一种大电流放电锂离子电池的保护新方案
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一种大电流放电锂离子电池的保护新方案
引言本文引用地址：　　应用于无线电动工具、电动自行车、后备电源等领域的大电流放电锂离子电池快速增长的市场催生了对大电流（在30V直流电压下，保持电流在30A以上）电路保护器件的需求。　　一种新型的MHP保护器件应运而生，该器件由一个双金属保护器及一个PPTC（聚合物正温度系数）器件并联而成。这种器件既能提供可复位的过电流保护保护功能，又可利用PPTC器件的低电阻特性来抑制双金属保护器在大电流条件下动作时产生电弧。　　1 传统解决方案与MHP器件　　大电流电锂离子电池组应用需要稳定、可靠的电路保护；但是，目前可用的传统电路保护装置普遍较大、较复杂或价格较高。有些电路保护设计结合使用IC和MOSFET或类似复杂方案；有些考虑在30A+工作电流的直流电应用中采用双金属保护器，但必须用很大的触点才能承受这么高的电流，结果导致保护装置体积过大。此外，由于触点之间产生电弧可能损坏触点，所以还必须限制动作次数。　　相比之下，泰科电子开发的新型MHP综合器件可代替或减少某些复杂IC/FET电池保护设计中所用的放电FET及散热器件。将MHP器件用于高倍率放电锂离子电池组应用可减少空间占用，节约成本，提高保护性能。　　2 工作原理　　在正常状态下，由于双金属片的电阻低，电流通过双金属片流过。在异常情况下，比如电动工具转子闭锁时，电路中将产生很高的电流，导致双金属触点打开，其接触电阻为大电流放电锂离子电池应用提供可复位电路保护的新方案增加。此时电流将通过低电阻的PPTC流过。流过PPTC的电流，不仅抑制了触点之间电弧的产生，同时又加热双金属片，使其保持在打开状态和锁定位置。这种集成设计满足了大电流直流应用中具有电弧抑制功能的可复位过流保护器件的要求。　　如图1所示，MHP器件的动作步骤包括：　　a 在正常工作过程中，由于接触电阻非常低，所以大部分电流将通过双金属。　　b 触点开始打开，接触电阻迅速上升。当接触电阻高于PPTC器件电阻时，大部分电流将分流至PPTC器件，流经触点的电流会很少或完全没有，从而防止触点之间产生电弧。当电流分流至PPTC器件时，其电阻迅速上升，并达到远远高于接触电阻的水平，使PPTC温度上升。　　触点打开后，PPTC器件开始对双金属进行加热，让其保持打开状态，直到过电流条件消失或电源关闭为止。PPTC器件的电阻要远远低于陶瓷PTC器件电阻，也就是说即使触点只打开一小部分，接触电阻只是略有上升，电流也会被分流至PPTC器件，从而有效防止触点产生电弧。一般情况下，陶瓷PTC器件与聚合物PTC器件的电阻相差约10的两次方（x10^2）。所以，电阻较高的陶瓷PTC装置在抑制高电流电弧放电方面远不如聚合物PTC器件有效。　　图2是显示双金属保护器与PPTC器件并联的电路图　　3 结合使用双金属和PPTC的优势　　图3和图4显示了只使用一个双金属保护器时的电流和电压情况。图3显示了双金属保护器在24VDC/20A额定条件下的典型打开情况，它在1.28毫秒后打开。图4显示了双金属保护器在两倍额定电压条件下的表现。一个标准的双金属保护器在故障条件产生电弧，从触点开始打开到出现短路的时间是334毫秒。　　图5显示了并联使用PPTC器件和双金属保护器的结果&&电流被切断。从双金属保护器开始动作起到PPTC器件被完全激活的时间是6.48毫秒。从保护器开始动作起到电流被切断的时间是4.80毫秒（见图5的右图）。　　