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CN104303336B - 用于二次电池的连接元件和包括连接元件的电池模块和电池组 - Google Patents

用于二次电池的连接元件和包括连接元件的电池模块和电池组 Download PDF

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CN104303336B CN201280072572.XA CN201280072572A CN104303336B CN 104303336 B CN104303336 B CN 104303336B CN 201280072572 A CN201280072572 A CN 201280072572A CN 104303336 B CN104303336 B CN 104303336B
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Abstract

根据本发明，二次电池连接元件被布置在流过二次电池的电流的路径上，将部件电连接在一起，并且具有：第一金属板，该第一金属板具有第一突出部件，该第一突出部件被形成为邻接一个侧端部分的在厚度方向上的中央部分；第二金属板，该第二金属板被定位成与第一金属板间隔开并在其间留有间隙，并且具有第二突出部分，该第二突出部分被形成为邻接一个侧端部分的在厚度方向上的中央部分并且与第一突出部件相对；以及合金桥接部，该合金桥接部由比第一金属板和第二金属板熔点低的合金材料制成，并且填充所述间隙。根据本发明，能够确保使用二次电池时的安全性，当二次电池连接部件被应用时引起的电阻的增加能够被最小化，并且即使在二次电池连接部件被用作相对厚的部件时也能够快速地断开。

Description

用于二次电池的连接元件和包括连接元件的电池模块和电 池组
技术领域
本发明涉及一种二次电池，并且更加特别地，涉及一种可以提高二次电池的安全性的用于二次电池的连接元件，和包括该连接元件的电池模块和电池组。
本申请要求于2012年8月2日在韩国提交的韩国专利申请No.10-2012-0084944的优先权，其全部内容通过引用被合并在此。
本申请要求于2012年12月21日在韩国提交的韩国专利申请No.10-2012-0150600的优先权，其全部内容通过引用被合并在此。
背景技术
当便携式电子产品诸如视频相机、便携式电话以及便携式PC被更加积极地使用时，通常被用作这样的便携式电子产品的驱动源的二次电池的重要性日益增加。
不同于不可以被充电的原电池，二次电池允许充电和放电并且在高科技产业诸如数码相机、蜂窝电话、膝上型计算机、电动工具、电动自行车、电动车辆、混合动力车辆、大容量蓄电装置等中被积极地研究。
特别地，锂二次电池获得使用，这是因为与其它现有二次电池诸如铅蓄电池、镍镉电池、镍氢电池、镍锌电池等相比较，它具有每单位重量的高能量密度且允许快速充电。
锂二次电池具有3.6V或者以上的工作电压且被用作便携式电子装置的电源。在其它情况下，多个电池被串联地和/或并联地连接且被用于高功率电动车辆、混合动力车辆、电动工具、电动自行车、蓄电装置、UPS等。
与镍镉电池或者镍金属氢电池相比较，锂二次电池具有三重工作电压，并且由于每单位重量的高能量密度而被越来越多地使用。
取决于电解质的种类，锂二次电池可以被分类成使用液体电解质的锂离子电池和使用固体电解质的锂离子聚合物电池。另外，取决于聚合物固体电解质的种类，锂离子聚合物电池可以被分类成不包含电解质的全固体锂离子聚合物电池和使用包含电解质的凝胶式聚合物电解质的锂离子聚合物电池。
使用液体电解质的锂离子电池大多使用柱形或者矩形金属罐作为容器并且通过焊接被密封在其中。使用这种金属罐作为容器的罐式二次电池具有固定的形状并且从而限制使用电池作为电源的电子产品的设计。另外，难以减小产品的体积。因此，已经开发和使用袋型二次电池，通过将电极组件和电解质放入由膜制成的袋封装中并且然后对其进行密封来制备该袋型二次电池。
然而，当过热时锂二次电池可能爆炸，并且因此确认安全性的问题是至关重要的。锂二次电池可由于各种因素而过热，其中的实例是超过极限的过电流流过锂二次电池的情况。如果过电流流动，则锂二次电池产生焦耳热并且从而电池的内部温度快速地增加。另外，温度的快速增加引起电解质的分解反应和热失控，这可能导致电池的爆炸。当锋利的金属物质刺穿锂二次电池时，当由于介于阴极和阳极之间的分隔物的收缩而破坏了在阴极和阳极之间的绝缘时，当由于异常的充电电路或者被连接到外侧的负载而使冲击电流施加到电池时等，可能发生过电流。
