后 該多個陰極分接頭302耦合至電極導線400，且多個陽極分接頭304彼 此互相附接，然后該多個陽極分接頭304耦合至電極導線410。電極組件300位于殼體200中，同時電極導線400及410部分暴 露于外，電解質被注入殼體200，且熱及壓力作用于上殼體的邊緣及下 殼體的邊緣，同時此上殼體的邊緣及下殼體的邊緣彼此互相接觸，使 得上殼體的邊緣及下殼體的邊緣可通過熱焊接彼此互相穩固地固定。 以此方式，完成此袋形二次電池100。雖然鋰二次電池比傳統鎳鎘電池或傳統鎳氫電池具有很多優點， 鋰二次電池的問題在于鋰二次電池脆弱。特別是，在制造電池期間， 在后部流程注入電解質。因此，常常使用一種具有低沸點的有機溶劑。 然而，在此例中，當電池過充時或當電池處于高溫狀態時，因電池內 部壓力的增加電極組件或電池殼體可能脹大。結果，殼體可能變形。 殼體的變形可能造成電池的爆炸。
為了解決上述問題， 一種利用紫外線或電子束來硬化平面式電池 的方法，以及一種包覆膠體至電極板取代電解質注入的方法均已揭露(美國專利編號5,972，539、美國專利編號5,279,910及美國專利編號 5,437,942)。這些己知方法略微減輕了電極組件或電池殼體的膨脹。 然而，這些已知方法無法保證令人滿意的穩定度。一些已知技術提出一系統，其中應變儀型(strain gauge type)感 測器附接于袋形電池的表面，保護電路設置于電池的端子(陰極與陽 極)之間，且輸入及輸出端子根據由壓力感測器偵測的值來中斷電池 的操作。特別的是，當電池的殼體，即，袋形膨脹時，由感測器偵測 膨脹的程度，且所偵測值傳輸至保護電路，當偵測值到達預設程度時 該保護電路中斷陰極及陽極間的電流流動。然而，上述用于測量電池殼體膨脹的系統并沒有提供高可靠性。 同樣地，其不易穩固地安裝感測器至袋形電池的表面，用于準確測量 目的。舉例來說，因電池的尺寸及重量均已減低，根據電池殼體表面 區域的改變非常不易于準確測量電池殼體的膨脹。同樣地，應變儀型 感測器需要大面積以準確測量。結果，從電池的散熱因應變儀型感測 器而中斷，這增加電池的溫度。更進一步，應變儀型感測器根本無法 用于矩形電池，其表面膨脹相當小。同時，可充放電的二次電池被廣泛地用在無線移動裝置上作為能 量源。同時，二次電池作為電動車與混合動力電動車的動力來源的情 況已引起相當大的注意，其可用來解決使用石油的汽柴油引擎所造成 的空氣污染問題。小型移動裝置在每個裝置上使用一個或多個小型電池。另一方面， 中或大型裝置，如汽車，因為中或大型裝置需要高輸出與大容量，所 以需使用多個電池單元彼此互相電連接的電池模塊。 圖2為具有多個電池單元彼此堆疊的二次電池模塊的一范例結構 示意圖。參考圖2，多個電池單元101、 102及103以集成度方式彼此堆疊。 從電池單元的上端突出電極端401、 411、 402、 412、 403及413。電池 單元IOI、 102及103可以不同方式排列于二次電池模塊500中。 一般 來說，如圖2所示地堆疊電池單元，其具有高集成度。同樣地，電池 單元IOI、 102及103彼此互相間隔一預設距離，使得設于相鄰電池單 元間的通道600，當電池單元充電及放電時產生的熱可以移除。 一般來 說，利用矩形電池或袋形電池作為構成二次電池模塊500的電池單元 101。因為多個電池單元彼此堆疊于一小空間中，所以二次電池模塊的 安全性問題更須認真看待。特別的是， 一些電池單元的異常操作可減 低其他異常電池單元的異常操作。因此，迫切需要用于防止上述問題 的測量。然而，直到現在，仍未有一種技術被揭露以有效保證二次電 池模塊的安全性。發明內容因此，本發明的目的為排除前述所提問題以及其他未解決的技術 問題。為了解決上述問題，在做了各種延伸及大量的研究及實驗的結果 后，本申請的發明人發現，當在安裝電池單元以組成二次電池模塊的 過程中，將一壓電感測器安裝于電池單元間的通道內時，如果電池單 元因內部壓力增加而膨脹，由電池單元膨脹所造成的壓力作用于此壓 電感測器，因此電壓在此壓電感測器的外部端子產生，且所產生的感 測器電壓傳輸至一電池管理系統(BMS)，該電池管理系統執行控制 演法，由此有效防止因電池單元的過充或過熱造成此電池的膨脹或爆 炸。本發明根據上述發現而完成。
