浅谈直流工具用锂电池包注塑件结构

房加强

（ 上海电动工具研究所（集团）有限公司　上海电动工具工程技术研究中心，上海　200233 ）

浅谈直流工具用锂电池包注塑件结构

房加强

（ 上海电动工具研究所（集团）有限公司上海电动工具工程技术研究中心，上海200233 ）

从注塑件结构角度浅述直流工具用锂电池包的结构特点，以内置式锂电池包和外置式锂电池包的分类、应用特点与外壳分型，结合在实际生产中遇到的问题，分析锂电池包各注塑件在设计时应注意的相关事项。

锂电池包；注塑件外壳；结构设计；生产工艺

0　引言

随着锂电技术的不断创新和飞速发展，越来越多的电动工具、园林工具和家用电器等开始大规模采用锂电池包对工具进行直流供电。越来越多的电动工具制造商和相关产品设计、研发人员逐渐重视直流工具用锂电池包注塑件的结构设计。本文试从注塑件的结构方面对直流工具用锂电池包进行分析与探讨。

1　概述

直流工具用锂电池包的核心部件是锂电池和连接片。为获得更高的功率、实现更好的保护功能，还应满足电池包在机械强度、电气接口、安全和外观造型等方面的要求，可选择性地为锂电池包增加注塑件（壳体、按钮、电池支架、PCB板支架、输出端支座）、PCB板、输出端子、绝缘材料、紧固螺钉和弹簧等。

2　分类

考虑直流工具在产品造型、结构空间、使用环境和产品本身性能等方面的差异，与其配套的电池包也会有不同的设计。从电池包与工具的配合方式分析，电池包可分为内置式和外置式两种。内置式电池包有三种类型：单节电池内置式电池包、塑封装内置式电池包和注塑壳体装内置式电池包；外置式电池包同样分三种类型：直插式外置锂电池包、推拉式外置锂电池包和背包式外置电池包。推拉式外置锂电池包外壳分单分型面和多分型面两类。见图1。

图1 锂电池包分类

2.1 内置式电池包

内置式电池包通常隐藏于工具壳体内部，使用者不可拆卸。这类电池包没有与工具端配合的输出端子，但在电池包的正负极引出两根导线，或通过固定锡焊或通过快速接口方式连接工具端为其供电。该类电池包通常有导线引出连接DC充电接口，固定在工具壳体上。

1）单节电池内置电池包

该类电池包仅有一节18650锂电池和两个连接片，没有任何注塑件，也没有PCB板。电池包放电保护和充电保护通常集成到工具端，采用直流适配器进行充电。单节电池内置电池包，多见于体积小巧、小功率型工具，通过工具注塑件上的结构筋位，卡装在工具内，如螺丝刀，见图2。

图2 单节电池内置式电池包

2）塑封装内置电池包

塑封装内置电池包没有注塑件壳体，使用热缩套管进行塑封。塑封装内置电池包可做到整个电池包没有任何注塑件，但是若此类电池包内含18650锂电池数量过多，或电池排列方式比较复杂或有特殊形状要求，会增加一个电池支架，以保证电池排列紧实和规则。该类电池包的放电保护多数集成到锂电池包内的PCB板上，一般通过外配的充电器实现电池包的充电保护等。塑封装内置电池包，一般通过工具注塑件上的结构筋位，卡装在工具内。多数交流工具改直流工具时会采用这种电池包，以节省前期模具投入成本，见图3。

图3 塑封装内置式电池包

3）注塑壳体装内置电池包

注塑壳体装内置电池包，顾名思义是该类电池包有根据电池排列形状设计的注塑件壳体。注塑件壳体通常根据直流工具的空间结构、使用环境以及电池排列形状等进行设计，以实现对锂电池的保护。通常此类电池包注塑件壳体的造型设计和结构设计，可保证电池排列紧实和规则，但电池包内含18650锂电池数量过多或电池排列方式比较复杂或有特殊形状要求，需要增加一个电池支架，来保证电池排列紧实和规则。该类电池包的注塑件壳体内通常有PCB板，实现对电池包的放电保护等功能，充电保护一般通过外配的充电器实现。注塑壳体装内置式电池包在工具内的固定方式有两种，一是通过工具注塑件上的结构卡装；二是通过自攻螺钉紧固，见图4。

图4 注塑壳体装内置式电池包

2.2 外置式电池包

从使用者的角度分析，外置式电池包的最大特点是可以直接看到并触摸到电池包，电池包有自己独特造型的注塑件壳体，拥有和直流工具一致的造型风格。外置式电池包，均可脱离于直流工具进行充电，电池包内含有一个PCB板，或是转接板，或是保护板。通常保护板的外形尺寸大于转接板的外形尺寸。

