CN110277522B - 一种水下装置用轻量化锂离子电池模组及制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种水下装置用轻量化锂离子电池模组及制造方法，该模组结构整体为单面粘结悬挂支撑的开放式结构，包括面板、第一绝缘板、电池堆、第二绝缘板、导向支撑件、侧面支撑件、底部支撑件、顶部支撑件以及电连接器。第一绝缘板和面板分别涂覆硅橡胶后硅橡胶粘结在一起并固化一天以上，电池堆和第一绝缘板分别涂覆硅橡胶后粘结在一起并固化五天以上，第二绝缘板安装到电池堆的另一面进行绝缘，无支撑作用。导向支撑件、侧面支撑件、底部支撑件、顶部支撑件与电池堆不相接触。本发明采用锂离子电池组合的单面粘接悬挂、柔性互联技术，显著降低了锂离子电池模组结构件的比重，同时保证了其可靠性。

Description

一种水下装置用轻量化锂离子电池模组及制造方法
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池模组及制造方法，特别是一种水下装备用轻量化锂离子电池模组及制造方法。
背景技术
随着科学技术发展，锂离子电池的应用范围越来越广泛。用户对锂离子电池模组的比能量要求越来越高，尤其是水下装备用电池组。然而模组结构件重量占比偏大往往是造成锂离子电池模组的比能量低下的重要原因之一。本专利涉及一种水下装备用轻量化锂离子电池模组，采用单面粘接悬挂固定锂离子电池堆的方法将电池堆固定在近似圆形且镂空的面板上，最大程度降低了锂离子电池模组的结构件的重量。与此同时，电池模组中采用镂空的支撑件结构，可以实现若干个模组的柔性互联，即当电池模组受到外界面应力时，该支持件可以发生轻微的形变，从而可以避免支撑件局部应力集中而发生损坏。
国内专利CN109065777A涉及轻量化设计结构采用两个镂空板加紧电池堆的方法，实现轻量化和高可靠性，然而结构件比重约为总重量的10％。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种水下装置用轻量化锂离子电池模组及制造方法，解决了水下装备锂离子电池质量轻量化、散热以及模块互联应力集中的问题。采用了单面粘接悬挂的开放式结构，其内部的电池堆仅仅依靠硅橡胶粘结到单面结构件上实现支撑固定，最大程度缩减了结构件比重，结构件占比达到3.5％～4.5％；另外，本发明涉及的支撑件结构，可以实现若干个模组的柔性互联。
本发明的所采用的技术方案是：一种水下装置用轻量化锂离子电池模组，其特征在于，包括面板、第一绝缘板、电池堆、第二绝缘板、导向支撑件、侧面支撑件、底部支撑件、顶部支撑件以及电连接器；
第一绝缘板固定在面板上，电池堆固定在第一绝缘板上，第二绝缘板安装到电池堆的另一面进行绝缘；导向支撑件分布在面板边缘，侧面支撑件对称安装在面板两侧，底部支撑件安装到面板的正下方；顶部支撑件上安装电连接器，顶部支撑件连接到面板的正上方；导向支撑件、侧面支撑件、底部支撑件、顶部支撑件与电池堆不接触。
面板为镂空的铝合金平板，厚度为1～3mm，其镂空部分面积占原面积的30％～60％，上部设置有顶部支撑件安装槽，在面板左上、右上、左下、右下部位对称设置导向支撑件安装槽，面板底部为切平结构，导向支撑件安装槽、顶部支撑件安装槽、切平结构的底边及面板两侧的边缘分别设置有沉头安装孔、通孔。
所述第一绝缘板为环氧玻璃布层压板、聚酰亚胺板或酚醛环氧层压玻璃布板其中的一种，厚度为0.2mm～1mm，尺寸大小满足电池堆绝缘的要求。
所述电池堆包括多个圆柱形单体电池，按照设定的串并联关系通过电阻点焊将多个镍片连接到单体电池的正负极上；单体电池为圆柱形，单体电池圆柱面粘贴聚酰亚胺膜，正极极柱粘贴环状聚酰亚胺膜。
所述第二绝缘板为尼龙板、环氧玻璃布层压板、聚酰亚胺板或酚醛环氧层压玻璃布板其中的一种，厚度为0.2mm～1mm。
