CN110429353B

CN110429353B - 低成本二次电池

Info

Publication number: CN110429353B
Application number: CN201910689458.5A
Authority: CN
Inventors: 刘宏兵; 陈晓峰; 钟发平; 陈鹏飞; 胡顺华; 龚颖林
Original assignee: National Engineering Research Center Of Advanced Energy Storage Materials Shen Zhen Co ltd
Current assignee: National Engineering Research Center Of Advanced Energy Storage Materials Shen Zhen Co ltd
Priority date: 2019-07-29
Filing date: 2019-07-29
Publication date: 2022-08-02
Anticipated expiration: 2039-07-29
Also published as: CN110429353A

Abstract

本发明提供了一种低成本二次电池，包括圆柱形钢壳电芯、金属壳、保护IC、集成IC、电阻、电容、电感、LED灯、MicroUSB接口、塑胶结构件、方形硬性FR‑4基板、圆形硬性FR‑4基板、金属帽头、热收缩膜和固化结构胶，实现恒定电压输出、充电管理及保护、过充过放过流保护多位一体功能。与现有技术相比，本发明的低成本二次电池，既可以实现基于低成本二次圆柱形钢壳电芯的多功能集成，又可以实现电池附属结构件占用空间的节约化和电池的高容量化，同时还有利于提高可靠性。

Description

低成本二次电池

技术领域

本发明涉及一种低成本二次电池，尤其是涉及一种集成了恒定电压输出、MicorUSB充电接口、充电管理和充电保护、电池保护(包含过充保护、过放保护、过流保护)等多种功能，同时兼具低成本的二次可充电电池。

背景技术

二次电池具有高能量密度、长寿命、可重复使用的优势，得到了越来越广泛的应用。例如，目前的二次锂离子电池已经成为手机、笔记本电脑、照相机、便携式移动电源的主要供电电池。并且，在许多一次电池的传统应用领域例如遥控器、手电筒、玩具等，二次电池也逐步在将一次电池替代。

但是，二次电池与一次电池相比，整体上二次电池的成本仍然远高于一次电池，而且在使用上也存在诸多不便。一次电池不需要充电，而二次电池需要用专用的充电器进行充电，同时为了保持正常的性能，二次电池需要对充电过程和放电使用过程进行管理和保护。一次电池的额定电压与二次电池也不同，例如钴酸锂-石墨型锂离子二次电池的额定电压是3.7V，而通常的碱性锌锰干电池额定电压是1.5V，因此如果二次电池不进行电压管理，一般情况下是不能直接应用在一次电池的用电设备上，否则可能损坏用电设备。

二次电池有多种构造形式，如锂离子二次电池，有以圆形钢壳为外壳的钢壳圆柱形锂离子电池，有以方形铝壳为外壳的铝壳方形锂离子电池，有以铝塑膜为外壳的软包方型锂离子电池，有以铝塑膜为外壳的软包圆柱型锂离子电池。不同的构造形式，其制造工艺的复杂性、制造效率、制造自动化水平不尽相同，二次电池的成本也不相同。

为了实现二次电池替代一次电池进行使用，往往需要对二次电池的电芯、附属结构件(一般包括电路板、电路元器件、防护外壳、各种接口等)进行集成组装，最终形成一个具备各项管理和保护功能，输出电压符合一次电池应用需求，且电池的整体外形结构尺寸和机械可靠性符合国际标准的二次电池。但是，现有的设置附属结构件的方法，通常占用了大量的电池内部空间，导致只能选用小尺寸的低容量电芯，这使得集成后的二次电池与一次电池相比，二次电池优势反而不明显。

因此，如何采用低成本的二次电池电芯，并将二次电池的性能特点结合一次电池的使用要求，将二次电池的电池充电管理、保护、一次电池外形结构、一次电池使用需求统筹优化，在兼顾集成的成本、效率以及可靠性的基础上，最大限度降低附属结构件占用的空间，留出更多的空间给电芯从而提升整个二次电池的容量，就显得非常必要。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种低成本二次电池，与现有技术相比，本发明的二次电池成本低、结构可靠性高，可以实现电池在输出电能工作过程中能够始终保持恒定的输出电压，同时包含充电管理和保护、放电欠压保护、充电过压保护、充电过流保护、放电过流保护、短路保护和MicroUSB接口。该低成本二次电池非常适用于可充电电池替代一次电池的应用场合。

本发明通过以下方案实现：

一种低成本二次电池，包括圆柱形钢壳电芯、金属壳、保护IC、集成IC(集成充电功能和恒压输出功能)、电阻、电容、电感、LED灯、MicroUSB接口、塑胶结构件、方形硬性FR-4基板、圆形硬性FR-4基板、金属帽头、热收缩膜和固化结构胶，实现恒定电压输出、充电管理及保护、过充过放过流保护多位一体功能；其中，金属壳裙边与圆柱形钢壳电芯封口包边焊接固定，金属壳充当塑胶结构件的支撑体并兼做负极连接导体；固化结构胶覆盖住金属壳裙边内部平面、金属壳裙边边缘与圆柱形钢壳电芯封口包边边缘之间的平台、圆柱形钢壳电芯封口包边边缘与密封圈靠圆柱形钢壳电芯内侧边缘之间的平台，固化结构胶起绝缘、结构加强、密封三个方面的作用；MicroUSB接口焊接在方形硬性FR-4基板A面上，保护IC、集成IC、电阻、电容、电感、LED灯、金属帽头焊接在圆形硬性FR-4基板上，方形硬性FR-4基板的B面与圆形硬性FR-4基板垂直装配在一起且MicroUSB接口的开口与圆形硬性FR-4基板的A面朝向相同，并通过方形硬性FR-4基板B面与圆形硬性FR-4基板B面的焊盘锡焊连接和固定，所述金属帽头卡装在塑胶结构件内并部分露出塑胶结构件的第一拉伸体上端面，相装配在一起的方形硬性FR-4基板和圆形硬性FR-4基板以MicroUSB接口开口朝上的方式配套卡装在塑胶结构件内，所述塑胶结构件配套套装在金属壳大开口端，所述圆柱形钢壳电芯的正极端通过正极引出线与圆形硬性FR-4基板B面的第一焊盘连接在一起；负极引出线的A端与圆形硬性FR-4基板B面的第二焊盘连接，负极引出线的B端沿塑胶结构件的第二拉伸体外部圆周弯折并且平贴在塑胶结构件的第二拉伸体外部圆周面上，塑胶结构件与金属壳装配后负极引出线的B端压接在金属壳内部壁面与塑胶结构件的第二拉伸体的外部壁面之间，形成过盈配合，负极引出线处于紧密压接和导电连通的状态；热收缩膜包裹在塑胶结构件、金属壳及圆柱形钢壳电芯上端外壁上，并通过圆柱形钢壳电芯的冲槽槽位与塑胶结构件的第一拉伸体上端面的径向包边形成扣紧力，形成对塑胶结构件、金属壳、圆柱形钢壳电芯之间连接的固定强化，同时热收缩膜兼具透光功能；

所述金属帽头设置有三个圆柱体，第一圆柱体、第二圆柱体、第三圆柱体。第一圆柱体直径为M1，高度为H1。第一圆柱体上部端面倒角；H1为二次电池整体帽头凸出的高度；第一圆柱体是二次电池与外部负载或充电电源接触的结构部位。

所述金属帽头的第二圆柱体直径为M2，高度为H2；第二圆柱体与第一圆柱体同轴；第二圆柱体的顶面与第一圆柱体的底面共面；M2＜M1且0.5mm≤M2≤3mm。金属帽头的第三圆柱体直径为M3，高度为H3；第三圆柱体与第二圆柱体同轴；第三圆柱体的顶面与第二圆柱体的底面共面；M3＜M2且0.1mm≤M3≤1mm。

所述塑胶结构件包括第一拉伸体和第二拉伸体，所述第一拉伸体为圆柱体结构。塑胶结构件的第一拉伸体的直径SD1等于圆柱形钢壳电芯的外部直径GW，第一拉伸体的高度为SJ1；第一拉伸体上开设有中心孔，中心孔的直径SHD满足：M2<SHD<M1。

