CN110556487B

CN110556487B - 二次电池

Info

Publication number: CN110556487B
Application number: CN201910814502.0A
Authority: CN
Inventors: 刘宏兵; 钟发平; 陈晓峰; 陈鹏飞; 龚颖林; 胡顺华
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: 2019-08-30
Filing date: 2019-08-30
Publication date: 2022-03-18
Anticipated expiration: 2039-08-30
Also published as: CN110556487A

Abstract

本发明提供了一种二次电池，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、塑胶件、圆形硬性FR‑4基板、金属帽头、绝缘面垫、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。本发明的二次电池的高效筛选方法，实现对恒定输出电压的二次电池进行高效筛选。与现有技术相比，本发明的二次电池既可以实现基于圆柱形钢壳电芯的多功能集成，又可以实现恒定输出电压的二次电池的高效筛选，大幅度降低生产制造成本。

Description

二次电池

技术领域

本发明涉及一种二次电池，尤其是涉及一种集成了恒定电压输出、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，同时可以对其进行高效筛选的二次电池。

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。

为了将二次电池应用在一次电池的传统领域，往往需要对二次电池进行电压转换，也就是将二次电池的电压经过升压或降压变换，使得其输出电压与一次电池相同。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转换，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。但是，二次电池电压转换后，导致二次电池后续筛选困难，因为通常的检测输出电压的方法已经不能反映二次电池的容量、内阻等性能指标的变化。

进一步，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；同时，在结构和电路方面，统筹考虑二次电池性能筛选的需求，提出高效的筛选技术和方法，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、短路保护功能；同时，本发明二次电池的高效筛选方法，实现对恒定输出电压的二次电池进行高效筛选，筛选效率提高一倍以上。该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、塑胶件、圆形硬性FR-4基板、金属帽头、绝缘面垫、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，并且支持高效的筛选检测技术；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；保护IC、集成IC、电阻、电容、电感、LED灯贴片锡焊在圆形硬性FR-4基板的A面，金属帽头锡焊在圆形硬性FR-4基板B面的J3端口焊盘上，绝缘面垫套在金属帽头上并覆盖圆形硬性FR-4基板的B面；圆形硬性FR-4基板的B面设置有供筛选检测用的J4端口焊盘，J4端口焊盘连接保护IC的VM管脚与集成IC的BAT管脚，当保护IC不处于保护状态下(即当前没有触发保护IC条件的情况发生，保护IC不需要实施保护关断与圆柱形钢壳电芯的连接)，保护IC的VM管脚与圆柱形钢壳电芯的正极端导电联通；所述圆形硬性FR-4基板以B面朝上的方式安装在塑胶件内且金属帽头的第一圆柱体部分超出塑胶件顶端即塑胶件的第一圆筒拉伸体的顶面，所述塑胶件的下端即塑胶件的第三圆筒拉伸体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A面的J1端口焊盘连接在一起；负极引出线的A端与圆形硬性FR-4基板A面的J2端口焊盘连接，负极引出线的B端首先沿塑胶件的第三拉伸体内部圆周弯折，然后再沿塑胶件的第三拉伸体外部圆周弯折并且平贴在塑胶件的第三拉伸体外部圆周面上，塑胶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件的第三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；热收缩膜包裹在绝缘面垫、塑胶件、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件的第一拉伸体上端面的径向包边形成扣紧力，形成对绝缘面垫、塑胶件、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；圆形硬性FR-4基板既作为金属帽头和其它元器件的贴片锡焊的基板，兼作二次电池的上部支撑端面和封口端面；塑胶件具有三个同轴心的圆筒拉伸体，作为圆形硬性FR-4基板的支撑体、LED灯光的透射体、圆形硬性FR-4基板B面贴片锡焊元器件的绝缘防护体、与钢壳连接固定用的结构体；圆形硬性FR-4基板、塑胶件、绝缘面垫、金属壳、热收缩膜零件的功能复用、立体空间布局和装配的形式，大幅度减少不贡献容量的结构件占用的空间，有利于实现大容量化。

所述金属帽头包括两个圆柱体即第一圆柱体和第二圆柱体，第一圆柱体的直径为M1，高度为H1，第一圆柱体的上部端面为倒角结构；高度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0.2mm≤M2≤1mm；高度H2满足：0.5mm≤H2<YH，其中YH为圆形硬性FR-4基板的厚度，单位为mm。

