CN117133612A - 一种加快中倍率过流熔断速度的熔断器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种加快中倍率过流熔断速度的熔断器，一种加快中倍率过流熔断速度的熔断器，其特征在于：包括第一端子、第二端子及在第一端子和第二端子之间并联连接的第一载流装置和第二载流装置；所述第一载流装置包括至少一条连接第一端子和第二端子的第一熔体；所述第二载流装置包括至少一条连接第一端子和第二端子的中倍率快熔支路；所述中倍率快熔支路包括串联的第二熔体和断开装置，所述断开装置在中倍率过流时先于所述第一熔体、所述第二熔体断开。本发明的熔断器，采用第一载流分断装置和第二载流分断装置结合，在保证熔断器的最大分断能力的同时，实现中倍率过流时的快速熔断，防止持续过电流导致后端设施的损坏。

Description

一种加快中倍率过流熔断速度的熔断器

技术领域

本发明涉及熔断器领域，尤其涉及一种加快中倍率过流熔断速度的熔断器。

背景技术

目前锂电池行业主要采用继电器和熔断器的搭配组合进行保护，出现大电流短路时，由熔断器进行过流熔断保护；非电流异常主要依靠检测信号，通过电池管理系统判定后，触发继电器断开异常回路。但现有的锂电池系统在选择熔断器时，需考虑大电流充放电的温升需求及大容量输出时的脉冲电流问题，熔断器的规格一般都选择偏大，例如，选择短路保护电流大于3kA，在出现小于5倍额定电流的电流时，熔断器无法及时动作，导致后端电路板或锂电池的损坏。

现有熔断器经常性出现异常过流的提前熔断现象，主要在于选定规格选定偏小，但规格选大后，在中倍率的过流状态下，熔断器无法及时保护。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的是提供一种加快中倍率过流熔断速度的熔断器，在中倍率的过流状态下，熔断器能及时熔断提供断路保护。

为实现上述目的，本发明提供了一种加快中倍率过流熔断速度的熔断器，包括第一端子、第二端子及在第一端子和第二端子之间并联连接的第一载流装置和第二载流装置；

所述第一载流装置包括至少一条连接第一端子和第二端子的第一熔体；

所述第二载流装置包括至少一条连接第一端子和第二端子的中倍率快熔支路；

所述中倍率快熔支路包括串联的第二熔体和断开装置，所述断开装置在中倍率过流时先于所述第一熔体、所述第二熔体断开。

进一步的，所述第一熔体、第二熔体为熔丝或带有狭径的熔片。

进一步的，所述第一熔体和所述第二熔体为铜、银、铝或铜基合金、银基合金、铝基合金或铜银复合材料中的一种。

进一步的，所述第一熔体为铜、银、铝或铜基合金、银基合金、铝基合金或铜银复合材料中的一种；所述第二熔体为镍。

进一步的，所述断开装置包括低熔点金属。

进一步的，所述断开装置还包括助熔断剂，所述助熔断剂涂覆在低熔点金属表面。

进一步的，所述断开装置还包括加热装置，所述加热装置在所述中倍率过流时启动，从而主动对所述低熔点金属加热以加快熔断所述低熔点金属。

进一步的，所述低熔点金属的熔点范围为70℃～450℃。

进一步的，所述断开装置还包括机械冲断装置，所述机械冲断装置临近所述低熔点金属设置，所述机械冲断装置在中倍率过流时启动，从而主动切断所述低熔点金属。

进一步的，所述机械冲断装置为弹力分断机构，所述弹力分断机构的活动端和所述低熔点金属抵触并呈蓄能状态，用于切断过流软化状态的低熔点金属。

进一步的，所述机械冲断装置为烟火爆炸切断机构，所述烟火爆炸切断机构的切刀设置于所述低熔点金属一侧，所述烟火爆炸切断机构在中倍率过流时启动，从而主动切断所述低熔点金属。

