熊志力,張興,張恒山,柳銳,朱文樂,艾,張偉
(湖北南都新能源研究有限公司,湖北 鄂州 436000)
在傳統(tǒng)起停乘用車及新能源汽車行業(yè),用戶隨著消費和享受意識的提高,對車輛的舒適性要求越來越高[1-3]。這樣,對低壓 12 V 電池的要求越來越高。AGM 起停電池以其各項優(yōu)異的性能指標已逐漸成為各大 OEM 主機廠及售后終端市場的首選。但是,由于 AGM 起停電池鉛耗重,導致生產(chǎn)成本高,故其售價遠高于同型號 EFB 起停電池。因此,筆者圍繞 AGM 起停電池輕量化降本技術(板柵、活性物質輕量化)及其關鍵生產(chǎn)技術和工藝轉化進行詳細闡述,在降低 AGM 起停電池重量的前提下,進一步提升 AGM 起停的關鍵性能指標,大幅提升企業(yè)生產(chǎn)效率和利潤空間。
鑄板線、寬鉛帶連鑄連軋線、沖網(wǎng)線、真空合膏機、鼓式涂填機、固化室、TBS 全自動裝配線、冷酸機、真空定量灌酸機、高精度充放電機、精密恒溫水浴槽、CMW 全自動后處理線、金帆充放電測試儀器、萬用表、內阻儀、電導儀等。
根據(jù)表 1 中的設計方案,首先在重力鑄造工藝方面驗證活性物質輕量化對 6-QTF-80 AGM 起停電池性能的影響。在所有的試驗方案中 AGM 隔板的壓縮比均被控制在 25 %~30 %(隔板的寬度均為 162 mm),而且化成制度均采用 68 h/550 Ah 充電工藝。分別考察不同活性物質配比對 AGM 起停電池在化成過程中的失水率、飽和度[4](飽和吸酸量以及實際電池含酸量),化成過程 3 小時率容判電壓,以及下線靜置 7 d 后的開路電壓(OCV)、高倍率放電閉路電壓(HRD)、內阻的影響。
表1 活性物質輕量化方案設計
通過表 2 中數(shù)據(jù)可以看出,在一定的范圍內,活性物質輕量化對 AGM 起停電池化成后靜置 7 d后的高倍率放電閉路電壓(實際采用 1 050 A 放電4 s)、內阻和隔板飽和度無顯著影響。由于采用相同的化成程序,隨著正極活性物質的減少,化成失水率逐漸增加,導致化成終點時硫酸電解液的密度略有增加(通過對比化成下線后靜置 7 d 的開路電壓可以看出)。在 AGM 起停電池化成過程中通常會設置在線容量檢測程序(通過模擬 3 小時率放電來判斷電池實際容量合格率水平),然而活性物質配比的改變,對 3 小時率容判電壓沒有顯著性影響。因此,在一定范圍內,活性物質輕量化不會對 AGM 起停電池的化成過程產(chǎn)生顯著性影響。
表2 活性物質配比對 AGM 起停電池化成結果的影響
通過對比不同程度的活性物質輕量化對 AGM起停關鍵電性能的影響,可以發(fā)現(xiàn)(如表 3~表 5所示),隨著活性物質輕量化程度的增加,AGM起停電池的 CCA 電導值(CCA 電導值是采用電導儀模擬測試得出的一個無量綱值)、內阻、20 小時率容量、靜態(tài)及動態(tài)充電接受能力、水損耗均無顯著降低。隨著活性物質輕量化程度的增加,低溫冷起動性能有所下降,主要體現(xiàn)在 U10s電壓和低溫持續(xù)放電總容量 Ccc上,而且儲備容量也有一定程度的降低,但均滿足 JB/T 12666—2016 標準的要求。