CN106207980A - 二次电池 - Google Patents

Abstract

一种二次电池包含电池单元、至少一PTC温度传感元件及负载开关。电池单元由一电池壳体包覆。至少一PTC温度传感元件位于该电池壳体的主要表面，以有效感测该电池单元的温度。负载开关连接该电池单元和负载，且根据该PTC温度传感元件的电阻变化，决定该电池单元和负载间为电气导通或断路状态。当PTC温度传感元件的电阻值于特定温度变化范围或单位时间内增加至一临界倍数以上时，负载开关接收一控制信号而切换为断路状态。

Description

二次电池

技术领域

本发明关于一种二次电池，特别是关于一种具过温度保护功能的二次电池。

背景技术

电池在日常生活中被广泛运用，尤其是可充放电重复使用的二次电池，更是被大量使用在电子产品上，特别是应用于例如手机等行动装置。因为锂二次电池具有比传统镍镉电池或传统镍氢电池更高的电压及对于锂二次电池可增加充放电周期的数目，所以锂二次电池的需求大幅增加。就电池的外部形状而论，因为矩形电池具有较小厚度，因此矩形电池容易应用于各种产品，如手机、数码相机等。就材质而论，因为锂二次电池具有高能源密度及放电电压，因锂二次电池有相当广泛的应用范围。

虽然锂二次电池比传统镍镉电池或镍氢电池具有更多优点，但当电池过充时或当电池处于高温状态时，因电池内部压力的增加，电池壳体可能胀大、变形，例如：因为温度或压力所导致的变形而造成电池隔离膜破裂、短路，或者是电池内部累积的气体所产生的电池变形。当变形更严重时可能造成电池的爆裂和烧毁。

为了解决上述问题，已出现利用机械感测、压电传感器、应变规等技术来检测电池过温度或膨胀的情形。电池过温度和膨胀变形这样的潜在性问题，往往会在很短的时间造成无法挽回的危险发生，因此必须考量增加感测的灵敏度，以及是否可准确、有效且及时感测过温度的发生，而提供高效率的解决方案。

发明内容

本发明公开一种具过温度保护功能的二次电池，可有效感测二次电池的温度变化，当过温度时可切断二次电池的电源，避免电池过度膨胀，甚至造成爆炸或烧毁。本发明利用PTC热敏电阻作为温度传感元件，并搭配优化的设置位置，可提升感测的精确度和灵敏度，以提供准确和及时的过温度保护。

本发明公开一种二次电池，以提供电源给一负载。二次电池包含电池单元、至少一PTC温度传感元件及负载开关。电池单元由一电池壳体包覆。至少一PTC温度传感元件位于该电池壳体的一主要表面，以有效感测该电池单元的温度。前述接触包含实质物理接触，亦包含之间填入导热膏或其他导热材料的情况。负载开关连接该电池单元和负载，且根据该PTC温度传感元件的电阻变化，决定该电池单元和负载间为电气导通或断路状态。当PTC温度传感元件的电阻值于特定温度变化范围或单位时间内增加至一临界倍数或以上时，负载开关接收一控制信号而切换为断路状态。

一实施例中，该PTC温度传感元件设置于该主要表面的中央区域。

一实施例中，该中央区域所占面积为电池壳体的该主要表面的20％～40％。

一实施例中，该电池单元为方形、矩形或圆形结构，且该主要表面为电池壳体的最大表面。

一实施例中，该PTC温度传感元件为包含串联的多个PTC热敏电阻的长条状元件，且沿该电池壳体的对角线设置。

一实施例中，二个PTC温度传感元件均为包含串联的多个PTC热敏电阻的长条状元件，且分别沿该电池壳体的二个对角线交叉设置。

一实施例中，二个PTC温度传感元件包含共用的PTC热敏电阻。.

