CN111463374B - 锂离子二次电池 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种锂离子二次电池，包括锂离子电芯、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电容、第二电容、第三电容、标贴、钢壳、MicroUSB接口、保护IC、集成IC、电感、LED灯、塑胶件、硬性FR‑4基板和金属盖帽，MicroUSB接口设置在电池的正极端面，实现MicroUSB接口可充电、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，本发明的锂离子二次电池，工艺简单易于安装、集成效率高、可靠性高，具有较高的容量和较低的成本。

Description

锂离子二次电池

技术领域

本发明涉及一种锂离子二次电池，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，电池上端设置有MicroUSB接口和具备充电输入功能，同时兼具高容量的单板式锂离子二次电池。

背景技术

锂离子二次电池在实际使用的过程中，往往需要进行相应充电电路、保护电路、接口、结构件等的集成，一方面是为了满足锂离子二次电池安全管理和保护的需求，一方面也是为了满足功能应用方面的需求。例如，可以将恒压1.5V输出电路与锂离子二次电芯进行集成，使得锂离子二次电池可以替代碱性锌-二氧化锰原电池进行使用，这就方便的拓展了锂离子二次电池的应用领域。

但是，现有的集成方法，存在以下的问题：首先是集成的工艺复杂。由于需要集成电路板、电路元器件、防护外壳、输入接口、输出接口等多种零部件，导致集成相对难度大，集成的效果和外观不理想，现有的集成方法往往导致加工工艺复杂，空间利用率低，外观较差。例如在结构上往往设置多个塑胶零件，或设置多个电路板，这就导致多个零部件相互之间需要定位、拼装，工艺非常复杂。二是集成的效率不高，现有的设置附属结构件的方法，集成效率较低，各种附属结构零件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，这使得集成后的锂离子二次电池与原电池相比，锂离子二次电池的容量优势反而不明显。尤其是对于小尺寸的电池，例如AAA型规格的电池，由于电池整体的外形尺寸较小，导致集成的难度较大。三是集成的可靠性不高，不合理的结构、复杂的加工工艺、低的集成效率，诸多因素导致最后集成的电池整体可靠性不高。

因此，针对锂离子二次电池集成应用的需求，如何将锂离子二次电池的性能及结构特点结合应用使用的要求，将锂离子二次电池的充电管理、输出管理、保护、外形结构、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，将电池的空间尽最大可能留给电芯，提高整个电池的比能量；同时，最大可能提高外观一致性，提高充电方式的便捷性，提高集成的效率和可靠性，就显得非常必要。

发明内容

本发明要解决的技术课题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种锂离子二次电池，具备MicroUSB充电输入接口、恒定电压输出功能、更简便的工艺结构、更简单的集成组装工艺、更高集成度、更大容量、更高可靠性的锂离子二次电池，与现有技术相比，本发明的锂离子二次电池的组装效率可以提高约30%，容量可以提高约50%，该锂离子二次电池具备MicroUSB充电接口充电输入功能，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。该锂离子二次电池外观一致性好，非常适用于锂离子二次电池替代一次电池的应用场合。

本发明通过以下方案实现：

一种锂离子二次电池（在文中，“锂离子二次电池”部分简称为“电池”或“二次电池”），包括金属盖帽、锂离子电芯、钢壳、MicroUSB接口、保护IC、集成IC（集成充电功能和恒压输出功能）、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电容、第二电容、第三电容、标贴、电感、LED灯、塑胶件和硬性FR-4基板，实现电池顶部设置的MicroUSB接口可充电、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。

所述锂离子电芯置于钢壳内，锂离子电芯的正极端、负极端分别通过电芯正极导线、电芯负极导线与硬性FR-4基板B面的第一端口焊盘、第二端口焊盘相对应连接在一起。金属盖帽的第一回转体和第二回转体凸出塑胶件的圆柱拉伸体上端平面，金属盖帽的第三回转体配套穿过塑胶件的帽头开口部并收纳在塑胶件的第一圆筒体和第二圆筒体内部空腔中，金属盖帽的第四回转体穿过硬性FR-4基板的中心孔并且使得凹槽部凸出硬性FR-4基板的下端平面（即硬性FR-4基板的B面），硬性FR-4基板与金属盖帽通过设置在硬性FR-4基板B面的J3端口焊盘、金属盖帽第四回转体凸出硬性FR-4基板的下端平面的部位、金属盖帽的凹槽部之间的焊锡实现导电连接和结构固定。元器件贴片锡焊在硬性FR-4基板的A面和B面上，MicroUSB接口锡焊在硬性FR-4基板的A面上；硬性FR-4基板以A面朝上、MicroUSB接口开口端对准塑胶件的MicroUSB开口部的方式使得硬性FR-4基板的A面靠圆周边沿区域与塑胶件的第二圆筒体下端面相接触，硬性FR-4基板的A面元器件收纳在塑胶件的第一圆筒体和第二圆筒体内部空腔中，塑胶件的MicroUSB开口部与MicroUSB接口相配合，塑胶件的第二圆筒拉伸体配套装入钢壳的开口端且钢壳开口端卡装在塑胶件的第二支撑平台上，所述标贴包裹黏贴在钢壳和塑胶件第一圆筒体的外侧表面上。

所述金属盖帽包括第一回转体、第二回转体、第三回转体和第四回转体，第一回转体、第二回转体、第三回转体和第四回转体同轴线，第一回转体、第二回转体、第三回转体、第四回转体按顺序依次相连，第四回转体靠下端位置设置有凹槽部。第一回转体上端平台作为整个锂离子二次电池与外部负载接触的正极端，第一回转体和第二回转体共同作为锂离子二次电池凸出部以保证整个正极端子的外露高度，以满足对外可靠接触的用途。第三回转体有三个方面的功能：一是与塑胶件的帽头开口部相配合安装；二是连接第二回转体和第四回转体；三是起支撑金属盖帽。金属盖帽第一回转体的直径和高度分别为M1、H1，金属盖帽第二回转体的直径和高度分别为M2、H2，金属盖帽第三回转体的直径和高度分别为M3、H3，金属盖帽第四回转体的直径和高度分别为M4、H6，金属盖帽凹槽部中心最小直径为MD，金属盖帽凹槽部的深度为M4/2-MD/2，金属盖帽凹槽部的高度为H5，金属盖帽第四回转体位于凹槽部上侧部分（即与第三回转体相连的一侧）的高度为H4。

所述塑胶件包括圆柱拉伸体、第一圆筒体和第二圆筒体，圆柱拉伸体、第一圆筒体和第二圆筒体同轴线，圆柱拉伸体、第一圆筒体、第二圆筒体从上到下依次顺序相连且第一圆筒体和第二圆筒体内壁壁面平齐，圆柱拉伸体底部超出第一圆筒体外壁形成第一支撑平台，第一圆筒体底部超出第二圆筒体外壁形成第二支撑平台，圆柱拉伸体顶部中间位置设置有帽头开口部，圆柱拉伸体的顶部靠外侧面位置设置有MicroUSB开口部，其中MicroUSB开口部的最长边靠近塑胶件轴线，第一圆筒体和第二圆筒体的内侧壁面设置有相同高度的第一加强筋、第二加强筋、第三加强筋和第四加强筋。塑胶件圆柱拉伸体的直径为SD1、高度为SJ1；塑胶件第一圆筒体的外径为SD2、高度为SJ2；塑胶件第二圆筒体的外径为SD3、高度为SJ3；塑胶件第一圆筒体和第二圆筒体的内径为SD4；塑胶件帽头开口部的直径为SD5；塑胶件的MicroUSB开口部长边至塑胶件轴线的最短距离为SU；塑胶件第一加强筋、第二加强筋、第三加强筋、第四加强筋的下端面至塑胶件第二圆筒体下端面的距离为SJ4。

所述钢壳为一端开口的圆筒壳体，钢壳作为锂离子电芯的收纳体，与塑胶件进行安装配合的结构体，与塑胶件安装后进行冲点咬合固定的结构体，锂离子二次电池的总负极输出端。

所述硬性FR-4基板的外形轮廓为一块圆形平板，在中央位置设置有中心孔。硬性FR-4基板的直径为PD，硬性FR-4基板中心孔的直径为PA，硬性FR-4基板的厚度为PH。硬性FR-4基板的A面贴片锡焊有以下的元器件：第一电阻、第二电阻、LED灯、电感、集成IC，硬性FR-4基板A面的 J4端口（即第四端口焊盘J4）贴片锡焊有MicroUSB接口。硬性FR-4基板的B面贴片锡焊有第一电容、第二电容、第三电容、第三电阻、电感、保护IC，硬性FR-4基板B面的第一端口焊盘（即J1端口）、第二端口焊盘（即J2端口）分别表示与锂离子电芯的正极端、负极端进行电连接的端口，硬性FR-4基板B面的J3端口（即第三端口焊盘）表示的是与金属盖帽的第四回转体和凹槽部进行锡焊连接的焊盘，J3端口是放电的输出口，代表的是锂离子二次电池的总正极端。

