動力電池殼成套生產(chǎn)線概述

黃建民，仲 君，夏德琛

（揚力集團股份有限公司，江蘇 揚州 225104）

在我國新能源汽車快速發(fā)展的引領(lǐng)下，電動化已成為全球汽車發(fā)展的主要趨勢，展望未來數(shù)十年，以純電動車、混合動力車為主的新能源汽車銷量將持續(xù)保持較高的增長速度[1]。同時動力電池即為新能源動力汽車提供動力來源的電源，作為電動汽車的能量來源，是電動汽車產(chǎn)業(yè)鏈的核心，需求量同比增長。同時動力電池部分配件源自于金屬成型，即主要由壓力機加工生產(chǎn)，其需求量隨電動汽車產(chǎn)業(yè)一同增長，加之汽車行業(yè)對成本與質(zhì)量進行體系化的要求，為鍛壓行業(yè)帶來了新的市場增量與變革。特別是目前以壓力機為主體的自動生產(chǎn)線伴隨著大量新功能、優(yōu)化的沖壓工藝、自動化的控制方式，隨之參與到新能源汽車?yán)顺敝腥ァ?/p>

1 動力電池背景介紹

動力電池系統(tǒng)主要由電池模塊、電氣系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、殼體和BMS 等零部件組成，通過成本核算可以發(fā)現(xiàn)電池模塊的電芯占了約80%的成本和主要的重量[2]。目前市面上有三種主流的電芯種類：圓柱形（代表企業(yè)：松下）、軟包（代表企業(yè)：LG 化學(xué)）和硬包（代表企業(yè)：寧德時代，比亞迪）。其中圓柱形和硬包電池的包裝密封以金屬包裝為主，占據(jù)了動力電池市場的主要份額。單個圓柱形或硬包電芯分別對應(yīng)單個圓鋼殼和方鋁殼，而電池模塊一般由幾千個圓鋼殼電芯或方鋁殼電芯組成總成，獲得足夠的電能容量，如圖1 所示。同時，如圖2 所示，硬包即方鋁殼電池在市場上份額。

圖1 硬包電芯模塊（方鋁殼電池）

圖2 三種電芯的市場占比

如圖3 所示，動力電池裝機總量逐年增長，這與2019 年電動汽車100 多萬輛的產(chǎn)能相匹配?？紤]到電動汽車巨大的未來市場，動力電池以及所屬電池殼的市場潛力可觀。

圖3 2014～2019 年國內(nèi)動力電池裝機量

2 電池殼成套生產(chǎn)線技術(shù)方案

前文介紹了兩種電芯（圓柱形和硬包）以金屬包裝為主，即為圓電池鋼殼和方鋁殼，進而形成對應(yīng)的生產(chǎn)線技術(shù)方案。下面將分別論述。

2.1 圓電池鋼殼生產(chǎn)線技術(shù)方案

圓電池殼沖壓加工，其生產(chǎn)工藝相對成熟，近20～30 年來我國一直都在生產(chǎn)，以鋼為原材料，塑性、強度皆可，所以圓鋼殼電池在其他方面也有大量運用，比如18650 電池在手機、充電寶、遙控器、玩具車等上都在使用[3]。近年來特斯拉與松下合作開發(fā)，將圓柱形電池作為動力電池的電芯，帶動了圓電池的大量需求。而且不僅僅對圓柱形電池自身優(yōu)化，進而對電池殼生產(chǎn)商也有要求，比如生產(chǎn)效率提高，電池殼的精度、厚度等。

一條典型的圓電池鋼殼生產(chǎn)線由1 臺NC 偏擺送料機+1 臺平面電子送料器+1 臺JH25 系列開式雙點高性能壓力機+1 臺剪切廢料及多工位級進模具組成。主機為雙點壓力機，臺面左右距離大，結(jié)合多工位模具的特點，抗偏載能力強，效率高，成品率高。單臺主機配合級進模具就可以實現(xiàn)以前多臺壓力機配合的效果，NC 送料機、電子送料器與主機PLC 傳感器協(xié)通達成高效自動化的特征，自動送料，出料，生產(chǎn)線關(guān)鍵工序帶有安全檢測。剪切廢料器將沖壓加工好的成品與廢料分離，自動收集廢料，減少人工分料步驟。通過上述自動化設(shè)備。圓電池鋼殼生產(chǎn)線實現(xiàn)從原料到成品一步到位。

同時，本生產(chǎn)線具備柔性生產(chǎn)特性，客戶可以根據(jù)自身情況從JH25-80、JH25-110 和JH25-160 等不同噸位中選擇合適的主機，例如2#、5#、18#電池鋼殼通常配備JH25-80 機床，生產(chǎn)速度60～120 件/min，每天產(chǎn)量8～10 萬只；1#、26#電池鋼殼通常配備JH25-110 機床，生產(chǎn)速度50～100 件/min，每天產(chǎn)量6～9 萬只。

2.2 方鋁殼生產(chǎn)線技術(shù)方案

根據(jù)上文介紹電池市場情況，方鋁殼電池最近脫穎而出，裝機量占比占據(jù)頭部。早期方殼電池在電動大巴車、公交車上逐步試用、推廣，近幾年鋁式方殼電池因重量較輕，能量密度較高，便于整合進入動力電池系統(tǒng)，被廣泛應(yīng)用在乘用車上[3]。比如寧德時代與多家電動汽車企業(yè)合作，通過大規(guī)模的量產(chǎn)，取得價格優(yōu)勢、技術(shù)重復(fù)迭代，進一步推進方鋁殼電池的市場擴大，因此沖壓設(shè)備生產(chǎn)商針對方鋁殼的潛在市場推出相應(yīng)沖壓生產(chǎn)線來滿足客戶的需求。一條典型的動力電池方鋁殼生產(chǎn)線由總控臺+二合一伺服送料機含料架整平+二次元機械手+P2M 系列多工位拉伸壓力機+智能多工位模具+下料傳送帶+輸送帶+超聲波清洗機+全自動周轉(zhuǎn)流水線+搬運機械手+包裝機器人組成，各種設(shè)備形成一個個節(jié)點，數(shù)個節(jié)點構(gòu)成各車間或跨車間作為橋梁，如圖4 所示。