所述塑胶结构件的第一拉伸体上开设有挖空的MicroUSB开口部，其开口尺寸与MicroUSB尺寸相配合。所述第二拉伸体的一端垂直固定在第一拉伸体底部上且第二拉伸体与第一拉伸体同轴，第二拉伸体为内部挖空的薄壁结构即第二拉伸体为圆筒结构；第二拉伸体的高度为SJ2；第二拉伸体的外部直径为SD2，第二拉伸体的壁厚为SDB，第二拉伸体的外部直径SD2小于等于金属壳的内径GN。所述塑胶结构件的第一拉伸体上的MicroUSB开口部边缘至第一拉伸体圆心的最长直径为BBD，该特征尺寸决定了热收缩膜包边宽度的上限。

所述方形硬性FR-4基板包括第一方形平板拉伸体和第二方形平板拉伸体，第一方形平板拉伸体与第二方形平板拉伸体相结合形成一体，并且在第一方形平板拉伸体与第二方形平板拉伸体的结合部设置有两个与中轴线对称的挖空方形槽，该方形槽的高度为FCG，该方形槽的宽度为FCKD，方形硬性FR-4基板的第一方形平板拉伸体的宽度为FK1，第二方形平板拉伸体的宽度为FK2，方形硬性FR-4基板的厚度为FHD。

MicroUSB接口锡焊焊接在方形硬性FR-4基板A面上，MicroUSB接口的开口部在方形硬性FR-4基板的第一方形平板拉伸体一侧，MicroUSB接口的开口部最外端的平面至方形硬性FR-4基板的第一方形平板拉伸体最近边缘平面的距离UD满足：SJ1-0.1mm≤UD≤SJ1。MicroUSB接口的特征尺寸为：MicroUSB接口的长度、宽度、厚度分别为UH、UA、UF。

所述圆形硬性FR-4基板的整体轮廓为圆形拉伸体(其半径为YB)，且设置有一个方形平板拉伸体缺口和一个直径为d1的中心孔(M3≤d1≤M3+0.3mm，其中M3为金属帽头的第三圆柱体的直径)。

所述圆形硬性FR-4基板的方形平板拉伸体缺口的宽度YQK能够良好实现方形硬性FR-4基板通过其方形槽与圆形硬性FR-4基板的方形平板拉伸体缺口安装配合，同时实现方形硬性FR-4基板卡接在圆形硬性FR-4基板上。RA为圆形硬性FR-4基板的圆心至圆形硬性FR-4基板的方形平板拉伸体缺口的最近距离。

所述圆形硬性FR-4基板的方形平板拉伸体缺口的深度YQS可以实现贴片MicroUSB接口的方形PCB板能够与塑胶结构件装配而不产生干涉且MicroUSB接口能够进入塑胶结构件的第二拉伸体的内部空腔，同时MicroUSB接口不会与金属帽头产生干涉，否则可能无法接入充电线。

所述圆形硬性FR-4基板为双面板，其中A面(即正对金属帽头第一圆柱体的面)锡焊有集成IC(集成充电功能、充电保护功能、恒压输出功能)、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、电感、第一LED灯、第二LED灯、第四电容共九个元器件；B面锡焊有保护IC(包含有充电过压保护、充电过流保护、放电欠压保护、放电过流保护、充电或放电过温保护、短路保护)、第五电阻、第一电容、第二电容、第三电容共五个元器件，并且B面还设置有第一焊盘、第二焊盘、第三焊盘、第四焊盘、第七焊盘。圆形硬性FR-4基板焊接有元器件后称为圆形PCB板。

所述方形硬性FR-4基板为双面板，其中A面(即背对金属帽头中心轴的面)锡焊有MicroUSB接口，B面设置有第五焊盘、第六焊盘。方形硬性FR-4基板焊接有元器件后称为方形PCB板。

所述圆柱形钢壳电芯采用金属钢壳作为其外壳，采用塑胶密封圈作为封口密封体，塑胶密封圈置于金属钢壳的冲槽槽位内部台阶上，电池盖帽置于塑胶密封圈的内部托台上，对金属钢壳冲槽槽位的以上的部分实施机械冲压，金属钢壳形成封口包边，并且对塑胶密封圈进行压缩，完成圆柱形钢壳电芯的封口密封操作。圆柱形钢壳电芯的外部直径为GW，高度为CH，封口包边直径为BF，盖帽直径为CG，封口后塑胶密封圈内部直径为MF，冲槽槽位高度为CCH，帽头凸出高度为CMH。封口包边直径BF满足：GW-8.0≤BF≤GW-1.0mm，下限尺寸即GW-8.0≤BF的设置，是充分考虑到圆柱形钢壳在机械封口时其封口包边宽度过宽(封口包边宽度大于4mm)，封口包边将容易发生褶皱而变得不平整，这不利于对塑胶密封圈的平整一致压缩从而导致可能的密封不良、发生漏液；上限尺寸即BF≤GW-1.0mm的设置，一个方面是必须有一定的封口包边宽度从而有一定的密封圈压缩面积，达成密封圈良好密封的目的，另外一方面也是为了有一定的宽度来与金属壳进行焊接固定。塑胶密封圈内部直径MF满足：CG<MF≤BF-0.5mm，塑胶密封圈内部直径MF大于CG，则塑胶密封圈不会与盖帽发生干涉现象；MF≤BF-0.5mm的设置，可以确保密封圈边缘超出钢壳的封口包边边缘，这为后续金属壳与圆柱形钢壳电芯通过封口包边的结合部固定后，能够在密封圈边缘至钢壳的封口包边边缘之间的区域涂覆可以固化的结构胶，该结构胶起增强密封圈密封效果(金属壳与圆柱形钢壳电芯封口包边的结合部的固定，可以采用电阻焊接或激光焊接的方法，这些方法有可能对塑胶密封圈产生一定程度的烧损，从而破坏其密封效果)，同时该结构胶还起增强金属壳与整个圆柱形钢壳电芯连接强度的效果。所述金属壳为两端开口的圆筒状薄壁拉伸体结构，其中一端有朝内的裙边，金属壳裙边与圆柱钢壳电芯封口包边的固定采用电阻焊接或激光焊接的方法，金属壳的大开口端与塑胶结构件装配，塑胶结构件的第二拉伸体伸入到金属壳内部空腔中。金属壳的关键特征尺寸为外部直径KGW、内部直径KGN、裙边的内部直径KND、高度KGH。金属壳的外部直径KGW等于圆柱形钢壳电芯的外部直径GW，即KGW＝GW，金属壳的内部直径KGN满足：0.2mm≤KGW-KGN≤0.8mm，即金属壳的壁厚在0.1mm～0.4mm之间，如果金属壳的壁厚小于0.1mm则其强度不足，难以可靠支撑塑胶结构件；如果金属壳的壁厚大于0.4mm则其占据过多的直径空间，不利于圆形硬性FR-4基板的直径增大从而有更充足的元器件布置贴片锡焊面积；同时，如果金属壳的壁厚大于0.4mm则会增加金属壳裙边与圆柱形钢壳电芯封口包边之间固定的难度，电阻焊接或激光焊接所需能量增加，也会增加烧损塑胶密封圈的风险。

所述金属壳裙边的内部直径KND满足：0.2mm≤KGN-KND≤BF-0.1mm，其中BF为圆柱形钢壳电芯封口包边直径，单位为mm；尺寸0.2mm≤KGN-KND的设置，是充分考虑到金属壳裙边与圆柱形钢壳电芯封口包边的结合部必须有一定的宽度，否则电阻焊接或激光焊接将因为没有足够的支撑结合面而难以实施；尺寸KGN-KND≤BF-0.1的设置，实现了金属壳裙边与圆柱形钢壳电芯封口包边的结合部不超过圆柱形钢壳电芯的封口包边，这为后续金属壳与圆柱形钢壳电芯通过封口包边结合部固定后，能够在密封圈边缘至圆柱形钢壳电芯封口包边边缘之间的区域涂覆可以固化的结构胶，结构胶起增强密封圈密封效果；相反，如果圆柱形钢壳电芯封口包边边缘被金属壳遮挡，假如发生了密封圈在焊接过程中被灼伤，那么圆柱形钢壳电芯内的电解液或圆柱形钢壳电芯外部的水分将通过密封圈与圆柱形钢壳电芯封口包边边缘之间的间隙进行渗透，圆柱形钢壳电芯将发生失效。