所述金属盖帽第一回转体的直径M1满足：2.00 mm≤M1≤3.80mm且M1≤2×SU，其中SU为塑胶件的MicroUSB开口部长边至塑胶件轴线的最短距离。M1的下限尺寸即2mm≤M1设置，可以保证金属帽头有足够的接触面积，供锂离子二次电池与外部负载或充电电源保持良好的接触；M1的上限尺寸即M1≤3.8mm设置，是为了符合国际标准规范的要求，否则有可能由于直径过大无法与外部负载配合，导致接触不良或接触不上；M1的上限尺寸即M1≤2×SU设置，是为了满足金属盖帽在与塑胶件装配后，金属盖帽不能对塑胶件的MicroUSB开口部产生遮挡，否则就无法进行充电。所述金属盖帽第二回转体的直径M2满足：SD5+0.10mm≤M2≤M1，其中SD5为塑胶件帽头开口部的直径，M1为金属盖帽第一回转体的直径。下限尺寸的设置即SD5+0.10 mm≤M2，是为了确保金属盖帽的第一回转体和第二回转体凸出塑胶件的圆柱拉伸体上端平面，从而保障电池的凸出高度（即H1+H2）能够满足要求，否则金属盖帽与塑胶件装配时，金属盖帽的第二回转体有可能插入到塑胶件的帽头开口部中导致电池的凸出高度不足；上限尺寸M2≤M1的设置，是为了满足金属盖帽第二回转体避开塑胶件的MicroUSB开口部的要求。所述金属盖帽第三回转体的直径M3满足：1.00 mm≤M3＜M2且M3＜SD5，其中SD5为塑胶件帽头开口部的直径，M2为金属盖帽第二回转体的直径。M3下限尺寸即1.00 mm≤M3的设置，是考虑到金属盖帽的第三回转体起连接第二回转体和第四回转体并且起支撑金属盖帽的作用，如果M3尺寸过小，则其支撑和连接强度不足，可能在使用过程中发生断裂；M3上限尺寸即M3＜M2的设置，是考虑到尽量减小第三回转体占用的径向空间以利于硬性FR-4基板布置元器件的需求，同时，M3尺寸的减小也有利于增强塑胶件圆柱拉伸体的强度；M3上限尺寸即M3＜SD5的设置，是为了满足金属盖帽与塑胶件的装配要求，即金属盖帽的第三回转体必须能够穿过塑胶件的帽头开孔部。所述金属盖帽第四回转体的直径M4满足：0.80 mm≤M4＜M3且M4＜PA，其中PA为硬性FR-4基板中心孔的直径，M3为金属盖帽第三回转体的直径。M4下限尺寸即0.80 mm≤M4的设置，是考虑到如果M4过小，其强度不足容易发生断裂；M4上限尺寸即M4＜M3的设置，是考虑到尽量减小第四回转体占用的径向空间以利于硬性FR-4基板布置元器件的需求，同时，M4尺寸的减小也有利于降低硬性FR-4基板中心孔所需占用的面积；M4上限尺寸即M4＜PA的设置，是为了实现金属盖帽第四回转体能够插入并穿透硬性FR-4基板中心孔的装配要求。所述金属盖帽凹槽部的凹槽深度即（M4/2-MD/2）满足：0.05 mm≤（M4/2-MD/2）≤0.20 mm，其中M4为金属盖帽第四回转体的直径，MD为金属盖帽凹槽部中心最小直径；凹槽深度下限尺寸即0.05 mm≤（M4/2-MD/2）的设置，是考虑到凹槽深度过小，不能很好起到与焊锡形成有效咬合的效果，将导致金属盖帽与硬性FR-4基板锡焊连接不牢固；凹槽深度上限尺寸即（M4/2-MD/2）≤0.20 mm的设置，是考虑到凹槽深度过大，将导致凹槽部中心最小直径过小从而强度不足，金属盖帽存在从凹槽部发生断裂的风险。

所述金属盖帽的第一回转体与第二回转体的高度之和H1+H2满足：0.80 mm≤H1+H2≤1.70mm。高度之和下限尺寸即0.8mm≤H1+H2的设置，是为了符合国际标准规范的要求，否则有可能由于金属帽头凸出高度过低无法与外部负载配合，导致接触不良或接触不上；高度之和上限尺寸即H1+H2≤1.7mm的设置，是考虑到尽量减少金属帽头占据的高度空间，从而将节余出的高度空间留给锂离子电芯，这有利于电池的大容量化。所述金属盖帽第二回转体的高度H2满足：0.20mm≤H2≤1.00mm；H2下限尺寸即0.20mm≤H2的设置，是考虑到金属盖帽第二回转体避开塑胶件的MicroUSB开口部的要求，如果H2过小则不能起到有效避开的效果；H2上限尺寸即H2≤1.00mm的设置，是考虑到如果H2过大，则H1将过小（因为H1+H2的总和有上限约束），而H1过小将不利于金属盖帽第一回转体作为整个锂离子二次电池与外部负载接触的正极端功能的实现。所述金属盖帽第三回转体的高度H3满足：SJ1+SJ2+SJ3-1.00 mm≤H3≤SJ1+SJ2+SJ3，其中SJ1为塑胶件圆柱拉伸体的高度，SJ2为塑胶件第一圆筒体的高度，SJ3为塑胶件第二圆筒体的高度。H3下限尺寸即SJ1+SJ2+SJ3-1.00 mm≤H3的设置，是考虑到金属盖帽的第三回转体起连接第二回转体和第四回转体并且起支撑金属盖帽的作用，因此第三回转体的长度在穿过整个塑胶件的高度方向不宜过小，否则第三回转体的强度不足，不能很好起到连接和支撑的功能；H3上限尺寸即H3≤SJ1+SJ2+SJ3的设置，是为了满足金属盖帽第三回转体与塑胶件装配后，第三回转体不能超出塑胶件高度方向，否则硬性FR-4基板的A面靠圆周边沿区域不能够与塑胶件的第二圆筒体下端面相接触装配，这将导致MicroUSB接口和硬性FR-4基板安装不到位从而占用锂离子电芯的高度空间，锂离子电芯不能实现正常装配。所述金属盖帽第四回转体的高度H6满足：SJ1+SJ2+SJ3+PH+0.50mm -H3≤H6≤SJ1+SJ2+SJ3+PH+1.00mm-H3，其中SJ1为塑胶件圆柱拉伸体的高度，SJ2为塑胶件第一圆筒体的高度，SJ3为塑胶件第二圆筒体的高度，PH为硬性FR-4基板的厚度，H3为金属盖帽第三回转体的高度。金属盖帽为了实现与硬性FR-4基板的可靠装配和锡焊连接，金属盖帽装配后必须凸出硬性FR-4基板的B面一个合适的高度即0.50mm～1.00mm，如果凸出高度小于0.50mm则锡焊的牢固性不足，因此有H6的下限尺寸即SJ1+SJ2+SJ3+PH+0.50mm -H3≤H6设置；如果凸出高度大于1.00mm则占用过多的电池高度空间从而不利于电池的高容量化，因此有H6的上限尺寸即H6≤SJ1+SJ2+SJ3+PH+1.00mm-H3的设置。所述金属盖帽第四回转体位于凹槽部上侧部分（即与第三回转体相连的一侧）的高度H4满足：SJ1+SJ2+SJ3+PH-H3≤H4≤SJ1+SJ2+SJ3+PH+0.50mm-H3，其中SJ1为塑胶件圆柱拉伸体的高度，SJ2为塑胶件第一圆筒体的高度，SJ3为塑胶件第二圆筒体的高度，PH为硬性FR-4基板的厚度，H3为金属盖帽第三回转体的高度。为了实现金属盖帽与硬性FR-4基板的可靠装配和锡焊连接，金属盖帽与硬性FR-4基板装配后，金属盖帽的凹槽部必须凸出硬性FR-4基板的B面，所以有SJ1+SJ2+SJ3+PH-H3≤H4的设置；但是，金属盖帽的凹槽部凸出硬性FR-4基板的B面的高度不能过大，否则一方面不便于锡焊操作，同时会占用电池的高度空间从而不利于电池的高容量化，所以有H4≤SJ1+SJ2+SJ3+PH+0.50 mm-H3。

