專利名稱：二次電池保護裝置的制作方法
技術領域：
本發明是有關于一種二次電池的保護裝置，尤指一種保護二次電 池的裝置，其中當二次電池因外部環境的改變、外部撞擊、內部故障、 過度充電等原因而暴露在超過工作范圍的高溫下時，二次電池會放電 至安全狀態，由此避免其膨脹、燃燒或爆炸。
背景技術：
一般來說，電池分為化學電池與物理電池，其中，化學電池又分 為原電池、二次電池，以及燃料電池。二次電池包括鎳鎘二次電池、鎳金屬氫二次電池、密閉式鉛酸二次電池 (Sealed Lead-Acid(SLA)secondary battery)、鋰離子二次電池、鋰聚合物二次 電池、以及可充電堿性二次電池。首先，鋰離子二次電池是有機電解質電池，其具高能量密度、低 溫特性、可儲存性等方面的穩定屬性，而且因此常作為可移動電腦的 電池。在此，術語"能量密度"指的是充電能量的多少，并且是將能 量容量除以容量或重量的值。鋰離子二次電池可能因使用者粗心大意而暴露在超過工作范圍的 高溫環境下，舉例來說，夏季的車內、公共澡堂的蒸氣室、電熱毯、 微波爐等。進一步，鋰離子二次電池可能因內部短路、過度充電等情 況而自發性地產生熱。如此，當鋰離子二次電池暴露在超過特定溫度的高溫或被自動產 生的熱加熱時，其可能會膨脹、燃燒或爆炸。傳統上，為避免鋰離子二次電池因簡單的過度充電所產生的熱而 損壞，會將鋰離子二次電池與正溫度系數(PTC)電阻器串聯，其電阻 根據鋰離子二次電池所產生的熱而增加。當鋰離子二次電池過熱時，PTC電阻器可阻止電流流入鋰離子二 次電池，因而避免鋰離子二次電池被進一步充電。然而，除了過度充電之外，鋰離子二次電池可能會因外部環境的 改變、內部短路、外部撞擊等而產生熱。進一步，當鋰離子二次電池 暴露在高溫的環境下時，其也會被加熱。當鋰離子二次電池暴露在高 溫環境或在充電狀態中產生熱時，其導致相對地容易地產生氣體，其 導致膨脹現象，而在最糟糕的情況中會爆炸或燃燒。考量到鋰離子二次電池會因外部環境的改變、內部短路、外部撞 擊等而產生熱，或因暴露在高溫的環境下，故而急需開發一種能保護 鋰離子二次電池的技術。發明內容本發明之一目的是提供一種二次電池的保護裝置，其能夠在二次 電池產生經受發熱或暴露在高溫環境下時，使其放電。本發明的另一目的是提供一種二次電池的保護裝置，其能夠在二 次電池經受發熱或暴露在高溫環境下時，通過簡單的結構來保護二次 電池，該結構包括負溫度系數(NTC)熱敏電阻或金屬絕緣體相變 (MIT)熱敏電阻，以及開關元件。本發明的另一目的是提供一種二次電池的保護裝置，其能夠在二 次電池經受發熱或暴露在高溫環境下時，通過簡單的結構來保護二次 電池，該結構包括負溫度系數(NTC)熱敏電阻或金屬絕緣體相變 (MIT)熱敏電阻，以及晶閘管。根據本發明的技術，其提供一種二次電池的保護裝置。本裝置包 括溫度傳感器，其能檢測二次電池的溫度并依據檢測到的溫度來產生 控制電流，以及開關元件，用以依據控制電流連接二次電池的二個端 子，并強制將二次電池放電。在此，開關元件可以連接到二次電池的正極及負極，當提供有控 制電流時，開關元件會連接二次電池的兩個端子。溫度傳感器能檢測 二次電池的溫度，當檢測到的溫度比預定溫度高時，其會提供控制電 流給開關元件。進一步，溫度傳感器可包括負溫度系數(NTC)熱敏電阻或金屬 絕緣體相變(MIT)熱敏電阻。根據本發明的另一方面，其提供一種二次電池的保護裝置。本裝 置包括晶閘管，其具有分別連接至二次電池的兩個端子正極與負極， 且當提供柵極電流時，其會使二次電池的兩個端子短路。本裝置也包 括溫度傳感器，其用以檢測二次電池的溫度，以及當檢測到的溫度比 預定的溫度高時，其會提供柵極電流給晶閘管。在此，溫度傳感器可包括NTC熱敏電阻或MIT熱敏電阻，且晶 閘管可包括下列的其中一個硅控整流器(SCR) 、 N型晶閘管、雙柵 極晶閘管、雙向晶閘管(TRIAC)、以及柵極關斷(GTO)晶閘管。依據本發明，二次電池保護裝置是與二次電池并聯。當檢測到二 次電池產生熱或暴露在高溫環境下時，二次電池會放電。因此，穩定 了二次電池的電解質溶液，因此可預先避免二次電池燃燒或爆炸。
