(57)【要約】  本発明は、電池パックの電池に直列に接続される電池接続装置を開示した。前記電池接続装置は、導電性上部カバー，導電性下部カバー及び電気的に絶縁された側壁からなるハウジングと、前記導電性上部カバーと前記導電性下部カバーを電気的に接続させ、前記ハウジングを第１スペース及び第２スペースに分割する金属シート部材と、第１接続端子と、第２接続端子と、前記電池パックのサンプリング電池のサンプリング電圧を受ける少なくとも１つの圧力変更ユニットとを含む。前記サンプリング電圧がプリセット値以上の場合、該電池接続装置は電流を遮断して、電池パックの安全性を確保することができる。本発明は、該電池接続装置を備える電池パックをさらに開示した。
2021511639.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池パック内に直列に接続される第１電池と第２電池を電気的に接続させるための電池接続装置であって、
導電性上部カバー、導電性下部カバー及び電気的に絶縁された側壁を含むハウジングと、
前記導電性上部カバーと前記導電性下部カバーとを電気的に接続させ、前記ハウジングを第１スペース及び第２スペースに分割する金属シート部材と、
前記第１電池の負極と前記導電性上部カバーを電気的に接続させるための第１接続端子と、
前記第２電池の正極と前記導電性下部カバーを電気的に接続させるための第２接続端子と、
前記第１スペースに設けられ、前記電池パックのサンプリング電池のサンプリング電圧を受け、前記サンプリング電圧がプリセット値以上になると作動し、前記第１スペースの気圧を上げ、前記金属シート部材と前記導電性上部カバー又は前記導電性下部カバーとの電気的接続を切断し、前記電池パックの電流を遮断する少なくとも１つの圧力変更ユニットと、
を備える電池接続装置。
【請求項２】
前記圧力変更ユニットと前記導電性下部カバーとは一体配置されている請求項１に記載の電池接続装置。
【請求項３】
前記サンプリング電池は前記第２電池である請求項１に記載の電池接続装置。
【請求項４】
前記圧力変更ユニットは電気化学ユニットを含み、前記電気化学ユニットが正極、負極、電解液、及び少なくとも１つの開口を有する外殻を含み、前記電気化学ユニットの負極、正極がそれぞれ前記サンプリング電池の正極及び負極に電気的に接続され、前記電気化学ユニットの内部キャビティが前記第１スペースと連通し、前記サンプリング電圧が前記プリセット値以上になると、前記電気化学ユニットが作動開始し、少なくとも１種のガスを生成する請求項１に記載の電池接続装置。
【請求項５】
前記電気化学ユニットの外殻の耐圧強度は０．１ｋＰａ以上である請求項４に記載の電池接続装置。
【請求項６】
前記ガスは、二酸化炭素、メタン、エタン、水素、エチレン、一酸化炭素又はアセチレンから選ばれる１種又は複数種である請求項４に記載の電池接続装置。
【請求項７】
前記ガスは、前記電気化学ユニットの正極材料の反応、負極材料の反応及び電解液材料の反応の１つ又は複数から生成される請求項４に記載の電池接続装置。
【請求項８】
前記電解液は少なくとも１種の電解質及び少なくとも１種の非水溶媒を含む請求項４に記載の電池接続装置。
【請求項９】
前記電解質はリチウム塩、ナトリウム塩又はカリウム塩から選ばれる１種又は複数種を含む請求項８に記載の電池接続装置。
【請求項１０】
前記非水溶媒は、炭酸プロピレン、炭酸エチレン、炭酸ビニレン、炭酸エチルメチル、１，２−ジメトキシエタン、エトキシエタン、炭酸ジエチル、炭酸ジメチル、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、１，３−ジオキソラン、４−メチル−１，３−ジオキソラン、エーテル、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、プロピオニトリル、酢酸エチル、プロピオン酸メチル又は酪酸メチルから選ばれる１種又は複数種を含む請求項８に記載の電池接続装置。
【請求項１１】
前記電解液はシクロヘキシルベンゼン又はビフェニルをさらに含む請求項８に記載の電池接続装置。
【請求項１２】
前記電気化学ユニットの正極は正極キャリアを含み、前記正極キャリアはアルミニウム、チタン、プラチナ、金、ステンレス鋼及びグラファイトから選ばれる１種又は複数種を含む請求項４に記載の電池接続装置。
【請求項１３】
前記電気化学ユニットの正極は正極活物質をさらに含み、前記正極活物質が炭素、シリコン、アルミナ、アルカリ金属又はアルカリ土類金属含有化合物、硝酸アンモニウム、シュウ酸、マレイン酸、クエン酸、尿素及び無水マレイン酸から選ばれる１種又は複数種を含む請求項１２に記載の電池接続装置。
【請求項１４】
前記電気化学ユニットの負極は負極キャリアを含み、前記負極キャリアが銅、ニッケル、鋼、アルミニウム及びグラファイトから選ばれる１種又は複数種を含む請求項４に記載の電池接続装置。
【請求項１５】
前記電気化学ユニットの負極は負極活物質をさらに含み、前記負極活物質が炭素、シリコン、チタン酸リチウム又はスズから選ばれる１種又は複数種を含む請求項１４に記載の電池接続装置。
