CN109961990B - 一种保护元件及保护模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种保护元件及保护模块，保护元件包括绝缘基板、安装于绝缘基板上的第一端子、第二端子、弹簧片、双金属片、位于双金属片下方并始终与双金属片接触的PPTC；还具有位于绝缘基板底部的第三端子及发热体；通过双金属片控制弹簧片与第一端子直接连接或者断开，同时双金属片自身温度或者通过发热体发热后使双金属片温度升高时，双金属片控制弹簧片与第一端子断开，从而使该保护元件在过流、过压、过温时均能够使弹簧片与第二端子断开而使第一端子与第二端子之间的电连接必须通过PPTC；同时受环境高温影响PPTC会迅速动作呈现高阻状态，抑制外部电路继续充电，从而保护电芯避免在高温下充电。该保护元件可以实现过流、过压、过温的多重保护。

Description

一种保护元件及保护模块

技术领域

本发明涉及一种电路中使用的保护元件。

本发明涉及一种锂离子二次电池用的保护模块。

背景技术

锂离子二次电池因其容量大、体积小的特点逐渐成为消费类电子市场主流，在手机、笔记本、平板电脑、数码相机等等便携式移动设备中已得到大量地应用，但其却有着巨大安全隐患，特别是因为充放电操作不当或者充电器老化而产生的过流、过压(过充)、过温，会造成电芯燃烧与爆炸的风险。

目前锂离子二次电池二级保护主要方案有PTC、温度保险丝、断路器、电压电流检测IC和MOS场效应管。

PTC是正温度系数热敏电阻，当线路出现过流时，其自身发热，当温度超过材料的居里温度时，其阻值会由低阻急剧增大到高阻，限制线路电流从而保护电路。此时自身的发热量会使其持续维持在高阻状态，直至故障排除，线路电流恢复正常后，会慢慢冷却恢复低阻值。一般PTC的居里温度都超过锂离子二次电池允许使用温度，所以PTC只能作为过流保护用；

温度保险丝的熔丝是低熔点合金，当环境温度超过熔丝熔点，保险丝就会熔断，造成线路开路起到保护作用。但其是一次性的，逐渐被放弃使用；

断路器工作原理是利用双金属片在特定温度下的开关动作来保护线路，其开关温度能够精确控制且可恢复，逐渐代替温度保险丝。但，其不能精确的过电流保护；

电压电流检测IC和MOS场效应管其工作原理是通过IC对线路电流与电压的检测，控制MOS场效应管的开关与闭合，从而保护线路。其缺点是IC与MOS场效应管都属于半导体器件很容易失效，而且价格昂贵，不能广泛采用。

以上介绍的各种现有技术的方案，都有自己的局限性，不能同时实现过流、过压、过温多重保护。

故，需要一种新的技术方案以解决上述问题。

发明内容

发明目的：提供一种可以过流、过压、过温的多重保护的保护元件。

本发明同时提供了一种包含该保护元件的保护模块，同样能够实现过流、过压、过温的多重保护。

技术方案：为达到上述目的，本发明保护元件可采用如下技术方案：

一种保护元件，包括：绝缘基板、安装于绝缘基板上的第一端子、同样安装于绝缘基板上的第二端子、横跨在第一端子和第二端子上的弹簧片、位于弹簧片下方并抵靠弹簧片的双金属片、位于双金属片下方并始终与双金属片接触的PPTC；所述PPTC与第一端子接触；还具有位于绝缘基板底部的第三端子及发热体；所述发热体设在绝缘基板上并且同时与第二端子和第三端子接触；双金属片包括初始状态和形变状态，当双金属片的温度上升到发生形变温度时，即双金属片从初始状态变为形变状态；当双金属片位于初始状态时，所述弹簧片同时直接连接第一端子及第二端子；当双金属片位于形变状态时，双金属片向上顶起弹簧片，弹簧片与第一端子的直接连接断开。

