Защитное устройство для предотвращения перезаряда и вторичная батарея с защитным устройством
Раскрыты защитное устройство и вторичная батарея с использованием защитного устройства. Защитное устройство включает в себя чувствительное к напряжению нагревательное устройство, выделяющее теплоту, когда разность напряжений между обоими концами его превышает заданный уровень напряжения, и термочувствительное устройство, имеющее обратимую функцию включения/выключения тока в зависимости от температуры. Термочувствительное устройство соединено с чувствительным к напряжению нагревательным устройством так, что термочувствительное устройство обнаруживает теплоту, выделяемую из чувствительного к напряжению нагревательного устройства. Технический результат - улучшение характеристик защиты. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 14 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к защитному устройству, имеющему простую структуру, предназначенному для защиты вторичной батареи от перезаряда, перенапряжения, перегрузки по току и перегревания.
Уровень техники
Вторичные батареи представляют собой перезаряжаемые батареи и включают в себя Ni-Cd-батареи, Ni-MH-батареи и ионно-литиевые батареи. Поскольку в последнее время ионно-литиевые батареи привлекают всеобщее внимание, то активно проводятся поисковые и исследовательские работы относительно ионно-литиевых батарей. Это происходит потому, что ионно-литиевые батареи обладают преимуществами, заключающимися в том, что они имеют более высокую удельную энергию, чем Ni-Cd-батареи или Ni-MH-батареи. Ионно-литиевая батарея может быть изготовлена небольшой и легкой, вследствие чего ионно-литиевая батарея может быть эффективно использована в качестве источника питания для переносных электронных приборов, таких как переносные телефоны, видеокамеры или компьютеры типа «ноутбук». В дополнение к этому ионно-литиевую батарею широко используют в качестве источника питания электромобиля, так что в настоящее время ионно-литиевая батарея находится в центре внимания как аккумулятор энергии следующего поколения.
Хотя ионно-литиевые батареи обладают упомянутыми выше преимуществами, ионно-литиевые батареи имеют недостатки, заключающиеся в том, что они являются чувствительными к перезаряду (т.е. избыточной зарядке). Если вторичная батарея не снабжена защитным устройством, то вследствие перезаряда может произойти случайное воспламенение или взрыв, в результате чего возникает серьезное повреждение или ухудшение характеристик. Поэтому очень важно предотвращать или ограничивать перезаряд вторичной батареи или решать проблемы, вытекающие из перезаряда.
Например, когда ионно-литиевая батарея подвергается перезаряду, между активным материалом катода (например, LiCoO2) и электролитом ионно-литиевой батареи может во все возрастающей степени протекать отрицательная реакция. Такая отрицательная реакция разрушает структуру активного материала катода наряду с тем, что вызывает реакцию окисления электролита. Одновременно литий может осаждаться на активном материале анода, состоящем из графита и т.д. При условии, что напряжение, прикладываемое к вторичной батарее, непрерывно возрастает, даже если вторичная батарея не перезаряжена, может произойти непроизвольное воспламенение или взрыв вторичной батареи.
Указанная выше проблема может стать серьезной, если вторичную батарею подключают к источнику питания высокого напряжения. Например, если ионно-литиевую вторичную батарею подключают к источнику питания транспортного средства, то в случае легковых автомобилей подается напряжение 12 В, а в случае грузовых автомобилей подается напряжение 24 В, поскольку два источника питания по 12 В соединены последовательно. В этом случае, если избыточное напряжение, отклоняющееся от типового для вторичной батареи, неожиданно прикладывается ко вторичной батарее, может произойти серьезное повреждение, так что необходимо предусматривать защитное устройство, способное эффективно защищать вторичную батарею от избыточного напряжения.
Например, в публикации №2003-284237 нерассмотренной патентной заявки Японии раскрыто защитное устройство для вторичной батареи, включающее в себя стабилитрон и плавкий предохранитель, термически соединенный со стабилитроном. Применительно к упомянутой выше вторичной батарее, имеющей указанное выше защитное устройство, ток, протекающий к стабилитрону, резко возрастает, когда вторичная батарея подвергается воздействию напряжения перезаряда, так что энергопотребление стабилитрона резко возрастает, в результате чего выделяется теплота. Поскольку стабилитрон выделяет тепло, плавкий предохранитель, соединенный со стабилитроном, необратимо расплавляется, в результате чего отключается ток, подводимый ко вторичной батарее. В соответствии с публикацией №2003-284237 нерассмотренной патентной заявки Японии напряжение пробоя стабилитрона используется для разрыва цепи плавкого предохранителя, когда вторичная батарея подвергается воздействию напряжения перезаряда. Однако, если напряжение пробоя стабилитрона несколько выше, чем максимальное зарядное напряжение вторичной батареи, стабилитрон может иметь ток утечки в случае, когда вторичная батарея нормально эксплуатируется, хотя перезаряд вторичной батареи может быть предотвращен.
