电池箱及其导电片的设计.ppt

电池箱及其导电片的设计,目录,1、电池箱的介绍2、电池箱设计的基本要求3、电池箱导电片设计的基本要求4、常用电池的分类及基本尺寸5、圆柱形碱性电池的电池箱设计6、钮扣电池的电池箱设计7、如何确定电池箱位于产品的位置8、电池箱的标识9、如何验证电池箱及其导电片的设计是否合格附录一：常用材料的弹性模量附录二：常用材料的许用应力附录三：电池弹簧的常用材料附录四：电池弹片的常用材料附录五：电池弹片（簧）的常见表面处理方式,电池箱及其导电片的设计,1、电池箱的介绍,电子产品中的电池箱部分主要由电池容纳箱体、导电片（包括正极片、负极片、正负联接片）、电池门、电池组成。 其在设计时需要考虑的要素有以下几个方面：,用户使用的要素（人机工程）,安全的要素,机械强度的要素,环境的要素,设计电池箱时需要考虑的要素,正确的电池标识,防止电池反向导通,电池门易拆装,电池易拆换,防止电池门打开后电池飞出,防止短路,电池箱部分远离热源,满足跌落测试的需要,足够的接触压力，避免电池瞬间断电,电池片、电池门能耐受足够的拆装次数,防止化学腐蚀,防止氧化,电池箱及其导电片的设计,电子产品中使用的电池从类型上来说，主要有钮扣电池（Button cell）、圆柱形碱性干电池，其常用的规格见2。由于同样规格的电池，其外形尺寸是按标准尺寸进行制造的，所以电池箱及其导电片的设计是可以标准化的，标准化可以缩短开发周期，降低成本，提高效率。,本教材编写的目的就是要将电池箱及其导电片的设计标准化，以期达到上述目的。,电池箱及其导电片的设计,2、电池箱设计的基本要求,A：防止反向导通；即将电池正、负极反向装入电池槽后是不能导通的；,B：不能漏电；即放入任何一个电池后，无论以哪一个角度使用一根直的任意长度的无尺寸要求的直导线，以任何方式都不可以使这个电池的正负极导电片直接短路，实际操作是选用一根0.5mm的活动铅笔中的铅芯，随便搭配，都不能使得电池的正负极短路；,C：要有明确的标记；包括电池的规格及正负极方向符号；,D：电池门开启后，电池不能轻易飞出；,E：电池及电池门的拆装符合人机工程学要求；,F：电池周边的材料，要使用耐酸及耐碱佳的材料；,G：设计美观，从电池箱处不能看到产品内部构件；,电池箱及其导电片的设计,3、电池箱导电片设计的基本要求,A：良好的导电性；,B：不易生锈；,C：对电池有足够的轴向压紧力；,D：耐疲劳；,E：防拔出结构；,F：好的焊接工艺性（如有焊接要求）；,一般采用磷青铜片，如导电性能要求高的可表面镀金；,表面需做防锈处理，一般镀5m以上的厚镍，不锈钢可以不处理；,导电片对电池两端端子的轴向压紧力一般要求：0.51.5kgf ；,电池反复拆装：6000次以上，导电片仍能保持所需性能 ；,导电片插入电池槽内不能轻易拨出 ；,要求焊接时上锡容易，尤其是选择用不锈钢材料时要考虑其焊接工艺 ；,电池箱及其导电片的设计,4、常用电池的分类及标准尺寸,4.1、圆柱形碱性电池（干电池）尺寸示意图,外形图：,下页的表一列出了不同执行标准及不同规格的电池的尺寸值，并列出了我们在设计中的标准取值。,电池箱及其导电片的设计,表一：干电池的标准尺寸,本公司常用品牌：金霸王、GP、双鹿,最常用AAA、AA两种规格。,单位：mm,电池箱及其导电片的设计,4.2、钮扣电池尺寸示意图,外形图,下页的表二列出了不同规格的钮扣电池的尺寸值及其标称电压和容量。,电池箱及其导电片的设计,表二：钮扣电池的使用参数及尺寸,单位：mm,钮扣电池命名规则:,C:锂-二氧化锰,R:圆柱形,本公司常用品牌：高能达，常用CR2032、CR2430两种。,5.1、常规结构,电池箱及其导电片的设计,5、圆柱形碱性电池的电池箱设计,负极导电弹弓,正极导电片,容纳两节电池的电池箱,注:本页以容纳两节电池的电池箱作为设计参考。