所述塑胶件圆柱拉伸体的直径SD1满足：DA-0.50mm≤SD1≤DA，其中DA为按国际标准要求锂离子二次电池的最大直径。DA-0.50mm≤SD1尺寸的设置，是考虑到电池高容量化及硬性FR-4基板布置元器件的需求，如果SD1过小，则锂离子电芯的直径也必须相应减小从而不利于高容量化，同时，硬性FR-4基板的直径也必须相应减小从而不利于布置元器件；上限尺寸即SD1≤DA的设置，是为了使得电池直径符合标准的要求。所述塑胶件第一圆筒体的外径SD2满足：SD2=SD1-2×BH，其中SD1为塑胶件圆柱拉伸体的直径，BH为标贴的厚度；该尺寸的设置，是为了实现标贴包裹黏贴在钢壳和塑胶件第一圆筒体外侧表面后，整个电池保持一致的外部直径。所述塑胶件第二圆筒体的外径SD3与钢壳的内径相等即SD3=GN。所述塑胶件第二圆筒体的壁厚即（SD3/2-SD4/2）满足：0.30mm≤（SD3/2-SD4/2）≤1.00mm，其中SD3为塑胶件第二圆筒体的外径，SD4为塑胶件第一圆筒体和第二圆筒体的内径。塑胶件第二圆筒体的壁厚厚度太薄则强度不够，所以（SD3/2-SD4/2）大于等于0.3mm；塑胶件第二圆筒体的壁厚厚度太厚则占用电池的直径方向空间，这将导致塑胶件第二圆筒体形成的内部空腔减小，降低硬性FR-4基板A面的有效贴片面积，不利于元器件的布置和贴片，因为硬性FR-4基板的A面所设置的元器件均必须收纳在塑胶件第二圆筒体形成的内部空腔中，所以（SD3/2-SD4/2）小于等于1mm。由于塑胶件圆柱拉伸体的顶部上设置有帽头开口部和MicroUSB开口部，如果帽头开口部的直径SD5过大，将直接导致MicroUSB开口部与帽头开口部之间相连的塑胶件宽度变薄甚至直接穿透，这将大幅度降低塑胶件圆柱拉伸体的强度，因此必须对塑胶件帽头开口部的直径SD5上限进行设置即满足：0.30mm≤SU-SD5/2，其中SU为塑胶件的MicroUSB开口部长边至塑胶件轴线的最短距离。所述塑胶件圆柱拉伸体的高度SJ1满足：0.5mm≤SJ1≤1.50mm，SJ1高度太小，则其支撑强度不足，容易在电池被夹持使用等过程中发生变形甚至破损；如果塑胶件的圆柱拉伸体太高即SJ1>1.50mm，则占用电池过多的高度空间，不利于电池的大容量化。所述塑胶件第一圆筒体的高度SJ2满足：0.5mm≤SJ2≤2.00mm，SJ2高度太小，则包裹黏贴标贴的操作过程中由于超出加工工艺精度要求，标贴容易超出第一圆筒体的外侧表面而黏贴到圆柱拉伸体的外侧表面从而导致电池整体直径超过国际标准而不合格；塑胶件的第一圆筒体如果太高即SJ1>2.00mm，则在塑胶件总高度一定前提下，将导致塑胶件第二圆筒体的高度即SJ3过小，由于塑胶件与钢壳的固定方式是通过冲点实现，即对用尖锐的钢针对钢壳与塑胶件的第二圆筒体的结合部实施冲压，钢壳受力发生凹陷变形并嵌入到塑胶件的第二圆筒体的结合部中，形成咬合；如果塑胶件的第二圆筒体的高度SJ3过小，则由于结合部太小导致难以实施冲点工艺。所述塑胶件的总高度，即圆柱拉伸体的高度SJ1、第一圆筒体的高度SJ2、第二圆筒体的高度SJ3三者之和满足：UH+0.20mm≤SJ1+SJ2+SJ3≤UH+1.00mm，其中UH为MicroUSB接口的贴片高度。该塑胶件总高度下限尺寸即UH+0.20mm≤SJ1+SJ2+SJ3的设置，是为了满足MicroUSB接口完全收纳在塑胶件MicroUSB开口部、第一圆筒体、第二圆筒体所形成的内部空腔中；上限尺寸即SJ1+SJ2+SJ3≤UH+1.00mm的设置，是考虑到塑胶件总高度过大将占用电池高度空间，不利于电池高容量化。所述塑胶件的第一加强筋、第二加强筋、第三加强筋、第四加强筋的下端面至塑胶件第二圆筒体下端面的距离SJ4满足：YJAmax≤SJ4，其中YJAmax为硬性FR-4基板A面所贴元器件的最大高度，该特征尺寸下限尺寸的设置是为了满足硬性FR-4基板A面元器件全部收纳在塑胶件第二圆筒体内部空腔的要求。

所述硬性FR-4基板关键特征尺寸满足：SD4+0.20mm≤PD≤SD3，M4≤PA≤M4+0.50mm，0.50mm≤PH≤1.00mm，其中PD为硬性FR-4基板的直径，PA为硬性FR-4基板中心孔的直径，PH为硬性FR-4基板的厚度，SD4为塑胶件第一圆筒体和第二圆筒体的内径，SD3为塑胶件第二圆筒体的外径，M4为金属盖帽第四回转体的直径。硬性FR-4基板装配在钢壳的内部空腔中，硬性FR-4基板的A面靠圆周边沿区域与塑胶件的第二圆筒体下端面相接触，即硬性FR-4基板直径不能小于塑胶件第一圆筒体和第二圆筒体的内径否则硬性FR-4基板将伸入到第一圆筒体和第二圆筒体的内部空腔中，所以有SD4+0.20mm≤PD≤SD3。M4≤PA的设置，是为了满足金属盖帽与硬性FR-4基板的装配要求即金属盖帽第四回转体需穿过硬性FR-4基板的中心孔；但是，硬性FR-4基板的中心孔的直径PA不能过大，否则占用硬性FR-4基板的面积导致元器件的布置贴片困难。所述硬性FR-4基板的厚度0.50mm≤YH≤1.00mm，如果厚度太薄则硬性FR-4基板的强度不足，导致金属帽头在受到接触压力时候传递到硬性FR-4基板致使其发生严重变形甚至断裂；如果厚度太厚则硬性FR-4基板占据更多的电池高度空间，从而不利于节余出的高度空间留给锂离子电芯，这不利于电池的大容量化。

所述标贴的高度BG满足：GKH+0.50mm≤BG≤GKH+SJ2，其中GKH为钢壳的高度，SJ2为塑胶件第一圆筒体的高度。GKH+0.50mm≤BG的设置，是为了满足标贴将钢壳外侧表面完全包裹黏贴的要求；BG≤GKH+SJ2的设置，可以确保标贴不会包裹黏贴到塑胶件圆柱拉伸体外侧表面，从而避免了电池直径超标不合格的问题。

所述钢壳的高度GKH满足：GKH≤H-H1-H2-SJ1-SJ2，其中H为锂离子二次电池的总高度，H1为金属盖帽第一回转体的高度，H2为金属盖帽第二回转体的高度，SJ1为塑胶件圆柱拉伸体的高度，SJ2为塑胶件第一圆筒体的高度。

所述锂离子电芯的高度DXH满足：DXH≤GKH- SJ3-PH-YJBmax-GKDH，其中GKH为钢壳的高度，SJ3为塑胶件第二圆筒体的高度，PH为硬性FR-4基板的厚度，YJBmax为硬性FR-4基板的B面所贴元器件的最大高度，GKDH为钢壳底部的厚度。

所述锂离子二次电池，其实现的方式是：

首先将金属盖帽的第三回转体伸入并穿过塑胶件的帽头开口部，第三回转体配套穿过部分收纳在塑胶件的第一圆筒体和第二圆筒体内部空腔中，金属盖帽的第一回转体和第二回转体凸出塑胶件的圆柱拉伸体上端平面。

其次将电芯正极导线A端与硬性FR-4基板的B面的第一端口焊盘J1焊接，将电芯负极导线A端与硬性FR-4基板的B面的第二端口焊盘J2焊接。

三是将锡焊好所有元器件的硬性FR-4基板（其中硬性FR-4基板的A面锡焊有第一电阻、第二电阻、LED灯、电感、集成IC；硬性FR-4基板A面的 J4端口贴片锡焊有MicroUSB接口；硬性FR-4基板的B面贴片锡焊有第一电容、第二电容、第三电容、第三电阻、电感、保护IC。）以硬性FR-4基板的 A面朝上即A面所贴片元器件伸入塑胶件第二圆筒体内部空腔、MicroUSB接口开口端对准塑胶件的MicroUSB开口部的方式使得硬性FR-4基板的A面靠圆周边沿区域与塑胶件的第二圆筒体下端面相接触，并使得金属盖帽的第四回转体穿过硬性FR-4基板的中心孔并且使得凹槽部凸出硬性FR-4基板的下端平面（即硬性FR-4基板的B面），MicroUSB接口与塑胶件的MicroUSB开口部相配合即MicroUSB接口开口端伸入到塑胶件的MicroUSB开口部中。然后，对硬性FR-4基板B面的J3端口焊盘、凸出硬性FR-4基板B面的金属盖帽第四回转体部位、金属盖帽凹槽部实施锡焊连接，从而实现硬性FR-4基板与金属盖帽的导电连接和结构固定。

