CN102117714B - 一种保险装置及其应用 - Google Patents
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Abstract
为解决现有技术中保险装置内阻偏高、短路响应时间过快和难以承受高峰值脉冲电流的技术问题，本发明公开了一种具有较小的电阻、响应时间适当和具有较强的脉冲电流承受能力的保险装置及该保险装置在车载动力电池中的应用。一种保险装置，包括导电体、及线膨胀套；所述导电体包括位于中间部分的芯体，以及分别位于芯体两端的第一电极端子和第二电极端子；第一电极端子和第二电极端子与芯体相接处呈台阶状，分别称作第一台阶部和第二台阶部；线膨胀套套设在芯体周围；膨胀套两端抵顶第一台阶部和第二台阶部。本发明保险装置制作工艺简单，装配方便，成本较低。
Description
技术领域
本发明属于短路保护装置领域。
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***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***对保护功能的要求越来越高，比如电动车领域，要求其具有非常好的安全性，对保险装置的要求也非常高，现有的通用型保险装置很难到要求，且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***，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。
发明内容
本发明为解决现有技术中保险装置内阻偏高、短路响应时间过快和难以承受高峰值脉冲电流的技术问题，提供一种具有较小的电阻、响应时间适当和具有较强的脉冲电流承受能力的保险装置。
一种保险装置，包括导电体、及线膨胀套；
所述导电体包括位于中间部分的芯体，以及分别位于芯体两端的第一电极端子和第二电极端子；第一电极端子和第二电极端子与芯体相接处呈台阶状，分别称作第一台阶部和第二台阶部；线膨胀套套设在芯体周围；膨胀套两端抵顶第一台阶部和第二台阶部。
优选地，还包括绝缘导热部件；绝缘导热部件包括第一绝缘导热部和第二绝缘导热部；第一绝缘导热部位于芯体与线膨胀套之间，第二绝缘导热部位于第一台阶部和第二台阶部端面与线膨胀套两端之间；所述线膨胀套包括两个以上成整体套设在芯体周围的膨胀套分件，各膨胀套分件两端紧顶第二绝缘导热部。
进一步优选地，所述芯体上设有刻痕。
本发明的主要原理是当线膨胀套温度升高至其转变温度时，线膨胀套在其长度方向上线性膨胀，长度变长，线膨胀套的两端分别向第一台阶部和第二台阶部施加向外的外扩力，将导电体从芯体处拉开。设有刻痕时，优先从刻痕处断开。线膨胀套温度升高的原因可能是由于导电体上大电流过电产生大量热量传递至线膨胀套，也可能是外部热量传递至线膨胀套。
同时，本发明公开了一种保险装置的应用，即保险装置在车载动力电池中的应用。
采用本发明公开的保险装置，其原理不再是现有中靠局部热熔断，而是靠线膨胀套的膨胀力从芯体处(有刻痕时从刻痕处)熔断开，本发明公开的保险装置，导电体内阻相对较低，其响应时间相对适中，可以防止误动作的产生。且由于内阻较小，短路响应时间适中，所以可以承受脉冲电流冲击。同时，导电体被线膨胀套(有绝缘导热部件时，绝缘导热部件也起密封作用)密封在内部，避免了电弧产生的危害。制作工艺简单，装配方便，成本较低。本发明保险装置用于车载动力电池上更加安全、可靠，安装方便简单。由于保险装置动作与否与线膨胀套的转变温度有关，当电池包体内部出现异常，温升过高超过记忆合金的转变温度，保险装置也可以启动，将危害降低至最小。
附图说明
图1是本发明具体实施方式中保险装置***结构示意图；
图2是本发明具体实施方式中保险装置立体结构示意图；
图3(a)是本发明具体实施方式中一种保险装置主视示意图；
图3(b)是图3(a)中A-A处剖面示意图；
图4(a)是本发明具体实施方式中另一种保险装置主视示意图；
图4(b)是图4(a)中B-B处剖面示意图；
图5是图4(b)中C处放大图；
图6是保险装置用于动力电池中连接示意图。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、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，对本发明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发明，并不用于限定本发明。
