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新一轮锂电池扩建兴起,工控自动化助力高效生产

文:中国传动网 | 2019年第三期 (0) | (0)

尽管新能源动力电池行业经过一轮又一轮的“洗牌”,但优质动力电池供不应求的局面仍在长期持续。根据中国化学与物理电源行业协会(CIAPS)统计,2018年中国锂电池的产量增长到1242亿瓦时,同比增长23.1%。锂电池市场规模的快速扩大,主要来自于新能源汽车动力电池的增长;其中,2018年动力锂电池产量达到650亿瓦时,同比增长45.7%(如图1所示);而在整个动力电池新增装机量中,三元电池为331亿瓦时,占总装机量的58.2%;磷酸铁锂电池为221.9亿瓦时,占总装机量的39%。

从全球整体产业链的角度来看,新能源汽车动力锂电池市场的竞争日益激烈,2018年以来,以日、韩、中为代表的各大厂商纷纷加大了投资建设的规模,特别是在新能源汽车行业最为活跃的中国市场上,这两年来动力锂电池的巨头们正有条不紊地扩张着他们的产能版图(见表1)。

投资项目.png

表1各大厂商在建及计划建设动力电池产线

谈到近期中国动力电池行业的发展现况,CIAPS协会秘书长刘彦龙表示,受2018年中国动力电池行业补贴大幅度下滑、能量密度及续航门槛大幅提高、企业资金链紧张等多重压力,市场已进入到快速“洗牌”的阶段,一方面企业要扩大生产规模,另一方面则要提高产线自动化水平,提高产品的一致性和良品率。

在这一趋势下,为产业链上游的锂电设备行业提供了广阔的发展空间。据统计,2018年4家上市锂电设备企业的总营收同比增长22.47%;扣非归母净利润同比减少15.58%,在产业链中受新能源整车补贴退坡的影响最小。预计2019年锂电设备行业将继续维持较高增速,尤其是得益于外资龙头企业纷纷在国内建厂,近两年锂电设备需求将较大增长,且2019年锂电设备企业的利润增速扩大。

锂电设备行业新趋势

围绕动力电池的开发,已成为现阶段促进新能源汽车普及应用的一个重点,目标是——高能量密度、低成本、高安全性,为此,除了在优化材料体系和制作工艺上下功夫之外,锂电池生产设备的开发也是一个非常重要的环节。

目前一个较为明显的趋势是,锂电池生产设备的整体产线改造与升级速度加快,一体化集成设备受到应用端青睐,以满足主流动力锂电池企业对降本、提效的迫切要求。例如,先导智能开发出的新型激光切卷绕一体机可代替传统模切机(2台)和卷绕机(1台),一方面,激光切割的精度比传统的模切大幅提高;另一方面激光切卷绕一体机的产能≥100m/min,既节省了空间和人力成本,也节省了模切到卷绕间的搬运过程,且提高了生产安全性。此外,先导智能最新的高速叠片机其精度可达±0.2mm,达到国内先进水平。

新能源汽车动力锂电池的整个生产流程,大致上可以分为电极制作(前段)、电芯装配(中段)、后道处理(后段)三大过程工序(如图2所示)。前段设备(如涂布机、辊压机、分切机等)和中段设备(如制片机、模切机、卷绕机、叠片机等)是决定锂电池质量和性能的关键,因此对于生产设备的控制精度和稳定性要求较高。而锂电池后道生产设备,如化成、分容及检测、Pack组装设备等,则对于产线柔性化的要求更高,提高后段设备的自动化程度是关键。

另一个值得一提的现象是,最近几年国产设备及生产技术取得了长足的进步。根据GGII的调研数据显示,在锂电池生产的前段设备中,总体国产占有率达88%;中段设备总体国产占有率约为90%以上;而后段设备总体国产占有率甚至超过95%。这主要得益于近年来在国家政策的引导和扶持下,新能源汽车行业在中国市场取得了迅猛发展,并逐步建立起了完整的动力锂电池产业供应链,本土锂电池设备开发厂商借助便利条件,得以快速掌握应用需求变化,加上强大的服务支持能力,因而在激烈的竞争市场中发展壮大起来。

