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動力鋰電池自動生產(chǎn)線概覽及一些問題
來源:銳研機電
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作者:銳研機電
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發(fā)布時間: 2018-06-19
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新能源注定是未來趨勢，近日，國家出臺了最新的新能源車補貼標準，大大提高了對于企業(yè)在生產(chǎn)新能源汽車續(xù)航里程的要求。也就是大大提高了眾多汽車企業(yè)對于電池的要求。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。想要緊跟時代進行技術(shù)升級，那就不得不了解一下整個電池行業(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，近日，國家出臺了最新的新能源車補貼標準，大大提高了對于企業(yè)在生產(chǎn)新能源汽車續(xù)航里程的要求。也就是大大提高了眾多汽車企業(yè)對于電池的要求。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。想要緊跟時代進行技術(shù)升級，那就不得不了解一下整個電池行業(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，又分數(shù)碼電池、動力電池、儲能電池。其中動力電池和儲能電池是將眾多單個的電芯通過串、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、組裝是動力電池系統(tǒng)生產(chǎn)、設(shè)計應(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標準化的電芯生產(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)標準。
本文將主要以方形電芯動力鋰電池為例，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、復(fù)雜的生產(chǎn)鏈，從整個生產(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)進行的，生產(chǎn)順序幾乎不變。根據(jù)標準化成熟度及工序的相關(guān)度，電芯生產(chǎn)段即動力電池生產(chǎn)的前段已發(fā)展了十多年，基本上工藝、設(shè)備標準化成熟度比較高，適用于離散式流程生產(chǎn)方式。而后段動力電池組裝段是近些年才發(fā)展起來的產(chǎn)業(yè)，行業(yè)標準還處于探索階段，相比則其自動化生產(chǎn)適用流水線式流程生產(chǎn)方式。整個流程一般分幾段，中間通過成品/半成品緩存庫連接。
動力電池自動生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)
消費領(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)備基本標準化。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，涂布機，輥壓機，分條機，制片機。
2，電芯制作段：卷繞機，疊片機，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，分容測試柜，電芯測試儀，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)阻測試儀器，分容測試柜，超聲波焊接,中低功率激光焊接機等等。這些不是本文需要探討的重點，電池生產(chǎn)的后段：動力電池組裝段才是本文探討的重點。
三，動力電池組裝工藝及產(chǎn)線配置
動力電池組裝自動化生產(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。模組的自動化組裝工藝流程都是從電芯上料開始的，這個來料可以是原供應(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上料，然后通過機器手臂抓取。上料的同時會進行電芯的讀碼、電芯極性檢測、電芯分選、電芯厚度檢測、電芯電性能OCV等檢測，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分別進行諸如等離子清潔、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、匯流排焊接、BMS系統(tǒng)連接、模組最終檢測、模組下料等工序。
這一序列工序是完成從單個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、處理動作都是圍繞單個電芯配組成模組再配組成電池包而進行的，如：只有經(jīng)過一序列檢測、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)標準化的缺位等因素，所以設(shè)計時要著重注意產(chǎn)線的兼容性、整線的節(jié)拍，也就是說目前生產(chǎn)線設(shè)計要定位于多規(guī)格小批量混線生產(chǎn)方式。這也從一個角度說明：產(chǎn)線的控制架構(gòu)設(shè)計，數(shù)據(jù)采集和處理方式從技術(shù)層面看是設(shè)計自動化產(chǎn)線控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，圍繞MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）設(shè)計才是設(shè)計控制系統(tǒng)的指導(dǎo)核心。
基于以上分析，盡量配置機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）和專用檢測儀器等完成整個電池生產(chǎn)過程。
比較適合用同步帶輸送線（相比電芯尺寸小且變動也不大），各工位同步運行，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)揮機器人的靈活方便優(yōu)勢，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，倍速鏈帶動治具板一個個工位順序流動，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)阻等測試。
