CN1089197C - 电池包 - Google Patents

Abstract

只要有过量电流情况存在，过电电池电流到电池受热所构成的危险通过保持热敏切断装置处于关断状态而有效地制止。置于电池和外壳之间封闭空间内的内盒容纳有切断装置和与之并联的加热电阻。双层隔热使得加热电阻可将焦尔热高效地传导给邻近的切断装置。空间和导热性的有效利用也可以减小切断后的电池电流并不致造成电池组件的体积增大。

Description

电池组件

本发明涉及包含热敏切断装置的电池组件(a batterypack)，此切断装置能在有过量电流过时或电池温度异常升高时切断电流。

如图1所示，以前的电池组件装有一个热动开关作为热敏切断装置(11)。如图2的电路图所示，其中的热敏切断装置(21)即热动开关串联在电池(2B)和充电极(22)之间。热动开关是一个当电池过量充电及温度上升时能把开关转到关状态以停止充电的安全装置。虽然在充电过程中当电池温度升高时，热动开关关断并切断电流，但当电流被切断时，由于温度降低，热动开关，又再次接通。这个装置的缺点是当电池温度下降时，又有充电电流流动，则电池又将再次充电过量。

为了避免这个问题，研制了一种如图3所示的电池组件，包含有与热敏切断装置即热动开关(31)并联联接的加热电阻(33)的安全装置(3A)。如图3的电路图所示，由于电池组件的加热电阻(33)与电池(3B)串联联接，当热动开关关断时，电流旁路经过加热电阻(33)。如图4所示，加热电阻(43)紧联在热敏切断装置(41)即热动开关上。通过加热电阻(43)的旁路电流导致产生了给热动开关加热并防止它返回接通状态的焦尔热。图5显示的是具有图3所示电路的一个电池组件。图5显示了安装在电池(5B)表面的安全装置(5A)。图6是图5中安装在电池组件上的安全装置的平面图、正视图和仰视图。如图6所示，加热电阻(63)固定在紧贴热敏切断装置(61)表面的位置上。

所以，内装置安全装置的电池组件的结构能防止，在电池温度上升，热动开关关断后，由于热动开关重新接通而导致的电池充电过量。但是，这种类型的电池组件，即使在热动开关关断时，充电电流也不能减小到零，这是因为流经加热电阻的电流也同样流过电池组。

电阻的焦尔热与电流的平方乘以电阻值成正比地增大，而为防止充电过量，就必须减小电池电流，还必须增大加热电阻阻值以增大焦尔热。然而，实际上，当加热电阻被做得相当大时，焦尔热反而减小。这是因为电池充电器提供给电池组件的电压是有限的，所以电流随阻值增大而减小。根据电池充电器提供的电压，加热电阻的焦尔热与电源电压的平方成正比增大，与阻值成反比减小。由于这个原因，保持热动开关处在关断状态的加热电阻的阻值不能很大。换句话说，在热动开关关断以后，很难使电池的充电电流变得很小。为了减小充电电流从而防止电池的充电过量，减小加热电阻的焦尔热很重要，但是又要使所产生的热量能有效地加热热动开关。

如图4、图5所示，如果加热电阻(43，53)安装在热敏切断装置(41，51)即热动开关的外面，则加热电阻产生的焦尔热很难高效地传送至热动开关。这是因为，如图4中的箭头所表明的，热量从加热电阻(43)的周边辐射掉了。由于加热电阻(43)不能对热动开关进行高效加热，所以有必要设计一个在电池组件内增大产生热量的加热电阻(43)，而且也很有必要将加热电阻值设计得小一些，以便在热动开关关断以后产生较大电流。这便带来了因热动开关处于关断状态时有电流流过而使电池充电过量的问题，而为了避免充电过量，使加热电阻内的电流尽量小是极其重要的。为了达到这一目的，加热电阻高效地对热敏切断装置进行加热是有必要的。并且有必要尽量减少从加热电阻上辐射出的热量。

此外，在如图4、图5所示的电池组件内，加热电阻固定贴在热敏切断装置即如图6所示的热动开关上，所以，安全装置的外形尺寸变大，当把安全装置放在电池组件的电池之间时，安全装置就会如图5所示凸出或超出电池组件的厚度。带有凸出部分的电池组件的缺点就是为了容纳电池必须额外增大存放的空间。