所述导向支撑件为铝合金矩形框，两条平行边处设置翻边结构，翻边结构一端设置连接螺纹孔，另两条平行边框上设置有第一模组外接安装孔、第一整平板安装螺纹孔，第一模组外接安装孔的中心到导向平面的距离不小于2倍第一模组外接安装孔的直径。
所述侧面支撑件为铝合金矩形框，侧边上设置连接螺纹孔、第二模组外接安装孔，第二模组外接安装孔的中心与侧面支撑件上表面的距离不小于2倍第二模组外接安装孔的直径。
所述底面支撑件为铝合金矩形框架结构，边框上设置连接螺纹孔、第三模组外接安装孔、第二整平板安装螺纹孔，第三模组外接安装孔的中心到滑道平面的距离不小于2倍第三模组外接安装孔的直径。
所述顶部支撑件为镂空的铝合金板，边框上设置有连接螺纹孔、第四模块外接安装孔以及输出电连接器安装孔，第四模组外接安装孔到顶部支撑件上表面的距离不小于2倍第四模组外接安装孔的直径。
一种水下装置用轻量化锂离子电池模组的制造方法，包括步骤如下：
第一步：在单体电池表面包覆聚酰亚胺耐高温膜，在正极极柱粘贴环状聚酰亚胺耐高温绝缘膜；
第二步：将多个镍片按照设计的串并联关系点焊到多个圆柱形单体正极和负极上，并形成电池堆；
第三步：采用硅橡胶均匀涂覆在面板平面上，涂覆面密度25g/m2～50g/m2，采用硅橡胶均匀涂覆在第一绝缘板上，涂覆面密度为25g/m2～50g/m2，控制有效粘接面积占比不小于30％；
第四步：将面板与第一绝缘板的涂胶面对接固定，施加压力并保持12h以上固化粘结完成；
第五步：在第一绝缘板另一面均匀涂覆硅橡胶，涂覆面密度25g/m2～50g/m2，在电池堆的镍片上均匀表面涂覆硅橡胶，涂覆面密度为75g/m2～150g/m2；
第六步：将面板和第一绝缘板的组合体平放且涂胶面向上，将电池堆涂胶面向下放置到第一绝缘板上，调整位置使电池堆到达预定位置；
第七步：对每个单体电池单独施加20N～100N的压力，控制有效粘接单体电池占比不小于30％；
第八步：将第七步中获得的组合体固化12小时以上；
第九步：在面板上安装导向支撑件、侧面支撑件、底部支撑件、顶部支撑件，在电池堆上安装第二绝缘板；
第十步：继续固化6天以上，使得电池堆完全固化。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明的锂离子电池组合结构为单面粘接悬挂结构，采用的结构件形状简单，加工方便，电池组结构强度高同时重量轻，采用硅橡胶涂覆量少，结构件(包括硅橡胶等)重量占比降低达到3.5～4.5％，相比现有技术水平显著降低。
(2)本发明电池模组结构为单层结构，支撑面板为金属板，其内部单体电池与结构件接触良好，散热路径短，散热性能良好。
(3)本发明采用硅橡胶具有较好的耐侯性能，一般可承受-60℃～250℃的温度，可显著提高电池模组的环境耐受性能，防止高低温环境造成单体电池的脱落。
(4)本发明支撑件具有可扩展性，确保电池模组扩展对接匹配性。本发明利用矩形支撑件结构的不稳定性使其允许发生局部的弹性形变，确保了连接处抗应力集中而断裂的能力。
附图说明
图1为本发明的一种水下装置用轻量化锂离子电池模组结构示意图；
图2为本发明的面板结构示意图；
图3为本发明的面板局部详细结构A的示意图；
图4为本发明的电池堆结构示意图；
图5为本发明的单体电池结构示意图；
图6为本发明的导向支撑件结构示意图；
图7为本发明的侧面支撑件结构示意图；
图8为本发明的底部支撑件结构示意图；
图9为本发明的顶部支撑件结构示意图；
图10为本发明的支撑件结构受力变形的示意图。
具体实施方式
结合附图对本发明进行说明。
