CN201780951U - 一种新型熔断器 - Google Patents

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Abstract

本实用新型为解决现有技术中熔断器短路响应过快易造成误断、难以承受高峰值脉冲电流的技术问题，提供一种新型熔断器。包括上壳体、下壳体、电阻条、两弹簧顶针、及两导电体；所述两导电体位于上壳体、下壳体之间，导电体包括内端和外端，内端位于上壳体、下壳体内，外端从上壳体、下壳体内伸出作为电极端子；两导电体的内端之间具有间隙，电阻条焊接于该间隙内使两导电体电连接；弹簧顶针包括固定端和动作端，两弹簧顶针的固定端固定于下壳体或上壳体上，两弹簧顶针的动作端分别与电阻条的一端连接。本实用新型熔断器具有较小的电阻、较强的过流能力和较强的脉冲电流承受能力，同时具过载和过热保护功能。

Description

一种新型熔断器
技术领域
本实用新型属于电路保护领域，尤其涉及电流熔断的熔断器领域。
背景技术
保险装置常用于各种需要短路保护、过流保护、过热保护的电路或系统中，有很多种，常见温度保险丝或者各种熔断器等，其原理大部分是在某些部位局部过热烧断保险丝，比如将高熔点的熔体局部导电面积做小，在短路峰值电流到来前将熔体局部熔断来断开电路。
现有各种系统对保护功能的要求越来越高，比如电动车领域，当今电动汽车主要是依靠动力电池预存储电能，作为整车的动力源。电动汽车的特殊性，要求蓄能够存储巨大的电能。动力电池存储巨大的电能，长期工作于较高的温度和较强振动环境下，还因为汽车工作路况的不确定型和交通意外的潜在威胁时刻存在，动力电池的安全防护就成为亟待解决的问题，尤其是对动力电池的短路保护。
目前，模组间一般没有保护，即使有也是采用标准快速熔断器，其原理是将高熔点的熔体导电面积局部颈缩，正常工作条下，在某个温度点颈缩点发热功率与热传导、散热功率平衡，不会断开；在短路情况下，由于瞬间电流很大，瞬间颈缩点发热量很大而热量来不及散失，颈缩点瞬间熔断，达到在短路峰值电流到来前将断开电路的目的。然而还存在一些问题和不足：1、内阻普遍偏高；2、短路响应时间过快，有可能会在造成误断；3、难以承受高峰值脉冲电流，比如现有电动车用到脉冲电流加热系统，由于其峰值电流较大，虽然占空比很低，大部分快速熔断器还是无法承。
实用新型内容
本实用新型为解决现有技术中熔断器短路响应过快易造成误断、难以承受高峰值脉冲电流的技术问题，提供一种新型熔断器。
一种新型熔断器，包括上壳体、下壳体、电阻条、两弹簧顶针、及两导电体；所述两导电体位于上壳体、下壳体之间，导电体包括内端和外端，内端位于上壳体、下壳体内，外端从上壳体、下壳体内伸出作为电极端子；
两导电体的内端之间具有间隙，电阻条焊接于该间隙内使两导电体电连接；
弹簧顶针包括固定端和动作端，两弹簧顶针的固定端固定于下壳体或上壳体上，两弹簧顶针的动作端分别与电阻条的一端连接。
采用本实用新型熔断器，当大电流经过本实用新型熔断器时，导电体与电阻条连接处的焊点温度迅速升高，焊点达到或超过其自身熔点，成为液态，使得电阻条与导电片之间的连接成为弱连接状态，此时弹簧顶针将电阻条弹出两导电体内端之间的间隙，起到切断电流的作用。具有较小的电阻、较强的过流能力和较强的脉冲电流承受能力，同时具过载和过热保护功能，在短路情况下能较快断开，满足耐压和分断能力的要求。制作工艺简单，装配方便，成本较低。
附图说明
图1是本实用新型具体实施方式中熔断器结构立体示意图；
图2是本实用新型具体实施方式中熔断器正常状态时爆炸示意图；
图3是本实用新型具体实施方式中熔断器断开状态时爆炸示意图；
图4是图2中I处放大示意图；
图5是本实用新型具体实施方式中熔断器主视示意图；
图6是图5中C-C剖面示意图；
图7是图5中D-D剖面示意图；
图8是本实用新型熔断器用于动力电池中示意图；