Из уровня техники общеизвестно, что стабилитрон имеет ток утечки при определенном напряжении, более низком, чем напряжение пробоя стабилитрона, на 1 В или меньше. Поэтому, если ток утечки создается элементами, подключенными к катоду и аноду вторичной батареи, то вторичная батарея может саморазряжаться, вследствие чего время работы и срок службы вторичной батареи могут уменьшаться после того, как вторичная батарея заряжена.
Если для вторичной батареи используют стабилитрон, который не является причиной тока утечки при зарядном напряжении вторичной батареи, то, когда вторичная батарея подвергается перезаряду, ток не может отводиться в достаточной степени. В дополнение к этому, когда к стабилитрону подводится большой ток, стабилитрон выходит из строя, вследствие чего стабилитрон не может выполнять свое первоначальное назначение. Даже если напряжение возрастает, сопротивление остается настолько большим, что ток не может протекать через стабилитрон.
Краткое описание чертежей
На чертежах:
фиг.1А - график, иллюстрирующий изменение температуры в зависимости от изменения напряжения в случае, когда ток постоянной величины (1 А) подводится к стабилитрону, который представляет собой разновидность чувствительных к напряжению нагревательных устройств;
фиг.1В - график, иллюстрирующий временной интервал тока утечки и временной интервал напряжения пробоя в зависимости от напряжения стабилитрона;
фиг.2 - график, иллюстрирующий изменение температуры в зависимости от изменения напряжения в случае, когда ток постоянной величины (1 А) подводится к варистору, который представляет собой разновидность чувствительных к напряжению нагревательных устройств;
фиг.3 - график, иллюстрирующий характеристики изменения сопротивления в зависимости от температуры для устройства с положительным температурным коэффициентом, которое представляет собой разновидность термочувствительного устройства;
фиг.4 - схематический вид, иллюстрирующий взаимосвязь и принцип действия защитного устройства и вторичной батареи согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг. 5А и 5В - схематические виды, иллюстрирующие защитное устройство, показанное на фиг.4, в котором эрозионностойкий/водостойкий материал нанесен вокруг защитного устройства;
фиг.6А и 6В - схематические виды, иллюстрирующие взаимосвязь и принцип действия защитного устройства и вторичной батареи согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.7А и 7В - виды соответственно спереди и сверху защитного устройства, показанного на фиг.6;
фиг.8 - схематический вид, иллюстрирующий защитное устройство, показанное на фиг.6, соединенное с полимерной батареей; и
фиг.9А и 9В - виды соответственно спереди и сверху защитного устройства, показанного на фиг.6, соединенного со вторичной батареей прямоугольного типа.
Раскрытие изобретения
Термочувствительное устройство, такое как устройство с положительным температурным коэффициентом, имеющее обратимую функцию тока включения/выключения в зависимости от температуры, срабатывает, когда температура возрастает выше заданной температуры. Таким образом, термочувствительное устройство срабатывает только тогда, когда вторичная батарея перегревается до заданного уровня температуры, даже при условии, что вторичная батарея подвергается перезаряду. Поэтому термочувствительное устройство может срабатывать уже после того, как вторичная батарея была повреждена вследствие теплового удара, воздействовавшего на нее.
Чтобы решить указанную выше проблему, согласно настоящему изобретению предусмотрено термочувствительное устройство, срабатывающее с помощью теплоты, выделяемой из чувствительного к напряжению нагревательного устройства, которое выделяет теплоту, когда разность напряжений между обоими концами его достигает заданного уровня напряжения (например, напряжения перезаряда), таким образом, что ток выключается до того, как вторичная батарея подвергается перегреванию, вследствие чего вторичная батарея предохраняется от повреждения или перезаряда.
Кроме того, в отличие от предшествующего уровня техники, где используется устройство с фиксированным значением напряжения, имеющее напряжение пробоя, аналогичное типовому зарядному напряжению вторичной батареи, для предохранения вторичной батареи от саморазряда вследствие тока утечки, создаваемого устройствами, подключенными параллельно к катоду и аноду вторичной батареи, в настоящем изобретении используется чувствительное к напряжению нагревательное устройство, способное вызывать срабатывание термочувствительного устройства, такого как устройство с положительным температурным коэффициентом, путем использования тепла, выделенного до достижения напряжения пробоя, когда вторичная батарея подвергается перезаряду. В этом случае чувствительное к напряжению нагревательное устройство, подключенное параллельно к катоду и аноду вторичной батареи, имеет значительно более высокое напряжение пробоя по сравнению с типовым зарядным напряжением вторичной батареи, и ток утечки может не возникать, когда вторичная батарея обычным образом заряжается или разряжается.
