用於電動車的二次電池的安全開關及利用其的用於電動車的二次電池的充放電系統的製作方法

2023-05-31 11:22:26 1

專利名稱：用於電動車的二次電池的安全開關及利用其的用於電動車的二次電池的充放電系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於電動車的二次電池的安全開關及利用該開關的用於電動車的二 次電池的充放電系統，更具體地說，涉及能夠通過操作安裝到用於電動車的二次電池的 外部的二次電池開關，以在使用電動車的二次電池時由於二次電池的異常狀態(例如， 過充、受熱、短路、反向連接等)造成的使二次電池膨脹的膨脹現象而導致的二次電池 膨脹或者過量短路電流流進二次電池的電路時，斷開電動車的驅動電機到二次電池的連 接，來保護該二次電池的技術。
背景技術：
通常，二次電池可以再充電並且可以製造成大容量電池。作為代表性二次電 池，可以有鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰離子電池等。其中，鋰離子電池由於例如壽命長、容量大等的優良特性而成為下一代電源的 關注焦點。然而，問題是當鋰離子電池暴露於由於過充和受熱(這增加了電池的內部壓 力)造成的異常環境時鋰離子電池由於內部的電化學反應而產生氣體。鋰離子電池由於其內部壓力增加而膨脹。具體地說，由於當諸如過充等的導常 時間持續時電解質或活性材料的部分分解而使鋰離子電池的內部壓力和溫度突然增加， 使得存在引起鋰離子電池爆炸或者起火的風險。此外，當鋰離子電池暴露於例如短路和反向連接的導常環境中時，過量的短路 電流流進鋰電池的主電路，導致諸如過量電化學反應和短路的現象，使得存在引起鋰離 子電池爆炸或起火的風險。為了解決上述問題，進行了各種熱和電安全性測試，例如過充、受熱、短路、 反向連接等，以便檢驗二次電池的安全性。在這種情況下，在測試二次電池的安全性時，在熱和電安全性測試環境中二次 電池不應該冒煙、燃燒和爆炸。同時，至今進行了各種嘗試以提高二次電池的安全性。其中，開發了通過二次 電池殼體的裂開部釋放二次電池內部產生的氣體的方法和利用二次電池中的裂開盤直接 斷開二次電池的主電路的方法。在這種情況下，當內部壓力由於在諸如過充等的異常環境中產生的氣體而超過 設計值時，通過使二次電池的密封部裂開或者使二次電池的電源斷開，使二次電池的內 部壓力降低，並確保其安全性。然而，密封部裂開時產生的火花起點火源的作用，使得 存在引起二次電池爆炸和起火的問題。為了解決上述問題，提出了利用開關的二次電池的保護裝置。圖1 是相關技術的專利申請 10-2006-0041576 (標題Protective Circuitfor Secondary Battery And Secondary Battery Using The Same ；申請日2006 年 5 月 9 日)的
代表圖。
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如圖1所示，相關技術配置成包括雙金屬(BM1)和電阻器R1。雙金屬BM1的三個端子中的一個端子連接到二次電池VI的正⑴極，另一個 端子連接到外部電極(未示出)的正(+)極，而最後一個端子連接到電阻器R1的一端。電阻器R1的另一端連接到二次電池VI的負㈠極。二次電池VI和外部電池 的負(_)極彼此連接。在該結構中，電阻器R1可以直接連接到雙金屬BM1或者通過導線連接到雙金屬 BM1。下面，來描述具有上述結構的相關技術的操作。接著，雙金屬BM1在常溫下將二次電池VI的正⑴極連接到外部電極的正⑴ 極，並且通過電阻器R1將二次電池VI的正⑴極連接到外部電極的負㈠極。接著，二次電池VI在高溫下被短路，以中斷來自外部電極的電流供應並通過雙 金屬BM1和電阻器R1釋放電流。