一种恒压输出结构部件及使用其的可充电电池的制作方法

本发明涉及一种恒压输出结构部件及使用其的可充电电池。

背景技术：

随着二次电池技术的发展，二次电池的性能有了快速的提升，同时其成本也大幅度下降，尤其是二次电池具有的高能量密度、可循环使用的特点，因而得到了越来越广泛的应用。例如二次电池中的可充电锂离子电池，已经成为手机、笔记本电脑、照相机的主要供电电池，并且在许多一次电池的传统应用领域例如遥控器、手电筒、玩具等，二次电池也逐步在将一次电池替代。

但是，二次电池与一次电池相比，在使用上仍然存在诸多不便。一次电池不需要充电，而二次电池需要用专用的充电器进行充电，同时为了保持正常的性能，往往二次电池需要对充电过程和放电使用过程进行管理和保护。一次电池的额定电压与二次电池也往往不同，例如NCM型锂离子二次电池的额定电压是3.6V，而通常的碱性锌锰干电池额定电压是1.5V，因此如果二次电池不进行电压管理，一般情况下是不能直接应用在一次电池的用电设备上，否则可能损坏用电设备。

通常情况下，二次电池替代一次电池进行使用，首先需要对二次电池进行包装，在二次电池外壳设置充放电保护装置、电压管理装置，以形成一个能满足一次电池设备使用要求的产品。但是，这种方法存在包装工艺复杂、成本高、电池包装产品的最终外形难控制等问题。这严重制约了二次电池在一次电池的众多应用领域的推广和替代使用。

因此，如何将二次电池的性能特点结合一次电池的使用要求，将二次电池电池管理、一次电池外形结构、一次电池使用需求统筹优化，兼顾成本和效率，提出一个新的电池结构部件解决方案，就显得非常必要。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明旨在提供一种恒压输出结构部件，可以实现电池在输出电能工作过程中，能够始终保持恒定的输出电压，同时包含充电保护、放电保护、过流保护、短路保护和结构支撑，还提供了一种使用该种恒压输出结构部件的可充电电池。本发明通过以下方案实现：

一种恒压输出结构部件，包括保护板、恒压板、输出端子和绝缘弹性垫片，所述绝缘弹性垫片上设置有中心孔，绝缘弹性垫片的厚度一般选择为0.1～1.0mm，绝缘弹性垫片的材料为PP、PE、PET、尼龙等。

所述保护板用于电池充电、放电过程中的保护，包括第一基板、保护IC、第一电阻R1、第一电容C1和第二电容C2，所述保护IC焊接在第一基板上，保护 IC的VDD端口与GND端口之间串接第一电容C1，保护IC的GND端口与VCC 端口之间串接第二电容C2，第一电阻R1的一端连接在保护IC的VDD端口与第一电容C1的相连接处；

所述恒压板用于保证电池恒压输出，包括第二基板、电压转换器、电感、二极管、第二电阻R2、第三电阻R3、第三电容C3、第四电容C4和第五电容C5，所述第二基板上设置有正极输出端和负极输出端，所述电压转换器焊接在第二基板上，所述电感的一端与电压转换器的SW端口相连接，电感的另一端连接正极输出端；所述二极管的一端分别与电压转换器的VIN端口、EN端口相连接，所述二极管的另一端连接正极输出端；电压转换器的VIN端口与GND端口之间串接第三电容C3，电压转换器的FB端口与正极输出端之间串接第四电容C4，第三电阻R3并接在第四电容C4的两端，第五电容C5与第二电阻R2串接后并接在第四电容C4的两端且第二电阻R2串接在电压转换器的FB端口与负极输出端之间；

为了方便描述，第一基板和第二基板的焊接面定义为A面，第一基板和第二基板上的电子元件所在面定义为B面。

所述输出端子设置在恒压板的基板的A面上，输出端子与所述恒压板的正极输出端相连接；所述绝缘弹性垫片设置在恒压板的基板的B面的外周，所述保护板设置在所述恒压板的下方，所述保护板通过正极插针、负极插针与所述恒压板相连接，所述正极插针的一端连接在保护板上第一电阻R1与保护IC的VDD端口相连接的另一端上，正极插针的另一端连接所述恒压板上电压转换器的VIN端口上；所述负极插针的一端连接在所述保护板上保护IC的两个VM端口上，负极插针的另一端连接所述恒压板的第五电容C5与第二电阻R2相连接的一端上。