四是将电芯正极导线B端与锂离子电芯的正极端焊接，将电芯负极导线B端与锂离子电芯的负极端焊接。

五是将锂离子电芯从钢壳开口端装入钢壳内部，接着将塑胶件第二圆筒体前端伸入到钢壳内部，安装到位后钢壳开口端卡装在塑胶件的第二支撑平台上（由塑胶件第一圆筒体底部超出第二圆筒体外壁形成第二支撑平台）。

六是用钢针对塑胶件的第二圆筒体与钢壳的结合部实施冲压，钢壳受力变形嵌入塑胶件的第二圆筒体的壁厚中，实现了塑胶件与钢壳的固定。

最后是将标贴包裹黏贴在钢壳和塑胶件第一圆筒体的外侧表面上。

以上七个步骤完成自带MicroUSB充电接口并且集成充电管理、恒压输出、充放电保护等多种功能，具备高集成效率、高容量、高可靠性特点圆柱形锂离子二次电池的制作。

与现有技术相比，本发明的锂离子二次电池，具有以下优点：

（1）集成工艺简单。本发明采用了单个圆形硬性FR-4基板，并且将所有的元器件、MicroUSB接口贴片锡焊在其表面，摒弃了复杂的由两个或多个硬性FR-4基板进行二次组装的工艺。本发明将MicroUSB开口部设置在塑胶件圆柱拉伸体的端面，这就使得标贴的包裹黏贴操作工艺要求大幅度简化，降低了高精度定位的要求；塑胶件第一圆筒体的设置，更是进一步提高了标贴包裹黏贴的工艺可操作性。

（2）高可靠性。硬性FR-4基板的A面和B均布置了元器件；按国际标准上限的限制要求，采用大直径钢壳；金属盖帽设置成四段不同直径的回转体，尤其是在满足结构功能强度等需求的前提下降低第三回转体和第四回转体的直径；以上的技术设置有效提高空间的利用率，这很大程度上降低了不贡献容量的附属结构件占用的电池宝贵空间，因而有利于电池的高容量化。同时，塑胶件第一加强筋、第二加强筋、第三加强筋、第四加强筋的设置，可以很好的增强塑胶件抗冲压的能力，减少钢针对钢壳冲点时候塑胶件的变形量，改善冲点的效果，使得钢壳的凸点能够较好的嵌入到塑胶件中形成牢固的咬合，这非常有利于提高整个电池结构的可靠性。金属盖帽凹槽部的设置，由于锡焊过程中焊锡可以在凹槽部形成堆锡和咬合，这可以有效增强金属盖帽、硬性FR-4基板、塑胶件三个零件之间装配的可靠性。

（3）集成的效率高。本发明采用一块硬性FR-4基板，既节约了空间，又规避了多块硬性FR-4基板进行二次组装的低效率；塑胶件第一圆筒体和钢壳MicroUSB开孔部的设置，极大改善了标贴包裹黏贴操作的难度，使得贴标过程可以高效进行。塑胶件作为硬性FR-4基板的支撑体、与MicroUSB接口装配配合的结构体、与金属盖帽装配配合的结构体、收纳于塑胶件第二圆筒体内部空腔的硬性FR-4基板贴片锡焊元器件（例如第二电阻、LED灯、电感、集成IC等）的绝缘防护体、与钢壳连接固定用的结构体、与钢壳凸点咬合的支撑体；塑胶件、金属盖帽、钢壳等零件的功能复用、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，大幅度提升了集成的效率，使得电池的容量可以更高。同时，本发明的锂离子二次电池集成了自带MicroUSB充电接口、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。

本发明的锂离子二次电池，结构新颖，制作工艺简单，产品可靠性高。本发明的锂离子二次电池，兼顾了多功能集成、结构可靠性、工艺可操作性和简便性的要求，与现有技术相比，本发明的锂离子二次电池可以实现容量提供约50%，组装集成效率提高约30%。

附图说明

图1为实施例1锂离子二次电池的整体外形示意图；

图2为实施例1锂离子二次电池的结构爆炸示意图；

图3（a）为实施例1金属盖帽的3D结构示意图；

图3（b）为实施例1金属盖帽的正视图；

图4（a）为实施例1塑胶件的3D结构示意图一；

图4（b）为实施例1塑胶件的3D结构示意图二；

图4（c）为实施例1塑胶件的正视图；

图4（d）为实施例1塑胶件的仰视图；

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A面元器件贴片位置示意图；

图6（b）为实施例1硬性FR-4基板的B面元器件贴片位置示意图；

图7（a）为实施例1金属盖帽、硬性FR-4基板、MicroUSB接口、电芯负极导线、电芯正极导线的装配3D结构示意图；

图7（b）为实施例1塑胶件、金属盖帽、硬性FR-4基板、MicroUSB接口、电芯负极导线、电芯正极导线的装配半剖3D结构示意图；

图8为实施例1锂离子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锂离子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MicroUSB充电接口的恒压输出的圆柱形锂离子二次电池为例，来进一步阐述该锂离子二次电池结构及其功能的实现方式，同时说明该锂离子二次电池的高集成效率、高容量、高可靠性的实现方法。

一种锂离子二次电池，为圆柱形（其外形整体尺寸需符合《IEC60086-2：2011》标准所要求的R03型号尺寸规范要求），其要求为：电池直径≤10.5mm（即电池最大直径DA=10.50mm），电池高度≤44.5mm（即电池最大高度DH=44.50mm），电池具备自带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（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、过温保护）；电池具备恒压1.50V±0.10V，持续1000mA电流的输出功能。如图1和图2所示，该锂离子二次电池包括锂离子电芯1、钢壳2、元器件3（包括集成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、电感、LED灯等）、塑胶件4、硬性FR-4基板5、金属盖帽6、电芯负极导线7、电芯正极导线8、MicroUSB接口9（其厚度UA=2.45mm，宽度UB=7.50mm，贴片高度UH=5.10mm）和标贴10，本实施例的锂离子电芯1为聚合物锂离子单体电池，型号为09350（直径9.40±0.20 mm，高度35.00⁺⁰ _-1.0 mm），标称电压为3.7V，容量为300mAh；标贴10的厚度为BH=0.10±0.02mm，标贴的高度为BG=42.00±0.05mm；电池外壳为钢壳2，其外径为GW=10.20±0.05 mm，内径为GN=9.80±0.05mm，高度为GH=40.30±0.05mm，底部厚度为GKDH= 0.30±0.05mm；锂离子电芯1置于钢壳2内，锂离子电芯1的正极端、负极端分别通过电芯正极导线8、电芯负极导线7与硬性FR-4基板5 B面的第一端口焊盘J1、第二端口焊盘J2相对应连接在一起。金属盖帽6的第一回转体601和第二回转体602凸出塑胶件4的圆柱拉伸体401上端平面，金属盖帽6的第三回转体603配套穿过塑胶件4的帽头开口部403并收纳在塑胶件4的第一圆筒体402和第二圆筒体405内部空腔中，金属盖帽的第四回转体604穿过硬性FR-4基板5的中心孔501并且使得凹槽部605凸出硬性FR-4基板5的下端平面（即硬性FR-4基板的B面），硬性FR-4基板5与金属盖帽6通过设置在硬性FR-4基板5B面的J3端口焊盘、金属盖帽6第四回转体604凸出硬性FR-4基板5的下端平面的部位、金属盖帽6的凹槽部605之间的焊锡实现导电连接和结构固定。元器件3贴片锡焊在硬性FR-4基板5的A面和B面上，MicroUSB接口9锡焊在硬性FR-4基板5的A面上；硬性FR-4基板5以A面朝上、MicroUSB接口9开口端对准塑胶件4的MicroUSB开口部404的方式使得硬性FR-4基板5的A面靠圆周边沿区域与塑胶件4的第二圆筒体405下端面相接触，硬性FR-4基板5的A面元器件3收纳在塑胶件4的第一圆筒体402和第二圆筒体405内部空腔中，塑胶件4的MicroUSB开口部404与MicroUSB接口9相配合，塑胶件4的第二圆筒体405配套装入钢壳2的开口端且钢壳2开口端卡装在塑胶件4的第二支撑平台上，钢壳2通过冲出凸点与塑胶件4嵌入固定，标贴10包裹黏贴在钢壳2和塑胶件4第一圆筒体的外侧表面上。

