大圓柱4680、軟包鋰電池關(guān)鍵制程工藝設(shè)備

鋰電池可以分為方形、圓柱、軟包三種形態(tài)，從技術(shù)角度看，三種形態(tài)的電池各有千秋，且各有劣勢。但事實上，通過技術(shù)及數(shù)據(jù)分析，大圓柱電池在經(jīng)濟性、安全性和回收利用價值等方面都更具明顯優(yōu)勢。比如在降本方面，46系列電芯體積變大，需要的電池單體數(shù)量下降，焊接配件相應(yīng)減少，提高電池成組效率，簡化BMS管理難度；而在性能方面，較大尺寸使得金屬外殼占比降低、正負(fù)極活性材料的比例上升，能量密度提高；此外全極耳技術(shù)的應(yīng)用，亦可縮短電子路徑，降低電池內(nèi)阻，減小充放電過程中的損耗，提升放電效率。

在講4680大圓柱之前，有必要介紹鋰電池的三種封裝形式：方形、圓柱、軟包，顧名思義，可以直觀的從外觀上看出其中區(qū)別。而從性能的對比上看，三者又各有所長所短：

1） 方形電池：最大的優(yōu)勢就是成組效率最高（2020年1月數(shù)據(jù)，系統(tǒng)成組效率：方形70%＞圓柱65%＞軟包60%）；最大的劣勢是安全性、一致性差。

2） 圓柱電池：最大的優(yōu)勢就是生產(chǎn)效率最高（主流型號每分鐘在200左右，方形10-20，軟包更低）、一致性高；相對劣勢是成組效率比方形低、能量密度比軟包低。

3） 軟包電池：最大的優(yōu)勢就是能量密度和安全性最高；最大的劣勢就是制造工藝要求高、一致性差，成本最高。

正是基于三種封裝形式的各自性能差異，電池廠（包括整車廠）都有自己的路線選擇，以電池廠為例：像國內(nèi)的寧德、比亞迪、中航等主要是方形；億緯方形、圓柱都有布局；孚能主打軟包。國外的LG軟包出身，目前也重點布局了圓柱；松下主打圓柱；三星SDI主要是方形。

目前從份額占比來看：方形占大頭；而回溯歷史份額來看：國內(nèi)國外還有所不同，并且在各個階段也有所差異。（1）2017年之前：我國與海外三種類型電池市場份額變化趨勢相同，方形60%以上、軟包10%左右，剩余的圓柱。（2）2017年之后：國內(nèi)和海外就表現(xiàn)出完全不同的變化趨勢。其中，國內(nèi)：2017-2019年隨著寧德和比亞迪的崛起，帶動方形電池占比提升，2019年達到近85%；2020年隨著國產(chǎn)特斯拉的放量，圓柱電池占比有所回升，反觀軟包則持續(xù)受到擠壓。國外：2017-2019年松下伴隨特斯拉全球崛起，圓柱占比從28%提升至51%；2020年歐洲電動車滲透率快速提升，LG軟包放量（歐洲市場更青睞軟包），但到了21年，出現(xiàn)電池安全召回事情，疊加大眾開始選擇方形電池，軟包遇冷。

為什么看好大圓柱？——A：一是看好特斯拉們；二是大圓柱確實有一些突出的性能優(yōu)勢！

特斯拉是全球電動車的領(lǐng)導(dǎo)者，也一直是圓柱電池應(yīng)用的領(lǐng)導(dǎo)者。

如今的特斯拉毋庸置疑是全球電動車的領(lǐng)導(dǎo)者，尤其在技術(shù)創(chuàng)新上更是全球新能源車的“風(fēng)向標(biāo)”，因此對其技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)尤為重視，從而把握其中確定性的產(chǎn)業(yè)趨勢。

就電池而言，十年以前，市場上沒有一款“十全十美”的動力電池，發(fā)展初期的特斯拉為其第一代車Roadster選擇電池方案時，即是在比較中選擇了“安全性、一致性好的18650圓柱電池”，從而正式開啟了圓柱電池應(yīng)用于純電動車的時代。

2017年，特斯拉開始將其電池由18650切換至21700，率先應(yīng)用于新車型M3中（后來的爆款車型）。21700相較于18650在單電芯和系統(tǒng)方面性能均有明顯提高，在 2019-2020年也是迅速取代18650成為占比最高的圓柱電池?！咀ⅲ?8650中18指圓柱直徑，65指高度，0指圓柱；21700、4680類同】

2020年底，特斯拉發(fā)布新一代電池4680。4680大圓柱相較于21700，在規(guī)格、成本、安全、使用壽命等方面又實現(xiàn)了全新的突破：續(xù)航里程提升16%，充放電功率提升6 倍、容量提升5倍，度電成本可以下降14%。

在特斯拉的極力推動下，隨著46大圓柱的產(chǎn)能爬坡，預(yù)計也會在較短的年限內(nèi)完成滲透（類比21700替代18650的速度）。

單獨看4680是一項重大創(chuàng)新，而打包“4680+CTC+一體化壓鑄”更是一項“極限制造”的系統(tǒng)創(chuàng)新，1+1+1＞3。在整車內(nèi)卷加劇的情況下，成本將是車企競爭力的關(guān)鍵，而特斯拉通過“4680+CTC+一體化壓鑄”一套組合拳的技術(shù)創(chuàng)新，實現(xiàn)了極致降本。從這個層面去理解，就更不得感慨特斯拉的厲害，也不難理解特斯拉大力推4680大圓柱的必要性。

