閥控式鉛酸電池帶肋銅芯端子的設(shè)計(jì)

沈旭培，陳茂洪

(1.天能電池集團(tuán)股份有限公司，浙江 湖州 313100； 2.長(zhǎng)興縣金茂電氣有限公司，浙江 湖州 313100)

閥控式鉛酸(VRLA)電池采用多只配組使用，在車輛上多數(shù)采用串聯(lián)方式[1]，將電池端子、導(dǎo)線(接線片)和螺栓三者緊固。端子為鉛鑄件，由內(nèi)螺紋、鉛基和底座等3部分構(gòu)成(見圖1)。由于金屬鉛的材質(zhì)較軟，M8、M6型鉛鑄件端子的破壞扭矩值分別僅有16.5 N·m、9.5 N·m。直接將螺栓安裝于端子內(nèi)，常會(huì)導(dǎo)致鉛鑄件的內(nèi)螺紋滑絲變形，起不到緊固作用。采用嵌入式銅芯端子(銅芯和銅芯端子如圖2所示)，M8、M6型端子的破壞扭矩值可分別提高至24.5 N·m、15.5 N·m，基本可以滿足使用要求，但仍存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 鉛鑄件端子示意圖

圖2 銅芯和銅芯端子示意圖

本文作者設(shè)計(jì)出帶肋銅芯[2-3]，先將銅芯置入端子模腔內(nèi)后，注射熔融的鉛液，再經(jīng)壓鑄機(jī)壓鑄成型，制得結(jié)構(gòu)堅(jiān)固的帶肋銅芯端子，以提高破壞扭矩值。在電池安裝時(shí)，其與接線片和螺栓緊密配合，安全可靠。

1 帶肋銅芯設(shè)計(jì)

帶肋銅芯由銅冠、銅股、側(cè)肋、底肋和內(nèi)螺紋等5部分構(gòu)成(見圖3)。

圖3 帶肋銅芯示意圖

銅冠位于端子頂部，主要作用是放置接線片；銅股的作用是增加銅芯的表面積，與鉛基結(jié)合緊密，并防止銅芯在豎直方向上的移動(dòng)[4]；側(cè)肋和底肋分別位于銅芯的側(cè)面和底面，作用是增加螺栓緊固時(shí)的破壞扭矩值，使銅芯不易跟轉(zhuǎn)；內(nèi)螺紋位于銅芯正中心，作用是與螺栓緊固配合。為防止酸性腐蝕，在銅芯表面采用鍍銀保護(hù)，鍍層厚度為5～9 μm。

2 帶肋銅芯端子制造

帶肋銅芯端子由銅芯、鉛基和底座等3部分構(gòu)成，如圖4所示。

圖4 帶肋銅芯端子示意圖

為了增加鉛材料的致密性，采用DCC-63型立式冷室壓鑄機(jī)(上海產(chǎn)，鎖模力630 kN)壓鑄成型，測(cè)得鉛基的布氏硬度約為228～242 HBW10/1000/30[用直徑為10 mm的鋼球，以9.807 kN(1 000 kgf)的作用力保持30 s][5]。壓鑄工藝：①銅芯置入模腔；②注射鉛液；③模壓成型；④頂針脫模[6]。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 破壞扭矩值測(cè)試

取Φ20 mm×高度35 mm/底座中心深度15 mm(M8型)和Φ16 mm×高度25 mm/底座中心深度14 mm(M6型)帶肋銅芯端子(湖州產(chǎn))、銅芯端子(湖州產(chǎn))和鉛鑄件端子(湖州產(chǎn))各15只，采用NZ-200S型數(shù)顯式扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)(濟(jì)南產(chǎn))測(cè)試破壞扭矩值，結(jié)果見表1。

表1 破壞扭矩值測(cè)試數(shù)據(jù) Table 1 Test data of destructive torque value

3.2 抗腐蝕性能測(cè)試

取M8型帶肋銅芯端子和鉛鑄件端子各10只，用稱量范圍1 000 g、分度值0.01 g的電子秤稱取質(zhì)量，記為m1。取容量為800 ml的燒杯兩只，緩慢向燒杯中加入500 ml 45%的H2SO4(湖州產(chǎn)，AR)溶液。加熱煮沸后，分別向燒杯中加入兩種端子各10只，繼續(xù)煮沸10 min后，停止加熱。試樣在燒杯中靜置5 min后取出，在35～40 ℃的恒溫干燥箱內(nèi)保持2 h后，用直徑0.2 mm、長(zhǎng)度25 mm的細(xì)銅絲刷除去表面腐蝕層，直至露出金屬光澤，用電子秤稱取質(zhì)量，記為m2。抗腐蝕性能值k按式(1)計(jì)算。記錄的測(cè)試數(shù)據(jù)見表2。

表2 抗腐蝕性能值測(cè)試數(shù)據(jù)

(1)

從表1、表2可知，與鉛鑄件端子相比，M8型端子的破壞扭矩值提高至35.0 N·m以上，M6型端子的破壞扭矩值提高至27.0 N·m以上，而二者的抗腐蝕性能相當(dāng)，充分體現(xiàn)出了帶肋銅芯端子的優(yōu)越性。

4 效益分析

湖州某電池廠統(tǒng)計(jì)表明，M8型鉛鑄件端子的成本為3.2元/只；銅芯端子的銅芯成本為1.8元/只、鉛基成本為1.5元/只，合計(jì)成本為3.3元/只；帶肋銅芯端子的銅芯成本為1.9元/只、鉛基成本為1.5元/只，合計(jì)成本為3.4元/只。銅芯端子的成本比鉛鑄件端子高0.1元/只，帶肋銅芯端子因銅芯的加工成本略高，比鉛鑄件端子高0.2元/只。綜合考慮端子的成本和連接安全性可知，帶肋銅芯端子值得推廣使用。

5 端子連接安裝

電池安裝時(shí)，將端子、接線片和螺栓三者緊固(見圖5)，要求在車輛行駛發(fā)生震動(dòng)時(shí)，三者不可松動(dòng)。采用帶肋銅芯端子制造的電池，使用電動(dòng)螺絲刀(扭矩為0～50 N·m)安裝螺栓，待緊固后，連續(xù)保持3 s，銅芯不會(huì)跟轉(zhuǎn)，完全滿足電池安裝使用的要求。

圖5 端子、接線片和螺栓緊固示意圖

6 結(jié)論

本文作者設(shè)計(jì)帶肋銅芯端子的方案為：增加銅鉛接觸面積，以增強(qiáng)結(jié)合力；側(cè)肋和底肋阻礙旋轉(zhuǎn)，以增加破壞扭矩值；使用壓鑄工藝增加鉛材料的致密性。

采用該設(shè)計(jì)方案，將M8、M6型端子的破壞扭矩值分別提高至35.0 N·m、27.0 N·m以上，可以應(yīng)用于VRLA電池生產(chǎn)。該設(shè)計(jì)方案提高了端子、接線片和螺栓三者的緊固效果，讓電池的使用更安全。