一種預警式動力電池充電裝置的設計研究

摘要：針對動力電池充電過程中容易出現的過熱現象，結合動力電池在不同充電溫度下的反應，對動力電池充電裝置的預警系統進行了研究設計，以解決動力電池在充電過程中出現過熱而導致火災、爆炸等問題。在借鑒目前市場已有的充電設備所使用技術的同時，結合動力電池水冷卻系統的原理，對該充電設備的冷卻裝置進行了設計，通過斷路信號接收器對溫度傳感器的溫度信號進行判斷，以控制接觸片的斷開和閉合，來控制充電的進行，在溫度過高時終止充電，并通過警報進行警示，從而保證動力電池充電過程的安全性。

關鍵詞：動力電池充電裝置；預警機構；冷卻系統。

中圖分類號：U463" " " "收稿日期：2025-02-27" " " " DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.04.026

Design and Research of a Warning Type Power Battery

Charging Device

Xia Zhongmin

Guizhou Technological College of Machinery and Electricity，Duyun 558000，China

Abstract：A warning system for power battery charging devices has been studied and designed to address the issue of overheating during the charging process， taking into account the reactions of power batteries at different charging temperatures. The aim is to solve problems such as fires and explosions caused by overheating of power batteries during the charging process. While drawing on the technology used in existing charging equipment in the market， combined with the principle of power battery water cooling system， the cooling device of this charging equipment has been designed. The temperature signal of the temperature sensor is judged by a circuit breaker signal receiver to control the opening and closing of the contact piece to control the charging process. When the temperature is too high， the charging is terminated and an alarm is triggered to ensure the safety of the power battery charging process.

Key words：Power battery charging device;Warning agencies;Cooling system

1 前言

動力電池的概念最早提出是為了和消費品電池相區別，主要指給工具提供動力源的電池。隨著新能源汽車的廣泛使用，動力電池更多時候指的是車用電池，即為電動汽車、電動列車、電動自行車、高爾夫球車等提供動力的蓄電池。區別于傳統燃油汽車啟動和純電動汽車DC/DC工作前使用的12 V鉛酸蓄電池，動力電池主要用于為車輛提供動力。汽車用動力電池模塊或者是電動自行車等的小型動力電池可以使用充電設備進行補充充電，但現有的動力電池充電裝置并不能夠具備防護的功能，且動力電池在進行充電時會因充電時間過長而造成充電裝置過熱，從而容易引起電路短路，進而會造成整個充電裝置發生宕機的情況，如不能夠及時預警，安全性有待提高［1］。本文設計一種具有安全預警的充電裝置，將會在動力電池充電時進行安全防護，并防止充電裝置過熱，提高動力電池充電的安全性。

2 動力電池充電裝置的設計

2.1 設計背景

目前市面上的動力電池充電裝置大多使用電子系統進行安全防護，可以在溫度超過一定的數值時控制充電開關的通斷，從而來控制充電的進行。但這只是關閉了開關，動力電池仍然與設備連接，如果因高熱或者短路產生故障，便會使設備和動力電池受到影響［2］。本文設計的裝置采用電子控制方式，通過斷開動力電池與傳動裝置的連接來結束充電，將處于異常情況下的動力電池與充電設備分離，動力電池將不會因為電池的異常而受到損害。

不僅如此，現有的動力電池傳動裝置采用的是風冷或者自然冷卻方式。使用自然冷卻的動力電池充電裝置成本最低，但是在充電過程中溫度過高時便無法正常使用，只能通過斷電后待溫度降到一定范圍。動力電池充電裝置使用最多的冷卻方式是風冷，當充電過程中裝置溫度過高時，通過風扇的強制通風對裝置進行冷卻。但是風冷的效果也有局限性，一是散熱效率低，在長時間或者高負荷狀態下工作時散熱效果不理想；二是受環境影響大，風冷的降溫效果會受到環境溫度的影響，在較高溫度的環境下，風扇沒辦法讓裝置降到理想的溫度。結合新能源汽車動力電池的冷卻方式和動力電池充電的狀態，本文設計的動力電池充電裝置采用水冷方式，通過水冷系統可以將裝置的溫度保持在理想的溫度范圍內，大大降低了因充電溫度過高引起的一系列問題。

2.2 工作原理

動力電池充電溫度在15～35 ℃之間時為最佳充電狀態，當溫度在45 ℃左右時充電電流會明顯下降，當溫度超過50 ℃時，動力電池就可能會在充電過程中出現熱失控現象，嚴重時將會引起火災、爆炸等嚴重后果。所以，該裝置使用溫度傳感器和斷電信號接收器對充電過程實現閉環控制，使充電裝置在安全的溫度下進行充電作業，如圖1所示。