进一步的，所述断开装置包括导体和机械冲断装置；所述导体和所述第二熔体串联，并设置有用于机械冲断的结构弱化点。

进一步的，所述机械冲断装置为烟火爆炸切断机构，所述烟火爆炸切断机构的切刀和所述导体抵触，所述烟火爆炸切断机构的控制回路在中倍率过流时启动，从而主动切断所述导体。

进一步的，所述第一载流装置的第一熔体和所述第二载流装置的中倍率快熔支路的承载电流比的范围为5:1～1:5。

进一步的，所述熔断器还包括第一壳体、第一端盖、第二端盖、第一焊盘和第二焊盘；

所述第二载流装置和所述第一载流装置安装于所述第一壳体内；

所述第二载流装置和所述第一载流装置的两端分别焊接在所述第一焊盘和第二焊盘上；

所述第一端盖、第二端盖为所述熔断器的引出电极，所述第一端盖、第二端盖固定在所述第一壳体的两端，分别和所述第一焊盘、第二焊盘固定电连接。

进一步的，所述第一壳体设置有一T形腔，所述断开装置延伸至T形腔中间凸起部分。

本发明实现了如下技术效果：

本发明的熔断器，采用第一载流分断装置和第二载流分断装置结合，保证熔断器的最大分断能力与第二载流中无断开装置时的结构的分断能力一致；可以选择较大标称电流的熔断器来承担整机工作时有较大暂时大电流的能力的同时又实现中倍率过流时的快速熔断，防止持续过电流导致后端设施的损坏。

第二载流装置中的断开装置在断开时刻的端电压仅为第一载流装置的阻抗压降，基本不产生电弧，故设计结构时无灭弧需求及困难，只需考虑耐压达标即可，断开装置可以最小化设计。

附图说明

图1是本发明的熔断器的原理框图；

图2是本发明第一实施例的电路图；

图3是本发明第一实施例的产品结构图；

图4是本发明第一实施例的产品结构剖视图；

图5是图4的局部放大图；

图6是本发明第一实施例的电流－时间熔断曲线；

图7是本发明第二实施例的电路图；

图8是本发明第二实施例的产品结构图；

图9是本发明第二实施例的电流－时间熔断曲线；

图10是本发明第三实施例的电路图；

图11是本发明第三实施例的产品结构图；

图12是本发明的第三实施例的产品结构剖视图；

图13是本发明采用弹力分断机构进行机械分断的结构示意图；

图14是本发明的采用烟火爆炸切断机构进行机械分断的结构示意图；

图15是采用烟火爆炸切断机构的熔断器的电流－时间熔断曲线。

其中：1－壳体；2－镍带；3－低熔点金属；4－焊盘；5－端盖；6－银带；7－石英砂；8－加热片；9－T形腔；10－弹力分断机构；11－烟火爆炸切断机构；30－温度保险丝；32－上盖；33－下盖；34－助熔断剂；80－加热装置；82－温度保险丝；83－上盖；84－支架；85－下盖；100－第一载流装置；101－第一熔体；200－第二载流装置；201－第二熔体；202－断开装置；2021－低熔点金属；2022－弹力分断机构；2023－导体；2024－烟火爆炸切断机构。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明给出了加快中倍率过流熔断速度的熔断器，包括第一端子P1、第二端子P2及在第一端子P1和第二端子P2之间并联连接的第一载流装置100和第二载流装置200；第一载流装置100包括至少一条连接第一端子和第二端子的第一熔体101；第二载流装置200包括至少一条连接第一端子P1和第二端子P2的中倍率快熔支路；所述中倍率快熔支路包括串联的第二熔体201和断开装置202，断开装置202在中倍率过流时先于所述第一熔体101、所述第二熔体201断开。

在具体实施过程中，可设置不同的断开装置202以实现熔断器在中倍率过流时的快速熔断。

实施例1

如图2到图6所示，本发明给出一种加快中倍率过流熔断速度的熔断器，在本实施例中，第一载流分断装置100的第一熔体101主要选用铜、银、铝或铜基合金、银基合金、铝基合金或铜银复合材料等材料，第二载流分断装置200中断开装置202为低熔点金属，第二熔体201可以选用铜、银、铝或铜基合金、银基合金、铝基合金或铜银复合材料等材料，更优的，第二熔体201选用镍带等高电阻温度系数材料串联而成。

