CN213601829U - 一种分组断开的多断口激励熔断器及应用其的配电单元、储能设备或新能源汽车 - Google Patents

Abstract

一种分组断开的多断口激励熔断器，包括壳体，导电板、激励装置和打断装置，打断装置在激励装置驱动下可打断导电板；在导电板另一侧的空腔内设置有至少一个可切断导电板的切断结构；在位于壳体内的导电板上沿其长度方向间隔设置有两组断开薄弱处；在打断装置从第一组断开薄弱处断开导电板后至少形成一个可脱离原位置的断开导电板部分形成第一组断口，第二组断开薄弱处设置在所述断开导电板部分上；当断开导电板部分位移至所述切断结构处时，所述切断结构从第二组断开薄弱处断开断开导电板部分形成第二组断口；第一组断口至少包括两个断口，第二组断口至少包括一个断口。本发明的激励熔断器结构，可提高分断能力和灭弧能力。

Description

一种分组断开的多断口激励熔断器及应用其的配电单元、储 能设备或新能源汽车

技术领域

本发明涉及电力控制和电动汽车领域，尤其是指分组形成多断口的电流分断方法的激励熔断器。

背景技术

电路过电流保护的产品是基于流过熔断器电流产生的热量熔断的熔断器，存在主要的问题是热熔熔断器和负载匹配关系。例如在新能源车主回路保护情况，如果负载出现低倍数过载或短路的情况，选用低电流规格的熔断器不能满足电流短时间过冲的情况，如果选用高电流规格的熔断器不能满足快速保护的要求。在目前新能源车辆提供能量的锂电池包，在短路情况下输出电流大约是额定电流的几倍，熔断器保护时间不能满足要求，导致电池包发热起火燃烧。由于耐受电流发热和分断电流发热熔化，都源于流过熔断器的电流，此种采用电流的发热熔断的保护器件无法在具有较大额定电流或耐受较强的短时过载/冲击电流(例如电动汽车启动或爬坡时的短时大电流)的条件下，达到一定幅值故障电流足够快的分断速度，或者在一定幅值故障电流足够快的保护速度条件下，实现较高额定电流，或耐受较大的过载/ 冲击电流而不损伤。

另外一个热熔熔断器存在的问题是不能和外部设备通讯，不能由除电流之外的其它信号触发，例如车辆ECU、BMS或者其它传感器等。如果车辆出现严重碰撞、泡水或者暴晒后电池温度过高等情况不能及时切断电路，则有可能导致电池包燃烧最终损毁车辆的严重事件发生。目前，市场上已经存在一种快速分断的切断开口结构，其主要包括气体发生装置、导电端子和导电端子掉落后的容置腔，气体发生装置产生高压气体带动打断装置冲断导电端子，断裂后导电端子向下掉落至容置腔中，实现电路快速断开的目的。

但是，其还存在有一些不足和缺陷:单个断口自身灭弧能力不足可分断较小的故障电流，难以分断较大的故障电流。电弧电流越大，越难以熄灭。所有的电弧都集中在一个断口上，电弧加热铜排及空气，容易自持，无法熄灭。分断过程中，电弧直接利用空气冷却，没有其他结构或机构辅助灭弧。单个断口目前普遍只能在电压500V及以下环境下工作，500V以上难以实现分断，因为电压越高越容易在断口间形成电弧，且电弧更容易自持。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种分组断开的多断口激励熔断器，可以提高分断能力的同时提高灭弧能力。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案一种分组断开的多断口激励熔断器，包括壳体，在壳体中开设有空腔，导电板穿设在所述壳体中，将空腔分为两部分，在导电板一侧空腔中依次设置有激励装置和打断装置，打断装置在激励装置驱动下可打断导电板；其特征在于在导电板另一侧的空腔内设置有至少一个可切断导电板的切断结构；在位于壳体内的导电板上沿其长度方向间隔设置有两组断开薄弱处；在所述打断装置从第一组断开薄弱处断开导电板后至少形成一个可脱离原位置的断开导电板部分形成第一组断口，第二组断开薄弱处设置在所述断开导电板部分上；当所述断开导电板部分位移至所述切断结构处时，所述切断结构从第二组断开薄弱处断开所述断开导电板部分形成第二组断口，所述第一组断口至少包括两个断口，所述第二组断口至少包括一个断口。

