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專注于電阻焊及自動(dòng)化設(shè)備

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動(dòng)力鋰電池自動(dòng)生產(chǎn)線概覽及一些問題
來源:銳研機(jī)電 | 作者:銳研機(jī)電 | 發(fā)布時(shí)間: 2018-06-19 | 6415 次瀏覽 | 分享到:
新能源注定是未來趨勢(shì)，近日，國(guó)家出臺(tái)了最新的新能源車補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)，大大提高了對(duì)于企業(yè)在生產(chǎn)新能源汽車?yán)m(xù)航里程的要求。也就是大大提高了眾多汽車企業(yè)對(duì)于電池的要求。如果電池廠家還停留在以前粗獷式的生產(chǎn)，將面臨被淘汰的危險(xiǎn)。想要緊跟時(shí)代進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，那就不得不了解一下整個(gè)電池行業(yè)的信息，下面我們就來從鋰電池的原料、加工、組裝、等所有流程進(jìn)行一些探討和了解一些問題。
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       新能源注定是未來趨勢(shì)，近日，國(guó)家出臺(tái)了最新的新能源車補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)，大大提高了對(duì)于企業(yè)在生產(chǎn)新能源汽車?yán)m(xù)航里程的要求。也就是大大提高了眾多汽車企業(yè)對(duì)于電池的要求。如果電池廠家還停留在以前粗獷式的生產(chǎn)，將面臨被淘汰的危險(xiǎn)。想要緊跟時(shí)代進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，那就不得不了解一下整個(gè)電池行業(yè)的信息，下面我們就來從鋰電池的原料、加工、組裝、等所有流程進(jìn)行一些探討和了解一些問題。

一，鋰電池生產(chǎn)過程中的一些問題
目前市場(chǎng)上采用較多的鋰電池主要為磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池，首先二者正極原材料差異就大，因而雖然整個(gè)生產(chǎn)工藝流程比較接近但各階段工藝參數(shù)還是有差異，而且不同應(yīng)用廠家有不同的材料的使用和配比，工藝的變化、相應(yīng)的設(shè)備選擇也就有差異。
另外，鋰電池從外形上分方形電池、圓柱電池和軟包電池；而從應(yīng)用的角度，又分?jǐn)?shù)碼電池、動(dòng)力電池、儲(chǔ)能電池。其中動(dòng)力電池和儲(chǔ)能電池是將眾多單個(gè)的電芯通過串、并聯(lián)的方式連接起來的電池組及電池包，并綜合了動(dòng)力和熱管理等電池管理系統(tǒng)。相比于數(shù)碼電池，電芯的配組、組裝是動(dòng)力電池系統(tǒng)生產(chǎn)、設(shè)計(jì)應(yīng)用的關(guān)鍵，是連接上游電芯生產(chǎn)和下游（如整車生產(chǎn)）應(yīng)用的核心環(huán)節(jié)。相比電池的前段相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的電芯生產(chǎn)、組裝工藝，后段電芯的配組、組裝工藝，目前還缺乏成熟的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
本文將主要以方形電芯動(dòng)力鋰電池為例，探討其后段的生產(chǎn)控制系統(tǒng)。


二，電池生產(chǎn)過程中主要工藝特征
鋰電池生產(chǎn)牽涉到一套很長(zhǎng)、復(fù)雜的生產(chǎn)鏈，從整個(gè)生產(chǎn)鏈來看鋰電池生產(chǎn)是典型的流程式生產(chǎn)，即工藝過程基本上是連續(xù)進(jìn)行的，生產(chǎn)順序幾乎不變。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化成熟度及工序的相關(guān)度，電芯生產(chǎn)段即動(dòng)力電池生產(chǎn)的前段已發(fā)展了十多年，基本上工藝、設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化成熟度比較高，適用于離散式流程生產(chǎn)方式。而后段動(dòng)力電池組裝段是近些年才發(fā)展起來的產(chǎn)業(yè)，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)還處于探索階段，相比則其自動(dòng)化生產(chǎn)適用流水線式流程生產(chǎn)方式。整個(gè)流程一般分幾段，中間通過成品/半成品緩存庫(kù)連接。
動(dòng)力電池自動(dòng)生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)


