直流工具用鋰電池包結構要點分析與探討

房加強 李海英 施兆良 凌建平

（ 上海電動工具研究所，上海 200031 ）

直流工具用鋰電池包結構要點分析與探討

房加強 李海英 施兆良 凌建平

（ 上海電動工具研究所，上海 200031 ）

從鋰電池成組技術的角度，結合實際生產工藝，探討分析18650鋰電池包各結構件在設計和生產過程中應注意把握的技術關鍵點，闡述結構設計和電池管理系統(tǒng)對鋰電池包使用性能的影響。

18650鋰電池 電池成組技術 點焊 鋰電池包 結構設計

0 引言

隨著電池技術的不斷創(chuàng)新和改進，動力電池已從傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池發(fā)展到如今的鎳氫電池,鈷酸鋰,錳酸鋰,磷酸鐵鋰等先進的綠色動力電池。18650鋰電池是一種應用廣泛的綠色動力電池，在比能量、比功率、安全性、可靠性、循環(huán)壽命等方面都取得了很大的進步。

近年來，越來越多的電動工具、園林工具和家用電器（如圖1所示）等工具由交流供電、柴油機（園林工具）演變?yōu)橛芍绷骺沙潆娛戒囯姵匕╇姡嚓P制造企業(yè)和機構對鋰電池包的研究也隨之增多，但主要是集中在鋰電池管理系統(tǒng)的研究，相對于鋰電池包結構研究卻不多見。本文主要針對18650鋰電池包的結構關鍵點進行分析與探討。

圖1 常見電池式電動工具、園林工具和家用電器

1 概述

18650鋰電池是一種標準型號的鋰電池(如圖2所示)，其中：18表示直徑為18 mm，65表示長度為65 mm，0表示圓柱形電池。常見的18650電池分為鋰離子電池、磷酸鐵鋰電池。

圖2 常見的18650鋰電池

18650鋰電池相對于傳統(tǒng)鉛酸電池和鎳氫電池具有如下優(yōu)點：

1）單節(jié)電芯體積與重量適中，便于組合；

2）單節(jié)電芯的工作電壓高達3.6～4.2 V，同等供電條件下減少了電池組合的數(shù)量，同時降低了電池組中由于單節(jié)電芯的電壓差造成故障的概率；

3）電芯組合數(shù)量的減少使得電池組合體中連接片的數(shù)量減少，降低了電池組的內阻，減少自身消耗，延長電池組的使用時間；

4）能量密度高，能量效率高，自放電率小，無任何記憶效應；

5）可以大電流充放電；

6）循環(huán)壽命長，可循環(huán)充電1000次以上；

7）不含重金屬及有毒物質，不污染環(huán)境，是真正的綠色電源。

2 成組技術

鋰電池組是提供工具電能的一個或多個鋰電池的組合，通過連接片以串聯(lián)或并聯(lián)或串并聯(lián)并存的方式，在有或無支架支撐的情況下，采用電阻點焊方式對連接片進行焊接組合。18650鋰電池用于充電式工具中，即以電池組的形式呈現(xiàn)。由單節(jié)18650鋰電池加工成18650鋰電池組的技術稱為鋰電池成組技術，18650鋰電池、連接片和點焊是鋰電池成組技術的三大要素。

一般情況下，電池組的使用性能會較單節(jié)電芯的優(yōu)良性能有所降低，其主要因素有：

1）電池組中各節(jié)電芯的一致性

受電芯生產廠商所用材料和工藝等因素的影響,電芯內阻無法做到完全相同,因此它們的性能也很難達到一致。通過點焊成組前的電芯分選可以保證同一電池組中各節(jié)電芯的電壓和內阻的差異最小化，從而保證電池組中各節(jié)電芯的一致性。

2）電池組的使用壽命

雖然電池組中的電芯在點焊前經過分選，但也無法保證電芯在經過多次充放電循環(huán)后仍保持電壓、內阻、容量的一致性，從而降低電池組整體的使用壽命。合理有效的電池管理系統(tǒng)可以延長電池組的使用壽命。

3）電池成組過程中成組技術

18650鋰電池成組技術在結構方面大致包括電池包殼體、電池支架、連接片和點焊技術等方面。連接片的材料與型式的選用、連接方式、點焊方式等都會影響電池組的使用性能。

3 結構分析

電池包的結構設計必須滿足以下要求：

1）機械強度

設計的電池包應通過振動、沖擊和自由跌落等型式試驗要求,以保證電池包使用可靠性。

2）安全要求

電池包的結構設計應符合安規(guī)基本要求，如絕緣要求、防止異物進入、基本防塵等。

3）接口

所有電氣接口和機械接口應在安全、可靠的前提下滿足國家和行業(yè)的相關技術標準要求。

圖3 鋰電池包結構組成圖

基于上述要求，構成一個完整的鋰電池包主要包括：殼體、鋰電池組（包含電芯、支架、連接片）、PCB板、輸出端子、絕緣材料、緊固螺釘和標簽或噴碼等，如圖3所示。各部分作用和設計要點如下：