在使用該裝置時，通過將接觸板的外壁與動力電池主體的接線處相連接，使接觸板能向斷電信號接收器的方向進行按壓，可使接觸板能對動力電池主體進行充電的工作，而當溫度傳感器感受到動力電池主體的溫度過高時，會發射信號，可使水泵能夠開始工作，從而使水泵將水箱內壁的冷卻液吸附至水管的內壁，并在水管的內壁循環一周后會帶走動力電池主體的熱量，再流回至水箱的內壁，從而會對動力電池主體起到降溫的作用。如果通過冷卻液冷卻都不能將溫度降低，溫度傳感器持續將高溫信號傳給斷電信號接收器，斷電信號接收器接收后信號將彈簧的彈性進行釋放，使得彈簧因彈性勢能的原因可將與接觸板相接觸的動力電池主體的電源線所彈出，從而停止對動力電池主體進行繼續充電的工作，并通過報警器發出警報，進而能夠對動力電池主體起到防護和預警的功能［3］。

2.3 裝置結構

本文所設計的動力電池充電裝置，用于動力電池的電池單體充電，應用防護預警機構來解決動力電池充電時因充電時間過長而造成充電裝置過熱所導致的一系列問題，具備實用性強、安全性高的優點。它主要由防護外殼、充電組件、散熱組件等組成。

2.3.1 防護外殼

該動力電池充電裝置的防護外殼主要起到防護及固定其他組件的作用。防護外殼的結構如圖2所示，防護外殼的外壁設有充電組件，并轉動連接有箱門。箱門的外壁鑲嵌有觀察窗，可使外界通過觀察窗觀察裝置內部的工作情況。箱門的外壁安裝有攝像頭，以便實時監控充電裝置為動力電池充電時的運行狀況。防護外殼的內壁設有散熱組件，及時將裝置在充電過程中產生的熱量散發出去，保障設備內部的溫度處于正常狀態。防護外殼遠離箱門的一側外壁固定裝配有安裝架，通過安裝架的設置，可使該裝置能夠通過安裝架將該裝置安裝在其他位置，提高了該裝置的實用性。

預警式動力電池充電裝置防護外殼的內壁安裝有動力電池主體，在動力電池主體的頂部安裝有溫度傳感器，防護外殼的頂部固定裝配有警報器，在溫度傳感器檢測到溫度異常的時候聯合報警器報警，如圖3所示。

2.3.2 充電組件

充電組件如圖4所示，是該充電裝置的核心部件，包括充電線、斷電信號接收器、接觸板等。防護外殼外的充電線部分固定裝配了插口，插口的內壁安裝有斷電信號接收器，斷電信號接收器的外壁固定裝配有彈簧，插口的外壁設有接觸板，利用上述結構，通過接觸板的外壁直徑大于斷電信號接收器的直徑特性，可知接觸板在與彈簧進行接觸時，接觸板不會滑落至插口的內壁。

充電線遠離防護外殼的一側呈外擴狀，接觸板的內壁直徑與插口的內徑相適配，接觸板的外壁直徑大于斷電信號接收器的直徑，彈簧的一端與斷電信號接收器的外壁固定連接，且彈簧的另一端與接觸板的內壁相接觸，斷電信號接收器與警報器為電性連接。利用上述結構，通過彈簧的彈性勢能的特性，可知斷電信號接收器在接收信號時能夠使彈簧將接觸板進行彈開，從而使其能夠對動力電池主體完成自動斷電的工作，增加了該裝置的安全性。

2.3.3 散熱組件

散熱組件如圖5所示，是該充電裝置的創新部分，它運用了類似新能源汽車動力電池的水冷系統，對裝置進行散熱，使裝置在充電時能夠保持在正常溫度范圍內，以保障充電過程的安全進行。散熱組件由水箱、水泵、冷熱轉換器等組成。水箱的內壁固定裝配有冷熱轉換器及水泵，水泵的兩側外壁皆設有水管，水管的外壁套接有換熱器與水冷塊。水箱的內壁填充有冷卻液，水泵與冷熱轉換器為電性連接，水泵與溫度傳感器為電性連接，水管圍繞在動力電池主體的外壁。

利用上述結構，通過冷熱轉換器的設置特性，可知冷熱轉換器能夠對水箱內壁的冷卻液進行降溫處理，從而能夠保證水箱內壁需要吸附的冷卻液能時刻保持低溫的狀態。水箱的內壁填充有冷卻液。水泵與冷熱轉換器為電性連接，水泵與溫度傳感器為電性連接，水管圍繞在動力電池主體的外壁，通過水箱的內壁填充有冷卻液的特性可知，水泵在工作時，可以將水箱內壁的冷卻液吸附至水管的內壁中，從而能夠對動力電池主體起到降溫散熱的作用。