如图3（a）所示，金属盖帽6包括第一回转体601、第二回转体602、第三回转体603和第四回转体604，第一回转体601、第二回转体602、第三回转体603和第四回转体604同轴线，第一回转体601、第二回转体602、第三回转体603、第四回转体604按顺序依次相连，第四回转体604靠下端位置设置有凹槽部605。金属盖帽第一回转体601上端平台作为整个锂离子二次电池与外部负载接触的正极端，金属盖帽第一回转体601和第二回转体602共同作为锂离子二次电池凸出部以保证整个正极端子的外露高度，以满足对外可靠接触的用途。金属盖帽第三回转体603有三个方面的功能：一是与塑胶件4的帽头开口部403相配合安装；二是连接第二回转体602和第四回转体604；三是起支撑金属盖帽。图3（b）显示了金属盖帽6的关键特征尺寸，金属盖帽第一回转体的直径和高度分别为M1、H1，金属盖帽第二回转体的直径和高度分别为M2、H2，金属盖帽第三回转体的直径和高度分别为M3、H3，金属盖帽第四回转体的直径和高度分别为M4、H6，金属盖帽凹槽部中心最小直径为MD，金属盖帽凹槽部的深度为M4/2-MD/2，金属盖帽凹槽部的高度为H5，金属盖帽第四回转体位于凹槽部上侧部分（即与第三回转体相连的一侧）的高度为H4。本实施例1中，金属盖帽的以上关键特征尺寸设置如下：M1=2.20±0.05mm，M2=1.65±0.05mm，M3=1.40±0.05mm，M4=0.90±0.05mm，MD=0.70±0.05mm，H1=1.00±0.05mm，H2=0.50±0.05mm，H3=4.90±0.05mm，H4=1.10±0.05mm，H5=0.28±0.05mm，H6=1.70±0.05mm。

如图4（a）和图4（b）所示，塑胶件4包括圆柱拉伸体401、第一圆筒体402和第二圆筒体405，圆柱拉伸体401、第一圆筒体402和第二圆筒体405同轴线且第一圆筒体402和第二圆筒体405内壁壁面平齐，圆柱拉伸体401、第一圆筒体402、第二圆筒体405从上到下依次顺序相连，圆柱拉伸体401底部超出第一圆筒体402外壁形成第一支撑平台410，第一圆筒体402底部超出第二圆筒体405外壁形成第二支撑平台411，圆柱拉伸体401顶部中间位置设置有帽头开口部403，圆柱拉伸体401的顶部靠外侧面位置设置有MicroUSB开口部404，其中MicroUSB开口部404的最长边靠近塑胶件轴线，第一圆筒体402和第二圆筒体405的内侧壁面设置有相同高度的第一加强筋406、第二加强筋407、第三加强筋408和第四加强筋409。图4（c）、图4（d）显示了塑胶件的部分关键特征尺寸，塑胶件圆柱拉伸体的直径为SD1、高度为SJ1；塑胶件第一圆筒体外径为SD2、高度为SJ2；塑胶件第二圆筒体的外径为SD3、高度为SJ3；塑胶件第一圆筒体和第二圆筒体的内径为SD4；塑胶件帽头开口部的直径为SD5；塑胶件的MicroUSB开口部404长边至塑胶件轴线的最短距离为SU；塑胶件第一加强筋、第二加强筋、第三加强筋、第四加强筋的下端面至塑胶件第二圆筒体下端面的距离为SJ4。本实施例1中，塑胶件的以上关键特征尺寸设置如下：SD1=10.40±0.05 mm，SD2=10.20±0.05mm，SD3=9.80±0.05 mm，SD4=8.60±0.05 mm，SD5=1.50±0.05 mm，SU=1.25±0.05mm，SJ1=1.00±0.05mm，SJ2=1.50±0.05mm， SJ3=2.80±0.05mm，SJ4=1.80±0.05mm。

如5所示是本实施例的电路原理图，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2K±1%）、第三电阻R3（规格为2K±1%）、电感L1（型号：2.2uH/1.5A）、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22uF、10V）、保护IC即U1（型号为CT2105），并且有J1端口（即第一端口焊盘J1）、J2端口（即第二端口焊盘J2）、J3端口（即第三端口焊盘J3）、J4端口（即第四端口焊盘J4，作为MicroUSB接口焊盘和定位孔）。其中J1端口、J2端口分别表示与锂离子电芯正极端、负极端进行电连接的端口，J3端口表示的是与金属盖帽6的第四回转体604和凹槽部605进行锡焊连接的焊盘，J3端口是放电的输出口，代表的是锂离子二次电池的总正极端。J4端口表示的是与MicroUSB接口进行锡焊的焊盘和定位孔，MicroUSB接口是充电输入口。

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；充电最大电流可以达到700mA；充电电流大小由图5中第三电阻R3设置，本实施例R3=2K对应的最大充电电流为312mA；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1.5A电流输出工作；恒定的输出电压为1.50V；过流保护、短路保护、温度保护、低压锁定保护）。

如图6（a）所示，本实施例硬性FR-4基板5的外形轮廓为一块圆形平板，在中央位置设置有中心孔501。硬性FR-4基板的直径为PD，硬性FR-4基板中心孔的直径为PA，硬性FR-4基板的厚度为PH。硬性FR-4基板5关键特征尺寸设置如下：PD=9.60±0.05 mm，PA=1.10±0.05mm，PH=0.60±0.05 mm。如图6（a）所示，硬性FR-4基板5的A面贴片锡焊有以下的元器件：第一电阻R1、第二电阻R2、LED灯D1、电感L1、集成IC即U2，硬性FR-4基板A面的J4端口（即第四端口焊盘J4）贴片锡焊有MicroUSB接口。如图6（b）所示，硬性FR-4基板5的B面贴片锡焊有第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第三电阻R3、电感L1、保护IC即U1，硬性FR-4基板B面的第一端口焊盘（即J1端口）、第二端口焊盘（即J2端口）分别表示与锂离子电芯的正极端、负极端进行电连接的端口，硬性FR-4基板B面的J3端口表示的是与金属盖帽6的第四回转体604和凹槽部605进行锡焊连接的焊盘，J3端口是放电的输出口，代表的是锂离子二次电池的总正极端。

本实施例金属盖帽第一回转体的直径M1满足：2.00 mm≤M1（=2.20mm）≤3.80mm且M1（=2.20mm）≤2×SU（=2×1.25=2.50mm），其中SU为塑胶件的MicroUSB开口部长边至塑胶件轴线的最短距离。M1的下限尺寸即2mm≤M1设置，可以保证金属帽头有足够的接触面积，供锂离子二次电池与外部负载或充电电源保持良好的接触；M1的上限尺寸即M1≤3.8mm设置，是为了符合国际标准规范的要求，否则有可能由于直径过大无法与外部负载配合，导致接触不良或接触不上；M1的上限尺寸即M1≤2×SU设置，是为了满足金属盖帽6在与塑胶件4装配后，金属盖帽6不能对塑胶件4的MicroUSB开口部404产生遮挡，否则就无法进行充电。本实施例金属盖帽第二回转体的直径M2满足：SD5+0.10 mm（=1.50+0.10=1.60mm）≤M2（=1.65mm）≤M1（=2.20mm），其中SD5为塑胶件帽头开口部的直径，M1为金属盖帽第一回转体的直径。下限尺寸的设置即SD5+0.10 mm≤M2，是为了确保金属盖帽的第一回转体601和第二回转体602凸出塑胶件4的圆柱拉伸体401上端平面，从而保障电池的凸出高度（即H1+H2）能够满足要求，否则金属盖帽与塑胶件装配时，金属盖帽的第二回转体有可能插入到塑胶件的帽头开口部中导致电池的凸出高度不足；上限尺寸M2≤M1的设置，是为了满足金属盖帽第二回转体避开塑胶件4的MicroUSB开口部404的要求。本实施例金属盖帽第三回转体的直径M3满足：1.00 mm≤M3（=1.40mm）＜M2（=1.65mm）且M3（=1.40mm）＜SD5（=1.50mm），其中SD5为塑胶件帽头开口部的直径，M2为金属盖帽第二回转体的直径。M3下限尺寸即1.00 mm≤M3的设置，是考虑到金属盖帽6的第三回转体603起连接第二回转体和第四回转体并且起支撑金属盖帽的作用，如果M3尺寸过小，则其支撑和连接强度不足，可能在使用过程中发生断裂；M3上限尺寸即M3＜M2的设置，是考虑到尽量减小第三回转体占用的径向空间以利于硬性FR-4基板布置元器件的需求，同时，M3尺寸的减小也有利于增强塑胶件4圆柱拉伸体401的强度；M3上限尺寸即M3＜SD5的设置，是为了满足金属盖帽6与塑胶件4的装配要求，即金属盖帽6的第三回转体603必须能够穿过塑胶件4的帽头开孔部403。本实施例金属盖帽第四回转体的直径M4满足：0.80 mm≤M4（=0.90mm）＜M3（=1.45mm）且M4（=0.90mm）＜PA（=1.10mm），其中PA为硬性FR-4基板中心孔的直径，M3为金属盖帽第三回转体的直径。M4下限尺寸即0.80 mm≤M4的设置，是考虑到如果M4过小，其强度不足容易发生断裂；M4上限尺寸即M4＜M3的设置，是考虑到尽量减小第四回转体占用的径向空间以利于硬性FR-4基板布置元器件的需求，同时，M4尺寸的减小也有利于降低硬性FR-4基板中心孔所需占用的面积；M4上限尺寸即M4＜PA的设置，是为了实现金属盖帽6第四回转体能够插入并穿透硬性FR-4基板中心孔的装配要求。金属盖帽凹槽部的凹槽深度即（M4/2-MD/2）满足：0.05 mm≤（M4/2-MD/2）（=0.90/2-0.70/2=0.10mm）≤0.20 mm，其中M4为金属盖帽第四回转体的直径，MD为金属盖帽凹槽部中心最小直径；凹槽深度下限尺寸即0.05 mm≤（M4/2-MD/2）的设置，是考虑到凹槽深度过小，不能很好起到与焊锡形成有效咬合的效果，将导致金属盖帽6与硬性FR-4基板锡焊连接不牢固；凹槽深度上限尺寸即（M4/2-MD/2）≤0.20 mm的设置，是考虑到凹槽深度过大，将导致凹槽部605中心最小直径过小从而强度不足，金属盖帽存在从凹槽部发生断裂的风险。