因此，锂二次电池被联接到保护电路以便于保护电池免于异常状态诸如过电流的发生。保护电路通常包括熔断元件，当过电流发生时该熔断元件不可逆地断开充电或者放电电流流过的线路。
图1是用于图示在的保护电路中采用的熔断元件的布置和操作机制的电路图，该保护电路被联接到包括锂二次电池的电池组。
如在图1中所示，保护电路包括：熔断元件1；感测电阻器2，该感测电阻器2用于感测过电流；微处理器3，该微处理器3用于监控过电流的发生并且当过电流发生时操作熔断元件1；以及开关4，该开关4用于切换向熔断元件1的工作电流的流动。
熔断元件1被安装到被连接到电池组的最外面的端子的主线。主线表示充电电流或者放电电流流过的电线。在图1中，描述了熔断元件1被安装在高电势线(Pack+)处。
熔断元件1是三端子元件，其中两个端子被连接到充电或者放电电流流过的主线，并且一个端子被连接到开关4。另外，熔断元件包括：熔丝1a，该熔丝1a被串联地连接到主线并且在特定的温度下断开；以及电阻器1b，该电阻器1b用于将热施加到熔丝1a。
微控制器3通过定期地检测在感测电阻器2的两端处的电压来监控过电流的发生，并且在确定过电流发生的情况下微控制器3接通开关4。在这样的情况下，流过主线的电流通过旁通而流到熔断元件1且被施加到电阻器1b。因此，在电阻器1b处产生的焦耳热被传导到熔丝1a以升高熔丝1a的温度。如果熔丝1a的温度增加到熔化温度，则熔丝1a被熔化以不可逆地切断主线。如果主线被切断，则过电流不再流动，这解决了由过电流引起的问题。
然而，上述技术具有数个问题。例如，如果微控制器3故障，则即使过电流出现，开关4也没有接通。在这样的情况下，电流没有被施加到熔断元件1的电阻器1b，并且因此熔断元件1不工作。另外，用于布置熔断元件1的空间应被单独地设置在保护电路中，并且用于控制熔断元件1的操作的程序算法应被加载在微控制器3上。因此，保护电路的空间效率劣化，并且微处理器3的负载增加。
发明内容
技术问题
本公开被设计成用以解决现有技术的问题，并且因此本公开涉及提供一种用于二次电池的新的连接元件，该连接元件被要求独立于保护电路的过电流中断功能地向二次电池提供过电流中断功能，本公开还涉及提供包括该连接元件的电池模块和电池组。
技术方案
在本公开的一个方面中，提供一种用于二次电池的连接元件，该连接元件被安装在流过二次电池的电流的路径上以将部件电连接，该连接元件包括：第一金属板，该第一金属板具有第一突起，该第一突起被形成为在第一金属板的一个侧端处从第一金属板的厚度方向的中央部分突出；第二金属板，该第二金属板被定位成与第一金属板隔开并且在其间形成有间隙，并且该第二金属板具有第二突起，该第二突起被形成为在第二金属板的一个侧端处从第二金属板的厚度方向的中央部分突出并且面对第一突起；以及合金桥接部，该合金桥接部由熔点比第一金属板和第二金属板的熔点低的合金材料制成并且被形成为填充所述间隙。
第一金属板和第二金属板可以被平行地定位在相同的平面上。
合金桥接部的表面可以构成与第一金属板和第二金属板的表面相同的平面。
第一突起和第二突起可以被形成为使得其彼此面对的表面彼此平行。
第一突起和第二突起的彼此面对的表面可以在相反的方向上倾斜。
第一突起和第二突起的彼此面对的表面可以被成凸状地形成以朝着彼此突出。
第一突起和第二突起的彼此面对的表面中的每一个表面可以具有矩形形状或者圆形形状。
合金桥接部可以由包含锡和铜的无铅材料制成。
基于无铅合金的总重量，锡的含量可以是80至98wt％并且铜的含量可以是2至20wt％。
无铅合金可以进一步包括从由镍、锌以及银组成的组中选出的至少一种附加的金属。
基于无铅合金的总重量，附加的金属的含量可以是0.01至10wt％。
无铅合金可以具有100℃至250℃的熔点。
在本公开的另一方面中，还提供一种电池模块，该电池模块包括：多个单元电池，该多个单元电池被彼此电连接；外壳，该外壳用于容纳单元电池；外部端子，该外部端子从外壳突出到外部；以及汇流条，该汇流条用于将单元电池连接到外部端子，其中汇流条是根据本公开的用于二次电池的连接元件。
在本公开的另一方面中，还提供一种电池组，该电池组包括多个电池模块和内部汇流条，该内部汇流条用于电连接电池模块，其中内部汇流条是根据本公开的用于二次电池的连接元件。