圖4 動力電池方鋁殼生產(chǎn)線示意

總控室的關(guān)鍵設(shè)備是總控臺，承擔(dān)大腦的作用，負責(zé)幫助員工管理各節(jié)點設(shè)備，交換各節(jié)點的信息，監(jiān)控各節(jié)點作業(yè)。加工車間中，P2M系列沖壓機作為主要的生產(chǎn)工具，它們采用芯軸橫放，雙邊偏心齒輪傳動，傳動平穩(wěn)，連桿施力點跨度大，機床抗偏載能力強，受力部件的強度遠大于曲軸式機床，克服了曲軸受力變形，撓度差的狀況?？紤]到多工位的級進模在一幅模具內(nèi)存在多個工序，壓力機一個行程周期完成多個工序，對于偏載要求較高，P2M系列機床調(diào)整2 點布置距離。這種調(diào)整保證產(chǎn)品的質(zhì)量與精度的前提下，可以增大臺面面積，進而使一副拉伸級進模擁有更多工位或單個模具加大，增加方形殼深度與減薄厚度，便于擴展與升級模具。清洗車間關(guān)鍵設(shè)備就是清洗機，全自動操作，超聲波原理，自動風(fēng)干。清洗完成利用全自動周轉(zhuǎn)流水線逐步運輸?shù)桨b車間。包裝車間主要依靠搬運機械手和包裝機器人，首先搬運機械手將清洗好的方鋁殼堆疊擺放好，然后包裝機器人將成堆的方鋁殼打包，最后由人工整理至庫房。

因此，該生產(chǎn)線自動化程度高，體現(xiàn)出新式生產(chǎn)線諸多優(yōu)點。首先，諸多節(jié)點中只有三個節(jié)點需要人工處理，包括轉(zhuǎn)載原料的料架節(jié)點，清理廢料節(jié)點，整理打包好的成品節(jié)點，其他環(huán)節(jié)都可以通過總控室管理與監(jiān)控，這樣大量減少人工的參與度，增加自動化的比率，實現(xiàn)高效、精準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)。同時匯總控制權(quán)于總控室形成高集中度，實現(xiàn)總控室可以監(jiān)控各生產(chǎn)線的復(fù)雜節(jié)點，更加高效率的管理工廠。其次，在本案例中，各節(jié)點之間使用自動化的設(shè)備連接，比如輸送帶將沖壓好的產(chǎn)品送到超聲波清洗機和將廢料送到廢料車間，不再使用人力去轉(zhuǎn)移半加工品，將運輸量變?yōu)榭煽?。各環(huán)節(jié)通過總控臺交換信息，通過協(xié)調(diào)各節(jié)點的作業(yè)速度，控制生產(chǎn)線的總的生產(chǎn)速度，避免單環(huán)節(jié)積料或單環(huán)節(jié)無料作業(yè)。最后，該生產(chǎn)線保留擴展性，一是可增加生產(chǎn)線的數(shù)量，二是可以增加檢測點與傳感器，三是可以增加功能節(jié)點，便于升級生產(chǎn)線的功能或后期維護。綜上所述，隨著自動化與傳統(tǒng)機械逐漸結(jié)合，體現(xiàn)出一加一大于二的優(yōu)勢，方鋁殼生產(chǎn)線會逐漸向智能化，擴展性，集中化進化，將生產(chǎn)效率推向更高。

3 結(jié)束語

目前新能源電動汽車全面推向市場并普及的步伐越來越快，動力電池的市場在擴大，但動力電池殼的生產(chǎn)企業(yè)已在重新洗牌，從目前趨勢看，動力電池的生產(chǎn)都在向規(guī)模企業(yè)集中，前5 名的生產(chǎn)商占據(jù)了65%的市場。可以預(yù)見的未來，動力電池市場的競爭會愈加激烈，技術(shù)迭代會越來越頻繁。例如續(xù)航里程長是電動車追求的一個重要指標(biāo)，在電池能量密度提升遇到重大瓶頸的現(xiàn)狀下，在別的方面尋求突破[2]。在動力電池系統(tǒng)中，電池殼占系統(tǒng)總重量約20～30%，是主要結(jié)構(gòu)件，因此電池殼的輕量化已經(jīng)成為電池殼制造商的迫切需求[2]。又例如電池殼制造商對生產(chǎn)效率的追求，即用較少的生產(chǎn)線能生產(chǎn)較多的產(chǎn)品，使得電池殼成套生產(chǎn)線不斷革新自動化與智能化，以及不斷優(yōu)化壓力機性能。對于電池殼成套生產(chǎn)線的生產(chǎn)商來說，未來幾年可以預(yù)見到是不斷推動技術(shù)進步，一方面將圓電池鋼殼的生產(chǎn)效率與方電池鋁殼的生產(chǎn)效率提高到目前的10%～20%，一方面提升沖壓工藝，生產(chǎn)質(zhì)量好更輕薄化的電池殼，努力提高競爭，準(zhǔn)備迎接巨大的挑戰(zhàn)和機遇。