CN101030632A - 用玻璃纤维增强树脂加强的蓄电池组及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种用玻璃纤维增强树脂加强的蓄电池组及其制造方法。该蓄电池组中各单体电池之间由导电连接片连接，各单体电池之间还用树脂基复合材料进行加固。其中，树脂基复合材料中含有增强材料，其可以是玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维或超高分子量聚乙烯纤维的一种或数种；用于进行加固的树脂材质为热固性树脂，包括环氧树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛树脂或乙烯基酯树脂。制造这种蓄电池组的过程为：将纤维在各单体电池上逐个缠绕，用模具套紧电池头部，灌入热固性树脂，并加热固化，再用导电连接片将各单体电池连接。本发明的蓄电池组提高了耐受振动、加速、冲击的性能，从而解决了蓄电池组可靠性和低成本的统一问题。

Description

用玻璃纤维增强树脂加强的蓄电池组及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种加固的蓄电池组及其制造方法，具体而言，涉及一种用玻璃纤维增强树脂加强的蓄电池组及其制造方法。

背景技术

随着各种便携式、移动式用电设备(移动通讯设备、便携式办公设备、电动工具、电动车辆等)的发展，各类电池组的需求层出不穷。从环保和节能的角度看，发展清洁无污染的电动汽车已经成为各国汽车工业的一个突破口。电动汽车具有传统燃油汽车无可比拟的优点，比如：电动汽车噪声低、污染物排放可以减少97％、能源多样化、能效高，电动汽车能量利用率为17.8％，燃油汽车的能量利用率仅为10.3％，即可节省大约40％的石油。所以电动汽车将成为21世纪最有潜力的交通工具。

根据行业预测，HEV在美国和欧洲汽车市场的销量可在10年内达到600万辆。HEV销量目前约占世界汽车总产量的0.5％。现在，大部分商品化的HEV采用镍氢电池，锂离子电池具有巨大潜力，可广泛应用于未来的HEV。因其在体积、重量、寿命上的优势，锂离子电池可望成为未来的主流。

电动汽车应用上正在发展的电源主要有钠硫电池、镍氢电池、锂离子电池、金属(Zn或Al)空气电池、燃料电池、飞轮电池等，这些新型电源的应用，为电动汽车的发展开辟了广阔的前景。目前，已经在电动汽车上应用的新型电池主要分为两大类：镍氢电池和锂离子电池。锂电池离子以其高电压、高能量密度、无记忆效应而具明显优势，将成为市场主流。已经商品化的用于电动汽车或混合动力汽车的电池就是镍氢电池或锂离子电池。

镍氢电池是一种优秀的动力型电池，具有功率高、价格相对较低、环保的优势，是取代铅酸电池和镍镉电池的首选品种。

锂离子电池具有体积小，重量比能量和重量比功率高、电压高、环保性好等优点。锂离子电池的能量密度(体积比能量和重量比能量)几乎是镍镉电池的1.5-3倍，在同样大小能量的情况下，锂电池的体积和质量可减小1/2左右。单元电池的平均电压为3.6V，相当于3个镍镉或镍氢电池串接起来的电压值。能减少电池组合体的数量，从而因单体电池电压差所造成的电池故障的概率减少许多，大大提高了电池组的可靠性。

相对于镍镉电池，锂离子电池充电时不用先进行放电，给使用带来了极大的方便性，同时也节省了电能。锂离子电池还具备自放电低的优点，自放电率仅为5％-10％，在非使用状态下贮存，内部几乎不发生化学反应，相当稳定。

镍氢电池和锂离子电池均不含镉、汞和铅等重金属，是环保电池。

实际应用的电池组系有两个以上的单体电池组合而成，如电动汽车电池普遍采用数百伏特电压的电池组，电池组由导电连接体将一定数量的单体电池以串并联的方式组合起来形成电池组。在电池组合时要考虑的因素有：

1.基于安全的考虑，单体之间要设置一定距离；

2.电池组要轻，附加材料尽量少和轻；

3.电池组要有好的耐受震动冲击性能等等。

目前常用的方法系采用螺栓紧固、锡焊、电阻焊、超声波焊、激光焊等方式将导电排或导电片与单体电池连接以得到所需要的高电压和高容量。

在制造电池组时上述方法各有其优点及局限性。

螺栓紧固法优点是操作简单，但连接效果受紧固力的影响，使用一段时间后，螺母螺柱间会产生锈蚀，使导电性能下降。而且极柱与螺栓占有不小的体积，降低了电池组的能量密度。目前仅适用于矩形(方型)蓄电池组的连接。