圖1是本發明第一示例性實施例的二次電池的保護裝置。圖2是負溫度系數(NTC)特征曲線。圖3示出了圖1的二次電池保護裝置的電流。圖4是本發明第二示例性實施例的二次電池的保護裝置。圖5是金屬絕緣體相變(MIT)特征曲線。圖6示出了圖4的二次電池保護裝置的電流。圖7是本發明示例性第三實施例的二次電池保護裝置。圖8是第一晶閘管的特征曲線。圖9與圖IO示出了圖7二次電池保護裝置的電流。圖11是本發明第四示例性實施例的二次電池保護裝置。圖12與圖13示出了圖11 二次電池保護裝置的電流。
具體實施方式
現在，將參照圖示詳細說明本發明的實施例。參考圖l，其示出了根據本發明第一實施例的二次電池保護裝置。鋰離子二次電池100與二次電池保護裝置102并聯連接，其中， 二次電池保護裝置102是由負溫度系數(NTC)熱敏電阻104與第一 晶體管106所組成。NTC熱敏電阻104連接在鋰離子二次電池100的 正極(+ )與第一晶體管106的基極端之間，而第一晶體管106的發射 極與集電極分別與鋰離子二次電池100的相對電極(正極和負極)連接。NTC熱敏電阻104具高穩定性、生產率、電阻率、及溫度系數， 其電阻的高溫度系數是金屬的高溫度系數的五到十倍，而且可輕易制 成各種形狀。NTC熱敏電阻104主要用作溫度檢測、溫度補償、液體 水平檢測、風速檢測、真空檢測、浪涌電流保護、延遲等的裝置，而 目前最廣泛的應用則是將其作為溫度傳感器。參考圖2以更詳細地描述NTC熱敏電阻104的特性。當溫度增加 時，在NTC熱敏電阻104中，電阻會減少。電阻的降低是與NTC熱 敏電阻104的電阻系數有關。在圖2中，NTC熱敏電阻104的三種類 型R10K3000、 R10K4000及R10K8000具有不同的電阻系數，由此取 決于溫度的增加而具有不同的電阻降低。在本發明中，從各種NTC熱 敏電阻中任選一種或者加入與如電阻等元件結合的電壓配電電路，以 便允許第一晶體管106在預定溫度處導通。在圖1中，所描繪的第一晶體管106是使用PNP晶體管以當作開 關元件，但是也可使用依據預定的控制信號短路或通路的任何開關元 件。換句話說，對本技術領域的人士來說，可清楚知道除了PNP晶體 管之外，圖1的第一晶體管106可由NPN晶體管取代。現在，參考圖3，將描述本發明的第一示例性實施例中二次電池 保護裝置的操作。NTC熱敏電阻104可感應到如下狀態，在所述狀態中，因外部環 境的改變、內部短路、外部撞擊等而使得鋰離子二次電池100經受發 熱或暴露在高溫環境下。換句話說，當鋰離子二次電池100在預定溫 度處產生熱且因此使得NTC熱敏電阻104的電阻值降低到預定電阻值 時，NTC熱敏電阻104會從鋰離子二次電池IOO提供控制電流II到第 一晶體管106的基極。根據流過NTC熱敏電阻104的控制電流I1而導 通第一晶體管106。當第一晶體管106導通時，鋰離子二次電池100的兩個端子被短 路，而因此使得鋰離子二次電池100的電流12流過第一晶體管106。 結果，鋰離子二次電池IOO被強制放電。