在化学苛刻环境下用于高压应用的集成柔性电路熔丝的电弧抑制和保护的制作方法

本发明一般涉及与电池供电系统结合使用的电压感测和保护组件，且更具体地涉及一种增加电压感测熔丝的耐环境性的方式，所述电压感测熔丝集成到柔性电路中用于形成较大电池组件的多个电池单元的电压监测和保护。

锂离子和相关电池用于运输应用，在混合电动车辆(HEV)的情况下，作为补充，或在纯电动车辆(EV)、常规内燃机(ICE)的情况下，作为替代。能够从固定式和便携式电源处以及从由车辆及其组件提供的重获动能被动地储存能量使得这种电池理想化地用作用于汽车、卡车、公交车、摩托车以及相关车载平台的推进系统的一部分。在适用于汽车应用的一种形式中，个别电池单元合并成较大组件从而增大电流或电压以产生所需电力输出。在本发明上下文中，较大模块和组组件由一个或多个串联、并联或两者结合连接的单元组成，且包括附加结构以确保正确安装到车辆中。尽管术语“电池组”在本文中用于讨论用于推进动力应用的基本上完整的电池组件，但是本领域的技术人员应理解，相关术语(比如“电池单元”等)也可用于描述这种组件，以及两个术语可交换使用而不会影响这种理解。

一种常见车载形式的电池组是动力电池，而另一种是能量电池。在动力电池组变体中，组成电池组的个别单元配置为限定了称为单元壳的刚性外壳体的棱形(即矩形)罐。在能量电池组变体中，个别单元被容纳在较薄的柔性棱形包中。两个变体可沿由对齐的板状表面形成的堆叠轴线放置成相对布置(与一副扑克牌非常相似)。在罐或包这两种形式中，正极和负极端子(或凸片)从一个或多个单元边缘向外延伸且彼此隔开以作为接触件用于将内部产生的电流连接至公共载荷或电路。不管采用何种变体，用于容纳堆叠个别单元的外壳必须能够牢固附接至相应车辆车厢且容纳在相应车辆车厢内，以及提供单元和车辆内耗电电载荷之间的适当电连接性。

上文所讨论的电连接性的一个重要部分是以电压感测电路的形式允许对各种电池单元内的异常电压情况的监测和相关检测。在一个形式中，这种电路还包括防故障组件，比如熔丝形式的断路器。在传统形式中，熔丝是表面安装(比如通过回流锡焊等)到形成于下面电路板或相关元件上的焊垫的“现成”组件。与用于这类熔丝的传统焊接、锡焊或相关接合方法相关的一个难题是它们易受制造变化的影响，所述制造变化可导致熔丝在预期电压波动情况、车辆撞击或其它破坏性事件条件下不产生所需断路功能。此外，因为熔丝给电压感测电路造成了阻力，所以熔丝制造中的任何这类变化会导致熔丝充电和放电错误，这可进一步妨碍运行一致性。附接传统熔丝的另一个难题源于上文所讨论的接合运行的缺陷，因为这些缺陷可导致熔丝与导电线或电压感测电路的其它零件的偶然分离；这些问题尤其普遍存在于高振动载荷的车载应用中。

一个重要的问题也源于车载熔丝暴露于其中的苛刻运行环境。特别是，常规熔丝往往在变化的局部环境情况下不稳定，尤其是在涉及湿度、温度、存在电池组冷却剂或其它化学制剂等的变化的情况下不稳定。本发明人已经确定，无法控制这种环境的影响可导致会另外妨碍熔丝有效使用的非期望形态。

