閥控式鉛蓄電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與槽蓋封合

沈旭培，方明學(xué)，肖林，曹龍泉

（天能電池集團(tuán)有限公司，浙江 湖州 313100）

0 引言

閥控式鉛蓄電池多數(shù)采用 ABS 塑料材質(zhì)的外殼，極群組裝配焊接后，采用環(huán)氧樹脂密封膠（以下簡稱密封膠）將槽蓋密封。裝配工藝如下：……極群組入槽→跨橋焊接→槽蓋密封→固化→端子密封→固化→極性標(biāo)識→固化→……（注：極性標(biāo)識是按電池正負(fù)極端子添加不同顏色的密封膠，也起到電池部件密封的作用，故需要固化。）

裝配工藝中所出現(xiàn)的 3 次固化環(huán)節(jié)，分別是對蓄電池不同部位密封膠的固化[1]。第 1 次固化的時(shí)間約 2 h，后面的 2 次固化時(shí)間每次約 1.5 h，因此3 次固化時(shí)間合計(jì)約 5 h，約占蓄電池裝配時(shí)間的74 %～86 %。蓄電池槽蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)導(dǎo)致，槽蓋密封時(shí)必須將電池槽倒立，使槽蓋密封和端子密封不能同步完成。這也是蓄電池裝配時(shí)間延長的一個(gè)關(guān)鍵因素。

筆者以 12 V 100 Ah 閥控式鉛蓄電池為例，重點(diǎn)從電池槽蓋設(shè)計(jì)和單體焊接等方面，介紹一種新結(jié)構(gòu)，可以在實(shí)現(xiàn)槽蓋密封和端子密封同步完成的同時(shí)，節(jié)約鉛材料和密封膠用量，降低能耗，縮減蓄電池裝配時(shí)間，提高產(chǎn)能。

1 設(shè)計(jì)與開發(fā)

1.1 原電池槽蓋封合工藝

6-CNF-100 電池外形尺寸 338 mm × 175 mm× 208 mm，質(zhì)量 34.8 kg。單體間連接方式為跨橋焊接，焊接后鉛零件高度超出電池槽（見圖 1），而且鉛零件密封膠槽設(shè)計(jì)在電池蓋上（見圖 2）。如圖 3 所示，槽蓋封合時(shí)，先將電池蓋底面向上擺放，加入密封膠后，再將電池槽旋轉(zhuǎn) 180°倒置于電池蓋內(nèi)，然后在溫度約 65 ℃ ± 3 ℃ 的固化窯固化 2 h 后，將蓄電池旋轉(zhuǎn) 180o，使之正立完成后序工藝。槽蓋封合好后的狀態(tài)見圖 4。

圖1 原工藝鉛零件

圖2 原工藝電池蓋

圖3 原工藝槽蓋封合過程

圖4 原工藝槽蓋封合狀態(tài)

1.2 新電池槽蓋封合工藝

原槽蓋封合工藝中的蓄電池為倒立狀態(tài)，致使槽蓋密封和端子密封不能同步進(jìn)行。為了使之同步進(jìn)行，筆者重新設(shè)計(jì)蓄電池槽蓋結(jié)構(gòu)（見圖 5），將電池槽單格間的隔墻加厚 3 mm，使外形尺寸為353 mm × 175 mm × 208 mm，又將密封膠槽設(shè)計(jì)在電池槽上，把電池蓋密封處由槽狀變?yōu)榕_狀[2]（見圖 6）。由于電池蓋上取消了鉛零件密封膠槽，故將單體連接采用穿壁焊接，使蓄電池槽蓋密封正立進(jìn)行（見圖 7）。蓄電池槽蓋配合后可立即進(jìn)入端子密封工序，實(shí)現(xiàn)槽蓋密封和端子密封同步完成。采用新工藝后，槽蓋封合好后的狀態(tài)見圖 8。

