用于電芯制造的超級(jí)箱體質(zhì)量門

作者：是德科技汽車和能源解決方案營(yíng)銷經(jīng)理Hwee Yng Yeo

“超級(jí)工廠”一詞在十年前還沒(méi)有出現(xiàn)，但現(xiàn)在已經(jīng)成為整個(gè)電動(dòng)汽車（EV）生態(tài)系統(tǒng)的中流砥柱。超級(jí)工廠將鋰離子（Li-ion）電池的產(chǎn)量從每年4 GWh至10 GWh提升至每年40 GWh至80 GWh。電池的大批量生產(chǎn)將成本效益提高到了極致，使得過(guò)去十年電動(dòng)汽車的電池價(jià)格下跌了90%。

超級(jí)工廠的電池生產(chǎn)流程異常復(fù)雜。為了擴(kuò)大電池的生產(chǎn)規(guī)模，就必須在生產(chǎn)流程的每一個(gè)環(huán)節(jié)上實(shí)現(xiàn)高精度、自動(dòng)化并安排質(zhì)檢。電芯是電池模組的基本組成單位，電池模組串聯(lián)成電池包之后，可用于電動(dòng)汽車的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)。

大多數(shù)電動(dòng)汽車電池的循環(huán)壽命在1500至2000次，具體取決于電池組的設(shè)計(jì)和電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。生產(chǎn)過(guò)程中的缺陷檢測(cè)以及預(yù)充電、化成和老化等階段中的質(zhì)量檢測(cè)對(duì)于確保電池的性能和實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)壽命至關(guān)重要。

圖1所示的是常規(guī)鋰離子電池制造流程的簡(jiǎn)化示意圖。

圖1：電池制造流程中的關(guān)鍵階段

檢測(cè)電池生產(chǎn)過(guò)程中的制造缺陷

電池的性能可能因制造流程中的電化學(xué)或機(jī)械缺陷而偏離最初的設(shè)計(jì)規(guī)格。

濕度、微量顆粒污染物等因素都會(huì)對(duì)電池產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致放電速度加快和電池失效。例如，電池結(jié)構(gòu)中的微小機(jī)械缺陷會(huì)在每次電池充放電循環(huán)中產(chǎn)生明顯的變形，縮短電池的使用壽命。

電池制造流程中可能出現(xiàn)的另外一個(gè)缺陷是在焊片焊接過(guò)程產(chǎn)生的輕微焊片毛刺。焊片將陽(yáng)極和陰極連接到電池殼體外部的負(fù)載，上面的毛刺可能導(dǎo)致內(nèi)部短路，進(jìn)而引發(fā)熱失控。

分析電池的循環(huán)壽命 ，嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)

為了了解電池實(shí)際的性能表現(xiàn)與設(shè)計(jì)規(guī)格之間存在的差異，需要在制造過(guò)程中讓每個(gè)電池通過(guò)諸多質(zhì)量檢驗(yàn)關(guān)口，其中包括一個(gè)能確定電池充放電循環(huán)壽命和老化速度的質(zhì)量關(guān)口。這個(gè)環(huán)節(jié)旨在檢驗(yàn)電池在開(kāi)始加速衰減和失去完全充電的能力之前可以充放電多少次。

電池循環(huán)測(cè)試是一個(gè)需要數(shù)天、數(shù)周乃至數(shù)月的漫長(zhǎng)流程。每個(gè)電池必須經(jīng)歷數(shù)百次充放電循環(huán)，才能表征內(nèi)部電阻和容量保持率與循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系。

制造商不可能對(duì)現(xiàn)代化超級(jí)工廠產(chǎn)線上的每個(gè)電池進(jìn)行電池循環(huán)質(zhì)量檢測(cè)，而是在線下進(jìn)行抽檢來(lái)把握產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)。

在循環(huán)壽命測(cè)試中，制造商使用電池充放電循環(huán)測(cè)試儀來(lái)表征電芯容量和效率在連續(xù)充放電循環(huán)中隨時(shí)間的變化。

使用超級(jí)測(cè)試箱提高電池循環(huán)測(cè)試效率

制造商需要采用節(jié)約成本的創(chuàng)新方案來(lái)把好質(zhì)量關(guān)，以提高效率、減少運(yùn)營(yíng)成本并進(jìn)一步降低電動(dòng)汽車電池的成本，進(jìn)而縮小燃油汽車和中檔電動(dòng)汽車之間的價(jià)格差距。圖2所示的是一個(gè)常規(guī)電池循環(huán)測(cè)試裝置，每個(gè)箱體能夠容納10到20個(gè)電芯，功率約為10 kW，不包括循環(huán)器為電芯充放電所需的能量。