所述金属壳的高度KGH满足：如果CMH>KGW/2-KGN/2+MFJ，则SJ2+CMH+YH+FH2+0.2mm≤KGH≤SJ2+CMH+YH+FH2+1.0mm；如果CMH<KGW/2-KGN/2+MFJ，则KGW/2-KGN/2+SJ2+MFJ+YH+FH2+0.2mm≤KGH≤KGW/2-KGN/2+SJ2+MFJ+YH+FH2+1.0mm，其中SJ2为塑胶结构件的第二拉伸体的高度，MFJ为固化结构胶覆盖金属壳裙边内部平面的厚度，CMH为圆柱形钢壳电芯的帽头凸出高度，YH为圆形硬性FR-4基板的厚度，FH2为方形硬性FR-4基板的第二方形平板拉伸体的高度。金属壳高度KGH下限尺寸的限制，是为了充分满足在电池的高度方向上，金属壳完全可以容纳塑胶结构件第二拉伸体高度、圆形硬性FR-4基板的厚度、FH2为方形硬性FR-4基板的第二平板拉伸体的高度、结构胶覆盖金属壳内部裙边平面的厚度、或电池电芯帽头的高度超出金属壳壁厚与结构胶覆盖金属壳内部裙边平面的厚度的部分，并留有一定的装配余量，不发生干涉现象。金属壳高度KGH上限尺寸的限制，是充分考虑到非容量贡献型部件所需空间的节约，尽量减少金属壳所占据的电池高度空间，从而将节余出的高度空间留给电池电芯，这有利于电池的高容量化。

结构胶涂覆在金属壳裙边内部平面至圆柱形钢壳电芯封口包边的密封圈边缘之间的台阶上，结构胶流平固化后形成固化结构胶，固化结构胶完全覆盖金属壳裙边内部平面、金属壳裙边边缘与圆柱形钢壳电芯封口包边边缘之间的平台、圆柱形钢壳电芯封口包边边缘与密封圈靠圆柱形钢壳电芯内侧边缘之间的平台，固化结构胶起到三个方面的作用：一是由于结构胶固化后具有绝缘特性，因此可以绝缘金属壳裙边内部平面，避免正极引出线、负极引出线、元器件等与金属壳裙边内部接触短路；二是结构胶固化后与所接触的平面形成很强的粘结力，因此可以增强金属壳与圆柱形钢壳电芯固定的牢固性，降低振动、跌落等情况下金属壳从圆柱形钢壳电芯脱落的风险；三是结构胶固化后与所接触的平面形成致密的防护层，因此可以起密封的作用，尤其是对密封圈边缘至圆柱形钢壳电芯封口包边边缘之间的区域可以起良好的密封作用，降低密封圈在焊接过程中被灼伤后导致的电芯内电解液或电芯外部的水分将通过密封圈与钢壳电芯封口边缘之间的间隙进行渗透的风险。所述固化结构胶覆盖金属壳裙边内部平面的厚度为MFJ，其满足：0.1mm≤MFJ≤0.5mm，厚度太薄则影响其固定强化作用，厚度太厚则占用电池的高度空间。

所述热收缩膜为白色，具备透光特性和受热收缩特性，材质为PVC或PET。热收缩膜的功能为对金属壳实施固定强化，增强金属壳的抗拉、抗横向剪切、抗振动、抗跌落等机械结构稳定性能。同时，由于热收缩膜具备透光特性，充电过程中的LED灯光仍然可以正常的透射出来。热收缩膜的关键特征尺寸有：热收缩膜的厚度RD，热收缩膜的包边宽度BBKD，热收缩膜的包边高度RSH。所述热收缩膜的关键特征尺寸满足以下关系：0.03mm≤RD≤0.20mm，热收缩膜的厚度RD太厚，将增加二次电池的直径，可能导致直径超标，并且厚度太厚也不利于透光；热收缩膜的厚度RD太薄，则其强度不足。BBD-0.1mm≤BBKD≤GW-0.1mm且BBKD>GW-2.0mm，其中BBD为塑胶结构件的第一拉伸体上的MicroUSB开口部边缘至第一拉伸体圆心的最长直径，GW为圆柱形钢壳电芯的外部直径，BBKD≤GW-0.1mm的设置，是考虑到如果热收缩膜的包边宽度BBKD太小，其对金属壳实施固定强化作用力不足；BBKD>GW-2.0mm的设置，是考虑到热收缩膜的包边宽度BBKD太大，则热缩的时候容易发生褶皱，影响外观；BBD-0.1mm≤BBKD的设置，是为了避免热收缩膜覆盖塑胶结构件的第一拉伸体上的MicroUSB开口部。KGH+SJ1+CCH≤RSH≤KGH+SJ1+CH mm，其中KGH为金属壳的高度，SJ1为塑胶结构件的第一拉伸体的高度，CCH为圆柱钢壳电芯冲槽槽位的高度，CH为圆柱形钢壳电芯的高度，单位为mm，设置KGH+SJ1+CCH≤RSH条件，可以满足热收缩膜将塑胶结构件、金属壳包裹在圆柱形钢壳电芯上，并通过圆柱形钢壳电芯的冲槽槽位与塑胶结构件的第一拉伸体上端面的径向包边形成扣紧力，最终达成将金属壳固定在圆柱形钢壳电芯上；设置RSH≤KGH+SJ1+CH条件，是为了满足热收缩膜不超过圆柱形钢壳电芯的底部，不对圆柱形钢壳电芯底部的接触负载端子导电产生影响。

所述圆柱形钢壳电芯的高度CH满足：

CH≤H-H1-SJ1-KGH+CMH，其中H为二次电池的总高度，H1为金属帽头的第一圆柱体的高度，SJ1为塑胶结构件的第一拉伸体的高度，KGH为金属壳的高度，CMH为圆柱形钢壳电芯的帽头凸出高度，单位为mm。

本发明的低成本二次电池，其实现的方式是：

首先将金属壳裙边与圆柱形钢壳电芯的封口包边紧密接触，然后通过电阻焊或激光焊的方法，将两者固定在一起。

其次，将结构胶涂覆在金属壳裙边内部平面至圆柱形钢壳电芯封口包边的密封圈边缘之间的台阶上，结构胶流平固化后形成固化结构胶，固化结构胶完全覆盖住金属壳裙边内部平面、金属壳裙边边缘与圆柱形钢壳电芯封口包边边缘之间的平台、圆柱形钢壳电芯封口包边边缘与密封圈靠圆柱形钢壳电芯内侧边缘之间的平台。

三是将金属帽头安装到塑胶结构件中，金属帽头的第一圆柱拉伸体卡接在塑胶结构件的第一拉伸体上端面上，金属帽头的第二和第三圆柱拉伸体插入塑胶结构件的中心孔并伸入到塑胶结构件的第二拉伸体内部空腔中。

四是将圆形PCB板的A面朝上、方形PCB板的A面朝外，将方形PCB板的B面与圆形PCB板垂直装配在一起且MicroUSB接口的开口与圆形PCB板的A面朝向相同，将两者通过圆形PCB板的方形平板拉伸体缺口和方形PCB板的方形槽进行卡接装配，形成PCB板组合体。

五是将PCB板组合体与安装有金属帽头的塑胶结构件进行装配，达成将MicroUSB接口沿开口方向卡入塑胶结构件的挖空的MicroUSB开口部中，并且将金属帽头的第三圆柱体插入到圆形PCB板的中心孔中。

六是将圆形PCB板的B面与方形PCB板的B面、圆形PCB板的B面与金属帽头进行锡焊连接和固定，即将圆形PCB板的B面的第四焊盘与方形PCB板的B面第五焊盘锡焊连接、圆形PCB板的B面的第七焊盘与方形PCB板的B面第六焊盘锡焊连接、圆形PCB板的B面的第三焊盘与金属帽头的第三圆柱拉伸体锡焊连接。

七是将正极引出线A端与圆形PCB板的B面的第一焊盘连接(正极引出线为导线或镍带或镀镍钢带则可以采用锡焊连接；正极引出线为镍带或镀镍钢带，还可以先在圆形PCB板的B面的第一焊盘贴片镍片或镀镍钢片，然后再通过电阻焊接或激光焊接的方式实现正极引出线与圆形PCB板的B面的第一焊盘的连接)；将负极引出线的A端与圆形PCB板的B面的第二焊盘连接，负极引出线为镍带或镀镍钢带，可以采用锡焊连接，也可以先在圆形PCB板的B面的第二焊盘贴片镍片或镀镍钢片，然后再通过电阻焊接或激光焊接的方式实现负极引出线与圆形PCB板的B面的第二焊盘的连接。负极引出线的A端完成连接后，其另外一端即B端沿塑胶结构件的第二拉伸体外部圆周弯折(约90度角)，并且平贴在塑胶结构件的第二拉伸体外部圆周面上。将正极引出线的另外一端即B端与圆柱形钢壳电芯的盖帽进行焊接(盖帽在金属壳内部，因此该正极引出线的焊接是在金属壳的内部进行)。

