一种电池包充放电温度调节装置的设计

李孝忠

（ 浙江亚特电器有限公司，浙江 嘉兴 314009 ）

一种电池包充放电温度调节装置的设计

李孝忠

（ 浙江亚特电器有限公司，浙江 嘉兴 314009 ）

针对电池包内电芯正常工作温度范围限制问题，思考并设计一种电池包充、放电温度调节装置，利用半导体制冷片的双向温度功能，加上风扇、风路导向板、热收缩管等部件，同时，将电池包上、下盖设计成散热和加温两个独立风路导向结构，结合电芯温度的多段检测及半导体制冷片双向温度调节功能和风扇的控制，实现电池包在超出正常工作温度范围时进行正常充、放电工作。

电池包；充电；放电；温度；控制

0 引言

电动工具按供电方式不同区分为交流和直流两大类。交流电动工具价格低廉，但应用场合受限，在远离供电电源的场所即无法使用。直流电动工具价格相对较高，虽然电池包电能有限，但使用场合得到了大幅拓展，灵活性较高。随着充电式电池科技的进阶发展，电池比能量、比功率不断提高，配合行业内无刷电机的广泛应用，以锂离子电池为动力源的充电式电动工具市场占有率快速提升。本文针对电池包充、放电温度调节装置提出一种设计思路，达到快速调节温度的设想。

1 概述

以锂离子电池为动力源的充电式电动工具相比采用铅酸电池、镍铬电池、镍氢电池等工具而言，其质量能量比更高，但由此带来的安全问题也逐渐引起行业人士注意。锂电池是电化学产品，使用过程中受环境影响较大，尤其是在温度方面。

低温环境下，电芯内部物质活性低，充、放电时反应速度慢，充电接受能力差，充电不足；放电能力差，电池包使用时间短，工具工作无力；过低的温度致使电芯内产生不可逆硫酸，较大程度降低电池包的使用寿命。

为使电芯安全和性能得以保证，通常在电池包中设置充、放电温度保护功能。当电芯表面温度超过设定的允许温度范围，电池包被控制线路保护，停止充电或放电，直至电芯表面温度处在线路保护设定的允许范围内。

为解决环境温度对电池包正常工作的影响，一些制造商对电池包设置了冷却装置，加快冷却电芯便于降温后再次充电或放电，但这只解决了高温的问题，在低温环境下，仍然不能有效进行充、放电。

2 设计方案

所设计的电池包的充、放电温度调节装置，主要包括电池包上盖、电池包按钮、电池组件、进风导向板、半导体制冷片、电池包下盖、出风导向板、风扇等。图1所示为电池包结构分解。图2所示为电池包装配结构（电池包上、下盖经过了半透明处理）。

图1 电池包结构分解

图2 电池包装配结构

2.1 结构

电池包内部设置有半导体制冷片，半导体制冷片的正、负极分别与电池组件上的PCB控制线路相连。进风导向板和出风导向板分别处在电池组件的两侧，通过胶钉分别被固定在电池组件的电池支撑架上，并且进风导向板同时也处在半导体制冷片和电池组件之间。进风导向板、出风导向板上均布有通风孔，电池组件中的电芯支撑架也设有大量通风孔，通风孔对应电池组件内的电芯正、负极轴向，与电芯间间隙相通。进风导向板、电池组件和出风导向板被热收缩管一同包缩住（见图3），从而形成了一个完整的单向进、出风通路。电池包中的内置风扇的正、负极，分别与电池组件上的PCB控制线路相连。电池包按钮、电池组件、进风导向板、半导体制冷片、出风导向板、风扇等部件定位在电池包下盖内，通过螺钉将上、下盖紧固组合。

图3 各组件经热收缩管包缩

2.2 特点

本方案具有以下特点：

1）所使用的半导体制冷片具有双向温度调节功能，通正向电流时，正面制冷、背面发热，通反向电流时，正面发热、背面制冷。

2）进风导向板、出风导向板上均布通风孔，可保障电池组件内的电池间通风量均匀。

而这些数据却为新技术的应用提供了丰富的原始素材，通过对海量数据的整理和学习，从数据延伸为模型，进而形成病虫害自动识别、统计分析、可视化趋势、预测预报等功能系统，最终实现对病虫害的智能化分析和精准预测，彻底实现科学、绿色防控，为宏观决策提供科学依据。

3）具备一个完整的风路导向结构，电池组件中的每个电芯四周，通过电芯支撑架被隔离出间隙；进入热收缩管内风路的空气，除可调节电池温度外，还可较好调节控制线路板上电子组件温度。

4）所设置的风扇可将电池包通风道内的空气排出电池包。

5）电池包上、下盖组合后，形成了两条不互通的风路：从电池包外部进风口、半导体制冷片（正面区域）、进风导向板、电池组件、出风导向板、风扇，经出风口至电池包外部的封闭性风路；从电池包外部的进风口、半导体制冷片（背面区域)、风扇，经出风口至电池包外部的封闭性风路。

图4所示为电池包剖视图。

图4 电池包剖视图

2.3 实施

以三星 INR18650-20Q锂电池为例，说明设有充、放电温度调节装置的电池包在低温和高温环境下的充放电过程。

三星 INR18650-20Q锂电池的最佳充、放电温度为25℃左右，当锂电池处于放电状态时，电芯供应商对电芯表面的推荐允许温度是-20℃～60℃；当锂电池处于充电状态时，电芯表面的推荐允许温度是0℃～45℃。

