CN111063856B - 基于针状引脚电芯的二次电池 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于针状引脚电芯的二次电池，包括带触头的金属盖帽、塑胶套筒组件、带针状引脚的二次电芯、钢壳、Type A USB接口、USB塑胶座、绝缘弹性垫片、电池负极金属带、保护IC、充电IC、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电容、第二电容、第三电容、红色LED灯、蓝色LED灯和硬性FR‑4基板，实现Type A USB接口在放电使用时可隐藏、Type A USB接口充电输入、可自由拆卸和安装的帽筒部件、充电管理及充电保护、过充过放过流保护多位一体功能。与现有技术相比，本发明的基于针状引脚电芯的二次电池组装方便高效，成本优势显著，使用方便。

Description

基于针状引脚电芯的二次电池

技术领域

本发明涉及一种二次电池，尤其是涉及一种基于针状引脚二次电芯，具备Type A型USB接口，集成了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，同时兼具低成本的基于针状引脚电芯的二次电池。

背景技术

智能家居的快速发展，带来了对电池的高速增长需求。二次电池尤其是锂离子二次电池具有可循环使用、比能量高、寿命长的优点，正被越来越多的智能家居所采用。但是，相对于原电池，二次电池的成本高，而且二次电池需要充电才能使用。

锂离子二次电池按不同的分类方法可以分为不同种类，例如以活性材料分可以分为钴酸锂型、锰酸锂型、磷酸铁锂型、钛酸锂型等，以形状分可以分为圆形、方形、异形等，以性能分可以分为倍率型、容量型、高温型、低温型等。不同种类的锂离子二次电池，具有不同的性能特点，同时也具有不同的成本。

锂离子二次电池的充电使用，一般是采用专门的锂离子充电器，以此来实现对锂离子二次电池的充电过程进行管理，防止锂离子二次电池发生过充电。但是，这种配备专门充电器的方法，一方面增加了锂离子二次电池的成本，另外一方面也显得不方便。

因此，如何针对智能家居对二次电池的应用需求，选用具有综合性能和成本优势的锂离子二次电池；同时，如何合理利用智能手机电池的充电器，简化二次电池充电的难度，提高充电的便捷性，降低充电的硬件投入和成本。以上的两个方面，对促进二次电池在智能家居的推广应用，具有重要的现实价值和意义。

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，提供一种基于针状引脚电芯(即电容式电芯)的二次电池，具备Type A型USB接口、更高集成度、更低成本的二次电池，与现有技术相比，本发明的二次电池的具备Type A型USB接口充电输入功能，可以实现电池直接插入5V智能手机充电器接口进行充电，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。

本发明通过以下方案实现：一种基于针状引脚电芯的二次电池(后续部分简称为“二次电池”)，包括带触头的金属盖帽、塑胶套筒组件(包括塑胶筒、套筒卡座、磁铁三个零件，磁铁为NdFeB强力型磁铁)、带针状引脚的二次电芯、钢壳、Type A USB接口、USB塑胶座、绝缘弹性垫片、电池负极金属带、保护IC、充电IC、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电容、第二电容、第三电容、红色LED灯、蓝色LED灯和硬性FR-4基板，实现Type A USB接口在放电使用时可隐藏、Type A USB接口充电输入、可自由拆卸和安装的帽筒部件(即金属盖帽与塑胶套筒组件装配组合而成的部件)、充电管理及充电保护、过充过放过流保护多位一体功能；其中所有的元器件(包括保护IC、充电IC、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电容、第二电容、第三电容、红色LED灯、蓝色LED灯等)锡焊在硬性FR-4基板的B面上；J1端口、J2_+5V端口、J2_GND端口、J3端口、J4端口设置在硬性FR-4基板的A面上，其中J1端口和J4端口设置有U形焊盘，J1端口的U形焊盘中央开设有第一U形槽，J4端口的U形焊盘中央开设有第二U形槽；J2_+5V端口、J2_GND端口、J3端口设置有方形焊盘，且方形焊盘表面进行喷金或镀金处理，J2_+5V端口、J2_GND端口分别作为输入的正、负端触点导电接触区用途，J3端口作为输出的触点导电接触区用途。所述硬性FR-4基板的外形轮廓为由两个不同宽度的方形平板即第一方板区和第二方板区连接形成，窄的部分即第一方板区在上方，宽的部分即第二方板区在下方，其中第二方板区沿底部边缘设置有两个均匀分布且尺寸相同的第一U形槽和第二U形槽，第一U形槽和第二U形槽开口端朝下，第一U形槽和第二U形槽的中心线垂直于底边，第一U形槽和第二U形槽的上半部分位于U形焊盘的中央位置。硬性FR-4基板的第一方板区的距离上边、左边、右边小于2mm范围的区域围成一个不可贴片的托台支撑区，托台支撑区用于硬性FR-4基板与USB塑胶座的框架支撑部相互接触支撑。硬性FR-4基板的第一方板区与第二方板区的连接区域有一高度等于USB塑胶座第一圆筒体高度的状态指示区(高度为PL)，状态指示区为红色LED灯、蓝色LED灯的最佳布置及贴片区域，红色LED灯、蓝色LED灯起充电的状态灯光指示作用(正在充电亮红灯，充电结束亮蓝灯)。

所述金属盖帽与塑胶套筒组件(包括塑胶筒、套筒卡座、磁铁三个零件，磁铁为NdFeB强力型磁铁)装配组合，形成帽筒部件，其中金属盖帽的帽头部位于塑胶套筒组件的顶部外侧，金属盖帽的触头部安装在塑胶套筒组件的塑胶卡舌中并且凸出塑胶卡舌最高平面。所述金属盖帽包含有金属盖帽帽头部、金属盖帽触头部；套筒卡座包含有塑胶卡舌；塑胶筒包含有USB空腔配合部。电池放电使用过程中，金属盖帽触头部与安装在USB塑胶座中的硬性FR-4基板J3端口紧密压接导电连通。

所述硬性FR-4基板与USB塑胶座配合安装，其中硬性FR-4基板的托台支撑区与USB塑胶座的框架支撑部镂空区域相配合，硬性FR-4基板的第二方板区安装在USB塑胶座的第一圆筒体和第二圆筒体的内部空腔中，硬性FR-4基板的第一方板区与第二方板区连接区域即状态指示区置于USB塑胶座的第一圆筒体内部空腔中。Type A USB接口安装在USB塑胶座的框架支撑部上。

所述带针状引脚的二次电芯，正极端焊接电芯正极针状引脚(简称“电芯正极引脚”)和负极端焊接电芯负极针状引脚(简称“电芯负极引脚”)，电芯正极引脚插入第一U形槽，电芯负极引脚插入第二U形槽，然后在J1端口U形焊盘与电芯正极引脚锡焊连接，在J4端口U形焊盘与电芯负极引脚锡焊连接。J1端口的U形焊盘和J4端口的U型焊盘最下沿至硬性FR-4基板第二方板区下沿的最短距离JH1为0.50mm～2.0mm，该距离的设置可以方便地调整二次电芯与硬性FR-4基板的相对位置，也给后续锡焊二次电芯后的硬性FR-4基板装入USB塑胶座提供了一定的调整空间。