寶馬是46大圓柱的積極推進者。寶馬將從2025年起在“新世代”車型中使用46大圓柱電芯（包括4695和46120兩種不同型號）。目前寶馬已經(jīng)給寧德、億緯、遠景各自定點40GWh的46大圓柱訂單。通用汽車希望在未來的電動車型中從軟包電池轉(zhuǎn)向大圓形電池。蔚來汽車：23年2月，據(jù)消息人士稱蔚來計劃在合肥新建電池工廠，規(guī)劃產(chǎn)能40GWh，將投產(chǎn)自研的46系列大圓柱電池。此外，包括保時捷、江淮、東風(fēng)嵐圖等多家主流車企也在跟進大圓柱電池，對大圓柱上車表達了強烈的意愿。

國內(nèi)外主流企業(yè)均在布局。國內(nèi)有寧德、億緯、遠景動力、比克、國軒；國外有LG、松下、三星SDI等多家頭部電池企業(yè)均已經(jīng)規(guī)劃布局、擴產(chǎn)46大圓柱。

7月18日，比亞迪采購官方微信號發(fā)布招募公告，擬對2023年大圓柱電池全自動烘烤線設(shè)備實行供應(yīng)商公開招募。比亞迪此次招募的產(chǎn)品為全自動接觸式高真空烘烤線，主要用于大圓柱電池注液前的電芯烘烤。電池的生產(chǎn)包含約21道工序，烘烤、注液處在整個生產(chǎn)程序的中間位置。工作群研究大圓柱電池”。如今的大圓柱電池生產(chǎn)設(shè)備采購消息，無疑是比亞迪即將生產(chǎn)大圓柱電池的“實錘”。

特斯拉們?yōu)槭裁创罅Πl(fā)展46大圓柱？——本質(zhì)：大圓柱具有一些突出的性能優(yōu)勢

①做圓柱電池的好處（圓柱電池相較于方形、軟包的優(yōu)勢）

在文章的最開頭部分，我們已經(jīng)比較過圓柱、方形和軟包3種封裝形式的優(yōu)劣，其中圓柱電池絕對優(yōu)勢就是生產(chǎn)效率和一致性最高，進而能帶來產(chǎn)能的快速效應(yīng)和成本的攤?。黄浯?，相對優(yōu)勢上，比方形更高的安全性，比軟包更高的成組效率等，這些優(yōu)勢都是特斯拉們簇?fù)韴A柱電池的理由。

②把圓柱電池做大的好處（46大圓柱相較于21/18圓柱的優(yōu)勢）

為什么是46？——這是特斯拉經(jīng)過數(shù)據(jù)論證，得出46 mm 是續(xù)航提升和降本的最優(yōu)解。而對于高度，目前業(yè)界并沒有定論，像寶馬46大圓柱有高度90和120的兩個型號。

把電芯變大最直接的好處就是降低電池包BMS難度，單車帶電量70多度的車18650需要7000+個、2170需要4000+個，龐大的數(shù)量對電池系統(tǒng)的連接和熱管理提出極高要求，這也是之前較少有車企選擇圓柱路線的主要原因之一，但如果是4680單體數(shù)量下降到1000個以下，BMS大大簡化。

大電芯2大核心工藝創(chuàng)新：全極耳、干電極

全極耳→降低內(nèi)阻、減小發(fā)熱、提高快充速度。傳統(tǒng)鋰電池多單極耳，4680創(chuàng)新性提出全極耳，全極耳明顯縮短電子流通路徑（傳統(tǒng)800-1000mm，4680只有80mm），進而降低內(nèi)阻（傳統(tǒng)＞20mΩ，4680為2mΩ），降低發(fā)熱量（傳統(tǒng)上升60度，4680最多上升20度），能夠適用更大電流快充；同時全極耳下電池內(nèi)部溫度分布更加均勻，熱穩(wěn)定性更好。

電極→降本增效、提升電池能量密度。目前正負(fù)極主要采用濕法涂覆工藝，而特斯拉提出的在4680運用的干電極能夠降本10-20%+，生產(chǎn)速度提升至之前的7倍，能量密度提升5倍，壽命增加1倍。（難度大，第一代4680做了妥協(xié)）

大電芯材料體系創(chuàng)新

具體包括主材和輔材兩個方面，以實現(xiàn)更高的能量密度、快充速度、安全性等：

主材聚焦于產(chǎn)品升級迭代：包括正極高鎳化，負(fù)極硅基化，電解液新型鋰鹽LiFSi添加量上升，結(jié)構(gòu)件強度要求提升等。

輔材聚焦于新材料導(dǎo)入：包括芳綸涂覆、碳管三代化+單壁化等。

最終，在上述這些系統(tǒng)性的選擇和創(chuàng)新下，46大圓柱得以表現(xiàn)出突出的性能優(yōu)勢，4680相較于21700在性能上又實現(xiàn)了全新的突破：續(xù)航里程提升16%，充放電功率提升6 倍、容量提升5倍，度電成本可以下降14%。特斯拉2020年9月提出4680，彼時目標(biāo)是2022年實現(xiàn)年產(chǎn)能100GWh，如今快三年過去，從后視鏡看，4680實際量產(chǎn)情況是不及預(yù)期的。雖遲但到，2023年46大圓柱將真正迎來放量元年：特斯拉22年底加州工廠產(chǎn)線周產(chǎn)能已爬坡至86.8萬顆，能配套1000輛Model Y，對應(yīng)年產(chǎn)能約4GWh；此外，特斯拉也表示4680已經(jīng)熬過了量產(chǎn)的最困難時期，并擬在內(nèi)華達州擴產(chǎn)100GWh的4680年產(chǎn)能。

