電池導熱膠涂覆工位Cmk整體放行方法研究

摘要：詳細闡述了某型號新能源電池導熱膠的生產(chǎn)工藝及技術難點。在分析及實驗驗證的基礎上，提出了一種電池導熱膠涂覆工位Cmk（Machine Capability Index）整體放行的方法，完成了涂膠系統(tǒng)工藝一致性研究，實現(xiàn)了設備一致性調(diào)整；全面優(yōu)化了涂膠系數(shù)、涂膠軌跡和膠條形狀，解決了過量涂膠引發(fā)的腔體內(nèi)爆破性氣泡問題以及不合理軌跡引發(fā)的閉腔問題。此外，提出了一種大間隙樣本制作方法，實現(xiàn)了樣本數(shù)據(jù)覆蓋全公差要求。通過實驗設計及驗證，實現(xiàn)了工位整體放行目標，為行業(yè)內(nèi)導熱膠涂覆工藝提供了案例支撐，亦可為新能源電池行業(yè)所借鑒。

關鍵詞：電池；導熱膠；涂覆；工藝技術

電池導熱膠的主要功能是將模組產(chǎn)生的熱量傳導到電池盒等部件，參與對整個電池包的熱管理，其不但影響電池包產(chǎn)品的性能，而且關系到電池在極端條件下（如碰撞）的熱擴散性能，關乎人身安全。動力電池在不同放電倍率下存在溫升發(fā)熱導致的溫度分布不均及過熱現(xiàn)象，使用熱物性參數(shù)較好的導熱膠可以顯著降低電池的溫升與溫差，電池溫度分布也更加均衡[1，2]。鑒于導熱膠對電池產(chǎn)品質(zhì)量具有至關重要的影響，本文開展了導熱膠面積覆蓋率的研究，旨在探索最優(yōu)的工藝及產(chǎn)品質(zhì)量保證方法。

Cmk是衡量生產(chǎn)過程穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標，應用Cmk方法進行制造設備放行在機加工領域較為廣泛，在新能源電池制造領域尚不多見[3]。對于新能源電池導熱膠涂覆工藝，目前行業(yè)內(nèi)未調(diào)研到使用Cmk方法進行工藝設備放行的先例，且梅賽德斯集團海外（德國、美國）電池工廠均不要求使用Cmk方法放行（通常選取一定數(shù)量的電池樣本，要求覆蓋率測量結果100%滿足公差要求）。然而，基于北京奔馳對于工藝及產(chǎn)品質(zhì)量的嚴苛要求，電池導熱膠涂覆工位需要進行Cmk放行。

文章所列舉對象為本司生產(chǎn)的第二代電池產(chǎn)品，導熱膠覆蓋率要求嚴格、工藝技術復雜，使用Cmk方法放行面臨巨大挑戰(zhàn)。

電池導熱膠生產(chǎn)工藝及技術難點

1.電池導熱膠生產(chǎn)工藝

（1）導熱膠覆蓋率 本文研究對象為10模組電池，每個模組和電池盒之間存在間隙（理論間隙為2.075mm，見圖1），間隙內(nèi)會填充導熱膠，導熱膠的面積有嚴格的覆蓋率要求。

模組底面和電池盒底面會形成一個空腔，空腔內(nèi)涂覆18條膠，每條膠需滿足在投影平面內(nèi)的面積覆蓋率要求，如圖2所示。

對于導熱膠的覆蓋率，圖樣給出了詳細的要求，根據(jù)實際間隙不同，覆蓋率有不同的要求。此外，對于第1條膠（M01）、第18條膠（M18）、第2～17條膠（M02～M17）也有不同的覆蓋率要求，見表1。

（2）導熱膠覆蓋率的工藝形成過程 導熱膠覆蓋率的工藝過程包含零件測量、間隙匹配計算、涂膠參數(shù)轉化、涂膠實施、壓裝擰緊、拆解（gt;24h）、覆蓋率測量及數(shù)據(jù)分析。工藝形成過程如圖3所示。

電池盒測量9個點的深度，模組測量9個點的高度，二者的測量值匹配計算獲得9個間隙值。通過間隙值以及數(shù)學算法獲得間隙空腔，進一步通過計算獲得18個膠條對應的涂膠量（體積），并將此涂膠量的信息輸入給涂膠設備。考慮到計算所得的涂膠量與實際狀況存在偏差，且涂膠壓裝過程中膠條形狀的變化也不可控，因此，涂膠設備會設置一個體積系數(shù)來補償偏差及形狀變化的影響，這個體積系數(shù)稱之為涂膠系數(shù)。

除了涂膠量和涂膠系數(shù)，涂膠過程的系統(tǒng)參數(shù)還包括機器人運行軌跡、運行速度、膠的溫度、出膠管路的壓力控制等，整個系統(tǒng)配合完成電池的涂膠過程。