打断装置在激励装置驱动下，可先打断导电板上第一组断开薄弱处，再配合壳体内所述切断结构打断导电板上第二组断开薄弱处，在导电板上分组形成断口。

在打断装置位于导电板一侧的端面上，对应导电板第二组断开薄弱处，分别开设有空腔，所述空腔内设置有灭弧介质或灭弧结构。

当灭弧介质为气体、液体或固体颗粒状物质时，灭弧介质通过密封板密封于所述空腔内；当切断结构断开所述断开导电板部分上的第二组断开薄弱处后，所述切断结构可破开所述密封板。

所述灭弧结构为灭弧栅。

在所述断开导电板部分位移至所述切断结构处途经的壳体内壁上，设置有灭弧室，所述灭弧室内可设置固化的灭弧介质或者灭弧栅。

所述切断结构为凸棱。

所述断开薄弱处为降低导电板强度的凹槽、孔，及或集中应力的减小导电板宽度、及或比所述导电板材质强度低的材料的一种或多种组合。

在所述壳体中的导电板上连接有至少一根熔体。

所述熔体两端并联连接在导电板上，导电板上所有断开薄弱处位于所述熔体两端之间。

在壳体内，在位于最外侧的一个或两个断开薄弱处的外侧连接有所述熔体的一端，所述熔体另一端位于所述切断结构的外侧；当所述断开导电板部分位移至接近切断结构处未被断开时，所述断开导电板部分可与所述熔体位于所述切断结构外侧的一端连接。

在所述切断结构处设置有熔体；当所述断开导电板部分位移至接近切断结构处未被断开时，所述断开导电板部分位于其上断开薄弱处的两端可与所述熔体两端连接。

本发明的激励熔断器，采用在导电板上先后分组断开导电板，先后依次形成多组多个断口，通过多组延时形成的多个断口，实现灭弧和断开的可靠性，提高分断能力及灭弧能力。

附图说明

图1，不带灭弧介质的纵向剖面结构示意图。

图2，图1结构的第一组断口形成后结构示意图。

图3，图1结构的第二种断口形成后结构示意图。

图4，带灭弧介质的纵向剖面结构示意图。

图5，图4结构的第一组断口形成后结构示意图。

图6，图4结构的第二种断口形成后结构示意图。

图7，并联有熔体的导电板、熔体与凸棱间的结构示意图，图中F表示熔体。其中，共有ABCDE五种熔体并联方案的结构示意图。

图8，熔体与断开导电板部分连接后结构示意图，其中A为方案A，B为方案B；F代表熔体。

图9，方案A与方案B的电路原理图，其中，A为方案A，B为方案B；F代表熔体。

具体实施方式

针对上述技术方案，现举实施例并结合图示进行具体说明。本发明的熔断器，主要包括壳体、导电板、激励装置、打断装置；其中。

壳体，参看图1至图3，其可由上下组合的壳体或左右组合的壳体组合而成，在本实施例中为由上壳体101和下壳体105组合而成。在壳体中开设有型腔。导电板104穿设在上下壳体间，将壳体中的型腔分为两部分。在位于导电板一侧的型腔中依次设置有激励装置102和打断装置103。打断装置位于激励装置与导电板之间。激励装置通过型腔中的限位台阶和压板(未图示)固定。激励装置可接收来自外部的激励信号动作，对打断装置提供驱动力。当激励装置为气体发生装置时，打断装置与型腔为密封接触，一般通过打断装置与型腔过盈配合实现密封接触。通过气体发生装置起爆产生高压气体驱动打断装置位移。激励装置还可以是气缸、液压缸、电磁铁驱动等，均可根据接收到的外部激励信号动作。

