摘要：針對(duì)動(dòng)力電池充電過(guò)程中容易出現(xiàn)的過(guò)熱現(xiàn)象，結(jié)合動(dòng)力電池在不同充電溫度下的反應(yīng)，對(duì)動(dòng)力電池充電裝置的預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)，以解決動(dòng)力電池在充電過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)熱而導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸等問(wèn)題。在借鑒目前市場(chǎng)已有的充電設(shè)備所使用技術(shù)的同時(shí)，結(jié)合動(dòng)力電池水冷卻系統(tǒng)的原理，對(duì)該充電設(shè)備的冷卻裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過(guò)斷路信號(hào)接收器對(duì)溫度傳感器的溫度信號(hào)進(jìn)行判斷，以控制接觸片的斷開和閉合，來(lái)控制充電的進(jìn)行，在溫度過(guò)高時(shí)終止充電，并通過(guò)警報(bào)進(jìn)行警示，從而保證動(dòng)力電池充電過(guò)程的安全性。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力電池充電裝置；預(yù)警機(jī)構(gòu)；冷卻系統(tǒng)。

中圖分類號(hào)：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(dòng)力電池的概念最早提出是為了和消費(fèi)品電池相區(qū)別，主要指給工具提供動(dòng)力源的電池。隨著新能源汽車的廣泛使用，動(dòng)力電池更多時(shí)候指的是車用電池，即為電動(dòng)汽車、電動(dòng)列車、電動(dòng)自行車、高爾夫球車等提供動(dòng)力的蓄電池。區(qū)別于傳統(tǒng)燃油汽車啟動(dòng)和純電動(dòng)汽車DC/DC工作前使用的12 V鉛酸蓄電池，動(dòng)力電池主要用于為車輛提供動(dòng)力。汽車用動(dòng)力電池模塊或者是電動(dòng)自行車等的小型動(dòng)力電池可以使用充電設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)充充電，但現(xiàn)有的動(dòng)力電池充電裝置并不能夠具備防護(hù)的功能，且動(dòng)力電池在進(jìn)行充電時(shí)會(huì)因充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而造成充電裝置過(guò)熱，從而容易引起電路短路，進(jìn)而會(huì)造成整個(gè)充電裝置發(fā)生宕機(jī)的情況，如不能夠及時(shí)預(yù)警，安全性有待提高［1］。本文設(shè)計(jì)一種具有安全預(yù)警的充電裝置，將會(huì)在動(dòng)力電池充電時(shí)進(jìn)行安全防護(hù)，并防止充電裝置過(guò)熱，提高動(dòng)力電池充電的安全性。

2 動(dòng)力電池充電裝置的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)背景

目前市面上的動(dòng)力電池充電裝置大多使用電子系統(tǒng)進(jìn)行安全防護(hù)，可以在溫度超過(guò)一定的數(shù)值時(shí)控制充電開關(guān)的通斷，從而來(lái)控制充電的進(jìn)行。但這只是關(guān)閉了開關(guān)，動(dòng)力電池仍然與設(shè)備連接，如果因高熱或者短路產(chǎn)生故障，便會(huì)使設(shè)備和動(dòng)力電池受到影響［2］。本文設(shè)計(jì)的裝置采用電子控制方式，通過(guò)斷開動(dòng)力電池與傳動(dòng)裝置的連接來(lái)結(jié)束充電，將處于異常情況下的動(dòng)力電池與充電設(shè)備分離，動(dòng)力電池將不會(huì)因?yàn)殡姵氐漠惓６艿綋p害。