模組底面涂完膠后，機器人會執(zhí)行翻轉動作將模組壓入電池盒內(nèi)，此后會執(zhí)行壓裝擰緊的工序，完成電池包的組裝。靜置24h之后，將模組進行拆解（注：做覆蓋率測試之前，須在電池盒底面墊上一層0.1mm厚的薄膜，防止膠條與零件黏連，保證拆解后形狀完整），測量模組底面膠條的覆蓋面積，評價覆蓋率是否滿足要求（見圖4）。

2.導熱膠Cmk放行的技術難點

（1）涂膠設備分散 涂膠工位共有6套獨立的涂膠系統(tǒng)（涂膠機+模組抓取機器人+壓裝擰緊機器人），這6套設備共同完成1塊電池包產(chǎn)品的涂膠，如圖5所示。

對于Cmk放行，按照取樣標準，每臺設備需選取50組樣本，要求Cmk評價的結果≥1.67，達到此目標可完成Cmk放行。實際應用中，如果取50塊電池做設備放行會產(chǎn)生巨大的成本，包括零件成本、生產(chǎn)工時成本、返修成本等，這還未考慮到調(diào)試實驗階段的成本投入，因此，使用該方法做Cmk放行研究會占用相當長的一段時間周期和巨大的成本，實際生產(chǎn)中無法接受。

（2）工藝參數(shù)多樣 9點測量值匹配計算間隙值，9個間隙值通過數(shù)學算法生成18條涂膠間隙數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)與實際狀況之間的關系，需要通過樣本數(shù)據(jù)實驗進行循環(huán)優(yōu)化，保證算法的可靠性與一致性。

膠條壓實后，拆開模組測量涂膠面積，需考慮壓實過程中的變化規(guī)律，進行過程參數(shù)優(yōu)化。

綜上，如何通過樣本實驗優(yōu)化過程參數(shù)，使涂膠工藝過程中的算法模型更加精確的指導生產(chǎn)，是本項目的一個技術難點。

（3）標準要求精細化 圖樣給定的導熱膠覆蓋率要求，不同的間隙值對應不同的覆蓋率要求，同一間隙范圍，不同的膠條有不同的覆蓋率要求，覆蓋率數(shù)值要求嚴格，要求的分類方式復雜。

按照Cmk的評價方法，第1條、第2～17條、第18條需要分別取樣進行評價。此外，對于每一組，還要保證樣本數(shù)據(jù)的評價結果覆蓋所有的間隙范圍。實際生產(chǎn)中，模組和電池盒隨機組合，自然出現(xiàn)全部覆蓋3組間隙范圍樣本的概率極小，因此，通過自然匹配間隙的方式獲取Cmk放行的全部樣本是無法實現(xiàn)的。

技術方法研究

1.臺涂膠系統(tǒng)工藝一致性研究

考慮到使用50塊電池樣本進行Cmk放行研究帶來的巨大經(jīng)濟成本和時間成本，本項目采用6臺涂膠系統(tǒng)整體放行（即涂膠工位整體放行）的方法。采用該方法的好處是可以保證電池包產(chǎn)品的10塊模組具有較高的涂膠一致性，保證了整體的涂膠質(zhì)量和性能。此外，該方法可大大降低成本、提高效率、縮短實驗研究的周期。

但該方法也帶了技術上的巨大挑戰(zhàn)，把6臺系統(tǒng)的數(shù)據(jù)混在一起進行分析和評價，無疑忽略了設備彼此之間的差異，如果這個差異較大的話很難實現(xiàn)Cmk整體數(shù)據(jù)的一致性。因此，首先需要進行6臺涂膠設備的一致性研究及調(diào)整優(yōu)化。

通過試驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)3號模組出現(xiàn)整體偏移的情況（見圖6），分析原因是涂膠設備的初始位置差異性所致。

將涂膠過程分解，機器人抓取模組涂膠后停在壓平前的狀態(tài)，進行樣本分析。結合圖樣的標準要求，設計并制作檢查標準板（見圖7），通過比較膠條的中心位置（壓制前）來確定調(diào)整參數(shù)。調(diào)整涂膠設備參數(shù)并驗證結果的有效性。

2.工藝參數(shù)研究

（1）涂膠系數(shù)研究 前文介紹了涂膠系數(shù)是為了補償理論涂膠量和實際狀態(tài)之間的偏差。涂膠過程中，很多影響最終覆蓋率的因素無法定量解決，只能通過優(yōu)化涂膠系數(shù)進行綜合補償。這些影響因素包括但不限于設備的出膠精度、壓裝擰緊過程中的膠條形狀不規(guī)則變化、模組底面材料的影響、空腔間隙的不規(guī)則性等（見圖8）。

此外，按照簡單的理解，多涂膠（即增大涂膠系數(shù)）會增加覆蓋面積，但涂膠系數(shù)并不是越高越好，相反，過高的涂膠系數(shù)會導致覆蓋率下降以及引發(fā)氣泡問題。如圖9所示，膠條與膠條過度擠壓形成氣泡，導致局部覆蓋率不足甚至引起導熱性能失穩(wěn)。