驱控算法成为关键

伴随着国内锂电池生产设备行业的高速发展,为包括伺服、运动控制系统、机器人、整体产线设计等在内的工控自动化厂商提供了良好的发展空间。例如,前段、中段生产设备对控制精度和稳定性的要求极高,在张力控制、收放卷控制、中断定位控制等特殊工艺环节上需要驱动、控制技术与锂电池生产技术紧密结合起来,才能真正满足锂电池生产的实际应用需求。

为了实现更高的控制精度,以及保证高效产能,目前大部分厂商的解决之道都在于将驱、控算法在底层集成于一体,尽可能地让控制指令下达到驱动器的延时缩短,同时在驱控算法上做进一步的优化,令伺服系统的动态响应更快,定位更精确,运行平稳,自适应能力强,协助客户有效控制机械投入成本,并且提升产品品质和生产效率。

深圳市威科达科技有限公司潜心研究张力控制技术,开发出基于专用伺服的恒张力控制系统,在锂电池隔膜分切机张力控制环节,把被动式拉力改进为主动换卷收卷式拉力,实现了微张力完美收放、启停时平稳控制、大小卷径不限制等控制特色,满足了锂电池材料隔膜生产过程中对9μ、12μ、16μ薄料分切的应用需求。

在威科达开发的全伺服张力控制解决方案中,以VEC-VB-HJ张力控制专用型伺服为核心,将张力控制器集成于伺服驱动器内,系统由人机界面、张力控制专用伺服、张力传感器所组成。同时,采用伺服的专用算法计算卷径,系统简单高效,精准度高,可实现收放卷开环张力控制、收放卷闭环张力控制、过程张力控制等功能,达到高速生产(150-200m/min)、起动平稳(张力波动≤1N)、低速无抖动;收放卷径范围宽泛;加减速或急停急起时,张力稳定,张力精度控制在传感器量程的1-5%等理想的应用效果,获得了用户的高度好评。

助力锂电池生产提速、降本

在锂电池生产的卷绕机部分,以方型卷绕机为例,由于其卷针形状的不规则性,卷针外围每个点与卷针中心的距离都不一样,卷针在旋转一周的过程中,为了保证入料速度稳定,需要对电机转速进行多次动态调整,通常一个电池的电芯制作要对电机进行几百上千次的动态调整,而单位时间内能够调整的能力越高,也意味着卷绕机的线速度越快,整线的生产效率也更高。

为此,深圳市微秒控制技术有限公司基于寄存器级驱控一体架构,将控制与驱动的核心算法都在同一个芯片上,从底层的设计开始,就充分考虑资源的分配与软件的协调,大幅缩减控制指令下达到驱动器的延时时间,从而在面对高周期循环动态调整应用中,也能保证设备在600mm/s的速度上稳定地运行。

为了进一步提高锂电池设备的生产效率,微秒在伺服驱动器部分上进行了针对性开发。除了具备自学习功能、无需设置任何卷针参数之外,微秒开发的电子凸轮功能还具备独特的功能优势,如多点凸轮拟合、自动生成凸轮曲线、凸轮启动方式多样等等。例如在飞切工位,8192点生产的凸轮曲线比一般的凸轮更细化,失真度更小,也更容易完成复杂的飞切动作,裁切时卷针无需减速停止,因而提高了生产效率,单个电芯较传统方式提高0.3秒。在同步模式下,微秒控制的伺服驱动器既可以接收外部指令脉冲,也可以运行内部定位指令,这就使得电机可在运行过程中直接叠加或者叠减一个距离,保证了动作的连贯性,如在完成飞切工位可直接到达入片工位,无缝衔接,在保证入片稳定性的同时,又提高了生产效率。

另外,微秒还针对一些特殊工位进行了专门研发,提出了一系列提速降本的解决方案。如:在锂电生产设备中的牵引工位,为了消除中断定位的延时与误差,往往会在前端加一个传感器,当接到这个传感器信号后进行降速处理,这既增加了传感器的购买成本,也增加了送料时间,使得生产效率降低。为此,微秒开发的技术方案将中断信号直接输入驱动器处理,理论上不存在延时,因此无需降速,也无需额外增加传感器,大大节约了投资成本,且提高了生产效率。

自动化装配产线集成兴起

锂电池生产后段设备的产线自动化集成也是目前厂商们研发的一个热点,尤其是组装环节。例如在高倍率放电、大容量的叠片电池装配生产中,整条产线需要完成叠片、极耳预焊、检测、焊接、贴胶、包膜、热熔、入壳等多道工序,彼此之间能够快速衔接,外围设备则与多个SCARA机器人配合,这些对产线的柔性化要求较高。