本实施例金属盖帽第一回转体与第二回转体的高度之和H1+H2满足：0.80 mm≤H1+H2（=1.00+0.50=1.50mm）≤1.70mm。高度之和下限尺寸即0.8mm≤H1+H2的设置，是为了符合国际标准规范的要求，否则有可能由于金属帽头凸出高度过低无法与外部负载配合，导致接触不良或接触不上；高度之和上限尺寸即H1+H2≤1.7mm的设置，是考虑到尽量减少金属帽头占据的高度空间，从而将节余出的高度空间留给锂离子电芯，这有利于电池的大容量化。本实施例金属盖帽第二回转体的高度H2满足：0.20mm≤H2≤1.00mm；H2下限尺寸即0.20mm≤H2的设置，是考虑到金属盖帽6第二回转体602避开避开塑胶件4的MicroUSB开口部404的要求，如果H2过小则不能起到有效避开的效果；H2上限尺寸即H2≤1.00mm的设置，是考虑到如果H2过大，则H1将过小（因为H1+H2的总和有上限约束），而H1过小将不利于金属盖帽6第一回转体601作为整个锂离子二次电池与外部负载接触的正极端功能的实现。本实施例金属盖帽第三回转体的高度H3满足：SJ1+SJ2+SJ3-1.00 mm（=1.00+1.50+2.80-1.00=4.30mm）≤H3（=4.90mm）≤SJ1+SJ2+SJ3 （=1.00+1.50+2.80=5.30mm），其中SJ1为塑胶件圆柱拉伸体的高度，SJ2为塑胶件第一圆筒体的高度，SJ3为塑胶件第二圆筒体的高度。H3下限尺寸即SJ1+SJ2+SJ3-1.00 mm≤H3的设置，是考虑到金属盖帽6的第三回转体603起连接第二回转体和第四回转体并且起支撑金属盖帽的作用，因此第三回转体603的长度在穿过整个塑胶件4的高度方向不宜过小，否则第三回转体603的强度不足，不能很好起到连接和支撑的功能；H3上限尺寸即H3≤SJ1+SJ2+SJ3的设置，是为了满足金属盖帽6第三回转体603与塑胶件装配后，第三回转体不能超出塑胶件4高度方向，否则硬性FR-4基板5的A面靠圆周边沿区域不能够与塑胶件4的第二圆筒体405下端面相接触装配，这将导致MicroUSB接口9和硬性FR-4基板安装不到位从而占用锂离子电芯的高度空间，锂离子电芯不能实现正常装配。本实施例金属盖帽第四回转体的高度H6满足：SJ1+SJ2+SJ3+PH+0.50mm -H3（=1.00+1.50+2.80+0.60+0.50-4.90=1.50mm）≤H6（=1.70mm）≤SJ1+SJ2+SJ3+PH+1.00mm -H3 （=1.00+1.50+2.80+0.60+1.00-4.90=2.00mm），其中SJ1为塑胶件圆柱拉伸体的高度，SJ2为塑胶件第一圆筒体的高度，SJ3为塑胶件第二圆筒体的高度，PH为硬性FR-4基板的厚度，H3为金属盖帽第三回转体的高度。金属盖帽6为了实现与硬性FR-4基板的可靠装配和锡焊连接，金属盖帽6装配后必须凸出硬性FR-4基板的B面一个合适的高度即0.50mm~1.00mm，如果凸出高度小于0.50mm则锡焊的牢固性不足，因此有H6的下限尺寸即SJ1+SJ2+SJ3+PH+0.50mm-H3≤H6设置；如果凸出高度大于1.00mm则占用过多的电池高度空间从而不利于电池的高容量化，因此有H6的上限尺寸即H6≤SJ1+SJ2+SJ3+PH+1.00mm-H3的设置。本实施例金属盖帽第四回转体位于凹槽部上侧部分（即与第三回转体603相连的一侧）的高度H4满足：SJ1+SJ2+SJ3+PH-H3（=1.00+1.50+2.80+0.60-4.90=1.00mm）≤H4（=1.10mm）≤SJ1+SJ2+SJ3+PH+0.50mm -H3（=1.00+1.50+2.80+0.60+0.50-4.90=1.60mm），其中SJ1为塑胶件圆柱拉伸体的高度，SJ2为塑胶件第一圆筒体的高度，SJ3为塑胶件第二圆筒体的高度，PH为硬性FR-4基板的厚度，H3为金属盖帽第三回转体的高度。为了实现金属盖帽6与硬性FR-4基板的可靠装配和锡焊连接，金属盖帽6与硬性FR-4基板装配后，金属盖帽6的凹槽部605必须凸出硬性FR-4基板的B面，所以有SJ1+SJ2+SJ3+PH-H3≤H4的设置；但是，金属盖帽6的凹槽部605凸出硬性FR-4基板的B面的高度不能过大，否则一方面不便于锡焊操作，同时会占用电池的高度空间从而不利于电池的高容量化，所以有H4≤SJ1+SJ2+SJ3+PH+0.50 mm -H3。

本实施例的塑胶件圆柱拉伸体的直径SD1满足：DA-0.50mm（=10.50-0.50=10.00mm）≤SD1（=10.00 mm）≤DA（=10.50mm），其中DA为按国际标准要求锂离子二次电池的最大直径。DA-0.50mm≤SD1尺寸的设置，是考虑到电池高容量化及硬性FR-4基板布置元器件的需求，如果SD1过小，则锂离子电芯的直径也必须相应减小从而不利于高容量化，同时，硬性FR-4基板的直径也必须相应减小从而不利于布置元器件；上限尺寸即SD1≤DA的设置，是为了使得电池直径符合标准的要求。本实施例的塑胶件第一圆筒体的外径SD2满足：SD2=SD1-2×BH（=10.40-2×0.10=10.20 mm），其中SD1为塑胶件圆柱拉伸体的直径，BH为标贴的厚度；该尺寸的设置，是为了实现标贴10包裹黏贴在钢壳2和塑胶件4第一圆筒体402外侧表面后，整个电池保持一致的外部直径。本实施例的塑胶件第二圆筒体的外径SD3与钢壳的内径相等即SD3（=9.80mm）=GN（=9.80mm）。本实施例的塑胶件第二圆筒体的壁厚即（SD3/2-SD4/2）满足：0.30mm≤（SD3/2-SD4/2）（=9.80/2-8.60/2=0.60mm）≤1.00mm，其中SD3为塑胶件第二圆筒体的外径，SD4为塑胶件第一圆筒体和第二圆筒体的内径。塑胶件第二圆筒体的壁厚厚度太薄则强度不够，所以（SD3/2-SD4/2）大于等于0.3mm；塑胶件第二圆筒体的壁厚厚度太厚则占用电池的直径方向空间，这将导致塑胶件第二圆筒体405形成的内部空腔减小，降低硬性FR-4基板的A面有效贴片面积，不利于元器件的布置和贴片，因为硬性FR-4基板的A面所设置的元器件均必须收纳在塑胶件第二圆筒体405形成的内部空腔中，所以（SD3/2-SD4/2）小于等于1mm。由于塑胶件圆柱拉伸体的顶部上设置有帽头开口部403和MicroUSB开口部404，如果帽头开口部的直径SD5过大，将直接导致MicroUSB开口部404与帽头开口部403之间相连的塑胶件宽度变薄甚至直接穿透，这将大幅度降低塑胶件圆柱拉伸体401的强度，因此必须对帽头开口部的直径SD5上限进行设置即满足：0.30mm≤SU-SD5/2，其中SU为塑胶件的MicroUSB开口部长边至塑胶件轴线的最短距离。