具有上述結構和操作的相關技術根據溫度控制開關操作，以保護二次電池；然 而，問題在於使用了昂貴雙金屬裝置來執行上述的根據溫度的開關操作。此外，難以精確控制根據溫度工作的雙金屬裝置，並且存在的問題是當在高溫 狀態下沒有執行開關操作時二次電池完全暴露於危險之中。此外，相關技術能夠在保護二次電池免於過充方面部分地保護二次電池；然 而，存在的問題在於相關技術沒有應對二次電池故障或誤用(例如，短路、反向連接等) 的對策。此外，存在的問題在於相關技術還沒有建立同時解決由於過充等導致的二次電 池中的化學變化和由於短路導致的過量短路電流而造成的膨脹現象的方法。

發明內容
本發明的一個目的是提供一種用於電動車的二次電池的安全開關，其能夠防止 由於在用於電動車的二次電池使用期間在過充和受熱情形下由於用於電動車的二次電池 的內部壓力的增加產生的、用於電動車的二次電池的膨脹現象所導致的二次電池的裂開 和由於有害氣體的釋放導致的二次電池的爆炸和起火。本發明的另一個目的是提供一種用於電動車的二次電池的安全開關，其能夠防 止在用於電動車的二次電池使用期間在短路和反向連接情形下產生的、由於過量短路電 池導致的用於電動車的二次電池的裂開和由於有害氣體的釋放導致的二次電池的爆炸和 起火。本發明的另一個目的是提供一種使用用於電動車的二次電池的安全開關的用於 電動車的二次電池的充放電系統，其能夠防止由於在用於電動車的二次電池的異常操作 (例如，過充、受熱、短路等)導致的二次電池的的爆炸。在一個總的方面，一種用於電動車的二次電池的安全開關包括切割部件 110，其附接到通過連接至少兩個二次電池構成的用於所述電動車的所述二次電池中的任 何一個二次電池10的一個表面上，並且所述切割部件110具有切割主體112;以及被切 部件120，其附接到另一二次電池20的一個表面上同時面對所述切割部件110，並且被切 部件120包括接近所述切割部件110的切割主體112的被切主體123，並且在所述二次電池由於膨脹現象而膨脹時，所述被切部件120由接近的所述切割主體112切斷，以使所述 二次電池電斷開。所述切割部件110可以包括附接到任何一個二次電池10的切割主體支撐部111 和從該切割主體支撐部111向外凸出並具有由刀113形成的端部的切割主體112。附接到所述另一二次電池20的被切部件120可以包括被切主體支撐部121和被 切主體123，被切主體支撐部121具有使切割主體112插入的切割主體插入槽122，被切 主體123疊在被切主體支撐部121的整個表面上並且在板中央具有由切割主體112切斷的 切割部124。所述被切主體123可以連接到所述另一二次電池20上並且可以以在產生短路電 流時熔化的熔絲結構形成。所述被切主體123可以設置有多個孔123或者凹口，以便於切斷和熔化。所述切割部件110和所述被切部件120可以由吸收所述被切主體123熔化時產生 的熱量和火花的材料來保護。所述切割部件110和所述被切部件120可以塗敷有阻燃絕緣材料。在另一個總的方面，一種用於電動車的二次電池的充放電系統包括用於電 動車的二次電池200，其通過堆疊向電動車供電的至少兩個二次電池201構成；充電器 220，在該充電器220中被充入用於所述電動車的二次電池200產生的電力；驅動電機 240，其提供有來自用於所述電動車的二次電池200的電力，以產生動力；逆變器單元 230，其控制所述驅動電機240的速度和方向；電池繼電器單元210，其控制用於所述電 動車的二次電池200和驅動電機240之間的連接；以及至少一個安全開關100，其設置在 構成用於所述電動車的二次電池200的二次電池之間，並根據由於用於所述電動車的二 次電池200的膨脹現象導致的移位來控制所述所述二次電池的電斷開操作。在用於所述電動車的二次電池200中產生移位時可以操作用於所述電動車的二 次電池的安全開關100，以中斷用於所述電動車的二次電池200和驅動電機240之間的電 路連接。