根據本發明，上述及其他目的可由包含多個彼此堆疊的電池單元 的二次電池模塊而達成，其中電池單元彼此互相間隔，使得用于散熱 的通道設于這些電池單元間，此電池模塊還包含設置于通道中的至少 一個壓電感測器，以及該至少一個壓電感測器連接至一控制單元。因此，當根據本發明的二次電池模塊的電池單元過充或過熱時， 因電池單元內部壓力的增加，壓力作用于裝置設于電池單元間通道中 的壓電感測器，在該壓電感測器輸出端產生電壓，且所產生的感測器 電壓傳輸至一控制單元，此控制單元執行控制算法，由此中斷電池單 元間的導電性。這些"電池單元"為二次電池，其可連續充電及放電。優選的是， 這些電池單元為矩形或袋形電池，其可以高集成度形式彼此堆疊于電 池模塊中。各電池單元具有陰極、陽極、隔離板與安裝于封閉電池殼體中的 電解液。包含有設于一薄膜狀陰極與薄膜狀陽極間的微孔隔離板的電 極組件可以被纏繞，或復數電極組件，各包含陰極、隔離板及陽極， 被彼此堆疊。用于陰極與陽極的活性材質并無特別限制。優選的是， 陰極活性材質包含具有高安全性的鋰錳基氧化物，且陽極活性材質包 含碳。優選的電池單元為鋰離子電池或鋰離子聚合電池。二次電池模塊的電池單元可以各種結構彼此堆疊。此處，"堆疊" 方向并無特別限制，只要這些電池單元互相面對即可。舉例來說，當 電池單元在一平面上連續的彼此堆疊時，這些電池單元可相互面對。或者，當這些電池單元彼此互相緊密接觸，且在一平面上垂直豎立時， 這些電池單元可互相面對。然而，根據本發明，當電池單元彼此互相間隔一預設距離時，電池單元互相面對，以于此堆疊結構中形成可供 散熱的通道。 本發明的特征為，當電池單元間所定義的寬度因電池單元內部壓 力的增加所導致的電池單元的體積膨脹而減少時，精確地量測此種改 變以控制此電池模塊的操作。由發明人完成的實驗顯示，電池單元內部壓力的增加在電池單元 厚度方向大于在電池單元的縱向。詳細來說，因為電池單元的內部壓 力增加，電池單元的厚度比起電池殼體表面膨脹更為大幅增加。因此， 利用壓電感測器能夠偵測電池單元厚度的改變，保證更精確的測量。本發明的另一特性為，盡管壓電感測器設置于電池模塊中，但電 池模塊的尺寸卻不會增加。 一般來說，電池模塊需要體積小及重量輕。 基于此理由，由于設置壓電感測器而使電池模塊體積增加是不期望的。 根據本發明，壓電感測器安裝于通道中，此通道可有效移除從電池單 元產生的熱，因此，電池模塊的體積并不會因設置壓電感測器而增加。根據本發明的壓電感測器設置于電池單元間的通道的方式為壓 電感測器與位于壓電感測器相對側的電池單元a及b緊密接觸、壓電感測器附接于電池單元a或b的其中一個、或壓電感測器與電池單元a及b間隔一預設距離。根據本發明，壓電感測器安裝于電池單元之間。因此，當電池單 元的異常操作造成電池單元的內部壓力增加時，通過壓電感測器可更 精準的測量出壓力變化。具體來說，由壓電感測器偵測在位于壓電感測器相對側的各電池單元a及b厚度的改變為厚度的改變的兩倍 (2xAt)。因此，測量精確度更為增加。此為本發明重要特征之一。根據本發明的壓電感測器并無特別限制，只要壓力的改變可如上 述由壓電感測器測得即可。各種產品已經商業上販售，因此，將不再 對壓電感測器做詳細描述。
優選的是，壓電感測器安裝在對應于電池中間部的位置，此位置 的厚度的變化大。此電池的中間部從此電池的外環間隔大于電池的長度及寬度的20。/。，優選的是大于30%。根據情況，壓電感測器可安裝于附加支持部，同時壓電感測器朝 向位于該至少一壓電感測器一側的電池單元或位于該至少一壓電感測 器相對側的電池單元。此例中，優選的是在電池單元間所限定的通道 寬度更為增加。支持部可為框構件，用于幫助該些電池單元彼此堆疊 或附加構件從該框構件延伸。此框構件的范例外觀公開于韓國專利申請案案號2004-81657，并 以本申請的申請人名稱提出申請。上述韓國專利申請案在此通過參考文件一并完整公開。優選的是，當從壓電感測器傳輸的感測器電壓高于預設臨界值時， 可建立控制單元，使得此控制單元執行一預設控制流程。舉例來說，此控制流程可包含傳輸警告訊號的第一階控制流程、 中斷電源的第二階控制流程，操作冷卻系統的可選的第三階控制流程 以及操作滅火系統的選用的第四階控制流程。控制流程可根據從壓電 感測器傳輸的感應電壓的大小連續地執行。當感測器電壓從壓電感測 器連續地傳輸，或者即使電源電源中斷后，所傳輸的感測器電壓大小 仍增加時，根據異常的程度可操作冷卻系統或滅火系統。或者，可連 續操作冷卻系統及滅火系統。雖然可安裝控制單元作為在電池模塊中的獨立組件，優選的是， 控制單元包含于電池管理系統(BMS)中，用以管理電池模塊的整體 操作。
