CN109314022B - 包含抗疲劳熔断器元件的高压电力熔断器 - Google Patents

Abstract

一种电力熔断器包含：壳体(202)；第一导电端子和第二导电端子(204、206)，其从所述壳体延伸；以及至少一个抗疲劳熔断器元件组合件(208)，其连接在所述第一端子与所述第二端子之间。所述熔断器元件组合件包含：至少第一导电板和第二导电板(302到310)，其分别连接所述第一导电端子和所述第二导电端子；以及多个单独设置的引线键合的弱点(312)，其将所述第一导电板和所述第二导电板互连。

Description

包含抗疲劳熔断器元件的高压电力熔断器

背景技术

本发明总体上涉及电路保护熔断器领域，并且更具体地涉及对包含抗热机械应变疲劳的可熔元件组合件的电力熔断器的制作。

熔断器广泛地作为过电流保护装置而用于防止对电路造成代价高昂的损坏。熔断器端子通常在电源(electrical power source或power supply)与布置在电路中的电气部件或部件组合之间形成电连接。一个或多个可熔链路或元件或熔断器元件组合件连接在熔断器端子之间，使得当流过熔断器的电流超过预定极限时，可熔元件熔化并且断开通过熔断器的一个或多个电路以防止电气部件损坏。

所谓的全范围电力熔断器可在高压配电系统中运行以便以相等的效率安全地中断相对高的故障电流和相对低的故障电流。鉴于电力系统的变化不断扩大，这种类型的已知熔断器在某些方面是不利的。期望改进全范围电力熔断器以满足市场需求。

附图说明

参考以下附图描述非限制性和非穷举性实施例，其中除非另有说明，否则相同的附图标记在各个附图中指代相同的部件。

图1示出了在示例性电力系统中生成的示例性瞬态电流脉冲曲线。

图2是可能经历图1所示的电流曲线的高压电力熔断器的俯视图。

图3是图2所示的电力熔断器的局部透视图。

图4是图3所示的熔断器元件组合件的放大视图。

图5示出了图4所示的熔断器元件组合件的一部分。

图6是处于疲劳状态的图5所示的熔断器元件的一部分的放大视图。

图7是处于第一制造阶段的抗疲劳熔断器元件组合件的顶部透视图。

图8是处于第二制造阶段的图7所示的抗疲劳熔断器元件组合件的顶部透视图。

图9是图8所示的熔断器元件组合件的局部截面视图。

图10是处于第三制造阶段的图8所示的抗疲劳熔断器元件组合件的顶部透视图。

图11是图10所示的熔断器元件组合件的局部截面视图。

图12是处于第一生产阶段的制造抗疲劳熔断器元件组合件的批量工艺的俯视图。

图13是处于第二生产阶段的制造抗疲劳熔断器元件组合件的批量工艺的俯视图。

图14是处于第三生产阶段的制造抗疲劳熔断器元件组合件的批量工艺的俯视图。

图15是处于第四生产阶段的制造抗疲劳熔断器元件组合件的批量工艺的俯视图。

图16是处于第五生产阶段的制造抗疲劳熔断器元件组合件的批量工艺的俯视图。

图17是通过图12到图16所示的工艺生产的完整的抗疲劳熔断器元件组合件的俯视图。

图18是包含如图17所示的熔断器元件组合件的电力熔断器的透视图。

具体实施方式

电动车辆技术和其它方面的最新进展给熔断器制造商带来了独特的挑战。电动车辆制造商正在寻求针对在比用于车辆的常规电力配电系统高得多的电压下运行的电力配电系统的可熔电路保护，同时寻求更小的熔断器以满足电动车辆的规格和要求。

用于常规的内燃机动力车辆的电力系统在相对低的电压——通常等于或低于约48VDC——下运行。然而，用于电动力车辆(electric-powered vehicle)，在本文被称为电动车辆(electric vehicle，EV)，的电力系统在高得多的电压下运行。EV的相对高电压系统(例如，200VDC及以上)通常使电池能够从电源储存更多能量并且向车辆的电动机提供更多能量，相比于和内燃机一起使用的储存12伏或24伏能量的常规电池以及更新的48伏电力系统，损耗(例如，热损耗)更低。

EV原始设备制造商(OEM)采用电路保护熔断器来保护纯电池电动车辆(BEV)、混合动力电动车辆(HEV)和插电式混合动力电动车辆(PHEV)中的电力负载。在每种EV类型中，EV制造商都在寻求最大化EV每次充电的续航里程，同时降低拥有成本。实现这些目的取决于EV系统的能量储存和电力输送，以及由电力系统承载的车辆部件的大小、体积和质量。较小和/或较轻的车辆将比较大和较重的车辆更有效地满足这些要求，并且因此现在正在仔细检查所有这种EV部件以寻求潜在的尺寸、重量和成本节省。

一般而言，较大的部件往往具有较高的相关联材料成本，往往增加EV的整体尺寸或在逐渐缩小的车辆体积中占据过多的空间量，并且往往引入更大的质量，所述更大的质量直接减少了每单次电池充电的车辆续航里程。然而，已知的高压电路保护熔断器是相对较大且相对较重的部件。从历史上看并且有充分的理由，电路保护熔断器的尺寸呈增大趋势以满足高压电力系统的需要，这与低压系统相反。因此，保护高压EV电力系统所需的现有熔断器远大于保护常规的内燃机动力车辆的低压电力系统所需的现有熔断器。在不牺牲电路保护性能的情况下，期望更小且更轻的高压电力熔断器以满足EV制造商的需求。

