直流电动工具锂电池包发展趋势研究

金轶，李刚，杨柳

（1.上海电动工具研究所集团有限公司，上海 200233；2.昆明理工大学，云南 昆明 650500 ）

0 引言

中国是电动工具制造大国，作为典型的外向型行业之一，近年来整机出口数量及金额稳步增长[1]。从相应的统计数据来看，手持式电动工具需求持续旺盛。其中，性能稳定、携带方便的直流电动工具被越来越多的用户所接受。目前，以锂离子电池组为动力源的工具产品占据了较大的市场份额[2]。直流电动工具配备的锂电池包是整机系统的重要组成部分，随着电池技术的不断进步以及控制系统需求提升，工具制造商对锂电池包的结构设计、功能控制等关键技术点实施了大量的创新探索，形成了一定数量的专利保护。本文依据行业重点企业公开的相关专利涉及的技术创新点，探索并研究直流电动工具锂电池包技术发展风格及趋势。

1 多电压模式

目前，各大制造商推出的直流电动工具电池包电压模式通常为4 V（3．6 V）、8 V（7．2 V）、12 V（10．8 V）、20 V（18 V）、40 V（36 V）和60 V（54 V）等。

其 中，20 V（18 V）、40 V（36 V） 和60 V（54 V）电池包较适合进行多电压模式设计应用。一些国际品牌在新款电池包设计中均有采用，如DEWALT（得伟）20 V/60 V（18 V/54 V）多电压电池包系统和BLACK+DECKER（百得）18 V/54 V 多电压电池包系统，见图1。

多电压输出的锂离子电池组目的在于解决市场对电池包在容量、尺寸、电压、重量等不同需求所需不同电压的模块化组合。其设计的电池组包含模块化电池、电池直通板和电池转接板依次连接，通过电池转接板将多个同款型号相同数量的电池串并联形成不同的输出电压值，从而减少电池组品种以降低生产成本和难度，专利文献 “多电压输出的锂离子电池组”[3]部分技术原理见图2。

2 散热与节能设计

受电池自放电比率、制造工艺、外部环境等因素影响，锂电池组在工作状态时或受影响，工作中产生较大热量。散热效果差、电池温度控制不佳时直接影响电能输出效果，反映在工具续航时间短，同时影响电池包使用寿命。

改善电池包的散热效果同时也是一种节能设计。国内部分工具制造商通过内置金属保护框连接金属散热板，同时设计配套的散热栅格进行更高效的散热，即被动散热，专利文献 “一种节能电动工具用电池”[4]部分技术原理见图3。被动散热存在多种设计方式，包含以下模块：导热模块，散热模块和连接模块。目前，采用被动散热方式的电池包较多。

3 结构设计

分析相关专利可见，电动工具锂电池包的结构创新如下：

1）结构紧凑

结构紧凑是电动工具整机设计的考虑之一，属于轻量化设计领域，工具本身外形尺寸的缩小需要配套相应的电池包设计。同时由于部分整机制造商对于21 700 电池的接受程度快速升温和逐步采用，更需要相应的电池包设计拓展结构紧凑程度。

2）便携充电

便携充电归属于众多电动工具电池包充电方式的一种，提供了不同的充电方案，专利文献 “电动工具便携充电装置及使用其充电的电动工具”[5]部分技术原理见图4。图4 所示方案较适合于不可拆卸电池的电动工具整机设计。

3）易拆装、易转换、可折叠

以可折叠型电池包为例，属于电动工具电池包的结构设计，为电池包的结构创新提供了一种思路。这种结构设计可延伸为模块化组合电池包。专利文献 “多功能折叠电池”[6]部分技术原理见图5。

4）功能附加

功能附加型电池包通过增加不同的功能模块使电池包能够提供更多的功能。常见功能附加包括照明、液晶显示和USB 输出充电。

专利文献 “一种带有照明功能的电池包”[7]部分技术原理见图6，通过增加单侧或双侧LED 灯板，同时进行可旋转照明。该系统使用电池包进行供电，可单独使用也可与电动工具整机组合使用。

液晶显示功能在于人机信息交流，直观且精确了解整机系统的工作状态并进行预设管理。液晶模组可选择触控和非触控。

对外输出供电功能可将电池包转换为移动电源为其他电子设备供电，专利实施方式为在传统可拆卸电池包后部增加供电输出模块，模块包含USB-A 接口和TYPE-C 接口满足不同用户使用需求，最大程度提供便利以降低消费者使用成本。为满足安全性需要，该供电输出系统暂并不具备输入功能。此类型方案可将电动工具锂电池瞬间作为移动充电装置，基本满足目前市场常见的移动电子设备充电需求，专利文献 “电池包”[8]部分技术原理见图7。

4 智能模式与监控设计

电动工具锂电池包的智能化是智能工具系统的组成部分。传统电动工具向智能工具实施产业变革必须遵循智能技术发展的基本规律，即形成智能体。智能体的定义较为宽泛，包含智能控制、智能识别、信息数据的实时大量交互，按程序执行、采用代码替代人工，用计算代替思考，有自我思考能力。一定程度上必须等同于人类大脑进行理性思考，同时注重行动结果。智能工具更应像人一样行动，具备知识信息表达能力、交互能力（视觉等）和学习能力，从而达到理性智能体，即使得智能工具具备一定理性。

目前，对于直流工具锂电池包的智能模式还处于技术发展初级阶段。常见的电池包智能化采用方式为蓝牙、NFC、WIFI、5G 等传输技术，在此基础上进行智能系统的构建，常见的主要包括电池使用时间、充放电次数、电池温度（内部温度检测、外部温度检测）监控，电池包位置寻找、电压、电量、电流实时显示，智能过载保护、寿命检测和移动位置检测等，同时搭载移动设备APP 进行远程控制。见图8。一些制造商推出了蓝牙电池包转接件，见图9。

5 无线充电

随着无线充电技术的日益成熟，电动工具的无线充电模式将会更加普及。一般而言，充电器功率大于85 W 即可满足20 V 无线电池包的快速充电需求。无线充电技术在电动工具锂电池包的应用包括接触式充电技术和非接触式充电技术。目前制造商大多采用接触式无线充电技术。专利文献 “电池组（用于便携电动工具）”[9]部分技术原理见图10。

6 结语

锂离子电池作为直流电动工具的动力系统，其性能，使用方式均直接影响工具整套系统的工作效能。电芯技术的提升、智能化发展和结构设计的持续更新也为电动工具整机系统提供更多的创新方式。通过对近年来电动工具锂电池包相关专利申请的研究表明，相关技术的创新研发和制造将会是传统电动工具向智能工具转型的重要推力之一。