CN113948824B - 一种运载火箭用分布式高压锂离子电池组 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种运载火箭用分布式高压锂离子电池组，包括：高压模组、串联电缆、功率输出正电缆、功率输出负电缆；高压模组结构上完全独立，实现在运载火箭上分布安装和每个模组电压的降低；高压模组之间通过串联电缆串联，功率输出正电缆连接到串联后的分布式运载火箭高压锂离子电池组的总正插座上，功率输出负电缆连接到分布式运载火箭高压锂离子电池组的总负插座上，高压模组的开路电压范围为80V～120V。高压模组内部设置气相缓蚀剂。本发明采取多个独立模块分布的方案，结合功率接口连接器保压技术、单体电压检测接口连接器隔离技术、气相缓蚀剂保护技术等解决了高压低气压击穿以及高压和高温加速腐蚀的问题。

Description

一种运载火箭用分布式高压锂离子电池组
技术领域
本发明涉及运载火箭锂离子电池组领域，具体涉及一种运载火箭用分布式高压锂离子电池组，特别是一种运载火箭用内部为方形锂离子电池单体的耐低气压高压电池组。
背景技术
随着科学技术发展，锂离子电池的在运载火箭领域应用越来越多。方形锂离子电池单体是运载火箭常用的一种结构形式，该结构形式的锂离子单体电池具有较高的功率输出特性和高的可靠性。运载火箭飞行过程低气压最低可以到达0.03Pa，随着电池组串联数量增大，其正、负极接口以及单体电压检测接口均形成非常高的电压差，如CZ-6A、CZ-6X型号用伺服机构电池电压高达360V，在此种情况下，高压电池组非常容易在低气压下发生高压直流击穿现象，即帕邢效应，由于击穿后会产生导电粒子飞溅，飞溅的导电粒子在击穿位置的中间部位建立跨接点，击穿路径缩短，进一步造成电池组内部线路或电池短路烧毁。此外，电池组电压较高，高压电池极易发生腐蚀，连接线路容易发生腐蚀，尤其是具有空隙的金属之间的连接部位，还极易产生电化学腐蚀的加速效应。本发明针克服现有技术难度，采取多个独立模块分布的方案，结合功率接口连接器保压技术、单体电压检测接口连接器隔离技术、气相缓蚀剂保护技术等解决了上述问题。
CN106299504A《一种适用真空环境的高压锂离子电池模块》采用的是灌胶的方式解决高压低气压的击穿效应，不涉及分布式设计，而且电池组维修性差；CN111933840A《一种新型运载火箭用高压电池组》主要实现电池组的防振动和防倒灌，不涉及分布式设计，CN110581241A《一种运载火箭用模块化锂离子蓄电池组》采用多个模块扩展，多个模块共用单体电压检测接口，单体电压检测接口不涉及绝缘转接座，不具有分布式特性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种运载火箭用分布式高压锂离子电池组，采取多个独立模块分布的方案，结合功率接口连接器保压技术、单体电压检测接口连接器隔离技术、气相缓蚀剂保护技术等解决运载火箭用高压锂离子电池低气压击穿、高压极易发生腐蚀的问题。
为了达到上述的目的，本发明提供一种运载火箭用分布式高压锂离子电池组，包括：高压模组、串联电缆、功率输出正电缆、功率输出负电缆；
所述高压模组结构上完全独立，实现在运载火箭上分布安装和每个模组电压的降低；高压模组之间通过串联电缆串联，功率输出正电缆连接到串联后的分布式运载火箭高压锂离子电池组的总正插座上，功率输出负电缆连接到分布式运载火箭高压锂离子电池组的总负插座上。
上述一种运载火箭用分布式高压锂离子电池组，其中，所述高压模组的开路电压范围为80V～120V。
上述一种运载火箭用分布式高压锂离子电池组，其中，所述每个高压模组设置一个单体电压检测接口，单体电压检测接口外壳与高压模组外壳不导通。
上述一种运载火箭用分布式高压锂离子电池组，其中，所述高压模组内部设置气相缓蚀剂。
