某接收機電池設計

關鍵詞：接收機；鋰電池；3D 打印；接收機電池

中圖分類號：TP211+.5；TM912.9 文獻標識碼：A

0 引言

某型接收機原裝電池是一種特殊定制的可充電鉛酸電池（圖1）。該電池能量密度小，自放電明顯，存在記憶效應，且生產時間為20 世紀70 年代，目前已全部報廢。接收機只能通過接入交流電進行工作，因此野外工作受限，其便攜性顯著降低。

基于此，本文重新設計接收機電池，總體架構為外殼+ 電芯組合式結構，外殼采用3D 打印技術，內部安裝鋰電池作為電芯。為了充分發揮鋰電池的優勢，可以匹配電池管理電路對電芯進行充放電保護，并設計了對外充電端口，既可以使設備重新煥發生機，又可以對各種外設進行充電，提高了接收機的使用效能。

1 外殼設計

采用SolidWorks 軟件設計接收機電池外殼，可以方便地進行尺寸驅動建模，便于對電池的升級擴充，柔性較強[1-2]。外殼設計需注意以下3 點：一是適當減少長度尺寸，由于接收機電池倉彈簧剛度較大，電池裝上后電池倉內幾乎沒有長度方向的余量，因此導致電池倉蓋很難合上；二是合理設計各種端口，以實現相應功能；三是原電池電極觸點接觸面積較小，氧化后容易引起接觸不良，所以應設計專門的電極進行優化。

1.1 3D 零件圖設計

3D 零件圖設計需要兼顧尺寸與功能。尺寸的確定較簡單，功能則需要重點考慮。新設計的接收機電池采用鋰電芯，鋰電芯必須匹配相應的電池管理電路，因此應在適當位置留出安裝電池管理電路板的位置，必要時還應設計相應的支架。此外后面板預留電能輸入、輸出口和發光二極管（lightemittingdiode，LED）安裝孔。

1.2 接觸電極設計

接收機原電池普遍存在電極接觸不良的現象，影響設備正常運行，接觸不良主要原因是電極接觸面積小，接觸不可靠。另外，電極較薄，長時間使用易變形。針對這些問題，本文設計了加厚加寬的純銅電極，有效防止了接觸不良情況的發生。

1.3 整體裝配

外殼內部的空間需做好規劃，既要緊湊又要留有足夠的裕度。水平方向上，電芯采用4 節三洋18650 鋰電池，水平方向預留電池和電源管理電路板的安裝空間，為安全起見，還應在電池端部與外殼之間留出安全距離以及必要的隔板。垂直方向上，外殼上蓋與側面板之間通過兩個橫梁連接在一起，橫梁會占據垂直方向的空間，因此外殼內部豎直方向應留出橫梁的尺寸空間。圖2 為裝配效果圖。

1.4 3D 打印

設計的文件需注意設置相應的弧度、坡度[3]，以便打印時盡可能少地使用支撐材料，避免出現由于支撐材料的存在而不得不進行打磨的情況。此外，還應注意文件的放置方向，通過合理的放置可有效減少支撐材料，同時還可使接觸打印床的一面保留較大接觸面積，進而提高文件放置穩定性和打印成型率。

2 電路設計

新設計的接收機電池內部使用4 節三洋18650鋰電池作為電芯，采用兩串兩并的連接方式，由于鋰離子材料的特殊性，因此要求配備高精度的電源管理電路[4-5]。按照設計思路，新接收機電池應具備兩個功能：向接收機供電和向外設充電，因此電路設計應圍繞這兩部分功能展開。圖3 是鋰電池充放電框圖，整個架構的電路管理包括一塊2 節電池放電管理電路板和兩塊單節電池充放電管理電路板，分別對2 節串聯鋰電池和單節鋰電池進行充放電保護。

2.1 向接收機供電

接收機原電池輸出直流電電壓為9 V，實際中接收機在電壓為6 ～ 9 V 時均可工作，新設計的接收機電池電壓輸出范圍為5.8 ～ 8.3 V，完全滿足接收機的要求。但對于2 節串聯的鋰電池，需連接對應的放電管理電路，以避免電池過放電。向接收機供電保護電路如圖4 所示。