所述塑胶件包括第一圆筒拉伸体、第二圆筒拉伸体和第三圆筒拉伸体，三个圆筒拉伸体即第一圆筒拉伸体、第二圆筒拉伸体和第三圆筒拉伸体同轴心，第一圆筒拉伸体与第二圆筒拉伸体以外壁平齐的方式上下相连且第二圆筒拉伸体顶部超出第一圆筒拉伸体内壁形成支撑平台，第三圆筒拉伸体与第二圆筒拉伸体以内壁平齐的方式上下相连。第一圆筒拉伸体的外部直径SD1、内部直径SD2、高度SJ1；第二圆筒拉伸体的内部直径SD3、高度SJ2，第二圆筒拉伸体的外部直径与第一圆筒拉伸体的外部直径相同；第三圆筒拉伸体的外部直径SD4、高度SJ3，第三圆筒拉伸体的内部直径与第二圆筒拉伸体的内部直径相同。塑胶件第一圆筒拉伸体的外部直径SD1等于钢壳的外径GW；第一圆筒拉伸体的壁厚SDB1满足0.5mm≤SDB1≤1mm，即1mm≤SD1-SD2≤2mm。塑胶件的第一圆筒拉伸体高度SJ1等于圆形硬性FR-4基板厚度YH，即SJ1＝YH。所述塑胶件的第二圆筒拉伸体内部直径SD3满足：0.3mm≤(SD2-SD3)/2≤2mm。塑胶件的第二圆筒拉伸体高度SJ2满足：HD/2≤SJ2≤1mm，其中HD为贴片式LED灯的高度，单位为mm。所述塑胶件的第三圆筒拉伸体外部直径SD4等于钢壳的内部直径GN，即SD4＝GN。塑胶件的第三圆筒拉伸体高度SJ3满足：1.5mm≤SJ3，且YJmax≤SJ3≤YJmax+1mm，其中YJmax为圆形硬性FR-4基板A面贴片的元器件最大高度，单位为mm。

所述圆形硬性FR-4基板整体轮廓为圆形拉伸体(其半径为YB，厚度为YH)，且设置有一个直径为d1的中心孔。圆形硬性FR-4基板的半径满足：

圆形硬性FR-4基板的中心孔满足：M2<d1≤1mm。

所述绝缘面垫的整体外形为圆形，其中心设置有圆孔，该绝缘面垫的直径为MD1，厚度为MDH，其中圆孔直径为MX。该绝缘面垫材质为PET或PVC或青稞纸等绝缘材质，该绝缘面垫通过中心的圆孔穿过金属帽头的第一圆柱体，覆盖在圆形硬性FR-4基板B面，该绝缘面垫与圆形硬性FR-4基板B面接触的面可以事先粘结有不干胶，以实现与圆形硬性FR-4基板B面更好的粘结固定。该绝缘面垫的功能是作为圆形硬性FR-4基板B面的绝缘及防护层，避免出现圆形硬性FR-4基板B面受到外部物体的刮擦可能导致的阻焊层破坏、铜箔外露、漏电短路等不良。该绝缘面垫的厚度满足：0.1mm≤MDH≤0.3mm。该绝缘面垫的直径满足：2×YB<MD1≤SD1，以确保绝缘面垫能够较全面的覆盖圆形硬性FR-4基板B面。该绝缘面垫圆孔直径满足：M1<MX≤M1+0.2mm。

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。MX+2mm≤BBKD≤GW-2mm且BBKD>GW-6.0mm，其中MX为绝缘面垫圆孔直径，GW为圆柱形钢壳电芯的外部直径，BBKD≤GW-2.0mm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-6.0mm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；MX+2mm≤BBKD的设置，是为了避免热收缩膜覆盖金属帽头的第一圆柱体造成干涉问题。KGH+SJ1+CCH≤RSH≤KGH+SJ1+CH，其中KGH为金属壳的高度，SJ1为塑胶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。

所述圆形硬性FR-4基板为双面板，其中A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、电感、LED灯、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)、第一电容、第二电容、第三电容共十个元器件，并且A面还设置有J1第一端口焊盘、J2第二端口焊盘；B面设置有J3第三端口焊盘、J4第四端口焊盘，其中J3第三端口焊盘锡焊金属帽头，J4第四端口焊盘作为筛选检测测试区。J4第四端口焊盘为矩形，其长或宽均大于等于2mm(这使得焊盘具有充足的可供探针接触的面积)，其中其长边距离圆形硬性FR-4基板为双面板圆心特征尺寸JD满足：M1/2+1.0mm≤JD；该特征尺寸的设置，可以使得筛选检测测试时，测试探针不会接触到金属帽头造成误测。圆形硬性FR-4基板焊接有元器件后称为圆形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。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件装配，塑胶件的第三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。

所述金属壳的高度KGH满足：如果CMH≥KGW/2-KGN/2+MFJ，则SJ3+CMH+0.2mm≤KGH≤SJ3+CMH+2.0mm；如果CMH<KGW/2-KGN/2+MFJ，则KGW/2-KGN/2+SJ3+MFJ+0.2mm≤KGH≤KGW/2-KGN/2+SJ3+MFJ+2.0mm，其中SJ3为塑胶件的第三拉伸体的高度，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，KGW为金属壳的外部直径，KGN为金属壳的内部直径，单位为mm。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件第三拉伸体高度、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。

在二次电池贴绝缘面垫、套热收缩膜前，先对二次电池进行高效筛选，所述高效筛选的方法具体为：首先将二次电池充满电，接着统一对二次电池放电相同的电量(即按额定容量将所有二次电池放电至规定的SOC值)，搁置30分钟至1小时，用直流电压测试仪器正极表笔接触圆形硬性FR-4基板B面的J4端口焊盘，负极表笔接触金属壳或圆柱形钢壳电芯的负极，得到的测试电压VT与事先获得的圆柱形钢壳电芯开路电压-SOC关系曲线对应的标准电压值VB比较，如果VT<VB则表明该二次电池不良，筛选出作为不良品处理，否则表明该二次电池为合格品。