此外，給特斯拉配套的松下、LG也即將出貨，國內(nèi)進展最快的億緯預(yù)計下半年也會開始出貨。從特斯拉以及電池廠的進度來看，23年46大圓柱產(chǎn)量將首次突破雙位數(shù)，作為一種從0→1的新技術(shù)，兌現(xiàn)1即將邁入從1→10/100的快速增長階段，產(chǎn)業(yè)趨勢的確定性已是100%。23年開始放量，24年大規(guī)模放量，將突破100GWh，往后看23-25年整個46大圓柱電池出貨量都將保持翻倍式的增長，在整個成長賽道都是屈指可數(shù)的高景氣細分。

此外，46大圓柱電池除了用在市場認(rèn)知的電動車、皮卡等動力領(lǐng)域，還有望應(yīng)用于儲能領(lǐng)域，且已有其他公司規(guī)劃了儲能大電芯，如此大圓柱的天花板不再局限于動力，而是動力+儲能。

軟包電池裝配線是軟包鋰電池生產(chǎn)的中后段工序，主要是對接疊片機過來的裸電芯，對電芯進行極耳的焊接、鋁塑膜的沖坑入殼以及電芯入殼后的封裝等工序。組裝線的設(shè)計原理主要是依據(jù)電池的生產(chǎn)工藝流程進行產(chǎn)線的大致布局，具體取決于電芯的尺寸大小、電芯極耳的單出或者雙出以及電芯裝配所需要的生產(chǎn)效率等。

軟包組裝線概述

1.1 組裝線設(shè)計原理及原則

目前針對組裝線的形式的選擇主要取決于電芯的大小規(guī)格，對于長度在390mm以下的電池規(guī)格，極耳焊接機、包裝機以及包裝機后段一般采用凸輪分割器驅(qū)動的轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)方式，此種結(jié)構(gòu)布局方式結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，局限于轉(zhuǎn)盤精度，轉(zhuǎn)盤越大，對于電芯的裝配精度越差，同時負(fù)載的加大也制約了轉(zhuǎn)盤的啟停難度和效率。轉(zhuǎn)盤式組裝線布局如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)盤式組裝線布局

對于長度在390mm以上的電池規(guī)格，極耳焊接機、包裝機以及包裝機后段一般采用直線結(jié)構(gòu)方式，此種布局方式能夠滿足大電池工位切換的定位精度，工位切換效率高，有更好的生產(chǎn)效率提升空間。缺點在于占地面積比較狹長，工位切換的驅(qū)動機構(gòu)較復(fù)雜，成本相對較高。直線式組裝線布局如圖2所示。

圖2 直線式組裝線布局

1.2 組裝線節(jié)拍分配

在組裝線的設(shè)計過程中，對于節(jié)拍的控制主要取決于各工位生產(chǎn)的瓶頸工位的限制，例如實際產(chǎn)能需求為8PPM，考慮到設(shè)備的綜合稼動率問題，一般實際按照10PPM進行設(shè)計，針對瓶頸工位會采用多工位的方式進行，例如焊接機段的極耳預(yù)焊中的保護片上料機構(gòu)、Tab焊接中的Tab上料機構(gòu)、包裝機中的頂?shù)追夥庋b時間、側(cè)封封裝時間等。在對比產(chǎn)能要求后，計算出每個工位所需要的工藝時間，在不滿足的情況下就需要進行多工位設(shè)計。例如當(dāng)設(shè)備效率要求12PPM時，每個電芯的工藝生產(chǎn)時間為5s，某些客戶對封裝的時間要求就達到了4～5s，加上電芯工位的切換時間以及封裝機構(gòu)的動作時間，是無法滿足生產(chǎn)效率要求的，因而此工位需要設(shè)計雙工位才能滿足生產(chǎn)效率要求，其他工位在節(jié)拍分配上同理。在設(shè)計時，在理論上需要進行節(jié)拍的分配分析，圖3為極耳焊接機段的時序圖。

1.3 物流方式

電池在組裝時，必然需要通過物流進行各工位上的流轉(zhuǎn)和切換。因而需要對不同狀態(tài)下的電芯進行合理的物流方式的選擇。

①對于疊片機出料的裸電芯而言，為了保證電芯的輸送效率以及保護電芯的安全性，常規(guī)以倍速鏈＋電芯夾具的方式進行，倍速鏈具備輸送效率高、適合長距離輸送、負(fù)載大、維護簡單等優(yōu)點，且倍速鏈型材對于設(shè)置擋停以及其他輔助結(jié)構(gòu)安裝調(diào)節(jié)具有很大的靈活性。缺點在于倍速鏈容易摩擦產(chǎn)生粉塵，有個別廠家為了規(guī)避粉塵對電芯的影響，選用磁懸浮輸送線進行裸電芯的輸送，但是價格昂貴。

②電芯從疊片機輸送過來進入焊接機，焊接機上的每個工位對電芯的定位精度有較高要求，電芯被裝入焊接夾具內(nèi)，采用步進式輸送方式，為保證精度要求，驅(qū)動采用伺服電機＋撥叉的循環(huán)結(jié)構(gòu)。

③在電芯從焊接機下料后，一般采用伺服電機＋同步帶的輸送方式，這樣可保證電芯輸送的等間距性，方便機械手的下料和上料抓取位置的準(zhǔn)確性，同理，在包裝機之后也采取同樣的方式進行，經(jīng)濟且高效。

1.4 電芯定位方式及原則

在電芯組裝線上，電池廠家在工藝上對電芯有一定的尺寸精度要求，因而在電池進組裝線之前需要對電芯進行定位，以同一個基準(zhǔn)進行電芯的定位，后面各工位的調(diào)整也以此為基準(zhǔn)，以確保電芯組裝的一致性。

電芯本體的形狀為矩形，因而在定位形式上通常采用兩邊為定位基準(zhǔn)，另外兩邊以推的方式進行電芯的定位。也可以采用電芯本體中心定位方式，前后左右同時進行推電芯本體，在定位方式的選擇上一般取決于電芯的工藝尺寸要求，以及在結(jié)構(gòu)設(shè)計上的便利性，只要保證基準(zhǔn)一致即可。