2.4 溫度控制策略

該充電裝置在溫度控制方面采用分級控制管理。安裝在動力電池主體上方的溫度傳感器檢測動力電池主體溫度及設備內部溫度，在不同溫度范圍內通過充電組件、散熱組件和警報器做出相應的動作，從而達到控制溫度的效果。

a.溫度低于15 ℃時，由于該設備沒有設置加熱裝置，動力電池的容量會受到影響、充電的效率也會有一定程度的降低，但是在充電過程中，動力電池通過發生化學反應使電能轉化為化學能，能量轉換過程的損耗中會以熱能的形式耗散，所以充電的溫度會隨著充電的時間有相應的升高，低溫充電的時間也會相應縮短，故可以不考慮15 ℃以下的情況，溫度傳感器進行監測，裝置的散熱組件無動作。

b.溫度在15～35 ℃之間時，為動力電池的最佳充電狀態，溫度傳感器繼續進行監測，裝置的散熱組件無動作。

c.溫度在35～50 ℃之間時，裝置的散熱組件會動作，對設備及動力電池主體進行散熱。由于散熱組件是通過循環水的方式進行散熱，散熱效果比風冷的散熱效果好。一般溫度在45 ℃左右時充電電流會明顯下降，正常情況下溫度基本能控制在45 ℃以內。

d.溫度超過50 ℃時，即出現了充電異常。導致溫度異常的原因有充電電流過大、充電時間過長、動力電池內部問題、環境溫度過高等。不管是什么原因導致的溫度過高，當溫度高于50 ℃時認為充電異常，此時斷電信號接收器斷開接觸板，即充電組件斷開與動力電池主體的連接，設備警報器進行安全警告，以達到安全預警并保護充電裝置及動力電池主體的目的。

3 裝置的優勢

3.1 具有可靠的防護預警機構

該充電裝置有著安全可靠的防護預警機構，它通過將接觸板的外壁與動力電池主體的接線處相連接，使接觸板向斷電信號接收器的方向進行按壓，可使接觸板對動力電池主體進行充電的工作，而當溫度傳感器感受到動力電池主體的溫度過高時，會發射信號，使斷電信號接收器接收信號［4］。斷電信號接收器收到信號后會將彈簧的彈性進行釋放，通過彈簧的彈性勢能的作用，將與接觸板相接觸的動力電池主體的電源線所彈出，即可停止對動力電池主體進行繼續充電的工作，增加了該裝置的安全性，且對動力電池主體起到了保護的作用，進而可有效延長動力電池主體的使用壽命。

3.2 采用水冷系統進行冷卻

該充電裝置采用水冷系統進行冷卻，可以更有效地將溫度控制在理想范圍內。通過溫度傳感器檢測動力電池主體的充電時的溫度，當充電溫度過高時，會發射信號，使水泵開始工作，從而使水箱內壁的冷卻液吸附至水管的內壁，并在水管的內壁循環一周后帶走動力電池主體的熱量，冷卻液通過水冷塊降低溫度后又流回至水箱的內壁，通過這樣的循環冷卻對動力電池主體起到降溫的作用，散熱效果快速且基本無噪聲，同時，在動力電池主體的溫度過高時，警報器會發出響聲，能夠起到預警的作用，提高了該裝置的安全性。

4 裝置測試與驗證

4.1 測試項目與方法

4.1.1 溫度響應測試

對裝置模型進行溫度響應情況的測試，從而反映裝置在不同的溫度范圍內的響應效果。通過人工控溫的方式，使溫度傳感器處在≤35 ℃、35～50 ℃和≥50 ℃三種環境下，同時觀察接觸板、水泵和報警器的工作情況。相關組件均能在相應的溫度范圍內進行動作。

4.1.2 接觸板斷開測試

測試在溫度高于50 ℃時，通過觀察設備模型斷開接觸板和動力電池主體的靈敏度來進行測試。直接將溫度傳感器放入50 ℃以上的熱水中，接觸板的斷開動作可以在溫度傳感器接觸熱水時進行，響應時長小于1 s。

4.1.3 散熱組件散熱效果測試

通過裝置模對型散熱組件的散熱效果進行測試，觀察是否能將50 ℃以下的溫度控制在正常范圍內。將裝置模型的溫度傳感器放在一個裝有水的容器上，該容器放在散熱組件之間，替代了動力電池主體的位置。間斷地給容器中的水加熱，使水保持在45～50 ℃之間1 h左右。觀察水泵及冷卻液的工作情況。通過實驗可測得，裝置的散熱組件可以在監測溫度在45～50 ℃時，使冷卻液溫度保持在40 ℃左右。

4.2 測試結果

該充電裝置的各個組件能在不同的溫度條件下進行相應的動作，散熱組件能有效地將溫度控制在40 ℃左右，當溫度高于50 ℃時，接觸板在溫度異常時能迅速斷開與動力電池主體的連接，報警器進行報警［5］。該裝置滿足預警充電裝置的要求。

5 結語

通過裝置模型的各項測試得知，與現有的充電裝置相比，該動力電池充電裝置可以滿足汽車用動力電池模塊或者是電動自行車等的小型動力電池的補充充電，所設計的動力電池充電裝置加入水冷卻裝置，通過簡單的溫度閉環控制，可以防止動力電池在進行充電時因充電時間過長而造成充電裝置過熱的情況發生，在溫度異常時及時預警并切斷裝置與動力電池的連接，對動力電池的充電起到了保護作用，提高動力電池充電的安全性。

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作者簡介：

夏仲敏，女，1984年生，講師，研究方向為職業教育、新能源汽車技術。