CN106654086B - 一种应用于飞行器上的多功能结构电池 - Google Patents

一种应用于飞行器上的多功能结构电池 Download PDF

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Abstract

一种应用于飞行器上的多功能结构电池，涉及飞行器上的舱体结构与电池设备领域；多功能结构电池包括：工字梁、工字梁盖板、控制电池、功率电池、电连接器、螺钉；本发明采用飞行器的承载结构梁与供电电池的集成一体化布局方案，将电池组、电缆、减震部件、电连接器植入到飞行器承载结构中，有效减少了电池壳体、电池安装支架、电池间连接电缆等寄生零部件，实现供电***与结构***的减重，并有效减少安装空间和装配工作量；同时在控制电池和功率电池中的锂离子单体电池组安装方式中采用了“Z”型层叠设计，实现了电池组在异型小空间内的有效植入，串并联全部采用交流焊接，无锡焊点，简化了焊接工艺，提高了电池组的可靠性。

Description

一种应用于飞行器上的多功能结构电池
技术领域
本发明涉及一种飞行器上的舱体结构与电池设备领域，特别是一种应用于飞行器上的多功能结构电池。
背景技术
电源***一般包括供电电池、配电器、电缆网等设备，舱体结构包括主承力结构、设备支架等。传统的电源***设备数量较多、单机体积大，设备占据了仪器舱段的安装空间，使飞行器结构臃肿、布线凌乱、重量较大，制约了飞行器性能的提升。
目前，传统飞行器上使用的舱体结构、电源***为两个独立的***。在降低飞行器自身重量的途径方面，通常是从飞行器结构与仪器设备两个方面分别入手，但这种方法已经逐渐暴露出其局限性。就仪器设备来说，其自身的小型化固然可以减轻一些质量，但却不能减少与之相关的设备机箱、电缆等寄生部件，而这些寄生部件可以占到仪器设备总质量的50％左右。因此，如何最大限度地消除设备机箱、电缆、接插件等寄生零部件就成为一个新的技术课题。
《空间飞行器用锂离子蓄电池储能电源的研究进展》针对具有高比能量、低热效应、无记忆效应的锂离子蓄电池，从反应机理、密封设计、寿命性能、充放电管理等方面进行了论述，给出了飞行器上电源分***的初步研究方案。《基于热电技术的多功能结构方案研究》开展基于热电转换技术的多功能结构的方案研究和力学分析、传热分析、热电转换分析，实现利用飞行器气动热发动并提供电能的目标。《航天器多功能结构的研究现状及其应用前景》是对多功能结构在航天器上的研究现状和应用前景进行了综述，给出多功能结构的设计方法。
上述文献中，飞行器电源***仍作为独立的电源***进行设计，主要研究方向为新的安全的高能量密度电池材料和电池体系，而在多功能结构方面，主要是提出理论分析方法和设计方法，给出在不同领域的应用展望，并未给出可应用于飞行器上的多功能结构电池方案。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种应用于飞行器上的多功能结构电池，有效减少了电池壳体、电池安装支架、电池间连接电缆等寄生零部件，实现供电***与结构***的减重，并有效减少安装空间和装配工作量。
本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：
一种应用于飞行器上的多功能结构电池，包括工字梁、工字梁盖板、控制电池、功率电池、第一电连接器、第二电连接器、第三电连接器和第四电连接器；其中，工字梁固定在外部飞行器舱体结构上，作为外部飞行器的支撑梁结构；控制电池竖直安装在工字梁的一端；功率电池竖直安装在工字梁的另一端；第一电连接器和第二电连接器分别轴向垂直安装在控制电池内侧的外表面上；第三电连接器和第四电连接器分别轴向垂直安装在功率电池内侧的外表面上；工字梁盖板的形状与工字梁水平截面形状一致，工字梁盖板固定安装在工字梁的上表面。
在上述的一种应用于飞行器上的多功能结构电池，所述工字梁水平截面为工字型，工字型水平截面两端的外侧边为圆弧形状；工字梁的一端沿竖直方向设置有深槽，即控制电池安装空间，工字梁的另一端沿竖直方向设置有深槽，即功率电池安装空间；控制电池竖直安装在控制电池安装空间内，功率电池竖直安装在功率电池安装空间内。
