直流工具用锂电池包结构要点分析与探讨

房加强 李海英 施兆良 凌建平

（ 上海电动工具研究所，上海 200031 ）

直流工具用锂电池包结构要点分析与探讨

房加强 李海英 施兆良 凌建平

（ 上海电动工具研究所，上海 200031 ）

从锂电池成组技术的角度，结合实际生产工艺，探讨分析18650锂电池包各结构件在设计和生产过程中应注意把握的技术关键点，阐述结构设计和电池管理系统对锂电池包使用性能的影响。

18650锂电池 电池成组技术 点焊 锂电池包 结构设计

0 引言

随着电池技术的不断创新和改进，动力电池已从传统的铅酸蓄电池发展到如今的镍氢电池,钴酸锂,锰酸锂,磷酸铁锂等先进的绿色动力电池。18650锂电池是一种应用广泛的绿色动力电池，在比能量、比功率、安全性、可靠性、循环寿命等方面都取得了很大的进步。

近年来，越来越多的电动工具、园林工具和家用电器（如图1所示）等工具由交流供电、柴油机（园林工具）演变为由直流可充电式锂电池包供电，相关制造企业和机构对锂电池包的研究也随之增多，但主要是集中在锂电池管理系统的研究，相对于锂电池包结构研究却不多见。本文主要针对18650锂电池包的结构关键点进行分析与探讨。

图1 常见电池式电动工具、园林工具和家用电器

1 概述

18650锂电池是一种标准型号的锂电池(如图2所示)，其中：18表示直径为18 mm，65表示长度为65 mm，0表示圆柱形电池。常见的18650电池分为锂离子电池、磷酸铁锂电池。

图2 常见的18650锂电池

18650锂电池相对于传统铅酸电池和镍氢电池具有如下优点：

1）单节电芯体积与重量适中，便于组合；

2）单节电芯的工作电压高达3.6～4.2 V，同等供电条件下减少了电池组合的数量，同时降低了电池组中由于单节电芯的电压差造成故障的概率；

3）电芯组合数量的减少使得电池组合体中连接片的数量减少，降低了电池组的内阻，减少自身消耗，延长电池组的使用时间；

4）能量密度高，能量效率高，自放电率小，无任何记忆效应；

5）可以大电流充放电；

6）循环寿命长，可循环充电1000次以上；

7）不含重金属及有毒物质，不污染环境，是真正的绿色电源。

2 成组技术

锂电池组是提供工具电能的一个或多个锂电池的组合，通过连接片以串联或并联或串并联并存的方式，在有或无支架支撑的情况下，采用电阻点焊方式对连接片进行焊接组合。18650锂电池用于充电式工具中，即以电池组的形式呈现。由单节18650锂电池加工成18650锂电池组的技术称为锂电池成组技术，18650锂电池、连接片和点焊是锂电池成组技术的三大要素。

一般情况下，电池组的使用性能会较单节电芯的优良性能有所降低，其主要因素有：

1）电池组中各节电芯的一致性

受电芯生产厂商所用材料和工艺等因素的影响,电芯内阻无法做到完全相同,因此它们的性能也很难达到一致。通过点焊成组前的电芯分选可以保证同一电池组中各节电芯的电压和内阻的差异最小化，从而保证电池组中各节电芯的一致性。

2）电池组的使用寿命

虽然电池组中的电芯在点焊前经过分选，但也无法保证电芯在经过多次充放电循环后仍保持电压、内阻、容量的一致性，从而降低电池组整体的使用寿命。合理有效的电池管理系统可以延长电池组的使用寿命。

3）电池成组过程中成组技术

18650锂电池成组技术在结构方面大致包括电池包壳体、电池支架、连接片和点焊技术等方面。连接片的材料与型式的选用、连接方式、点焊方式等都会影响电池组的使用性能。

3 结构分析

电池包的结构设计必须满足以下要求：

1）机械强度

设计的电池包应通过振动、冲击和自由跌落等型式试验要求,以保证电池包使用可靠性。

2）安全要求

电池包的结构设计应符合安规基本要求，如绝缘要求、防止异物进入、基本防尘等。

3）接口

所有电气接口和机械接口应在安全、可靠的前提下满足国家和行业的相关技术标准要求。

图3 锂电池包结构组成图

基于上述要求，构成一个完整的锂电池包主要包括：壳体、锂电池组（包含电芯、支架、连接片）、PCB板、输出端子、绝缘材料、紧固螺钉和标签或喷码等，如图3所示。各部分作用和设计要点如下：

