卷繞式鉛酸蓄電池的智能制造分析①

戴增實

(泉州市一鳴交通電器有限公司，福建 泉州 362000)

鉛酸蓄電池廣泛應用于國民經濟和人們的生活中，是不可缺少的安全性高、性能穩定、可回收利用、經濟性好的化學電源。起動或起停鉛酸電池應用于汽車和機動車；備用電源應用于通訊、電力、鐵路、航空基站等；動力電池應用于電動自行車、低速電動車等；儲能電池用于風能和太陽能的儲能等。數十年來，鉛酸蓄電池一直占據全球化學電源生產份額的65%～70% 。

鉛酸蓄電池制造業是傳統的制造業。上世紀八十年代前，我國有二十多家大的鉛酸蓄電池生產企業，基本是國有企業，部分機械和人工操作的模式，產量低，質量水平也較低；改革開放后，鉛酸蓄電池民營企業異軍突起，到本世紀初的高峰時，發展到3000多家企業，產量達到了1500萬kWh，操作方式從手工到機械共存，無序發展，爆發式增長；之后國家加強環保整治，先后實施許可證管理、準入制度、行業規范等措施，使企業數目大幅減少，目前估計有200多家，但產量和生產規模仍有較大增長，2017年的預計產量達到2500萬kWh，這個階段是靠大規模的設備機械化改造實現的，不僅產量增加和產品質量提升，而且排污大幅度降低，污染事故基本杜絕，環境得到了根本性的改善。目前我國較大規模蓄電池生產企業的技術和質量水平接近或達到了國際先進水平。

我國蓄電池生產過程基本實現初級的機械化，隨著社會的發展和進步，智能化是蓄電池行業繼續進步的途徑，是必然發展的。目前蓄電池制造業智能化的水平是很低的，卷繞式鉛酸蓄電池的制造方法是較早提出的[1]，但由于機械化問題和蓄電池技術的工藝問題，發展較慢，現在仍然以板式極板，片式配組，方形電池為主。

2015年5月8日，國務院發布關于《中國制造2025》的文件。文件中明確提出要大力推進智能制造，以帶動各個產業數字化水平和智能化水平，占領新一輪行業競爭高點，培育我國經濟增速動力[2]。德國工業4.0、美國工業互聯網和中國制造2025這三大國家戰略，其核心都是智能制造。

《智能制造發展規劃(2016-2020年)》明確了產業智能制造的主要目標。2025年前，推進發展行業智能制造實行“兩步走”戰略：到2020年為第一步，達到增強智能制造發展基礎以及促進發展的支撐能力，傳統制造業的重點領域基本實現數字化控制和生產，部分重點產業向智能轉型；到2021到2025年為第二步，基本建立智能制造體系，重點行業初步實現向智能化轉型[3]。

1 鉛酸蓄電池實現智能制造的必要性

智能制造來源于人工智能的研究和發展。智能是知識的積累和總結轉換成分析問題、解決問題的思維方式的能力。知識是智能的基礎，轉換是指采集和運用的求解能力。智能制造是集中人類專家智慧由機器實施的一體化系統，在制造過程中具有人類智能的分析判斷活動等。其目的是省去人在制造過程中的體力勞動和腦力勞動。簡單的講，在蓄電池行業的應用起碼達到有一定分析能力的控制，全程的自動化，極少人員操作，穩定的制造質量。

鉛酸蓄電池的生產非常有必要實現智能制造和產業的升級換代，其原因是，蓄電池廣泛應用于國民經濟的各個領域，是不可缺少的儲能工具，鉛酸蓄電池使用過程表現良好，短期內不可能有其他新的電源取代；其二是，鉛酸蓄電池是涉鉛、涉酸的生產，鉛有毒，酸有腐蝕性；鉛酸蓄電池生產過程中，會有一定的污染，會影響到生產員工的身體健康。其三，鉛酸蓄電池的重量較大，生產中的任何搬動和運輸都需要耗費較大的人力。其四，鉛酸蓄電池的制造水平仍然較低，在智能制造的改進中會有明顯的進步和效益提升。

