一种动力电池包及其制备方法和在隐身无人飞行器中的应用与流程

1.本发明属于武器装备用雷达隐身技术领域，具体涉及一种动力电池包及其制备方法和在隐身无人飞行器中的应用，该动力电池包可应用于各类小型无人飞行器，实现优异的太赫兹雷达隐身效果。


背景技术：

2.21世纪以来，小型无人机在有效载荷小型化、续航时间、超视距通信、低成本化等方面持续取得进展，集群技术、自主技术、协同技术等智能化技术正推动着小型无人机战斗力的提升。无人机“蜂群”作战，是一种全新概念的作战模式，对未来战争的影响也将是颠覆式的。随着研究的深入，无人机集群作战正在从概念走向雏形。可以预见，未来无人机蜂群作战将会成为战场重要的作战方式。
3.雷达探测技术，能够通过接收目标反射的电磁信号来发现目标。尤其是太赫兹雷达，采用的电磁波波长极短，可以用于探测较小目标和实现精确的定位，同时太赫兹又包含了丰富的频率，有着非常宽的带宽(0.1thz到10thz)，能以成千上万种频率发射纳秒以至皮秒级的脉冲，不管是面对形状隐身、涂料隐身，还是等离子体隐身的目标时，都能让它们“无处遁形”。
4.小型无人机大多数采用电池提供飞行动力，动力电池包已经成为各类小型飞行器必不可少的部件。动力电池包主要由电池、导线、电子部件和外壳等部分组成，以上组成部分不可避免要采用金属材料。由于动力电池包都是直接暴露在无人机外部，当敌方雷达波照射到动力电池包时，将产生强烈的电磁散射，对无人机突防带来不利影响。小型无人机结构都非常紧凑，对重量要求亦非常严苛，因此动力电池包的体积和重量都要尽可能控制。传统的结构隐身和涂层隐身难以满足小型无人机的设计要求，面对太赫兹雷达时更是无法发挥隐身功能。迫切需要开发一种既能高效吸收雷达波，又能尽可能控制体积和重量的无人机动力电池包及其制备方法，满足小型无人机或飞行器等武器系统的技术需求。


技术实现要素：

5.本发明提出一种采用多功能石墨烯复合材料外壳的小型无人飞行器(无人机)动力电池包及其制备方法，克服了现有技术中动力电池包存在的体积、重量与隐身性能难以兼顾的难题，实现了无人机动力电池包的太赫兹隐身。
6.本发明采用的技术方案：
7.一种动力电池包，包括电池模组、电池管理系统、承力杆、支架和外部壳体；
8.所述动力电池包具有胶囊状外形，主体为圆柱形的电池舱体区，两端为电池舱盖区，中间贯穿一根承力杆；所述电池模组由电芯按照最密排布而成，通过支架固定；所述电池模组设置在所述电池舱体区内，通过支架与电池舱体连接，通过承力杆与电池舱盖连接；
9.所述电池管理组件设置于所述电池舱盖区内；
10.所述外部壳体具有复合结构，所述复合结构层包括吸波壳体层、位于吸波壳体层
内表面的导电层和位于导电层表面的绝缘隔离层。
11.根据本发明的实施方案，所述吸波壳体层由多孔石墨烯粉体和树脂基体复合而成，起到吸收太赫兹电磁波和力学承载功能。进一步地，所述吸波壳体层的厚度为1-4mm，例如为1.5-3mm，示例性为2mm、2.5mm。
12.优选地，所述多孔石墨烯粉体占吸波壳体层制备原料质量的0.1-5％，例如0.5-3％。
13.优选地，所述吸波壳体层由多孔石墨烯粉体、偶联剂、润滑剂和树脂基体混合、注塑得到。
14.优选地，所述偶联剂为硅烷偶联剂，例如为kh-550、kh-903和a-150中的至少一种。进一步地，所述偶联剂的质量占比不超过吸波壳体层制备原料质量的0.1％。
15.优选地，所述润滑剂选自硬脂酸和/或甲基硅油。进一步地，所述润滑剂的质量占比不超过吸波壳体层制备原料质量的5％，例如为1％、2％、3％。