一实施例中，该特定温度变化范围为温度上升3℃～5℃，该临界倍数为10倍。

一实施例中，该单位时间为0.5～50ms(毫秒)，该临界倍数为10倍。

一实施例中，该PTC温度传感元件包含至少一个PTC热敏电阻，其可为高分子聚合物型PTC热敏电阻。

一实施例中，该PTC热敏电阻的触发温度在60～90℃范围。

一实施例中，该负载开关为负载开关IC，该PTC温度传感元件连接至该负载开关IC的控制接脚。

一实施例中，二次电池另包含控制单元。该控制单元连接该PTC温度传感元件，以感测该PTC温度传感元件的电阻变化，从而发出该控制信号至该负载开关IC。例如：该负载开关IC可为如PMOS晶体管的常闭型开关，当PTC温度传感元件感测到该PTC温度传感元件的电阻急遽增加时，发出高电平信号，使该负载开关IC形成断路。

因为一般电池单元热量会集中于中央区域，本发明一实施例中将PTC温度传感元件设置于中央区域可有效感应该电池单元的温度变化。即便电池单元或因设计和制造上的差异，使得最高温处不在中央区域，本发明另一实施例亦可将长条状的PTC温度传感元件分布于该电池单元的对角线，而提供有效且全面的温度感测效果。藉由准确和及时的过温度的感测，可避免过温度所造成的过度膨胀，进而防止电池烧毁或爆炸等事件，而提高产品使用上的安全性。

附图说明

图1A和图1B显示本发明第一实施例的二次电池立体示意图；

图2显示本发明第二实施例的二次电池示意图；

图3显示本发明第三实施例的二次电池示意图；

图4显示本发明的二次电池的电路示意图；

图5显示本发明一实施例的二次电池的电路方块示意图；以及

图6显示本发明另一实施例的二次电池的电路方块示意图。

【符号说明】

10、20、30 二次电池

11、41、51 电池单元

12 正电极

13 负电极

14、21、31、32、54 PTC温度传感元件

15 电池壳体

42、52 负载开关

43、53 负载

55 控制单元

101、102 表面

103 中央区域

211、311 PTC热敏电阻

具体实施方式

为让本发明的上述和其他技术内容、特征和优点能更明显易懂，下文特举出相关实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

根据本发明的一实施例，其公开一种具有电池膨胀检测机制的二次电池。图1A显示一实施例的具有电池膨胀检测机制的二次电池10的立体示意图，图1B则显示二次电池10的上视图。二次电池10包含由电池壳体15包覆的电池单元11，以及从电池单元11前端突出的正电极12和负电极13。电池单元11可为矩形结构，正电极12和负电极13亦可为其他型式以连接至保护电路模块(Protective Circuit Module)(图未示)。电池壳体15的主要表面101和102位于相对侧，其亦为电池壳体15的最大表面。本实施例将PTC温度传感元件14设置于表面101的中央区域103，该中央区域103所占面积为主要表面101面积的20～40％，例如25％、30％或35％。如图1B所示，PTC温度传感元件14可以导线连接外部感测及控制电路，当PTC温度传感元件14的电阻值增加至一临界值以上或超过一临界倍数时，即表示电池壳体15表面中央区域的温度上升至过温度状态，必须及时截断电流以提供电池保护。在实际操作时，电池单元11受热膨胀通常以中央区域103最为明显，且以中央区域103会有最多的热量累积，而显示较高的温度。因此本发明将PTC温度传感元件14设置于主要表面101的中央区域103，使其可更精准且敏锐地感测电池单元11的温度。

惟，电池制作时有可能品质不一，使得可能发生最热的地方并不是发生在电池中央区域，而是发生在其他较靠近边缘部位。如此一来，可能使得图1A和1B所示的PTC温度传感元件14的配置方式无法达到准确检测异常温度或膨胀的情况。

图2显示另一实施例的布局方式，二次电池20利用串联PTC热敏电阻211沿电池壳体15的右上至左下对角线设置。更确切而言，电池壳体15的主要表面101沿对角线设置长条状的PTC温度传感元件21。PTC温度传感元件21物理接触该电池壳体15的主要表面101，且包含串联的多个PTC热敏电阻211。多个PTC热敏电阻211大致平均等间隔分布于对角线，其中3个PTC热敏电阻211位于中央区域103内。在实际应用上，因通常电池壳体15的主要表面101的中央区域103的温度最高，PTC温度传感元件21必须包含至少一个位于中央区域103中的PTC热敏电阻211，以确保感温的灵敏度和正确性。