圖2：常規(guī)電池循環(huán)測(cè)試裝置

在電池制造過(guò)程中部署的新質(zhì)量管控方案，其中的“超級(jí)測(cè)試箱”有助于減少超級(jí)工廠的車間空間占用和耗電量。圖3所示的是電池測(cè)試解決方案提供商是德科技與Proventia聯(lián)合創(chuàng)建的新型超級(jí)測(cè)試箱質(zhì)量管控裝置。每個(gè)超級(jí)測(cè)試箱僅為一個(gè)集裝箱大小，可容納200個(gè)350A的棱柱形電芯通道和100個(gè)10A的圓柱形電芯通道，并配有安全和溫度控制系統(tǒng)。

圖3：尺寸緊湊超級(jí)測(cè)試箱，用于電池循環(huán)測(cè)試

在是德科技和Proventia合作的項(xiàng)目中，合作開(kāi)發(fā)人員發(fā)現(xiàn)對(duì)于一個(gè)需要18個(gè)傳統(tǒng)循環(huán)器及恒溫箱體的質(zhì)量閘而言，超級(jí)測(cè)試箱在提供同等通道容量的前提下，所占空間僅為三分之一（見(jiàn)圖4）。

圖4 ：新型超級(jí)測(cè)試箱所占的空間僅為相同通道容量的傳統(tǒng)箱體與循環(huán)器的33%

如果需要增加測(cè)試容量，可在現(xiàn)場(chǎng)快速安裝更多的超級(jí)測(cè)試箱，實(shí)現(xiàn)與產(chǎn)量增長(zhǎng)同步的容量擴(kuò)展。另外，超級(jí)測(cè)試箱配備有達(dá)到5級(jí)風(fēng)險(xiǎn)控制的安全應(yīng)急系統(tǒng)，可應(yīng)對(duì)溫度過(guò)高、系統(tǒng)故障或者煙霧、氣體和火災(zāi)等嚴(yán)重的安全問(wèn)題。它可以幫助電動(dòng)汽車電池制造商節(jié)省成本和時(shí)間。

通過(guò)提高運(yùn)營(yíng)效率節(jié)省資源、時(shí)間和成本

使用超級(jí)測(cè)試箱作為電池循環(huán)測(cè)試的“質(zhì)量閘”還能通過(guò)再生能源的回收利用節(jié)省成本。其中，再生能源的利用就是將放電電池的能量回收到交流電源線上。這種可再生電源系統(tǒng)能夠回收75%以上的清潔電能。除了降低電費(fèi)外，大幅減少的散熱需求還可以減少各系統(tǒng)部件的壓力，提高設(shè)備的可靠性。由于發(fā)熱量減少，系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)得更加小型化，占用更少的空間。對(duì)照研究顯示，超級(jí)測(cè)試箱只需要50 kW的功率，而運(yùn)行18個(gè)傳統(tǒng)電池循環(huán)器需要180 kW。

軟件也是一個(gè)不可或缺的工具，它為整個(gè)電池循環(huán)測(cè)試“質(zhì)量閘”的管理人員和操作人員提供了運(yùn)營(yíng)可視化以及可執(zhí)行的洞察和見(jiàn)解。基于云端的應(yīng)用為測(cè)試管理人員和操作人員提供覆蓋整個(gè)企業(yè)和各個(gè)級(jí)別的遠(yuǎn)程訪問(wèn)，使得他們能夠監(jiān)測(cè)數(shù)千個(gè)通道中的每個(gè)電芯的測(cè)試狀態(tài)。

推動(dòng)盈利

伴隨著汽車電氣化趨勢(shì)的加快，汽車制造商及其電池供應(yīng)鏈將繼續(xù)尋找降低電池成本的方法。電池成本的降低將幫助大眾市場(chǎng)從目前普及的燃油汽車過(guò)渡到電動(dòng)汽車。通過(guò)采用超級(jí)測(cè)試箱等節(jié)約成本的創(chuàng)新的質(zhì)量管控方案以及可再生能源系統(tǒng)和以軟件為中心的運(yùn)營(yíng)方式，制造商不僅可以提高效率、降低運(yùn)營(yíng)成本，還能更快實(shí)現(xiàn)盈利并推動(dòng)電動(dòng)汽車的普及。