,正负极联接片,干电池,负极导电片焊线端子,正极导电片焊线端子,正面,背面,电池箱及其导电片的设计,5.2、干电池箱的常规设计尺寸,A=5252.5mmB=59.9mmC=0.70.8mmD=14.514.7mmE=5.86.5mmF=99.5mmG=1011mm负极弹弓有效圈数：4.5负极弹弓线径：0.6mm,5.2.1、AA电池的电池箱设计尺寸,电池箱及其导电片的设计,5.2.2、AAA电池的电池箱设计尺寸,A=45.846mmB=53.4mmC=0.60.7mmD=10.510.7mmE=55.5mmF=77.5mmG=89mm负极弹弓有效圈数：4负极弹弓线径：0.5mm,电池箱及其导电片的设计,5.3.1、AA电池的电池槽总长度设计方法,H=G+电池标准长度+I+电池装配间隙 =4+50.5+1.4+1=56.9mm电池装配间隙取值：1mm,G：负极弹簧完全压缩后总高度I：正极导电片总高度H：电池槽总长度,5.3、如何设计电池槽的总长度,电池箱及其导电片的设计,5.3.2、AAA电池的电池槽总长度设计方法,H=G+电池标准长度+I+电池装配间隙 =3.3+44.5+1.6+1=50.4mm电池装配间隙取值：11.5mm,G：负极弹簧完全压缩后总高度I：正极导电片总高度H：电池槽总长度,电池箱及其导电片的设计,5.4.1、正极导电片的常规设计,推荐材料：磷青铜片 推荐厚度: 0.3mm表面处理：镀镍 5m以上,倒刺(防拨出),电池正极接触区,勾线焊接孔,电池箱位于面壳时应用,电池片可正反两个方向插拔,5.4、如何设计电池导电片,电池箱及其导电片的设计,5.4.1.1、AA电池的正极导电片的常规设计尺寸,电池箱及其导电片的设计,5.4.1.2、AAA电池的正极导电片的常规设计尺寸,电池箱及其导电片的设计,5.4.1.3、正极导电片的常规设计要点,电池片最高面应比电池箱围骨低0.51mm,电池片的宽度比电池片槽位宽度小0.51mm,良:电池反装应接触不到正极片,x,不良:电池反装接触到正极片,电池箱及其导电片的设计,5.4.1.3、正极导电片的常规设计要点,电池片拨刺与塑胶的过盈量0.20.25mm,为防止电池向上弹起，电池片正极接触区的纵向平面范围需高于电池正极,设计时电池正极片到此骨位的距离要按规定的标准来设计,因为各国家的要求及各电池品牌的电池正极高度有差异,因此此距离要按最小之电池正极高度来设计,这样就可以适用各不同品牌的电池。,这种品牌的电池可以接触到,更换另一品牌的电池接触不到,x,电池箱及其导电片的设计,5.4.2、负极导电片的常规设计,推荐材料：磷青铜片 厚度0.3mm弹簧推荐材料：琴钢线 表面处理：镀镍 5m以上,倒刺,负极接触弹簧,勾线焊接孔,电池箱位于面壳时应用,电池片可正反两个方向插拔,电池箱及其导电片的设计,5.4.2.1、AA电池的负极导电片的常规设计尺寸,弹簧材料：琴钢线(推荐) 线径:0.6mm大端直径:7mm小端直径:5mm,有效圈数：4.5圈 自由长:9.710.7mm顶端:压平处理连接方式:铆接,电池箱及其导电片的设计,5.4.2.2、AAA电池的负极导电片的常规设计尺寸,弹簧材料：琴钢线(推荐) 线径:0.5mm大端直径:6mm小端直径:4mm,有效圈数：4圈 自由长:7.78.7mm顶端:压平处理弹簧固定方式:铆接,电池箱及其导电片的设计,5.4.2.3、负极导电片的常规设计要点,电池片最高面应比电池箱围骨低：0.51mm,电池片的宽度比电池片槽位宽度小0.51mm,电池片拨刺与塑胶的过盈量：0.20.25mm,电池箱及其导电片的设计,5.4.2.3、负极导电片的常规设计要点,为防止伤人及提供一个平整的接触平面，弹簧末端应做压平处理！,x,做压平处理！,末端弯折并做压平处理！,末端未做压平处理！,电池中心与电池弹簧中心要对齐，否则弹簧易偏出造成失效。,中心偏离，弹簧容易向上滑出。,中心偏离，弹簧容易向下滑出。