在图2中，ATCO1、ATCO2为低熔点金属，第二熔体201为镍带，ATCO1、和熔体201，及ATCO2和熔体201组成第二载流分断装置的两条支路；两个第一熔体101组成第一载流分断装置的两条支路。P1、P2为熔断器的引出端。

银/铜/银铜复合材料作为常规熔断器的熔体，其熔点高(铜为1083℃，银为960℃)，电导率高，制成熔体后与相同尺寸的其他低熔点熔体材料相比，额定电流大，电阻低以及功耗低，容易满足高分断电流能力的要求。根据载流的需求设定不同数量熔体的并联结构，形成第一载流分断装置。

第二载流分断装置的第二熔体优选为镍带，主要利用镍的高电阻温度系数在过流时的温升特性，与低熔点金属的低温熔断特性结合，形成中倍率过流时的快熔装置，可在保证低倍率及高倍率过流熔断需求时，加快了中倍率过流时的响应时间。镍的电阻温度系数在6900ppm/℃左右，银/铜的电阻温度系数在4000ppm/℃左右，在过流状态下，镍由于自身电阻率发热，温度提升，其自身电阻也会随之增加，其变化幅度大于银/铜材质。低熔点金属为熔点70℃～450℃的金属及其合金，通常由Bi、Sn、Pb、In等低熔点金属元素组成。在低倍率过流时，由于温升小，镍带的温升叠加不明显，其熔断时间与常规熔断器相当；在中倍率过流时，镍带的温升进入跃变区，镍带快速升温，热量传递给低熔点金属，低熔点金属熔断，电流成倍率加载于第一载流分断装置，第一载流分断装置快速熔断，整体实现安全切断；在高倍率过流时，镍带的温升响应速率来不及作用于低熔点金属，更多地是由低熔点金属的低熔点特性及内电阻作用达成，电流上升，低熔点金属由于内电阻发热，由于低熔点，低熔点金属可快速切断，其响应时间与第一载流分断装置相当。在本应用中，优选的低熔点金属的熔点范围为100℃～250℃。

利用高电阻温度系数材料结合低熔点金属材料，将中倍率过流的高电阻温度系数的材料温升，作为低熔点金属的熔化热量，使中倍率快熔支路熔断，进而使载流分断载流成倍率承载电流，使其熔断响应时间缩短。在中倍率过流时，可提前响应，防止持续过电流导致后端设施的损坏。

本实施例中，第一载流分断装置设置了两组载流分断支路。银带6作为第一载流分断装置的第一熔体(图2中第一熔体101)，连接于两端盖5之间。在具体应用中，可根据载流需求设置不同数量或截面积的第一熔体进行并联，以作为第一载流分断装置。

在本实施例中，第二载流分断装置设置有两组中倍率快熔支路。中倍率快熔支路由串联的镍带2(对应图2中的第二熔体201)和低熔点金属3(对应图2中的ATCO1、ATCO2)组成。

如图3、图5所示，低熔点金属3表面涂覆有助熔断剂34，并通过上盖32、下盖33封装在一起，形成温度保险丝30。

在本实施例中，低熔点金属3的两端分别和两段镍带2连接，两段镍带2的另一端分别连接到两焊盘4上。在具体应用中，低熔点金属3也可以和一段镍带2连接形成。

在具体应用中，可根据载流需求设置不同数量或截面积的镍带2及温度保险丝30，作为第二载流分断装置。

第一载流分断装置与第二载流分断装置通过点焊的方式焊接在焊盘4上，形成并联的整体，然后装入壳体1内。壳体1采用陶瓷等高强度耐压绝缘材料。壳体1的两端设置有端盖5，端盖5和焊盘4可通过螺钉、点焊等方式固定连接，从而将熔断器的电极引出。

为保证第一载流分断装置和第二载流分断装置熔断正常，防止出现异常飞弧，在壳体1内，第一熔体和第二熔体的周边还填充有石英砂7。

镍的电阻温度系数在6900ppm/℃左右，银/铜的电阻温度系数在4000ppm/℃左右，在过流状态下，镍由于自身电阻率发热，温度提升，其自身电阻也会随之增加，其变化幅度大于银/铜材质。低熔点金属为熔点70℃～450℃的金属及其合金，通常由Bi、Sn、Pb、In等低熔点金属元素组成。

