钎焊连接器、具有该钎焊连接器的电池模块和包括该电池模块的电池组的制作方法
【专利摘要】根据本发明的钎焊连接器将多个单元电池电连接，并且包括含有锡（Sn）和铜（Cu）的无铅合金。根据本发明，当由于二次电池的故障而发生过热时，通过在较低的温度和电流范围中快速地断开在构成电池模块的单元电池之间的电连接，确保了使用二次电池的安全性。
【专利说明】钎焊连接器、具有该钎焊连接器的电池模块和包括该电池模块的电池组
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种二次电池技术，并且更具体地，涉及一种改善使用二次电池的安全性的钎焊连接器(soldering connector),以及一种具有该钎焊连接器的电池模块和一种包括该电池模块的电池组。
[0002]本申请要求于2011年6月17日在韩国提交的韩国专利申请N0.10-2011-0059254的优先权，其公开在此通过引用并入本文。
[0003]另夕卜，本申请要求于2012年6月18日在韩国提交的韩国专利申请N0.10-2012-0065094的优先权，其公开在此通过引用并入本文。
【背景技术】
[0004]随着便携式电子产品诸如摄影机、移动电话、便携式PC等的使用的增多，二次电池通常被用作主电源，并且因此二次电池的重要性正在增长。
[0005]不象不能再充电的原电池那样，关于能够充电和放电的二次电池进行了广泛的研究从而它们可以在在高科技工业中正在快速发展的数字照相机、移动电话、膝上型计算机、电动工具、电动自行车、电动车辆、混合动力电动车辆、大容量电力存储设备等中使用。
[0006]特别地，因为与其它二次电池诸如铅蓄电池、NiCd电池、NiMH电池、锂锌电池等相比较，锂二次电池具有每单位重量更高的能量密度并且能够快速地充电，所以锂二次电池的使用正在增多。
[0007]锂二次电池具有3.6V或者更大的操作电压，并且被用作便携式电气设备的电源，或者多个锂二次电池被串联或者并联连接以在高功率电动车辆、混合动力电动车辆、动力工具、电动自行车、电力存储设备、UPS等中使用。
[0008]而且，因为锂二次电池具有比NiCd电池或者NiMH电池的操作电压高三倍的操作电压并且具有优良的每单位重量能量密度特性，所以锂二次电池的使用正在广泛地扩大。
[0009]根据电解质的类型，锂二次电池被分类成使用液体电解质的锂离子电池和使用聚合物固体电解质的锂离子聚合物电池。根据聚合物固体电解质的类型，锂离子聚合物电池还被划分成两个类型的电池:不包含任何电解质溶液的全固体锂离子聚合物电池和包含电解质溶液并使用凝胶型聚合物电解质的锂离子聚合物电池。
[0010]通常，使用液体电解质的锂离子电池被接收在柱形或者棱形金属罐形容器中并且被以密闭方式密封以进行使用。然而，因为使用金属罐形容器的罐式二次电池的形状是固定的，所以具有作为电源的罐式二次电池的电子产品的设计受到限制，并且难以减小它的体积。相应地，通过在由薄膜制成的袋包装中接收电极组件和电解质，随后进行密封而制造的袋式锂二次电池已经得到研制和使用。
[0011]然而，当锂二次电池过热时，可能存在爆炸危险的可能性，从而确保二次电池的安全性是必须的。锂二次电池的过热是由各种因素引起的。因素之一是在锂二次电池中存在过电流。即，如果过电流通过锂二次电池流动，则通过焦耳加热产生热，并且因此电池的内部温度快速地增加。温度的这种增加引起电解质的分解反应，这导致热运行，从而引起电池不可避免地爆炸。当尖锐的金属物穿过锂二次电池时，或者如果通过被置入阴极板和阳极板之间的分隔物的收缩在阴极板和阳极板之间的绝缘体受到破坏，或者如果由于异常充电电路或者被连接到外部的负载而使冲流施加到电池，则过电流发生。
[0012]为了针对异常诸如过电流保护锂二次电池，电池通常在使用之前被联接到保护电路，并且保护电路包括不可逆地断开充电或者放电电流流过的线路的熔丝元件。
[0013]图1是示出在与具有锂二次电池的电池组联接的保护电路的构造中熔丝元件的布置结构和操作机构的电路图。
[0014]如在图1中所示，保护电路包括用于当过电流发生时保护电池组的熔丝元件1、用于感测过电流的感测电阻器2、用于监视过电流的产生并且当过电流发生时操作熔丝元件I的微控制器3和用于切换操作电流流入熔丝元件I中的开关4。
