基于TRIZ理论的端极柱改进研究

李春景 ，马换玉 ，陈战营 ，仲 华，方明学

（1.浙江天能电池（江苏）有限公司，江苏 沭阳 223600；2.青岛理工大学机械工程学院，山东 青岛 266033）

0 引言

发明问题解决理论（TRIZ）是由苏联发明家和创造学家阿奇舒勒创立的。阿奇舒勒研究了大约4 万份高水平专利，并以此为基础经过分析总结，揭示出专利产生的思维规律，提炼出发明家的思维方法[1-2]。

阀控式铅蓄电池因其使用期间免维护、不漏酸、不排酸雾等优点，广泛用于通信、电动车等领域。阀控式铅蓄电池大多采用铜芯型端极柱与外围设备连接，传导电流，这种端极柱具有接触面好、美观等特点。使用镀银铜芯的端极柱，因铜芯表面镀层与铅基结合不良，在拧螺栓时容易发生松动，当大电流通过时会发热，导致端极柱熔化。后经过论证，对于使用镀锡铜芯制造的端极柱，其镀层防腐蚀能力弱，在生产过程中接触到硫酸容易被腐蚀，影响美观。针对上述问题，采用 TRIZ 理论进行系统分析，以求找到解决问题的方法。

1 TRIZ解题流程

如图1所示，当遇到难以解决的问题时，先分析技术发展的一般规律，确定难题的技术成熟程度，展望发展趋势，找出理想解。然后分析技术系统的构成，运用功能、资源和矛盾分析等工具，理清技术矛盾，将待解决的问题转化为 TRIZ 问题模型。再利用 TRIZ 理论提供的矛盾矩阵表、物场分析、发明原理和知识效应库等工具进行求解，得出解决方案[3]。

图1 TRIZ 解题流程

2 铜芯端极柱改进研究

2.1 端极柱的类型

铅蓄电池端极柱的功能是将蓄电池内部极板与外部电器连接，起导电作用。因为电池内部的集流体是金属铅，外部连接线是铜导线，牢固实用的端极柱是保证电量传递的重要零件。图2和表1列举了常用类型的端极柱，因其结构和材料不同，各有优缺点。阀控式铅蓄电池大多使用带有铜芯的端极柱。

图2 端极柱

表1 端极柱类型及其优缺点

2.2 铜芯端极柱系统分析

如图3所示，铜芯端极柱由铜芯和铅基两部分组成，铜芯一般使用黄铜表面电镀金属，铅基使用铅锡合金。铜芯部分上部设计有螺纹孔，方便使用螺栓固定连接线，圆形铜芯表面与铜鼻子接触增强导电性能。铜芯下部设计了凹凸结构，增加表面积，提高与铅基的结合力，能承受一定的扭力。铅基底部与电池内部的汇流排焊接到一起，起到导电和固定的作用。

图3 铜芯端极柱结构图

所有产品都是不断由低级向高级演化的[4]，首先利用九屏幕法分析铜芯端极柱的超系统和子系统，可以明晰产品的发展历程。如图4所示，当前系统是铜芯端极柱，系统的过去是铅端极柱，未来可能是无形端极柱，发挥输入和输出电量的作用；超系统是阀控式铅蓄电池，超系统的过去是开口铅蓄电池，未来升级为智能蓄电池，具有自动控制功能；子系统是铜芯，其包含包裹铜芯的镀层，子系统的过去是铅柱，未来可能发展为无线传输器。通过九屏幕法分析，能够更加清晰地了解到铜芯端极柱所处的技术发展阶段，确定了其周边的资源，为后续解决问题提供了更多的信息，为未来的产品开发提供理论指导。

图4 九屏幕法分析

为了明确系统内部和外部的相互作用关系，再建立铜芯端极柱的功能模型（图5），该系统的主要功能是导电。超系统组件汇流排与铅基连接传输电流，蓄电池盖固定端极柱，螺栓将连接线与铜芯紧固到一起，保证可靠的导电作用。当螺栓旋转的扭力过大时，会造成铜芯与铅基之间发生相对的转动，增加接触电阻，使导电性能下降。另外，在电池灌酸充放电的过程中，铜芯可能接触到硫酸电解液，导致铜芯表面发生电化学反应，影响外观和导电性能。