1）电池包在低温环境下的放电

当环境温度低于-20℃时，电池包内部控制线路感应元件检测到电芯表面低于-20℃，即启动低温保护线路，停止放电。将电池包插入充电器中，充电器与电源相连，此时的电池包内部电芯受控制线路低温保护。同时，控制线路启动半导体制冷片线路和风扇线路。制冷片线路启动后，半导体制冷片通反向电流，使靠近电池一侧的制冷片表面（此定义为制冷片正面），快速发热升温，背向电芯一侧的制冷片表面（此定义为制冷片背面）则快速制冷。在通往电池组件的风路上，电池包外的空气从制冷片下的进风口进入电池包内部，流经制冷片正面的制热面，带走制热面上的热量，穿过进风导向板孔，进入电池组件内部，传递至电芯，然后继续穿过出风导向板，最终由风扇排出电池包。在通过制冷片背面的风路上，电池包外的空气从制冷片下的进风口进入电池包内部，流经制冷片的制冷面，将热量传递至制冷面，然后由风扇排出电池包。随着半导体制冷片线路和风扇线路的工作，当控制线路上的感应元件，检测到电池表面高于-20℃后，电池包控制线路即解除低温保护，电池包对外放电。放电过程中，电芯温度升高，当控制线路上的感应元件检测到电芯表面高于0℃后，半导体制冷片线路和风扇线路即停止工作。

2）电池包在低温环境下的充电

当环境温度低于0℃时，电池包内部控制线路感应元件检测到电芯表面低于0℃，控制线路即对电池包进行低温保护，停止充电。将电池包插入充电器中，充电器与电源相连，此时的电池包内部，电芯受控制线路低温保护。同时，控制线路启动半导体制冷片线路和风扇线路，半导体制冷片通反向电流，流经制冷片正面的空气将制冷片正面产生的热量传递至电池组件的电池。随着半导体制冷片线路和风扇线路的工作，当控制线路感应元件检测到电池表面高于0℃后，电池包控制线路即解除低温保护，对电池包充电。此时，电芯温度升高。当控制线路感应元件检测到电池表面高于10℃后，半导体制冷片线路和风扇线路即停止工作。

3）电池包在高温环境下的放电

当电池包内控制线路感应元件检测到电池表面高于60℃后，控制线路对电池包进行高温保护，电池包停止放电。将电池包插入充电器中，充电器与电源相连，此时的电池包内部，受控制线路高温保护。同时，控制线路启动半导体制冷片线路和风扇线路，制冷片通正向电流，使制冷片正面快速制冷降温，制冷片背面快速发热升温。电池包外的空气通过风路，从制冷片下的进风口进入，流经制冷片制冷面冷却后，穿过进风导向板孔进入电池组件内部冷却电芯，继而穿过出风导向板，最终由风扇排出电池包。在通过背向电池一侧的制冷片表面风路上，电池包外的空气从制冷片下的进风口进入电池包内部，流经制冷片的制热面带走热量，后由风扇排出电池包。当控制线路感应元件检测到电芯表面低于60℃后，电池包的控制线路解除高温保护，可继续放电。当控制线路上的感应元件检测到电芯表面低于50℃后，半导体制冷片线路和风扇线路即停止工作。

4）电池包在高温环境下的充电

当电池包内控制线路感应元件检测到电芯表面高于45℃后，控制线路对电池包进行高温保护，停止充电。将电池包插入充电器中，充电器与电源相连，此时的电池包内部，电池在受控制线路高温保护。同时，控制线路启动半导体制冷片线路和风扇线路，经制冷片冷却的空气冷却电池组件的电芯。当电芯表面低于45℃后，电池包的控制线路解除高温保护，继续充电。当控制线路上的感应元件，检测到电芯表面低于35℃后，半导体制冷片线路和风扇线路即停止工作。

3 结语

设计的电池包充放电温度调节装置，主要利用充电器提供的电能，控制半导体制冷线路和风扇线路，将电池包内的电芯温度，控制到可进行正常充、放电工作的温度范围。

综上所述，电池包充放电温度调节装置在零件上增加了半导体制冷片、风扇、风路导向板、热收缩管，并由电池包上、下盖形成了两个封闭的风路导向结构，在线路控制上增加了对电池包温度的多段检测及半导体制冷片和风扇的控制，实现电池包的高、低温充、放电温度调节控制，同时控制线路板上的电子组件也得到了较好的温度控制。可在超出电芯工作温度的环境温度下，使电池包进行正常充、放电工作。另外，由于控制线路控制了半导体制冷线路和风扇线路的停止工作温度范围，电池包的电量利用率和循环使用寿命得到一定提高。

The Design of Temperature Regulating Device for Battery Pack Charging and Discharging

Li Xiaozhong
( YAT Electrical Appliance Co.,Ltd. Jiaxing 314009, Zhejiang )

This paper introduces a design of temperature regulating device for battery pack charging and discharging focusing on the normal working temperature range limitation of the cell.This design features the two-way temperature function using the semiconductor refrigeration chip, and the fan, wind path guiding plate, heat shrinkable tubes and other components, while the upper and lower cover of the battery pack being designed with two independent air guide structure for cooling and heating, combined with the temperature detection of the cell and the control of the bidirectional temperature regulating to semiconductor refrigeration chip and the fan, which achieves the pack charging and discharging beyond the normal working temperature range.

Battery pack ; Charge ; Discharge; Temperature;Control

TM910.2

A

1674-2796（2017）05-0007-04

2017-05-11

李孝忠（1974—），男，大学专科，工程师，主要从事电动工具产品的研发及技术工作。