阀控式铅酸电池带肋铜芯端子的设计

沈旭培，陈茂洪

(1.天能电池集团股份有限公司，浙江 湖州 313100； 2.长兴县金茂电气有限公司，浙江 湖州 313100)

阀控式铅酸(VRLA)电池采用多只配组使用，在车辆上多数采用串联方式[1]，将电池端子、导线(接线片)和螺栓三者紧固。端子为铅铸件，由内螺纹、铅基和底座等3部分构成(见图1)。由于金属铅的材质较软，M8、M6型铅铸件端子的破坏扭矩值分别仅有16.5 N·m、9.5 N·m。直接将螺栓安装于端子内，常会导致铅铸件的内螺纹滑丝变形，起不到紧固作用。采用嵌入式铜芯端子(铜芯和铜芯端子如图2所示)，M8、M6型端子的破坏扭矩值可分别提高至24.5 N·m、15.5 N·m，基本可以满足使用要求，但仍存在一定的风险。

图1 铅铸件端子示意图

图2 铜芯和铜芯端子示意图

本文作者设计出带肋铜芯[2-3]，先将铜芯置入端子模腔内后，注射熔融的铅液，再经压铸机压铸成型，制得结构坚固的带肋铜芯端子，以提高破坏扭矩值。在电池安装时，其与接线片和螺栓紧密配合，安全可靠。

1 带肋铜芯设计

带肋铜芯由铜冠、铜股、侧肋、底肋和内螺纹等5部分构成(见图3)。

图3 带肋铜芯示意图

铜冠位于端子顶部，主要作用是放置接线片；铜股的作用是增加铜芯的表面积，与铅基结合紧密，并防止铜芯在竖直方向上的移动[4]；侧肋和底肋分别位于铜芯的侧面和底面，作用是增加螺栓紧固时的破坏扭矩值，使铜芯不易跟转；内螺纹位于铜芯正中心，作用是与螺栓紧固配合。为防止酸性腐蚀，在铜芯表面采用镀银保护，镀层厚度为5～9 μm。

2 带肋铜芯端子制造

带肋铜芯端子由铜芯、铅基和底座等3部分构成，如图4所示。

图4 带肋铜芯端子示意图

为了增加铅材料的致密性，采用DCC-63型立式冷室压铸机(上海产，锁模力630 kN)压铸成型，测得铅基的布氏硬度约为228～242 HBW10/1000/30[用直径为10 mm的钢球，以9.807 kN(1 000 kgf)的作用力保持30 s][5]。压铸工艺：①铜芯置入模腔；②注射铅液；③模压成型；④顶针脱模[6]。

3 实验验证

3.1 破坏扭矩值测试

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)带肋铜芯端子(湖州产)、铜芯端子(湖州产)和铅铸件端子(湖州产)各15只，采用NZ-200S型数显式扭转试验机(济南产)测试破坏扭矩值，结果见表1。

表1 破坏扭矩值测试数据 Table 1 Test data of destructive torque value

3.2 抗腐蚀性能测试

取M8型带肋铜芯端子和铅铸件端子各10只，用称量范围1 000 g、分度值0.01 g的电子秤称取质量，记为m1。取容量为800 ml的烧杯两只，缓慢向烧杯中加入500 ml 45%的H2SO4(湖州产，AR)溶液。加热煮沸后，分别向烧杯中加入两种端子各10只，继续煮沸10 min后，停止加热。试样在烧杯中静置5 min后取出，在35～40 ℃的恒温干燥箱内保持2 h后，用直径0.2 mm、长度25 mm的细铜丝刷除去表面腐蚀层，直至露出金属光泽，用电子秤称取质量，记为m2。抗腐蚀性能值k按式(1)计算。记录的测试数据见表2。

表2 抗腐蚀性能值测试数据

(1)

从表1、表2可知，与铅铸件端子相比，M8型端子的破坏扭矩值提高至35.0 N·m以上，M6型端子的破坏扭矩值提高至27.0 N·m以上，而二者的抗腐蚀性能相当，充分体现出了带肋铜芯端子的优越性。

4 效益分析

湖州某电池厂统计表明，M8型铅铸件端子的成本为3.2元/只；铜芯端子的铜芯成本为1.8元/只、铅基成本为1.5元/只，合计成本为3.3元/只；带肋铜芯端子的铜芯成本为1.9元/只、铅基成本为1.5元/只，合计成本为3.4元/只。铜芯端子的成本比铅铸件端子高0.1元/只，带肋铜芯端子因铜芯的加工成本略高，比铅铸件端子高0.2元/只。综合考虑端子的成本和连接安全性可知，带肋铜芯端子值得推广使用。

5 端子连接安装

电池安装时，将端子、接线片和螺栓三者紧固(见图5)，要求在车辆行驶发生震动时，三者不可松动。采用带肋铜芯端子制造的电池，使用电动螺丝刀(扭矩为0～50 N·m)安装螺栓，待紧固后，连续保持3 s，铜芯不会跟转，完全满足电池安装使用的要求。

图5 端子、接线片和螺栓紧固示意图

6 结论

本文作者设计带肋铜芯端子的方案为：增加铜铅接触面积，以增强结合力；侧肋和底肋阻碍旋转，以增加破坏扭矩值；使用压铸工艺增加铅材料的致密性。

采用该设计方案，将M8、M6型端子的破坏扭矩值分别提高至35.0 N·m、27.0 N·m以上，可以应用于VRLA电池生产。该设计方案提高了端子、接线片和螺栓三者的紧固效果，让电池的使用更安全。