某接收机电池设计

关键词：接收机；锂电池；3D 打印；接收机电池

中图分类号：TP211+.5；TM912.9 文献标识码：A

0 引言

某型接收机原装电池是一种特殊定制的可充电铅酸电池（图1）。该电池能量密度小，自放电明显，存在记忆效应，且生产时间为20 世纪70 年代，目前已全部报废。接收机只能通过接入交流电进行工作，因此野外工作受限，其便携性显著降低。

基于此，本文重新设计接收机电池，总体架构为外壳+ 电芯组合式结构，外壳采用3D 打印技术，内部安装锂电池作为电芯。为了充分发挥锂电池的优势，可以匹配电池管理电路对电芯进行充放电保护，并设计了对外充电端口，既可以使设备重新焕发生机，又可以对各种外设进行充电，提高了接收机的使用效能。

1 外壳设计

采用SolidWorks 软件设计接收机电池外壳，可以方便地进行尺寸驱动建模，便于对电池的升级扩充，柔性较强[1-2]。外壳设计需注意以下3 点：一是适当减少长度尺寸，由于接收机电池仓弹簧刚度较大，电池装上后电池仓内几乎没有长度方向的余量，因此导致电池仓盖很难合上；二是合理设计各种端口，以实现相应功能；三是原电池电极触点接触面积较小，氧化后容易引起接触不良，所以应设计专门的电极进行优化。

1.1 3D 零件图设计

3D 零件图设计需要兼顾尺寸与功能。尺寸的确定较简单，功能则需要重点考虑。新设计的接收机电池采用锂电芯，锂电芯必须匹配相应的电池管理电路，因此应在适当位置留出安装电池管理电路板的位置，必要时还应设计相应的支架。此外后面板预留电能输入、输出口和发光二极管（lightemittingdiode，LED）安装孔。

1.2 接触电极设计

接收机原电池普遍存在电极接触不良的现象，影响设备正常运行，接触不良主要原因是电极接触面积小，接触不可靠。另外，电极较薄，长时间使用易变形。针对这些问题，本文设计了加厚加宽的纯铜电极，有效防止了接触不良情况的发生。

1.3 整体装配

外壳内部的空间需做好规划，既要紧凑又要留有足够的裕度。水平方向上，电芯采用4 节三洋18650 锂电池，水平方向预留电池和电源管理电路板的安装空间，为安全起见，还应在电池端部与外壳之间留出安全距离以及必要的隔板。垂直方向上，外壳上盖与侧面板之间通过两个横梁连接在一起，横梁会占据垂直方向的空间，因此外壳内部竖直方向应留出横梁的尺寸空间。图2 为装配效果图。

1.4 3D 打印

设计的文件需注意设置相应的弧度、坡度[3]，以便打印时尽可能少地使用支撑材料，避免出现由于支撑材料的存在而不得不进行打磨的情况。此外，还应注意文件的放置方向，通过合理的放置可有效减少支撑材料，同时还可使接触打印床的一面保留较大接触面积，进而提高文件放置稳定性和打印成型率。

2 电路设计

新设计的接收机电池内部使用4 节三洋18650锂电池作为电芯，采用两串两并的连接方式，由于锂离子材料的特殊性，因此要求配备高精度的电源管理电路[4-5]。按照设计思路，新接收机电池应具备两个功能：向接收机供电和向外设充电，因此电路设计应围绕这两部分功能展开。图3 是锂电池充放电框图，整个架构的电路管理包括一块2 节电池放电管理电路板和两块单节电池充放电管理电路板，分别对2 节串联锂电池和单节锂电池进行充放电保护。

2.1 向接收机供电

接收机原电池输出直流电电压为9 V，实际中接收机在电压为6 ～ 9 V 时均可工作，新设计的接收机电池电压输出范围为5.8 ～ 8.3 V，完全满足接收机的要求。但对于2 节串联的锂电池，需连接对应的放电管理电路，以避免电池过放电。向接收机供电保护电路如图4 所示。