因为这些和其它与常规表面安装式熔丝相关的问题，可选的方法涉及被称为“集成迹线熔丝”的使用，所述集成迹线熔丝形成为组成电流路由电路的迹线的一部分。这些可充当可调谐的熔丝元件，其通过还用于形成电路迹线或电路相关线路的常规光刻方法，沿着迹线熔丝长度形成颈缩区域。虽然相对于常规表面安装式熔丝，使用集成迹线熔丝配置可有助于提供精确的熔丝熔断曲线特性，但本发明的发明人确定它们也遭受了显著的阻碍。例如，响应于高压(如，约400V及以上)断路事故或有关熔断事件将熔丝作为断路器启用后，本发明的发明人已经确定迹线将以猛烈方式熔断。更成问题的是此熔断可能会在电路基座材料中烧出一个洞，其可能会致使导电碳覆盖附近区域，经过随后的枝晶体生长到相邻电路可引起其它短路事件。本发明的发明人已经确定当导电膜或导电层生成时，此类枝晶体生长是有可能的，其将在高压电路到较低电压电路(例如，接地)之间提供导电路径，并且此层可通过至少两个方法形成，包括(a)反复的电池加热和冷却，其可引起电池组件内部的冷凝现象(包括水和各种导电污染物)，和(b)由各种类型故障事件而引起的冷却剂泄漏。这种枝晶状形成在存在离子水溶液沉淀物(例如，冷却剂或类似物，如上述所提到的水，其可以蒸发从而留下导电污染物，此污染物可累积并提供高电压-接地的短路)的情况下，特别容易出现问题。这样，枝晶生长在感测电路在此环境中不密封的任何接点都可发生。另外，因为用于车载平台的电池组主要在动态的(即，非静止的)环境下运作，所以用于将电池组温度保持在规定限度之内的冷却剂在各种运行期间会在整个电池组内移动，如车辆转弯、加速、陷入坑槽及相关起伏波动、事故之类。导电冷凝物也可以在任意表面上形成，包括顶面，其中热湿空气和冷环境在此会聚。

本发明的发明人进一步确定，一体成型的熔丝的长度必须足够长以处理预期故障模式的高压。举例来说，他们已经确定，如上述讨论的高压熔断事件，需要足以扑灭它们本身(尤其是在户外环境中)的更远的距离；继而这需要更大封装空间以容纳更长的长度。这种配置在紧密封装的电路板中可能是不可行的，其中非常需要用于容纳更长的熔丝。此外，本发明的发明人已经确定，在电压感测电路中使用高电阻导线(例如以镍为主或以铝为主的高电阻导线)作为一种避免电弧事件有害效应的方法是无效的，因为它在电阻内仍然承受了与上述讨论的表面安装式熔丝相同的变化。此外，本发明的发明人已经确定，当此电路在存在导电液体(例如，如上所述用于冷却电池组的冷却剂)且无合适环境保护的情况下，这些变会可以变得更为明显。

技术实现要素：

根据本发明的一方面，本发明公开了一种用于感测由电池组内的至少一个电池单元产生的电压的组件。该组件包括其上限定了很多母线的电池互连板(ICB)，以及与ICB协作的刚性或柔性电路板。电路板包括形成在其表面上的多个电压传感电路，其中每个此电路包括一体成型的熔丝(也被称为易熔元件)作为导电线路或迹线的一部分。在当前情境中，一体成型的熔丝在制作方法上不同于表面安装式熔丝或离散成型的熔丝。例如，一体成型的熔丝优选地通过图案化或相关的沉积工艺而形成，而离散成型的熔丝版本首先经制造，然后通过上述焊接、锡焊或相关接合技术附接到电路板。在一种形式中，单元可以为棱形包，然而在另一形式中，它们可以是棱形罐，然而在又一形式中，它们可以是圆柱罐。