八是将塑胶结构件的第二拉伸体插入金属壳内部，并且负极引出线的B端压接在金属壳内部壁面与塑胶结构件的第二拉伸体的外部壁面之间，形成过盈配合，负极引出线处于紧密压接的状态，然后用钢针对塑胶结构件的第二拉伸体与金属壳的结合部实施冲压，金属壳受力变形嵌入塑胶结构件的第二拉伸体中，实现了塑胶结构件与金属壳的固定。

九是将热收缩膜包裹在塑胶结构件、金属壳及圆柱形钢壳电芯上端外壁上并进行热收缩。

与现有技术相比，本发明的低成本二次电池，具有以下优点：

(1)可以实现电池的低成本化和高容量化。本发明可以直接采用低成本的以圆柱形钢壳为外壳的圆柱形钢壳二次电池，通过金属壳来实现结构的高可靠性连接，同时金属壳兼做塑胶结构件的支撑和固定零件，以及兼做热收缩膜的支撑附着体。塑胶结构件，兼做金属帽头固定、MicroUSB定位和输出接口部、绝缘防护等多功能一体；金属帽头三端不同直径圆柱体，既满足作为电池的输出端子与外部负载接触功能，又满足连接和固定圆形硬性FR-4基板功能，同时兼顾了电流通路、结构强度、空间占用之间的合理分配和平衡；方形硬性FR-4基板和圆形硬性FR-4基板的设置和连接结构方式，使得MciroUSB接口与其它电路元件(包括保护IC、集成IC、电阻、电容、电感等)在三维空间处于互不干涉的布置状态，进一步节约了宝贵的空间。电池附属构件空间占用的最小化，带来的直接效果就是可以采用更高尺寸更大容量的电芯，这就有利于实现电池的高容量化。

(2)可以实现多功能的集成。本发明的低成本二次电池集成了恒定电压输出、充电管理及保护、过充过放过流保护多位一体功能；在结构上集成了MicroUSB接口，因而可以方便地采用普通的5V手机充电器和配套的充电线进行充电，无需配备专用的充电器。

(3)可以满足二次电池符合国际标准结构尺寸和机械可靠性要求。本发明的低成本二次电池，将二次电芯、金属壳、保护IC、集成IC(集成充电功能和恒压输出功能)、电阻、电容、电感、MicroUSB接口、塑胶结构件、方形硬性FR-4基板、圆形硬性FR-4基板、金属帽头、热收缩膜、固化结构胶等元器件或零件进行了创造性的结构布局和空间规划，充分考虑了各零件之间连接方式的可靠性，并且进一步考虑了组装或焊接等操作可实现性和便捷性，从而使得集成后的二次电池，不仅可以实现电池附属构件占用空间的节约化和电池的高容量化，而且同时可以使得二次电池符合国际标准结构尺寸和机械可靠性要求(如机械振动、跌落等)。

本发明的低成本二次电池，结构新颖，制作简单。本发明的低成本二次电池，兼顾了多功能集成、结构可靠性、工艺可操作性的要求，与现有技术相比，本发明的低成本二次电池可以实现成本降低20％以上。

附图说明

图1(a)为实施例1二次电池外观结构示意图；

图1(b)为实施例1二次电池的爆炸结构示意图；

图2(a)为实施例1圆柱形钢壳电芯封口包边关键特征尺寸示意图；

图2(b)为实施例1圆柱形钢壳电芯高度方向关键特征尺寸示意图；

图3(a)为实施例1金属帽头3D结构示意图；

图3(b)为实施例1金属帽头关键特征尺寸示意图；

图4(a)为实施例1塑胶结构件3D结构示意图一；

图4(b)为实施例1塑胶结构件3D结构示意图二；

图4(c)为实施例1塑胶结构件的MicroUSB开口部位置特征尺寸示意图；

图4(d)为实施例1塑胶结构件关键特征尺寸示意图；

图5为实施例1方形硬性FR-4基板关键特征尺寸示意图；

图6为实施例1圆形硬性FR-4基板关键特征尺寸示意图；

图7为实施例1电路原理图；

图8(a)为实施例1圆形硬性FR-4基板B面元器件贴片位置示意图；

图8(b)为实施例1方形硬性FR-4基板B面元器件贴片位置示意图；

图9(a)为实施例1圆形硬性FR-4基板A面元器件贴片位置示意图；

图9(b)为实施例1方形硬性FR-4基板A面元器件贴片位置示意图；

图10为实施例1金属帽头、圆形PCB、方形PCB装配结构示意图；

图11(a)为实施例1金属壳特征尺寸示意图；

图11(b)为实施例1金属壳特征尺寸3D结构示意图；

图12(a)为实施例1固化结构胶3D结构示意图；

图12(b)为实施例1固化结构胶特征尺寸示意图；

图13为实施例1金属壳、固化结构胶、圆柱形钢壳电芯装配固定的局部结构示意图；

图14为实施例1塑胶结构件、金属帽头、圆形PCB板、方形PCB板装配结构示意图；

图15为实施例1金属帽头、圆形PCB板、方形PCB板锡焊固定结构示意图；

图16为实施例1热收缩膜特征尺寸示意图；

图17为实施例1低成本二次电池的充电电压-充电电流-充电容量关系曲线图；

图18为实施例1低成本二次电池的放电电压-放电电流-放电容量关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

以具体制作一种恒压输出的圆柱形低成本二次电池为例，来进一步阐述低成本二次电池结构及其功能的实现方式，同时说明该种二次电池的低成本大容量的实现方法。

一种低成本二次电池，为圆柱形(其外形整体尺寸需符合《IEC60086-2：2011，MOD》标准所要求的R6S型号尺寸规范要求)，其要求为：电池直径≤14.5mm，电池高度H≤50.5mm，电池具备MicroUSB接口充电功能，具备充电管理功能；具备充电保护和放电保护功能；电池具备恒压1.55V±0.10V，持续1.0A电流的输出功能。如图1(a)、图1(b)所示，低成本二次电池包括金属帽头1、塑胶结构件2、MicroUSB接口3、方形硬性FR-4基板4、正极引出线5、金属壳6、元器件7(包括电阻、电容、电感等)、负极引出线8、圆柱形钢壳电芯9、圆形硬性FR-4基板10、固化结构胶11、热收缩膜12。金属壳6裙边与圆柱形钢壳电芯9封口包边焊接固定，金属壳充当塑胶结构件的支撑体并兼做负极连接导体；固化结构胶11覆盖住金属壳6裙边内部平面、金属壳6裙边边缘与圆柱形钢壳电芯9封口包边边缘之间的平台、圆柱形钢壳电芯9封口包边边缘与密封圈靠圆柱形钢壳电芯9内侧边缘之间的平台，固化结构胶11起绝缘、结构加强、密封三个方面的作用；方形硬性FR-4基板4的B面与圆形硬性FR-4基板10垂直装配在一起且MicroUSB接口3的开口与圆形硬性FR-4基板10的A面朝向相同，并通过方形硬性FR-4基板4B面与圆形硬性FR-4基板10B面的焊盘锡焊连接和固定，金属帽头1卡装在塑胶结构件2内并部分露出塑胶结构件2的第一拉伸体上端面，相装配在一起的方形硬性FR-4基板4和圆形硬性FR-4基板10以MicroUSB接口3开口朝上的方式配套卡装在塑胶结构件2内，塑胶结构件2配套套装在金属壳6大开口端，圆柱形钢壳电芯9的正极端通过正极引出线5与圆形硬性FR-4基板10B面的第一焊盘连接在一起；负极引出线8的A端与圆形硬性FR-4基板10B面的第二焊盘连接，负极引出线8的B端沿塑胶结构件2的第二拉伸体外部圆周弯折并且平贴在塑胶结构件2的第二拉伸体外部圆周面上，塑胶结构件2与金属壳6装配后负极引出线8的B端压接在金属壳6内部壁面与塑胶结构件2的第二拉伸体的外部壁面之间，形成过盈配合，负极引出线8处于紧密压接和导电连通的状态；热收缩膜12包裹在塑胶结构件2、金属壳6及圆柱形钢壳电芯9上端外壁上，并通过圆柱形钢壳电芯9的冲槽槽位与塑胶结构件2的第一拉伸体上端面的径向包边形成扣紧力，形成对塑胶结构件2、金属壳6、圆柱形钢壳电芯9之间连接的固定强化，同时热收缩膜12兼具透光功能。

