热关断装置和电池组组件

本发明涉及可稳定用于二次电池组组件的热关断装置和使用该热 关断装置的电池组组件。

图9表示在日本专利临时公布号7-153499中提出的电池组组件。 这种电池组组件装有安全装置a，该安全装置被构造为：双金属开关b、 与双金属开关b并联连接的电阻器c、以及与双金属开关b串联连接 的电阻器d装在外壳(未示)中。

在该电池组组件中，如果通过充电端子e流进过量的充电电流， 在电阻器d中产生焦耳热，从而双金属开关b被关断以停止对组合电 池组f充电。如果双金属开关b被关断，通过电阻器c和d中产生的 热量来维持双金属开关b的关断状态。

图10和11表示在日本专利临时公布号63-503020中提出的安全 关断装置。图10中示出的关断装置被构造为电阻器i与串联连接到负 载g上的双金属开关h并联连接，以及电阻器k布置在负载g和双金 属开关h之间的公共接点和开关j之间。

在该装置中，如果闭合开关j，在电阻器k中产生焦耳热以关断双 金属开关h，从而切断负载g中的电流。如果双金属开关h被关断， 通过电阻器i和k中产生的热量来维持双金属开关的关断状态。

图11中示出的关断装置被构造为相互串联连接的电阻器m和n与 双金属开关h并联连接，以及开关j被连接到电阻器m和n的公共点 上。

在该装置中，如果闭合开关j，在电阻器m和n中产生焦耳热以关 断双金属开关h，结果切断负载g中的电流。如果双金属开关h被关 断，通过电阻器m中产生的热量来维持双金属开关的关断状态。

图9中示出的安全装置具有以下问题。(1)通过电阻器c中产生 的热量来维持双金属开关b的关断状态，作为负载的电池组f的阻抗 必须很低。这意味着当电池组f被外部短路时，保持接通状态。在其 中使用电池组组件的最近的情况中，二次电池组组件刚刚从如计算机 这样的设备中去掉，从而电池组的外部短路电路在很少情况中出现。 因此，极大地限制了安全装置的功能。

(2)近年来，需要恰当充电/放电控制的电池组，如锂电池组，被频 繁应用于二次电池组组件中。在这种电池组的情况中，由过充电所致 的过电压和过热产生危险，从而采取多种安全措施以防止这些现象。

作为一个例子，使用双金属开关和温度熔断器的安全装置都被用 于保护控制电路。然而，由于如上面(1)中所述安全装置的功能被极 大地限制，温度熔断器最终执行关断操作。

然而，一旦温度熔断器执行了关断操作，其就不能再使用。因此， 即使温度熔断器是由于误使用而操作的，昂贵的电池组组件也不能被 再使用。

(3)由于电阻器c与双金属开关b并联连接，即使双金属开关b被 关断的情况下，也不能实施完全电气关断。因此，双金属开关b被关 断后，出现电流从充电器流入电池组f中的现象(未示)，该充电器 被连接到充电端子e，或相反出现电流从电池组f泄漏到该装置中的 现象。鉴于安全，这种现象是不需要的。

另一方面，图10中示出的关断装置被构造为使得电阻器i与双金 属开关h并联连接，以及图11中示出的关断装置被构造为使得由电阻 器m和n组成的串联组合电阻器与双金属开关h并联连接。

因此，在这些关断装置中，即使双金属开关h被关断的情况下， 也不能实施完全电气关断，从而甚至当双金属开关h被关断后，电流 流到负载g中。也就是说，这些关断装置产生如上面(3)中所述的同 样问题。

鉴于上述情况，提供本发明。相应地，本发明的一个目的是提供 一种热关断装置，其在各种异常状况如过电流、过电压等状况下，关 适于断操作、关断状态的维持、消除异常后的再使用、以及完全电气 关断。