智能制造分為以下的幾個子系統，從這些系統看，鉛酸蓄電池的制造業非常適用。(1)自治性，每個鉛酸蓄電池制造工序，對自身的操作行為作出規劃，如在制造過程中，輸入電池的制造型號，系統就能自動的更換工裝模具等，對其作出適合的反應。(2)合作性，系統具有合作處理問題的能力。如在蓄電池生產量較少的情況下，體統可同時生產其他型號的電池，具有了合作性。(3)智能性，裝備系統具有了簡單的推理、分析判斷的能力。它是實現自治性和合作性的基礎。如根據電池槽的外形判斷電池的型號、根據極板的尺寸判斷裝入電池的正確性等，并做出是否生產的決定。智能性對快速變化的制造要求有較強的適應性。可以看出智能制造的全部或部分實現都會極大的促進蓄電池生產的進步和品質的提升。制造模式的變化要靠自動化、系統技術的研究成果，要靠蓄電池制造工藝技術適應這種制造的進步，要靠鉛酸蓄電池技術專家經驗的匯總轉化為機械智能的思維。

2 卷繞蓄電池在智能制造方面的優勢

鉛酸蓄電池生產工業化后，出現了兩種生產方式，一種是平板極板，一種是卷繞極板。因為鉛酸蓄電池生產機械化的進程是緩慢的，我國在80年代，還有很多企業生產蓄電池的生產方式是手工生產，這種緩慢的進程，促進了平板極板的生產方式成為了主流的生產方式。因為卷繞式極板電池生產的機械化程度要求很高，連續生產的能力比較強，對自動化技術要求較高，所以卷繞技術發展的難度較大，受到了阻礙，使得今天卷繞電池的發展落后平面極板電池的發展。

圖1 板式電池的結構圖Figure 1. Structure diagram of plate battery

圖2 卷繞電池的結構圖Figure 2. Structure diagram of spiral lead-acid battery

機械和自動化技術的高度發展，使得蓄電池生產技術會朝智能制造方面快速發展，在平板和卷繞之間肯定會有方向性的選擇，也是工藝性的選擇。

2.1 卷繞式電池流程短

平板電池的流程和卷繞電池生產流程如下。

圖3 平板極板電池生產的流程圖Figure 3. Flow chart of plate battery production

圖4 卷繞電池生產流程圖 Figure 4. Flow chart of spiral lead-acid battery production

平板電池的流程如圖3，卷繞電池的流程圖如圖4。最大的差別就是對于平板電池的極板生產，沖網工藝從沖網板柵、涂板開始就進行單片化的作業，固化、分板、配組、裝槽、焊接都是建立在單片的基礎上作業，而焊接后的極群，又成為一個集體組合。即走過了一個從分到和的過程，這個過程正是電池生產的核心部分，產品的質量很大程度取決于此過程的制造質量。而卷繞電池沒有分成單片的過程，極板基體可整形出極耳和分切一個卷繞單體的長度，如圖5。然后極板卷繞成極群，省去了正負極板交叉配組的過程，這樣生產過程就形成了最簡潔的制造過程，沒有先分后和的繁瑣過程。實現了工藝流程的簡化。

圖5 一種卷繞基體的結構圖Figure 5. Structure diagram of a spiral body

生產方式變化也很大，在機械化生產中，更多的往復直線運動轉化成圓形運動是實現連續穩定生產的重要方面，卷繞電池很好地從生產中過多往復直線運動轉化成圓的運動，使生產過程達到了簡單可靠、效率高、最經濟的目的，無疑前景光明。

2.2 卷繞電池的性能優良

卷繞式鉛酸蓄電池工藝采用卷繞方式生產，較高的極群壓縮力，以及相應的固化工藝，其技術有以下的特點[4]：

(1)采用以純鉛或鉛錫合金作為板柵材料，較柔軟，利于卷繞，且比普通鉛酸電池一般采用鉛銻合金或鉛鈣合金更耐腐蝕。

(2)極板很薄(通常小于1mm)，每片極板有多個極耳，電極比表面積大，電流分布均勻，有利于提高活性物質利用率，且大電流充放電性能好。

(3)電極設計成卷繞結構，裝配壓力大，是AGM閥控式鉛酸蓄電池的兩倍，消除了電極上活性物質的脫落現象，同時解決了電解液分層的問題。

(4)槽為圓柱形，電池的開閥壓力大，正負極板間距小，有利于提高密封反應效率，失水速度小，且有優良的耐過充性能。

(5)經過涂片后直接裝配電池，提高了生產效率，降低了環境污染。

因為以上的特點，卷繞式鉛酸蓄電池與傳統板式電池相比具有：瞬時輸出功率高、可快速充電、耐振動沖擊性能好、低溫性能優、自放電小、使用壽命長、比能量大等優點。卷繞電池用于汽車的起動或起停；廣泛的軍事用途；電力、太陽能儲能工程等。

2.3 生產成本降低

生產成本的降低來源于2.2節的分析，卷繞電池較板式電池省去大部分的極群的“分”“和”的作業，以及由“方”變“園”的作業，即流程縮短帶來的效益。同時智能制造在批量生產的條件下，無疑是成本最低的生產方式，使成本會有較大幅度的降低，當然設備的前期投入是較大的。