锡焊法焊接可靠性高，易于操作，但由于加热时间长，热量会传递到电池上，引起安全问题。制造电池组时很少直接采用这种方法。

超声波焊容易焊接高热导率及高电导率的材料。金、银、铜、铝等材料在电阻焊中是比较难焊的，但是在使用超声波焊接时，这些金属成为最容易焊接的几种材料。金属超声波焊的一个主要缺点是焊接需用功率随工件厚度及硬度的提高呈指数剧增，因而只限用于丝、箔、片等薄件。目前应用于电极和小功率电池组的制造。

激光焊具有速度快、变形小、可焊接难溶材料、可进行微型焊接、易于自动化生产等优点；但要求焊件精度高且要求光束在工件上的位置不能有偏移，激光器及其相关系统的成本高，一次性投资大。目前应用于铝或钢壳锂离子单体电池的制造。

上述连接方法既起到把单体电池串并联起来的作用，又有固定单体电池使蓄电池组牢固的作用。然而在电池组应用中尤其是电动汽车领域的应用中，由于使用的工况条件复杂多变，经常要经受加速、颠簸、振动甚至碰撞等情况，电池组的耐冲击振动的可靠性非常重要。在电池应用的有关国家标准中均对电池的耐振动性能提出了要求，如《电动道路车辆用锂离子蓄电池GB/Z 18333.1-2001》、《电动道路车辆用金属氢化物镍蓄电池GB/T18332.2-2001》、《电动道路车辆用锌空气蓄电池GB/Z 18333.2-2001》、《电动道路车辆用铅酸蓄电池GB/T18332.1-2001》等中均作了如下规定：

耐振动性：蓄电池紧固到震动试验台上，按下述条件进行试验：

a)放电电流：1I3(A)；

b)振动方向：上下单振动

c)振动频率：30～35Hz；

d)最大加速度：30m/s2；

e)振动时间：2h。

当蓄电池组受到颠簸震动时，导电连接体与电池之间的连接处会经受频繁的拉扯，有可能会导致脱开或断裂，使电池组失效。因此仅仅依靠上述连接方法，电池组的耐冲击振动的可靠性仍然存在隐患。为使电池组牢固可靠，目前经常采取的措施是用一个工程塑料(如PP，ABS)材质的框架或外壳把电池组固定，但由于框架或外壳要占相当的体积和重量，会降低电池组的能量密度。亦有用金属或橡胶框架，但金属框相对树脂比较重，对比能量不利，而且需要采取绝缘措施，以防引起短路。橡胶比较厚重，且不易加工，不适用于需要精确尺寸的场合。

现代复合材料始于20世纪40年代初，首先是玻璃纤维增强塑料(玻璃钢)的问世，并应用于工业、建筑业与日用品工业等。随着科学技术的迅猛发展，复合材料的应用领域不断扩大，用量不断增加，并与金属、高分子和陶瓷并列为四大主要材料。复合材料具有很多优点：(1)密度小，重量轻。树脂基复合材料的密度为钢铁的1/4～1/5，比钢筋混凝土约轻1/3。(2)强度高。树脂基复合材料拉伸强度可达360MPa以上，接近钢材的强度，其比强度(抗拉强度与密度的比值)高于钢材很多。(3)耐化学腐蚀。不同品种的树脂基复合管能够耐各种酸、碱、盐及有机溶剂的腐蚀。

树脂(高分子)基复合材料按基体来分类，可分为热固性高分子基复合材料和热塑性高分子基复合材料。热固性基体(环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基酯树脂)的成型是利用树脂的化学反应(架桥反应)、固化等化学结合状态的变化来实现的，过程不可逆。热固性树脂基复合材料是指以热固性树脂如不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基酯树脂等为基体，以玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等为增强材料制成的复合材料。高性能热固性树脂基复合材料所采用的基体主要有环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基酯树脂等。其中，环氧树脂的特点是具有优良的化学稳定性、电绝缘性、耐腐蚀性；良好的粘接性能和较高的机械强度，广泛应用于化工、轻工、机械、电子、水利、交通、汽车、家电和宇航等各个领域。但在蓄电池组的加固，尤其是电动汽车电池组的加固方面的应用，尚未见报道。

除了热固性树脂通常的物理参数如粘度、固化时间、硬度、抗拉强度、延伸率等以外，软化点(Heat deflection temperature)在加固应用中也有重要指导意义。软化点是指在试样上以一定形式施以一定负荷并按规定升温速率加热至试样变形达到规定值的温度。显然，软化点越高，应用的温度范围越广。

