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CN108539297B - 一种多功能新型原电池及其安装方法 - Google Patents

一种多功能新型原电池及其安装方法 Download PDF

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CN108539297B CN201810260699.3A CN201810260699A CN108539297B CN 108539297 B CN108539297 B CN 108539297B CN 201810260699 A CN201810260699 A CN 201810260699A CN 108539297 B CN108539297 B CN 108539297B
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Abstract

本发明公开了一种多功能新型原电池及其安装方法，涉及原电池技术领域，所述多功能新型原电池包括：绝缘套管、绝缘片、正极结构组件、金属壳体、多层电解膜、轴心通道管和负极结构组件，多层电解膜卷绕在轴心通道管上，金属壳体安装在多层电解膜的外侧，绝缘套管套装在金属壳体的外侧，正极结构组件和负极结构组件分别对称套装在轴心通道管的两端形成对称电极结构，正极结构组件和负极结构组件的外侧均安装有绝缘片。本发明能够解决现有原电池不能实现温度实时检测、权限型放电控制以及散热效果差导致安全性低的问题，设置电源控制权限实现电能输出控制功能，解决原电池在共享应用领域的安全问题。

Description

一种多功能新型原电池及其安装方法
技术领域
本发明涉及原电池技术领域，具体涉及一种多功能新型原电池及其安装方法。
背景技术
目前全球用于单体原电池的技术，均仅提供一种电能的蓄能功能，一次性电池仅提供了放电功能，蓄电池仅提供了充电、放电功能，现在普遍使用的单体原电池的类型均是直接使用型，这种单体原电池其内部无温度检测传感器，不具备温度检测功能，不能达到充电、放电过程中在线温度检测，无法保证全面地检测电池组的充电、放电过热状态，从而造成过热自燃危及的人生安全和财产损失。
此外，目前全球市场上的单体原电池，均为提供不受限制的直接放电功能，虽然对原电池的电池组进行了放电输出控制和授权使用控制，却没有对原电池单体级别的放电输出进行授权型放电控制，这种电池组在被盗后容易被不法分子进行拆解后再利用，对电池组所有者造成财产损失，更无法在特定的商业应用领域(如无人值守的电池租赁商业中)发挥电池组财产防盗风险控制。
此外，目前全球市场上的单体原电池，其负极均采用“桶”状结构，导致电池柱体表面均为电源负极，在应用在大电压、大电流的应用场景中(如电动汽车类)，容易受外力挤压、穿刺，大大增加了短路风险，从而引起火灾。且对于大电压、大电流的应用场景时，无论是充电、还是放电，蓄电池都对散热的要求更高，目前现有的蓄电池组，均采用表面风冷、表面水冷的散热技术，由于单体原电池的结构特征所限，无法对原电池单体中心内部的散热，导致运输、贮藏、应用过程中电气安全性相对较差。
因此本发明提供一种多功能新型原电池，具有自主温度采集分析处理及权限型放电控制能力，原电池的中心设有轴心通道管用来降温，从根源上解决现有原电池存在的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多功能新型原电池及其安装方法，用以解决现有原电池不能实现温度实时检测、权限型放电控制、散热效果差导致安全性低，以及现有原电池在共享应用领域的信号传输安全问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案为提供一种多功能新型原电池，所述多功能新型原电池包括：绝缘套管、绝缘片、正极结构组件、金属壳体、多层电解膜、轴心通道管和负极结构组件，所述多层电解膜卷绕在轴心通道管上，所述金属壳体安装在多层电解膜的外侧，所述绝缘套管套装在金属壳体的外侧，所述正极结构组件和负极结构组件分别对称套装在轴心通道管的两端形成对称电极结构，正极结构组件和负极结构组件的外侧均安装有绝缘片。
