卷绕式铅酸蓄电池的智能制造分析①

戴增实

(泉州市一鸣交通电器有限公司，福建 泉州 362000)

铅酸蓄电池广泛应用于国民经济和人们的生活中，是不可缺少的安全性高、性能稳定、可回收利用、经济性好的化学电源。起动或起停铅酸电池应用于汽车和机动车；备用电源应用于通讯、电力、铁路、航空基站等；动力电池应用于电动自行车、低速电动车等；储能电池用于风能和太阳能的储能等。数十年来，铅酸蓄电池一直占据全球化学电源生产份额的65%～70% 。

铅酸蓄电池制造业是传统的制造业。上世纪八十年代前，我国有二十多家大的铅酸蓄电池生产企业，基本是国有企业，部分机械和人工操作的模式，产量低，质量水平也较低；改革开放后，铅酸蓄电池民营企业异军突起，到本世纪初的高峰时，发展到3000多家企业，产量达到了1500万kWh，操作方式从手工到机械共存，无序发展，爆发式增长；之后国家加强环保整治，先后实施许可证管理、准入制度、行业规范等措施，使企业数目大幅减少，目前估计有200多家，但产量和生产规模仍有较大增长，2017年的预计产量达到2500万kWh，这个阶段是靠大规模的设备机械化改造实现的，不仅产量增加和产品质量提升，而且排污大幅度降低，污染事故基本杜绝，环境得到了根本性的改善。目前我国较大规模蓄电池生产企业的技术和质量水平接近或达到了国际先进水平。

我国蓄电池生产过程基本实现初级的机械化，随着社会的发展和进步，智能化是蓄电池行业继续进步的途径，是必然发展的。目前蓄电池制造业智能化的水平是很低的，卷绕式铅酸蓄电池的制造方法是较早提出的[1]，但由于机械化问题和蓄电池技术的工艺问题，发展较慢，现在仍然以板式极板，片式配组，方形电池为主。

2015年5月8日，国务院发布关于《中国制造2025》的文件。文件中明确提出要大力推进智能制造，以带动各个产业数字化水平和智能化水平，占领新一轮行业竞争高点，培育我国经济增速动力[2]。德国工业4.0、美国工业互联网和中国制造2025这三大国家战略，其核心都是智能制造。

《智能制造发展规划(2016-2020年)》明确了产业智能制造的主要目标。2025年前，推进发展行业智能制造实行“两步走”战略：到2020年为第一步，达到增强智能制造发展基础以及促进发展的支撑能力，传统制造业的重点领域基本实现数字化控制和生产，部分重点产业向智能转型；到2021到2025年为第二步，基本建立智能制造体系，重点行业初步实现向智能化转型[3]。

1 铅酸蓄电池实现智能制造的必要性

智能制造来源于人工智能的研究和发展。智能是知识的积累和总结转换成分析问题、解决问题的思维方式的能力。知识是智能的基础，转换是指采集和运用的求解能力。智能制造是集中人类专家智慧由机器实施的一体化系统，在制造过程中具有人类智能的分析判断活动等。其目的是省去人在制造过程中的体力劳动和脑力劳动。简单的讲，在蓄电池行业的应用起码达到有一定分析能力的控制，全程的自动化，极少人员操作，稳定的制造质量。

铅酸蓄电池的生产非常有必要实现智能制造和产业的升级换代，其原因是，蓄电池广泛应用于国民经济的各个领域，是不可缺少的储能工具，铅酸蓄电池使用过程表现良好，短期内不可能有其他新的电源取代；其二是，铅酸蓄电池是涉铅、涉酸的生产，铅有毒，酸有腐蚀性；铅酸蓄电池生产过程中，会有一定的污染，会影响到生产员工的身体健康。其三，铅酸蓄电池的重量较大，生产中的任何搬动和运输都需要耗费较大的人力。其四，铅酸蓄电池的制造水平仍然较低，在智能制造的改进中会有明显的进步和效益提升。