有效效果根據本發明的用於電動車的二次電池的安全開關和用於電動車的二次電池的充 放電系統，通過單個裝置可以安全地保護由於二次電池的過充、短路、反向連接和受熱 引起的膨脹現象和由於短路電流引起的二次電池的熱量產生和爆炸。此外，本發明通過感測二次電池的膨脹現象以在二次電池的內部壓力增加時直 接中斷主電路的方法從根本上中斷充電電力，由此使得可以在不引起二次電池洩漏或裂 開的情況下能夠保護二次電池。此外，本發明能夠防止由於二次電池裂開時產生的氣體所引起的二次電池的起 火和爆炸。此外，本發明能夠防止人體受到由於二次電池裂開時產生的有害氣體導致的損害。


根據結合附圖給出的對優選實施方式的以下描述，本發明的上述及其他目的、特徵和優點將變得清楚，其中圖1是根據相關技術的二次電池的安全裝置的截面圖；圖2是二次電池的膨脹現象的概念圖；圖3是示出了本發明的用於電動車的二次電池的安全開關的切割部件的側視 圖；圖4中(a)是示出了本發明的用於電動車的二次電池的安全開關的被切部件的側 視圖；圖4中(b)是示出了本發明的用於電動車的二次電池的安全開關的被切部件的正 視圖；圖5是示出了本發明的用於電動車的二次電池的安全開關的側視圖；圖6中(a)是示出了本發明的用於電動車的二次電池的安全開關的正常狀態的狀 態圖；圖6中(b)是示出了本發明的用於電動車的二次電池的安全開關的工作狀態的狀 態圖；圖7是示出了本發明的用於電動車的二次電池的安全開關的被切部件密封在二 次電池中的狀態的概念圖；以及圖8是示出了本發明的用於電動車的二次電池的安全開關連接到電動車的電機 和充電控制電路的狀態的概念圖。主要元件的詳細描述:]
10 任何一個二次電池20:另一個二次電池
21 正極22:負極
30 第一連接線40 第二連接線
100用於電動車的二次電池的安全開關110:切割
111切割主體支撐部
112切割主體113 刀
120被切部件121 被切主體支撐部
122切割主體插入槽
123被切主體124 被切主體的切割部
125孔200 用於電動車的二次電池
201二次電池210 電池繼電器單元
211第一電池繼電器212 第二電池繼電器
220充電器230 逆變器單元
240驅動電機
具體實施例方式
此後，將參考附圖詳細描述本發明的實施方式。此後，參照附圖來詳細描述根 據本發明的用於電動車的二次電池的安全開關及使用該開關的用於電動車的二次電池的 充放電系統。作為示例，提供了下面要描述的附圖，使得本發明的構思能夠充分地傳遞 給本發明所屬領域的技術人員。因此，本發明可以以許多不同形式實施，而不限於下面
7要描述的附圖。此外，整個說明書中，相同的附圖標記表示相同的部件。同時，除非另外定義了這裡所用的技術和科學術語，否則它們具有本發明所屬 領域的技術人員所理解的意義。省略已知的功能和組件，以便不至於以不必要的細節混 淆本發明的描述。圖2是二次電池的膨脹現象的概念圖，圖3是示出了本發明的用於電動車的二次 電池的安全開關的切割部件的側視圖，圖4中(a)是示出了本發明的用於電動車的二次電 池的安全開關的被切部件的側視圖，圖4中(b)是示出了本發明的用於電動車的二次電池 的安全開關的被切部件的正視圖，圖5是示出了本發明的用於電動車的二次電池的安全 開關的側視圖，圖6中(a)是示出了本發明的用於電動車的二次電池的安全開關的正常狀 態的狀態圖，圖6中(b)是示出了本發明的用於電動車的二次電池的安全開關的工作狀態 的狀態圖，圖7是示出了本發明的用於電動車的二次電池的安全開關的被切部件密封在 二次電池中的狀態的概念圖，而圖8是示出了本發明的用於電動車的二次電池的安全開 關連接到電動車的電機和充電控制電路的狀態的概念圖。首先，下面參照圖2來描述二次電池10的膨脹現象。