所述绝缘弹性垫片包裹在二次电芯靠底部的侧面区域，起绝缘和支撑电池负极金属带的作用；电池负极金属带的A端焊接在硬性FR-4基板B面的J5端口(电池负极金属带的A端可以直接锡焊在J5端口；也可以先在J5端口贴片锡焊镍带或镀镍金属片，然后电池负极金属带的A端再与J5端口的镍带或镀镍金属片电阻点焊或激光点焊连接)，电池负极金属带的B端依次沿二次电芯上端面、右侧面、底面、左侧面跨接，二次电芯的电芯正极引脚和电芯负极引脚均导电，二次电芯的上端面、侧面(整个圆周外侧面)、底面均为绝缘设置，电池负极金属带位于绝缘弹性垫片的外侧。

PCB板(完成了元器件贴片锡焊的硬性FR-4基板)、USB塑胶座、绝缘弹性垫片、带针状引脚的二次电芯、Type A USB接口、电池负极金属带完成组合装配后，将组合体以二次电芯底部朝下的方式，装入钢壳内部，电池负极金属带受到钢壳内壁挤压，压缩绝缘弹性垫片，形成了电池负极金属带与钢壳内壁的紧密导电连接。

所述USB塑胶座从上到下依次是框架支撑部、第一圆筒体、第二圆筒体，其中框架支撑部外围是支撑框架，中间是镂空区域，镂空区域的宽度为UK1、高度为UH2；镂空区域高度与第一圆筒体高度总和为UH3；第一圆筒体上部分为圆台，并且第一圆筒体上部分中间部位与框架支撑部镂空区域结合处设置有方形的挖空拉伸体，该挖空拉伸体为供硬性FR-4基板通过用途；第一圆筒体下部分是内部为空腔的圆筒体，该空腔的直径为UK2；镂空区域高度与第一圆筒体圆台部分的高度总和为UH1；USB塑胶座第二圆筒体的高度为UH4。

所述USB塑胶座框架支撑部的镂空区域厚度方向靠中间位置设置有一个支撑平面，该支撑平面起支撑硬性FR-4基板作用，硬性FR-4基板区的厚度是UP，元器件区的厚度是UY。

所述USB塑胶座的第一圆筒体和第二圆筒体满足：1.0mm≤UH3-UH2≤3.0mm，2.0mm≤UH4≤5.0mm。UH3-UH2为USB塑胶座第一圆筒体的高度，其下限尺寸即1.0mm≤UH3-UH2的设置，是为了满足充电指示灯(即红色LED灯、蓝色LED灯)的灯光能够有一定的透射面积透射出来，确保充电指示灯透光效果，如果高度尺寸过小则灯光不明显导致指示效果不佳；但是，第一圆筒体的高度不宜过高，否则占用二次电芯的高度空间，因此有UH3-UH2≤3.0mm。2.0mm≤UH4的限制，是为了满足USB塑胶座安装到钢壳上需满足在第二圆筒体上冲点的工艺需求，如果第二圆筒体的高度过小，则冲点操作难以实施，USB塑胶座与钢壳的连接固定得不到保障；同样，第二圆筒体的高度不宜过高，否则占用二次电芯的高度空间，因此有UH4≤5.0mm的要求。

所述硬性FR-4基板第一方板区宽度为PK1，第二方板区宽度为PK2，第一方板区高度为PB1，第二方板区高度为PB2，第一U形槽或第二U形槽的高度为PG、宽度为PY，第一U形槽与第二U形槽的间距为PK3，状态指示区高度为PL。以上的特征尺寸满足：UK1-1.0mm≤PK1≤UK1-0.2mm，UK2-1.0mm≤PK2≤UK2-0.2mm，UH1+0.2mm≤PB1≤UH1+0.5mm,UH4≤PB2≤UH4+UH3-UH1；4.0mm≤PG≤PB2且YJG-1.0mm≤PG≤YJG-0.2mm，YJ+0.1mm≤PY≤YJ+1.0mm，PK3＝YJX，1.0mm≤PL≤UH3-UH2，其中UK1为USB塑胶座框架支撑部镂空区域的宽度，UK2为USB塑胶座第一圆筒体下部分内部空腔的直径，UH1为USB塑胶座框架支撑部镂空区域高度与第一圆筒体圆台部分的高度总和，UH2为USB塑胶座框架支撑部镂空区域的高度，UH4为USB塑胶座第二圆筒体的高度，UH3为USB塑胶座框架支撑部镂空区域高度与第一圆筒体高度总和，YJ为电芯针状引脚(即电芯正极针状引脚或电芯负极针状引脚，电芯正极针状引脚与电芯负极针状引脚尺寸相同)的直径，YJX为二次电芯两个电芯针状引脚(即电芯正极针状引脚与电芯负极针状引脚)之间的间距，YJG为电芯针状引脚(即电芯正极针状引脚或电芯负极针状引脚)外露的长度，单位为mm。PK1≤UK1-0.2mm的限制是为了使得硬性FR-4基板的第一方板区能够与USB塑胶座的框架支撑部镂空区域相配合即硬性FR-4基板第一方板区在宽度方向能够收纳在USB塑胶座的框架支撑部镂空区域，UK1-1.0mm≤PK1的约束是为了在满足配合的基础上，尽量保持硬性FR-4基板有足够的宽度及面积来有利于元器件的布置。PK2≤UK2-0.2mm的设置是使得硬性FR-4基板的第二方板区能够与USB塑胶座第一圆筒体和第二圆筒体组成的内部空腔相配合即硬性FR-4基板第二方板区在宽度方向能够收纳在USB塑胶座第一圆筒体和第二圆筒体组成的内部空腔中；UK2-1.0mm≤PK2的设置也是为了在满足配合的基础上，尽量保持硬性FR-4基板有足够的宽度及面积来有利于元器件的布置。UH1+0.2mm≤PB1≤UH1+0.5mm和UH4≤PB2≤UH4+UH3-UH1尺寸的设置，是为了满足硬性FR-4基板在长度方向能够与USB塑胶座配合，即整个硬性FR-4基板在长度方向不超出USB塑胶座第二圆筒体下端，硬性FR-4基板的第二方板区高度尽量大些从而有利于增加元器件布置的面积。4.0mm≤PG≤PB2的设置，是为了使得第一U形槽、第二U形槽必须有一定高度，从而有利于设置有合适尺寸的焊盘，增强锡焊的可操作性和焊接的牢固性，但是，第一U形槽、第二U形槽过高将占用过多的硬性FR-4基板面积从而不利于元器件的布置。YJG-1.0mm≤PG≤YJG-0.2mm的设置，即第一U形槽、第二U形槽的高度小于电芯针状引脚(即电芯正极针状引脚、电芯负极针状引脚)的外露长度，这将使得锡焊后硬性FR-4基板仍然具有一定的空间位置调整余地从而有利于校准安装过程中的对位，使得装配过程易于进行；但是电芯针状引脚的外露长度不宜过长，因为这将占用二次电芯的高度空间，不利于采用高容量的二次电芯。YJ+0.1mm≤PY≤YJ+1.0mm的设置，一方面是为了安装的需求即电芯针状引脚可以方便的插入第一U形槽、第二U形槽中，因此有YJ+0.1mm≤PY；但是，第一U形槽、第二U形槽与电芯针状引脚(即电芯正极针状引脚、电芯负极针状引脚)的间隙不宜过大，否则不利于锡焊操作，间隙过大则焊接的牢固性也不佳，因此PY≤YJ+1.0mm。PL≤UH3-UH2的设置，是为了实现将红色LED灯、蓝色LED灯在充电时候的灯光指示通过USB塑胶座的第一圆筒体透射出来，因为UH3-UH2等于硬性FR-4基板装入USB塑胶座后该位置正对USB塑胶座的第一圆筒体高度位置区域，如果超出该位置，则红色LED灯、蓝色LED灯的灯光无法透射出来因而不能起到正常的充电指示作用；1.0mm≤PL的设置，是考虑到红色LED灯、蓝色LED灯需有足够的长度或宽度尺寸来贴片布置。