如图1所示为本发明的一种水下装置用轻量化锂离子电池模组结构示意图，整体为单面粘结悬挂支撑的开放式结构，包括面板1、第一绝缘板2、电池堆3、第二绝缘板4、导向支撑件5、侧面支撑件6、底部支撑件7、顶部支撑件8以及电连接器9。第一绝缘板2通过硅橡胶粘结固定在面板1上，电池堆3通过硅橡胶粘结固定在第一绝缘板2上，第二绝缘板4安装到电池堆3的另一面进行绝缘。导向支撑件5共计4个，通过螺钉安装到面板1的左上、右上、左下、右下四个方向，侧面支撑件6共计2个，通过螺钉安装到面板1的左右两侧，底部支撑件7通过螺钉安装到面板1的正下方、顶部支撑件8上安装电连接器9等，通过螺钉连接到面板的正上方。导向支撑件5、侧面支撑件6、底部支撑件7、顶部支撑件8与电池堆不接触，相距距离一般不小于0.5mm，防止摩擦造成电池堆损坏。
如图2所示为本发明的面板结构示意图，面板1为镂空的铝合金平板，厚度1～3mm厚，整体基本呈圆形，上部设置有顶部支撑件安装槽103，为其他器件的安装预留空间，左上、右上、左下、右下部位为导向槽预留空间位置即导向支撑件安装槽102，底部为切平结构106，提供电池模组竖直放置的支撑力。面板1镂空部分面积占原面积的30％～60％。面板1的导向支撑件安装槽102、顶部支撑件安装槽103、切平结构106的底边及面板1两侧的边缘设置有沉头安装孔104，通过沉头螺钉连接到导向支撑件5、侧面支撑件6、底部支撑件7、顶部支撑件8，设置有通孔105，与导向支撑件5、侧面支撑件6、底部支撑件7、顶部支撑件8上的通孔对齐，实现电池模块之间的结构连接安装，具体如图3所示。
第一绝缘板2为环氧玻璃布层压板、聚酰亚胺板、酚醛环氧层压玻璃布板其中的一种，厚度为0.2mm～1mm，形状基本呈圆形，尺寸大小满足电池堆3绝缘的要求。
如图4所示为本发明的电池堆结构示意图，电池堆3包括多个圆柱形单体电池301，按照一定的串并联关系通过电阻点焊将镍片302连接到单体电池。如图5所示为本发明的单体电池结构示意图，单体电池301为圆柱体，单体电池圆柱面粘贴聚酰亚胺膜305，正极极柱粘贴环状聚酰亚胺膜304，提高单体电池耐高温绝缘性能。
第二绝缘板4为尼龙板、环氧玻璃布层压板、聚酰亚胺板、酚醛环氧层压玻璃布板其中的一种，优选尼龙板，厚度为0.2mm～1mm。所述电连接器9为电池模组功率输出接口,实现对外输出电能。
如图6所示为本发明的导向支撑件结构示意图，导向支撑件5为为铝合金矩形框，以减轻重量。其上包括连接螺纹孔501、第一模组外接安装孔502、导向平面503、第一整平板安装螺纹孔504。两条平行边处设置翻边结构，翻边结构一端设置连接螺纹孔501，另两条平行边框上设置有第一模组外接安装孔502、第一整平板安装螺纹孔504。连接螺纹孔501实现面板1与导向支撑件5的对接，导向平面503所在的凹槽可以为电池模组整体安装提供支撑卡口，第一整平板安装螺纹孔504提供卡口整平板安装的接口。第一模组外接安装孔502的中心与轴向的支持边距离不小于2倍模组外接安装孔的直径，以构成柔性连接结构的要素，避免应力集中情况。
如图7所示为本发明的侧面支撑件结构示意图，侧面支撑件6为铝合金矩形框，其上包括连连接螺纹孔601、第二模组外接安装孔602，侧边上设置连接螺纹孔601、第二模组外接安装孔602。第二模组外接安装孔602的中心与轴向的支持边距离不小于2倍第二模组外接安装孔602的直径，以构成柔性连接结构的要素，避免应力集中情况。
如图8所示为本发明的底部支撑件结构示意图，所述底面支撑件7为铝合金矩形框架结构，其上包括连接螺纹孔701、第三模组外接安装孔702、滑道平面703、第二整平板安装螺纹孔704，边框上设置连接螺纹孔701、第三模组外接安装孔702、第二整平板安装螺纹孔704；底面支撑件7的矩形框上表面为滑道平面703；第三模组外接安装孔702的中心与轴向的支持边距离不小于2倍第三模组外接安装孔702的直径，以构成柔性连接结构的要素，避免应力集中情况。
