一種電池包充放電溫度調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計(jì)

李孝忠

（ 浙江亞特電器有限公司，浙江 嘉興 314009 ）

一種電池包充放電溫度調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計(jì)

李孝忠

（ 浙江亞特電器有限公司，浙江 嘉興 314009 ）

針對(duì)電池包內(nèi)電芯正常工作溫度范圍限制問(wèn)題，思考并設(shè)計(jì)一種電池包充、放電溫度調(diào)節(jié)裝置，利用半導(dǎo)體制冷片的雙向溫度功能，加上風(fēng)扇、風(fēng)路導(dǎo)向板、熱收縮管等部件，同時(shí)，將電池包上、下蓋設(shè)計(jì)成散熱和加溫兩個(gè)獨(dú)立風(fēng)路導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，結(jié)合電芯溫度的多段檢測(cè)及半導(dǎo)體制冷片雙向溫度調(diào)節(jié)功能和風(fēng)扇的控制，實(shí)現(xiàn)電池包在超出正常工作溫度范圍時(shí)進(jìn)行正常充、放電工作。

電池包；充電；放電；溫度；控制

0 引言

電動(dòng)工具按供電方式不同區(qū)分為交流和直流兩大類(lèi)。交流電動(dòng)工具價(jià)格低廉，但應(yīng)用場(chǎng)合受限，在遠(yuǎn)離供電電源的場(chǎng)所即無(wú)法使用。直流電動(dòng)工具價(jià)格相對(duì)較高，雖然電池包電能有限，但使用場(chǎng)合得到了大幅拓展，靈活性較高。隨著充電式電池科技的進(jìn)階發(fā)展，電池比能量、比功率不斷提高，配合行業(yè)內(nèi)無(wú)刷電機(jī)的廣泛應(yīng)用，以鋰離子電池為動(dòng)力源的充電式電動(dòng)工具市場(chǎng)占有率快速提升。本文針對(duì)電池包充、放電溫度調(diào)節(jié)裝置提出一種設(shè)計(jì)思路，達(dá)到快速調(diào)節(jié)溫度的設(shè)想。

1 概述

以鋰離子電池為動(dòng)力源的充電式電動(dòng)工具相比采用鉛酸電池、鎳鉻電池、鎳氫電池等工具而言，其質(zhì)量能量比更高，但由此帶來(lái)的安全問(wèn)題也逐漸引起行業(yè)人士注意。鋰電池是電化學(xué)產(chǎn)品，使用過(guò)程中受環(huán)境影響較大，尤其是在溫度方面。

低溫環(huán)境下，電芯內(nèi)部物質(zhì)活性低，充、放電時(shí)反應(yīng)速度慢，充電接受能力差，充電不足；放電能力差，電池包使用時(shí)間短，工具工作無(wú)力；過(guò)低的溫度致使電芯內(nèi)產(chǎn)生不可逆硫酸，較大程度降低電池包的使用壽命。

為使電芯安全和性能得以保證，通常在電池包中設(shè)置充、放電溫度保護(hù)功能。當(dāng)電芯表面溫度超過(guò)設(shè)定的允許溫度范圍，電池包被控制線(xiàn)路保護(hù)，停止充電或放電，直至電芯表面溫度處在線(xiàn)路保護(hù)設(shè)定的允許范圍內(nèi)。

為解決環(huán)境溫度對(duì)電池包正常工作的影響，一些制造商對(duì)電池包設(shè)置了冷卻裝置，加快冷卻電芯便于降溫后再次充電或放電，但這只解決了高溫的問(wèn)題，在低溫環(huán)境下，仍然不能有效進(jìn)行充、放電。

2 設(shè)計(jì)方案

所設(shè)計(jì)的電池包的充、放電溫度調(diào)節(jié)裝置，主要包括電池包上蓋、電池包按鈕、電池組件、進(jìn)風(fēng)導(dǎo)向板、半導(dǎo)體制冷片、電池包下蓋、出風(fēng)導(dǎo)向板、風(fēng)扇等。圖1所示為電池包結(jié)構(gòu)分解。圖2所示為電池包裝配結(jié)構(gòu)（電池包上、下蓋經(jīng)過(guò)了半透明處理）。

圖1 電池包結(jié)構(gòu)分解

圖2 電池包裝配結(jié)構(gòu)

2.1 結(jié)構(gòu)