所述硬性FR-4基板为双面板，其中B面锡焊保护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)、充电IC(包含充电功能、充电保护功能)、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电容、第二电容、第三电容、红色LED灯、蓝色LED灯，B面还设置有J5端口；A面设置有J1端口、J2_+5V端口、J2_GND端口、J3端口、J4端口共五个端口，其中J2_+5V端口、J2_GND端口、J3端口设置有方形焊盘，且焊盘表面进行喷金或镀金处理，J2_+5V端口、J2_GND端口分别作为输入的正、负端触点导电接触区用途，J3端口作为输出的触点导电接触区用途；J1端口和J4端口设置有U形焊盘，J1端口的U形焊盘中央开设有第一U形槽，J4端口的U形焊盘中央开设有第二U形槽。U形焊盘焊锡的宽度为JW1，U形焊盘最下沿至硬性FR-4基板第二方板区下沿的最短距离为JH1，两个U形焊盘之间的最端距离为JW2，满足0.50mm≤JW1≤1.5mm，0.50mm≤JH1≤2.0mm。0.50mm≤JW1尺寸的设置，是为了满足锡焊操作的要求焊盘必须有足够的宽度，否则焊接的可操作性和可靠性不好；但是，由于J1端口和J4端口两个位置的U形焊盘不能重叠短路，因此两者之间的间隙JW2应该大于1.0mm，即JW1≤1.5mm。0.50mm≤JH1尺寸的限制，使得电芯针状引脚在锡焊过程中可以根据需求进行位置的适当调整，提高了可适用性，但是JH1尺寸不能过大，否则U形焊盘的高度太小则不利于焊接的可靠性和牢固性，因此有JH1≤2.0mm。

所述钢壳内径为GN，电池负极金属带的厚度为FND，绝缘弹性垫片的厚度为TDP，二次电芯的外径为DXW，二次电芯、绝缘弹性垫片、电池负极金属带装配好安装到钢壳内部后，绝缘弹性垫片与电池负极金属带重叠区的压缩率YSL满足：10％×Ysmax≤YSL≤70％×Ysmax，YSL＝1-(GN-DXW－2×FND)/(2×TDP)，其中Ysmax为绝缘弹性垫片允许的最大压缩率(一般是指绝缘弹性垫片发生压裂破坏时候压缩率)，单位为mm。10％×Ysmax≤YSL的设置是为了确保电池负极金属带与钢壳内部形成紧密的压接，避免出现接触不良不导电的情况；但是，YSL过大即压缩率过大将导致二次电芯、绝缘弹性垫片和电池负极金属带形成的组合体入钢壳困难，不利于提高装配的效率，因此有YSL≤70％×Ysmax。

所述基于针状引脚电芯的二次电池，其实现的方式是：

首先将金属盖帽与塑胶套筒组件(包括塑胶筒、套筒卡座、NdFeB强力型磁铁三个零件)进行装配，形成帽筒部件，其中金属盖帽的帽头部位于塑胶套筒组件的顶部外侧，金属盖帽的触头部安装在塑胶套筒组件的塑胶卡舌中并且凸出塑胶卡舌平面；将绝缘弹性垫片包裹在二次电芯靠底部的侧面区域；将Type A USB接口装配到USB塑胶座的框架支撑部上。

其次将电池负极金属带的A端焊接在硬性FR-4基板B面的J5端口(电池负极金属带的A端可以直接锡焊在J5端口；也可以先在J5端口贴片锡焊镍带或镀镍金属片，然后电池负极金属带的A端再与J5端口的镍带或镀镍金属片电阻点焊或激光点焊连接)，硬性FR-4基板的B面事先已经贴片锡焊好所有的元器件(称为"PCB板")。

三是电芯正极引脚插入硬性FR-4基板的第一U形槽，电芯负极引脚插入硬性FR-4基板的第二U形槽，然后在J1端口U形焊盘与电芯正极引脚锡焊连接，在J4端口U形焊盘与电芯负极引脚锡焊连接。

四是将电池负极金属带的B端依次沿二次电芯上端面、右侧面、底面、左侧面跨接，其中电池负极金属带位于绝缘弹性垫片的外侧；然后将PCB板与USB塑胶座装配，使得PCB板完全收纳在USB塑胶座中。

五是将步骤四中形成的组合体以二次电芯底部朝下的方式，装入钢壳内部，电池负极金属带受到钢壳内壁挤压，压缩绝缘弹性垫片，形成了电池负极金属带与钢壳内壁的紧密导电连接，其中USB塑胶座第二圆筒体完全伸入钢壳内部。

六是用钢针对USB塑胶座的第二圆筒体与钢壳的结合部实施冲压，钢壳受力变形嵌入USB塑胶座的第二圆筒体中，实现了USB塑胶座与钢壳的固定；或者是首先在USB塑胶座的第二圆筒体与钢壳的结合部的钢壳内侧壁面涂覆胶黏剂，然后将USB塑胶座的第二圆筒体插入钢壳内部，胶黏剂固化，完成USB塑胶座与钢壳的粘结固定。

最后将帽筒部件套在USB塑胶座上，即以塑胶筒的空腔配合部与安装在USB塑胶座上的Type A USB接口进行配合安装，此时塑胶卡舌与金属盖帽触头部伸入到Type A USB接口、USB塑胶座、硬性FR-4基板所围成的空腔内部，使得金属盖帽触头部接触到硬性FR-4基板A面的J3端口并形成紧密的压接，即完成了二次电池的组装，并且该帽筒部件是随时可以取出或重新装入。

以上七步完成了基于针状引脚电芯的二次电池的制作。

该基于针状引脚电芯的二次电池的充电方法是：首先将帽筒部件取下，此时TypeA USB充电接口由原先的隐藏在帽筒部件内部变为完全的显露；利用帽筒部件上NdFeB强力型磁铁的磁力使其吸附在电池钢壳上以防止跌落遗失；然后将基于针状引脚电芯的二次电池的Type A USB充电接口插入到DC 5V充电器(即普通的智能手机DC 5V锂离子电池充电器)的Type A USB充电接口母座中，开始充电，红色LED灯亮，充电结束则蓝色LED灯亮；充电完成，将基于针状引脚电芯的二次电池从充电器拔出，并将帽筒部件重新套在Type A USB充电接口上，此时Type A USB接口伸入到塑胶筒的USB空腔配合部，塑胶卡舌与金属盖帽触头部伸入到Type AUSB接口、USB塑胶座、硬性FR-4基板所围成的空腔内部，最终金属盖帽触头部接触到硬性FR-4基板A面的J3端口并形成紧密的压接，这样就实现了金属盖帽与电池正极的导电连通，基于针状引脚电芯的二次电池恢复初始模样外形，这时基于针状引脚电芯的二次电池就可以装入用电设备中(金属帽头为正极，钢壳底部为负极)开始使用了。