Настоящим изобретением предоставляются защитное устройство и вторичная батарея, использующая его. Защитное устройство включает в себя чувствительное к напряжению нагревательное устройство, выделяющее теплоту, когда разность напряжений между обоими концами его превышает заданный уровень напряжения, и термочувствительное устройство, имеющее обратимую функцию включения/выключения тока в зависимости от температуры, при этом термочувствительное устройство соединено с чувствительным к напряжению нагревательным устройством так, что термочувствительное устройство обнаруживает теплоту, выделяемую из чувствительного к напряжению нагревательного устройства.
Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения чувствительное к напряжению нагревательное устройство выделяет теплоту до достижения своего напряжения пробоя, а термочувствительное устройство срабатывает с помощью теплоты, выделяемой из чувствительного к напряжению нагревательного устройства при заданном напряжении, более низком, чем напряжение пробоя. В то же время напряжение пробоя чувствительного к напряжению нагревательного устройства по меньшей мере на 15% выше, чем заданное напряжение, побуждающее чувствительное к напряжению нагревательное устройство выделять теплоту для срабатывания термочувствительного устройства. Кроме того, заданное напряжение, побуждающее чувствительное к напряжению нагревательное устройство выделять теплоту для срабатывания термочувствительного устройства, выше, чем максимальное типовое напряжение электрических и/или электронных приборов, снабжаемых защитным устройством, и ниже, чем напряжение пробоя электрических и/или электронных приборов.
Между тем предпочтительно, чтобы значение тока утечки чувствительного к напряжению нагревательного устройства, существующее в течение одного часа, было меньше, чем 0,05% емкости (мА·ч) батареи. Если значение тока утечки меньше, чем 0,05% емкости (мА·ч) батареи при напряжении полного заряда вторичной батареи, то током утечки можно пренебрегать в пределах диапазона используемых напряжений вторичной батареи.
Варианты осуществления изобретения
Теперь будет сделано обстоятельное обращение к предпочтительным вариантам осуществления настоящего изобретения.
Согласно настоящему изобретению чувствительное к напряжению нагревательное устройство, которое выделяет теплоту, когда разность напряжений между обоими концами его достигает заданного уровня напряжения, и соответственно через него протекает ток, связано с возможностью передачи теплоты с термочувствительным устройством, обладающим обратимой функцией включения/выключения тока таким образом, что термочувствительное устройство может обнаруживать теплоту, выделяемую из чувствительного к напряжению нагревательного устройства. Поскольку теплота, выделяемая из чувствительного к напряжению устройства, непосредственно передается к термочувствительному устройству, то ток, подводимый к термочувствительному устройству, прерывается. Предпочтительно, чтобы чувствительное к напряжению нагревательное устройство физически находилось в контакте с термочувствительным устройством.
Поэтому защитное устройство согласно настоящему изобретению может иметь хорошие характеристики защиты, даже если в защитном устройстве применено такое чувствительное к напряжению нагревательное устройство, как устройство небольшой мощности с фиксированным значением напряжения.
Если защитное устройство, имеющее чувствительное к напряжению нагревательное устройство и термочувствительное устройство согласно настоящему изобретению, используют для электрических и/или электронных приборов, таких как вторичная батарея, то электрические и/или электронные приборы могут быть предохранены от воздействия перезаряда или перенапряжения.
В защитном устройстве согласно настоящему изобретению чувствительное к напряжению нагревательное устройство подключают параллельно к выводам (катодному и анодному) вторичной батареи, а термочувствительное устройство включают последовательно с выводом вторичной батареи или подключают параллельно (предпочтительно включать последовательно). Например, когда защитное устройство согласно настоящему изобретению соединяют со вторичной батареей, то чувствительное к напряжению нагревательное устройство подключают параллельно между катодом и анодом вторичной батареи, а термочувствительное устройство включают последовательно с катодом или анодом вторичной батареи.
Настоящее изобретение не ограничено материалами для термочувствительного устройства при условии, что они имеют обратимую функцию включения/выключения тока. Предпочтительно, чтобы термочувствительное устройство выключало ток, когда температура превышает заданную температуру.
Термочувствительное устройство представляет собой, но не единственно, устройство с положительным температурным коэффициентом (ПТК) или биметаллический элемент.
Устройство с положительным температурным коэффициентом представляет собой предохранительное устройство, имеющее характеристики с положительным температурным коэффициентом. Если в случае, когда устройство с положительным температурным коэффициентом включено последовательно с выводом вторичной батареи, и температура устройства с положительным температурным коэффициентом возрастает вследствие тока перегрузки, внешнего короткого замыкания или перезаряда, то сопротивление устройства с положительным температурным коэффициентом резко возрастает, в результате чего ток выключается. В отличие от плавких предохранителей, устройство с положительным температурным коэффициентом представляет собой устройство многократного использования.