不僅如此，現(xiàn)有的動(dòng)力電池傳動(dòng)裝置采用的是風(fēng)冷或者自然冷卻方式。使用自然冷卻的動(dòng)力電池充電裝置成本最低，但是在充電過(guò)程中溫度過(guò)高時(shí)便無(wú)法正常使用，只能通過(guò)斷電后待溫度降到一定范圍。動(dòng)力電池充電裝置使用最多的冷卻方式是風(fēng)冷，當(dāng)充電過(guò)程中裝置溫度過(guò)高時(shí)，通過(guò)風(fēng)扇的強(qiáng)制通風(fēng)對(duì)裝置進(jìn)行冷卻。但是風(fēng)冷的效果也有局限性，一是散熱效率低，在長(zhǎng)時(shí)間或者高負(fù)荷狀態(tài)下工作時(shí)散熱效果不理想；二是受環(huán)境影響大，風(fēng)冷的降溫效果會(huì)受到環(huán)境溫度的影響，在較高溫度的環(huán)境下，風(fēng)扇沒辦法讓裝置降到理想的溫度。結(jié)合新能源汽車動(dòng)力電池的冷卻方式和動(dòng)力電池充電的狀態(tài)，本文設(shè)計(jì)的動(dòng)力電池充電裝置采用水冷方式，通過(guò)水冷系統(tǒng)可以將裝置的溫度保持在理想的溫度范圍內(nèi)，大大降低了因充電溫度過(guò)高引起的一系列問(wèn)題。

2.2 工作原理

動(dòng)力電池充電溫度在15～35 ℃之間時(shí)為最佳充電狀態(tài)，當(dāng)溫度在45 ℃左右時(shí)充電電流會(huì)明顯下降，當(dāng)溫度超過(guò)50 ℃時(shí)，動(dòng)力電池就可能會(huì)在充電過(guò)程中出現(xiàn)熱失控現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)引起火災(zāi)、爆炸等嚴(yán)重后果。所以，該裝置使用溫度傳感器和斷電信號(hào)接收器對(duì)充電過(guò)程實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，使充電裝置在安全的溫度下進(jìn)行充電作業(yè)，如圖1所示。

在使用該裝置時(shí)，通過(guò)將接觸板的外壁與動(dòng)力電池主體的接線處相連接，使接觸板能向斷電信號(hào)接收器的方向進(jìn)行按壓，可使接觸板能對(duì)動(dòng)力電池主體進(jìn)行充電的工作，而當(dāng)溫度傳感器感受到動(dòng)力電池主體的溫度過(guò)高時(shí)，會(huì)發(fā)射信號(hào)，可使水泵能夠開始工作，從而使水泵將水箱內(nèi)壁的冷卻液吸附至水管的內(nèi)壁，并在水管的內(nèi)壁循環(huán)一周后會(huì)帶走動(dòng)力電池主體的熱量，再流回至水箱的內(nèi)壁，從而會(huì)對(duì)動(dòng)力電池主體起到降溫的作用。如果通過(guò)冷卻液冷卻都不能將溫度降低，溫度傳感器持續(xù)將高溫信號(hào)傳給斷電信號(hào)接收器，斷電信號(hào)接收器接收后信號(hào)將彈簧的彈性進(jìn)行釋放，使得彈簧因彈性勢(shì)能的原因可將與接觸板相接觸的動(dòng)力電池主體的電源線所彈出，從而停止對(duì)動(dòng)力電池主體進(jìn)行繼續(xù)充電的工作，并通過(guò)報(bào)警器發(fā)出警報(bào)，進(jìn)而能夠?qū)?dòng)力電池主體起到防護(hù)和預(yù)警的功能［3］。

2.3 裝置結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的動(dòng)力電池充電裝置，用于動(dòng)力電池的電池單體充電，應(yīng)用防護(hù)預(yù)警機(jī)構(gòu)來(lái)解決動(dòng)力電池充電時(shí)因充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而造成充電裝置過(guò)熱所導(dǎo)致的一系列問(wèn)題，具備實(shí)用性強(qiáng)、安全性高的優(yōu)點(diǎn)。它主要由防護(hù)外殼、充電組件、散熱組件等組成。