与现有技术相比，本发明的基于针状引脚电芯的二次电池，具有以下优点：

(1)电池组装方便高效。带针状引脚的二次电芯由于具有统一的正极和负极输出结构形式即针状引脚，这种结构形式与硬性FR-4基板的第一U形槽、第二U形槽和U形焊盘的结构配合，使得组装过程得到了很大简化。同时，第一U形槽、第二U形槽的高度、电芯针状引脚的外露长度、U形焊盘的高度等相对尺寸的设计，使得电池的组装过程在确保可靠性和牢固性的基础上，也保持了较合理的调整自由度，这就使得组装过程的对位、装配效率大幅度提高。

(2)电池的成本优势显著。由于采用带针状引脚的二次电芯，该二次电芯具有与普通电解电容相类似的结构和生产工艺，二次电芯本身的加工制造成本较低，相对其它结构形式的二次电芯(如方形电芯)有较强的成本优势。其次，由于本发明的基于针状引脚电芯的二次电池集成了Type A USB充电接口，并且集成了充电管理和保护功能，这使得本发明的基于针状引脚电芯的二次电池可以直接采用普通的智能手机DC 5V锂离子电池充电器，不在需要配置专用的充电器。电池组装的高效和方便，也降低了组装的成本。

(3)电池使用方便。电池放电使用的时候，电池的整体外形外观与普通的原电池相同，只需要装入用电器的电池仓即可。电池电量用完后，可以再次充电反复使用，充电的方法也非常的方便，只需要将帽筒部件取下(为防止跌落遗失，利用帽筒部件上NdFeB强力磁铁的磁力使其吸附在电池钢壳上)，然后通过集成的Type A USB充电接口进行充电，充电结束后再将帽筒部件重新装好，就又可以放电使用了。

本发明的基于针状引脚电芯的二次电池，组装方便高效，成本优势显著，使用方便。本发明的基于针状引脚电芯的二次电池，兼顾了成本、多功能集成、结构可靠性、工艺可操作性和简便性的要求。

附图说明

图1为实施例1基于针状引脚电芯的二次电池的整体外形示意图；

图2为实施例1基于针状引脚电芯的二次电池的结构爆炸示意图；

图3(a)为实施例1帽筒部件的3D结构示意图一；

图3(b)为实施例1帽筒部件的3D结构示意图二；

图4(a)为实施例1USB塑胶座的3D结构示意图；

图4(b)为实施例1USB塑胶座的正视图；

图4(c)为实施例1USB塑胶座的左侧视图；

图5为实施例1的电路原理图；

图6(a)为实施例1硬性FR-4基板的正视图；

图6(b)为实施例1硬性FR-4基板B面元器件贴片位置示意图；

图6(c)为实施例1硬性FR-4基板A面端口焊盘位置示意图；

图7(a)为实施例1USB塑胶座、PCB板、电池负极金属带的装配3D结构示意图；

图7(b)为实施例1二次电芯、PCB板、绝缘弹性垫片、电池负极金属带的装配3D结构示意图；

图8为实施例1基于针状引脚电芯的二次电池的充电电压-充电电流-充电容量关系曲线图；

图9为实施例1基于针状引脚电芯的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

以具体制作一种自带Type A USB充电接口的圆柱形基于针状引脚电芯的二次电池为例，来进一步阐述该基于针状引脚电芯的二次电池结构及其功能的实现方式，同时说明该种基于针状引脚电芯的二次电池的组装高效便捷和低成本的实现方法。

一种基于针状引脚电芯的二次电池，为圆柱形(其外形整体尺寸需符合《IEC60086-2：2011》标准所要求的R06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，电池具备自带Type A USB接口充电功能；具备帽筒部件可便捷拆装及隐藏Type A USB接口功能；具备充电管理功能；具备充电保护和放电保护功能；持续400mA电流的放电输出功能。如图1和图2所示，该基于针状引脚电芯的二次电池包括二次电芯1、钢壳2、元器件3(包括充电IC、保护IC、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电容、第二电容、第三电容、蓝色LED灯、红色LED灯等)、塑胶套筒组件4、硬性FR-4基板5、金属盖帽6、电芯负极引脚7、电芯正极引脚8、Type A USB接口9、USB塑胶座10、电池负极金属带11、绝缘弹性垫片12，本实施例的二次电芯1为带针状引脚的锂离子单体电池，外形结构为圆柱电解电容器形式，其型号为13300(直径DXW＝13.20±0.10mm，高度DXG＝30.70±0.10mm，电芯正极引脚和电芯负极引脚直径均为YJ＝0.80±0.05mm，外露长度均为YJG＝5.00±0.05mm，YJX＝5.30±0.05mm)，标称电压为3.7V，容量为400mAh；电池外壳为钢壳2，其外径为GW＝13.90±0.05mm，内径为GN＝13.50±0.05mm，高度为GH＝34.80±0.05mm，底部厚度为GKDH＝0.30±0.05mm；二次电芯1置于钢壳2内，绝缘弹性垫片12包裹在二次电芯2靠底部的侧面区域，电池负极金属带11的B端位于钢壳1内侧与绝缘弹性垫片12外侧之间，电池负极金属带11的A端与硬性FR-4基板5的B面的J5端口锡焊连接，二次电芯1正极端焊接的电芯正极引脚8与二次电芯1负极端焊接的电芯负极引脚7分别与硬性FR-4基板5设置的第一U形槽、第二U形槽相对应配合并且与相对应U形焊盘锡焊连接，PCB板(即贴片锡焊有元器件3的硬性FR-4基板5)安装到USB塑胶座10内部，Type A USB接口9安装到USB塑胶座10的框架支撑部上，安装有Type AUSB接口9的USB塑胶座10的上端一同插入塑胶套筒组件4内部配合，金属盖帽6的帽头部凸出塑胶套筒组件4的上端平面。

如图3(a)、图3(b)所示，塑胶套筒组件4包括塑胶筒401、套筒卡座402、NdFeB强力型磁铁403共三个零件，塑胶筒401包含USB空腔配合部4011，套筒卡座402包含塑胶卡舌4021，套筒卡座配套卡装在塑胶筒内，NdFeB强力型磁铁配套安装在套筒卡座与塑胶筒形成的磁铁安装区内且磁铁的底部与塑胶筒底部平齐，金属盖帽6包含金属盖帽帽头部601和金属盖帽触头部602，其中金属盖帽触头部602安装在塑胶卡舌4021中并凸出塑胶卡舌4021最高平面。金属盖帽6与塑胶套筒组件4装配后，形成帽筒部件，其中金属盖帽帽头部601位于塑胶筒401的顶部外侧。电池放电使用过程中，金属盖帽触头部602与安装在USB塑胶座中的硬性FR-4基板A面的J3端口紧密压接导电连通。

