“兩儀電池盒”的設(shè)計(jì)與研究

董青城，張 迎

（雛鷹翊智（北京）教育科技有限公司，北京100000）

在日常生活中，經(jīng)常出現(xiàn)為遙控器更換電池時(shí)型號(hào)大小不符、安裝不正確的現(xiàn)象，并且在生活垃圾中，廢棄的干電池占一定的比例且屬于較難處理、會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害的垃圾。在購買電池的時(shí)候，經(jīng)常因?yàn)椴磺宄姵匦吞?hào)而煩惱。分析上述現(xiàn)象，可發(fā)現(xiàn)一個(gè)非常值得思考的問題：是否可以研究一種新型的電池盒來解決這些問題。

1 調(diào)查與分析

為確定新型電池盒研究方向，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)查，其次依據(jù)調(diào)查結(jié)果進(jìn)行分析，確定研究的可行性。

2 確定調(diào)查方式

在進(jìn)行具體研究之前需要進(jìn)行查新、查重，以確定研究的創(chuàng)新性實(shí)用性。需要在中國(guó)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局官方網(wǎng)站、中國(guó)知網(wǎng)中進(jìn)行相關(guān)專利或相關(guān)文獻(xiàn)的調(diào)查，在京東網(wǎng)、淘寶網(wǎng)等電商網(wǎng)站中進(jìn)行相關(guān)商品調(diào)查，在360 搜索引擎、百度搜索引擎中進(jìn)行相關(guān)言論調(diào)查，以確保研究的創(chuàng)新型、實(shí)用性、需求性。

因?yàn)槭褂谜呤苣挲g因素影響過大，不易使用隨機(jī)調(diào)查法進(jìn)行調(diào)查，故采用分層抽樣調(diào)查法進(jìn)行調(diào)查。調(diào)查對(duì)象選定為小學(xué)生、初中生、高中生、成人，進(jìn)行問卷調(diào)查，從而排除因年齡因素對(duì)調(diào)查結(jié)果產(chǎn)生的影響。

因?yàn)槭褂萌后w龐大，群體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如果需要得出較為準(zhǔn)確的樣本數(shù)據(jù)，則需要進(jìn)行滾雪球抽樣調(diào)查，從而避免出現(xiàn)抽樣誤差。

3 網(wǎng)絡(luò)調(diào)查結(jié)果

通過在中國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)局官方網(wǎng)站上進(jìn)行相關(guān)文獻(xiàn)以及相關(guān)專利調(diào)查，得出現(xiàn)在并沒有可以解決電池?zé)o極使用和無極充放電的任何信息。同樣在中國(guó)知網(wǎng)進(jìn)行查詢，查詢無果。通過使用360 搜索引擎、百度搜索引擎、搜狗搜索引擎，在互聯(lián)網(wǎng)中搜索得出，存在電池安裝不便、廢棄電池處理較難、電池型號(hào)不容易分辨等問題。

4 問卷調(diào)查結(jié)果

依據(jù)調(diào)查者年齡進(jìn)行分層調(diào)查，可以分為：小學(xué)生、初中生、高中生、成人。

為保證調(diào)查人群的有效性，進(jìn)行第一次因子分析，通過因子分析得出，小學(xué)生、初中生、高中生為主要影響因素，成人為無影響因素，故排除成人，再次使用滾雪球調(diào)查法進(jìn)行調(diào)查。將已經(jīng)進(jìn)行調(diào)查到的200 位成人作為無效調(diào)查。

小學(xué)生人群調(diào)查600 人，初中生人群調(diào)查600 人，高中生人群調(diào)查600 人，成年人調(diào)查200 人。共調(diào)查2 000 人，有效調(diào)查1 800 人。調(diào)查有效率為90%。通過在國(guó)家統(tǒng)計(jì)局官網(wǎng)上調(diào)查北京市常駐人口為1 375.8 萬人，抽樣比為萬分之1.3，調(diào)查有效率大于90%，具備統(tǒng)計(jì)意義。

為保證調(diào)查問題，對(duì)新型電池盒的期望以及新型電池盒的功能需求，對(duì)問卷進(jìn)行第二次因子分析，通過因子分析讀出對(duì)一種新型電池盒的期望影響較大的選項(xiàng)有：是否愿意使用充電電池、是否愿意購買充電電池、電池的使用頻率、使用電池時(shí)失誤的頻率。

5 數(shù)據(jù)分析

進(jìn)行單變量回歸分析：是否愿意使用充電電池、是否愿意購買充電電池、電池的使用頻率、使用電池時(shí)失誤的頻率，對(duì)新型電池盒的期望存在什么影響。