如图9所示为本发明的顶部支撑件结构示意图，所述顶部支撑件8为镂空的铝合金板，其上包括连接螺纹孔802、第四模块外接安装孔801以及输出电连接器安装孔803，边框上设置有连接螺纹孔802、第四模块外接安装孔801以及输出电连接器安装孔803。第四模块外接安装孔801的中心与轴向的支持边距离不小于2倍第四模块外接安装孔801的直径，以构成柔性连接结构的要素，避免应力集中情况。所述电连接器9为电池模组功率输出互联接口。
其主要制造方法如下：
第一步：所有单体电池表面包覆绝缘膜，并粘贴绝缘环；
第二步：将多个镍片按照设计的串并联关系点焊到多个圆柱形单体正极和负极上，并形成具有一定容量和一定电压的电池堆；
第三步：采用硅橡胶均匀涂覆在面板1平面上，涂覆面密度25g/m2～50g/m2，采用硅橡胶均匀涂覆在第一绝缘板2上，面密度为25g/m2～50g/m2，控制有效粘接面积占比不小于30％；
第四步：将面板1与第一绝缘板2的涂胶面对接固定，施加压力并保持12h以上固化粘结完成；
第五步：在第一绝缘板2另一面均匀涂覆硅橡胶，涂覆面密度25g/m2～50g/m2，在电池堆3的镍片302均匀表面涂覆硅橡胶，涂覆面密度为75g/m2～150g/m2；
第六步：面板1和第一绝缘板2的组合体平放且涂胶面向上，电池堆涂胶面向下放置到第一绝缘板2上，调整位置使电池堆到达预定位置；
第七步：对每个单体电池单独施加20N～100N的压力，控制有效粘接单体电池占比不小于30％。
第八步：固化12小时以上；
第九步：安装支撑件和第二绝缘板；
第十步：继续固化6天以上，电池堆完全固化，硅橡胶强度达到最高；
第十一步：电池生产完毕，电池组进行竖起后使用。
如图10所示为本发明的支撑件结构受力变形一种情况的示意图。当安装的电池模组受到外力时，支撑件受到拉力F，此时安装界面会因支持件这种不稳定的特殊的结构而产生形变空隙，该形变空隙的产生缓解了连接处螺钉的应力集中，从而可使得各处螺钉连接的受力更均匀。
本发明说明书未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (10)

1.一种水下装置用轻量化锂离子电池模组，其特征在于，包括面板(1)、第一绝缘板(2)、电池堆(3)、第二绝缘板(4)、导向支撑件(5)、侧面支撑件(6)、底部支撑件(7)、顶部支撑件(8)以及电连接器(9)；
采用硅橡胶均匀涂覆在面板(1)平面上，涂覆面密度25g/m2～50g/m2，采用硅橡胶均匀涂覆在第一绝缘板(2)上，涂覆面密度为25g/m2～50g/m2，控制有效粘接面积占比不小于30％，第一绝缘板(2)通过硅橡胶粘贴固定在面板(1)上，电池堆(3)通过硅橡胶粘贴固定在第一绝缘板(2)上，第二绝缘板(4)安装到电池堆(3)的另一面进行绝缘；导向支撑件(5)分布在面板(1)边缘，侧面支撑件(6)对称安装在面板(1)两侧，底部支撑件(7)安装到面板(1)的正下方；顶部支撑件(8)上安装电连接器(9)，顶部支撑件(8)连接到面板(1)的正上方；导向支撑件(5)、侧面支撑件(6)、底部支撑件(7)、顶部支撑件(8)与电池堆(3)不接触。
2.根据权利要求1所述的一种水下装置用轻量化锂离子电池模组，其特征在于：面板(1)为镂空的铝合金平板，厚度为1～3mm，其镂空部分面积占原面积的30％～60％，上部设置有顶部支撑件安装槽(103)，在面板(1)左上、右上、左下、右下部位对称设置导向支撑件安装槽(102)，面板(1)底部为切平结构(106)，导向支撑件安装槽(102)、顶部支撑件安装槽(103)、切平结构(106)的底边及面板(1)两侧的边缘分别设置有沉头安装孔(104)、通孔(105)。
3.根据权利要求2所述的一种水下装置用轻量化锂离子电池模组，其特征在于：所述第一绝缘板(2)为环氧玻璃布层压板、聚酰亚胺板或酚醛环氧层压玻璃布板其中的一种，厚度为0.2mm～1mm，尺寸大小满足电池堆(3)绝缘的要求。