如图4(a)、4(b)、4(c)所示，USB塑胶座10从上到下依次是框架支撑部101、第一圆筒体102、第二圆筒体103，其中框架支撑部101外围是支撑框架1011，中间是镂空区域1012，镂空区域1012的宽度为UK1、高度为UH2；镂空区域高度与第一圆筒体高度总和为UH3；第一圆筒体102上部分为圆台，并且第一圆筒体上部分中间部位与框架支撑部101镂空区域结合处设置有方形的挖空拉伸体1021，该挖空拉伸体1021为供硬性FR-4基板通过用途；第一圆筒体102下部分是内部为空腔的圆筒体，该空腔的直径为UK2；镂空区域1012高度与第一圆筒体102圆台部分的高度总和为UH1；USB塑胶座第二圆筒体103的高度为UH4。USB塑胶座框架支撑部101的镂空区域1012顶部厚度方向靠中间位置设置有一个支撑平面1013，该支撑平面起支撑硬性FR-4基板作用，硬性FR-4基板区的厚度是UP，元器件区的厚度是UY。USB塑胶座10的第一圆筒体102具有透光功能，可以将内部空腔的LED灯光透射出来。本实施例中，USB塑胶座10的以上关键特征尺寸设置如下：UH1＝10.50±0.05mm，UH2＝9.40±0.05mm，UH3＝11.60±0.05mm，UH4＝3.90±0.05mm，UK1＝9.80±0.05mm，UK2＝11.37±0.05mm，UP＝0.80±0.05mm，UY＝1.10±0.05mm。

如图5所示是本实施例的电路原理图，充电IC即U1(型号为ME4055)、第一电阻R1(规格为5K±1％)、第二电阻R2(规格为3K±1％)、第三电阻R3(规格为2.8K±1％)、红色LED灯D1(型号为HL0402USR)、蓝色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22μF、10V)、第三电容C3(规格为22μF、10V)、保护IC即U2(型号为XB5333A)，并且有J1端口(即第一焊盘J1)、J2端口(即Type A USB接口焊盘，包括J2_+5V焊盘和J2_GND焊盘两个焊盘)、J3端口(即第三焊盘J3)、J4端口(即第四焊盘J4)、J5端口(即第五焊盘J5)。其中J1端口表示的是与二次电芯的电芯正极引脚进行电连接的端口，J4端口表示的是与二次电芯的电芯负极引脚进行电连接的端口，J3端口表示的是金属盖帽触头部接触的表面喷金或镀金的焊盘，J3端口表示的是电池正极，J2_+5V焊盘表示的是电池充电的正极端口，J2_GND焊盘表示的是电池充电的负极端口，J5端口表示的是电池的负极端口。

本实施例中保护IC即U2(型号为XB5333A)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4.30±0.050V、过充电解除电压为4.10±0.05V、过充电电压检测延迟时间为80～170ms)、过放电保护(过放电检测电压为2.4±0.1V、过放电解除电压为3.0±0.1V、过放电电压检测延迟时间为20～60mS)、过充电电流保护(过充电电流检测为2.6～4.2A、过充电电流检测延迟时间为4～16mS)、过放电电流保护(过放电电流检测为2.5～4.1A、过放电电流检测延迟时间为4～16mS)、短路保护(负载短路检测电流为10～30A、负载短路检测延时为75～400μS)。

本实施例中充电IC即U1(型号为ME4055)的功能为用于电池充电管理、充电过程保护，主要包括：充电管理(适配器电压输入4.0V～9.0V，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800mA；充电电流大小由图5中第三电阻R3设置，本实施例R3＝2.8K对应的最大充电电流为400mA；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)。

如图6(a)所示，硬性FR-4基板5的外形轮廓为由两个不同宽度的方形平板即第一方板区501和第二方板区502连接形成，窄的部分即第一方板区501在上方，宽的部分即第二方板区502在下方，其中第二方板区502沿底部边缘设置有两个均匀分布且尺寸相同的第一U形槽503和第二U形槽504，第一U形槽503和第二U形槽504开口端朝下，第一U形槽503和第二U形槽504的中心线垂直于底边，第一U形槽503和第二U形槽504的上半部分位于U形焊盘505的中央位置。硬性FR-4基板第一方板区的宽度为PK1，第二方板区的宽度为PK2，第一方板区的高度为PB1，第二方板区的高度为PB2，第一U形槽或第二U形槽的高度为PG、宽度为PY，第一U形槽与第二U形槽的间距为PK3。本实施例的以上特征尺寸设置如下：PK1＝9.60±0.05mm，PK2＝11.00±0.05mm，PB1＝10.70±0.05mm，PB2＝4.70±0.05mm，PK3＝5.30±0.05mm，PG＝4.20±0.05mm，PY＝1.00±0.05mm，PL＝2.20±0.05mm。

如图6(b)所示，硬性FR-4基板5B面的第一方板区501的距离上边、左边、右边小于2mm范围的区域围成一个不可贴片的托台支撑区506，托台支撑区506用于硬性FR-4基板5与USB塑胶座的框架支撑部相互接触支撑。硬性FR-4基板5的第一方板区501与第二方板区502的连接区域有一高度等于USB塑胶座第一圆筒体高度的状态指示区507(高度为PL)，状态指示区为红色LED灯、蓝色LED灯的最佳布置及贴片区域，红色LED灯、蓝色LED灯起充电的状态灯光指示作用(正在充电亮红灯，充电结束亮蓝灯)；本实施例PL尺寸设置如下：PL＝2.20±0.05mm。硬性FR-4基板5的B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、充电IC即U1、保护IC即U2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、红色LED灯D1、蓝色LED灯D2，第五焊盘J5(即J5端口)锡焊有电池负极金属带，J5端口是电池的负极端。

如图6(c)所示，硬性FR-4基板A面设置有J1端口、J2_+5V端口、J2_GND端口、J3端口、J4端口共五个端口，其中J2_+5V端口、J2_GND端口、J3端口设置有方形焊盘，且焊盘表面进行喷金或镀金处理，J2_+5V端口、J2_GND端口分别作为输入的正、负端触点导电接触区用途，J3端口作为输出的触点导电接触区用途；J1端口和J4端口设置有U形焊盘，J1端口的U形焊盘中央开设有第一U形槽，J4端口的U形焊盘中央开设有第二U形槽。U形焊盘焊锡的宽度为JW1，U形焊盘最下沿至硬性FR-4基板第二方板区下沿的最短距离为JH1，两个U形焊盘之间的最端距离为JW2。本实施例的以上特征尺寸设置如下：JH1＝1.50±0.05mm，JW1＝0.80±0.05mm，JW2＝2.40±0.05mm。

如图7(a)和图7(b)所示，硬性FR-4基板5与USB塑胶座10配合安装，其中硬性FR-4基板5的托台支撑区与USB塑胶座10的框架支撑部镂空区域相配合，硬性FR-4基板5的第二方板区安装在USB塑胶座10的第一圆筒体和第二圆筒体的内部空腔中，硬性FR-4基板5的第一方板区与第二方板区的连接区域即状态指示区置于USB塑胶座10的第一圆筒体内部空腔中。Type A USB接口安装在USB塑胶座的框架支撑部上。二次电芯1的正极端焊接电芯正极引脚8和负极端焊接电芯负极引脚7，电芯正极引脚8插入硬性FR-4基板5的第一U形槽，电芯负极引脚7插入硬性FR-4基板5的第二U形槽，然后在J1端口U形焊盘与电芯正极引脚锡焊连接，在J4端口U形焊盘与电芯负极引脚锡焊连接。J1端口和J4端口两个U型焊盘最下沿至硬性FR-4基板第二方板区的下沿的最短距离为JH1，该距离的设置可以方便地调整二次电芯与硬性FR-4基板相对位置，也给后续锡焊二次电芯后的硬性FR-4基板装入USB塑胶座提供了一定的调整空间。绝缘弹性垫片12包裹在二次电芯1靠底部的侧面区域，起绝缘和支撑电池负极金属带11的作用；电池负极金属带11的A端焊接在硬性FR-4基板B面的J5端口(电池负极金属带的A端可以直接锡焊在J5端口；也可以先在J5端口贴片锡焊镍带或镀镍金属片，然后电池负极金属带的A端再与J5端口的镍带或镀镍金属片电阻点焊或激光点焊连接)，电池负极金属带的B端依次沿二次电芯上端面、右侧面、底面、左侧面跨接，二次电芯的电芯正极引脚和电芯负极引脚导电，二次电芯的上端面、侧面(即整个圆周外侧面)、底面均为绝缘设置，其中电池负极金属带11位于绝缘弹性垫片12的外侧。PCB板(完成了元器件3贴片锡焊的硬性FR-4基板5)、USB塑胶座10、绝缘弹性垫片12、带针状引脚的二次电芯1、Type A USB接口9、电池负极金属带11完成组合装配后，将组合体以二次电芯底部朝下的方式，装入钢壳2内部，电池负极金属带11受到钢壳2内壁挤压，压缩绝缘弹性垫片12，形成了电池负极金属带11与钢壳2内壁的紧密导电连接。本实施例电池负极金属带11的厚度为FND＝0.10mm，绝缘弹性垫片12的厚度为TDP＝0.08mm。