接著，圖2中(a)是二次電池10的正視圖，圖2中(b)是二次電池10的側視 圖，而圖2中(c)示出了由於二次電池10的故障(例如過充、反向連接等)引起的膨脹 現象使二次電池10膨脹的狀態。接著，二次電池10具有密封結構。考慮到密封結構的特性，當二次電池10處於 諸如過充、短路、反向連接、受熱等瞬態(transit state)時從二次電池10內部產生氣體， 使二次電池10膨脹。如果該膨脹繼續，則二次電池10會從其內部洩漏諸如電解質等的 化學物質，或者如果洩漏了相當多的化學物質可能會燃燒並爆炸。接著，參照圖3到圖5來描述根據本發明的用於電動車的二次電池的安全開關 100，用於防止二次電池10的上述膨脹現象。如圖3到5所示，用於電動車的二次電池的安全開關100配置成包括具有切割主 體112的切斷組件110和具有通過切割部件110的切割主體112被切斷的被切主體123的 被切部件120。在該結構中，切割部件110配置成包括切割主體支撐部111和從該切割主體支撐 部111向外凸出並且具有由刀113形成的端部的切割主體112。此外，附接到另一二次電池20的被切部件120配置成包括具有使切割主體112 插入的切割主體插入槽122的被切主體支撐部121和疊在被切主體支撐部121的整個表面 上並且在板中央具有由切割主體112切斷的切割部124的被切主體123。在該結構中，被切主體123具有與切割主體112相同的寬度並且設置有多個孔 125或者凹口，以便容易被切斷或者熔化，其中，孔125優選具有菱形。此外，優選的是被切主體123由具有低熔點以易於熔化的材料製成。接著，具有上述結構的用於電動車的二次電池的安全開關100安裝在至少兩個 二次電池201之間，用作用於電動車的二次電池200的安全裝置，其中，通過電連接所述 至少兩個二次電池201來構造二次電池200。參照圖6和圖7來描述用於電動車的二次電池的安全開關100插在二次電池之間 的狀態及其操作。
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如圖6中(a)所示，用於電動車的二次電池的安全開關100的切割部件110附接 到任何一個二次電池10的一個表面，而被切部件120附接到另一二次電池20的面向切割 部件110的一個表面。在這種情況下，描述了任何一個二次電池10和另一個二次電池20應用於堆疊了 至少兩個二次電池的、用於電動車的二次電池200中的兩個二次電池的示例。接著，如圖7所示，在被切部件120中，被切主體123的上部通過第一連接線30 連接到任何一個二次電池20的正極21上，而被切主體123的下部通過第二連接線40連 接到另一二次電池20的負極22上。然後，當任何一個二次電池10和另一個二次電池20由於諸如過充、受熱、短 路、反向連接等情形導致的膨脹現象(swelling phenomenon)造成膨脹時，操作用於電動 車的二次電池的安全開關100。如圖6中(b)所示，切割部件110通過由於膨脹現象導致膨脹的任何一個二次電 池10和另一二次電池20而接近被切部件120。接著，具有設置在切割部件110中的刀113的切割主體112切斷被切部件120的 被切主體123的切割部124，並由於切割部件110和被切部件120的接近而插入切割主體 插入槽122中。接著，切割部124被切斷，以使任何一個二次電池10與另一二次電池20電地斷 開，使得用於電動車的二次電池200停止供電並且阻止任何一個二次電池10和另一二次 電池20的膨脹現象，由此防止二次電池爆炸和起火。同時，在用於電動車的二次電池200的充放電系統的電路連接部何時產生短路 電流時，通過感應使被切主體123熔化。接著，下面來描述所述熔化。被切主體123的切割部124被熔化，以防止另一二 次電池20由於短路電流的產生而異常操作，使得通過第一連接線30和第二連接線40連 接的正極21和另一二次電池20的負極22彼此斷開連接，由此停止另一二次電池20的操作。