如图2(a)、图2(b)所示，本实施例的圆柱形钢壳电芯9的型号为14430(直径13.90±0.05mm，高度43.00⁺⁰ _-1.0mm)，标称电压为3.7V，容量为720mAh。该圆柱形钢壳电芯9采用金属钢壳作为其外壳，采用塑胶密封圈作为封口密封体，塑胶密封圈置于金属钢壳的冲槽槽位内部台阶上，电池盖帽置于塑胶密封圈的内部托台上，对金属钢壳冲槽槽位的以上的部分实施机械冲压，金属钢壳形成封口包边，并且对塑胶密封圈进行压缩，完成圆柱形钢壳电芯的封口密封。圆柱形钢壳电芯的外径为GW＝13.90±0.05mm，高度为CH＝42.50±0.05mm，封口包边直径BF＝11.50±0.05mm，盖帽直径CG＝7.00±0.05mm，封口后塑胶密封圈内部直径MF＝10.90±0.05mm，冲槽槽位高度CCH＝3.80±0.05mm，帽头凸出高度CMH＝0.50±0.05mm。

如图3(a)所示，金属帽头1包括第一圆柱体101、第二圆柱体102、第三圆柱体103，第一圆柱体101上部端面倒角，第一圆柱体102是二次锂离子电池与外部负载或充电电源接触的结构部位，第三圆柱体103、第二圆柱体102、第一圆柱体101同轴，第二圆柱体102的顶面与第一圆柱体101的底面共面，第三圆柱体103的顶面与第二圆柱体102的底面共面。图3(b)是金属帽头关键特征尺寸，第一圆柱体101的直径和高度分别为M1、H1，第二圆柱体102的直径和高度分别为M2、H2，第三圆柱体103的直径和高度分别为M3、H3。本实施例1中，金属帽头的以上关键特征尺寸设置如下：M1＝4.50±0.05mm，H1＝1.50±0.05mm，M2＝1.50±0.05mm，H2＝2.80±0.05mm，M3＝0.50±0.05mm，H3＝1.40±0.05mm。

如图4(a)和4(b)所示，塑胶结构件2包括第一拉伸体201和第二拉伸体202，第一拉伸体201为圆柱体结构，第一拉伸体202上开设有中心孔203和MicroUSB开口部204，第二拉伸体202为圆筒结构，第二拉伸体202的一端垂直固定在第一拉伸体201底部上且第二拉伸体202与第一拉伸体201同轴。图4(c)、图4(d)是塑胶结构件的关键特征尺寸，第一拉伸体201的直径和高度分别为SD1、SJ1，第二拉伸体202的外部直径、高度、壁厚分别为SD2、SJ2、SDB，中心孔203的直径为SHD，第一拉伸体201上的MicroUSB开口部204边缘至第一拉伸体201圆心的最长直径为BBD。本实施例1中，塑胶结构件的以上关键特征尺寸设置如下：SD1＝13.9⁺⁰ _-0.1mm，SJ1＝0.80±0.05mm，SD2＝13.5⁺⁰ _-0.1mm，SJ2＝2.20±0.05mm，SDB＝0.80±0.05mm，SHD＝1.60±0.05mm，BBD＝12.45±0.05mm。

如图5所示，方形硬性FR-4基板4包括第一方形平板拉伸体401和第二方形平板拉伸体402，第一方形平板拉伸体401与第二方形平板拉伸体402相结合形成一体，并且在第一方形平板拉伸体401与第二方形平板拉伸体402的结合部设置有两个与中轴线对称的挖空方形槽403。该方形硬性FR-4基板的关键特征尺寸，第一方形平板拉伸体401的宽度和高度分别为FK1、FH1，第二方形平板拉伸体402的宽度和高度分别为FK2、FH2，方形槽403的宽度和高度分别为FCKD、FCG，方形硬性FR-4基板4的厚度为FHD。本实施例1中，方形硬性FR-4基板的以上关键特征尺寸设置如下：FK1＝10.00±0.05mm，FH1＝1.90±0.05mm，FK2＝12.00±0.05mm，FH2＝1.50±0.05mm，FCKD＝1.25±0.05mm，FCG＝0.70±0.05mm，FHD＝0.60±0.05mm。

如图6所示，圆形硬性FR-4基板10整体轮廓为圆形拉伸体，且设置有一个方形平板拉伸体缺口1001和一个中心孔1002。该圆形硬性FR-4基板的关键特征尺寸，圆形硬性FR-4基板10的半径和厚度分别为YB、YH，方形平板拉伸体缺口的宽度和深度分别为YQK、YQS＝YB-RA，中心孔的直径为d1。本实施例1中，该圆形硬性FR-4基板的以上关键特征尺寸设置如下：YB＝6.65±0.05mm，YH＝0.60±0.05mm，YQK＝7.60mm，YQS＝YB-RA＝6.65-1.90＝4.75±0.05mm，d1＝0.60±0.05mm。

如图7所示，由本实施例的原理图可知，本实施例包含有以下的电路元器件：集成IC即U2(型号为XS5302)、第一电阻R1(规格为158K±1％)、第二电阻R2(规格为100K±1％)、第三电阻R3(规格为1.5K±1％)、第四电阻R4(规格为1K±1％)、第五电阻R5(规格为0.4欧±1％)、电感L1(型号：2.2uH/3A)、第一LED灯D1(型号为HL0402USR)、第二LED灯D2(型号为HL0402USG)、第一电容C1(规格为0.1uF、10V)、第二电容C2(规格为10μF、10V)、第三电容C3(规格为10μF、10V)、第四电容C4(规格为22μF、10V)、保护IC即U1(型号为CT2105)。并且有第一端口J1、第二端口J2、第三端口J3、第四端口J4、第五端口J5、第六端口J6、第七端口J7、第八端口J8。其中J8端口表示的是MicroUSB接口(规格尺寸为长度UH＝5±0.05mm，宽度UA＝7.5±0.05mm，厚度UF＝2.45±0.05mm)，J3端口表示的是金属帽头。

本实施例中保护IC即U1(型号为CT2105)的功能为用于电池充电、放电过程保护，主要包括：过充电保护(过充电检测电压为4.275±0.050V、过充电解除电压为4.075±0.025V、过充电电压检测延迟时间为0.96～1.40s)、过放电保护(过放电检测电压为2.500±0.050V、过放电解除电压为2.900±0.025V、过放电电压检测延迟时间为115～173mS)、过充电电流保护(过充电电流检测为2.1～3.9A、过充电电流检测延迟时间为8.8～13.2mS)、过放电电流保护(过放电电流检测为2.5～4.5A、过放电电流检测延迟时间为8.8～13.2mS)、短路保护(负载短路检测电压为1.20～1.30V、负载短路检测延时为288～432μS)。

本实施例中集成IC即U2(型号为XS5302)的功能为用于电池充电管理、充电过程保护、恒定电压输出，主要包括：充电管理(适配器电压输入4.5V～6.5V，该IC可以提供4.2V±1％充电电压给电池充电；充电最大电流1C可以达到700mA；充电电流大小由图7中第三电阻R3设置，本实施例R3＝1.5K对应的最大充电电流为666mA；充电电流降低至0.1C时候充电截止)；充电保护(电池电压低于2.9V采用涓流充电模式；充电过程有过流保护、短路保护、温度保护)。恒定电压输出(1.5MHz恒定频率输出工作；可以最大2A电流输出工作；恒定的输出电压由第一电阻R1和第二电阻R2设定，本实施例设定的恒定输出电压为1.55V；过流保护、短路保护、温度保护、低压锁定保护)。

如图8(a)所示，圆形硬性FR-4基板10B面贴片锡焊有以下的元器件：第五电阻R5、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、保护IC即U1。并且有第一端口J1、第二端口J2、第三端口J3、第四端口J4、第七端口J7共5个端口，J1、J2、J3、J4、J7这5个端口全部设置供锡焊操作的焊盘即依次对应为第一焊盘、第二焊盘、第三焊盘、第四焊盘、第七焊盘，其中第二端口J2的焊盘即第二焊盘与第七端口J7的焊盘即第七焊盘为电连接状态。本实施例中，圆形硬性FR-4基板10B面最高元器件为保护IC即U1，其高度YPmax为1.35mm。