作为优选的技术方案，所述正极结构组件和负极结构组件的最外层均设置有第一橡胶密封圈，第一橡胶密封圈的内部设置有依次叠加组合的内绝缘片、芯片、第一导电金属片和第二导电金属片，其中，设置在正极结构组件第一橡胶密封圈内部的控制芯片和设置在负极结构组件第一橡胶密封圈内部的非控制芯片。
作为优选的技术方案，所述控制芯片上设置有导电条，所述导电条穿过内绝缘片与原电池内部的多层电解膜的电解膜片连接。
作为优选的技术方案，所述内绝缘片、芯片、第一导电金属片和第二导电金属片上均设置有四个信号传输过孔，所述四个信号传输过孔包括一个SCL信号过孔和一个SDA信号过孔，以及芯片供电电源正极VCC过孔、负极GND过孔。
作为优选的技术方案，所述第一导电金属片和第二导电金属片为环形金属片，第一导电金属片和第二导电金属片的中间通过第二橡胶密封圈组合成一体，且第二橡胶密封圈的中心孔部与轴心通道管的外壁进行过盈配合形成密封，第一导电金属片上设置有多个安全泄压部。
作为优选的技术方案，所述安全泄压部为圆形凹槽，安全泄压部的深度小于第一导电金属片的厚度。
作为优选的技术方案，所述第二导电金属片上设置有多个与安全泄压部对应的通孔，所述通孔与圆形凹槽形成交叉布局。
作为优选的技术方案，所述控制芯片内置有检测原电池内部温度的传感器、数据采集器和电源通断控制器，所述传感器的两端分别连接至原电池内部相连和数据采集器，数据采集器与电源通断控制器相连。
作为优选的技术方案，所述轴心通道管为轴心贯通的绝缘型液冷或风冷通道管。
提供一种多功能新型原电池的安装方法，所述安装方法包括：将多层电解膜卷绕在轴心通道管上；再将正极结构组件和负极结构组件分别套装在轴心通道管的两端，使导电条与多层电解膜的电解膜片相连；再将金属壳体套装在多层电解膜以及正极结构组件和负极结构组件的外侧；然后将绝缘片分别安装在金属壳体的两端；最后将绝缘套管封装在原电池的最外层；其中，正极结构组件或负极结构组件的安装方法包括：将第二橡胶密封圈固定于第一导电金属片和第二导电金属片的环形通孔内，再将内绝缘片与芯片安装为一体，最后将第一橡胶密封圈套装在叠加的第一导电金属片、芯片、内绝缘片和第二导电金属片的外侧形成一个整体。
本发明具有如下优点：
(1)本发明的正极结构组件中的控制芯片具有自主温度和电芯内部压力采集分析处理控制能力，能自主实现电能传输线路切断，有效防止单体原电池过热导致安全隐患；
(2)本发明的轴心通道管可实现轴心风冷、轴心液冷，能有效增加电池组的均衡散热功能，进一步降低单体原电池的内部热量聚集，促进热能扩散，从而提高电池组的安全性；
(3)本发明的原电池两端具有安全泄压结构，在大电压、大电流极速电能工作，单体原电池的内部热量超出电池结构承受能力后，能更有效的进行内部液体、气体压力泄放；
(4)本发明采用两端对称电极结构的设计，实现了对单体原电池的柱面脱离电池“负极”极性，以“中立”的纯结构形式独立出来，在单体原电池受到外力挤压、穿刺时，减少电池的“正极”和“负极”短路风险，相比传统结构的单体原电池，提高了电池的安全性，降低了短路引发火灾的风险。
附图说明
图1为本发明提供的一种多功能新型原电池的结构分解图。
图2为本发明提供的一种多功能新型原电池的内部剖视图。
图3为本发明提供的一种多功能新型原电池的正极结构组件的结构分解图。
图4为本发明提供的一种多功能新型原电池的负极结构组件的结构分解图。
图5为本发明提供的一种多功能新型原电池的俯视图。
图6为本发明提供的一种多功能新型原电池的整体外观图。
图7为本发明提供的一种多功能新型原电池的一种组合方式连接图。
图8为本发明提供的一种多功能新型原电池的控制芯片的结构示意图。
图中：绝缘套管01、绝缘片02、正极结构组件03、金属壳体04、多层电解膜05、轴心通道管06、负极结构组件07、安全泄压部08、信号传输孔09、导电条10、控制芯片11、第一橡胶密封圈12、第一导电金属片13、第二橡胶密封圈14、第二导电金属片15、非控制芯片16、内绝缘片17、传感器18、模数转换器19、核心处理器20、MOS驱动器21、密钥单元22、内存单元23、时钟单元24、配置单元25、双线式接口26、a电极27、b电极28、c信号电极29、d信号电极30、e电极31、f电极32、MOS管33。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
