用于電芯制造的超級箱體質(zhì)量門(mén)

作者：是德科技汽車(chē)和能源解決方案營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Hwee Yng Yeo

“超級工廠(chǎng)”一詞在十年前還沒(méi)有出現，但現在已經(jīng)成為整個(gè)電動(dòng)汽車(chē)（EV）生態(tài)系統的中流砥柱。超級工廠(chǎng)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(chē)的電池價(jià)格下跌了90%。

超級工廠(chǎng)的電池生產(chǎn)流程異常復雜。為了擴大電池的生產(chǎn)規模，就必須在生產(chǎn)流程的每一個(gè)環(huán)節上實(shí)現高精度、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(chē)的動(dòng)力傳動(dòng)系統。

大多數電動(dòng)汽車(chē)電池的循環(huán)壽命在1500至2000次，具體取決于電池組的設計和電動(dòng)汽車(chē)的續航里程。生產(chǎn)過(guò)程中的缺陷檢測以及預充電、化成和老化等階段中的質(zhì)量檢測對于確保電池的性能和實(shí)現其設計壽命至關(guān)重要。

圖1所示的是常規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)或機械缺陷而偏離最初的設計規格。

濕度、微量顆粒污染物等因素都會(huì )對電池產(chǎn)生不利影響，導致放電速度加快和電池失效。例如，電池結構中的微小機械缺陷會(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載，上面的毛刺可能導致內部短路，進(jìn)而引發(fā)熱失控。

分析電池的循環(huán)壽命 ，嚴把質(zhì)量關(guān)

為了了解電池實(shí)際的性能表現與設計規格之間存在的差異，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)節旨在檢驗電池在開(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)測試是一個(gè)需要數天、數周乃至數月的漫長(cháng)流程。每個(gè)電池必須經(jīng)歷數百次充放電循環(huán)，才能表征內部電阻和容量保持率與循環(huán)次數之間的關(guān)系。

制造商不可能對現代化超級工廠(chǎng)產(chǎn)線(xiàn)上的每個(gè)電池進(jìn)行電池循環(huán)質(zhì)量檢測，而是在線(xiàn)下進(jìn)行抽檢來(lái)把握產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)。

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

使用超級測試箱提高電池循環(huán)測試效率

制造商需要采用節約成本的創(chuàng )新方案來(lái)把好質(zhì)量關(guān)，以提高效率、減少運營(yíng)成本并進(jìn)一步降低電動(dòng)汽車(chē)電池的成本，進(jìn)而縮小燃油汽車(chē)和中檔電動(dòng)汽車(chē)之間的價(jià)格差距。圖2所示的是一個(gè)常規電池循環(huán)測試裝置，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：常規電池循環(huán)測試裝置

在電池制造過(guò)程中部署的新質(zhì)量管控方案，其中的“超級測試箱”有助于減少超級工廠(chǎng)的車(chē)間空間占用和耗電量。圖3所示的是電池測試解決方案提供商是德科技與Proventia聯(lián)合創(chuàng )建的新型超級測試箱質(zhì)量管控裝置。每個(gè)超級測試箱僅為一個(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。

圖3：尺寸緊湊超級測試箱，用于電池循環(huán)測試

在是德科技和Proventia合作的項目中，合作開(kāi)發(fā)人員發(fā)現對于一個(gè)需要18個(gè)傳統循環(huán)器及恒溫箱體的質(zhì)量閘而言，超級測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 ：新型超級測試箱所占的空間僅為相同通道容量的傳統箱體與循環(huán)器的33%

如果需要增加測試容量，可在現場(chǎng)快速安裝更多的超級測試箱，實(shí)現與產(chǎn)量增長(cháng)同步的容量擴展。另外，超級測試箱配備有達到5級風(fēng)險控制的安全應急系統，可應對溫度過(guò)高、系統故障或者煙霧、氣體和火災等嚴重的安全問(wèn)題。它可以幫助電動(dòng)汽車(chē)電池制造商節省成本和時(shí)間。

通過(guò)提高運營(yíng)效率節省資源、時(shí)間和成本

使用超級測試箱作為電池循環(huán)測試的“質(zhì)量閘”還能通過(guò)再生能源的回收利用節省成本。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(xiàn)上。這種可再生電源系統能夠回收75%以上的清潔電能。除了降低電費外，大幅減少的散熱需求還可以減少各系統部件的壓力，提高設備的可靠性。由于發(fā)熱量減少，系統可以設計得更加小型化，占用更少的空間。對照研究顯示，超級測試箱只需要50 kW的功率，而運行18個(gè)傳統電池循環(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)測試“質(zhì)量閘”的管理人員和操作人員提供了運營(yíng)可視化以及可執行的洞察和見(jiàn)解?；谠贫说膽脼闇y試管理人員和操作人員提供覆蓋整個(gè)企業(yè)和各個(gè)級別的遠程訪(fǎng)問(wèn)，使得他們能夠監測數千個(gè)通道中的每個(gè)電芯的測試狀態(tài)。

推動(dòng)盈利

伴隨著(zhù)汽車(chē)電氣化趨勢的加快，汽車(chē)制造商及其電池供應鏈將繼續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(chē)過(guò)渡到電動(dòng)汽車(chē)。通過(guò)采用超級測試箱等節約成本的創(chuàng )新的質(zhì)量管控方案以及可再生能源系統和以軟件為中心的運營(yíng)方式，制造商不僅可以提高效率、降低運營(yíng)成本，還能更快實(shí)現盈利并推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的普及。