圖4 中，端口P+、P- 分別為向接收機供電的正、負極；端口B+、BM、B- 分別連接2 節串聯鋰電池正極、單節鋰電池正極與負極、2 節串聯鋰電池負極。20CB 是一款2 節鋰電池串聯保護芯片，適合于對2 節串聯鋰離子電池的過放電和過電流進行保護[6]。過放電檢測電壓為（2.90 ± 0.08） V，過放電釋放電壓為（3.0 ± 0.1） V，放電過流檢測電壓為（200 ± 30） mV。20CB 的管腳OD、OC 分別是放電控制金屬—氧化物半導體場效應晶體管（metal-oxidesemiconductorfield-effect transistor，MOSFET） 門極連接端子和充電控制MOSFET 門極連接端子。U5 是放電控制MOSFET，通過20CB 的控制，連通P- 端子，從而使得2 節串聯鋰電池可以向接收機供電。20CB 的管腳VM 是充電器檢測端子，電阻R11 連接20CB 的VM 管腳，其作用是當充電器反向連接時，限制流過VM 端口的電流大小[7]。VSS表示芯片電源負極，VCC 表示芯片電源正極，VC表示電壓控制，U4 是芯片20CB，U5、U6 均是芯片4406，S 表示MOSFET 柵極，G 表示MOSFET門極，D 表示MOSFET 漏極。

2.2 向外設充電

圖5 為鋰電池充電電路，DW01A 是單節鋰電池保護集成電路（integrated circuit，IC），可防止鋰電池過充、過放、過流，具有高密度的超低導通電阻，適合功率大、電流大的鋰電池應用場合。管腳OD 是放電MOSFET 柵極，用來控制放電；管腳OC 是充電MOSFET 柵極， 用來控制充電。GND 表示接地；NC 表示懸空。

8205S 內部包括兩個獨立的、N 溝道增強型功率MOSFET。8205S 的兩個MOSFET 由DW01A 的OD、OC 管腳控制。8205S 的管腳1 負責放電，管腳3負責充電。

B628 是固定頻率為1.2 MHz 的電流模式升壓調節器，應用于小型、低功耗場合。內置輸入端過流保護電路，B628 芯片的輸入電壓范圍是2 ～ 24 V，輸出電壓可調至28 V，通過調節反饋引腳FB 上的電壓，使輸出電壓固定在設置值。管腳SW 是電壓輸出端，輸出電壓V 取決于R1、R2 的阻值R、R，其計算公式為：

V=（R/R+1）×0.6。 （1）

圖5 中的R=200 kΩ、R=27 kΩ，則V=5.04 V。當管腳EN 接高電平時，B628 開始輸出恒定電壓，一般管腳EN 與管腳VIN 直連。當充電線的一端插入USB IN 接口則B628 工作，以恒定電壓V 給外設和電池充電。

3 結果測試

放入4節三洋18650 電池，每節容量為3 500 mA·h，總容量為14 A·h，遠大于原電池的500 mA·h。

接入上述電路后，安裝電極、外殼，最終得到接收機新設計的電池，新設計的電池與原電池對比如圖6所示。

將設計的電池裝進接收機，由于其電極比之前的接觸面積更大，因此接觸非常牢靠。輸出電壓、電流滿足接收機要求，接收機能夠正常工作。經測試，當充滿電時，可供接收機不間斷、滿功率使用10 h，常規工作則可以使用2 個月，而原電池常規工作僅能持續使用1 周。由此可見，設計的鋰電池在續航時間方面遠遠優于原電池。

4 結論

鋰電池能量密度高、重量輕、自放電率低、記憶效應小[8-9]，接收機電池更換為鋰電池后，一方面解決了接收機野外供電的問題，擺脫了必須使用交流電的困擾，提高了設備的便攜性；另一方面續航時間明顯加長，提高了接收機的使用效能。此外，由于新電池采用3D 打印技術，即用即打，制造周期短，制造和維護成本低。利用鋰電池可觀的容量優勢，新設計的電池還可以為各種外設充電。經過兩年來的實踐應用，工作穩定可靠，效果令人滿意，具有廣闊的應用前景。