一种锂电池过热保护系统及方法与流程

1.本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种锂电池过热保护系统及方法。


背景技术：

2.随着电子科技的快速发展，市场对中小型锂离子电池的需求日益增大，特别是高能量比、长循环寿命、高可靠性的锂离子电池，越来越受到消费市场的青睐。
3.对于中小型锂离子电池来说，实际使用中，由于外部电路短路或应用环境发生变化，从而导致电池内部温度升高，电池发热量剧增，极易引起整个电池的热失控，从而发生着火甚至爆炸，因此，如果锂电池没有合理的热保护系统，会存在严重的安全隐患。
4.目前的锂电池热保护系统，均无法合理检测电池本身热量，只能通过电池输出的电压/电流信号来判断，滞后性强，也有一些通过物理熔断结构来强行使外部电路断路，但由于传统熔断结构金属熔断有很大的随机性，特别是当电路突然急剧变化，金属熔断结构可能出现“藕断丝连”的效果，无法有效使得外部电路短路，也就无法实现对锂电池有效的热保护。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供一种实现对锂电池有效地过热保护、安全性高的锂电池过热保护系统及方法，来解决上述存在的技术问题，具体采用以下技术方案来实现。
6.第一方面，本发明提供了一种锂电池过热保护系统，包括：
7.控制电路；
8.采集单元，与所述控制电路连接，所述采集单元包括锂电池主体、锂电池电极、导热层、第一电极、热敏电阻片、第二电极、保护层和绝缘层，所述锂电池电极位于所述锂电池主体的上表面，所述导热层与所述锂电池主体连接，所述第一电极与所述导热层连接，所述绝缘层间隔排列在所述热敏电阻片之间，所述绝缘层和所述热敏电阻片与所述第一电极连接，所述第二电极与所述绝缘层、所述热敏电阻片连接，所述保护层与所述第二电极连接；
9.熔断单元，与所述控制电路连接，所述熔断单元包括基座、悬臂梁和磁感应线圈，所述悬臂梁的一端与所述基座的上表面连接，所述悬臂梁的另一端设置有金属块，所述磁感应线圈位于所述基座上并与所述悬臂梁相对设置，所述金属块与所述磁感应线圈正对设置，所述熔断单元还包括位于所述悬臂梁下方的熔断部、第三电极和第四电极，所述熔断部位于所述第三电极和所述第四电极之间；
10.其中，所述采集单元用于实时采集锂电池的热状况并反馈至所述控制电路，所述控制电路根据所述热状况控制所述熔断单元断开所述锂电池与外部设备的连接。
11.作为上述技术方案的进一步改进，所述第一电极和所述第二电极采用铝或铜的金属材料。
12.作为上述技术方案的进一步改进，所述热敏电阻片为正温度系数热敏电阻，采用钛酸钡基材料，居里点温度为80～200℃之间。
13.作为上述技术方案的进一步改进，所述导热层采用导热硅胶或石墨垫片的导热材料。
14.作为上述技术方案的进一步改进，所述保护层采用耐高温塑料或陶瓷，所述绝缘层采用导热硅胶的导热绝缘材料。
15.作为上述技术方案的进一步改进，所述熔断部采用低熔点的金属丝，当所述控制电路接收到所述采集单元采集的电流变化时，在所述第三电极和所述第四电极之间加入熔断电流使所述熔断部熔断。
16.作为上述技术方案的进一步改进，所述悬臂梁采用氮化硅，所述金属块采用铁或镍或钴，所述磁感应线圈用于通电产生磁场并吸引所述金属块沿所述基座方向运动。
17.作为上述技术方案的进一步改进，所述磁感应线圈包括第五电极、金属绕组和第六电极，所述第五电极和所述第六电极分别连接所述金属绕组的两端。
18.第二方面，本发明还提供了一种锂电池过热保护方法，包括：
19.所述采集单元采集所述锂电池的热状况，并将所述热状况反馈至所述控制电路；
20.所述控制电路根据所述热状况判断所述锂电池的温度超过预设温度时，所述采集单元中的热敏电阻片的电阻升高，所述第一电极和所述第二电极之间的电流减小，在所述第三电极和所述第四电极加入熔断电流使所述熔断部熔断，同时，所述控制电路控制所述熔断单元中的磁感应线圈产生磁场吸引所述悬臂梁的金属块，使所述悬臂梁向下运动，以使所述锂电池与外部设备断开连接。
21.相对于现有技术，本发明提供的一种锂电池过热保护系统及方法，具有以下有益效果：
22.通过将控制电路连接在采集单元与熔断单元之间，采集单元用于采集锂电池的热状况。并实时反馈给控制电路，控制电路根据热状况判断锂电池的温度超过预设温度时，采集单元中的热敏电阻片的电阻升高，第一电极和第二电极之间的电流减小，在第三电极和第四电极加入熔断电流使熔断部熔断，同时，控制电路控制熔断单元中的磁感应线圈产生磁场吸引所述悬臂梁的金属块，使悬臂梁向下运动，保证熔断单元的熔断部的完全被打断，以使锂电池与外部设备断开连接，从而起到对锂电池的过热保护功能，保证熔断单元的熔断部的完全被打断，不会出现藕断丝连的现象，也使第三电极和第四电极之间彻底断开，保证电路断路，从而彻底抑制锂电池温度的上升。