本发明的二次电池，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。

三是在塑胶件的第二圆筒拉伸体与第一圆筒拉伸体结合部形成的支撑平台、塑胶件第一圆筒拉伸体高度方向的内壁涂覆胶黏剂，将圆形PCB板(先将各元器件贴片锡焊在圆形硬性FR-4基板的A面，将金属帽头的第二圆柱体插入圆形硬性FR-4基板的中心孔内并锡焊在圆形硬性FR-4基板的B面，完成元器件贴片锡焊后的圆形硬性FR-4基板称为圆形PCB板)以A面朝下、B面朝上的方式安装到塑胶件的第一圆筒拉伸体内部，并与支撑平台压接，胶黏剂固化后将圆形PCB板与塑胶件粘结固定。

四是将正极引出线A端与圆形PCB板的A面的J1端口焊盘连接(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A面的J1端口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A面的J1端口焊盘的连接)；将负极引出线的A端与圆形PCB板的A面的J2端口焊盘连接，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A面的J2端口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A面的J2端口焊盘的连接。负极引出线的A端完成连接后，其另外一端即B端首先沿塑胶件的第三拉伸体内部圆周弯折(约90度角)，然后再沿塑胶件的第三拉伸体外部圆周弯折并且平贴在塑胶件的第三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)。

五是将塑胶件的第三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件的第三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，然后用钢针对塑胶件的第三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件的第三拉伸体中，实现了塑胶件与金属壳的固定。

六是进行电池筛选。首先是用充电器或专用充电设备将电池充满电；二是将充满电的电池进行搁置，搁置条件为环境温度45±2℃，时间为72小时；三是将电池进行室温放电20％～50％额定容量，具体放电容量以电池成品出货所需求的带电量为准(例如电池成品出货待电量要求是70％，那么则进行放电30％额定容量。)；四是室温下将电池开路搁置30分钟至1小时；五是测试圆柱形钢壳电芯电压，即用万用表直流电压档或直流电压测试仪器的正极表笔接触圆形硬性FR-4基板J4端口焊盘，负极表笔接触金属壳或圆柱形钢壳电芯的钢壳，所测试的电压即为圆柱形钢壳电芯电压VT，依据圆柱形钢壳电芯开路电压-SOC曲线数据，将圆柱形钢壳电芯电压VT低于标准值VB即相当于圆柱形钢壳电芯当前容量低于标准值的电池挑选出来，作为不合格品处置，其它电池作为合格品待用。

七是筛选出的合格电池进行贴绝缘面垫，将绝缘面垫套在金属帽头上并覆盖圆形硬性FR-4基板的B面。

八是将热收缩膜包裹在绝缘面垫、塑胶件、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，本发明的二次电池，具有以下优点：

(1)可以实现高效率的电池筛选。本发明的二次电池及筛选方法，由于在圆形硬性FR-4基板上设置了J4端口焊盘，该焊盘是与圆柱形钢壳电芯的正极端相导通，因而能够在二次电池完成主体的结构组装后(不贴绝缘面垫、不套热收缩膜)，仍然能够对圆柱形钢壳电芯本征的电压进行检测。这样就可以方便、高效地将低容量的电芯或由于外部电路不良等原因导致的电芯低容量挑选出来。当前普通的针对恒压输出的电池的挑选方法，为了将组装后的低容量电芯挑选出来，往往需要首先将二次电池充满电，然后进行搁置处理，搁置完成后再进行放电100％DOD即完全放电，获得了二次电池的容量；最后，由于二次电池已经完全放电，为了实现二次电池产品带电出货，还需要进行补充电。因此，普通的方法所需要的工艺时间，往往是本发明筛选方法的一倍以上。

(2)可以实现二次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。塑胶件，兼做圆形硬性FR-4基板的收纳和支撑、绝缘防护、灯光透射、钢壳结构固定等多功能一体；金属帽头的两段不同直径圆柱体，既满足作为二次电池的输出端子与外部负载接触功能，又满足连接圆形硬性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；绝缘面垫既起绝缘功能又兼对圆形硬性FR-4基板起防护功能；热收缩膜形成对绝缘面垫、塑胶件、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。二次电池附属构件多功能复用以及空间占用的最小化，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大容量化。二次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。

(3)可以实现多功能的集成。该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，因而可以方便地采用普通的5V手机充电器和配套的充电仓进行充电，无需配备专用的电池充电器。

(4)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。本发明的二次电池，将圆柱形钢壳电芯、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、塑胶件、圆形硬性FR-4基板、金属帽头、热收缩膜、绝缘面垫、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)。

本发明的二次电池，结构新颖，制作简单。本发明的二次电池，兼顾了多功能集成、结构可靠性、工艺可操作性和高效率的要求，与现有技术相比，本发明的二次电池可以实现电池筛选效率提高50％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塑胶件3D结构示意图一；

图4(b)为实施例1塑胶件关键特征尺寸示意图；

图5为实施例1圆形硬性FR-4基板关键特征尺寸示意图；

图6为实施例1绝缘面垫的3D结构及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A面元器件贴片位置示意图；