深圳市合信自动化技术有限公司推出的叠片电池机械手全自动装配生产线,采用集成运动控制、PLC控制和网络控制于一体的方式,总控制由一个主机控制完成,尽量减少不同系统间的数据交换,并且通过EtherCAT总线连接20多个驱动器加多个EtherCAT远程IO模块,支持远距离多点数应用。该方案通过合信CTH300系列C37运动控制器和机器人示教器,基于EtherCAT总线通讯方式搭配H1A伺服驱动器和EtherCAT远程IO模块,以扩展模块方式与设备外部信号实现交互。在软件部分,系统CODESYS软件平台支持PLCopen标准运动控制指令、支持电子凸轮/电子齿轮、支持CNC及多种机器人模型算法;并结合合信Mico远程解决方案,可实现基于互联网的各种智能终端的应用。

另外,在锂电池生产后段整线部分,由利元亨自主研发的动力电池制芯工艺全自动装配产线经广东省机械工程学会鉴定总体处于国际先进水平。据介绍,利元亨的核心技术实力主要体现在跨领域应用和产品的技术工艺方面,包括智能控制技术、机器视觉、人工智能技术、激光加工技术、机电联合仿真技术和力与位移精准控制技术等。同时通过对电芯装配、电池检测和电池组装三大环节锂电后段设备整线技术的掌握,利元亨沉淀出了标准化工艺平台,可以为客户提供集成多工序的锂电池装配生产线。

伴随新一轮动力锂电池扩建潮的兴起,产业内部的竞争将更为白热化,锂电池生产过程工序复杂,加上材料的特殊性与多元性、工艺参数的敏感性与高标准,这些都使得智能制造装备成为锂电池生产过程中的一项必要条件。工控自动化技术能够实现高效率、高品质生产,协助锂电池企业提高市场竞争力,因而发挥着越来越重要的作用。但另一方面,要想真正满足锂电池生产的实际应用需求,就要求工控厂商和锂电池设备企业紧密合作,把自动化技术与锂电池生产工艺很好地结合在一起,以需求带动技术开发,切实提供下游锂电池设备企业所需的产品和产线方案。

图12015-2018年中国动力锂电池产量统计(资料来源:CIAPS)

 中国动力锂电池产量统计.png

投资项目内容

松下据报道,2019新年前夕,松下计划花费“数亿美元”在其中国电池工厂部署两条新生产线,此举将使松下在中国的电池产能增加多达80%(约达90GWh)

LG化学2019年1月9日签署协议,计划在中国南京新港开发区建设一家动力电池厂及一家小型电池厂,两家工厂各投资6000亿韩元

2019年6月20日,LG化学和吉利汽车签署协议成立一家生产电动汽车电池的合资企业,双方分别投资9400万美元,预计到2021年底年产能将达到10GWh,将从2022年开始给吉利电动汽车供应动力电池

SKInnovation新建锂离子电池隔膜和陶瓷涂层隔膜生产工厂,包括四条锂离子电池隔膜生产线和三条陶瓷涂层隔膜生产线,投资约4000亿韩元,预计于2020年第三季度实现量产

三星SDI拟在天津调整部分产品结构,投资建设动力电池生产线和车用MLCC工厂(多层陶瓷电容器)等新项目,新增投资达24亿美元;另外,重启在西安的动力电池生产基地二期项目,该项目投资高达1.7万亿韩元

宁德时代2018年7月在欧洲建厂;2019年2月,宁德时代宣布,与日本本田签订合作协议,以截至2027年的长期合约向本田供应56吉瓦时(GWh)的电池,为了配合本田的研究开发,宁德时代2019年上半年将在栃木县内建设基地

比亚迪2019年5月,比亚迪宣布位于长沙宁乡的动力电池生产基地开工建设,一期总投资50亿元

孚能科技2018年10月,其镇江20GWh项目开工建设,预计动力电池产能将扩增至20GWh,到2020年产能将扩张到40GWh

亿纬锂能2019年3月,亿纬锂能旗下子公司亿纬集能6GWh三元软包动力电池二期项目动工,届时,亿纬集能软包电池总产能规模将达到9GWh,预计将于2020年4月建成投产。

图2锂电池制作工序流程图

锂电池制作工序流程图.png 



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