防护件、电池部件组合体、电池、电池组及电源系统的制作方法

1.本发明属于电池技术领域，尤其涉及一种防护件、电池部件组合体、电池、电池组及电源系统。


背景技术：

2.近年来，在民用领域随着纯电动汽车、混合动力汽车等的发展，在军用领域随着各类高功率装备的发展，对电源系统高功率放电能力的要求越来越高。为提高电源系统的高功率放电能力有两种方法，一是提高单体电池的放电倍率，提高电池组的放电电流；二是提高电池组电压，同等功率下可以降低提高电流的难度。在第二种方法中比较有效且直接的方法是增加电池组中单体串联数量。以额定电压为3.2v的磷酸铁锂电池为例，当串联数量达到300只时电池组额定电压接近1000v。
3.将电池组电压升高在提高了电池组功率性能的同时也带来了爬电这一安全隐患，且电压越高，这一风险越大。
4.以目前比较常见的设计为例，在由多只电池串联组成的高电压电源系统中，一般单体电池首先通过串、并联组成电池组，电池组再进一步组合成电源系统。在这些电池组和电源系统结构中都需要用到框架结构来支撑和固定电池，电池会接触到框架。电池组总负和框架采取接地措施，电池组总负和框架等电位。因此，在电池组中总正一端的单体电池电极端子和框架之间的电位差接近甚至达到电池组的最高电压，越接近电池组总正，这个电位差越大。这些电极端子和框架之间存在短路风险。为避免短路的发生，通常的做法是对电池外表面和框架采取绝缘处理，比如在单体电池外壳包覆绝缘包膜、框架上接近单体电池的位置包裹绝缘材料等。当绝缘材料的击穿电压大于上述电位差时这类措施可以有效防止电池组框架和单体电池电极端子之间直接发生短路的情况。但在某些特殊情况下和某些特殊使用环境中，比如框架绝缘材料破损、电池在潮湿、盐雾或污染较严重的环境中使用、将电池紧固于框架所使用的螺钉等金属零部件不能很好地做到绝缘包覆等，单体电池电极端子和框架之间会发生爬电现象。较轻微的爬电会带来电池组漏电、单体电池荷电态不一致等损害，较严重的爬电会直接带来安全风险，进而引起更大事故。
5.现有技术中鲜有针对防止电池组爬电进行的单体电池设计。
6.因此，有必要针对现有单体电池技术中缺乏防止电池组爬电的设计的缺陷对单体电池进行重新设计。


技术实现要素：

7.为了解决背景技术所提到的技术问题，本发明提供一种防护件、电池部件组合体、电池、电池组及电源系统，用于提高电池及电池组和电源系统的防爬电能力。
8.本发明的第一目的是提供一种防护件，包括由绝缘材料制成的防护件本体；其中：在所述防护件本体上开设有与电极端子配合的通孔；在所述防护件本体的外壁设有至少一个翅片。本发明通过增加翅片，进而增加了沿电池表面从电池电极端子到达电池外壳或电
池组框架的距离，这样能够极大地提高电池及电池组的防爬电能力。
9.优选地，为了最大限度地提高防爬电能力，所述翅片包括n级翅片，其中：第一级翅片设置于防护件本体上，第n级翅片设置于第n-1级翅片上；n为大于1的自然数。
10.优选地，为了满足不同空间的需求或者加工工艺的需求，所述翅片的截面根据需求而定，比如四边形、弧形、波浪形、λ形或三角形中的一种或多种，所述截面为穿过电极端子且平行于电流方向的平面与翅片相交的截面或沿着电极端子对称轴的平面与翅片相交的截面。
11.优选地，为了加工方便，所述防护件本体和翅片为一体成型结构。
12.优选地，所述防护件由3d打印技术制成。
13.优选地，为了加工方便，所述防护件为分体拼接结构。
14.本发明的第二目的是提供一种电池部件组合体，包括：
15.电极端子；
16.套接于电极端子的绝缘密封件；
17.套接于电极端子，并压紧于绝缘密封件至少部分表面的电池盖基体；