如图8(b)所示，方形硬性FR-4基板4B面有第五端口J5、第六端口J6，J5、J6端口均设置有供锡焊操作的焊盘即依次对应为第五焊盘、第六焊盘。

如图9(a)所示，圆形硬性FR-4基板10A面贴片锡焊有以下的元器件：集成IC即U2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、电感L1、第一LED灯D1、第二LED灯D2、第四电容C4。本实施例中，圆形硬性FR-4基板10A面最高元器件为电感L1，其高度YJmax为1.80mm。圆形硬性FR-4基板10焊接有元器件后称为圆形PCB板。

如图9(b)所示，方形硬性FR-4基板4A面贴片锡焊有MciroUSB接口即J8端口。方形硬性FR-4基板4焊接有元器件后称为方形PCB板。

图10是本实施例金属帽头、圆形PCB板、方形PCB板装配后的相对位置结构示意图，其中有一个关键尺寸即UD，该尺寸表示的是MicroUSB接口的开口部最外端的平面至方形硬性FR-4基板的第一方形平板拉伸体最近边缘平面的距离，该尺寸在本实施例设置为0.70mm，UD尺寸的设置，可以使得MicroUSB接口的开口端伸入塑胶结构件的第一拉伸体挖空的MicroUSB开口部，并且不会超出塑胶结构件的第一拉伸体的最外侧平面，实现了MicroUSB接口与塑胶结构件的良好装配和定位。

图11(a)和图11(b)是本实施例金属壳6，金属壳6为两端开口的圆筒状薄壁拉伸体结构，其中一端有朝内裙边。本实施例的金属壳的关键特征尺寸设置如下：外部直径KGW＝13.90±0.05mm，内部直径KGN＝13.50±0.05mm，裙边的内部直径KND＝12.00±0.05mm，高度为KGH＝6.00±0.05mm。

图12(a)和图12(b)是本实施例固化成型后的结构胶即固化结构胶11，结构胶是涂覆在金属壳裙边内部平面至圆柱形钢壳电芯封口包边的密封圈边缘之间的台阶上，结构胶流平固化后形成固化结构胶11，固化结构胶11完全覆盖住金属壳6裙边内部平面、金属壳6裙边边缘与圆柱形钢壳电芯9封口包边边缘之间的平台、圆柱形钢壳电芯9封口包边边缘与密封圈靠圆柱形钢壳电芯9内侧边缘之间的平台。固化结构胶完全覆盖金属壳裙边内部平面的厚度为MFJ，在本实施例中设置MFJ＝0.20±0.05mm。

如图13所示，金属壳6大开口端朝上，小开口端即金属壳裙边端朝下，将金属壳6与圆柱形钢壳电芯9的封口包边紧密接触，采用电阻焊接或激光焊接的方法，对金属壳裙边与圆柱形钢壳电芯封口包边的结合部实施焊接固定，然后，将结构胶涂覆在金属壳裙边内部平面至圆柱形钢壳电芯封口包边的密封圈边缘之间的台阶上，结构胶流平固化后形成固化结构胶11，固化结构胶11完全覆盖住金属壳6裙边内部平面、金属壳6裙边边缘与圆柱形钢壳电芯9封口包边边缘之间的平台、圆柱形钢壳电芯9封口包边边缘与密封圈靠圆柱形钢壳电芯9内侧边缘之间的平台。

图14为本实施例塑胶结构件、金属帽头、圆形PCB、方形PCB装配后的相对位置示意图。

图15为实施例1金属帽头、圆形PCB、方形PCB锡焊固定结构示意图。结合图15与图8(a)可知，金属帽头1通过第三锡焊区15与圆形PCB板连接固定，第三锡焊区15是在圆形硬性FR-4基板10B面的第三端口J3位置，通过J3端口的焊盘与金属帽头1第三圆柱体锡焊连接固定。方形PCB板与圆形PCB板是通过第一锡焊区13、第二锡焊区14实施连接固定。第一锡焊区13是在圆形硬性FR-4基板10B面的第三端口J7位置、方形硬性FR-4基板4B面的第三端口J6位置，通过J7端口的焊盘即第七焊盘与J6端口的焊盘即第六焊盘锡焊连接固定。第二锡焊区14是在圆形硬性FR-4基板10B面的第四端口J4位置、方形硬性FR-4基板4B面的第五端口J5位置，通过J4端口的焊盘即第四焊盘与J5端口的焊盘即第五焊盘锡焊连接固定。第一锡焊区13、第二锡焊区14均设置在方形硬性FR-4基板4B面，避开了MicroUSB接口，大大降低了锡焊的难度，同时也降低了第一锡焊区13、第二锡焊区14通过MicroUSB接口的外壳短路的风险。

图16所示的是本实施例热收缩膜12，该热收缩膜为白色，具备透光特性和受热收缩特性，材质为PVC或PET。该热收缩膜的功能对金属壳实施固定强化，增强金属壳的抗拉、抗横向剪切、抗振动、抗跌落等机械结构稳定性能。同时，由于该热收缩膜具备透光特性，充电过程中的LED灯光仍然可以正常的透射出来。本实施例的热收缩膜定型后的关键特征尺寸设置为：热收缩膜的厚度RD＝0.05±0.01mm，热收缩膜的封口包边宽度BBKD＝13.00±0.05mm，热收缩膜的封口包边高度RSH＝12.10±0.05mm。

本实施例圆柱形钢壳电芯特征尺寸的设置，使得其塑胶密封圈内部直径MF满足：CG(＝7.00)<MF(＝10.90)≤BF-0.5(＝11.50-0.5＝11.0)mm；塑胶密封圈内部直径MF大于CG，则塑胶密封圈不会与盖帽发生干涉现象；MF≤BF-0.5mm的设置，可以确保密封圈边缘超出钢壳的封口包边边缘，这为后续金属壳与圆柱形钢壳电芯封口包边的结合部固定后，能够在密封圈边缘至钢壳的封口包边边缘之间的区域涂覆可以固化的结构胶，该结构胶起增强密封圈密封效果(金属壳与圆柱形钢壳电芯通过封口包边结合部的固定，可以采用电阻焊接或激光焊接的方法，这些方法有可能对塑胶密封圈产生一定程度的烧损，从而破坏其密封效果)，同时该结构胶还起增强金属壳与整个圆柱形钢壳电芯连接强度的效果。

本实施例的金属壳特征尺寸设置，封口包边直径BF满足：GW-8.0(＝13.90-8.0＝5.90mm)≤BF(＝11.50mm)≤GW-1.0(＝13.90-1.0＝12.90)mm；下限尺寸即GW-8.0≤BF的设置，是充分考虑到圆柱形钢壳在机械封口时其封口包边宽度过宽(封口包边宽度大于4mm)，封口包边将容易发生褶皱而变得不平整，这不利于对塑胶密封圈的平整一致压缩从而导致可能的密封不良、发生漏液；上限尺寸即BF≤GW-1.0mm的设置，一个方面是必须有一定的封口包边宽度从而有一定的密封圈压缩面积，达成密封圈良好密封的目的，另外一方面也是为了有一定的宽度来与金属壳进行焊接固定。

本实施例中，金属壳的外部直径KGW等于圆柱形钢壳电芯的外部直径GW，即KGW(＝13.90mm)＝GW(＝13.90mm)。金属壳的内部直径KGN满足：0.2mm≤KGW-KGN(＝13.90-13.50＝0.40mm)≤0.8mm，即金属壳的壁厚在0.1mm～0.4mm之间，如果金属壳的壁厚小于0.1mm则其强度不足，难以可靠支撑塑胶结构件；如果金属壳的壁厚大于0.4mm则其占据过多的直径空间，不利于圆形硬性FR-4基板的直径增大从而有更充足的元器件布置贴片锡焊面积；同时，如果金属壳的壁厚大于0.4mm则会增加金属壳裙边与圆柱形钢壳电芯封口包边的结合部固定的难度，电阻焊接或激光焊接所需能量增加，也会增加烧损塑胶密封圈的风险。

