CN120565367A - 熔体、熔断器、及电气设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种熔体、熔断器及电气设备，其中，熔断器的熔体中，熔断区的过流面积小于非熔断区，熔断区采用第一材料制成，非熔断区采用第二材料制成，并满足所述第一材料的强度和硬度中的至少一者高于所述第二材料，考虑到了材料力学性能的影响，采用硬度和强度区域化设计，极大缓解和释放热应力，弥补了熔断区域结构薄弱的缺陷，解决了大脉冲电流下的寿命损伤问题，强化了熔断器的抗疲劳性能。

Description

熔体、熔断器、及电气设备

技术领域

本申请涉及电路保护器件技术领域，更具体而言，涉及一种熔体、熔断器及电气设备。

背景技术

熔断器基于电流热效应实现保护功能的器件。例如，熔断器可作为电池包配电系统的重要组成部分，其寿命关乎整个电池包的安全性和可靠性。为了保证电池包气密等级等要求，熔断器或配电箱往往位于电池包内部，所以熔断器失效将面临高昂的整包维修成本。而如今电池包放电阈值越来越高，导致熔断器要承受更高的峰值电流，高温密闭环境又进一步降低熔断器的耐脉冲能力，一旦熔断器寿命到达极限，会导致保护功能失效、电路失稳，引发严重的安全隐患。相关技术中，熔断器的熔体因材料和结构设计缺陷，存在熔断区域应力集中区，寿命易衰减等缺陷。

发明内容

本申请实施方式提供一种熔体、熔断器及电气设备，旨在强化熔体的性能，延长熔体、采用该熔体的熔断器及电气设备的使用寿命。

本申请的技术方案如下。

一种用于熔断器的熔体，包括：

两个非熔断区，用于形成电流流路；及

熔断区，连接于所述两个非熔断区之间，用于在电流超过预定阈值时熔断；

其中，所述熔断区的过流面积小于所述非熔断区，所述熔断区采用第一材料制成，所述非熔断区采用第二材料制成，并满足所述第一材料的强度和硬度中的至少一者高于所述第二材料。

可选的，所述第一材料包括银、铜、银铜合金中的至少一种，所述第二材料为铝。

可选的，所述熔断区和所述非熔断区通过熔体复合工艺连接。

可选的，所述熔体复合工艺包括：轧制复合、扩散复合、钎焊。

可选的，所述熔体呈片状并包括交替设置并相互串联的多个非熔断区和多个熔断区，所述熔断区形成有开孔。

可选的，所述熔体位于其长度方向两端的非熔断区构成连接端，所述熔体的长度为L并满足：

L＝(N-1)d+2h＝(u/W-1)d+2h

其中，所述N为所述熔断区的数量；h为所述连接端的长度；d为相邻的两熔断区的跨距；u为所述熔体所能承受的预定电压值；W为每个熔断区能承受的预定电压值；所述L、d、h的单位为mm，所述u、W的单位为V。

可选的，所述W的取值范围为150V-200V。

可选的，所述跨距d的取值范围为10mm-20mm。

可选的，沿所述熔体的长度方向，所述熔断区的宽度为a，所述非熔断区的宽度为b，并满足10mm＜a+b＜20mm。

可选的，所述熔断区形成的所述开孔的孔径为Φ，单位为mm，并满足a＞2Φ。

可选的，位于所述熔断区之间的所述非熔断区形成预定角度的折弯。

可选的，所述折弯角度为θ，θ的取值范围为30°≤θ＜180°。

可选的，所述θ为90°。

本申请还公开一种熔断器，包括第一连接端子、第二连接端子及熔体，所述熔体的两端分别与所述第一连接端子、第二连接端子电连接；所述熔体为前述任一熔体。

本申请还公开一种电气设备，包括前述熔体或者前述熔断器。

本申请的用于熔断器的熔体中，所述熔断区的过流面积小于所述非熔断区，所述熔断区采用第一材料制成，所述非熔断区采用第二材料制成，并满足所述第一材料的强度和硬度中的至少一者高于所述第二材料，考虑到了材料力学性能的影响，采用硬度和强度区域化设计，极大缓解和释放热应力，弥补了熔断区域结构薄弱的缺陷，解决了大脉冲电流下的寿命损伤问题，强化了熔断器的抗疲劳性能。

本申请的实施方式的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实施方式的实践了解到。

附图说明

本申请的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施方式的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本申请某些实施方式的熔断器的结构示意图。