除熔丝和线路之外，每一电压感测电路都包括使用耐环境性材料形成在熔丝周围的密封剂，使得每个电压感测电路都与母线中各自对应的一个经由信号协作，同时在电池组正常运行期间以及其中熔丝熔断的断路事故后使熔丝保持与周围环境隔离。在本文中，应理解这些环境隔离不会阻止熔丝以及迹线允许电流在它们和各种电池单元端子以及母线之间的正常流动，更确切地其包括将熔丝容纳在壳状保护包覆物内从而消除或基本上降低通过枝晶生长、电痕或相关现象与相邻电路形成短路的趋势。作为优选形式，密封剂形成高介电(即电绝缘)包覆物；这样用来抑制和容纳由熔断事件产生的电弧和任何碎屑或碳；这种容纳特别有助于防止将电路板基板烧穿。由于枝晶生长或电痕，因此就不存在电阻式短路的风险。此外，密封剂材料优选为适用于选择性分配(比如通过机械方法)的高粘度、触变材料。涂层可热固化或UV固化，由于后者固化时间要短得多，优选为后者。在一种形式中，材料可以以聚氨酯为主。介电强度优选为约20kV/mm，而其CTI指数是至少600。在更具体的形式中，密封剂可由膨胀材料制成，比如2015年5月12日提交的题为《用于包括熔丝的供电电路板的新型热保护系统》(NOVEL THERMAL PROTECTION SYSTEM FOR POWERED CIRCUIT BOARDS INCLUDING FUSES)的相关的共有美国申请14/710，216中所公开的膨胀材料，该申请全文以引用方式并入。和阻止跨过断开的、熔断的迹线形成电阻式短路一样，添加密封剂对实现长度更短的易熔迹线区域也额外重要；这在使用较大电压电池单元和电池组配置的配置中是特别有价值的。在一个优选的形式中，密封剂是触变材料使得其就像易熔元件之上的在正中心的厚膜保形涂层。这使得其首先在一体成型的熔丝上形成均匀层，然后抵抗此后额外的流动。在一种形式中，可使用油墨状沉积工艺来帮助密封剂在沉积时快速恢复其粘性；这在当密封剂形成在对应于熔丝的布置的电路板的相对侧时尤其有用；这种双面密封剂成型更好地将熔丝与周围环境隔离。密封剂的体积尺寸(包括长度、宽度和深度)可制成为使得在断路事故后对熔断的熔丝的损害基本上限制为局部熔丝熔化，这是非常重要的；这样，避免了更剧烈的熔丝熔断形式以及伴随的毁坏相邻电路的可能性。

根据本发明另一方面，公开了一种配置为向车辆提供推进动力的电池组。电池组包括如上文讨论的沿堆叠轴线对齐的多个棱形电池单元、配置为容纳多个单元的壳体、以及都与各自相应的单元电力协作的电压感测电路。每个电路都包括形成在导电电压迹线的至少一部分中的一个或多个图案化熔丝，以及形成在熔丝周围的密封剂。密封剂由耐环境性材料制成使得熔丝在电池组正常运行期间以及造成一个或多个熔丝熔断的断路事故之后都保持与周围环境隔离。熟悉本领域的技术人员应当理解电池组可包括用于机械或电气支持的附加特征部，包括附加框架、容器、冷却回路等。例如，在优选的可选形式中，电压感测电路形成组件的一部分，该组件由电池ICB以及与ICB协作的电路板组成，电池ICB限定布置于其上或形成于其中的多个母线，电路板(其可为刚性或柔性的)限定其上的各个电压感测电路。

根据本发明的又一方面，公开了一种为汽车推进系统电池组提供短路保护的方法。该方法包括运行由沿堆叠轴线对齐使得其配置在壳体之中的多个棱形电池单元组成的电池组，从而使都与一个或多个单元协作的多个电压感测电路将指示单元电压的电流传递至形成在导电电压迹线的至少一部分之中的图案化熔丝。形成在熔丝周围的密封剂使熔丝在对应于电池组正常运行以及其中熔丝熔断的断路事故之后的电流电平期间都基本上保持与周围环境的环境隔离。