金属壳裙边内部直径KND满足：0.2mm≤KGN-KND(＝13.50-12.00＝1.50mm)≤GW-BF-0.1(＝13.90-11.50-0.1＝2.30mm)mm；尺寸0.2mm≤KGN-KND的设置，是充分考虑到金属壳裙边与圆柱形钢壳电芯封口包边的结合部必须有一定的宽度，否则电阻焊接或激光焊接将因为没有足够的支撑结合面而难以实施；尺寸KGN-KND≤GW-BF-0.1的设置，实现了金属壳裙边与圆柱形钢壳电芯封口包边的结合部不超过圆柱形钢壳电芯的封口包边，这为后续金属壳与圆柱形钢壳电芯封口包边的结合部固定后，能够在密封圈边缘至圆柱形钢壳电芯封口包边边缘之间的区域涂覆可以固化的结构胶，该结构胶起增强密封圈密封效果；相反，如果圆柱形钢壳电芯封口包边边缘被金属壳遮挡，假如发生了密封圈在焊接过程中被灼伤，那么圆柱形钢壳电芯内的电解液或圆柱形钢壳电芯外部的水分将通过密封圈与圆柱形钢壳电芯封口包边边缘之间的间隙进行渗透，圆柱形钢壳电芯将发生失效。

金属壳高度KGH满足：由于CMH(＝0.50)>KGW/2-KGN/2+MFJ(＝13.90/2-13.5/2+0.2＝0.4),则SJ2+CMH+YH+FH2+0.2(＝2.2+0.5+0.6+1.50+0.2＝5)mm≤KGH(＝6)≤SJ2+CMH+YH+FH2+1.0(＝2.2+0.5+0.6+1.50+1.0＝6)mm；其中SJ2为塑胶结构件的第二拉伸体的高度，MFJ为固化结构胶覆盖金属壳裙边内部平面的厚度，CMH为圆柱形钢壳电芯的帽头凸出高度，YH为圆形硬性FR-4基板的厚度，FH2为方形硬性FR-4基板的第二方形平板拉伸体的高度。金属壳的高度KGH下限尺寸的限制，是为了充分满足在电池的高度方向上，金属壳完全可以容纳塑胶结构件的第二拉伸体高度、圆形硬性FR-4基板的厚度、FH2为方形硬性FR-4基板的第二方形平板拉伸体的高度、固化结构胶覆盖金属壳裙边内部平面的厚度、或圆柱形钢壳电芯的帽头的高度超出金属壳壁厚与固化结构胶覆盖金属壳裙边内部平面的厚度的部分，并留有一定的装配余量，不发生干涉现象。金属壳的高度KGH上限尺寸的限制，是充分考虑到非容量贡献型部件所需空间的节约，尽量减少金属壳所占据的电池高度空间，从而将节余出的高度空间留给圆柱形钢壳电芯，这有利于二次电池的高容量化。

本实施例的固化结构胶覆盖金属壳裙边内部平面的厚度为MFJ，满足：0.1mm≤MFJ(＝0.20mm)≤0.5mm；如果厚度太薄则影响其固定强化作用，如果厚度太厚则占用电池的高度空间。

本实施例热收缩膜定型后特征尺寸设置，使得热收缩膜的厚度RD满足：0.03mm≤RD(＝0.05)≤0.20mm；如果热收缩膜厚度RD太厚，将增加二次电池的直径，可能导致直径超标，并且厚度太厚也不利于透光；如果热收缩膜厚度RD太薄，则其强度不足。热收缩膜的包边宽度BBKD满足：BBD-0.1(＝12.45-0.1＝12.35mm)≤BBKD(＝13.0mm)≤GW-0.1(＝13.9-0.1＝13.8mm)且BBKD(＝13.0mm)>GW-2.0(＝13.9-2.0＝11.9mm)；BBKD≤GW-0.1mm的设置，是考虑到如果热收缩膜的包边宽度BBKD太小，其对金属壳实施固定强化作用力不足；BBKD>GW-2.0mm的设置，是考虑到热收缩膜的包边宽度BBKD太大，则热缩的时候容易发生褶皱，影响外观；BBD-0.1mm≤BBKD的设置，是为了避免热收缩膜覆盖塑胶结构件的第一拉伸体挖空的MicroUSB开口部。热收缩膜的包边高度RSH满足：KGH+SJ1+CCH(＝6+0.8+3.8＝10.6mm)≤RSH(＝12.10mm)≤KGH+SJ1+CH(＝6+0.8+42.5＝49.3mm)；设置KGH+SJ1+CCH≤RSH条件，可以满足热收缩膜将塑胶结构件、金属壳包裹在圆柱形钢壳电芯上，并通过圆柱形钢壳电芯的冲槽槽位与塑胶结构件的第一拉伸体上端面的径向包边形成扣紧力，最终达成将金属壳固定在圆柱形钢壳电芯上；设置RSH≤KGH+SJ1+CH条件，是为了满足热收缩膜不超过圆柱形钢壳电芯的底部，不对圆柱形钢壳电芯底部的接触负载端子导电产生影响。

本实施例的圆柱形钢壳电芯的高度CH满足:

CH(＝42.5mm)≤H-H1-SJ1-KGH+CMH(＝50.5-1.5-0.8-6.0+0.5＝42.7mm)，其中H为二次电池的总高度，H1为金属帽头的第一圆柱体的高度，SJ1为塑胶结构件的第一拉伸体的高度，KGH为金属壳的高度，CMH为圆柱形钢壳电芯的帽头凸出高度。

结合图1(a)至图16，本实施例在实际制作时，按以下步骤进行：

(1)将金属壳大开口端朝上，小开口端即金属壳裙边端朝下，金属壳与圆柱形钢壳电芯轴线对齐，金属壳裙边与圆柱形钢壳电芯的封口包边紧密接触，然后通过电阻焊或激光焊的方法，将两者固定在一起。

(2)将结构胶涂覆在金属壳裙边内部平面至圆柱形钢壳电芯封口包边的密封圈边缘之间的台阶上，结构胶流平固化后形成固化结构胶，固化结构胶完全覆盖住金属壳裙边内部平面、金属壳裙边边缘与圆柱形钢壳电芯封口包边边缘之间的平台、圆柱形钢壳电芯封口包边边缘与密封圈靠圆柱形钢壳电芯内侧边缘之间的平台。

(3)将金属帽头安装到塑胶结构件中，金属帽头的第一圆柱拉伸体卡接在塑胶结构件的第一拉伸体上端面上，金属帽头的第二和第三圆柱拉伸体插入塑胶结构件的中心孔并伸入到塑胶结构件的第二拉伸体内部空腔中。

(4)将圆形PCB板的A面朝上、方形PCB板的A面朝外，将方形PCB板的B面与圆形PCB板的A面垂直装配在一起且MicroUSB接口的开口与圆形PCB板的A面朝向相同，将两者通过圆形PCB板的方形平板拉伸体缺口和方形PCB板的方形槽进行卡接装配，形成PCB板组合体。

(5)将PCB板组合体与安装有金属帽头的塑胶结构件进行装配，达成将MicroUSB接口沿开口方向卡入塑胶结构件的挖空的MicroUSB开口部中，并且将金属帽头的第三圆柱体插入到圆形PCB板的中心孔中。

(6)将圆形PCB板的B面与方形PCB板的B面、圆形PCB板的B面与金属帽头进行锡焊连接和固定，即将圆形PCB板的B面的第四焊盘与方形PCB板的B面第五焊盘锡焊连接、圆形PCB板的B面的第七焊盘与方形PCB板的B面第六焊盘锡焊连接、圆形PCB板的B面的第三焊盘与金属帽头的第三圆柱拉伸体锡焊连接。

(7)将正极引出线A端与圆形PCB板的B面的第一焊盘连接(正极引出线为导线或镍带或镀镍钢带则可以采用锡焊连接；正极引出线为镍带或镀镍钢带，还可以先在圆形PCB板的B面的第一焊盘贴片镍片或镀镍钢片，然后再通过电阻焊接或激光焊接的方式实现电芯正极引出线与圆形PCB板的B面的第一焊盘的连接)；将负极引出线的A端与圆形PCB板的B面的第二焊盘连接，负极引出线为镍带或镀镍钢带，可以采用锡焊连接，也可以先在圆形PCB板的B面的第二焊盘贴片镍片或镀镍钢片，然后再通过电阻焊接或激光焊接的方式实现负极引出线与圆形PCB板的B面的第二焊盘的连接。负极引出线的A端完成连接后，其另外一端即B端沿塑胶结构件的第二拉伸体外部圆周弯折(约90度角)，并且平贴在塑胶结构件的第二拉伸体外部圆周面上。将正极引出线的另外一端即B端与圆柱形钢壳电芯的盖帽进行焊接(盖帽在金属壳内部，因此该正极引出线的焊接是在金属壳的内部进行)。