16.优选地，所述树脂基体选自聚对苯二甲酸乙二醇酯和/或聚苯硫醚。
17.示例性地，所述多孔石墨烯粉体、偶联剂、润滑剂和树脂基体的质量比为0.1:0.05:1:98.85、0.5:0.1:1:98.4或5:0.1:5:89.9。
18.根据本发明的实施方案，所述导电层是由导电材料组成，起到反射探照雷达波和屏蔽内部电磁辐射功能。例如，所述导电层为导电碳膜或导电铝膜。进一步地，所述导电层的厚度为1-10μm，例如2-8μm，再如为5μm。
19.根据本发明的实施方案，所述绝缘隔离层为阻燃树脂，起到绝缘、阻燃和保护导电层的功能。例如，所述阻燃树脂为阻燃abs树脂和/或阻燃环氧树脂。进一步地，所述绝缘阻隔层的厚度不超过1mm，例如为0.1-0.8mm，比如为0.5mm。
20.根据本发明的实施方案，所述外部壳体的厚度为2-6mm，例如为2.5-5.5mm，示例性为5mm。
21.根据本发明的实施方案，所述承力杆为中空结构，优选采用高弹性模量(例如弹性模量在80～200gpa之间)的玻纤增强树脂或者碳纤维增强树脂材料。
22.根据本发明的实施方案，所述电池模组的数量可以为一个、两个或更多个。
23.根据本发明的实施方案，所述电池模组通过汇流排和导线串并联。例如，所述电池模组可以为按照2并3串方案组成、6并6串方案组成、6并12串方案组成。几种典型的电池模组电芯排布结构如图2所示。
24.根据本发明的实施方案，所述动力电池包与外部的接口置于电池舱盖上。
25.根据本发明的实施方案，所述支架的材质为树脂材质。
26.根据本发明的实施方案，所述电池管理系统可以选自与电池模组适配的电路模块，例如选自3串12.6v mos开关集成电路模块、6串25.2v mos开关集成电路模块、12串50.4v mos开关集成电路模块。
27.本发明还提供上述动力电池包的制备方法，包括：将上述电池模组、电池管理系统、外部壳体和承力杆按照结构设计图进行组装，得到所述动力电池包；
28.优选地，所述电池模组按照电池模组排布设计，用支架将电芯固定，并在电芯正负极上焊接汇流片形成串并联得到。
29.根据本发明的实施方案，所述外部壳体可以按照如下方法制备：
30.(a)由多孔石墨烯粉体、偶联剂、润滑剂和树脂基体混合、注塑得到吸波壳体层；
31.(b)在所述吸波壳体层的内表面制备导电层；
32.(c)在所述导电层的表面制备绝缘阻隔层。
33.根据本发明的实施方案，所述多孔石墨烯粉体、偶联剂、润滑剂和树脂基体具有如上文所示的选择和配比。
34.根据本发明的实施方案，所述多孔石墨烯粉体的制备过程包括：
35.(1)将氧化石墨烯(go)分散于溶剂中，通过溶剂热反应制备还原氧化石墨烯凝胶(rgo)；
36.(2)对所述还原氧化石墨烯凝胶进行真空退火处理，得到所述多孔石墨烯粉体。
37.根据本发明的实施方案，步骤(1)中，所述溶剂为乙醇、乙二醇或者二者的混合物。
38.根据本发明的实施方案，步骤(1)中，所述氧化石墨烯的浓度为0.1-1mg/ml。
39.根据本发明的实施方案，步骤(1)中，所述溶剂热反应的温度为150-200℃，反应的时间12-48h。
40.根据本发明的实施方案，步骤(2)中，所述的真空退火处理的真空度在10-3
pa以上。
41.根据本发明的实施方案，步骤(2)中，所述的真空退火处理的退火温度为800-1500℃，升降温速率为5℃/min，保温时间2-5h。
42.根据本发明的实施方案，步骤(b)在制备导电层时，还需对吸波壳体层的内表面进行清洗、烘干。
43.其中，所述导电层可以采用本领域已知方法制备，例如采用磁控溅射。
