本发明涉及一种保护元件及其电池包，尤其涉及一种具备过电流、过电压或过温度保护功能的保护元件以及可承受高充放电电流的电池包。
背景技术：
现有的保护元件，其端电极大都配置于基板上，且将可熔导体配置在端电极上，未来应用于马达相关的瞬间工作电流都相当的高，甚至高于50A，设置于基板上的端电极与基板都无法承受如此大异常电流的流通，甚至，端电极与基板都会因可熔导体于熔断的瞬间，所产生的高热以及高压而被熔融或断裂。另，可熔导体若要能承受30A～100A之间的工作电流或额定电流，其截面积(厚度与宽度)都必须加大，该可熔导体熔断后分开成两部分的距离，也必须有足够的空间，确保断开后可熔导体的绝缘电阻在安全范围内。
技术实现要素：
因此，为了适应市场未来大额定电流的需求，保护元件的端电极必须加大其截面积且使用导电性较佳的金属材料(如：金属片)，并且提出避免保护元件的端电极印刷在绝缘基板上以及避免可熔导体截面积(厚度与宽度)加大后所产生绝缘电阻不够大的问题，使保护元件可以快速动作，同时确保本身的安全性与稳定性。
为了解决上述问题，本发明提出一种保护元件及其电池包。保护元件包括：绝缘外壳体；多个端电极，包括第一端电极、第二端电极以及第三端电极，该些端电极分别贯穿绝缘外壳体，且分别被绝缘外壳体所支撑；弹性元件，配置在该绝缘外壳体内，该弹性元件的二端分别电气连接该第一端电极与该第二端电极，用以在该保护元件的该第一端电极与该第二端电极之间提供第一双向的电流路径；可熔导体，配置在该绝缘外壳体内；以及第一热产生组件，配置在该绝缘外壳体内，该可熔导体与该第一热产生组件二者彼此电气串联于该第一双向的电流路径与该第三端电极之间。
本发明提出一种电池包，包括：至少一电池元件；上述的保护元件，其中该保护元件与该至少一电池元件串联连接以形成至少一充放电电流路径；开关电路，耦接到该第三端电极；以及检测控制电路，用以检测该至少一电池元件的电压或温度，依据所检测到的电压或温度而决定该开关电路的状态。
附图说明
图1A为保护元件的等效电路图。
图1B为保护元件的弹性元件恢复原始位置的剖面示意图。
图1C为保护元件的可熔导体被熔断的剖面示意图。
图1D为保护元件保护动作后的等效电路图。
图1E为保护元件的等效电路图。
图1F为凸出体的剖面示意图。
图1G为弹性元件动作的剖面示意图。
图1H为保护元件的等效电路图。
图1I为保护元件的剖面示意图。
图1J为本发明的一种保护元件的剖面示意图。
图2A为本发明的一种保护元件的剖面示意图。
图2B为本发明的一种保护元件的剖面示意图。
图2C为本发明的一种保护元件的外观示意图。
图2D为本发明的一种保护元件的外观示意图。
图2E为本发明的一种保护元件的剖面示意图。
图3为本发明的一种电池包的电路构成的示意图。
附图标号说明
888、888a、888b、888c：保护元件
1：充电装置或电子装置
2：充放电控制电路
4：电池元件
5：检测控制电路
6：多孔洞的陶瓷结构
7(1)：第一热产生组件
7a、7b：发热体电极
7c：第一发热体
7z：吸附电极
8：可熔导体
9(1)、9(2)：焊料或焊锡
10：绝缘基板
16：绝缘层
18：开口
19:绝缘外壳体
19a:绝缘外壳体盖体
19b:绝缘外壳体基体
19x1、19x2、19x3、19x4、19x5、19x6：绝缘外壳体的六个面
588:电池包
S：开关电路
S1：弹性元件
Ic：充电电流或充电电流的路径
Id：放电电流或放电电流的路径
11:第一端电极
21:第二端电极
31:第三端电极
具体实施方式
为使能更进一步了解本发明的特征和技术内容，请参阅以下相关的实施例，并配合附图作详细说明如下。另外，凡可能之处，在附图及实施方式中使用相同标号的元件/构件代表相同或类似部分。此外，附图是以示意方式示出，会有各尺寸的比率与实际不同的情形，应参考以下的说明自行判断。实施例说明如下：
保护元件888