附图说明

当结合以下附图阅读时，具体实施例的以下详细描述可最好地理解，其中相同的结构用相同的参考标记指示，其中：

图1是配置有混合动力源的示例性车辆的示意图，其示出电池组与车辆的各个其它子部件的集成；

图2是可用在图1中的车辆中的电池组的简化分解图；

图3示出了根据本发明的一个方面的ICB的俯视透视图，其示出并入到母线和端子销之间的电压感测电路中的熔丝；

图4示出了根据本发明的一个实施例的具有都形成在图3中的ICB的一部分上的包覆成型密封剂的电压感测电路的电压迹线部分的详细视图；以及

图5示出了在熔丝和电压迹线的一部分之上和之下的图4中的密封剂的抽象布置的侧向正视图。

具体实施方式

首先参照图1和图2，其示出了混合动力车辆100(图1)和用于推动车辆100的电池组400(图2)的视图。在本文中，应该理解术语“车辆”可适用于轿车、卡车、运动型多功能车(SUV)等。车辆100包括ICE 200、一个或多个电动马达300和电池400(本文也称为电池组以强调其内部多个电池单元的组装性质)，以及电子控制系统(未示出)。车辆100还包括将推进动力从ICE 200、马达/发电机300或电池400传递至一个或多个轮子500的传动系(未示出，其可以是驱动轴等形式)。电池400可额外包括充电状态(SOC)系统和动力逆变器组件(两者都未示出)，后者包括各种模块，包括用于IGBT和电容器(未示出)的模块以及配置为在这些模块和其它相关联的与电池有关的电子部件之间提供电流路径的其它导电元件。母线组件(仅示出了其部分并将在下文中更详细地讨论)提供电池组400内的各个电池单元之间以及电池组400和整个车辆100中的电力载荷之间的紧密、可靠的电连接。尽管电池组400示出为在车辆100的后部，但其可以位于任何合适的位置以利于优选的电耦接和结构耦接度。在一个实施例中，电池组400是由多个锂离子(Li离子)单元405组成的组件。熟悉本领域的技术人员应理解，虽然车辆100当前示出为混合动力车辆，但使用纯电力的车辆(即，不需要ICE 200的车辆)也视为在本发明的范围内。

特别参照图2，与电池组400相关联的细节在局部分解图中示出。电池组400通常由可集合成较大模块410的多个个别单元405制成。在本文中，术语“电池单元”、“电池模块”和“电池组”(以及它们的简写变体“单元”、“模块”和“组”)用于描述整体基于电池的动力系统的不同级别的部件，以及它们的组件。例如，多个个别电池单元405以面对面的关系沿堆叠轴线A-A堆叠起来，使得它们的边缘基本对齐以限定大致呈矩形的形状。这些单元405形成了电池模块410的构造块，电池模块410结合辅助设备组成了完整的电池组400。从本文中将会显而易见一个或多个这些术语的用途。尽管未示出，其它形式的电池单元405也可用于本发明，包括棱形罐和圆柱形罐变体。各个电池单元405和模块410可如图所示对齐以由共同托盘420来支撑，托盘420也可用作支撑可能需要补充冷却处的冷却剂软管425、集管430、歧管或相关导管。此外，模块415可结合为一个组或区段415并且对齐以由共同托盘420来支撑，托盘420也可用作支撑可用于可能需要补充冷却处的构型中的冷却剂软管425。隔离壁430可以限定可用做冷却剂软管425的接口的主要支撑结构，以及如果需要电池维修时容纳电池断开装置435。除了为多个电池模块410提供支撑外，托盘420以及隔离壁430也可支撑其它模块，比如电压、电流和温度测量模块(VITM)440(其充当中央“大脑”以经由如本文讨论的局部联网元件部分集合个别单元信息。示出了电池模块410其中之一中的个别电池单元405的布置(待下文更详细讨论)，ICB 445形式的电压和温度模块作为其包覆物，ICB 445可制作为位于组成T型电组400以将单元电压信息传递至VITM 440的三个主要电池区段415的每个的顶部。诸如手动维修断开件450、绝缘部455和罩盖460等的其它特征使电池组400完整。

在一个典型示例中，电池组400可包括大约两百到三百个个别电池单元405，但(像布置)单元405的数量可更多或更少，其取决于车辆100的动力需要。在优选形式中，单元405限定棱形结构，而在更优选的形式中，单元405可以是多种棱形包。示出了电池组400中的个别电池单元405的布置，而ICB 445(其在下文结合图3更详细地讨论)可布置在对齐的单元405之上，以便提供单元405安装和电气检测以及控制功能。在优选形式中，本发明应用于低电流电路(例如，8安培以下RMS)；然而，熟悉本领域的技术人员应当理解其还可用在更高电流电平下，且这两种用途都视为在本发明范围内。