在上述的一种应用于飞行器上的多功能结构电池，所述控制电池包括90个锂离子单体电池、电缆和连接条和环氧板；90个锂离子单体电池均匀分成9排锂离子单体电池组，9排锂离子单体电池组等距水平平行放置；每排锂离子单体电池组中的锂离子单体电池通过连接条定位固定连接，每排锂离子单体电池组中的锂离子单体电池均为并联；每3排锂离子单体电池组组成锂离子电池层，每3排锂离子单体电池组的排列方式为“Z”字折叠方式，相邻锂离子电池层之间设置有环氧板；相邻排对应的锂离子单体电池通过电缆固定连接，通过电缆连接的锂离子单体电池为串联；控制电池中锂离子单体电池的串并联连接方式为9串10并。
在上述的一种应用于飞行器上的多功能结构电池，所述控制电池还包括导热硅胶；相邻锂离子单体电池之间通过导热硅胶固定连接；控制电池通过导热硅胶固定安装在控制电池安装空间底端的上表面。
在上述的一种应用于飞行器上的多功能结构电池，所述功率电池包括72个锂离子单体电池、电缆和连接条和环氧板；72个锂离子单体电池均匀分成9排锂离子单体电池组，9排锂离子单体电池组等距水平平行放置；每排锂离子单体电池组中的锂离子单体电池通过连接条定位固定连接，每排锂离子单体电池组中的锂离子单体电池均为并联；每3排锂离子单体电池组组成锂离子电池层，每3排锂离子单体电池组的排列方式为“Z”字折叠方式，相邻锂离子电池层之间设置有环氧板；相邻排对应的锂离子单体电池通过电缆固定连接，通过电缆连接的锂离子单体电池为串联；功率电池中锂离子单体电池的串并联连接方式为9串8并。
在上述的一种应用于飞行器上的多功能结构电池，所述功率电池还包括导热硅胶；相邻锂离子单体电池之间通过导热硅胶固定连接；功率电池通过导热硅胶固定安装在功率电池安装空间底端的上表面。
在上述的一种应用于飞行器上的多功能结构电池，所述的锂离子单体电池采用LiFePO4电池体系，电池能量密度为115Wh/Kg，电压3.15V，容量2.5Ah。
在上述的一种应用于飞行器上的多功能结构电池，每个锂离子单体电池两端均通过电缆引出，控制电池中所有锂离子单体电池的两端引出到第一电连接器5上，功率电池中所有锂离子单体电池的两端引出到第三电连接器上；9组锂离子单体电池组串联后通过电缆引出，控制电池中9组锂离子单体电池组串联后通过电缆引出到第二电连接器6上，功率电池中9组锂离子单体电池组串联后通过电缆引出到第四电连接器8上。
在上述的一种应用于飞行器上的多功能结构电池，所述的工字梁、工字梁盖板的材料为铝合金。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明采用飞行器的承载结构梁与供电电池的集成一体化布局方案，将电池组、电缆、减震部件、电连接器植入到飞行器承载结构中，与承载结构、供电电池相互分立的传统方案相比，有效减少了电池壳体、电池安装支架、电池间连接电缆等寄生零部件，实现供电***与结构***的减重，并有效减少安装空间和装配工作量；
(2)本发明在控制电池和功率电池中的锂离子单体电池组安装方式中采用了“Z”型层叠设计，实现了电池组在异型小空间内的有效植入，串并联全部采用交流焊接，无锡焊点，简化了焊接工艺，提高了电池组的可靠性。
附图说明
图1为本发明多功能结构电池方案组成示意图；
图2为本发明工字梁示意图；
图3为本发明工字梁上盖板示意图；
图4为本发明控制电池锂离子单体电池串并联连接图；
图5为本发明功率电池锂离子单体电池串并联连接图；
图6为本发明控制电池与功率电池内部组装图；
图7为本发明控制电池和功率电池电气连接示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
本发明提出的一种应用于飞行器上的多功能结构电池，采用机电一体化设计技术，将电池组、电缆、减震部件、电连接器植入到飞行器承载结构中，实现了结构支撑、***供电一体化的多功能结构***。该多功能结构电池与承载结构、供电电池相互分立的传统方案相比，有效减少了电池壳体、电池安装支架、电池间连接电缆等寄生零部件，实现供电***与结构***的减重，并有效减少安装空间和装配工作量。