18.上述防护件；所述防护件套接于电极端子上，并压紧于电池盖基体至少部分上表面。防护件至少部分覆盖于电极端子上。
19.优选地，当电极端子的上表面受压以后，所述电极端子在平行于上表面的方向上膨胀，此时，所述电极端子和电池盖基体以铆接的方式将绝缘密封件夹持，并使绝缘密封件变形实现密封，同时使电极端子、绝缘密封件和电池盖基体三者紧固。
20.优选地，所述防护件与绝缘密封件至少有部分紧密搭接，形成紧密搭接面，所述紧密搭接面为环形。
21.优选地，所述电池盖基体外表面包覆有绝缘物，所述绝缘物和防护件至少有部分紧密搭接，形成紧密搭接面，所述紧密搭接面为环形。
22.优选地，所述绝缘密封件形状为环形，所述环形的截面包括但不限于圆形、椭圆形、多边形中的一种或多种。
23.优选地，所述电极端子外周设置有电极端子扩展板；当电极端子的上表面受压以后，所述电极端子在平行于上表面的方向上膨胀，此时，电极端子、电极端子扩展板和电池盖基体以铆接的方式将绝缘密封件夹持并使绝缘密封件变形实现密封，同时使电极端子、绝缘密封件、电池盖基体、电极端子扩展板四者紧固。
24.优选地，所述防护件至少覆盖部分电极端子扩展板表面。
25.优选地，所述电极端子扩展板和电池盖板之间设置有绝缘隔板；所述绝缘隔板和所述防护件紧密接触形成环形紧密接触面。
26.优选地，所述绝缘隔板和所述防护件为一体成型。
27.优选地，所述电极端子扩展板上设有翅片，所述防护件通过包覆所述带翅片的电极端子扩展板的部分外表面而形成防护件的翅片。
28.优选地，所述防护件包覆于电极端子扩展板的方式为喷涂绝缘材料或将电极端子扩展板至少部分表面进行化学腐蚀形成氧化层，化学腐蚀的方式包括但不限于阳极氧化。
29.优选地，在电池盖基体下表面设有至少一个防护件，该防护件套接于电极端子上，该防护件与绝缘密封件至少有部分紧密搭接，形成紧密搭接面，所述紧密搭接面为环形。
即，电池盖基体的上下两侧分别设置有防护件。
30.本发明的第三目的是提供一种电池，所述电池至少有一个电极端子表面部分地被上述的防护件包覆。
31.优选地，电池壳体至少部分外表面被绝缘物覆盖。
32.本发明的第四目的是提供一种电池，所述电池正极、负极中至少一极采用上述的电池部件组合体。
33.优选地，所述电池壳体至少部分被绝缘物覆盖。
34.本发明的第五目的是提供一种电池组，至少部分单体电池为上述的电池。
35.本发明的第六目的是提供一种电源系统，至少部分单体电池为上述的电池，或至少部分电池组为上述的电池组。
36.本发明的有益效果为：
37.本发明通过采用一种带有翅片结构的电池保护件，极大增加了沿电池表面从电池电极端子到达电池外壳或电池组框架的距离，因此极大提高了电池及电池组的防爬电能力。通过设计不同形状的翅片、设置多级翅片等措施进一步提高了这种能力，增强了电池和电池组的安全性和可靠性。
具体实施方式
38.为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下对比例和实施例，并配合附图详细说明如下：
附图说明
39.图1为电池组中发生爬电的示意图；
40.图2为对比例中采用无翅片的防护件的电池结构示意图；
41.图3为对比例中的无翅片防护件结构示意图；
42.图4为实施例1中采用带翅片的防护件的电池结构示意图；
43.图5为实施例1中的带翅片防护件结构示意图；
44.图6为实施例2的局部放大图；
45.图7为实施例3的电池结构示意图；
46.图8为实施例3中的局部放大图；
47.图9为实施例3中的带翅片且翅片上有竖板的防护件结构示意图；
48.图10为实施例4的电池结构示意图；