图1J为本发明第一实施例的一种保护元件888的剖面示意图。图1A为保护元件888的等效电路图。请同时参考图1J以及图1A。本实施例的保护元件888包括：绝缘外壳体19、三个端电极、弹性元件S1、焊料、可熔导体8、吸附电极7z以及第一热产生组件7(1)。
绝缘外壳体19
绝缘外壳体19包含绝缘外壳体盖体19a与绝缘外壳体基体19b。绝缘外壳体19的成分包含聚合物(polymer)与陶瓷材料等其中之一者或两者的组合。其中，该陶瓷材料包含碳化硅SiC、氧化铝、氮化铝、氮化硅Si3N4、石墨等其中任一者或其中的两者以上的组合。其中，聚合物包含耐热性良好的工程塑胶中的任一种或二种以上的组合。第一实施例的保护元件888的绝缘外壳体19的主成分为聚合物(polymer)，包含聚苯硫醚(Polyhenylenesulfide)。绝缘外壳体19在成形为图1J的形状(或其他形状，如图2C、图2D)时，可以分成绝缘外壳体盖体19a与绝缘外壳体基体19b两部分，分别成型。其中，绝缘外壳体盖体19a也可以同时使用嵌入成型的工艺，将第一端电极11、第二端电极21、第三端电极31以及绝缘外壳体盖体19a一体化成型。绝缘外壳体19具有左面部19x1、右面部19x2、上面部19x3、底面部19x4、前面部19x5以及后面部19x6等六个面(如图2C)。
端电极、吸附电极7z
上述三个端电极(即第一端电极11、第二端电极21、第三端电极31)贯穿绝缘外壳体盖体19a且由绝缘外壳体盖体19a支撑。每一个端电极(即第一端电极11、第二端电极21)的其中一端(第一端)配置(外露)于绝缘外壳体19外，另一端(第二端)配置或浮设于绝缘外壳体19内或延伸至绝缘外壳体19内。更进一步来说，第三端电极31的第二端配置在绝缘外壳体基体19b上。第一端电极11的第二端与绝缘外壳体基体19b之间具有间隙，且第二端电极21的第二端与绝缘外壳体基体19b之间也具有间隙。除此之外，由于该些端电极以及吸附电极7z并非以印刷工艺而是以其他工艺(如：压合工艺)成型，设计者可根据实际应用或设计需求而调整该些端电极的厚度与密度，以降低该些端电极的内阻。本发明所有的端电极以及吸附电极7z的材料包含以金、银、铜、锡、铅、铝、镍、钯、白金等中任一种作为主成份或其部分的组合作为主成分的材料所制成的片状或长条状的金属。另，外露在绝缘外壳体19外的部分端电极以及吸附电极7z的表面可以镀上一层或多层较不易氧化或较稳定的金属材料如：镍、锡、铅、铝、镍、金等。如此一来，该些端电极或吸附电极7z可避免大电流流经第一端电极11与第二端电极21时产生高温而使第一端电极11与第二端电极21被熔融。本发明的所有端电极都可采用类似于上述说明的方式来实现。需说明的是本实施例的第三端电极31的第二端与绝缘外壳体基体19b之间也可以具有间隙，第一端电极11与第二端电极21的第二端也可以配置在绝缘外壳体基体19b上(视不同的需要而调整设计)。另，流经吸附电极7z的电流值小于流经第一端电极11与第二端电极21的电流值，因为第一热产生组件7(1)的电阻值大于弹性元件S1的电阻值。
弹性元件S1与焊料
焊料包含焊料9(1)与焊料9(2)，焊料9(1)将弹性元件S1的第一端固定在第二端电极21上且电气连接第二端电极21，焊料9(2)将弹性元件S1的第二端固定在第一端电极11上且电气连接第一端电极11，用以在该保护元件的第一端电极与第二端电极之间提供第一双向的电流路径(充电电流的路径Ic与放电电流的路径Id)。本发明说明书中所述的电气连接，都可适用以上述焊料9(1)、9(2)为电气连接的方法之一。焊料9(1)、9(2)的材料包含以锡为主成分的有铅或无铅组合物。弹性元件S1的构成材料并无特别限制，较佳地，弹性元件S1是具有强弹性、强拉伸力、高硬度、高导电的导体或金属材料，且弹性元件S1的构成材料最好与焊料9(1)、9(2)或金属有很好的结合性。请参考附图1G，原始状态的弹性元件S1是保持在水平状态，弹性元件S1是可以通过外力向下或向上折弯，当外力移除后，弹性元件S1会回复原始水平状态。