此外，優選的是，將阻燃絕緣材料或者能夠吸收熱量和火花的材料塗敷到切割 部件110和被切部件120的整個表面，以防止在切斷被切主體123時產生的電火花擴散。此外，優選的是利用能夠吸收在被切主體123被切斷或者熔化時產生的過量熱 量和它熔化時產生的熱量及火花的材料，來保護被切主體123。這裡，吸收熱量和火花的材料可以是吸收在被切主體123熔化時產生的瞬時電 弧熱並且用於液化和電流熄滅的矽石(Si02)。接著，參照圖8來描述具有用於電動車的二次電池的安全開關100的用於電動車 的二次電池的充放電系統。如圖8所示，用於電動車的二次電池的充放電系統配置成包括用於電動車的 二次電池200，其通過堆疊至少兩個向電動車供電的二次電池201構成；充電器220，其 中被充入從用於電動車的二次電池200產生的電力；驅動電機240，其提供有來自用於電 動車的二次電池200的電力，以產生動力；逆變器單元230，其控制驅動電機240的速度 和方向；電池繼電器單元210，其控制用於電動車的二次電池200和驅動電機240之間的 連接；以及至少一個用於電動車的二次電池的安全開關100，其設置在構成用於電動車的二次電池200的多個二次電池之間並根據由於用於電動車的二次電池的膨脹現象導致 的移位來控制二次電池的斷開電連接的操作。接著，用於電動車的二次電池200向驅動電機240提供驅動電力，其中，用於電 動車的二次電池200和驅動電機240通過電路連接並且電路之間的連接由電池繼電器單元 210控制。接著，電池繼電器單元210由第一電池繼電器211和第二電池繼電器212的對構 成。接著，電池繼電器單元210執行控制，以將電力提供給驅動電機240並在充電器 220中充入從用於電動車的二次電池200產生的電力。接著，通過提供在充電器220中充入的、從用於電動車的二次電池200產生的電 力，來驅動該驅動電機240。接著，逆變器單元230由四個逆變器構成，以控制驅動電機的速度和方向。儘管逆變器230使用了四個逆變器，來幫助理解這裡的解釋，但可以根據驅動 電機240的工作狀態和尺寸來改變。接著，當電池中繼單元210執行控制、向驅動電機240供電、逆變器單元230控 制驅動電機240以及在充電器220中充入電力的過程中由於諸如過充、反向連接、受熱和 短路的故障，導致構成用於電動車的二次電池200的至少一個二次電池201中存在高於設 定值的移位或者過量短路電流流入其中時，操作用於電動車的二次電池的安全開關100。接著，在高於設定值的移位由於膨脹現象而應用於用於電動車的二次電池200 時，用於電動車的安全開關100使被切主體123切斷，在過量短路電流流入用於電動車的 二次電池200時，使被切主體123熔化，由此直接中斷用於電動車的二次電池200和驅動 電機240之間的電路連接。工業適用性根據本發明的用於電動車的二次電池的安全開關和用於電動車的二次電池的充 放電系統，可以通過單個裝置安全地保護由於二次電池的過充、短路、反向連接和受熱 引起的膨脹現象和由於短路電流引起的二次電池的熱量產生和爆炸。此外，本發明通過感測二次電池的膨脹現象以在二次電池的內部壓力增加時直 接中斷主電路的方法從根本上中斷充電電力，由此使得可以在不引起二次電池洩漏或裂 開的情況下保護二次電池。此外，本發明能夠防止由於二次電池裂開時產生的氣體導所引起的二次電池的 起火和爆炸。此外，本發明能夠防止人體受到由於二次電池裂開時產生的有害氣體導致的損害。
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權利要求