参考图1和2，本实施例提供一种多功能新型原电池，所述多功能新型原电池包括：绝缘套管01、绝缘片02、正极结构组件03、金属壳体04、多层电解膜05、轴心通道管06和负极结构组件07，所述多层电解膜05采取卷绕式结构卷绕在轴心通道管06上，所述金属壳体04安装在多层电解膜05的外侧，所述绝缘套管01套装在金属壳体04的外侧，所述正极结构组件03和负极结构组件07分别对称套装在轴心通道管06的两端形成对称电极结构，正极结构组件03和负极结构组件07的外侧均安装有绝缘片02。
进一步地，参考图3和4，所述正极结构组件03和负极结构组件07的最外层均设置有第一橡胶密封圈12，第一橡胶密封圈12的内部设置有依次叠加组合的内绝缘片17、芯片、第一导电金属片13和第二导电金属片15，为了便于说明，本实施例中的正极结构组件03中的芯片为控制芯片11，负极结构组件07中的芯片为非控制芯片16，实际实施中，也可以在负极安装控制芯片以便于对负极进行控制，参考图5，内绝缘片17、芯片、第一导电金属片13和第二导电金属片15上均设置有四个信号传输过孔09，所述四个信号传输过孔09包括一个SCL信号过孔和一个SDA信号过孔，以及芯片供电电源正极VCC过孔、负极GND过孔。
进一步地，控制芯片11整体形状呈环型，环形端面的一面设有内部相连的若干a电极27，另一面设有内部相连的若干b电极28、c信号电极29、d信号电极30、e电极31和f电极32，控制芯片的内部组成包括通过集成电路依次连接的传感器18、模数转换器19、核心处理器20、MOS驱动器21和MOS管33以及通过集成电路与所述核心处理器20连接的密钥单元22，所述传感器18为温度和/或压力传感器，且传感器18的感应模块与原电池内部电连接，MOS管33具有与MOS驱动器21相连的G电极、与b电极28连接的S电极和与a电极27电连接的D电极，模数转换器19和核心处理器20均连接至双线式接口26，双线式接口26通过c信号电极29和d信号电极30进行控制芯片与外部电池管理单元17的信号传输，双线式接口26对应的2线型总线能够实现众多个数量的单体原电池的总线型控制，且能够简化通讯信号和成本。
控制芯片11的控制方法为：传感器18将探测到原电池内部的温度和/或压力模拟信号送入模数转换器19；模数转换器19将温度和/或压力模拟信号转成数字信号送入到核心处理器20；核心处理器20内部程序对数字信号进行处理和分析后，将温度和/或压力数据与程序设定的温度和/或压力保护阀值进行比较，并将温度或压力数据信息存储在内存单元23中；当温度和/或压力数据信息在程序设定的温度和/或压力保护阀值范围内时，核心处理器20连续监听并执行来自外部的电池管理单元17的导通或关断MOS管33执行命令，MOS驱动器21执行MOS管33的导通或关断动作；当温度或压力数据信息超出程序设定的温度或压力保护阀值范围时，核心处理器20直接发送触发MOS管33关断信号给MOS驱动器21，MOS驱动器21执行MOS管33的关断动作。密钥单元22设置有保障芯片与外部电池管理单元17的信息传输安全的密钥程序，用来保障电池在信号传输中的安全问题，密钥单元22通过密钥程序对接收到的外部电池管理单元17的SDA数据信号进行数据解密和比对，然后将受控权限和密钥信息里的执行指令反馈给核心处理器20进行程序控制处理。
控制芯片11还包括内存单元23、时钟单元24和配置单元25，内存单元23和时钟单元24通过集成电路与核心处理器20相连，核心处理器20在运行程序过程中、将处理的数据存放在内存单元23中，同时也会从内存单元23中读回数据，以便于程序的运算。时钟单元24为核心处理器20提供时钟源，确保核心处理器20程序的正常运行。配置单元25通过集成电路分别连接至核心处理器20和双线式接口26。配置单元25为一种仅一次擦写的存储器，用于在单体原电池生产中存储电池的生产批号、生产日期、厂家名称以及控制芯片全球唯一ID号等信息，通过ID号可对含有控制芯片的单体原电池进行身份识别验证。此信息经擦写到存储器后，不能进行二次修改，以此保障安全。