图8(b)为实施例1圆形硬性FR-4基板B面焊盘位置示意图；

图9为实施例1金属帽头、绝缘面垫、圆形PCB板的装配结构示意图；

图10(a)为实施例1金属壳特征尺寸示意图；

图10(b)为实施例1金属壳特征尺寸3D结构示意图；

图11(a)为实施例1结构胶3D结构示意图；

图11(b)为实施例1结构胶特征尺寸示意图；

图12为金属壳、固化结构胶、圆柱形钢壳电芯装配固定结构示意图；

图13(a)为实施例1塑胶件、金属帽头、圆形PCB板装配结构示意图一；

图13(b)为实施例1塑胶件、金属帽头、圆形PCB板装配结构示意图二；

图14(a)为实施例1热收缩膜3D结构示意图；

图14(b)为实施例1热收缩膜特征尺寸示意图；

图15为实施例1圆柱形钢壳电芯开路电压-SOC关系曲线图(25℃±2℃环境下)；

图16为实施例1二次电池的充电电压-充电电流-充电容量关系曲线图；

图17为实施例1二次电池的放电电压-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二次电池为例，来进一步阐述该圆柱形二次电池结构及其功能的实现方式，同时说明该二次电池高效率筛选技术的实现方法。

一种二次电池，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，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1.50V±0.10V，持续1.0A电流的输出功能；产品出货要求带70％电量。如图1(a)、1(b)所示，该二次电池包括金属帽头1、绝缘面垫2、塑胶件10、圆形硬性FR-4基板3、正极引出线5、金属壳6、元器件7(包括电阻、电容、电感、LED灯等)、负极引出线8、圆柱形钢壳电芯9、固化结构胶4、热收缩膜11。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6充当塑胶件10的支撑体并兼做负极连接导体；固化结构胶4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4起绝缘、结构加强、密封三个方面的作用；保护IC、集成IC、电阻、电容、电感、LED灯等电路元件7贴片锡焊在圆形硬性FR-4基板3的A面，金属帽头1锡焊在圆形硬性FR-4基板3B面的J3端口焊盘上，绝缘面垫2套在金属帽头1上并覆盖圆形硬性FR-4基板3的B面；圆形硬性FR-4基板3的B面设置有供筛选检测用的J4端口焊盘，J4端口焊盘连接保护IC的VM管脚与集成IC的BAT管脚，当保护IC不处于保护状态下(即当前没有触发保护IC条件的情况发生，保护IC不需要实施保护关断与电池电芯的连接)，保护IC的VM管脚与圆柱形钢壳电芯的正极端导电联通；圆形硬性FR-4基板3以B面朝上的方式安装在塑胶件10内且金属帽头1的第一圆柱体部分超出塑胶件顶端即塑胶件10的第一圆筒拉伸体的顶面，塑胶件10的下端即塑胶件10的第三圆筒拉伸体配套套装在金属壳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10A面的J1端口焊盘连接在一起；负极引出线8的A端与圆形硬性FR-4基板10A面的J2端口焊盘连接，负极引出线8的B端首先沿塑胶件10的第三拉伸体内部圆周弯折，然后再沿塑胶件10的第三拉伸体外部圆周弯折并且平贴在塑胶件10的第三拉伸体外部圆周面上，塑胶件10与金属壳6装配后负极引出线8的B端压接在金属壳6内部壁面与塑胶件10的第三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11包裹在绝缘面垫2、塑胶件10、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的冲槽槽位与塑胶件10的第一拉伸体上端面的径向包边形成扣紧力，形成对绝缘面垫2、塑胶件10、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11兼具透光功能；圆形硬性FR-4基板3既作为金属帽头1和其它元器件7的贴片锡焊的基板，兼作电池的上部支撑端面和封口端面；塑胶件10具有三个同轴心的圆筒拉伸体，作为圆形硬性FR-4基板的支撑体、LED灯光的透射体、圆形硬性FR-4基板10A面贴片锡焊元器件的绝缘防护体、与金属壳6连接固定用的结构体；圆形硬性FR-4基板3、塑胶件10、绝缘面垫2、金属壳6、热收缩膜11零件的功能复用、立体空间布局和装配的形式，大幅度减少不贡献容量的结构件占用的空间，有利于实现大容量化。

如图2(a)、2(b)所示，本实施例的电芯9为圆柱形钢壳单体电芯，其型号为14450(直径13.90±0.05mm，高度45.00⁺⁰ _-1.0mm)，标称电压为3.7V，额定容量为760mAh。该圆柱形钢壳单体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。其外径为GW＝13.90±0.05mm，总高度为CH＝44.50±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和第二圆柱体102，第一圆柱体101的上部端面为倒角结构，第一圆柱体101是二次电池与外部负载或充电电源接触的结构部位；第二圆柱体102与第一圆柱体101同轴，第二圆柱体102的顶面与第一圆柱体101的底面共面。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。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＝1.70±0.05mm，M2＝0.50±0.05mm，H2＝0.50±0.05mm。