1.一種用於電動車的二次電池的安全開關，該用於電動車的二次電池的安全開關包括切割部件(110)，其附接到通過連接至少兩個二次電池而構成的用於所述電動車的所 述二次電池中的任何一個二次電池(10)的一個表面，並且所述切割部件(110)具有切割 主體(112)；以及被切部件(120)，其附接到另一二次電池(20)的一個表面同時面對所述切割部件 (110)，並且被切部件(120)包括接近所述切割部件(110)的所述切割主體(112)的被切 主體(123)，並且在所述二次電池由於膨脹現象而膨脹時，所述被切部件(120)由接近的 所述切割主體(112)切斷，以使所述二次電池電斷開。
2.根據權利要求1所述的用於電動車的二次電池的安全開關，其中，所述切割部件 (110)包括附接到任何一個二次電池(10)的切割主體支撐部(111)，並且所述切割主體 (112)從所述切割主體支撐部(111)向外凸出並且具有由刀(113)形成的端部。
3.根據權利要求1所述的用於電動車的二次電池的安全開關，其中，附接到所述另 一二次電池(20)的所述被切部件(120)包括被切主體支撐部(121)和被切主體(123)，該 被切主體支撐部(121)具有使所述切割主體(112)插入的切割主體插入槽(122)，而該被 切主體(123)疊在所述被切主體支撐部(121)的整個表面上並且在板中央具有通過所述切 割主體(112)切斷的切割部(124)。
4.根據權利要求3所述的用於電動車的二次電池的安全開關，其中，所述被切主體 (123)連接到所述另一二次電池(20)並且形成在產生短路電流時熔化的熔絲結構。
5.根據權利要求4所述的用於電動車的二次電池的安全開關，其中，所述被切主體 (123)設置有多個孔(123)或者凹口，以便於切斷和熔化。
6.根據權利要求4所述的用於電動車的二次電池的安全開關，其中，所述切割部件 (110)和所述被切部件(120)由吸收所述被切主體(123)熔化時產生的熱量和火花的材料 來保護。
7.根據權利要求4所述的用於電動車的二次電池的安全開關，其中，所述切割部件 (110)和所述被切部件(120)塗敷有阻燃絕緣材料。
8.一種用於電動車的二次電池的充放電系統，該充放電系統包括用於電動車的二次電池(200)，其通過堆疊向電動車供電的至少兩個二次電池(201) 構成；充電器(220)，在該充電器(220)中被充入用於所述電動車的所述二次電池(200)產 生的電力；驅動電機(240)，其提供有來自用於所述電動車的所述二次電池(200)的電力，以產 生動力；逆變器單元(230)，其控制所述驅動電機(240)的速度和方向；電池繼電器單元(210)，其控制用於所述電動車的所述二次電池(200)和所述驅動電 機(240)之間的連接；以及至少一個根據權利要求1到7中任何一項所述的安全開關(100)，其設置在構成用於 所述電動車的所述二次電池(200)的二次電池之間，並根據由於用於所述電動車的所述 二次電池(200)的膨脹現象導致的移位來控制所述二次電池的電斷開操作。
9.根據權利要求8所述的用於電動車的二次電池的充放電系統，其中，當用於所述電 動車的所述二次電池(200)中產生移位時操作用於所述電動車的所述二次電池的所述安 全開關(100)，以中斷用於所述電動車的所述二次電池(200)和所述驅動電機(240)之間 的電路連接。
全文摘要
本發明涉及電動車的二次電池的安全開關及利用其的電動車的二次電池的充放電系統，更具體地說，涉及能夠通過操作附接到電動車的二次電池的外部的、用於電動車的二次電池的開關，以在由於用於電動車的二次電池的異常使用(例如，過充、受熱、斷路、反向連接等)二次電池膨脹或者過量短路電流沿著二次電池的電路流動的情況下切斷二次電池和電動車驅動電機之間的連接，來保護二次電池的技術。
文檔編號H02H7/18GK102017350SQ200980115143
公開日2011年4月13日 申請日期2009年4月28日 優先權日2008年4月28日
發明者張洙曄 申請人:Sk能源株式會社