上述一种运载火箭用分布式高压锂离子电池组，其中，所述串联电缆、功率输出正电缆、功率输出负电缆，均包含导线、插头和防波金属套，导线连接插头，防波金属套包裹导线并与插头的金属外壳导通。
上述一种运载火箭用分布式高压锂离子电池组，其中，所述串联电缆、功率输出正电缆、功率输出负电缆的插头和高压模组的插座的尾部均采用硅橡胶进行灌胶密封；所述插头插合面和插座插合面有气密封橡胶结构，在插头和插座对插后同步形成气密性空间，气密性空间与连接器外部气压差值不小于100kpa。
上述一种运载火箭用分布式高压锂离子电池组，其中，所述高压模组包括：金属外壳、保温层、电池堆、泡沫支撑层、泡沫衬板、气相缓蚀剂、跨接片、正极插座、负极插座、绝缘转接座和单体电压检测接口；
所述电池堆置于金属外壳内部，电池堆与金属外壳之间设置保温层，保温层内部电池堆的上方设置泡沫支撑层，泡沫支撑层上方为泡沫衬板，泡沫支撑层上表面设置有气相缓蚀剂安装槽安装气相缓蚀剂，泡沫支撑层设置有跨接片槽用于安装跨接片；
所述单体电压检测接口通过绝缘转接座连接到高压模组外壳上。
上述一种运载火箭用分布式高压锂离子电池组，其中，所述跨接片槽之间有走线槽，走线槽为非填满状态，各个跨接片槽之间相互空气联通；所述气相缓蚀剂槽设计有透气槽实现与所有跨接片槽相互空气联通，进而气相缓蚀剂能通过透气槽和走线槽扩散到跨接片、接线柱导电回路位置并吸附到被保护线路。
上述一种运载火箭用分布式高压锂离子电池组，其中，所述金属外壳为铝合金材质，整体为导电联通的状态对内部线路进行电磁屏蔽；金属外壳为非气体密封状态，允许内部的空气快速泄放，避免长时间处于危险气压区间。
上述一种运载火箭用分布式高压锂离子电池组，其中，所述电池堆包括：多个单体电池，多个单体电池串联或并联组成高压模组的供电主体。
本发明的解决方案是：一种运载火箭用分布式高压锂离子电池组包括高压模组1、串联电缆2、功率输出正电缆3、功率输出负电缆4，多个高压模组结构上完全独立，分布在运载火箭的不同位置，实现在运载火箭上分布安装和每个模组电压的降低，高压模组之间通过多根串联电缆串联，功率输出正电缆连接到串联后的分布式运载火箭高压锂离子电池组的总正插座上，功率输出负电缆连接到分布式运载火箭高压锂离子电池组的总负插座上。所述高压模组的开路电压范围控制在80V～120V之间，既可以提高串联效率，又可以消除高压模组在低气压条件下因高电压击穿放电而短路。所述串联电缆、功率输出正电缆以及功率输出负电缆，均包含导线、插头和防波金属套，导线连接两个金属外壳的插头，防波金属套包裹导线并与插头的金属外壳可靠连通。所述电缆的插头和高压模组的插座的尾部均采用硅橡胶进行灌胶密封，所述插头插合面和插座插合面有气密封橡胶结构，在插头和插座对插后同步形成气密性空间，气密性空间与连接器外部气压差值不小于100kpa，通过以上多种措施实现真空条件下插合面气压的保持，在放电回路有效电磁屏蔽的基础上，进一步实现低气压条件下阻止发生高电压击穿而短路的现象。
每个高压模组设置一个单体电压检测接口，单体电压检测接口通过绝缘转接座连接到高压模组外壳上，单体电压检测接口外壳与高压模组外壳不导通，可以防止低气压高压积累而造成击穿现象。
所述电缆的插头和高压模组的插座的尾部均采用硅橡胶进行灌胶密封，所述插头插合面和插座插合面有气密封橡胶结构，在插头和插座对插后同步形成气密性空间，气密性空间与连接器外部气压差值不小于100kpa。
所述高压模组包括金属外壳、保温层、电池堆、泡沫支撑层、泡沫衬板、气相缓蚀剂、跨接片、正极插座、负极插座、绝缘转接座和单体电压检测接口。电池堆置于金属外壳内部，电池堆与金属外壳之间设置保温层，保温层内部电池堆的上方设置泡沫支撑层，泡沫支撑层上方为泡沫衬板，泡沫支撑层上表面设置有气相缓蚀剂安装槽安装气相缓蚀剂，泡沫支撑层设置有跨接片槽用于安装跨接片，跨接片槽之间有走线槽，走线槽为非填满状态，各个跨接片槽之间相互空气联通，所述高压模组内部设置气相缓蚀剂，进一步，气相缓蚀剂设置于电池组泡沫支撑层的中，气相缓蚀剂槽设计有透气槽实现与所有跨接片槽相互空气联通，进而气相缓蚀剂可以通过透气槽和走线槽扩散到跨接片、接线柱等导电回路位置并吸附到被保护线路，防止化学氧化腐蚀或电化学腐蚀发生，进一步杜绝因高压高温加速氧化造成接触不良的情况。