接下来参照图3和图4，示出了ICB 445(图3)以及形成在电路板445B部分上的电压感测电路445C的一部分(图4)的俯视透视图。如上文论述的，ICB 445用于提供多个个别电池单元405与电池断开装置435、VITM440或车辆100中的其它载荷中的一个或多个之间的电连接。在一种形式中，电路板445B可使用铆钉或类似接头或紧固件来实现其与母线445A之间的连接，后者(连同集管445D一起)用于收集由每个不同电路445C产生的信号。具体地，每个母线445A将从一个或多个电池单元405的正极凸片405A和负极凸片405B中的一个或另一个接收到的电流传递至IGBT器件、功率二极管或可将单元产生的DC信号转换为单相AC信号或供给合适载荷的DC电力的其它部件。多个熔丝445E经由它们一体成型为对应电压迹线(或线路)445F的一部分而并入电压感测电路445C中。ICB 445中形成的狭槽形开孔的尺寸和形状设为与从组成个别单元405的包的顶部突出的凸片405A、405B相兼容；各种母线445A的尺寸和形状也设为便于这类接收，并且还可形成为大致U形通道的一部分以提供直立的凸片405A、405B的连接和安装表面。基于母线的方式通常视为优于布线组件，其原因是(尤其)除了提供电连接之外，其还使得能够经由紧凑封装将电压感测电路445C与相关监测电子元件予以集成。此外，其总体结构使得用于提供个别单元405之间电气连接的所有端子都通过简单的装配操作而相对于彼此可靠并且可重复地定位。通过对比，当熔丝的物理尺寸相对于电压迹线以及布置在电路板或相关基板上或形成于其中的其它电路来说较大时，现有技术中的表面安装方式是有问题的。

特别参照图4，代表一个优选的ICB-母线连接-基于柔性电路的方式-的试样示出了密封剂445G形成于电压感测电路445C一部分之上。由于熔丝相对于离散、表面安装变体来说较小，且其应能够整体形成于电路板445B上，所以优选使用柔性电路板而不是刚性电路板。这样，在优选形式中，图中描绘的电压感测电路445C示出了常规表面安装式熔丝在本发明中由整体熔丝445E以及密封剂445G所取代，后者于前者之上形成保护壳状包覆物。重要的是，当前示出为长形管状(在其沉积在电路板445B两侧的情况下)或半管状(在其沉积在电路板445B的与熔丝445E相同侧的情况下)的密封剂445G的长度用于覆盖熔丝445E且用于抑制电弧和有关电痕抗性的相邻的图案化电压迹线445F的一部分可根据熔丝445E的尺寸选择性地制得更长或更短。在一种形式中，熔丝445E和连接的电压迹线445F可由光蚀刻铜或其它导电材料制成，而柔性电路板445B由聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)基层以及可选的覆盖层制成。同样地，可选择性地形成为电压迹线445F的一部分的熔丝445E的长度可以根据电压感测电路445C的断路需求来调节，且只要这些需求不干涉相邻电路的运行。

图5示出了沿着带有图案化电压迹线445F和熔丝445E的电压感测电路445C的轴向长度的侧向正视图，以及熔丝445E和相邻的迹线445F上方和下方的密封剂445G的布置。在优选的形式中，密封剂445G可被分配并固化在柔性电路板445B的两侧上以提供对熔丝445E的最坚固的保护。如上文所提及的，密封剂445G可以采取为熔丝445E提供充分环境隔离所需的任何形状和尺寸；图4和图5所示的方案示出了密封剂445G可以形成位于电路板445B的相对侧上的一对轴向伸长的半球，同时熔丝445E形成在柔性电路板445B的顶侧上。用于组成电压感测电路445C的熔丝445E(熔丝445E形成在耦接到或形成为ICB 445的一部分的电路板445B上)的密封和相关容纳的设计目的在于允许最靠近熔丝445E的电路的特定局部化区段被加热到熔丝445E的导电材料熔化的点，使得相应电路断开。这样，密封剂445G的各种尺寸可以被定制适于特定断路和封装需要。例如，关于密封剂445G的尺寸可以基于由下伏电路的需要所指定的电压迹线厚度和宽度，以及电弧形成所需的电阻等等。重要的是，密封剂尺寸决定电路的电阻，并且还可以与产生的热量相关联；后者的值在确定预测有多少热传导进入周围迹线方面可能是重要的。

