CN109004132A - 一种利用复合材料夹层板结构改进电池包的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用复合材料夹层板结构改进电池包的方法，改进器材包含波纹板电池包，电池包中还包括构件和锂动力电池单体；夹心层及蒙皮材料；汇流排；用于采集温度，电压等信号的印刷电路板；温度控制器。参照波纹夹芯板结构，在波纹板与面板搭建的空间中布置PCB印刷电路板和温度控制器，然后将数个电芯电极向上垂直于面板的放入波纹板与面板所搭建的空间中，制成特定电压和电容量的模组，组装多个这样的模组最终形成电池包。本发明不再需要传统电池包内金属质地的模组端板和托盘及上盖等构件，只采用高比强度夹层结构的复合材料波纹板作为电池容器，有效提高能量密度，减轻电池包的负重，平衡导热性。
Description
技术领域
本发明设计涉及复合材料领域，尤其涉及一种利用复合材料夹层板结构改进电池包的方法。
背景技术
目前电动车电池包大多利用四棱柱型，圆柱型和软包型串联或者并联在一起，装在机械外壳中，组成电池模组，多个电池模组相互串联或者并联组装成电池组，与包括传感器和控制器的电池管理***和热管理***，组装在一个外壳中。其中，机械外壳一般为四块端板和上下两块板围成立方体，外壳一般为电池箱上盖和托盘组成。机械外壳与电池包外壳多为金属构成，两种结构的结合大大增加了电车的重量，阻碍了电池包能量密度的提升。
因此，在保证原有金属的模组强度及稳定性的同时，实现电池包的轻量化，提升电池包能量密度，优化抗疲劳，减震吸能等性能，是我们改进电池包，并予以实现的研究方向。
发明内容
为了克服上述不足，本发明的目的是提供一种利用复合材料夹层结构改进电池包的方法。本发明参照波纹夹芯板结构，在波纹板与面板搭建的空间中布置PCB印刷电路板和温度控制器，然后将数个电芯电极向上垂直于面板的放入波纹板与面板所搭建的空间中，制成特定电压和电容量的模组，组装多个这样的模组最终形成电池包。本发明不再需要传统电池包内金属质地的模组端板和托盘及上盖等构件，只采用高比强度夹层结构的复合材料波纹板作为电池容器，有效提高能量密度，减轻电池包的负重，平衡导热性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种利用复合材料夹层板结构改进电池包的方法，改进器材包含波纹板电池包，电池包中还包括构件和锂动力电池单体；夹心层及蒙皮材料；汇流排；用于采集温度，电压等信号的印刷电路板；温度控制器，热塑性预浸带，预热通道，自适应压头，缠绕机，电热型热熔胶条。
上述的利用复合材料夹层板结构改进电池包的方法，具体包括如下步骤：
（1）通过牵引热塑性预浸带通过预热通道加热至基体软化点，利用自适应压头固定预浸带，经缠绕机带动电池组转动，使预浸带缠绕在数个电芯组成的电池组表面，冷却定型后制成电池模组。
（2）将电池模组放入同一条波纹与面板所围成的空间内，高度方向与夹层板厚度方向一致，即：电极都向上，电芯垂直于面板，模组上方放置有汇流排，且每两个相邻电芯接触面之间利用焊接的方式焊有2mm左右的绝热垫片，使得电芯通过汇流排相互联通。以此方式在其他波纹中也放入电池模组。
（3）在电池模组上方的汇流排上方再铺设条形薄片状的印刷电路板，对与多条波纹进行相同操作。此时应注意，在加入PCB后，厚度方向应该不能留有空隙，以免影响电芯的固定。电路板是监控电池包温度和电压的电池管理设备。
（4）当把电芯放入同一条波纹与面板所围成的空间中时，电芯会与所围空间之间形成差值，利用差值所在的空白区域可以放置温度控制器，使温度通过导热绝缘材料与电芯接触；还可以在夹层板以下面板以上，电芯以下的位置加入温控设备。同时，一些与PCB或者温度调节器连接的线路都可以通过电芯与所围空间形成的空白区域与外界连接。
（5）夹层结构电池包加工完成后，电池包端口处利用电热型热熔胶条与复合材料帽子状密封件融化贴合，冷却固化后完成密封。
优选的，复合材料夹心结构的波纹板是由两平行的蒙皮，和它们之间的波纹夹心层所构成，如图1所示，在两平行的面板中间的上下起伏的梯形为一层连续的夹心腹板。该夹心层蒙皮间预留的大量的空间，此空间用于置入电池单体和其他必须设备。
优选的，波纹板的蒙皮可以选择承载能力较大的碳纤维增强树脂基复合材料，波纹夹心层可以采用承载要求相对较低的玻璃纤维增强树脂基复合材料。可以根据选用电芯的尺寸以及电气构件的尺寸来设计波纹夹心层中梯形的尺寸，这包括梯形的高，角度等，注意夹心层的厚度应该大于电芯的高度，以便PCB印刷电路板的放入。 并事先预制出夹层板。