所述金属外壳为铝合金材质，整体为导电联通的状态对内部线路进行电磁屏蔽；金属外壳为非气体密封状态，可以允许内部的空气快速泄放，避免长时间处于危险气压区间(2000pa～10pa)。所述电池堆包括多个单体电池，多个单体电池串(并)联组成高压模组的供电主体。
与现有技术相比，本发明的技术有益效果是：
(1)本发明将高压电池组由多个电池模组组成，分布式到运载火箭不同位置，每个电池模组为独立体，该设计可以消除高压低气压击穿的风险。
(2)本发明单体电压检测接口通过绝缘转接，单个单体电压检测接口最大电压范围在80V～120V之间，可以避免多个模块单体电压检测接口外壳联通而造成电压差的累积量过大而击穿。
(3)本发明高压电池模组内部设计气相缓蚀剂，气相缓蚀剂可以防止高压条件下加速导电回路的化学和电化学腐蚀的发生，同时气相缓蚀剂设计在支持层上表面，可以方便查看和补加气相缓蚀剂，确保电池组内部导电回路抗腐蚀性能，进而确保导电的可靠性。
(4)本发明高压电池模组内部不涉及灌胶操作，模组零件之间无胶粘力，可拆卸性好，方便维修。
(5)本发明电池模组、电缆外层均为金属材质，具有良好的屏蔽效果，功率回路连接器采用气压保持设计，可以避免连接器内部裸露金属与连接器外壳发生低气压击穿现象。
(6)本发明电池模组正极接口和负极接口连接器分别为独立的接口，可以避免在同一个连接器接口内部发生击穿。
附图说明
本发明的一种运载火箭用分布式高压锂离子电池组由以下的实施例及附图给出。
图1为本发明的高压电池组分布连接关系图；
图2为本发明的高压模组整体的组成示意图；
图3为本发明的高压模组内部结构示意图；
图4为本发明的高压模组气道联通示意图。
其中，1-高压模组、2-串联电缆、3-功率输出正电缆、4-功率输出负电缆；
101-电池堆、102-跨接片、103-泡沫支撑层、104-泡沫衬板、105-金属外壳、106-保温层、107-正极插座、108-负极插座、109-绝缘转接座、110-单体电压检测接口、111-气相缓蚀剂。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的一种运载火箭用分布式高压锂离子电池组作进一步的详细描述。
如图1所示，一种运载火箭用分布式高压锂离子电池组包括高压模组1、串联电缆2、功率输出正电缆3、功率输出负电缆4，多个高压模组结构上完全独立，在运载火箭上分布安装，每个高压模组的开路电压范围控制在80V～120V之间，既可以提高串联效率，又可以消除高压模组在低气压条件下因高电压击穿放电而短路。高压模组之间通过多根串联电缆2串联，功率输出正电缆3连接到串联后的分布式运载火箭高压锂离子电池组的总正插座上，功率输出负电缆4连接到分布式运载火箭高压锂离子电池组的总负插座上。所述串联电缆、功率输出正电缆以及功率输出负电缆，均包含导线、插头和防波金属套，导线连接两个金属外壳的插头，防波金属套包裹导线并与插头的金属外壳可靠连通。所述电缆的插头和高压模组的插座的尾部均采用硅橡胶进行灌胶密封，所述插头插合面和插座插合面有气密封橡胶结构，在插头和插座对插后同步形成气密性空间，气密性空间与连接器外部气压差值不小于100kpa，通过以上多种措施实现真空条件下插合面气压的保持，在放电回路有效电磁屏蔽的基础上，进一步实现低气压条件下阻止发生高电压击穿而短路的现象。