如图2所示，一种保险装置，包括导电体1、及线膨胀套2；
如图3(a)-图4(b)所示，导电体1包括位于中间部分的芯体10，以及分别位于芯体10两端的第一电极端子11和第二电极端子12；第一电极端子11和第二电极端子12与芯体10相接处呈台阶状，分别称作第一台阶部110和第二台阶部120；线膨胀套2套设在芯体10周围；线膨胀套2两端抵顶第一台阶部110和第二台阶部120。
采用本发明方案，只要线膨胀套安装在芯体周围及第一台阶部和第二台阶部之间，当线膨胀套受热升温时，线膨胀套向两端线性膨胀，就可以使第一台阶部和第二台阶部受力，当导电体芯体不能承受向两端的拉伸力时，从芯体处断开。这样实现本保险装置断流的目的。
优选地，如图3(a)-图4(b)所示，还包括绝缘导热部件3；绝缘导热部件3包括第一绝缘导热部30和第二绝缘导热部31；第一绝缘导热部30位于芯体10与线膨胀套2之间，第二绝缘导热部31位于第一台阶部110和第二台阶部120端面与线膨胀套2两端之间；所述线膨胀套2包括两个以上成整体套设在芯体周围的膨胀套分件21、22，各膨胀套分件21、22两端紧顶第二绝缘导热部。
线膨胀套可以为记忆合金，也可以为记忆陶瓷等，当其为金属或者合金时，需要有绝缘部件将线膨胀套和导电体绝缘，同时，该绝缘部件还需要有良好的导热性，当导电体发热时，能将热量良好的传递给线膨胀套。这是本发明优选设置绝缘导热部件的目的，显然，当线膨胀套不导电时，是无需绝缘导热部件的。
如图5所示，同时，优选地，最好时在导电体芯体10部位设置刻痕100，这样可以起引导的作用，引导芯体承受力达到极限时，先从刻痕100处断开。
为使阅读者很好的理解本发明方案，下面将选择较优的实施例进行进一步详细的解释。
实施例1
如图1-图5所示，本例欲详细描述本发明较优的保险装置a，包括导电体1、绝缘导热部件3及线膨胀套2；
所述导电体1包括位于中间部分的芯体10，以及分别位于芯体10两端的第一电极端子11和第二电极端子12；所述芯体10上设有刻痕100；第一电极端子11和第二电极端子12与芯体10相接处呈台阶状，分别称作第一台阶部110和第二台阶部120；线膨胀套2套设在芯体周围；
绝缘导热部件3包括第一绝缘导热部30和第二绝缘导热部31；第一绝缘导热部30位于芯体10与线膨胀套2之间，第二绝缘导热部位31于第一台阶部110和第二台阶部端面120与线膨胀套2两端之间；
线膨胀套2包括两个以上成整体套设在芯体周围的膨胀套分件21、22，各膨胀套分件21、22两端紧顶第二绝缘导热部31。
设计原理：线膨胀套2在超过其固有的转变温度时候，有恢复初始形态的功能。比如材料为铜基记忆合金和镍基记忆合金的线膨胀套伸缩率最高可以做到8％-10％，其回复形变伸长时所产生的力很大，我们就是利用这个原理，使导电体1在芯体10处断开，更优方式是在导电体1的芯体10上采用激光、线切割等加工方法刻蚀出一个槽状刻痕100，槽底圆柱的直径可以根据过流能力和线膨胀套2形变力来综合决定，当导电体1有电流通过时，导电体1发热，并将热量部分传给记忆合金，使其快速升温。正常情况下，导电体温升小于30℃，记忆合金温升小于等导电体，总体温度小于记忆合金转变温度，记忆合金不产生回复形变，；当短路时候，由于电流很大，导电体迅速升温，并带动记忆合金迅速升温，当记忆合金温度达到自身转变温度时候，记忆合金发生回复形变，线膨胀套2的伸长受到导电体1两端第一台阶部110和第二台阶部120的限制，进而对第一台阶部110和第二台阶部120施加反向作用力，当记忆合金线膨胀套2的膨胀力足以克服刻痕100处的最大屈服极限时候，刻痕100处伸长并沿着刻痕100处拉断，第一电极端子11和第二电极端子12电连接中断，起到断流的作用。
当然，线膨胀套2也可能接受外部的热量导致升温至转变温度而发生线性膨胀，比如，将本例中保险装置放置在电池组内，若电池组产生异常导致升温，也可起到断流的作用。
响应速度与导电体1的导电能力与线膨胀套2的转变温度有关，减小导电体1的导电截面，短路温升速度加快，可以更快的达到线膨胀套2转变温度，提高保险装置的响应速度；降低线膨胀套2转变温度，也可提高保险装置a的响应速度。反之则可以降低保险装置a的响应速度。