如图4(a)所示，塑胶件10包括第一圆筒拉伸体1001、第二圆筒拉伸体1002和第三圆筒拉伸体1003，第一圆筒拉伸体1001、第二圆筒拉伸体1002和第三圆筒拉伸体1003同轴心，第一圆筒拉伸体1001与第二圆筒拉伸体1002以外壁平齐的方式上下相连且第二圆筒拉伸体1002顶部超出第一圆筒拉伸体1001内壁形成支撑平台，第三圆筒拉伸体1003与第二圆筒拉伸体1002以内壁平齐的方式上下相连。图4(b)是塑胶件的关键特征尺寸，第一圆筒拉伸体的外部直径SD1、内部直径SD2、高度SJ1；第二圆筒拉伸体的内部直径SD3、高度SJ2，第二圆筒拉伸体的外部直径与第一圆筒拉伸体的外部直径相同；第三圆筒拉伸体的外部直径SD4、高度SJ3，第三圆筒拉伸体的内部直径与第二圆筒拉伸体的内部直径相同。本实施例1中，塑胶件的以上关键特征尺寸设置如下：SD1＝13.9±0.05mm，SJ1＝0.70±0.05mm，SD2＝12.8±0.05mm，SD3＝11.9±0.05mm，SJ2＝0.30±0.05mm，SD4＝13.5±0.05mm，SJ3＝2.00±0.05mm。

如图5所示，圆形硬性FR-4基板3的整体轮廓为圆形拉伸体(其半径为YB，厚度为YH)，且设置有一个直径为d1的中心孔301。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＝6.30mm±0.05，YH＝0.70±0.05mm，d1＝0.60±0.05mm。

如图6所示，绝缘面垫2的整体外形为圆形，其中心设置有圆孔201，该绝缘面垫的直径为MD1，厚度为MDH，其中圆孔直径为MX。该绝缘面垫的功能是作为圆形硬性FR-4基板B面的绝缘及防护层，避免发生圆形硬性FR-4基板B面的受到外部物体的刮擦可能导致的阻焊层破坏、铜箔外露、漏电短路等不良。本实施例1中，该绝缘面垫的以上关键特征尺寸设置如下：MD1＝13.50mm±0.05，MDH＝0.15±0.05mm，MX＝4.60±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XS5301)、第一电阻R1(规格为0.4欧±1％)、第二电阻R2(规格为1K±1％)第三电阻R3(规格为0.9K±1％)、电感L1(型号：2.2uH/3A)、LED灯D1(型号为HL0402USR)、第一电容C1(规格为0.1uF、10V)、第二电容C2(规格为22μF、10V)、第三电容C3(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，各端口均设置相应的焊盘。其中J1端口、J2端口分别表示的是与圆柱形钢壳电芯9的正极引出线5、负极引出线8进行电连接的端口，J3端口表示的是金属帽头1，J3端口是充电的输入口兼放电的输出口，即J3端口充电和放电同口，J4端口连接保护IC即U1的VM管脚与集成IC即U2的BAT管脚，当保护IC不处于保护状态下(即当前没有触发保护IC条件的情况发生，保护IC不需要实施保护关断与圆柱形钢壳电芯的连接)，保护IC即U1的VM管脚与圆柱形钢壳电芯的正极端导电联通，J4端口用于筛选检测用途。

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XS5301)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＝0.9K对应的最大充电电流为694mA；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；恒定的输出电压为1.5V；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3的A面贴片锡焊有以下的元器件：第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、保护IC即U1、集成IC即U2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、电感L1、LED灯D1。本实施例中，圆形硬性FR-4基板3的A面最高元器件为电感L1，其高度YJmax为1.80mm，并且有第一端口J1、第二端口J2共2个端口，2个端口全部设置有供锡焊操作的焊盘。其中J1端口、J2端口分别表示的是与圆柱形钢壳电芯9的正极引出线5、负极引出线8进行电连接的端口。

如图8(b)所示，圆形硬性FR-4基板3的B面通过J3端口贴片锡焊金属帽头1，J3端口是充电的输入口兼放电的输出口，即J3端口充电和放电同口。J4端口表示的是焊盘，J4端口连接保护IC即U1的VM管脚与集成IC即U2的BAT管脚，当保护IC不处于保护状态下(即当前没有触发保护IC条件的情况发生，保护IC不需要实施保护关断与圆柱形钢壳电芯的连接)，保护IC即U1的VM管脚与圆柱形钢壳电芯9的正极端导电联通，J4端口用于筛选检测用途。本实施利1中，J4端口焊盘的特征尺寸为：长3.00±0.05mm，宽2.00±0.05mm，JD＝3.50±0.05mm。

图9是本实施例1金属帽头、绝缘面垫、圆形PCB板的装配结构示意图，金属帽头1第一圆柱体凸出圆形硬性FR-4基板3的B面，绝缘面垫2套在金属帽头1上并覆盖圆形硬性FR-4基板3的B面。