本实施例将弹性元件S1的第一端向下折弯，并通过焊料9(1)将弹性元件S1的第一端固定在第二端电极21上且电气连接第二端电极21。当焊料9(1)部分熔融时，弹性元件S1通过本身的弹性，强制脱离第二端电极21(即回复至原始水平状态)，使弹性元件S1与第二端电极21之间呈现开路状态(open circuit)，等同于弹性元件S1与第二端电极21之间的电流路径被断开，焊料9(2)的熔点或液化点可以高于焊料9(1)的熔点或液化点。本发明的所有弹性元件S1都适用上述的说明。需特别说明的是：为提升或加强将弹性元件S1的第一端固定在第二端电极21上，请参考附图1F，本实施例的保护元件888可另包括至少一凸出体Sa，配置在弹性元件S1与第二端电极21之间，焊料9(1)也配置在弹性元件S1与第二端电极21之间，填满凸出体Sa以外的空间，调整凸出体Sa的高度可以增加或减少焊料的用量，并确保弹性元件S1不会将焊料9(1)全部挤出，造成焊接不良，无法将弹性元件S1的第一端适当的固定在第二端电极21上。凸出体Sa可以是将弹性元件S1或第二端电极21本身冲压而成或业界熟知的任何技术而制成，也可是外加任何形状的固体。凸出体Sa可以适用于本发明所有的保护元件。需特别说明的是：本实施例也可将弹性元件S1的第一端向下折弯，并通过焊料9(1)将弹性元件S1的第一端固定在第一端电极11上且电气连接第一端电极11，焊料9(2)将弹性元件S1的第二端固定在第二端电极21上且电气连接第二端电极21，焊料9(2)的熔点或液化点可以高于焊料9(1)的熔点或液化点，当然，第一端电极11与第二端电极21的高度也须配合调整。
第一热产生组件7(1)
第一热产生组件7(1)配置在该绝缘外壳体19内，并且配置在第三端电极31上，包括二个发热体电极7a、7b以及第一发热体7c，且三者形成所谓三明治的结构，第一发热体7c被夹在二个发热体电极7a、7b之间(例如：芯片型的正温度系数电阻PTC Resister)，第一发热体7c的其中一端电气连接发热体电极7a，另一端电气连接发热体电极7b。需特别说明的是，本实施例中的发热体电极7b是通过焊锡或焊料固定在第三端电极31上，并且电气连接第三端电极31。第一热产生组件7(1)由第三端电极31支撑。第一发热体7c是电阻值相对较高的元件(相较于可熔导体8)，且具有电流通过就会发热的特性，其材料包括二氧化钌(RuO2)、氧化钌、氧化锌、钌、铜、钯、白金、碳化钛、碳化钨、铂、钼、钨、碳黑、有机结合剂或无机结合剂等其中之一为主成分或其中部分组合物为主成分的陶瓷元件。发热体电极7a、7b可以是单层金属或多层金属结构，其各层的材料包括铜、锡、铅、铁、镍、铝、钛、铂、钨、锌、铱、钴、钯、银、金、羰基铁、羰基镍、羰基钴等其中之一或其部分组合成的合金。
可熔导体8
可熔导体8配置在绝缘外壳体19内。绝缘外壳体19具有保护绝缘外壳体19内的元件的作用，包含如：弹性元件S1、可熔导体8、第一端电极11、第二端电极21、第三端电极31的第二端以及第一热产生组件7(1)等。可熔导体8可以是多层结构，具有低熔点导体层与高熔点导体层，其中低熔点导体层与高熔点导体层的熔点不相同。当然，可熔导体8也可是单层结构，只包含单一熔点的金属导体层(低熔点导体层或高熔点导体层)。可熔导体8中的低熔点导体层的材料包含以锡为主成分的有铅或无铅金属合金。可熔导体8中的高熔点导体层的材料包含以银、铜、锡、铋、铟、锌、铝等部分组成的合金。本发明的所有可熔导体都适用上述的说明。可熔导体8的两端分别电气连接第二端电极21与第一热产生组件7(1)，以在第二端电极21与第一热产生组件7(1)之间形成双向的电流路径。当然，可熔导体8的两端也可以改成分别电气连接第一端电极11与第一热产生组件7(1)。需特别说明的是，本实施例中的可熔导体8的一端是通过焊锡或焊料固定在第二端电极21的表面，并且电气连接第二端电极21，另外一端是通过焊锡或焊料固定在吸附电极7z上，并且电气连接吸附电极7z。吸附电极7z配置在可熔导体8与发热体电极7a之间，并且电气连接可熔导体8与发热体电极7a。