侯奕帆

【摘 要】汽車和柴油發(fā)電機(jī)的蓄電池在點(diǎn)火時(shí)需要很高的電流，電路中過熱可能導(dǎo)致短路，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)火災(zāi)，因此必須對(duì)電流熱效應(yīng)進(jìn)行控制。本文將重點(diǎn)討論蓄電池導(dǎo)線和蓄電池接線端子的接觸電阻，通過增加蓄電池接線端子的接觸面積，減小接觸電阻，從而控制造成災(zāi)害后果的熱效應(yīng)。

研究背景：在生活中觀察到蓄電池的接線端子有不同的形狀，從而引發(fā)好奇，在韓榮珍老師幫助下，做了市場調(diào)研，咨詢了專業(yè)人士，了解掌握了蓄電池的相關(guān)知識(shí)。對(duì)不同接線端子的接觸電阻進(jìn)行了分析計(jì)算，得出了圓錐型接線端子的接觸面積最大的結(jié)論。在此基礎(chǔ)上提出了球形接線端子的設(shè)計(jì)構(gòu)想。通過對(duì)蓄電池接線端子的改進(jìn)，在降低能源損耗，降低因熱效應(yīng)可能誘發(fā)火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

【關(guān)鍵詞】蓄電池；熱效應(yīng)；接線端子；球形接線端子

汽車和柴油發(fā)電機(jī)的蓄電池在點(diǎn)火時(shí)需要很高的電流，汽車啟動(dòng)機(jī)阻抗極小，啟動(dòng)瞬間幾乎相當(dāng)于電瓶短路，例如1.6L排量的汽車電瓶一般是60AH，但是啟動(dòng)電流竟然高達(dá)數(shù)百安電流。這么高的的電流會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的熱效應(yīng)，按照焦耳定律：Q=I^2Rt，電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量跟電流的平方成正比，跟導(dǎo)體的電阻成正比，跟通電的時(shí)間成正比。電路中過熱可能導(dǎo)致短路，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)火災(zāi)，因此必須對(duì)電流熱效應(yīng)進(jìn)行控制。

啟動(dòng)電流是發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火必須的，不能作為減小熱效應(yīng)的控制參數(shù)。只能對(duì)環(huán)路電阻和通電時(shí)間兩方面進(jìn)行控制。在汽車點(diǎn)火時(shí)，通電幾秒鐘就要停一會(huì)，才能進(jìn)行第二次點(diǎn)火。對(duì)環(huán)路電阻控制要從以下方面想辦法，一般啟動(dòng)型蓄電池內(nèi)阻要做的很低，環(huán)路導(dǎo)線足夠粗，接線端子的接觸面積足夠大。電池內(nèi)阻的控制是電池生產(chǎn)廠家按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，電池導(dǎo)線可以采用很粗的銅線。從物理學(xué)的知識(shí)我們知道，導(dǎo)線的環(huán)路電阻主要體現(xiàn)為接線端子的接觸電阻。本文將重點(diǎn)討論蓄電池導(dǎo)線和蓄電池接線端子的接觸電阻，通過增加蓄電池接線端子的接觸面積，減小接觸電阻，從而控制造成災(zāi)害后果的熱效應(yīng)。

1 市面上常見的蓄電池接線端子類型

普通鉛蓄電池±兩極板組的橫板上焊有接線端子，接線柱分“圓錐”型，“L型”和側(cè)孔型三種。為便于區(qū)分，正接線端子上或旁邊標(biāo)有“+”或“P”記號(hào)，負(fù)接線端子標(biāo)有“-”或“N”記號(hào)。有些蓄電池正極接線端子涂有紅色油漆。

如圖1和圖2，這兩種接線端子類似，都是用螺栓和螺母將導(dǎo)線的線鼻子與電池的接線端子緊固在一起，此接法的接觸面積僅限于線鼻子的單側(cè)面積。

2 使用線鼻子接線方式接觸面積的計(jì)算

國家標(biāo)準(zhǔn)線鼻子的規(guī)格尺寸見表1，下面以常用的DT-25型線鼻子為例，計(jì)算有效接觸面積。

計(jì)算采用近似方式，從表1可以將線鼻子的接觸面積近似為一個(gè)矩形，得出的接觸面積S1=L1*B-π*3.5*3.5

S1為接觸面積，L1=36mm，B=18mm，π取3.14

由此得出S1=36*18-38.45=609.535mm2

3 圓錐型接線柱的有效接觸面積計(jì)算

如圖5，圓錐形接線柱的連接件為一個(gè)圓錐型抱箍，其有效接觸面積等效為圓錐的側(cè)面積。經(jīng)實(shí)際測(cè)量得出下面尺寸

大圓直徑=18mm，周長L1=56.52

小圓直徑=16mm，周長L2=50.24

高H=20mm

有效接觸面積S2=（L1+L2）*H/2=（56.52+50.24）*20/2=1067.6mm2

4 球型接線端子

通過可以看出圓錐型接線柱的接觸面積大大提高，明顯好于普通線鼻子的接法，那么還有沒有其他接法來提高有效接觸面積呢？由此我想到球體相對(duì)于其他幾何體來說，在同等情況下，球體的體積最小，表面積最大。那么如果將接線柱做成近似球體，導(dǎo)線連接件采用兩個(gè)半球，則球型接線柱的有效接觸面積可以采用如下公式計(jì)算：

球體表面積計(jì)算公式為：S3=4πR^2，如果R為10mm，π=3.14則球形接線端子的有效接觸面積S3=1256mm2，如果取R=12mm，則S3=1808.64mm2

由此可看出球形接線柱的有效接觸面積最大。可以極大的減少接觸電阻，提供更多的安全性。

球型接線端子的導(dǎo)線連接件采用兩個(gè)半球，扣在一起，用四個(gè)螺栓、螺母的緊固件牢牢固定在球體表面，見圖6畫的是導(dǎo)線連接件的一半的示意圖，采用工程制圖方式。半徑取得是10mm。

5 總結(jié)

本文采用中學(xué)物理、數(shù)學(xué)知識(shí)，就現(xiàn)實(shí)中蓄電池接線端子的形狀進(jìn)行了計(jì)算分析，從減小蓄電池接線端子的接觸電阻的角度提出了球型接線端子的改進(jìn)方案，該方案對(duì)節(jié)能減排，減小因電池?zé)嵝?yīng)可能引發(fā)的災(zāi)害，有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

[責(zé)任編輯：田吉捷]