本实施例的电流－时间熔断曲线如图6所示，曲线1为常规银带作为熔体的熔断曲线，在规格选大后，满足了低倍率的过电流载流需求，对于中倍率的过电流，弧前响应时间也会整体延迟，会导致后端设施由于持续过电流出现损坏。曲线2为本实施例的400A的电流－时间熔断曲线示例，在低倍率过流时，小于1.2kA时，由于温升小，镍带的温升叠加不明显，其熔断时间与常规熔断器相当；在中倍率过流时，1kA～10kA之间，镍带的温升进入跃变区，镍带快速升温，热量传递给低熔点金属，低熔点金属熔断，电流成倍率加载于第一载流分断装置，第一载流分断装置快速熔断，整体实现安全切断；在高倍率过流时，高于10kA，镍带的温升响应速率来不及作用于低熔点金属，更多地是由低熔点金属的低熔点特性及内电阻作用达成，电流上升，低熔点金属由于内电阻发热，由于低熔点，低熔点金属可快速切断，其响应时间与第一载流分断装置相当。

综上所述，本实施例中的熔断器采用第一载流分断装置和第二载流分断装置结合，具有如下技术效果：

1、第二载流装置中的断开装置在断开时刻的端电压仅为第一载流装置的阻抗压降，基本不产生电弧，故设计结构时无灭弧需求及困难，只需考虑耐压达标即可，断开装置可以最小化设计。

2、保证熔断器的最大分断能力与第二载流中无断开装置时的结构的分断能力一致。

3、可以选择较大标称电流的熔断器来承担整机工作时有较大暂时大电流的能力的同时又实现中倍率过流时的快速熔断，防止持续过电流导致后端设施的损坏。

实施例2

如图7所示，在实施例1的基础上，熔断器还可以增加自我热保护的加热器PTC，配合过流检测、过压检测的检测信号，实现受控功能。当系统检测到过电流信号时，触发导通加热器回路，加热器PTC开始工作发热，将热量提供给ATCO1、ATCO2，ATCO1、ATCO2受热熔断，即第二载流分断装置断开，电流成倍率加载于第一载流分断装置100上，第一熔体101的温升提高，快速切断回路，同时加热器PTC持续工作，ATCO3受热熔断，切断加热器回路，停止工作。

图8给出了一个和图7对应的产品实施例。其中，加热器PTC对应加热片8；第一熔体101对应银带6；ATCO1、ATCO2对应低熔点金属3；ATCO3对应为温度保险丝82。

在本实施例中，加热装置80由串联的加热片8和温度保险丝82组成，并通过上盖83、下盖85和支架84和两个支路的低熔点金属3封装在一起。温度保险丝82持续工作在中倍率电流时升温熔断，从而避免在熔断器熔断后，加热装置80还持续工作。

具体的，加热片8设置于第二载流分断装置的两个低熔点金属3之间，并通过支架84进行固定，同时，两支路的低熔点金属3通过上盖83、下盖85和支架84固定在加热片8的两面，从而保证加热片8均匀地给两支路的低熔点金属3进行受控加热，使两支路的低熔点金属3熔断，进而使电流成倍率加载于第一载流分断装置，使第一载流分断装置快速熔断，整体实现安全切断。

本实施例的电流－时间熔断曲线如图9所示，其中，曲线1为常规银带作为熔体的熔断曲线；曲线2为本实施例的400A的电流－时间熔断曲线示例，第一个拐点(左边的拐点)表示加热装置在较低电流启动，保护响应时间较低熔点金属被动熔断缩短，第二个拐点(右边的拐点)表示在较大电流启动，保护响应时间进一步缩短；虚线的两个拐点表示分断的启动电流大小不同，启动电流大的，响应分断速度更快，响应分断时间更短。在低倍率过流时，小于1.2kA时，由于温升小，镍带的温升叠加不明显，其熔断时间与常规熔断器相当；在中倍率过流时，1kA～10kA之间，直接通过加热器进行加热，使低熔点金属熔断，电流成倍率加载于第一载流分断装置，第一载流分断装置快速熔断，整体实现安全切断；在高倍率过流时，高于10kA，镍带的温升响应速率及加热器加热来不及作用于低熔点金属，更多地是由低熔点金属的低熔点特性及内电阻作用达成，电流上升，低熔点金属由于内电阻发热，由于低熔点，低熔点金属可快速切断，其响应时间与第一载流分断装置相当。