49.图11为实施例4中带翅片且翅片上有竖板和凹槽的防护件结构示意图；
50.图12为实施例5的电池结构示意图；
51.图13为实施例5的局部放大图；
52.图14为实施例6的电池结构示意图；
53.图15为实施例6中的带翅片电极端子扩展板和包覆于其上的防护件示意图；
54.图16为实施例7的电池结构示意图；
55.图17为实施例7的局部放大图；
56.图18为实施例8的保护件结构示意图；
57.图19为实施例9的保护件结构示意图；
58.图20为实施例10的保护件结构示意图；
59.图21为实施例11的保护件结构示意图；
60.图22为实施例12的保护件结构示意图；
61.图23为实施例13的保护件结构示意图；
62.图24为实施例14的保护件拼接前结构示意图；
63.图25位实施例14的保护件拼接后结构示意图。
64.其中：1、单体电池；2、电池组总正电极端子；3、电池组框架；4、电池组爬电路径；5、正电极端子；6、负电极端子；7、绝缘密封件；8、电池盖基体；9、电池外部无翅片防护件；10、电池内部无翅片防护件；11、电池壳；12、注液孔封盖；13、注液孔密封塞；14、防爆阀；15、正极耳；16、负极耳；17、极组；18、沿电池外部无翅片防护件爬电路径；19、电池外部带翅片防护件；20、沿电池外部带翅片防护件爬电路径；21、绝缘密封件和电池外部防护件的紧密搭接面；22、电池外部带翅片且翅片上有竖板的防护件；23、竖板；24、沿电池外部带翅片且翅片上有竖板的防护件爬电路径；25、电池外部带翅片且翅片上有竖板和凹槽的防护件；26、沿电池外部带翅片且翅片上有竖板和凹槽的防护件爬电路径；27、正电极端子扩展板；28、负电极端子扩展板；29、带翅片正电极端子扩展板；30、带翅片负电极端子扩展板；31、电池外部包覆于正电极端子扩展板翅片上的防护件；31a、电池外部包覆于正电极端子扩展板翅片上的防护件第一部分；31b、电池外部包覆于正电极端子扩展板翅片上的防护件第二部分；32、电池外部包覆于负电极端子扩展板翅片上的防护件；32a、电池外部包覆于负电极端子扩展板翅片上的防护件第一部分；32b、电池外部包覆于负电极端子扩展板翅片上的防护件第二部分；33、电池内部带翅片防护件；34、绝缘密封件和电池内部防护件的紧密搭接面。
65.具体实施方式
66.为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下对比例和实施例，并配合附图详细说明如下：
67.本技术中所述的“环形”并非局限于标准圆环形，可以是由各类闭合曲线围成的环形曲面或由各类曲面围成的环形三维结构。
68.为了提升电池的防爬电性能，本技术设计一种防护件，具有如下特征：
69.1)所述防护件为绝缘材料，结构为环形；使用时，所述环形环绕电池的一个电极端子上，并包覆所述端子部分表面；
70.2)所述防护件具有至少一层翅片。所述翅片的形状是平面、波浪面或楞面。所述翅片上有竖板或凹槽，所述竖板或凹槽上可以有设置于其上的第二竖板或第二凹槽。所述竖板可以是平面、波浪面或楞面。所述防护件的加工工艺可以采用传统工艺如机加工、注塑等或者是3d打印。
71.一种电池部件组合体，包括电极端子、绝缘密封件、电池盖基体和上述防护件；所述绝缘密封件位于电极端子和电池盖基体之间，且形状为环形。电极端子和电池盖基体以铆接的方式将绝缘密封件夹持并使其变形实现密封，同时使电极端子、电池盖基体和绝缘密封件三者紧固。
72.所述防护件与绝缘密封件至少有部分紧密搭接，形成紧密搭接面，所述紧密搭接面为环形。所述防护件位于电池外表面；