【請求項１６】
前記電気化学ユニットは、前記正極と前記負極との間に設けられるセパレータをさらに含む請求項４に記載の電池接続装置。
【請求項１７】
前記第１スペース又は前記第２スペースに設けられ、少なくとも１種の消弧材料又は消弧媒体を含む少なくとも１つの消弧ユニットを、さらに含む請求項１に記載の電池接続装置。
【請求項１８】
直列に接続される複数の電池及び少なくとも１つの請求項１に記載の電池接続装置を備える電池パック。
【請求項１９】
並列に接続された２つ以上の請求項１に記載の電池接続装置を備える請求項１８に記載の電池パック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電池技術分野に関し、具体的に電池接続装置及び該電池接続装置を備える電池パックに関する。
【背景技術】
【０００２】
現代社会の発展と環境保護に対する人々の意識の高まりとともに、ますます多くの電子機器が、携帯電話、ノートブックコンピューター、電動工具及び電気自動車などの、充電可能な二次電池を電源として選択するようになっている。二次電池の普及に伴い、二次電池の安全性及びサイクル寿命に対する要求も高まっている。
【０００３】
リチウムイオン電池などの二次電池は、過充電された場合、電極材の熱暴走や電解液の分解により、電池内部で過剰な熱やガスが発生し、電池の内圧が急激に上昇して電池が発火したり、爆発したりすることがある。現在、電池の安全性を確保するために、業界の人々は電池の内部に電流遮断装置をいくつか設計して、過充電による電池の発火や爆発を防止する。ただし、現在の内蔵型電流遮断装置には次の問題がある。まず、これらの装置が電池の内部スペースを占有し、電池内の有効な活物質の割合を減らし、電池のエネルギー密度が低下する。次に、このような内蔵型電流遮断装置の始動条件により、電池の正負極材料及び電解液にいくつかの変更又は調整が必要になり、これらの変更又は調整により、電池が最高のパフォーマンスを発揮できない可能性がある。３番目に、このような内蔵式電流遮断装置は、コストが高く、また、設計が複雑で、電池構造全体との整合性を考慮する必要があり、それに互換性に欠けるため、電池の規格に応じて、電流遮断装置を別途開発する必要がある。
【０００４】
上記の問題に鑑みて、電池パックが過充電されたときに役割を果たし、電池が発火や爆発をしないように時間内に電流を遮断する、新規な電流遮断装置を検討する必要がある。
【発明の概要】
【０００５】
上記の問題に鑑みて、電池の過充電によって引き起こされる安全性の問題を解決するように、本発明は、電池接続装置及び該電池接続装置を備える電池パックを提案する。具体的な技術的手段は、次のとおりである。
【０００６】
本発明は、電池パック内に直列に接続される第１電池と第２電池を電気的に接続させるための電池接続装置を提供し、導電性上部カバー、導電性下部カバー及び電気的に絶縁された側壁を含むハウジングと、前記導電性上部カバーと前記導電性下部カバーとを電気的に接続させ、前記ハウジングを第１スペース及び第２スペースに分割するための金属シート部材と、前記第１電池の負極と前記導電性上部カバーとを電気的に接続させるための第１接続端子と、前記第２電池の正極と前記導電性下部カバーとを電気的に接続させるための第２接続端子と、前記第１スペースに設けられ、前記電池パックのサンプリング電池からのサンプリング電圧を受け、前記サンプリング電圧がプリセット値以上になる場合、前記圧力変更ユニットが起動し、前記第１スペースの気圧を上げ、前記金属シート部材と前記導電性上部カバー又は前記導電性下部カバーとの電気的接続を切断し、前記電池パックの電流を遮断する少なくとも１つの圧力変更ユニットとを備える。
【０００７】
さらに、前記圧力変更ユニットは前記導電性下部カバーと一体配置され、例えば、前記圧力変更ユニットは、外殻を含み、前記外殻の少なくとも一部を前記導電性下部カバーとする。
【０００８】
さらに、前記サンプリング電池は前記第２電池である。
【０００９】
さらに、前記圧力変更ユニットは少なくとも１つの電気化学ユニットを含み、前記電気化学ユニットが正極、負極、電解液、及び少なくとも１つの開口を有する外殻を含み、前記電気化学ユニットの正極、負極がそれぞれ前記サンプリング電池の負極及び正極に電気的に接続され、前記電気化学ユニットの内部キャビティが前記外殻の開口を介して前記第１スペースと連通し、前記サンプリング電圧が前記プリセット値以上になる場合、前記電気化学ユニットが作動して少なくとも１種のガスを生成する。
【００１０】
さらに、前記電気化学ユニットの外殻の耐圧強度が０．１ｋＰａ以上である。
【００１１】
さらに、前記ガスは、二酸化炭素、メタン、エタン、水素、エチレン、一酸化炭素又はアセチレンから選ばれる１種又は複数種である。前記電気化学ユニットが作動しているとき、前記ガスは、正極材料の反応、負極材料の反応及び電解液材料の反応のうちの１つ又は複数から生成される。
【００１２】