图2是本申请某些实施方式的熔体的结构示意图。

图3是本申请另一实施例中熔体的结构示意图。

图4是图3所示的熔体的侧视图。

图5是本申请又一实施例中熔体的结构示意图。

图6是是图5所示的熔体的侧视图。

图7为一实施例中的熔体的等效应力测试图，其中折弯角度θ的取值为160°。

图8为一实施例中的熔体的等效应力测试图，其中折弯角度θ的取值为150°。

图9为一实施例中的熔体的等效应力测试图，其中折弯角度θ的取值为120°。

图10为一实施例中的熔体的等效应力测试图，其中折弯角度θ的取值为90°。

图11为一实施例中的熔体的等效应力测试图，其中折弯角度θ的取值为60°。

图12为一实施例中的熔体的等效应力测试图，其中折弯角度θ的取值为30°。

图13为图7至图12的实施例中的测试条件示意图。

主要元件符号说明：

100、熔断器；

10、壳体；

21、第一连接端子；22、第二连接端子

30、熔体；31、熔断区；32、非熔断区；310、开孔；

40、填充件。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中，相同或类似的标号自始至终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方式是示例性的，仅用于解释本申请的实施方式，而不能理解为对本申请的实施方式的限制。

在本申请的描述中，应当理解的是，术语“厚度”、“上”、“顶”、“底”、“内”、“外”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而并非指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。以及，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，在一个例子中，可以是固定连接，或者是可拆卸地连接，或一体地连接；可以是机械连接，或者是电连接，或可以相互通讯；可以是直接相连，或者是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。

在本申请的实施方式中，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

请参阅图1，本申请实施方式提供的熔断器100熔断器包括壳体10、第一连接端子21、第二连接端子22、熔体30及填充物40，此外还可包括固定螺丝。

具体地，熔断器100的熔体30位于壳体10的腔体内，其两端分别与第一连接端子21和第二连接端子22电连接，填充物40密实充满于壳体10腔体内，包覆在熔体30的周围，固定螺丝将第一连接端子21和第二连接端子22固定连接在壳体10的两端。熔断器100通过所述第一连接端子21和第二连接端子22接入回路，以在回路电流超过预定阈值时熔断，实现保护功能。可以理解的是，在具体实施中，熔断器100的具体形态不限于此，只要采用本申请所公开的熔体30即可。

参图2至图6所示，用于熔断器100的熔体30可包括两个非熔断区32及熔断区31。在具体实施中，所述非熔断区32的数量可为多个，所述熔断区31的数量可为一个或多个，不做具体限制。

所述两个非熔断区32，用于形成电流流路。所述熔断区31连接于所述两个非熔断区32之间，用于在电流超过预定阈值时熔断。例如，当所述熔体30包括两个非熔断区32和一个熔断区31时，所述两个非熔断区32形成电流连接端子，可接入电流回路，熔断区31则连接于两个非熔断区32之间，一同形成电流流路。当所述熔体30包括两个以上的非熔断区32和多个熔断区31时，其中两个非熔断区32可形成电流连接端子，可接入电流回路，熔断区31则连接于两个非熔断区32之间，一同形成电流流路。

其中，所述熔断区31的过流面积小于所述非熔断区32的过流面积。所述熔断区31采用第一材料制成，所述非熔断区32采用第二材料制成，并满足：所述第一材料的强度和硬度中的至少一者高于所述第二材料。

本申请的用于熔断器100的熔体30中，所述熔断区31的过流面积小于所述非熔断区32，所述熔断区31采用第一材料制成，所述非熔断区32采用第二材料制成，并满足所述第一材料的强度和硬度中的至少一者高于所述第二材料，考虑到了材料力学性能的影响，采用硬度和强度区域化设计，极大缓解和释放热应力，弥补了熔断区31结构薄弱的缺陷，解决了大脉冲电流下的寿命损伤问题，强化了熔断器100的抗疲劳性能。

在一些实施方式中，所述第一材料包括银、铜、银铜合金中的至少一种，所述第二材料为铝。以加工为例，用于加工熔体30的金属料带可由多条银带镶嵌在铝带基体中，银带也可以是铜带或银铜合金带，如此可具备比基体更高的强度和硬度。可以理解的是，在具体实施中，铝带也可以替换成比银带或铜带更柔软的基体材料，例如镍带或者锡带，保证足够的导电导热性能即可，总体满足第一材料的强度和硬度中的至少一者高于所述第二材料，通常可使得第一材料的强度和硬度均高于所述第二材料。

熔体30中，所述熔断区31的过流面积小于所述非熔断区32的过流面积，通常可采用在熔断区31进行冲切形成冲孔、缺口、薄弱部等手段实现。由此，熔断区31也较容易成为熔体30中的应力集中区域。以电池包的配电系统为例，熔断器作为电池包配电系统的重要组成部分，其寿命关乎整个电池包的安全性和可靠性。为了保证电池包气密等级达到IP67或更高(如IP68)，熔断器或配电箱往往位于电池包内部，所以熔断器失效将面临高昂的整包维修成本。