2.3.1 防護(hù)外殼

該動(dòng)力電池充電裝置的防護(hù)外殼主要起到防護(hù)及固定其他組件的作用。防護(hù)外殼的結(jié)構(gòu)如圖2所示，防護(hù)外殼的外壁設(shè)有充電組件，并轉(zhuǎn)動(dòng)連接有箱門。箱門的外壁鑲嵌有觀察窗，可使外界通過(guò)觀察窗觀察裝置內(nèi)部的工作情況。箱門的外壁安裝有攝像頭，以便實(shí)時(shí)監(jiān)控充電裝置為動(dòng)力電池充電時(shí)的運(yùn)行狀況。防護(hù)外殼的內(nèi)壁設(shè)有散熱組件，及時(shí)將裝置在充電過(guò)程中產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去，保障設(shè)備內(nèi)部的溫度處于正常狀態(tài)。防護(hù)外殼遠(yuǎn)離箱門的一側(cè)外壁固定裝配有安裝架，通過(guò)安裝架的設(shè)置，可使該裝置能夠通過(guò)安裝架將該裝置安裝在其他位置，提高了該裝置的實(shí)用性。

預(yù)警式動(dòng)力電池充電裝置防護(hù)外殼的內(nèi)壁安裝有動(dòng)力電池主體，在動(dòng)力電池主體的頂部安裝有溫度傳感器，防護(hù)外殼的頂部固定裝配有警報(bào)器，在溫度傳感器檢測(cè)到溫度異常的時(shí)候聯(lián)合報(bào)警器報(bào)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(hào)接收器、接觸板等。防護(hù)外殼外的充電線部分固定裝配了插口，插口的內(nèi)壁安裝有斷電信號(hào)接收器，斷電信號(hào)接收器的外壁固定裝配有彈簧，插口的外壁設(shè)有接觸板，利用上述結(jié)構(gòu)，通過(guò)接觸板的外壁直徑大于斷電信號(hào)接收器的直徑特性，可知接觸板在與彈簧進(jìn)行接觸時(shí)，接觸板不會(huì)滑落至插口的內(nèi)壁。

充電線遠(yuǎn)離防護(hù)外殼的一側(cè)呈外擴(kuò)狀，接觸板的內(nèi)壁直徑與插口的內(nèi)徑相適配，接觸板的外壁直徑大于斷電信號(hào)接收器的直徑，彈簧的一端與斷電信號(hào)接收器的外壁固定連接，且彈簧的另一端與接觸板的內(nèi)壁相接觸，斷電信號(hào)接收器與警報(bào)器為電性連接。利用上述結(jié)構(gòu)，通過(guò)彈簧的彈性勢(shì)能的特性，可知斷電信號(hào)接收器在接收信號(hào)時(shí)能夠使彈簧將接觸板進(jìn)行彈開，從而使其能夠?qū)?dòng)力電池主體完成自動(dòng)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(chuàng)新部分，它運(yùn)用了類似新能源汽車動(dòng)力電池的水冷系統(tǒng)，對(duì)裝置進(jìn)行散熱，使裝置在充電時(shí)能夠保持在正常溫度范圍內(nèi)，以保障充電過(guò)程的安全進(jìn)行。散熱組件由水箱、水泵、冷熱轉(zhuǎn)換器等組成。水箱的內(nèi)壁固定裝配有冷熱轉(zhuǎn)換器及水泵，水泵的兩側(cè)外壁皆設(shè)有水管，水管的外壁套接有換熱器與水冷塊。水箱的內(nèi)壁填充有冷卻液，水泵與冷熱轉(zhuǎn)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(dòng)力電池主體的外壁。

利用上述結(jié)構(gòu)，通過(guò)冷熱轉(zhuǎn)換器的設(shè)置特性，可知冷熱轉(zhuǎn)換器能夠?qū)λ鋬?nèi)壁的冷卻液進(jìn)行降溫處理，從而能夠保證水箱內(nèi)壁需要吸附的冷卻液能時(shí)刻保持低溫的狀態(tài)。水箱的內(nèi)壁填充有冷卻液。水泵與冷熱轉(zhuǎn)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(dòng)力電池主體的外壁，通過(guò)水箱的內(nèi)壁填充有冷卻液的特性可知，水泵在工作時(shí)，可以將水箱內(nèi)壁的冷卻液吸附至水管的內(nèi)壁中，從而能夠?qū)?dòng)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(jí)控制管理。安裝在動(dòng)力電池主體上方的溫度傳感器檢測(cè)動(dòng)力電池主體溫度及設(shè)備內(nèi)部溫度，在不同溫度范圍內(nèi)通過(guò)充電組件、散熱組件和警報(bào)器做出相應(yīng)的動(dòng)作，從而達(dá)到控制溫度的效果。