73.所述电池盖基体外表面被绝缘物包覆，所述绝缘物和防护件至少有部分紧密搭接，形成紧密搭接面，所述紧密搭接面为环形。
74.所述绝缘密封件形状为环形，所述环形的截面包括圆环、椭圆环、多边形等。
75.所述电极端子外周设置有电极端子扩展板，电极端子、电极端子扩展板和电池盖基体以铆接的方式将绝缘密封件夹持并使其变形实现密封，同时使电极端子、电极端子扩展板、电池盖基体和绝缘密封件四者紧固。当有电极端子扩展板时所述防护件可不覆盖电极端子表面但至少覆盖部分电极端子扩展板表面。
76.所述电极端子扩展板和电池盖板之间设置有绝缘隔板。绝缘隔板和所述防护件紧密接触形成环形紧密接触面。
77.所述绝缘隔板和所述防护件为一体成型。
78.所述电极端子扩展板上带有翅片，所述防护件通过包覆所述带翅片的电极端子扩展板的部分外表面而形成防护件的翅片。
79.所述防护件包覆于电极端子扩展板的方式为喷涂绝缘材料。
80.可以有多个防护件，其中至少有一个防护件设置于组合体上相对电池盖基板的内侧，所述防护件与绝缘密封件至少有部分紧密搭接，形成紧密搭接面，所述紧密搭接面为环形。
81.一种电池，所述电池至少一个电极端子表面部分地被上述防护件包覆。
82.除上述电极端子外的电池其他部位外表面至少部分地被绝缘物覆盖。
83.一种电池，所述电池正、负极中至少一极采用上述电池部件组合体。
84.所述电池外表面至少部分被绝缘物包覆。
85.一种电池电池组或电源系统，所述电池模块、电池组、电源系统至少部分单体电池采用上述单体电池。
86.在图1中给出了电池组中发生爬电的示意图。图1中包括单体电池1、电池组总正电极端子2和电池组框架3；粗线为电池组中发生爬电现象时的电池组爬电路径4。从图中可见，为消除爬电现象，需要增加爬电距离。在电池组设计中固然可以采用加大包裹电池和框架的绝缘材料的厚度等措施，但这种方式会增大电池组体积，严重降低电池组整体的体积比能量、体积比功率等性能指标。本发明从单体电池入手，通过对单体电池进行防爬电设计使得可以在电池组设计时不采取额外防爬电措施(或降低在电池组层级的防爬电设计难度)即可满足系统的防爬电要求。
87.对比例：
88.图2和图3中给出了对比例电池结构示意图。
89.对比例为一个20ah超高功率磷酸铁锂电池，外形尺寸为27mm
×
148mm
×
117mm(含电极端子)。该电池主要包括：电池壳11、极组17和电池盖基体8；在所述极组17上设置有正极耳15和负极耳16，正极耳15上连接有正电极端子5，负极耳16上连接有负电极端子6；正电极端子5和负电极端子6外侧设置有电池内部无翅片防护件10、绝缘密封件7和电池外部无翅片防护件9；绝缘密封件7位于电池内部无翅片防护件10和电池外部无翅片防护件9之间；电池盖基体8上设置有注液孔和防爆阀14，在注液孔处安装有注液孔封盖12和注液孔密封塞13；在对比例中，电池电极端子外周环绕有防护件，防护件无翅片结构。电极端子和电池盖基体之间的爬电路径，即沿电池外部无翅片防护件爬电路径18在图3中以粗线表示，这部
分的爬电距离为10.16mm。依据gb/t16434-1996《高压架空线路和发电厂、变电所环境污区分机及外绝缘选择》的要求，即使在污秽等级为0级的条件下，10.16mm的爬电距离仍不能满足1000v爬电比距13.9mm的要求。
90.实施例1：
91.图4和图5中给出了实施例1电池结构示意图。
92.在实施例1中，将对比例中用到的无翅片结构防护件替换为本发明提供的有翅片结构防护件。电池外部带翅片防护件结构19如图5所示。本实施例中的防护件为三层翅片结构，翅片的层数可以根据实际需要进行调整，比如一层、两层或者是多层，材质为聚苯硫醚。电极端子和电池盖基体之间的爬电路径，即沿电池外部带翅片防护件爬电路径20在图5中以粗线表示出，这部分的爬电距离为35.16mm。