结合图5中的两幅图像，我们可以看到电流从双金属保护器向PPTC器件的平稳过渡，没有出现保护器触点熔合，我们还可看到PPTC器件如何帮助防止触点产生电弧。　　4 MHP器件优势　　接下来的部分描述了MHP器件相对于常用电路保护器件而言所具有的优势。　　4.1 触点小，电阻低　　典型的双金属保护器上通常只有一个触点，所以其耐压能力并不强。对于单触点设计，较高的电流所需的触点尺寸也会很大。为解决该问题，MHP器件采用&双闭合/双断开&触点设计，从而大大缩小了装置尺寸（见图6）。 该技术相对于常用双金属保护器而言具有以下几点优势：　　a 由于电流路径极短，所以器件的电阻非常低；　　b 只有接触点才会产生热量，从而可以通过热控制器件实施准确的热激活；　　c 它使MHP器件相对于额定参数相当的其他断路装置而言可以更加紧凑。　　图6:用于综合MHP器件的双闭合/双断开触点设计为方便比较，图7显示了标准的双金属触点。　　从图7可以看出，触点仅位于一个位置上，所以它的耐压能力不如MHP器件。　　4.2 提高耐冲击/耐振动能力　　图8显示了MHP器件的具体设计优势，这种设计使MHP器件能提供更长的使用寿命，能承受较大的振动和冲击，可用于高电流应用的苛刻工作环境。　　典型的电动工具在使用时通常会承受较大的振动和冲击。　　为达到此类要求，MHP器件的触点之间需要足够的接触压力。标准的保护装置通常通过强力弹簧让移动接触臂与固定触点保持接触。但是，在较大的冲击或振动条件下，弹簧（即使是强力弹簧）产生的压力通常达不到保持触点接触所需的压力。　　倒钩（确保振动和冲击条件下的稳定接触）为解决这一问题，MHP器件将设计重点放在双金属盘上，因为没有热触点的双金属盘有足够的强度保持稳定。此外，我们还给移动接触臂增加了一个倒钩，以增加双金属盘提供的接触压力。移动接触臂通过装置另一侧的插销固定。在接触点上增加一个倒钩可减少移动臂的转动，在两个触点上产生更大的向下压力。MHP器件经过了1000次冲击和1500次掉落测试，未出现故障；此外还通过了三次3000克冲击测试。　　4.3 跳闸周期测试　　图9显示了MHP器件的电阻/温度曲线。器件的打开和闭合温度可通过选择具有不同打开和闭合温度的双金属进行定制。
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专利名称一种直流热磁脱扣器装置的制作方法
技术领域本实用新型涉及一种直流热磁脱扣器装置，特别地涉及一种降低端子温升的直流断路器热磁脱扣器装置。
背景技术随着新能源，轨道交通以及通信电源的发展，直流断路器的应用已越来越广泛。大量的新能源项目环境对直流断路器的端子温升也提出了更高的要求，美国标准(UL)要求端子温升&50°C，使用传统的直流热磁脱扣器在某些电流规格很难达到UL端子的温升要求。在直流断路器中使用的传统的直流热磁脱扣器每极的保护装置都还设置有热保护装置与磁保护装置。其中热保护装置包括发热元件、双金属片等，发热元件的电阻影响了产品的保护性能与产品的端子温度，一般同一直流脱扣器各极的发热元件的电阻是一致的，为了保证直流脱扣器的热性能，通常会选用电阻较高的发热元件，因此导致了各极端子的温升较闻。现有的三极或四极直流热磁脱扣器分别包含3或4个热保护装置与磁保护装置，但由于直流使用场合大多需要装配端子罩以及连接排，在一定程度上降低了断路器的散热性能，增加了端子温升。即便是在一定程度下，适当减少发热元件的数量，改用低电阻的导电元件替代，则也会出现在使用发热元件的端子处，温升仍然相对较高，使用低电阻的导电元件温升相对较低，因此在断路器的各极端子处的温升不一致。直流断路器特别是光伏用PV直流断路器，对产品的温升要求更严格(UL要求端子温升&50°C)，使用传统的交流热磁脱扣器较难达到此要求。因此有必要研制一种降低端子温升的直流断路器热磁脱扣器装置，其在保证脱扣器热性能不受影响的同时，还可以有效地降低直流热磁脱扣器的端子温升。