44.根据本发明的实施方案，所述绝缘阻隔层可以采用本领域已知方法制备，例如采用喷塑方法。
45.根据本发明示例性地方案，所述外部壳体的制备方法包括：
46.(a)将多孔石墨烯粉体、偶联剂、热塑性树脂、润滑剂按上述比例混合后送入高速混合机中混合，并通过模具注塑成形得到吸波壳体层；
47.(b)清洗、烘干后对吸波壳体层的内表面进行磁控溅射，沉积导电层；
48.(c)利用喷塑方法，在导电层的表面形成绝缘阻隔层。
49.本发明还提供上述动力电池包在无人飞行器中的应用。优选用于太赫兹隐身无人飞行器。
50.有益效果
51.1.动力电池包整体呈胶囊状，外形连续无突起，有助于减少雷达散射面积(rcs)；
52.2.采用高效宽频吸波壳体材料，使得动力电池包具备太赫兹隐身功能；
53.3.电池模组采用密堆积排布结构，能有效利用电池包空间，减少电池包体积；
54.4.采用轻质结构件(纤维增强树脂承力杆、树脂支架和树脂基外壳)，能够有效减少动力电池包的重量。
附图说明
55.图1给出了电池包的结构示意图。
56.图2给出了几种典型电池模组的电芯排布结构示意图。
57.图3给出了外部壳体复合结构的示意图。
58.附图标记：1-电池舱盖，2-电池模组，3-承力杆，4-电池舱体，5-电芯，6-吸波外壳层，7-导电层，7-绝缘隔离层。
具体实施方式
59.下文将结合具体实施例对本发明的技术方案做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
60.除非另有说明，以下实施例中使用的原料和试剂均为市售商品，或者可以通过已知方法制备。
61.实施例1
62.电池包呈胶囊状，胶囊直径约65mm，总长度约86mm。为了得到轻质、紧凑、太赫兹隐身的微型无人机电池包，本方案电芯采用三元18650圆柱电芯，按照2并3串方案组成电池模组，支架采用密排阻燃abs支架，承力杆为玻纤增强树脂复合材料，电池管理选用3串12.6v mos开关集成电路模块，电池包外壳采用2.5mm厚度多功能石墨烯复合材料。
63.多功能石墨烯复合材料舱体壳体和舱盖壳体制备过程如下：首先将hummer法制备的氧化石墨烯分散于无水乙醇中，氧化石墨烯浓度为0.1mg/ml。将上述氧化石墨烯溶液置于水热反应釜中，反应温度控制为150℃，反应时间为12h，得到还原氧化石墨烯凝胶。将凝胶滤出、无水乙醇冲洗、干燥后，置于高真空热处理炉进行退火处理，真空度控制在1mpa，退火温度为800℃，升温速率5℃/min，保温时间2h，退火处理后以5℃/min速度冷却至50℃以下，得到多孔石墨烯粉末。将得到多孔石墨烯粉末与硅烷偶联剂kh-903、硬脂酸和聚对苯二甲酸乙二醇酯按照0.1:0.05:1:98.85重量比混合后送入高速混合机，控制温度250℃～280℃间将混合物注入对应模具中得到壁厚2mm的电池包舱体预制件和舱盖预制件。对预制件进行清洗和烘干，并采用磁控溅射设备在预制件内表面喷碳，形成1μm的导电碳膜。接下来利用喷塑机对喷完碳的表面进行喷塑处理，形成一层约0.5mm厚度的阻燃abs树脂绝缘阻隔层。
64.按照电池模组排布设计，用支架将电芯固定，并在电芯正负极上焊接汇流片形成串并联，得到电池模组；用导线将电池模组、集成电路模块和外部接口按照电路设计图进行连接，组成电池管理系统；将电池模组、电池管理系统、承力杆和电池包舱体壳体和舱盖壳体按照结构设计图进行组装，就能得到所述的太赫兹隐身电池包，在0.2～1.2thz频率范围实现10db以上吸波效果。
65.实施例2