消費(fèi)領(lǐng)域的數(shù)碼電池是鋰電池行業(yè)發(fā)展最早也最成熟的應(yīng)用產(chǎn)品，其生產(chǎn)工藝及設(shè)備基本標(biāo)準(zhǔn)化。主要由上游電芯生產(chǎn)廠家生產(chǎn)，其“電芯”也是構(gòu)成動(dòng)力電池生產(chǎn)最基本的原料。電芯生產(chǎn)段主要涉及的設(shè)備有：
1，極片制作段：攪拌機(jī)，涂布機(jī)，輥壓機(jī)，分條機(jī)，制片機(jī)。
2，電芯制作段：卷繞機(jī)，疊片機(jī)，入殼、注液、封口等預(yù)裝設(shè)備。
3，電芯組裝段：充電化成設(shè)備，分容測(cè)試柜，電芯測(cè)試儀，電芯封裝設(shè)備。
電芯生產(chǎn)段主要應(yīng)用到的控制技術(shù)包括：同步控制，糾偏技術(shù)，張力控制等；牽涉到的主要儀器及專用設(shè)備主要有電芯的電壓、內(nèi)阻測(cè)試儀器，分容測(cè)試柜，超聲波焊接,中低功率激光焊接機(jī)等等。這些不是本文需要探討的重點(diǎn)，電池生產(chǎn)的后段：動(dòng)力電池組裝段才是本文探討的重點(diǎn)。


三，動(dòng)力電池組裝工藝及產(chǎn)線配置
動(dòng)力電池組裝自動(dòng)化生產(chǎn)主要包括：電芯處理段，模組組裝段，模組框架焊接段，匯流排焊接段，PACK裝配段。


一般而言，不管是軟包電池、硬殼電池還是圓柱電池。模組的自動(dòng)化組裝工藝流程都是從電芯上料開始的，這個(gè)來料可以是原供應(yīng)商提供的包裝，也可以是廠家經(jīng)過檢測(cè)后統(tǒng)一整理好的專用料框。上料可以是人工操作，也可以通過傳送帶自動(dòng)上料，然后通過機(jī)器手臂抓取。上料的同時(shí)會(huì)進(jìn)行電芯的讀碼、電芯極性檢測(cè)、電芯分選、電芯厚度檢測(cè)、電芯電性能OCV等檢測(cè)，并將不良品剔除。來料通過初檢和分選之后，根據(jù)模組和工藝要求的不同會(huì)分別進(jìn)行諸如等離子清潔、涂膠貼膠、電芯堆疊、模組組裝、極耳裁切整形、模組框架焊接、模組打碼掃碼、模組檢測(cè)、匯流排焊接、BMS系統(tǒng)連接、模組最終檢測(cè)、模組下料等工序。
這一序列工序是完成從單個(gè)電芯配組成模組的組裝工藝過程，從模組配組成電池包過程也基本類似。也就是說所有的工序、處理動(dòng)作都是圍繞單個(gè)電芯配組成模組再配組成電池包而進(jìn)行的，如：只有經(jīng)過一序列檢測(cè)、處理合格，滿足所謂“同一性”要求的電芯才能參與配組；電芯堆疊與模組框架組裝好，符合成組要求，滿足組裝精度才能進(jìn)行電芯串并聯(lián)的焊接作業(yè)；電芯組裝成模組后合不合格要通過測(cè)試才能確定等等。當(dāng)然不同電池生產(chǎn)廠家，同一廠家不同的規(guī)格型號(hào)有不同的生產(chǎn)流程，但大的流程方向上差不多。主要差別是電芯、模組、電池包有不同的尺寸、規(guī)格，也有不同分檔、配組原則，至于測(cè)試參數(shù)、電源管理、溫度監(jiān)控等等基本上是各公司的核心數(shù)據(jù)。
因此，由于電芯及側(cè)板、端板、絕緣片、連接片等投入物料差異；模組及電池包的結(jié)構(gòu)和組裝差異；行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的缺位等因素，所以設(shè)計(jì)時(shí)要著重注意產(chǎn)線的兼容性、整線的節(jié)拍，也就是說目前生產(chǎn)線設(shè)計(jì)要定位于多規(guī)格小批量混線生產(chǎn)方式。這也從一個(gè)角度說明：產(chǎn)線的控制架構(gòu)設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)采集和處理方式從技術(shù)層面看是設(shè)計(jì)自動(dòng)化產(chǎn)線控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，圍繞MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）設(shè)計(jì)才是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的指導(dǎo)核心。
基于以上分析，盡量配置機(jī)器人參與電池組裝生產(chǎn)是明智選擇，配合輸送線、視覺定位、專用設(shè)備（如高功率激光焊接機(jī)）和專用檢測(cè)儀器等完成整個(gè)電池生產(chǎn)過程。