有益效果
根据本公开的一个方面，如果因为保护电路没有正常地操作而使过电流流过二次电池，则被安装在二次电池的电流路径上的用于二次电池的连接元件快速地断开以确保使用中的二次电池的安全性。
根据本公开的另一方面，能够最小化通过应用用于二次电池的连接元件引起的电阻的增加。
根据本公开的另一方面，尽管被应用于二次电池的连接元件具有相对大的厚度，但是能够充分地确保针对过电流的安全性。
附图说明
附图图示了本公开的优选实施例，并且连同前述的公开一起用于提供对于本公开的技术精神的进一步理解。然而，本公开不被解释为受到附图的限制，在附图中：
图1是用于图示在被联接到电池模块的保护电路中采用的熔断元件的布置和操作机制的电路图；
图2是示出根据本公开的实施例的用于二次电池的连接元件的平面图；
图3是示出沿着图2的线X-X’截取的用于二次电池的连接元件的横截面图；
图4至图6是示出图3中描述的用于二次电池的连接元件的变型的横截面图；
图7是示出根据本公开的电池模块的透视图；
图8和图9是示出根据本公开的电池组的透视图；以及
图10是示出根据本公开的对于电池组的短路试验结果的曲线图。
具体实施方式
在下文中，将会参考附图详细地描述本公开的优选实施例。在描述之前，应理解的是，在说明书和所附权利要求书中使用的术语不应被解释为限制于通常的和字典的意思，而是基于允许发明人为了最佳地解释适当地定义术语的原理基于与本公开的技术方面相对应的意义和概念进行解释。因此，在此提出的描述仅是为了说明目的优选的实例，而不是旨在限制本公开的范围，因此应理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下可以对其实施其它的等价物和变型。
将会参考图2至图6描述根据本公开的实施例的用于二次电池10的连接元件。
图2是示出根据本公开的实施例的用于二次电池的连接元件的平面图，图3是沿着图2的线X-X’截取的用于二次电池的连接元件的横截面图，并且图4至图6是示出图3中描述的用于二次电池的连接元件的变型的横截面图。
参考图2至图6，根据本公开的用于二次电池的连接元件10包括第一金属板11、第二金属板12以及合金桥接部13。
第一金属板11和第二金属板12是薄板状的金属，并且在该第一金属板11和第二金属板12之间形成有间隙的情况下平行地位于相同的平面上。
第一金属板11包括第一突起11a，该第一突起11a被形成为在第一金属板11的一个侧端处从该第一金属板11的厚度方向的中央突出，第二金属板12包括第二突起12a，该第二突起12a被形成为在该第二金属板12的一个侧端处从该第二金属板12的厚度方向的中央在大体竖直的方向上突出。在此，第二突起12a面对第一突起11a。
突起11a、12a的高度H和宽度W对用于二次电池的连接元件10的特性，诸如导电性、针对过电流的安全性(容易断开)以及拉伸强度具有影响。
例如，当形成合金桥接部13的宽度，即，结合区域A的宽度，被恒定地固定时，如果高度H增加，则部件的导电性变得更加优异但是针对过电流的安全性和拉伸强度劣化。类似地，如果结合区域A的宽度被恒定地固定，如果宽度W增加，则部件的导电性劣化但是针对过电流的安全性和拉伸强度趋向于更加优异。
在另一观点中，当一对突起11a、12a之间的距离被恒定地固定时，如果高度H增加，则部件的导电性减小但是针对过电流的安全性和拉伸强度被提高。类似地，当一对突起11a、12a之间的距离被恒定地固定时，如果宽度W增加，则部件的导电性被提高但是针对过电流的安全性和拉伸强度趋向于劣化。
这是因为，与被用于合金桥接部13的合金相比较，在金属板11、12中使用的金属具有更加优异的导电性，但是也具有更高的金属熔点和较差的延展性。因此，通过适当地调节突起11a、12a的高度H和宽度W，能够获得用于二次电池的连接元件10，其具有优异的特性并且当过电流流过时可以快速地断开。
突起11a、12a的面对表面S1、S2可以具有各种形状。换言之，面对表面S1、S2可以被形成为具有与金属板11、12的长度方向大体上垂直并且彼此平行(参见图3)的平面或者具有在相对的方向上倾斜的平面(参见图4)。另外，面对表面S1、S2可以被形成为凸状的从而以矩形形状(参见图5)或者圆形形状(参见图6)朝着彼此突出。