Устройства с положительным температурным коэффициентом подразделяют на керамические устройства с положительным температурным коэффициентом с использованием керамики на основе BaTiO3 и полимерные устройства с положительным температурным коэффициентом с использованием полимера. Полимерное устройство с положительным температурным коэффициентом изготавливают, используя электропроводный углерод, смешанный с изоляционным полимером, таким как полиолефин, и оно имеет характеристики с положительным температурным коэффициентом, при этом значение сопротивления его возрастает по мере повышения температуры. Основная идея изменения сопротивления полимерного устройства с положительным температурным коэффициентом заключается в том, что в обычном состоянии углерод, распределенный в полимере, образует проводящий путь, и удельное сопротивление становится низким, так что ток может легко протекать. Однако если температура устройства с положительным температурным коэффициентом возрастет вследствие перегрузки по току и т.д., температура устройства с положительным температурным коэффициентом будет превышать температуру плавления полимера, так что объем полимера может существенно измениться в пределах нескольких десятков процентов, в результате чего прерывается проводящий путь углерода, что называется «эффектом отключения». В соответствии с этим сопротивление значительно возрастает, в результате чего ток прерывается. В керамическом устройстве с положительным температурным коэффициентом эффект отключения возникает около температуры Кюри.
На фиг.3 представлен график, иллюстрирующий характеристики изменения сопротивления устройства с положительным температурным коэффициентом (ПТК) в зависимости от температуры. Что касается фиг.3, то сопротивление резко возрастает в 103 раз около критической температуры 120°С.
Чувствительное к напряжению нагревательное устройство согласно настоящему изобретению представляет собой, но не единственно, устройство с фиксированным значением напряжения, такое как стабилитрон или варистор. Для настоящего изобретения отсутствуют ограничения по типу чувствительных к напряжению нагревательных устройств и стандарту для них при условии, что они могут выделять теплоту, когда разность напряжений между обоими концами их превышает заданный уровень напряжения, и не могут создавать значительный ток утечки, когда они подключены параллельно к выводам вторичной батареи.
В общем случае под устройством с фиксированным значением напряжения понимается устройство, имеющее характеристики, обеспечивающие возможность устойчивого протекания тока, когда к обоим концам его прикладывается напряжение, превышающее заданный уровень напряжения. Обычно устройство с фиксированным значением напряжения, такое как стабилитрон или варистор, используют в качестве шунтирующего устройства для перепускания тока в соответствии с режимом заданного напряжения.
Стабилитрон может быть изготовлен в виде полупроводникового плоскостного диода с p-n-переходом. Если к стабилитрону прикладывают относительно высокое напряжение в обратном направлении, то при определенном напряжении может создаваться большой ток, а напряжение будет сохраняться неизменным. Это явление называют «пробоем», а напряжение при нем называют «напряжением пробоя».
Напряжение на стабилитроне означает напряжение, прикладываемое к стабилитрону, когда ток начинает протекать через стабилитрон в обратном направлении, а именно, когда стабилитрон начинает работать. В общем случае напряжение пробоя выше, чем напряжение на стабилитроне.
В то же время варистор представляет собой нелинейный полупроводниковый резистор, при этом значение сопротивления варистора может изменяться в зависимости от напряжения, прикладываемого к обоим концам варистора. Обозначение «варистор» представляет собой сокращение англоязычной фразы «переменный резистор».
На фиг.1А и 1В представлены графики, иллюстрирующие изменение температуры в зависимости от изменения напряжения, когда ток постоянной величины (1 А) подводится к стабилитрону, а на фиг.2 представлен график, иллюстрирующий изменение температуры в зависимости от изменения напряжения, когда ток постоянной величины (1 А) подводится к варистору.
Из фиг.1 и 2 можно понять, что вблизи напряжения пробоя температура стабилитрона или варистора резко возрастает, а на участке напряжения (показанном на фиг.1А в прямоугольнике из сплошных линий), представленном до участка напряжения пробоя, выделяется теплота.
В соответствии с настоящим изобретением термочувствительное устройство, такое как устройство с положительным температурным коэффициентом, срабатывает под действием теплоты, выделяемой из чувствительного к напряжению нагревательного устройства при относительно небольшом напряжении ниже напряжения пробоя (а именно, теплоты, выделяемой на участке напряжения, показанном на фиг.1А прямоугольником из сплошных линий), скорее, чем срабатывает под действием теплоты, выделяемой при повышенном потреблении электроэнергии (W=I2R, где W - потребляемая мощность, I - ток и R - сопротивление) чувствительным к напряжению нагревательным устройством, обусловленном током, устойчиво протекающим через чувствительное к напряжению устройство при напряжении выше напряжения пробоя. В этом случае чувствительное к напряжению нагревательное устройство, параллельно подключенное к выводам вторичной батареи, имеет напряжение пробоя, значительно более высокое, чем напряжение полного заряда вторичной батареи, и проблема тока утечки при обычных операциях заряда/разряда может быть решена. Напряжение полного заряда означает максимальное значение эксплуатационного напряжения вторичной батареи, печатаемое на вторичной батарее производителями.