而如今电池包放电阈值越来越高，导致熔断器要承受更高的峰值电流，高温密闭环境又进一步降低熔断器的耐脉冲能力，一旦熔断器寿命到达极限，会导致保护功能失效、电路失稳，引发严重的安全隐患。

本发明提出一种高可靠性、长寿命、低成本的熔断器，通过熔断区和非熔断区材料强度、硬度的差异化提高熔体整体的抗交变载荷能力，保证熔断区域的强度、硬度高于非熔断区域，消除熔断区域截面积锐减带来的应力集中，将应力分散到更柔韧的非熔断区域，提升了熔体30的抗疲劳性能。此产品可适应更激烈复杂的电流环境，大幅度延长熔断器的使用寿命，具有显著的成本优势和大规模工业化推广的潜力。

以所述第一材料为银，所述第二材料为铝为例，用于加工熔体30的金属料带可由多条银带镶嵌在铝带基体中制成。铝带基体用于形成所述非熔断区，银带用于形成所述熔断区。银带具备比铝带基体更高的强度和硬度。

在具体实施中，所述熔断区31和所述非熔断区32通过熔体复合工艺连接。所述熔体复合工艺包括：轧制复合、扩散复合、钎焊等。同样以所述第一材料为银，所述第二材料为铝为例，银带通过轧制复合、扩散复合、钎焊等工艺镶嵌在铝带基体中，与铝带基体形成电连接。如果采用轧制复合工艺，即可通过轧制将银和铝紧密结合。如果采用扩散复合工艺，则可通过高温高压使银和铝界面扩散结合。

在一些实施方式中，所述熔体30呈片状并包括交替设置并相互串联的多个非熔断区32和多个熔断区31。所述熔断区31形成有开孔，以使得所述熔断区31的过流面积小于所述非熔断区32的过流面积。位于所述片状熔体30两端的可为两个非熔断区32，以便于实现与外部的电连接。从其中一端开始，非熔断区32和所述熔断区31交替分布，并按照前述材质和复合连接工艺实现串联连接。如此，所述熔体30位于其长度方向两端的非熔断区构成连接端。

所述熔体的长度为L并满足：

L＝(N-1)d+2h＝(u/W-1)d+2h

其中，所述N为所述熔断区的数量；h为所述连接端的长度；d为相邻的两熔断区的跨距；u为所述熔体所能承受的预定电压值；W为每个熔断区能承受的预定电压值；所述L、d、h的单位为mm，所述u、W的单位为伏特(V)。在具体应用中，u为所述熔体所能承受的预定电压值，可根据熔体30的应用环境预先设定，通常根据熔断器100的额定电压而定。

在一些实施方式中，所述W的取值范围为150V-200V，给定这个值后就可求出总的熔断区数N＝u/W。熔断区之间的跨距d是根据熔体30在开断过程中所产生的金属蒸气的扩散程度来确定的，选取范围很一般为10mm-20mm。

可选的，沿所述熔体的长度方向，所述熔断区的宽度为a，所述非熔断区的宽度为b，并满足10mm＜a+b＜20mm。熔断区31的宽度为a，非熔断区域宽度为b，通常情况下a＞2Φ，为了包容冲压工艺的偏差和保证短路后有更大的烧蚀空间(确保电弧不会烧蚀至非熔断区域)，可以增大a的长度，但是会造成原材料成本的增加。而d＝a+b，所以10mm＜a+b＜20mm。

在具体实施中，所述熔断区形成的所述开孔的孔径为Φ，单位为mm，并满足a＞2Φ。

在一些实施方式中，位于所述熔断区31之间的所述非熔断区32形成预定角度的折弯。

可选的，所述折弯角度为θ，θ的取值范围为30°≤θ＜180°。例如，在具体实施中，所述θ的取值可为30°、60°、90°、120°、150°、160°等。熔体30含有一组或多组串联的熔断区31和非熔断区32。熔断区31截面积小，非熔断区32截面积大，非熔断区32可通过折弯进一步缓解应力集中。申请人通过研究及实验发现，折弯后的熔丝应力集中区域从熔断区处分散到弯折处，增大松弛应力的效果随应力的增大而更加明显。