93.依据gb/t16434-1996《高压架空线路和发电厂、变电所环境污区分机及外绝缘选择》的要求，在污秽等级为iii级的条件下，35.16mm的爬电距离可以满足1000v爬电比距32mm的要求。在污秽等级为i级的条件下，可以满足2000v爬电比距的要求。可见如果电池组中的单体电池采用本发明的带翅片防护件，那么仅依靠电池单体的防爬电设计就可以使电池组满足1000v的爬电要求。
94.实施例2：
95.图6中给出了实施例2电池结构示意局部放大图。
96.在实施例2中将实施例1中所用到的绝缘密封件7和电池外部带翅片防护件结构19进行改动，使其二者之间在通过铆接紧固时可以形成一个紧密搭接面，即绝缘密封件和电池外部防护件的紧密搭接面21。
97.形成紧密搭接面的好处在于杜绝了在电池外部防护件内侧形成爬电路径的可能。此处所说“内侧”指以电池外界环境为外侧而言的另一侧。
98.一般而言，爬电是由于外界环境污染或结露等原因而形成的，在电池内部不存在这种环境因素，所以发生爬电的可能性较低，但彻底杜绝此处发生爬电的可能性对提高电池长期使用的可靠性和安全性是有好处的。
99.实施例3：
100.图7、图8和图9给出了实施例3电池结构示意图。
101.在实施例3中，将实施例1中所用到的电池外部带翅片防护件19进行改进，改进后的结构具有多级翅片，如图7-9所示，具体包括：电池外部带翅片且翅片上有竖板的防护件22；同时在最上层翅片上增加两道(也可以根据需要进行调整数量)竖板23，竖板也可视作第二级翅片，从图9可以看出增加竖板后，爬电路径进一步延长，电极端子和电池盖基体之间的爬电路径，即沿电池外部带翅片且翅片上有竖板的防护件爬电路径24在图9中以粗线表示出，这部分的爬电距离为43.71mm。相比实施例1而言，进一步提高了防爬电能力。此处保护件位于正电极端子5四周，也可以位于负电极端子6四周；
102.实施例4：
103.图10、图11给出了实施例4电池结构示意图。
104.在实施例4中，将电池外部防护件翅片结构上增加多级翅片，使其具有多个竖板和凹槽，形成电池外部带翅片且翅片上有竖板和凹槽的防护件25，从图11可以看出增加竖板后，爬电路径进一步延长。电极端子和电池盖基体之间的爬电路径，即沿电池外部带翅片且
翅片上有竖板和凹槽的防护件爬电路径26在图11中以粗线表示出，这部分的爬电距离为66.77mm。
105.依据gb/t16434-1996《高压架空线路和发电厂、变电所环境污区分机及外绝缘选择》的要求，66.77mm的爬电距离，在污秽等级为i级的条件下可以满足3380v的要求；在污秽等级为ii级的条件下可以满足2670v的要求；在污秽等级为iii级的条件下可以满足2086v的要求；在污秽等级为iv级的条件下可以满足1750v的要求。可见如果电池组中的单体电池采用本发明的带翅片防护件，可以极大地提高电池组针对爬电的防护能力。
106.实施例4中给出的防护件形状复杂，采用3d打印的方法成型。
107.实施例5：
108.图12、图13给出了实施例5电池结构示意图。
109.在实施例5中，电池正极电极端子外周设置有正电极端子扩展板27、电池负极电极端子外周设置有负电极端子扩展板28。设置电极端子扩展板的作用之一是可以在电池组合成电池组时增加单体间连接的面积提高电池组的功率输出能力。在本例中，装配时将电池电极端子依次穿过绝缘密封件、电池内部防护件、电池盖基体、电池外部带翅片防护件、电极端子扩展板，并在压力机上对电极端子扩展板和电极端子施加压力，使电极端子、绝缘密封件、电池盖基体、电池外部带翅片防护件、电极端子扩展板铆接在一起形成紧固状态。本例中电池外部防护件下沿向电极端子方向设置有延伸部成为绝缘板，以防止电极端子扩展板和电池盖基体接触形成短路。