用于现有技术EV的电力系统可以在高达450VDC的电压下运行。增加的电力系统电压令人期望地在每次电池充电后向EV递送更多电力。然而，这种高压电力系统中的电熔断器的操作条件比较低电压系统严峻得多。具体地，与熔断器打开时的电弧放电条件相关的规范对于较高电压的电力系统来说可能尤其难以满足，特别是当对于减小电熔断器尺寸的行业偏好相结合时。由现有技术的EV施加在电力熔断器上的当前循环负载还往往施加机械应变和磨损，这可能导致常规熔断器元件的过早失效。虽然已知的电力熔断器目前可供EVOEM在现有技术EV应用的高压电路中使用，但是能够满足用于EV的高压电力系统的要求的常规电力熔断器的尺寸和重量，更不用说成本，对于在新EV中实施而言是不切实际的高。

提供相对较小的电力熔断器，所述电力熔断器能够有效地处理现有技术EV电力系统的高电流和高电池电压，同时仍然提供可接受的中断性能，因为熔断器元件在高电压下操作是至少具有挑战性的。熔断器制造商和EV制造商将各自受益于更小、更轻和更低成本的熔断器。虽然EV的创新引领了更小、更高电压熔断器所需的市场，但EV市场还远远不能满足人们对更小、更强大的电力系统的需求。毫无疑问，各种其它电源系统应用将受益于较小的熔断器，否则所述熔断器可提供与较大的常规制作的熔断器相当的性能。本领域长期和未实现的需求需要改进。

下文描述电路保护熔断器的示例性实施例，其解决了这些和其它困难。相对于已知的高压电力熔断器，示例性熔断器实施例有利地提供相对较小和较紧凑的物理封装尺寸，这反过来在EV中占据减小的物理体积或空间。同样相对于已知的熔断器，示例性熔断器实施例有利地提供相对较高的功率处理能力、较高的电压操作、全范围的时间-电流操作、较低的短路通过能量性能以及较长的寿命操作和可靠性。示例性熔断器实施例被设计和工程化以提供非常高的电流限制性能以及由于有害或过早的熔断器操作而具有长的使用寿命和高可靠性。方法方面将部分地明确讨论，并且部分地从下文的讨论中显而易见。

虽然在EV应用的背景下描述了熔断器的特定类型和额定值但是本发明的益处不一定限于EV应用或所描述的特定熔断器类型或额定值。相反，本发明的益处被认为更广泛地归于许多不同的电力系统应用，并且还可以部分或全部地实施以构造具有与本文所讨论的类似或不同的额定值的不同类型的熔断器。

图1示出了EV电力系统应用中的示例性电流驱动曲线100，所述电力系统应用可以使熔断器，特别是其中的熔断器元件或元件易受负载电流循环疲劳的影响。沿着图1中的垂直轴示出电流，沿水平轴示出时间。在典型的EV电力系统应用中，电力熔断器用作电路保护装置，以防止电气故障条件对电力负载的损害。考虑图1的实例，EV电力系统在相对短的时间段内容易受到电流负载的大的变化的影响。电流的变化产生由基于EV车辆的驾驶员的动作、交通状况和/或道路状况的看似随机的驾驶习惯产生的序列中的各种大小的电流脉冲。这在EV驱动电机、主驱动电池和系统中包含的任何保护性电力熔断器上创建了几乎无限多种电流负载循环。

这种在图1的电流脉冲轮廓中示例的随机电流负载条件对于EV的加速(对应于电池消耗)和EV的减速(对应于再生电池充电)本质上是循环的。这种电流循环负载通过焦耳效应加热过程在熔断器元件上施加热循环应力，更具体地在电力熔断器中的熔断器元件组合件的所谓弱点上施加热循环应力。熔断器元件的这种热循环负载尤其对熔断器元件弱点施加机械膨胀和收缩循环。熔断器元件弱点的这种重复的机械循环负载施加累积应变，所述累积应变将弱点破坏，使其及时断裂。出于本说明书的目的，这种热-机械过程和现象在本文中被称为熔断器疲劳。如下文进一步解释的，熔断器疲劳主要归因于蠕变应变，因为熔断器承受驱动轮廓。熔断器元件弱点中生成的热量是导致熔断器疲劳开始的主要机制。

图2到图4是被设计成与EV电力系统一起使用的示例性高压电力熔断器200的各种视图。相对于常规构造的已知UL J类熔断器，熔断器200以小得多的包装尺寸提供相当的性能。

如图2所示，本发明的电力熔断器200包含壳体202，配置用于连接到线路和负载侧电路的端子叶片204、206，以及完成端子叶片204、206之间的电连接的熔断器元件组合件208。当经受预定电流条件时，熔断器元件组合件208的至少一部分熔化、分解或以其它方式在结构上失效并且打开端子叶片204、206之间的电路路径。因此，负载侧电路与线路侧电路电隔离，以在发生电气故障情况时保护负载侧电路部件和电路免受损坏。