本发明的另一个目的是提供一种使用上述热关断装置的电池组组件。

为实现上述目的，本发明提供一种热关断装置，包括：一个静触 头，具有一个第一端子和一个第一触点；一个动触头，定位在静触头 之上，与第一触点相对；一个双金属片定位在动触头的上表面的一侧 上，并且当温度超过一个设置的温度时，双金属片反向以使动触头变 形，使得第二触点与第一触点分开；一个第三端子；以及一个片形发 热电阻器，设置在动触头与双金属片之间，其一端电连接到动触头， 其另一端电连接到第三端子；其中当引起电流经过第三端子流入发热 电阻器时，双金属片由于发热而被反向。

本发明还提供一种使用上述热关断装置的充电系统，包括：一个 电池组组件，容纳一个可充电电池组，该热关断装置以及异常检测装 置，异常检测装置检测电池组的异常以闭合开关元件；以及一个充电 装置，连接到电池组组件，并且通过热关断装置对电池组充电，其中 电池组组件被构造成，使得当异常检测装置的该开关元件被闭合时， 使电流经过开关元件从电池流到热关断装置的发热电阻器。

在热关断装置中，PTC元件被用作发热电阻器。

同时，发热电阻器可形成为片型，以及片型电阻器可被设置为使 得其与热响应元件接触。

该热关断装置完成下述操作。

(1)由于根据各种信息来执行关断操作以及关断状态可通过使用 一个发热电阻器来维持，所以可使得该装置体积小且成本低，并扩大 了其应用范围。

(2)由于没有电阻器与断开/闭合的触点关联，所以可提供可靠 的电关断性能。因此，改善了作为保护器的可靠性。

并且，本发明提供一种装有热关断装置的电池组组件，该热关断 装置包括设在第一和第二端子之间的触点、通过热响应元件的位移来 断开/闭合的触点、和设在第一和第三端子之间的发热电阻器；以及可 充电电池组，其中热关断装置的第一端子被连接到用于外部连接的第 一端子上，其第二端子通过电池组被连接到用于外部连接的第二端子 上，以及其第三端子被连接到用于外部连接的第三端子上；以及使得 电流通过用于外部连接的第三端子流入发热电阻器中，从而通过由发 热元件产生的热量引起的热响应元件的位移来断开触点。

该电池组组件完成以下操作。

(3)执行热关断装置的断开/闭合操作，并且通过充电器或如计 算机的外部设备的操作来维持断开状态。因此，不仅可执行对于短路 等的保护操作而且可执行根据各种信息的多种保护操作。

(4)由于能可靠地操作电气关断，防止了持续关断期间电流从电 池组的流入和流出。结果改善了安全。

(5)该电池组的经济优点在于：其通过断开发热电源可被再使用。

此外，本发明提供一种装有热关断装置的电池组组件，该热关断 装置包括设在第一和第二端子之间的触点、通过热响应元件的位移来 断开/闭合的触点、和设在第一和第三端子之间的发热电阻器；一种可 充电电池组，以及一种用于检测电池组状况以当该状况异常时闭合开 关元件的异常检测装置，其中，热关断装置的第二端子被连接到用于 外部连接的第一端子上，其第一端子通过该电池组被连接到用于外部 连接的第二端子上，以及其第三端子被连接到开关元件上；以及通过 闭合该开关元件，使得电池组的电流流到发热电阻器中，从而通过发 热电阻器产生的热量引起的热响应元件的位移来断开触点。

在该电池组组件中，异常检测装置根据电池组的电流来检测电池 组的状况。

并且，异常检测装置可根据电池组的电压来检测电池组的状况。

此外，异常检测装置可根据电池组的温度来检测电池组的状况。

除上面(4)中所述的操作外，该电池组组件还可完成以下操作。

(6)由于热关断装置的关断状态是通过电池组的放电电流引起的电阻 器的热产生来维持的，当电池组的放电电流减小到预定值时，热关断 装置自动回到闭合状态。因此，需要热关断装置的返回操作。