下表提供了在低电压电平(即，4伏)和中间范围电压电平(即，53伏)下被测试的样本的一些实际厚度和尺寸，以及电路断开所需的时间(即，熔断时间)，单位为秒。在本文中，该故障时间值是用于测量各种设计的有效性的变量。在测试中，向测试样本(呈包括电压感测电路445C的测试试样形式)施加电压；在这段时间内，对电流进行控制，直到电路被消耗完，导致形成熔断/断路。

来自上表的尺寸A、B和C(所有单位为毫米，mm)对应于特别参照图4和图5所示的那些尺寸，其中A表示包括电压感测电路445C的测试试样的整体长度，B表示迹线445F的熔丝445E部分的长度，以及C表示迹线445F的熔丝445E部分的宽度。在表中描述的两个电压电平的顶部两行对应于电流的类别，其中最上面的一行为电流电平平方(被示出用于参考)，而下面的一行是以安培为单位的电流(对于其中所示的数据，所述电流直接通过实验测量)。期望示出这两个值，因为熔断特性通常特征在于电流平方和时间的乘积。在一种形式中，所述数据示出故障时间与导体宽度具有相关性。实际上，对于宽于0.127mm的导体，往往发现熔丝性能远远超过需要。对于所述数据的另一个发现为导体的长度还与传送电流的能力相关联。根据这一点，本发明人相信散热受到导体的长度的影响。本发明人还相信，依赖于宽度和长度参数(以及密封剂材料的选择)可以扩展到较高电压方案(例如，高达约400伏)，但电弧和迹线材料消耗问题可能表现出关于在这些较高电压电平下的自熄的一些额外挑战。即使存在这些额外问题，本发明人从400伏电平下的有限测试发现：通过超过预期高电压应用需求良好熔断，0.127mm宽的熔丝445E可接受地实施。这样，本文讨论的保护性涂层用于保护熔丝445E免受环境的影响，并且帮助抑制形成电弧行为，尤其是在较高电压电平下最需要该保护性涂层作为产生更可靠的熔断特性的方式。

应当注意，本文并非使用术语如“优选地”、“通常地”和“典型地”来限制所要求保护的发明的范围，也不意味着某些特征对于所要求保护的发明的结构或功能是关键的、必要的或甚至重要的。更确切地说，这些术语仅仅意在用来突出在本发明的具体实施例中可以使用或可以不使用的备选的或额外的特征。同样，出于描述和限定本发明的目的，应当注意，术语“基本上”在此用来表示可以归因于任何定量比较、数值、测量值或其它表示的固有不确定度。术语在此还用来表示定量表示可以与给定的参考有差异的程度，而不会导致讨论中的主题的基本功能的变化。

出于描述和定义本发明的目的，应指出，本文使用术语“电池”、“电池组”或者类似物来表示个别电池单元的组合，个别电池单元的组合用来提供电流，优选为车用、推进或相关目的。此外，关于术语“汽车”、“自动车”、“车辆”、或类似物的变体通常应被理解为许可范围，除非上下文中另有说明。同样地，涉及的汽车应当被理解为覆盖轿车、卡车、公共汽车、摩托车和其它类似的交通方式，除非在上下文中有更具体地叙述。

已经详细地描述了本发明，并且参照了其具体的实施例，将显而易见的是，在不偏离所附权利要求中所限定的本发明范围的情况下，可以进行修改和变化。更具体地，虽然本发明的一些方面在本文中被认为是优选的或特别有利的，但是，应考虑本发明不必局限于本发明的这些优选的方面。