打断装置通过限位机构(未图示)固定在型腔中，保证打断装置固定在初始位置处，不会在型腔内位移造成误动作。限位机构可以是在打断装置的外周上间隔设置有小凸块，在相对应的型腔内壁上开设有凹槽，将打断装置的凸块卡进凹槽中实现位置限定。该限位机构在打断装置受到来自激励装置的驱动力时，可在冲击下断开，解除限位作用。

导电板104，位于壳体内的导电板上间隔设置有至少三个断开薄弱处107。参看图1，壳体内的导电板呈梯形结构，在壳体内壁内侧处的导电板处分别开设有断开薄弱处，称为第一组断开薄弱处，在第一组断开薄弱处之间的导电板上间隔开设有两断开薄弱处，称为第二组断开薄弱处，两组共四个断开薄弱处。断开薄弱处设置的目的是降低导电板断开强度，使其受到冲击时更容易断开。断开薄弱处可以是减薄导电板厚度，或减小导电板宽度，比如，在导电板一面或两面开设U型槽、开V型槽、孔等；也可以采用降低导电板宽度结构在过渡区产生应力集中，如预留缝隙；或在断开薄弱处采用低强度导体材料替代导电板本体材料，如锡等；或采用机械力压紧及或固定的预制断口等等。

在打断装置位于导电板一侧的端面上，间隔设置有可打断壳体内位于导电板两端处的断开薄弱处的冲击头108，在两冲击头108间、相对应导电板断开薄弱处的相邻位置处分别开设有凸出端。在相邻两凸出端间保留有供导电板断开薄弱处全部断开的空腔。在打断装置的冲击端108打断导电板上的第一组断开薄弱处形成第一组至少两个断口后，打断装置的凸出端抵靠在断开导电板部分200的非断开薄弱处，迫使断开导电板部分200在壳体内位移。

在壳体底部，对应断开导电板部分200上的断开薄弱处设置有尖刃状的凸棱110。当打断装置迫使断开后的导电板部分运动至壳体底部时，配合凸棱110可断开断开导电板部分200 上的断开薄弱处，形成第二组断口，第二组断口包含至少一个断口。

当导电板上设置有多个断开薄弱处时，打断装置上的间隔设置的冲击头可以多个，凸棱也可以多个。以导电板上五个断开薄弱处为例，壳体内的导电板的两端各设置一个断开薄弱处，在这两个断开薄弱处间再间隔设置三个断开薄弱处，两端的断开薄弱处及位于最中间的断开薄弱处为第一组断开薄弱处，位于导电板两端的薄弱处及中间薄弱处间的另外两断开薄弱处为第二组断开薄弱处。打断装置上间隔设置有三个冲击头，分别与第一组断开薄弱处对应，切断结构上的凸棱设置为两个，分别与第二组断开薄弱处对应。当打断装置打断导电板后在导电板处形成第一组断口和两个脱离了导电板的断开导电板部分，在每个断开导电板部分上分别保留有一个未被断开的断开薄弱处；随着打断装置抵紧两个断开导电板部分运动至壳体底部的凸棱处，凸棱则断开断开导电板部分上的断开薄弱处形成第二组断口。

由以上可知，第一组断口包含有至少两个断口，第二组断口包含有至少一个断口。通过分组先后断开导电板，在导电板上形成多组不同时间断开的多个断口提高分断能力和灭弧能力。

为了更好的提高分断能力和灭弧能力，在打断装置的相邻两凸出端间的空腔处设置有灭弧介质或灭弧结构106。参看图4至图6，灭弧介质可以是气体、液体、固体颗粒状灭弧物质，灭弧结构为灭弧栅类结构或固体非颗粒状的灭弧物质。当灭弧介质为气体、液体或固体灭弧介质时，则需通过密封板将其进行密封。在尖刃状的凸棱断开导电板断开薄弱处后，凸棱可破开灭弧介质的密封板，使灭弧介质从破口处泄露覆盖断开薄弱处进行灭弧。在导电板壳体底部间的断开导电板部分200位移经过的壳体内壁上设置有灭弧结构112，该处灭弧结构为灭弧栅类的灭弧结构或者固化的非颗粒状的灭弧介质。在本实例中，均为灭弧栅结构。

