幾何曲線在板柵設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

沈旭培，方明學(xué)，熊正林，劉三元

（天能電池集團(tuán)有限公司，浙江 湖州 313100）

0 引言

板柵作為電子的導(dǎo)體和活性物質(zhì)的載體，本身幾乎不參加化學(xué)反應(yīng)，但是其電導(dǎo)值的大小是影響蓄電池性能的關(guān)鍵因素之一。在板柵合金不變的情況下，筋條的數(shù)量、截面積、排列分布和極耳位置等將決定其電導(dǎo)值的大小[1]。筋條的分布大致有垂直式、傾斜式和擴(kuò)展式等，極耳位置可在板柵上邊框處適當(dāng)?shù)乃絽^(qū)間內(nèi)。設(shè)計(jì)者可根據(jù)電池的特征和對(duì)應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域，來選擇筋條的形狀和極耳的位置。

筆者在設(shè)計(jì) QZ12.5H 型汽車起動(dòng)電池板柵時(shí)，對(duì)縱筋條采用放射狀設(shè)計(jì)，對(duì)極耳采用橢圓焦點(diǎn)原理，將電池的大電流放電時(shí)間提高約 14 %～25 %。根據(jù)黃金分割原理，使極群組與電池槽的結(jié)構(gòu)配合至最佳點(diǎn)，同時(shí)將板柵底部的柵格形狀設(shè)計(jì)成三角形，在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的條件下，降低了極板分切過程中的報(bào)廢率。

1 板柵設(shè)計(jì)

1.1 縱筋條

汽車引擎起動(dòng)時(shí)，需要蓄電池瞬間提供約為額定容量 5 倍甚至更大的電流值，這是起動(dòng)型電池的固有屬性之一。在參加反應(yīng)的活性物質(zhì)質(zhì)量和密度等參數(shù)相當(dāng)?shù)臈l件下，板柵的導(dǎo)電性尤為重要。對(duì)于大電流值要求相對(duì)不高的動(dòng)力型、儲(chǔ)能型、備用型和牽引型電池來說[2]，板柵縱筋條多數(shù)是垂直式的，因?yàn)榇怪笔浇顥l對(duì)電流的分布相對(duì)均勻一些。然而，起動(dòng)型電池板柵的縱筋條多數(shù)為傾斜式的，而且試驗(yàn)證明，傾斜式縱筋條的集流效果相對(duì)較好。根據(jù)板柵的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)者將靠近極耳的縱筋條設(shè)計(jì)成等距傾斜式的，將遠(yuǎn)離極耳的縱筋條設(shè)計(jì)成平行傾斜式的（見圖 1）。

在蓄電池放電時(shí)，極板的電流通過筋條匯集至極耳處。在電流的縱向傳輸上，縱筋條路徑趨向的集中與分散將影響集流效果。如圖 1 所示，由于2 種傾斜式縱筋條同時(shí)存在，當(dāng)縱筋條向上方延長(zhǎng)時(shí)，最終不相交于一點(diǎn)，電流呈分散性傳輸。

筆者自極耳上方擬定一點(diǎn)A，設(shè)為光源（點(diǎn)A即為端子的頂部，見圖 4），將縱筋條模擬成夾角為 3o 的光線[3]，構(gòu)成放射狀筋條（見圖 2）。因?yàn)楣饩€來自于光源，所以縱筋條向上方延長(zhǎng)時(shí)，均相交于點(diǎn)A。經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，放射狀筋條的集流效果明顯提高。

圖1 傾斜式縱筋條板柵

1.2 極耳

橢圓曲線上的任意一點(diǎn)到兩個(gè)焦點(diǎn)的距離之和恒定，這一原理目前在光學(xué)和聲學(xué)中都得到實(shí)際應(yīng)用。例如：橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)發(fā)射出的光線，經(jīng)橢圓反射后，反射光線必經(jīng)過橢圓的另一個(gè)焦點(diǎn)；電影院的音箱放于橢圓焦點(diǎn)處以達(dá)到最佳的聲音反射。筆者將這一原理應(yīng)用于板柵設(shè)計(jì)中，在配組后的極群組中，以極板上邊框中點(diǎn)為橢圓中心，以邊框中點(diǎn)至極耳外側(cè)邊緣為橢圓長(zhǎng)半軸a，以邊框中點(diǎn)至極耳頂部邊緣為橢圓短半軸b，將極耳與上邊框的垂足定為橢圓的焦點(diǎn)F1、F2（見圖 3）。根據(jù)橢圓焦距公式c2=a2-b2，取a= 35，b= 28，c= 21 時(shí)，F(xiàn)1、F2點(diǎn)恰好為橢圓的焦點(diǎn)[4]。由于焦點(diǎn)F1、F2作為極板的電流匯集點(diǎn)，在蓄電池放電時(shí)，負(fù)極板通過焦點(diǎn)的電場(chǎng)線全部反射至正極板的焦點(diǎn)。電場(chǎng)線越密集表明電場(chǎng)強(qiáng)度越強(qiáng)，電池的瞬間放電電流值越大。