附图说明
23.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
24.图1为本发明实施例提供的锂电池过热保护系统的结构框图；
25.图2为本发明实施例提供的采集单元的俯视图；
26.图3为本发明实施例提供的采集单元的aa’的剖面图；
27.图4为本发明实施例提供的熔断单元的结构示意图；
28.图5为本发明实施例提供的熔断部的结构示意图；
29.图6为本发明实施例提供的悬臂梁的结构示意图；
30.图7为本发明实施例提供的磁感应线圈的俯视图；
31.图8为本发明实施例提供的锂电池过热保护方法的流程图。
32.主要元件符号说明：
33.10
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锂电池过热保护系统；20
‑
控制电路；100
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采集单元；101
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锂电池电极；102
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锂电池主体；103
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导热层；104
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第一电极；105
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热敏电阻片；106
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第二电极；107
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保护层；108
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绝缘层；200
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熔断单元；201
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基座；202
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悬臂梁；203
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磁感应线圈；204
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金属块；205
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第三电极；206
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熔断部；207
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第四电极；208
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第五电极；209
‑
金属绕组；210
‑
第六电极。
具体实施方式
34.下面详细描述本技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。
35.需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
36.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
37.参阅图1、图2及图3，本技术提供了一种锂电池过热保护系统10，包括：
38.控制电路20；
