包封機(jī)過程能力的分析

吳萬(wàn)斌，朱恒平，陳曉奎，張雙地，李皎

（荷貝克電源系統(tǒng)（武漢）有限公司，湖北 武漢 430040）

0 引言

隨著鉛酸蓄電池的應(yīng)用要求越來越高，對(duì)電池使用壽命的要求也越來越高，而隨著電池使用壽命的延長(zhǎng)，不可避免地會(huì)出現(xiàn)正極板長(zhǎng)大的問題，尤其是在一些高溫使用環(huán)境下。極板長(zhǎng)大可能會(huì)導(dǎo)致正負(fù)極接觸短路而失效[1]。目前，針對(duì)這一問題的研究多是集中在板柵合金成分和板柵制造工藝這兩方面[2-3]。既然正板長(zhǎng)大趨勢(shì)不可避免，何不采取一定的預(yù)防措施來降低正極板長(zhǎng)大所帶來的風(fēng)險(xiǎn)。包封時(shí)AGM隔板在極板寬和高兩個(gè)方向上的凸出尺寸足夠是保證電池可靠性和長(zhǎng)壽命的重要途經(jīng)。雖然在設(shè)計(jì)層面，無(wú)論是高度方向上還是寬度方向上，均保證了有足夠的凸出尺寸，但是在實(shí)際包封過程中，凸出尺寸大小與設(shè)計(jì)值之間會(huì)產(chǎn)生偏差。正是出于這方面的考慮，對(duì)2種包封機(jī)的包封數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，了解包封后的實(shí)際情況，以便在現(xiàn)行設(shè)備的過程能力下，在設(shè)計(jì)上和工藝上對(duì)包封過程進(jìn)行適度調(diào)整，保證在包封時(shí)AGM隔板的凸出尺寸足夠大。

1 實(shí)驗(yàn)

本次試驗(yàn)選取某一型號(hào)固定型電池，用2種不同包封機(jī)（代號(hào)A和B）包封正極。在整理前和鑄焊匯流排后，分別取6個(gè)極群（極群結(jié)構(gòu)8正9負(fù)）。用固定的夾具將極群夾緊后，按圖1所示依次測(cè)量極群每片隔板、正極板、負(fù)極板的高度，即A、P、N的值，按圖2所示測(cè)量寬度方向的突出尺寸，即D、E、F的值。這樣不論是計(jì)算高度方向隔板的凸出量，還是寬度方向上隔板的凸出量，均能保證正極板、負(fù)極板、隔板的高度/寬度數(shù)據(jù)都是在同一基準(zhǔn)面，有效降低了測(cè)量偏差。通過上述原始數(shù)據(jù)，可以分別統(tǒng)計(jì)計(jì)算出如下指標(biāo)：①在高度方向上正極板/負(fù)極板相對(duì)于隔板的凸出余量；②寬度方向上正極板/負(fù)極板相對(duì)于隔板的凸出余量；③同一片隔板在高度和寬度方向上的整齊度（錯(cuò)位程度）；④同一片極板/隔板上邊框兩邊是否水平（反映極板/隔板是否歪斜）；⑤反應(yīng)設(shè)備過程能力的相關(guān)參數(shù)。

2 結(jié)果和討論

2.1 高度方向上隔板凸出數(shù)據(jù)分析

由表1和表2可以看出，在樣本均值方面，凸出長(zhǎng)度基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。從凸出長(zhǎng)度的分布來看，對(duì)于2種包封機(jī)來說，差別不大，每個(gè)區(qū)間的分布占比也大致相同。采用包封機(jī)A時(shí)，正極板在高度方向上的凸出長(zhǎng)度在3～4mm之間的占比為10.68%，凸出長(zhǎng)度在4～5mm之間的占比為37.76%，凸出長(zhǎng)度在不小于5mm的占比為51.56%。采用包封機(jī)B時(shí)，正極板在高度方向上的凸出長(zhǎng)度在2～3mm之間的占比為1.56%，凸出長(zhǎng)度在3～4mm之間的占比為10.94%，凸出長(zhǎng)度在4～5mm之間的占比為27.81%，凸出長(zhǎng)度在不小于5mm的占比為59.69%。采用包封機(jī)A時(shí)凸出長(zhǎng)度最小值都在3mm以上。采用包封機(jī)B時(shí)存在凸出長(zhǎng)度小于3mm的情況。雖然占比不高，但是這種情況導(dǎo)致短路的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)很高。凸出長(zhǎng)度需要保持一定的工藝范圍，過低會(huì)導(dǎo)致正負(fù)板短路，過高會(huì)導(dǎo)致隔板被助焊劑或錫鍋污染。

表1和表2中Cp和Cpk是以如下規(guī)格中上下限作為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算的：正極板凸出長(zhǎng)度公差為6mm±2mm；負(fù)極板凸出長(zhǎng)度公差為7.5mm±2mm。Cp值主要反映數(shù)據(jù)的集中程度。Cp值的大小主要取決于樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差。Cpk不僅取決于集中度，還與數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度有關(guān)（即樣本均值與規(guī)格中心值的差距大?。4]。在計(jì)算理論中心值時(shí)，是以隔板設(shè)計(jì)長(zhǎng)度和極板高度來計(jì)算的，會(huì)造成實(shí)際統(tǒng)計(jì)中心值與理論中心值存在偏差。如表1和表2所示，實(shí)際均值與理論中心值存在偏差。因此，Cp和Cpk計(jì)算結(jié)果存在偏差。但是，不論是采用哪種包封機(jī)，Cp和Cpk值都很低，均在1.1以下水平。從目前測(cè)試的大量數(shù)據(jù)來看，只有通過包封機(jī)生產(chǎn)廠家提高設(shè)備的過程能力，才能保證隔板相對(duì)于極板有足夠的凸出長(zhǎng)度（避免一邊過大，另一邊過?。?/p>