申请人通过研究及实验进一步发现，所述θ为90°时，松弛应力的效果最好，狭径得到了最小的等效应力。

具体参图7至图13所示，申请人以材料、展平尺寸相同、熔体30位于其长度方向两端的非熔断区构成连接端结构也相同，仅位于所述熔断区31之间的所述非熔断区32形成的折弯角度θ不同的条件进行相同条件的脉冲温度测试，获取熔体的等效应力测试结果。其中，所述熔体的长度L＝75mm，所述熔体的宽度为13.2mm；所述熔断区的数量N＝3；所述连接端的长度h＝22.5mm；d为相邻的两熔断区的跨距，d＝15mm；所述熔断区形成的所述开孔的孔径为Φ＝2mm。所述非熔断区的材料为铝，熔断区的材料为铜银合金。

如图7所示，该实施例中的熔体的的折弯角度θ的取值为160°；图8为一实施例中的熔体的等效应力测试图，其中折弯角度θ的取值为150°；图9为一实施例中的熔体的等效应力测试图，其中折弯角度θ的取值为120°；图10为一实施例中的熔体的等效应力测试图，其中折弯角度θ的取值为90°；图11为一实施例中的熔体的等效应力测试图，其中折弯角度θ的取值为60°；图12为一实施例中的熔体的等效应力测试图，其中折弯角度θ的取值为30°。

图13为图7至图12的实施例中的测试条件示意图，各实施例采用的测试条件相同，即采用脉冲温度加热482.3s，周期为20s，其中每个周期中271摄氏度维持时间5s，171摄氏度维持时间为15s，观测熔体的等效应力分布。由附图可见，当折弯角度θ的取值为90°时，熔体整体的等效应力取得最小值，并换算如下表所示。

折弯角度(°)	等效应力(×109MPa)
		30°	2.2213
60°	1.0029
		90°	0.85088
120°	1.6803
		150°	1.6102
160°	1.6899

本申请还公开一种电气设备，包括前述熔体或者前述熔断器。该电气设备可为储能装置、电池包等，也可以为搭载了这些储能装置或者电池包的供电、用电设备等，其形态不做限制，只要满足应用了前述熔体30或熔断器100即可。

在本说明书的描述中，参考术语“某些实施方式”、“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个，除非另有明确具体的限定。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，本申请的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (15)

1.一种用于熔断器的熔体，其特征在于，包括：

两个非熔断区，用于形成电流流路；及

熔断区，连接于所述两个非熔断区之间，用于在电流超过预定阈值时熔断；

其中，所述熔断区的过流面积小于所述非熔断区，所述熔断区采用第一材料制成，所述非熔断区采用第二材料制成，并满足所述第一材料的强度和硬度中的至少一者高于所述第二材料。

2.根据权利要求1所述的熔体，其特征在于，所述第一材料包括银、铜、银铜合金中的至少一种，所述第二材料为铝。

3.根据权利要求1所述的熔体，其特征在于，所述熔断区和所述非熔断区通过熔体复合工艺连接。

4.根据权利要求3所述的熔体，其特征在于，所述熔体复合工艺包括：轧制复合、扩散复合、钎焊。

5.如权利要求1-4中任一项所述的熔体，其特征在于：所述熔体呈片状并包括交替设置并相互串联的多个非熔断区和多个熔断区，所述熔断区形成有开孔。

6.如权利要求5所述的熔体，其特征在于：所述熔体位于其长度方向两端的非熔断区构成连接端，所述熔体的长度为L并满足：

L＝(N-1)d+2h＝(u/W-1)d+2h

其中，所述N为所述熔断区的数量；h为所述连接端的长度；d为相邻的两熔断区的跨距；u为所述熔体所能承受的预定电压值；W为每个熔断区能承受的预定电压值；所述L、d、h的单位为mm，所述u、W的单位为V。

7.如权利要求6所述的熔体，其特征在于：所述W的取值范围为150V-200V。

8.如权利要求6所述的熔体，其特征在于：所述跨距d的取值范围为10mm-20mm。

9.如权利要求6所述的熔体，其特征在于：沿所述熔体的长度方向，所述熔断区的宽度为a，所述非熔断区的宽度为b，并满足10mm＜a+b＜20mm。

10.如权利要求9所述的熔体，其特征在于：所述熔断区形成的所述开孔的孔径为Φ，单位为mm，并满足a＞2Φ。

11.如权利要求5所述的熔体，其特征在于：位于所述熔断区之间的所述非熔断区形成预定角度的折弯。

12.如权利要求11所述的熔体，其特征在于：所述折弯角度为θ，θ的取值范围为30°≤θ＜180°。

13.如权利要求12所述的熔体，其特征在于：所述θ为90°。

14.一种熔断器，其特征在于，包括第一连接端子、第二连接端子及熔体，所述熔体的两端分别与所述第一连接端子、第二连接端子电连接；所述熔体为权利要求1-13中任一项所述的熔体。

15.一种电气设备，其特征在于，包括权利要求1-13中任一项所述的熔体或者所述权利要求14所述的熔断器。