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      電池?fù)闲噪娐钒灞kU(xiǎn)絲設(shè)計(jì)探討

      2024-03-22 13:40:22鄧承文文麗梅李海豐
      印制電路信息 2024年3期
      關(guān)鍵詞:線寬保險(xiǎn)絲新能源

      鄧承文 文麗梅 李海豐

      (1.珠海景旺柔性電路有限公司,廣東 珠海 519000;2.廣東省精密柔性電路工程技術(shù)研究中心,廣東 珠海 519000)

      0 引言

      撓性電路板(flexible printed circuit board,F(xiàn)PCB)是連接電池電子元器件的良好線路載體,在電池安全性、組裝效率、續(xù)航以及降低自重等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。隨著動(dòng)力系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)以及傳感器等裝置對(duì)電子元器件的需求量擴(kuò)大,對(duì)線路載體連接電子元器件的數(shù)量相應(yīng)增加。新能源電池FPCB 憑借其輕量化、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、線路連接方便等優(yōu)勢(shì)得到了快速發(fā)展。

      保險(xiǎn)絲是新能源電池FPCB 中的線路重要組成部分。當(dāng)通過線路保險(xiǎn)絲的電流超過限定值時(shí),保險(xiǎn)絲熔斷切斷電流,保護(hù)電池系統(tǒng)的安全,避免設(shè)備燒壞或出現(xiàn)火災(zāi)。但目前行業(yè)普遍存在保險(xiǎn)絲熔斷后需要更換相應(yīng)配件,從而增加維護(hù)成本的問題。若新能源電池FPCB 保險(xiǎn)絲設(shè)計(jì)合理,可以確保產(chǎn)品使用壽命和后期的保險(xiǎn)絲維護(hù)。為了解決此問題,本文將對(duì)保險(xiǎn)絲設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

      1 保險(xiǎn)絲的設(shè)計(jì)方法

      1.1 新能源電池保險(xiǎn)絲的種類

      新能源電池保險(xiǎn)絲按現(xiàn)有做法,分為蝕刻保險(xiǎn)絲、模切保險(xiǎn)絲、外接保險(xiǎn)絲及外接芯片保險(xiǎn)絲4 種,如圖1 所示。外接保險(xiǎn)絲與外接芯片保險(xiǎn)絲都是在電池FPCB 制作相應(yīng)焊接盤,通過焊接而成;蝕刻保險(xiǎn)絲與模切保險(xiǎn)絲是直接用FPCB 線路根據(jù)通電能力設(shè)計(jì)成的保險(xiǎn)絲。本文主要探討蝕刻保險(xiǎn)絲與模切保險(xiǎn)絲的設(shè)計(jì)。

      圖1 新能源電池保險(xiǎn)絲設(shè)計(jì)種類

      1.2 FPCB保險(xiǎn)絲的設(shè)計(jì)

      FPCB保險(xiǎn)絲是以線路的截面通過電流能力設(shè)計(jì)的,即FPCB 保險(xiǎn)絲的線寬及厚度。蝕刻保險(xiǎn)絲主要是線路蝕刻制作,其圖形設(shè)計(jì)根據(jù)需求可任意彎曲走線;模切保險(xiǎn)絲模切刀片彎曲角度、弧度及線寬受制程能力影響,其圖形設(shè)計(jì)盡量做成直線型及要求較大的彎折角度,見表1。

      表1 FPCB保險(xiǎn)絲設(shè)計(jì)方式

      FPCB 保險(xiǎn)絲目前以表1 中第1 種方案為主,如果保險(xiǎn)絲熔斷就直接更換FPCB,存在維護(hù)成本高的問題。部分客戶在實(shí)際生產(chǎn)中提出可拆卸、可維護(hù)的第2、3 種方案,將外接保險(xiǎn)絲融合到FPCB保險(xiǎn)絲設(shè)計(jì)中,在熔斷后可用備用保險(xiǎn)絲替代,具有維護(hù)成本低、效率高的優(yōu)勢(shì),因此備用保險(xiǎn)絲設(shè)計(jì)被更多客戶認(rèn)可選用。

      1.3 FPCB保險(xiǎn)絲加工方式及熔斷線設(shè)計(jì)

      1.3.1 FPCB 保險(xiǎn)絲加工方式選擇

      FPCB 保險(xiǎn)絲分蝕刻與模切2 種加工方式,對(duì)比見表2。

      表2 蝕刻與模切保險(xiǎn)絲加工流程及能力對(duì)比

      根據(jù)2 種FPCB 保險(xiǎn)絲的加工能力進(jìn)行對(duì)比:模切的線寬距≥0.4 mm、保險(xiǎn)絲線寬≥0.18 mm 才能進(jìn)行加工;蝕刻線寬線距≥0.05 mm 即可加工,但生產(chǎn)周期較長(zhǎng)。因此,需要根據(jù)設(shè)計(jì)選擇合適的加工方式。

      1.3.2 FPCB 保險(xiǎn)絲熔斷線設(shè)計(jì)

      根據(jù)熔斷電流計(jì)算方法得出計(jì)算公式如下:

      式中:I為熔斷電流,A;A為線路橫截面積,圓密爾,可轉(zhuǎn)換為mm2(1 mm2=1 973.944 圓密爾);Tm為材料熔化溫度(銅的熔化溫度為1 083 ℃);Ta為測(cè)試環(huán)境溫度,℃;s為熔斷時(shí)間,s。