导电体1的材料为银、铜及铜合金、铝及铝合金等导电金属，根据设计的过流能力选择合适电阻率的金属材料并设计相应的导电体形状，本例中选择紫铜作为导电体的材料。
导电体1的两端为第一电极端子11和第二电极端子12，分别用于作为本发明保险装置a在电路中连接的电连接端；第一电极端子11与第二电极端子12连接到电路中时可采用螺接、插接、焊接等方式，因此其第一电极端子11和第二电极端子12可根据需要设计成片状或柱状或在其电极端子上设计腰孔或螺纹孔等结构，比如图1、图2、图4(a)、图4(a)中所示，在第一电极端子11和第二电极端12子上设计有腰孔111、121。
所述芯体10横截面呈圆形或矩形或三角形或多边形或其他不规则形状，其形状并不重要，只要能满足我们所需要涉及的过流能力、以及不妨碍芯体10在需要断开的时候从芯体10或其上刻痕100处断开就行，当然，从设计和制作角度出发，显然，采用横截面呈规则的圆形或矩形或三角形等等形状更容易和合适。如图1、图2所示，本具体实施方式采取其圆形截面作为我们的实施方式，因此芯体10呈圆柱形。我们以设计过流能力为300安培的保险装置为例，芯体10直径6-9mm，长度15-20mm，刻痕宽度0.1-0.5mm，优选刻痕宽度0.1-0.3mm；刻痕深度在1.5-3mm，线膨胀套2的转变温度在100-130℃。以伸缩率8％计算，线膨胀套2伸长长度为1.2-1.6mm，刻痕100处拉伸长度一般小于刻痕100宽度的50％，保险装置a动作后刻痕处100分离宽度为1.1-1.5mm之间，可以保证1000V的电压不被击穿。
图5中所示，图5为图4(B)中C处放大图，刻痕100的道数可以为多道，这样可以使其有从多出断开的可能。刻痕100可以设置在芯体10的中间部位，也可以设置在芯体10靠近第一台阶部110和第二台阶部120的地方，可以使其完全与芯体10的轴心垂直，也可以适当与轴心成一定角度，但是有与轴心垂直的分方向，我们的目的只是使设计符合我们的要求，其要求是按照我们的设计，满足某种状态时就能将第一电极端子110和第二电极端子120从刻痕处100断开以实现断流。显然本领域技术人员都能明白我们的意图。当然，优选的方式是设计多道刻痕，刻痕处于芯体的中间部位并与芯体的轴心垂直。
第一台阶部110和第二台阶部120在图中显示为成横截面积大于芯体10横截面积的圆环状，这样第一台阶部110和第二台阶部120与芯体10成台阶状。
显然，线膨胀套2与导电体1是不能电导通的，线膨胀套2只是起到变形产生膨胀力的作用，并不作为导电部件使用。而导电体1则要起到导电的作用。
线膨胀套2的材料可以选用铜基记忆合金、铁基记忆合金、镍基记忆合金、Au-Cd贵重金属形状记忆合金、形状记忆陶瓷等，我们优选铜基记忆合金和镍基记忆合金。
因此，当线膨胀套2材料为金属或合金类可以导电的物体时，两者之间需要绝缘处理，同时，也要求导电体产生的热量能良好的传递至线膨胀套，这是我们设置绝缘导热部件3的目的。本质来说只要起到能够绝缘同时能起到良好导热作用就能看作本发明所描述的绝缘导热部件3，本发明为了描述方便，称其包括第一绝缘导热部30和第二绝缘导热部31；并不是说所谓第一绝缘导热部30和第二绝缘导热部31是完全分离的概念，它们可以是一体的部件。绝缘导热部件3的厚度优选在0.05-0.2mm。
第一绝缘导热部30可以为涂敷于芯体表面的绝缘导热层或在芯体周围注塑成型的具有绝缘导热功能的注塑件。
第二绝缘导热部31可以为两半环型绝缘刚性垫片或涂敷于第一台阶部和第二台阶部端面的绝缘层。
第一绝缘导热部30和第二绝缘导热部31可以为一体的绝缘导热层。
比如在芯体10表面和第一台阶部110端面和第二台阶部120端面喷涂氮化铝、导热绝缘胶等形成绝缘导热层作为绝缘导热部件3。
优选地，在芯体10表面形成绝缘导热层作为第一绝缘导热部30，采用两半环型绝缘刚性垫片作为第二绝缘导热部31。半环型绝缘刚性垫片的厚度在0.5-2mm，如图1所示，在第一台阶部110端面与膨胀套分件21、22端面之间，设置有两半环型刚性绝缘垫片，该两半环型刚性绝缘垫片相接处滴有胶水，这样将两半环型刚性绝缘垫片粘接为一体。同时该胶水还可以起到固定两半环形刚性绝缘垫片的作用。同时，采用同样的方式，在第二台阶部120端面与膨胀套分件21、22端面之间，也设置有两半环型刚性绝缘垫片，该两半环型刚性绝缘垫片相接处滴有胶水，这样将两半环型刚性绝缘垫片粘接为一体。