在一个实例中，熔断器200被工程化以提供500VDC的额定电压和150A的额定电流。在所示的实例中熔断器200的尺寸，其中L_H是熔断器的壳体在其相对端之间的轴向长度，R_H是熔断器壳体的外半径，并且L_T是在壳体的相对侧上彼此相对的叶片端子的远端之间测量的熔断器的总长度，是已知的UL J类熔断器的对应尺寸的约50％，其在常规结构中提供相当的性能。另外，熔断器壳体202的半径约为常规UL J类熔断器半径的50％，其提供相当的性能，并且熔断器200的体积从常规UL J类熔断器的体积减小约87％，其在相同的额定值下提供相当的性能。因此，熔断器200提供显著的大小和体积减小，同时提供与熔断器相当的熔断器保护性能。熔断器200的大小和体积减小进一步通过减少其结构中相对于熔断器100使用的材料而有助于重量和成本节省。因此，并且由于其较小的尺寸，熔断器200对于EV电力系统应用是非常优选的。

在一个实例中，壳体202由本领域中已知的非导电材料制成，如在一个示例性实施例中的玻璃三聚氰胺。适合于壳体202的其它已知材料可以根据需要替代地用于其它实施例中。另外地，所示的壳体202通常是圆柱形或管状的，并且在所示的示例性实施例中沿着垂直于轴向长度尺寸L_H和L_R的轴线具有大致圆形的横截面。如果需要，壳体202可以替代地形成为另一种形状，然而，包含但不限于具有四个彼此正交布置的侧壁的矩形形状，并且因此具有正方形或矩形的横截面。如图所示的壳体202包含第一端210、第二端212以及接收和容纳熔断器元件组合件208的相对端210、212之间的内孔或通道。

在一些实施例中，如果需要，壳体202可以由导电材料制成，但是这需要绝缘垫圈等以将端子叶片204、206与壳体202电隔离。

端子叶片204、206分别从壳体202的每个相对端210、212沿相反的方向延伸，并且被布置成彼此以大致共面的关系延伸。在预期的实施例中，端子叶片204、206中的每一个可以由如铜或黄铜等导电材料制成。根据需要，其它已知的导电材料可以替代地用在其它实施例中以形成端子叶片204、206。如图3所示，端子叶片204、206中的每一个形成有孔214、216，并且孔214、216可以接收如螺栓(未示出)的紧固件以将熔断器200固定在EV中的适当位置，并且经由端子叶片204、206建立到电路导体的线路和负载侧电路连接。

虽然示出并且描述了用于熔断器200的示例性端子叶片204、206，但是在另外的和/或替代性实施例中，同样可以利用其它端子结构和布置。例如，在一些实施例中，孔214、216可以被认为是可选的，并且可以省略。可以提供刀片触点来代替如图所示的端子叶片，以及套圈端子或端盖，如本领域技术人员将理解的那样提供各种不同类型的端接选择。如果需要，端子叶片204、206还可以以间隔开并且大致平行的朝向布置，并且可以在不同于所示位置的位置处从壳体202突出。

如图3所见，其中壳体202被移除并且在图4的放大视图中，熔断器元件组合件208包含第一熔断器元件218和第二熔断器元件220，每个熔断器元件分别连接到设置在端板226、228上的端子接触块222、224。包含块222、224的端板226、228由如铜、黄铜或锌等导电材料制成，但是其它导电材料是已知的并且同样可以用在其它实施例中。可以使用已知技术建立熔断器元件218、210和端子接触块222、224的机械和电连接，包含但不限于焊接技术。

在各个实施例中，端板226、228可以形成为包含端子叶片204、206，或者端子叶片204、206可以单独设置和附接。在一些实施例中，端板226、228可以被认为是可选的，并且熔断器元件组合件208和端子叶片204、206之间的连接可以以另一种方式建立。

还示出了多个固定销230，其将端板226、228相对于壳体202固定就位。在一个实例中，固定销230可以由钢制成，虽然其它材料是已知的并且如果需要可以使用。在一些实施例中，销230可以被认为是可选的，并且可以省略以有利于其它机械连接特征。

电弧猝灭填充介质或材料232围绕熔断器元件组合件208。填充材料232可以通过端板226、228中的一个中的一个或多个填充开口引入到壳体202中，所述端板用塞子(现在示出)密封。在各个实施例中，塞子可以由钢、塑料或其它材料制成。在其它实施例中，一个填充孔或多个填充孔可以设置在其它位置，包含但不限于壳体202，以便于引入填充材料232。

在一个预期的实施例中，填充介质232由石英硅砂和硅酸钠粘合剂构成。石英砂在其松散压实状态下具有相对高的导热和吸收能力，但可以被硅化以提供改进的性能。例如，通过向砂中添加液体硅酸钠溶液然后干燥游离水，可以获得具有以下优点的硅酸盐填充材料232。

硅酸盐材料232产生硅酸钠与熔断器元件218和220、石英砂、熔断器壳体202、端板226和端板228以及端子接触块222、224的热传导结合。这种热结合允许从熔断器元件218、220到其周围环境，电路接口和导体的更高热传导。将硅酸钠应用于石英砂有助于将热能传导出并且远离熔断器元件218、220。

