動(dòng)力電池殼成套生產(chǎn)線概述

黃建民，仲 君，夏德琛

（揚(yáng)力集團(tuán)股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225104）

在我國新能源汽車快速發(fā)展的引領(lǐng)下，電動(dòng)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(dòng)車、混合動(dòng)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(shí)動(dòng)力電池即為新能源動(dòng)力汽車提供動(dòng)力來源的電源，作為電動(dòng)汽車的能量來源，是電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)鏈的核心，需求量同比增長。同時(shí)動(dòng)力電池部分配件源自于金屬成型，即主要由壓力機(jī)加工生產(chǎn)，其需求量隨電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)一同增長，加之汽車行業(yè)對(duì)成本與質(zhì)量進(jìn)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(jī)為主體的自動(dòng)生產(chǎn)線伴隨著大量新功能、優(yōu)化的沖壓工藝、自動(dòng)化的控制方式，隨之參與到新能源汽車?yán)顺敝腥ァ?/p>

1 動(dòng)力電池背景介紹

動(dòng)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(shí)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(dòng)力電池市場的主要份額。單個(gè)圓柱形或硬包電芯分別對(duì)應(yīng)單個(gè)圓鋼殼和方鋁殼，而電池模塊一般由幾千個(gè)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(shí)，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(dòng)力電池裝機(jī)總量逐年增長，這與2019 年電動(dòng)汽車100 多萬輛的產(chǎn)能相匹配?？紤]到電動(dòng)汽車巨大的未來市場，動(dòng)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(dòng)力電池裝機(jī)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(jìn)而形成對(duì)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(duì)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(qiáng)度皆可，所以圓鋼殼電池在其他方面也有大量運(yùn)用，比如18650 電池在手機(jī)、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(dòng)力電池的電芯，帶動(dòng)了圓電池的大量需求。而且不僅僅對(duì)圓柱形電池自身優(yōu)化，進(jìn)而對(duì)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(tái)NC 偏擺送料機(jī)+1 臺(tái)平面電子送料器+1 臺(tái)JH25 系列開式雙點(diǎn)高性能壓力機(jī)+1 臺(tái)剪切廢料及多工位級(jí)進(jìn)模具組成。主機(jī)為雙點(diǎn)壓力機(jī)，臺(tái)面左右距離大，結(jié)合多工位模具的特點(diǎn)，抗偏載能力強(qiáng)，效率高，成品率高。單臺(tái)主機(jī)配合級(jí)進(jìn)模具就可以實(shí)現(xiàn)以前多臺(tái)壓力機(jī)配合的效果，NC 送料機(jī)、電子送料器與主機(jī)PLC 傳感器協(xié)通達(dá)成高效自動(dòng)化的特征，自動(dòng)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(dòng)收集廢料，減少人工分料步驟。通過上述自動(dòng)化設(shè)備。圓電池鋼殼生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)從原料到成品一步到位。

同時(shí)，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(jī)，例如2#、5#、18#電池鋼殼通常配備JH25-80 機(jī)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(jī)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(jī)量占比占據(jù)頭部。早期方殼電池在電動(dòng)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(jìn)入動(dòng)力電池系統(tǒng)，被廣泛應(yīng)用在乘用車上[3]。比如寧德時(shí)代與多家電動(dòng)汽車企業(yè)合作，通過大規(guī)模的量產(chǎn)，取得價(jià)格優(yōu)勢、技術(shù)重復(fù)迭代，進(jìn)一步推進(jìn)方鋁殼電池的市場擴(kuò)大，因此沖壓設(shè)備生產(chǎn)商針對(duì)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(dòng)力電池方鋁殼生產(chǎn)線由總控臺(tái)+二合一伺服送料機(jī)含料架整平+二次元機(jī)械手+P2M 系列多工位拉伸壓力機(jī)+智能多工位模具+下料傳送帶+輸送帶+超聲波清洗機(jī)+全自動(dòng)周轉(zhuǎn)流水線+搬運(yùn)機(jī)械手+包裝機(jī)器人組成，各種設(shè)備形成一個(gè)個(gè)節(jié)點(diǎn)，數(shù)個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成各車間或跨車間作為橋梁，如圖4 所示。