,x,x,F,F,F,绿色箭头为受力方向,电池箱及其导电片的设计,5.4.3、正负极联接片的常规设计,推荐材料：磷青铜片 厚度0.3mm弹簧推荐材料：琴钢线 表面处理：镀镍 5m以上,倒刺,电池正极接触区,负极弹簧,电池片可正反两个方向插拔,电池箱及其导电片的设计,5.4.3.1、AA电池的正负极联接片的常规设计尺寸,推荐材料：磷青铜片弹簧材料：琴钢线(推荐) 线径:0.6mm大端直径:7mm小端直径:5mm,有效圈数：4.5圈 自由长:9.710.7mm顶端:压平处理弹簧固定方式:铆接,电池箱及其导电片的设计,5.4.3.2、AAA电池的正负极联接片的常规设计尺寸,推荐材料：磷青铜片弹簧材料：琴钢线(推荐) 线径:0.5mm大端直径:6mm小端直径:4mm,有效圈数：4圈 自由长:7.78.7mm顶端:压平处理弹簧固定方式:铆接,电池片最高面应比电池箱围骨低0.51mm,电池箱及其导电片的设计,5.4.3.3、正负极联接片的常规设计要点,电池片的宽度比电池片槽位宽度小0.51mm,电池片拨刺与塑胶的过盈量：0.20.25mm,负极弹簧及正极接触区关于中心的要求应分别遵从电池正极片及负极片的要求,电池箱及其导电片的设计,5.4.3.3、正负极联接片的常规设计要点,负极弹簧与正极接触区的中心距离=电池标准值+电池箱中间档骨厚度=14.5(AA)+1.2(参考)=15.7mm=10.5(AAA)+1.2(参考)=11.7mm,A、电池弹片的接触面中心应与电池的中心对齐；B、电池弹片对AA电池的压紧力应在1kgf1.5kgf之间； 电池弹片对AAA电池的压紧力应在0.5kgf1kgf之间；,电池箱及其导电片的设计,5.5、如何确保电池弹片对电池的有效接触,AA 电池： F作用力=11.5kgfAAA电池：F作用力=0.51kgf,F,电池箱及其导电片的设计,5.6、如何计算电池弹簧对电池的压紧力,5.6.1、圆锥形电池弹簧作用力的计算,G：弹簧系数 不锈钢丝：7000 kg/mm2 弹簧钢丝：8000 kg/mm2 琴钢线：8000 kg/mm2 d:材料线径Nc:有效圈数p:自由状态下节距p:在F作用力下的节距k:弹簧刚度,R2,p,p,F(作用力),材料：琴钢线d： 0.6mmR1：2.5mmR2：3.5mmNc：4.5p： 2mmp：0.8mm,K=G*d4*(R2-R1)/16*Nc*(R24-R14) =8000*0.64*(3.5-2.5)/16*4.5*(3.54-2.54) =0.1297kgf/mm2,F作用力=G*d4*(p-p)/64*Ri3 = 8000*0.64*(2-0.8)/64*2.53 =1.244kgf/mm1kgf/mm,R1,此公式适用于圆锥形压缩弹簧。,电池箱及其导电片的设计,G：弹簧系数 不锈钢丝：7000 kg/mm2 弹簧钢丝：8000 kg/mm2 琴钢线：8000 kg/mm2 d:材料线径Dcen:中心径OD:外径（Dcen+d）Nc:有效圈数L:作用长度（L0-L）L0:自由长度L:在F作用力下的长度k:弹簧刚度,K=G*d4/8*Dcen3*Nc =8000*0.64/8*(6-0.6)3*4.5 =0.1829 kg/mm2,OD,L0,L,F(作用力),F作用力=k*L=0.1829*(10-4.5) =1.00594kg/mm,材料：琴钢线d：0.6mmOD：6mmNc：4.5L：10mmL：4.5mm,此公式适用于圆柱形压缩弹簧。,5.6.2、圆柱形电池弹簧作用力的计算,电池箱及其导电片的设计,5.7、碱性电池箱的非常规结构,5.7.1、弹簧式,当由于产品空间及结构的原因，造成电池箱及其导电片不能采用规范的结构设计时，可以按照适合产品要求的设计方式重新设计。,特 点：电池正极、负极、正负极联接均采用弹簧。