硅酸钠机械地将沙子结合到熔断器元件、端子和壳体管，从而增加了这些材料之间的热传导。通常，可以包含砂的填充材料仅与熔断器中的熔断器元件的导电部分进行点接触，而填充材料232的硅化砂与熔断器元件机械地结合。因此，通过硅化填充材料232可以实现更高效和更有效的热传导，这相对于提供相当性能的已知熔断器部分地促进了熔断器200的显著尺寸减小。

图4更详细地示出了熔断器元件组合件208。由于组合件208中的熔断器元件设计特征，电力熔断器200可以在更高的系统电压下操作，这进一步有助于减小熔断器200的尺寸。

如图4所示，每个熔断器元件218、220通常由导电材料条形成为由倾斜部分242、244连接的一系列共面部分240。熔断器元件218、220通常以基本相同的形状和几何形状形成，但在组合件208中相对于彼此反转。也就是说，所示实施例中的熔断器元件218、220以彼此镜像关系的方式布置。换句话说，熔断器元件218、220中的一个朝向正面朝上而另一个朝向正面朝下，从而产生相当紧凑和节省空间的结构。虽然示出了特定的熔断器元件几何形状和布置，但是在其它实施例中，其它类型的熔断器元件、熔断器元件几何形状和熔断器元件的布置也是可能的。在所有实施例中，熔断器元件218、220不需要彼此相同地形成。进一步地，在一些实施例中，可以使用单个熔断器元件。

在所示的示例性熔断器元件218、220中，倾斜部分242、244从平面部分240形成或弯曲出平面，并且倾斜部分242具有与倾斜部分244相等且相反的斜度。也就是说，在所示的实例中，倾斜部分242中的一个具有正斜率而倾斜部分244中的另一个具有负斜率。如图所示，倾斜部分242、244成对布置在平面部分240之间。端子接片246显示在熔断器元件218、220的任一相对端上，使得可以如上文所描述的建立到端板226、228的电连接。

在所示的实例中，平面部分240限定了多个减小的横截面区域241的部分，在本领域中称为弱点。在所示的实例中，弱点241由平面部分240中的孔限定。弱点241对应于相邻孔之间的部分240的最薄部分。当电流流过熔断器元件218、220时，弱点241处的减小的横截面积将经历热量集中，并且如果经历了特定的电流条件，则策略性地选择弱点241的横截面积以使熔断器元件218和熔断器元件220在弱点241的位置处打开。

当熔断器元件218、220运行时，设置在每个部分240中的多个部分240和多个弱点241便于电弧分割。在所示的实例中，熔断器元件218、220将在对应于部分240的三个位置处同时打开而不是在一个位置处打开。在所示的实例之后，在450VDC系统中，当熔断器元件以通过熔断器200打开电路操作时，电弧将在部分240的三个位置上分开，并且每个位置处的电弧将具有150VDC而不是450VDC的电弧电势。设置在每个部分240中的多个(例如，四个)弱点241进一步有效地在弱点241处划分电弧。电弧分割允许减少量的填充材料232，以及减小壳体202的半径，从而可以减小熔断器200的尺寸。

平面部分240之间的弯曲倾斜部分242、244仍然提供用于电弧燃烧的平坦长度，但是应该仔细选择弯曲角度以避免电弧可能在部分242、244相交的拐角处组合的可能性。弯曲的倾斜部分242、244还提供在端子接片246的远端与平行于平面部分240的方向之间测量的熔断器元件组合件208的有效较短的长度。较短的有效长度有利于减小熔断器200的壳体的轴向长度，否则如果熔断器元件不包含弯曲部分242、244则需要所述轴向长度。弯曲的倾斜部分242、244还通过使用中的当前循环操作提供制造疲劳和热膨胀疲劳的应力消除。

为了保持具有高功率处理和高电压操作方面的这种小型熔断器封装件，除了在填充物232中使用硅酸盐石英砂和上文所描述的形成的熔断器元件几何形状之外，还可以应用特殊元件处理。具体地，可以在熔断器元件218、220的端子接片246附近施加电弧阻挡或如RTV硅树脂或UV固化硅树脂等电弧屏障材料的应用。已经发现产生最高百分比的二氧化硅(硅土)的硅氧烷在端子接片246附近阻挡或减轻电弧回烧方面表现最佳。在端子接片246处的任何电弧是不希望的，并且因此电弧阻挡或阻挡材料250在所提供的位置处完全围绕熔断器元件218、220的整个横截面，从而防止电弧到达端子接片246。

通过在每个相应的熔断器元件218、220中采用两个熔断器元件熔化机构来实现全范围时间-电流操作。熔断器元件218中的一个熔化机构响应于高电流操作(或短路故障)，并且熔断器元件220中的一个熔化机构响应于低电流操作(或过载故障)。这样，熔断器元件218有时被称为短路熔断器元件，并且熔断器元件220有时被称为过载熔断器元件。