优选的，汇流排是一种薄而宽大的具有大表面积的金属薄片，以便于散热，通过焊接或者螺栓连接等方式与电池单体相连，以达到连接电池单体的目的。
优选的，印刷电路板用于采集电压和温度等信号并传输至相应外部设备，以达到监控电池实时状态的作用。
优选的，温度控制器是装配在电池模组内，并通过导热绝缘材料与电池壳体相接触，进而实现对电池的温度控制。
优选的，温控设备一般为内部含有冷却液管路或加热设备的铝合金薄板状型材。
优选的，预热方式可采用预热通道或激光预热或热风预热。
本发明还公开了固定模组内电芯的方法，增加稳定性：1.单个模组内的各个电芯，用热塑性预浸带紧束缚在一起，成为一个整体。2.在加工下面板时，在其内侧根据单个模组的尺寸留下凹槽与凸台等限位结构，并用在面板与电池模组间加胶黏胶黏剂，以便于电池模组在夹层板内的固定；或是可以采用筋条对模组进行固定。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
（1）本发明利用复合材料夹层板代替传统的金属上盖，下托盘以及模组端板等，结构设计的创新，使电池包整体轻量化，优化体积利用率。利用此复合材料结构是以整体承受载荷，在保证电池包整体稳固性的同时，还可以提升电池包的能量密度。
（2）本发明利用热塑预浸带缠绕方式替代金属结构的电池模组，一方面减轻了重量，另一方面此种方法质轻高强，不导电，可嵌入其他金属构件，便于结构连接，无需组装。
附图说明
图1为夹层板厚度方向横截面示意图；
图2为夹层板厚度方向局部示意图；
图3为数个电芯缠绕成电池组的示意图；
图4为电芯排布简单示意图（数条的即为波纹的俯视图）；
图5为单个模组示意图；
图6为21700电芯模组截面，左右两侧阴影剖面是金属散热护板，上***影剖面是很薄的电路印刷版；
图7为21700电池包中模组在夹层板内部位置示意图；
图8为夹芯电池包整体三维展示图和整体外观图。
其中，图2中1为PCB线路板，2连接电芯单体的汇流排，3为电芯的电极耳，4为电芯单体，5为梯形芯材和电芯所围成空腔的截面，6为电芯底部的散热铝型材。
图3中1为热塑性预浸带，2为电芯。
图5中1为电芯单体，2为电芯的电极，3为电芯单体间的绝缘垫片，4为模组 。
图8中1为帽状密封件，2为夹芯结构电池包，3为电池模组。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，以便于同行业技术人员的理解：
实施例1：
以棱柱型电芯提供电池包的设计方案
按照小型乘用车用电池箱的尺寸，做一个1300mm×931mm的夹层板电池包，包含所有模组，且电池单体总数与该类商用电池包一致。设计如下：
（1）夹层的等腰梯形波纹底角为75°，上底为148mm，下底边为207mm，高度为110mm。面板采取[0°/+45°/90°/-45°]s8层铺层方式，材料为X850预浸料，芯材可采用[0°/+45°/90°/-45°]4层铺层。单纯的夹层板的总量计算为：5.2kg，再加上一些额外的紧缚材料和胶黏剂，大概为10kg（估算），称之为结构体重量。
（2）共设置五条波纹，相邻两波纹为上下底边倒置的关系，每条波纹内放置24个电芯，每12个电芯作为一个模组的话，可以在将电芯置入夹层板之前，如图4所示，将12个电芯（电芯之间有绝缘垫片）预先捆绑在一起，这样可以简化操作，易于固定。，电芯与电芯之间部分为绝缘垫片。这样每条波纹内就有两个该类模组，五条波纹一共十个模组，如图3所示。
（3）模组在夹层板内的固定方式：1，可以利用胶黏剂；2，在制作下面板时，根据模组形状制作模组限位凸台，并与原始面板焊接。
实施例2：
以圆柱型电芯提供电池包的设计方案
圆柱形电芯单体容量小，所以数量要求很大，也应该事先用热塑性预浸带捆扎并连接成长条形电池模组，然后置入复合材料夹层板中。
设计一款与方形电芯能量一致但电芯单体采用21700圆柱形电芯的电池包。
国产21700电芯性能见下表。
| 种类 | 尺寸 | 容量/Ah | 电压/v | 重量/g | 能量密度（wh/kg） |
| 21700圆柱 | 21*70 | 4 | 3.7 | 69.3 | 214 |
（1）按照能量一致的原则，至少使用1776个该款21700电芯；设计十个模组，则每个模组有178个电芯，如图5所示。由于电芯数量众多，所以电芯应该相切紧密排列，电芯接触面之间可以放置厚度忽略不计的绝缘带；
（2）众多电芯通过超声波焊接连接在一起并联通，一个模组通过塑料透明壳包裹，起到紧缚和保护作用；
（3）在模组短边侧面有薄板的印刷电路板作为电池的监控和管理设备；
（4）在图5的模组安装示意图中可以看出，在夹层中，每条波纹内有两个电池模组。在加工下面板时候，应该在其内侧留有凸台和凹槽等限位结构，便于模组在夹层板内的固定，也可以以胶粘剂作为固定的辅助手段。