热固性树脂一般只能在一定温度下工作，如环氧树脂一般仅适用于121℃以下的温度，有些能在260℃下短期工作，有的可在149-260℃下长期工作。这些是在其中加入热稳定性的树脂或高温固化剂，专门为高温环境配制的。鉴于蓄电池组工作时有一定的温升，如果工作环境通风不良时，可能达到60℃以上，甚至更高温度。因此为保证足够的强度，选择树脂种类及品种时，要把软化点作为一个判据。软化点低的树脂不适用于高温环境，限制了其在电池组上的应用。

树脂基复合材料采用的增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等。

1、玻璃纤维

目前用于高性能复合材料的玻璃纤维主要有高强度玻璃纤维、石英玻璃纤维和高硅氧玻璃纤维等。高强度玻璃纤维复合材料不仅应用在军用方面，近年来民用产品也有广泛应用，如防弹头盔、防弹服、直升飞机机翼、预警机雷达罩、各种高压压力容器、民用飞机直板、体育用品、各类耐高温制品以及近期报道的性能优异的轮胎帘子线等。石英玻璃纤维及高硅氧玻璃纤维属于耐高温的玻璃纤维，是比较理想的耐热防火材料，用其增强酚醛树脂可制成各种结构的耐高温、耐烧蚀的复合材料部件，大量应用于火箭、导弹的防热材料。

2、碳纤维

碳纤维具有强度高、模量高、耐高温、导电等一系列性能，首先在航空航天领域得到广泛应用，近年来在运动器具和体育用品方面也广泛采用。据预测，土木建筑、交通运输、汽车、能源等领域将会大规模采用工业级碳纤维。

碳纤维的拉伸强度是结构钢的15倍，刚度是其3倍，这使它成为高科技用途中的金属替代材料，赢得了在飞机、航天器、快艇、战车、一级方程式赛车、体育器械、基础设施中的地位。尽管在民用上长期受到高价格和高加工成本的限制，但它仍逐渐进入汽车和公共交通等领域。

3、芳纶纤维

20世纪80年代以来，荷兰、日本、前苏联也先后开展了芳纶纤维的研制开发工作。日本及俄罗斯的芳纶纤维已投入市场，年增长速度也达到20％左右。芳纶纤维比强度、比模量较高，因此被广泛应用于航空航天领域的高性能复合材料零部件(如火箭发动机壳体、飞机发动机舱、整流罩、方向舵等)、舰船(如航空母舰、核潜艇、游艇、救生艇等)、汽车(如轮胎帘子线、高压软管、摩擦材料、高压气瓶等)以及耐热运输带、体育运动器材等。

4、超高分子量聚乙烯纤维

超高分子量聚乙烯纤维的比强度在各种纤维中位居第一，尤其是它的抗化学试剂侵蚀性能和抗老化性能优良。它还具有优良的高频声纳透过性和耐海水腐蚀性，许多国家已用它来制造舰艇的高频声纳导流罩，大大提高了舰艇的探雷、扫雷能力。除在军事领域，在汽车制造、船舶制造、医疗器械、体育运动器材等领域超高分子量聚乙烯纤维也有广阔的应用前景。该纤维一经问世就引起了世界发达国家的极大兴趣和重视。

作为电池组加固的环氧树脂增强材料，上述几种纤维材料均可应用，考虑到经济性，玻璃纤维的价格最低，用来制造电池组的成本最低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐受振动、加速、冲击的性能的蓄电池组及其制造方法，进而解决可靠性和低成本的统一问题。

本发明的目的是这样实现的：

一种蓄电池组，各单体电池之间由导电连接片连接，并且各单体电池之间还用树脂基复合材料进行加固。

其中，树脂基复合材料选用的树脂材质为热固性树脂，包括环氧树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛树脂或乙烯基酯树脂，而增强材料选用玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维或超高分子量聚乙烯纤维的一种或数种。起增强作用的纤维在树脂中的分布方向可以是随机的，但若纤维的轴向沿受力方向排列则强度最好；热固性树脂的软化点不小于65℃；蓄电池组中所采用的单体电池为直径小于40mm的圆柱形电池。

制造上述蓄电池组的方法，包括如下步骤：1、将纤维在各单体电池上逐个缠绕；2、用模具套紧电池头部，灌入热固性树脂，并加热固化；3、用导电连接片将各单体电池连接。其中，纤维缠绕电池的方式为以三颗电池组成的等边三角形为基本单位向外延伸，纤维可缠绕在单体电池各处，尤以缠绕在各单体电池滚槽处为佳。