在预期的实施例中，过载熔断器元件220可以包含Metcalf效应(M效应)涂层(未示出)，其中纯锡(Sn)被施加到在此实例中由铜(Cu)制作的熔断器元件，其位于接近部分240中的一个的弱点。在过载加热期间，Sn和Cu一起扩散以试图形成共晶材料。结果是在预期的实施例中，较低的熔化温度介于Cu与Sn的熔化温度之间或约400℃。因此，过载熔断器元件220和包含M效应涂层的一个或多个部分240将响应于不会影响短路熔断器元件218的电流条件。虽然在预期的实施例中，M效应涂层可以施加到过载熔断器元件220中的三个部分240中的仅一个中的大约一半，但是如果需要，M效应涂层可以施加在部分240中的另外一个处。进一步地，M效应涂层可以仅作为斑点施加在另一个实施例中的弱点的位置处，而不是施加到远离弱点的可应用部分240的较大涂层。

通过减少短路熔断器元件218中的熔断器元件熔化横截面来实现较低的短路通过能量。由于增加的电阻和热量，这通常会降低额定载流量，从而对熔断器额定值产生负面影响。因为硅化砂填充材料232更有效地从熔断器元件218移除热量，所以所述硅化砂填充材料补偿了否则会导致的载流量损失。

将硅酸钠应用于石英砂还有助于将热能传导出并且远离熔断器元件弱点，并且减少机械应力和应变以减轻否则可能导致的负载电流循环疲劳。换句话说，硅化填料232通过降低熔断器元件在其弱点处的操作温度来减轻熔断器疲劳。硅酸钠机械地将沙子结合到熔断器元件、端子和壳体，从而增加了这些材料之间的热传导。在弱点中生成的热量较少，并且因此机械应变和熔断器疲劳的开始被延迟，但是在EV应用中，其中图1中所示的电流曲线被应用于如与短路或过载情况相反，由于疲劳引起的熔断器元件的熔断器故障已成为熔断器寿命的实际限制。

所描述的熔断器元件，如常规设计的熔断器利用金属冲压或冲压熔断器元件，已经发现对于包含上文所描述的循环电流负载类型的EV应用而言是不利的。无论是由铜或银或铜合金制作的这种冲压熔断器元件设计都不合需要地在熔断器元件弱点241上引入机械应变和应力，使得趋于导致更短的使用寿命。这种短的熔断器使用寿命表现为由于在弱点241处熔断器元件的机械疲劳导致的有损熔断器操作的形式。

如图5和图6所示，重复的高电流脉冲会引起晶界破坏导致金属疲劳，随后是熔断器元件218、220中的裂纹传播和失效。熔断器元件218、220的机械约束在冲压熔断器元件设计和制造中是固有的，不幸的是，已经发现在重复的负载电流循环期间促进了弱点241的平面内屈曲。这种平面内屈曲是金属晶界损坏的结果，其中在相邻金属晶粒之间发生分离或滑移。这种弱点241的屈曲随着时间的推移而发生并且随着更高的瞬态电流脉冲而加速并且更加明显。瞬态电流脉冲中的加热-冷却增量越大，机械影响越大，并且因此弱点241的平面内屈曲变形越大。

由瞬态电流脉冲的加热效应引起的金属的重复物理机械操纵反过来引起金属熔断器元件的晶粒结构的变化。这些机械操作有时被称为加工金属。金属的加工将导致晶界的强化，其中相邻的晶粒紧密地约束于相邻的晶粒。过度加工金属会导致晶界的破坏，其中晶粒滑过彼此并且导致所谓的滑移带或平面。晶粒之间的这种滑动和分离导致电阻的局部增加，这通过增加电流脉冲的加热效应来加速疲劳过程。滑带的形成是首先开始疲劳裂纹的地方。

发明人已经发现，冲压或冲压金属以形成熔断器元件218、220的制造方法在熔断器元件弱点241的所有冲压边缘上引起局部滑移带，因为形成弱点241的冲压过程是剪切和撕裂机械过程。所述撕裂过程对具有许多滑移区域的弱点241进行预应力。滑移带和疲劳裂纹与由于热效应描述的弯曲相结合，最终导致与电气故障状况无关的弱点241的过早结构失效。这种与电力系统中的有问题的电气状况无关的过早失效模式有时被称为熔断器的有害操作。由于一旦熔断器元件发生故障，连接到熔断器的电路在熔断器被更换之前不再工作，从EV制造商和消费者的角度来看，在EV电源系统中避免这种有害操作是非常需要的。实际上，鉴于对EV车辆和电力系统的兴趣增加，因此熔断器疲劳的影响被认为是车辆设计中的负质量关键(CTQ)属性。

因此，非常期望一种用于制作包含耐疲劳的弱点的熔断器元件的新设计方法。一种可能的方法是通过使用激光或水射流切割方法来消除冲压应力，以制作包含来自金属片的弱点的熔断器元件几何形状。可以组合激光和水射流切割方法，其中采用用于切割的激光功率，并且在制作包含期望数量的弱点的熔断器元件时采用水射流来冷却和去除碎屑。这些方法的优点是部分地通过如上文所描述的消除带有滑移带的弱点241的预应力。然而，这种制作方法将不会消除金属加工引起的疲劳和弱点241处的弯曲。因此，这种方法可以提供相对于冲压金属熔断器元件的延长的使用寿命，但是仍然会产生有害的熔断器操作并且需要其它解决方案。