进一步地，为了方便正极插针、负极插针的连接，所述保护板、恒压板上分别设置正极插针定位孔、负极插针定位孔，保护板上的正极插针定位孔与第一电阻R1与保护IC的VDD端口相连接的另一端连通，保护板上的负极插针定位孔与保护IC的两个VM端口连通；恒压板上的正极插针定位孔与电压转换器的VIN 端口连通，恒压板上的负极插针定位孔分别与负极输出端、第五电容C5与第二电阻R2相连接的一端连通。

为方便正极引出极耳、负极引出极耳的连接，所述第一基板上设置了正极引出极耳连接点B+和负极引出极耳连接点B-，所述正极引出极耳连接点B+与第一电阻R1与保护IC的VDD端口相连接的另一端连通，负极引出极耳连接点B-与保护IC的GND端口连通。

所述第一基板的B面和所述第二基板的B面相对，所述第二基板与所配套的电池外壳紧密配套，所述第一基板和所述第二基板的外形相同且第一基板的尺寸小于第二基板的尺寸。第一基板、第二基板的形状可根据所配套的电池外壳的形状变化，一般为圆形和方形。

所述第一基板和第二基板呈圆形时，为满足保护板和恒压板装配的要求，防止保护板的直径过大无法放入所配套的电池外壳内部，保护板的直径过小则不利于电子元件的合理布置，第一基板的直径d1满足d－0.50≤d1≤d－0.20，其中d 为所配套圆柱形外壳上的冲槽内径；所述第一基板的厚度为0.6～0.8mm；为满足恒压板支撑在电池外壳上的冲槽槽位的装配要求，防止恒压板直径大于电池外壳内径D而无法放入电池外壳内部，恒压板直径小于电池外壳上的槽位内径d而无法形成在槽位上方的支撑，所述第二基板的厚度为0.8～1.2mm，第二基板的直径 d2满足D－0.20≤d2≤D－0.05，其中D为所配套圆柱形外壳的内径。所述绝缘弹性垫片呈圆环，其厚度为0.1～1.0mm，外圆的直径等于第二基板的直径，中心孔直径d3满足d1+0.05≤d3≤d－0.05，其中d为所配套圆柱形外壳上的冲槽内径，d1 为第一基板的直径。

所述恒压板的第二基板上设置有至少一个通气孔，以满足异常情况下电池内部气压释放的安全性需求，同时起缓冲封口挤压形变功能。

一种可充电电池，包括外壳和电芯，电芯置于外壳内，所述外壳的开口端设有冲槽，外壳的开口端还封闭有如上所述的一种恒压输出结构部件，所述电芯为由正极、负极、隔膜卷绕形成或成型的单体电池，所述电芯的正极引出极耳连接在第一电阻R1与保护IC的VDD端口相连接的另一端上，所述电芯的负极引出极耳连接在所述保护板的GND端口上；所述保护板置于外壳上的冲槽槽位下方，所述绝缘弹性垫片及恒压板依次置于外壳上的冲槽槽位上，所述恒压板的负极输出端与外壳紧密接触。

进一步地，所述绝缘弹性垫片在封口后的厚度压缩比为5％～40％。

与现有技术相比，本发明的一种恒压输出结构部件，具有以下优点：

(1)集成了电池电池充电、放电过程中的保护、电池恒定在一定电压输出、电池结构支撑的功能，很好的兼顾了电池本身的安全保护要求、用电设备对电池的输出特性要求、电池本身的结构要求；

(2)可以实现电池附属构件占用空间的节约化和电池的高容量化。恒压输出结构部件，集多种功能为一个整体部件，按多种功能统一满足的要求，进行了结构方面的优化设计和布局，相比较通常的分体式电池充放电保护线路板、电池恒压输出线路板、电池结构支撑零件合并体积，本发明 的一种恒压输出的圆柱形可充电电池中使用的恒压输出结构部件的体积要大为减少，这就实现了电池附属构件占用空间的节约化，有更多的空间可以用来提示活性物质的装配，从而有利于实现电池的高容量化。

使用本发明的一种恒压输出结构部件制作的可充电电池，结构新颖，制作简单。本发明的可充电电池，使用了恒压输出结构部件，减少了电池装配的工艺步骤，尤其是将实现同等功能产品所需的焊接次数降低了一半以上，整个装配过程简单高效，因而可以实现电池成本的降低。

附图说明

图1实施例1中可充电电池的整体结构示意图

图2实施例1中恒压输出结构部件的结构示意图

图3(a)实施例1中保护板的B面的俯视示意图

图3(b)实施例1中保护板的B面的正视示意图

图3(c)实施例1中保护板的线路原理图

图4(a)实施例1中恒压板的B面的俯视示意图

图4(b)实施例1中恒压板的B面的正视示意图

图4(c)实施例1中恒压板的A面的俯视示意图

图4(d)实施例1中恒压板的线路原理图

图5(a)实施例1中可充电电池的充电电压-充电电流-充电时间关系曲线图

图5(b)实施例1中可充电电池的过充电情况下的充电电压-充电电流-时间关系曲线图

图5(c)实施例1中可充电电池的放电情况下的放电电压-放电电流-时间关系曲线图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