1）殼體

牽引采煤機是煤礦資源開發(fā)利用中最重要的機電設備，是有機械、電氣、液壓等為一體的大型的復雜機電系統(tǒng)。在牽引采煤機中引入電牽引技術，不僅顯著提高了采煤機的工作動力，提升了采煤機的穩(wěn)定性能，還有效減少了采煤機發(fā)生故障的頻率。與傳統(tǒng)的液壓牽引技術相比，電牽引技術提高了采煤機的工作性能和安全性能，增強了采煤機的控制性能，實現(xiàn)了自動化控制的目的。

電池包殼體的造型和工具本體的風格基本保持一致。通常，電池包殼體和工具殼體同時進行造型設計。殼體大小和形狀主要由電池排列方式決定。電池包殼體對鋰電池組起一定的包裹、緊固和保護作用，合理的殼體設計還必須考慮散熱功能的通路設計。

2）電池支架

電池支架的主要作用：緊固電芯以及為PCB板支撐定位。支架的形式取決于電池的排列方式。由于不同品牌不同型號的18650電芯的直徑略有差異，最小為18.0 mm，最大為18.5 mm，所以在設計支架內徑時應注意所使用電池的直徑尺寸范圍。電池組是多節(jié)電芯通過一定方式串并聯(lián)而成，在組裝時不允許搞錯極性，為防止生產過程中發(fā)生連接錯誤，一般電芯支架會有防呆設計。

3）連接片

連接片主要起到單節(jié)電芯間的電連接作用，同時把電池、支架和PCB板三者緊緊地連接在一起。連接片的材質、截流面積和結構形式是連接片設計時主要考慮的三大要素。在采用凸點電阻點焊時，連接片凸點的形狀和高度直接影響到點焊效果。

電池組連接片設計應盡量避免以下情況：連接片疊焊，導致電池組無效損耗增加，影響電池包使用壽命；直接在電芯端面連接片上錫焊引出導線，焊線時使電芯受熱，對電芯產生不良影響。

4）PCB板

PCB板是電池組通向電池包外部的通道。電池組連接片需接到PCB板上，連接方式有穿孔焊、趴焊和導線連接三種：穿孔焊即連接片穿過PCB板對應位置插孔錫焊到PCB板上；趴焊即連接片從PCB板外側折彎后錫焊到PCB板上；導線連接即連接片通過導線錫焊到PCB板上。就連接強度來看，穿孔焊的連接強度優(yōu)于趴焊；就加工工藝來看，前兩種連接方式的便捷性都好于第三種連接方式。為防止錯誤接入電芯極性，并提高裝配速度，PCB板可結合連接片和支架做防呆設計。

5）輸出端子

輸出端子是電池包與工具或充電器的電氣連接端口。截流面積和彈性預緊力是輸出端子的兩大主要考核指標。輸出端子彈性差會產生電氣接觸不良現(xiàn)象，并且輸出端子與PCB板的連接強度也會影響實際使用效果。一般采用機械強度高、耐腐蝕、導電性能好的磷青銅材質。

6）絕緣材料

絕緣材料主要起兩方面作用，一是隔離保護電芯，防止電芯間短路，起到安全防護作用；二是起到填充、緩沖的作用。

合理的電池包殼體結構設計，可減少絕緣材料的使用，減少成本的同時也優(yōu)化組裝工藝，有利于降低整個電池包的制造成本。

7）其它

電池包外部Logo的設計可以彰顯品牌形象和風格特征；裝配用螺釘一般選用自攻螺釘標準件，也可選用防拆螺釘，一般使用者不可隨意拆卸電池包。

4 結語

本文主要從鋰電池組成組技術的角度，分析和探討了鋰電池包各結構部件在設計時應該注意的關鍵點，強調鋰電池包結構部件設計和鋰電池管理系統(tǒng)對鋰電池包使用性能的影響同等重要，使鋰電池包性能考核指標更加全面。設計、生產、制造一個合格、安全、性能優(yōu)越的鋰電池包，僅有一個好的鋰電管理系統(tǒng)遠遠不夠，還必須要有合理的結構設計，才能發(fā)揮鋰電池的優(yōu)良性能，從而提高電池包的安全性、可靠性，以期達到更好的使用效果。

[1]趙慧勇，羅永革，楊啟超等．車載鎳氫電池管理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J]．湖北汽車工業(yè)學院學報，2004，18．

[2]王林．電動汽車磷酸鐵鋰動力電池系統(tǒng)集成及管理系統(tǒng)研究[D]．上海：上海交通大學，2010．

[3]譚易．動力型鋰電池成組技術研究[D]．武漢：武漢理工大學，2013．

Analysis and Discussion of Cordless Tools Lithium Battery Pack Structure Points

Fang Jiaqiang Li Haiying Shi Zhaoliang Ling jianping

( Shanghai Electrical Tool Research Institute, Shanghai 200031, China )

From a point of lithium battery group technology, combined with the actual production process, analysis and discussion on key technical points of 18650 lithium battery pack for each structure in the design and production process, to explain the structural design and battery management system designed to impact on the performance of lithium battery pack.

18650 lithium battery Battery group technology Spot welding Lithium battery pack Structural design

TM910.6

A

1674-2796(2014)06-0014-04

2014-10-15

房加強（1989—），男，碩士，主要從事電動工具產品開發(fā)設計和制造工作及鋰電池成組技術研究。