水下裝備電池盒結構設計分析

雷陽，朱曉培

（1.中國船舶重工集團公司 第七一○研究所，湖北 宜昌 443003；2.三峽職業技術學院 機電工程學院，湖北 宜昌 443003）

0 引言

水下裝備在我國水產養殖、海洋領域應用越來越廣泛。各類水下裝備在航行過程中，電池作為動力及儀器的供電源在裝備中非常重要。合理穩固的電池盒結構不但能夠服務于機器人總體布局及重心平衡調配，而且對于航行中電池的安全性能也是重要保障。

為保證水下裝備航行穩定，對電池盒結構設計提出了設計準則及要求。即保證電池盒的優化設計，滿足剛度、電磁兼容、空間合理應用。由于現在的電池主要為鉛酸電池及鋰電池，在機器人航行狀態中，電池在機器人艙內的固定和安裝尤為重要。必要的電池安裝保護結構能夠有效地防止水下震動對電池本身帶來的影響，同時也防止電池在航行過程中發生移動、竄動，避免電池位置不穩固導致對艙內其余設備的損壞，從而保證電池安全運行及安全充放電。

本文分析了某款水下機器人電池盒結構，結合試驗過程中發現的問題，提出了解決方案，并進行了試驗驗證。作為電池盒設計的一種思路，能夠指導其余水下裝備電池盒設計。

1 電池及電池盒結構

某款水下裝備采用鋰電池作為電池源。依據機器人總體布局，鋰電池結構為圖1外形結構。電池上有兩個接線柱，外形圓整平滑，安裝在水下裝備艙內。

初期階段，依照電池尺寸及外形特點設計了相應的電池盒。電池盒由電池盒側板，電池盒擋板，電池盒前、后板組成，如圖2 所示。鋰電池安裝在電池盒內。電池盒后板上開槽并依據電池高度留有空間，卡住電池，防止在高度位置上跳動，電池盒擋板防止電池在盒內前后滑動。

圖1 鋰電池結構示意圖

圖2 電池盒結構示意圖

2 電池盒設計要素分析

在機器人整裝顛振實驗過程中出現故障，電池脫離電池盒在艙內跳動，使附近開關引線脫落，并導致開關損壞。為此，我們對電池盒的設計要素進行了如下分析。

1）配合公差。配合公差是指鋰電池及電池盒之間安裝時的間隙公差。一方面配合公差的選擇要保證電池能夠順利推出、推入電池盒，保證電池的安裝和拆卸方便；另一方面，電池盒與電池之間的配合公差要能夠保證電池在盒內不發生大尺度跳動、轉動。

2）剛度。由于電池在水下裝備航行過程中要承受各種阻力，在艙內固定后自身的重力最后都轉化到由電池盒各個擋板來承受。如果電池盒在載荷作用下產生過大的變形，不僅破壞了結構的穩定性，同時還惡化了電池工作的環境。在設計中，我們宜選用自由公差配合。

3）表面粗糙度要求。電池在電池盒內往復推動，要求電池與電池盒之間表面光滑不能有毛刺等加工缺陷，一般選取表面粗糙度Ra3.2。

4）材料選擇。由于水下裝備艙內有各種電子設備及線路，根據水下裝備電磁兼容性能要求，其艙內盡量形成無磁或弱磁環境。因此電池外殼及電池盒選用無磁材料，以減小設備之間的電磁干擾。

5）電池盒重量及外形。由于水下裝備總體布局及總體配重需要，要求電池及電池盒外形符合整個機器人外形特點，同時控制重量滿足配重要求。

6）絕緣性能。水下裝備電池絕緣性能正交試驗結果表明，電池采用整體絕緣，有利于提高電池電極的絕緣阻值。

7）結構工藝及成本。在電池盒與機器人殼體裝配過程中，除了考慮電池盒各零部件加工變形，以及電池盒與殼體焊接過程變形外，在設計中要留有變形余量。還要保證電池盒具有良好的互換性能，同時盡可能地降低成本。

3 改進思路

在對電池盒設計要素進行充分分析后，發現原設計的電池盒結構還存在下述缺陷：1）電池盒相對于電池在盒內軸向方向的轉動無限位措施。2）電池盒對電池在盒內上下跳動限位措施不當。

圖3 改進后的電池盒結構示意圖

為此，經過分析，改進了電池擋板結構設計，將原方案的電池擋板增加了凸臺（如圖3），限制了電池軸向方向轉動，并增加了電池外端的固定板，從而解決了電池上下跳動及軸向轉動的限位問題。

4 結語

目前針對水下裝備小型化設計，機器人結構也不再局限于圓柱型，趨向于向框架、便攜式等方向發展。容量大、體積小的各類電池的出現，要求各類電池安裝盒能夠更好地裝卸，且能夠滿足電池盒設計的要素。這種圓柱形、鏤空框架電池盒選用鋁制板材加工，通過螺釘連接，能夠快速地組裝。該電池盒具有以下特點：1）電池盒加工安裝后變形小，與電池間有良好的配合公差，安裝拆卸方便、快速。2）電池盒互換性較強，能夠實現批量的機器人裝配。3）體積小、質量輕，結構簡單。能夠適應機器人內部空間，并盡可能節省內部空間，滿足需求。