淺談直流工具用鋰電池包注塑件結構

房加強

（ 上海電動工具研究所（集團）有限公司　上海電動工具工程技術研究中心，上海　200233 ）

淺談直流工具用鋰電池包注塑件結構

房加強

（ 上海電動工具研究所（集團）有限公司上海電動工具工程技術研究中心，上海200233 ）

從注塑件結構角度淺述直流工具用鋰電池包的結構特點，以內(nèi)置式鋰電池包和外置式鋰電池包的分類、應用特點與外殼分型，結合在實際生產(chǎn)中遇到的問題，分析鋰電池包各注塑件在設計時應注意的相關事項。

鋰電池包；注塑件外殼；結構設計；生產(chǎn)工藝

0　引言

隨著鋰電技術的不斷創(chuàng)新和飛速發(fā)展，越來越多的電動工具、園林工具和家用電器等開始大規(guī)模采用鋰電池包對工具進行直流供電。越來越多的電動工具制造商和相關產(chǎn)品設計、研發(fā)人員逐漸重視直流工具用鋰電池包注塑件的結構設計。本文試從注塑件的結構方面對直流工具用鋰電池包進行分析與探討。

1　概述

直流工具用鋰電池包的核心部件是鋰電池和連接片。為獲得更高的功率、實現(xiàn)更好的保護功能，還應滿足電池包在機械強度、電氣接口、安全和外觀造型等方面的要求，可選擇性地為鋰電池包增加注塑件（殼體、按鈕、電池支架、PCB板支架、輸出端支座）、PCB板、輸出端子、絕緣材料、緊固螺釘和彈簧等。

2　分類

考慮直流工具在產(chǎn)品造型、結構空間、使用環(huán)境和產(chǎn)品本身性能等方面的差異，與其配套的電池包也會有不同的設計。從電池包與工具的配合方式分析，電池包可分為內(nèi)置式和外置式兩種。內(nèi)置式電池包有三種類型：單節(jié)電池內(nèi)置式電池包、塑封裝內(nèi)置式電池包和注塑殼體裝內(nèi)置式電池包；外置式電池包同樣分三種類型：直插式外置鋰電池包、推拉式外置鋰電池包和背包式外置電池包。推拉式外置鋰電池包外殼分單分型面和多分型面兩類。見圖1。

圖1 鋰電池包分類

2.1 內(nèi)置式電池包

內(nèi)置式電池包通常隱藏于工具殼體內(nèi)部，使用者不可拆卸。這類電池包沒有與工具端配合的輸出端子，但在電池包的正負極引出兩根導線，或通過固定錫焊或通過快速接口方式連接工具端為其供電。該類電池包通常有導線引出連接DC充電接口，固定在工具殼體上。

1）單節(jié)電池內(nèi)置電池包

該類電池包僅有一節(jié)18650鋰電池和兩個連接片，沒有任何注塑件，也沒有PCB板。電池包放電保護和充電保護通常集成到工具端，采用直流適配器進行充電。單節(jié)電池內(nèi)置電池包，多見于體積小巧、小功率型工具，通過工具注塑件上的結構筋位，卡裝在工具內(nèi)，如螺絲刀，見圖2。

圖2 單節(jié)電池內(nèi)置式電池包

2）塑封裝內(nèi)置電池包

塑封裝內(nèi)置電池包沒有注塑件殼體，使用熱縮套管進行塑封。塑封裝內(nèi)置電池包可做到整個電池包沒有任何注塑件，但是若此類電池包內(nèi)含18650鋰電池數(shù)量過多，或電池排列方式比較復雜或有特殊形狀要求，會增加一個電池支架，以保證電池排列緊實和規(guī)則。該類電池包的放電保護多數(shù)集成到鋰電池包內(nèi)的PCB板上，一般通過外配的充電器實現(xiàn)電池包的充電保護等。塑封裝內(nèi)置電池包，一般通過工具注塑件上的結構筋位，卡裝在工具內(nèi)。多數(shù)交流工具改直流工具時會采用這種電池包，以節(jié)省前期模具投入成本，見圖3。

圖3 塑封裝內(nèi)置式電池包

3）注塑殼體裝內(nèi)置電池包

注塑殼體裝內(nèi)置電池包，顧名思義是該類電池包有根據(jù)電池排列形狀設計的注塑件殼體。注塑件殼體通常根據(jù)直流工具的空間結構、使用環(huán)境以及電池排列形狀等進行設計，以實現(xiàn)對鋰電池的保護。通常此類電池包注塑件殼體的造型設計和結構設計，可保證電池排列緊實和規(guī)則，但電池包內(nèi)含18650鋰電池數(shù)量過多或電池排列方式比較復雜或有特殊形狀要求，需要增加一個電池支架，來保證電池排列緊實和規(guī)則。該類電池包的注塑件殼體內(nèi)通常有PCB板，實現(xiàn)對電池包的放電保護等功能，充電保護一般通過外配的充電器實現(xiàn)。注塑殼體裝內(nèi)置式電池包在工具內(nèi)的固定方式有兩種，一是通過工具注塑件上的結構卡裝；二是通過自攻螺釘緊固，見圖4。