3 卷繞式蓄電池實現智能制造需要努力的方向

3.1 硬件方面

兩個方面需要關注，一是智能技術發展到什么程度，決定了卷繞式蓄電池智能制造硬件的程度，根據智能技術的分塊，有以下幾方面：(1)識別及傳輸方面：新型傳感技術以及相應的新型傳感器及其系統。(2)控制系統方面：模塊化控制系統設計技術。(3)智能儀表、精密儀器、精密傳動裝置、伺服控制機構、液氣密元件及系統。(4)系統協同技術及其工業機器人與專用機器人。(5)故障診斷與健康維護技術及其相應的設備。(6)高可靠實時通信網絡技術及其采樣發送接受聯網裝置[5-6]。這些技術的發展是卷繞蓄電池智能制造的基礎。二是蓄電池生產自動化設備硬件的發展程度，以及與第一方面的結合能力應用。第一方面靠智能技術的整體發展水平；第二方面靠蓄電池行業裝備制造水平的進步，這方面是蓄電池行業人員的責任。

3.2 軟件方面

3.2.1 卷繞式蓄電池的生產工藝的基礎研究

目前已經蓄電池行業全面掌握了板式極板的生產工藝，并且已非常成熟，是目前主流的工藝路線。實現智能制造，卷繞式生產工藝必須完善，這是實現卷繞蓄電池智能制造的基礎。之前在板式極板的研究較多，是源于大規模生產的需要。目前卷繞電池的工藝還存在一些問題：(1)鉛箔作為板柵有很好的性能，但還是占有較大的重量；采用網眼板柵合理，但由于板柵較薄，制造還有一定的難度；因為板柵強度較低，對后面組裝有一定的影響，還需要解決，這是問題之一。(2)鉛膏與板柵的結合問題，壓延板柵，無論是有網眼還是無網眼，表面是電化學的光潔表面，與活性物質的結合較困難。需要研究增加界面結合力的方法，無論是物理的、化學的、電化學的處理方法，還需要基礎研究。(3)卷繞極板間壓力一致性的控制，以及不同壓力對蓄電池性能的影響。(4)電池內固化的基礎研究，怎樣實現電池內良好的固化。(5)灌酸的研究，卷繞電池的內部壓力較大，灌酸難度加大，怎樣保證均勻一致的與酸接觸，保證一致性。(6)電池排氣體系的研究，使用過程中的內壓控制要靠一個技術體系實現。要進行技術攻關。以上的工作需要蓄電池專業技術人員的努力。

3.2.2 實現智能制造需要將蓄電池專家的經驗轉化為機器的智能

智能化的體系需要將蓄電池技術專家分析問題的思維方法、判斷問題的方法、解決問題的方法輸入設備的智能庫中。總體上講，目前的專家的經驗是分散的、不系統的，怎樣將這些經驗和知識轉化成系統的機器“大腦”中的成分，需要大量的工作，并且還需要針對性的工作。需要聯合的攻關。這部分工作是難度較大的工作之一。

4 結論

智能制造是蓄電池行業的發展方向，隨著自動化、人機智能技術的發展，實現鉛酸蓄電池的智能制造是必然發生的事情。

卷繞電池比板式電池的生產方式減少了生產“分”“和”的過程，更容易實現智能制造，是蓄電池生產的方向。

鉛酸蓄電池智能制造需要較長的時間，設備等硬件發展是基礎，蓄電池工藝研究、經驗的匯總轉化是重要的方面。智能的程度也是循序漸進的，還需要做很多工作。

[1] Garche J.Future Battery Energy Storage Systems(BESS) With Lead-Acid Batteries[C]. 15th ELBC, Malta, September 15, 2016.

[2] 國務院.關于印發《中國制造2025》的通知[Z].國發〔2015〕28號. 國務院，2015-05-08.

[3] 工業和信息化部財政部.關于印發智能制造發展規劃(2016-2020年)的通知，工信部聯規〔2016〕349號[Z]. 工業和信息化部財政部，2016-12-08.

[4] 柴樹松.鉛酸蓄電池制造技術(2)[M].北京，機械工業出版社，2017.3

[5] 李燁.鉛酸蓄電池裝備自動化和智能化解決方案[C].中國國際鉛酸蓄電池高峰論壇，南京，2017.11.28-29.

[6] 董捷.鉛酸蓄電池行業智能制造發展方向[C].中國國際鉛酸蓄電池高峰論壇，南京，2017.11.28-29.