[0015]熔丝元件I被安装在连接到电池组的最外面端子的主线路中。主线路是充电电流或者放电电流流过的导线。图1示出熔丝元件I被安装在高电压线路(Pack+)中。
[0016]熔丝元件I具有三个端子，在这些端子之中，两个端子与充电或者放电电流流过的主线路接触，而其余一个端子与开关4接触。而且，熔丝元件I包括被与主线路串联连接并且在预定温度下熔化的熔丝Ia和向熔丝Ia施加热的电阻器lb。
[0017]微控制器3通过定期地检测感测电阻器2的两端的电压而监视过电流是否发生，并且当确定过电流发生时，微控制器3接通开关4。然后，在主线路中流动的电流绕开熔丝元件I并且被施加到电阻器lb。由此，从电阻器Ib产生的焦耳热被传导到熔丝Ia以增加熔丝Ia的温度，并且当熔丝Ia的温度达到熔化温度时，熔丝Ia熔化，并且因此主线路被不可逆地断开。当主线路被断开时，过电流不再流动，由此克服与过电流相关联的问题。
[0018]然而，在上述常规技术中存在很多问题。即，如果微控制器3存在问题，则即使当过电流发生时，开关4也可能不接通。在此情形中，因为电流并不流入熔丝元件I的电阻器Ib中，所以存在熔丝元件I将不操作的问题。另外，在保护电路中单独地要求用于置放熔丝元件I的空间，并且用于控制熔丝元件I的操作的程序算法必须在微控制器3中加载。结果，保护电路的空间效率降低并且微控制器3的负载增加。
【发明内容】
[0019]技术问题
[0020]本发明被设计用于解决现有技术的问题，并且因此本发明的一个目的在于提供一种钎焊连接器，该钎焊连接器在包括电池模块的二次电池中使用，以当由于异常而使温度增加时，容易地中断在单元电池之间的电连接，由此确保电池的安全性；一种具有该钎焊连接器的电池模块；和一种包括该电池模块的电池组。
[0021]然而，本发明不限于上述技术问题，并且根据以下说明，本领域技术人员可以理解其它技术问题。
[0022]技术方案
[0023]为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供一种用于使多个单元电池相互电连接的钎焊连接器，该钎焊连接器包括包含锡(Sn)和铜(Cu)的无铅合金。
[0024]根据本发明，该钎焊连接器可以具有100°C到250°C的熔点。[0025]优选地，锡的含量可以是80wt%到99.9wt%并且铜的含量可以是0.0 lwt%到20wt%o
[0026]可选地，该钎焊连接器可以进一步包括选自镍(Ni)、锌(Zn)和银(Ag)的至少一种另外的金属。
[0027]优选地，该另外的金属的含量可以是0.01wt%到10wt%。
[0028]为了实现上述目的，根据本发明的另一个方面，提供一种电池模块，该电池模块包括:多个单元电池，该多个单元电池相互串联、并联或者串联和并联连接；和钎焊连接器，该钎焊连接器用于使在该多个单元电池中的至少一对单元电池电连接，该钎焊连接器包括含有Sn和Cu的无铅合金。
[0029]每一个单元电池可以具有一对电极引线，所述一对电极弓I线包括由铜材料或者涂敷有镍的铜制成的阳极引线；和由铝材料制成的阴极引线。
[0030]根据本发B月，选自该多个单元电池的第一单元电池的电极引线中的任何一根和与第一单元电池相邻的第二单元电池的电极引线中的任何一根可以直接地相互连接，或者通过钎焊连接器连接。
[0031]该钎焊连接器可以具有100°C到250°C的熔点。
[0032]优选地，锡的含量可以是80wt%到99.9wt%并且铜的含量可以是0.0 lwt%到20wt%o
[0033]可选地，钎焊连接器可以进一步包括选自镍(Ni)、锌(Zn)和银(Ag)中的至少一种另外的金属。
[0034]优选地，该另外的金属的含量可以是0.01wt%到10wt%。
[0035]可以通过使用超声波焊接或者激光焊接执行在钎焊连接器和电极引线中的任何一根之间的联接和在电极弓I线之间的联接。
[0036]同时，为了实现在根据本发明的又一个方面中描述的目的，提供一种电池组，该电池组包括相互串联、并联或者串联和并联连接的多个电池模块。
[0037]该电池组可以被用作如下设备的电源，该设备包括:动力工具；包括电动车辆(EV)、混合动力电动车辆(HEV)和插电式混合动力电动车辆(PHEV)的利用电力提供动力的车辆；电动卡车(electric trucks);或者电力存储设备。