39.采集单元100，与所述控制电路20连接，所述采集单元100包括锂电池主体102、锂电池电极101、导热层103、第一电极104、热敏电阻片105、第二电极106、保护层107和绝缘层108，所述锂电池电极101位于所述锂电池主体102的上表面，所述导热层103与所述锂电池主体102连接，所述第一电极104与所述导热层103连接，所述绝缘层108间隔排列在所述热敏电阻片105之间，所述绝缘层108和所述热敏电阻片105与所述第一电极104连接，所述第二电极106与所述绝缘层108、所述热敏电阻片105连接，所述保护层107与所述第二电极106连接；
40.熔断单元200，与所述控制电路20连接，所述熔断单元200包括基座201、悬臂梁202和磁感应线圈203，所述悬臂梁202的一端与所述基座201的上表面连接，所述悬臂梁202的另一端设置有金属块204，所述磁感应线圈203位于所述基座201上并与所述悬臂梁202相对设置，所述金属块204与所述磁感应线圈203正对设置，所述熔断单元200还包括位于所述悬臂梁202下方的熔断部206、第三电极205和第四电极207，所述熔断部206位于所述第三电极205和所述第四电极207之间；
41.其中，所述采集单元100用于实时采集锂电池的热状况并反馈至所述控制电路20，
所述控制电路20根据所述热状况控制所述熔断单元200断开所述锂电池与外部设备的连接。
42.在本实施例中，采集单元100与控制电路20通过导线连接，控制电路20通过熔导线与熔断单元200连接，采集单元100中的锂电池电极101可以是阳极，也可以是阴极，导热层103采用导热硅胶或石墨垫片的导热材料，第一电极104和第二电极106采用铝或铜的金属材料，第一电极104和第二电极106也可以是其他导热性良好的金属，热敏电阻片105为正温度系数热敏电阻器(positive temperature coefficient，ptc)，热敏电阻片105的典型特点为对温度敏感，不同的温度下表现出不同的电阻值，正温度系数热敏电阻在温度越高时电阻值越大。热敏电阻片105具有灵敏度高、其电阻温度系数要比金属大10～100倍以上和能检测出10～6℃的变化的特点，其工作温度范围宽，常温适用于
‑
55℃～315℃，低温适用于
‑
273℃～
‑
55℃，热敏电阻片105还具有体积小、使用方便和稳定性好的特点。热敏电阻片105为采用钛酸钡基材料，居里点温度为80～200℃之间，居里点温度是指磁性转变带你，磁性材料中自发磁化强度降到零时的温度，是铁磁性或亚铁磁性物质转变成顺磁性物质的临界点。第一电极104和第二电极106分别连接在热敏电阻片105的两端。保护层107采用耐高温塑料或陶瓷作为外部保护材料。在热敏电阻片105的中间填充有良好的导热绝缘材料的绝缘层108，通常采用导热硅胶作为绝缘层108，绝缘层108既可以绝缘，又有良好的导热和粘附作用。
43.需要说明的是，采集单元100用于采集锂电池的热状况，该热状况可以是锂电池的充电或放电过程，采集单元100实时将热状况反馈给控制电路20，控制电路20根据采集到的信号通过熔断单元200断开电池的外部连接，从而起到对锂电池的过热保护功能。导热层103与锂电池主体102连接，可以将锂电池内产生的热量传递至锂电池外，热敏电阻片105设置在第一电极104和第二电极106之间，第一电极104和第二电极106与控制电路20相连接，当锂电池温度身高时，会将热量反馈给外部的热敏电阻片105，当热敏电阻片105的温度达到材料本身的居里点温度时，其内部电阻会变成无穷大，使得热敏电阻片105接近于断路，选择多个合适居里点温度的ptc热敏电阻可以对锂电池内部对应的温度进行快速响应。当锂电池温度升高到ptc热敏电阻的距离点温度时，第一电极104和第二电极106之间的电流急剧变小，最后反馈给控制电路20，
44.另外，控制电路20包含一电压源、控制芯片、电流检测电路和开关电路等，控制电路20根据采集单元100反馈的锂电池温度变化所导致的外部电流信号变化，此时判断电池热量过大，外部电路可能发生短路或电池输出电流异常，开关芯片会提供电压或电流信号给熔断单元200，通过熔断单元200使得电路断路，从而实现对锂电池过热防护的作用。
45.应理解，绝缘层108是间隔排列在热敏电阻片内，相当于在第一电极104和第二电极106之间形成多条电流支路，第一电极104和第二电极106是与控制电路20相连接，可以对电路中的电流进行精准检测判断，保护层107采用耐高温塑料或陶瓷可以起到与外部电路热隔离的作用，也确保了锂电池过热保护系统10的工作稳定性。
46.进一步地，所述熔断部206采用低熔点的金属丝，当所述控制电路20接收到所述采集单元100采集的电流变化时，在所述第三电极205和所述第四电极207之间加入熔断电流使所述熔断部206熔断。