如上所述，通過由NTC熱敏電阻104與第一晶體管106所簡單地 組合而成的二次電池保護裝置102，本發明的第一示例性實施例可限制因內部短路、外部撞擊等而產生熱或暴露在高溫環境下的鋰離子二次 電池100的燃燒或爆炸。現在，參考圖4，將描述本發明第二示例性實施例的二次電池保 護裝置。鋰離子二次電池200與二次電池保護裝置202并聯，其中，二次 電池保護裝置202是由金屬絕緣體相變(MIT)熱敏電阻204與第二晶 體管206所組成。MIT熱敏電阻204連接在鋰離子二次電池200的正 電極(+ )與第二晶體管206的基極之間，而第二晶體管206的發射極 與集電極端子分別與鋰離子二次電池200的兩個電極(正極和負極) 連接。參考圖5更詳細地描述MIT熱敏電阻204的特性。在MIT熱敏電 阻204中，電阻在預定溫度處急劇減小。電阻急劇減小的點與MIT熱 敏電阻204的電阻系數有關。換句話說，由于MIT熱敏電阻204的電 阻系數會因其類型而變化，因此電阻急劇減小時的溫度也會不同。本 發明中，從各種MIT熱敏電阻中任選一種，以使得第二晶體管206在 預定的溫度時可以導通。在圖4中，所描繪的第二晶體管206是使用PNP晶體管以作為開 關元件，但是也可使用依據預定控制信號短路或開路的任何開關元件。 換句話說，對于本領域技術人員，可清楚知道除了 PNP晶體管之外， 也可使用NPN晶體管取代圖4的第二晶體管206。現在，參考圖6，將描述本發明第二示例性實施例中二次電池的 保護裝置的操作。MIT熱敏電阻204可感應到因內部短路、外部撞擊等而經受產生 熱或暴露在高溫環境下的鋰離子二次電池200的狀態。換句話說，當鋰離子二次電池200在預定溫度時產生熱且因此使得MIT熱敏電阻 204的電阻值被降低到預定電阻值時，MIT熱敏電阻204會從鋰離子二 次電池200向第二晶體管206的基極端子提供控制電流B。根據流過 MIT熱敏電阻204的控制電流13而導通第二晶體管206。當第二晶體管206導通時，鋰離子二次電池200的正極與負極短 路，因此使得鋰離子二次電池200的電流I4流過第二晶體管206。結 果，鋰離子二次電池200會被強制放電。如上所述，通過由MIT熱敏電阻204與第二晶體管206所簡單組 合而成的二次電池保護裝置202，本發明的第二示例性實施例可限制因 內部短路、外部撞擊等而經受產生熱或暴露在高溫環境下的鋰離子二 次電池200的燃燒或爆炸。現在，參考圖7，將描述本發明第三實施例的二次電池保護裝置。鋰離子二次電池300是與二次電池保護裝置302并聯，其中，二 次電池保護裝置302是由NTC熱敏電阻304與第一晶閘管306所組成。 NTC熱敏電阻304連接在鋰離子二次電池300的正極(+ )與第一晶閘 管306的柵極端子之間，而第一晶閘管306的負極與正極端子是分別 與鋰離子二次電池300的正極和負極連接。NTC熱敏電阻304具有高穩定性、生產率、電阻率、及溫度系數， 其溫度系數是金屬電阻的溫度系數的五到十倍，而且可輕易制成各種 形狀。NTC熱敏電阻304主要用作溫度檢測、溫度補償、液體水平檢 測、風速檢測、真空檢測、浪涌電流保護、延遲等的裝置，而目前最 廣泛被用為溫度傳感器。參考圖2更詳細地描述NTC熱敏電阻304的特性。當溫度增加時， 在NTC熱敏電阻304中，電阻會降低。電阻降低是與NTC熱敏電阻304的電阻系數有關。在圖2中，三種類型的NTC熱敏電阻304-R10K3000、 R10K4000及R10K8000具有不同的電阻系數，故而取決于 溫度的增加，其具有不同的電阻降低。在本發明中，可以選擇各種NTC 熱敏電阻中的一種或加入與如電阻等元件結合的電壓分配電路，以讓 第一晶閘管306在預定溫度時可以導通。