如图1所示，线膨胀套2为两个以上膨胀套分件21、22组成，比如图中为两个半环型膨胀套分件合围成一个线膨胀套2，各膨胀套分件21、22可以通过焊接成整体或通过胶粘成整体或在各膨胀套分件21、22外设紧固件成一整体。比如本例中采用激光焊接的方式使其成为一整体，当然，本领域技术人员可以根据自己的需要选用何种方式实现，需要考虑有些焊接方式温度过高可能会使线膨胀套在使用时即受热膨胀导致保险装置损害，要选择合适的焊接温度或采用胶粘等其他方式。优选采用激光焊接的方式。
采用本发明技术方案，其内阻显著减小，短路响应时间适中，可以承受脉冲电流冲击。导电体1被记忆合金线膨胀套2、绝缘导热层密封在内部，避免了电弧产生的危害。
本发明保险装置a，可用于各种需要用到过流保护、过热保护等的电路或***中，比如用于单体电池之间或电池模块之间的连接，比如用于电池与负载之间的连接，特别是用于车载动力电池中。已用于车载动力电池为例。
如图6所示，在动力电池模组4之间，连接有本发明保险装置a，连接时，若动力电池模组4伸出软连接带作为电连接用引出端子41，则可以通过焊接的方式将保险装置a的第一电极端子11和第二电极端子12分别与两动力电池模组4的软连接带焊接连接。比如采用软钎焊的方式连接。
或者引出端子41与保险装置a的第一电极端子11和第二电极端子12通过螺纹连接的方式连接，比如将动力电池模组4的引出端子41设计为螺柱，而在第一电极端子11和第二电极端子12如图1、图2、图4(a)、图4(b)中所示一样设置有腰形孔111、112，螺柱与螺母配合即可实现螺纹连接。
或者引出端子41与第一电极端子11和第二电极端子12之间可以采用螺纹连接和焊接连接相结合的方式，这样焊接更牢固。
当然，也可采用插接等方式，比如将动力电池模组4的引出端子41设计为母端，在保险装置a的第一电极端子11和第二电极端子12上设置公端，公端和母端通过插接匹配连接。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种保险装置，其特征在于：包括导电体、及线膨胀套；
所述导电体包括位于中间部分的芯体，以及分别位于芯体两端的第一电极端子和第二电极端子；第一电极端子和第二电极端子与芯体相接处呈台阶状，分别称作第一台阶部和第二台阶部；线膨胀套套设在芯体周围；膨胀套两端抵顶第一台阶部和第二台阶部；还包括绝缘导热部件，绝缘导热部件包括第一绝缘导热部和第二绝缘导热部；第一绝缘导热部位于芯体与线膨胀套之间，第二绝缘导热部位于第一台阶部和第二台阶部端面与线膨胀套两端之间，第一绝缘导热部和第二绝缘导热部为一体的绝缘导热层，所述绝缘导热层厚度为0.05-0.2mm；所述线膨胀套包括两个以上成整体套设在芯体周围的膨胀套分件，各膨胀套分件两端紧顶第二绝缘导热部，所述线膨胀套的转变温度为100-130℃，线膨胀套伸长长度为1.2-1.6mm；所述芯体上设有刻痕；刻痕的宽度为0.1-0.5mm，刻痕深度为1.5-3mm；在第一电极端子和第二电极端子上设有腰孔或螺纹孔。
2.如权利要求1所述的保险装置，其特征在于：所述芯体横截面呈圆形或矩形。
3.如权利要求1所述的保险装置，其特征在于：所述第一绝缘导热部为涂敷于芯体表面的绝缘导热层或在芯体周围注塑成型的具有绝缘导热功能的注塑件。
4.如权利要求1所述的保险装置，其特征在于：所述第二绝缘导热部为两半环型绝缘刚性垫片或涂敷于第一台阶部和第二台阶部端面的绝缘层。
5.如权利要求4所述的保险装置，其特征在于：所述两半环型绝缘刚性垫片相接处滴有胶水。
6.如权利要求1所述的保险装置，其特征在于：各膨胀套分件通过焊接成整体或通过胶粘成整体或在各膨胀套分件外设紧固件成一整体。
7.如权利要求1所述的保险装置，其特征在于：所述刻痕设置在芯体的中间部位。
8.如权利要求1所述的保险装置，其特征在于：所述刻痕有多道。
9.如权利要求1所述的保险装置，其特征在于：所述线膨胀套材料为铜基记忆合金、铁基记忆合金、镍基记忆合金、形状记忆陶瓷中的一种。
10.如权利要求1所述的保险装置，其特征在于：所述导电体材料为银、铜、铜合金、铝、铝合金中的一种。
11.权利要求1-10中任意一项所述的保险装置在车载动力电池中的应用。
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