图4 中，端口P+、P- 分别为向接收机供电的正、负极；端口B+、BM、B- 分别连接2 节串联锂电池正极、单节锂电池正极与负极、2 节串联锂电池负极。20CB 是一款2 节锂电池串联保护芯片，适合于对2 节串联锂离子电池的过放电和过电流进行保护[6]。过放电检测电压为（2.90 ± 0.08） V，过放电释放电压为（3.0 ± 0.1） V，放电过流检测电压为（200 ± 30） mV。20CB 的管脚OD、OC 分别是放电控制金属—氧化物半导体场效应晶体管（metal-oxidesemiconductorfield-effect transistor，MOSFET） 门极连接端子和充电控制MOSFET 门极连接端子。U5 是放电控制MOSFET，通过20CB 的控制，连通P- 端子，从而使得2 节串联锂电池可以向接收机供电。20CB 的管脚VM 是充电器检测端子，电阻R11 连接20CB 的VM 管脚，其作用是当充电器反向连接时，限制流过VM 端口的电流大小[7]。VSS表示芯片电源负极，VCC 表示芯片电源正极，VC表示电压控制，U4 是芯片20CB，U5、U6 均是芯片4406，S 表示MOSFET 栅极，G 表示MOSFET门极，D 表示MOSFET 漏极。

2.2 向外设充电

图5 为锂电池充电电路，DW01A 是单节锂电池保护集成电路（integrated circuit，IC），可防止锂电池过充、过放、过流，具有高密度的超低导通电阻，适合功率大、电流大的锂电池应用场合。管脚OD 是放电MOSFET 栅极，用来控制放电；管脚OC 是充电MOSFET 栅极， 用来控制充电。GND 表示接地；NC 表示悬空。

8205S 内部包括两个独立的、N 沟道增强型功率MOSFET。8205S 的两个MOSFET 由DW01A 的OD、OC 管脚控制。8205S 的管脚1 负责放电，管脚3负责充电。

B628 是固定频率为1.2 MHz 的电流模式升压调节器，应用于小型、低功耗场合。内置输入端过流保护电路，B628 芯片的输入电压范围是2 ～ 24 V，输出电压可调至28 V，通过调节反馈引脚FB 上的电压，使输出电压固定在设置值。管脚SW 是电压输出端，输出电压V 取决于R1、R2 的阻值R、R，其计算公式为：

V=（R/R+1）×0.6。 （1）

图5 中的R=200 kΩ、R=27 kΩ，则V=5.04 V。当管脚EN 接高电平时，B628 开始输出恒定电压，一般管脚EN 与管脚VIN 直连。当充电线的一端插入USB IN 接口则B628 工作，以恒定电压V 给外设和电池充电。

3 结果测试

放入4节三洋18650 电池，每节容量为3 500 mA·h，总容量为14 A·h，远大于原电池的500 mA·h。

接入上述电路后，安装电极、外壳，最终得到接收机新设计的电池，新设计的电池与原电池对比如图6所示。

将设计的电池装进接收机，由于其电极比之前的接触面积更大，因此接触非常牢靠。输出电压、电流满足接收机要求，接收机能够正常工作。经测试，当充满电时，可供接收机不间断、满功率使用10 h，常规工作则可以使用2 个月，而原电池常规工作仅能持续使用1 周。由此可见，设计的锂电池在续航时间方面远远优于原电池。

4 结论

锂电池能量密度高、重量轻、自放电率低、记忆效应小[8-9]，接收机电池更换为锂电池后，一方面解决了接收机野外供电的问题，摆脱了必须使用交流电的困扰，提高了设备的便携性；另一方面续航时间明显加长，提高了接收机的使用效能。此外，由于新电池采用3D 打印技术，即用即打，制造周期短，制造和维护成本低。利用锂电池可观的容量优势，新设计的电池还可以为各种外设充电。经过两年来的实践应用，工作稳定可靠，效果令人满意，具有广阔的应用前景。