参照图3，二次电池30中，电池壳体15的主要表面101上沿一个对角线(右上至左下)设置PTC温度传感元件31，另一个对角线(左上至右下)则另外设置PTC温度传感元件32。申言的，PTC温度传感元件31和32分别沿该电池壳体的二个对角线交叉设置。PTC温度传感元件31包含串联的多个PTC热敏电阻311，大致平均等间隔分布于该对角线，其中包含3个位于中央区域103内的PTC热敏电阻311。PTC温度传感元件32亦包含串联的多个PTC热敏电阻311，大致平均等间隔分布于该对角线，其中包含3个位于中央区域103内的PTC热敏电阻311。在实际应用上，因通常电池壳体15的主要表面101的中央区域103的温度最高，PTC温度传感元件31和32必须包含至少一个位于中央区域103中的PTC热敏电阻311，以确保感温的灵敏度和正确性。一实施例中，PTC温度传感元件31和PTC温度传感元件32可为各自独立的元件。一实施例中，可将PTC温度传感元件31和PTC温度传感元件32串联，形成整个温度感测模块，利用检测整体电阻变化判断是否为温度异常。另一实施例中，可共用其最中央的PTC热敏电阻311，如此可依需求连接任何两外接端，可进行对角线或V字型PTC热敏电阻311连接布局。此外，亦可将二个PTC温度传感元件设置成十字交叉型(图未示)，而仍为本发明的技术内容所涵盖。

除以上述实施例的方形或矩形的电池形状或电池模块外，亦有可能应用于圆形电池(例如18650型式)，只要PTC温度传感元件或温度感测模块的设置可有效感测电池或电池模块的温度，即可将本发明的技术加以应用。此外，除了对角线或V字型PTC热敏电阻的分布设计外，亦可以阵列方式将多个PTC热敏电阻串联且平均分布设置于电池壳体的主要表面，以更加全面的方式检测电池温度。

PTC温度传感元件21和PTC温度传感元件31、32可利用软性电路板制作，或可利用PTC油墨方式(PTC ink)制作其中的PTC热敏电阻121。若采软性电路板设计，可另外延伸凸出于电池单元11的部分，作为协助电池单元自机壳取出的塑胶片，而提供额外的辅助拆卸电池的功能。

图4显示本发明的二次电池搭配其负载的电路示意图。电池单元41和负载43间设置有负载开关(load switch)42，用以导通或切断电池41至负载43间的电路。当负载开关42接收PTC温度传感元件的信号，根据该信号的高电平或低电平，决定负载开关42为导通或断路状态。负载开关42可为例如pnp晶体管或PMOS场效晶体管的常闭型(normally closed)或例如npn晶体管或NMOS场效晶体管的常开型(normally open)开关形式，可依据需求搭配高电平或低电平的控制信号来决定负载开关42的导通或断路状态。

参照图5，电池单元51提供电源给负载53，电池单元51和负载53间设置有负载开关52，用以导通或切断电池单元51至负载53间的连接电路。PTC温度传感元件54一端连接该电池单元51的正电极，另一端连接该负载开关52的控制端(控制接脚)。该PTC温度传感元件54另设于导电控制路径上，并不设置于电池单元51提供电源至负载53的路径上。一实施例中，该负载开关52可选用例如npn晶体管或NMOS场效晶体管形式的开关，即电压为高电平时闭合导通(closed circuit)，电压为低电平时形成断路(opencircuit)。当电池单元51正常温度运作时，PTC温度传感元件54的电阻低，可供电流通过，因此负载开关52控制端接收到的信号的电压为高电平，使得负载开关52闭合导通。因负载开关52导通时电阻较小，大部分的电流将流经负载开关52的路径，因此电池单元51可正常提供电源给负载53。当电池单元51高温膨胀时，可有效感测电池单元51温度的PTC温度传感元件54的温度会提升，进而增加其电阻值，相对减少其电流通过。当PTC温度传感元件54的电阻快速增加达到一个临界值时(例如触发时)，负载开关52控制端接收到的信号的电压为低电平，促使该负载开关52为断路状态，此时电池单元51不再输出电流，从而保护电池单元51以避免过温爆炸或烧毁。本实施例中PTC温度传感元件54和负载开关52的作动即类似于继电器(relay)开关。