吸附电极7z的优点是当可熔导体8的体积变大时，部分被熔融的可熔导体8可以吸附在较大面积的吸附电极7z上(相较于发热体电极7a)。需说明的是，本实施例的保护元件888也可以不包括吸附电极7z，直接将可熔导体8的另外一端通过焊锡或焊料固定在发热体电极7a上，发热体电极7a也可以调整其面积大小，其效果并不影响本发明的保护元件888的基本功能。另，需特别说明的是，本发明每一实施例的保护元件中的可熔导体8与第一热产生组件7(1)二者彼此电气串联于该第一双向的电流路径与该第三端电极31之间。因为只需将第一端电极11、第二端电极21、可熔导体8、第一热产生组件7(1)以及第三端电极31做不同的电气连接的组合即可(参考图1A、图1E、图1H、图1I)。
保护元件888的动作说明
请参阅图1A、图1B、图1C以及图1D，当低于额定电流值的电流流经弹性元件S1时，保护元件888不会动作，维持保护元件888的原始状态。
请参阅图1B，状况一：当高于额定电流值的电流流经弹性元件S1时，弹性元件S1会因本身发热而将焊料9(1)熔融(请参考图1B)，当焊料9(1)部分熔融时，弹性元件S1的第一端是通过本身的弹性，强制脱离第二端电极21(即回复至原始水平状态)，使弹性元件S1与第二端电极21之间呈现开路状态(open circuit)，等同于弹性元件S1与第二端电极21之间的电流路径被断开。
请参阅图1B以及图1C，状况二：当第一热产生组件7(1)发热时，第一热产生组件7(1)所产生的热能经由发热体电极7a以及吸附电极7z传递到可熔导体8、第二端电极21以及焊料9(1)。因第二端电极21的熔点高于可熔导体8与焊料9(1)，并且可熔导体8与焊料9(1)的熔点相似，但，可熔导体8的体积大于焊料9(1)的体积，所以，焊料9(1)先被熔融(请参考图1B)。当焊料9(1)部分熔融时，弹性元件S1的第一端是通过本身的弹性，强制脱离第二端电极21(即回复至原始水平状态)，使弹性元件S1与第二端电极21之间呈现开路状态(open circuit)，等同于弹性元件S1与第二端电极21之间的电流路径被断开。一段时间之后，可熔导体8被熔断，部分被熔融的可熔导体8吸附在吸附电极7上(请参考图1C)，因此，第二端电极21与第一热产生组件7(1)或第三端电极31之间的电流路径被断开。需说明的是：可熔导体8的熔点或液化点也可以高于焊料9(1)的熔点或液化点，或者是，可熔导体8的熔点或液化点也可以低于焊料9(1)的熔点或液化点，只需确保焊料9(1)先被熔融，一段时间之后，可熔导体8被熔断即可。
图2E为本发明第二实施例的一种保护元件888a的剖面示意图。图1A为保护元件888a的等效电路图。本实施例的保护元件888a与第一实施例的保护元件888相似，两者主要的差异是：本实施例的保护元件888a还包括绝缘基板10以及绝缘层16。其中，第一热产生组件包括二个发热体电极7a、7b以及第一发热体7c，第一热产生组件7(1)配置在绝缘基板10上，第一发热体7c的其中一端电气连接发热体电极7a，另一端电气连接发热体电极7b。绝缘层16配置在第一发热体7c上。其中，发热体电极7a又延伸至绝缘层16表面上，并且电气连接吸附电极7z。需说明的是，本实施例的保护元件888a也可以不包括绝缘层16，只需将第一发热体7c与发热体电极7a、7b分别配置在绝缘基板10上而不重叠即可(未示出)，其果效与图1D的保护元件888相似。其他有关结构与动作的相关说明与第一实施例的保护元件888相似，请自行参阅，在此不再赘述。
图2A为本发明第三实施例的一种保护元件888b的剖面示意图。图1A为保护元件888b的等效电路图。本实施例的保护元件888b与第二实施例的保护元件888a相似，两者主要的差异是：本实施例的保护元件888b的第一热产生组件7(1)配置在绝缘基板10内，并且第一热产生组件7(1)的发热体电极7a延伸至绝缘基板10的表面，该发热体电极7a耦接或电气连接吸附电极7z，第一热产生组件7(1)的发热体电极7b延伸至绝缘基板10的表面，该发热体电极7b耦接或电气连接第三端电极31。其他有关结构与动作的相关说明与第二实施例的保护元件888a相似，请自行参阅，在此不再赘述。