1.5 粉塵控制

在電池生產(chǎn)過程中，最致命的危害莫過于金屬粉塵進入電芯本體內(nèi)，引發(fā)一系列的問題，如電池的短路起火等。為了避免這種情況的發(fā)生，需要對組裝線段的粉塵產(chǎn)生源進行嚴(yán)格控制和盡可能清除，控制粉塵，首先得找出粉塵的產(chǎn)生源，然后進行針對性措施。

①疊片機輸送線（倍速鏈）。由于在輸送過程中，倍速鏈條會與倍速鏈型材摩擦產(chǎn)生較多粉塵，針對這類粉塵需要對倍速鏈線體加裝防塵板，防止粉塵掉落到電芯上，同時電芯夾具盡可能采用上下包夾的方式進行輸送，對于回流線體上的空夾具進行定點除塵，除塵方式采用吹＋吸的方式進行，由于線體比較長，需要增大人工清潔頻率，以防止粉塵堆積等。

②組裝線。電池在組裝線中進行流轉(zhuǎn)時，有一些工位本身就能產(chǎn)生粉塵，比如極耳的預(yù)焊、裁切、Tab焊接、焊印壓平等工位，只要存在裁切或者焊接的工位都會設(shè)置專門的除塵機構(gòu)進行不間斷的吸塵處理。

1.6 質(zhì)量監(jiān)控

為了電池生產(chǎn)質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性，在電池生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)都會有相應(yīng)的檢測傳感器來進行質(zhì)量控制。對于組裝線來說，具體體現(xiàn)如下：

①通過顏色傳感器對電芯來料的極性進行檢測，主要是為了防止人工干預(yù)后的電池放反。

②電芯的掃碼，保證電芯信息及時上傳到MES系統(tǒng)中，便于電池生產(chǎn)的信息跟蹤。

③電芯的X射線檢測，用來檢測電芯的對齊度，防止錯位嚴(yán)重的電池往后接著生產(chǎn)。

④Tab片的極性檢測以及正反檢測，避免焊接錯誤。

⑤Tab焊接后的貼膠檢測，避免后面封裝時焊印直接接觸鋁塑膜。

⑥Tab焊接后的CCD尺寸檢測，保證電芯生產(chǎn)的尺寸一致性。

⑦焊接后電芯的Hi-pot測試，確保焊接后的電芯兩極無導(dǎo)通。

⑧鋁塑膜糾偏控制，保證鋁塑膜的沖坑良品率。

⑨封裝后電池的CCD尺寸檢測，保證電池外觀尺寸的一致性。

⑩封裝后電池的Hi-pot測試，確保封裝后的電芯兩極無導(dǎo)通。

?封裝后電池的絕緣測試，確保封裝后的電芯兩極與鋁塑膜之間無導(dǎo)通。

?封裝后電池的封印厚度檢測，確保封裝后電池封印的一致性。

通過上述的一系列控制方式和點位，可以對電池在整個組裝線上的質(zhì)量進行有效控制。

設(shè)備主要功能及描述

鋰電池是一類由鋰金屬或鋰合金為負(fù)極材料，使用非水電解質(zhì)溶液的電池。鋰電池的主要構(gòu)成為正負(fù)極、電解質(zhì)、隔膜以及外殼。而軟包鋰電池是在液態(tài)鋰離子電池上套上一層聚合物外殼的電池，采用鋁塑復(fù)合膜包裝。相比于圓柱電池和鋁殼電池來說，電池的組成成分是一樣的，只是包裝形式和電池的物理結(jié)構(gòu)形式不一樣，從而導(dǎo)致了軟包電池的裝配形式以及生產(chǎn)工藝不一樣，軟包電池結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 軟包電池結(jié)構(gòu)

軟包電池裝配線的生產(chǎn)工藝可以分為三大部分：第一部分為極耳焊接部分，第二部分為包裝機部分，第三部分為沖坑機部分。軟包電池主要工藝路線如圖6所示。

圖6 軟包電池主要工藝路線

軟包電池裝配線主要技術(shù)指標(biāo)如下：

①產(chǎn)品的合格率：≥99%。

②全線生產(chǎn)效率：依據(jù)產(chǎn)線要求而定。

③生產(chǎn)線需要操作人員：2人。

④整線設(shè)備稼動率：≥98%[計算公式（24h-故障時間-報警時間）/24×100%]。

⑤封裝設(shè)備合格率：≥98.8%。

設(shè)備組成及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)

軟包電池裝配線主要由極耳焊接機、包裝機、包裝機后段等組成。

3.1 極耳焊接機

極耳焊接機是對接疊片機物流過來的裸電芯的銅箔、鋁箔極耳進行收攏的超聲波預(yù)焊，在對其進行導(dǎo)電柄的超聲波終焊、焊印壓平、除塵、貼膠等工序，為下一步入鋁塑膜坑做封裝準(zhǔn)備。極耳焊接機的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)主要包含電芯極耳預(yù)焊、極耳裁切、電芯Tab片終焊、焊印整平及除塵、焊印貼膠等。

極耳焊接機是將疊片機過來的裸電芯進行極耳的預(yù)焊以及終焊，其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)有極耳裁切、極耳預(yù)焊、極耳Tab焊接、焊印除塵等。

極耳預(yù)焊主要是將電芯銅箔和鋁箔極耳進行聚攏焊接，為終焊做準(zhǔn)備工作。其機構(gòu)組成部分為預(yù)焊機、焊機底座、聚攏機構(gòu)、吸塵機構(gòu)，極耳預(yù)焊結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 極耳預(yù)焊結(jié)構(gòu)圖