有益效果：

本发明中通过设置双金属片控制弹簧片与第一端子直接连接或者断开，同时双金属片自身温度或者通过发热体发热后使双金属片温度升高时，双金属片控制弹簧片与第一端子断开，从而使该保护元件在过流、过压、过温时均能够使弹簧片与第二端子断开而使第一端子与第二端子之间的电连接必须通过PPTC；同时受环境高温影响PPTC会迅速动作呈现高阻状态，抑制外部电路继续充电，从而保护电芯避免在高温下充电。该保护元件可以实现过流、过压、过温的多重保护。

进一步的，所述绝缘基板的顶面向下凹设有凹槽，弹簧片位于凹槽上，双金属片与PPTC位于凹槽内，发热体位于绝缘基板的底面；第一端子延伸入凹槽内并与PPTC接触。该结构能够使整体结构扁平，以有利于小型化。

进一步的，所述第二端子包括位于绝缘基板上表面的第二上端部及连接第二上端部并位于绝缘基板下表面的第二下端部；所述第二上端部与与弹簧片固定连接。第二下端部用以连接于电路板上，与弹簧片位于两面以便于焊接作业。

进一步的，所述第一端子包括位于绝缘基板上表面的第一上端部及连接第一上端部并位于绝缘基板下表面的第一下端部；所述第一上端部自绝缘基板上表面延伸入所述凹槽内并位于PPTC下方。

进一步的，所述第一端子贴设于绝缘基板的一侧，第二端子贴设于绝缘基板相对的另外一侧。

进一步的，所述第一端子位于绝缘基板的一侧，第二端子位于绝缘基板的另一侧；所述第一端子贯穿绝缘基板且第一端子的上端为第一上端部，第一端子的下端为第一下端部；所述第二端子贯穿绝缘基板且第二端子的上端为第二上端部，第二端子的下端为第二下端部。

进一步的，所述发热体表面覆盖有绝缘层；发热体是钌基、铂基、钯基中的一种或多种构成的浆料或者为发热电阻。

进一步的，所述双金属片在初始状态时为凸面抵靠于弹簧片底面的弧形；双金属片在形变状态时为凸面抵靠于PPTC上表面的弧形。这样在双金属片在形变状态时，双金属片的两端向上抬起以撑起弹簧片。

进一步的，设置双金属片的形变温度阈值，当双金属片的温度位于该阈值以上时，双金属片从初始状态变为形变状态；当双金属片的温度低于该阈值时，双金属片从形变状态变为初始状态。

本发明还提供一种包括上述保护元件的保护模块的技术方案：

还包括电压检测IC及MOSFET；电压检测IC及第二端子连接被保护电芯；所述MOSFET用以连接第三端子；电压检测IC用以给MOSFET加电压以将第三端子连通至被保护电芯；当MOSFET加电压时，第三端子连通至被保护电芯使发热体发热。

有益效果：该保护模块通过电压检测IC及MOSFET来判断是否过压及过压时使第三端子连通至电源使发热体发热；并包含了上述保护元件，使该保护元件在过流、过压、过温时均能够使弹簧片与第二端子断开而使第一端子与第二端子之间的电连接必须通过PPTC；同时受环境高温影响PPTC会迅速动作呈现高阻状态，抑制外部电路继续充电，从而保护电芯避免在高温下充电。该保护模块可以实现过流、过压、过温的多重保护。

附图说明

图1为本发明中保护元件的结构示意图，且双金属片处于初始状态。

图2为本发明中保护元件的结构示意图，且双金属片处于形变状态。

图3为绝缘本体底面上第一端子、第二端子、第三端子的布局示意图。

图4为本发明中保护元件的仰视图。

图5为本发明中绝缘本体上表面上第一端子、第二端子的布局示意图。

图6为本发明保护模块中保护元件在锂离子二次电池的二级防护安装电路示意图。

具体实施方式

本实施方式中的技术术语解释：

PPTC(Polymeric Positive Temperature Coefficent)：高分子聚合物正系数温度元件。

双金属片：是由二种或多种具有合适性能的金属或其它材料所组成的一种复合材料。双金属片也称热双金属片，由于各组元层的热膨胀系数不同，当温度变化时，主动层的形变要大于被动层的形变，从而双金属片的整体就会向被动层一侧弯曲，则这种复合材料的曲率发生变化从而产生形变。

MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)：金属-氧化物半导体场效应晶体管。

实施例一

保护元件的实施例。

请参阅图1至图4所述，本发明公开一种保护元件，主要应用于，包括：绝缘基板5、安装于绝缘基板5上的第一端子2、同样安装于绝缘基板5上的第二端子3、横跨在第一端子2和第二端子3上的弹簧片1、位于弹簧片1下方并抵靠弹簧片1的双金属片7、位于双金属片7下方并始终与双金属片7接触的PPTC6；所述PPTC 6与第二端子3接触。还具有位于绝缘基板5底部的第三端子4及发热体8。所述发热体8设在绝缘基板5上并且同时与第一端子2和第三端子3接触。在本实施例中，由于本保护元件应用在如手机内的有限空间中，为了使整体扁平而小型化，如图1所示，所述绝缘基板5的顶面向下凹设有凹槽51，弹簧片1位于凹槽5上，双金属片7与PPTC 6位于凹槽51内，发热体8位于绝缘基板5的底面；第一端子2延伸入凹槽51内并与PPTC 6接触。所述发热体8表面覆盖有绝缘层9；发热体是钌基、铂基、钯基中的一种或多种构成的浆料或者为发热电阻。绝缘层9可以是玻璃浆、陶瓷浆、玻璃釉、环氧树脂、酚醛树脂、硅树脂等一种或多种。发热体8主要是线路出现过压情况下的产品的发热源，提供热量使双金属片7变为形变状态，绝缘层9主要是避免该电子元件使用时出现电路板上的锡膏误接触发热体8而的导致发热体8的短路。所述双弹簧片7电阻在50mΩ～100mΩ，保证正常时线路的自身热功耗小，同时保证过流时发热足够使双金属片7弹跳。所述PPTC 6电阻其成分体系可以是碳黑粉、陶瓷粉、镍粉，优选长期动作恢复循环阻值漂移更小的碳黑粉系PPTC。

双金属片7包括初始状态和形变状态(由双金属片的温度决定)，当双金属片的温度上升到发生形变温度时，即双金属片7从初始状态变为形变状态；当双金属片7位于初始状态时，所述弹簧片1同时直接连接第一端子2及第二端子3(这也认为是弹簧片7的初始状态)；当双金属片7位于形变状态时，双金属片1向上顶起弹簧片，弹簧片1与第二端子3的直接连接断开。在本发明中，所述双金属片7在初始状态时为凸面抵靠于弹簧片1底面的弧形；双金属片7在形变状态时为凸面抵靠于PPTC 6上表面的弧形，此时双金属片7的两端向上翘起撑起弹簧片，从而使弹簧片1与第一端子2分离。为了调整弹簧片1与第一端子2直接的接触控制，可在弹簧片1下方设置于第一端子2接触的触点11。为了能够精确控制，设置双金属片7的形变温度阈值(可通过选择不同标准的双金属片实现)，当双金属片7的温度位于该阈值以上时，双金属片7从初始状态变为形变状态；当双金属片7的温度低于该阈值时，双金属片从形变状态变为初始状态。

并且，由于第一端子2、第二端子3在使用时需要焊接于电路板上，除与弹簧片1接触的部分外，第一端子2、第二端子3还包括下端部。具体为：所述第一端子2包括位于绝缘基板5上表面的第一上端部21及连接第一上端部21并位于绝缘基板5下表面的第一下端部22。所述第二上端部21自绝缘基板5上表面延伸入所述凹槽51内并位于PPTC 6下方。当双金属片7位于初始状态时，所述第一上端部21与弹簧片1固定连接。

所述第二端子3包括位于绝缘基板5上表面的第二上端部31及连接第二上端部31并位于绝缘基板5下表面的第二下端部32。所述第二上端部31与弹簧片1固定连接，即当双金属片7处于形变状态向上顶起弹簧片1时，第二上端部31与弹簧片1仍然固定连接。

