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節(jié)裝置的設計

李孝忠

（ 浙江亞特電器有限公司，浙江 嘉興 314009 ）

針對電池包內(nèi)電芯正常工作溫度范圍限制問題，思考并設計一種電池包充、放電溫度調節(jié)裝置，利用半導體制冷片的雙向溫度功能，加上風扇、風路導向板、熱收縮管等部件，同時，將電池包上、下蓋設計成散熱和加溫兩個獨立風路導向結構，結合電芯溫度的多段檢測及半導體制冷片雙向溫度調節(jié)功能和風扇的控制，實現(xiàn)電池包在超出正常工作溫度范圍時進行正常充、放電工作。

電池包；充電；放電；溫度；控制

0 引言

電動工具按供電方式不同區(qū)分為交流和直流兩大類。交流電動工具價格低廉，但應用場合受限，在遠離供電電源的場所即無法使用。直流電動工具價格相對較高，雖然電池包電能有限，但使用場合得到了大幅拓展，靈活性較高。隨著充電式電池科技的進階發(fā)展，電池比能量、比功率不斷提高，配合行業(yè)內(nèi)無刷電機的廣泛應用，以鋰離子電池為動力源的充電式電動工具市場占有率快速提升。本文針對電池包充、放電溫度調節(jié)裝置提出一種設計思路，達到快速調節(jié)溫度的設想。

1 概述

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

低溫環(huán)境下，電芯內(nèi)部物質活性低，充、放電時反應速度慢，充電接受能力差，充電不足；放電能力差，電池包使用時間短，工具工作無力；過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，通常在電池包中設置充、放電溫度保護功能。當電芯表面溫度超過設定的允許溫度范圍，電池包被控制線路保護，停止充電或放電，直至電芯表面溫度處在線路保護設定的允許范圍內(nèi)。

為解決環(huán)境溫度對電池包正常工作的影響，一些制造商對電池包設置了冷卻裝置，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題，在低溫環(huán)境下，仍然不能有效進行充、放電。

2 設計方案

所設計的電池包的充、放電溫度調節(jié)裝置，主要包括電池包上蓋、電池包按鈕、電池組件、進風導向板、半導體制冷片、電池包下蓋、出風導向板、風扇等。圖1所示為電池包結構分解。圖2所示為電池包裝配結構（電池包上、下蓋經(jīng)過了半透明處理）。

圖1 電池包結構分解

圖2 電池包裝配結構

2.1 結構

電池包內(nèi)部設置有半導體制冷片，半導體制冷片的正、負極分別與電池組件上的PCB控制線路相連。進風導向板和出風導向板分別處在電池組件的兩側，通過膠釘分別被固定在電池組件的電池支撐架上，并且進風導向板同時也處在半導體制冷片和電池組件之間。進風導向板、出風導向板上均布有通風孔，電池組件中的電芯支撐架也設有大量通風孔，通風孔對應電池組件內(nèi)的電芯正、負極軸向，與電芯間間隙相通。進風導向板、電池組件和出風導向板被熱收縮管一同包縮住（見圖3），從而形成了一個完整的單向進、出風通路。電池包中的內(nèi)置風扇的正、負極，分別與電池組件上的PCB控制線路相連。電池包按鈕、電池組件、進風導向板、半導體制冷片、出風導向板、風扇等部件定位在電池包下蓋內(nèi)，通過螺釘將上、下蓋緊固組合。

圖3 各組件經(jīng)熱收縮管包縮

2.2 特點

本方案具有以下特點：

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

2）進風導向板、出風導向板上均布通風孔，可保障電池組件內(nèi)的電池間通風量均勻。

而這些數(shù)據(jù)卻為新技術的應用提供了豐富的原始素材，通過對海量數(shù)據(jù)的整理和學習，從數(shù)據(jù)延伸為模型，進而形成病蟲害自動識別、統(tǒng)計分析、可視化趨勢、預測預報等功能系統(tǒng)，最終實現(xiàn)對病蟲害的智能化分析和精準預測，徹底實現(xiàn)科學、綠色防控，為宏觀決策提供科學依據(jù)。

3）具備一個完整的風路導向結構，電池組件中的每個電芯四周，通過電芯支撐架被隔離出間隙；進入熱收縮管內(nèi)風路的空氣，除可調節(jié)電池溫度外，還可較好調節(jié)控制線路板上電子組件溫度。

4）所設置的風扇可將電池包通風道內(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路：從電池包外部進風口、半導體制冷片（正面區(qū)域）、進風導向板、電池組件、出風導向板、風扇，經(jīng)出風口至電池包外部的封閉性風路；從電池包外部的進風口、半導體制冷片（背面區(qū)域)、風扇，經(jīng)出風口至電池包外部的封閉性風路。