Предпочтительно, чтобы чувствительное к напряжению нагревательное устройство имело небольшую емкость. Это объясняется тем, что нагревательное устройство, такое как устройство с фиксированным значением напряжения, имеющее небольшую емкость, имеет небольшой интервал между напряжением, вызывающим ток утечки, и напряжением пробоя, обуславливающим протекание устойчивого тока. В соответствии с этим ток утечки чувствительного к напряжению нагревательного устройства может возникать непосредственно перед напряжением пробоя, создающим устойчиво протекающий ток, когда вторичная батарея подвергается перезаряду. Поэтому посредством защитного устройства настоящего изобретения, включающего в себя чувствительное к напряжению нагревательное устройство, способное вызывать срабатывание термочувствительного устройства при относительно небольшом напряжении ниже напряжения пробоя, может быть решена проблема тока утечки, встречающаяся во время типовой операции заряда/разряда.
Устройства с фиксированным значением напряжения, имеющие различные напряжения пробоя, доступны на рынках, так что специалисты в данной области техники могут по своему выбору использовать устройства с фиксированным значением напряжения в качестве чувствительных к напряжению нагревательных устройств в соответствии с областями их применения.
Предпочтительно, чтобы напряжение пробоя чувствительного к напряжению нагревательного устройства было ниже, чем напряжение взрыва или напряжение воспламенения вторичной батареи.
Защитное устройство настоящего изобретения может предотвращать перезаряд или перенапряжение посредством выключения тока при перезаряде или перенапряжении путем совместного использования чувствительного к напряжению нагревательного устройства и термочувствительного устройства. В дополнение к этому, вследствие определенной характеристики каждого чувствительного к напряжению нагревательного устройства и термочувствительного устройства может гарантироваться безопасность электронных и/или электрических приборов, снабжаемых чувствительным к напряжению нагревательным устройством и термочувствительным устройством. Например, чувствительное к напряжению устройство, такое как устройство с фиксированным значением напряжения (стабилитрон или варистор), подключают параллельно к катоду и аноду вторичной батареи, так что разрядный ток устойчиво протекает как перепускной ток, когда вторичная батарея перезаряжается напряжением выше напряжения пробоя. Поэтому напряжение может быть снижено, в результате чего осуществляется защита вторичной батареи от взрыва или случайного воспламенения. В дополнение к этому, термочувствительное устройство, такое как устройство с положительным температурным коэффициентом, подключают последовательно к катоду и/или аноду вторичной батареи с тем, чтобы ток выключался, когда вторичная батарея подвергается перезаряду или перегрузке по току, вследствие чего осуществляется защита вторичной батареи. Поэтому настоящее изобретение позволяет надежно защищать вторичную батарею от перезаряда, перенапряжения, перегрузки по току и перегревания путем использования защитного устройства, имеющего простую и новую структуру.
В защитном устройстве согласно настоящему изобретению чувствительное к напряжению нагревательное устройство и термочувствительное устройство могут работать обратимо. Поэтому защитное устройство настоящего изобретения не является устройством одноразового использования, а является устройством многоразового использования.
Заданное напряжение, вызывающее выделение теплоты чувствительным к напряжению нагревательным устройством, предназначенной для осуществления срабатывания термочувствительного устройства, может быть выбрано соответствующим образом из диапазона напряжений выше максимального типового напряжения электрических и/или электронных приборов, снабжаемых защитным устройством, и ниже напряжения пробоя электрических и/или электронных приборов.
Если защитное устройство настоящего изобретения используют для вторичной батареи, то предпочтительно, чтобы критическая температура термочувствительного устройства находилась в диапазоне от 50 до 150°С, и предпочтительно, чтобы чувствительное к напряжению нагревательное устройство выделяло теплоту, необходимую для срабатывания термочувствительного устройства, при уровне напряжения от 4 до 5 В. Если ток выключается при температуре ниже 50°С вследствие резкого возрастания сопротивления, вторичная батарея не сможет зарядиться при температурах в диапазоне от -20 до 60°С, который является эксплуатационным для вторичной батареи. Кроме того, если сопротивление резко возрастает при температуре выше 150°С, то при этом вторичная батарея уже будет поврежденной или деформированной вследствие высокой температуры, так что ток выключать бесполезно.