本实施例的塑胶件圆柱拉伸体的高度SJ1满足：0.5mm≤SJ1（=1.00 mm）≤1.50mm，SJ1高度太小，则其支撑强度不足，容易在电池被夹持使用等过程中发生变形甚至破损；如果塑胶件的圆柱拉伸体401太高即SJ1>1.50mm，则占用电池过多的高度空间，不利于电池的大容量化。本实施例的塑胶件第一圆筒体的高度SJ2满足：0.5mm≤SJ2（=1.50 mm）≤2.00mm，SJ2高度太小，则包裹黏贴标贴10的操作过程中由于超出加工工艺精度要求，标贴10容易超出第一圆筒体402的外侧表面而黏贴到圆柱拉伸体401的外侧表面从而导致电池整体直径超过国际标准而不合格；塑胶件的第一圆筒体如果太高即SJ1>2.00mm，则在塑胶件总高度一定前提下，将导致塑胶件第二圆筒体的高度即SJ3过小，由于塑胶件与钢壳的固定方式是通过冲点实现，即对用尖锐的钢针对钢壳与塑胶件的第二圆筒体405的结合部实施冲压，钢壳受力发生凹陷变形并嵌入到塑胶件的第二圆筒体405的结合部中，形成咬合；如果塑胶件的第二圆筒体的高度SJ3过小，则由于结合部太小导致难以实施冲点工艺。本实施例的塑胶件的总高度，即圆柱拉伸体的高度SJ1、第一圆筒体的高度SJ2、第二圆筒体的高度SJ3三者之和满足：UH+0.20mm（=5.10+0.20=5.30mm）≤SJ1+SJ2+SJ3（=1.00+1.50+2.80=5.30 mm）≤UH+1.00mm（=5.10+1.00=6.10mm），其中UH为MicroUSB接口的贴片高度，该塑胶件总高度下限尺寸即UH+0.20mm≤SJ1+SJ2+SJ3的设置，是为了满足MicroUSB接口9完全收纳在塑胶件MicroUSB开口部404、第一圆筒体402、第二圆筒体405所形成的内部空腔中；上限尺寸即SJ1+SJ2+SJ3≤UH+1.00mm的设置，是考虑到塑胶件总高度过大将占用电池高度空间，不利于电池高容量化。本实施例塑胶件的第一加强筋、第二加强筋、第三加强筋、第四加强筋的下端面至塑胶件第二圆筒体下端面的距离SJ4满足：YJAmax（=1.80mm）≤SJ4（=1.80mm），其中YJAmax为硬性FR-4基板A面所贴元器件（本实施例是电感L）的最大高度，该特征尺寸下限尺寸的设置是为了满足硬性FR-4基板A面元器件全部收纳在塑胶件第二圆筒体405内部空腔的要求。

本实施例硬性FR-4基板5关键特征尺寸满足：SD4+0.20mm（=8.60+0.20=8.80mm）≤PD（=9.60mm）≤SD3（=9.80mm），M4（=0.90mm）≤PA(=1.10mm)≤M4+0.50mm（=0.90+0.50=1.40mm），0.50mm≤PH（=0.60mm）≤1.00mm，其中PD为硬性FR-4基板的直径，PA为硬性FR-4基板中心孔的直径，PH为硬性FR-4基板的厚度，SD4为塑胶件第一圆筒体和第二圆筒体的内径，SD3为塑胶件第二圆筒体的外径，M4为金属盖帽第四回转体的直径。由于硬性FR-4基板5装配在钢壳2的内部空腔中，并且硬性FR-4基板5的A面靠圆周边沿区域与塑胶件4的第二圆筒体405下端面相接触，即硬性FR-4基板直径不能小于塑胶件第一圆筒体和第二圆筒体的内径，否则硬性FR-4基板5将伸入到第一圆筒体402和第二圆筒体405的内部空腔中，所以有SD4+0.20mm≤PD≤SD3。M4（=0.90mm）≤PA(=1.10mm)的设置，是为了满足金属盖帽6与硬性FR-4基板5的装配要求即金属盖帽6第四回转体604需穿过硬性FR-4基板5的中心孔501；但是，硬性FR-4基板中心孔的直径PA不能过大，否则占用硬性FR-4基板5的面积导致元器件的布置贴片困难。本实施例硬性FR-4基板的厚度0.50mm≤YH≤1.00mm，如果厚度太薄则硬性FR-4基板的强度不足，导致金属帽头在受到接触压力时候传递到硬性FR-4基板致使其发生严重变形甚至断裂；如果厚度太厚则硬性FR-4基板占据更多的电池高度空间，从而不利于节余出的高度空间留给锂离子电芯，这不利于电池的大容量化。

本实施例标贴的高度BG满足：GKH+0.50mm（=40.75+0.50=41.25mm）≤BG（=42.00mm）≤GKH+SJ2（=40.75+1.50=42.25mm），其中GKH为钢壳的高度，SJ2为塑胶件第一圆筒体的高度。GKH+0.50mm≤BG的设置，是为了满足标贴将钢壳外侧表面完全包裹黏贴的要求；BG≤GKH+SJ2的设置，可以确保标贴不会包裹黏贴到塑胶件圆柱拉伸体外侧表面，从而避免了电池直径超标不合格的问题。

本实施例钢壳的高度GKH满足：GKH（=40.30mm）≤H-H1-H2-SJ1-SJ2（=44.50-1.00-0.50-1.00-1.50=40.50mm），其中H为锂离子二次电池的总高度，H1为金属盖帽第一回转体的高度，H2为金属盖帽第二回转体的高度，SJ1为塑胶件圆柱拉伸体的高度，SJ2为塑胶件第一圆筒体的高度。

本实施例锂离子电芯的高度DXH满足：DXH（=35.00mm）≤GKH- SJ3-PH-YJBmax-GKDH（=40.30-2.80-0.60-1.35-0.30=35.25mm），其中GKH为钢壳的高度， SJ3为塑胶件第二圆筒体的高度，PH为硬性FR-4基板的厚度，YJBmax为硬性FR-4基板的B面所贴元器件的最大高度（本实施例是保护IC U1，其最大高度YJBmax=1.35mm），GKDH为钢壳底部的厚度。

结合图1至图7，本实施例在实际制作时，按以下步骤进行：

（1）首先将金属盖帽的第三回转体603伸入并穿过塑胶件4的帽头开口部403，第三回转体配套穿过部分收纳在塑胶件的第一圆筒体和第二圆筒体405内部空腔中，金属盖帽6的第一回转体601和第二回转体602凸出塑胶件4的圆柱拉伸体401上端平面。

（2）其次将电芯正极导线A端与硬性FR-4基板的B面的第一端口焊盘J1焊接，将电芯负极导线A端与硬性FR-4基板的B面的第二端口焊盘J2焊接。如图7（a）所示。

（3）将锡焊好所有元器件的硬性FR-4基板5（其中硬性FR-4基板的A面锡焊有第一电阻R1、第二电阻R2、LED灯D1、电感L1、集成IC即U2；硬性FR-4基板A面的J4端口贴片锡焊有MicroUSB接口9；硬性FR-4基板的B面贴片锡焊有第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第三电阻R3、电感L1、保护IC即U1。）以硬性FR-4基板5的 A面朝上即A面所贴片元器件伸入塑胶件4第二圆筒体405内部空腔、MicroUSB接口开口端对准塑胶件的MicroUSB开口部的方式使得硬性FR-4基板的A面靠圆周边沿区域与塑胶件的第二圆筒体下端面相接触，并使得金属盖帽6的第四回转体穿过硬性FR-4基板的中心孔并且使得凹槽部凸出硬性FR-4基板的下端平面（即硬性FR-4基板的B面）， MicroUSB接口9与塑胶件4的MicroUSB开口部相配合即MicroUSB接口9开口端伸入到塑胶件4的MicroUSB开口部中。然后，对硬性FR-4基板5B面的J3端口焊盘、凸出硬性FR-4基板5B面的金属盖帽6第四回转体604、金属盖帽6凹槽部605实施锡焊连接，从而实现硬性FR-4基板5与金属盖帽6的导电连接和结构固定。如图7（b）所示。（4）将电芯正极导线B端与锂离子电芯的正极端焊接，将电芯负极导线B端与锂离子电芯的负极端焊接。

（5）将锂离子电芯从钢壳2开口端装入钢壳内部，接着将塑胶件4第二圆筒体405前端伸入到钢壳2内部，安装到位后钢壳2开口端卡装在塑胶件第二支撑平台上（由塑胶件第一圆筒体402底部超出第二圆筒体405外壁形成第二支撑平台）。

