设计制造一款高达470Wh的巨型Duracell电池

这是一件堪称“圣经级”的大作。欢迎认识DURACELL MAX——一款我亲手从零设计制造的巨型Duracell电池。

这个项目的核心理念是打造一个应急电源，能够稳定输出12V电压，适用于多种场景，例如驱动电动自行车直流电机，或为其他电子设备供电。

此外，我还加入了两个独立的65W USB-C PD充电模块。通过USB-C转USB-C数据线，我们可为智能手机、平板电脑、掌上游戏主机甚至笔记本电脑充电。这款电池组在停电时非常实用，也可随身携带，用于露营旅行时给设备充电，或为12V照明设备及其他电器提供电力。

在设计这款产品时，我希望打造出与普通电池盒截然不同的形态。因此，我将整个电池组的外观设计成一个夸张而巨大的Duracell AA电池。

电池组内部采用定制工艺，由LiFePO4电芯以4S6P配置排列而成。完成的电池组标称电压约为13.3V，容量为36Ah，可储存约470Wh的能量。

本文将详细介绍该项目的完整组装过程。那么，让我们开始吧!

所需材料

本项目所用材料如下：

- LiFePO4 电池单元：3.3V 6000mAh

- 3D打印部件

- 定制PCB板

- M2螺丝

- 8毫米宽镍片

- 点焊机

- PD模块(输出65W)

- BMS(锂电磷酸铁锂电池管理模块，4S)

- 连接线

- 切换开关

- 直流圆柱插孔

- 3mm红色LED灯

- SR206二极管

- 10K电阻

- 12V 5A充电器

- 电动自行车电机(250W，用于演示)

- 12V HDMI显示屏(用于演示)

•万用表

•M4 螺母与螺栓

•香蕉插头连接器

硬件 - LiFePO4 电池

本项目的主要电源是一组 LiFePO4(磷酸铁锂)电池，每块额定电压为3.3V，容量为6000mAh。LiFePO4 电池是此类项目理想选择，因其具有较长的循环寿命、良好的热稳定性，以及相较于其他许多锂电池类型的化学安全性更高。

本项目的设计目标是构建一个4S6P电池组。这意味着先将六块电池并联以提升总容量，再将这六个并联组中的四组串联，从而提高电池组的电压。总共使用24块 LiFePO4 电池。

在组装电池组之前，我使用万用表测量了每块电池的电压，并将其按电压相近的组别进行分组。本项目所用电池的电压范围约为3.270V至3.280V。

在并联连接电池前，匹配电池电压尤为重要。如果两块电压不同的电池直接并联，高电压电池会立即向低电压电池提供电流。由于锂电池的内阻非常低，即使电压差相对较小，也可能导致较高的均衡电流，从而产生过热并造成严重安全隐患。

一旦电池组永久并联连接，它们在电气上将表现为一个容量更大的单一电池组，因为所有电池共享相同的电压。

串联组的工作方式不同。在我们的4S配置中，由于电池管理系统(BMS)通过平衡连接分别监测每个串联组的电压，因此每个并联组的电压可能与其他组不同。在充电过程中，BMS有助于防止各个串联组超过其安全电压限制，并且如果BMS支持主动或被动平衡功能，还能帮助保持各串联组之间的电压均衡。

然而，BMS无法单独监测或控制并联组内的每个单个电芯。因此，在将电芯并联之前检查并确保所有电芯电压一致，是安全构建电池组的重要步骤。

在检查完全部24个电芯并确认其电压均在规定范围内后，即可将其安装到定制的电池支架中，并连接成4S6P电池组。

硬件 - BMS

为管理和保护电池组，我采用了一款专为磷酸铁锂(LiFePO4)电芯设计的4S 20A BMS。该BMS支持4S配置，标称电池组电压为12.8V，最大连续放电电流可达20A。