本实施例USB塑胶座满足：1.0mm≤UH3-UH2(＝11.60-9.40＝2.20mm)≤3.0mm，2.0mm≤UH4(＝3.00mm)≤5.0mm。UH3-UH2为第一圆筒体的高度，其下限尺寸即1.0mm≤UH3-UH2的设置，是为了满足充电指示灯(即红色LED灯、蓝色LED灯)的灯光能够有一定的透射面积透射出来，如果高度尺寸过小则灯光不明显导致指示效果不佳；但是，第一圆筒体的高度不宜过高，否则占用二次电芯的高度空间，因此有UH3-UH2≤3.0mm。2.0mm≤UH4的限制，是为了满足USB塑胶座安装到钢壳上需满足在第二圆筒体上冲点的需求，如果第二圆筒体的高度过小，则冲点操作难以实施，USB塑胶座与钢壳的连接固定得不到保障；同样，第二圆筒体的高度不宜过高，否则占用二次电芯的高度空间，因此有UH4≤5.0mm的要求。

本实施例的硬性FR-4基板满足：UK1-1.0mm(＝9.80-1.0＝8.80mm)≤PK1(＝9.60mm)≤UK1-0.2mm(＝9.80-0.2＝9.60mm)，UK2-1.0mm(＝11.37-1.0＝10.37mm)≤PK2(＝11.00mm)≤UK2-0.2mm(＝11.37-0.2＝11.17mm)，UH1+0.20mm(＝10.50+0.20＝10.70mm)≤PB1(＝10.70mm)≤UH1+0.5mm(＝10.50+0.50＝11.00mm),UH4(＝3.90mm)≤PB2(＝4.70mm)≤UH4+UH3-UH1(＝3.90+11.60-10.50＝5.00mm)；4.0mm≤PG(＝4.20mm)≤PB2(＝4.70mm)且YJG-1.0mm(＝5.00-1.00＝4.00mm)≤PG(＝4.20mm)≤YJG-0.20mm(＝5.00-0.20＝4.80mm)，YJ+0.1mm≤PY(＝1.00mm)≤YJ+1.0mm，PK3(＝5.30mm)＝YJX(＝5.30mm)，1.0mm≤PL(＝2.20mm)≤UH3-UH2(＝11.60-9.40＝2.20mm)，其中UK1为USB塑胶座框架支撑部镂空区域的宽度，UK2为USB塑胶座第一圆筒体下部分内部空腔的直径，UH1为USB塑胶座框架支撑部镂空区域高度与第一圆筒体圆台部分的高度总和，UH2为USB塑胶座框架支撑部镂空区域的高度，UH4为USB塑胶座第二圆筒体的高度，UH3为USB塑胶座框架支撑部镂空区域高度与第一圆筒体高度总和，YJ为电芯针状引脚(即电芯正极针状引脚或电芯负极针状引脚，电芯正极针状引脚与电芯负极针状引脚尺寸相同)的直径，YJX为二次电芯的两个针状引脚(即电芯正极针状引脚与电芯负极针状引脚)之间的间距，YJG为电芯针状引脚(即电芯正极针状引脚或电芯负极针状引脚)外露的长度，单位为mm。PK1≤UK1-0.2mm的限制是为了使得硬性FR-4基板的第一方板区能够与USB塑胶座的框架支撑部镂空区域相配合即硬性FR-4基板第一方板区在宽度方向能够收纳在USB塑胶座的框架支撑部镂空区域，UK1-1.0mm≤PK1的约束是为了在满足配合的基础上，尽量保持硬性FR-4基板有足够的宽度及面积来有利于元器件的布置。PK2≤UK2-0.2mm的设置是使得硬性FR-4基板的第二方板区能够与USB塑胶座第一圆筒体和第二圆筒体组成的内部空腔相配合即硬性FR-4基板第二方板区在宽度方向能够收纳在USB塑胶座第一圆筒体和第二圆筒体组成的内部空腔中；UK2-1.0mm≤PK2的设置也是为了在满足配合的基础上，尽量保持硬性FR-4基板有足够的宽度及面积来有利于元器件的布置。UH1+0.2mm≤PB1≤UH1+0.5mm和UH4≤PB2≤UH4+UH3-UH1尺寸的设置，是为了满足硬性FR-4基板在长度方向能够与USB塑胶座配合，即整个硬性FR-4基板在长度方向不超出USB塑胶座第二圆筒体下端，硬性FR-4基板的第二方板区高度尽量大些从而有利于增加元器件布置的面积。4.0mm≤PG≤PB2的设置，是为了使得第一U形槽、第二U形槽必须有一定高度，从而有利于设置有合适尺寸的焊盘，增强锡焊的可操作性和焊接的牢固性，但是，第一U形槽、第二U形槽过高将占用过多的硬性FR-4基板面积从而不利于元器件的布置。YJG-1.0mm≤PG≤YJG-0.2mm的设置，即第一U形槽、第二U形槽的高度小于电芯针状引脚(即电芯正极针状引脚或电芯负极针状引脚)的外露长度，这将使得锡焊后硬性FR-4基板仍然具有一定的空间位置调整余地从而有利于校准安装过程中的对位，使得装配过程易于进行；但是电芯针状引脚(即电芯正极针状引脚或电芯负极针状引脚)的外露长度不宜过长，因为这将占用二次电芯的高度空间，不利于采用高容量的二次电芯。YJ+0.1mm≤PY≤YJ+1.0mm的设置，一方面是为了安装的需求即电芯针状引脚(即电芯正极针状引脚或电芯负极针状引脚)可以方便的插入第一U形槽、第二U形槽中，因此有YJ+0.1mm≤PY；但是，第一U形槽、第二U形槽与电芯针状引脚的间隙不宜过大，否则不利于锡焊操作，间隙过大则焊接的牢固性也不佳，因此PY≤YJ+1.0mm。PL≤UH3-UH2的设置，是为了实现将红色LED灯、蓝色LED灯在充电时候的灯光指示通过USB塑胶座的第一圆筒体透射出来，因为UH3-UH2等于硬性FR-4基板装入USB塑胶座后该位置正对USB塑胶座的第一圆筒体高度位置区域，如果超出该位置，则红色LED灯、蓝色LED灯的灯光无法透射出来因而不能起到正常的充电指示作用；1.0mm≤PL的设置，是考虑到红色LED灯、蓝色LED灯需有足够的长度或宽度尺寸来贴片布置。