带有固定在热动开关外的加热电阻的电池组件的另一个缺点是部件的数量，生产工艺步骤以及造价均有增加。

本发明的目的是解决这些问题。本发明的基本目的是提供一个能在非正常情况下切断电池电流的电池组件，用很小的电流保持热敏切断装置处于关断状态，并尽量缩小内部安全装置的尺寸以减小体积。本发明的上述及其它目的通过下面具体描述和参阅附图将更加一目了然。

本发明的电池组件包括多个电池；一个容纳电池的外壳；一个与电池串联的热敏切断装置，当电池温度超过某一设定值时，此装置处于关断状态；一个装置热敏切断装置的内盒；一个加热电阻也装在这个内盒里。这个内盒安装在由电池和外壳围成的空间内，并可把电池的热量传导给内盒中的热敏切断装置，加热电阻与热敏切断装置并联联接。此外，加热电阻也装在装有热敏切断装置的内盒里，这意味着加热电阻通过内盒和外壳两层热绝缘便可减小由于向外辐射而导致的热量损失。当热敏切断装置处于关断状态时，因有旁路电流通过从而使加热电阻产生焦尔热。加热电阻通过导热而与热敏切断装置联接，并同装在一个内盒里，加热电阻的焦尔热直接加热热敏切断装置从而保持它处于关断状态。

此外，本发明的电池组件最好还包括一个强制断路电阻，强制断路电阻与热敏切断装置串联联接，并由于通过电池的电流而产生焦尔热。该焦尔热作用于可强制关断的热敏切断装置。强制断路电阻与热敏切断装置同装在一个内盒里。与热敏切断装置同装一个内盒里的加热电阻和强制断路电阻为热敏切断装置提供焦尔热。强制断路电阻能在热敏切断装置处于接通状态时对其进行加热，并当电池内有过量电流流过时能关断热敏切断装置。

附图说明

图1是一种现有技术电池组件示例的侧面图和平面图。

图2是图1中所示电池组件示例的电路图。

图3是另一种现有技术电池组件示例的电路图。

图4是具有图3所示电路结构的电池组件的斜视图。

图5是具有图3所示电路结构的电池组件的侧面图和平面图。

图6是装有图3所示的电池组件内的安全装置的平面图、正视图及仰视图。

图7是本发明的电池组件一个实施例的侧面图和平面图。

图8是图7所示电池组件的电路图。

图9是具有图8所示电路的电池组件内的安全装置的剖面图。

图10是电池组件中安装的安全装置的放大的横向剖面图(只显示了部分电池组件)。

图11是本发明的电池组件的另一个实施例的电路图。

图12是具有图11所示电路的电池组件内的安全装置的剖面图。

图13是本发明的电池组件的又一个实施例的电路图。

本发明的电池组件具有一个处于由电池和外壳所围成的空间之中的内盒。内盒中装有一个热敏切断装置和一个加热电阻，加热电阻被双层覆盖以便隔热。加热电阻由电池外壳和内盒两层覆盖。这就减少了加热电阻向外散热，并能高效地把加热电阻产生的热量传送给热敏切断装置。再者，由于加热电阻与热敏切断装置同装在内盒里，由加热电阻产生的焦尔热能直接加热热敏切断装置。这是因为内盒是包着加热电阻和热敏切断装置而不是夹在它们之间的缘故。在具有如此结构的电池组件内，内盒中从加热电阻向热敏切断装置的热作用得以改进，通过外壳和内盒的双层隔热，因辐射而导致的热损耗减少。

在加热电阻的焦尔热对热敏切断装置进行高效加热的电池组件里，当热敏切断装置处于关断状态时，通过电池的充电电流便能被减小了。当从加热电阻至热敏切断装置的热传送没有泄漏损失时，则不需要由加热电阻产生过量的焦尔热。因此，可以确定一个高的加热电阻值，以便减小充电电流，及防止在热敏切断装置处于关断状态时的充电过量。

回过来看图7所示的电池组件，圆柱形电池(7B)排列整齐并每排四个联接在一起，电池表面套有一层热缩的管式外壳。由于管材很簿，具有热缩管式外壳的电池组件的外形尺寸可以做得很小。但是，虽然图中没有表示，本发明的电池组件也可以用塑料制作外壳，塑料外壳可做成方盒形状以容纳多个电池。