さらに、前記電気化学ユニットの正極は正極キャリアを含む。前記正極キャリアはアルミニウム、チタン、プラチナ、金、ステンレス鋼及びグラファイトから選ばれる１種又は複数種を含んでもよい。いくつかの実施形態では、前記電気化学ユニットの正極は、前記正極キャリアに塗布される正極活物質をさらに含む。前記正極活物質は炭素、シリコン、アルミナ、アルカリ金属又はアルカリ土類金属含有化合物、硝酸アンモニウム、シュウ酸、マレイン酸、クエン酸、尿素及び無水マレイン酸から選ばれる１種又は複数種を含んでもよい。ここで、前記アルカリ金属又はアルカリ土類金属含有化合物は好ましくはリチウム含有化合物である。前記リチウム含有化合物は、炭酸リチウム、フッ化リチウム、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、ニッケル−コバルト−マンガン酸リチウム、メタ鉄酸リチウム、マンガン酸リチウム、リン酸第一鉄リチウム、バナジン酸リチウム、リン酸バナジウムリチウム、フルオロリン酸バナジウムリチウム、シュウ酸リチウム及びクエン酸リチウムから選ばれる１種又は複数種を含んでもよい。
【００１３】
さらに、前記電気化学ユニットの負極は負極キャリアを含む。前記負極キャリアは銅、ニッケル、鋼、アルミニウム及びグラファイトから選ばれる１種又は複数種を含んでもよい。いくつかの実施形態では、前記電気化学ユニットの負極は負極活物質をさらに含み、前記負極活物質が前記負極キャリアに塗布される。前記負極活物質は炭素、シリコン、チタン酸リチウム及びスズから選ばれる１種又は複数種を含んでもよい。
【００１４】
さらに、前記電気化学ユニットの電解液は少なくとも１種の電解質及び少なくとも１種の非水溶媒を含む。前記電解質はリチウム塩、ナトリウム塩又はカリウム塩から選ばれる１種又は複数種を含んでもよい。前記非水溶媒は炭酸プロピレン、炭酸エチレン、炭酸ビニレン、炭酸エチルメチル、１，２−ジメトキシエタン、エトキシエタン、炭酸ジエチル、炭酸ジメチル、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、１，３−ジオキソラン、４−メチル−１，３−ジオキソラン、エーテル、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、プロピオニトリル、酢酸エチル、プロピオン酸メチル又は酪酸メチルから選ばれる１種又は複数種を含んでもよい。いくつかの実施形態では、前記電解液は少なくとも１種の添加剤をさらに含む。前記電気化学ユニットが作動しているとき、前記添加剤は、酸化反応又は還元反応を発生し、ガスを生成することができる。例として、前記添加剤は、シクロヘキシルベンゼン又はビフェニルであってもよい。
【００１５】
さらに、前記電気化学ユニットは正極と負極との間に設けられるセパレータをさらに含む。
【００１６】
さらに、前記電池接続装置は、前記第１スペース又は第２スペースに設けられる少なくとも１つの消弧ユニットをさらに含み、前記消弧ユニットが少なくとも１種の消弧材料又は消弧媒体を含む。
【００１７】
本発明は直列に接続される複数の電池及び少なくとも１つの上記の電池接続装置を備える、電池パックをさらに提供する。前記「直列に接続される複数の電池」は直列に接続される２つ以上の電池を指す。
【００１８】
さらに、前記電池パックは、並列に接続される２つ以上の上記の電池接続装置を備える。
【００１９】
本発明で開示される電池接続装置は、電池パックに使用され、電池パック内の電池に直列に接続される。該電池パックが異常状態になり、例えば過充電が発生し、電池パック内のサンプリング電池のサンプリング電圧が、あるプリセット値以上になる場合、該電池接続装置は、内部での自らの電気接続を切断するように迅速に反応し、それにより電池パックの電流を遮断し、電池パックに対する保護機能を実現することができる。
【００２０】
本発明で開示される電池接続装置は、電池の内部構造にいかなる変更も加えず、電池内部の化学システムが変更されず、これにより、電池の内部構造の再設計及び電池のエネルギー密度の低下が回避され、単電池が最高のパフォーマンスを発揮できることを確保した。電流遮断用の該電池接続装置の開始電圧が、異なる電池パックシステムのニーズに合わせて調整できるため、該電池接続装置は互換性が高く、リチウムイオン電池パック、鉛蓄電池パックなどの様々な規格の電池パックシステムに適用することができ、コストがより低い。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施例による電池接続装置１００の概略断面図である。
【図２】本発明の一実施例による、電池接続装置１００を含む電池パックの概略構造図である。
【図３ａ】本発明の一実施例による電気化学ユニット１７１の概略断面図である。
【図３ｂ】図３ａに示される電気化学ユニット１７１の内部構造の概略図である。
【図４】本発明の一実施例による電池接続装置２００の概略断面図である。
【図５】図４に示される電池接続装置２００の外部構造の概略図である。
【図６】本発明の一実施例による、１つの電池接続装置２００を含む電池パックの概略構造図である。