本发明由于采用了上述的技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

1.本发明把在工业、军事、航天、建筑业与日用品工业广泛应用的玻璃纤维增强环氧树脂引入到电池组的制造工艺中来，大大增加了蓄电池组的耐振动冲击性能。

2.本发明与传统的电池组制造工艺比较，既降低了材料成本，又减轻了材料重量和体积，有利于提高电池组的比能量。

3.本发明设计的蓄电池组制造方法，制造工艺可以手动实施，效果可以通过目测检查，实施容易、简便，节省了制造成本。

附图说明

通过以下对发明的实施例并结合其附图的描述，可以进一步理解本发明的目的、具体方法特征和优点。其中，附图为：

图1是本发明中使用的玻璃纤维缠绕电池组的示意图。

图2是用环氧树脂密封电池组的示意图。

图3用20颗18650锂离子电池单体构成的3.6V/44Ah锂离子电池组组装示意图。

图4是60颗26700圆柱锂离子电池单体构成的10.8V/60Ah电池组组装示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来进一步说明本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例1如图1、图2及图3所示，以20颗容量2200mAh，直径约为18mm，高度约为65mm的锂离子电池1为单体，用玻璃纤维2(杜邦产品，商品名Nomex)在电池滚槽处逐个缠绕，用模具套紧电池头部，如图2所示灌入环氧树脂3，45℃加热固化，组合成3.6V 116.6Ah锂离子电池组。所用环氧树脂为Jeffco3176，其软化点HDT为195F(ASTM D648-264)(约90℃)。纤维缠绕电池的方式，如图1所示，玻璃纤维线2以三颗单体电池1组成的等边三角形为基本单位，向外延伸。最后用导电连接片4(如图4所示)将各单体电池1连接即可。

实施例2以53颗容量为2200mAh，直径约为18mm，高度约为65mm的锂离子电池为单体，用与实施例1同样的方法组合成3.6V 116.6Ah锂离子电池组。电池单体重量为42克，树脂用量为50克，树脂占电池组的重量比为2.2％，树脂层的厚度为5毫米。试验表明，电池组有足够好的抗振动性能。

实施例3如图3所示，以20颗容量3000mAh，直径约为27mm，高度约为65mm的锂离子电池为单体，用与实施例1同样的方法组合成3.6V/60Ah锂离子电池组。

实施例4如图4所示，以60颗容量3.0Ah，直径约为26mm，高度约为70mm的锂离子电池为单体，用与实施例1同样的方法组合成10.8V/60Ah锂离子电池组。

上述四组电池组按照前文提到的电动汽车电池耐振动性试验的方法进行试验，均达到标准要求。

上述实施例1至4，采用的是锂离子电池单体，但本发明的蓄电池组及其制造方法并不仅限于采用锂离子电池，采用镍氢电池或其他蓄电池同样可以得到本发明的效果。电池的形状也不仅限于圆柱形，方形、菱形或其他形状的电池采用本方法同样可以得到本发明的效果。从实际应用角度看，小型圆柱电池单体(如直径小于40mm)采用本发明的效果会更好。

上述实施例1至4，蓄电池组加固材料采用的是玻璃纤维增强环氧树脂，但本发明的蓄电池组及其制造方法并不仅限于使用玻璃纤维增强环氧树脂，也可采用其他树脂基复合材料常用的增强材料，如碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等；或其他热固性树脂，如不饱和聚酯树脂、酚醛树脂、乙烯基酯树脂等为基体，均有本发明的相同或相似效果。

Claims (10)

1.一种蓄电池组，各单体电池之间由导电连接片连接，其特征在于：各单体电池之间还用树脂基复合材料进行加固。

2.根据权利要求1所述的蓄电池组，其特征在于，所述树脂基复合材料中的增强材料是玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维或超高分子量聚乙烯纤维。

3.根据权利要求1所述的蓄电池组，其特征在于，所述树脂材质为热固性树脂。

4.根据权利要求1或2所述的蓄电池组，其特征在于，所述纤维在树脂中的分布方向是纤维的轴向沿受力方向排列。

5.根据权利要求3所述的蓄电池组，其特征在于，所述热固性树脂是环氧树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛树脂或乙烯基酯树脂。

6.如权利要求3或5所述的蓄电池组，其特征在于，所述热固性树脂的软化点不小于65℃。

7.根据权利要求1所述蓄电池组，其特征在于，所采用的单体电池为直径小于40mm的圆柱形电池。

8.一种制造权利要求1所述的蓄电池组的方法，其特征在于包括如下步骤：

1)将纤维在各单体电池上逐个缠绕；

2)用模具套紧电池头部，灌入热固性树脂，并加热固化；

3)用导电连接片将各单体电池连接。

9.根据权利要求8所述的蓄电池组制造方法，其特征在于，纤维缠绕电池的方式为以三颗电池组成的等边三角形为基本单位向外延伸。

10.根据权利要求8所述的蓄电池组制造方法，其特征在于，纤维缠绕在各单体电池滚槽处。

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