图5 功能模型图

2.3 铜芯端极柱的改进方案

从功能模型可以定义出铜芯端极柱的物理矛盾，对铜芯表面材料有两个不同要求，分别是：制造端极柱时，要求铜芯表面稳定性低，和铅基紧密结合，防止相对运动；组装成电池后，要求铜芯表面稳定性高，防止腐蚀。

TRIZ 理论针对解决物理矛盾提出了分离原理，包括空间分离、时间分离、基于条件的分离、整体和部分的分离[3]，这 4 个分离原理与 40 个创新原理的对应关系如表2所示。

表2 分离原理与创新原理的对应关系

按照分离原理的指引方向，结合工作经验选取可行的创新原理，形成如下的改进方案。

方案 1：利用创新原理“01 分割”，将铜芯分割为铜套和螺纹孔芯两部分，如图6所示，在螺纹孔芯电镀稳定性较低的锡镀层，保证了铜芯与铅基的结合度。铜套在加酸充电过程完成后安装，能完全避免表面被硫酸腐蚀。

方案 2：利用创新原理“01 分割”，将铜芯端极柱分割为铜芯和铅极柱两部分，如图7所示，铜芯部分增加铜片结构，电镀稳定性较高的银镀层，铜芯、铜片和铅极柱分别用焊锡丝焊接，结合度高，不容易发生转动。在加酸充电过程中，对镀银铜芯涂抹防酸油进行防护，能够保证绝大多数不被腐蚀。

方案 3：利用创新原理“30 柔性外壳或薄膜”，图8是导线式端子，它使用有绝缘层的铜导线代替铜芯，能有效规避腐蚀和扭力的问题，还增加了防水的功能，并且符合系统从有形到无形的进化方向[5]。

图6 铜芯分离

图7 极柱分离

图8 导线式端子

方案 4：利用创新原理“30 柔性外壳或薄膜”，加酸充电过程前将镀锡铜芯表面覆盖塑料薄膜，防止其与硫酸接触。

方案5：利用创新原理“11 事先防范”，加酸充电过程前先安装连体加酸壶，防止硫酸溅到电池表面。

方案6：利用创新原理“21 减少有害作用的时间”，增加电池的充电电流，缩短充电时间，减少端极柱腐蚀发生的数量。

方案7：利用创新原理“物理或化学参数改变”，使用压力铸造技术生产铜芯端极柱，能提高镀银铜芯与铅基的结合度，提高耐受扭力的能力[6]。

结合生产工艺的实际情况和效益分析，选取方案 1、5 和 6 进行了改进试验，明显改善了铜芯端极柱松动和腐蚀的问题，取得了良好的效果。

3 结论

通过 TRIZ 理论的实际应用，帮助技术人员快速找到解决问题的方向，对于解决端极柱的松动和腐蚀问题起到了非常有效的作用。在技术问题的解决过程中，提升了企业技术人员的创新能力，提高了产品的设计水平，缩短了产品的研发周期，更找到了立足企业自主创新和产品实现的新思路。

[1] 牛占文, 徐燕申, 等.发明创造的科学方法论——TRIZ[J].中国机械工程, 1999, 10(1): 84-89.

[2] Emily M Smith.From Russia with TRIZ[J].Mechanical Engineering, 2003, 125: 18-20.

[3] 赵萍萍.发明问题解决理论（TRIZ）培训教材[M].南京: 江苏科学技术出版社, 2011.

[4] 张简一, 郭艳玲, 杨树财, 王义文.基于 TRIZ 理论的产品创新设计[J].机械设计, 2009, 26(2):35-37.

[5] 马军.铅蓄电池的防水绝缘导线式端子[P].中国专利, 200820079730.5.2008-12-31.

[6] 李军, 李春景, 杨惠强, 方明学.阀控式铅酸蓄电池高扭矩铜芯极柱的研究[J].电动自行车, 2011(8): 20-21.