1）極耳預(yù)焊

該結(jié)構(gòu)的功能與動作用于實現(xiàn)極耳的超聲波預(yù)焊接，焊機下焊頭采用固定方式（焊頭、焊座、底座的設(shè)計需要與客戶溝通），電芯極耳到位后，氣缸下壓托盤夾具達到預(yù)焊工作高度，焊接同時進行吸塵處理；并在焊接時對極耳聚攏。在焊接的電芯有防護裝置，防止焊渣掉入電芯。下焊頭有吸塵罩，塵罩內(nèi)有粉塵吸附裝置，包括吹風(fēng)裝置和吸附粉塵裝置，保證焊接粉塵能吸附干凈；吸塵風(fēng)速要求≥15m/s。

對于極耳預(yù)焊焊接位置精度，要求上下方向上偏差≤±0.2mm，左右方向偏差≤±0.2mm。

備注：焊接封裝線需要根據(jù)焊機進行數(shù)據(jù)對接，能夠采集焊接關(guān)鍵性參數(shù)（焊接參數(shù)包括能量、功率、時間、壓力等），并能接收相關(guān)焊接異常信息，進行異常報警及電芯NG排出。

2）極耳裁切

圖8 極耳裁切結(jié)構(gòu)圖

極耳裁切機構(gòu)主要是將預(yù)焊后銅箔和鋁箔極耳進切整齊。其主要由上下切刀、上下切刀導(dǎo)向機構(gòu)、除塵機構(gòu)、廢料導(dǎo)槽、上氣缸、下氣缸等組成，極耳裁切結(jié)構(gòu)如圖8所示。

該結(jié)構(gòu)用于實現(xiàn)正極耳預(yù)焊后的自動裁切。刀具采用SKD11鍍類金剛砂膜防止粘刀，在設(shè)計時會采用一備一用的方式，根據(jù)客戶要求也會對SKD11進行鑲鎢鋼的處理。裁切位置調(diào)整處有數(shù)顯千分尺，方便人工調(diào)節(jié)，裁切刀裁切到預(yù)焊焊印上。裁切后極耳長度可調(diào)范圍：0～10mm；裁切精度：±0.1mm；裁切壽命要求：切刀單次使用次數(shù)≥30萬次（20萬次壽命提醒修磨），可反復(fù)修磨10次以上。切刀處有防塵罩，裁切時將裁切機構(gòu)與外部環(huán)境隔離，防塵罩內(nèi)有粉塵吸附裝置，保證裁切廢料與粉塵能吸附干凈；吸塵風(fēng)速要求≥15m/s；裁切機構(gòu)內(nèi)有接料盒，對裁切下的箔材進行收集。裁切壓板有凸臺設(shè)計，彈簧力可調(diào)，裁切前對保護片兩側(cè)進行壓制，防止裁切后保護片翹曲對后段工序有影響。

3）極耳Tab終焊

極耳Tab終焊分為正／負(fù)極Tab上料機構(gòu)和正／負(fù)極極耳主焊兩部分。

①正／負(fù)極Tab上料機構(gòu)。正／負(fù)極Tab上料機構(gòu)的組成：由Tab彈匣式送料機構(gòu)、伺服提升裝置、Tab吸取機構(gòu)、二次定位機構(gòu)、彈匣機構(gòu)檢測傳感器等組成，用于實現(xiàn)正負(fù)極Tab的自動上料。

正／負(fù)極Tab上料機構(gòu)的主要功能是將Tab片導(dǎo)電柄與預(yù)焊裁切整齊的正負(fù)極耳焊接到一起的關(guān)鍵工序，在實際生產(chǎn)中，Tab片需要不斷地進行上料，為了保證可以不停機換料，因而需要在機構(gòu)設(shè)計上設(shè)計一個Tab片緩存機構(gòu)。Tab片取料機械手需要具備旋轉(zhuǎn)功能，可對Tab片的正反進行防呆處理。Tab片的極性檢測，是為了檢測正負(fù)極的極性，防止人工將正負(fù)極片放錯。Tab片的定位機構(gòu)，由于進行焊接時，電芯極耳與Tab片有相對的位置精度要求，根據(jù)客戶要求對Tab進行定位，定位基準(zhǔn)為Tab片兩側(cè)和PP膠或者Tab片四周。Tab片的送料機構(gòu)，將定位好的Tab片夾持住送到終焊預(yù)定位置進行焊接，由于也有位置精度要求，驅(qū)動為伺服電機和滾珠絲桿的結(jié)構(gòu)組合，從而保證精度要求。正／負(fù)極Tab上料機構(gòu)如圖9所示。

圖9 正／負(fù)極Tab上料機構(gòu)

正／負(fù)極Tab上料機構(gòu)功能與動作如下：

a．彈匣機構(gòu)上共有5個彈匣，正負(fù)極彈夾有顏色與標(biāo)識區(qū)分，一個彈匣一次可裝200片Tab，一次上料可連續(xù)工作2h以上。

b．Tab來料的尺寸精度：來料時人工將Tab放入彈夾內(nèi)；電池采用毛刷、吹氣以及電氣抖動程序防止多片，合格率100%；采用檢測導(dǎo)電柄位置來識別正反；正負(fù)極料夾用顏色區(qū)別。6個彈匣的轉(zhuǎn)位由伺服完成，彈匣上料位有檢測物料有無的感應(yīng)器。采用伺服旋轉(zhuǎn)，避免定位偏移太多引起極耳翹曲。

c．Tab定位，采用機械定位，定位導(dǎo)電夾短邊與極耳膠。

d．夾取上料，采用手指氣缸，最大面積夾持導(dǎo)電柄，避免導(dǎo)電柄滑動，伺服移載的方式實現(xiàn)精確送料，Tab定位精度為±0.2mm。

②正／負(fù)極極耳主焊。正／負(fù)極極耳主焊主要組成部分為超聲波焊機、定位機構(gòu)、檢測系統(tǒng)、吸塵系統(tǒng)等。正／負(fù)極極耳主焊如圖10所示。

