專利名稱：蓄電池柵板及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及蓄電池柵板，具體地說，涉及鉛酸蓄電池的柵板(lead-acid battery grid)，該柵板具有一些柵板圖形。
背景技術(shù)：
鉛酸蓄電池的柵板為其中的活性材料提供了結(jié)構(gòu)支承，并且在放電時(shí)作為電流集流器，而在再充電時(shí)作為電流分配器。因此，在設(shè)計(jì)柵板時(shí)力求使能夠由柵板支承的活性材料最佳化，以便提高柵板的集流和分配特性，同時(shí)使柵板的重量達(dá)到最小。
公知的柵板結(jié)構(gòu)如

圖1-3所示，其中，包括上框架部件2和下框架部件3，它們由一組金屬線4聯(lián)結(jié)，這些金屬線4位于上、下框架部件2和3之間，并且形成柵板圖形。與上框架部件2一體形成的柱5與蓄電池中相鄰的柵板內(nèi)連接。
公知的柵板圖形包括菱形，其特征在于，用線形成菱形的柵板單元，例如，如圖1和2所示；方形，其特征在于，柵板單元為方形；輻射狀圖形，其特征在于，線從公共點(diǎn)輻射狀向外延伸，例如，如圖3所示；以及其它柵板圖形，例如，美國專利文獻(xiàn)US5,582,936所公開的柵板圖形。下面將說明這些具體圖形的某些優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。
通常，柵板用以下方法制成例如，鑄造，多孔金屬網(wǎng)拉伸成形法(expanded metal forming)，以及沖壓法。鑄造的蓄電池柵板是通過將熔融的鉛澆注到模具中，使鉛冷卻，然后使柵板脫模而制成的。這種鑄造工藝可以制造出各種效率的柵板，它只會(huì)受模具制作者制作模具能力的限制。
然而，這種鑄造工藝是昂貴的工藝，由此阻礙了其應(yīng)用。該工藝要求使用模具涂層，以便使柵板容易脫模，而且，為了提高產(chǎn)量，需要大量昂貴的模具。另外，即使使用了大量的模具，鑄造工藝仍然屬于一種批量的制造方法，其生產(chǎn)效率低于“連續(xù)”生產(chǎn)工藝(如多孔金屬網(wǎng)拉伸成形法)的效率(即，給定時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)量較低)。
用多孔金屬網(wǎng)拉伸成形法形成的柵板比鑄造的柵板低廉，這是因?yàn)槎嗫捉饘倬W(wǎng)拉伸成形法的生產(chǎn)效率高于鑄造方法。在多孔金屬網(wǎng)拉伸成形工藝中，蓄電池柵板通過以下方法拉伸金屬而成鑄造或鍛造的鉛材料條(strip)被打孔(pierced)，然后被拉伸或拉制。在傳統(tǒng)的拉伸金屬柵板中，柵板的質(zhì)量基本上均勻地分布在柵板上，柵板受制于線的圖形、線的形狀和鉛的分布。
已經(jīng)有兩種具體的普通多孔金屬網(wǎng)拉伸成形方法，即，旋轉(zhuǎn)拉伸法和交互拉伸法。在旋轉(zhuǎn)拉伸法中，用旋轉(zhuǎn)切刀來切割鉛條，在鉛條的上、下端壓制出線，然后將這些線沿水平方向拉伸，從而在上、下框架部件之間形成菱形的柵板圖形。在交互拉伸法中，構(gòu)成菱形柵板圖形的線被切割，并且沿垂直于條表面的方向拉伸。在拉伸后，將條旋轉(zhuǎn)90°，并且繞制(coined)柵板。在上述兩種方法中，菱形的尺寸和線寬是可變的。
拉伸多孔金屬網(wǎng)圖形的線的角度和尺寸受到限制，這是因?yàn)橐ＷC適當(dāng)?shù)睦於粫?huì)斷線。如圖1所示，線的角度是柵板線相對(duì)于上框架部件2或下框架部件3的角度A，在拉伸的金屬柵板中，該角度通常小于40°。這種線的角度限制使流過柵板的電流路徑為“之”字形。這種“之”字形增大了柵板電阻，因?yàn)殡娏鞑恢苯恿飨蚣髦?，在鑄造形成的輻射狀圖形中。
對(duì)旋轉(zhuǎn)法來說，這種線的尺寸限制還將其斜率限制為15％或更低，對(duì)交互法來說，這種線的尺寸限制還將其斜率限制為60％或更低。如圖3所示，斜率是線的寬度在長度方向的變化率。例如，對(duì)15％的斜率來說，在柵板上部靠近集流柱的線寬最大，它比柵板下部的線寬大15％。
在柱的區(qū)域，鉛質(zhì)量大將會(huì)提高柵板的電流容量，并且降低柵板的電阻，這是因?yàn)樵诎迳袭a(chǎn)生的電流流向上述柱。用拉伸方法難以獲得這些特征。因此，拉伸金屬柵板的導(dǎo)電率將會(huì)低于類似尺寸鑄造的柵板。