[0038]有利效果
[0039]根据本发明，当由于其故障二次电池过热时，在于电池模块中包括的单元电池之间的电连接在相对低的温度和电流范围下快速地断开，由此确保二次电池的安全性。
【专利附图】
【附图说明】
[0040]参考附图，根据实施例的以下说明，本发明的其它目的和方面将变得显而易见，在附图中:
[0041]图1是示出联接有电池模块的保护电路的构造中的熔丝元件的布置结构和操作机构的电路图；
[0042]图2是示出使用根据本发明的实施例的钎焊连接器的电池单元的平面视图；
[0043]图3是示出图2的区域A的部分放大视图；
[0044]图4是示出图3的钎焊连接器的改进实施例的部分放大视图；[0045]图5是示出根据本发明的实施例的电池模块的透视图；
[0046]图6是示出根据本发明的实施例的电池组的透视图；
[0047]图7是根据本发明从短路测试获得的示出随着时间的电流测量值的曲线图；
[0048]图8是根据本发明从短路测试获得的示出随着时间的温度测量值的曲线图；并且
[0049]图9是根据本发明根据抗拉强度评价测试获得的示出根据铜含量的抗拉强度特性的曲线图。
【具体实施方式】
[0050]在下文中，将参考附图详细描述本发明的优选实施例。在描述之前，应该理解，在说明书和所附权利要求中使用的术语不应该被理解成限制于通常的和字典的含义，而是根据允许本发明人为了最佳解释而适当地定义术语的原则，基于对应于本发明的技术方面的含义和概念解释的。因此，在此处给出的描述只是仅用于图示目的的优选实例，而非旨在限制本公开的范围，从而应该理解，能够在不偏离本公开的精神和范围的情况下，对于本公开实施其它等价物和变型。
[0051]图2是示出使用根据本发明的实施例的钎焊连接器的电池单元的平面视图，图3是示出图2的区域A的部分放大视图，并且图4是示出图3的钎焊连接器的改进实施例的部分放大视图。
[0052]参考图2，根据本发明的实施例的钎焊连接器10被连接在电极引线21、22之间，该电极引线21、22设置于在被相互电连接以在电池单元30中包括的多个单元电池20中的至少一对单元电池20中的每一个中。在此情形中，钎焊连接器10可以通过使用包括超声波焊接、激光焊接等的各种已知方法而被联接到电极引线21、22。图2仅示出通过使用钎焊连接器10实施在电极引线21、22之间的所有的电连接的实施例，但是本发明不限于此。即，可以仅电极引线21、22的一部分通过使用钎焊连接器10而被联接，并且其余部分可以在其间直接地相互连接。
[0053]在电极引线21、22中，阴极引线21可以由铝(Al)制成并且阳极引线22可以由铜(Cu)或者涂敷镍的铜制成，而钎焊连接器10由具有比电极引线21、22的熔点低的熔点的材料制成。
[0054]相应地，当过电流在该多个单元电池10被相互串联、并联或者串联和并联连接的电池单元30中流动时，钎焊连接器10可以快速地熔化，由此中断部分或者全部电流。
[0055]特别地，替代对于环境和人体有毒的铅(Pb)，钎焊连接器10由包含锡(Sn)和铜(Cu)的环境友好合金制成。根据成分的含量比，钎焊连接器10的熔点是约100到250°C。
[0056]考虑到旨在中断的过电流水平地设定钎焊连接器10的熔点范围。如果钎焊连接器10的熔点小于100°c，则尽管是常规的电流，但钎焊连接器10仍然可以熔化。例如，如果在车辆中使用应用有钎焊连接器10的二次电池，则钎焊连接器10可以由于快速的充电和放电电流而熔化。而且，如果钎焊连接器10的熔点高于250°C，则尽管是过电流，钎焊连接器10仍然可以不那么快速地熔化，从而使得难以有效地中断所产生的过电流。
[0057]在钎焊连接器10的成分中，锡影响钎焊连接器10的熔点和抗拉强度特性。为了使得钎焊连接器10具有在100到250°C的范围中的熔点并且还具有优秀的抗拉强度特性，锡的含量在80到99.9wt%，优选地92到96wt%的范围中调节。铜的功能用于改进钎焊连接器10的导电性，从而铜的含量在0.01到20wt%，优选地4到8wt%的范围中调节。在此处使用的wt%是基于在钎焊连接器10中包括的材料的总重量的单位并且在下面具有相同的含义。
