廖均克 陳旭 詹占全 彭清華 黃攀攀 饒勇

摘要：極耳焊接貼膠工序是鋰離子動(dòng)力電池電芯制造的關(guān)鍵工藝之一，其對(duì)焊接精度控制、質(zhì)量控制、一致性要求非常高，直接影響電池的容量、安全性能和一致性。目前鋰電池生產(chǎn)裝備仍是制約當(dāng)前鋰電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)主要瓶頸，針對(duì)國(guó)內(nèi)的極耳焊接貼膠關(guān)鍵工藝裝備在性能、精度、自動(dòng)化水平和生產(chǎn)效能等方面存在的問題，開展了基于高頻摩擦的飛濺機(jī)理研究及工藝模擬分析、基于圖像處理技術(shù)的極耳多維位置校正技術(shù)和新型膠帶切斷機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及精密貼膠技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)研究，研發(fā)出新一代高速、高精、自動(dòng)化程度高的極耳焊接貼膠設(shè)備，實(shí)現(xiàn)焊接位置精度達(dá)到±0.41 mm，貼膠位置精度達(dá)到±0.32 mm，部分指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，提升了電池的一致性和安全性。

關(guān)鍵詞：全自動(dòng)化；軟包電池；鋰電池；極耳焊接；貼膠

中圖分類號(hào)：TG43文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1009-9492 （ 2022 ） S1-0001-04

Research on Key Technology of Fully Automatic Equipment for Tap Welding and Taping of Flexible Packaging Lithium-ion Power Battery Cell Production

Liao Junke，Chen Xu，Zhan Zhanquan，Peng Qinghua，Huang Panpan，Rao Yong

（Guangdong Honbro Technology Co.，Ltd.， Dongguan， Guangdong 523808， China）

Abstract： The welding and taping process of pole ear is one of the key processes in the manufacturing of lithium-ion power battery cells. It has high requirements on the welding precision control， quality control and consistency， which directly affects the capacity， safety performance and consistency of batteries. At present， lithium battery production equipment is still a major bottleneck restricting the development of the current lithium battery industry. In view of the problems existing in the performance， precision， automation level and production efficiency of the key technology equipment of pole ear welding and gluing in China， the research on spattering mechanism and process simulation analysis based on high-frequency friction， the multi-dimensional position correction technology of pole ear based on image processing technology， the design of new tape cutting mechanism and precision adhesive technology， and other key technologies were carried out. A new generation of high-speed， high precision， high degree of automation tap welding and taping equipment was developed， achieving the welding position accuracy of±0.41 mm. The adhesive position accuracy reaches±0.32 mm， and some indicators reach the international advanced level， improving the consistency and safety of the battery.

Key words： fully automatic；flexible packaging； lithium battery；tap welding； taping

0引言

在“雙碳”政策引導(dǎo)下，2021年10月國(guó)務(wù)院發(fā)布《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》，要求到2030年，國(guó)內(nèi)新增新能源、清潔能源動(dòng)力的交通工具比例達(dá)到40%左右，將持續(xù)推動(dòng)新能源車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。大容量動(dòng)力蓄電池逐漸成為動(dòng)力電源的主體，其中作為綠色蓄電池的動(dòng)力鋰電池，以其能量高、工作電壓高、工作溫度范圍寬、體積小、質(zhì)量輕、貯存壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，且具有不會(huì)造成二次污染、不具有記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，已成為新能源儲(chǔ)能、新能源汽車動(dòng)力電源、航空航天市場(chǎng)應(yīng)用的首選[1-4]。