(7)执行多种保护操作，并且电池组可再使用。

图1是沿图2的线B-B的断面图，表示根据本发明的热关断装置 的一个实施例；

图2是沿图1线A-A的断面图；

图3是表示根据本发明的热关断装置的另一个实施例的断面图；

图4是图3中示出的热关断装置的纵剖图；

图5是片型电阻器的分解透视图；

图6是图1和3中示出的热关断装置的电路图；

图7是表示本发明电池组组件的一个实施例的电路图；

图8是表示本发明电池组组件的另一个实施例的电路图；

图9是表示常规电池组组件的结构的电路图；

图10是表示常规热关断装置的一个例子的电路图；以及

图11是表示常规热关断装置的另一个例子的电路图。

在图1和图2中，由导电材料形成的静触头1在其后端部分 形成有端子2，其前端部分形成有静触点3。在静触头1上固定 有绝缘板4。绝缘板4在其后部具有两个圆柱形突起4a和4b， 以及该圆柱形突起4a、4b穿过形成在动触头5、电阻器8、端子 9等中的孔，此后描述其。

由弹性金属板形成的动触头5位于绝缘板4上。通过将其后 部固定到绝缘板4的两个圆柱形突起4a和4b上来支持动触头5。 在动触头5的前端部和后端部形成有动触点6，其分别正对静触 点3和端子9。

是热响应元件的双金属片7被置于动触头5的上表面上。通 过用设在动触头5两端的卡子5c和5d固定来支持双金属片7。

当温度达到预定值时，双金属片7执行反向操作以使得动触 头5变形。动触头5的这种变形将动触点6与静触点2分开。为 了通过双金属片7的反向操作产生的动触头5的这种变形尽可能 大，在动触头5的中部设有圆形突起5f。

固定到圆柱形突起4a和4b上的电阻器8被设在动触头5的 后部，以及固定到圆柱形突起4a和4b上的端子10设在电阻器 8的上表面上。因此，电阻器8的一端被电连接到动触头5后部 的上表面上，其另一端被电连接到端子10的下表面上。

具有电气绝缘特性的绝缘板11被设在端子10的上表面上。 穿过绝缘板11后圆柱形突起4a和4b被熔接或焊到绝缘板11的 上表面上。

如此组装的组件被嵌入到外壳12中，以及通过树脂13或类 似物来密封外壳12的开口。

图3、4和5表示根据本发明的热关断装置的另一个实施例， 在这些图中，用将0加到图1和2中示出的元件的标号上形成的 标号来表示与图1和2中的元件相应的元件。

在该实施例中，突起41设在绝缘板40上而不是设在图2中 示出的动触头50上的突起5f上。并且，双金属片70具有使得 图2中示出的双金属片7的后端部被延伸的形状。

在动触头50和双金属片70之间设有图3和5中所示的片型 电阻器80。该片型电阻器80被构造为使得具有相当高电阻的金 属膜(例如，厚度为50微米的不锈钢膜)的一个和另一个表面 80b分别由具有电气绝缘特性的柔性薄片(例如，聚酰亚胺树脂) 80a和80c覆盖。

金属膜80b的右和左后部80d和80e从薄片80a和80c的后 端被暴露。通过如焊接或熔接的方式，端部80d被固定到动触头 50的后端部，以及端部80e有用于连接到外电路的端子100。

动触头50的后端部、双金属片70、和片型电阻器80通过设 在绝缘板40上的棱柱形部件42被穿过，并被压到一起通过绝缘 件110固定。

片型电阻器80具有位于在该状态中的固定部分外侧上的主 要发热区，其产生50％或更多的热量值。特别地，主要发热区向 前延伸以位于动触头50和双金属片70之间的空间中，以及其前 端部与双金属片70的下表面接触。

由于电阻器80是柔性的，其不会阻止双金属片70的反向操 作。而且，由于电阻器80的主要发热区通过折曲金属膜80b形 成，通过改变金属膜80b的厚度、宽度、和弯曲形状可调整电阻。

图6是根据上述实施例的热关断装置的电路图。根据热关断 装置S，当异常负载电流在端子2(20)和9(90)之间流动时， 由动触头5中产生的热量所致的双金属片7(70)的反向操作将 动触点6(60)和静触点3(30)分离。如果持续提供用于产生 热量的电流，触点6(60)和3(30)的断开状态将被维持。