图2B为本发明第四实施例的一种保护元件888c的剖面示意图。图2C为本发明的保护元件888c的外观示意图。图1A为保护元件888c的等效电路图。本实施例的保护元件888c与第二实施例的保护元件888a相似，两者主要的差异是：本实施例的保护元件888c的绝缘外壳体基体19b具有多孔洞的陶瓷结构6，保护元件888c的绝缘外壳体盖体19a具有开口18，开口18可以是一个或多个(请参考图2B、2C)。绝缘外壳体基体19b，其主要成份是由陶瓷粉体所组成，通过烧结的工艺将其烧结成型，并在陶瓷颗粒之间产生间隙或孔洞。其中，该陶瓷材料包含碳化硅SiC、氧化铝、氮化铝、氮化硅(Si3N4)、石墨等其中任一者或其中的两者以上的组合。绝缘外壳体盖体19a的主成分为聚合物(polymer)，包含聚苯硫醚(Polyhenylenesulfide)。当保护元件888c的额定电压值与额定电流值较高时(如：大于30A或50A或100A以上)，可熔导体8被熔断的瞬间，气体所产生的高压，可经由绝缘外壳体19的多孔洞且互通的多孔洞的陶瓷结构6或开口18较均匀地排泄出去。需特别说明的是，多孔洞的陶瓷结构6或开口18可以配置在绝缘外壳体19六个面的至少其中一面，也可以是局部或部分的。绝缘外壳体基体19b的多孔洞的陶瓷结构6(请参考图2B)，也可以是局部或部分的，或者是，如本实施例中的绝缘外壳体基体19b全部都是多孔洞的陶瓷结构6。当然，也可以将多孔洞的陶瓷结构6与开口18对调实施，例如，绝缘外壳体基体19b具有开口18，绝缘外壳体盖体19a具有多孔洞的陶瓷结构6(请参考图2D)。本实施例的开口18或多孔洞的陶瓷结构6也可以适用于本发明的其他保护元件的结构中。其他有关结构与动作的相关说明与第一实施例的保护元件888相似，请自行参阅，在此不再赘述。
图3为本发明实施例的一种电池包588的电路构成示意图。电池包588包括：电池元件4、充放电控制电路2、检测控制电路5、开关电路S以及上述的保护元件888或888a或888b或888c。电池元件4具有四个电池元件4-1、4-2、4-3、4-4(但本发明不限于此)。充放电控制电路2负责控制充放电电流(充电电流Ic、放电电流Id)的开启与关闭。开关电路S的初始状态为断路，可分别依据输入信号，使开关电路S短路或导通。检测控制电路5分别检测电池元件4中每个电池元件4-1、4-2、4-3、4-4的电压值或温度值，并输出信号给充放电控制电路2或开关电路S。保护元件888的第一端电极11、第二端电极21串联连接于电池元件4与充放电控制电路2之间，形成充放电路径(即充电电流Ic与放电电流Id的路径)。开关电路S的其中一端耦接到所述第三端电极31。本实施例的可充放电电池包588中的充放电控制电路2，可依据外接的是充电装置1或电子装置1以及检测控制电路5所输出的信号来开启或关闭充放电的电流。当高于额定电流值的充电电流Ic流经可熔导体8或高于额定电流值的放电电流Id流经可熔导体8时，可熔导体8会熔断，以断开充电电流Ic或放电电流Id的路径，以达到保护电池元件4或电池包588的过电流保护功能。另，当检测控制电路5检测到电池元件4-1、4-2、4-3、4-4中的任何一个发生异常(如：过充或过温)时，则会送出信号给开关电路S，以将开关电路S切换至短路状态或导通状态，致使电流可流经第一发热体7c。第一发热体7c因通电发热而熔断可熔导体8，以断开充电电流Ic与放电电流Id，达成可充放电电池包588的过充或过电压或过温保护的功能。
虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当以权利要求书所界定的范围为准，凡合于本发明申请专利范围的精神与其运用本发明说明书及附图内容所作的类似变化，均包含于本发明的保护范围内。