為了獲得一組能夠指導實際生產(chǎn)的有效系數(shù)，本項目研究了樣本覆蓋率和涂膠系數(shù)之間的關系，設計多組試驗參數(shù)并通過大量的樣本數(shù)據(jù)建立模型，循環(huán)優(yōu)化涂膠系數(shù)。最終的系數(shù)設置見表2。

（2）涂膠軌跡研究 項目實施過程中，發(fā)現(xiàn)第1條和第18條存在覆蓋率不足且不穩(wěn)定的狀況，即使單獨提高此2條的涂膠系數(shù)，覆蓋率表現(xiàn)并無明顯提升。經(jīng)分析，涂膠起始和終止軌跡會導致第1條和第18條出現(xiàn)閉腔問題（見圖10），閉腔后內(nèi)部氣體無法排除，壓裝過程該空腔內(nèi)的氣體受壓縮會擠壓周圍的膠往外擴散，因此會導致此2處的覆蓋率降低。

將起始/終止軌跡從內(nèi)收改為外延形式，以防止閉腔問題的發(fā)生（見圖11）。經(jīng)試驗驗證，效果良好。

（3）膠條形狀優(yōu)化 按照圖樣要求，膠條理論形狀為矩形，實際生產(chǎn)中，膠條的涂覆軌跡是連續(xù)的（在矩形短邊處進行轉彎），壓裝后的形狀不可能是4個規(guī)矩的直角。如果要保證壓裝后的面積覆蓋4個直角區(qū)域，那就需要膠條軌跡延長一段，但零件上的邊緣并沒有足夠的空間延長，因此無法實現(xiàn)4個直角區(qū)域完全的覆蓋。

本項目提出建議給德國研發(fā)部門，膠條的形狀應進行優(yōu)化（見圖12所示圓角）。德國研發(fā)部門經(jīng)過分析認為理論上是合理的，后經(jīng)過熱擴散實驗驗證，證實改成圓角對產(chǎn)品性能無任何影響，因此同意推動此項變更實施。

2.大間隙樣本制作方法研究

前文闡述了導熱膠覆蓋率的要求，針對每一條膠，對于不同的間隙值，覆蓋率有不同的要求。如若滿足Cmk放行，樣本數(shù)據(jù)需覆蓋所有的3組間隙值，實際生產(chǎn)中，模組和電池盒的配合位置是隨機的，實際獲得的間隙值不可控。對于零件層級的生產(chǎn)，模組高度和電池盒深度都會控制在尺寸公差的中值附近，也就是匹配出來的間隙值基本上不會出現(xiàn)大于3mm的情況。

為了完成本項目的Cmk放行，需要制造大間隙的樣本。經(jīng)過研究，本項目提出通過增加墊片的方法來獲得大間隙。方案如下：材料選取不易變形的鋼材，厚度控制在1.05mm，電池盒與模組所有接觸位置全部增加墊片（連接孔的位置按照圖樣鉆孔），墊片（見圖13）與電池盒采用膠粘的方式，避免松動，加裝墊片后驗證測量工位是否干涉、擰緊機器人是否干涉，以及擰緊過程的扭矩控制是否報警等。

經(jīng)過試驗驗證，本文提出的大間隙制作樣本方法滿足Cmk放行要求。

Cmk放行結果

應用上文闡述的原理和方法，本項目完成了電池涂膠工位Cmk整體放行（見圖14和表3）。

結語

1）提出了6臺涂膠機整體Cmk放行的策略，技術上實現(xiàn)不同設備差異性研究及一致化調(diào)整，保證了過程的一致性和電池產(chǎn)品的涂膠面積覆蓋率的一致性。

2）涂膠系數(shù)、涂膠軌跡、膠條形狀全面優(yōu)化，保證了Cmk的通過。實現(xiàn)了最佳的涂膠系數(shù)，解決了覆蓋率不足以及過量涂膠引發(fā)腔體內(nèi)爆破性氣泡的問題；涂膠軌跡優(yōu)化后可有效避免閉腔問題發(fā)生；膠條形狀對提升覆蓋率的測量結果有重要影響。

3）提出了增加墊片制作大間隙樣本的新方法，全面覆蓋圖樣要求的間隙范圍。增加墊片的方法，對工藝過程進行了二次驗證，保證了工藝過程的準確性和有效性。

4）本項目的方法和經(jīng)驗可供同行業(yè)技術工作者參考和借鑒。

參考文獻：

[1] 劉兵，盤朝奉，袁周紅，等.基于導熱膠均衡散熱的鋰電池溫度場研究[J].電源技術，2019，43（12）：1979-1983.

[2] 盤朝奉，劉兵， 陳龍，等. 鋰離子電池溫升特性分析及液冷結構設計[J]. 西南交通大學學報，2020，55（1）：68-75.

[3] 戴競，茅衛(wèi)東.設備能力指數(shù)Cmk應是設備管理重要環(huán)節(jié)[J].設備管理與維修，2014（S1）：89-90.