而且，拉伸金屬柵板沒有邊框來限制線的伸出。這樣，拉伸金屬柵板的使用壽命就比鑄造的柵板短。這是因?yàn)樵谛铍姵刂姓鞏虐宓南蛏仙L會(huì)導(dǎo)致相鄰負(fù)條(negative strap)縮短，或者會(huì)導(dǎo)致正的活性材料的損失。
本發(fā)明的概述本發(fā)明提供了一種蓄電池柵板，它適合用于鉛酸蓄電池，其柵板上部具有確定第一柵板圖形的柵板線，而柵板下部電連接到柵板上部。柵板下部具有確定第二柵板圖形的柵板線。第一柵板圖形不同于所述的第二柵板圖形，以便提高柵板的導(dǎo)電率。
在本發(fā)明的另一種方式中，柵板包括一個(gè)上框架部件。從上框架部件上伸出的非拉伸金屬線電連接到拉伸的金屬線上，以形成多個(gè)圖形的柵板。
本發(fā)明的總目的是提供一種提高了導(dǎo)電率的蓄電池柵板。通過提供一種具有多個(gè)柵板圖形的柵板來達(dá)到這個(gè)目的。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種用高導(dǎo)電率處理工藝制成的蓄電池柵板。通過提供一種制造蓄電池柵板的方法，包括金屬拉伸法，來達(dá)到這個(gè)目的。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是延長蓄電池柵板的使用壽命。這個(gè)目的可以通過以下途徑來實(shí)現(xiàn)，即，將第二柵板圖形與擴(kuò)大的上框架部分和/或側(cè)框架結(jié)合，由于減少了柵板的伸出，因而可以延長柵板的使用壽命。
從以下的說明中可以清楚地看出本發(fā)明的上述和其他目的和優(yōu)點(diǎn)。在下面的詳細(xì)說明中，將參照附圖來說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。這些實(shí)施例不代表本發(fā)明的全部范圍。相反，本發(fā)明可以由其他實(shí)施例來實(shí)現(xiàn)。因此，在解釋本發(fā)明的范圍時(shí)用來作參考。
附圖的簡要說明圖1是現(xiàn)有技術(shù)的蓄電池柵板的示意圖，其中具有菱形的圖形；圖2是現(xiàn)有技術(shù)的另一種蓄電池柵板的示意圖，其中具有菱形的圖形；圖3是現(xiàn)有技術(shù)的蓄電池柵板的示意圖，其中具有輻射狀圖形；圖4是本發(fā)明的蓄電池柵板的示意圖，其上部為直線型(rectilinar)柵板圖形；圖5是本發(fā)明的蓄電池柵板的示意圖，其上部為輻射狀柵板圖形；圖6是本發(fā)明的另一種蓄電池柵板的示意圖，其上部為輻射狀柵板圖形；以及圖7是本發(fā)明的蓄電池柵板的示意圖，這種蓄電池柵板具有菱形的柵板圖形，并且上部帶有輻射狀柵板圖形。
選實(shí)施例的詳細(xì)說明本發(fā)明提供了一種改進(jìn)的拉伸金屬的鉛酸蓄電池柵板。如圖4所示，鉛酸蓄電池柵板10具有上框架部件12和相對(duì)的下框架部件14。柵板10的下部16包括一組構(gòu)成菱形柵板圖形的拉伸金屬線24，并且從下框架部件14伸向上框架部件12。拉伸金屬線24連接到柵板10的上部18，該上部18包括一組構(gòu)成直線形柵板圖形的線26，該柵板圖形從上框架部件12伸向下框架部件14。線24，26相互電連接，使得電流能夠在它們之間流動(dòng)。
集流柱28作為上框架部件12整體的一部分形成，并且，包括一個(gè)擴(kuò)大的導(dǎo)體部分，例如，美國專利文獻(xiàn)US5,582,936所公開的導(dǎo)體部分，該文件在此引用作為參考。最好，柵板上部的線26的質(zhì)量大于拉伸的金屬柵板線24的質(zhì)量，以改善柵板的導(dǎo)電性。圖5和6示出了本發(fā)明附加的、更優(yōu)選的實(shí)施例，并且其各部分是相似的，而且這些相似的部件用相同的參考標(biāo)號(hào)表示，但用＂′＂或＂″＂區(qū)分。
理想的柵板圖形使得柵板10的柵板電阻較低，這轉(zhuǎn)化成效率高和柵板的重量輕。柵板的電阻率RG和柵板效率可以已知的方法計(jì)算，例如通過建立柵板的電阻網(wǎng)絡(luò)模型來計(jì)算。柵板效率被確定為柵板幾何面積除以RG和柵板重量。RG被確定為整個(gè)電阻乘柵板幾何面積。柵板重量為柵板密度乘網(wǎng)線部分的總體積。