以具体制作一种恒压输出的圆柱形可充电电池为例，来进一步阐述恒压输出结构部件，同时说明该种恒压输出的圆柱形可充电电池结构。

一种可充电电池，为圆柱形，其要求为：电池直径≤14.5mm，电池高度≤ 50.5mm，电池具备充电和放电保护功能，电池具备恒压1.50V±0.10V，最大2A 电流的输出功能，如图1所示，包括外壳1、电芯2和恒压输出结构部件3，本实施例的电芯为聚合物锂离子单体电池，其型号为13400(直径13mm，高度40mm)，标称电压为3.6V，容量为650mAh；外壳1为钢壳，其外径为14.15±0.05mm，内径为13.90±0.05mm，高度为51.0±0.05mm；电芯2置于外壳1内，外壳1的开口端设有冲槽11，冲槽槽位内径13.15±0.03mm，槽位高度为3.0±0.05mm，外壳1的开口端封闭有恒压输出结构部件3；如图2所示，恒压输出结构部件3包括保护板31、恒压板32、输出端子33和绝缘弹性垫片34，绝缘弹性垫片34俯视呈圆环状。

保护板31用于电池充电、放电过程保护，具体为：过充电保护(过充电检测电压为4.25±0.05V、过充电解除电压为4.10±0.05V、过充电电压检测延迟时间为≤200mS)、过放电保护(过放电检测电压为2.90±0.05V、过放电解除电压为3.00 ±0.05V、过放电电压检测延迟时间为≤100mS)、过流保护(过放电电流检测为2.1～3.9A、过放电电流检测延迟时间为≤20mS)、短路保护(负载短路电流检测为10～30A、负载短路电流检测延时为≤300μS)。如图3(a)、图3(b)、图3 (c)所示，包括圆形的第一基板311(直径：12.7mm，厚度：0.6mm)、保护IC 312 (型号为XB8358D)、第一电阻R1(规格为100R±1％)、第一电容C1(规格为 0.1uF、10V)和第二电容C2(规格为1uF、10V)，保护IC 312焊接在第一基板 311上，保护IC 312的VDD端口与GND端口之间串接第一电容C1，保护IC 312 的GND端口与VCC端口之间串接第二电容C2，第一电阻R1的一端连接在保护 IC的VDD端口与第一电容C1的相连接处。保护板31上设置正极插针定位孔X、负极插针定位孔Y，保护板31上的正极插针定位孔X与第一电阻R1与保护IC 312 的VDD端口相连接的另一端连通，保护板31上的负极插针定位孔Y与保护IC 312 的两个VM端口连通。保护板31上还设置一个正极引出极耳连接点B+和一个负极引出极耳连接点B-，正极引出极耳连接点B+与第一电阻R1与保护IC 312的 VDD端口相连接的另一端连通，负极引出极耳连接点B-与保护板31的GND端口连通。

恒压板32用于保证电池恒压输出，保证电池具备恒压1.50V±0.10V，最大 2A电流的输出功能，如图4(a)、图4(b)、图4(c)所示，包括圆形的第二基板321(直径：13.85mm厚度：0.8mm)、电压转换器322(型号为ME3104)、电感L(型号：2.7uH/3A)、二极管D(型号：B5819WS SL 1A)、第二电阻R2(规格为20KR±1％)、第三电阻R3(规格为30KR±1％)、第三电容C3(规格为22uF、 15V)、第四电容C4(规格为0.1uF、10V)和第五电容C5(规格为22uF、15V)，第二基板321上设置有正极输出端323和负极输出端325，恒压板32的第二基板 321上设置有两个通气孔324，电压转换器322焊接在第二基板321上，电感L的一端与电压转换器322的SW端口相连接，电感L的另一端连接正极输出端323；二极管D的一端分别与电压转换器322的VIN端口、EN端口相连接，二极管D 的另一端连接正极输出端323；电压转换器322的VIN端口与GND端口之间串接第三电容C3，电压转换器322的FB端口与正极输出端323之间串接第四电容C4，第三电阻R3并接在第四电容C4的两端，第五电容C5与第二电阻R2串接后并接在第四电容C4的两端且第二电阻R2串接在电压转换器322的FB端口与负极输出端325之间。恒压板32上分别设置正极插针定位孔X、负极插针定位孔Y，恒压板32上的正极插针定位孔X与电压转换器322的VIN端口连通，恒压板32上的负极插针定位孔Y分别与负极输出端325、第五电容C5与第二电阻R2相连接的一端连通。