上述结构的工作原理：激励装置接收到外部激励信号动作，给打断装置提供驱动力，驱动打断装置向导电板方向冲击位移，打断装置首先断开位于壳体内壁处的第一组断开薄弱处，形成第一组断口，第一组断口至少包括两个断口。使位于壳体内的导电板部分断开，此时，断开后脱离了位置处的断开导电板部分上还保留有至少一个未断开的断开薄弱处、即第二组断开薄弱处，图1中第二组断开薄弱处为两个未断开的断开薄弱处。随着断开导电板部分在打断装置迫使下向壳体底部运动直至壳体底部死点的过程中，断开导电板部分200上的第二组断开薄弱处在壳体底部凸棱的作用下断开，形成第二组断口，第二组断口至少包括一个断口。实现了导电板上多断口的分组断开。当灭弧介质为气体、液体或颗粒状固体时，凸棱在断开的第二组断口后还会破开灭弧介质的密封板，使灭弧介质倾泻于第二组断口处参与灭弧。

上述结构灭弧原理：

首先，断口处的电弧电阻远大于导电板的电阻。

在低倍数故障电流下，激励装置经外部激励信号触发后驱动打断装置打断导电板第一组断口，导电板第一组断口被打开后产生电弧，此时电弧串联在导电板断口间，总电阻相比第一组断口断开前增大，导电板两端电压不变，故障电流减小；打断装置继续向下运动与下壳内壁之间形成狭缝挤压电弧，运动过程中电弧又受到下壳内部灭弧室中灭弧介质的冷却，电弧电阻增大，故障电流进一步减小至难以持弧，电弧完全熄灭、故障电流被切断；打断装置继续运动与下壳体尖刃状的凸棱结构挤压导电板第一组断口中间的导体，导电板第一组断口中间的导体在薄弱处断开形成第二组断口，第二组断口断开形成了清洁的物理断口，增强断后绝缘性能。

在高倍数故障电流下，激励装置经外部激励信号触发后驱动打断装置打断导电板第一组断口，导电板第一组断口被断开后产生电弧，此时电弧串联在导电板断口间，总电阻相比第一组断口断开前增大，导电板两端电压不变，故障电流减小；打断装置继续向下运动与下壳内壁之间形成狭缝挤压电弧，运动过程中电弧又受到下壳内部灭弧室中灭弧介质的冷却，电弧电阻增大，故障电流进一步减小，由于为高倍数故障电流，即使故障电流进一步减小也仍能持弧；打断装置继续运动与下壳体尖刃状凸棱结构挤压导电板第一组断口中间的导体，导电板第一组断口中间的导体在薄弱处断开形成第二组断口。第二组断口处产生较小的电弧，随着打断装置与下壳配合挤压第二组断口间的电弧，电弧又受到打断装置下端凹槽内灭弧介质的冷却，弧电阻持续增大，故障电流减小至难以持弧，电弧完全熄灭、故障电流被切断。

为了进一步提高灭弧效果，在导电板上还设置有辅助用灭弧熔体111。

灭弧熔体设置方案A，参看图7，在导电板所有断开薄弱处的两侧的导电板分别与一灭弧熔体111的一端连接，灭弧熔体的另一端设置在所有凸棱的外侧的壳体底部上，在断开导电板部分200运动至壳体底部的尖刃状的凸棱前，断开导电板部分200的两端与灭弧熔体接触连接；随着打断装置继续运动，凸棱打断断开导电板部分200上的断开薄弱处，形成第二组断口。

灭弧熔体设置方案B，参看图7，在壳体底部凸棱两侧设置灭弧熔体111，灭弧熔体的两端略高于凸棱。随着第一组断口形成后，断开导电板部分200运动至壳体底部时，其两端先与熔体两端接触；随着断开导电板部分200继续位移被凸棱断开断开薄弱处形成第二组断口。

