水下装备电池盒结构设计分析

雷阳，朱晓培

（1.中国船舶重工集团公司 第七一○研究所，湖北 宜昌 443003；2.三峡职业技术学院 机电工程学院，湖北 宜昌 443003）

0 引言

水下装备在我国水产养殖、海洋领域应用越来越广泛。各类水下装备在航行过程中，电池作为动力及仪器的供电源在装备中非常重要。合理稳固的电池盒结构不但能够服务于机器人总体布局及重心平衡调配，而且对于航行中电池的安全性能也是重要保障。

为保证水下装备航行稳定，对电池盒结构设计提出了设计准则及要求。即保证电池盒的优化设计，满足刚度、电磁兼容、空间合理应用。由于现在的电池主要为铅酸电池及锂电池，在机器人航行状态中，电池在机器人舱内的固定和安装尤为重要。必要的电池安装保护结构能够有效地防止水下震动对电池本身带来的影响，同时也防止电池在航行过程中发生移动、窜动，避免电池位置不稳固导致对舱内其余设备的损坏，从而保证电池安全运行及安全充放电。

本文分析了某款水下机器人电池盒结构，结合试验过程中发现的问题，提出了解决方案，并进行了试验验证。作为电池盒设计的一种思路，能够指导其余水下装备电池盒设计。

1 电池及电池盒结构

某款水下装备采用锂电池作为电池源。依据机器人总体布局，锂电池结构为图1外形结构。电池上有两个接线柱，外形圆整平滑，安装在水下装备舱内。

初期阶段，依照电池尺寸及外形特点设计了相应的电池盒。电池盒由电池盒侧板，电池盒挡板，电池盒前、后板组成，如图2 所示。锂电池安装在电池盒内。电池盒后板上开槽并依据电池高度留有空间，卡住电池，防止在高度位置上跳动，电池盒挡板防止电池在盒内前后滑动。

图1 锂电池结构示意图

图2 电池盒结构示意图

2 电池盒设计要素分析

在机器人整装颠振实验过程中出现故障，电池脱离电池盒在舱内跳动，使附近开关引线脱落，并导致开关损坏。为此，我们对电池盒的设计要素进行了如下分析。

1）配合公差。配合公差是指锂电池及电池盒之间安装时的间隙公差。一方面配合公差的选择要保证电池能够顺利推出、推入电池盒，保证电池的安装和拆卸方便；另一方面，电池盒与电池之间的配合公差要能够保证电池在盒内不发生大尺度跳动、转动。

2）刚度。由于电池在水下装备航行过程中要承受各种阻力，在舱内固定后自身的重力最后都转化到由电池盒各个挡板来承受。如果电池盒在载荷作用下产生过大的变形，不仅破坏了结构的稳定性，同时还恶化了电池工作的环境。在设计中，我们宜选用自由公差配合。

3）表面粗糙度要求。电池在电池盒内往复推动，要求电池与电池盒之间表面光滑不能有毛刺等加工缺陷，一般选取表面粗糙度Ra3.2。

4）材料选择。由于水下装备舱内有各种电子设备及线路，根据水下装备电磁兼容性能要求，其舱内尽量形成无磁或弱磁环境。因此电池外壳及电池盒选用无磁材料，以减小设备之间的电磁干扰。

5）电池盒重量及外形。由于水下装备总体布局及总体配重需要，要求电池及电池盒外形符合整个机器人外形特点，同时控制重量满足配重要求。

6）绝缘性能。水下装备电池绝缘性能正交试验结果表明，电池采用整体绝缘，有利于提高电池电极的绝缘阻值。

7）结构工艺及成本。在电池盒与机器人壳体装配过程中，除了考虑电池盒各零部件加工变形，以及电池盒与壳体焊接过程变形外，在设计中要留有变形余量。还要保证电池盒具有良好的互换性能，同时尽可能地降低成本。

3 改进思路

在对电池盒设计要素进行充分分析后，发现原设计的电池盒结构还存在下述缺陷：1）电池盒相对于电池在盒内轴向方向的转动无限位措施。2）电池盒对电池在盒内上下跳动限位措施不当。

图3 改进后的电池盒结构示意图

为此，经过分析，改进了电池挡板结构设计，将原方案的电池挡板增加了凸台（如图3），限制了电池轴向方向转动，并增加了电池外端的固定板，从而解决了电池上下跳动及轴向转动的限位问题。

4 结语

目前针对水下装备小型化设计，机器人结构也不再局限于圆柱型，趋向于向框架、便携式等方向发展。容量大、体积小的各类电池的出现，要求各类电池安装盒能够更好地装卸，且能够满足电池盒设计的要素。这种圆柱形、镂空框架电池盒选用铝制板材加工，通过螺钉连接，能够快速地组装。该电池盒具有以下特点：1）电池盒加工安装后变形小，与电池间有良好的配合公差，安装拆卸方便、快速。2）电池盒互换性较强，能够实现批量的机器人装配。3）体积小、质量轻，结构简单。能够适应机器人内部空间，并尽可能节省内部空间，满足需求。