Ниже будет сделано описание, касающееся функциональной взаимосвязи чувствительного к напряжению нагревательного устройства и термочувствительного устройства из защитного устройства согласно настоящему изобретению. Чувствительное к напряжению нагревательное устройство осуществляет разряд, когда напряжение его повышается выше напряжения полного заряда вторичной батареи, а термочувствительное устройство срабатывает за счет теплоты, образуемой, когда чувствительное к напряжению нагревательное устройство осуществляет разряд. Поэтому при напряжении, вызывающем разряд и выделение теплоты из чувствительного к напряжению нагревательного устройства, то есть при напряжении полного заряда (например, 4-5 В) вторичной батареи, чувствительное к напряжению нагревательное устройство должно выделять теплоту, вследствие чего оно может повышать температуру термочувствительного устройства до температуры срабатывания термочувствительного устройства, то есть выше критической температуры (например, от 50 до 150°С, см. фиг.4).
Поэтому предпочтительно, чтобы при вышеупомянутом уровне напряжения чувствительное к напряжению нагревательное устройство выделяло теплоту до тех пор, пока температура термочувствительного устройства не достигнет температуры его срабатывания.
На фиг.4 представлен схематический вид, иллюстрирующий связь между защитным устройством и вторичной батареей согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. Ниже будет описана связь между чувствительным к напряжению нагревательным устройством и термочувствительным устройством, показанными на фиг.4, и между устройствами и выводами (катодным и анодным) вторичной батареи. Сначала одну боковую поверхность (соединительную поверхность) нагревательного устройства 1 присоединяют к одной боковой поверхности (соединительной поверхности) устройства 2 с положительным температурным коэффициентом. Поскольку посредством обоих концов нагревательного устройства 1 обнаруживается напряжение вторичной батареи и, если необходимо, осуществляется операция разряда, то нагревательное устройство 1 подключают параллельно между катодным выводом 11 и анодным выводом 12 вторичной батареи через металлическую шину 3. Кроме того, поскольку ток, подводимый к устройству 2 с положительным температурным коэффициентом, выключается, когда температура возрастает, то устройство 2 с положительным температурным коэффициентом подключают последовательно через металлическую шину 3 к средней части катодного вывода 11 или анодного вывода 12.
На фиг.5А представлен схематический вид, иллюстрирующий защитное устройство, показанное на фиг.4, в котором эрозионно стойкий/водостойкий материал 4 нанесен вокруг защитного устройства. В этом случае нагревательное устройство 1 связано с возможностью передачи теплоты с устройством 2 с положительным температурным коэффициентом в эрозионно стойком/водостойком материале 4. Предпочтительно, чтобы осуществлялся физический контакт нагревательного устройства 1 с устройством 2 с положительным температурным коэффициентом. На фиг.5В представлен схематический вид, иллюстрирующий защитное устройство, в котором эрозионно стойкий/водостойкий материал 4 нанесен соответственно вокруг нагревательного устройства и устройства с положительным температурным коэффициентом, а одна боковая поверхность (соединительная поверхность) нагревательного устройства присоединена к одной боковой поверхности устройства с положительным температурным коэффициентом. В этом случае нагревательное устройство связано с возможностью передачи теплоты с устройством с положительным температурным коэффициентом через эрозионно стойкий/водостойкий материал. Предпочтительно, чтобы осуществлялся физический контакт нагревательного устройства с устройством с положительным температурным коэффициентом. Структура соединений между устройствами, показанными на фиг.5А и 5В, и выводами вторичной батареи идентична структуре соединений между выводами вторичной батареи и устройствами, показанными на фиг.4.
Эрозионно стойкий/водостойкий материал может быть нанесен вокруг нагревательного устройства и устройства с положительным температурным коэффициентом защитного устройства после того, как они соединены друг с другом, как показано на фиг.5, или нагревательное устройство и устройство с положительным температурным коэффициентом соединяют друг с другом после того как наносят эрозионно стойкий/водостойкий материал вокруг соответственно нагревательного устройства и устройства с положительным температурным коэффициентом защитного элемента, как показано на фиг.5В.
На фиг.6А и 6В представлены схематические виды, иллюстрирующие связь между защитным устройством и вторичной батареей согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения. Что касается фиг.6А, то одна боковая поверхность (соединительная поверхность) нагревательного устройства 1 присоединена к одной боковой поверхности (соединительной поверхности) устройства 2 с положительным температурным коэффициентом через одну металлическую шину 3, а другие металлические шины 3 соединены с другими боковыми поверхностями (противоположными поверхностями) нагревательного устройства 1 и устройства 2 с положительным температурным коэффициентом, соответственно. Металлическую шину 3, предусмотренную между нагревательным устройством 1 и устройством 2 с положительным температурным коэффициентом, подключают к одному концу катодного вывода 11 вторичной батареи. В дополнение к этому, другую металлическую шину 3, предусмотренную на другой боковой поверхности (противоположной поверхности) нагревательного устройства 1, подключают к анодному выводу 12 вторичной батареи, так что чувствительное к напряжению нагревательное устройство 1 оказывается подключенным параллельно между катодным выводом 11 и анодным выводом 12 вторичной батареи. Кроме того, поскольку металлическую шину 3, предусмотренную на другой боковой поверхности (противоположной поверхности) устройства 2 с положительным температурным коэффициентом, подключают к другому концу катодного вывода 11 вторичной батареи, то устройство 2 с положительным температурным коэффициентом оказывается последовательно подключенным к средней части катода 11 вторичной батареи.