如图2所示为高压模组1，包括电池堆101、跨接片102、泡沫支撑层103、泡沫衬板104、金属外壳105、保温层106、正极插座107、负极插座108、绝缘转接座109、单体电压检测接口110和气相缓蚀剂111。电池堆101置于金属外壳105内部，电池堆101与金属外壳105之间设置保温层106，保温层106内部如图3所示，电池堆101的上方设置泡沫支撑层103，泡沫支撑层103上方为泡沫衬板104，泡沫衬板可以对泡沫支撑层提供顶部的支撑力，同时可以构成非直线联通的气道，可以防止相邻接线柱或跨接片之间发生低气压击穿而短路的现象。泡沫支撑层103上表面设置有气相缓蚀剂安装槽安装气相缓蚀剂111，泡沫支撑层设置有跨接片槽用于安装跨接片102。正极插座107、负极插座108安装在金属外壳表面，两个插座内部的导电接点分别与电池堆101内部的正极、负极连接导通；所述单体电压检测接口110，单体电压检测接口通过绝缘转接座连接到高压模组外壳上，单体电压检测接口外壳与高压模组外壳不导通，可以防止低气压高压积累而造成击穿现象。
如图4所示为气相缓蚀剂111、跨接片槽和走线槽的气道联通示意图，走线槽为非填满状态，可以形成气道，气相缓蚀剂附近设计有透气槽，通过气道联通设计，可以实现与所有跨接片槽相互空气联通，进而气相缓蚀剂可以通过透气槽和走线槽扩散到跨接片、接线柱等导电回路位置并吸附到被保护线路表明，防止化学氧化腐蚀或电化学腐蚀发生，进一步杜绝因高压高温加速氧化造成接触不良的情况。

Claims (5)

1.一种运载火箭用分布式高压锂离子电池组，其特征在于，包括：高压模组、串联电缆、功率输出正电缆、功率输出负电缆；
所述高压模组结构上完全独立，实现在运载火箭上分布安装和每个模组电压的降低；
所述高压模组之间通过串联电缆串联，功率输出正电缆连接到串联后的分布式运载火箭高压锂离子电池组的总正插座上，功率输出负电缆连接到分布式运载火箭高压锂离子电池组的总负插座上；
所述高压模组的开路电压范围为80V～120V；
所述高压模组包括：金属外壳、保温层、电池堆、泡沫支撑层、泡沫衬板、气相缓蚀剂、跨接片、正极插座、负极插座、绝缘转接座和单体电压检测接口；
所述电池堆置于金属外壳内部，电池堆与金属外壳之间设置保温层，保温层内部电池堆的上方设置泡沫支撑层，泡沫支撑层上方为泡沫衬板，构成非直线联通的气道，泡沫支撑层上表面设置有气相缓蚀剂安装槽安装气相缓蚀剂，泡沫支撑层设置有跨接片槽用于安装跨接片；
所述跨接片槽之间有走线槽，走线槽为非填满状态，各个跨接片槽之间相互空气联通；所述气相缓蚀剂槽设计有透气槽实现与所有跨接片槽相互空气联通，进而气相缓蚀剂能通过透气槽和走线槽扩散到跨接片、接线柱导电回路位置并吸附到被保护线路；
所述串联电缆、功率输出正电缆、功率输出负电缆的插头和高压模组的插座的尾部均采用硅橡胶进行灌胶密封；所述插头插合面和插座插合面有气密封橡胶结构，在插头和插座对插后同步形成气密性空间，气密性空间与连接器外部气压差值不小于100kpa；
所述单体电压检测接口通过绝缘转接座连接到高压模组外壳上。
2.如权利要求1所述的一种运载火箭用分布式高压锂离子电池组，其特征在于，所述每个高压模组设置一个单体电压检测接口，单体电压检测接口外壳与高压模组外壳不导通。
3.如权利要求1所述的一种运载火箭用分布式高压锂离子电池组，其特征在于，所述串联电缆、功率输出正电缆、功率输出负电缆，均包含导线、插头和防波金属套，导线连接插头，防波金属套包裹导线并与插头的金属外壳导通。
4.如权利要求1所述的一种运载火箭用分布式高压锂离子电池组，其特征在于，所述金属外壳为铝合金材质，整体为导电联通的状态对内部线路进行电磁屏蔽；金属外壳为非气体密封状态，允许内部的空气快速泄放，避免长时间处于危险气压区间。
5.如权利要求1所述的一种运载火箭用分布式高压锂离子电池组，其特征在于，所述电池堆包括：多个单体电池，多个单体电池串联或并联组成高压模组的供电主体。
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