灭弧熔体设置方案C，参看图7，灭弧熔体的两端连接在导电板所有断开薄弱处的两外侧的导电板上，与导电板形成并联。在第一组断口形成后，电流流经熔体使其熔断进行灭弧，随后断开导电板部分200再次形成第二组断口。该方案中，断口包括了导电板的两组断口和灭弧熔体的断口。

灭弧熔体设置方案DE，参看图7，在导电板所有断开薄弱处的一外侧的导电板上连接灭弧熔体一端，灭弧熔体的另一端设置在凸棱的外侧的壳体底部上，在断开导电板部分200运动至壳体底部的尖刃状的凸棱前，断开导电板部分200的一端与灭弧熔体连接；随着打断装置继续运动，配合凸棱打断断开导电板部分200上的断开薄弱处，形成第二组断口。

上述方案ADE方案的熔体可以位于凸棱的一侧或两侧；方案BC的熔体可以穿过凸棱进行设置，也可以穿设在凸棱下方的壳体壁中。总之，熔体的设置不影响凸棱打断断开导电板部分200的断开薄弱处即可。

图8为灭弧熔体与断开导电板部分接触起作用时的结构简图。图中，A图为方案A起作用时的结构简图；B图为方案B起作用时的结构简图。由于方案ADE原理相同，仅以方案A为例。方案C熔体不与断开导电板部分200接触，则未提供结构简图。

图9为电路原理图，A为灭弧熔体方案A电路原理图；B为灭弧熔体方案B电路原理图。由于方案D、方案E与方案A的并联方式相似、原理相同，电路原理图以方案A为例。方案C为直接在导电板上并联熔体，因为简单则不再以电路原理图进行说明。

导电板断开前，熔体的电阻(R_F1、R_F2、R_F3)远大于导电板的电阻，此时激励熔断器的总电阻近似等于导电板的电阻；导电板断开后，断口处的电弧电阻远大于熔体(R_F1、R_F2、R_F3)的电阻。

方案A的工作原理为：

当导电板上ac之间的断开薄弱处和bd之间的断开薄弱处被打断形成第一组断口后，导电板中间导体向下运动的过程中与熔体F1和熔体F2连接，故障电流会经熔体F1和熔体F2 流通，ac之间的断口和bd之间的断口电阻远大于熔体，故几乎不产生电弧，此时熔体F1和熔体F2串联在电路中，总电阻相比第一组断口断开前增大，导电板两端的电压不变，故障电流减小。

此时分为三种情况：低倍数故障电流下，流经熔体F1和熔体F2的故障电流不足以使熔体熔断，此时ce之间的断开薄弱处和de之间的断开薄弱处被打开形成第二组断口，第二组断口处产生的电弧被挤压，弧电阻增大，故障电流减小至难以持弧，电弧完全熄灭，故障电流被切断；中倍数故障电流下，流经熔体F1和熔体F2的故障电流使熔体F1和熔体F2的狭径开始熔断，在熔断的过程中，ce之间的断开薄弱处和de之间的断开薄弱处被打开形成第二组断口，第二组断口处产生的电弧被挤压，熔体与第二组断口共同作用熄灭电弧、分断故障电流；高倍数故障电流下，流经熔体F1和熔体F2的故障电流使熔体F1和熔体F2快速熔断，故障电流被切断，此时第二组断口打开增强了断后绝缘性能。

方案B的工作原理为：

当导电板上ac之间的断开薄弱处和bd之间的断开薄弱处被打断形成第一组断口后，第一组断口处产生电弧，导电板中间导体向下运动的过程中与熔体F3连接，此时第一组断口的电弧串联在电路中，故障电流经第一组断口的电弧和导电板上cd之间的导体流通，总电阻相比第一组断口断开前增大，导电板两端的电压不变，故障电流减小。