4.根据权利要求3所述的一种水下装置用轻量化锂离子电池模组，其特征在于，所述电池堆(3)包括多个圆柱形单体电池(301)，按照设定的串并联关系通过电阻点焊将多个镍片(302)连接到单体电池(301)的正负极上；单体电池(301)为圆柱形，单体电池圆柱面粘贴聚酰亚胺膜(305)，正极极柱粘贴环状聚酰亚胺膜(304)。
5.根据权利要求4所述的一种水下装置用轻量化锂离子电池模组，其特征在于，所述第二绝缘板(4)为尼龙板、环氧玻璃布层压板、聚酰亚胺板或酚醛环氧层压玻璃布板其中的一种，厚度为0.2mm～1mm。
6.根据权利要求5所述的一种水下装置用轻量化锂离子电池模组，其特征在于，所述导向支撑件(5)为铝合金矩形框，两条平行边处设置翻边结构，翻边结构一端设置连接螺纹孔(501)，另两条平行边框上设置有第一模组外接安装孔(502)、第一整平板安装螺纹孔(504)，第一模组外接安装孔(502)的中心到导向平面(503)的距离不小于2倍第一模组外接安装孔(502)的直径。
7.根据权利要求6所述的一种水下装置用轻量化锂离子电池模组，其特征在于，所述侧面支撑件(6)为铝合金矩形框，侧边上设置连接螺纹孔(601)、第二模组外接安装孔(602)，第二模组外接安装孔(602)的中心与侧面支撑件(6)上表面(603)的距离不小于2倍第二模组外接安装孔(602)的直径。
8.根据权利要求7所述的一种水下装置用轻量化锂离子电池模组，其特征在于，所述底部支撑件(7)为铝合金矩形框架结构，边框上设置连接螺纹孔(701)、第三模组外接安装孔(702)、第二整平板安装螺纹孔(704)，第三模组外接安装孔(702)的中心到滑道平面(703)的距离不小于2倍第三模组外接安装孔(702)的直径。
9.根据权利要求8所述的一种水下装置用轻量化锂离子电池模组，其特征在于，所述顶部支撑件(8)为镂空的铝合金板，边框上设置有连接螺纹孔(802)、第四模组 外接安装孔(801)以及输出电连接器安装孔(803)，第四模组外接安装孔(801)到顶部支撑件(8)上表面(804)的距离不小于2倍第四模组外接安装孔(801)的直径。
10.一种如权利要求1～9任一所述的水下装置用轻量化锂离子电池模组的制造方法，其特征在于，包括步骤如下：
第一步：在单体电池表面包覆聚酰亚胺耐高温膜，在正极极柱粘贴环状聚酰亚胺耐高温绝缘膜；
第二步：将多个镍片(302)按照设计的串并联关系点焊到多个圆柱形单体正极和负极上，并形成电池堆(3)；
第三步：采用硅橡胶均匀涂覆在面板(1)平面上，涂覆面密度25g/m2～50g/m2，采用硅橡胶均匀涂覆在第一绝缘板(2)上，涂覆面密度为25g/m2～50g/m2，控制有效粘接面积占比不小于30％；
第四步：将面板(1)与第一绝缘板(2)的涂胶面对接固定，施加压力并保持12h以上固化粘结完成；
第五步：在第一绝缘板(2)另一面均匀涂覆硅橡胶，涂覆面密度25g/m2～50g/m2，在电池堆(3)的镍片上均匀表面涂覆硅橡胶，涂覆面密度为75g/m2～150g/m2；
第六步：将面板(1)和第一绝缘板(2)的组合体平放且涂胶面向上，将电池堆(3)涂胶面向下放置到第一绝缘板(2)上，调整位置使电池堆到达预定位置；
第七步：对每个单体电池单独施加20N～100N的压力，控制有效粘接单体电池占比不小于30％；
第八步：将第七步中获得的组合体固化12小时以上；
第九步：在面板(1)上安装导向支撑件(5)、侧面支撑件(6)、底部支撑件(7)、顶部支撑件(8)，在电池堆(3)上安装第二绝缘板(4)；
第十步：继续固化6天以上，使得电池堆(3)完全固化。
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