      保險(xiǎn)絲橫截面積的計(jì)算公式為

      式中:w為保險(xiǎn)絲線寬,mm;h為保險(xiǎn)絲的厚度,常選用35 μm的銅厚度。

      式(1)、式(2)中I、w、s為變量,根據(jù)客戶的熔斷電流及熔斷時(shí)間可以計(jì)算保險(xiǎn)絲的理論線路寬度。

      2 保險(xiǎn)絲的設(shè)計(jì)測(cè)試

      新能源電池FPCB 的保險(xiǎn)絲根據(jù)不同規(guī)格電池對(duì)熔斷電流要求的不同,其線路設(shè)計(jì)也有所不同,本文僅例舉一種常用規(guī)格保險(xiǎn)絲的設(shè)計(jì):熔斷電流8 A/3 s內(nèi)熔斷。

      2.1 材料選擇

      電池FPCB 產(chǎn)品常用的材料見表3,對(duì)應(yīng)的銅厚度、膠厚度及聚酰亞胺(polyimide,PI)厚度均選用較厚的材料,以確保產(chǎn)品的高絕緣、防腐、防潮等性能。

      表3 電池FPCB及保險(xiǎn)絲制作和測(cè)試要求

      2.2 工藝流程

      (1)蝕刻流程:卷料清洗→貼干膜→曝光→蝕刻退膜→自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)→沖孔→裁切→覆蓋膜壓合→表面處理→外形分切→器件焊接組裝。

      電池FPCB 通過線路制作蝕刻后,需貼壓覆蓋膜。覆蓋膜預(yù)先將焊接位進(jìn)行開窗,對(duì)位覆蓋膜選用治具定位,使焊接盤精準(zhǔn)對(duì)位,如圖2所示。

      圖2 覆蓋膜對(duì)位線路焊接盤效果

      (2)模切流程:卷料好料→模切→壓合→覆蓋膜壓合→表面處理→器件焊接組裝。

      2.3 保險(xiǎn)絲的測(cè)試

      按電池FPCB 保險(xiǎn)絲的設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)及加工成品后,采用熔斷電流8 A 測(cè)試熔斷時(shí)間(3 s 內(nèi)熔斷為合格)。熔斷測(cè)試儀如圖3所示。

      圖3 熔斷測(cè)試儀

      選用相同設(shè)計(jì)圖形及單面柔性覆銅板對(duì)應(yīng) 2 種厚度的覆蓋膜,設(shè)計(jì)不同線寬的保險(xiǎn)絲,用 8 A熔斷電流進(jìn)行熔斷時(shí)間測(cè)試。測(cè)試數(shù)據(jù)整理如圖4所示。

      圖4 不同覆蓋膜的保險(xiǎn)絲線寬與熔斷時(shí)間關(guān)系(8 A/3 s)

      圖4 為熔斷時(shí)間與保險(xiǎn)絲線寬的對(duì)應(yīng)關(guān)系:當(dāng)保險(xiǎn)絲線寬大于0.18 mm 時(shí),蝕刻與模切工藝均可以選擇;當(dāng)保險(xiǎn)絲線寬小于0.18 mm 時(shí),只能選擇蝕刻工藝。2種不同厚度的覆蓋膜不同線寬的保險(xiǎn)絲熔斷時(shí)間對(duì)比,50 μm 厚度覆蓋膜的熔斷時(shí)間隨線寬增加平緩遞增,其保護(hù)效果更好。

      2.4 保險(xiǎn)絲線寬及熔斷電流時(shí)間在實(shí)際產(chǎn)品中應(yīng)用

      根據(jù)熔斷電流8 A/3 s 內(nèi)熔斷的要求,將 0.22 mm 線寬的保險(xiǎn)絲設(shè)計(jì)在實(shí)際電池FPCB 產(chǎn)品中,貼50 μm 厚度的覆蓋膜,測(cè)試實(shí)際線寬與熔斷時(shí)間的符合性,測(cè)試數(shù)據(jù)見表4。

      表4 保險(xiǎn)絲的線寬及熔斷時(shí)間實(shí)際測(cè)試

      在實(shí)際新能源電池FPCB 產(chǎn)品保險(xiǎn)絲設(shè)計(jì)中,在保險(xiǎn)絲線寬及熔斷電流確定條件下進(jìn)行測(cè)試,熔斷時(shí)間均在0.30~0.33 s內(nèi),符合熔斷時(shí)間要求。

      3 結(jié)語(yǔ)

      隨著新能源汽車的快速滲透,對(duì)動(dòng)力電池FPCB的需求量也在持續(xù)增加。本文對(duì)新能源電池FPCB保險(xiǎn)絲設(shè)計(jì)進(jìn)行探討,包括保險(xiǎn)絲加工方式的選擇、熔斷線線寬設(shè)計(jì)方案,同時(shí)提出了可拆卸的備用保險(xiǎn)絲設(shè)計(jì),具有維護(hù)成本低、效率高的優(yōu)勢(shì)。本文就本公司生產(chǎn)條件下制作的動(dòng)力電池柔性板制作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行探討,具有局限性,僅供同行參考。

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