第一晶閘管306是稱做硅控整流器(SCR),其具有三個端子 正極、負極、及柵極。當施加柵極信號時，在正負極間流動電流。相 反地，當不施加柵極信號時，正負極間不會有電流，而因此維持高電 壓。第一晶閘管306有四層結構，其包括P、 N、 P及N層，且其能承 受6000V或以上的電壓以及3000A或以上的控制電流。在此，參考圖8，其顯示出第一晶閘管306的特性，當預定柵極 電流Ig被施加在第一晶閘管306時，第一晶閘管306被導通，而因此 使得電流Ia在正負極之間流動。在圖7中，雖然第一晶閘管306是被描述作為開關元件使用，但 是也可使用依據預定的控制信號來短路或開路的任何開關元件。舉例 來說，對于本領域技術人員，其可清楚地知道，N型晶閘管、雙柵極 晶閘管、雙向晶閘管(TRIAC),柵極關斷(GTO)晶閘管等均可被 用作開關元件。現在，參考圖9與圖10，將描述本發明第三示例性實施例中二次 電池的保護裝置302的操作。NTC熱敏電阻304可感應到因外部環境的改變、內部短路、外部 撞擊等而使得鋰離子二次電池300經受產生熱或暴露在高溫環境下的 狀態。換句話說，當鋰離子二次電池300在預定溫度產生熱且因此使 得NTC熱敏電阻304的電阻值被降低到預定電阻值時，NTC熱敏電阻 304會從鋰離子二次電池300向第一晶閘管306的柵極端子提供控制電流II。根據流過NTC熱敏電阻304的控制電流II而導通第一晶閘管 306。當第一晶閘管306導通時，鋰離子二次電池300的兩個端子電極 短路，而因此使得鋰離子二次電池300的電流12流過第一晶閘管306。 結果，鋰離子二次電池300被強制放電。如上所述，通過由NTC熱敏電阻304與第一晶閘管306所簡單組 合而成的二次電池保護裝置302，本發明的第三示例性實施例可限制因 內部短路、外部撞擊等而經受產生熱或暴露在高溫環境下的鋰離子二 次電池300的燃燒或爆炸。現在，參考圖11，將描述本發明第四實施例的二次電池保護裝置。鋰離子二次電池400與二次電池保護裝置402并聯，其中，二次 電池保護裝置402是由MIT熱敏電阻404與第二晶閘管406所組成。 MIT熱敏電阻404連接在鋰離子二次電池400的正電極(+ )與第二晶 閘管406的柵極端子之間，而第二晶閘管406的正極與負極端子分別 與鋰離子二次電池400的負極與正極連接。參考圖5更詳細地描述MIT熱敏電阻404的特性。在MIT熱敏電 阻404中，電阻在預定溫度時會驟降。電阻驟降點是與MIT熱敏電阻 404的電阻系數相關。換句話說，由于MIT熱敏電阻404的電阻系數 會因其類型而變化，因此電阻驟降時的溫度也會不同。在本發明中， 從各種MIT熱敏電阻中任選一種，以使得第二晶閘管406在預定溫度 時可以導通。在圖11中，第二晶閘管406雖被描述作為開關元件，但是對于本 領域技術人員來說，其可清楚地知道，也可使用依據預定的控制電流 短路或開路的任何開關元件。現在，參考圖12與圖13，將描述本發明第四示例性實施例中二 次電池保護裝置402的操作。MIT熱敏電阻404可感應到因外部環境的改變、內部短路、外部 撞擊等而使得鋰離子二次電池400經受產生熱或暴露在高溫環境下的 狀態。換句話說，當鋰離子二次電池400在預定溫度時產生熱且因此 使得MIT熱敏電阻404的電阻值被降低到預定電阻值時，MIT熱敏電 阻404從鋰離子二次電池400向第二晶閘管406的柵極端子提供柵極 電流13。根據流過MIT熱敏電阻404的柵極電流13而導通第二晶閘管 406。當第二晶閘管406導通時，鋰離子二次電池400的兩個端子會短 路，而因此使得鋰離子二次電池400的電流14流過第二晶閘管406。 