【図７】本発明の一実施例による、２つの電池接続装置２００を含む電池パックの概略構造図である。
【図８】本発明の一実施例による電池接続装置３００の概略断面図である。
【図９】図８に示される電池接続装置３００の外部構造の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の技術的解決手段をより明瞭かつ明確にするために、以下、図面を参照しながら本発明をさらに説明する。本発明の技術的解決手段の技術的特徴の同等の置換及び従来の推論によって得られるいかなる解決手段も、本発明の保護範囲内に含まれる。
【００２３】
本明細書に言及する「電池」は、リチウムイオン電池、鉛蓄電池などの充電式電池を含む単電池である。
【００２４】
本明細書に言及する「電池パック」は、電気自動車に電力を供給するパワーバッテリーパックのような、複数（少なくとも２つ）の単電池で直列及び／又は並列に接続されるシステムである。
【００２５】
本明細書に言及する「サンプリング電池」は、電池パック内の任意の単電池であってもよく、本発明の電池接続装置内の圧力変更ユニットが該サンプリング電池の電圧、即ち、サンプリング電圧を受ける。本明細書に言及するサンプリング電圧プリセット値は該サンプリング電池の安全臨界電圧値であり、例えば、あるリチウムイオン電池パックのサンプリング電池のサンプリング電圧プリセット値が４．２Ｖである場合、該サンプリング電池のサンプリング電圧が４．２Ｖ以上になると、該電池パックが異常状態になり、また、例えば、鉛蓄電池パックのサンプリング電池のサンプリング電圧プリセット値が１．８Ｖである場合、該サンプリング電池のサンプリング電圧が１．８Ｖ以上になると、該電池パックが異常状態になる。前記異常状態は過充電又はその他の原因によって引き起こされる可能性があり、このとき、電池パックが発火又は爆発する恐れがある。異常状態が発生した場合は、安全のため電池パックの電流を直ちに遮断する必要がある。
【００２６】
図１は本発明の実施例による電池接続装置１００の概略断面図である。図１に示すように、電池接続装置１００は、導電性上部カバー１１１、導電性下部カバー１１３及び電気的に絶縁された側壁１１５からなるハウジングと、金属シート部材１３１と、第１接続端子１５１と、第２接続端子１５３と、圧力変更ユニット１７０とを含む。前記ハウジングは密閉ハウジングであり、その形状は立方体又は円柱体であってもよく、あるいは不規則な形状を含む他の形状であってもよい。第１接続端子１５１及び第２接続端子１５３はそれぞれ導電性上部カバー１１１及び導電性下部カバー１１３に電気的に接続される。
【００２７】
電池接続装置１００において、金属シート部材１３１がハウジングの内部に設けられ、導電性上部カバー１１１と導電性下部カバー１１３とを接続させ、ハウジングを第１スペース１０１及び第２スペース１０２に分割する。具体的には、金属シート部材１３１は第１開口及び第２開口を有する環状曲面であってもよく、第１開口の周縁部が導電性上部カバー１１１に接続され、第２開口の周縁部が導電性下部カバー１１３に接続され、それによりハウジングを第１スペース１０１及び第２スペース１０２に分割し、第１スペース１０１と第２スペース１０２は物理的に隔離され、互いに連通していない。金属シート部材１３１と導電性上部カバー１１１、導電性下部カバー１１３とは、溶接、接着、又は他の適切な接続方法によって接続されてもよい。
【００２８】
図１に示すように、金属シート部材１３１の第１開口は第２開口よりも大きく、第２スペース１０２は円錐台形状を成す。他のいくつかの実施例では、金属シート部材１３１の第１開口のサイズは、第２開口のサイズ以下であってもよい。また、他のいくつかの実施例では、金属シート部材１３１は円錐曲面であってもよく、金属シート部材１３１が円錐曲面である場合、導電性上部カバー１１１及び導電性下部カバー１１３のいずれかとの接続は点接続である。
【００２９】
圧力変更ユニット１７０は第１スペース１０１に設けられ、電圧信号を受けることができる。例えば、図１に示すように、圧力変更ユニット１７０は、正極接続端子１７３及び負極接続端子１７４を含み、それぞれ電池パックのサンプリング電池の正極、負極に電気的に接続され、該サンプリング電池のサンプリング電圧を受ける。前記サンプリング電池は電池パック内の任意の１つの電池であってもよい。
【００３０】
いくつかの実施例では、例えば、第１接続端子１５１、第２接続端子１５３、及び圧力変化ユニット１７０の正極接続端子１７３及び負極接続端子１７４などの接続端子に、ワイヤ又は他の導電性接続部材を用いることができる。
【００３１】
図２は、電池接続装置１００を、電池１０、２０、３０、４０を含む電池パック内に適用した概略構造図である。図２に示すように、該電池パックは直列に接続される複数の電池を含み、電池１０、２０、３０、４０を含むがこれらに限定されず、電池接続装置１００が電池３０と電池４０との間に接続され、電池１０がサンプリング電池である。電池接続装置１００の第１接続端子１５１は電池３０の負極に電気的に接続され、第２接続端子１５３は電池４０の正極に電気的に接続され、圧力変更ユニット１７０の正極接続端子１７３及び負極接続端子１７４は、それぞれサンプリング電池１０の正極、負極に電気的に接続され、サンプリング電池１０のサンプリング電圧を受ける。