常规外置式电池包采用将放电保护集成到电池包内PCB板上、充电保护集成到充电器的设计方案，适用于一台工具配一个电池包和一个充电器。“一机、一包、一充”，是多数电动工具制造企业的经典搭配。

放电保护和充电保护全都集成在电池包内PCB板上的外置式电池包，全功能PCB保护板使电池包的价格较高，但与其配套的充电器的价格会降低。如果一个充电器和一个电池包需要配套一系列的工具，即“多机、一包、一充”，适合采用这样的设计方案。

将放电保护集成到工具端，充电保护集成到充电器的外置式电池包，电池包内的PCB板是没有任何保护功能的转接板，电池包价格成本会低很多，适用于一台工具配套多个电池包和一个充电器，即“一机、多包、一充”，适用于长时间户外工作的工具。

1）直插式外置电池包

直插式外置电池包，其超过一半的壳体包裹在直流工具壳体内，通过弹性卡扣锁牢与工具进行配合。直插式的配合方式，工具整体设计小巧紧凑。因电池数量少，体积小，多数10.8 V（3S1P）锂电池包和14.4 V（4S1P）锂电池包采用直插式设计。设计时，电池包壳体一半包裹在工具注塑件壳体内，一半显现在外，电池呈“T”型排列。出于保持同一系列工具整体造型一致性或通用同一套工具注塑件外壳等因素考虑，也可将18 V（5S1P）锂电池包同样采用直插式设计，类似于10.8 V（3S2P）和14.4 V（4S2P）锂电池包的“T”造型，但复杂化了电池包的内部结构和生产工艺，见图5。

图5 直插式外置电池包

2）推拉式外置电池包

推拉式电池包，外壳几乎全部显现在外，可配合工具本体做造型设计，添加公司特有的设计元素，凸显风格。多数锂电池包与工具的配合方式是推拉式。

平台化设计时，为了通用电池包上盖，锂电池包同时设计成抽屉式，可通用同一套电池包注塑件。减少模具数量，降低成本的同时还便于仓库物料管理，见图6。

图6 推拉式外置电池包

3）背包式外置电池包

所谓背包式外置电池包，即电池包可装入背包袋，电池包不是直接通过端插片配合为工具供电，而是在上述两种外置式电池包的基础上，外加一条电缆导线，一端连接工具，一端连接电池包。电缆导线通常由直流工具的尾端引出，像交流工具的电源线一样拖在外面，区别在于直流工具的电缆导线尾端是与电池包输出端配合的插座。即“一机、多包、一充”，适用于长时间户外作业的工具。

3　外壳分型

锂电池包的外壳主要对锂电池组起到一定的包裹、紧固和保护作用。除此之外，电池包的造型和工业设计展现了公司理念和追求。从电池包分型面角度分析，部分电池包为单分型面设计，或呈上下分型，或呈左右分型；部分电池包为多分型面设计，上下分型之后，再做两次左右分型。单分型面电池包外壳通常采用四个自攻螺钉进行紧固，而多分型面的电池包外壳一般采用八个自攻螺钉进行紧固。

无论是单分型面设计还是多分型面设计，都要保证自攻螺钉孔的结构强度，以免在紧固自攻螺钉时发生螺钉孔开裂现象，或放置一段时间后应力释放致使螺钉孔开裂，影响电池包外壳的连接强度。另外，在对电池包外壳做分型处理时，应在两个注塑件的配合处适当设计美工缝，防止在紧固螺钉后对接间隙不一致，影响电池包外观。

1）上下分型外壳

上盖与工具端通过结构配合牢固，可防止在使用中振动松脱；下盖为腔体设计，包裹电池组。目前市场上多数锂电池包都采用这种分型方式，结构简单，组装方便，见图7。

图7 上下分型外壳

2）左右分型外壳

左右分型电池包外壳一般为左右平分，由于该类电池包整体结构较复杂，且生产工艺繁琐，市场较为少见，见图8。

图8 左右分型电池包外壳

3）多分型面外壳

最常见的多分型面电池包外壳，即三个分型面，电池包分成上盖、下盖、左侧盖或右侧盖。上盖与工具端配合，下盖通常既是电池包壳体，既是电池支架也是PCB板支架，三者设计为一体。一体化设计，只需要一个注塑模具，即可降低成本简化生产工艺，又可以增强机械强度，提高电池包的可靠性，见图9。

