一种大型锂电池用危包纸箱及其承重块的设计方法与流程

本发明涉及包装领域，特别涉及一种大型锂电池用危包纸箱及其承重块的设计方法。

背景技术：

锂电池是近年来发展迅猛的一种新能源产品，小的以克论，大的达数百公斤，作为应用广泛的清洁能源，从手机、电脑到机器人、汽车，涵盖了很多电子、电器领域。

锂电池虽有很多优异的性能，但其缺点也较为显著，即性能不够稳定，发热后易爆易燃。目前，国际上将危险品分为9类，前8类都有明确的划分标准，如易爆、易燃、氧化、有毒、感染、放射性、腐蚀等，而第9类的界定则比较困难--凡不具有前8类危险特性、而在运输中又会对环境、人员与设施造成伤害或干扰的物品，全部列入第9类，统称为“杂项危险物质与物品”，大多数锂电池就被归在第9类危险品中。因为少数小容量锂电池并不属于“危险货物”，即按照联合国关于危险货物运输的“特殊规定sp188”条文的解释：对锂金属电池的锂含量＜1g，以及锂离子电池瓦特/小时的额定值不超过20w/h等情况出现时，均按普货运输。

针对中小型锂电池的包装纸箱，除对抗压与耐破要求较高外，其它与普通纸箱相仿，但对大型锂电池纸箱来说，则有很多特殊的细节必须要考虑。例如，用于电动汽车上的专用大容量扁平锂电池，由于其形状不规则，且自重较大，其放置于包装箱内后，整个包装箱的重心会发生偏移。当包装箱进行堆码时容易发生失稳倾倒现象，具有较大的安全隐患，故此问题亟待解决。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明的目的之一在于提供一种大型锂电池用危包纸箱，使得装有锂电池的箱体堆码后重心仍能保持平衡，从而不易发生倾倒的效果。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种锂电池用危包纸箱，包括用于放置锂电池的箱体，所述箱体内设有若干使放置锂电池的箱体堆码后重心平衡的承重块。

通过采用上述技术方案，根据锂电池的重心偏移合理分布承重块的位置，即利用承重块预先对箱体重心偏高的部分进行补偿。当箱体堆码层数较高时整体仍能具有较高的稳定性，以此使得箱体不易发生失稳倾倒，从而增加了堆码安全系数。

本发明进一步设置为：所述承重块是由若干蜂窝纸板拼接形成的块状结构。

通过采用上述技术方案，蜂窝纸板具有高强度、质轻、抗冲击性和缓冲性好等优点，其与其他各种板材结构相比，具有最大的强度/质量比，因此能够使得承重块具有优异的承重能力。

本发明进一步设置为：所述承重块的外表面包覆有牛皮纸。

通过采用上述技术方案，牛皮纸能够裹住经裁切后蜂窝纸板上产生的纸屑，从而避免该部分纸屑粘连至锂电池两极上而影响其后续使用。

本发明进一步设置为：所述箱体底部设有蜂窝缓冲垫，所述蜂窝缓冲垫上设有衬板。

通过采用上述技术方案，蜂窝缓冲垫与衬板的设置能够起到缓冲作用，同时也能够起到增强箱体整体的平压强度。

本发明进一步设置为：所述箱体内侧壁贴合设置有内围框，所述内围框的外侧套合有上盖，所述内围框的高度等于箱体与上盖的高度之和。

通过采用上述技术方案，内围框能够增加箱体整体的侧压强度，使其不易受压发生变形，同时上盖能够将整个箱体开口进行密封，使得外界的杂物不易进入箱体内而对锂电池造成影响。