【００３２】
図２に示すシステムにおいて、電池パック内の電池接続装置１００の作動原理は、電池パックが通常に作動している時、電流が電池４０の正極、導電性下部カバー１１３、金属シート部材１３１、導電性上部カバー１１１及び電池３０の負極を順に流れて回路を形成し、電池接続装置１００が電池パック回路に直列に接続され、電気的接続の役割を果たし、電池パックの通常の充電及び放電に影響を与えない。電池パックが過充電などの異常状態にあり、具体的には、サンプリング電池１０のサンプリング電圧がプリセット値以上になる場合、電池接続装置１００の圧力変更ユニット１７０が作動開始し、第１スペース１０１の気圧を上げ、金属シート部材１３１を変形させ、金属シート部材１３１と、導電性上部カバー１１１又は導電性下部カバー１１３と、の電気的接続を切断し、該電池パックの電流を遮断して保護機能を達成する。
【００３３】
いくつかの実施形態では、圧力変更ユニット１７０は図３ａ、図３ｂに示す電気化学ユニット１７１を含む。電気化学ユニット１７１は外殻１７２、正極接続端子１７３、負極接続端子１７４、正極１７５、負極１７６及び電解液（図示せず）を含む。前述したように、正極接続端子１７３及び負極接続端子１７４はそれぞれ電池パックのサンプリング電池１０の正極、負極に電気的に接続される。電気化学ユニット１７１の外殻１７２には、電気化学ユニット１７１の内部キャビティを外部、例えば電池接続装置１００の第１スペース１０１と連通させる、少なくとも１つの開口１７９が設けられている。また、外殻１７２に電解液注入口（図示せず）がさらに設けられ、電解液が該注入口を介して電気化学ユニット１７１の内部キャビティ内に注入される。電気化学ユニット１７１の開始電圧が電池パックサンプリング電池１０のサンプリング電圧のプリセット値に等しく、このように、サンプリング電圧が該プリセット値以上になると、電気化学ユニット１７１が作動開始する。電気化学ユニット１７１が作動しているとき、少なくとも１種のガスを生成し、該ガスが第１スペース１０１内に拡散し、第１スペース１０１の気圧を上げ、金属シート部材１３１と導電性上部カバー１１１又は導電性下部カバー１１３との電気的接続を切断し、電流を遮断する。該ガスの種類は、電気化学ユニット１７１の正極、負極及び電解液に用いられる材料に依存する。一般的には、電気化学ユニット１７１により生成されるガスは二酸化炭素、メタン、エタン、水素、エチレン、一酸化炭素及びアセチレンから選ばれ１種又は複数種である。電気化学ユニット１７１が作動しているとき、該ガスは、正極１７５の材料の反応、負極１７６の材料の反応、及び電解液の材料の反応のうちの少なくとも１つから生成される。
【００３４】
電気化学ユニット１７１の外殻１７２は所定の耐圧強度を有する。いくつかの実施形態では、電気化学ユニット１７１の外殻１７２の耐圧強度は０．１ｋＰａ以上であり、一実施例では、外殻１７２の耐圧強度は８００ｋＰａである。電気化学ユニット１７１が作動してガスを生成するとき、耐圧強度を持つ外殻１７２は電気化学ユニット１７１の体積膨張を所定の範囲内に制限することができ、金属シート部材１３１と導電性上部カバー１１１又は導電性下部カバー１１３との接続を切断する前に、電気化学ユニット１７１の外殻１７２が破損することを防止する。一実施例では、電気化学ユニット１７１の外殻１７２は厚さが０．６ｍｍである金属アルミニウム殻を用いる。
【００３５】
電気化学ユニット１７１の正極１７５は正極キャリアを含む。前記正極キャリアは金属、合金又は非金属材料を用い、例えば、金属又は合金材料はアルミニウム、チタン、プラチナ、金及びステンレス鋼から選ばれる１種又は複数種であり、非金属材料はグラファイトを用いる。好ましくは、アルミニウムを正極キャリアとする。いくつかの実施形態では、正極１７５は、前記正極キャリアに塗布される正極活物質をさらに含む。前記正極活物質は、単体又は化合物であり、例えば、炭素、シリコン、アルミナ、アルカリ金属又はアルカリ土類金属含有の化合物、硝酸アンモニウム、シュウ酸、マレイン酸、クエン酸、尿素及び無水マレイン酸から選ばれる１種又は複数種である。アルカリ金属又はアルカリ土類金属含有の化合物は、好ましくはリチウム含有化合物であり、炭酸リチウム、フッ化リチウム、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、ニッケル−コバルト−マンガン酸リチウム、メタ鉄酸リチウム、マンガン酸リチウム、リン酸第一鉄リチウム、バナジン酸リチウム、リン酸バナジウムリチウム、フルオロリン酸バナジウムリチウム、シュウ酸リチウム及びクエン酸リチウムから選ばれる１種又は複数種を含む。リチウム含有化合物に加えて、他のアルカリ金属又はアルカリ土類金属含有の化合物は、炭酸カルシウム、重炭酸ナトリウム、シュウ酸ナトリウム及び酢酸ナトリウムの１種又は複数種をさらに含む。
