“兩儀電池盒”的設計與研究

董青城，張 迎

（雛鷹翊智（北京）教育科技有限公司，北京100000）

在日常生活中，經常出現為遙控器更換電池時型號大小不符、安裝不正確的現象，并且在生活垃圾中，廢棄的干電池占一定的比例且屬于較難處理、會對環境造成危害的垃圾。在購買電池的時候，經常因為不清楚電池型號而煩惱。分析上述現象，可發現一個非常值得思考的問題：是否可以研究一種新型的電池盒來解決這些問題。

1 調查與分析

為確定新型電池盒研究方向，首先進行數據調查，其次依據調查結果進行分析，確定研究的可行性。

2 確定調查方式

在進行具體研究之前需要進行查新、查重，以確定研究的創新性實用性。需要在中國國家知識產權局官方網站、中國知網中進行相關專利或相關文獻的調查，在京東網、淘寶網等電商網站中進行相關商品調查，在360 搜索引擎、百度搜索引擎中進行相關言論調查，以確保研究的創新型、實用性、需求性。

因為使用者受年齡因素影響過大，不易使用隨機調查法進行調查，故采用分層抽樣調查法進行調查。調查對象選定為小學生、初中生、高中生、成人，進行問卷調查，從而排除因年齡因素對調查結果產生的影響。

因為使用群體龐大，群體結構復雜，如果需要得出較為準確的樣本數據，則需要進行滾雪球抽樣調查，從而避免出現抽樣誤差。

3 網絡調查結果

通過在中國知識產權局官方網站上進行相關文獻以及相關專利調查，得出現在并沒有可以解決電池無極使用和無極充放電的任何信息。同樣在中國知網進行查詢，查詢無果。通過使用360 搜索引擎、百度搜索引擎、搜狗搜索引擎，在互聯網中搜索得出，存在電池安裝不便、廢棄電池處理較難、電池型號不容易分辨等問題。

4 問卷調查結果

依據調查者年齡進行分層調查，可以分為：小學生、初中生、高中生、成人。

為保證調查人群的有效性，進行第一次因子分析，通過因子分析得出，小學生、初中生、高中生為主要影響因素，成人為無影響因素，故排除成人，再次使用滾雪球調查法進行調查。將已經進行調查到的200 位成人作為無效調查。

小學生人群調查600 人，初中生人群調查600 人，高中生人群調查600 人，成年人調查200 人。共調查2 000 人，有效調查1 800 人。調查有效率為90%。通過在國家統計局官網上調查北京市常駐人口為1 375.8 萬人，抽樣比為萬分之1.3，調查有效率大于90%，具備統計意義。

為保證調查問題，對新型電池盒的期望以及新型電池盒的功能需求，對問卷進行第二次因子分析，通過因子分析讀出對一種新型電池盒的期望影響較大的選項有：是否愿意使用充電電池、是否愿意購買充電電池、電池的使用頻率、使用電池時失誤的頻率。

5 數據分析

進行單變量回歸分析：是否愿意使用充電電池、是否愿意購買充電電池、電池的使用頻率、使用電池時失誤的頻率，對新型電池盒的期望存在什么影響。

通過單變量回歸分析，得出：①學生年齡與電池使用頻率存在反向相關關系，即年齡越大使用頻率越低，年齡越小電池的使用率越高。②學生年齡與電池使用失誤率不存在相關關系。從而得出使用電池的失誤事件與年齡沒有相關關系。③學生年齡與是否愿意購買充電電池存在正向相關關系。證明了年齡越大的學生越愿意購買充電電池。④學生年齡與是否使用充電池存在反向相關關系。從而得出年齡越大用充電電池的意愿越小。⑤使用電池頻率與使用電池失誤率存在正向相關關系。使用電池的頻率越高失誤率越高。

6 調研分析結論

通過網絡調查、訪問調研可以得出，現在存在的電池盒的確存在使用不便利等問題，同時調查出人們對新型電池盒的期望。通過數據分析得出：①年齡越大使用頻率越低，年齡越小電池的使用率越高；②年齡越大的學生越愿意購買充電電池；③年齡越大使用充電電池的意愿越小；④使用電池的頻率越高失誤率越高。

7 設計

7.1 產品設計規劃

主要包括：①設計電路，繪制電路圖；②規劃電路空間,構思并手繪電池盒初稿；③優化電池盒設計圖紙；④電腦繪圖，整體和細節；⑤3D 建模及機器打印；⑥焊接電路，組裝驗證。

7.2 建立功能標準

主要標準：①可不區分電池的正負極使用或充電；②可在“18650”電池和“14500”電池規格（長度和電池直徑）范圍內的電池通用；③可做應急充電寶，或在0～24 V（36 W內）恒壓恒流直流電源使用；④可220 V 交流電或裝配電池時固定變壓5 V 直流輸出。