比較適合用同步帶輸送線（相比電芯尺寸小且變動(dòng)也不大），各工位同步運(yùn)行，各工序間狀態(tài)和參數(shù)的連接、轉(zhuǎn)換穩(wěn)定可靠。模組堆疊、組裝則更適合用選用機(jī)器人。如下圖，模組框架外殼的焊接牽涉到焊接、視覺定位，同樣應(yīng)用機(jī)器人更方便靈活；至于把不同來料組裝在一起，半成品/成品生產(chǎn)工位的轉(zhuǎn)移就更能發(fā)揮機(jī)器人的靈活方便優(yōu)勢(shì)，這也是多規(guī)格小批量混線生產(chǎn)方式的最佳選擇。



而電芯堆疊成模組后尺寸和重量都比較大，就比較適合倍速鏈輸送線。半成品模組固定在治具定位板上，倍速鏈帶動(dòng)治具板一個(gè)個(gè)工位順序流動(dòng)，可在不同工位完成極柱的定位和清洗，匯流排的焊接，模組絕緣、耐壓、電壓、內(nèi)阻等測(cè)試。
動(dòng)力電池自動(dòng)生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)


由此可見，從電芯上料到最終模組下料，整個(gè)物料的傳送通過傳輸系統(tǒng)（同步帶輸送線，倍速鏈輸送線及機(jī)器人等）來完成。傳輸系統(tǒng)還可以根據(jù)工藝的調(diào)整需求靈活擴(kuò)展工位，不同工位之間的傳遞無需人為操作，模組治具定位板自帶產(chǎn)品尺寸調(diào)整機(jī)構(gòu)，能適應(yīng)不同尺寸模組的裝夾，這樣就比較適合小批量多規(guī)格的生產(chǎn)需求。焊接是整線中最關(guān)鍵的生產(chǎn)工序，為了適應(yīng)不同規(guī)格尺寸混線式生產(chǎn)，視覺定位及激光測(cè)距等是自適應(yīng)生產(chǎn)的必然選擇。另外無論是電芯、模組還是電池包的電性能測(cè)試也是非常重要的工序，同樣需要注意這種自適應(yīng)生產(chǎn)方式。一般設(shè)計(jì)成多連接頭，通過配方功能自動(dòng)適應(yīng)不同的測(cè)試點(diǎn)及測(cè)試項(xiàng)目。
動(dòng)力電池自動(dòng)生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)


如果說電芯配組組裝成模組段可以采用全自動(dòng)化線，那么由模組組裝成電池包則比較適合半自動(dòng)化線，如上圖。因?yàn)榈搅穗姵匕M裝段，來料、成品/半成品尺寸和重量都很大；其中柔性的線路串接等工作更離不開人工的協(xié)助；再則動(dòng)力電池流程到這個(gè)階段的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化程度更低。因而借助滾筒輸送線、助力臂、機(jī)器人、AGV小車等，配合人工以半自動(dòng)化作業(yè)方式在目前情況下是相較簡(jiǎn)單而有效的生產(chǎn)方式。