在该热关断装置S中，电阻器8(80)没有与双金属开关元 件并联连接。当开关元件在断开状态时，从而完全切断负载电流。 也就是说，该热关断装置S提供非常好的关断质量。

如果所谓PTC(正温度系数)元件如正热敏电阻用作发热电 阻器8(80)，可改善热关断装置的响应。正如熟知的那样，PCT 元件具有当温度升高时电阻突然上升的特性。

图7表示根据其中装有上述热关断装置S的本发明的电池组 组件的实施例。

电池组组件200-1被构造为使得热关断装置S的端子9(90)、 其端子2(20)、和其端子10(100)分别被连接到用于外部连 接的端子201、可充电电池组(例如，锂电池组)202、和用于 外部连接的端子204上。

用于外部连接的端子201和203分别被连接到充电器300的 正输出端子和负输出端子上。并且，用于外部连接的端子203和 204被连接到装在充电器300或如计算机的设备(未示)中的异 常检测电路301中的常开开关元件302(包括半导体开关元件) 上。

在电池组200-1中，如果异常充电电流流到热关断装置S中 时，异常检测电路301检测异常充电电流以闭合开关元件302。 相应地，电流流入热关断装置S的电阻器8(80)中，从而电阻 器产生热量，以此热关断装置S被断开。结果，切断充电电流。

检测异常充电电流后，异常检测电路301维持开关元件 302的闭合状态。在此期间，发热元件80的发热状态通过从 充电器300提供的电流来维持。

当从充电器300上移去电池组组件200-1时，或当关断装 有充电器300的电源设备如计算机时，没有电流流入电阻器8 (80)中，从而电阻器8(80)的温度降低。当电阻器8(80) 的温度降低到预定值时，热关断装置S的双金属片7(70)执 行返回操作，处于再使用状态。

尽管上面已说明了在异常充电电流(过电流)流动情况中 的操作，异常检测电路301也具有检测异常充电电压(过电压) 以闭合开关元件302的功能。

用于检测电池组202的温度的温度传感器如热敏电阻可包 括在异常检测电路301中，从而当电池组202的温度异常(过 热)时，闭合开关元件302。

图8表示根据装有热关断装置S的本发明的电池组组件的 另一个实施例。

电池组组件200-2装有对应于图7中所示的异常检测电路 的异常检测电路205。热关断装置S的端子2(20)被连接到 用于外部连接的第一端子201上，其端子9(90)通过电池组 202和异常检测电路205被连接到用于外部连接的第二端子 203上，以及其端子10(100)通过异常检测电路205的常开 开关元件206被连接到电池组202的负极上。

在该电池组200-2中，如果异常电流流入热关断装置S中， 异常检测电路205检测异常电流以闭合开关元件206。相应地， 电流流入热关断装置S的电阻器8(80)中，从而电阻器产生 热量，以此断开热关断装置。结果，切断异常电流。

当电池组202充电时，异常检测电路检测异常充电电流作 为上述异常电流。在这种情况下，检测异常充电电流后，异常 检测电路205维持开关元件206的闭合状态。在此期间，电阻 器8(80)供有从电池组202的热产生电流。热产生电流随电 阻器8(80)的功率损耗所致的电池组202的电压的下降而减 小。当热产生电流减小到预定值时，电阻器8(80)的热产生 温度降低，从而热关断装置S回到闭合状态。

另一方面，当电池组202放电时，异常检测电路205检测 由过载、外部短路等引起的异常放电电流作为上述异常电流。 在这种情况下，异常检测电路205闭合开关元件206并维持闭 合状态，从而断开异常电流。

异常检测电路205也具有检测电池组202的异常充电电压 以闭合开关元件302的功能。如上所述，用于检测电池组202 的温度的温度传感器如热敏电阻可包括在异常检测电路205 中，从而当电池组202的温度异常时闭合开关元件206。