На фиг.6В представлен схематический вид, иллюстрирующий защитное устройство, показанное на фиг.6А, в котором эрозионно стойкий/водостойкий материал 4 нанесен вокруг защитного устройства. В этом случае осуществляется физический контакт нагревательного устройства с устройством с положительным температурным коэффициентом в эрозионно стойком/водостойком материале 4.
На фиг.7А представлен вид спереди защитного устройства, показанного на фиг.6. Что касается фиг.7А, то соединительная поверхность нагревательного устройства 1 присоединена к соединительной поверхности устройства 2 с положительным температурным коэффициентом через металлическую шину 3. Кроме того, другие металлические шины 3 соединены с другими поверхностями нагревательного устройства 1 и устройства 2 с положительным температурным коэффициентом, противоположными соединительным поверхностям нагревательного устройства 1 и устройства 2 с положительным температурным коэффициентом. На фиг.7В представлен вид сверху защитного устройства, показанного на фиг.6. Что касается фиг.7В, то нагревательное устройство 1 подключают к катодному выводу 11 вторичной батареи через металлическую шину 3, соединенную с левой стороной нагревательного устройства 1, и подключают к анодному выводу 12 вторичной батареи через металлическую шину 3, соединенную с верхней поверхностью нагревательного устройства 1 и направленную вниз, так что нагревательное устройство 1 оказывается подключенным параллельно между двумя выводами вторичной батареи. Хотя это и не показано на фиг.7В, устройство 2 с положительным температурным коэффициентом подключают последовательно к средней части катодного вывода вторичной батареи через две металлические шины, соединенные с правой и левой сторонами устройства 2 с положительным температурным коэффициентом.
На фиг.8 представлен схематический вид, иллюстрирующий защитное устройство согласно настоящему изобретению, соединенное с полимерной батареей, в которой использован пакетный корпус. Что касается фиг.8, то устройство 2 с положительным температурным коэффициентом подключено к средней части катодного вывода 11, а нагревательное устройство 1 подключено к анодному выводу 12 через металлическую шину 3, предусмотренную на другой поверхности нагревательного устройства 1, присоединенного к устройству 2 с положительным температурным коэффициентом. Таким образом, нагревательное устройство 1 подключено параллельно между катодным выводом 11 и анодным выводом 12 вторичной батареи, а устройство с положительным температурным коэффициентом подключено последовательно к средней части катодного вывода 11 вторичной батареи.
На фиг.9А представлен вид спереди защитного устройства согласно настоящему изобретению, соединенного со вторичной батареей прямоугольного типа, а на фиг.9В представлен вид сверху защитного устройства согласно настоящему изобретению, соединенного со вторичной батареей прямоугольного типа. Поскольку вторичная батарея прямоугольного типа представляет собой батарею, которая может быть покрыта электропроводным материалом, таким как алюминий или алюминиевый сплав, корпус вторичной батареи прямоугольного типа может служить катодным выводом. Кроме того, анодный вывод выступает вверх от верхнего конца вторичной батареи прямоугольного типа. В этом случае соединительная поверхность нагревательного элемента 1 присоединена к устройству 2 с положительным температурным коэффициентом и подключена к катодному выводу 11 вторичной батареи прямоугольного типа через металлическую шину 3, предусмотренную на соединительной поверхности нагревательного элемента 1, а другая поверхность нагревательного элемента 1, противоположная этой соединительной поверхности, подключена к анодному выводу 12 через другую металлическую шину 3. Кроме того, один конец устройства 2 с положительным температурным коэффициентом подключен к корпусу батареи через металлическую шину 3, а другой конец устройства 2 с положительным температурным коэффициентом, образующий соединительную поверхность для нагревательного устройства 1, присоединен к корпусу батареи, используемому в качестве катодного вывода.
Защитное устройство настоящего изобретения может быть установлено на различных местах вторичной батареи, например во внутренней части или на наружной части корпуса батареи, в модуле схемы защиты или на печатной плате (ПП).
Промышленная применимость
Как описывалось выше, защитное устройство согласно настоящему изобретению может защищать вторичную батарею от перезаряда, перенапряжения, перегрузки по току и перегревания.