通過單變量回歸分析，得出：①學(xué)生年齡與電池使用頻率存在反向相關(guān)關(guān)系，即年齡越大使用頻率越低，年齡越小電池的使用率越高。②學(xué)生年齡與電池使用失誤率不存在相關(guān)關(guān)系。從而得出使用電池的失誤事件與年齡沒有相關(guān)關(guān)系。③學(xué)生年齡與是否愿意購買充電電池存在正向相關(guān)關(guān)系。證明了年齡越大的學(xué)生越愿意購買充電電池。④學(xué)生年齡與是否使用充電池存在反向相關(guān)關(guān)系。從而得出年齡越大用充電電池的意愿越小。⑤使用電池頻率與使用電池失誤率存在正向相關(guān)關(guān)系。使用電池的頻率越高失誤率越高。

6 調(diào)研分析結(jié)論

通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)查、訪問調(diào)研可以得出，現(xiàn)在存在的電池盒的確存在使用不便利等問題，同時(shí)調(diào)查出人們對(duì)新型電池盒的期望。通過數(shù)據(jù)分析得出：①年齡越大使用頻率越低，年齡越小電池的使用率越高；②年齡越大的學(xué)生越愿意購買充電電池；③年齡越大使用充電電池的意愿越?。虎苁褂秒姵氐念l率越高失誤率越高。

7 設(shè)計(jì)

7.1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)劃

主要包括：①設(shè)計(jì)電路，繪制電路圖；②規(guī)劃電路空間,構(gòu)思并手繪電池盒初稿；③優(yōu)化電池盒設(shè)計(jì)圖紙；④電腦繪圖，整體和細(xì)節(jié)；⑤3D 建模及機(jī)器打??；⑥焊接電路，組裝驗(yàn)證。

7.2 建立功能標(biāo)準(zhǔn)

主要標(biāo)準(zhǔn)：①可不區(qū)分電池的正負(fù)極使用或充電；②可在“18650”電池和“14500”電池規(guī)格（長(zhǎng)度和電池直徑）范圍內(nèi)的電池通用；③可做應(yīng)急充電寶，或在0～24 V（36 W內(nèi)）恒壓恒流直流電源使用；④可220 V 交流電或裝配電池時(shí)固定變壓5 V 直流輸出。

7.3 設(shè)計(jì)原則

符合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則：①結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)化；②結(jié)構(gòu)質(zhì)量最輕化；③結(jié)構(gòu)載荷最大化。

符合結(jié)構(gòu)功能原則：①安全性（結(jié)構(gòu)安全、使用安全）；②適用性（易使用、易維護(hù)、經(jīng)濟(jì)性）；③耐疲勞性。

7.4 概念設(shè)計(jì)

7．4．1 工作原理

充電狀態(tài)：接通電源進(jìn)入調(diào)壓模塊，通過第一整流橋輸出給電池通電，同時(shí)提供USB 接口對(duì)外輸出5 V1 A 直流電。

用電狀態(tài)：無220 V 交流電情況下，斷開第一整流橋，防止灌流。同時(shí)打開第二整流橋作為輸出整流，向調(diào)壓模塊供電。且提供USB 接口對(duì)外輸出5 V1 A 直流電。示意圖如圖1 所示。

圖1 示意圖

7．4．2 結(jié)構(gòu)設(shè)想

主要有：①參考相似產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)，進(jìn)行功能分析滿足電池盒基本功能。②預(yù)估電路尺寸，根據(jù)電源、開關(guān)、轉(zhuǎn)接模塊等相關(guān)尺寸設(shè)計(jì)。③參考測(cè)量的電池尺寸（預(yù)留電池行程軌道調(diào)節(jié)空間），根據(jù)使用者手型及舒適度進(jìn)行最后調(diào)節(jié)，以保證滿足符合人體使用。④確定所有元件、部件尺寸大小，標(biāo)注參數(shù)。設(shè)置所有功能鍵位孔位。留出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)安裝位置。⑤規(guī)劃3D 打印設(shè)計(jì)（結(jié)構(gòu)特性、材料特性、機(jī)器特性），復(fù)合3D 打印技術(shù)要求考慮實(shí)際打印成功率。

7.5 具體設(shè)計(jì)

“兩儀電池盒”主體由物理結(jié)構(gòu)和電路結(jié)構(gòu)兩大部分組成。其中物理結(jié)構(gòu)主要由殼體結(jié)構(gòu)、固定電路模塊、顯示模塊、電池行程軌道和操控開關(guān)五大部分組成。

7．5．1 殼體結(jié)構(gòu)

為減輕兩儀電池盒重量，滿足便攜性、安全性使用要求；同時(shí)保證殼體強(qiáng)度及降低加工難度，增大打印成功率，需要優(yōu)化殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