图7到图11示出了包含线键合的弱点而不是常规的金属冲压弱点的抗疲劳熔断器元件组合件300的相应制作阶段。线键合的弱点消除了金属冲压熔断器元件常见的上文所描述的弱点的预应力和屈曲问题，并且因此避免了在呈现如图1所示的循环电流负载的相同操作条件下的上文所描述的有害操作。

图7示出了根据本发明示例性实施例的抗疲劳熔断器元件组合件300。熔断器元件组合件300包含一系列导电板302、304、306、308和310，以及互连板302、304、306、308和310的单独设置的线键合的弱点元件312。板302、304、306、308和310可以由如上文所描述的导电金属或合金制成。板302、304、306、308和310通常彼此以共面关系对齐，并且彼此略微间隔开，其中导电线粘合的弱点元件312延伸穿过板302、304、306、308和310中的相邻板之间的空间。

线键合的弱点元件312包含通过例如焊接、钎焊、焊缝或本领域已知的其它技术从相应的板302、304、306、308和310单独提供但机械地和电连接的线。如图9所见，每个线键合的弱点元件312可以包含连接到第一个板的第一端314、连接到第二个板的第二端316以及在第一端314和第二端316之间延伸的应变消除环部分318。第一端314和第二端316以大致平面的方式在每个相应的板上延伸，而应变消除环部分318在端部314、316之间以拱形形状延伸。在相应板的粘合位置之间包含应变消除环部分318减少了热机械循环的屈曲疲劳。

线键合的弱点元件312的线可以以细长的圆形或圆柱形形状或具有任何所需区域的恒定或均匀的横截面积的形式提供，以在板302、304、306、308和310之间限定任何所需数量的减小的横截面积的弱点，并且促进板302、304、306、308和310之间的可熔操作。线键合的弱点元件312的线还可以设置成具有矩形横截面区域或形状的扁平形状，有时称为线带材料。无论如何，使用线键合的弱点元件312消除了来自金属冲压过程的应力。包含应变消除部分318的线键合的弱点元件312与板302、304、306、308和310分开制作，以消除对形成几何形状的复杂熔断器元件的需要，否则需要从如上文所描述的熔断器元件218、220等单件式熔断器元件构造。

在一些实施例中，线键合的弱点元件312和板302、304、306、308和310可以由不同的材料和尺寸制作，使得线和板302、304、306、308和310的电阻是独立的。在预期的实施例中，用于线键合的弱点元件312的铝线与铜板302、304、306、308和310的组合被认为是有利的。铝的熔点约为660℃，比银低302℃并且比铜低425℃。铝的较低熔化温度相当于线键合的弱点元件312中的较低的短路通过能量(时间和峰值电流或I²t)。进一步地，铝电阻率为28.2nΩ·m(约为下文的比较表中所见的银的电阻率的1.8倍以在铝用于线键合的弱点元件312时实现增强的熔断器性能，而铜板302、304、306、308和310使元件电阻保持较低。

在另一个预期的实施例中，线键合的弱点元件312和铜板302、304、306、308和310中的银线为所有银冲压的熔断器元件提供了成本有效的替代方案，所述熔断器元件往往用于某些类型的限流熔断器。当然，进一步的变化是可能的。

无论用于线键合的弱点元件312和铜板302、304、306、308和310的材料如何，都可以在组合件300的制作中采用三种基本的线键合技术。线的热超声键合利用温度、超声波和低冲击力用于球和楔形附接方法。线的超声波键合利用超声波和低冲击力，并且仅使用楔形方法。线的热压键合利用温度和高冲击力，并且仅采用楔形方法。

在所示的示例性实施例中，在组合件300中示出了五个导电板302、304、306、308和310，所述导电板通过相邻板之间的十三个线键合的弱点元件312互连。因此，组合件300非常适合于在每个板之间在板302、304、306、308和310之间的四个位置中的每一个处具有跨十三个线键合的弱点元件312的电弧分割的高压EV电力系统应用，在组合件300中总共有五十二个线键合的弱点元件312。然而，在其它实施例中，可以替换地在相邻板之间使用不同数量的板302、304、306、308和310和/或多个线键合的弱点312。虽然示出了板302、304、306、308和310的示例性几何形状，但是其它几何形状也是可能的。而且，在所示的实例中，每个板302、304、306、308和310通常是平面的，而在另一个实施例中，板302、304、306、308和310可以包含以与上文所描述的熔断器元件218、220类似的方式向平面外弯曲的部分。

如图8和图9所示，熔断器元件组合件300还包含密封材料320，所述密封材料被施加到每个板的端部边缘并且封装线键合的弱点元件312的端部314、316。在预期的实施例中，密封材料312可以是如上文所描述的硅树脂等材料。密封材料320为组合件300提供气密密封和电弧屏障性能。气密密封避免了线键合连接时可能发生的腐蚀和电解问题，以及防止接头金属氧化，具有当如上文所描述的利用铝线用于线键合的弱点元件312时的特殊益处。当熔断器工作时，密封材料320还为AC电弧和DC电弧提供电弧猝灭屏障。