图9是本实用新型熔断器中弹簧顶针示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
一种新型熔断器，包括上壳体1、下壳体5、电阻条3、两弹簧顶针4、及两导电体2；所述两导电体2位于上壳体1、下壳体5之间，导电体2包括内端和外端，内端位于上壳体1、下壳体5内，外端从上壳体1、下壳体5内伸出作为电极端子；
两导电体2的内端之间具有间隙，电阻条3焊接于该间隙内使两导电体5电连接；
弹簧顶针4包括固定端40和动作端41，两弹簧顶针4的固定端40固定于下壳体1或上壳体5上，两弹簧顶针4的动作端41分别与电阻条3的一端连接。
设计原理：本实用新型利用焊点电阻率大于导电体的特点，在短路大电流条件下，焊点温升速度远远大于导电体，焊点在短时间内达到液相线以上，在弹簧顶针4的作用下，电阻条弹出间隙，两导电体之间的电连接，断开电路。
电阻条3位于间隙内，电阻条3的两边与两导电体4的内端之间均存在一定的焊缝6，焊接时通过钎料填充于该焊缝6内，实现电阻条3与两导电体2的电连接。间隙宽度为电阻条宽度加两边焊缝宽度，间隙宽度为2.0-3.5mm。
钎料的熔点和电阻率、焊缝6的长度、厚度和电阻条的电阻率共同决定短路响应速度，电阻条3的电阻率要小于钎料、大于等于导电体2的电阻率。在钎料熔点和电阻条材质、尺寸确定的情况下，通过改变间隙的长度可以有效的改变响应速度。
例如设计过流能力300A，尺寸满足电动汽车用动力电池狭小空间要求的小尺寸熔断器，从导电能力和响应速度综合考虑，焊点钎料采用熔点为220-250℃，电阻率为800-1200％IACS，导电体为2mm厚的紫铜板，宽度为35-45mm，焊缝6的长度为10-15mm，焊缝6的宽度0.3-1mm，为了加工方便和焊缝6一致性，焊缝6厚度与电阻条3厚度、导电体2厚度相同，焊缝6的厚度与长度的乘积为焊缝导电面积，在钎料一定的条件下，焊缝6导电面积越大，熔断越慢，焊缝6宽度越大，焊点电阻越大，熔断越快，但是同时焊点的强度会随着焊缝宽度的增大而减弱，所以焊缝宽度有一个范围，厚度和长度跟导电体有关，根据设计的过流能力和响应速度，及焊缝强度，综合考虑焊缝的长宽厚。通过调整尺寸参数，短路电流1700A的熔断时间在15-30s，4000A的熔断时间在0.5-1s，电阻条3能够完全弹出，由于断开时候双边焊缝6未完全熔化，焊缝6断开宽度稍大于电阻条3的宽度，小于双边焊缝6加电阻条3宽度，而焊缝6厚度为0.8-1.2mm，可以保证1000V的电压不被击穿。其耐压值、分断能力、响应速度、过流能力等完全能够满足目前电动汽车的使用要求。
为描述方便，将两导电体2分别称作第一导电体2a和第二导电体2b，即第一导电体2a的内端和第二导电体2b的内端位于上壳体1、下壳体5内，而第一导电体2a外端及第二导电体2b外端从上壳体a、下壳体5内伸出作为两电极端子；所谓电极端子本领域技术人员公知，即为该熔断器作为与外界电路的连接端。第一导电体2a的内端与第二导电体2b的内端之间即为间隙，电阻条3焊接于该间隙内。
由于第一导电体2a和第二导电体2b之间由于具有较小的间隙，可能会由于大电流在间隙之间形成电弧，因此优选在在上壳体1和下壳体5之间还填充有灭弧介质。可在导电体因过热断开的瞬间起到灭弧作用。所述的灭弧介质优选石英砂。
优选地，上壳体1、两导电片2及下壳体5之间通过铆钉7铆接连接。
优选地，在上壳体1和/或下壳体5内表面上设置有密封槽a，该密封槽a内填充密封物质。这样起到完全的密封作用。
实施例1
下面将通过结合附图的方式进一步详细本实用新型。
本例中熔断器，如图2、图3、图4所示，包括上壳体1、下壳体5、电阻条3、两弹簧顶针4、及两导电体2；所述两导电体2位于上壳体1、下壳体5之间，导电体2包括内端和外端，内端位于上壳体1、下壳体5内，外端从上壳体1、下壳体5内伸出作为电极端子；为后续方便描述起见，两导电体2分别称为第一导电体2a和第二导电体2b。
两导电体2的内端之间具有间隙，电阻条3焊接于该间隙内使两导电体电连接。
