新能源汽车电池模块PCB的线路保险丝研究.pdf

印制电路信息 2024 No.2设计/CAM Design/CAM新能源汽车电池模块PCB的线路保险丝研究汪珩（无锡深南电路有限公司，江苏 无锡 214412）摘要随着新能源汽车行业的发展，低成本、高可靠性的电池模块成为所有人的追求。从新能源汽车电池模块的印制电路板（PCB）出发，以线路温升为切入点，结合PCB线路载流、散热、材料特性等维度，通过理论计算、仿真以及实测，分析了不同条件下PCB线路保险丝的设计方案，并探究了现有保险丝封装方案的可行性，研究开发了一套切实可行的PCB线路保险丝方案。相关研究成果不仅可以大幅度提升电池模块的可靠性及可维护性，也可以降低整个模块的成本。关键词电池模块；保险丝；电路中图分类号：TN41文献标志码：A文章编号：10090096（2024）02001906Analysis of circuit fuse of PCB for new energy vehicle battery moduleWANG Heng(Wuxi Shennan Circuits Co.,Ltd.,Wuxi 214412,Jiangsu,China)Abstract With the development of the new energy vehicle industry,low-cost and highreliability battery modules have become the pursuit of everyone.This article starts from the printed circuit board(PCB)of new energy vehicle battery modules,takes the temperature rise of the circuit as the starting point,and combines dimensions such as PCB circuit current carrying capacity,heat dissipation,and material characteristics.Through theoretical calculation,simulation,and actual measurement,the design scheme of PCB circuit fuses under different conditions is analyzed,the feasibility of existing fuse packaging schemes is explored,and a practical and feasible PCB circuit fuse scheme is developed.The relevant research results can not only significantly improve the reliability and maintainability of battery modules,but also reduce the cost of the entire module.Key wordsbattery module;fuses;circuit作者简介：汪 珩（1989），男，工程师，本科，主要研究方向为汽车模块PCB技术。-19设计/CAM Design/CAM印制电路信息 2024 No.20引言全球新能源汽车销量快速增长。电池模块作为新能源汽车“三大件”之一，其高可靠、低成本成为所有新能源汽车的追求目标。对于新能源汽车的电池模块，为防止信号短路等故障，需在模块多个位置安装保险丝器件。常规电池模块车用保险丝为独立器件，通过表贴或插接的方式放置于印制电路板（printed circuit board，PCB）表面，该方式不仅器件成本较高，且由于该电池包极耳采集模块PCB器件较少，经常需要为安装该器 件 而 额 外 增 加 表 面 贴 装（surface mounted technology，SMT）工序。同时，因保险丝器件位于PCB表面，会占用电池模块一定的Z方向空间，不利于产品小型化的实现。此外，表贴器件长期工作在振动以及冷热冲击等条件下，有一定脱落失效的风险。因此，开发出一款低成本、低厚度和高可靠性的保险丝成为整个行业的需求。本文阐述了一款切实可行的PCB线路保险丝方案。1PCB线路保险丝实现原理PCB线路保险丝如要实现熔断，需在一定的时间内，电流流经保险丝产生的热量远大于保险丝的散热能力，且此时的温度需超过铜的熔点。保险丝中电流产生的热量为P1=I2R=I20(1+)L/S（1）式中：I为流经保险丝的电流，A；为电阻温度系数，106/；为温度，；0为铜在不同温升下的电阻率，m；L为保险丝长度，m；S为保险丝横截面积，m2。保险丝散热主要由3部分组成1：保险丝对周围环境热辐射；保险丝与空气热对流；保险丝与所连接导线的热传导。