提高 6-DZF-20 電動助力車用電池的小片極板重量合格率的方法

閆大龍，李娟，馬洪濤*，張凱，周邦紅

（1. 超威電源集團有限公司，浙江 長興 313100；2. 廣西超威鑫鋒能源有限公司，廣西 河池 547000）

0 引言

六西格瑪管理是 20 世紀(jì) 80 年代中期源于摩托羅拉公司的質(zhì)量改進系統(tǒng)，可提供一種規(guī)范、系統(tǒng)的質(zhì)量改進方法，并強調(diào)可度量性和財務(wù)底線結(jié)果[1]。六西格瑪是一種把過程缺陷率控制在小于0.003 4 ‰ 的管理方法[2]。企業(yè)為了改善短期或者長期結(jié)果的任務(wù)中指引，常在六西格瑪中采用五階段過程所組成的 DMAIC 模式，即定義、測量、分析、改進和控制[3]。TRIZ 提供了一種系統(tǒng)化創(chuàng)新的方法，使得工程師在創(chuàng)新的過程中不用再依靠試錯獲得靈感，而是直接采用系統(tǒng)化的思維方式和結(jié)構(gòu)化的工具來構(gòu)建解決方案[4]。

目前，電動助力車電池主要存在的問題是退貨率居高不下。對退貨進行分類，如圖1 所示。由圖2分析可得，退貨的主要原因是電池落后，而電池落后多數(shù)是由各種極板問題造成的。如果生產(chǎn)小片極板時一致性控制得不好，會導(dǎo)致電池極群內(nèi)和極群間充放電的不一致性，繼而導(dǎo)致電池的落后。

圖1 退貨原因分類樹狀圖

圖2 電池退貨原因數(shù)據(jù)分析圖

1 六西格瑪分析小片極板重量影響因素

1.1 小片極板重量合格率和 PPK 值

可按公式η=n/N計算小片極板的重量合格率。式中：n為平均值；N為生產(chǎn)極板數(shù)量；η為重量合格率。用公式

計算過程性能指數(shù)PPk的值[5]。式中：USL為規(guī)格上限；LSL為規(guī)格下限；μ為平均值；σ為標(biāo)準(zhǔn)偏差。圖3 是目前極板小片實際重量與設(shè)計重量分布圖。從圖3（a）中可以看出，極板重量分布集中，但極板重量整體偏大，使得平均值μ與規(guī)格中心M相差大，導(dǎo)致合格率偏低及PPK值小。圖3（b）中極板重量平均值與規(guī)格中心值相差較小，但分布波動大，均超出上下限，意味著重量標(biāo)準(zhǔn)差大, 同樣導(dǎo)致極板合格率偏低及PPK值小。目前全公司的 6-DZF-20 電池的小片極板重量合格率僅僅達(dá)到57.7 %，小片極板重量的PPK值約為 0.14，因此急需提高小片極板生產(chǎn)的過程能力。

圖3 小片極板重量分布曲線

1.2 影響小片極板重量各工序分析

目前，對小片極板重量有影響的工序主要有涂板、表干、固化、分刷片。搜集與小片極板重量相關(guān)工序的數(shù)據(jù)，并且統(tǒng)計每月的小片極板重量的合格率。從圖4 中可以看出，涂板、表干、固化、分刷片工序中極板的重量均值差平均為 1.06。涂板的均值差為 1.26，方差約為 7.0，所以自涂板工序開始極板重量散布增大。從圖5 種可以看出，涂板工序的PPK值為 0.11，比鑄板工序的PPK值小 0.72。通過對各工序的重量過程能力分析、均值差分析和方差分析，均可發(fā)現(xiàn)從涂板工序開始，過程能力急劇變差。

圖4 各工序極板重量的均值差和方差

圖5 各工序極板重量 PPK 匯總

1.3 PFMEA 對涂板工序的分析改善

與涂板工序密切關(guān)聯(lián)的過程有儲膏、上板、涂板、淋酸、稱片。使用六西格瑪 PFMEA 分析與這 5 個過程有關(guān)可控制衡量項目。從表1 中可以看出，共篩選出 15 個關(guān)鍵因子。其中，有 9 個因子可進行快速改善。比如：首檢確認(rèn)壓力表來控制機頭壓縮空氣壓力的穩(wěn)定性；增加定位塊，限定彈簧及滑塊下降的距離，保證壓輥壓力左右的一致性；員工首檢吹膏嘴的位置等。進行快速改善后，正極板的重量合格率提升至 70.8 %，負(fù)板重量合格率提升到 68.30 %。剩余 6 個因子進入 AI 階段，進行進一步分析。