動力電池自動生產(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)計成多連接頭，通過配方功能自動適應(yīng)不同的測試點及測試項目。
動力電池自動生產(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化線，那么由模組組裝成電池包則比較適合半自動化線，如上圖。因為到了電池包組裝段，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；再則動力電池流程到這個階段的標準化、通用化程度更低。因而借助滾筒輸送線、助力臂、機器人、AGV小車等，配合人工以半自動化作業(yè)方式在目前情況下是相較簡單而有效的生產(chǎn)方式。
一，鋰電池生產(chǎn)過程中的一些問題
目前市場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，又分數(shù)碼電池、動力電池、儲能電池。其中動力電池和儲能電池是將眾多單個的電芯通過串、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、組裝是動力電池系統(tǒng)生產(chǎn)、設(shè)計應(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標準化的電芯生產(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)標準。
本文將主要以方形電芯動力鋰電池為例，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、復(fù)雜的生產(chǎn)鏈，從整個生產(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)進行的，生產(chǎn)順序幾乎不變。根據(jù)標準化成熟度及工序的相關(guān)度，電芯生產(chǎn)段即動力電池生產(chǎn)的前段已發(fā)展了十多年，基本上工藝、設(shè)備標準化成熟度比較高，適用于離散式流程生產(chǎn)方式。而后段動力電池組裝段是近些年才發(fā)展起來的產(chǎn)業(yè)，行業(yè)標準還處于探索階段，相比則其自動化生產(chǎn)適用流水線式流程生產(chǎn)方式。整個流程一般分幾段，中間通過成品/半成品緩存庫連接。
動力電池自動生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)
消費領(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)備基本標準化。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，涂布機，輥壓機，分條機，制片機。
2，電芯制作段：卷繞機，疊片機，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，分容測試柜，電芯測試儀，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)阻測試儀器，分容測試柜，超聲波焊接,中低功率激光焊接機等等。這些不是本文需要探討的重點，電池生產(chǎn)的后段：動力電池組裝段才是本文探討的重點。
三，動力電池組裝工藝及產(chǎn)線配置
動力電池組裝自動化生產(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。模組的自動化組裝工藝流程都是從電芯上料開始的，這個來料可以是原供應(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上料，然后通過機器手臂抓取。上料的同時會進行電芯的讀碼、電芯極性檢測、電芯分選、電芯厚度檢測、電芯電性能OCV等檢測，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分別進行諸如等離子清潔、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、匯流排焊接、BMS系統(tǒng)連接、模組最終檢測、模組下料等工序。
這一序列工序是完成從單個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、處理動作都是圍繞單個電芯配組成模組再配組成電池包而進行的，如：只有經(jīng)過一序列檢測、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)標準化的缺位等因素，所以設(shè)計時要著重注意產(chǎn)線的兼容性、整線的節(jié)拍，也就是說目前生產(chǎn)線設(shè)計要定位于多規(guī)格小批量混線生產(chǎn)方式。這也從一個角度說明：產(chǎn)線的控制架構(gòu)設(shè)計，數(shù)據(jù)采集和處理方式從技術(shù)層面看是設(shè)計自動化產(chǎn)線控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，圍繞MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）設(shè)計才是設(shè)計控制系統(tǒng)的指導(dǎo)核心。
基于以上分析，盡量配置機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）和專用檢測儀器等完成整個電池生產(chǎn)過程。
比較適合用同步帶輸送線（相比電芯尺寸小且變動也不大），各工位同步運行，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)揮機器人的靈活方便優(yōu)勢，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，倍速鏈帶動治具板一個個工位順序流動，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)阻等測試。
動力電池自動生產(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)計成多連接頭，通過配方功能自動適應(yīng)不同的測試點及測試項目。
動力電池自動生產(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化線，那么由模組組裝成電池包則比較適合半自動化線，如上圖。因為到了電池包組裝段，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；再則動力電池流程到這個階段的標準化、通用化程度更低。因而借助滾筒輸送線、助力臂、機器人、AGV小車等，配合人工以半自動化作業(yè)方式在目前情況下是相較簡單而有效的生產(chǎn)方式。
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