“两仪电池盒”的设计与研究

董青城，张 迎

（雏鹰翊智（北京）教育科技有限公司，北京100000）

在日常生活中，经常出现为遥控器更换电池时型号大小不符、安装不正确的现象，并且在生活垃圾中，废弃的干电池占一定的比例且属于较难处理、会对环境造成危害的垃圾。在购买电池的时候，经常因为不清楚电池型号而烦恼。分析上述现象，可发现一个非常值得思考的问题：是否可以研究一种新型的电池盒来解决这些问题。

1 调查与分析

为确定新型电池盒研究方向，首先进行数据调查，其次依据调查结果进行分析，确定研究的可行性。

2 确定调查方式

在进行具体研究之前需要进行查新、查重，以确定研究的创新性实用性。需要在中国国家知识产权局官方网站、中国知网中进行相关专利或相关文献的调查，在京东网、淘宝网等电商网站中进行相关商品调查，在360 搜索引擎、百度搜索引擎中进行相关言论调查，以确保研究的创新型、实用性、需求性。

因为使用者受年龄因素影响过大，不易使用随机调查法进行调查，故采用分层抽样调查法进行调查。调查对象选定为小学生、初中生、高中生、成人，进行问卷调查，从而排除因年龄因素对调查结果产生的影响。

因为使用群体庞大，群体结构复杂，如果需要得出较为准确的样本数据，则需要进行滚雪球抽样调查，从而避免出现抽样误差。

3 网络调查结果

通过在中国知识产权局官方网站上进行相关文献以及相关专利调查，得出现在并没有可以解决电池无极使用和无极充放电的任何信息。同样在中国知网进行查询，查询无果。通过使用360 搜索引擎、百度搜索引擎、搜狗搜索引擎，在互联网中搜索得出，存在电池安装不便、废弃电池处理较难、电池型号不容易分辨等问题。

4 问卷调查结果

依据调查者年龄进行分层调查，可以分为：小学生、初中生、高中生、成人。

为保证调查人群的有效性，进行第一次因子分析，通过因子分析得出，小学生、初中生、高中生为主要影响因素，成人为无影响因素，故排除成人，再次使用滚雪球调查法进行调查。将已经进行调查到的200 位成人作为无效调查。

小学生人群调查600 人，初中生人群调查600 人，高中生人群调查600 人，成年人调查200 人。共调查2 000 人，有效调查1 800 人。调查有效率为90%。通过在国家统计局官网上调查北京市常驻人口为1 375.8 万人，抽样比为万分之1.3，调查有效率大于90%，具备统计意义。

为保证调查问题，对新型电池盒的期望以及新型电池盒的功能需求，对问卷进行第二次因子分析，通过因子分析读出对一种新型电池盒的期望影响较大的选项有：是否愿意使用充电电池、是否愿意购买充电电池、电池的使用频率、使用电池时失误的频率。

5 数据分析

进行单变量回归分析：是否愿意使用充电电池、是否愿意购买充电电池、电池的使用频率、使用电池时失误的频率，对新型电池盒的期望存在什么影响。

通过单变量回归分析，得出：①学生年龄与电池使用频率存在反向相关关系，即年龄越大使用频率越低，年龄越小电池的使用率越高。②学生年龄与电池使用失误率不存在相关关系。从而得出使用电池的失误事件与年龄没有相关关系。③学生年龄与是否愿意购买充电电池存在正向相关关系。证明了年龄越大的学生越愿意购买充电电池。④学生年龄与是否使用充电池存在反向相关关系。从而得出年龄越大用充电电池的意愿越小。⑤使用电池频率与使用电池失误率存在正向相关关系。使用电池的频率越高失误率越高。

6 调研分析结论

通过网络调查、访问调研可以得出，现在存在的电池盒的确存在使用不便利等问题，同时调查出人们对新型电池盒的期望。通过数据分析得出：①年龄越大使用频率越低，年龄越小电池的使用率越高；②年龄越大的学生越愿意购买充电电池；③年龄越大使用充电电池的意愿越小；④使用电池的频率越高失误率越高。

7 设计

7.1 产品设计规划

主要包括：①设计电路，绘制电路图；②规划电路空间,构思并手绘电池盒初稿；③优化电池盒设计图纸；④电脑绘图，整体和细节；⑤3D 建模及机器打印；⑥焊接电路，组装验证。

7.2 建立功能标准

主要标准：①可不区分电池的正负极使用或充电；②可在“18650”电池和“14500”电池规格（长度和电池直径）范围内的电池通用；③可做应急充电宝，或在0～24 V（36 W内）恒压恒流直流电源使用；④可220 V 交流电或装配电池时固定变压5 V 直流输出。

