一种平流层飞艇电源设备及箱体制造方法与流程

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1.本发明涉及航空航天电能源技术领域，具体涉及一种平流层飞艇电源设备及电池机箱箱体制造方法。

背景技术：

2.随着空天技术的不断创新发展，国内外针对航空、航天结合处的飞行器开展了大量的研究工作，而在这类飞行器中，平流层飞艇以其低成本、低能耗、稳定驻空等优点成为研究者关注的重点。而实现平流层飞艇的长航时驻空需要稳定的能源支撑系统，为平流层飞艇的载荷、动力系统、控制系统等提供足够的能源。平流层飞艇对能源系统提出了三个技术要求，一是能量、功率大，工作时间长；二是体积小，功率密度高，功率质量比大；三是能够在临近空间特殊环境下稳定工作。一般长航时的飞艇能源系统由太阳能电池阵、锂离子蓄电池组、能源管理及分配系统组成。其中锂离子蓄电池组在日间接受太阳能电池的充电，夜间独自承担整个系统的不间断供电，因此在整个能源系统中处于核心地位。由于飞艇在夜间工作时间长，并承担蓄电池组自我热控(环境温度均在-40℃)，通常锂离子蓄电池组均由大容量电池通过串并联组成，重量较大，因此当前研究工作中均以提高锂离子蓄电池组的重量比能量以及高效的热控自我闭环为研究目标。
3.如申请号为201720930329.7的中国实用新型专利申请公开了一种平流层飞艇航电用碳纤维复合机箱，提出了碳纤维复合材料机箱强度高、自重轻、保温性能好的优点，但其机箱是由多块复合碳纤维板通过多块连接板拼接组成，整体结构刚度较差，难以承受外界环境的大量级的振动及冲击，同时拼接板之间的缝隙难以去除，导致在极低温环境下能量迅速耗散，从而降低系统的保温效率，也影响电池工作性能。

技术实现要素：

4.本发明的目的是提高锂离子电池系统的保温效率及整体结构刚度，以应对临近空间的振动和超低温环境。
5.为了达到上述目的，本发明提供了一种平流层飞艇电源设备及电池机箱箱体制造方法，所述电池机箱箱体呈半包围结构，具有一内置容腔，其制造方法包含：
6.s1，根据尺寸要求，设计并制造可拆卸的工装模具；
7.s2，将碳纤维通过层压，堆垛在所述工装模具表面，形成碳纤维层；层压温度为100-200℃；
8.s3，在所述碳纤维层的上表面铺设保温材料，形成保温层；
9.s4，真空条件下对所述碳纤维层注入熔融状态的复合树脂材料，冷却后一体成型，取出所述工装模具，得到碳纤维复合机箱箱体。
10.较佳地，所述保温材料为pmi泡沫板和二氧化硅气凝胶的至少一种。
11.对应地，本发明提供了一种平流层飞艇电源设备，包含碳纤维复合机箱、热控组件、及机箱内的电池组；所述电池组由若干单体电池串和/或并联形成；所述碳纤维复合机
箱包含顶盖和使用上述方法制备的箱体；所述热控组件包含bms管理单元和设置在单体电池表面的加热带，所述bms管理单元设有控制器，控制器通过信号控制所述加热带的运行。
12.较佳地，所述的bms管理单元包含若干温度采集单元，所述温度采集单元均设在所述单体电池的外表面，且与控制器通过信号连接。
13.较佳地，所述的单体电池为铝壳电池，其比能量大于300wh/kg。
14.较佳地，所述热控组件控制所述碳纤维复合机箱内温度为10-20℃。
15.较佳地，所述的电池组两端均设有固定板；所述碳纤维复合机箱箱体底部还固定连接若干拉杆；所述拉杆依次穿过所述两块固定板，并在所述拉杆和固定板的连接处设置紧固件，以夹持固定电池组。
16.本发明的有益效果包含：
17.(1)通过对碳纤维机箱的一体化设计，使其具有强度高、保温性能好、质量轻等特点，非常适用于临近空间下低温高振动的情况；
18.(2)保温层、bms管理单元和加热带共同作用，形成对飞艇电源设备的高效热控，在临近空间能源需求紧张的条件下，最大程度地提高能量利用效率。
附图说明
19.图1为本发明的轻质高效高可靠平流层飞艇用锂离子蓄电池组示意图。
20.1-碳纤维复合机箱；2-单体电池；3-汇流条；4-bms管理单元；5-固定板；6-保温层；7-拉杆。
具体实施方式
21.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
22.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
23.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
24.除非清楚地指出相反的，这里限定的每个方面或实施方案可以与任何其他一个或多个方面或一个或多个实施方案组合。特别地，任何指出的有利的特征可以与任何其他指出的有利的特征组合。
25.本发明提出了一种平流层飞艇电源设备，如图1所示，包含碳纤维复合机箱1、若干单体电池2及热控组件。所述的碳纤维复合机箱1包含箱体和顶盖，其箱体的五个面采用一体化结构设计，顶盖通过螺丝和密封胶与箱体连接。
26.具体地，本发明提供的一体化结构的箱体的制备方法为：
27.s1，根据温度、振动力学等环境方面的要求，对碳纤维复合机箱进行结构力学及热设计；根据用户给出的包络尺寸的要求，设计出具有复合结构的上下可拆卸的工装模具，模具根据空间尺寸的位置及大小设计；
28.s2，在高温高压下将具有高强度高耐压值的碳纤维通过层压的方式，堆垛在所述模具上，形成碳纤维层；
29.s3，使用pmi泡沫板和二氧化硅气凝胶在所述碳纤维层的表面铺层，形成保温层6；
30.s4，为加强碳纤维层之间的结合力与结合强度，去除层间间隙气体，注入熔融状态的复合树脂材料，同时抽真空。
31.通过上述步骤，可形成没有断层的连续纤维材料，使得整个箱体的刚性结构强度极高，可以承受超大量级的环境力学试验。同时在树脂与复合材料间插入多层pmi泡沫板，进一步隔离外部冷源，保证内部温度均一性，使整个箱体的保温性能得到大幅提升。
32.所述的高比能量锂离子电池组是由多个单体电池2通过汇流条3，串并联的方式组成，汇流条3可选用多层铜带，如图1所示，电池组由16只单体通过2并8串组成电池模块。在每只单体电池2的外表面粘贴加热带(图中未示)，可实现在低温环境下对电池的加热。
33.所述的加热带由bms管理单元4控制，bms管理单元4包含控制器和若干温度采集单元(图中未示)，该温度采集单元可以是温度传感器，所述温度采集单元可均匀间隔设在每个单体电池的外表面，以尽量准确测量各区域的温度，温度采集单元将温度信号传输给所述控制器，所述控制器经过逻辑运算后，通过信号控制加热带的工作状态。如可在控制器中设置一温度范围为10-20℃，控制器经逻辑比较后，温度信号低于该温度范围，控制加热带对单体电池进行加热；温度信号高于该温度范围，控制加热带停止加热。
34.保温层6对碳纤维复合机箱1起到保温作用，辅助bms管理单元4和加热带，在碳纤维复合机箱1内形成高效热控，三者配合可最大程度的提高空间能量效率。
35.所述的电池组与箱体的连接方式为，使用两个固定板5夹持固定电池组，若干拉杆穿过两个固定板5，并使用紧固件紧固所述拉杆和固定板5。多只电池通过两端的固定板5通过拉杆拉紧，然后在固定板5的下方设置螺丝孔与箱体底部实现机械连接。相对于其他紧固方法，该方法具有结构简单，重量轻，强度高等优点，广泛应用于航空航天领域。
36.综上所述，本发明通过对碳纤维复合机箱1的一体化设计，使其结构紧密，具有强度高、保温性能好、质量轻等特点，非常适用于临近空间下低温高振动的情况；保温层6、bms管理单元4和加热带共同作用，形成对飞艇电源设备的高效热控，将碳纤维复合机箱1内的温度控制在10-20℃，即为电池组最适宜的工作温度。在临近空间能源需求紧张的条件下，最大程度地提高能量效率。
37.尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