【００３６】
電気化学ユニット１７１の負極１７６は負極キャリアを含む。前記負極キャリアに金属、合金又は非金属材料を用いる。例えば、金属又は合金材料は銅、ニッケル、鋼及びアルミニウムから選ばれる１種又は複数種であり、非金属材料はグラファイトを用いる。好ましくは、銅を負極キャリアとして使用する。いくつかの実施形態では、負極１７６は、前記負極キャリアに塗布される負極活物質をさらに含む。前記負極活物質は、炭素、シリコン、チタン酸リチウム、スズ及びリチウムと反応可能な物質から選ばれる１種又は複数種であってもよい。好ましくは、炭素材料を負極活物質として使用する。
【００３７】
電気化学ユニット１７１の電解液は、少なくとも１種の電解質、少なくとも１種の非水溶媒、及び必要に応じて少なくとも１種の添加剤を含む。電気化学ユニット１７１が作動しているとき、前記添加剤は、ガスを生成することができる。
【００３８】
前記電解質はリチウム塩、ナトリウム塩、カリウム塩又はその他の金属塩から選ばれる１種又は複数種である。前記リチウム塩はヘキサフルオロリン酸リチウム、テトラフルオロホウ酸リチウム、ヘキサフルオロヒ酸リチウム、過塩素酸リチウム、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム、ビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミドリチウム、テトラクロロアルミン酸リチウム、ヘキサフルオロケイ酸リチウム、テトラフェニルホウ酸リチウム、塩化リチウム、臭化リチウム及び硝酸リチウムから選ばれる１種又は複数種である。前記ナトリウム塩は塩化ナトリウム及び硫酸ナトリウムの少なくとも１種である。前記カリウム塩は塩化カリウム及び硝酸カリウムの少なくとも１種である。
【００３９】
前記非水溶媒は炭酸プロピレン、炭酸エチレン、炭酸ビニレン、炭酸エチルメチル、１，２−ジメトキシエタン、エトキシエタン、炭酸ジエチル、炭酸ジメチル、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、１，３−ジオキソラン、４−メチル−１，３−ジオキソラン、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、プロピオニトリル、酢酸エチル、プロピオン酸メチル及び酪酸メチルから選ばれる１種又は複数種である。
【００４０】
前記添加剤は、シクロヘキシルベンゼン又はビフェニルであり、電気化学ユニット１７１が作動している中に、酸化反応してガスを生成することができる。
【００４１】
電気化学ユニット１７１の開始電圧は、その正極１７５、負極１７６及び電解液の材料に依存する。したがって、必要に応じて、様々な材料の組み合わせにより、電気化学ユニット１７１の開始電圧を調整することができる。いくつかの実施形態では、電気化学ユニット１７１の開始電圧は主にその電解液の成分に依存し、例えば、電解液が炭酸エチレンである場合、開始電圧が５．５８Ｖであり、電解液が炭酸ジエチルである場合、開始電圧が５．４６Ｖである。また、電解液の純度が低下すると、対応する開始電圧が低下する。したがって、電解液の成分及び純度を調整することにより、電気化学ユニット１７１の開始電圧を調整することができる。
【００４２】
電気化学ユニット１７１の正極１７５及び負極１７６は巻回型構造に形成することができる。巻回型構造を成す場合、電気化学ユニット１７１は、正極１７５と負極１７６との間に設けられる絶縁用セパレータをさらに含む。前記セパレータは、例えば、図３ｂに示す上部セパレータ１７７及び下部セパレータ１７８のように、電気化学ユニット１７１内の正極１７５と負極１７６を仕切る。一実施形態として、前記セパレータはポリエチレン又はポリプロピレンの微多孔膜を使用する。
【００４３】
金属シート部材１３１が、導電性上部カバー１１１又は導電性下部カバー１１３との電気的接続を切断するとき、切断位置が高電圧状態になる。いくつかの実施形態では、電池接続装置１００は少なくとも１つの消弧ユニット（図示せず）をさらに含み、高電圧によるアーク放電を回避し、電池接続装置１００の信頼性を向上させる。該消弧ユニットが第１スペース１０１又は第２スペース１０２に設けられ、少なくとも１種の消弧材料又は消弧媒体を含む。一実施形態として、該消弧ユニットは第１スペース１０１又は第２スペース１０２に設けられる消弧媒体、例えば六フッ化硫黄を含む。別の実施形態として、該消弧ユニットは第１スペース１０１又は第２スペース１０２の内壁に吹き付けられる消弧材料、例えば、セラミック、石英砂などを含む。好ましくは、該消弧ユニットは金属シート部材１３１と導電性上部カバー１１１又は導電性下部カバー１１３との接続部の近くに配置される。
【００４４】