如图9所示，弹簧顶针4包括固定端40和动作端41，两弹簧顶针4的固定端40固定于下壳体1或上壳体5上，两弹簧顶针4的动作端41分别与电阻条3的一端连接。
如图1、图5-图7所示，上壳体1和下壳体5装配形成外壳，两导电体2位于上壳体1和下壳体5之间，上壳体1和下壳体5之间形成腔体；腔体对两导电体2连接处的焊点起到保护作用，可以看到两导电体2(第一导电体2a和第二导电体2b)的一端位于上壳体1和下壳体5内，另一端则伸出上壳体1、下壳体5之间。两导电板2将上述腔体分割成两部分，第一导电体2a、电阻条3、第二导电体2b及上壳体1形成的腔体称作上腔体8，第一导电体2a、电阻条3、第二导电体2b及下壳体5形成的腔体称作下腔体9。如图1、图5可知，人们看到的外观则只有第一导电片2a和第二导电片2b的外端表露在上壳体1和下壳体5之外，其余构件均在上壳体1和下壳体5形成的腔体内。
上壳体1、下壳体5的材料为绝缘热塑性材料，如PP(聚丙烯)、PPO(聚苯醚)等，一般先通过注塑获得上壳体、下壳体注塑件，弹簧顶针4注塑在下壳体内。
如图2、图3、图4所示，本例中弹簧顶针4的固定端40安装在下壳体5上，下壳体5上具有两个弹簧顶针安装孔51，两弹簧顶针4的固定端40安装于该弹簧顶针安装孔51内，其连接端上设有槽，电阻条3的两端分别落入两弹簧顶针连接端41的槽内，装配简单，弹簧顶针4为机械领域常用的零件，为领域技术人员所公知，因此不多做描述。
如图2-图4所示，上壳体1、两导电体2及下壳体5之间通过铆钉7铆接连接。本例中采用四个铆钉7的方式，上壳体1上具有4个上壳铆钉孔10，下壳体5上具有4个下壳铆钉孔50，第一导电体2a和第二导电体2b上分别具有2个导电体铆钉孔20，4个铆钉7一一对应穿过上壳铆钉孔10、导电体上导电体铆钉孔20和下壳铆钉孔50，铆接固定，将上壳体1、两导电体2及下壳体5依次铆接连接。
为起到良好的密封作用，还在上壳体1和下壳体5的内表面上可设有密封槽a，该密封槽a内可填充密封物质，比如密封粘结剂(密封胶)，比如密封圈等，使腔体内防水、防潮。
同时，优选地，上壳体1、下壳体5侧面设有小台阶形对接结构b。可实现更好的密封效果。
本例中的导电体2为导电良好的紫铜板，设计额定过流能力为300A，其整体尺寸为50*40*2，，也可采用其它导电性良好的金属材料，如铜合金、镍、铝等。
电阻条3可以采用紫铜、符合RoHs标准的铜合金、铝、镍等，本例中采用的电阻条为磷铜，尺寸为35*1.5*2。
如图4所示，本例中两导电体4内端互相靠近处收窄为窄部21，窄部21之间为间隙。该间隙宽度为0.3-1mm，长度10-15mm，焊点钎料一定的情况下，焊缝的长度与短路响应时间相关性最大，厚度与响应速度和焊点强度有关，而对于电动车来说，熔断时间要适中，太快容易造成误动作，太慢对电池有损伤，该设计熔断时间越快，焊点面积越小，宽度大，焊点强度越差，所以综合考虑焊缝的尺寸为长10-15mm、宽0.3-1mm，厚度与导电体厚度相同。
上壳体1、下壳体5之间形成的腔体内填充有灭弧介质(图中未示出)，用于消除两导电体之间产生的电弧，本例中的灭弧介质为石英砂。
本实用新型熔断器制作方法描述如下：
(1)按照设计尺寸制作导电体2和电阻条3。
(2)将导电体2和电阻条3采用夹具装配好，保证单侧焊缝6厚度及公差。
(3)采用钎料进行高频焊接，如锡银铜钎料、锡锑钎料等。
(4)打磨修平，以保证焊缝6厚方向上的一致性。
(5)在上壳体1、下壳体5需要密封处涂密封材料，将上下壳体1和导电体2装配在一起，下壳体1上注塑弹簧顶针，下壳体的弹簧顶针与电阻条配合装配。装配时弹簧顶针内弹簧预压使其与电阻条的两端具有弹性，危险时，弹簧顶针才会有动作将电阻条弹开。
(6)采用空心铆钉7将上壳体1、下壳体5、导电体2铆接在一起。
(7)静置一段时间，从壳体预留孔(图中未示出)填充灭弧介质至整个腔体空间的80％左右，然后密封预留孔，完成制作过程。