在具体实施中，可通过调整支路的数量或熔体的线径以调节各载流分断支路的承载电流的分配。优选的，第一载流分断装置的载流分断支路和第二载流分断装置的中倍率快熔支路的承载电流比一般设置为5：1到1：5之间。优选值包括3:1、2:1、1:1、1：2和1:3等。

实施例3

如图10到图12所示，熔断器的壳体1可设置一个T形腔9，从而将第二载流分断装置的温度保险丝30或低熔点金属3延伸至T形腔中间的凸起部分。在该结构中，温度保险丝30和其他熔体保持一定距离，其熔断不受或较少受到其他熔体温升的影响，并可提供足够的结构空间以设置机械冲断装置。

为实现第二载流分断装置的快速分断，可以采用机械冲断装置进行机械冲断。

实施例4

在本实施例中，断开装置包括低熔点金属2021和作为机械冲断装置的弹力分断机构2022，如图13所示。在本实施例中，将弹力分断机构2022的一端进行固定(如固定在壳体上)，另一端和低熔点金属2021抵触，使整个弹力分断机构处于蓄能状态。当低熔点金属受热软化结构强度下降时，其结构强度无法承受弹力分断机构施加的弹力，因此弹力分断机构释放蓄能，分断低熔点金属。在分断后，在断点处形成足够的安全间距和电气绝缘强度。

实施例5

在本实施例中，断开装置包括导体2023和作为机械冲断装置的烟火爆炸切断机构2024，如图14所示。烟火爆炸切断机构常用于断路器中。断路器的主回路电极上设置有狭径等方式结构弱化点，烟火爆炸切断机构在接受指令后动作冲断所述结构弱化点。烟火爆炸切断机构包括活塞和点火装置等组件，在烟火爆炸切断机构接受指令动作时，活塞在爆炸气流推动下作用于狭径以分断主回路电极，并能保证断点具有足够的安全间距和电气绝缘强度。由于烟火爆炸切断机构2024的冲力大，分断能力强，导体2023可以采用设有狭径的铜带、铝带(在中倍率过流时不熔断)，也可以采用低熔点金属(可在中倍率过流时熔断)。同样的，低熔点金属也是回路上结构弱化点，当低熔点金属结构强度下降时，可在烟火爆炸切断机构2024动作时分断，并能保证在断点形成足够的安全间距和电气绝缘强度。本实施例的电流－时间熔断曲线如图15所示，其中，曲线1为常规银带作为熔体的熔断曲线，曲线2为采用烟火爆炸切断机构的电流－时间熔断曲线示例；第一个拐点(左边的拐点)表示烟火爆炸切断机构在较低电流启动，保护响应时间较低熔点金属被动熔断缩短，第二个拐点(右边的拐点)表示在较大电流启动，保护响应时间进一步缩短，且相对于实施例2中采用加热装置的技术方案，采用烟火爆炸切断机构的技术方案熔断速度更快，保护响应时间更短；虚线的两个拐点表示分断的启动电流大小不同，启动电流大的，响应分断速度更快，响应分断时间更短。

综上所述，上述实施例中的熔断器还具有技术效果：

1、当第二载流装置中的断开装置增加了烟火爆炸切断机构或加热装置时，可以实现定额过流保护的功能。

2、当第二载流装置中的断开装置增加了烟火爆炸切断机构或加热装置时，如果检测电路出现故障或者点火电压输入线或加热电流输入线意外断开时，熔断器仍具备基础的熔断器的功能，如过载保护断开及短路电流的最大能力安全分断。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (16)