47.参阅图4、图5，在本实施例中，熔断部206是采用低熔点的金属丝，可以是铝、镍、锡
等，当控制电路20接收到采集单元100的电流变化时，会在第三电极205和第四电极207加上大电流，使熔断部206的金属丝熔断，以实现电路断路。
48.进一步地，所述悬臂梁202采用氮化硅，所述金属块204采用铁或镍或钴，所述磁感应线圈203用于通电产生磁场，并吸引所述金属块204沿所述基座201方向运动。
49.参阅图6，在本实施例中，悬臂梁202采用氮化硅可以起到耐高温的作用，悬臂梁202的顶部为金属块204，该金属块204为铁、镍、钴等金属，该金属块204可以被磁场吸引的金属。磁感应线圈203设置在与金属块204对应的基座201的上表面，当磁感应线圈203通电后，磁感应线圈203可以产生磁场，吸引上方的金属块204来带动悬臂梁202向下运动，提高了悬臂梁202的工作可靠性。
50.进一步地，所述磁感应线圈203包括第五电极208、金属绕组209和第六电极210，所述第五电极208和所述第六电极210分别连接所述金属绕组209的两端。
51.参阅图7，在本实施例中，磁感应线圈203包含两个电极即第五电极208和第六电极210、金属绕组209，金属绕组209的两端连接在第五电极208和第六电极210之间，磁感应线圈203在通电时产生纵向的磁场，第五电极208连接在金属绕组209的一端的下表面，第六电极210连接在金属绕组209的另一端的上表面，可以减小磁感应线圈203的体积，便于产生稳定较大的磁场，磁感应线圈203通电时产生磁场吸引上方的悬臂梁202向下运动，可以使电路迅速出现断路。
52.需要说明的是，熔断部206位于氮化硅悬臂梁下方，熔断部206与悬臂梁202是垂直的，位于不同的平面上。当锂电池出现过热时，ptc热敏电阻的阻值急剧升高，第一电极104和第二电极106之间的电流急剧减小，控制电路20检测到电流发生变化，在熔断单元200中的第三电极205和第四电极207之间提供大电流，熔断部206的金属丝熔断，同时控制电路20提供电压给第五电极208和第六电极210，使磁感应线圈203反复产生磁场，可以吸引位于基座201上方的氮化硅悬臂梁，悬臂梁202向下运动，使得熔断单元200的熔断部206完全被打断，有效避免了出现藕断丝连的现象，即彻底断开第三电极205和第四电极207之间的连接，保证了电路断路。
53.参阅图8，本发明还提供了一种锂电池过热保护方法，包括以下具体步骤：
54.s1：所述采集单元采集所述锂电池的热状况，并将所述热状况反馈至所述控制电路；
55.s2：所述控制电路根据所述热状况判断所述锂电池的温度超过预设温度时，所述采集单元中的热敏电阻片的电阻升高，所述第一电极和所述第二电极之间的电流减小，在所述第三电极和所述第四电极加入熔断电流使所述熔断部熔断，同时，所述控制电路控制所述熔断单元中的磁感应线圈产生磁场吸引所述悬臂梁的金属块，使所述悬臂梁向下运动，以使所述锂电池与外部设备断开连接。
56.本发明提供了一种锂电池过热保护系统及方法，通过将控制电路连接在采集单元与熔断单元之间，采集单元用于采集锂电池的热状况。并实时反馈给控制电路，控制电路根据热状况判断锂电池的温度超过预设温度时，采集单元中的热敏电阻片的电阻升高，第一电极和第二电极之间的电流减小，在第三电极和第四电极加入熔断电流使熔断部熔断，同时，控制电路控制熔断单元中的磁感应线圈产生磁场吸引所述悬臂梁的金属块，使悬臂梁向下运动，以使锂电池与外部设备断开连接，从而起到对锂电池的过热保护功能，保证熔断
单元的熔断部的完全被打断，不会出现藕断丝连的现象，也使第三电极和第四电极之间彻底断开，保证电路断路，从而彻底抑制锂电池温度的上升。
57.在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。所述控制电路根据所述热状况判断所述锂电池的温度超过预设温度时，所述采集单元中的热敏电阻片的电阻升高，所述第一电极和所述第二电极之间的电流减小，在所述第三电极和所述第四电极加入熔断电流使所述熔断部熔断，同时，所述控制电路控制所述熔断单元中的磁感应线圈产生磁场吸引所述悬臂梁的金属块，使所述悬臂梁向下运动，以使所述锂电池与外部设备断开连接。
58.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
59.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本技术范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。