圖4 動(dòng)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(tái)，承擔(dān)大腦的作用，負(fù)責(zé)幫助員工管理各節(jié)點(diǎn)設(shè)備，交換各節(jié)點(diǎn)的信息，監(jiān)控各節(jié)點(diǎn)作業(yè)。加工車間中，P2M系列沖壓機(jī)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(dòng)，傳動(dòng)平穩(wěn)，連桿施力點(diǎn)跨度大，機(jī)床抗偏載能力強(qiáng)，受力部件的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于曲軸式機(jī)床，克服了曲軸受力變形，撓度差的狀況。考慮到多工位的級(jí)進(jìn)模在一幅模具內(nèi)存在多個(gè)工序，壓力機(jī)一個(gè)行程周期完成多個(gè)工序，對(duì)于偏載要求較高，P2M系列機(jī)床調(diào)整2 點(diǎn)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(tái)面面積，進(jìn)而使一副拉伸級(jí)進(jìn)模擁有更多工位或單個(gè)模具加大，增加方形殼深度與減薄厚度，便于擴(kuò)展與升級(jí)模具。清洗車間關(guān)鍵設(shè)備就是清洗機(jī)，全自動(dòng)操作，超聲波原理，自動(dòng)風(fēng)干。清洗完成利用全自動(dòng)周轉(zhuǎn)流水線逐步運(yùn)輸?shù)桨b車間。包裝車間主要依靠搬運(yùn)機(jī)械手和包裝機(jī)器人，首先搬運(yùn)機(jī)械手將清洗好的方鋁殼堆疊擺放好，然后包裝機(jī)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(dòng)化程度高，體現(xiàn)出新式生產(chǎn)線諸多優(yōu)點(diǎn)。首先，諸多節(jié)點(diǎn)中只有三個(gè)節(jié)點(diǎn)需要人工處理，包括轉(zhuǎn)載原料的料架節(jié)點(diǎn)，清理廢料節(jié)點(diǎn)，整理打包好的成品節(jié)點(diǎn)，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(dòng)化的比率，實(shí)現(xiàn)高效、精準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)。同時(shí)匯總控制權(quán)于總控室形成高集中度，實(shí)現(xiàn)總控室可以監(jiān)控各生產(chǎn)線的復(fù)雜節(jié)點(diǎn)，更加高效率的管理工廠。其次，在本案例中，各節(jié)點(diǎn)之間使用自動(dòng)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(jī)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(yùn)輸量變?yōu)榭煽?。各環(huán)節(jié)通過總控臺(tái)交換信息，通過協(xié)調(diào)各節(jié)點(diǎn)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(kuò)展性，一是可增加生產(chǎn)線的數(shù)量，二是可以增加檢測點(diǎn)與傳感器，三是可以增加功能節(jié)點(diǎn)，便于升級(jí)生產(chǎn)線的功能或后期維護(hù)。綜上所述，隨著自動(dòng)化與傳統(tǒng)機(jī)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(huì)逐漸向智能化，擴(kuò)展性，集中化進(jìn)化，將生產(chǎn)效率推向更高。

3 結(jié)束語

目前新能源電動(dòng)汽車全面推向市場并普及的步伐越來越快，動(dòng)力電池的市場在擴(kuò)大，但動(dòng)力電池殼的生產(chǎn)企業(yè)已在重新洗牌，從目前趨勢看，動(dòng)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?？梢灶A(yù)見的未來，動(dòng)力電池市場的競爭會(huì)愈加激烈，技術(shù)迭代會(huì)越來越頻繁。例如續(xù)航里程長是電動(dòng)車追求的一個(gè)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(dòng)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(duì)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(dòng)化與智能化，以及不斷優(yōu)化壓力機(jī)性能。對(duì)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(dòng)技術(shù)進(jìn)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(jī)遇。