110.实施例6：
111.图14、图15给出了实施例6电池结构示意图。在实施例5的基础上，对电极端子扩展板进行改进，即在电极端子扩展板上设置翅片结构，形成带翅片正电极端子扩展板29和带翅片负电极端子扩展板30。
112.电池外部包覆于正电极端子扩展板翅片上的防护件31由两部分组成。电池外部包覆于正电极端子扩展板翅片上的防护件第一部分31a位于正电极端子扩展板和电池盖基体之间起到绝缘作用。电池外部包覆于正电极端子扩展板翅片上的防护件第二部分31b以喷涂的方式包覆正电极端子扩展板除上表面以外的翅片外周，并喷涂于电池外部包覆于正电极端子扩展板翅片上的防护件第一部分31a上形成搭接。
113.电池外部包覆于负电极端子扩展板翅片上的防护件32由两部分组成。电池外部包覆于负电极端子扩展板翅片上的防护件第一部分32a位于负电极端子扩展板和电池盖基体之间起到绝缘作用。电池外部包覆于负电极端子扩展板翅片上的防护件第二部分32b以喷涂的方式包覆负电极端子扩展板除上表面以外的翅片外周，并喷涂于电池外部包覆于负电极端子扩展板翅片上的防护件第一部分32a上形成搭接。
114.实施例7：
115.图16、图17给出了实施例7电池结构示意图。
116.在实施例7中，电极端子扩展板具有翅片结构，电池外部防护件采用喷涂的方式包覆电极端子扩展板除上表面以外的翅片外周。在带翅片正电极端子扩展板29外侧设置电池外部包覆于正电极端子扩展板翅片上的防护件31。在带翅片负电极端子扩展板30外侧设置电池外部包覆于负电极端子扩展板翅片上的防护件32。
117.电池外部防护件和绝缘密封件之间紧密搭接，形成绝缘密封件和电池外部防护件
的紧密搭接面21。
118.在绝缘密封件7外侧、电池内侧设置有电池内部防护件33，并且电池内部防护件上设置有翅片结构。带翅片电池内部防护件和绝缘密封件之间紧密搭接，形成绝缘密封件和电池内部防护件的紧密搭接面34。
119.在某些电池的设计中电池壳和电池盖基体与电池正、负极中的一极相连形成等电位，与另一极绝缘。比如在锂离子电池中经常将铝质电池盖基体和铝壳与正极等电位。在这种情况下无需在与电池盖基体等电位这一电极设置电池内部防护件的防爬电设计。但对于电池盖基体和电池壳相对于正负极悬浮的设计，在电池内部设置本发明提供的保护件对防止爬电的发生是十分有必要的。
120.实施例8～实施例13：
121.实施例8～实施例13分别给出了本发明提供的电池保护件的一些典型结构。在图18～图25分别给出了这些保护件的结构示意图。
122.具体为：在所述防护件本体上开设有与电极端子配合的通孔；在所述防护件本体的外壁设有至少一个翅片。
123.所述翅片包括n级翅片，其中：第一级翅片设置于防护件本体上，第n级翅片设置于第n-1级翅片上；n为大于1的自然数。
124.所述翅片为矩形、弧形或三角形中的一种或多种。
125.图18～图23中，所述防护件本体和翅片可以为一体成型结构。
126.图24～图25中，所述防护件本体和翅片为分体拼接结构，图24为拼接前示意图，
127.图25为拼接后示意图。
128.本发明列举的以上各实施例，仅是示例性的，并非穷尽性的。本发明的具体实施方案不限于上述所披露的各实施例。凡在本发明的思路、原则之内所进行的改进、修改、替换等均在本发明专利的保护范围内。