Кроме того, согласно настоящему изобретению термочувствительное устройство срабатывает с помощью теплоты, выделяемой чувствительным к напряжению нагревательным устройством, которое выделяет теплоту, когда разность напряжений между обоими концами его достигает заданного уровня напряжения (например, напряжения перезаряда), так что ток выключается до того, как вторичная батарея подвергается перегреванию, в результате чего вторичная батарея предохраняется от повреждения или перезаряда.
Более того, в настоящем изобретении используется чувствительное к напряжению нагревательное устройство, способное выделять теплоту до напряжения пробоя, чтобы термочувствительное устройство срабатывало, когда вторичная батарея подвергается перезаряду, вследствие чего может быть предотвращен ток утечки, обусловленный чувствительным к напряжению нагревательным устройством, подключенным параллельно к выводам вторичной батареи.
1. Защитное устройство, содержащее чувствительное к напряжению нагревательное устройство, выделяющее теплоту, когда разность напряжений между обоими концами его превышает заданный уровень напряжения; и
термочувствительное устройство, имеющее обратимую функцию включения/выключения тока в зависимости от температуры, при этом термочувствительное устройство соединено с чувствительным к напряжению нагревательным устройством так, что термочувствительное устройство обнаруживает теплоту, выделяемую из чувствительного к напряжению нагревательного устройства.
2. Защитное устройство по п.1, в котором чувствительное к напряжению устройство и термочувствительное устройство являются обратимо функционирующими.
3. Защитное устройство по п.1, в котором термочувствительное устройство выключает ток, когда температура возрастает выше заданной температуры.
4. Защитное устройство по п.1, в котором термочувствительное устройство представляет собой устройство с положительным температурным коэффициентом (ПТК) или биметаллический элемент.
5. Защитное устройство по п.1, в котором чувствительное к напряжению нагревательное устройство представляет собой стабилитрон или варистор.
6. Защитное устройство по п.1, в котором чувствительное к напряжению нагревательное устройство выделяет теплоту до своего напряжения пробоя, а термочувствительное устройство срабатывает с помощью теплоты, выделяемой из чувствительного к напряжению нагревательного устройства при заданном напряжении, более низком, чем напряжение пробоя.
7. Защитное устройство по п.6, в котором напряжение пробоя чувствительного к напряжению нагревательного устройства по меньшей мере на 15% выше, чем заданное напряжение, побуждающее чувствительное к напряжению нагревательное устройство выделять теплоту для срабатывания термочувствительного устройства.
8. Защитное устройство по п.1, в котором заданное напряжение, побуждающее чувствительное к напряжению нагревательное устройство выделять теплоту для срабатывания термочувствительного устройства, выше, чем максимальное типовое напряжение электрических и/или электронных приборов, снабжаемых защитным устройством, и ниже, чем напряжение пробоя электрических и/или электронных приборов.
9. Защитное устройство по п.3, в котором чувствительное к напряжению нагревательное устройство подключено параллельно катодному и анодному выводам вторичной батареи параллельно, а термочувствительное устройство подключено к катодному или анодному выводам вторичной батареи последовательно.
10. Защитное устройство по п.1, в котором осуществляется физический контакт чувствительного к напряжению нагревательного устройства с термочувствительным устройством.
11. Защитное устройство по п.1, в котором чувствительное к напряжению нагревательное устройство выделяет теплоту до тех пор, пока температура термочувствительного устройства не достигает его температуры срабатывания при заданном напряжении, побуждающем чувствительное к напряжению нагревательное устройство к выделению теплоты для срабатывания термочувствительного устройства.
12. Вторичная батарея, включающая в себя защитное устройство по любому одному из пп.1 - 11, содержащая
защитное устройство, имеющее чувствительное к напряжению нагревательное устройство, выделяющее теплоту, когда разность напряжений между обоими концами его превышает заданный уровень напряжения, и термочувствительное устройство, имеющее обратимую функцию включения/выключения тока в зависимости от температуры,
причем термочувствительное устройство соединено с чувствительным к напряжению нагревательным устройством так, что термочувствительное устройство обнаруживает теплоту, выделяемую из чувствительного к напряжению нагревательного устройства, чувствительное к напряжению нагревательное устройство подключено параллельно между катодом и анодом вторичной батареи, а термочувствительное устройство включено последовательно с катодом или анодом вторичной батареи.
13. Вторичная батарея по п.12, в которой критическая температура термочувствительного устройства находится в диапазоне от 50 до 150°С.
14. Вторичная батарея по п.12, в которой рабочее напряжение, побуждающее чувствительное к напряжению нагревательное устройство выделять теплоту для срабатывания термочувствительного устройства, находится в диапазоне от 4 до 5 В.
15. Вторичная батарея по п.12, в которой значение тока утечки чувствительного к напряжению нагревательного устройства, существующее в течение одного часа, меньше, чем 0,05% емкости батареи.