66.电池包呈胶囊状，胶囊直径约152mm，总长度约220mm。为了得到轻质、紧凑、太赫兹隐身的微型无人机电池包，本方案电芯采用三元26650圆柱电芯，按照6并6串方案组成电池模组，支架采用密排耐低温尼龙支架，承力杆为碳纤维增强树脂复合材料，电池管理选用6串25.2v mos开关集成电路模块，电池包外壳采用5mm厚度的多功能石墨烯复合材料。
67.多功能石墨烯复合材料舱体壳体和舱盖壳体制备过程如下：首先将hummer法制备的氧化石墨烯分散于乙二醇中，氧化石墨烯浓度为1mg/ml。将上述氧化石墨烯溶液置于水热反应釜中，反应温度控制为200℃，反应时间为48h，得到还原氧化石墨烯凝胶。将凝胶滤出、无水乙醇冲洗、干燥后，置于高真空热处理炉进行退火处理，真空度控制在1mpa，退火温
度为1500℃，升温速率5℃/min，保温时间5h，退火处理后以5℃/min速度冷却至50℃以下，得到多孔石墨烯粉末。将得到多孔石墨烯粉末与硅烷偶联剂a-150、硬脂酸和聚苯硫醚按照5:0.1:5:89.9重量比混合后送入高速混合机，控制温度260℃～280℃间将混合物注入对应模具中得到电池包舱体预制件和舱盖预制件。对预制件进行清洗和烘干，并采用磁控溅射设备在预制件内表面喷铝，形成10μm的导电铝膜。接下来利用喷塑机对喷完碳的表面进行喷塑处理，形成一层约1mm厚度的阻燃环氧树脂绝缘阻隔层。
68.按照电池模组排布设计，用支架将电芯固定，并在电芯正负极上焊接汇流片形成串并联，得到电池模组；用导线将电池模组、集成电路模块和外部接口按照电路设计图进行连接，组成电池管理系统；将电池模组、电池管理系统、承力杆和电池包舱体壳体和舱盖壳体按照结构设计图进行组装，就能得到所述的太赫兹隐身电池包。
69.实施例3
70.电池包呈胶囊状，胶囊直径约140mm，总长度约220mm。为了得到轻质、紧凑、太赫兹隐身的微型无人机电池包，本方案电芯采用三元18650圆柱电芯，按照6并12串方案组成电池模组，支架采用密排阻燃聚碳酸酯支架，承力杆为碳纤维增强树脂复合材料，电池管理选用12串50.4v mos开关集成电路模块，电池包外壳采用5mm厚度多功能石墨烯复合材料。
71.多功能石墨烯复合材料舱体壳体和舱盖壳体制备过程如下：首先将hummer法制备的氧化石墨烯分散于无水乙醇中，氧化石墨烯浓度为0.5mg/ml。将上述氧化石墨烯溶液置于水热反应釜中，反应温度控制为180℃，反应时间为24h，得到还原氧化石墨烯凝胶。将凝胶滤出、无水乙醇冲洗、干燥后，置于高真空热处理炉进行退火处理，真空度控制在1mpa，退火温度为1000℃，升温速率5℃/min，保温时间4h，退火处理后以5℃/min速度冷却至50℃以下，得到多孔石墨烯粉末。将得到多孔石墨烯粉末与硅烷偶联剂kh-550、甲基硅油和聚对苯二甲酸乙二醇酯按照0.5:0.1:1:98.4重量比混合后送入高速混合机，控制温度250℃～280℃间将混合物注入对应模具中得到电池包舱体预制件和舱盖预制件。对预制件进行清洗和烘干，并采用磁控溅射设备在预制件内表面喷碳，形成5μm的导电碳膜。接下来利用喷塑机对喷完碳的表面进行喷塑处理，形成一层约1mm厚度的阻燃abs树脂绝缘阻隔层。
72.按照电池模组排布设计，用支架将电芯固定，并在电芯正负极上焊接汇流片形成串并联，得到电池模组；用导线将电池模组、集成电路模块和外部接口按照电路设计图进行连接，组成电池管理系统；将电池模组、电池管理系统、承力杆和电池包舱体壳体和舱盖壳体按照结构设计图进行组装，就能得到所述的太赫兹隐身电池包。
73.以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。