为了方便描述，第一基板311和第二基板321的焊接面定义为A面，第一基板311和第二基板321上的电子元件所在面定义为B面。

如图2所示，输出端子33设置在恒压板32的基板321的A面的正中间位置上，输出端子33与恒压板32的正极输出端323相连接；绝缘弹性垫片34(厚度为0.5mm，外径为13.85mm；中心孔直径为12.80mm)设置在恒压板32的基板 321的B面的外周，保护板31设置在恒压板32的下方，第一基板311的B面和第二基板321的B面相对，保护板31通过正极插针35、负极插针36与恒压板32 相连接，正极插针35的一端连接在保护板31上的正极插针定位孔X上，正极插针35的另一端连接恒压板32上的正极插针定位孔X上；负极插针36的一端连接在保护板31上的负极插针定位孔Y上，负极插针36的另一端连接恒压板32的负极插针定位孔Y上；电芯2的正极引出极耳21连接在保护板31的正极引出极耳连接点B+上，电芯2的负极引出极耳22连接在保护板31的负极引出极耳连接点 B-上；保护板31置于外壳1上的冲槽11槽位下方，绝缘弹性垫片34及恒压板32 依次置于外壳1上的冲槽11槽位上方，恒压板32的负极输出端325与外壳1紧密接触，绝缘弹性垫片34在封口后的厚度压缩比控制为5％～40％。

实际制作时，按以下步骤进行：

(1)将电芯即聚合物锂离子电池包上外膜，在电芯的正极输出端焊接上正极引出极耳，将电芯的负极输出端焊接上负极引出极耳，接着将正极引出极耳、负极引出极耳分别使用绝缘胶带进行绝缘，防止与电池钢壳的接触；

(2)接着将电芯即聚合物锂离子电池装入电池钢壳中，然后对装有聚合物锂离子电池的钢壳进行冲槽；

(3)制作好保护板、恒压板，将输出端子焊接恒压板的第二基板的A面的正中间位置上，将正极插针、负极插针分别固定连接在保护板、恒压板的正极插针定位孔X、负极插针定位孔Y上，将保护板穿过弹性绝缘垫片的中心孔，形成恒压输出结构部件；

(4)将电芯的正极引出极耳与保护板上的正极引出极耳连接点B+锡焊连接，电芯的负极引出极耳与保护板上的负极引出极耳连接点B-锡焊连接。

(5)将保护板置于钢壳的冲槽槽位下方，恒压板置于冲槽槽位上且置于弹性绝缘垫片上方，之后进行封口，完成恒压输出的圆柱形可充电电池的制作。

将本实施例的恒压输出的圆柱形可充电电池，完全放残电后，以1000mA恒流恒压充电，恒压4.5V，充电截止电流20mA，合计的充电容量约为686.6mAh，其充电电压-充电电流-充电时间关系曲线图如图5(a)所示。

为验证恒压输出结构部件的充电过压保护功能，对充满电的电池，以20mA 电流进行恒流充电，并限制最高电压4.7V，其过充电情况下的充电电压-充电电流 -时间关系曲线图如图5(b)所示，由图5(b)可知，电池在充电2秒时电流从 20mA降低至0mA，表明恒压输出结构部件触发了充电过压保护条件，关断了充电回路，充电过压保护功能实现。

将充满电的电池，以恒流2000mA进行放电，截止电压1.0V，其放电情况下的放电电压-放电电流-时间关系曲线图如图5(c)所示，图中“－”表示放电，由图5(c)可知，电池的放电电压为1479mV～1430mV，稳定在1.50±0.10V范围内，达成了以2A电流进行恒压输出的功能，整个放电过程放电容量为1278mAh。放电终了，放电电压突降到0V，电流为0mA，表明恒压输出结构部件触发了放电欠压保护条件，关断了放电回路，放电欠压保护功能实现。

需要说明的是，本实施例虽然是以降压恒压1.5V输出型锂离子电池为例进行说明，但是同样适用于电池需要升压恒压输出的工况，例如9V恒压输出锂离子电池等。

实施例2

一种恒压输出的圆柱形可充电电池，其结构与实施例1中的一种恒压输出的圆柱形可充电电池的结构相类似，其不同之处在于：电芯由正极、负极、隔膜卷绕形成，第一基板厚度为0.8mm。第二基板厚度为1.2mm。

以上所述仅是本发明的优选的实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和修饰，这些改进和修饰也应该视为本发明的保护范围。