本发明的另一目的在于提供一种大型锂电池用危包纸箱承重块的设计方法，具有可根据任意锂电池的形状设计并分布不同的承重块，使得包装纸箱整体既能满足承压要求，同时又具有堆码稳定的效果。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种锂电池用危包纸箱承重块的设计方法，包括如下步骤：

s1：根据纸箱堆码的层数，通过如下公式计算其理论的承重力f承，即：

f承≥f实·k；

式中k为强度安全系数，f实(kg)为位于堆码底层纸箱的实际最大承重力；

s2：根据单层蜂窝纸板的平压强度x单(kpa)，以及拼接叠加形成承重块的蜂窝纸板层数a，通过如下公式计算所需承重块的总截面积之和s(cm²)，即：

s≥a·f承/[x单(1-a·b)]；

式中，a＝98kpa·cm²，b为单层蜂窝纸板叠加后的平压强度下降率；

s3：以纸箱底部的中心为基准，将纸箱内部均分为若干体积相等的承重区域，根据s2中承重块的s值，将承重块设计成大小不等的若干块，并分布于各个承重区域内，以使得每个承重区域所承重的压力以及锂电池位于对应承重区域内的重力之和保持相等；

s4：承重块设计完成后，对纸箱进行抗压堆码测试，根据实测结果与理论计算的误差，对s2中测出的承重块的总截面积以及s3中承重块的数量、大小、分布作校正与调整。

通过采用上述技术方案，能够根据不同锂电池的形状设计承重块的大小与位置，并通过测试对设计方案中的进行验证，从而使得承重块能够满足正常箱体堆码时的承重能力，并使得箱体不易因重心失稳而发生倾倒。

本发明进一步设置为：所述s3中承重块沿纸箱的四周内圈分布。

通过采用上述技术方案，将承重块设置于箱体四周侧壁处，其与放置锂电池后箱体的重心具有最大的水平距离，从而使得整个箱体在承压时更加平稳。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1.通过承重块的设置，能够根据锂电池的重心偏移进行合理的位置分布，以对箱体重心偏高的部分进行补偿，箱体不易因堆码过高而发生失稳倾倒，从而增加了堆码稳定性；

2.通过蜂窝纸板制成承重块，其具有高强度、质轻、抗冲击性和缓冲性好等优点，具有优异的承重能力；

3.通过牛皮纸的设置，能够裹住经裁切后蜂窝纸板上产生的纸屑，从而使得该部分纸屑不易与锂电池两极粘连而影响其后续使用。

附图说明

图1是本发明中实施例1用于体现整体结构的爆炸示意图；

图2是本发明中实施例1用于体现箱体与上盖套合后的整体结构示意图；

图3是本发明中实施例1用于体现承重块的结构示意图；

图4是本发明中实施例2用于体现箱体内部的结构示意图。

图中，1、箱体；2、承重块；21、块体；22、框体；3、模切固定板；31、埋入孔；4、蜂窝缓冲垫；5、衬板；6、内围框；7、上盖；8、承重框；9、托架；10、包装带。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1：如图1和2所示，为本发明公开的一种大型锂电池用危包纸箱，包括箱体1、内围框6和上盖7。内围框6贴合套设于箱体1内部，内围框6的高度与箱体1、上盖7的高度之和相等，上盖7套合于内围框6的外侧。包装时可将箱体1放置于托盘9上，锂电池即放置于内围框6内，最后再利用上盖7对箱体1开口密合，通过包装带10对整体进行打包后方可进行堆码。本实施例中，箱体1的外形尺寸为1.3mx0.8mx0.25m，采用“03套合型”，且堆码层数为8层，托盘9重20kg。

由于大型锂电池在运输的过程中，裸露的电池两极接触到其他导电体后会引起短路。因此，在包装箱设计时必须考虑锂电池的绝缘防护问题。故如图1所示，在内围框6的底部由下至上依次贴合设置有蜂窝缓冲垫4、衬板5和模切固定板3，模切固定板3上开设有与锂电池形状适配的埋入孔31，埋入孔31的侧壁距离锂电池的侧壁5mm，且孔深为锂电池高度的三分之二。这样当箱体1受到外力影响时，锂电池便能够牢牢嵌入至埋入孔31内，从而不易发生相对位移而与其他导电体接触，同时锂电池裸露的两极隐藏于埋入孔31内也能进一步减小其与导电体接触的可能。其中，蜂窝缓冲垫4与衬板5也能够起到缓冲与增强箱体1整体的平压强度的作用。在具体实施过程中，埋入孔31可按锂电池的外型或者最易定位的凸出部分，采用模具冲切或切割成型。如模切固定板3深度不够，可以用多块纸板拼粘增厚。