如图1所示，本发明提供的多功能结构电池，包括：工字梁1、工字梁盖板2、控制电池3、功率电池4，电连接器5、电连接器6、电连接器7、电连接器8和螺钉9；其中，工字梁1固定在外部飞行器舱体结构上，作为外部飞行器的支撑梁结构；控制电池3竖直安装在工字梁1的一端；功率电池4竖直安装在工字梁1的另一端；第一电连接器5和第二电连接器6分别轴向垂直安装在控制电池3内侧的外表面上；第三电连接器7和第四电连接器8分别轴向垂直安装在功率电池4内侧的外表面上；工字梁盖板2通过螺钉9固定安装在工字梁1的上表面。所述的工字梁1、工字梁盖板2的材料为铝合金。
如图2所示为工字梁示意图，由图可知，工字梁1水平截面为工字型，工字型水平截面两端的外侧边为圆弧形状；工字梁1的一端沿竖直方向设置有深槽，即控制电池安装空间10，工字梁1的另一端沿竖直方向设置有深槽，即功率电池安装空间11；控制电池3竖直安装在控制电池安装空间10内，功率电池4竖直安装在功率电池安装空间11内。
如图3所示为工字梁上盖板示意图，由图可知，工字梁盖板2的形状与工字梁1水平截面形状一致，工字梁盖板2固定安装在工字梁1的上表面。
如图4所示为控制电池锂离子单体电池串并联连接图，如图5所示为功率电池锂离子单体电池串并联连接图，如图6为控制电池与功率电池内部组装图，由图可知，控制电池3包括90个锂离子单体电池12、电缆13和连接条14和环氧板15；90个锂离子单体电池12均匀分成9排锂离子单体电池组，9排锂离子单体电池组等距水平平行放置；每排锂离子单体电池组中的锂离子单体电池12通过连接条14定位固定连接，每排锂离子单体电池组中的锂离子单体电池12均为并联；每3排锂离子单体电池组组成锂离子电池层，每3排锂离子单体电池组的排列方式为“Z”字折叠方式，相邻锂离子电池层之间设置有环氧板15；相邻排对应的锂离子单体电池12通过电缆13固定连接，通过电缆13连接的锂离子单体电池12为串联；控制电池3中锂离子单体电池12的串并联连接方式为9串10并。
控制电池3还包括导热硅胶16；相邻锂离子单体电池12之间通过导热硅胶16固定连接；控制电池3通过导热硅胶16固定安装在控制电池安装空间10底端的上表面。
功率电池4包括72个锂离子单体电池12、电缆13和连接条14和环氧板15；72个锂离子单体电池12均匀分成9排锂离子单体电池组，9排锂离子单体电池组等距水平平行放置；每排锂离子单体电池组中的锂离子单体电池12通过连接条14定位固定连接，每排锂离子单体电池组中的锂离子单体电池12均为并联；每3排锂离子单体电池组组成锂离子电池层，每3排锂离子单体电池组的排列方式为“Z”字折叠方式，相邻锂离子电池层之间设置有环氧板15；相邻排对应的锂离子单体电池12通过电缆13固定连接，通过电缆13连接的锂离子单体电池12为串联；功率电池4中锂离子单体电池12的串并联连接方式为9串8并。
功率电池4还包括导热硅胶16；相邻锂离子单体电池12之间通过导热硅胶16固定连接；功率电池4通过导热硅胶16固定安装在功率电池安装空间11底端的上表面。
控制电池3、电连接器5、电连接器6共同提供飞行器控制电能量输出，控制电池的电压为28.5V、容量为23Ah。功率电池4、电连接器7、电连接器8共同提供飞行器功率电能量输出，功率电池的电压为28.5V、容量为18Ah。
如图7所示为控制电池和功率电池电气连接示意图，由图可知，每个锂离子单体电池12两端均通过电缆13引出，控制电池3中所有锂离子单体电池12的两端引出到第一电连接器5上，功率电池4中所有锂离子单体电池12的两端引出到第三电连接器7上；9组锂离子单体电池组串联后通过电缆13引出，控制电池3中9组锂离子单体电池组串联后通过电缆13引出到第二电连接器6上，功率电池4中9组锂离子单体电池组串联后通过电缆13引出到第四电连接器8上。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种应用于飞行器上的多功能结构电池，其特征在于：包括工字梁(1)、工字梁盖板(2)、控制电池(3)、功率电池(4)、第一电连接器(5)、第二电连接器(6)、第三电连接器(7)和第四电连接器(8)；其中，工字梁(1)固定在外部飞行器舱体结构上，作为外部飞行器的支撑梁结构；控制电池(3)竖直安装在工字梁(1)的一端；功率电池(4)竖直安装在工字梁(1)的另一端；第一电连接器(5)和第二电连接器(6)分别轴向垂直安装在控制电池(3)内侧的外表面上；第三电连接器(7)和第四电连接器(8)分别轴向垂直安装在功率电池(4)内侧的外表面上；工字梁盖板(2)的形状与工字梁(1)水平截面形状一致，工字梁盖板(2)固定安装在工字梁(1)的上表面；