电池管理系统(BMS)的主要目的是在充电和放电过程中保护磷酸铁锂(LiFePO4)电池单元，提供包括过充、过放、过流和短路保护在内的关键安全功能。

BMS持续监测每个串联电池组的电压，并在电压超出或低于安全工作范围时切断电池组供电。

该BMS具备20A连续放电能力，适用于我们的4S6P电池组，可安全为电池充电并为连接至输出端的各种设备供电。

硬件部分 - PD模块

对于USB-C电源输出，我采用了一款65W PD快充模块。这是一款紧凑且高效能的DC-DC降压转换器，支持多种快充协议，包括PD3.1(PPS)、QC3.0、华为SCP/FCP以及三星AFC。

该模块输入电压范围为8V至30V，可通过USB-C接口提供最高65W的输出功率。其具备智能PD协商功能，可根据所连设备的需求自动调节输出电压，范围在3.3V至21V之间。

该模块的转换效率约为92%至97%，具有极低的功率损耗和热量产生。同时内置了过压、欠压、短路及过温保护功能。

其紧凑的32x20毫米尺寸，非常适合集成到我们的大容量电池组中，可用于为智能手机、平板电脑、手持游戏机，甚至支持PD接口的笔记本电脑充电。

我找到了一份非常详细的指南，介绍了这款PD模块的内部结构、电路图及其他工作细节。

设计

在本项目的设计过程中，我的初衷是将电池组设计成类似Duracell AA电池的形态。但并未完全复制原设计，而是仅以电池的基本圆柱形外观作为灵感来源。其余部件则根据项目具体需求从零开始重新设计。

首先，我设计了一个内部电池支架，用于并联连接六个电池单元。四个这样的电池支架堆叠在一起，构成完整的圆柱形4S6P电池组组件。

受Duracell启发的外壳，本质上是一个包裹在圆柱形电池组件周围的盖子。顶部设计也模仿了普通AA电池的正极，该部分设有两个香蕉插头连接器和一个直流圆柱形接口，用于主电源连接。

在机壳正面，我还增加了两个USB Type-C接口，可连接双65W PD模块，使我们能够直接从电池组为支持USB-C PD的设备充电。

整个机壳及内部组件均采用Fusion 360从零开始设计，每个部件均根据电池单元、电子元件和输出接口的尺寸与要求进行建模。

电池座

本项目的核心部件是电池座，其设计用于以六角排列方式固定六个磷酸铁锂(LiFePO4)电池。

电池座主要由三部分组成：上部支架、下部支架以及四个中间支撑件。这些中间支撑件位于上部和下部支架之间，使用M2.5螺丝将上部支架与中间支撑件连接，下部支架也通过相同方式与中间支撑件固定。这种结构可牢固地保持磷酸铁锂电池的安装位置。

上部和下部支架在一侧为开口设计，便于接触电池端子。这一暴露面的设置是为了方便将镍片进行点焊，从而将全部六个电池并联连接。我同时设计了一种定制的六角形镍片，将采用标准镍片并结合3D打印模具进行制作。

在上部和下部支架上，均加装了焊接于镍片上的PCB板。这些PCB板用于连接多个电池座，使四个并联组能够串联连接。

电池座组

当四个电池座组装完成后，将其逐层堆叠，即可形成完整的电池组。然后使用M4螺钉将组件固定，同时连接相邻电池座的PCB。这些PCB连接将一个电池座的正极与下一个电池座的负极相连，形成4串联(4S)电池组。

最终结果是一个由四个电池座串联而成的大圆柱形电池组。每个电池座包含六个LiFePO4电池，通过定制的六边形镍片和连接PCB并联连接，从而构成完整的4S6P电池组。

DURACELL外壳与顶部部件

接下来是外层外壳，主要由三部分组成：底座、Duracell外壳和上部结构。

从底部开始，底座通过四颗M2螺丝固定在电池组装配体上，将其牢固地安装在电池座组的底部。随后，Duracell外壳滑入位置，覆盖在圆柱形电池组之上，并由底座固定。最后，上部结构滑入Duracell外壳上方，完成外壳主体的组装。