1）壳体

牵引采煤机是煤矿资源开发利用中最重要的机电设备，是有机械、电气、液压等为一体的大型的复杂机电系统。在牵引采煤机中引入电牵引技术，不仅显著提高了采煤机的工作动力，提升了采煤机的稳定性能，还有效减少了采煤机发生故障的频率。与传统的液压牵引技术相比，电牵引技术提高了采煤机的工作性能和安全性能，增强了采煤机的控制性能，实现了自动化控制的目的。

电池包壳体的造型和工具本体的风格基本保持一致。通常，电池包壳体和工具壳体同时进行造型设计。壳体大小和形状主要由电池排列方式决定。电池包壳体对锂电池组起一定的包裹、紧固和保护作用，合理的壳体设计还必须考虑散热功能的通路设计。

2）电池支架

电池支架的主要作用：紧固电芯以及为PCB板支撑定位。支架的形式取决于电池的排列方式。由于不同品牌不同型号的18650电芯的直径略有差异，最小为18.0 mm，最大为18.5 mm，所以在设计支架内径时应注意所使用电池的直径尺寸范围。电池组是多节电芯通过一定方式串并联而成，在组装时不允许搞错极性，为防止生产过程中发生连接错误，一般电芯支架会有防呆设计。

3）连接片

连接片主要起到单节电芯间的电连接作用，同时把电池、支架和PCB板三者紧紧地连接在一起。连接片的材质、截流面积和结构形式是连接片设计时主要考虑的三大要素。在采用凸点电阻点焊时，连接片凸点的形状和高度直接影响到点焊效果。

电池组连接片设计应尽量避免以下情况：连接片叠焊，导致电池组无效损耗增加，影响电池包使用寿命；直接在电芯端面连接片上锡焊引出导线，焊线时使电芯受热，对电芯产生不良影响。

4）PCB板

PCB板是电池组通向电池包外部的通道。电池组连接片需接到PCB板上，连接方式有穿孔焊、趴焊和导线连接三种：穿孔焊即连接片穿过PCB板对应位置插孔锡焊到PCB板上；趴焊即连接片从PCB板外侧折弯后锡焊到PCB板上；导线连接即连接片通过导线锡焊到PCB板上。就连接强度来看，穿孔焊的连接强度优于趴焊；就加工工艺来看，前两种连接方式的便捷性都好于第三种连接方式。为防止错误接入电芯极性，并提高装配速度，PCB板可结合连接片和支架做防呆设计。

5）输出端子

输出端子是电池包与工具或充电器的电气连接端口。截流面积和弹性预紧力是输出端子的两大主要考核指标。输出端子弹性差会产生电气接触不良现象，并且输出端子与PCB板的连接强度也会影响实际使用效果。一般采用机械强度高、耐腐蚀、导电性能好的磷青铜材质。

6）绝缘材料

绝缘材料主要起两方面作用，一是隔离保护电芯，防止电芯间短路，起到安全防护作用；二是起到填充、缓冲的作用。

合理的电池包壳体结构设计，可减少绝缘材料的使用，减少成本的同时也优化组装工艺，有利于降低整个电池包的制造成本。

7）其它

电池包外部Logo的设计可以彰显品牌形象和风格特征；装配用螺钉一般选用自攻螺钉标准件，也可选用防拆螺钉，一般使用者不可随意拆卸电池包。

4 结语

本文主要从锂电池组成组技术的角度，分析和探讨了锂电池包各结构部件在设计时应该注意的关键点，强调锂电池包结构部件设计和锂电池管理系统对锂电池包使用性能的影响同等重要，使锂电池包性能考核指标更加全面。设计、生产、制造一个合格、安全、性能优越的锂电池包，仅有一个好的锂电管理系统远远不够，还必须要有合理的结构设计，才能发挥锂电池的优良性能，从而提高电池包的安全性、可靠性，以期达到更好的使用效果。

[1]赵慧勇，罗永革，杨启超等．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．

[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]谭易．动力型锂电池成组技术研究[D]．武汉：武汉理工大学，2013．

Analysis and Discussion of Cordless Tools Lithium Battery Pack Structure Points

Fang Jiaqiang Li Haiying Shi Zhaoliang Ling jianping

( Shanghai Electrical Tool Research Institute, Shanghai 200031, China )

From a point of lithium battery group technology, combined with the actual production process, analysis and discussion on key technical points of 18650 lithium battery pack for each structure in the design and production process, to explain the structural design and battery management system designed to impact on the performance of lithium battery pack.

18650 lithium battery Battery group technology Spot welding Lithium battery pack Structural design

TM910.6

A

1674-2796(2014)06-0014-04

2014-10-15

房加强（1989—），男，硕士，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。