本实施例硬性FR-4基板A面J1端口和J4端口设置有U形焊盘，U形焊盘的特征尺寸满足：0.50mm≤JW1(＝0.80mm)≤1.5mm，0.50mm≤JH1(＝1.50mm)≤2.0mm。0.50mm≤JW1尺寸的设置，是为了满足锡焊操作的要求焊盘必须有足够的宽度，否则焊接的可操作性和可靠性不好；但是，由于J1端口和J4端口两个位置的U形焊盘不能重叠短路，因此两者之间的间隙JW2应该大于1.0mm，即JW1≤1.5mm。0.50mm≤JH1尺寸的限制，使得电芯针状引脚在锡焊过程中可以根据需求进行位置的适当调整，提高了可适用性，但是JH1尺寸不能过大，否则U形焊盘的高度太小则不利于焊接的可靠性和牢固性，因此有JH1≤2.0mm。

本实施例二次电芯、绝缘弹性垫片、电池负极金属带装配好安装到钢壳内部后，绝缘弹性垫片与电池负极金属带重叠区的压缩率YSL满足：10％×Ysmax(＝10％×80％＝8％)≤YSL＝1-(GN-DXW－2×FND)/(2×TDP)(＝1-(13.50-13.20-2×0.10)/(2×0.08)＝37.5％)≤70％×Ysmax(＝70％×80％＝56％)，其中Ysmax为绝缘弹性垫片允许的最大压缩率(一般是指绝缘弹性垫片发生压裂破坏时候的压缩率)，本实施例Ysmax＝80％，GN为钢壳内径，TDP为绝缘弹性垫片的厚度，FDP为电池负极金属带的厚度，DXW为二次电芯的外径，单位为mm。10％×Ysmax≤YSL的设置是为了确保电池负极金属带与钢壳内部形成紧密的压接，避免出现接触不良不导电的情况；但是，YSL过大即压缩率过大将导致电芯、绝缘弹性垫片和电池负极金属带形成的组合体入钢壳困难，不利于提高装配的效率，因此有YSL≤70％×Ysmax。

结合图1至图7(b)，本实施例在实际制作时，按以下步骤进行：

(1)首先将金属盖帽与塑胶套筒组件(包括塑胶筒、套筒卡座、NdFeB强力型磁铁三个零件)进行装配，形成帽筒部件，其中金属盖帽的帽头部位于塑胶套筒组件的顶部外侧，金属盖帽的触头部安装在塑胶套筒组件的塑胶卡舌中并且凸出塑胶卡舌平面；将绝缘弹性垫片包裹在带针状引脚的二次电芯靠底部的侧面区域；将Type A USB接口装配到USB塑胶座的框架支撑部上。

(2)将电池负极金属带的A端焊接在硬性FR-4基板B面的J5端口(电池负极金属带的A端可以直接锡焊在J5端口；也可以先在J5端口贴片锡焊镍带或镀镍金属片，然后电池负极金属带的A端再与J5端口的镍带或镀镍金属片电阻点焊或激光点焊连接)，硬性FR-4基板的B面事先已经贴片锡焊好所有的元器件(称为"PCB板")。

(3)将电芯正极引脚插入硬性FR-4基板的第一U形槽，电芯负极引脚插入硬性FR-4基板的第二U形槽，然后在J1端口U形焊盘与电芯正极引脚锡焊连接，在J4端口U形焊盘与电芯负极引脚锡焊连接。

(4)将电池负极金属带的B端依次沿二次电芯上端面、右侧面、底面、左侧面跨接，其中电池负极金属带位于绝缘弹性垫片的外侧；然后将PCB板与USB塑胶座装配，使得PCB板完全收纳在USB塑胶座中。

(5)将步骤(4)中形成的组合体以二次电芯底部朝下的方式，装入钢壳内部，电池负极金属带受到钢壳内壁挤压，压缩绝缘弹性垫片，形成了电池负极金属带与钢壳内壁的紧密导电连接；其中USB塑胶座第二圆筒体完全伸入钢壳内部。(6)用钢针对USB塑胶座的第二圆筒体与钢壳的结合部实施冲压，钢壳受力变形嵌入USB塑胶座的第二圆筒体中，实现了USB塑胶座与钢壳的固定；或者是首先在USB塑胶座的第二圆筒体与钢壳的结合部的钢壳内侧壁面涂覆胶黏剂，然后将USB塑胶座的第二圆筒体插入钢壳内部，胶黏剂固化，完成USB塑胶座与钢壳的粘结固定。

(7)最后将帽筒部件套在USB塑胶座上，即以塑胶筒的空腔配合部与安装在USB塑胶座上的Type A USB接口进行配合安装，此时塑胶卡舌与金属盖帽触头部伸入到Type AUSB接口、USB塑胶座、硬性FR-4基板所围成的空腔内部，使得金属盖帽触头部接触到硬性FR-4基板A面的J3端口并形成紧密的压接，从而实现了金属盖帽与表示电池正极端的J3端口可靠的导电连接，同时也实现了帽筒部件对Type A USB接口的隐藏，就完成了二次电池的组装，并且该帽筒部件是随时可以取出或重新装入。以上七步完成了基于针状引脚电芯的二次电池的制作

完成自带Type A USB充电接口并且集成充电管理、充电保护、放电保护等多种功能，包含可拆装帽筒部件的圆柱形基于针状引脚电芯的二次电池的制作。

将本实施例的基于针状引脚电芯的二次电池，完全放电后，以CC/CV条件给基于针状引脚电芯的二次电池进行充电：恒压5V、恒流400mA，充电输入接口为Type A USB接口。图8所示为获得的电池充电电压-充电电流-充电容量关系曲线图，充电时间为110分钟，合计的充电容量为404.5mAh，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。

将充满电的基于针状引脚电芯的二次电池，以恒流400mA进行放电，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9所示，整个放电过程放电容量为402.3mAh。放电终了，放电电压由2.4032突降到0.4706V，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R06型号尺寸电池，由于采用不带针状引脚的二次电芯，例如直接采用铝塑膜软包装圆柱电芯或钢壳圆柱电芯，由于没有针状引脚，往往采用的是导线或镀镍金属带来实现电芯的正极、负极与电路基板的连接，这导致组装工艺较复杂，自动化实现难度大，效率低，成本高。

需要说明的是，本实施例虽然是以R06型号尺寸来进行说明，但是同样适用于其它尺寸的电池。

需要说明的是，本实施例虽然是以外形结构为圆柱电解电容器形式的针状引脚锂离子二次电池为例进行说明，但是同样适用于其它类型或种类的锂离子二次电池经过前期的简单加工后形成具有针状引脚的外形特征，例如事先在钢壳圆柱形锂离子电池的正极和负极焊接针状引脚，然后再以此为基础采用本发明的方法来进行结构的设计和组装。

实施例2

一种基于针状引脚电芯的二次电池，其结构与实施例1中的基于针状引脚电芯的二次电池的结构相类似，其不同之处在于：第三电阻R3规格为5.5K±1％，二次电池对应的最大充电电流为200mA。

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 (5)