具體如下：①采用內(nèi)外雙層殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在殼體總框架厚度不變前提下，減小殼體框架實(shí)際結(jié)構(gòu)重量，保證內(nèi)外殼體間隙，內(nèi)外殼體間形成若干“蜂窩結(jié)構(gòu)”。優(yōu)化理由：因其極佳的抗壓、抗彎特性和超輕型結(jié)構(gòu)特征，與同類型的實(shí)心材料相比，蜂窩材料其強(qiáng)度重量比和剛性重量比在已知材料中均是最高的?！胺涓C結(jié)構(gòu)”具有優(yōu)越的性能，從力學(xué)角度分析，封閉的六角等邊蜂窩結(jié)構(gòu)相比其他結(jié)構(gòu)，能以最少的材料獲得最大的受力，而蜂窩結(jié)構(gòu)板受垂直于板面的載荷時(shí)，它的彎曲剛度與同材料、同厚度的實(shí)心板相差無幾，甚至更高，但其重量卻輕70～90%，而且不易變形，不易開裂和斷裂，并具有減震、隔音、隔熱和極強(qiáng)的耐候性等優(yōu)點(diǎn)。②采用PLA 材料，降低自身材料比重，材料剛度好，打印出來的模型硬度好，強(qiáng)度好，作為結(jié)構(gòu)件經(jīng)久耐用。同時(shí)保證“兩儀電池盒”自身絕緣，外表面不會(huì)發(fā)生漏電現(xiàn)象。③殼體中分兩大部分，即高壓和低壓兩部分。加厚高壓部分內(nèi)殼體厚度并預(yù)留散熱通道。④保證殼體內(nèi)無直角結(jié)構(gòu)，倒以圓角保護(hù)線路不會(huì)因摩擦破損。

7．5．2 固定電路模塊

為保證線路清晰且安全，將電路劃分為顯示部分、用電部分、充電部分和輸出部分。所有部分相對(duì)獨(dú)立，互有連接孔位。具體如下：①各部分均具有獨(dú)立外殼，保證安全，不因走線或元件誤觸而短路；②各部分外殼均具有多散熱孔（空徑小于電路用線線徑），降低零件老化；③各部分預(yù)留統(tǒng)一安裝孔位，降低設(shè)計(jì)工作難度，同時(shí)保證零件統(tǒng)一性，便于更換安裝。

7．5．3 顯示模塊

顯示模塊相對(duì)獨(dú)立，要求易于觀察。因顯示器產(chǎn)熱較大，將顯示模塊置于整體結(jié)構(gòu)最遠(yuǎn)端。具體如下：①顯示模塊殼體內(nèi)預(yù)留間隙放大，通風(fēng)孔位布局優(yōu)化形成擾流加速空氣流動(dòng)；②為顯示模塊預(yù)留輸出、輸出雙路孔位，且獨(dú)立隔開。

7．5．4 電池行程軌道

電池行程軌道主體分為：固定底托、模塊卡槽、行程電極三大部分。具體如下：①固定底托為加厚PLA 材質(zhì)，預(yù)留安裝孔、減輕孔、模塊卡槽安裝位；②模塊卡槽，外觀大小滿足可“18650”電池和“14500”電池規(guī)格范圍內(nèi)電池通用；③行程電極由電極、彈簧、行程座和固定桿組成。保證安全下優(yōu)化行程中行程座移動(dòng)流暢性。

7．5．5 操控開關(guān)

操控開由開關(guān)、開關(guān)底座、絕緣撥片組成。具體如下：①開關(guān)位置清晰，與其他零件相互不干擾；②開關(guān)兩側(cè)保證有隔板斷開兩級(jí)；③絕緣撥片保證開關(guān)裝換過程中，人體安全不觸電。

8 驗(yàn)證

給電池盒通電，通過實(shí)際應(yīng)用對(duì)“兩儀電池盒”進(jìn)行試車，分別進(jìn)行電池充電和供電輸出兩大功能試驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)目標(biāo)，是否設(shè)計(jì)成功。電池充電可以給小型鋰電池各種型號(hào)充電，充電電壓為5 V，且充電時(shí)可以不分正負(fù)極，此功能達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，設(shè)計(jì)成功；供電輸出，可以使用充好電的鋰電池為其他用電器充電，同時(shí)可作為變壓器直插220 V 交流電，恒流恒壓為其他用電器充電，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，設(shè)計(jì)成功。

此電池盒在生活中能夠解決人們的充電問題，避免因使用電池不當(dāng)造成的不便，同時(shí)也是綜合應(yīng)用科學(xué)技術(shù)的很好范例。