智能制造分为以下的几个子系统，从这些系统看，铅酸蓄电池的制造业非常适用。(1)自治性，每个铅酸蓄电池制造工序，对自身的操作行为作出规划，如在制造过程中，输入电池的制造型号，系统就能自动的更换工装模具等，对其作出适合的反应。(2)合作性，系统具有合作处理问题的能力。如在蓄电池生产量较少的情况下，体统可同时生产其他型号的电池，具有了合作性。(3)智能性，装备系统具有了简单的推理、分析判断的能力。它是实现自治性和合作性的基础。如根据电池槽的外形判断电池的型号、根据极板的尺寸判断装入电池的正确性等，并做出是否生产的决定。智能性对快速变化的制造要求有较强的适应性。可以看出智能制造的全部或部分实现都会极大的促进蓄电池生产的进步和品质的提升。制造模式的变化要靠自动化、系统技术的研究成果，要靠蓄电池制造工艺技术适应这种制造的进步，要靠铅酸蓄电池技术专家经验的汇总转化为机械智能的思维。

2 卷绕蓄电池在智能制造方面的优势

铅酸蓄电池生产工业化后，出现了两种生产方式，一种是平板极板，一种是卷绕极板。因为铅酸蓄电池生产机械化的进程是缓慢的，我国在80年代，还有很多企业生产蓄电池的生产方式是手工生产，这种缓慢的进程，促进了平板极板的生产方式成为了主流的生产方式。因为卷绕式极板电池生产的机械化程度要求很高，连续生产的能力比较强，对自动化技术要求较高，所以卷绕技术发展的难度较大，受到了阻碍，使得今天卷绕电池的发展落后平面极板电池的发展。

图1 板式电池的结构图Figure 1. Structure diagram of plate battery

图2 卷绕电池的结构图Figure 2. Structure diagram of spiral lead-acid battery

机械和自动化技术的高度发展，使得蓄电池生产技术会朝智能制造方面快速发展，在平板和卷绕之间肯定会有方向性的选择，也是工艺性的选择。

2.1 卷绕式电池流程短

平板电池的流程和卷绕电池生产流程如下。

图3 平板极板电池生产的流程图Figure 3. Flow chart of plate battery production

图4 卷绕电池生产流程图 Figure 4. Flow chart of spiral lead-acid battery production

平板电池的流程如图3，卷绕电池的流程图如图4。最大的差别就是对于平板电池的极板生产，冲网工艺从冲网板栅、涂板开始就进行单片化的作业，固化、分板、配组、装槽、焊接都是建立在单片的基础上作业，而焊接后的极群，又成为一个集体组合。即走过了一个从分到和的过程，这个过程正是电池生产的核心部分，产品的质量很大程度取决于此过程的制造质量。而卷绕电池没有分成单片的过程，极板基体可整形出极耳和分切一个卷绕单体的长度，如图5。然后极板卷绕成极群，省去了正负极板交叉配组的过程，这样生产过程就形成了最简洁的制造过程，没有先分后和的繁琐过程。实现了工艺流程的简化。

图5 一种卷绕基体的结构图Figure 5. Structure diagram of a spiral body

生产方式变化也很大，在机械化生产中，更多的往复直线运动转化成圆形运动是实现连续稳定生产的重要方面，卷绕电池很好地从生产中过多往复直线运动转化成圆的运动，使生产过程达到了简单可靠、效率高、最经济的目的，无疑前景光明。

2.2 卷绕电池的性能优良

卷绕式铅酸蓄电池工艺采用卷绕方式生产，较高的极群压缩力，以及相应的固化工艺，其技术有以下的特点[4]：

(1)采用以纯铅或铅锡合金作为板栅材料，较柔软，利于卷绕，且比普通铅酸电池一般采用铅锑合金或铅钙合金更耐腐蚀。

(2)极板很薄(通常小于1mm)，每片极板有多个极耳，电极比表面积大，电流分布均匀，有利于提高活性物质利用率，且大电流充放电性能好。

(3)电极设计成卷绕结构，装配压力大，是AGM阀控式铅酸蓄电池的两倍，消除了电极上活性物质的脱落现象，同时解决了电解液分层的问题。

(4)槽为圆柱形，电池的开阀压力大，正负极板间距小，有利于提高密封反应效率，失水速度小，且有优良的耐过充性能。

(5)经过涂片后直接装配电池，提高了生产效率，降低了环境污染。

因为以上的特点，卷绕式铅酸蓄电池与传统板式电池相比具有：瞬时输出功率高、可快速充电、耐振动冲击性能好、低温性能优、自放电小、使用寿命长、比能量大等优点。卷绕电池用于汽车的起动或起停；广泛的军事用途；电力、太阳能储能工程等。