圖10 正／負(fù)極極耳主焊

正／負(fù)極極耳主焊用于實現(xiàn)正負(fù)極Tab的超聲波焊接，該機構(gòu)下焊頭采用固定方式，Tab在電芯極耳上方焊接，焊機整體可水平調(diào)整，適應(yīng)工藝要求。

正／負(fù)極極耳主焊技術(shù)特點如下：

a．焊頭／底模單次使用壽命≥5萬次，單面可反復(fù)修磨5次以上，極耳焊接層數(shù)兼容≤50層；焊頭／底模以及底座的設(shè)計需與甲方溝通。

b．焊接后有檢測極耳是否焊接導(dǎo)電柄裝置，系統(tǒng)報警與電池NG裝置。

c．焊接關(guān)鍵性參數(shù)（焊接參數(shù)包括能量、功率、時間、壓力等）都可以設(shè)定上下限數(shù)值，具有在線檢測、異常報警、電芯NG排除、預(yù)留導(dǎo)電柄上下焊接功能。

d．吸塵處理：在焊接的電芯側(cè)有防護裝置，防止焊渣掉入電芯。制作吸塵罩隨焊頭動作，在超聲波焊接打開吸塵，吸塵風(fēng)速20m/s，可以有效吸走金屬粉屑。

e．精度：極耳定位精度±0.2mm；焊接位置精度為上下偏差±0.2mm，左右偏差±0.2mm。

f．焊接參數(shù)具有本地存儲，具備與MES對接的接口功能。增加手動除塵口，焊接工位有焊接極耳有無檢查、焊接后極耳檢測功能。

4）極耳焊印除塵

極耳焊印的除塵對電芯的良品率以及電芯安全性能至關(guān)重要，主要原因在于超聲波焊接過程屬于機械摩擦焊，會產(chǎn)生很多金屬粉塵，以及在焊印上很多尖銳毛刺在掉落的時候也會成為金屬粉塵的一個來源。這些金屬粉塵在進入電芯本體后會刺破正負(fù)極片中間的隔膜，導(dǎo)致電池短路引起起火等危險事故。

極耳除塵分為焊印壓平機構(gòu)和焊印二次除塵機構(gòu)兩個部分。

①焊印壓平機構(gòu)。焊印壓平為在Tab片終焊接之后對焊印處進行沖壓壓平，其主要目的在于將超聲波焊接后的極耳表面的焊印毛刺壓平或者壓掉，為焊印的二次除塵做好準(zhǔn)備工作，在此機構(gòu)上也有除塵吸口，對直接壓掉下來易于吸走的焊渣進行除塵。

焊印壓平機構(gòu)由上氣缸移動機構(gòu)、下頂升機構(gòu)、壓塊、吸塵罩等組成。主要用于實現(xiàn)極耳焊接后的整形，整形壓力≥500N，壓板材質(zhì)PEEK。整形后無翹曲，整形位置可調(diào)，焊印壓平機構(gòu)如圖11所示。

圖11 焊印壓平機構(gòu)

②焊印二次除塵機構(gòu)。焊印二次除塵的目的是對焊印處進行獨立的除塵，將壓平機構(gòu)未清理掉的金屬粉塵進行較為徹底的清除。

二次除塵機構(gòu)主要由氣缸移動機構(gòu)、密封腔體、毛刷機構(gòu)等組成。功能與動作：用清潔裝置對焊接部位進行清潔，清潔后無大于50μm異物，并且有粉塵吸附裝置，保證粉塵能清潔干凈，吸塵風(fēng)速≥20m/s，清潔過程不能二次污染電芯，且不損傷極耳。焊印二次除塵機構(gòu)如圖12所示。

圖12 焊印二次除塵機構(gòu)

焊印壓平機構(gòu)和二次除塵機構(gòu)對焊印的處理，保證了后續(xù)工序的貼膠和封裝時的平穩(wěn)性以及熱風(fēng)融合性等。

5）極耳焊印貼膠及檢測

極耳焊印貼膠是通過膠帶將焊印進行貼住，保證后面進行封裝時，避免焊印的凹凸不平直接接觸鋁塑膜，有刺破鋁塑膜表面PP膠與鋁層直接接觸的風(fēng)險。

極耳焊印貼膠及檢測分為極耳焊印貼膠機構(gòu)和極耳焊印貼膠檢測機構(gòu)兩部分。

①極耳焊印貼膠機構(gòu)。極耳焊印貼膠機構(gòu)由膠紙送料機構(gòu)、張緊機構(gòu)、導(dǎo)向機構(gòu)、自動裁切機構(gòu)、吸取貼膠機構(gòu)等組成。貼膠方式為上下分開貼，本貼膠機構(gòu)分為上貼膠機構(gòu)和下貼膠機構(gòu)，上下貼膠的工作方式相同。膠帶長度兼容≤100mm，寬度≤25mm。保證藍膠完全遮住焊印、極耳底部邊緣，貼膠整齊，不壓住導(dǎo)電柄的PP膠。貼膠機構(gòu)中藍膠拉膠過程中由彈簧張力控制，保證貼膠完成后藍膠不回彈、不折皺，貼合完整，吸膠頭材質(zhì)為硬質(zhì)氧化處理過的A6061，不損傷極耳?？蓪崿F(xiàn)貼膠位置精度在±0.2mm，上下對齊度±0.2mm內(nèi)，裁切精度±0.2mm。極耳焊印貼膠機構(gòu)圖如圖13所示。