此外，可于PTC温度传感元件54和负载开关52间另外设置控制单元55，利用内嵌韧体的演算法进行精准数字逻辑控制。控制单元55可接收该PTC温度传感元件54的感测信号进行演算判断，且产生控制信号至该负载开关52，控制该负载开关52的导通或断路。当电池单元51正常运作时，控制单元55送出高电平信号，导通该负载开关52，使得电池单元51可持续提供负载53所需电源。当PTC温度传感元件54于特定温度变化范围或单位时间内增加至一临界倍数以上时，负载开关52接收控制单元55传来的控制信号而切换为断路状态。一实施例中，在通电状态下，PTC温度传感元件54于温度上升3～5℃电阻增加10倍或以上如20倍、30倍、50倍或100倍(例如于温度上升4℃时，电阻上升10倍)，或于0.5～50ms时间内电阻增加10倍或以上如20倍、30倍、50倍或100倍(例如于5ms内，电阻上升10倍)，此时PTC热敏电阻达到触发温度，造成电阻值急遽上升，将认定温度异常。因此，控制单元55将发出低电平的控制信号给该负载开关52，使负载开关52成为断路，提供电池单元51的过热保护。换言之，当PTC温度传感元件54感测到的温度已经到达其触发温度时，即特定温度变化范围或极短时间内电阻值快速升高至某一临界倍数时，即认定电池单元51过温度，故启动切断电流的机制。启动保护机制的温度选择可采用不同触发温度的PTC温度传感元件。

本发明的PTC温度传感元件可选择高分子聚合物型的PTC热敏电阻，而其触发温度与其中聚合物材料相关，例如使用低密度聚乙烯(LDPE)的PTC元件可具有较低的触发温度。一实施例中，可选择触发温度在60-90℃之间的PTC温度传感元件，如此一来当感测温度到达60-90℃范围时，如70℃或80℃时，即启动过温保护机制。

实际应用时，该负载开关52可直接选用具有过温度保护功能的负载开关积体电路(Load-switch IC)，亦即直接将控制单元55的功能直接整合于该负载开关52中。

本发明利用PTC热敏电阻作为PTC温度传感元件的感测主体，利用精准的触发温度设计，可有效感测电池单元的异常温度，且及时切断电源供应，具有过温度保护功能。另外，本发明亦公开高效能的PTC温度传感元件位置分布，藉此有效感测电池单元的温度，提供各式弹性设计和应用。

本发明的技术内容及技术特点已公开如上，然而本领域具有通常知识的技术人士仍可能基于本发明的教示及公开而作种种不背离本发明精神的替换及修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所公开者，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为以下的申请专利范围所涵盖。

Claims (15)

1.一种二次电池，提供电源给一负载，包含：

一电池单元，由一电池壳体包覆；

至少一PTC温度传感元件，位于该电池壳体的一主要表面，以有效感测该电池单元的温度；以及

一负载开关，连接该电池单元和负载，且根据该PTC温度传感元件的电阻变化，决定该电池单元和负载间为电气导通或断路状态；

其中当PTC温度传感元件的电阻值于特定温度变化范围或单位时间内增加至一临界倍数或以上时，负载开关接收一控制信号而切换为断路状态。

2.根据权利要求1的二次电池，其中该PTC温度传感元件设置于该主要表面的中央区域。

3.根据权利要求2的二次电池，其中该中央区域所占面积为电池壳体的该主要表面的20％～40％。

4.根据权利要求1的二次电池，其中该电池单元为方形、矩形或圆形结构，且该主要表面为电池壳体的最大表面。

5.根据权利要求1的二次电池，其中该PTC温度传感元件为包含串联的多个PTC热敏电阻的长条状元件，且沿该电池壳体的对角线设置。

6.根据权利要求1的二次电池，其中二个PTC温度传感元件均为包含串联的多个PTC热敏电阻的长条状元件，且分别沿该电池壳体的二个对角线交叉设置。

7.根据权利要求6的二次电池，其中二个PTC温度传感元件包含共用的PTC热敏电阻。

8.根据权利要求1的二次电池，其中该特定温度变化范围为温度上升3℃～5℃，该临界倍数为10倍。

9.根据权利要求1的二次电池，其中该单位时间为0.5～50ms，该临界倍数为10倍。

10.根据权利要求1的二次电池，其中该PTC温度传感元件包含至少一个PTC热敏电阻。

11.根据权利要求10的二次电池，其中该PTC热敏电阻为高分子聚合物型PTC热敏电阻。

12.根据权利要求10的二次电池，其中该PTC热敏电阻的触发温度在60-90℃范围。

13.根据权利要求1的二次电池，其中该PTC温度传感元件以软性电路板制作。

14.根据权利要求1的二次电池，其中该负载开关为负载开关IC型式，该PTC温度传感元件连接至该负载开关IC的控制接脚。

15.根据权利要求14的二次电池，其另包含一控制单元，连接该PTC温度传感元件以感测该PTC温度传感元件的电阻变化，从而发出该控制信号至该负载开关IC。