表1 PFMEA 分析改善

1.4 AI階段分析及參數(shù)優(yōu)化

對關(guān)鍵因子數(shù)據(jù)進行搜集和驗證，針對PFMEA 剩余的 6 個因子解決問題。把間接關(guān)聯(lián)的項目合并后，共有 4 個變量需要改善。關(guān)鍵因子數(shù)據(jù)收集驗證如表2 所示。對關(guān)鍵因子膏斗下膏量進行 3 次 DOE 分析[6]，主要變量有：氣壓、下膏量、下膏壓力、膏量調(diào)節(jié)螺絲度和主機頻率。響應(yīng)優(yōu)化的最佳條件為：氣壓 0.35 MPa，下膏量 60 %，下膏壓力 23.5 kPa，主機頻率 31.7 Hz。此條件下濕板重量的 95 % 置信區(qū)間為（485.055，487.92），見圖6。濕板重量的合格率為 73.7 %，最后正極板重量合格率提升至 75.7 %，負(fù)板重量合格率提升至 75.3 %。

圖6 濕板重量的匯總報告及涂板重量分布圖

表2 AI 階段關(guān)鍵因子數(shù)據(jù)收集驗證計劃

2 TRIZ 分析小片極板重量影響因素

通過六西格瑪統(tǒng)計分析，可以將問題聚焦為解決提高涂板機鉛膏定量的精度。將涂板機作為一個技術(shù)系統(tǒng)，引入 TRIZ 工具對象技術(shù)系統(tǒng)進行功能分析[7]。通過組件模型分析，描述了系統(tǒng)中的組件，以及它們之間的相互關(guān)系，并得出造成涂膏量不均問題的功能因素，即下膏輥對鉛膏的定量功能不足和涂板帶對鉛膏的定量功能不足。利用應(yīng)用因果鏈分析法確定產(chǎn)生問題的原因如圖7 所示。導(dǎo)致小片重量不合格的主要原因是涂膏量偏差過高。目前主要問題有涂板帶厚度不均、鉛膏的供給量不均、下膏的壓力有波動、涂板帶的回彈力不均。利用“縮小法”[8]“小人法”[9]及物—場模型三種模式進行建模分析，得到的工程方案如圖8 所示：（a）加快下膏輥的轉(zhuǎn)速，利用過量的鉛膏，形成更大的向下壓力，使鉛膏的表觀密度更加一致，以此提升填涂膏量的精度。（b）在鉛膏進入板柵的位置，設(shè)計一個震動發(fā)生器，利用震動使得鉛膏表觀密度一致且有序排布堆積。（c）引入鉛膏和板柵接觸位置的可微調(diào)涂板空間，在料斗與涂板和壓板之間設(shè)計壓力傳感器。填涂膏量發(fā)生變化時，壓力傳感器把收到的壓力變化信息傳遞給控制系統(tǒng)，然后控制系統(tǒng)控制兩個用于微調(diào)涂板空間的以伺服電機為動力的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過電機的轉(zhuǎn)動，帶動調(diào)節(jié)絲杠，調(diào)整涂板空間大小，精確調(diào)整鉛膏填涂量。綜合考慮成本、難易、可靠性多個維度，對涂板機進行改造，如圖8（d）所示。通過綜合改善方案，提高涂板過程鉛膏的定量精度，最終可使小片重量合格率提升至 90 %。

圖7 涂板機涂膏量偏差高因果分析圖

圖8 （a）下膏輥的轉(zhuǎn)速調(diào)整示意圖；（b）涂板機中震動發(fā)生器設(shè)計；（c）料斗與涂板壓板之間壓力傳感器設(shè)計；（d）涂板機改造示意圖

3 結(jié)語

針對 6-DZF-20 電池的小片極板的重量合格率問題，利用六西格瑪統(tǒng)計分析、控制，將小片極板的重量合格率從 57.7 % 提高到 75.5 %。進一步利用創(chuàng)新方法中 TRIZ 工具提高了關(guān)鍵工序涂板中鉛膏的定量精度，使得小片極板的重量合格率提升到90 %。達(dá)到此合格率后，可取消后續(xù)成片工序，減少人工工資、設(shè)備投入、環(huán)保投入和能源消耗，同時縮短了產(chǎn)品加工周期，減少了資金占用，提升了供貨效率。