図４及び図５はそれぞれ本発明の別の実施例による電池接続装置２００の概略断面図及び外部構造概略図である。図１の電池接続装置１００と異なり、電池接続装置２００内の電気化学ユニット２７１と導電性下部カバーとは一体配置されている。電池接続装置２００は、導電性上部カバー２１１、電気的に絶縁された側壁２１５、金属シート部材２３１、第１接続端子２５１、第２接続端子２５３、第３接続端子２５５、及び電気化学ユニット２７１を含む。導電性上部カバー２１１、電気的に絶縁された側壁２１５及び電気化学ユニット２７１の外殻２７２の一部は、電池接続装置２００のハウジングを構成する。該ハウジングは密閉ハウジングである。
【００４５】
金属シート部材２３１は電池接続装置２００のハウジング内部に設けられ、第１開口及び第２開口を有する環状曲面であり、その第１開口の周縁部が導電性上部カバー２１１に接続され、その第２開口の周縁部が電気化学ユニット２７１の外殻２７２に接続され、ハウジング内部分を第１スペース２０１及び第２スペース２０２に分割し、第１スペース２０１と第２スペース２０２は物理的に隔離され、互いに連通していない。
【００４６】
電気化学ユニット２７１は上記の電気化学ユニット１７１に類似しており、外殻２７２、正極、負極及び電解液を含み、電気化学ユニット２７１の外殻２７２が電気化学ユニット２７１の負極に電気的に接続され、外殻２７２には、電気化学ユニット２７１の内部キャビティを電池接続装置２００の第１スペース２０１と連通させる開口部２７９が設けられている。
【００４７】
第１接続端子２５１は導電性上部カバー２１１に電気的に接続され、第２接続端子２５３は電気化学ユニット２７１の外殻２７２に電気的に接続され、第３接続端子２５５は電気化学ユニット２７１の正極に電気的に接続される。一実施形態として、第３接続端子２５５は、リベットを介して電気化学ユニット２７１の正極に電気的に接続される。
【００４８】
図６は、電池接続装置２００を、電池１０、２０、３０、４０を含む電池パックに適用した概略構造図である。該電池パックは直列に接続される複数の電池を含み、電池１０、２０、３０、４０を含むがこれらに限定されず、電池接続装置２００が電池３０と電池４０との間に接続され、電池４０が電圧サンプリング電池である。電池接続装置２００の第１接続端子２５１は電池３０の負極に電気的に接続され、第２接続端子２５３は電池４０の正極に電気的に接続され、第３接続端子２５５は電池４０の負極に電気的に接続される。これにより、電気化学ユニット２７１はサンプリング電池４０のサンプリング電圧を受ける。
【００４９】
図６に示すように、電池パックが通常に作動しているとき、電流は電池４０の正極、電気化学ユニット２７１の外殻２７２、金属シート部材２３１、導電性上部カバー２１１及び電池３０の負極を順に流れて回路を形成し、電池接続装置２００が電池パック回路内に直列に接続され、電気的接続の役割を果たし、電池パックの通常な充電及び放電に影響を与えず、電気化学ユニット２７１が作動しないと、内部に化学反応が発生しない。電池パックが過充電などの異常状態にあり、具体的には、サンプリング電池４０のサンプリング電圧がプリセット値以上になる場合、電気化学ユニット２７１が開始電圧になり、作動開始し、少なくとも１種のガスを生成して、第１スペース２０１の気圧を上げ、金属シート部材２３１と導電性上部カバー２１１又は電気化学ユニット２７１の外殻２７２との電気的接続を切断し、該電池パックの電流を遮断して、保護機能を達成する。
【００５０】
電池パックが通常に作動しているとき、電池接続装置２００の誤ったトリガーにより電流が遮断されないことを確保するために、並列に接続される２つ以上の電池接続装置２００を使用することができる。例えば、図７に示すように、並列に接続される２つの電池接続装置２００は、電池１０、２０、３０、４０を含む電池パックに使用される。この２つの電池接続装置２００は並列に接続され、いずれも図６に示すような接続方法を採用しており、電池４０は電圧サンプリング電池である。このようにして、並列に接続される２つの電池接続装置２００両方の内部電流も遮断されたときのみ、電池パックの電流は遮断されることになる。他のいくつかの実施例では、電池パック内に２つ以上の本発明の実施例に記載される電池接続装置が含まれ、これらの電池接続装置が並列に接続され、それぞれ異なるサンプリング電池に接続される。
【００５１】
図８及び図９はそれぞれ本発明の別の実施例による、電池接続装置３００の概略断面図及び外部構造の概略図である。図４における電池接続装置２００との違いは、電池接続装置３００がハウジングの内部に設けられる導電性ブラケット３４１をさらに含む。具体的には、電池接続装置３００は導電性上部カバー３１１、電気的に絶縁された側壁３１５、金属シート部材３３１、導電性ブラケット３４１、第１接続端子３５１、第２接続端子３５３、第３接続端子３５５、及び電気化学ユニット３７１を含む。導電性上部カバー３１１、電気的に絶縁された側壁３１５及び電気化学ユニット３７１の外殻３７２の一部は電池接続装置３００のハウジングを構成する。導電性ブラケット３４１は電池接続装置３００のハウジング内部に設けられ、上端及び下端を含み、導電性ブラケット３４１の下端が電気化学ユニット３７１の外殻３７２に接続される。
【００５２】