实施例3：
以软包型电芯提供电池包的设计方案
铝塑膜包装的软包型电芯一般很薄，厚度小于一厘米，软包电芯事先模块化，也成为方形外壳形，以方便后续安装。
（1）首先将数个软包电芯事先捆扎起来，电极可以用焊接的方式，通过电路板互相连接，形成有一定电压的电芯单位，这种电芯单位类似于硬壳型电芯，易于固定，
（2）将上述经过软包经过模块化而成的方形电池模块采用预浸带缠绕的方式加工成模组，其余电池管理功能的印刷电路板和冷却用的铝合金板均按照实例一所示方式安装。
（3）模组进入夹层板，模组在夹层板内的固定以及电池包的密封均与上面的实例一致。
（4）某款铝塑膜电芯的参数如下表所示：
| 电芯类型 | 尺寸/mm | 容量/Ah | 额度电压/v | 重量/Kg |
| 铝塑软包 | 227*161*7.2 | 22 | 3.7 | 0.49 |
若设计一个与具体实施方案1中硬壳型单体电池包容量一致的软包型单体电池包，应该使用323个软包单体，其总质量达158.27Kg。
Claims (8)
1.一种利用复合材料夹层板结构改进电池包的方法，其特征在于，改进器材包含波纹板电池包，电池包中还包括构件和锂动力电池单体；夹心层及蒙皮材料；汇流排；用于采集温度，电压等信号的印刷电路板；温度控制器。
2.如权利要求1所述的利用复合材料夹层板结构改进电池包的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
（1）通过牵引热塑性预浸带通过预热通道加热至基体软化点，利用自适应压头固定预浸带，经缠绕机带动电池组转动，使预浸带缠绕在数个电芯组成的电池组表面，冷却定型后制成电池模组；
（2）将电池模组放入同一条波纹与面板所围成的空间内，高度方向与夹层板厚度方向一致，即：电极都向上，电芯垂直于面板，模组上方放置有汇流排，且每两个相邻电芯接触面之间利用焊接的方式焊有2mm左右的绝热垫片，使得电芯通过汇流排相互联通，以此方式在其他波纹中也放入电池模组；
（3）在电芯上方的汇流排上方再铺设条形薄片状的印刷电路板，对与多条波纹进行相同操作，此时应注意，在加入PCB后，厚度方向应该不能留有空隙，以免影响电芯的固定，电路板是监控电池包温度和电压的电池管理设备；
（4）当把电芯放入同一条波纹与面板所围成的空间中时，电芯会与所围空间之间形成差值，利用差值所在的空白区域可以放置温度控制器，使温度通过导热绝缘材料与电芯接触；还可以在夹层板以下面板以上，电芯以下的位置加入温控设备，同时，一些与PCB或者温度调节器连接的线路都可以通过电芯与所围空间形成的空白区域与外界连接；
（5）夹层结构电池包加工完成后，电池包端口处利用电热型热熔胶条与复合材料帽子状密封件融化贴合，冷却固化后完成密封。
3.如权利要求1所述的利用复合材料夹层板结构改进电池包的方法，其特征在于，波纹板的蒙皮可以选择承载能力较大的碳纤维增强树脂基复合材料，波纹夹心层可以采用承载要求相对较低的玻璃纤维增强树脂基复合材料，可以根据选用电芯的尺寸以及电气构件的尺寸来设计波纹夹心层中梯形的尺寸，这包括梯形的高，角度等，注意夹心层的厚度应该大于电芯的高度，以便PCB印刷电路板的放入，并事先预制出夹层板。
4.如权利要求1所述的利用复合材料夹层板结构改进电池包的方法，其特征在于，汇流排是一种薄而宽大的具有大表面积的金属薄片，以便于散热，通过焊接或者螺栓连接等方式与电池单体相连，以达到连接电池单体的目的。
5.如权利要求1所述的利用复合材料夹层板结构改进电池包的方法，其特征在于，印刷电路板用于采集电压和温度等信号并传输至相应外部设备，以达到监控电池实时状态的作用。
6.如权利要求1所述的利用复合材料夹层板结构改进电池包的方法，其特征在于，温度控制器是装配在电池模组内，并通过导热绝缘材料与电池壳体相接触，进而实现对电池的温度控制。
7.如权利要求1所述的利用复合材料夹层板结构改进电池包的方法，其特征在于，温控设备一般为内部含有冷却液管路或加热设备的铝合金薄板状型材。
8.如权利要求2所述的利用复合材料夹层板结构改进电池包的方法，其特征在于，为提高电芯的稳定性，本发明还公开了固定模组内电芯的方法：1.单个模组内的各个电芯，用热塑性预浸带紧紧束缚在一起，成为一个整体；
2.在加工下面板时，在其内侧根据单个模组的尺寸留下凹槽与凸台等限位结构，并用在面板与电池模组间加胶黏胶黏剂，以便于电池模组在夹层板内的固定；或是可以采用筋条对模组进行固定。
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