MOS管33的S极和D极并联有二极管，所述二极管的正极连接至MOS管33的S极和b电极28，二极管的负极连接至MOS管33的D极和a电极27，二极管的作用是实现MOS管33未导通的情况下单体原电池的自由充电而禁止自由放电的逻辑控制。当电流从b电极28向a电极27方向移动时，所述二极管导通而不受MOS管33工作状态影响，当电流从a电极27向b电极28方向移动时二极管截止，此时电流从a电极27向b电极28方向移动受到MOS管33工作状态影响，若MOS管33为“导通”状态则MOS管33的D极与S极处于低阻状态，因此电流可流过而形成电流通路，若为“关断”状态MOS管的D极与S极内阻极高，则电流不可流过而形成电流断路；由于电流从b电极28向a电极27方向移动在单体原电池的制造中设定为充电状态，电流从a电极27向b电极28方向移动在单体原电池的制造中设定为放电状态，故能够在MOS管33未导通的情况下实现单体原电池的自由充电而禁止自由放电的权限型放电逻辑控制。
控制芯片11上设置有导电条10，导电条10可以为一个或多个，所述导电条10穿过内绝缘片17与原电池内部的多层电解膜05的电解膜片连接，本实施例中的两个导电条10为两个电极引脚，形成双极点结构，可同时提供两个极点与多层电解膜05的电解膜片通电连接，提高了电极导电电流的载流能力，更加适用于大电流充电、放电。
进一步地，本发明实施例中的正极控制芯片11内置有检测原电池内部温度的传感器、数据采集器和电源通断控制器，所述传感器的两端分别连接至原电池内部相连和数据采集器，传感器为温度传感器或压力传感器，数据采集器能够采集温度和压力值，电源通断控制器能够自主切断线路。温度传感器、压力传感器可识别到电池组的每个单体电池内部的准确温度、内部压力状态和变化，主机可通过通信总线连接数据采集器采集温度和压力数据，再通过电源通断控制器实现有效的充电、放电、切断电能输出的管理，在单体原电池内部温度、内部压力超过正极控制芯片11内部设定的阀值时，控制器能自主实现电能传输线路切断，有效防止单体原电池过热、过压充电、放电，在温度、内部压力降低到安全范围后，能根据加密权限判断，再次实现电能传输线路的恢复连通或切断进一步保障了用电安全。
进一步地，本发明实施例中正极结构组件03和负极结构组件07分别对称套装在轴心通道管06的两端形成对称电极结构，实现了对单体原电池的柱面脱离电池“负极”极性，以“中立”的纯结构形式独立出来，在单体原电池受到外力挤压、穿刺时，减少电池的“正极”和“负极”短路风险，相比传统结构的单体原电池，提高了电池的安全性，降低了短路引发火灾的风险。参考图6，对称电极结构能实现两端对称结构压接封装，使得两端结构刚性强度更高，承受外力挤压时的应力分散更为均匀。相比传统结构的单体原电池仅“正极”端压接封装的不对称性结构，提高了电池的外力挤压承受能力和安全性，降低了单体原电池受挤压造成损坏的风险。
进一步地，本实施例在结构上进行轴心通孔设计，采用结构强度高、电绝缘性高、导热性极佳的稀土陶瓷材料制成的绝缘型轴心通道管06，在组装成电池组时，除了外部表面风冷、表面液冷外，还可实现轴心风冷、轴心液冷，相比传统结构的单体原电池组成的电池组，能有效增加电池组均衡散热，进一步降低单体原电池的内部热量聚集，促进热能扩散，从而提高电池组的安全性。
更进一步地，本实施例中第一导电金属片13和第二导电金属片15为环形金属片，第一导电金属片13和第二导电金属片15的中间通过第二橡胶密封圈14组合连接成一体，且第二橡胶密封圈14的中心孔部与轴心通道管06的外壁进行过盈配合形成密封，第一导电金属片13上设置有多个安全泄压部08。安全泄压部08为圆形凹槽，安全泄压部08的厚度小于第一导电金属片13的厚度。且第二导电金属片15上设置有多个与安全泄压部08对应的通孔，与圆形凹槽形成交叉布局，当安全泄压部08因电池内部压力过大被压力挤破后，电池内部压力能从破裂处得到泄放，并受交叉布局以缓冲泄放物的直接对外喷射危险。第二橡胶密封圈14内填充有受压膨胀冲破安全泄压部08的缓冲胶，在大电压、大电流极速电能工作，单体原电池的内部热量超出电池结构承受能力后，受热膨胀的电芯内部液体和气体挤压泄压部，使圆形凹槽破裂达到泄压的效果，能更有效的进行内部液体、气体压力泄放。相比传统结构的单体原电池，提高了电池的安全性，降低了气压凝聚爆炸的强度和人身伤害。
另外，本发明的原电池能够多个串联或并联或串并联组合形成电池组，参考图7，本实施例提供多个原电池首尾相连组成电池组，通过闭环通信总线实现通信，再连接至BMS电池管理系统进行集体管理。