此外,隨著活性物質輕量化程度的增加,75 ℃SAE J2801 壽命呈逐漸增加的趨勢。由于隨著極板活性物質輕量化程度的增加,極板厚度降低,為了保證裝配壓縮比維持在 25 %~30 % 范圍內,需要采用更厚的 AGM 隔板。由于 AGM 隔板厚度增加(寬度保持不變),AGM 隔板的自由吸酸總量和加壓吸酸量均明顯增加。因此,在飽和度相同的情況下,隨著極板輕量化程度的增加,AGM 起停電池內部有效含酸量明顯增加。75 ℃ J2801 高溫壽命失效的主要特征為電池失水,導致隔板干涸[5-6]。在板柵耐腐蝕速率基本一致的前提下,電池內部有效酸量的增加會在一定程度上延緩隔板干涸的速率,提升 J2801 壽命。另外,隨著活性物質輕量化程度的增加,雖然按照標準 JB/T 12666—2016 標準要求,其 50 % DOD 循環(huán)壽命均能合格,但放電電壓平臺有一定程度的降低,因此在生產(chǎn)設計上需要兼顧考慮深循環(huán)壽命的需求時,活性物質輕量化需要有一定的度量把握,尤其是針對正極活性物質輕量化,設計上須尤為謹慎。通過綜合對比不同活性物質輕量化對 AGM 起停關鍵電性能的影響結合成本及市場客戶反饋,最終選擇裝配方案 2 作為最佳活性物質設計配比,并進行量產(chǎn)推廣。
表3 活性物質配比對 AGM 起停電池關鍵電性能的影響
表4 活性物質配比對 AGM 起停電池充電接受能力的影響
表5 活性物質配比對 AGM 起停電池循環(huán)壽命的影響
根據(jù)生產(chǎn)設計、成本及客戶反饋,最終確定了最佳的活性物質設計配比,接下來進行板柵輕量化,即采用寬鉛帶連鑄連軋—沖網(wǎng)工藝替代傳統(tǒng)重力鑄造板柵生產(chǎn)工藝,并通過交叉配組驗證方式充分對比了 2 種板柵制造工藝對 AGM 起停關鍵電性能的影響。
根據(jù)表 6 交叉配組驗證設計方案,在固定正負極活性物質配比的前提下,所有的試驗方案 AGM隔板壓縮比均控制在 25 %~30 %(隔板寬度均為162 mm),化成制度同樣均采用 68 h/550 Ah 充電工藝。通過表 7 數(shù)據(jù)可以看出,采用重力鑄造工藝與鉛帶連鑄連軋—連沖工藝制造正極板柵對 AGM起停電池化成后靜置 7 d 后的 HRD(高倍率放電閉路電壓,實際采用 1 050 A 放電 4 s)和內阻有顯著性影響,尤其是對電導值及內阻,采用重力鑄造工藝的正極板柵的電導值明顯偏高,內阻明顯偏低。這就是重力鑄造板柵的核心優(yōu)勢。同樣的板面寬度和板面高度條件下,重力鑄造板柵比連鑄連軋—連沖板柵約重 10 g/片。由于重力鑄造工藝板柵表面粗糙化程度遠遠高于連鑄連軋—沖網(wǎng)板柵,因此在同樣的固化條件下,重力鑄造板柵的固化效果遠遠優(yōu)于連鑄連軋—沖網(wǎng)板柵。連鑄連軋—沖網(wǎng)板柵本身可能存在油污,會影響固化界面腐蝕層的形成與腐蝕層化成組成,因此板柵表面的清潔度需要尤為重視。
表6 板柵輕量化設計及交叉配組方案
表7 板柵制造工藝對 AGM 起停電池化成結果的影響