a.溫度低于15 ℃時(shí)，由于該設(shè)備沒有設(shè)置加熱裝置，動(dòng)力電池的容量會(huì)受到影響、充電的效率也會(huì)有一定程度的降低，但是在充電過(guò)程中，動(dòng)力電池通過(guò)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)使電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，能量轉(zhuǎn)換過(guò)程的損耗中會(huì)以熱能的形式耗散，所以充電的溫度會(huì)隨著充電的時(shí)間有相應(yīng)的升高，低溫充電的時(shí)間也會(huì)相應(yīng)縮短，故可以不考慮15 ℃以下的情況，溫度傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，裝置的散熱組件無(wú)動(dòng)作。

b.溫度在15～35 ℃之間時(shí)，為動(dòng)力電池的最佳充電狀態(tài)，溫度傳感器繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，裝置的散熱組件無(wú)動(dòng)作。

c.溫度在35～50 ℃之間時(shí)，裝置的散熱組件會(huì)動(dòng)作，對(duì)設(shè)備及動(dòng)力電池主體進(jìn)行散熱。由于散熱組件是通過(guò)循環(huán)水的方式進(jìn)行散熱，散熱效果比風(fēng)冷的散熱效果好。一般溫度在45 ℃左右時(shí)充電電流會(huì)明顯下降，正常情況下溫度基本能控制在45 ℃以內(nèi)。

d.溫度超過(guò)50 ℃時(shí)，即出現(xiàn)了充電異常。導(dǎo)致溫度異常的原因有充電電流過(guò)大、充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、動(dòng)力電池內(nèi)部問(wèn)題、環(huán)境溫度過(guò)高等。不管是什么原因?qū)е碌臏囟冗^(guò)高，當(dāng)溫度高于50 ℃時(shí)認(rèn)為充電異常，此時(shí)斷電信號(hào)接收器斷開接觸板，即充電組件斷開與動(dòng)力電池主體的連接，設(shè)備警報(bào)器進(jìn)行安全警告，以達(dá)到安全預(yù)警并保護(hù)充電裝置及動(dòng)力電池主體的目的。

3 裝置的優(yōu)勢(shì)

3.1 具有可靠的防護(hù)預(yù)警機(jī)構(gòu)

該充電裝置有著安全可靠的防護(hù)預(yù)警機(jī)構(gòu)，它通過(guò)將接觸板的外壁與動(dòng)力電池主體的接線處相連接，使接觸板向斷電信號(hào)接收器的方向進(jìn)行按壓，可使接觸板對(duì)動(dòng)力電池主體進(jìn)行充電的工作，而當(dāng)溫度傳感器感受到動(dòng)力電池主體的溫度過(guò)高時(shí)，會(huì)發(fā)射信號(hào)，使斷電信號(hào)接收器接收信號(hào)［4］。斷電信號(hào)接收器收到信號(hào)后會(huì)將彈簧的彈性進(jìn)行釋放，通過(guò)彈簧的彈性勢(shì)能的作用，將與接觸板相接觸的動(dòng)力電池主體的電源線所彈出，即可停止對(duì)動(dòng)力電池主體進(jìn)行繼續(xù)充電的工作，增加了該裝置的安全性，且對(duì)動(dòng)力電池主體起到了保護(hù)的作用，進(jìn)而可有效延長(zhǎng)動(dòng)力電池主體的使用壽命。