圖13 極耳焊印貼膠機構(gòu)

②極耳焊印貼膠檢測機構(gòu)。極耳焊印貼膠檢測機構(gòu)主要目的是檢測電芯極耳焊印處的膠帶有無以及對膠帶進行壓平。

貼膠檢測機構(gòu)主要由氣缸、壓塊、探針等組成。焊印貼膠檢測機構(gòu)如圖14所示。

圖14 焊印貼膠檢測機構(gòu)

經(jīng)過極耳焊印貼膠機構(gòu)和貼膠檢測機構(gòu)對焊印的處理，有效規(guī)避了焊印對鋁塑膜封裝的影響。

(2)鋁塑膜沖坑機

鋁塑膜沖坑機是鋁塑膜卷料進行主動放卷，并有序地在鋁塑膜上進行沖出滿足電池尺寸的鋁塑膜坑。鋁塑膜沖坑機的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)主要包含放卷糾偏機構(gòu)、切縫機構(gòu)、沖坑機構(gòu)、裁切機構(gòu)等。

①放卷糾偏機構(gòu)。放卷糾偏機構(gòu)是鋁塑膜沖坑機的最前段機構(gòu)，承擔(dān)設(shè)備鋁塑膜的上料、換料、放卷鋁塑膜以及在正常工作過程中對鋁塑膜進行實時的糾偏處理。

放卷糾偏機構(gòu)由氣脹軸、卷料鋁塑膜定位機構(gòu)、主動開卷機構(gòu)（含電機、減速機等）、張力控制系統(tǒng)、接料平臺、糾偏系統(tǒng)等組成。功能與動作：通過人工上料，料卷氣缸定位，光電傳感器檢測料有無；具有人工接帶平臺，人工接料平臺包括鋁塑膜裁切刀、接帶壓板等，接帶平臺下方具有負(fù)壓吸塵裝置；鋁塑膜通過張力控制器+磁粉制動器進行鋁塑膜張力調(diào)節(jié)，保持鋁塑膜張力和導(dǎo)入方向的恒定；具有雙放卷結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)短時間停機作業(yè)，保證整條線體的時效性。放卷糾偏機構(gòu)如圖15所示。

圖15 放卷糾偏機構(gòu)

放卷糾偏機構(gòu)的相關(guān)精度參數(shù)如下：

張力范圍：0～100N；

張力控制精度：±3N；

卷徑檢測：檢測范圍≥400mm，檢測精度要求±0.1mm。

為了保證鋁塑膜在轉(zhuǎn)運的過程中避免損傷，對過輥進行了特殊處理和加工。過輥材質(zhì)：黑色硬質(zhì)氧化的鋁合金A6061，其鍍層厚度大于4μm，過輥表面粗糙度為Ra0.8，使用壽命可達3年以上（保證設(shè)備使用效率、稼動率和產(chǎn)品合格率的前提下），輥軸軸承使用摩擦系數(shù)低的軸承，盡量減小轉(zhuǎn)動阻力。

②切縫機構(gòu)。切縫機構(gòu)主要由直線軸承、立柱、氣缸、裁刀、裁刀固定板等組成。其主要的功能與動作如下：沖坑前，用于對兩張鋁塑膜中間切縫釋放應(yīng)力，裁刀采用美工刀片，便于采購與備料，拉料到位，平臺吸真空打開，上氣缸驅(qū)動裁切機構(gòu)切縫，裁切機構(gòu)有吸塵罩，裁切過程中吸塵罩將裁切部位切口的粉塵進行負(fù)壓吸附，保證裁切廢料與粉塵可以吸附干凈；吸塵風(fēng)速要求≥15m/s；預(yù)裁位置精度0.3mm；裁切長度調(diào)整范圍可根據(jù)需要進行選擇。切縫機構(gòu)如圖16所示。

圖16 切縫機構(gòu)

切縫機構(gòu)通過在鋁塑膜上進行劃縫之后，為鋁塑膜沖坑做準(zhǔn)備。

③沖坑機構(gòu)。沖坑機構(gòu)主要由沖殼模具、伺服電機、減速機、滾珠絲桿、氣缸、導(dǎo)向軸等組成。

沖坑機構(gòu)采用多個氣缸進行壓緊鋁塑膜的動作，由伺服電機驅(qū)動滾珠絲桿進行沖坑，深度可自由通過軟件設(shè)定，設(shè)定范圍2～12mm。鋁塑膜的壓緊力通過伺服調(diào)節(jié)，模具有沖裁定位孔功能，采用雙坑沖殼的方式，沖殼尺寸精度可控制在±0.1mm內(nèi)，定位銷孔采用氣缸沖孔，沖孔精度±0.1mm，銷孔廢料從下模具板兩邊排出，設(shè)備沖殼模具兩側(cè)配備光柵（垂直于走帶方向），檢測到異物報警并停機，維護設(shè)置有安全防護的功能，防止維修人員被模具傷害。

對沖坑機構(gòu)具有換模需求，因而每臺沖坑機會配做一臺模具小車以方便換模具。

沖坑機構(gòu)使用次數(shù)多，因此材料選擇很關(guān)鍵，主要有以下幾種材料類型：底板45#調(diào)質(zhì)+鍍鎳，頂板45#調(diào)質(zhì)+鍍鎳，主立柱45#調(diào)質(zhì)+鍍鉻，上模板SKD11+淬火+氮化，凹模SKD11+淬火+氮化，凸模KD11+淬火+氮化，凸模固定板45#+鍍鎳。沖坑機構(gòu)如圖17所示。

圖17 沖坑機構(gòu)