[0058]如上所述，通过在诸如以上的范围中调节锡和铜的含量，不仅钎焊连接器10实现了优秀的抗拉强度而且由于钎焊连接器10引起的电阻的增加还可以被抑制在百分之几的低水平内。
[0059]为了具有甚至进一步得到改进的性质，除了锡和铜，钎焊连接器10可以包括作为另外的合金成分的具有优良导电性的金属诸如镍(Ni)、银(Ag)、锌(Zn)等。基于在钎焊连接器10中包括的材料的总重量，该另外的合金成分的含量优选地是0.01到10wt%。
[0060]同时，参考图3和4，钎焊连接器10具有包括或者的各种形状。
[0061]换言之，因为与电极引线21、22中的每一个联接的一对联接部分11通过连接部分12连接并且在其间的连接部被弯曲，所以钎焊连接器10的总体形状可以是大致形状(见图3)。
[0062]而且，因为联接部分11中的每一个通过直线的方式延伸而被连接到连接部分12，所以钎焊连接器10的总体形状可以是大致形状。在此情形中，电极引线21、22的端部沿着电极引线21、22的延伸方向大致竖直地弯曲并且端部可以被联接到钎焊连接器10的联接部分11。
[0063]图3和4的钎焊连接器10的形状只是用于示意，并且钎焊连接器10的形状不限于此。即，根据与电极引线21、22的位置关系和电极引线21、22的形状，钎焊连接器10的形状是可变的。
[0064]图5是示出根据本发明的实施例的电池模块的透视图。
[0065]参考图5，根据本发明的实施例的电池模块M包括电池单元30、汇流条40、外壳50和外部端子60。
[0066]在电池单元30中，通过应用根据本发明的实施例的钎焊连接器10，如上所述，多个单元电池20被相互连接。
[0067]汇流条40被连接到位于电池单元30的两侧的最外面的壳处的电极引线21、22中的每一根，并且因此汇流条40被电连接到电池单元30。
[0068]连接到汇流条40的电池单元30被接收在外壳50的内侧以将汇流条40置于外壳50的外侧处，并且汇流条40被连接到在外壳50处安装的外部端子60以在电池单元30和外部端子60之间实施电连接。
[0069]图6是示出根据本发明的实施例的电池组的透视图。
[0070]参考图6，通过串联、并联或者串联和并联地利用连接杆70连接多个电池模块M而获得根据本发明的实施例的电池组P。
[0071]例如，作为如下设备的电源，S卩，该设备是动力工具；包括电动车辆(EV)、混合动力电动车辆(HEV)和插电式混合动力电动车辆(PHEV)的利用电力提供动力的车辆；电动卡车；或者电力存储设备，这种电池组P能够被不同地使用。
[0072]如上所述，根据本发明的实施例的钎焊连接器10由具有比电极引线21、22的熔点低的熔点的材料制成，从而如果使用电池模块M和电池组P，则由过度充电或者短路引起的过电流的发生使得钎焊连接器快速地断裂，由此中断部分或者全部电流。因此，钎焊连接器10确保二次电池诸如电池模块M、电池组P等的安全性。
[0073]另外，钎焊连接器10具有优良的与电极引线21、22焊接的特性，并且可以将二次电池中的电阻的增加抑制在百分之几的低水平内。
[0074]在下文中，使用实例更详细地解释本发明。然而，可以用各种方式改进以下实例，并且本发明不应该被解释成限制于此。
[0075]实例I
[0076]从Ecojoin有限公司购买并且使用构成钎焊连接器的金属合金。该金属合金包括96%的锡和4%的铜。
[0077]用于PHEV/EV电池的八个单元电池均被提供，并且I到8号单元电池被串联连接以制造电池模块。此时，执行激光焊接从而将阳极引线和与其相邻的阴极引线相互电连接。为了连接4号单元电池的阴极引线和5号单元电池的与4号单元电池邻近的阳极引线，利用包括所购买的合金的钎焊连接器(具有40_的长度的“c”形连接器)执行激光焊接。在以下条件下执行激光焊接，即，3.5kV的能量被施加到阳极电极部，并且在阴极电极部中施加2.8kV的能量。
[0078]实例2
[0079]除了包括购买的合金的钎焊连接器被进一步用于连接2号单元电池的阴极引线和3号单元电池的与2号单元电池邻近的阳极引线之外，重复实例I的过程，以制造电池模块。
[0080]实例3
[0081]除了包括购买的合金的钎焊连接器被进一步用于连接6号单元电池的阴极引线和7号单元电池的与6号单元电池邻近的阳极引线之外，重复实例2的过程，以制造电池模块。
