新能源汽車電池模塊PCB的線路保險絲研究

汪 珩

（無錫深南電路有限公司，江蘇 無錫 214412）

0 引言

全球新能源汽車銷量快速增長。電池模塊作為新能源汽車“三大件”之一，其高可靠、低成本成為所有新能源汽車的追求目標。對于新能源汽車的電池模塊，為防止信號短路等故障，需在模塊多個位置安裝保險絲器件。常規電池模塊車用保險絲為獨立器件，通過表貼或插接的方式放置于印制電路板（printed circuit board，PCB）表面，該方式不僅器件成本較高，且由于該電池包極耳采集模塊PCB 器件較少，經常需要為安裝該器件而額外增加表面貼裝（surface mounted technology，SMT）工序。同時，因保險絲器件位于PCB 表面，會占用電池模塊一定的Z方向空間，不利于產品小型化的實現。此外，表貼器件長期工作在振動以及冷熱沖擊等條件下，有一定脫落失效的風險。因此，開發出一款低成本、低厚度和高可靠性的保險絲成為整個行業的需求。本文闡述了一款切實可行的PCB線路保險絲方案。

1 PCB線路保險絲實現原理

PCB 線路保險絲如要實現熔斷，需在一定的時間內，電流流經保險絲產生的熱量遠大于保險絲的散熱能力，且此時的溫度需超過銅的熔點。保險絲中電流產生的熱量為

式中：I為流經保險絲的電流，A；α為電阻溫度系數，10-6/℃；θ為溫度，℃；ρ0為銅在不同溫升下的電阻率，Ω·m；L為保險絲長度，m；S為保險絲橫截面積，m2。

保險絲散熱主要由3 部分組成［1］：①保險絲對周圍環境熱輻射；② 保險絲與空氣熱對流；③保險絲與所連接導線的熱傳導。

根據牛頓散熱公式，保險絲對外散熱功率為

式中：Kt為綜合散熱系數（描述某物體在單位時間內單位面積下溫度的變化情況，需要基于實驗數據進行計算得出）；A為保險絲不計兩端焊接處的面積，m2；τω為穩定溫升，K；M為保險絲橫截面周長，m。

如保險絲正常工作，P1=P2。

如保險絲熔斷，P1＞P2，且τω超過導線熔點。

當電流流過PCB 線路時，由于銅導體有內阻會產生溫升，在日常應用中，需將溫升控制在系統允許的范圍內，保證系統能穩定工作。但在PCB 線路保險絲方案中，則需充分利用PCB 線路的溫升效應，通過合理的計算、仿真和實測等手段，利用PCB線路的溫升實現保險絲的功能。

以一款車用保險絲參數為例，該保險絲需在2 A以內的電流下穩定工作，且該狀態下器件的溫升不能超過30 K；如系統發生故障，即線路中電流超過6 A時，保險絲需在1 s內熔斷。

銅的熔點為1 083 ℃，如保險絲在通流6 A 的情況下1 s 內熔斷，則當PCB 線路通過6 A 的電流時，穩態下的線路溫度升至遠高于1 083 ℃，這時線路就會熔斷，如圖1所示。

圖1 線路6 A電流溫升

如PCB 線路保險絲在通過6 A 的電流時，只有線路保險絲溫度在低于1 s的時間內達到銅的熔點1 083 ℃，才有可能在1 s 內熔斷。圖1 為其中1種可行的線路溫升方案，當通流時間達到1 s時，此時溫度超過1 083 ℃（約為1 230 ℃）。

2 PCB線路保險絲的實驗方案

2.1 熔斷時間分析

保險絲產生的熱量與溫度和時間關系為

由式（3）可以得出

式中：ρm為銅的金屬密度，8.9×103kg/m3；c為銅的比熱容，390 J/（kg·K）；ΔT為溫升，K；ρr為銅在不同溫升下的電阻率，0.018 5 Ω·m。

由式（4）可得，保險絲的熔斷時間與線路的截面積有關，與保險絲的長度無關，在PCB 銅厚一定的情況下，線路的截面積與線路的寬度正相關。由此可得，熔斷時間與PCB 保險絲的寬度直接相關。

由式（4）可得，在PCB 常規銅厚35 μm、熔斷時間1 s、環境溫度25 ℃、ΔT=1 058 K 的條件下，保險絲線路寬度約為81 μm。

2.2 額定電流下的溫升計算

由于保險絲正常工作時P1發熱=P2散熱，由式（1）和式（2）可得

根據2.1 節得出，保險絲在通流6 A 的情況下1 s 熔斷，此時導線的寬度為81 μm，根據客戶要求，通流1 A 時，保險絲允許的最大溫升為30 K，故τω=30 K，將其他常數代入式（6），得出如保險絲在額定電流下溫升不超過30 K，則保險絲長L≈16 mm。

在產品實際應用中，考慮到線路保險絲對周圍環境的熱輻射以及PCB 基材本身有一定的導熱性，計算公式中的相關變量難以準確量化。為此，以理論計算的長度16 mm 為中值，分別增加和縮短PCB 保險絲的線路長度；與此同時，以理論計算的寬度81 μm 為中值，分別加寬和變窄PCB 保險絲線路的寬度，進行銅厚為35 μm 的PCB 保險絲樣品制作并實測。樣品設計方案如圖2所示。

