關(guān)鍵詞：接收機(jī)；鋰電池；3D 打?。唤邮諜C(jī)電池

中圖分類號：TP211+.5；TM912.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

某型接收機(jī)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(yīng)，且生產(chǎn)時(shí)間為20 世紀(jì)70 年代，目前已全部報(bào)廢。接收機(jī)只能通過接入交流電進(jìn)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(shè)計(jì)接收機(jī)電池，總體架構(gòu)為外殼+ 電芯組合式結(jié)構(gòu)，外殼采用3D 打印技術(shù)，內(nèi)部安裝鋰電池作為電芯。為了充分發(fā)揮鋰電池的優(yōu)勢，可以匹配電池管理電路對電芯進(jìn)行充放電保護(hù)，并設(shè)計(jì)了對外充電端口，既可以使設(shè)備重新煥發(fā)生機(jī)，又可以對各種外設(shè)進(jìn)行充電，提高了接收機(jī)的使用效能。

1 外殼設(shè)計(jì)

采用SolidWorks 軟件設(shè)計(jì)接收機(jī)電池外殼，可以方便地進(jìn)行尺寸驅(qū)動建模，便于對電池的升級擴(kuò)充，柔性較強(qiáng)[1-2]。外殼設(shè)計(jì)需注意以下3 點(diǎn)：一是適當(dāng)減少長度尺寸，由于接收機(jī)電池倉彈簧剛度較大，電池裝上后電池倉內(nèi)幾乎沒有長度方向的余量，因此導(dǎo)致電池倉蓋很難合上；二是合理設(shè)計(jì)各種端口，以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能；三是原電池電極觸點(diǎn)接觸面積較小，氧化后容易引起接觸不良，所以應(yīng)設(shè)計(jì)專門的電極進(jìn)行優(yōu)化。

1.1 3D 零件圖設(shè)計(jì)

3D 零件圖設(shè)計(jì)需要兼顧尺寸與功能。尺寸的確定較簡單，功能則需要重點(diǎn)考慮。新設(shè)計(jì)的接收機(jī)電池采用鋰電芯，鋰電芯必須匹配相應(yīng)的電池管理電路，因此應(yīng)在適當(dāng)位置留出安裝電池管理電路板的位置，必要時(shí)還應(yīng)設(shè)計(jì)相應(yīng)的支架。此外后面板預(yù)留電能輸入、輸出口和發(fā)光二極管（lightemittingdiode，LED）安裝孔。

1.2 接觸電極設(shè)計(jì)

接收機(jī)原電池普遍存在電極接觸不良的現(xiàn)象，影響設(shè)備正常運(yùn)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(shí)間使用易變形。針對這些問題，本文設(shè)計(jì)了加厚加寬的純銅電極，有效防止了接觸不良情況的發(fā)生。

1.3 整體裝配

外殼內(nèi)部的空間需做好規(guī)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(jié)三洋18650 鋰電池，水平方向預(yù)留電池和電源管理電路板的安裝空間，為安全起見，還應(yīng)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(cè)面板之間通過兩個(gè)橫梁連接在一起，橫梁會占據(jù)垂直方向的空間，因此外殼內(nèi)部豎直方向應(yīng)留出橫梁的尺寸空間。圖2 為裝配效果圖。

1.4 3D 打印

設(shè)計(jì)的文件需注意設(shè)置相應(yīng)的弧度、坡度[3]，以便打印時(shí)盡可能少地使用支撐材料，避免出現(xiàn)由于支撐材料的存在而不得不進(jìn)行打磨的情況。此外，還應(yīng)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(shí)還可使接觸打印床的一面保留較大接觸面積，進(jìn)而提高文件放置穩(wěn)定性和打印成型率。

2 電路設(shè)計(jì)