[0082]实例4到6
[0083]除了使用具有99.4%的锡、0.5%的铜和0.1%的镍的金属合金(Eco join有限公司)之外,重复实例I到3的过程，以制造电池模块。
[0084]比较例
[0085]除了完全不使用包括购买的金属合金的钎焊连接器之外，重复实例I的过程，以制造电池模块。
[0086]试验例1:电池模块的过度充电测试
[0087]为了评价根据本发明制造并且具有带有低熔点和高传导性的钎焊连接器的电池模块的安全性，执行以下试验。
[0088]使用在实例I到6和比较例中制造的电池模块，并且在10V/1A的条件下每一个电池模块被过度充电。每一个电池模块的状态在以下表格I中示出。
[0089]根据测试结果，当比较例的电池模块被过度充电时，包括该模块的电池的温度急剧地增加，由此导致电池点火和爆炸。然而，使用具有低熔点和高传导性的钎焊连接器的根据本发明的实例的电池模块，呈现了它们的安全性(见表格I )。相应地，能够理解，根据本发明的电池模块包括钎焊连接器，从而即使电池由于其故障而被加热也中断在电极引线之间的电连接，由此中断在电池模块水平中的电力的流动并在较低的温度和低电流范围中快速地产生断开条件，由此电池的电气和热安全性得以实现。[0090]表格I
[0091]
【权利要求】
1.一种用于将多个单元电池相互电连接的钎焊连接器，所述钎焊连接器包括含有锡(Sn)和铜(Cu)的无铅合金。
2.根据权利要求1所述的钎焊连接器，其中，所述钎焊连接器具有100°C到250°C的熔点。
3.根据权利要求1所述的钎焊连接器，其中，锡的含量是80wt%到99.9wt%,并且铜的含量是 0.01wt% 到 20wt%。
4.根据权利要求3所述的钎焊连接器，其中，所述钎焊连接器进一步包括从镍(Ni)、锌(Zn)和银(Ag)中选择的至少一种另外的金属。
5.根据权利要求4所述的钎焊连接器，其中，所述另外的金属的含量从0.01wt%到10wt%o
6.—种电池模块,包括: 多个单元电池，所述多个单元电池相互串联连接、并联连接或者串联和并联连接；以及钎焊连接器，所述钎焊连接器用于将在所述多个单元电池中的至少一对单元电池电连接，所述钎焊连接器包括含有锡(Sn)和铜(Cu)的无铅合金。
7.根据权利要求6所述的电池模块,其中，所述单兀电池中的每一个包括一对电极引线。
8.根据权利要求7所述的电池模块，其中，所述一对电极引线包括由铜材料或者涂敷有镍的铜制成的阳极引线和由铝材料制成的阴极引线。
9.根据权利要求7所述的电池模块，其中，从所述多个单元电池中选择的第一单元电池的所述电极引线中的任何一根和与所述第一单元电池相邻的第二单元电池的所述电极引线中的任何一根直接地相互连接，或者通过所述钎焊连接器连接。
10.根据权利要求6所述的电池模块，其中，所述电池模块具有100°C到250°C的熔点。
11.根据权利要求6所述的电池模块，其中，锡的含量是80wt%到99.9wt%,并且铜的含量是 0.01wt% 到 20wt%o
12.根据权利要求11所述的电池模块，其中，所述电池模块进一步包括从镍(Ni)、锌(Zn)和银(Ag)中选择的至少一种另外的金属。
13.根据权利要求12所述的电池模块，其中，所述另外的金属的含量是0.01被％到10wt%o
14.根据权利要求9所述的电池模块，其中，通过使用超声波焊接或者激光焊接，执行在所述电极引线中的任何一根与所述钎焊连接器之间的联接以及在所述电极引线之间的联接。
15.—种电池组,包括多个根据权利要求6到14中任一项所述的电池模块,其中,所述多个电池模块相互串联连接、并联连接或者串联和并联连接。
16.根据权利要求15所述的电池组，所述电池组被用作如下设备的电源:电动工具；利用电力提供动力的车辆，包括电动车辆(EV)、混合动力电动车辆(HEV)和插电式混合动力电动车辆(PHEV);电动卡车；或者电力存储设备。
【文档编号】H01M2/20GK103608951SQ201280029781
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2012年6月18日 优先权日:2011年6月17日
【发明者】梁正勋, 崔丞惇, 尹兰智, 权大弘, 全志勋, 康镇娥 申请人:株式会社Lg 化学