本实用新型熔断器f可用于各种常见的过流、过热保护电路，可用于工业和电路保护领域，也可用于电动汽车动力电池的保护，比如，如图8所示，在电池模组间串联本实用新型熔断器f，将熔断器f固定在第一模组B1的侧面固定座上；再将熔断器f与第一模组B1连接在一起，可以采用激光焊接、钎焊等焊接方式或机械连接方式。最后调整第二模组B2的位置，将熔断器f采用相同的焊接或机械连接与第二模组B2连接起来，实现第一模组B1和第二模组B2之间的电导通和熔断器f的安装固定。为了节省空间，此种实施例为优选的安装方式，但不限于该种安装方式。
当第一模组B1和第二模组B2之间出现短路，通过该熔断器f的电流很大，钎料6温度在数秒内迅速上升，达到并超过钎料6的液相线，弹簧顶针4将电阻条3顶出间隙，弹簧顶针4呈图3所示的状态，熔断器f的断开，0.8-1.2mm的断开缝隙满足1000V的电压不被重新击穿导通，从而降低因模组间短路对电池造成的损伤、避免短路过程对人身和环境的潜在危险。
采用本实用新型技术方案，具有以下优点：
(1)内阻小，响应时间适中：
导电面积为80mm2和20-30mm2长度1.6-2.4mm的焊点，理论值在0.03毫欧，实际测得的值在0.05-0.06毫欧；1700A断开时间在15-30s，4500A熔断时间在0.5-1s之间，而单体短路电流就能4500A以上维10s以上，其短路能满足单体电池短路的要求，也一定能够满足模组、电池包级别的短路。
(2)可承受脉冲电流长时间冲击：
由于汽车应用地域的不同，在某些特殊地区，需要加入脉冲电流温度调节系统，由于脉冲电流的I*I*t值很大，大部分动力熔断器都不能满足要求。而该熔断器由于内阻较小，熔体体积较大，单脉冲条件小熔体瞬间温升小，在脉冲间歇时间可以将温度与导电体通过热传导达到基本温度平衡，因此可以承受脉冲电流循环冲击。
(3)有效避免电弧危害：
导电体和焊点被外壳封装起来，具有一定的密封性，内部有灭弧材料，避免了电弧产生的危害。
(4)具有过热护功能，制作工艺简单，装配方便，成本较低。
当由于电流或者外部温度过高，达到焊点熔点，熔断器也能够自动断开，起到保护电路的作用。其制作工艺简单、装配方便，材料成本较低，因此整体成本较低。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种新型熔断器，其特征在于：包括上壳体、下壳体、电阻条、两弹簧顶针、及两导电体；
所述两导电体位于上壳体、下壳体之间，导电体包括内端和外端，内端位于上壳体、下壳体内，外端从上壳体、下壳体内伸出作为电极端子；
两导电体的内端之间具有间隙，电阻条焊接于该间隙内使两导电体电连接；
所述弹簧顶针包括固定端和动作端，两弹簧顶针的固定端固定于下壳体或上壳体上，两弹簧顶针的动作端分别与电阻条的一端连接。
2.如权利要求1所述的新型熔断器，其特征在于：所述两导电体分别称为第一导电体和第二导电体。
3.如权利要求1所述的新型熔断器，其特征在于：在上壳体和下壳体之间还填充有灭弧介质。
4.如权利要求3所述的新型熔断器，其特征在于：所述灭弧介质为石英砂。
5.如权利要求1所述的新型熔断器，其特征在于：上壳体、两导电片及下壳体之间通过铆钉铆接连接。
6.如权利要求1所述的新型熔断器，其特征在于：上壳体和/或下壳体内表面上设置有密封槽，该密封槽内填充密封物质。
7.如权利要求1所述的新型熔断器，其特征在于：所述两导电体内端互相靠近处收窄为窄部，窄部之间为间隙。
8.如权利要求1所述的新型熔断器，其特征在于：所述导电体为紫铜板。
9.如权利要求1或7所述的新型熔断器，其特征在于：所述间隙宽度为2.0-3.5mm。
10.如权利要求1所述的新型熔断器，其特征在于：电阻条位于间隙内，电阻条的两边与两导电体的内端之间均存在焊缝，焊接时钎料填充于该焊缝内。
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