在一種公知的確定RG的模型中，假設(shè)每根線為一個(gè)電阻，并且其電阻由柵板材料的電阻率、線的長度和平均截面積決定。在柵板中的電位和電流分布可以在柵板圖形的每個(gè)結(jié)點(diǎn)上用Kirchhoff第一定律來確定，也就是說，流過結(jié)點(diǎn)的總電流，即，流過線連接點(diǎn)的總電流必定為零。假定電流均勻分布，則在給定電壓降下通過柵板的總電流用歐姆定律來計(jì)算，整個(gè)柵板的電阻也用歐姆定律來確定。這種建立模型的具體方法已經(jīng)在文獻(xiàn)中公開了(W.Tiedemann，J.Newman and F.DeSua in Power Sources 6，D.H.Collins Ed.，Academic，New York，1976)。
采用上述建立模型的方法，可以計(jì)算一些柵板結(jié)構(gòu)的電阻率和效率，這些柵板結(jié)構(gòu)包括帶有輻射線圖形的鑄造柵板；傳統(tǒng)的拉伸金屬柵板；以及本發(fā)明的柵板。在下面的實(shí)例I中說明這些柵板，并且比較計(jì)算結(jié)果。在表I中列出了柵板參數(shù)和計(jì)算結(jié)果。實(shí)例I
本實(shí)例中所有柵板都是4.00″高，5.69″寬。圖1所示的柵板1是傳統(tǒng)的0.035″厚的旋轉(zhuǎn)式22-排拉伸金屬柵板，4.00″高，5.69″寬。線寬為0.035″，菱形的尺寸為0.542″長，0.34″寬。圖2所示的柵板2是與柵板1類似的拉伸金屬柵板，但其菱形的尺寸較小。圖4所示的柵板3為本發(fā)明的柵板，在其柵板的上部18為沖壓的直線型圖形(線的間隔＝0.542″)，而在柵板的下部16為12排拉伸的金屬菱形圖形。圖5所示的柵板4與柵板3類似，但它在下部16′具有12排拉伸的菱形，在柵板上部18′具有輻射狀圖形。在這種柵板中，最大輻射線寬度為0.120″。柵板5與柵板4相同，但最大輻射線寬度為0.150″，這使得斜率較大(在柵板4中每排0.011″比0.009″)。圖6所示的柵板6與柵板5相同，但在其下部16″只有8排拉伸的菱形圖形。圖3所示的鑄造柵板為具有輻射狀圖形的鑄造柵板，各種參數(shù)列在表I中。
表I中的數(shù)據(jù)清楚地表明對(duì)于具有輻射狀圖形的鑄造柵板來說，其導(dǎo)電性最好，效率最高。拉伸的金屬柵板的效率僅僅為鑄造柵板的50％～60％。如表I所示，如果菱形尺寸較小(柵板2比柵板1)，則導(dǎo)電率和效率就較高。如果在柵板的上部用直線構(gòu)成的圖形代替菱形圖形，則導(dǎo)電率會(huì)降低，而效率會(huì)提高(柵板3與柵板1相比)。在柵板的上部，輻射狀的圖形好于直線構(gòu)成的圖形(柵板4比柵板3)。在靠近柱的地方，增大輻射線的寬度就會(huì)提高柵板的導(dǎo)電率和效率(柵板5與柵板4相比)。增大上部的輻射狀部分就會(huì)提高柵板的導(dǎo)電率和效率(柵板6與柵板5相比)。
將柵板6與鑄造的柵板相比，盡管柵板6比鑄造的柵板重6.7克，但柵板6的效率是鑄造柵板的83％，比傳統(tǒng)的拉伸金屬柵板高60％。柵板電阻率的差別低于4％，這轉(zhuǎn)變成在通常的冷啟動(dòng)(crank)電流密度下每個(gè)蓄電池有大約16mv的冷啟動(dòng)電壓差別。蓄電池之間的這種差別在變量的范圍內(nèi)，并且可以忽略不計(jì)。柵板略重一點(diǎn)兒和冷啟動(dòng)電壓的一點(diǎn)兒差別對(duì)節(jié)約成本來說，所花的代價(jià)較小，這是因?yàn)?，包括菱形圖形的網(wǎng)可以用“連續(xù)的”方法制成，它比用鑄造來制造柵板的方法快得多。