3.2 采用水冷系統(tǒng)進(jìn)行冷卻

該充電裝置采用水冷系統(tǒng)進(jìn)行冷卻，可以更有效地將溫度控制在理想范圍內(nèi)。通過(guò)溫度傳感器檢測(cè)動(dòng)力電池主體的充電時(shí)的溫度，當(dāng)充電溫度過(guò)高時(shí)，會(huì)發(fā)射信號(hào)，使水泵開始工作，從而使水箱內(nèi)壁的冷卻液吸附至水管的內(nèi)壁，并在水管的內(nèi)壁循環(huán)一周后帶走動(dòng)力電池主體的熱量，冷卻液通過(guò)水冷塊降低溫度后又流回至水箱的內(nèi)壁，通過(guò)這樣的循環(huán)冷卻對(duì)動(dòng)力電池主體起到降溫的作用，散熱效果快速且基本無(wú)噪聲，同時(shí)，在動(dòng)力電池主體的溫度過(guò)高時(shí)，警報(bào)器會(huì)發(fā)出響聲，能夠起到預(yù)警的作用，提高了該裝置的安全性。

4 裝置測(cè)試與驗(yàn)證

4.1 測(cè)試項(xiàng)目與方法

4.1.1 溫度響應(yīng)測(cè)試

對(duì)裝置模型進(jìn)行溫度響應(yīng)情況的測(cè)試，從而反映裝置在不同的溫度范圍內(nèi)的響應(yīng)效果。通過(guò)人工控溫的方式，使溫度傳感器處在≤35 ℃、35～50 ℃和≥50 ℃三種環(huán)境下，同時(shí)觀察接觸板、水泵和報(bào)警器的工作情況。相關(guān)組件均能在相應(yīng)的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行動(dòng)作。

4.1.2 接觸板斷開測(cè)試

測(cè)試在溫度高于50 ℃時(shí)，通過(guò)觀察設(shè)備模型斷開接觸板和動(dòng)力電池主體的靈敏度來(lái)進(jìn)行測(cè)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(dòng)作可以在溫度傳感器接觸熱水時(shí)進(jìn)行，響應(yīng)時(shí)長(zhǎng)小于1 s。

4.1.3 散熱組件散熱效果測(cè)試

通過(guò)裝置模對(duì)型散熱組件的散熱效果進(jìn)行測(cè)試，觀察是否能將50 ℃以下的溫度控制在正常范圍內(nèi)。將裝置模型的溫度傳感器放在一個(gè)裝有水的容器上，該容器放在散熱組件之間，替代了動(dòng)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(guò)實(shí)驗(yàn)可測(cè)得，裝置的散熱組件可以在監(jiān)測(cè)溫度在45～50 ℃時(shí)，使冷卻液溫度保持在40 ℃左右。

4.2 測(cè)試結(jié)果

該充電裝置的各個(gè)組件能在不同的溫度條件下進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，散熱組件能有效地將溫度控制在40 ℃左右，當(dāng)溫度高于50 ℃時(shí)，接觸板在溫度異常時(shí)能迅速斷開與動(dòng)力電池主體的連接，報(bào)警器進(jìn)行報(bào)警［5］。該裝置滿足預(yù)警充電裝置的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)裝置模型的各項(xiàng)測(cè)試得知，與現(xiàn)有的充電裝置相比，該動(dòng)力電池充電裝置可以滿足汽車用動(dòng)力電池模塊或者是電動(dòng)自行車等的小型動(dòng)力電池的補(bǔ)充充電，所設(shè)計(jì)的動(dòng)力電池充電裝置加入水冷卻裝置，通過(guò)簡(jiǎn)單的溫度閉環(huán)控制，可以防止動(dòng)力電池在進(jìn)行充電時(shí)因充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而造成充電裝置過(guò)熱的情況發(fā)生，在溫度異常時(shí)及時(shí)預(yù)警并切斷裝置與動(dòng)力電池的連接，對(duì)動(dòng)力電池的充電起到了保護(hù)作用，提高動(dòng)力電池充電的安全性。

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作者簡(jiǎn)介：

夏仲敏，女，1984年生，講師，研究方向?yàn)槁殬I(yè)教育、新能源汽車技術(shù)。