图7中所示电池组件具有一个置于由外壳(76)和电池(7B)夹成的封闭通道形空间(711)内的安全装置。此安全装置(7A)包括一起置于内盒(74)中的加热电阻和热敏切断装置。内中的加热电阻由外壳(76)和内盒(74)双层隔热可有效地防止热量的辐射消耗。图8所示的是与图7的电池组件相对应的电路图。在按这个电路图制作的电池组件中，装有内盒中的热敏切断装置(81)在电池(8B)和充电极(82)之间与电池(8B)串联一起。当电池(8B)的温度异常升高并关断热敏切断装置(81)时，与充电极(82)相连接的安全装置(8A)将停止充电。为了防止电池放电过程中产生过量电流，在电池和放电极之间将一个安全装置串联在电池上。

如图8所示，与热敏切断装置(81)同装置于内盒里的加热电阻(83)与热敏切断装置(81)并联。当热敏切断装置(81)处于关断状态时，加热电阻(83)可防止它返回导通状态，加热电阻(83)通过焦尔热保持热敏切断装置(81)处于关断状态。

图9显示的是安全装置(9A)的剖面结构。本图中的安全装置(9A)在热敏切断装置(91)中采用了双金属片(91A)。内盒(94)内装有一个与双金属片始终紧紧相贴的加热电阻(93)。本图中所示的安全装置(9A)的内盒是塑料制品。图9中的塑料内盒(94)呈管形，左端封闭，右端开口。如图10的横向剖面所示，内盒置于圆柱形电池(10B)之间的封闭通道形空间(1011)内。再者，内盒的两侧呈斜面(104A)，以便增大它与电池(10B)的接触面。图10显示的是安装在电池(10B)与外壳(106)之间存放内盒(104)的封闭空间(1011)的放大的横面剖面图。如图10中箭头所示，由电池(10B)产生的热高效地传导至靠近或紧贴在电池表面的内盒上。最后，图10所示的内盒有一个没有突出到电池组件外表面的平底。

图9中的内盒(94)底面上有一个固定触头(97)。其右端伸出内盒(94)。双金属片(91A)的活动触头(98)的右端固定在内盒(94)内，其左端的位置则便于在内盒中活动。位于活动触头(98)左端与固定触头(97)左端的电接点固定在内盒(94)里。活动触头(98)的右端一侧被加热电阻(93)和绝缘材料(910)夹在中间固定在内盒(94)里。双金属片(91A)的活动触头(98)与从内盒(94)右端伸出的铅条(99)相连。内盒右端的开口也用绝缘材料(910)封闭，铅条(99)和固定触头(97)从这里伸出。

双金属片(91A)的活动触头(98)通过与固定触头(97)相接，处于导通状态。但当温度因加热上升到一个设定值时，活动触头(98)移动并与固定触头脱离，于是装置处于关断状态。保持双金属的热敏切断装置(91)处于关断状态的加热电阻(93)位于双金属片(91A)的触头之间。加热电阻的阻值通过加入电阻粘合材料的碳的数量多少进行调节。然而高阻值的细金属丝如镍铬合金丝也可以用于加热电阻。加热电阻的阻值既要设计得足够小以便使焦尔热保持双金属片处于断开状态，又要足够大以便产生不致使电池充电过量的电流。如图9中所示把加热电阻(93)置于双金属片(91A)触头之间，就可以使加热电阻(93)对双金属片9A的加热达到最高效率。

图9中的安全装置的内盒的右端由固定触头(97)、绝缘材料(910)和铅条(99)封住。具有装着热敏切断装置和加热电阻的封闭内盒的电池组件的特点是：内盒的热辐射被有效地防止，加热电阻对热敏切断装置的加热效率很高。这是因为内盒内的空气不能与外界循环。但是，对内盒的空气密闭结构并非总有必要，即便允许内盒里的空气受热膨胀而泄漏一些，仍然可以阻止系统的通风，也能有效地阻止加热电阻的热辐射消耗。很明显，内盒也可以采用不泄漏空气的密闭结构。一个完全密封的内盒必须设计得具有足够的强度以防止因盒内温度升高和空气膨胀所造成的高压空气使内盒破裂。

