汪 珩

（无锡深南电路有限公司，江苏 无锡 214412）

0 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。

1 PCB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

式中：I为流经保险丝的电流，A；α为电阻温度系数，10-6/℃；θ为温度，℃；ρ0为铜在不同温升下的电阻率，Ω·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］：①保险丝对周围环境热辐射；② 保险丝与空气热对流；③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

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；τω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，P1＞P2，且τω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。

图1 线路6 A电流温升

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 ℃）。

2 PCB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

由式（3）可以得出

式中：ρm为铜的金属密度，8.9×103kg/m³；c为铜的比热容，390 J/（kg·K）；ΔT为温升，K；ρr为铜在不同温升下的电阻率，0.018 5 Ω·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 保险丝的宽度直接相关。

由式（4）可得，在PCB 常规铜厚35 μm、熔断时间1 s、环境温度25 ℃、ΔT=1 058 K 的条件下，保险丝线路宽度约为81 μm。

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

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 μm，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τω=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L≈16 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 μm 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 μm 的PCB 保险丝样品制作并实测。样品设计方案如图2所示。

图2 铜厚35 μm PCB线路保险丝样品设计方案

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。

图3 测试设备电路

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4 实际线宽与设计线宽对比

3 PCB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 μm。仿真模型如图5和图6所示。

图5 PCB线路保险丝仿真模型

图6 6 A保险丝仿真结果

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7 铜条传热模型

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。

图8 8A 保险丝仿真结果

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 ℃。

图9 10 A保险丝仿真结果

图10 15 A保险丝仿真结果

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 Ω 电阻或者直接用焊料将另一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。

图11 保险丝备份方案