電池?fù)闲噪娐钒灞ｋU(xiǎn)絲設(shè)計(jì)探討

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。