本实施例中，锂电池自重为180kg，电容量为20ah，其形状呈非中心对称的t型状结构，该t型状结构的杆部靠近其头部左端设置，即杆部的两侧壁距离对应的模切固定板3的侧边a＞b，锂电池的重心偏左下位置。

如图1所示，由于用在电动汽车上的大容量扁平锂电池的形状不规则，且自重可达到100kg～200kg，当该种锂电池放置于包装箱内后，整个包装箱会发生严重的重心偏移现象，包装箱堆码层数较高时便容易发生失稳倾倒现象。故根据锂电池的具体形状，在箱体1内设计有不同尺寸的块状承重块2，承重块2的上端与箱体1的上端齐平。承重块2包括块体21与框体22，框体22与内围框6内贴合设置，块体21可通过自身任意组合连接的方式连接于框体22的内侧壁上。利用块体21与框体22预先对箱体1内重心偏高的部分进行补偿，从而使得放置锂电池的箱体1堆码后重心能够保持平衡。

如图1所示，块体21与框体22均由5块蜂窝纸板拼接形成的块状结构。由于蜂窝纸板的蜂窝夹层结构近似各向同性，结构稳定性好，具有突出的抗压能力与抗弯能力，同时其具有优异的缓冲性能，与其他各种板材结构相比，其具有最大的强度/质量比，因此能够使得承重块2具有优异的承重能力。在本实施例中，模切固定板3距离箱体1的上端为20cm，制成承重块2的蜂窝纸板边长为10mm，厚度为40mm，则需要5块蜂窝纸板进行上下拼接。

由于在蜂窝纸板裁切拼接的过程中不可避免地产生纸屑，纸屑一旦粘连至锂电池两极上便会影响其后续使用，故在其表面还包覆有用于裹住纸屑的牛皮纸。

具体实施过程：先根据锂电池形状开设出埋入孔31，然后将内围框6贴合放置于箱体1内，先后放置蜂窝缓冲垫4、衬板5和模切固定板3，之后再将设计好的块体21与框体22贴合放置于内围框6内。根据锂电池的偏心情况以及包装箱的整体承压能力，分布承重块2的位置，之后再将锂电池放置于埋入孔31内。

实施例2：一种大型锂电池用危包纸箱，如图4所示，与实施例1的不同之处在于，其用于放置呈梯形状的锂电池，且重量为210kg，该锂电池重心偏向其上底边处，则模切固定板3上开设的埋入孔31接近梯形状。箱体1的外形尺寸为1.5mx1.0mx0.3m，且同样采用“03套合型”，堆码层数最大为6层，托盘9重20kg。

在本实施例中，模切固定板3距离箱体1的上端为8cm，制成承重块2的蜂窝纸板边长为8mm，厚度为40mm，则需要2块蜂窝纸板进行上下拼接。

实施例3：一种大型锂电池用危包纸箱承重块的设计方法，包括如下几个步骤：

s1：根据纸箱的堆码层数c，通过公式计算其理论的承重力f承，该公式为：

f承≥f实·k；

式中k为强度安全系数，f实(kg)为位于堆码底层纸箱的实际最大承重力(不考虑纸箱自身重力)，根据gb/t6543-2008,运输包装用单瓦楞纸箱和双瓦楞纸箱,附录d可知，k取值可为1.65；