顶部组件由两部分组成：内支撑结构和顶部盖板本身。内侧支撑部分负责固定65W PD模块、电池管理系统(BMS)以及大部分内部线路，确保所有电子元件安全有序地排列。

此外，我们在该内侧支撑部件中增加了Type C接口的开口，并配备了一个滑动开关，用于开启或关闭PD模块。

顶部盖板作为整个组件的盖子，容纳了主要的输入和输出连接器。在电源输出方面，我加装了两个香蕉插头连接器，使电池组能够为各种外部设备供电。同时，还配备了标准的直流圆柱形充电口，用于给电池组充电，并带有指示LED灯，当连接充电器时会亮起。

除了容纳连接器外，顶部盖板还能将Duracell外壳和上部结构固定到位。与底座结合使用后，可有效将整个机壳夹紧，使所有内部组件稳固组装，无任何移动。

3D打印部件

在完成3D模型设计后，所有部件均导出为网格文件，并通过我们的Anycubic Kobra S1 3D打印机进行打印。我使用白色、灰色及双色Hyper PLA线材分别打印了机壳的不同部件。

所有部件均采用0.2毫米层高、0.4毫米喷嘴和25%的填充率进行打印。

对于需要支撑的部件，我主要使用了树状支撑结构，顶部Z轴距离为0.3毫米。这确保了支撑与打印部件之间有足够的间隙，使得打印完成后支撑结构相对容易拆卸。

PCB设计

根据我的CAD模型中的电路板轮廓，我为该项目设计了连接用的PCB。这块电路板本身并不复杂，本质上是一个简单的PCB，仅使用大面积铜层来承载电池电流。

PCB上设有多个用于插入并焊接定制镍条的插槽，同时还配有安装孔，以便将电路板牢固地固定在电池座上。

由于PCB的形状较为特殊，我首先将电路板轮廓从Fusion 360导出为DXF文件，然后将该DXF文件导入我的PCB设计软件，并将其作为电路板轮廓使用。这样确保了所有安装孔和镍条插槽的位置与CAD模型中的设计完全一致，从而避免了组装过程中的对齐问题。

为了简化装配流程，我在顶层丝印层添加了一个“+”符号，在底层丝印层添加一个“−”符号。当将PCB安装到电池座的正极一侧时，带有“+”标记的一侧朝上;同样，当安装到负极一侧时，PCB需翻转，使“−”标记朝上。这种简单的导向系统大大简化了识别每个贴片座极性，并便于将四个贴片座串联连接。

镍条组装

为了并联连接电芯，最佳方法是使用带有镍条的点焊机。

将导线或带状材料直接焊接到锂电池的端子上通常被认为是一种不良做法，因为焊接过程中产生的过热可能损坏电池、降低其容量，甚至在极端情况下引发严重的安全隐患。因此，组装锂电池组时通常采用点焊方式。

我遇到的一个挑战是，由于本项目采用了特殊的电池排列方式，标准的镍带无法很好地适用。因此，我不得不设计一种定制的六边形镍带结构。

为了进行点焊，我准备了一台便携式点焊机。

点焊过程首先根据“条带尺寸”PDF中的说明，将镍带切割成两种不同尺寸：较长的39毫米条带用于形成连接电池的六边形结构，而较短的10毫米条带则用于构成L形部分，以便将PCB安装在镍带之上。