所述第一端子2贴设于绝缘基板5的一侧，第二端子3贴设于绝缘基板5相对的另外一侧。这里如图1、2所示，第一端子2、第二端子3呈片状贴设在绝缘基板5上。但在附图中未示出的其他实施方式，可以选择另一种端子类型，即所述第一端子位于绝缘基板5的一侧，第二端子位于绝缘基板5的另一侧；所述第一端子贯穿绝缘基板5且第一端子的上端为第一上端部，第一端子的下端为第一下端部；所述第二端子贯穿绝缘基板且第二端子的上端为第二上端部，第二端子的下端为第二下端部，而这种“贯穿”绝缘基板的结构不需要端子为片状，同样能够起到相同的电连接效果。

在本实施方式中，如图3所示，在绝缘基板5底面通过丝网印刷银浆烘干烧结形成第一端子的第一下端部22、第二端子的第二下端部32、及第三端子4(第三端子仅在绝缘基板5的底面)。如图4所示，在第二下端部32、第三端子4在之间印刷方阻为1Ω的电阻浆料烘干烧结形成发热体8，再在发热体8上印刷介质浆料烘干烧结形成绝缘层9，通过调整第二下端部32、第三端子4的间距与发热体8和绝缘层9的厚度来调整最终发热体的阻值为1Ω。如图1及图5所示，在绝缘基板5表面通过丝网印刷银浆烘干烧结形成第一上端部21、第二上端部32，其第一上端部21延伸入凹槽51的表面有三个凸起211，便于与PPTC 6紧密接触,。

该保护元件具体使用方法如下：

该保护元件设置在锂离子二次电池电路中时，设PPTC 6常温阻值为5Ω。当电路电流不超过3A时，电池正常工作。当锂离子二次电池短路时，电流一般超过10A以上。弹簧片1自发热逐渐升温，根据功率等于电流的平方乘以弹簧片1电阻，当温度超过70℃(即本实施方式中的阈值为70℃)时，双金属片7变为形变状态并弹跳顶起弹簧片1。此时弹簧片1与第一端子2断开连接。电流依次经过第一端子2、PPTC 6、双金属片7、弹簧片1、第二端子3，同时受大电流影响PPTC 6会迅速动作呈现高阻状态并产生热量，维持双金属片7的形变状态。直至故障排除，过流消失后，双金属片7回到初始状态，弹簧片1再次直接与第一端子2连接，即保护元件回复到正常状态。

当环境温度超过70℃时，双金属片7变为形变状态并弹跳顶起弹簧片1，此时弹簧片1与第一端2断开连接。电流依次经过第一端子2、PPTC 6、双金属片7、弹簧片1、第二端子3，同时受环境高温影响PPTC 6会迅速动作呈现高阻状态，抑制外部电路继续充电，从而保护锂离子二次电池电芯避免在高温下充电，只至环境温度恢复正常，双金属片7回到初始状态，弹簧片1再次直接与第一端子2连接。

当锂离子二次电池过充时，电路电压一般超过3V。发热体8自发热逐渐升温，根据功率等于电压的平方除以发热体电阻，当温度超过70℃时，双金属片7变为形变状态并弹跳顶起弹簧片1。此时弹簧片1与第一端子2断开连接。电流依次经过第一端子2、PPTC 6、双金属片7、弹簧片1、第二端子3，同时受发热体自发热导致的环境升温影响PPTC 6会迅速动作呈现高阻状态并产生热量，维持双金属片7的形变状态。直至故障排除，过压消失(拔掉充电线)，双金属片7回到初始状态，弹簧片1再次直接与第一端子2连接。

实施例二

保护模块的实施例

本实施例包含上述的保护元件，同时，请参阅图6，该保护模块连接锂离子二次电池的电芯(图中电池组标志)，还包括电压检测IC及MOSFET(图中的FET)；电压检测IC及第二端子连接被保护电芯；所述MOSFET用以连接第三端子；电压检测IC用以给MOSFET加电压以将第三端子连通至被保护电芯；当MOSFET加电压时，第三端子连通至被保护电芯使发热体发热。