实用新型内容本实用新型旨在提出一种降低端子温升的直流热磁脱扣器装置，其解决了现有技术中的热磁脱扣器装置端子温升过高的技术问题，在保证直流热磁脱扣器热性能不受影响的同时，还可以有效地降低直流热磁脱扣器的端子温升。虽然，该直流热磁脱扣器通常用于直流断路器中，但是不限于在直流断路器中使用。本实用新型提出的一种降低端子温升的热磁脱扣器装置的技术方案为:—种直流热磁脱扣器装置，包含多个发热元件，多个发热元件与电源和负载串联形成电流传导的闭合回路，其中:多个发热元件包括高电阻发热元件和低电阻发热元件，高电阻发热元件的电阻大于低电阻发热元件的电阻，高电阻发热元件用于对热磁脱扣器装置进行热保护，低电阻发热元件用于导通电流，在该闭合回路中，高电阻发热元件与低电阻发热元件交替设置。优选地，在电流传导的闭合回路中，从电源正极流出的电流从高电阻发热元件接入，根据设置的发热元件的数目，再交替流动通过低电阻发热元件和高电阻发热元件，直至通过最后一个发热元件流出回到电源的负极，电流在从电源正极流动到负极的过程中还流动通过负载。流入直流热磁脱扣器装置的电流从高电阻发热元件流入，然后流经低电阻发热元件，再流经高电阻发热元件，根据设置的发热元件的数目，交替流过低电阻发热元件，高电阻发热元件。在本实用新型的直流热磁脱扣器装置中使用了珀尔帖效应。珀尔帖效应是两种不同的金属构成闭合回路，当回路中存在直流电流时，将在该两种不同金属的接头之间产生温差，也就是电流流过两种不同导体的界面时，将从外界吸收热量，或向外界放出热量。由珀尔帖效应产生的热流量称作珀尔帖热。在本实用新型的直流热磁脱扣器装置中，通过规定电流从高电阻发热元件流入直流热磁脱扣器装置，并流经低电阻发热元件，并根据设置的发热元件的数目，交替流过高电阻发热元件，低电阻发热元件，保证了在高电阻发热元件端子处由于珀尔帖效应而产生吸热作用，降低其端子处的温升，在低电阻发热元件的端子处产生散热作用，由于低电阻的端子温升本身相对很低，所以即便在散热作用下，其端子温升属于相对较低的温度。这是因为根据珀尔帖效应，电荷载体在导体中运动形成电流，由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时，便释放出多余的能量；反之，从低能级向高能级运动时，从外界吸收能量，因此能量在两材料的交界面处以热的形式吸收或放出。在本实用新型中，规定电流从高电阻发热元件流向低电阻发热元件，因此可以使得在高电阻发热元件端子处产生放热而在低电阻发热元件端子处产生吸热。这样使得在高电阻发热元件端子处的温升下降，而在低电阻发热元件端子处的温升上升，因为低电阻发热元件仅作为导通电流的作用，其自身的温升很小，因此即使温升上升，其端子处的温升仍然相对较低，而同时降低的高电阻发热元件端子处的温升满足了对直流热磁脱扣器较为严苛的使用条件。在此，所述的端子为发热元件的一个端部。优选地，在高电阻发热元件上还设置有热保护元件。优选地，该热保护元件是双金属片。在高电阻发热元件上设置热保护元件可以使高电阻发热元件用于对热磁脱扣器进行热保护，通常，这种热保护元件是双金属片，组成双金属片的两种金属的热膨胀率不相同，因此，对于同样的温度升高，出现不同的弯曲，当温升超过设定的阈值时，双金属片使得直流热磁脱扣器装置脱扣，实现对直流热磁脱扣器装置的热保护作用。