在另一个预期的实施例中，密封材料320可以替代地是焊料，所述焊料用于将线键合的弱点元件312的端部314、316连接到相应的板302、304、306、308和310。也就是说，在某些情况下，焊料可以有效地密封组合件中的线键合的弱点元件312的端部314、316。如果焊料是纯锡，那么当与铜线键合的弱点元件312一起使用时，所述焊料也可以变成密封和M点材料。然而，应该理解，M效应材料可以仍在其它实施例中根据需要独立地应用，并且不需要通过焊接材料来实现。

还预期的是，在一些实施例中，焊料和如硅树脂等电弧屏障材料可以组合地施加在线键合的弱点元件312的端部314、316上以共同限定密封材料320。也就是说，可以在焊料层上施加硅树脂层，其中焊料用作密封件并且硅树脂用作电弧猝灭材料和屏障。许多其它选择可以提供用于满足电力系统中的熔断器的不同规格的不同程度的密封和电弧屏障性能。

如图10和图11所示，还在密封材料320和线键合的弱点元件312的环部分318上提供如石砂的电弧猝灭介质322。与在所示示例性实施例中通常仅在相邻板上方延伸的密封材料320不同，电弧猝灭介质322在板的上方和下方延伸。电弧猝灭介质322提供若干功能，包含散热、电弧猝灭和线键合的弱点元件312的环部分318的机械支撑。石或硅砂为部分318线弱点提供机械支撑，并且石砂可以混合石英硅砂、硅酸钠和三聚氰胺粉末用于获得额外的电弧猝灭能力。

电弧猝灭介质322可以作为具有半固体稠度的化合物或溶液施加到熔断器元件组合件300，使得当从上方施加时，一部分电弧猝灭介质322渗透过板之间的开口并且接触板的底侧，同时完全围绕线键合的弱点312。然而，如图10和图11所示，电弧猝灭介质322不包围整个熔断器元件组合件。相反，并且如图10所见，板302、304、306、308和310的部分完全没有被线键合的熔断器元件312之间的电弧猝灭介质覆盖。电弧猝灭介质312的这种有针对性的使用不仅节省了成本，而且降低了包含熔断器元件组合件的熔断器的重量。

如上文针对熔断器元件218、220所讨论的，硅化介质可以结合到线键合的弱点312以改善熔断器元件组合件的热性能。随着熔断器响应于电气故障状态而打开，包含在电弧猝灭介质312中的三聚氰胺粉末生成电弧猝灭气体以进一步提高性能。

图12到图16示出了用于制作熔断器元件组合件300的批量生产过程的制作阶段。

如图12所示，如铜等导电金属的引线框架400由金属片构成，所述金属片冲压有多个矩形开口402和细长槽404，如图所示。

如图13所示，线键合的弱点312的列跨引线框架400上的细长槽404中的期望槽连接，如图所示。可以采用上文所描述的任何技术来连接线键合的弱点312。

如图14所示，分配并且施加密封材料柱320覆盖引线框架400上的线键合的弱点312，如图所示。线键合接头的密封材料320产生气密密封以防止或减少否则可能发生的氧化和腐蚀，以及当熔断器操作或打开时提供电弧猝灭屏障。

如图15所示，将电弧猝灭介质322的柱分配并且施加在引线框架400上的密封材料320上，如图所示。

如图16所示，引线框架400被冲压以通过去除孔402之间的金属材料来分割熔断器组合件300(图12到图15)。在所示的实例中，在引线框架400上执行的批处理中形成十五个熔断器元件组合件300。

图17示出了完成的熔断器元件组合件300，其准备好用于制作熔断器。图18示出了熔断器500，其包含壳体202内的丝束熔断器元件组合件300和上文所描述的元件204、206、224、226和228。与熔断器300一样，熔断器500可以被工程化以提供适用于EV电源系统的500V、150A额定熔断器，并且能够承受图1的驱动轮廓而不会像上文所描述的熔断器200那样由于疲劳而产生有害操作。熔断器500还可以被制作成具有与所描述的熔断器200类似的尺寸，从而为EV电力系统应用提供大小减小50％的高压电源熔断器。

现在认为已经结合所公开的示例性实施例充分说明了本发明的益处和优点。

已经公开了一种电力熔断器的实施例，其包含：壳体；第一导电端子和第二导电端子，其从所述壳体延伸；以及至少一个抗疲劳熔断器元件组合件，其连接在所述第一端子与所述第二端子之间。所述熔断器元件组合件包含至少第一导电板和第二导电板，其分别连接第一导电端子和第二导电端子；以及多个单独设置的线键合的弱点，其将所述第一导电板和所述第二导电板互连。

任选地，所述第一导电板和所述第二导电板可以由第一导电材料制成，并且所述线键合的弱点可以由不同于所述第一导电材料的第二导电材料制成。所述第一导电材料可以是铜，并且所述第二导电材料可以是铝。可替代地，所述第二导电材料可以是银。

所述电力熔断器还可以任选地包含密封元件，所述密封元件覆盖所述线键合的弱点的、连接到所述相应的第一导电板和所述第二导电板的相应端部。所述密封元件可以是焊料、M点材料或电弧屏障材料中的至少一种。电弧猝灭介质还可以覆盖所述密封元件。所述电弧猝灭介质可以是硅酸盐砂或石头，并且还可以包含三聚氰胺粉末。所述第一导电板和所述第二导电板的部分可能未被所述电弧猝灭介质覆盖。