圖4 注塑殼體裝內(nèi)置式電池包

2.2 外置式電池包

從使用者的角度分析，外置式電池包的最大特點是可以直接看到并觸摸到電池包，電池包有自己獨特造型的注塑件殼體，擁有和直流工具一致的造型風格。外置式電池包，均可脫離于直流工具進行充電，電池包內(nèi)含有一個PCB板，或是轉接板，或是保護板。通常保護板的外形尺寸大于轉接板的外形尺寸。

常規(guī)外置式電池包采用將放電保護集成到電池包內(nèi)PCB板上、充電保護集成到充電器的設計方案，適用于一臺工具配一個電池包和一個充電器。“一機、一包、一充”，是多數(shù)電動工具制造企業(yè)的經(jīng)典搭配。

放電保護和充電保護全都集成在電池包內(nèi)PCB板上的外置式電池包，全功能PCB保護板使電池包的價格較高，但與其配套的充電器的價格會降低。如果一個充電器和一個電池包需要配套一系列的工具，即“多機、一包、一充”，適合采用這樣的設計方案。

將放電保護集成到工具端，充電保護集成到充電器的外置式電池包，電池包內(nèi)的PCB板是沒有任何保護功能的轉接板，電池包價格成本會低很多，適用于一臺工具配套多個電池包和一個充電器，即“一機、多包、一充”，適用于長時間戶外工作的工具。

1）直插式外置電池包

直插式外置電池包，其超過一半的殼體包裹在直流工具殼體內(nèi)，通過彈性卡扣鎖牢與工具進行配合。直插式的配合方式，工具整體設計小巧緊湊。因電池數(shù)量少，體積小，多數(shù)10.8 V（3S1P）鋰電池包和14.4 V（4S1P）鋰電池包采用直插式設計。設計時，電池包殼體一半包裹在工具注塑件殼體內(nèi)，一半顯現(xiàn)在外，電池呈“T”型排列。出于保持同一系列工具整體造型一致性或通用同一套工具注塑件外殼等因素考慮，也可將18 V（5S1P）鋰電池包同樣采用直插式設計，類似于10.8 V（3S2P）和14.4 V（4S2P）鋰電池包的“T”造型，但復雜化了電池包的內(nèi)部結構和生產(chǎn)工藝，見圖5。

圖5 直插式外置電池包

2）推拉式外置電池包

推拉式電池包，外殼幾乎全部顯現(xiàn)在外，可配合工具本體做造型設計，添加公司特有的設計元素，凸顯風格。多數(shù)鋰電池包與工具的配合方式是推拉式。

平臺化設計時，為了通用電池包上蓋，鋰電池包同時設計成抽屜式，可通用同一套電池包注塑件。減少模具數(shù)量，降低成本的同時還便于倉庫物料管理，見圖6。

圖6 推拉式外置電池包

3）背包式外置電池包

所謂背包式外置電池包，即電池包可裝入背包袋，電池包不是直接通過端插片配合為工具供電，而是在上述兩種外置式電池包的基礎上，外加一條電纜導線，一端連接工具，一端連接電池包。電纜導線通常由直流工具的尾端引出，像交流工具的電源線一樣拖在外面，區(qū)別在于直流工具的電纜導線尾端是與電池包輸出端配合的插座。即“一機、多包、一充”，適用于長時間戶外作業(yè)的工具。

3　外殼分型

鋰電池包的外殼主要對鋰電池組起到一定的包裹、緊固和保護作用。除此之外，電池包的造型和工業(yè)設計展現(xiàn)了公司理念和追求。從電池包分型面角度分析，部分電池包為單分型面設計，或呈上下分型，或呈左右分型；部分電池包為多分型面設計，上下分型之后，再做兩次左右分型。單分型面電池包外殼通常采用四個自攻螺釘進行緊固，而多分型面的電池包外殼一般采用八個自攻螺釘進行緊固。

無論是單分型面設計還是多分型面設計，都要保證自攻螺釘孔的結構強度，以免在緊固自攻螺釘時發(fā)生螺釘孔開裂現(xiàn)象，或放置一段時間后應力釋放致使螺釘孔開裂，影響電池包外殼的連接強度。另外，在對電池包外殼做分型處理時，應在兩個注塑件的配合處適當設計美工縫，防止在緊固螺釘后對接間隙不一致，影響電池包外觀。

1）上下分型外殼

上蓋與工具端通過結構配合牢固，可防止在使用中振動松脫；下蓋為腔體設計，包裹電池組。目前市場上多數(shù)鋰電池包都采用這種分型方式，結構簡單，組裝方便，見圖7。