金属シート部材３３１は、電池接続装置３００のハウジング内部に設けられ、第１開口及び第２開口を有する環状曲面であり、その第１開口の周縁部が導電性上部カバー３１１に接続され、その第２開口の周縁部が導電性ブラケット３４１の上端に接続され、ハウジングの内部を第１スペース３０１及び第２スペース３０２に分割し、第１スペース３０１と第２スペース３０２とは物理的に隔離され、互いに連通していない。
【００５３】
電気化学ユニット３７１は上記の電気化学ユニット２７１と同様に、外殻３７２、正極、負極及び電解液を含み、電気化学ユニット３７１の外殻３７２がその負極に電気的に接続される。外殻３７２は、少なくとも１つの開口部３７９を有し、これらの開口部３７９は電気化学ユニット３７１の内部キャビティを外部と連通させ、例えば、電気化学ユニット３７１の内部キャビティを電池接続装置３００の第１スペース３０１と連通させる。
【００５４】
第１接続端子３５１は導電性上部カバー３１１に電気的に接続され、第２接続端子３５３は電気化学ユニット３７１の外殻３７２に電気的に接続され、第３接続端子３５５はリベットを介して電気化学ユニット３７１の正極に電気的に接続される。
【００５５】
電池接続装置３００は電池パック内で直列に接続される場合、電池接続装置２００と同じ動作原理を有する。
【００５６】
ある電池パックは直列に接続される１００個リチウムイオン電池を含み、各リチウムイオン電池の正極にニッケル−コバルト−マンガン酸リチウム、負極にグラファイト、電解液に濃度が１ｍｏｌ／Ｌのヘキサフルオロリン酸リチウム溶液を使用し、溶媒系が炭酸エチレンと炭酸エチルメチルにより体積比３：７で混合してなる。該電池パックのサンプリング電池のサンプリング電圧プリセット値は４．７Ｖである。
【００５７】
この例では、図８及び図９に示す電池接続装置３００を使用し、図６に示す電池接続装置２００と同じ接続方法を使用して、電池接続装置３００を上記電池パック内に接続させる。電池接続装置３００内の電気化学ユニット３７１については、正極に炭素材料を塗布したアルミ箔、負極に炭素材料を塗布した銅、電解液に濃度が１ｍｏｌ／Ｌのヘキサフルオロリン酸リチウム溶液を使用し、溶媒系が炭酸エチレンと炭酸エチルメチルにより体積比３：７で混合してなり、該電解液内に質量比が５ｗｔ％のビフェニルがさらに含まれる。該電気化学ユニット３７１の開始電圧は４．７Ｖである。
【００５８】
この例における電池パックを充電し、サンプリング電圧が４．７Ｖに達すると、該電池パックの電流が遮断されることが試験からわかった。電池接続装置３００と電池パックとの電気的接続を切断し、電池接続装置３００の側壁３１５を開き、金属シート部材３３１が変形し、その導電性上部カバー３１１との接続部が外れていることがわかる。原理を説明する：サンプリング電圧が４．７Ｖに達すると、電池接続装置３００の電気化学ユニット３７１が作動開始し、電気化学ユニット３７１の正極が電子を失い、電気化学ユニット３７１の電解液内の炭酸エチレン、炭酸エチルメチル及びビフェニルが、正極で酸化され、分解して二酸化炭素、メタン及びエタンなどのガスを大量に生成する。これらのガスは、第１スペース３０１の気圧を上げ、第１スペース３０１と第２スペース３０２を仕切る金属シート部材３３１を変形させ、導電性上部カバー３１１との接続を切断し、したがって電池パックの電流を遮断する。
【００５９】
以上の実施例により、本発明の電池接続装置は、使用時、電池パック内の電池に直列に接続され、該電池接続装置が電池パックのサンプリング電池のサンプリング電圧を受け、該サンプリング電圧が異常になり、即ち、プリセット値を超えた場合、該電池接続装置内の電気的接続を切断して電流を遮断し、電池パックの安全を確保することができる。本発明は、電池自体の構造又は化学システムにいかなる変更も加えない。本発明の電池接続装置は、電池パック内の電池と直列に接続される独立した装置であり、電池パックの一部として電池パックの内部に配置してもよく、又は電池パックシステムを分解せずに複数回簡単に交換できるように、電池パックの外部に配置してもよい。したがって、電池パックのメンテナンスが容易である。また、本発明の電池接続装置は、互換性が強く、異なる規格の電池パックにも適用でき、例えば、同じサンプリング電圧プリセット値の電池パックシステムに汎用的に使用することができる。異なるサンプリング電圧プリセット値を持つ電池パックの場合、電池接続装置内の電気化学ユニットの開始電圧を調整することにより、ニーズを満たす。
【００６０】
以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態の具体的な詳細に限定されず、本発明の技術的思想の範囲内において、本発明の技術的解決手段に対して様々な簡単な変形を加えることができる。これらの単純な変形はすべて、本発明の保護範囲に属する。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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