新設(shè)計(jì)的接收機(jī)電池內(nèi)部使用4 節(jié)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(shè)計(jì)思路，新接收機(jī)電池應(yīng)具備兩個(gè)功能：向接收機(jī)供電和向外設(shè)充電，因此電路設(shè)計(jì)應(yīng)圍繞這兩部分功能展開。圖3 是鋰電池充放電框圖，整個(gè)架構(gòu)的電路管理包括一塊2 節(jié)電池放電管理電路板和兩塊單節(jié)電池充放電管理電路板，分別對2 節(jié)串聯(lián)鋰電池和單節(jié)鋰電池進(jìn)行充放電保護(hù)。

2.1 向接收機(jī)供電

接收機(jī)原電池輸出直流電電壓為9 V，實(shí)際中接收機(jī)在電壓為6 ～ 9 V 時(shí)均可工作，新設(shè)計(jì)的接收機(jī)電池電壓輸出范圍為5.8 ～ 8.3 V，完全滿足接收機(jī)的要求。但對于2 節(jié)串聯(lián)的鋰電池，需連接對應(yīng)的放電管理電路，以避免電池過放電。向接收機(jī)供電保護(hù)電路如圖4 所示。

圖4 中，端口P+、P- 分別為向接收機(jī)供電的正、負(fù)極；端口B+、BM、B- 分別連接2 節(jié)串聯(lián)鋰電池正極、單節(jié)鋰電池正極與負(fù)極、2 節(jié)串聯(lián)鋰電池負(fù)極。20CB 是一款2 節(jié)鋰電池串聯(lián)保護(hù)芯片，適合于對2 節(jié)串聯(lián)鋰離子電池的過放電和過電流進(jìn)行保護(hù)[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(dǎo)體場效應(yīng)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(jié)串聯(lián)鋰電池可以向接收機(jī)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(dāng)充電器反向連接時(shí)，限制流過VM 端口的電流大小[7]。VSS表示芯片電源負(fù)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(shè)充電

圖5 為鋰電池充電電路，DW01A 是單節(jié)鋰電池保護(hù)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(dǎo)通電阻，適合功率大、電流大的鋰電池應(yīng)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(nèi)部包括兩個(gè)獨(dú)立的、N 溝道增強(qiáng)型功率MOSFET。8205S 的兩個(gè)MOSFET 由DW01A 的OD、OC 管腳控制。8205S 的管腳1 負(fù)責(zé)放電，管腳3負(fù)責(zé)充電。

B628 是固定頻率為1.2 MHz 的電流模式升壓調(diào)節(jié)器，應(yīng)用于小型、低功耗場合。內(nèi)置輸入端過流保護(hù)電路，B628 芯片的輸入電壓范圍是2 ～ 24 V，輸出電壓可調(diào)至28 V，通過調(diào)節(jié)反饋引腳FB 上的電壓，使輸出電壓固定在設(shè)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(jì)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(dāng)管腳EN 接高電平時(shí)，B628 開始輸出恒定電壓，一般管腳EN 與管腳VIN 直連。當(dāng)充電線的一端插入U(xiǎn)SB IN 接口則B628 工作，以恒定電壓V 給外設(shè)和電池充電。

3 結(jié)果測試

放入4節(jié)三洋18650 電池，每節(jié)容量為3 500 mA·h，總?cè)萘繛?4 A·h，遠(yuǎn)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(jī)新設(shè)計(jì)的電池，新設(shè)計(jì)的電池與原電池對比如圖6所示。

將設(shè)計(jì)的電池裝進(jìn)接收機(jī)，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(jī)要求，接收機(jī)能夠正常工作。經(jīng)測試，當(dāng)充滿電時(shí)，可供接收機(jī)不間斷、滿功率使用10 h，常規(guī)工作則可以使用2 個(gè)月，而原電池常規(guī)工作僅能持續(xù)使用1 周。由此可見，設(shè)計(jì)的鋰電池在續(xù)航時(shí)間方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于原電池。

4 結(jié)論

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