技术特征：

1.一种碳纤维复合机箱箱体的制造方法，其特征在于，该箱体呈半包围结构，具有一内置容腔，包含：s1，根据尺寸要求，设计并制造可拆卸的工装模具；s2，将碳纤维通过层压，堆垛在所述工装模具表面，形成碳纤维层；层压温度为100-200℃；s3，在所述碳纤维层的上表面铺设保温材料，形成保温层；s4，真空条件下对所述碳纤维层注入熔融状态的复合树脂材料，冷却后一体成型，取出所述工装模具，得到碳纤维复合机箱箱体。2.如权利要求1所述的碳纤维复合机箱箱体的制造方法，其特征在于，所述保温材料为pmi泡沫板和二氧化硅气凝胶的至少一种。3.一种平流层飞艇电源设备，其特征在于，包含碳纤维复合机箱、热控组件、及机箱内的电池组；所述电池组由若干单体电池串和/或并联形成；所述碳纤维复合机箱包含顶盖和如权利要求1或2所述的方法制备的箱体；所述热控组件包含bms管理单元和设置在单体电池表面的加热带，所述bms管理单元设有控制器，控制器通过信号控制所述加热带的运行。4.如权利要求3所述的平流层飞艇电源设备，其特征在于，所述的bms管理单元包含若干温度采集单元，所述温度采集单元均设在所述单体电池的外表面，且与控制器通过信号连接。5.如权利要求3所述的平流层飞艇电源设备，其特征在于，所述的单体电池为铝壳电池，其比能量大于300wh/kg。6.如权利要求3所述的平流层飞艇电源设备，其特征在于，所述热控组件控制所述碳纤维复合机箱内温度为10-20℃。7.如权利要求3所述的平流层飞艇电源设备，其特征在于，所述的电池组两端均设有固定板；所述碳纤维复合机箱箱体底部还固定连接若干拉杆；所述拉杆依次穿过所述两块固定板，并在所述拉杆和固定板的连接处设置紧固件，以夹持固定电池组。

技术总结

本发明公开了一种平流层飞艇电源设备及箱体制造方法，包含碳纤维复合机箱、热控组件、及机箱内的电池组；碳纤维复合机箱包含顶盖和一体化制备的箱体；热控组件包含BMS管理单元和设置在单体电池表面的加热带，BMS管理单元设有控制器，控制器通过信号控制所述加热带的运行。本发明通过对碳纤维机箱的一体化设计，使其具有强度高、保温性能好、质量轻等特点，非常适用于临近空间下低温高振动的情况；保温层、BMS管理单元和加热带共同作用，形成对飞艇电源设备的高效热控，在临近空间能源需求紧张的条件下，最大程度地提高能量利用效率。最大程度地提高能量利用效率。最大程度地提高能量利用效率。