图10(a)和图10(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＝3.00±0.05mm。

图11(a)和图11(b)是本实施例固化成型后的结构胶即固化结构胶4，结构胶是涂覆在金属壳6裙边内部平面至圆柱形钢壳电芯9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4，固化结构胶4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4完全覆盖金属壳6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12所示，金属壳6大开口端朝上，小开口端即金属壳6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6裙边与圆柱形钢壳电芯9封口包边的结合部实施焊接固定，然后，将结构胶涂4覆在金属壳6裙边内部平面至圆柱形钢壳电芯9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4，固化结构胶4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13(a)、13(b)为本实施例塑胶件10、金属帽头1、圆形PCB板装配后的相对位置示意图。结合图13(a)、13(b)与图8(a)、8(b)可知，金属帽头1通过J3端口的焊盘与圆形硬性FR-4基板3锡焊连接固定，J3端口是在圆形硬性FR-4基板3的B面，并且金属帽头1的第二圆柱体插入圆形硬性FR-4基板3的中心孔并与圆形硬性FR-4基板3的中心孔配合；正极引出线5通过J2端口的焊盘与圆形硬性FR-4基板3锡焊连接，J2端口是在圆形硬性FR-4基板3的A面；负极引出线8通过J1端口的焊盘与圆形硬性FR-4基板3锡焊连接，J1端口是在圆形硬性FR-4基板3的A面；圆形硬性FR-4基板3以A面朝下、B面朝上的方式安装到塑胶件10的第一圆筒拉伸体内部(在这之前，首先将塑胶件10的第二圆筒拉伸体与第一圆筒拉伸体结合部形成的支撑平台、塑胶件10第一圆筒拉伸体高度方向的内壁涂覆胶黏剂)，并与支撑平台压接，胶黏剂固化后将圆形硬性FR-4基板3与塑胶件10粘结固定.。J4端口的焊盘方向朝上，位于圆形硬性FR-4基板3的B面，因此可以满足电池筛选时候充当测试点的要求。

图14(a)、14(b)所示的是本实施例热收缩膜11，该热收缩膜11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11的功能是对绝缘面垫2、塑胶件10、金属壳6、圆柱形钢壳电芯9之间的连接实施固定强化，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＝10.00±0.05mm，热收缩膜的封口包边高度RSH＝12.00±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。

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。

本实施例中，金属壳的外部直径KGW等于圆柱型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。

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通过封口包边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通过封口包边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，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(＝0.50mm)≥KGW/2-KGN/2+MFJ(＝13.90/2-13.50/2+0.20＝0.4mm)，则SJ3+CMH+0.2mm(＝2.00+0.50+0.20＝2.70mm)≤KGH(＝3.00mm)≤SJ3+CMH+2.0mm(＝2.00+0.50+2.00＝4.50mm)，其中SJ3为塑胶件的第三拉伸体的高度，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，KGW为金属壳的外部直径，KGN为金属壳的内部直径。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件第三拉伸体高度、结构胶覆盖金属壳内部裙边平面的厚度、或圆柱形钢壳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。

本实施例的结构胶完全固化后，覆盖金属壳内部裙边平面的厚度为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。

本实施的金属帽头满足：M2(＝0.50mm)＜M1(＝4.50mm)且0.2mm≤M2(＝0.50mm)≤1mm；高度H2满足：0.5mm≤H2(＝0.50mm)<YH(＝0.70mm)，其中YH为圆形硬性FR-4基板的厚度。

本实施例的塑胶件满足：塑胶件第一圆筒拉伸体的外部直径SD1(＝13.90mm)等于钢壳的外径GW(＝13.90mm)；第一圆筒拉伸体的壁厚SDB1满足0.5mm≤SDB1(＝0.55mm)≤1mm，即1mm≤SD1-SD2(＝13.90-12.80＝1.10mm)≤2mm。塑胶件的第一圆筒拉伸体高度SJ1(＝0.70mm)等于圆形硬性FR-4基板厚度YH(＝0.70mm)，即SJ1＝YH。塑胶件的第二圆筒拉伸体内部直径SD3满足：0.3mm≤(SD2-SD3)/2(＝(12.80-11.90)/2＝0.45mm)≤2mm。塑胶件的第二圆筒拉伸体高度SJ2满足：HD/2(＝0.3/2＝0.15mm)≤SJ2(＝0.30mm)≤1mm，其中HD为贴片式LED灯的高度。塑胶件的第三圆筒拉伸体外部直径SD4等于金属壳的内部直径KGN，即SD4(＝13.50mm)＝KGN(＝13.50mm)。塑胶件的第三圆筒拉伸体高度SJ3满足：1.5mm≤SJ3(＝2.0mm)，且YJmax(＝1.80mm)≤SJ3(＝2.00mm)≤YJmax+1.00mm(＝1.80+1.00＝2.80mm)，其中YJmax为圆形硬性FR-4基板A面贴片的元器件最大高度，本实施例中是电感元件。

本实施例的圆形硬性FR-4基板满足：

圆形硬性FR-4基板的中心孔满足：M2(＝0.50mm)<d1(＝0.60mm)≤1mm。圆形硬性FR-4基板的B面设置的第四端口焊盘作为筛选检测测试区，第四端口焊盘为矩形，其长为3mm，宽为2mm，均大于等于2mm(这使得焊盘具有充足的可供探针接触的面积)，其中其长边距离圆形硬性FR-4基板为双面板圆心特征尺寸JD满足：M1/2+1.00mm(＝4.50/2+1.00＝3.25mm)≤JD(＝3.50mm)。

本实施例的绝缘面垫满足：绝缘面垫厚度MDH满足：0.1mm≤MDH(＝0.15mm)≤0.3mm。绝缘面垫的直径满足：2×YB(＝2×6.3＝12.60mm)<MD1(＝13.50mm)≤SD1(＝13.90mm)。绝缘面垫圆孔直径满足：M1(＝4.50mm)<MX(＝4.60mm)≤M1+0.2mm(＝4.50+0.20＝4.70mm)。