优缺点：1、打样、生产快捷方便，不需开模，可用专用的弹簧机按所需要求调整参数直接成形； 2、成本低； 3、焊接较困难，易掉线，一般要求在焊线末端打勾； 4、定位较麻烦。 5、受成形工艺的限制，难于 应用在电池接触连接比较 复杂的场合。,负极弹簧,正极弹簧,弹簧固定卡扣,需要遵循的几个要求：1、防止反向导通；2、对电池的压紧力符合要求；3、电池的容纳尺寸设计按标准要求。,固定卡扣,正负极联接弹簧,电池箱及其导电片的设计,5.7.2、弹片式,特点：电池正极、负极、正负极联接均采用弹性金属片。优缺点：1、可应用在电池接触连接比较复杂的场合， 尤其是需要二次接触的场合。 2、打样周期长，需要开冲压模具。(简单的冲压件打样时可先用线切割成形，确认结构，没问题后再开模) 2、成本较高。 3、弹片易永久变形，不能回复初始弹力。 4、受材料的影响较大，在使用材料时要严格控制。 5、弹片对电池的压紧力较难控制。,需要遵循的几个要求：1、防止反向导通；2、对电池的压紧力符合要求；3、电池的容纳尺寸设计按标准要求。,正负联接片,正极片,负极片,这种需要二次联接的情况下不得不采用弹片的方式,电池箱及其导电片的设计,5.7.2.1、电池弹片的设计要点,1、材料的选用： 电池弹片的材料一般选用 磷青铜片（通用，推荐使用，一般选用3/4H硬度状态） 铍铜片（高要求时用，需热处理，一般选用1/2H、3/4H硬度状态） 不锈钢片（无焊接要求时一般选用1/2H、3/4H硬度状态） 厚度选用：视弹力要求，一般选用0.2mm;其变形区的截面积可根据力学公式校核,来确定材料厚度和宽度。,2、如何保证弹片的使用寿命： A、尽可能长的弹性臂； B、设计防止过负荷结构； C、满足强度设计条件： 弯曲正应力材料许用应力 D、防止应力集中。,电池片在电池装入后产生弹性变形：蓝色 绿色,变形区（应力区）,防止过负荷结构，装入电池时此挡骨会顶住电池，避免装入受到电池的大力挤压。,弹性臂的长度太长会降低弹力，太短则正应力过大,3、如何保证弹片对电池有效接触： A、压紧量:1.52mm； B、压紧力:0.51.5kgf。,电池箱及其导电片的设计,5.7.2.2、电池弹片的弹性变形力学分析,如右图，弹片在受到一定的载荷F时会产生一定距离的变形，这种应力-应变的变化是存在一定的关系的，如果F作用力所产生的弯曲正应力不超过材料的许用应力的话，那么这种变形是可以回复到原来的状态的，在产品设计上，我们经常会应用到这种弹性变形，如电池弹片，接触片等。,F,L,b,t,截面形状,如何计算弹性变形的载荷、内应力及弯曲变化量： F=3EI/L3 =3Et/2L2其中：E：弹性模量（可查机械设计手册） I：惯性矩：弯曲变化量 L： 跨度：弯曲正应力 t ：材料厚度 ：材料的许用应力（可查机械设计手册）,惯性矩I需计算获得，不同截面形状的计算公式不同，由于我们通常只应用这种长方形的的形状，在这里我们仅介绍长方形的惯性矩的计算方法： I=bt3/12,从应力-应弯的计算公式中可以看出，要设计一款变形量、力度及使用寿命符合要求的弹片，需要根据以下几个因素来设计： A、材料（确定弹性模量及许用应力） B、截面形状 C、跨度,电池箱及其导电片的设计,5.7.2.3、弹片的弹性变形力学分析-实例,9.2mm,1.2mm,4mm,0.2mm,截面尺寸,惯性矩I=bt3/12=4*0.23/12=0.00267mm4,如图,弹片在受到电池的压力从蓝色形状变形为绿色形状,如果电池不取出,在静态情况下,弹片始终对电池负极端子有一个作用力F.,接触压F=3EI/L3=3*12000*0.00267*1.2/9.23 =0.148kgf/mm2 0.1kgf/mm2,正应力=3Et/2L2=3*12000*0.2*1.5/2*72 =51.04kgf/mm2 52.3kgf/mm2,结论:该弹片的接触压力大于0.1kgf/mm2的要求,弯曲正应力小于许用应力,所以这个弹片适用。