用于電芯制造的超級箱體質(zhì)量門

作者：是德科技汽車和能源解決方案營銷經(jīng)理Hwee Yng Yeo

“超級工廠”一詞在十年前還沒有出現(xiàn)，但現(xiàn)在已經(jīng)成為整個電動汽車（EV）生態(tài)系統(tǒng)的中流砥柱。超級工廠將鋰離子（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，使得過去十年電動汽車的電池價格下跌了90%。

超級工廠的電池生產(chǎn)流程異常復雜。為了擴大電池的生產(chǎn)規(guī)模，就必須在生產(chǎn)流程的每一個環(huán)節(jié)上實現(xiàn)高精度、自動化并安排質(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，可用于電動汽車的動力傳動系統(tǒng)。

大多數(shù)電動汽車電池的循環(huán)壽命在1500至2000次，具體取決于電池組的設計和電動汽車的續(xù)航里程。生產(chǎn)過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現(xiàn)其設計壽命至關重要。

圖1所示的是常規(guī)鋰離子電池制造流程的簡化示意圖。

圖1：電池制造流程中的關鍵階段

檢測電池生產(chǎn)過程中的制造缺陷

電池的性能可能因制造流程中的電化學或機械缺陷而偏離最初的設計規(guī)格。

濕度、微量顆粒污染物等因素都會對電池產(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(xiàn)的另外一個缺陷是在焊片焊接過程產(chǎn)生的輕微焊片毛刺。焊片將陽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(nèi)部短路，進而引發(fā)熱失控。

分析電池的循環(huán)壽命 ，嚴把質(zhì)量關

為了了解電池實際的性能表現(xiàn)與設計規(guī)格之間存在的差異，需要在制造過程中讓每個電池通過諸多質(zhì)量檢驗關口，其中包括一個能確定電池充放電循環(huán)壽命和老化速度的質(zhì)量關口。這個環(huán)節(jié)旨在檢驗電池在開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)測試是一個需要數(shù)天、數(shù)周乃至數(shù)月的漫長流程。每個電池必須經(jīng)歷數(shù)百次充放電循環(huán)，才能表征內(nèi)部電阻和容量保持率與循環(huán)次數(shù)之間的關系。

制造商不可能對現(xiàn)代化超級工廠產(chǎn)線上的每個電池進行電池循環(huán)質(zhì)量檢測，而是在線下進行抽檢來把握產(chǎn)品質(zhì)量關。

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

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(jié)約成本的創(chuàng)新方案來把好質(zhì)量關，以提高效率、減少運營成本并進一步降低電動汽車電池的成本，進而縮小燃油汽車和中檔電動汽車之間的價格差距。圖2所示的是一個常規(guī)電池循環(huán)測試裝置，每個箱體能夠容納10到20個電芯，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(guī)電池循環(huán)測試裝置

在電池制造過程中部署的新質(zhì)量管控方案，其中的“超級測試箱”有助于減少超級工廠的車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。每個超級測試箱僅為一個集裝箱大小，可容納200個350A的棱柱形電芯通道和100個10A的圓柱形電芯通道，并配有安全和溫度控制系統(tǒng)。

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，合作開發(fā)人員發(fā)現(xiàn)對于一個需要18個傳統(tǒng)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(tǒng)箱體與循環(huán)器的33%

如果需要增加測試容量，可在現(xiàn)場快速安裝更多的超級測試箱，實現(xiàn)與產(chǎn)量增長同步的容量擴展。另外，超級測試箱配備有達到5級風險控制的安全應急系統(tǒng)，可應對溫度過高、系統(tǒng)故障或者煙霧、氣體和火災等嚴重的安全問題。它可以幫助電動汽車電池制造商節(jié)省成本和時間。

通過提高運營效率節(jié)省資源、時間和成本

使用超級測試箱作為電池循環(huán)測試的“質(zhì)量閘”還能通過再生能源的回收利用節(jié)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上。這種可再生電源系統(tǒng)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(tǒng)部件的壓力，提高設備的可靠性。由于發(fā)熱量減少，系統(tǒng)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個傳統(tǒng)電池循環(huán)器需要180 kW。

軟件也是一個不可或缺的工具，它為整個電池循環(huán)測試“質(zhì)量閘”的管理人員和操作人員提供了運營可視化以及可執(zhí)行的洞察和見解?；谠贫说膽脼闇y試管理人員和操作人員提供覆蓋整個企業(yè)和各個級別的遠程訪問，使得他們能夠監(jiān)測數(shù)千個通道中的每個電芯的測試狀態(tài)。

推動盈利

伴隨著汽車電氣化趨勢的加快，汽車制造商及其電池供應鏈將繼續(xù)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從目前普及的燃油汽車過渡到電動汽車。通過采用超級測試箱等節(jié)約成本的創(chuàng)新的質(zhì)量管控方案以及可再生能源系統(tǒng)和以軟件為中心的運營方式，制造商不僅可以提高效率、降低運營成本，還能更快實現(xiàn)盈利并推動電動汽車的普及。