优选地，直流热磁脱扣器装置还包括磁保护装置。优选地，多个发热元件为2个，3个或4个。优选地，所有高电阻发热元件的电阻相同，所有低电阻发热元件的电阻相同。如上所述，设定发热元件仅由两种电阻的材料构成，可以使得直流热磁脱扣器装置的生产和组装更为简单。优选地，直流热磁脱扣器装置是直流断路器的直流热磁脱扣器装置。该直流热磁脱扣器装置通常为直流断路器中使用的直流热磁脱扣器装置，其端子即为直流断路器的端子，其端子的温升得以改进，则直流断路器的性能得到优化。一种降低前述的直流热磁脱扣器装置的端子温升的方法，所述端子是发热元件的一个端部，控制流动通过所述直流热磁脱扣器装置的电流从直流热磁脱扣器装置的高电阻发热元件流入。在交替设置有高电阻发热元件，低电阻发热元件的直流热磁脱扣器中，控制电流从高电阻发热元件流入，可以运用珀尔帖效应，使得高电阻发热元件的端子处的温升降低，而低电阻发热元件的端子处的温升上升，因为低电阻发热元件仅作为导通电流的作用，其自身的温升很小，因此即使温升上升，其端子处的温升仍然相对较低，而同时降低的高电阻发热元件端子处的温升满足了对直流热磁脱扣器较为严苛的使用条件。本实用新型提出的一种降低端子温升的直流热磁脱扣器装置，其在保证直流热磁脱扣器热性能不受影响的同时，还可以有效地降低直流热磁脱扣器的端子温升。
本实用新型的其它优点和特征将从接下来的仅以非限制性示例的目的给出的并表示在附图中的本实用新型的特定实施例的说明变得更加清楚明显，在附图中:图1是根据本实用新型的直流热磁脱扣器装置的结构示意图；图2是带有热保护装置的发热元件的结构示意图；图3是由铜和铁两种金属组成的闭合电路的示意图；图4-1是现有技术中的直流热磁脱扣器装置的电流流动的示意图；图4-2是改进的直流热磁脱扣器装置的电流流动的示意图；图4-3和图4-4是根据本实用新型的直流热磁脱扣器装置的电流流动的示意图。附图标记说明I直流热磁脱扣器装置2发热元件2-1、2-2、2-3、2_4 发热元件3 端子4热保护元件N、A、B、C 发热元件
具体实施方式
下面参照图1至图4-4更加清楚地说明根据本实用新型的降低端子温升的直流热磁脱扣器装置及降低上述直流热磁脱扣器的端子温升的方法。图1示出了根据本实用新型的降低端子温升的直流热磁脱扣器装置的第一实施例的透视图，在该实施例中，该直流热磁脱扣器装置I具有4极发热元件2，发热元件2的一端即为端子3。发热元件2-1和发热元件2-3具有相同的电阻，发热元件2-2和发热元件2-4具有相同的电阻，该两组电阻互不相同，分为高电阻发热元件2-1，2-3和低电阻发热元件2-2，2-4，该4个发热元件，也就是4极发热元件与电源和负载(未示出)串联形成电流传导的闭合回路，在此，高电阻发热元件2-1，2-3上设置有热保护元件，用于对热磁脱扣器装置I进行热保护，低电阻发热元件2-2，2-4用于导通电流。具有该构型的直流热磁脱扣器装置通过设定直流电流的流动方向可以达到降低端子温升的目的，其降低端子温升的原理及实验过程将在下文进行详细叙述。[0042]图2示出了发热元件2的结构示意图，该发热元件一端带有热保护元件4，在本实施例中的热保护元件是双金属片，另一端为端子3。图3示出了珀尔帖效应的一个简单的示意图。该闭合回路是由两种不同的金属导体构成，该两种金属导体具有不同的电阻，在该示意图中为铜和铁两种金属导体，在该两种金属导体的接合部分，一个接合部分得以加热，另一个接合部分得以冷却。