本实施例的热收缩膜满足：0.03mm≤RD(＝0.05mm)≤0.20mm；MX+2.00mm(＝4.60+2.00＝6.60mm)≤BBKD(＝10.00mm)≤GW-2.00mm(＝13.90-2.00＝11.90mm)且BBKD(＝10.00mm)>GW-6.0mm(＝13.90-6.0＝7.90mm)，其中MX为绝缘面垫圆孔直径，GW为圆柱形钢壳电芯的外部直径；KGH+SJ1+CCH(＝3.00+0.70+3.80＝7.50mm)≤RSH(＝12.00mm)≤KGH+SJ1+CHmm(＝3.00+0.70+44.50＝48.20mm)，其中KGH为金属壳的高度，SJ1为塑胶件的第一拉伸体的高度，CCH为圆柱形钢壳电芯冲槽槽位的高度，CH为圆柱形钢壳电芯的高度。

圆柱形钢壳电芯的高度CH满足：CH(＝44.50mm)≤H-H1-SJ1-KGH+CMH(＝50.50-1.70-0.70-3.00+0.5＝45.60mm)，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。

图15为本实施例1的圆柱形钢壳电芯9的开路电压-SOC关系曲线图(25℃±2℃环境下)，开路电压越高，其SOC(State Of Charge，充电量状态，表示的是电芯的带电量)越大。本实施例1的圆柱形钢壳电芯9的额定容量为760mAh，要求组装后的产品带电量为70％。由图15的曲线可知，如果该圆柱形钢壳电芯9的容量达到760mAh以上，则其SOC为70％的时候的开路电压将大于3.8512V；反之，如果首先将该圆柱形钢壳电芯9充满电，接着进行放电30％额定容量(以760mAh为额定容量基准)即228mAh，然后测试其开路电压，开路电压小于3.8512V则说明该圆柱形钢壳电芯9的容量低于额定容量，而造成其低容量的原因则可能是圆柱形钢壳电芯本身容量低或外部电路不良导致电芯容量损耗或圆柱形钢壳电芯自放电大导致容量损耗。由于在圆形硬性FR-4基板3的B面设置有J4端口焊盘，该J4端口焊盘连接保护IC即U1的VM管脚且与集成IC即U2的BAT管脚连接，当保护IC不处于保护状态下(即当前没有触发保护IC条件的情况发生，保护IC不需要实施保护关断与圆柱形钢壳电芯的连接)，保护IC即U1的VM管脚与圆柱形钢壳电芯的正极端导电联通，J4端口焊盘可以方便地用于筛选检测用途。

结合图1(a)至图15，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，小开口端即金属壳的裙边端朝下，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)在塑胶件的第二圆筒拉伸体与第一圆筒拉伸体结合部形成的支撑平台、塑胶件第一圆筒拉伸体高度方向的内壁涂覆胶黏剂，将圆形PCB板(先将各元器件贴片锡焊在圆形硬性FR-4基板的A面，将金属帽头的第二圆柱体插入圆形硬性FR-4基板的中心孔内并锡焊在圆形硬性FR-4基板的B面，完成元器件贴片锡焊后的圆形硬性FR-4基板称为圆形PCB板)以A面朝下、B面朝上的方式安装到塑胶件的第一圆筒拉伸体内部，并与支撑平台压接，胶黏剂固化后将圆形PCB板与塑胶件粘结固定。

(4)将正极引出线A端与圆形PCB板的A面的J1端口焊盘连接(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A面的J1端口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A面的J1端口焊盘的连接)；将负极引出线的A端与圆形PCB板的A面的J2端口焊盘连接，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A面的J2端口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A面的J2端口焊盘的连接。负极引出线的A端完成连接后，负极引出线8的B端首先沿塑胶件10的第三拉伸体内部圆周弯折，然后再沿塑胶件10的第三拉伸体外部圆周弯折并且平贴在塑胶件10的第三拉伸体外部圆周面上，塑胶件10与金属壳6装配后负极引出线8的B端压接在金属壳6内部壁面与塑胶件10的第三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。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)。

(5)将塑胶件的第三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件的第三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，然后用钢针对塑胶件的第三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件的第三拉伸体中，实现了塑胶件与金属壳的固定。

(6)进行电池高效筛选。首先是用充电器或专用充电设备将电池充满电；二是将充满电的电池进行搁置，搁置条件为45±2℃，72小时；三是将电池进行25℃±2℃环境下1C放电30％额定容量即228mAh；四是25℃±2℃环境下将电池开路搁置30分钟以上；五是25℃±2℃环境下测试圆柱形钢壳电芯电压，即用万用表直流电压档或其它直流电压测试设备的正极表笔接触圆形硬性FR-4基板J4端口焊盘，负极表笔接触金属壳或圆柱形钢壳电芯的钢壳，所测试的电压即为圆柱形钢壳电芯电压VT，依据圆柱形钢壳电芯开路电压-SOC曲线数据，将圆柱形钢壳电芯电压VT低于标准值VB＝3.8512V(该电压为放电30％即70％带电量的电压)即相当于圆柱形钢壳电芯额定容量低于760mAh的电池挑选出来，即将VT<VB的电池筛选出来作为不合格品处置，其它电池作为合格品待用。