,F,设计一款电池弹片，要求接触压力0.1kgf:第一步:选材磷青铜片 E=12000kgf/mm2, =52.3kgf/mm2第二步:确定横截面 t=0.2mm, b=4mm第三步:设计弹片受压后变形量 =1.2mm第四步:强度校核,电池箱及其导电片的设计,附录一:常用材料的弹性模量(E),附录二:常用材料的许用应力,上述数值仅供参考,不同的材料在不同的情况下有不同的取值,具体可参考机械设计手册,单位转换: 1kgf/mm2=9.8MPa,电池箱及其导电片的设计,6、钮扣电池的电池箱设计,6.1、常规结构,注:本节以容纳一粒CR2032电池的电池箱作为设计参考。,钮扣电池,电池箱,负极片,正极片,正极片焊线端子,负极片焊线端子,电池固定卡扣,电池箱及其导电片的设计,6.2、钮扣电池的极性接触范围,从图中可以看出，电池的正极接触是金黄色部分，通常设计时采用接触侧面或电池正面两种方式，电池的负极接触是深谒色部分，设计时负极片只接触这一区域；钮扣电池的正负极靠得比较近，设计时要特别注意短路的问题。,钮扣电池是一种较扁的圆柱形状，其正负极作如下图的区分：,金黄色部分为电池的正极范围,深谒色部分为电池的负极范围,红色圆环为电池的正负极绝缘层,电池正面,电池反面,在这里描述的电池的颜色仅为方便描述而添加了颜色，实物是没有这种颜色的。,电池箱及其导电片的设计,6.3、钮扣电池的导电片接触位置与电池取出方向的关系,钮扣电池箱的电池片接触位置跟电池的取出方向有关：,负极片接触位置,正极片接触位置,电池取出方向1（侧面取出）,电池取出方向2（向上取出）,负极片接触位置,电池取出方向（侧面取出）,正极片接触位置,正负导电片通常用弹片设计(也有用弹簧的,但不常的),材料的选择参考附录四,其对电池的压紧力要求在0.21kgf之间,电池箱及其导电片的设计,6.4、钮扣电池箱的结构设计要点,电池箱的容纳直径=电池直径+0.4mm 如CR2032的容纳直径=20+0.4=20.4mm,电池弹片需有一定的保护结构,避免电池对其挤压造成永久变形,为方便电池装入及取出,电池箱取出位置需设计手指位,其大小至少应容纳成年人食指,电池箱内应有明显的电池规格及极性标识,方便使用者装取,手指位,电池标识,这种结构的弹片很容易向后面变形,所以必须在后面设计支撑骨,电池箱及其导电片的设计,6.5、钮扣电池箱的其它结构设计方式,钮扣电池的电池箱及其导电片的设计，在接触方式上基本固定，但电池箱的形状、导电片的形状会根据不同类型的产品可能会有一些变化，但是在一般情况下，设计时会优先考虑应用现有的成熟的设计。上面所描述的电池箱设计是本公司电子秤的较成熟的设计，一般情况下都会优先选用这种设计。下面再介绍几种不同的设计形式，以供参考。,电池箱及其导电片的设计,7、如何确定电池箱位于产品的位置,在设计产品的电池箱位置时应考虑以下几个方面：A、电池箱一般情况下应放在整个产品在使用时的不可见面，并位于不影响外观的位置。B、使用者能很方便地开启电池门，更换电池。C、方便整机布线，方便工人作业，电池箱的出线尽可能在主PCB的一侧。D、电池箱应远离热源及有化学腐蚀的地方。E、尽量不要太靠近PCB，避免电池漏液的影响。,电池箱及其导电片的设计,8、电池箱的标识,AA电池箱的标识：,AAA电池箱的标识：,CR2032电池箱的标识：,为方便模具加工，标识符号一般为凸刻，高0.2mm。,电池箱及其导电片的设计,9、如何验证电池箱及其导电片的设计是否合格,A、外观 设计应美观，不能有利边利角，不能对产品的外形造成不良影响；打开电池盖后不能看到产品的内部布线和结构；电池片不能有锈蚀。B、使用 在设计时要充分考虑使用者的使用习惯，没有刮伤手的危险，电池盖能顺利开启，力度适中，电池拆装方便。C、测试 a、强度 能满足跌落测试。 b、寿命 电池门正常开启2000次以上； 电池拆装6000次以上； c、环境 满足高低温测试 满足盐雾测试,