所述至少一个抗疲劳熔断器元件组合件可以包含两个抗疲劳熔断器元件组合件，每个抗疲劳熔断器元件组合件具有至少第一导电板和第二导电板，以及多个线键合的弱点，其将所述第一导电板和所述第二导电板互连。所述熔断器可以具有至少500V的额定电压。所述熔断器可以具有至少150A的额定电流。所述第一导电端子和所述第二导电端子包含第一端子叶片和第二端子叶片。所述壳体可以是圆柱形的。

所述至少第一导电板和所述第二导电板可以包含五个导电板，其中所述多个线键合的弱点在所述五个导电板中的相应导电板之间延伸。所述多个线键合的弱点中的每一个可以包含应变消除环部分。所述多个线键合的弱点可以包含十三个线键合的弱点。所述多个线键合的弱点各自包含圆形线。所述第一导电板和所述第二导电板可以以共面关系布置，并且所述多个线键合的弱点可以延伸出所述第一导电板和所述第二导电板的平面之外。

所写的本说明书使用示例来披露本发明，包含最佳模式，并且还能够使本领域的任何技术人员实践本发明，包含制造和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本发明的可取得专利权的范围由权利要求书限定，并且可以包含本领域的技术人员想到的其它实例。如果这种其它示例具有与权利要求书中的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的中的字面语言无实质不同的等效结构元件，则它们预期在权利要求书范围内。

Claims (14)

1.一种紧凑电力熔断器，其包括：

壳体；

第一导电端子和第二导电端子，其从所述壳体延伸；以及

熔断器元件组合件，其容纳在所述壳体中，且连接在所述第一导电端子与所述第二导电端子之间；

所述熔断器元件组合件被制造成解决由机械疲劳引起的预期的有害操作，所述机械疲劳归因于与看似随机的电流负载循环相关的热循环应力，借助于至少一个预制的抗疲劳组合件，所述负载电流循环在电动车辆的操作电源系统中不会出现短路或过载情况，所述至少一个预制的抗疲劳组合件包括：

彼此以共面关系布置的至少第一导电板和第二导电板；

多个线键合的弱点，其将所述第一导电板和所述第二导电板互连，所述多个线键合的弱点的每一个彼此单独设置，并且具有连接至所述第一导电板的第一端和连接至所述第二导电板的第二端；

密封元件，其包括电弧屏障材料且仅覆盖所述多个线键合的弱点的、连接到相应的第一导电板和第二导电板的相应末端，所述密封元件不覆盖所述多个线键合的弱点的大部分；以及

覆盖所述密封元件的电弧猝灭介质；

其中，所述电力熔断器被设计以提供至少150A的额定电流。

2.根据权利要求1所述的电力熔断器，其中所述第一导电板和所述第二导电板都由第一导电材料制成，并且其中所述多个线键合的弱点由不同于所述第一导电材料的第二导电材料制成。

3.根据权利要求2所述的电力熔断器，其中所述第一导电材料是铜。

4.根据权利要求3所述的电力熔断器，其中所述第二导电材料是铝或银中的一种。

5.根据权利要求1所述的电力熔断器，其中所述密封元件还包括焊料或M点材料。

6.根据权利要求1所述的电力熔断器，其中所述电弧猝灭介质机械地支撑所述线键合的弱点。

7.根据权利要求6所述的电力熔断器，其中所述电弧猝灭介质包含硅酸盐砂或石。

8.根据权利要求6所述的电力熔断器，其中所述电弧猝灭介质包含三聚氰胺粉末。

9.根据权利要求6所述的电力熔断器，其中所述电弧猝灭介质还覆盖所述第一导电板和第二导电板的与所述密封元件相对的部分以及所述多个线键合的弱点，使得所述电弧猝灭介质在所述第一导电板和第二导电板的部分的上方和下方延伸，所述多个线键合的弱点形成一行或多行，且所述电弧猝灭介质不覆盖所述一行或多行线键合的弱点之间的所述第一导电板和所述第二导电板的部分。

10.根据权利要求1所述的电力熔断器，其中所述至少一个预制的抗疲劳组合件包含第一和第二预制的抗疲劳组合件，第一和第二预制的抗疲劳组合件的每个直接连接到所述第一导电端子和所述第二导电端子且在所述第一导电端子和所述第二导电端子之间，因此所述第一和第二预制的抗疲劳组合件在所述壳体内部彼此并联电连接。

11.根据权利要求1所述的电力熔断器，其中所述电力熔断器被设计以提供至少500V的额定电压。

12.根据权利要求1所述的电力熔断器，其中所述预制的抗疲劳组合件中的至少第一导电板和所述第二导电板包括五个导电板，其中相应的多个线键合的弱点在所述五个导电板中的相邻导电板之间延伸。

13.根据权利要求1所述的电力熔断器，其中所述多个线键合的弱点中的每一个包含应变消除环部分。

14.根据权利要求1所述的电力熔断器，其中所述多个线键合的弱点包括多个圆形线。

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