常态下MOSFET场效应管的3与4端是开路，只有当5端的电势达到其设定值时3与4端会导通，此时第三端子连通至电源使发热体发热。

具体工作原理如下：电路正常时开关与1端闭合。当出现过温或者过流时，开关与2端闭合，此时PPTC接入回路，保护电芯。当出现过压(过充)时，电压检测IC检测到电芯两端的电势差，提高5端的电势到特定值，此时FET的3与4端连通，电压加载到发热体两端使其发热，触发开关与2端闭合，此时PPTC接入回路，保护电芯。

另外，本发明的具体实现方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种保护元件，其特征在于，包括：绝缘基板、安装于绝缘基板上的第一端子、同样安装于绝缘基板上的第二端子、横跨在第一端子和第二端子上的弹簧片、位于弹簧片下方并抵靠弹簧片的双金属片、位于双金属片下方并始终与双金属片接触的PPTC；所述PPTC与第一端子接触；还具有位于绝缘基板底部的第三端子及发热体；所述发热体设在绝缘基板上并且同时与第二端子和第三端子接触；第三端子用以连通至被保护电芯使发热体发热；

双金属片包括初始状态和形变状态，当双金属片的温度上升到发生形变温度时，即双金属片从初始状态变为形变状态；当双金属片位于初始状态时，所述弹簧片同时直接连接第一端子及第二端子；当双金属片位于形变状态时，双金属片向上顶起弹簧片，弹簧片与第一端子的直接连接断开。

2.根据权利要求1所述的保护元件，其特征在于：所述绝缘基板的顶面向下凹设有凹槽，弹簧片位于凹槽上，双金属片与PPTC位于凹槽内，发热体位于绝缘基板的底面；第一端子延伸入凹槽内并与PPTC接触。

3.根据权利要求2所述的保护元件，其特征在于：所述第二端子包括位于绝缘基板上表面的第二上端部及连接第二上端部并位于绝缘基板下表面的第二下端部；所述第二上端部与与弹簧片固定连接。

4.根据权利要求3所述的保护元件，其特征在于：所述第一端子包括位于绝缘基板上表面的第一上端部及连接第一上端部并位于绝缘基板下表面的第一下端部；所述第一上端部自绝缘基板上表面延伸入所述凹槽内并位于PPTC下方。

5.根据权利要求4所述的保护元件，其特征在于：所述第一端子贴设于绝缘基板的一侧，第二端子贴设于绝缘基板相对的另外一侧。

6.根据权利要求4所述的保护元件，其特征在于：所述第一端子位于绝缘基板的一侧，第二端子位于绝缘基板的另一侧；所述第一端子贯穿绝缘基板且第一端子的上端为第一上端部，第一端子的下端为第一下端部；所述第二端子贯穿绝缘基板且第二端子的上端为第二上端部，第二端子的下端为第二下端部。

7.根据权利要求6所述的保护元件，其特征在于：所述发热体表面覆盖有绝缘层；发热体是钌基、铂基、钯基中的一种或多种构成的浆料或者为发热电阻。

8.根据权利要求1所述的保护元件，其特征在于：所述双金属片在初始状态时为凸面抵靠于弹簧片底面的弧形；双金属片在形变状态时为凸面抵靠于PPTC上表面的弧形。

9.根据权利要求1所述的保护元件，其特征在于：设置双金属片的形变温度阈值，当双金属片的温度位于该阈值以上时，双金属片从初始状态变为形变状态；当双金属片的温度低于该阈值时，双金属片从形变状态变为初始状态。

10.一种包括如权利要求1至9中任一项所述保护元件的保护模块，其特征在于：还包括电压检测IC及MOSFET；电压检测IC及第二端子连接被保护电芯；所述MOSFET用以连接第三端子；电压检测IC用以给MOSFET加电压以将第三端子连通至被保护电芯；当MOSFET加电压时，第三端子连通至被保护电芯使发热体发热。