圖2 銅厚35 μm PCB線路保險絲樣品設計方案

要準確測試出保險絲的熔斷時間，用手工秒表計時的方法誤差較大，計時精度遠遠不達標，為此設計一款專用的保險絲熔斷時間檢測設備，原理圖如圖3所示。

圖3 測試設備電路

該裝置的工作原理如下［2］：開關S 閉合，光耦合器IC1 工作，三極管b、e 端截止，c 為高電平，計時器計時；保險絲熔斷，光耦合器IC1 截止，三極管be正向偏置導通，計時器停止。

本款自研的熔斷時間測試設備總成本低于100 元，測試設備總體積小于1 dm3，且無須外接電源、操作簡單，外部只有1 個開關和2 個按鈕，產線員工經過短時間培訓即可使用，測量誤差小于0.01 s。

根據以上測試方案，通過對實物進行多次測量，可以選出最適合該保險絲指標的PCB 線路模型。但是，該模型仍然為設計數據，PCB 線路實際加工的數據與設計數據存在一定的偏差，可通過切片分析的方式校準該加工偏差。

對不同寬度的PCB 線路保險絲樣品進行分段取樣，在顯微鏡下測量線路的寬度和厚度，對所有的數據進行記錄并對數據進行加以分析，如圖4所示。對切片進行測量分析可得，在線路較窄的情況下，設計線寬與實際線寬有±15%誤差，設計銅厚與實際銅厚也存在±10%的誤差。在產品設計階段，須將該誤差迭代回理論計算和仿真模型中。

圖4 實際線寬與設計線寬對比

3 PCB線路保險絲仿真方案

根據理論計算以及實測結果分析，PCB 線路蛇形繞線可實現PCB 線路保險絲的功能。以實測PCB 線路數據為基礎，以6 A 電流為基準按電流增加的比例加寬PCB 線路的寬度。與此同時，因現有產品中所使用的保險絲器件封裝為1206 封裝，故設置同等寬度線路的1206 封裝樣式PCB 保險絲為對照，評估常規器件封裝尺寸能否實現PCB 線路保險絲功能。仿真模型所通過的電流分別為6、8、10、15 A，PCB 厚為1 mm，銅厚為35 μm。仿真模型如圖5和圖6所示。

圖5 PCB線路保險絲仿真模型

圖6 6 A保險絲仿真結果

由仿真結果可知，當通過6 A 電流1 s 熔斷的保險絲模型加載6 A電流時，在該電流狀態下，其穩態的溫度高達2 991.8 ℃，這也側面說明了其可在1 s 內快速熔斷的原因，但同樣寬度的線路在1206 封裝下，線路穩態溫度僅為99.3 ℃。銅條傳熱模型如圖7 所示［3］，在PCB 表層線路的厚度和寬度已定的情況下，當通過不同長度銅條的電流I相等時，長扁條中心溫度T1大于短扁條中心溫度T2。即保險絲線路的長度決定了溫升的最大值，這也佐證了仿真結論：蛇形繞線的線路溫升遠超過1206封裝線路的溫升。

圖7 銅條傳熱模型

根據電流從6 A 增加到8 A 的比例，將PCB 線路保險絲的線路模型進行加寬，通過圖8 仿真結果可以發現，在該種狀態下，蛇形線路的溫度并沒有明顯的變化，此時溫度為2 910.2 ℃，但1206封裝的線路保險絲溫度比之前有明顯升高，達到了182.6 ℃。分析認為，在該電流條件下蛇形線路因與空氣熱交換面積較大，暫時達到了熱平衡；但1206 封裝的PCB 線路保險絲，因散熱面積有限，溫度升高的比例更大。

圖8 8A 保險絲仿真結果

由圖9 可知，當電流為10 A 時，該狀態下，蛇形繞線以及1206 封裝線路保險絲的溫度分別為3 391.9 ℃和366.1 ℃。根據圖10，當電流為15 A時，蛇形繞線和1206 封裝線路保險絲的溫度分別為5 052 ℃和489 ℃。

圖9 10 A保險絲仿真結果

圖10 15 A保險絲仿真結果

綜合對比所有的仿真結果可得：蛇形繞線保險絲的溫升遠高于1206 封裝的，這是因為同等寬度的線路情況下，線路越長，線路中心點的溫升越高。要充分利用PCB 自身的散熱能力，通過合理地增加熱交換面積，讓線路在正常工作電流下保持比較低的溫升；PCB 線路保險絲通過過載電流時，達到穩態時的溫度要遠超過銅的熔點。在現實情況下，PCB 線路的溫度超過銅熔點時線路會熔斷，此時線路處于斷路狀態，溫度將不會繼續升高，這為理論計算和仿真都帶來了極大的不確定因素。通過與蛇形繞線的仿真對比結果，可以發現常規1206 封裝的線路保險絲溫升遠不能達到銅的熔點，線路無法實現熔斷，故并不能實現線路保險絲的功能。

4 結語

電池模塊作為新能源汽車的“三大件”之一，其高可靠性、低成本是所有新能源汽車電池供應商的追求。本文通過PCB線路保險絲的理論分析、方案設計以及仿真驗證，從多個角度闡述了PCB線路保險絲的可行性。其替代了傳統的保險絲器件，在降低系統厚度的同時也減少了SMT 的工序，并且抗振性能更優、系統可靠性更好、成本也更低。

需額外補充的是，如圖11 所示，PCB 線路保險絲不僅僅可以單獨使用，還可采用2 組或多組并聯的方案進行使用，這樣當其中一條保險絲熔斷時，可以通過0 Ω 電阻或者直接用焊料將另一端短接的方案使系統恢復工作，進一步降低系統維護的成本。

圖11 保險絲備份方案