7.3 設計原則

符合結構設計原則：①結構最簡化；②結構質量最輕化；③結構載荷最大化。

符合結構功能原則：①安全性（結構安全、使用安全）；②適用性（易使用、易維護、經濟性）；③耐疲勞性。

7.4 概念設計

7．4．1 工作原理

充電狀態：接通電源進入調壓模塊，通過第一整流橋輸出給電池通電，同時提供USB 接口對外輸出5 V1 A 直流電。

用電狀態：無220 V 交流電情況下，斷開第一整流橋，防止灌流。同時打開第二整流橋作為輸出整流，向調壓模塊供電。且提供USB 接口對外輸出5 V1 A 直流電。示意圖如圖1 所示。

圖1 示意圖

7．4．2 結構設想

主要有：①參考相似產品外觀設計，進行功能分析滿足電池盒基本功能。②預估電路尺寸，根據電源、開關、轉接模塊等相關尺寸設計。③參考測量的電池尺寸（預留電池行程軌道調節空間），根據使用者手型及舒適度進行最后調節，以保證滿足符合人體使用。④確定所有元件、部件尺寸大小，標注參數。設置所有功能鍵位孔位。留出相應的結構安裝位置。⑤規劃3D 打印設計（結構特性、材料特性、機器特性），復合3D 打印技術要求考慮實際打印成功率。

7.5 具體設計

“兩儀電池盒”主體由物理結構和電路結構兩大部分組成。其中物理結構主要由殼體結構、固定電路模塊、顯示模塊、電池行程軌道和操控開關五大部分組成。

7．5．1 殼體結構

為減輕兩儀電池盒重量，滿足便攜性、安全性使用要求；同時保證殼體強度及降低加工難度，增大打印成功率，需要優化殼體結構設計。

具體如下：①采用內外雙層殼體結構設計。在殼體總框架厚度不變前提下，減小殼體框架實際結構重量，保證內外殼體間隙，內外殼體間形成若干“蜂窩結構”。優化理由：因其極佳的抗壓、抗彎特性和超輕型結構特征，與同類型的實心材料相比，蜂窩材料其強度重量比和剛性重量比在已知材料中均是最高的。“蜂窩結構”具有優越的性能，從力學角度分析，封閉的六角等邊蜂窩結構相比其他結構，能以最少的材料獲得最大的受力，而蜂窩結構板受垂直于板面的載荷時，它的彎曲剛度與同材料、同厚度的實心板相差無幾，甚至更高，但其重量卻輕70～90%，而且不易變形，不易開裂和斷裂，并具有減震、隔音、隔熱和極強的耐候性等優點。②采用PLA 材料，降低自身材料比重，材料剛度好，打印出來的模型硬度好，強度好，作為結構件經久耐用。同時保證“兩儀電池盒”自身絕緣，外表面不會發生漏電現象。③殼體中分兩大部分，即高壓和低壓兩部分。加厚高壓部分內殼體厚度并預留散熱通道。④保證殼體內無直角結構，倒以圓角保護線路不會因摩擦破損。

7．5．2 固定電路模塊

為保證線路清晰且安全，將電路劃分為顯示部分、用電部分、充電部分和輸出部分。所有部分相對獨立，互有連接孔位。具體如下：①各部分均具有獨立外殼，保證安全，不因走線或元件誤觸而短路；②各部分外殼均具有多散熱孔（空徑小于電路用線線徑），降低零件老化；③各部分預留統一安裝孔位，降低設計工作難度，同時保證零件統一性，便于更換安裝。

7．5．3 顯示模塊

顯示模塊相對獨立，要求易于觀察。因顯示器產熱較大，將顯示模塊置于整體結構最遠端。具體如下：①顯示模塊殼體內預留間隙放大，通風孔位布局優化形成擾流加速空氣流動；②為顯示模塊預留輸出、輸出雙路孔位，且獨立隔開。

7．5．4 電池行程軌道

電池行程軌道主體分為：固定底托、模塊卡槽、行程電極三大部分。具體如下：①固定底托為加厚PLA 材質，預留安裝孔、減輕孔、模塊卡槽安裝位；②模塊卡槽，外觀大小滿足可“18650”電池和“14500”電池規格范圍內電池通用；③行程電極由電極、彈簧、行程座和固定桿組成。保證安全下優化行程中行程座移動流暢性。

7．5．5 操控開關

操控開由開關、開關底座、絕緣撥片組成。具體如下：①開關位置清晰，與其他零件相互不干擾；②開關兩側保證有隔板斷開兩級；③絕緣撥片保證開關裝換過程中，人體安全不觸電。

8 驗證

給電池盒通電，通過實際應用對“兩儀電池盒”進行試車，分別進行電池充電和供電輸出兩大功能試驗。通過實驗驗證設計目標，是否設計成功。電池充電可以給小型鋰電池各種型號充電，充電電壓為5 V，且充電時可以不分正負極，此功能達到設計目標要求，設計成功；供電輸出，可以使用充好電的鋰電池為其他用電器充電，同時可作為變壓器直插220 V 交流電，恒流恒壓為其他用電器充電，達到設計目標，設計成功。

此電池盒在生活中能夠解決人們的充電問題，避免因使用電池不當造成的不便，同時也是綜合應用科學技術的很好范例。