此时分为三种情况：低倍数故障电流下，第一组断口产生的电弧被拉长、挤压，电弧电阻增大，故障电流进一步减小至难以持弧，电弧完全熄灭、故障电流被切断，活塞继续运动打开第二组断口，此种情况下第一组断口足以分断低倍数故障电流；中倍数故障电流下，第一组断口产生的电弧被拉长、挤压但仍能持弧，ce之间的断开薄弱处和de之间的断开薄弱处被打开形成第二组断口后，故障电流经熔体F3流通，第二组断口处几乎不产生电弧，此时熔体F3串联在电路中，总电阻相比第二组断口断开前增大，故障电流进一步减小至难以持弧，电弧完全熄灭，故障电流被切断；高倍数故障电流下，第一组断口产生的电弧被拉长、挤压但仍能持弧，ce之间的断开薄弱处和de之间的断开薄弱处被打开形成第二组断口后，故障电流经熔体F3流通，第二组断口处几乎不产生电弧，随着熔体F3的熔断，故障电流被切断。

由以上可知，增加并联灭弧熔体，可提高熔断器的分断能力和灭弧能力。

Claims (12)

1.一种分组断开的多断口激励熔断器，包括壳体，在壳体中开设有空腔，导电板穿设在所述壳体中，将空腔分为两部分，在导电板一侧空腔中依次设置有激励装置和打断装置，打断装置在激励装置驱动下可打断导电板；其特征在于在导电板另一侧的空腔内设置有至少一个可切断导电板的切断结构；在位于壳体内的导电板上沿其长度方向间隔设置有两组断开薄弱处；在所述打断装置从第一组断开薄弱处断开导电板后至少形成一个可脱离原位置的断开导电板部分形成第一组断口，第二组断开薄弱处设置在所述断开导电板部分上；当所述断开导电板部分位移至所述切断结构处时，所述切断结构从第二组断开薄弱处断开所述断开导电板部分形成第二组断口，所述第一组断口至少包括两个断口，所述第二组断口至少包括一个断口。

2.根据权利要求1所述的分组断开的多断口激励熔断器，其特征在于在打断装置位于导电板一侧的端面上，对应导电板第二组断开薄弱处，分别开设有空腔，所述空腔内设置有灭弧介质或灭弧结构。

3.根据权利要求2所述的分组断开的多断口激励熔断器，其特征在于当灭弧介质为气体、液体或固体颗粒状物质时，灭弧介质通过密封板密封于所述空腔内；当切断结构断开所述断开导电板部分上的第二组断开薄弱处后，所述切断结构可破开所述密封板。

4.根据权利要求2所述的分组断开的多断口激励熔断器，其特征在于所述灭弧结构为灭弧栅。

5.根据权利要求1所述的分组断开的多断口激励熔断器，其特征在于在所述断开导电板部分位移至所述切断结构处途经的壳体内壁上，设置有灭弧室，所述灭弧室内可设置固化的灭弧介质或者灭弧栅。

6.根据权利要求1所述的分组断开的多断口激励熔断器，其特征在于所述切断结构为凸棱。

7.根据权利要求1所述的分组断开的多断口激励熔断器，其特征在于所述断开薄弱处为降低导电板强度的凹槽、孔，及或集中应力的减小导电板宽度、及或比所述导电板材质强度低的材料的一种或多种组合。

8.根据权利要求1所述的分组断开的多断口激励熔断器，其特征在于在所述壳体中的导电板上连接有至少一根熔体。

9.根据权利要求8所述的分组断开的多断口激励熔断器，其特征在于所述熔体两端并联连接在导电板上，导电板上所有断开薄弱处位于所述熔体两端之间。

10.根据权利要求8所述的分组断开的多断口激励熔断器，其特征在于在壳体内，在位于最外侧的一个或两个断开薄弱处的外侧连接有所述熔体的一端，所述熔体另一端位于所述切断结构的外侧；当所述断开导电板部分位移至接近切断结构处未被断开时，所述断开导电板部分可与所述熔体位于所述切断结构外侧的一端连接。

11.根据权利要求1所述的分组断开的多断口激励熔断器，其特征在于在所述切断结构处设置有熔体；当所述断开导电板部分位移至接近切断结构处未被断开时，所述断开导电板部分位于其上断开薄弱处的两端可与所述熔体两端连接。

12.一种配电单元、或储能设备、或新能源汽车，应用包括至少一个上述任一权利要求中所述的激励熔断器。

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