s2：根据单层蜂窝纸板的平压强度x单(kpa)，以及拼接叠加形成承重块2的蜂窝纸板层数a，通过如下公式计算所需承重块2的总截面积之和s(cm2)，即：

s≥a·f承/[x单(1-a·b)]；

式中，b为单层蜂窝纸板的平压强度下降率，且因1kg/cm²＝98kpa,则1kg＝98kpa·cm²，故a＝98kpa·cm²；

s3：以纸箱底部的中心为基准，将纸箱内部均分为若干体积相等的承重区域，根据s2中承重块2的s值，将承重块2设计成大小不等的若干块，并分布于各个承重区域内，以使得每个承重区域所承重的压力以及锂电池位于对应承重区域内的重力之和保持相等；

s4：承重块2设计完成后，对纸箱进行抗压堆码测试，根据实测结果与理论计算的误差，对s2中测出的承重块2的总截面积以及s3中承重块2的数量、大小、分布作校正与调整。

根据标准bb/t0016-2006“包装材料蜂窝纸板”中的表3可知，常用的蜂窝纸板的厚度共分为四档，分别是15,20,30,40(mm)，而蜂窝的边长则从6-20分了8档，单层蜂窝纸板的平压强度x单与对应的纸板厚度、蜂窝边长关系如下表1：

由于承重块2均由若干蜂窝纸板叠加复合而成，承重块2的平压强度测定按gb/t1453-2005的规定进行，温室环境条件为22℃～24℃，50％～52％rh，试验设备可采用由杭州纸邦自动化技术有限公司生产，且型号为zb-hy的压缩试验仪，根据公式试，算出平压强度x，式中：为多次试样压溃力平均值，s试为试样纸板面积，以下为具体实验数据：实验一：取纸板厚度15mm、蜂窝边长6mm、纸板边长为100mm的正方形蜂窝纸板，其x单＝286kpa，分别进行五次叠加复合，叠加后的平压强度(kpa)如下表2：