2 成果對比

2.1 鉛質(zhì)量的節(jié)約

2 種電池用鉛量的差異在于鉛零件結(jié)構(gòu)不同，見圖 9 和圖 10 中的 H 和 W 部分。原工藝中，鉛零件的焊接方式是跨橋焊接，鉛零件的高度h1=25 mm，截面半徑r1= 10 mm，鉛零件的連接寬度b1= 3.5 mm，焊接深度d1= 8 mm，蓄電池有 5 個(gè)焊接點(diǎn)，鉛密度ρ(Pb) = 11.3 g/cm3，共計(jì)鉛質(zhì)量m1= （3.14 × 102 mm2× 25 mm + 3.5 mm × 8 mm× 20 mm）× 11.3 g/cm3× 5 ÷ 1000 mm3/cm3≈ 475 g。

新電池焊接方式為穿壁焊接，鉛零件高度h2=17 mm，截面為長l=18 mm，寬b= 6 mm 的矩形，焊接點(diǎn)寬度b2= 6 mm。焊接點(diǎn)的導(dǎo)電截面積與原工藝相同[3]，原工藝導(dǎo)電截面積S= 8 mm×20 mm = 160 mm2，新工藝中導(dǎo)電截面圓半徑r22=160 mm2÷ 3.14，r2≈ 7.2 mm，同理，蓄電池鉛質(zhì)量m2= ( 17 mm × 18 mm × 6 mm × 2 + 3.14 ×7.22 mm2×6 mm ) ×11.3 g/cm3× 5 ÷ 1000 mm3/cm3≈ 263 g。新電池共節(jié)約鉛質(zhì)量m3= 475 g – 263 g =212 g。

圖5 新工藝電池蓋

圖6 新工藝電池槽

圖7 新工藝槽蓋封合過程

圖8 新工藝槽蓋封合狀態(tài)

圖9 原工藝鉛零件

圖10 新工藝鉛零件

2.2 密封膠質(zhì)量的節(jié)約

圖1 和圖 3 中，原工藝蓄電池蓋內(nèi)的密封膠體積=膠槽體積+鉛零件槽體積。膠槽深度M= 6.3 mm，加膠深度d3= 3.3 mm，對應(yīng)長度l3= ( 325 mm +160 mm ) × 2= 970 mm，對應(yīng)寬度b3= 4.5 mm；膠槽深度N= 26 mm，加膠深度d4= 23 mm，對應(yīng)長度l4= 160 mm × 5 = 800 mm，對應(yīng)寬度b4= 4.5 mm；鉛零件槽為半徑r3= 15 mm 的圓，加膠深度d5=23 mm；密封膠密度ρJ= 1.1 g/cm3。密封膠質(zhì)量m4= ( 970 mm × 4.5 mm × 3.3 mm + 800 mm ×4.5 mm × 23 mm + 3.14 × 152 mm2× 23 mm × 5 )×1.1 g/cm3÷ 1000 mm3/cm3≈ 196 g。

圖6 和圖 8 中，采用新工藝蓄電池膠槽的深度d6= 10.8 mm，加膠深度d7= 6.3 mm，四壁膠槽長度l5= ( 335 mm + 160 mm ) × 2 = 990 mm，隔墻膠槽長度l6= 160 mm × 5 = 800 mm，對應(yīng)寬度b5= 4.5 mm。密封膠質(zhì)量m5= ( 990 mm + 800 mm )× 4.5 mm × 6.3 mm × 1.1 g/cm3÷ 1000 mm3/cm3≈ 56 g。因此，新工藝電池共節(jié)約密封膠質(zhì)量m6=196 g – 56 g = 140 g。

2.3 ABS 塑料質(zhì)量的增加

電池蓋由如圖 1 所示變?yōu)槿鐖D 5 所示，槽蓋封合處由槽狀變?yōu)榕_狀，共節(jié)約 9 根筋條（橫向2 根，縱向 7 根）。筋條厚度δ= 2.2 mm，高度h7= 20.5 mm，總長度l7= 330 mm × 2 + 162 mm× 7 = 1794 mm，ABS 塑料外殼密度ρ(ABS) =1.06 g/cm3。新電池蓋共節(jié)約 ABS 塑料質(zhì)量m7=1794 mm × 20.5 mm × 2.2 mm × 1.06 g/cm3÷1000 mm3/cm3≈ 86 g。