1.一种加快中倍率过流熔断速度的熔断器，其特征在于：包括第一端子、第二端子及在第一端子和第二端子之间并联连接的第一载流装置和第二载流装置；

所述第一载流装置包括至少一条连接第一端子和第二端子的第一熔体；

所述第二载流装置包括至少一条连接第一端子和第二端子的中倍率快熔支路；

所述中倍率快熔支路包括串联的第二熔体和断开装置，所述断开装置在中倍率过流时先于所述第一熔体、所述第二熔体断开。

2.如权利要求1所述的加快中倍率过流熔断速度的熔断器，其特征在于：所述第一熔体、第二熔体为熔丝或带有狭径的熔片。

3.如权利要求2所述的加快中倍率过流熔断速度的熔断器，其特征在于：所述第一熔体和所述第二熔体为铜、银、铝或铜基合金、银基合金、铝基合金或铜银复合材料中的一种。

4.如权利要求2所述的加快中倍率过流熔断速度的熔断器，其特征在于：所述第一熔体为铜、银、铝或铜基合金、银基合金、铝基合金或铜银复合材料中的一种；所述第二熔体为镍。

5.如权利要求1所述的加快中倍率过流熔断速度的熔断器，其特征在于：所述断开装置包括低熔点金属。

6.如权利要求5所述的加快中倍率过流熔断速度的熔断器，其特征在于：所述断开装置还包括助熔断剂，所述助熔断剂涂覆在低熔点金属表面。

7.如权利要求6所述的加快中倍率过流熔断速度的熔断器，其特征在于：所述断开装置还包括加热装置，所述加热装置在所述中倍率过流时启动，从而主动对所述低熔点金属加热以加快熔断所述低熔点金属。

8.如权利要求5所述的加快中倍率过流熔断速度的熔断器，其特征在于：所述低熔点金属的熔点范围为70℃～450℃。

9.如权利要求5所述的加快中倍率过流熔断速度的熔断器，其特征在于：所述断开装置还包括机械冲断装置，所述机械冲断装置临近所述低熔点金属设置，所述机械冲断装置在中倍率过流时启动，从而主动切断所述低熔点金属。

10.如权利要求9所述的加快中倍率过流熔断速度的熔断器，其特征在于：所述机械冲断装置为弹力分断机构，所述弹力分断机构的活动端和所述低熔点金属抵触并呈蓄能状态，用于切断过流软化状态的低熔点金属。

11.如权利要求9所述的加快中倍率过流熔断速度的熔断器，其特征在于：所述机械冲断装置为烟火爆炸切断机构，所述烟火爆炸切断机构的切刀设置于所述低熔点金属一侧，所述烟火爆炸切断机构在中倍率过流时启动，从而主动切断所述低熔点金属。

12.如权利要求1所述的加快中倍率过流熔断速度的熔断器，其特征在于：所述断开装置包括导体和机械冲断装置；所述导体和所述第二熔体串联，并设置有用于机械冲断的结构弱化点。

13.如权利要求12所述的加快中倍率过流熔断速度的熔断器，其特征在于：所述机械冲断装置为烟火爆炸切断机构，所述烟火爆炸切断机构的切刀和所述导体抵触，所述烟火爆炸切断机构的控制回路在中倍率过流时启动，从而主动切断所述导体。

14.如权利要求1所述的加快中倍率过流熔断速度的熔断器，其特征在于：所述第一载流装置的第一熔体和所述第二载流装置的中倍率快熔支路的承载电流比的范围为5:1～1:5。

15.如权利要求1所述的加快中倍率过流熔断速度的熔断器，其特征在于：所述熔断器还包括第一壳体、第一端盖、第二端盖、第一焊盘和第二焊盘；

所述第二载流装置和所述第一载流装置安装于所述第一壳体内；

所述第二载流装置和所述第一载流装置的两端分别焊接在所述第一焊盘和第二焊盘上；

所述第一端盖、第二端盖为所述熔断器的引出电极，所述第一端盖、第二端盖固定在所述第一壳体的两端，分别和所述第一焊盘、第二焊盘固定电连接。

16.如权利要求15所述的加快中倍率过流熔断速度的熔断器，其特征在于：所述第一壳体设置有一T形腔，所述断开装置延伸至T形腔中间凸起部分。