表1 采用包封機(jī)A時(shí)高度方向上隔板相對(duì)于極板凸出長(zhǎng)度

表2 采用包封機(jī)B時(shí)高度方向上隔板相對(duì)于極板凸出長(zhǎng)度

2.2 寬度方向上隔板凸出數(shù)據(jù)分析

表3和表4中Cp和Cpk的計(jì)算，是以如下規(guī)格中上下限作為基礎(chǔ)進(jìn)行的：相對(duì)于正極板凸出寬度公差為4mm±2mm；要對(duì)于負(fù)極板凸出寬度公差為4mm±2mm。采用包封機(jī)A時(shí)，正極板寬度方向的凸出余量在2～3mm之間的占比為21.09%，在3～4mm之間的占比為37.50%，大于4mm的占比為41.41%。采用包封機(jī)B時(shí)，正極板寬度方向的凸出余量在1～2mm之間的占比為1.56%，在2～3mm之間的占比為15.63%，在3～4mm之間的占比為38.44%，大于4mm的占比為44.38%。在寬度方向上，隔板凸出余量，鑄焊后是要好于整理前的，尤其負(fù)極板鑄焊后要明顯好于整理前，而正極板則不明顯（這既與包封正極板有關(guān)，又與正極板與隔板的粗糙面接觸不易滑動(dòng)有關(guān)）。如果在使用過程中正極板在寬度方向上也存在長(zhǎng)大的情況，那么短路風(fēng)險(xiǎn)極高[5-6]。相應(yīng)地，在寬度方向上隔板的凸出量也就必須加以控制，以保證電池的使用壽命。

表3 采用包封機(jī)A時(shí)隔板在寬度方向上的凸出數(shù)據(jù)

表4 采用包封機(jī)B時(shí)隔板在寬度方向上的凸出數(shù)據(jù)

2.3 隔板整齊度分析

隔板整齊度（即隔板錯(cuò)位程度）實(shí)際上與高度方向上的凸出余量反映的是同一個(gè)問題。隔板錯(cuò)位大了，必然會(huì)造成兩個(gè)凸出余量一個(gè)很大，一個(gè)很小。只是通過這個(gè)數(shù)據(jù)可以更直觀地反映出隔板包封的整齊性。表5和表6中Cp和Cpk的計(jì)算，是以如下規(guī)格上下限作為基礎(chǔ)進(jìn)行的：隔板整齊度公差為0mm±2mm。最小值是負(fù)值，是因?yàn)橛?jì)算時(shí)固定了方向，沒有取絕對(duì)值。這樣可以觀察整齊度是否都朝一個(gè)方向偏，有利于調(diào)整設(shè)備。采用包封機(jī)A時(shí)，隔板整齊度不大于1的占比為64.06%，在1～2mm之間的占比為35.94%。采用包封機(jī)B時(shí)，隔板整齊度不大于1的占比為50.63%，在1～2mm之間的占比為42.50%，在2～3mm之間的占比為6.88%。對(duì)于采用包封機(jī)B時(shí)存在的最大錯(cuò)位大于2mm的情況，一組電池里面只要出現(xiàn)一個(gè)，那么整組電池的短路風(fēng)險(xiǎn)就會(huì)很高。

表5 采用包封機(jī)A時(shí)隔板高度方向上的整齊度

表6 采用包封機(jī)B時(shí)隔板高度方向上的整齊度

2.4 上邊框水平度數(shù)據(jù)分析

在測(cè)量過程中發(fā)現(xiàn)部分極板上邊框的左右兩邊不在同一水平線上，即極板在極群中有一定傾斜，因此對(duì)同一片極板或隔板左右兩邊的高度差進(jìn)行了測(cè)試。表7和表8顯示，與包封機(jī)B相比，采用包封機(jī)A時(shí)上邊框水平度略好些，而且鑄焊后要明顯好于整理前。表7、表8的統(tǒng)計(jì)值是按如下規(guī)格限來進(jìn)行的：極板、隔板上邊框水平度公差為（0±1）mm。

表7 采用包封機(jī)A時(shí)上邊框水平度數(shù)據(jù)分析

表8 采用包封機(jī)B時(shí)上邊框水平度數(shù)據(jù)分析

2.5 調(diào)整后分析

由以上數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，采用包封機(jī)B時(shí)凸出余量較小，因此在對(duì)包封機(jī)B進(jìn)行調(diào)整后，再次進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。由表9與表2對(duì)比可以看出，設(shè)備經(jīng)過調(diào)整后，Cp和Cpk數(shù)值有明顯提升，最小值變化較明顯，達(dá)到了3.94mm，而之前最小值為2.77mm，大幅降低了由正板生長(zhǎng)所帶來的短路風(fēng)險(xiǎn)。

表9 采用包封機(jī)B時(shí)高度方向上隔板相對(duì)于極板凸出長(zhǎng)度

3 結(jié)論

從整體數(shù)據(jù)來看，A型包封機(jī)性能要略優(yōu)于B型包封機(jī)，在規(guī)格公差為±2 mm的前提下，高度和寬度方向上的過程能力偏低，Cp和Cpk基本都維持在1.0左右。雖然調(diào)整后包封機(jī)的過程能力略有提升，但還需由包封機(jī)廠家予以改善方可從根本上提升。實(shí)際生產(chǎn)過程中，需要監(jiān)控包封過程質(zhì)量水平。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果及電池失效模式來評(píng)估是否需要調(diào)整設(shè)計(jì)或包封過程參數(shù)，以避免因過程能力偏低導(dǎo)致電池使用壽命降低。