表I.傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的柵板和本發(fā)明的柵板的電阻率和效率鉛 板鑄 造 柵板1 柵板2 柵板3 柵板4 柵板5 柵板6框架厚度 0.043″0.035″0.035″0.035″0.035″0.035″0.035″線 厚 度 0.032″0.035″0.035″0.035″0.035″0.035″0.035″線 圖 形 輻射狀 菱 形 菱 形 直線型 輻射狀 輻射狀 輻射狀/菱形 /菱形 /菱形 /菱形菱形長度 N/A 0.542″0.466″0.542″0.542″0.542″0.542″菱形寬度 N/A 0.340″0.340″0.340″0.340″0.340″0.340″上框架寬度 0.250″0.200″0.188″0.200″0.200″0.200″0.200″所用排數(shù)(# 0 22 22 12 12 12 8of Exp.Rows)垂直線間隔最 大0.458″0.542″0.466″0.542″0.542″0.542″0.542″最 小0.287″0.542″0.466″0.542″0.287″0.287″0.287″最大線寬 0.170″0.041″0.051″0.120″0.120″0.150″0.150″線斜率/排0.010″0.00 0.00 0.008″0.009″0.010″0.011″柵板重/(g) 41.86 40.58 47.48 45.42 46.78 46.98 48.56柵板 0.348 0.697 0.497 0.432 0.401 0.390 0.360效率(S/g)10.126 5.218 6.256 7.520 7.873 8.061 8.441根據(jù)本發(fā)明，形成柵板的一種方法包括以下步驟將寬條的外部拉伸，以形成柵板的下部；將所述條的內(nèi)部未拉伸部分沖壓成輻射線圖形和柱，以形成柵板的上部。
如圖7所示，本發(fā)明的柵板30用以下方法制成將0.008″厚的鉛條32疊加和點(diǎn)焊到0.030″厚的拉伸金屬柵板34上。鉛條具有2″寬的預(yù)沖壓直線型圖形，該圖形具有0.2″的框架31和間距為0.5″的軌跡線33。將鉛條32連接到拉伸金屬柵板34上之后，柵板30的上部36的厚度為0.038″，下部38的厚度為0.030″。這種柵板重量和RG經(jīng)“測試”，列在表II中。
從表II中可以看出，在柵板導(dǎo)電性和效率方面，傳統(tǒng)的拉伸金屬柵板不如鑄造的柵板等效物。例如，在0.037″的條和鑄造柵板的RG差別將會(huì)導(dǎo)致在一般冷啟動(dòng)電流密度下0.27V的冷啟動(dòng)電壓差別。與0.037″厚的柵板相比，所測試的柵板輕5g，電阻低20％，并且效率高40％。就所測試的柵板來說，冷啟動(dòng)電壓只比鑄造等效物低0.16V，而柵板重量比鑄造等效物輕8g。普通技術(shù)人員可以將第二個(gè)條附加更有效的圖形，例如附加輻射線圖形，并且附有更多的鉛，由此來匹配鑄造柵板重量，以進(jìn)一步減小柵板電阻的差別，并因此而減小冷啟動(dòng)電壓的差別。
表II.柵板的特性柵板重量(g) 柵板RG(￡[cm2) 效率(S/g)控制組(拉伸金屬和疊箱模型鑄造)0.030″條 33.52 0.820 4.8290.033″條 33.94 0.821 4.7670.035″條 39.53 0.706 4.7560.037″條 40.16 0.691 4.777疊箱模型鑄造 43.10 0.329 9.398測試(0.030″條+0.008″條)0.03″總和 35.07 0.561 6.732如圖5所示，柵板10可以通過以下工藝過程制成把鉛條形成帶有柱28的輻射線圖形，這可以用本領(lǐng)域公知的方法，例如，沖壓法、切除法等等；再形成柵板上框架部件12和柵板上部18。用本領(lǐng)域公知的方法，例如，疊加、點(diǎn)焊等方法，將輻射線圖形條結(jié)合到由拉伸金屬條形成的柵板下部16上。將這些條結(jié)合使得蓄電池柵板10的上柵板圖形和下柵板圖形不同，以提高導(dǎo)電性。
盡管已經(jīng)展示和說明了本發(fā)明的實(shí)施例，但是對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，很明顯，在不超出由附屬的權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍的情況下，可以作出各種變化和改進(jìn)。例如，可以結(jié)合兩個(gè)以上的柵板圖形，以便使蓄電池柵板的導(dǎo)電率相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的柵板有更大的提高。
權(quán)利要求