珀尔帖效应为两种不同的金属构成闭合回路，当回路中存在直流电流时，两个接头之间将产生温差。珀尔帖效应就是电流流过两种不同导体的界面时，将从外界吸收热量，或向外界放出热量。由珀尔帖效应产生的热流量称作珀尔帖热。下面将结合图4-1至图4-3对珀尔帖效应在根据本实用新型的直流热磁脱扣器装置以及现有技术的以及改进的直流热磁脱扣器装置中进行验证。图4-1是现有技术的直流热磁脱扣器装置的电流流动的示意图，现有技术的直流热磁脱扣器装置与图1中的根据本实用新型的直流热磁脱扣器装置的结构设置大致相似，但是其所使用的发热元件不完全相同，且现有技术的直流热磁脱扣器装置在每个发热元件上均设置有热保护元件。图4-1中的N，A，B，C分别代表4极发热元件，在现有技术的直流热磁脱扣器装置中，4极发热元件的电阻完全相同，是4个相同的发热元件。电源流出的电流从发热元件A流入再流经发热元件N经过负载后再流动经过发热元件C，最后流动经过发热元件B回到电源。表1示出了在环境温度40.9摄氏度的条件下，在电流流动通过图4-1中示出的现有技术的直流热磁脱扣器装置时，对端子的温度进行测量所得出的对应各发热元件N、A、B和C端子温度。表I现有技术的直流热磁脱扣器装置的热测试结果
权利要求1.一种直流热磁脱扣器装置(I )，包含多个发热元件(2)，多个发热元件(2)与电源和负载串联形成电流传导的闭合回路，其特征在于:多个发热元件包括高电阻发热元件和低电阻发热元件，所述高电阻发热元件的电阻大于所述低电阻发热元件的电阻，所述高电阻发热元件用于对所述热磁脱扣器装置(I)进行热保护，所述低电阻发热元件用于导通电流，在该闭合回路中，所述高电阻发热元件与所述低电阻发热元件交替设置。
2.根据权利要求1所述的直流热磁脱扣器装置(I)，其特征在于:在电流传导的闭合回路中，从电源正极流出的电流从高电阻发热元件接入，根据设置的发热元件的数目，再交替流动通过低电阻发热元件和高电阻发热元件，直至通过最后一个发热元件流出回到电源的负极，电流在从电源正极流动到负极的过程中还流动通过负载。
3.根据权利要求1或2所述的直流热磁脱扣器装置(I)，其特征在于:在所述高电阻发热元件上还设置有热保护元件(4)。
4.根据权利要求3所述的直流热磁脱扣器装置(I)，其特征在于:所述热保护元件(4)是双金属片。
5.根据权利要求1或2所述的直流热磁脱扣器装置(I)，其特征在于:所述直流热磁脱扣器装置(I)还包括磁保护装置。
6.根据权利要求3所述的直流热磁脱扣器装置(1)，其特征在于:多个发热元件为2个，3个或4个。
7.根据权利要求3所述的直流热磁脱扣器装置(I)，其特征在于:所有所述高电阻发热元件的电阻相同，所有所述低电阻发热元件的电阻相同。
8.根据权利要求1或2所述的直流热磁脱扣器装置(I)，其特征在于:所述直流热磁脱扣器装置是直流断路器的直流热磁脱扣器装置。
专利摘要本实用新型旨在提出一种降低端子温升的直流热磁脱扣器装置，其解决了现有技术中的热磁脱扣器装置端子温升过高的技术问题。一种直流热磁脱扣器装置，包含多个发热元件，多个发热元件与电源和负载串联形成电流传导的闭合回路，其中多个发热元件包括高电阻发热元件和低电阻发热元件，高电阻发热元件用于对热磁脱扣器装置进行热保护，低电阻发热元件用于导通电流，在该闭合回路中，高电阻发热元件与低电阻发热元件交替设置。根据本实用新型的直流热磁脱扣器装置在保证直流热磁脱扣器热性能不受影响的同时，还可以有效地降低直流热磁脱扣器的端子温升。
文档编号H01H71/40GKSQ
公开日日 申请日期日 优先权日日
发明者黄银芳, 韩志刚, 张晋德 申请人:施耐德电器工业公司