（6）用钢针对塑胶件4的第二圆筒体405与钢壳2的结合部实施冲压，钢壳受力变形嵌入塑胶件4的第二圆筒体405的壁厚中，实现了塑胶件与钢壳的固定。

（7）将标贴10包裹黏贴在钢壳2和塑胶件第一圆筒体402的外侧表面上。

完成自带MicroUSB充电接口并且集成充电管理、恒压输出、充放电保护等多种功能，具备高集成效率、高容量、高可靠性特点圆柱形锂离子二次电池的制作。

将本实施例的锂离子二次电池，完全放电后，以CV条件给锂离子二次电池进行充电：恒压5V，充电输入接口为MicroUSB接口。图8所示为电池经由MicroUSB接口进行充电，获得的充电电压-充电电流-充电容量关系曲线图，充电时间为86.8分钟，最大充电电流为310mA，合计的充电容量为323.8mAh，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9所示，锂离子二次电池的放电电压为1472mV~1464mV，稳定在1.50±0.10V范围内，达成了以1000mA电流进行恒压输出的功能，整个放电过程放电容量为630.6mAh。放电终了，放电电压突降到0.197V，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R03型号尺寸电池，由于结构件一般占用了超过本实施例约9mm高度的空间，导致只能采用高度更低、直径更小的聚合物锂离子单体电池，其型号一般为09260（直径9.10±0.20 mm，高度26.50⁺⁰ _-1.0 mm），标称电压为3.7V，容量为200mAh。即本实施例的技术方法，能够实现比现有技术高出约1/2的容量；同时，现有技术情况下往往采用两个或多个硬性FR-4基板进行锡焊拼接，或MicroUSB接口往往设置在电池的侧面，导致加工工艺较为复杂，加工难度较大，加工成本较高。即本实施例的技术方法，能够实现比现有技术高出约30%的组装集成效率。

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，但是同样适用于锂离子二次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R03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

一种锂离子二次电池，其结构与实施例1中的锂离子二次电池的结构相类似，其不同之处在于：恒定输出电压为1.50V，第三电阻R3规格为4K±1%，锂离子二次电池对应的最大充电电流为156mA。

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 (3)

1.一种锂离子二次电池，其特征在于：包括锂离子电芯、钢壳、MicroUSB接口、保护IC、集成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、电感、LED灯、塑胶件、硬性FR-4基板、金属盖帽和标贴，实现电池顶部设置的MicroUSB接口可充电、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；所述塑胶件包括圆柱拉伸体、第一圆筒体和第二圆筒体，圆柱拉伸体、第一圆筒体和第二圆筒体同轴线，圆柱拉伸体、第一圆筒体、第二圆筒体从上到下依次顺序相连且第一圆筒体和第二圆筒体内壁壁面平齐，圆柱拉伸体底部超出第一圆筒体外壁形成第一支撑平台，第一圆筒体底部超出第二圆筒体外壁形成第二支撑平台，圆柱拉伸体顶部中间位置设置有帽头开口部，圆柱拉伸体的顶部靠外侧面位置设置有MicroUSB开口部，其中MicroUSB开口部的最长边靠近塑胶件轴线，第一圆筒体和第二圆筒体的内侧壁面共同设置有相同高度的第一加强筋、第二加强筋、第三加强筋和第四加强筋；锂离子电芯置于钢壳内，锂电池电芯的正极端、负极端分别通过电芯正极导线、电芯负极导线与硬性FR-4基板B面的第一端口焊盘、第二端口焊盘相对应连接在一起；所述金属盖帽的第一回转体和第二回转体凸出塑胶件的圆柱拉伸体上端平面，金属盖帽的第三回转体配套穿过塑胶件的帽头开口部并收纳在塑胶件的第一圆筒体和第二圆筒体内部空腔中，金属盖帽的第四回转体穿过硬性FR-4基板的中心孔并且使得凹槽部凸出硬性FR-4基板的下端平面，硬性FR-4基板与金属盖帽通过设置在硬性FR-4基板B面的J3端口焊盘、金属盖帽第四回转体凸出硬性FR-4基板的下端平面的部位、金属盖帽的凹槽部之间的焊锡实现导电连接和结构固定；元器件贴片锡焊在硬性FR-4基板的A面和B面上，MicroUSB接口锡焊在硬性FR-4基板的A面上；硬性FR-4基板以A面朝上、MicroUSB接口开口端对准塑胶件的MicroUSB开口部的方式使得硬性FR-4基板的A面靠圆周边沿区域与塑胶件的第二圆筒体下端面相接触，硬性FR-4基板的A面元器件收纳在塑胶件的第一圆筒体和第二圆筒体内部空腔中，塑胶件的MicroUSB开口部与MicroUSB接口相配合，塑胶件的第二圆筒拉伸体配套装入钢壳的开口端且钢壳开口端卡装在塑胶件的第二支撑平台上，所述标贴包裹黏贴在钢壳和塑胶件第一圆筒体的外侧表面上；

所述塑胶件的关键特征尺寸满足：DA-0.50mm≤SD1≤DA，0.30mm≤（SD3/2-SD4/2）≤1.00mm，UH+0.20mm≤SJ1+SJ2+SJ3≤UH+1.00mm，0.30mm≤SU-SD5/2，其中DA为按国际标准要求锂离子二次电池的最大直径，SD1为塑胶件圆柱拉伸体的直径，SD3为塑胶件第二圆筒体的外径，SD4为塑胶件第一圆筒体和第二圆筒体的内径，UH为MicroUSB接口的贴片高度，SJ1为塑胶件圆柱拉伸体的高度，SJ2为塑胶件第一圆筒体的高度，SJ3为塑胶件第二圆筒体的高度，SD5为塑胶件帽头开口部的直径，SU为塑胶件的MicroUSB开口部长边至塑胶件轴线的最短距离；

所述金属盖帽包括第一回转体、第二回转体、第三回转体和第四回转体，第一回转体、第二回转体、第三回转体和第四回转体同轴线，第一回转体、第二回转体、第三回转体、第四回转体按顺序依次相连，第四回转体靠下端位置设置有凹槽部；所述金属盖帽的特征尺寸满足：2.00 mm≤M1≤3.80mm且M1≤2×SU，SD5+0.10 mm≤M2≤M1，1.00 mm≤M3＜M2且M3＜SD5，0.80 mm≤M4＜M3且M4＜PA，0.05 mm≤（M4/2-MD/2）≤0.20 mm，SJ1+SJ2+SJ3-1.00 mm≤H3≤SJ1+SJ2+SJ3，SJ1+SJ2+SJ3+PH+0.50mm-H3≤H6≤SJ1+SJ2+SJ3+PH+1.00mm -H3，SJ1+SJ2+SJ3+PH-H3≤H4≤SJ1+SJ2+SJ3+PH+0.50mm-H3，其中M1为金属盖帽第一回转体的直径，SU为塑胶件的MicroUSB开口部长边至塑胶件轴线的最短距离，M2为金属盖帽第二回转体的直径，SD5为塑胶件帽头开口部的直径，M3为金属盖帽第三回转体的直径，M4为金属盖帽第四回转体的直径，PA为硬性FR-4基板中心孔的直径，MD为金属盖帽凹槽部中心最小直径，H3为金属盖帽第三回转体的高度，SJ1为塑胶件圆柱拉伸体的高度，SJ2为塑胶件第一圆筒体的高度，SJ3为塑胶件第二圆筒体的高度，H6为金属盖帽第四回转体的高度，PH为硬性FR-4基板的厚度，H4金属盖帽第四回转体位于凹槽部上侧部分的高度。

2.根据权利要求1所述的锂离子二次电池，其特征在于：所述硬性FR-4基板的外形轮廓为一块圆形平板，在中央位置设置有中心孔；所述硬性FR-4基板关键特征尺寸满足：SD4+0.20mm≤PD≤SD3，M4≤PA≤M4+0.50mm，0.50mm≤PH≤1.00mm，其中PD为硬性FR-4基板的直径，PA为硬性FR-4基板中心孔的直径，PH为硬性FR-4基板的厚度，SD4为塑胶件第一圆筒体和第二圆筒体的内径，SD3为塑胶件第二圆筒体的外径，M4为金属盖帽第四回转体的直径。

3.根据权利要求1或2所述的锂离子二次电池，其特征在于：所述钢壳的高度GKH满足：GKH≤H-H1-H2-SJ1-SJ2，其中H为锂离子二次电池的总高度， H1为金属盖帽第一回转体的高度，H2为金属盖帽第二回转体的高度，SJ1为塑胶件圆柱拉伸体的高度，SJ2为塑胶件第一圆筒体的高度。

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