④裁切機構(gòu)。裁切機構(gòu)主要由導(dǎo)桿、切刀、切刀固定座、上氣缸、下氣缸、除塵機構(gòu)等組成。其功能與動作是用于對鋁塑膜定長分切，裁切時設(shè)有除塵裝置。裁切刀一般使用壽命可達30萬～50萬次（同時具備壽命提醒報警），可修磨10次以上。在裁切時對刃口進行吸塵處理。吸塵風(fēng)速要求≥20m/s，鋁塑殼裁切精度為±0.2mm。裁切機構(gòu)如圖18所示。

圖18 裁切機構(gòu)

(3)包裝機

包裝機是將極耳焊接機焊接好的電芯與沖坑機沖壓好的鋁塑膜組裝成一個初步的電池形態(tài)。包裝機的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)主要包含包裝機夾具、對折機構(gòu)、裁切機構(gòu)、頂／側(cè)封機構(gòu)等。

①包裝機夾具。包裝機夾具是鋁塑膜與電芯組裝在一起完成各工序的重要載體，由齒輪齒條、角軸承、上形腔、下型腔、吸盤、定位塊等組成。其工作原理為下型腔固定在支架上，并合理分布真空吸盤；上型腔由夾具翻轉(zhuǎn)機構(gòu)通過齒輪齒條翻轉(zhuǎn)，可實現(xiàn)開、合、保持三位置要求，并合理分布真空吸盤；鋁膜放入型腔后，真空吸盤工作，鋁膜位置確定，在各工位流轉(zhuǎn)中鋁膜位置不變。由于鋁塑膜是軟體，為了保證鋁塑膜坑很好地與電芯之間的相對尺寸位置，對于上、下型腔采用仿形電芯外形尺寸的方式進行加工，加工精度可以達到±0.2mm，為了使夾具盡量輕量化且能夠保證強度要求，材質(zhì)一般選用A6061并做表面氧化處理，經(jīng)久耐用，對折后鋁膜邊緣對齊度±0.2mm。包裝機夾具如圖19所示。

圖19 包裝機夾具

通常夾具機構(gòu)配有三位置檢測磁性開關(guān)，實時檢測上型腔位置。

②對折機構(gòu)。對折機構(gòu)主要由升降氣缸、進退氣缸、直線導(dǎo)軌、對折板等組成。其主要功能與動作為升降氣缸保持在頂部位置，進退伺服將對折板推入鋁膜折線正上方，升降氣缸下行壓緊鋁膜，此時對折板邊線與鋁膜折線重合；轉(zhuǎn)盤夾具閉合，進退氣缸將對折板拉出，鋁膜完全對折，轉(zhuǎn)至下一工位；此時，鋁塑膜內(nèi)沒有電芯，對折機構(gòu)的整體精度可達到±0.2mm。對折機構(gòu)如圖20所示。

圖20 對折機構(gòu)

③裁切機構(gòu)。裁切機構(gòu)主要是用于對包裝機上的鋁塑膜進行裁切，主要由上切刀驅(qū)動氣缸、下切刀驅(qū)動氣缸、上切刀、下切刀、壓緊機構(gòu)、直線導(dǎo)軌、除塵機構(gòu)、調(diào)壓閥等組成，裁切位置有千分尺，方便人工調(diào)節(jié)。功能與動作為轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)一工位，下氣缸動作，下刀頂升，上氣缸動作，彈簧壓板接觸鋁塑膜后裁切鋁塑膜，氣缸同時復(fù)位。裁切機構(gòu)如圖21所示。

圖21 裁切機構(gòu)

裁切機構(gòu)的下裁切機構(gòu)內(nèi)有接料盒，對裁切下的鋁塑膜進行收集，裁切機構(gòu)有防塵罩，裁切過程中防塵罩將裁切部位與外部環(huán)境隔離，防塵罩內(nèi)有粉塵廢料吸附裝置，包括吹風(fēng)裝置與負(fù)壓除塵裝置，保證裁切廢料與粉塵可以吸附干凈；吸塵風(fēng)速要求≥20m/s；頂邊裁切精度≤0.2mm；裁切后頂邊對齊度≤0.2mm；切刀壽命為單次壽命30萬～50萬次（系統(tǒng)具備壽命提醒磨刀），可修模次數(shù)≥10次；使用數(shù)顯千分尺，保證調(diào)節(jié)精度0.01mm。

④頂／側(cè)封機構(gòu)。頂／側(cè)封機構(gòu)主要是用于電池的頂封或者側(cè)封，主要由伺服電機、滾珠絲桿、直線導(dǎo)軌、緩沖機構(gòu)、極耳定位機構(gòu)、微調(diào)機構(gòu)、NAK80封頭、溫控器、發(fā)熱管、熱電偶等組成。功能與動作為封頭采用電加熱方式升溫，封頭溫度為室溫至250℃可調(diào)，設(shè)備運行時封頭整體溫度偏差小于±3℃，發(fā)熱管功率為1500W，發(fā)熱管使用壽命為1年，溫控調(diào)節(jié)精度為≤5℃；從室溫升溫至200℃所需時間小于10min；封頭加熱座采用隔熱板密封溫度補償?shù)脑O(shè)計，保證高速封印過程中溫度在要求范圍內(nèi)，電芯旋轉(zhuǎn)至本工位后，上、下伺服電機同時驅(qū)動滾珠絲桿帶動上、下封頭閉合，進行熱封，封印壓力調(diào)節(jié)范圍為0～20kgf/cm2；封頭預(yù)留有極耳槽；電池主體與封頭的間隙可調(diào)，調(diào)節(jié)處有數(shù)顯千分尺。封裝時間為0～8s可調(diào)，調(diào)整精度0.1s；極耳區(qū)封印精度±20μm，非極耳區(qū)封印精度±15μm。頂／側(cè)封機構(gòu)如圖22所示。

圖22 頂／側(cè)封機構(gòu)