如果安装在电池组件密闭空间内的内盒是由塑料制成的，它就具有绝缘性质。这种绝缘塑料内盒就能够放在直接与电池外壳相接触的地方，并且盒内触头和铅条就可以与密封内盒接触。但是，在本发明的电池组件中，并没有规定内盒必须是塑料的，它也可以由金属制成。只是金属内盒必须通过绝缘材料才可与电池接触，而且盒内触头和铅条必须用绝缘材料隔开。金属内盒的优点在于热传导效能高。

在图11所示的电池组件中，强制断路电阻(115)与热敏切断装置(111)串联联接。装有强制断路电阻(115)的安全装置(11A)以与前面图7、图10所显示的电池组件同样的方式安装于电池和外壳之间的空间内。如图12所示，强制断路电阻(125)与热敏切断装置(121)也就是双金属片(121A)串联，并与热敏切断装置(121)及加热电阻(123)同装在一个内盒(124)里。强制断路电阻(125)通过焦尔热加热双金属片(121A)以强制其关断。当有过量电流流过电池时，也流过产生焦尔热的强制断路电阻(125)，热敏切断装置即双金属片(121A)被焦尔热加热，然后断开。在这种安全装置(12A)中，双金属片(121A)由电池(12B)的电流加热。因此，装有这种安全装置(12A)的电池组件的特点为当有过量电流流过电池时，双金属片(121A)断开以保护电池。

将双金属片(121A)串联在活动触头(128)和铅条(129)之间就可以确保强制断路电阻(125)高效地加热双金属片(121A)。这也就使双金属片(121A)的焦耳热传至活动触头(128)。电压降低是由流经强制断路电阻(125)的电流引起的，所以，强制断路电阻值要设计得尽可能小。但如果强制断路电阻(125)的阻值太小，它产生的焦尔热也将很小以致不能对双金属片进行有效加热。强制断路电阻的阻值应根据电池容量，电压降、及所需焦尔热的量选择最佳数值。

在图12所示的安全装置(12A)中，强制断路电阻(125)被置于铅条(129)和热敏切断装置(121)的双金属片(121A)活动触头(128)之间。象加热电阻(123)一样强制断路电阻(125)也使用了掺碳粘合剂(binder)或金属电阻丝。图12中的安全装置(12A)中，强制断路电阻(125)直接与双金属片(121A)接触。这种结构确保了焦尔热从强制断路电阻(125)向双金属片(121A)的高效传导。

装有如图12所示结构的安全装置的电池组件把热量从强制断路电阻高效地传至热敏切断装置以便使后者快速关断。因此，这种类型的电池组件的特点是：当过量电池电流流过时，如当电池短路时，热敏切断装置被启动切断电池电流，进而保护了电池。

因为强制断路电阻与加热电阻有外壳和内盒形成的双层隔热，强制断路电阻能对热敏切断装置高效加热，所以，强制断路电阻的阻值可以很小，且热敏切断装置的动作时间可以很短。这样除能获得热敏切断装置的可靠动作外还能减少由于电流流过强制断路电阻而电压下降所造成的无效消耗。

最后，看图13中的电池组件。加热电阻(133)是一个正温度系数(PTC)的装置(133A)。从图9的剖面图可知，加热电阻93也是一个正温度系数装置。正温度系数装置(133A)是一种阻值随温度升高而快速增大的装置。因此，当双金属热敏切断装置(131)的温度达到它的动作温度时，正温度系数装置(133A)的阻值也随之增大。当双金属片动作至断开状态时，流经正温度系数装置的电阻流产生大量的焦尔热，这些热量作用于双金属片保持它处于断开状态。当双金属片不动作并处于导通状态时，正温度系数装置的阻值极低。所以，当双金属片的触头处于吸合状态时，电池电流流经双金属片与正温度系数装置的并联。由于吸合的双金属片触头的阻值远远小于正温度系数装置的阻值，大部分电流流过双金属片的触头。然而，如果双金属片的阻值由于类似接触阻值等问题而增大，电池电流将旁路经过正温度系数装置。此系统的特点是即使遇到双金属片接触问题，电池组件仍可以使用。