实验二：取纸板厚度15mm、蜂窝边长12mm、纸板边长为100mm的正方形蜂窝纸板，其x单＝185kpa，分别进行五次叠加复合，叠加后的平压强度如下表3：

实验三：取纸板厚度15mm、蜂窝边长20mm、纸板边长为100mm的正方形蜂窝纸板，其x单＝145kpa，分别进行五次叠加复合，叠加后的平压强度如下表4：

实验四：取纸板厚度20mm、蜂窝边长6mm、纸板边长为100mm的正方形蜂窝纸板，其x单＝280kpa，分别进行五次叠加复合，叠加后的平压强度如下表5：

实验五：取纸板厚度20mm、蜂窝边长12mm、纸板边长为100mm的正方形蜂窝纸板，其x单＝180kpa，分别进行五次叠加复合，叠加后的平压强度如下表6：

实验六：取纸板厚度20mm、蜂窝边长20mm、纸板边长为100mm的正方形蜂窝纸板，其x单＝140kpa，分别进行五次叠加复合，叠加后的平压强度如下表7：

实验七：取纸板厚度30mm、蜂窝边长6mm、纸板边长为100mm的正方形蜂窝纸板，其x单＝277kpa，分别进行五次叠加复合，叠加后的平压强度如下表8：

实验八：取纸板厚度30mm、蜂窝边长12mm、纸板边长为100mm的正方形蜂窝纸板，其x单＝177kpa，分别进行五次叠加复合，叠加后的平压强度如下表9：

实验九：取纸板厚度30mm、蜂窝边长20mm、纸板边长为100mm的正方形蜂窝纸板，其x单＝136kpa，分别进行五次叠加复合，叠加后的平压强度如下表10：

实验十：取纸板厚度40mm、蜂窝边长6mm、纸板边长为100mm的正方形蜂窝纸板，其x单＝275kpa，分别进行五次叠加复合，叠加后的平压强度如下表11：

实验十一：取纸板厚度40mm、蜂窝边长12mm、纸板边长为100mm的正方形蜂窝纸板，其x单＝175kpa，分别进行五次叠加复合，叠加后的平压强度如下表12：

实验十二：取纸板厚度40mm、蜂窝边长20mm、纸板边长为100mm的正方形蜂窝纸板，其x单＝134kpa，分别进行五次叠加复合，叠加后的平压强度如下表13：

针对包装行业中运输锂电池使用较多的蜂窝纸板规格而言，根据上述实验一至实验十二的每个表格数据可以得出，蜂窝纸板每叠加一次，平压强度均会有所下降；随着叠加的蜂窝纸板厚度、蜂窝边长的增大，其平压强度下降率呈缓慢上升趋势。且每叠加一层蜂窝纸板，平压强度下降率b取值均落在5％-10％之间。

以实施例1中的锂电池与箱体1为例，其中c＝8，a＝5，蜂窝纸板的边长为10mm，纸板厚度为40mm，对照表1可得：x单＝195kpa，取b＝8％，则f承≥f实·k＝(8-1)×(180+20)×1.65＝2310n，s≥a·f承/[x单(1-a·b)]＝98×2300/[195×(1-5×8％)]≈1926cm²。

如图1所示，当该锂电池放置于箱体1内时，由于其重心偏左下位置，箱体1的左半部分重量较大，容易向左发生倾斜。以箱体1的中心为基点，通过相互垂直的两条直线将箱体1平均分为四个承重区域，则在左上承重区域和右上承重区域多分配承重块2，且同时位于右上承重区域和右下承重区域内的承重块2也多于左上承重区域和左下承重区域，以对箱体1承重较少的部分进行补偿，所用的承重块2的上表面面积之和为1926cm²。

承重块2设计完成后放置于内围框6内，此时再进行纸箱进行抗压堆码测试，测出空箱抗压强度x实。利用凯丽卡特公式bct＝ect×(4axz/z)^2/3×z×j,计算空箱抗压强度x理，式中bct为瓦楞纸箱的抗压强度、ect为瓦楞纸箱的周长、axz为瓦楞常数，j为纸箱常数，相应的瓦楞纸箱常数可参见《包装工程》-1993年05期-多瓦楞纸板的凯里卡特常数。若x实小于x理时，增加s值后，再反复进行抗压堆码测试，直至x实满足x理的要求为止；若x实大于x理时，可对s值进行适当缩减，缩减后的箱体1也需再次进行抗压堆码测试，以使得x实满足x理的要求。其中，承重块2的增减均优先于箱体1内位于锂电池非偏重心的位置。

如图4所示，以实施例2中的锂电池与箱体1为例，其中c＝6，a＝2，蜂窝纸板的边长为8mm，纸板厚度为40mm，对照表1可得：x单＝225kpa，取b＝7％，则f承≥f实·k＝(6-1)×(210+20)×1.65＝1897.5n，s≥a·f承/[x单(1-a·b)]＝98×1897.5/[225×(1-2×7％)]≈961cm²。

当该锂电池放置于箱体1内时，由于其重心偏向其上底边处，位于箱体1的右半部分重量较大，堆码时容易向左发生倾斜。同样以箱体1的中心为基点，通过相互垂直的两条直线将箱体1平均分为四个承重区域，则在左上承重区域和左下承重区域多分配承重块2，同时位于箱体1右侧的块体21上表面面积小于箱体1左侧块体21，但位于箱体1右侧的框体22上表面面积则多于位于箱体1左侧的框体22，即l1＞l2，以使得箱体1整体承重保持平衡，所用的承重块2上表面面积之和为961cm²。

通常情况下，纸箱竖楞方向可承受的压力要远远超过横楞方向，纸箱堆码时应保持让竖楞方向受压。在纸箱的整个承压过程中主要是四个角受力，约占整个受力总重量的三分之二，箱角部位承受的压力最高，离箱脚越远，承受压力越低。故在具体设计时，承重块2的设计位置优先考虑设置于靠近箱体1的内侧壁处，这样承重块2可与箱体1的重心具有最大的水平距离，从而使得整个箱体1在承压时更加平稳。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。