圖4所示為電池包剖視圖。

圖4 電池包剖視圖

2.3 實施

以三星 INR18650-20Q鋰電池為例，說明設有充、放電溫度調節(jié)裝置的電池包在低溫和高溫環(huán)境下的充放電過程。

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

當環(huán)境溫度低于-20℃時，電池包內(nèi)部控制線路感應元件檢測到電芯表面低于-20℃，即啟動低溫保護線路，停止放電。將電池包插入充電器中，充電器與電源相連，此時的電池包內(nèi)部電芯受控制線路低溫保護。同時，控制線路啟動半導體制冷片線路和風扇線路。制冷片線路啟動后，半導體制冷片通反向電流，使靠近電池一側的制冷片表面（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路上，電池包外的空氣從制冷片下的進風口進入電池包內(nèi)部，流經(jīng)制冷片正面的制熱面，帶走制熱面上的熱量，穿過進風導向板孔，進入電池組件內(nèi)部，傳遞至電芯，然后繼續(xù)穿過出風導向板，最終由風扇排出電池包。在通過制冷片背面的風路上，電池包外的空氣從制冷片下的進風口進入電池包內(nèi)部，流經(jīng)制冷片的制冷面，將熱量傳遞至制冷面，然后由風扇排出電池包。隨著半導體制冷片線路和風扇線路的工作，當控制線路上的感應元件，檢測到電池表面高于-20℃后，電池包控制線路即解除低溫保護，電池包對外放電。放電過程中，電芯溫度升高，當控制線路上的感應元件檢測到電芯表面高于0℃后，半導體制冷片線路和風扇線路即停止工作。

2）電池包在低溫環(huán)境下的充電

當環(huán)境溫度低于0℃時，電池包內(nèi)部控制線路感應元件檢測到電芯表面低于0℃，控制線路即對電池包進行低溫保護，停止充電。將電池包插入充電器中，充電器與電源相連，此時的電池包內(nèi)部，電芯受控制線路低溫保護。同時，控制線路啟動半導體制冷片線路和風扇線路，半導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。隨著半導體制冷片線路和風扇線路的工作，當控制線路感應元件檢測到電池表面高于0℃后，電池包控制線路即解除低溫保護，對電池包充電。此時，電芯溫度升高。當控制線路感應元件檢測到電池表面高于10℃后，半導體制冷片線路和風扇線路即停止工作。

3）電池包在高溫環(huán)境下的放電

當電池包內(nèi)控制線路感應元件檢測到電池表面高于60℃后，控制線路對電池包進行高溫保護，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，此時的電池包內(nèi)部，受控制線路高溫保護。同時，控制線路啟動半導體制冷片線路和風扇線路，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風路，從制冷片下的進風口進入，流經(jīng)制冷片制冷面冷卻后，穿過進風導向板孔進入電池組件內(nèi)部冷卻電芯，繼而穿過出風導向板，最終由風扇排出電池包。在通過背向電池一側的制冷片表面風路上，電池包外的空氣從制冷片下的進風口進入電池包內(nèi)部，流經(jīng)制冷片的制熱面帶走熱量，后由風扇排出電池包。當控制線路感應元件檢測到電芯表面低于60℃后，電池包的控制線路解除高溫保護，可繼續(xù)放電。當控制線路上的感應元件檢測到電芯表面低于50℃后，半導體制冷片線路和風扇線路即停止工作。

4）電池包在高溫環(huán)境下的充電

當電池包內(nèi)控制線路感應元件檢測到電芯表面高于45℃后，控制線路對電池包進行高溫保護，停止充電。將電池包插入充電器中，充電器與電源相連，此時的電池包內(nèi)部，電池在受控制線路高溫保護。同時，控制線路啟動半導體制冷片線路和風扇線路，經(jīng)制冷片冷卻的空氣冷卻電池組件的電芯。當電芯表面低于45℃后，電池包的控制線路解除高溫保護，繼續(xù)充電。當控制線路上的感應元件，檢測到電芯表面低于35℃后，半導體制冷片線路和風扇線路即停止工作。

3 結語

設計的電池包充放電溫度調節(jié)裝置，主要利用充電器提供的電能，控制半導體制冷線路和風扇線路，將電池包內(nèi)的電芯溫度，控制到可進行正常充、放電工作的溫度范圍。

綜上所述，電池包充放電溫度調節(jié)裝置在零件上增加了半導體制冷片、風扇、風路導向板、熱收縮管，并由電池包上、下蓋形成了兩個封閉的風路導向結構，在線路控制上增加了對電池包溫度的多段檢測及半導體制冷片和風扇的控制，實現(xiàn)電池包的高、低溫充、放電溫度調節(jié)控制，同時控制線路板上的電子組件也得到了較好的溫度控制?？稍诔鲭娦竟ぷ鳒囟鹊沫h(huán)境溫度下，使電池包進行正常充、放電工作。另外，由于控制線路控制了半導體制冷線路和風扇線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?？?，工程師，主要從事電動工具產(chǎn)品的研發(fā)及技術工作。