根据牛顿散热公式，保险丝对外散热功率为P2=KtA=KtML（2）式中：Kt为综合散热系数（描述某物体在单位时间内单位面积下温度的变化情况，需要基于实验数据进行计算得出）；A为保险丝不计两端焊接处的面积，m2；为稳定温升，K；M为保险丝横截面周长，m。如保险丝正常工作，P1=P2。如保险丝熔断，P1P2，且超过导线熔点。当电流流过PCB线路时，由于铜导体有内阻会产生温升，在日常应用中，需将温升控制在系统允许的范围内，保证系统能稳定工作。但在PCB线路保险丝方案中，则需充分利用PCB线路的温升效应，通过合理的计算、仿真和实测等手段，利用PCB线路的温升实现保险丝的功能。以一款车用保险丝参数为例，该保险丝需在2 A以内的电流下稳定工作，且该状态下器件的温升不能超过30 K；如系统发生故障，即线路中电流超过6 A时，保险丝需在1 s内熔断。铜的熔点为1 083，如保险丝在通流6 A的情况下1 s内熔断，则当PCB线路通过6 A的电流时，稳态下的线路温度升至远高于1 083，这时线路就会熔断，如图1所示。如PCB线路保险丝在通过6 A的电流时，只有线路保险丝温度在低于1 s的时间内达到铜的熔点1 083，才有可能在1 s内熔断。图1为其中 1种可行的线路温升方案，当通流时间达到1 s时，此时温度超过1 083（约为1 230）。2PCB线路保险丝的实验方案2.1熔断时间分析保险丝产生的热量与温度和时间关系为Q=mcT=I2Rt（3）由式（3）可以得出t=mcTI2R=mSLcTI2rLS=mS2cTI2r（4）式中：m为铜的金属密度，8.9103 kg/m；c为铜的比热容，390 J/（kgK）；T为温升，K；r为铜在不同温升下的电阻率，0.018 5 m。由式（4）可得，保险丝的熔断时间与线路的截面积有关，与保险丝的长度无关，在PCB铜厚一定的情况下，线路的截面积与线路的宽度正相关。由此可得，熔断时间与PCB保险丝的宽度直图1线路6 A电流温升-20印制电路信息 2024 No.2设计/CAM Design/CAM接相关。由式（4）可得，在PCB常规铜厚35 m、熔断时间 1 s、环境温度 25、T=1 058 K的条件下，保险丝线路宽度约为81 m。2.2额定电流下的温升计算由于保险丝正常工作时P1发热=P2散热，由式（1）和式（2）可得P1=I2R=I20(1+)L/S=P2=KtA=KtML （5）由此可得=I20()1+LKtAS （6）根据2.1节得出，保险丝在通流6 A的情况下1 s熔断，此时导线的宽度为81 m，根据客户要求，通流1 A时，保险丝允许的最大温升为30 K，故=30 K，将其他常数代入式（6），得出如保险丝在额定电流下温升不超过30 K，则保险丝长L16 mm。在产品实际应用中，考虑到线路保险丝对周围环境的热辐射以及PCB基材本身有一定的导热性，计算公式中的相关变量难以准确量化。为此，以理论计算的长度16 mm为中值，分别增加和缩短PCB保险丝的线路长度；与此同时，以理论计算的宽度81 m为中值，分别加宽和变窄PCB保险丝线路的宽度，进行铜厚为35 m 的PCB保险丝样品制作并实测。样品设计方案如图2所示。要准确测试出保险丝的熔断时间，用手工秒表计时的方法误差较大，计时精度远远不达标，为此设计一款专用的保险丝熔断时间检测设备，原理图如图3所示。该装置的工作原理如下2：开关S闭合，光耦合器 IC1工作，三极管 b、e端截止，c为高电平，计时器计时；保险丝熔断，光耦合器IC1截止，三极管be正向偏置导通，计时器停止。本款自研的熔断时间测试设备总成本低于 100元，测试设备总体积小于1 dm3，且无须外接电源、操作简单，外部只有1个开关和2个按钮，产线员工经过短时间培训即可使用，测量误差小于0.01 s。根据以上测试方案，通过对实物进行多次测量，可以选出最适合该保险丝指标的PCB线路模型。但是，该模型仍然为设计数据，PCB线路实际加工的数据与设计数据存在一定的偏差，可通过切片分析的方式校准该加工偏差。对不同宽度的PCB线路保险丝样品进行分段取样，在显微镜下测量线路的宽度和厚度，对所有的数据进行记录并对数据进行加以分析，如图4所示。对切片进行测量分析可得，在线路较窄的情况下，设计线宽与实际线宽有15%误差，设计铜厚与实际铜厚也存在10%的误差。在产品设计阶段，须将该误差迭代回理论计算和仿真模型中。图2铜厚35 m PCB线路保险丝样品设计方案图3测试设备电路图4实际线宽与设计线宽对比-21设计/CAM Design/CAM印制电路信息 2024 No.23PCB线路保险丝仿真方案根据理论计算以及实测结果分析，PCB线路蛇形绕线可实现PCB线路保险丝的功能。以实测PCB线路数据为基础，以 6 A电流为基准按电流增加的比例加宽PCB线路的宽度。与此同时，因现有产品中所使用的保险丝器件封装为 1206 封装，故设置同等宽度线路的1206封装样式PCB保险丝为对照，评估常规器件封装尺寸能否实现PCB线路保险丝功能。