同时，尽管已经基于在图2至图6中描述的结构描述了突起11a、12a的面对表面S1、S2的形状，但是本公开不限于此。换言之，面对表面S1、S2可以具有各种形状，例如，在相同的方向上倾斜，朝着金属板11、12的内部凹进地下陷或者具有山和谷的重复。
金属板11、12通常由铜(Cu)或者铝(Al)制成，但是本公开的金属板11、12的材料不限于此，并且可以应用各种导电的金属材料。
材料的种类可以取决于被联接到金属板11、12的部件的材料而变化。换言之，金属板11、12可以由与被联接的部件相同的材料制成，这在提高焊接性和最小化接触电阻方面可以是有利的。取决于被联接的部件的材料，第一金属板11和第二金属板12也可以由不同的金属材料制成。
合金桥接部13由熔点比金属板11、12低的合金材料制成并且填充形成在金属板11、12之间的间隙。合金桥接部13的表面可以构成与第一金属板11和第二金属板12的表面相同的平面，使得当过电流在用于二次电池的连接元件10处流过时合金桥接部13可以被快速地熔化。
被用于合金桥接部13的合金具有大约100℃至250℃的熔点，其比金属板11、12的熔点低，并且由无铅合金制成，该无铅合金包含锡(Sn)和铜(Cu)作为主要成分并且不包含对环境和人类身体有害的铅(Pb)。
考虑到要被中断的过电流的水平来设置用于合金桥接部13的合金的熔点范围。如果合金的熔点低于100℃，则当正常的电流在应用了连接元件10的二次电池处流动时合金可能被熔化。另外，如果合金的熔点高于250℃，则合金不能被快速地熔化并且因此不能够有效地中断过电流。
在合金的成分当中，锡对合金的熔点和拉伸强度具有影响。锡的含量被调节为是大约80wt％或者以上，优选地在大约85至98wt％的范围内，使得合金可以具有大约100至250℃的熔点和良好的拉伸强度。铜提高了合金的导电性。如果考虑此功能，在大约2至20wt％的范围中，优选地在大约4至15wt％的范围中调节铜的含量。在此，贯穿本说明书，wt％是基于被用于合金桥接部13的合金的总重量的单位。
如果锡和铜的含量被调节以处于如上所述的适当的范围中，则被用于合金桥接部13的合金可以具有良好的拉伸强度，并且由合金桥接部13引起的用于二次电池的连接元件10的电阻的增加可以被控制以下降数个百分点。
合金桥接部13可以进一步包括具有良好的导电性的金属诸如镍(Ni)、银(Ag)、锌(Zn)等作为除了锡和铜之外的附加的合金成分以便于具有改善的属性。与合金的总重量相比较，附加的合金成分的含量优选是大约0.01至10wt％。
如上所述，用于二次电池的连接元件10具有双重结构，在该双重结构中，具有相对优异的导电性的金属和具有相对低的熔点的合金被组合，从而同时确保优异的导电性和针对过电流的快速的断开。
另外，因为用于二次电池的连接元件10具有突起11a、12a，该突起11a、12a被分别形成为在金属板11、12上从金属板11、12的在厚度方向上的中央突出，所以尽管连接元件10被用作相对厚的部件诸如汇流条或者内部汇流条，但是仍然可以确保充分的熔断效果。
换言之，如果用于二次电池的连接元件10厚度大，则通过熔断不可能优选地断开连接元件。然而，因为突起11a、12a的高度H和宽度W被适当地调节以在可容许范围内最大化结合区域A中的电阻值，所以可以提供充分的熔断效果同时最小化对其它属性(拉伸强度、导电性等等)的破坏(参见图3)。
接下来，将会参考图7描述根据本公开应用了用于二次电池的连接元件10的电池模块M。
图7是示出根据本公开的电池模块的透视图。
参考图7，根据本公开的电池模块M包括：多个单元电池(未示出)，所述多个单元电池被串联地和/或并联地连接；外壳20，该外壳20用于容纳单元电池；以及外部端子30，该外部端子30被暴露在外壳20外部；以及汇流条10，该汇流条10用于将单元电池连接到外部端子30。
换言之，通过提供应用了根据本公开的用于二次电池的连接元件10的汇流条，电池模块M可以有效地中断过电流并防止电路上的电阻值过度地增加。
特别地，如果多个单元电池被串联地连接，则可能进一步扩大由过电流引起的危险和由电阻的增加引起的功率损耗。然而，通过将突起11a、12a的高度H和宽度W被适当地调节的用于二次电池的连接构件10用作汇流条，可以同时确保针对过电流和低电阻的安全性。
接下来，将参考图8和图9描述根据本公开的应用了用于二次电池的连接元件10的电池组P。
图8和图9是示出根据本公开的电池组的透视图。