電池包內(nèi)部設(shè)置有半導(dǎo)體制冷片，半導(dǎo)體制冷片的正、負(fù)極分別與電池組件上的PCB控制線(xiàn)路相連。進(jìn)風(fēng)導(dǎo)向板和出風(fēng)導(dǎo)向板分別處在電池組件的兩側(cè)，通過(guò)膠釘分別被固定在電池組件的電池支撐架上，并且進(jìn)風(fēng)導(dǎo)向板同時(shí)也處在半導(dǎo)體制冷片和電池組件之間。進(jìn)風(fēng)導(dǎo)向板、出風(fēng)導(dǎo)向板上均布有通風(fēng)孔，電池組件中的電芯支撐架也設(shè)有大量通風(fēng)孔，通風(fēng)孔對(duì)應(yīng)電池組件內(nèi)的電芯正、負(fù)極軸向，與電芯間間隙相通。進(jìn)風(fēng)導(dǎo)向板、電池組件和出風(fēng)導(dǎo)向板被熱收縮管一同包縮?。ㄒ?jiàn)圖3），從而形成了一個(gè)完整的單向進(jìn)、出風(fēng)通路。電池包中的內(nèi)置風(fēng)扇的正、負(fù)極，分別與電池組件上的PCB控制線(xiàn)路相連。電池包按鈕、電池組件、進(jìn)風(fēng)導(dǎo)向板、半導(dǎo)體制冷片、出風(fēng)導(dǎo)向板、風(fēng)扇等部件定位在電池包下蓋內(nèi)，通過(guò)螺釘將上、下蓋緊固組合。

圖3 各組件經(jīng)熱收縮管包縮

2.2 特點(diǎn)

本方案具有以下特點(diǎn)：

1）所使用的半導(dǎo)體制冷片具有雙向溫度調(diào)節(jié)功能，通正向電流時(shí)，正面制冷、背面發(fā)熱，通反向電流時(shí)，正面發(fā)熱、背面制冷。

2）進(jìn)風(fēng)導(dǎo)向板、出風(fēng)導(dǎo)向板上均布通風(fēng)孔，可保障電池組件內(nèi)的電池間通風(fēng)量均勻。

而這些數(shù)據(jù)卻為新技術(shù)的應(yīng)用提供了豐富的原始素材，通過(guò)對(duì)海量數(shù)據(jù)的整理和學(xué)習(xí)，從數(shù)據(jù)延伸為模型，進(jìn)而形成病蟲(chóng)害自動(dòng)識(shí)別、統(tǒng)計(jì)分析、可視化趨勢(shì)、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)等功能系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)病蟲(chóng)害的智能化分析和精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，徹底實(shí)現(xiàn)科學(xué)、綠色防控，為宏觀決策提供科學(xué)依據(jù)。

3）具備一個(gè)完整的風(fēng)路導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，電池組件中的每個(gè)電芯四周，通過(guò)電芯支撐架被隔離出間隙；進(jìn)入熱收縮管內(nèi)風(fēng)路的空氣，除可調(diào)節(jié)電池溫度外，還可較好調(diào)節(jié)控制線(xiàn)路板上電子組件溫度。

4）所設(shè)置的風(fēng)扇可將電池包通風(fēng)道內(nèi)的空氣排出電池包。

5）電池包上、下蓋組合后，形成了兩條不互通的風(fēng)路：從電池包外部進(jìn)風(fēng)口、半導(dǎo)體制冷片（正面區(qū)域）、進(jìn)風(fēng)導(dǎo)向板、電池組件、出風(fēng)導(dǎo)向板、風(fēng)扇，經(jīng)出風(fēng)口至電池包外部的封閉性風(fēng)路；從電池包外部的進(jìn)風(fēng)口、半導(dǎo)體制冷片（背面區(qū)域)、風(fēng)扇，經(jīng)出風(fēng)口至電池包外部的封閉性風(fēng)路。

圖4所示為電池包剖視圖。

圖4 電池包剖視圖

2.3 實(shí)施

以三星 INR18650-20Q鋰電池為例，說(shuō)明設(shè)有充、放電溫度調(diào)節(jié)裝置的電池包在低溫和高溫環(huán)境下的充放電過(guò)程。

三星 INR18650-20Q鋰電池的最佳充、放電溫度為25℃左右，當(dāng)鋰電池處于放電狀態(tài)時(shí)，電芯供應(yīng)商對(duì)電芯表面的推薦允許溫度是-20℃～60℃；當(dāng)鋰電池處于充電狀態(tài)時(shí)，電芯表面的推薦允許溫度是0℃～45℃。