(7)筛选出的合格电池进行贴绝缘面垫，将绝缘面垫套在金属帽头上并覆盖圆形硬性FR-4基板的B面。

(8)将热收缩膜包裹在绝缘面垫、塑胶件、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、充放电保护等多种功能，并且兼容高效电池筛选技术的圆柱形二次电池的制作。

表1是本实施例1高效筛选方法与普通的比较例方法(即将二次电池充满电，然后进行搁置处理，搁置完成后再进行1C放电100％DOD即完全放电，获得了二次电池的容量，最后对二次电池使用1C补充电至70％)对充满电的电池筛选所需的充电和放电时间比较，本实施例1由于不需要如同比较例那样对电池进行放电完全，也不需要如同比较例那样对电池进行补充电，实施例1筛选电池所需的充放电总时间(不含最开始的充满电时间)仅相当于比较例的不到1/5。

表1

将本实施例的二次电池，完全放电后，适配器规格为：5V恒压输出、最大充电电流500mA，合计的充电容量为771.7mAh，其充电电压-充电电流-充电容量关系曲线图如图16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-放电容量关系曲线图如图17所示，电池的放电电压为1470mV～1475mV，稳定在1.50±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1651.0mAh。放电终了，放电电压突降到0.874V，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1.50V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

一种二次电池，其结构与实施例1中的二次电池的结构相类似，并设置有支持电池高效筛选的端口焊盘，其不同之处在于：恒定输出电压为1.50V，第三电阻R3规格为2.0K±1％，二次电池对应的最大充电电流为312mA。

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、塑胶件、圆形硬性FR-4基板、金属帽头、绝缘面垫、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，保护IC、集成IC、电阻、电容、电感、LED灯贴片锡焊在圆形硬性FR-4基板的A面，金属帽头锡焊在圆形硬性FR-4基板B面的J3端口焊盘上，圆形硬性FR-4基板的B面设置有供筛选测试用途的J4端口焊盘，J4端口焊盘连接保护IC的VM管脚与集成IC的BAT管脚，当保护IC不处于保护状态下，保护IC的VM管脚与圆柱形钢壳电芯的正极端导电联通；

所述金属壳的高度KGH满足：如果CMH≥KGW/2-KGN/2+MFJ，则SJ3+CMH+0.2mm≤KGH≤SJ3+CMH+2.0mm；如果CMH<KGW/2-KGN/2+MFJ，则KGW/2-KGN/2+SJ3+MFJ+0.2mm≤KGH≤KGW/2-KGN/2+SJ3+MFJ+2.0mm，其中SJ3为塑胶件的第三拉伸体的高度，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，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所述的二次电池，其特征在于：所述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；所述圆形硬性FR-4基板以B面朝上的方式安装在塑胶件内且金属帽头的第一圆柱体部分超出塑胶件顶端，所述塑胶件的下端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A面的J1端口焊盘连接在一起；负极引出线的A端与圆形硬性FR-4基板A面的J2端口焊盘连接，负极引出线的B端首先沿塑胶件的第三拉伸体内部圆周弯折，然后再沿塑胶件的第三拉伸体外部圆周弯折并且平贴在塑胶件的第三拉伸体外部圆周面上，塑胶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件的第三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；热收缩膜包裹在绝缘面垫、塑胶件、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件的第一拉伸体上端面的径向包边形成扣紧力，形成对绝缘面垫、塑胶件、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；圆形硬性FR-4基板既作为金属帽头和其它元器件的贴片锡焊的基板，兼作二次电池的上部支撑端面和封口端面；塑胶件具有三个同轴心的圆筒拉伸体，作为圆形硬性FR-4基板的支撑体、LED灯光的透射体、圆形硬性FR-4基板B面贴片锡焊元器件的绝缘防护体、与钢壳连接固定用的结构体；圆形硬性FR-4基板、塑胶件、绝缘面垫、金属壳、热收缩膜零件的功能复用、立体空间布局和装配的形式，大幅度减少不贡献容量的结构件占用的空间，有利于实现大容量化。

3.根据权利要求1所述的二次电池，其特征在于：在二次电池贴绝缘面垫、套热收缩膜前，先对二次电池进行高效筛选，所述高效筛选的方法具体为：首先将二次电池充满电，接着统一对二次电池放电相同的电量，搁置30分钟至1小时，用直流电压测试仪器正极表笔接触圆形硬性FR-4基板B面的J4端口焊盘，负极表笔接触金属壳或圆柱形钢壳电芯的负极，得到的测试电压VT与事先获得的圆柱形钢壳电芯开路电压-SOC关系曲线对应的标准电压值VB比较，如果VT<VB则表明该二次电池不良，筛选出作为不良品处理，否则表明该二次电池为合格品。

4.根据权利要求1所述的二次电池，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；MX+2mm≤BBKD≤GW-2mm且BBKD>GW-6.0mm；KGH+SJ1+CCH≤RSH≤KGH+SJ1+CH；其中RD为热收缩膜的厚度，MX为绝缘面垫圆孔直径，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为塑胶件的第一拉伸体的高度，CCH为圆柱形钢壳电芯冲槽槽位的高度，RSH为热收缩膜的包边高度，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。