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動力鋰電池自動生產線概覽及一些問題
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在生產新能源汽車續航里程的要求。也就是大大提高了眾多汽車企業對于電池的要求。如果電池廠家還停留在以前粗獷式的生產，將面臨被淘汰的危險。想要緊跟時代進行技術升級，那就不得不了解一下整個電池行業的信息，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在生產新能源汽車續航里程的要求。也就是大大提高了眾多汽車企業對于電池的要求。如果電池廠家還停留在以前粗獷式的生產，將面臨被淘汰的危險。想要緊跟時代進行技術升級，那就不得不了解一下整個電池行業的信息，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，因而雖然整個生產工藝流程比較接近但各階段工藝參數還是有差異，而且不同應用廠家有不同的材料的使用和配比，工藝的變化、相應的設備選擇也就有差異。
另外，鋰電池從外形上分方形電池、圓柱電池和軟包電池；而從應用的角度，又分數碼電池、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。相比于數碼電池，電芯的配組、組裝是動力電池系統生產、設計應用的關鍵，是連接上游電芯生產和下游（如整車生產）應用的核心環節。相比電池的前段相對標準化的電芯生產、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，探討其后段的生產控制系統。
二，電池生產過程中主要工藝特征
鋰電池生產牽涉到一套很長、復雜的生產鏈，從整個生產鏈來看鋰電池生產是典型的流程式生產，即工藝過程基本上是連續進行的，生產順序幾乎不變。根據標準化成熟度及工序的相關度，電芯生產段即動力電池生產的前段已發展了十多年，基本上工藝、設備標準化成熟度比較高，適用于離散式流程生產方式。而后段動力電池組裝段是近些年才發展起來的產業，行業標準還處于探索階段，相比則其自動化生產適用流水線式流程生產方式。整個流程一般分幾段，中間通過成品/半成品緩存庫連接。
動力電池自動生產線的控制系統
消費領域的數碼電池是鋰電池行業發展最早也最成熟的應用產品，其生產工藝及設備基本標準化。主要由上游電芯生產廠家生產，其“電芯”也是構成動力電池生產最基本的原料。電芯生產段主要涉及的設備有：
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、封口等預裝設備。
3，電芯組裝段：充電化成設備，分容測試柜，電芯測試儀，電芯封裝設備。
電芯生產段主要應用到的控制技術包括：同步控制，糾偏技術，張力控制等；牽涉到的主要儀器及專用設備主要有電芯的電壓、內阻測試儀器，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線配置
動力電池組裝自動化生產主要包括：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商提供的包裝，也可以是廠家經過檢測后統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的焊接作業；電芯組裝成模組后合不合格要通過測試才能確定等等。當然不同電池生產廠家，同一廠家不同的規格型號有不同的生產流程，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、規格，也有不同分檔、配組原則，至于測試參數、電源管理、溫度監控等等基本上是各公司的核心數據。
因此，由于電芯及側板、端板、絕緣片、連接片等投入物料差異；模組及電池包的結構和組裝差異；行業標準化的缺位等因素，所以設計時要著重注意產線的兼容性、整線的節拍，也就是說目前生產線設計要定位于多規格小批量混線生產方式。這也從一個角度說明：產線的控制架構設計，數據采集和處理方式從技術層面看是設計自動化產線控制系統的關鍵，圍繞MES（制造執行系統）設計才是設計控制系統的指導核心。
基于以上分析，盡量配置機器人參與電池組裝生產是明智選擇，配合輸送線、視覺定位、專用設備（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，各工序間狀態和參數的連接、轉換穩定可靠。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/成品生產工位的轉移就更能發揮機器人的靈活方便優勢，這也是多規格小批量混線生產方式的最佳選擇。
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、內阻等測試。
動力電池自動生產線的控制系統
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（同步帶輸送線，倍速鏈輸送線及機器人等）來完成。傳輸系統還可以根據工藝的調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品尺寸調整機構，能適應不同尺寸模組的裝夾，這樣就比較適合小批量多規格的生產需求。焊接是整線中最關鍵的生產工序，為了適應不同規格尺寸混線式生產，視覺定位及激光測距等是自適應生產的必然選擇。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生產方式。一般設計成多連接頭，通過配方功能自動適應不同的測試點及測試項目。