1）電池包在低溫環(huán)境下的放電

當(dāng)環(huán)境溫度低于-20℃時(shí)，電池包內(nèi)部控制線(xiàn)路感應(yīng)元件檢測(cè)到電芯表面低于-20℃，即啟動(dòng)低溫保護(hù)線(xiàn)路，停止放電。將電池包插入充電器中，充電器與電源相連，此時(shí)的電池包內(nèi)部電芯受控制線(xiàn)路低溫保護(hù)。同時(shí)，控制線(xiàn)路啟動(dòng)半導(dǎo)體制冷片線(xiàn)路和風(fēng)扇線(xiàn)路。制冷片線(xiàn)路啟動(dòng)后，半導(dǎo)體制冷片通反向電流，使靠近電池一側(cè)的制冷片表面（此定義為制冷片正面），快速發(fā)熱升溫，背向電芯一側(cè)的制冷片表面（此定義為制冷片背面）則快速制冷。在通往電池組件的風(fēng)路上，電池包外的空氣從制冷片下的進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入電池包內(nèi)部，流經(jīng)制冷片正面的制熱面，帶走制熱面上的熱量，穿過(guò)進(jìn)風(fēng)導(dǎo)向板孔，進(jìn)入電池組件內(nèi)部，傳遞至電芯，然后繼續(xù)穿過(guò)出風(fēng)導(dǎo)向板，最終由風(fēng)扇排出電池包。在通過(guò)制冷片背面的風(fēng)路上，電池包外的空氣從制冷片下的進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入電池包內(nèi)部，流經(jīng)制冷片的制冷面，將熱量傳遞至制冷面，然后由風(fēng)扇排出電池包。隨著半導(dǎo)體制冷片線(xiàn)路和風(fēng)扇線(xiàn)路的工作，當(dāng)控制線(xiàn)路上的感應(yīng)元件，檢測(cè)到電池表面高于-20℃后，電池包控制線(xiàn)路即解除低溫保護(hù)，電池包對(duì)外放電。放電過(guò)程中，電芯溫度升高，當(dāng)控制線(xiàn)路上的感應(yīng)元件檢測(cè)到電芯表面高于0℃后，半導(dǎo)體制冷片線(xiàn)路和風(fēng)扇線(xiàn)路即停止工作。

2）電池包在低溫環(huán)境下的充電

當(dāng)環(huán)境溫度低于0℃時(shí)，電池包內(nèi)部控制線(xiàn)路感應(yīng)元件檢測(cè)到電芯表面低于0℃，控制線(xiàn)路即對(duì)電池包進(jìn)行低溫保護(hù)，停止充電。將電池包插入充電器中，充電器與電源相連，此時(shí)的電池包內(nèi)部，電芯受控制線(xiàn)路低溫保護(hù)。同時(shí)，控制線(xiàn)路啟動(dòng)半導(dǎo)體制冷片線(xiàn)路和風(fēng)扇線(xiàn)路，半導(dǎo)體制冷片通反向電流，流經(jīng)制冷片正面的空氣將制冷片正面產(chǎn)生的熱量傳遞至電池組件的電池。隨著半導(dǎo)體制冷片線(xiàn)路和風(fēng)扇線(xiàn)路的工作，當(dāng)控制線(xiàn)路感應(yīng)元件檢測(cè)到電池表面高于0℃后，電池包控制線(xiàn)路即解除低溫保護(hù)，對(duì)電池包充電。此時(shí)，電芯溫度升高。當(dāng)控制線(xiàn)路感應(yīng)元件檢測(cè)到電池表面高于10℃后，半導(dǎo)體制冷片線(xiàn)路和風(fēng)扇線(xiàn)路即停止工作。