圖2 點(diǎn)光源放射狀縱筋條板柵

圖3 根據(jù)橢圓焦點(diǎn)原理設(shè)計(jì)的板柵

1.3 極群組結(jié)構(gòu)

蓄電池由極板、極耳、匯流排、極柱和端子構(gòu)成導(dǎo)電體系[5]。當(dāng)蓄電池的高度定型時(shí)，極板高度將決定極柱的長(zhǎng)度。如果極柱過長(zhǎng)，電阻增大；如果極柱過短，極板高度可能會(huì)影響槽蓋封合。在確保蓄電池設(shè)計(jì)容量足夠的前提下，取極板高度與極板底部至端子的長(zhǎng)度比為 0.618∶1（見圖 4），即黃金分割比例。該方案使得極群組結(jié)構(gòu)比例優(yōu)化，在極板高度約占電池高度約 60 % 時(shí)，電池槽上部的空隙有利于氣體的循環(huán)復(fù)合，電池的耐振動(dòng)性亦達(dá)到最佳。

1.4 三角形柵格

由于放射狀筋條是按等角度分布，離光源越遠(yuǎn)，光線之間的距離就越大。如圖 2 中，板柵底部柵格的寬度顯得更大，故柵格強(qiáng)度減弱，也不利于活性物質(zhì)的承載。在生產(chǎn)工序的周轉(zhuǎn)中，極板活性物質(zhì)脫落現(xiàn)象常見于底部，而且在極板分切時(shí)，極板底部也會(huì)因強(qiáng)度不高而被損傷。為了提高極板的強(qiáng)度和減少分切時(shí)受損傷極板的數(shù)量，對(duì)板柵底部采用三角形柵格設(shè)計(jì)。三角形柵格設(shè)計(jì)具有增加?xùn)鸥駨?qiáng)度和穩(wěn)定活性物質(zhì)的效果[6]，在實(shí)際生產(chǎn)中得到了驗(yàn)證。

圖4 根據(jù)黃金分割率設(shè)計(jì)的板柵

2 實(shí)驗(yàn)

取 QZ12.5H 極板裝配 95D31 汽車起動(dòng)電池，額定容量 C20為 80 Ah。以 8C20和 12C20的電流分別在 -18 ℃ 和 25 ℃ 環(huán)境下放電至端電壓為 6 V 時(shí)，與普通 Q12.5 極板裝配的 95D31 電池做大電流放電對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同極板裝配的 95D31 電池在不同環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

3 結(jié)論

筆者將幾何曲線原理應(yīng)用到板柵設(shè)計(jì)中，改變了板柵的結(jié)構(gòu)和筋條的分布。從表1 中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得出，試驗(yàn)電池在不同環(huán)境下的大電流放電對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，放電時(shí)間均得到了不同程度的延長(zhǎng)，且在一定的區(qū)間內(nèi)，當(dāng)放電電流值增加時(shí)，放電時(shí)間的延長(zhǎng)率也隨之增加，更體現(xiàn)出幾何曲線應(yīng)用在板柵設(shè)計(jì)中的優(yōu)越性。本文中所引用的幾何曲線在幾何學(xué)中可謂微不足道，或許有更多類型的曲線應(yīng)用在板柵設(shè)計(jì)中將會(huì)表現(xiàn)的更好，而未得到應(yīng)用，故還有研究的空間。但是，對(duì)于采用澆鑄工藝的板柵，板柵的設(shè)計(jì)不僅能夠影響電池的性能，同時(shí)也能夠影響板柵澆鑄的難易程度[1]。在電池整體結(jié)構(gòu)允許的條件下，怎樣選擇更好的曲線應(yīng)用于板柵設(shè)計(jì)中，使?jié)茶T工藝簡(jiǎn)易化，以及找出電池槽與極群組的最佳配合比例，在電池精細(xì)化設(shè)計(jì)中長(zhǎng)期值得研究和關(guān)注。