結果，鋰離子二次電池400會被強制放電。如上所述，通過由MIT熱敏電阻404與第二晶閘管406所簡單組 合而成的二次電池保護裝置402，本發明的第四示例性實施例可限制因 內部短路、外部撞擊等而產生熱或暴露在高溫環境下的鋰離子二次電 池400的燃燒或爆炸。工業實用性如上所述，依據本發明，當鋰離子二次電池經受產生熱或暴露在 高溫環境時，其會放電。因此，使用者在使用鋰離子二次電池時可避 免其燃燒或爆炸。進一步，本發明的鋰離子二次電池并非限制提供充電電流以防止 熱的產生，而是當經受產生熱或暴露在高溫環境下時放電。因此，即 使當在充電狀態的鋰離子二次電池經受產生熱或暴露在高溫環境下 時，也可以限制其燃燒或爆炸。上述實施例僅是為了方便說明而舉例而已，本發明所主張的權力 范圍自應以權利要求范圍所述為準，而非僅限于上述實施例。
權利要求
1.一種保護二次電池的裝置，該裝置包括溫度傳感器，用以檢測該二次電池的溫度，并依據檢測到的溫度產生控制電流；以及開關元件，用以連接該二次電池的兩個端子，并依據該控制電流強制將該二次電池放電。
2. 如權利要求l所述的裝置，其中該開關元件連接到該二次電池的正極與負極，并在提供控制電流 時連接該二次電池的兩個電極；以及該溫度傳感器檢測該二次電池的溫度，而且當檢測到的溫度比預 定溫度高時，提供該控制電流給該開關元件。
3. 如權利要求l所述的裝置，其中，該溫度傳感器包括負溫度系 數(NTC)熱敏電阻或金屬絕緣體相變(MIT)熱敏電阻。
4. 如權利要求l所述的裝置，其中-該開關元件包括晶體管；以及該溫度傳感器包括負溫度系數(NTC)熱敏電阻或金屬絕緣體相 變(MIT)熱敏電阻，其一端與該二次電池的負極連接，而其另一端與 該晶體管的基極端子連接。
5. —種保護二次電池的裝置，該裝置包括晶閘管，其具有分別與該二次電池的兩個端子連接的正極與負極， 并在提供柵極電流時，使二次電池的兩個端子短路；以及溫度傳感器，用以檢測該二次電池的溫度，并在檢測到的溫度高 于預定溫度時，提供該柵極電流給該晶閘管。
6. 如權利要求5所述的裝置，其中，該溫度傳感器包括負溫度系數(NTC)熱敏電阻或金屬絕緣體相變(MIT)熱敏電阻。
7. 如權利要求5所述的裝置，其中該晶閘管包括下列中的任意一 種硅控整流器(SCR) 、 N型晶閘管、雙柵極晶閘管、雙向晶閘管(TRIAC)、以及柵極關斷(GTO)晶閘管。
8. 如權利要求7所述的裝置，其中該溫度傳感器是熱敏電阻，其 一端連接到該二次電池的負極，而其另一端連接至該晶閘管的柵極端 子。
9. 一種二次電池，其包括權利要求1至8中任意一項所述的裝置。
全文摘要
本發明是有關于一種二次電池保護裝置，其中，當二次電池如鋰離子二次電池因外部環境的改變、外部撞擊等原因而暴露在超過工作范圍的高溫下，或因內部故障而自動產生熱時，二次電池會放電。裝置包括晶閘管或晶體管，其具有正極與負極，分別連接至二次電池的兩個端子，而且當有柵極電流時，其會將二次電池的兩個端子短路，以及包括溫度傳感器，用以檢測二次電池的溫度，并在檢測到的溫度比預定的溫度高時，提供柵極電流給晶閘管。因此，當二次電池因外部環境的改變、外部撞擊使得二次電池溫度增加，或因內部故障、過度充電等原因使得電池產生熱時，二次電池會放電至安全狀態，以避免二次電池膨脹、燃燒或爆炸，而增加其安全性。
文檔編號H01M2/34GK101228651SQ200680026512
公開日2008年7月23日 申請日期2006年7月20日 優先權日2005年7月20日
發明者崔相勛, 張誠均, 曹正柱, 李在憲, 李濬煥, 河秀玹 申請人:株式會社Lg化學