1.一種蓄電池柵板，適用于鉛酸蓄電池，這種蓄電池柵板包括一個(gè)柵板上部，具有確定第一柵板圖形的柵板線；以及一個(gè)柵板下部，與所述的柵板上部電連接，所述的柵板下部具有確定第二柵板圖形的柵板線；其中，所述的第一柵板圖形不同于所述的第二柵板圖形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄電池柵板，其中，一個(gè)所述的柵板部分為拉伸的多孔金屬部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄電池柵板，其中，一個(gè)所述的柵板圖形為菱形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄電池柵板，其中，一個(gè)所述的柵板圖形為輻射圖形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄電池柵板，其中，一個(gè)所述的柵板圖形為直線型圖形。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄電池柵板，其中，中間柵板部分具有確定第三柵板圖形的柵板線，所述的中間柵板部分電連接到至少一個(gè)其它柵板部分上。
7.一種蓄電池柵板，適用于鉛酸蓄電池，這種蓄電池柵板包括一個(gè)上框架部件；從所述上框架部件上伸出的非拉伸金屬線；以及電連接到所述非拉伸金屬線上的拉伸金屬線。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的蓄電池柵板，其中，所述的非拉伸金屬線是沖壓而成的。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的蓄電池柵板，其中，所述的非拉伸金屬線構(gòu)成輻射狀圖形。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的蓄電池柵板，其中，所述的非拉伸金屬線構(gòu)成直線型圖形。
11.一種制造適用于鉛酸蓄電池的蓄電池柵板的方法，包括下列步驟在第一金屬條上形成菱形圖形；在第二金屬條上形成非菱形圖形；以及將所述的第一金屬條結(jié)合到所述的第二金屬條上。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，用疊加的方法將所述的第一金屬條結(jié)合到所述的第二金屬條上。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，用點(diǎn)焊的方法將所述的第一金屬條結(jié)合到所述的第二金屬條上。
14.一種制造適用于鉛酸蓄電池的蓄電池柵板的方法，包括下列步驟拉伸金屬條的外部，以形成第一線圖形；以及在所述金屬條的未拉伸的內(nèi)部，形成不同的線圖形。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述不同的線圖形用沖壓的方法形成。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述不同的線圖形用打孔的方法形成。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述不同的線圖形是輻射狀的。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述不同的線圖形是直線型的。
19.一種制造適用于鉛酸蓄電池的蓄電池柵板的方法，包括下列步驟形成拉伸的金屬蓄電池柵板；以及將其上形成有圖形的金屬條疊加到所述拉伸的金屬蓄電池柵板的上部。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，將所述的金屬條點(diǎn)焊到所述的拉伸金屬蓄電池柵板上。
全文摘要
一種蓄電池柵板,它適合用于鉛酸蓄電池,其柵板上部具有確定第一柵板圖形的柵板線,而柵板下部電連接到柵板上部。柵板下部具有確定第二柵板圖形的柵板線。第一柵板圖形不同于所述的第二柵板圖形,以便提高柵板的導(dǎo)電率。
文檔編號(hào)H01M4/82GK1351768SQ00807816
公開日2002年5月29日 申請(qǐng)日期2000年5月9日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月20日
發(fā)明者高文洪, 愛德華·N·莫羅泰克 申請(qǐng)人:約翰遜控制技術(shù)公司