生產(chǎn)沖網(wǎng)板柵需要先生產(chǎn)寬鉛帶。目前,行業(yè)里寬鉛帶的生產(chǎn)工藝主要分為 Cominco 鑄帶和連鑄連軋工藝。采用 Cominco 鑄帶工藝生產(chǎn)的鉛帶未經(jīng)軋制過程且較軟,所以板柵需要經(jīng)過高溫時效硬化后才能用于涂填工序。目前行業(yè)內采用 Cominco鑄帶工藝生產(chǎn)的鉛帶多用于負極板柵。由于存在軋制工藝,連鑄連軋工藝與 Cominco 鑄帶工藝和重力鑄造工藝相比,鉛帶時效硬化速率較高,因此生產(chǎn)效率大幅度提高。此外,鉛胚經(jīng)過軋制后,晶粒更加細化,晶界腐蝕速率比采用重力鑄造工藝時有一定降低,板柵耐腐蝕性能增強,但連鑄連軋寬鉛帶的生產(chǎn)工序控制更為復雜。由于連鑄連軋工藝需要很高的技術壁壘,工藝參數(shù)的調整直接影響鉛帶耐腐蝕性。在此詳細羅列了連鑄連軋寬鉛帶在生產(chǎn)過程中所需要的關鍵控制點:① 成型腔內鉛液溫度;② 鉛胚溫度(與鑄帶輪轉速、冷卻水進口溫度和流量息息相關);③ 鉛胚軋制比(每道工序的軋制變形量和軋制比直接影響晶粒結構組織與大?。?;④ 皂化液濃度與溫度;⑤ 收卷張力錐度比;⑥ 鉛帶側彎情況;⑦ 沖網(wǎng)板柵排布設計和沖網(wǎng)模具設計問題;⑧ 沖網(wǎng)板柵筋條粗細一致性問題;⑨ 板柵表面清潔度(RUF 熒光值)。
通過表 8 發(fā)現(xiàn),正極板柵輕量化對 AGM 起停電池的內阻和電導值有顯著性影響。連鑄連軋—沖網(wǎng)板柵電池與重力鑄造板柵電池相比,雖然質量較小,但內阻較高,電導值也有較大幅度下降。由表 8和表 9 可知,雖然連鑄連軋沖網(wǎng)板柵電池的 50 %DOD 深循環(huán)壽命、水損耗和高溫耐腐蝕性能均能滿足標準要求,但連鑄連軋—沖網(wǎng)板柵電池與重力鑄造板柵電池相比,-18 ℃ 低溫冷起動測試中以 Icc放電 10 s 時的電壓值 U10s的富余量有一定程度的降低,SAE J2801 壽命有一定程度的提升。通常實際生產(chǎn)中,重力鑄造正極板柵中實際的 Sn 含量會比連鑄連軋—正極沖網(wǎng)板柵略高。而且,二者相比之下,重力鑄造板柵更厚,筋條更粗,然而為了達成輕量化目的,通常連鑄連軋沖網(wǎng)板柵更薄,筋條更細。但是,在高溫耐腐蝕性能方面,連鑄連軋—沖網(wǎng)板柵與重力鑄造板柵相比,有過之無不及。隨著對連鑄連軋工藝參數(shù)的進一步持續(xù)優(yōu)化改進,連鑄連軋—沖網(wǎng)板柵的耐腐蝕性能會有更高的提升。
表8 板柵制造工藝對 AGM 起停電池關鍵電性能的影響
表9 板柵制造工藝對循環(huán)壽命和充電接受能力的影響
由于 AGM 起停電池設計及生產(chǎn)制造進一步精益化,很多企業(yè)在考慮制造成本時,已不再局限在活性物質和板柵在鉛耗上,也將降低鑄焊鉛耗作為目標。通過降低鑄焊匯流排(COS)中 Sn 含量,優(yōu)化 COS 模具設計,更改鉛零件的設計厚度、寬度,以及直極柱、偏零件的尺寸,在不降低 AGM起停電池性能和生產(chǎn)效率的基礎上,降低鑄焊鉛耗,最終達到了降本增效的目的。
筆者重點圍繞 AGM 起停電池輕量化降本技術(板柵和活性物質輕量化)及其關鍵生產(chǎn)技術、設備、工藝升級轉化進行詳細闡述,在大幅度降低 AGM起停電池重量的前提下,進一步提升 AGM 起停的關鍵性能指標,大幅提升企業(yè)生產(chǎn)效率及利潤空間。