在具有装着双金属片和上述正温度系数装置的内盒的电池组件里，当双金属片的温度达到动作温度时，对一定范围的电流来说，正温度系数装置的阻值变得很大并产生巨量焦尔热。这种效应再加上把正温度系数装置置于双金属片触点之间又将导致对双金属片的最有效加热。所以，此系统的特点是通过流过正温度系数装置的小电流，可以有效地防止双金属片的触头恢复接通状态。

在以上实施例中，加热电阻和强制断路电阻同装于一个内盒里并与热敏切断装置直接接触。这种安全装置导致焦尔热从加热电阻和强制断路电阻向热敏切断电阻最高效的传送。但是，本发明的电池组件并不要求加热电阻和强制断路电阻始终保持固定地与热敏切断装置直接接触。例如，尽管附图没有显示，加热电阻或强制断路电阻和热敏切断装置可以相距较近，二者之间通过附加的金属或塑料传导焦耳热以对热敏切断装置加热。

本发明在不背离其宗旨和重要特性的基础上可以用其他一些形式予以具体实现。由于本发明的范围是由下述附加的权利要求书确定的，而不是由上述的描述所确定的，所以上述具体实例只具有解释性但不具备制约性，而且凡是符合下述的权利要求和范围的变化或这些要求和范围的等效形式也均视为包含在权利要求书中。

Claims (21)

1.一种电池组件，其特征为包括：

(a)多个电池；

(b)装电池的外壳；

(c)与电池串联联接的热敏切断装置，当电池温度超过设定值时，它就转为关断状态；

(d)安装在由电池与外壳包围着的空间内的内盒，内装热敏切断装置，并把电池的热量传导致盒内的热敏切断装置；

(e)加热电阻，它与热敏切断装置并联，装在装有热敏切断装置的内盒里，被内盒和外壳形成双层隔热，它与热敏切断装置呈导热连接，使得当热敏切断装置处于关断状态时，对热敏切断装置旁路出的电流产生的焦尔热，可用于加热热敏切断装置并保持其在关断状态。

2.权利要求1所述的电池组件，其中装有热敏切断装置和加热电阻的内盒被安装在由外壳和成排排列的圆柱形电池形成的通道状的封闭空间内。

3.权利要求2所述的电池组件，其中内盒侧呈两斜面，与外壳内成一排列的电池表面相接触。

4.如权利要求1所述的电池组件，其中内盒呈封闭结构。

5.如权利要求1所述的电池组件，其中内盒是由塑料制成的。

6.如权利要求1所述的电池组件，其中外壳是热缩形管材。

7.如权利要求1所述的电池组件，其中外壳是塑料制品。

8.如权利要求1所述的电池组件，其中热敏切断装置为双金属。

9.如权利要求8所述的电池组件，其中加热电阻安装在双金属片的触头之间。

10.如权利要求1所述的电池组件，其中加热电阻是正温度系数装置。

11.如权利要求1所述的电池组件，还包括：

(f)与热敏切断装置串联联接的强制断路电阻，安装在装有热敏切断装置的内盒里，由内盒和外壳覆盖形成双层隔热，通过由流经电池的电流产生的焦尔热可强制关断热敏切断装置。

12.如权利要求11所述的电池组件，其中，装有热敏切断装置、加热电阻和强制断路电阻的内盒被安装在由外壳和成排排列的圆柱形电池形成的通道状封闭空间内。

13.如权利要求12所述的电池组件，其中内盒两则呈斜面，与外壳内成排排列的电池表面相接触。

14.如权利要求11所述的电池组件，其中内盒呈封闭结构。

15.如权利要求11所述的电池组件，其中内盒是由塑料制成的。

16.如权利要求11所述的电池组件，其中外壳是热缩形管材。

17.如权利要求11所述的电池组件，其中外壳是塑料制品。

18.如权利要求11所述的电池组件，其中热敏切断装置是双金属。

19.如权利要求18所述的电池组件，其中加热电阻安装在双金属片的触头之间。

20.如权利要求11所述的电池组件，其中加热电阻是正温度系数装置。

21.如权利要求11所述的电池组件，其中强制断路电阻安装在内盒里以便它能与热敏切断装置直接接触。

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