图9 多分型面电池包外壳

4　其它注塑件

相较内置式电池包，外置式电池包拥有更多的注塑件，除了必备的注塑件壳体，外置式电池包还可选择性的添加其它的注塑件，比如按钮、电池支架、PCB板支架、输出端支座等。

1）按钮

几乎所有的外置式锂电池包都有按钮。没有按钮的外置式锂电池包，必然有其它弹性机构。按钮通常和弹簧组合使用，配合电池包上盖以保证电池包和工具配合牢靠。在设计按钮时，应考虑：弹簧受力点的位置；弹簧的导向；按钮卡扣高出电池包上盖的距离。见图10。

图10 电池包按钮

2）电池支架

多数外置式电池包都有电芯支架，一是保证电池排列规则紧凑，二是提高电池包的抗震性，更好的保护电池。电池支架有两种设计，一是一个整体支架，二是两个对称支架；可设计成半包裹电池端部，亦可设计成全包裹电池端部。相较而言，半包裹支架对电池的固定效果低于全包裹支架，尤其是在生产过程中，半包裹支架的电池组经常松散影响生产效率。从生产的角度分析，全包裹（对称）支架对电池的固定效果最好。虽然全包裹（对称）支架是两个件，但总是配对使用，因此可以为这两个支架设计一个注塑模具，一次注塑成型两个件，见图11。

图11 电池支架

3）PCB板支架

PCB板支架用来固定PCB板，同时起到隔离PCB板与电池作用，防止PCB板上的锡焊点或元器件刺破电池，以免造成损害。一般PCB板支架和电池支架呈一体，少开一个注塑模具，既降低成本，又增强机械强度，提高电池包的可靠性。在设计PCB板支架时，应注意PCB板的定位和紧固，一般采用对角定位、对角打自攻螺钉的设计；同时，还应做防呆设计，避免PCB板位置反向所造成的短路，增加损耗，影响生产效率，见图12。

图12 PCB板支架

4）输出端支座

输出端支座用以固定端片或插片，同时起到隔离保护的作用（相邻端片间的隔断不影响端片开口的开闭），防止电池包在输出端短路。电池包内的输出端为端片或插片，多为端片。并不是所有的电池包都配有输出端支座，但如果采用插片做电池包的输出端，通常要配套输出端支座。如果输出端是两个分部间距较大的端片，可不必采用输出端支座，但端片的设计应当确保端片锡焊在PCB板后有足够的连接强度。

输出端支座的底部通常应设计定位柱，装配时，定位柱穿过PCB板，对输出端起到一定的紧固作用。对于工作电流较大且高频震动的工具，可将配套锂电池包的输出端子，通过自攻螺钉紧固于电池包上盖，用导线连接PCB保护板和输出端子，对PCB保护板起到更好的保护功能，见图13。

图13 电池包输出端

5　结语

本文从注塑件结构的角度，简单分析直流工具用内置与外置锂电池包的结构特点以及设计时需要注意的问题。直流工具用锂电池包的结构设计不仅应考虑产品造型、结构空间、使用环境和产品本身性能等多方面问题，还应提前考虑到后续生产过程中的工艺。未来锂电工具和锂电池包的发展趋势如何，还需要行业同仁进一步研究和探讨。

［1］房加强，李海英，施兆良，等.直流工具用锂电池包结构要点分析与探讨［J］.电动工具，2014（6）.

［2］王林.电动汽车磷酸铁锂动力电池系统集成及管理系统研究［D］.上海：上海交通大学，2010.

［3］赵慧勇，罗永革，杨启超.车载镍氢电池管理系统研究现状与发展［J］.湖北汽车工业学院学报，2004（18）.

Analysisi and Discussion on Structure of Plastic Part for Lithium Battery Pack

Fang Jiaqiang
SETRI （Group） Co.， Ltd. Shanghai Electric Tools Engineering Center， Shanghai 200233， China

From the view of the structure of plastic part， this paper analyzes the structural characteristics of the lithium battery pack comprehensively on the market. Based on the application and enclosure type of the built-in lithium battery pack and external lithium battery pack， combined with the problems encountered in the actual production， this paper analyzes the matters what should be pay attention to in the design of the plastic parts of lithium battery pack.

Lithium battery pack； Plastic shell； Structure design； Production process

TM910.2 文献标示码：A

1674-2796（2016）03-0003-06

2016-03-22

房加强（1989—），男，硕士研究生，主要从事电动工具产品开发设计和制造工作及锂电池成组技术研究。