1.一种基于针状引脚电芯的二次电池，其特征在于：包括带触头的金属盖帽、塑胶套筒组件、带针状引脚的二次电芯、钢壳、Type A USB接口、USB塑胶座、绝缘弹性垫片、电池负极金属带、保护IC、充电IC、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电容、第二电容、第三电容、红色LED灯、蓝色LED灯和硬性FR-4基板，实现Type A USB接口在放电使用时可隐藏、Type AUSB接口充电输入、可自由拆卸和安装的帽筒部件、充电管理及充电保护、过充过放过流保护多位一体功能；其中所有的元器件贴片锡焊在硬性FR-4基板的B面上；J1端口、J2_+5V端口、J2_GND端口、J3端口、J4端口设置在硬性FR-4基板的A面上，其中J1端口和J4端口设置有U形焊盘，J1端口的U形焊盘中央开设有第一U形槽，J4端口的U形焊盘中央开设有第二U形槽，U形焊盘最下沿至硬性FR-4基板第二方板区下沿的最短距离JH1为0.50mm～2.0mm；J2_+5V端口、J2_GND端口、J3端口设置有方形焊盘，且方形焊盘表面进行喷金或镀金处理，J2_+5V端口、J2_GND端口分别作为输入的正、负端触点导电接触区用途，J3端口作为输出的触点导电接触区用途；电芯正极引脚插入硬性FR-4基板的第一U形槽，电芯负极引脚插入硬性FR-4基板的第二U形槽，在J1端口U形焊盘与电芯正极引脚锡焊连接，在J4端口U形焊盘与电芯负极引脚锡焊连接；

所述硬性FR-4基板由第一方板区和第二方板区连接形成，其中第二方板区沿底部边缘设置的第一U形槽和第二U形槽开口端朝下，第一U形槽和第二U形槽的中心线垂直于底边；硬性FR-4基板的第一方板区的距离上边、左边、右边小于2mm范围的区域围成一个不可贴片的托台支撑区，托台支撑区用于硬性FR-4基板与USB塑胶座的框架支撑部相互接触支撑；硬性FR-4基板的第一方板区与第二方板区的连接区域有一高度等于USB塑胶座第一圆筒体高度的状态指示区，状态指示区为红色LED灯、蓝色LED灯的最佳布置及贴片区域，红色LED灯、蓝色LED灯起充电的状态灯光指示作用；

所述硬性FR-4基板的关键特征尺寸满足：4.0mm≤PG≤PB2且YJG-1.0mm≤PG≤YJG-0.2mm，YJ+0.1mm≤PY≤YJ+1.0mm，1.0mm≤PL≤UH3-UH2，其中PG为第一U形槽或第二U形槽的高度，PY为第一U形槽或第二U形槽的宽度，PL为状态指示区高度，YJ为电芯针状引脚的直径，YJG为电芯针状引脚外露的长度，UH2为USB塑胶座框架支撑部镂空区域的高度，UH3为USB塑胶座框架支撑部镂空区域高度与第一圆筒体高度总和，单位为mm；以上结构特征以及关键尺寸的设置，有利于增强锡焊的可操作性和焊接的牢固性，提高装配效率降低成本，同时确保透光的效果。

2.根据权利要求1所述的基于针状引脚电芯的二次电池，其特征在于：所述绝缘弹性垫片包裹在二次电芯靠底部的侧面区域，起绝缘和支撑电池负极金属带的作用；电池负极金属带的A端焊接在硬性FR-4基板B面的J5端口，电池负极金属带的B端依次沿二次电芯上端面、右侧面、底面、左侧面跨接，二次电芯的电芯正极引脚和电芯负极引脚均导电，二次电芯的上端面、侧面、底面均为绝缘设置，电池负极金属带位于绝缘弹性垫片的外侧；二次电芯、绝缘弹性垫片、电池负极金属带安装到钢壳内部后，电池负极金属带受到钢壳内壁挤压，压缩绝缘弹性垫片，形成了电池负极金属带与钢壳内壁的紧密导电连接，绝缘弹性垫片与电池负极金属带重叠区的压缩率YSL满足：10％×Ysmax≤YSL≤70％×Ysmax，YSL＝1-(GN-DXW－2×FND)/(2×TDP)，其中Ysmax为绝缘弹性垫片允许的最大压缩率，GN为钢壳内径，FND为电池负极金属带的厚度，TDP为绝缘弹性垫片的厚度，DXW为二次电芯的外径，单位为mm。

3.根据权利要求1所述的基于针状引脚电芯的二次电池，其特征在于：所述硬性FR-4基板的第一方板区和第二方板区满足：UK1-1.0mm≤PK1≤UK1-0.2mm，UK2-1.0mm≤PK2≤UK2-0.2mm，UH1+0.2mm≤PB1≤UH1+0.5mm，UH4≤PB2≤UH4+UH3-UH1，其中PK1为硬性FR-4基板第一方板区的宽度，PK2为硬性FR-4基板第二方板区的宽度，PB1为硬性FR-4基板第一方板区的高度，PB2为硬性FR-4基板第二方板区的高度，UK1为USB塑胶座框架支撑部镂空区域的宽度，UK2为USB塑胶座第一圆筒体下部分内部空腔的直径，UH1为USB塑胶座框架支撑部镂空区域高度与第一圆筒体圆台部分的高度总和，UH4为USB塑胶座第二圆筒体的高度，UH3为USB塑胶座框架支撑部镂空区域高度与第一圆筒体高度总和，单位为mm；以上尺寸的设置有利于硬性FR-4基板与USB塑胶座高效装配、有利于增加元器件布置的面积。

4.根据权利要求1～3任一所述的基于针状引脚电芯的二次电池，其特征在于：所述USB塑胶座从上到下依次是框架支撑部、第一圆筒体、第二圆筒体，其中框架支撑部外围是支撑框架，中间是镂空区域，在框架支撑部的镂空区域顶部厚度方向靠中间位置设置有一个支撑平面，该支撑平面起支撑硬性FR-4基板作用；第一圆筒体上部分为圆台，并且第一圆筒体上部分中间部位与框架支撑部镂空区域结合处设置有方形的挖空拉伸体，该挖空拉伸体为供硬性FR-4基板通过用途；第一圆筒体下部分是内部为空腔的圆筒体；所述USB塑胶座的第一圆筒体和第二圆筒体满足：1.0mm≤UH3-UH2≤3.0mm，2.0mm≤UH4≤5.0mm，其中UH2为USB塑胶座框架支撑部镂空区域的高度，UH4为USB塑胶座第二圆筒体的高度，UH3为USB塑胶座框架支撑部镂空区域高度与第一圆筒体高度总和，UH3-UH2为USB塑胶座第一圆筒体的高度；以上特征尺寸的限制，有利于确保充电指示灯透光效果、有利于USB塑胶座安装到钢壳上后满足在第二圆筒体上冲点的工艺需求、有利于减少对二次电芯高度空间的占用。

5.根据权利要求1～3任一所述的基于针状引脚电芯的二次电池，其特征在于：所述硬性FR-4基板J1端口和J4端口设置的U形焊盘满足：0.50mm≤JW1≤1.5mm，其中JW1为U形焊盘焊锡的宽度；以上特征尺寸的设置，有利于提高焊接的牢固性和可靠性，使得电芯针状引脚在锡焊过程中可以根据需求进行位置的适当调整，提高了可适用性。

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