使用一个定制的3D打印夹具，我们先将39毫米的镍带放入指定的槽位中，形成六边形结构;然后将夹具的另一半放置在顶部，以牢固固定所有条带的位置。

接下来，我们使用便携式点焊机将所有单条镍片进行点焊，连接成一条完整的六边形镍片。

然后，我们将L型部件放置在六边形镍片的指定位置上。

第二部分夹具覆盖整个结构，以牢固固定所有部件，同时将L型部件与六边形镍片进行点焊。

通过这一过程，最终得到一条定制的六边形镍片，用于制造电池组中的并联连接。

本项目总共需要八条定制的六边形镍片。

并联电池组组装

组装过程从安装四个中支撑件开始，将其安装到底部电池座上，并用M2螺钉固定到位。

接着，将LiFePO4电池插入底部支架中，负极朝下，正极朝上。

随后，将顶部电池座盖在电池上，并用M2螺钉固定到中支撑件上。这样六个电池被牢牢锁住，完成一个并联电池座的机械组装。

接下来进行电气连接。首先，将定制的六边形镍片放置在电池盒的正极一侧。使用点焊机，将镍片焊接到六个电池的各个端子上，实现电池之间的并联电气连接。

随后，再对电池组的负极一侧重复相同工艺，使用另一块六边形镍片进行焊接。

当两块镍片均完成点焊后，将连接PCB板覆盖在镍片上，并用M2螺钉固定。最后，将镍片与PCB板进行焊接，从而在电池单元与连接板之间形成牢固的电气连接。

该过程在电池盒的正极和负极两侧均需执行，最终完成一个完全组装好的并联电池模块。

测试

为了确认所有部件已正确组装，我使用万用表测量了完成后的并联电池组支架的输出电压。测得的电压约为3.27V，证实了六个电池均正确并联连接，且整个组装功能正常。

由于最终电池组需要四个完全相同的并联电池支架，我重复了整个组装过程三次，直到四个模块全部完成，并准备进行串联连接。

电池组组合装配

接下来是电池组的主要组装步骤。

首先，将四个并联电池支架按照图示所示的正确方向依次堆叠。

为将四个模块实现串联连接，使用M4螺母和螺栓将连接PCB板固定在一起。这些连接将一个并联电池组的正极与下一个电池组的负极相连，从而完成4串(4S)配置。

当四个模块全部连接完成后，电池组的标称输出电压约为13.3V。正极输出端位于最上层的电池单元支架，负极输出端位于最下层的电池单元支架，这两者即为完成后的电池组的主要输出端子。

接线

我们首先根据提供的接线图，将导线连接到每个并联的电池单元支架上。

导线先焊接在每个并联电池组的连接PCB上，然后穿过电池单元支架中心的开口。所有导线均通过该中心开口，并随后连接至电池管理系统(BMS)。

对于电源连接，我使用了16 AWG单芯铜线，这种导线能够承受远高于本项目要求的电流，同时将电压降和发热控制在最低水平。使用较粗的导线还能提高电池组在驱动高电流负载时的可靠性。

顶部盖板组装

顶部盖板的组装首先将红色和黑色香蕉插头安装到各自的安装孔中。两个插头均从顶部盖板外部插入，并正确对准位置。

接下来，将一根红色和一根黑色导线焊接到香蕉插头的焊盘上。然后将导线穿过顶部盖板内的孔洞，并拧紧提供的安装螺母，以牢固固定两个香蕉插头。

随后安装直流圆柱接头，并使用其配套的安装螺母进行固定。

在布线时，直流圆柱接头的VCC端子连接到SR206肖特基二极管的阴极，而二极管的阳极则连接到红色香蕉插头。直流圆柱接头的GND端子直接连接到黑色香蕉插头。

接下来，在安装孔中安装一个3mm的LED灯。LED的阳极连接到二极管之前直流 barrel 插座的VCC端子上，以确保只有当充电器插入直流插槽时，LED才会亮起。

最后，在LED的阴极与直流 barrel 插座的GND端子之间焊接一个10kΩ电阻，从而完成充电指示电路。

外壳组装

我们从将底座放置在电池组底部开始外壳组装，并用四个M2螺丝固定。

然后翻转电池组，将Duracell外壳滑入圆柱形电池组上方的位置。Duracell外壳安装到位后，再将上壳滑入其指定位置。

接着，在电池组顶部安装内支撑结构，并使用M2螺丝固定。该内支撑不仅为电子元件提供安装点，还能锁定上壳和Duracell外壳，使整个外壳结构牢固地组装完成。

最终组装

我们从在内支撑部分内部安装BMS开始最终组装过程。为了固定好，我先贴上了一段双面热缩胶带，然后将BMS放置在上面。热缩胶带既能牢固地固定BMS，又能帮助热量传递到安装表面。