上述及本發明的其他目的、特征與其它優勢將會從以下結合附圖 的詳細描述獲得清楚認知，其中圖1為已知袋形二次電池的剖面圖；圖2為部分示出已知二次電池模塊的結構的典型圖；且 圖3為根據本發明的優選實施例，具有設于電池單元間通道中的 壓電感測器裝置的電池模塊的結構圖。主要元件符號說明 100袋形二次電池 200殼體 300電極構件 400電極導線 500 二次電池模塊 600通道 700壓電感測器具體實施方式
現在，本發明的優選實施例將會參照圖示作詳細描述。這里應當 注意，本發明的范圍并不僅限制于所描述的實施例。圖3為根據本發明的優選實施例，具有壓電感測器裝置的二次電 池模塊的結構圖。參考圖3， 二次電池模塊包含電池單元101及102，其彼此堆疊， 同時彼此互相間隔一預設距離，使得電池充電及放電期間所產生的熱 得以散除的通道600設于這些電池單元101及102間。通道600中裝 置壓電感測器700，其偵測位于壓電感測器700的相對側的電池單元 101及102的內部壓力。因此，不需額外空間來安裝壓電感測器700。
壓電感測器700連接至電池管理系統(BMS)，其具有算法，用 于根據從壓電感測器700傳輸的電壓來控制電池的操作。盡管已經為了說明的目的公開了本發明的優選實施例揭露，本領 域技術人員應理解的是，可以有各種改進、增加和替換，而不背離由 所附權利要求所公開的本發明的精神和范圍。工業應用性如上述所揭露，壓電感測器設置于設于二次電池模塊電池單元間 的通道中。因此，不需額外空間來安裝壓電感測器，因此，有效防止 電池模塊尺寸的增加。更進一步，電池的內部壓力的改變由壓電感測 器精確地檢測，因此，有效防止因電池單元過充或過熱造成電池的膨 脹或爆炸。
權利要求
1. 一種二次電池模塊，包含相互堆疊的多個電池單元，其中該些 電池單元彼此互相分離，使得用于散熱的通道設于該些電池單元間， 該電池模塊還包含設置于該通道中的至少一個壓電感測器，且該至少 一個壓電感測器連接至一控制單元。
2. 如權利要求1所述的二次電池模塊，其中該些電池單元為矩形電池或袋形電池。
3. 如權利要求2所述的二次電池模塊，其中該些電池單元為鋰離 子電池或鋰離子聚合電池。
4. 如權利要求1所述的二次電池模塊，其中該至少一個壓電感測 器設置于該些電池單元間的通道中的方式為該至少一個壓電感測器與位于該至少一個壓電感測器相對側的電池單元(a,b)緊密接觸、該 至少一個壓電感測器附接于該些電池單元(a或b)之一、或該至少一 個壓電感測器與電池單元(a,b)間隔一預設距離。
5. 如權利要求l所述的二次電池模塊，其中該至少一個壓電感測 器安裝于該通道中對應于該二次電池的中間部的一位置。
6. 如權利要求5所述的二次電池模塊，其中該二次電池的中間部 從該電池的外環隔開大于該電池長度及寬度的20%。
7. 如權利要求1所述的二次電池模塊，其中當至少一個壓電感測 器朝向位于該至少一個壓電感測器一側的電池單元或朝向位于該至少 一個壓電感測器的相對側的電池單元時，該至少一個壓電感測器安裝 于一支持部。
8. 如權利要求7所述的二次電池模塊，其中該支持部是一框構件， 用于幫助該些電池單元彼此堆疊，或一附加構件，從該框構件延伸。
9. 如權利要求1所述的二次電池模塊，其中當從該至少一個壓電 感測器傳輸出的該感測器電壓高于一預設臨界值時，該控制單元執行 一預設控制流程。
10. 如權利要求9所述的二次電池模塊，其中該預設控制流程包含傳輸一警告訊號的第一階控制流程、中斷電源的第二階控制流程、操作一冷卻系統的可選的第三階控制流程以及操作一滅火系統的可選的第四階控制流程。
11. 如權利要求1所述的二次電池模塊，其中該控制單元包含于一電池管理系統(BMS)內，以管理該電池模塊的全部操作。
全文摘要
在此公開了一種二次電池模塊，包含相互堆疊的多個電池單元，其中這些電池單元彼此互相分離，使得用于散熱的一通道設于這些電池單元間，此二次電池模塊還包含設置于該通道中的至少一個壓電感測器，且此至少一個壓電感測器連接至一電池管理系統(BMS)。根據本發明，此壓電感測器設置于設于二次電池模塊的電池單元間的通道中。因此，不需額外空間安裝此壓電感測器，且因此，有效防止電池模塊尺寸的增加。更進一步，由此壓電感測器精準地檢測電池內部壓力的改進，且因此，有效防止因這些電池單元過充或過熱造成的此電池的膨脹或爆炸。
文檔編號H01M2/10GK101147278SQ200680009741
公開日2008年3月19日 申請日期2006年4月18日 優先權日2005年4月20日
發明者尹汝源, 鄭道陽 申請人:株式會社Lg化學