参考图8和图9，根据本公开的电池组P包括多个电池模块和内部汇流条10，该内部汇流条10用于串联地和/或并联地连接所述多个电池模块。内部汇流条10连接彼此相邻的电池模块的汇流条(参见图8)或者连接外部端子(参见图9)使得电池模块彼此电连接。
换言之，通过提供应用了根据本公开的用于二次电池的连接元件10的内部汇流条，电池组P可以有效地中断过电流并且防止电路上的电阻值过度地增加。
特别地，如果多个电池模块被串联地连接，则可以进一步扩大由过电流引起的危险和由电阻的增加引起的功率损耗。然而，通过将根据本公开的用于二次电池的连接构件10用作内部汇流条，可以同时确保针对过电流和低电阻的安全性。
同时，电池组P中的电池模块可以是如下电池模块：根据本公开的用于二次电池的连接元件10被用作汇流条的电池模块M；或者应用了通用汇流条的电池模块。
图10是对于应用了根据本公开的用于二次电池的连接元件10的电池组P的短路试验结果。在试验中，在电池组P的连接两个电池模块的两个端子之间产生短路，并且然后测量应用了用于二次电池的连接元件10的内部汇流条断开的时间。
曲线图示出在由于出现短路而出现过电流时的点(当试验开始之后已经经过了2秒钟的点)之后电流流动大约2秒钟中断。因此，可以理解当过电流发生时根据本公开的用于二次电池的连接元件10快速地断开。
已经详细地描述了本公开。然而，应理解的是，详细的描述和特定的实例在指示本公开的优选实施例的同时仅以说明的方式给出，这是因为根据该详细的描述在本公开的精神和范围内的各种变化和变型对于本领域的技术人员来说将会变得显而易见。

Claims (13)

1.一种用于二次电池的连接元件，所述连接元件被安装在流过所述二次电池的电流的路径上以将部件电连接，所述连接元件包括：
第一金属板，所述第一金属板具有第一侧端和第一突起，所述第一突起被形成为从所述第一侧端的中央部分在竖直方向上突出；
第二金属板，所述第二金属板与所述第一金属板隔开间隙，所述第二金属板具有第二侧端和第二突起，所述第二突起被形成为从所述第二侧端的中央部分在竖直方向上突出并且构造为面对所述第一突起；以及
合金桥接部，所述合金桥接部由熔点比所述第一金属板和所述第二金属板的熔点低的合金材料制成，并且被形成为填充所述间隙，使得所述合金桥接部的合金材料符合所述第一突起和所述第二突起的轮廓。
2.根据权利要求1所述的用于二次电池的连接元件，
其中，所述第一金属板和所述第二金属板被平行地定位在相同的平面上。
3.根据权利要求2所述的用于二次电池的连接元件，
其中，所述合金桥接部的表面构成与所述第一金属板和所述第二金属板的表面相同的平面。
4.根据权利要求1所述的用于二次电池的连接元件，
其中，所述第一突起和所述第二突起被形成为使得所述第一突起和所述第二突起的彼此面对的表面彼此平行。
5.根据权利要求1所述的用于二次电池的连接元件，
其中，所述第一突起和所述第二突起的彼此面对的表面在相反的方向上倾斜。
6.根据权利要求1所述的用于二次电池的连接元件，
其中，所述第一突起和所述第二突起的彼此面对的表面被成凸状地形成以朝着彼此突出。
7.根据权利要求6所述的用于二次电池的连接元件，
其中，所述第一突起和所述第二突起的彼此面对的表面中的每一个表面具有矩形形状或者圆形形状。
8.根据权利要求1所述的用于二次电池的连接元件，
其中，所述合金桥接部由包含锡和铜的无铅材料制成。
9.根据权利要求8所述的用于二次电池的连接元件，
其中，基于无铅合金的总重量，所述锡的含量是80至98wt％并且所述铜的含量是2至20wt％。
10.根据权利要求9所述的用于二次电池的连接元件，
其中，所述无铅合金进一步包括从由镍、锌以及银组成的组中选出的至少一种附加的金属。
11.根据权利要求1所述的用于二次电池的连接元件，
其中，无铅合金具有100℃至250℃的熔点。
12.一种电池模块，所述电池模块包括：多个单元电池，所述多个单元电池彼此电连接；外壳，所述外壳用于容纳所述单元电池；外部端子，所述外部端子突出到所述外壳的外部；以及汇流条，所述汇流条用于将所述单元电池连接到所述外部端子，
其中，所述汇流条是根据权利要求1至11中的任一项所述的用于二次电池的连接元件。
13.一种电池组，所述电池组包括多个电池模块和用于电连接所述电池模块的内部汇流条，
其中，所述内部汇流条是根据权利要求1至11中的任一项所述的用于二次电池的连接元件。
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