接下来，按照接线图将BMS连接到电池组上：B-端子连接至电池负极，B1连接至3.3V输出端，B2连接至6.6V输出端，B3连接至9.9V输出端，B+连接至电池组的13.2V正极。

随后安装两个65W的USB-C PD模块。在每个模块下方贴上热缩胶带，再将其放入相应位置。

接着，在PD模块上方安装杠杆开关，并使用配套的安装螺母进行固定。

PD模块的接线相对简单。首先，将两个PD模块的VIN和GND端子并联连接，再将合并后的VIN连接至BMS的P+端子。

对于负极连接，将两个PD模块的合并GND端子连接至杠杆开关的COM端子，而开关的NC端子则连接至BMS的P-端子。换句话说，开关与负电源线串联，使其能够同时连接或断开两个PD模块的供电。

最后，将预先组装好的顶部盖板通过焊接完成连接：将香蕉插头的红色线焊接到BMS的P+端子，黑色线焊接到P-端子上。

所有线路接好后，将顶部盖板安装到外壳上，并用五颗M2.5螺丝固定。这将整个组件锁紧，完成巨型Duracell电池组的最终组装。

成果

这就是这款超级改装的最终成品——一个绝对不是AA电池大小的Duracell电池!

完成后的电池组重量约为4.7公斤，可稳定输出13.2V电压，适用于多种12V设备以及DIY电子项目。

得益于内置的双65W USB-C PD模块，它还可作为便携式移动电源，为支持PD标准的设备充电，例如智能手机、平板电脑、掌机游戏主机，甚至笔记本电脑。

工作演示

为了在真实环境中测试电池组，我首先连接了一个之前为一个即将进行的项目拆解过的12V显示器。使用一对香蕉插头线缆，将显示器的驱动板连接到电池组的输出端子上，显示屏随即开启并运行正常。

接着，我用USB-C转USB-C线缆将我的MacBook连接到车载USB-C PD模块上，笔记本电脑立即开始充电，且没有任何问题。

随后，我再次对ROG Ally进行了同样的测试，它也通过PD模块正常充电。

最后，我将一个250W的电动自行车电机直接连接到电池组的输出端。不出所料，电机运行顺畅，证明该电池组能够轻松为高电流的12V负载供电。

在给电池组充电时，我使用了一款12V 5A的充电器，可提供约60W的充电功率。由于电池组容量约为470Wh，使用此充电器充满电大约需要8小时。

如果使用更高电流的电源，例如12V 10A的充电器，可以进一步缩短充电时间。另一种选择是使用太阳能板为电池组充电。由于本项目所用的电池管理系统(BMS)可承受高达45V的充电输入电压，因此可以连接一个开路电压低于此值的太阳能板。例如，一块24V、4A(约100W)的太阳能板非常适合在户外为该电池组充电。

结论

总体而言，这是一个非常有趣的制作项目。我最喜欢的部分是设计外壳，并添加各种装饰细节，使普通的圆柱形电池组看起来像一个夸张得离谱的Duracell AA电池。

不过，我已经为这个项目第二版想出了一些想法。

我首先希望添加的升级是配备内置显示屏的定制ESP32控制板。它能够实时显示电池电压、剩余容量、充放电电流、功耗、单个电池单元电压、温度以及充电状态等信息。此外，该设备还可用于监测太阳能充电情况，使电池组的使用更加直观和实用。

其次，我想探索的是集成MPPT太阳能充电控制器。这将使电池组真正具备便携式太阳能电站的功能，能够直接高效地从太阳能板进行充电。若搭配直流转交流逆变器，系统甚至可以输出交流电，从而成为一种功能更全面的备用电源解决方案。

目前，这个项目已经完成，我对最终效果非常满意。希望你和我一样，享受了整个设计与制作过程的乐趣。

本文编译自hackster.io