所述工字梁(1)水平截面为工字型，工字型水平截面两端的外侧边为圆弧形状；工字梁(1)的一端沿竖直方向设置有深槽，即控制电池安装空间(10)，工字梁(1)的另一端沿竖直方向设置有深槽，即功率电池安装空间(11)；控制电池(3)竖直安装在控制电池安装空间(10)内，功率电池(4)竖直安装在功率电池安装空间(11)内。
2.根据权利要求1所述的一种应用于飞行器上的多功能结构电池，其特征在于：所述控制电池(3)包括90个锂离子单体电池(12)、电缆(13)和连接条(14)和环氧板(15)；90个锂离子单体电池(12)均匀分成9排锂离子单体电池组，9排锂离子单体电池组等距水平平行放置；每排锂离子单体电池组中的锂离子单体电池(12)通过连接条(14)定位固定连接，每排锂离子单体电池组中的锂离子单体电池(12)均为并联；每3排锂离子单体电池组组成锂离子电池层，每3排锂离子单体电池组的排列方式为“Z”字折叠方式，相邻锂离子电池层之间设置有环氧板(15)；相邻排对应的锂离子单体电池(12)通过电缆(13)固定连接，通过电缆(13)连接的锂离子单体电池(12)为串联；控制电池(3)中锂离子单体电池(12)的串并联连接方式为9串10并。
3.根据权利要求2所述的一种应用于飞行器上的多功能结构电池，其特征在于：所述控制电池(3)还包括导热硅胶(16)；相邻锂离子单体电池(12)之间通过导热硅胶(16)固定连接；控制电池(3)通过导热硅胶(16)固定安装在控制电池安装空间(10)底端的上表面。
4.根据权利要求3所述的一种应用于飞行器上的多功能结构电池，其特征在于：所述功率电池(4)包括72个锂离子单体电池(12)、电缆(13)和连接条(14)和环氧板(15)；72个锂离子单体电池(12)均匀分成9排锂离子单体电池组，9排锂离子单体电池组等距水平平行放置；每排锂离子单体电池组中的锂离子单体电池(12)通过连接条(14)定位固定连接，每排锂离子单体电池组中的锂离子单体电池(12)均为并联；每3排锂离子单体电池组组成锂离子电池层，每3排锂离子单体电池组的排列方式为“Z”字折叠方式，相邻锂离子电池层之间设置有环氧板(15)；相邻排对应的锂离子单体电池(12)通过电缆(13)固定连接，通过电缆(13)连接的锂离子单体电池(12)为串联；功率电池(4)中锂离子单体电池(12)的串并联连接方式为9串8并。
5.根据权利要求4所述的一种应用于飞行器上的多功能结构电池，其特征在于：所述功率电池(4)还包括导热硅胶(16)；相邻锂离子单体电池(12)之间通过导热硅胶(16)固定连接；功率电池(4)通过导热硅胶(16)固定安装在功率电池安装空间(11)底端的上表面。
6.根据权利要求5所述的一种应用于飞行器上的多功能结构电池，其特征在于：所述的锂离子单体电池(12)采用LiFePO4电池体系，电池能量密度为115Wh/Kg，电压3.15V，容量2.5Ah。
7.根据权利要求6所述的一种应用于飞行器上的多功能结构电池，其特征在于：每个锂离子单体电池(12)两端均通过电缆(13)引出，控制电池(3)中所有锂离子单体电池(12)的两端引出到第一电连接器(5)上，功率电池(4)中所有锂离子单体电池(12)的两端引出到第三电连接器(7)上；9组锂离子单体电池组串联后通过电缆(13)引出，控制电池(3)中9组锂离子单体电池组串联后通过电缆(13)引出到第二电连接器(6)上，功率电池(4)中9组锂离子单体电池组串联后通过电缆(13)引出到第四电连接器(8)上。
8.根据权利要求1所述的一种应用于飞行器上的多功能结构电池，其特征在于：所述的工字梁(1)、工字梁盖板(2)的材料为铝合金。
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