(8)将塑胶结构件的第二拉伸体插入电池金属壳内部，并且负极引出线的B端压接在金属壳内部壁面与塑胶结构件的第二拉伸体的外部壁面之间，形成过盈配合，负极引出线处于紧密压接的状态，然后用钢针对塑胶结构件的第二拉伸体与金属壳的结合部实施冲压，金属壳受力变形嵌入塑胶结构件的第二拉伸体中，实现了塑胶结构件与电池金属壳的固定。

(9)将热收缩膜包裹在塑胶结构件、金属壳及圆柱形钢壳电芯上端外壁上并进行热收缩。

完成集成充电管理、恒压输出、充放电保护、自带MciroUSB接口等多种功能的低成本二次电池的制作。

将本实施例的低成本二次电池，完全放电后，适配器规格为：5V恒压输出、最大充电电流500mA，通过MicroUSB接口给电池充电，合计的充电容量为745.7mAh，其充电电压-充电电流-充电时间关系曲线图如图17所示。充电过程中，充电的管理和充电的保护由电池内部的电路自行实施。

将充满电的电池，以恒流1000mA进行放电，截止电压1.0V，其放电情况下的放电电压-放电电流-时间关系曲线图如图18所示，二次电池的放电电压为1510mV～1518mV，稳定在1.55±0.10V范围内，达成了以1.0A电流进行恒压输出的功能，整个放电过程放电容量为1461.3mAh。放电终了，放电电压突降到0.05V，电流为0mA，表明触发了过放电保护条件，关断了放电回路，放电保护功能实现。

现有技术方法下，同种型号即R6S型号尺寸电池，由于采用成本更高的聚合物锂离子单体电池电芯(一般高出30％以上)，其型号一般为13430(直径13.00±0.20mm，高度43.00⁺⁰ _-1.0mm)，标称电压为3.7V，容量为750mAh。即本实施例的技术方法，能够实现比现有技术降低20％以上的成本。

需要说明的是，本实施例虽然是以降压恒压1.55V输出型锂离子电池为例进行说明，但是同样适用于电池需要升压恒压输出的工况，例如9V恒压输出锂离子电池等。

需要说明的是，本实施例虽然是以R6S型号尺寸来进行说明，但是同样适用于其它尺寸的电池。

实施例2

一种低成本二次电池，其结构与实施例1中的低成本二次电池的结构相类似，其不同之处在于：恒定输出电压为1.32V，第一电阻R1规格为120K±1％，第二电阻R2规格为100K±1％。

以上所述仅是本发明的优选的实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和修饰，这些改进和修饰也应该视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种低成本二次电池，其特征在于：包括圆柱形钢壳电芯、金属壳、保护IC、集成IC、电阻、电容、电感、LED灯、MicroUSB接口、塑胶结构件、方形硬性FR-4基板、圆形硬性FR-4基板、金属帽头、热收缩膜和固化结构胶，实现恒定电压输出、充电管理及保护、过充过放过流保护多位一体功能；其中，金属壳裙边与圆柱形钢壳电芯封口包边焊接固定，金属壳充当塑胶结构件的支撑体并兼做负极连接导体；固化结构胶覆盖住金属壳裙边内部平面、金属壳裙边边缘与圆柱形钢壳电芯封口包边边缘之间的平台、圆柱形钢壳电芯封口包边边缘与密封圈靠圆柱形钢壳电芯内侧边缘之间的平台，固化结构胶起绝缘、结构加强、密封三个方面的作用；MicroUSB接口焊接在方形硬性FR-4基板A面上，保护IC、集成IC、电阻、电容、电感、LED灯、金属帽头焊接在圆形硬性FR-4基板上，方形硬性FR-4基板的B面与圆形硬性FR-4基板垂直装配在一起且MicroUSB接口的开口与圆形硬性FR-4基板的A面朝向相同，并通过方形硬性FR-4基板B面与圆形硬性FR-4基板B面的焊盘锡焊连接和固定，所述塑胶结构件包括第一拉伸体和第二拉伸体，所述第一拉伸体为圆柱体结构，所述第二拉伸体为圆筒结构，所述第二拉伸体的一端垂直固定在第一拉伸体底部上且第二拉伸体与第一拉伸体同轴，所述金属帽头卡装在塑胶结构件内并部分露出塑胶结构件的第一拉伸体上端面，相装配在一起的方形硬性FR-4基板和圆形硬性FR-4基板以MicroUSB接口开口朝上的方式配套卡装在塑胶结构件内，所述塑胶结构件配套套装在金属壳大开口端，所述圆柱形钢壳电芯的正极端通过正极引出线与圆形硬性FR-4基板B面的第一焊盘连接在一起；负极引出线的A端与圆形硬性FR-4基板B面的第二焊盘连接，负极引出线的B端沿塑胶结构件的第二拉伸体外部圆周弯折并且平贴在塑胶结构件的第二拉伸体外部圆周面上，塑胶结构件与金属壳装配后负极引出线的B端压接在金属壳内部壁面与塑胶结构件的第二拉伸体的外部壁面之间，形成过盈配合，负极引出线处于紧密压接和导电连通的状态；热收缩膜包裹在塑胶结构件、金属壳及圆柱形钢壳电芯上端外壁上，并通过圆柱形钢壳电芯的冲槽槽位与塑胶结构件的第一拉伸体上端面的径向包边形成扣紧力，形成对塑胶结构件、金属壳、圆柱形钢壳电芯之间连接的固定强化，同时热收缩膜兼具透光功能；

所述金属壳的高度KGH满足：如果CMH>KGW/2-KGN/2+MFJ，则SJ2+CMH+YH+FH2+0.2mm≤KGH≤SJ2+CMH+YH+FH2+1.0mm；如果CMH<KGW/2-KGN/2+MFJ，则KGW/2-KGN/2+SJ2+MFJ+YH+FH2+0.2mm≤KGH≤KGW/2-KGN/2+SJ2+MFJ+YH+FH2+1.0mm，其中SJ2为塑胶结构件的第二拉伸体的高度，MFJ为固化结构胶覆盖金属壳裙边内部平面的厚度，CMH为圆柱形钢壳电芯的帽头凸出高度，YH为圆形硬性FR-4基板的厚度，FH2为方形硬性FR-4基板的第二方形平板拉伸体的高度，KGW为金属壳的外部直径，KGN为金属壳的内部直径，单位为mm。

2.根据权利要求1所述的低成本二次电池，其特征在于：所述金属壳为两端开口的圆筒状薄壁拉伸体结构，其中一端有朝内的裙边，金属壳裙边与圆柱形钢壳电芯封口包边的固定采用电阻焊接或激光焊接的方法，金属壳的大开口端与塑胶结构件装配，塑胶结构件的第二拉伸体伸入到金属壳内部空腔中，金属壳的外部直径KGW等于圆柱钢壳电芯的外部直径GW，金属壳的内部直径KGN满足：0.2mm≤KGW-KGN≤0.8mm，金属壳裙边的内部直径KND满足：0.2mm≤KGN-KND≤BF-0.1mm，其中BF为圆柱形钢壳电芯封口包边直径，单位为mm。

3.根据权利要求1所述的低成本二次电池，其特征在于：所述固化结构胶覆盖金属壳裙边内部平面的厚度MFJ满足：0.1mm≤MFJ≤0.5mm。

4.根据权利要求1所述的低成本二次电池，其特征在于：所述热收缩膜的关键特征尺寸满足以下关系：0.03mm≤RD≤0.20mm，BBD-0.1mm≤BBKD≤GW-0.1mm且BBKD>GW-2.0mm，KGH+SJ1+CCH≤RSH≤KGH+SJ1+CH，其中RD为热收缩膜的厚度，BBD为塑胶结构件的第一拉伸体上的MicroUSB开口部边缘至第一拉伸体圆心的最长直径，GW为圆柱形钢壳电芯的外部直径，BBKD为热收缩膜的包边宽度，KGH为金属壳的高度，SJ1为塑胶结构件的第一拉伸体的高度，RSH为热收缩膜的包边高度，CCH为圆柱钢壳电芯冲槽槽位的高度，CH为圆柱形钢壳电芯的高度，单位为mm。

5.根据权利要求1～4任一所述的低成本二次电池，其特征在于：所述圆柱形钢壳电芯的高度CH满足：CH≤H-H1-SJ1-KGH+CMH，其中H为二次电池的总高度，H1为金属帽头的第一圆柱体的高度，SJ1为塑胶结构件的第一拉伸体的高度，KGH为金属壳的高度，

CMH为圆柱形钢壳电芯的帽头凸出高度，单位为mm。