3）電池包在高溫環(huán)境下的放電

當(dāng)電池包內(nèi)控制線(xiàn)路感應(yīng)元件檢測(cè)到電池表面高于60℃后，控制線(xiàn)路對(duì)電池包進(jìn)行高溫保護(hù)，電池包停止放電。將電池包插入充電器中，充電器與電源相連，此時(shí)的電池包內(nèi)部，受控制線(xiàn)路高溫保護(hù)。同時(shí)，控制線(xiàn)路啟動(dòng)半導(dǎo)體制冷片線(xiàn)路和風(fēng)扇線(xiàn)路，制冷片通正向電流，使制冷片正面快速制冷降溫，制冷片背面快速發(fā)熱升溫。電池包外的空氣通過(guò)風(fēng)路，從制冷片下的進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入，流經(jīng)制冷片制冷面冷卻后，穿過(guò)進(jìn)風(fēng)導(dǎo)向板孔進(jìn)入電池組件內(nèi)部冷卻電芯，繼而穿過(guò)出風(fēng)導(dǎo)向板，最終由風(fēng)扇排出電池包。在通過(guò)背向電池一側(cè)的制冷片表面風(fēng)路上，電池包外的空氣從制冷片下的進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入電池包內(nèi)部，流經(jīng)制冷片的制熱面帶走熱量，后由風(fēng)扇排出電池包。當(dāng)控制線(xiàn)路感應(yīng)元件檢測(cè)到電芯表面低于60℃后，電池包的控制線(xiàn)路解除高溫保護(hù)，可繼續(xù)放電。當(dāng)控制線(xiàn)路上的感應(yīng)元件檢測(cè)到電芯表面低于50℃后，半導(dǎo)體制冷片線(xiàn)路和風(fēng)扇線(xiàn)路即停止工作。

4）電池包在高溫環(huán)境下的充電

當(dāng)電池包內(nèi)控制線(xiàn)路感應(yīng)元件檢測(cè)到電芯表面高于45℃后，控制線(xiàn)路對(duì)電池包進(jìn)行高溫保護(hù)，停止充電。將電池包插入充電器中，充電器與電源相連，此時(shí)的電池包內(nèi)部，電池在受控制線(xiàn)路高溫保護(hù)。同時(shí)，控制線(xiàn)路啟動(dòng)半導(dǎo)體制冷片線(xiàn)路和風(fēng)扇線(xiàn)路，經(jīng)制冷片冷卻的空氣冷卻電池組件的電芯。當(dāng)電芯表面低于45℃后，電池包的控制線(xiàn)路解除高溫保護(hù)，繼續(xù)充電。當(dāng)控制線(xiàn)路上的感應(yīng)元件，檢測(cè)到電芯表面低于35℃后，半導(dǎo)體制冷片線(xiàn)路和風(fēng)扇線(xiàn)路即停止工作。

3 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)的電池包充放電溫度調(diào)節(jié)裝置，主要利用充電器提供的電能，控制半導(dǎo)體制冷線(xiàn)路和風(fēng)扇線(xiàn)路，將電池包內(nèi)的電芯溫度，控制到可進(jìn)行正常充、放電工作的溫度范圍。

綜上所述，電池包充放電溫度調(diào)節(jié)裝置在零件上增加了半導(dǎo)體制冷片、風(fēng)扇、風(fēng)路導(dǎo)向板、熱收縮管，并由電池包上、下蓋形成了兩個(gè)封閉的風(fēng)路導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，在線(xiàn)路控制上增加了對(duì)電池包溫度的多段檢測(cè)及半導(dǎo)體制冷片和風(fēng)扇的控制，實(shí)現(xiàn)電池包的高、低溫充、放電溫度調(diào)節(jié)控制，同時(shí)控制線(xiàn)路板上的電子組件也得到了較好的溫度控制。可在超出電芯工作溫度的環(huán)境溫度下，使電池包進(jìn)行正常充、放電工作。另外，由于控制線(xiàn)路控制了半導(dǎo)體制冷線(xiàn)路和風(fēng)扇線(xiàn)路的停止工作溫度范圍，電池包的電量利用率和循環(huán)使用壽命得到一定提高。

The Design of Temperature Regulating Device for Battery Pack Charging and Discharging

Li Xiaozhong
( YAT Electrical Appliance Co.,Ltd. Jiaxing 314009, Zhejiang )

This paper introduces a design of temperature regulating device for battery pack charging and discharging focusing on the normal working temperature range limitation of the cell.This design features the two-way temperature function using the semiconductor refrigeration chip, and the fan, wind path guiding plate, heat shrinkable tubes and other components, while the upper and lower cover of the battery pack being designed with two independent air guide structure for cooling and heating, combined with the temperature detection of the cell and the control of the bidirectional temperature regulating to semiconductor refrigeration chip and the fan, which achieves the pack charging and discharging beyond the normal working temperature range.

Battery pack ; Charge ; Discharge; Temperature;Control

TM910.2

A

1674-2796（2017）05-0007-04

2017-05-11

李孝忠（1974—），男，大學(xué)專(zhuān)科，工程師，主要從事電動(dòng)工具產(chǎn)品的研發(fā)及技術(shù)工作。