動力電池自動生產線的控制系統
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方式在目前情況下是相較簡單而有效的生產方式。
一，鋰電池生產過程中的一些問題
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，因而雖然整個生產工藝流程比較接近但各階段工藝參數還是有差異，而且不同應用廠家有不同的材料的使用和配比，工藝的變化、相應的設備選擇也就有差異。
另外，鋰電池從外形上分方形電池、圓柱電池和軟包電池；而從應用的角度，又分數碼電池、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。相比于數碼電池，電芯的配組、組裝是動力電池系統生產、設計應用的關鍵，是連接上游電芯生產和下游（如整車生產）應用的核心環節。相比電池的前段相對標準化的電芯生產、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，探討其后段的生產控制系統。
二，電池生產過程中主要工藝特征
鋰電池生產牽涉到一套很長、復雜的生產鏈，從整個生產鏈來看鋰電池生產是典型的流程式生產，即工藝過程基本上是連續進行的，生產順序幾乎不變。根據標準化成熟度及工序的相關度，電芯生產段即動力電池生產的前段已發展了十多年，基本上工藝、設備標準化成熟度比較高，適用于離散式流程生產方式。而后段動力電池組裝段是近些年才發展起來的產業，行業標準還處于探索階段，相比則其自動化生產適用流水線式流程生產方式。整個流程一般分幾段，中間通過成品/半成品緩存庫連接。
動力電池自動生產線的控制系統
消費領域的數碼電池是鋰電池行業發展最早也最成熟的應用產品，其生產工藝及設備基本標準化。主要由上游電芯生產廠家生產，其“電芯”也是構成動力電池生產最基本的原料。電芯生產段主要涉及的設備有：
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、封口等預裝設備。
3，電芯組裝段：充電化成設備，分容測試柜，電芯測試儀，電芯封裝設備。
電芯生產段主要應用到的控制技術包括：同步控制，糾偏技術，張力控制等；牽涉到的主要儀器及專用設備主要有電芯的電壓、內阻測試儀器，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線配置
動力電池組裝自動化生產主要包括：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商提供的包裝，也可以是廠家經過檢測后統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的焊接作業；電芯組裝成模組后合不合格要通過測試才能確定等等。當然不同電池生產廠家，同一廠家不同的規格型號有不同的生產流程，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、規格，也有不同分檔、配組原則，至于測試參數、電源管理、溫度監控等等基本上是各公司的核心數據。
因此，由于電芯及側板、端板、絕緣片、連接片等投入物料差異；模組及電池包的結構和組裝差異；行業標準化的缺位等因素，所以設計時要著重注意產線的兼容性、整線的節拍，也就是說目前生產線設計要定位于多規格小批量混線生產方式。這也從一個角度說明：產線的控制架構設計，數據采集和處理方式從技術層面看是設計自動化產線控制系統的關鍵，圍繞MES（制造執行系統）設計才是設計控制系統的指導核心。
基于以上分析，盡量配置機器人參與電池組裝生產是明智選擇，配合輸送線、視覺定位、專用設備（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，各工序間狀態和參數的連接、轉換穩定可靠。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/成品生產工位的轉移就更能發揮機器人的靈活方便優勢，這也是多規格小批量混線生產方式的最佳選擇。
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、內阻等測試。
動力電池自動生產線的控制系統
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（同步帶輸送線，倍速鏈輸送線及機器人等）來完成。傳輸系統還可以根據工藝的調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品尺寸調整機構，能適應不同尺寸模組的裝夾，這樣就比較適合小批量多規格的生產需求。焊接是整線中最關鍵的生產工序，為了適應不同規格尺寸混線式生產，視覺定位及激光測距等是自適應生產的必然選擇。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生產方式。一般設計成多連接頭，通過配方功能自動適應不同的測試點及測試項目。
動力電池自動生產線的控制系統
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方式在目前情況下是相較簡單而有效的生產方式。
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