用于电芯制造的超级箱体质量门

作者：是德科技汽车和能源解决方案营销经理Hwee Yng Yeo

 
“超级工厂”一词在十年前还没有出现，但现在已经成为整个电动汽车（EV）生态系统的中流砥柱。超级工厂将锂离子（Li-ion）电池的产量从每年4 GWh至10 GWh提升至每年40 GWh至80 GWh。电池的大批量生产将成本效益提高到了极致，使得过去十年电动汽车的电池价格下跌了90%。

超级工厂的电池生产流程异常复杂。为了扩大电池的生产规模，就必须在生产流程的每一个环节上实现高精度、自动化并安排质检。电芯是电池模组的基本组成单位，电池模组串联成电池包之后，可用于电动汽车的动力传动系统。

大多数电动汽车电池的循环寿命在1500至2000次，具体取决于电池组的设计和电动汽车的续航里程。生产过程中的缺陷检测以及预充电、化成和老化等阶段中的质量检测对于确保电池的性能和实现其设计寿命至关重要。
图1所示的是常规锂离子电池制造流程的简化示意图。

图1：电池制造流程中的关键阶段

检测电池生产过程中的制造缺陷

电池的性能可能因制造流程中的电化学或机械缺陷而偏离最初的设计规格。

湿度、微量颗粒污染物等因素都会对电池产生不利影响，导致放电速度加快和电池失效。例如，电池结构中的微小机械缺陷会在每次电池充放电循环中产生明显的变形，缩短电池的使用寿命。

电池制造流程中可能出现的另外一个缺陷是在焊片焊接过程产生的轻微焊片毛刺。焊片将阳极和阴极连接到电池壳体外部的负载，上面的毛刺可能导致内部短路，进而引发热失控。

分析电池的循环寿命 ，严把质量关

为了了解电池实际的性能表现与设计规格之间存在的差异，需要在制造过程中让每个电池通过诸多质量检验关口，其中包括一个能确定电池充放电循环寿命和老化速度的质量关口。这个环节旨在检验电池在开始加速衰减和失去完全充电的能力之前可以充放电多少次。

电池循环测试是一个需要数天、数周乃至数月的漫长流程。每个电池必须经历数百次充放电循环，才能表征内部电阻和容量保持率与循环次数之间的关系。

制造商不可能对现代化超级工厂产线上的每个电池进行电池循环质量检测，而是在线下进行抽检来把握产品质量关。

在循环寿命测试中，制造商使用电池充放电循环测试仪来表征电芯容量和效率在连续充放电循环中随时间的变化。

使用超级测试箱提高电池循环测试效率

制造商需要采用节约成本的创新方案来把好质量关，以提高效率、减少运营成本并进一步降低电动汽车电池的成本，进而缩小燃油汽车和中档电动汽车之间的价格差距。图2所示的是一个常规电池循环测试装置，每个箱体能够容纳10到20个电芯，功率约为10 kW，不包括循环器为电芯充放电所需的能量。

图2：常规电池循环测试装置

在电池制造过程中部署的新质量管控方案，其中的“超级测试箱”有助于减少超级工厂的车间空间占用和耗电量。图3所示的是电池测试解决方案提供商是德科技与Proventia联合创建的新型超级测试箱质量管控装置。每个超级测试箱仅为一个集装箱大小，可容纳200个350A的棱柱形电芯通道和100个10A的圆柱形电芯通道，并配有安全和温度控制系统。

图3：尺寸紧凑超级测试箱，用于电池循环测试

在是德科技和Proventia合作的项目中，合作开发人员发现对于一个需要18个传统循环器及恒温箱体的质量闸而言，超级测试箱在提供同等通道容量的前提下，所占空间仅为三分之一（见图4）。

图4 ：新型超级测试箱所占的空间仅为相同通道容量的传统箱体与循环器的33%

如果需要增加测试容量，可在现场快速安装更多的超级测试箱，实现与产量增长同步的容量扩展。另外，超级测试箱配备有达到5级风险控制的安全应急系统，可应对温度过高、系统故障或者烟雾、气体和火灾等严重的安全问题。它可以帮助电动汽车电池制造商节省成本和时间。

通过提高运营效率节省资源、时间和成本

使用超级测试箱作为电池循环测试的“质量闸”还能通过再生能源的回收利用节省成本。其中，再生能源的利用就是将放电电池的能量回收到交流电源线上。这种可再生电源系统能够回收75%以上的清洁电能。除了降低电费外，大幅减少的散热需求还可以减少各系统部件的压力，提高设备的可靠性。由于发热量减少，系统可以设计得更加小型化，占用更少的空间。对照研究显示，超级测试箱只需要50 kW的功率，而运行18个传统电池循环器需要180 kW。

软件也是一个不可或缺的工具，它为整个电池循环测试“质量闸”的管理人员和操作人员提供了运营可视化以及可执行的洞察和见解。基于云端的应用为测试管理人员和操作人员提供覆盖整个企业和各个级别的远程访问，使得他们能够监测数千个通道中的每个电芯的测试状态。

推动盈利

伴随着汽车电气化趋势的加快，汽车制造商及其电池供应链将继续寻找降低电池成本的方法。电池成本的降低将帮助大众市场从目前普及的燃油汽车过渡到电动汽车。通过采用超级测试箱等节约成本的创新的质量管控方案以及可再生能源系统和以软件为中心的运营方式，制造商不仅可以提高效率、降低运营成本，还能更快实现盈利并推动电动汽车的普及。