2.3 生产成本降低

生产成本的降低来源于2.2节的分析，卷绕电池较板式电池省去大部分的极群的“分”“和”的作业，以及由“方”变“园”的作业，即流程缩短带来的效益。同时智能制造在批量生产的条件下，无疑是成本最低的生产方式，使成本会有较大幅度的降低，当然设备的前期投入是较大的。

3 卷绕式蓄电池实现智能制造需要努力的方向

3.1 硬件方面

两个方面需要关注，一是智能技术发展到什么程度，决定了卷绕式蓄电池智能制造硬件的程度，根据智能技术的分块，有以下几方面：(1)识别及传输方面：新型传感技术以及相应的新型传感器及其系统。(2)控制系统方面：模块化控制系统设计技术。(3)智能仪表、精密仪器、精密传动装置、伺服控制机构、液气密元件及系统。(4)系统协同技术及其工业机器人与专用机器人。(5)故障诊断与健康维护技术及其相应的设备。(6)高可靠实时通信网络技术及其采样发送接受联网装置[5-6]。这些技术的发展是卷绕蓄电池智能制造的基础。二是蓄电池生产自动化设备硬件的发展程度，以及与第一方面的结合能力应用。第一方面靠智能技术的整体发展水平；第二方面靠蓄电池行业装备制造水平的进步，这方面是蓄电池行业人员的责任。

3.2 软件方面

3.2.1 卷绕式蓄电池的生产工艺的基础研究

目前已经蓄电池行业全面掌握了板式极板的生产工艺，并且已非常成熟，是目前主流的工艺路线。实现智能制造，卷绕式生产工艺必须完善，这是实现卷绕蓄电池智能制造的基础。之前在板式极板的研究较多，是源于大规模生产的需要。目前卷绕电池的工艺还存在一些问题：(1)铅箔作为板栅有很好的性能，但还是占有较大的重量；采用网眼板栅合理，但由于板栅较薄，制造还有一定的难度；因为板栅强度较低，对后面组装有一定的影响，还需要解决，这是问题之一。(2)铅膏与板栅的结合问题，压延板栅，无论是有网眼还是无网眼，表面是电化学的光洁表面，与活性物质的结合较困难。需要研究增加界面结合力的方法，无论是物理的、化学的、电化学的处理方法，还需要基础研究。(3)卷绕极板间压力一致性的控制，以及不同压力对蓄电池性能的影响。(4)电池内固化的基础研究，怎样实现电池内良好的固化。(5)灌酸的研究，卷绕电池的内部压力较大，灌酸难度加大，怎样保证均匀一致的与酸接触，保证一致性。(6)电池排气体系的研究，使用过程中的内压控制要靠一个技术体系实现。要进行技术攻关。以上的工作需要蓄电池专业技术人员的努力。

3.2.2 实现智能制造需要将蓄电池专家的经验转化为机器的智能

智能化的体系需要将蓄电池技术专家分析问题的思维方法、判断问题的方法、解决问题的方法输入设备的智能库中。总体上讲，目前的专家的经验是分散的、不系统的，怎样将这些经验和知识转化成系统的机器“大脑”中的成分，需要大量的工作，并且还需要针对性的工作。需要联合的攻关。这部分工作是难度较大的工作之一。

4 结论

智能制造是蓄电池行业的发展方向，随着自动化、人机智能技术的发展，实现铅酸蓄电池的智能制造是必然发生的事情。

卷绕电池比板式电池的生产方式减少了生产“分”“和”的过程，更容易实现智能制造，是蓄电池生产的方向。

铅酸蓄电池智能制造需要较长的时间，设备等硬件发展是基础，蓄电池工艺研究、经验的汇总转化是重要的方面。智能的程度也是循序渐进的，还需要做很多工作。

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

[2] 国务院.关于印发《中国制造2025》的通知[Z].国发〔2015〕28号. 国务院，2015-05-08.

[3] 工业和信息化部财政部.关于印发智能制造发展规划(2016-2020年)的通知，工信部联规〔2016〕349号[Z]. 工业和信息化部财政部，2016-12-08.

[4] 柴树松.铅酸蓄电池制造技术(2)[M].北京，机械工业出版社，2017.3

[5] 李烨.铅酸蓄电池装备自动化和智能化解决方案[C].中国国际铅酸蓄电池高峰论坛，南京，2017.11.28-29.

[6] 董捷.铅酸蓄电池行业智能制造发展方向[C].中国国际铅酸蓄电池高峰论坛，南京，2017.11.28-29.