圖7 上下分型外殼

2）左右分型外殼

左右分型電池包外殼一般為左右平分，由于該類電池包整體結構較復雜，且生產(chǎn)工藝繁瑣，市場較為少見，見圖8。

圖8 左右分型電池包外殼

3）多分型面外殼

最常見的多分型面電池包外殼，即三個分型面，電池包分成上蓋、下蓋、左側蓋或右側蓋。上蓋與工具端配合，下蓋通常既是電池包殼體，既是電池支架也是PCB板支架，三者設計為一體。一體化設計，只需要一個注塑模具，即可降低成本簡化生產(chǎn)工藝，又可以增強機械強度，提高電池包的可靠性，見圖9。

圖9 多分型面電池包外殼

4　其它注塑件

相較內(nèi)置式電池包，外置式電池包擁有更多的注塑件，除了必備的注塑件殼體，外置式電池包還可選擇性的添加其它的注塑件，比如按鈕、電池支架、PCB板支架、輸出端支座等。

1）按鈕

幾乎所有的外置式鋰電池包都有按鈕。沒有按鈕的外置式鋰電池包，必然有其它彈性機構。按鈕通常和彈簧組合使用，配合電池包上蓋以保證電池包和工具配合牢靠。在設計按鈕時，應考慮：彈簧受力點的位置；彈簧的導向；按鈕卡扣高出電池包上蓋的距離。見圖10。

圖10 電池包按鈕

2）電池支架

多數(shù)外置式電池包都有電芯支架，一是保證電池排列規(guī)則緊湊，二是提高電池包的抗震性，更好的保護電池。電池支架有兩種設計，一是一個整體支架，二是兩個對稱支架；可設計成半包裹電池端部，亦可設計成全包裹電池端部。相較而言，半包裹支架對電池的固定效果低于全包裹支架，尤其是在生產(chǎn)過程中，半包裹支架的電池組經(jīng)常松散影響生產(chǎn)效率。從生產(chǎn)的角度分析，全包裹（對稱）支架對電池的固定效果最好。雖然全包裹（對稱）支架是兩個件，但總是配對使用，因此可以為這兩個支架設計一個注塑模具，一次注塑成型兩個件，見圖11。

圖11 電池支架

3）PCB板支架

PCB板支架用來固定PCB板，同時起到隔離PCB板與電池作用，防止PCB板上的錫焊點或元器件刺破電池，以免造成損害。一般PCB板支架和電池支架呈一體，少開一個注塑模具，既降低成本，又增強機械強度，提高電池包的可靠性。在設計PCB板支架時，應注意PCB板的定位和緊固，一般采用對角定位、對角打自攻螺釘?shù)脑O計；同時，還應做防呆設計，避免PCB板位置反向所造成的短路，增加損耗，影響生產(chǎn)效率，見圖12。

圖12 PCB板支架

4）輸出端支座

輸出端支座用以固定端片或插片，同時起到隔離保護的作用（相鄰端片間的隔斷不影響端片開口的開閉），防止電池包在輸出端短路。電池包內(nèi)的輸出端為端片或插片，多為端片。并不是所有的電池包都配有輸出端支座，但如果采用插片做電池包的輸出端，通常要配套輸出端支座。如果輸出端是兩個分部間距較大的端片，可不必采用輸出端支座，但端片的設計應當確保端片錫焊在PCB板后有足夠的連接強度。

輸出端支座的底部通常應設計定位柱，裝配時，定位柱穿過PCB板，對輸出端起到一定的緊固作用。對于工作電流較大且高頻震動的工具，可將配套鋰電池包的輸出端子，通過自攻螺釘緊固于電池包上蓋，用導線連接PCB保護板和輸出端子，對PCB保護板起到更好的保護功能，見圖13。

圖13 電池包輸出端

5　結語

本文從注塑件結構的角度，簡單分析直流工具用內(nèi)置與外置鋰電池包的結構特點以及設計時需要注意的問題。直流工具用鋰電池包的結構設計不僅應考慮產(chǎn)品造型、結構空間、使用環(huán)境和產(chǎn)品本身性能等多方面問題，還應提前考慮到后續(xù)生產(chǎn)過程中的工藝。未來鋰電工具和鋰電池包的發(fā)展趨勢如何，還需要行業(yè)同仁進一步研究和探討。

［1］房加強，李海英，施兆良，等.直流工具用鋰電池包結構要點分析與探討［J］.電動工具，2014（6）.

［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］趙慧勇，羅永革，楊啟超.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）.

Analysisi and Discussion on Structure of Plastic Part for Lithium Battery Pack

Fang Jiaqiang
SETRI （Group） Co.， Ltd. Shanghai Electric Tools Engineering Center， Shanghai 200233， China

From the view of the structure of plastic part， this paper analyzes the structural characteristics of the lithium battery pack comprehensively on the market. Based on the application and enclosure type of the built-in lithium battery pack and external lithium battery pack， combined with the problems encountered in the actual production， this paper analyzes the matters what should be pay attention to in the design of the plastic parts of lithium battery pack.

Lithium battery pack； Plastic shell； Structure design； Production process

TM910.2 文獻標示碼：A

1674-2796（2016）03-0003-06

2016-03-22

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