電池槽由如圖 2 所示變?yōu)槿鐖D 6 所示，槽蓋封合處由原來的臺狀變?yōu)椴蹱?，隔墻加?3 mm，隔墻寬b8= 175 mm，隔墻深d8= 188 mm，隔墻體積共增加了V1= 188 mm × 175 mm × 3 mm × 5 ÷1000 mm3/cm3≈ 494 cm3。由第 2.2 節(jié)可知，膠槽深d6= 10.8 mm，膠槽體積V2= ( 990 mm + 800 mm )× 4.5 mm × 10.8mm ÷ 1000 mm3/cm3≈ 87 cm3。電池槽增加 ABS 塑料質(zhì)量m8= ( 494 cm3- 87 cm3)× 1.06 g/cm3≈ 431 cm3og/cm3≈ 431 g。因此，新電池槽蓋合計(jì)增加 ABS 塑料質(zhì)量m9= 431 g – 86 g =345 g。

2.4 蓄電池質(zhì)量對比

綜上所述，新電池質(zhì)量減少部分為m10=m3+m6= 212 g + 140 g = 353 g，增加部分為m9= 345 g。從數(shù)據(jù)上看，新電池和原電池的質(zhì)量相當(dāng)。從經(jīng)濟(jì)效益上來說，節(jié)約的鉛和密封膠的成本遠(yuǎn)超出增加的 ABS 塑料的成本。

3 工藝優(yōu)化

與跨橋焊不同的是，穿壁焊應(yīng)在電池槽隔墻上預(yù)留焊接孔，因此裝配工藝如下：……電池槽打孔→極群組入槽→穿壁焊接→槽蓋、端子同步密封→固化→極性標(biāo)識→固化→……

電池槽打孔時(shí)間約 3～5 s，與節(jié)約的端子密封時(shí)間 1.5 h 相比，可忽略不計(jì)。筆者將 2 種焊接工藝的蓄電池裝配時(shí)間、能耗及產(chǎn)能在某電池廠作對比統(tǒng)計(jì)，情況如下：跨橋焊裝配時(shí)間約 5 h 50 min，穿壁焊裝配時(shí)間約 4 h 10 min，生產(chǎn)效率約提高28.6 %，因?yàn)楹笳卟粌H節(jié)約了固化時(shí)間，而且省去了在原裝配工藝中槽蓋封合前后的 2 次 180o 旋轉(zhuǎn)工序所用的部分時(shí)間和勞動(dòng)強(qiáng)度[4]；跨橋焊的固化時(shí)間共 5 h，SJ-GH-II 固化窯功率 75 kW，電能消耗計(jì)75 kW×5 h = 375 kWh，穿壁焊的固化時(shí)間共 3.5 h，同理，電能消耗計(jì) 75 kW×3.5 h = 262.5 kWh，所以能耗節(jié)約 30 %；跨橋焊產(chǎn)能約 650 只/8 h，穿壁焊產(chǎn)能約 825只/8 h，所以產(chǎn)能約提高 26.9 %。2 種焊接工藝生產(chǎn)出的成品電池見圖 11 。

圖11 原工藝成品電池

4 結(jié)論

筆者將電池槽蓋結(jié)構(gòu)調(diào)整，密封膠槽換位，采用穿壁焊工藝取代跨橋焊工藝，使槽蓋密封和端子密封工藝同步。在縮短生產(chǎn)周期的同時(shí)，減少能源消耗和固化窯設(shè)備投用量，以及節(jié)約車間場地，使物料和半成品周轉(zhuǎn)更快捷。在原材料的使用上，所節(jié)約、增加的材料質(zhì)量相當(dāng)，最終蓄電池質(zhì)量相當(dāng)。由于節(jié)約材料成本大于增加材料成本，經(jīng)濟(jì)效益得到優(yōu)化。但是，在生產(chǎn)實(shí)踐中要注意以下幾點(diǎn)：① 由于電池槽隔墻加厚使得電池長度增加，在選用電池時(shí)，應(yīng)考慮對安裝尺寸的要求；② 隔墻加厚對打孔機(jī)模具材質(zhì)和加工精度有更高的要求[5]；③ 要采用先進(jìn)的穿壁焊設(shè)備和高純度、高電導(dǎo)率的金屬焊接材料，以保證焊接效果。