仿真模型所通过的电流分别为 6、8、10、15 A，PCB 厚为 1 mm，铜厚为35 m。仿真模型如图5和图6所示。由仿真结果可知，当通过6 A电流1 s熔断的保险丝模型加载6 A电流时，在该电流状态下，其稳态的温度高达2 991.8，这也侧面说明了其可在 1 s 内快速熔断的原因，但同样宽度的线路在1206封装下，线路稳态温度仅为99.3。铜条传热模型如图7所示3，在PCB表层线路的厚度和宽度已定的情况下，当通过不同长度铜条的电流I相等时，长扁条中心温度T1大于短扁条中心温度T2。即保险丝线路的长度决定了温升的最大值，这也佐证了仿真结论：蛇形绕线的线路温升远超过1206封装线路的温升。图5PCB线路保险丝仿真模型图66 A保险丝仿真结果图7铜条传热模型图88A 保险丝仿真结果-22印制电路信息 2024 No.2设计/CAM Design/CAM根据电流从6 A增加到8 A的比例，将PCB线路保险丝的线路模型进行加宽，通过图8仿真结果可以发现，在该种状态下，蛇形线路的温度并没有明显的变化，此时温度为2 910.2，但1206封装的线路保险丝温度比之前有明显升高，达到了182.6。分析认为，在该电流条件下蛇形线路因与空气热交换面积较大，暂时达到了热平衡；但 1206 封装的 PCB 线路保险丝，因散热面积有限，温度升高的比例更大。由图 9 可知，当电流为 10 A 时，该状态下，蛇形绕线以及1206封装线路保险丝的温度分别为3 391.9 和366.1。根据图10，当电流为15 A时，蛇形绕线和1206封装线路保险丝的温度分别为5 052 和489。综合对比所有的仿真结果可得：蛇形绕线保险丝的温升远高于1206封装的，这是因为同等宽度的线路情况下，线路越长，线路中心点的温升越高。要充分利用PCB自身的散热能力，通过合理地增加热交换面积，让线路在正常工作电流下保持比较低的温升；PCB线路保险丝通过过载电流时，达到稳态时的温度要远超过铜的熔点。在现实情况下，PCB线路的温度超过铜熔点时线路会熔断，此时线路处于断路状态，温度将不会继续升高，这为理论计算和仿真都带来了极大的不确定因素。通过与蛇形绕线的仿真对比结果，可以发现常规1206封装的线路保险丝温升远不能达到铜的熔点，线路无法实现熔断，故并不能实现线路保险丝的功能。4结语电池模块作为新能源汽车的“三大件”之一，其高可靠性、低成本是所有新能源汽车电池供应商的追求。本文通过PCB线路保险丝的理论分析、方案设计以及仿真验证，从多个角度阐述了PCB线路保险丝的可行性。其替代了传统的保险丝器件，在降低系统厚度的同时也减少了 SMT 的工序，并且抗振性能更优、系统可靠性更好、成本也更低。需额外补充的是，如图11所示，PCB线路保险丝不仅仅可以单独使用，还可采用2组或多组并联的方案进行使用，这样当其中一条保险丝熔断时，可以通过0 电阻或者直接用焊料将另一图910 A保险丝仿真结果图1015 A保险丝仿真结果-23设计/CAM Design/CAM印制电路信息 2024 No.2端短接的方案使系统恢复工作，进一步降低系统维护的成本。参考文献 1 艾胜利,张晓民.三相桥式整流器散热设计要求探讨J.汽车电器,1998(5):4.2 陆健.保险丝熔断时间测试系统的研制J.价值工程,2011,30(4):173-174.3 黄云生.电子电路 PCB 的散热分析与设计D.西安:西安电子科技大学,2010.图11保险丝备份方案工业和信息化部电子信息司史惠康副司长一行莅临中国电子电路行业协会CPCA指导工作2024年1月30日2月2日，工业和信息化部电子信息司副司长史惠康带队赴上海对上海电子信息制造业产业进行调研考察。1月30日上午，工业和信息化部电子信息司副司长史惠康、二级巡视员周海燕，中国电子信息产业发展研究院副院长王世江一行前往上海美维科技有限公司与上海新阳半导体材料股份有限公司进行调研，下午莅临中国电子电路行业协会CPCA开展指导工作。会议由协会秘书长洪芳主持，并作“上海电子信息制造业产业形势分析调研工作汇报”，同时介绍了2024年协会的重点工作。会上工信部二级巡视员周海燕肯定了协会开展工作中取得的成效，并提出相关指导意见，勉励CPCA未来继续赋能行业。同时还指出，希望协会充分结合本行业本领域的实际特点，多与终端企业合作，提升本行业的重要性，切实提高政府及企业桥梁纽带的服务效能，更高效、更持久、更彻底地协助政府进行“上传下达”，帮助企业解决好遇到的困难和问题，持续推动电子产业高质量发展。同行人员还有：中国电子信息产业发展研究院电子信息研究所研究室主任马蓓蓓、工业经济研究所首席研究员乔宝华、电子信息研究所研究人员高雅、集成电路研究所工程师丁一桐，中国电子技术标准化研究院基础软件研究室副主任方春燕，中国电子企业协会会长罗涛，中国半导体行业协会高级研究员李牧原，中国电子音响行业协会副秘书长张晓亮，上海市经信委电子信息产业处二级主任科员黄健。中国电子电路行业协会CPCA秘书长洪芳、副秘书长李琼、顾问黄伟、办公室主任高辉、信息部部长张运、信息部分析师张国旗参加了此次会议。-24