提供一种多功能新型原电池的安装方法包括：将多层电解膜05卷绕在轴心通道管06上；再将正极结构组件03和负极结构组件07分别套装在轴心通道管06的两端，使导电条10与多层电解膜05的电解膜片相连；再将金属壳体04套装在多层电解膜05以及正极结构组件03和负极结构组件07的外侧；然后将绝缘片02分别安装在金属壳体的两端；最后将绝缘套管01封装在原电池的最外层。
其中，正极结构组件03或负极结构组件07的安装方法包括：将第二橡胶密封圈14固定于第一导电金属片13和第二导电金属片15的环形通孔内，再将内绝缘片17与芯片安装为一体，最后将第一橡胶密封圈12套装在叠加的第一导电金属片13、芯片、内绝缘片17和第二导电金属片15的外侧形成一个整体。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (5)

1.一种多功能原电池，其特征在于，所述多功能新型原电池包括：绝缘套管(01)、绝缘片(02)、正极结构组件(03)、金属壳体(04)、多层电解膜(05)、轴心通道管(06)和负极结构组件(07)，所述多层电解膜(05)卷绕在轴心通道管(06)上，所述金属壳体(04)安装在多层电解膜(05)的外侧，所述绝缘套管(01)套装在金属壳体(04)的外侧，所述正极结构组件(03)和负极结构组件(07)分别对称套装在轴心通道管(06)的两端形成对称电极结构，正极结构组件(03)和负极结构组件(07)的外侧均安装有绝缘片(02)；
所述正极结构组件(03)和负极结构组件(07)的最外层均设置有第一橡胶密封圈(12)，第一橡胶密封圈(12)的内部设置有依次叠加组合的内绝缘片(17)、芯片、第一导电金属片(13)和第二导电金属片(15)，其中，所述芯片包括设置在正极结构组件(03)第一橡胶密封圈(12)内部的控制芯片(11)和设置在负极结构组件(07)第一橡胶密封圈(12)内部的非控制芯片(16)；
所述控制芯片(11)上设置有导电条(10)，所述导电条(10)穿过内绝缘片(17)与原电池内部的多层电解膜(05)的电解膜片连接；
所述控制芯片(11)内置有检测原电池内部温度的传感器、数据采集器和电源通断控制器，所述传感器的两端分别连接至原电池内部相连和数据采集器，数据采集器与电源通断控制器相连；所述控制芯片的内部组成包括与核心处理器(20)连接的密钥单元(22)；
所述第一导电金属片(13)和第二导电金属片(15)为环形金属片，第一导电金属片(13)和第二导电金属片(15)的中间通过第二橡胶密封圈(14)组合成一体，且第二橡胶密封圈(14)的中心孔部与轴心通道管(06)的外壁进行过盈配合形成密封，第一导电金属片(13)上设置有多个安全泄压部(08)；
所述安全泄压部(08)为圆形凹槽，安全泄压部(08)的深度小于第一导电金属片(13)的厚度。
2.如权利要求1所述的一种多功能原电池，其特征在于，所述内绝缘片(17)、芯片、第一导电金属片(13)和第二导电金属片(15)上均设置有四个信号传输过孔(09)，所述四个信号传输过孔(09)包括一个SCL信号过孔和一个SDA信号过孔，以及芯片供电电源正极VCC过孔、负极GND过孔。
3.如权利要求1所述的一种多功能原电池，其特征在于，所述第二导电金属片(15)上设置有多个与安全泄压部对应的通孔，所述通孔与圆形凹槽形成交叉布局。
4.如权利要求1所述的一种多功能原电池，其特征在于，所述轴心通道管(06)为轴心贯通的绝缘型液冷或风冷通道管。
5.如权利要求1-4任一项所述的一种多功能原电池的安装方法，其特征在于，所述安装方法包括：
将多层电解膜(05)卷绕在轴心通道管(06)上；
再将正极结构组件(03)和负极结构组件(07)分别套装在轴心通道管(06)的两端，使导电条(10)与多层电解膜(05)的电解膜片相连；
再将金属壳体(04)套装在多层电解膜(05)以及正极结构组件(03)和负极结构组件(07)的外侧；
然后将绝缘片(02)分别安装在金属壳体的两端；
最后将绝缘套管(01)封装在原电池的最外层，
其中，正极结构组件(03)或负极结构组件(07)的安装方法包括：将第二橡胶密封圈(14)固定于第一导电金属片(13)和第二导电金属片(15)的环形通孔内，再将内绝缘片(17)与芯片安装为一体，最后将第一橡胶密封圈(12)套装在叠加的第一导电金属片(13)、芯片、内绝缘片(17)和第二导电金属片(15)的外侧形成一个整体。
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