7.3 设计原则

符合结构设计原则：①结构最简化；②结构质量最轻化；③结构载荷最大化。

符合结构功能原则：①安全性（结构安全、使用安全）；②适用性（易使用、易维护、经济性）；③耐疲劳性。

7.4 概念设计

7．4．1 工作原理

充电状态：接通电源进入调压模块，通过第一整流桥输出给电池通电，同时提供USB 接口对外输出5 V1 A 直流电。

用电状态：无220 V 交流电情况下，断开第一整流桥，防止灌流。同时打开第二整流桥作为输出整流，向调压模块供电。且提供USB 接口对外输出5 V1 A 直流电。示意图如图1 所示。

图1 示意图

7．4．2 结构设想

主要有：①参考相似产品外观设计，进行功能分析满足电池盒基本功能。②预估电路尺寸，根据电源、开关、转接模块等相关尺寸设计。③参考测量的电池尺寸（预留电池行程轨道调节空间），根据使用者手型及舒适度进行最后调节，以保证满足符合人体使用。④确定所有元件、部件尺寸大小，标注参数。设置所有功能键位孔位。留出相应的结构安装位置。⑤规划3D 打印设计（结构特性、材料特性、机器特性），复合3D 打印技术要求考虑实际打印成功率。

7.5 具体设计

“两仪电池盒”主体由物理结构和电路结构两大部分组成。其中物理结构主要由壳体结构、固定电路模块、显示模块、电池行程轨道和操控开关五大部分组成。

7．5．1 壳体结构

为减轻两仪电池盒重量，满足便携性、安全性使用要求；同时保证壳体强度及降低加工难度，增大打印成功率，需要优化壳体结构设计。

具体如下：①采用内外双层壳体结构设计。在壳体总框架厚度不变前提下，减小壳体框架实际结构重量，保证内外壳体间隙，内外壳体间形成若干“蜂窝结构”。优化理由：因其极佳的抗压、抗弯特性和超轻型结构特征，与同类型的实心材料相比，蜂窝材料其强度重量比和刚性重量比在已知材料中均是最高的。“蜂窝结构”具有优越的性能，从力学角度分析，封闭的六角等边蜂窝结构相比其他结构，能以最少的材料获得最大的受力，而蜂窝结构板受垂直于板面的载荷时，它的弯曲刚度与同材料、同厚度的实心板相差无几，甚至更高，但其重量却轻70～90%，而且不易变形，不易开裂和断裂，并具有减震、隔音、隔热和极强的耐候性等优点。②采用PLA 材料，降低自身材料比重，材料刚度好，打印出来的模型硬度好，强度好，作为结构件经久耐用。同时保证“两仪电池盒”自身绝缘，外表面不会发生漏电现象。③壳体中分两大部分，即高压和低压两部分。加厚高压部分内壳体厚度并预留散热通道。④保证壳体内无直角结构，倒以圆角保护线路不会因摩擦破损。

7．5．2 固定电路模块

为保证线路清晰且安全，将电路划分为显示部分、用电部分、充电部分和输出部分。所有部分相对独立，互有连接孔位。具体如下：①各部分均具有独立外壳，保证安全，不因走线或元件误触而短路；②各部分外壳均具有多散热孔（空径小于电路用线线径），降低零件老化；③各部分预留统一安装孔位，降低设计工作难度，同时保证零件统一性，便于更换安装。

7．5．3 显示模块

显示模块相对独立，要求易于观察。因显示器产热较大，将显示模块置于整体结构最远端。具体如下：①显示模块壳体内预留间隙放大，通风孔位布局优化形成扰流加速空气流动；②为显示模块预留输出、输出双路孔位，且独立隔开。

7．5．4 电池行程轨道

电池行程轨道主体分为：固定底托、模块卡槽、行程电极三大部分。具体如下：①固定底托为加厚PLA 材质，预留安装孔、减轻孔、模块卡槽安装位；②模块卡槽，外观大小满足可“18650”电池和“14500”电池规格范围内电池通用；③行程电极由电极、弹簧、行程座和固定杆组成。保证安全下优化行程中行程座移动流畅性。

7．5．5 操控开关

操控开由开关、开关底座、绝缘拨片组成。具体如下：①开关位置清晰，与其他零件相互不干扰；②开关两侧保证有隔板断开两级；③绝缘拨片保证开关装换过程中，人体安全不触电。

8 验证

给电池盒通电，通过实际应用对“两仪电池盒”进行试车，分别进行电池充电和供电输出两大功能试验。通过实验验证设计目标，是否设计成功。电池充电可以给小型锂电池各种型号充电，充电电压为5 V，且充电时可以不分正负极，此功能达到设计目标要求，设计成功；供电输出，可以使用充好电的锂电池为其他用电器充电，同时可作为变压器直插220 V 交流电，恒流恒压为其他用电器充电，达到设计目标，设计成功。

此电池盒在生活中能够解决人们的充电问题，避免因使用电池不当造成的不便，同时也是综合应用科学技术的很好范例。