焊接技術(shù)作為疊片型鋰電池制造工藝中的關(guān)鍵工藝，焊接缺陷可能造成鋰離子電池內(nèi)阻增大、容量減小、電壓降低，將影響鋰離子電池的一致性，在工藝控制方面，疊片式電芯制作比較復(fù)雜，極耳的焊接是在疊片完成之后先進(jìn)行預(yù)焊，再進(jìn)行極耳與引片焊接，焊接工藝要求比較高[3]。焊接精度和焊接強(qiáng)度是影響電池性能的主要工藝參數(shù)[3]，本文開展焊接設(shè)備的焊接方式研究，采用超聲波高頻摩擦加工，研究了焊接振幅、焊接能量、焊接壓力和焊接時(shí)間等關(guān)鍵影響因素，并進(jìn)行了工藝模擬分析，提升了焊接質(zhì)量，減小了對(duì)電芯的損傷，使得電池充放電過程中得發(fā)熱量減小，降低了安全隱患；應(yīng)用高精度圖像定位技術(shù)，使電池極耳更精準(zhǔn)的焊接于設(shè)定位置，減少了短路風(fēng)險(xiǎn)，提高了生產(chǎn)合格率；同時(shí)，研究了貼膠的關(guān)鍵影響因素，貼膠模塊主要采用基于機(jī)器視覺的高精度定位技術(shù)、協(xié)同控制算法和柔性貼膜技術(shù)，將膠帶精準(zhǔn)的貼到電芯的極耳處，避免了貼膠精度差造成電池封裝時(shí)產(chǎn)生的封裝不良，杜絕電池工作時(shí)電芯內(nèi)部短路問題。

1主要工藝流程

在軟包動(dòng)力鋰電池疊片工序完成后，需在電池正負(fù)極片的端面焊接極片，極耳自動(dòng)焊接貼膠機(jī)工序流程包括：疊片電芯的冷壓及短路測(cè)試，正負(fù)極耳分別進(jìn)行預(yù)焊，預(yù)焊后與極耳終焊，終焊后除塵壓毛刺，再對(duì)焊印的正反兩面貼膠并壓緊，最后將焊接完成的電芯提供給后續(xù)包裝設(shè)備生產(chǎn)。工藝流程如圖1所示。

2設(shè)計(jì)方案

為了實(shí)現(xiàn)上述工藝流程，主要開展基于高頻摩擦的飛濺機(jī)理研究及工藝模擬分析、基于圖像處理技術(shù)的極耳多維位置校正技術(shù)和新型膠帶切斷機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及精密貼膠技術(shù)研究，開發(fā)出精密預(yù)焊、主焊、除塵、貼膠機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵功能部件，最終研發(fā)出集高精度焊接和貼膠一體的軟包動(dòng)力鋰離子電池全自動(dòng)焊接貼膠機(jī)，以提升動(dòng)力電池的一致性和安全性。設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

3動(dòng)力鋰電池極耳焊接貼膠一體機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)研究

（1）基于高頻摩擦的飛濺機(jī)理研究及工藝模擬分析

由于鋁、銅具有高導(dǎo)電率且價(jià)格便宜，作為正負(fù)極極片材料廣泛應(yīng)用于鋰電池，然而其高導(dǎo)電率和導(dǎo)熱率使鋁、銅熔化焊困難，且易形成金屬間化合物，會(huì)降低焊接接頭質(zhì)量。因超聲波金屬焊接具有節(jié)能、高效、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，是軟包動(dòng)力鋰電池極耳實(shí)現(xiàn)固相連接的首選技術(shù)手段。超聲波極耳焊接技術(shù)是利用超聲波產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)能量，在壓力作用下，焊頭通過高頻振動(dòng)將能量傳遞到被焊極片界面之間，此時(shí)焊接底座與設(shè)備機(jī)架固定，沒有產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，與其接觸的下層極片也可視為靜止。由于下層極片靜止，而上層極片具有機(jī)械振動(dòng)，則在極片之間產(chǎn)生了相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使極片與極片間產(chǎn)生高頻摩擦，轉(zhuǎn)變?yōu)闃O片界面間的摩擦做功、形變能及溫升，從而破壞極片表面氧化層并使被焊的極片表面產(chǎn)生塑性變形，從而產(chǎn)生純凈金屬貼合、原子擴(kuò)散，最終實(shí)現(xiàn)極片與極片間的固相連接[1]。

極耳焊接過程中，焊接接觸區(qū)的溫度對(duì)極片焊接質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用，通過改變焊接壓力可以改變焊接過程中極片與極耳引片界面相對(duì)振動(dòng)的摩擦力，從而影響摩擦產(chǎn)熱，只有當(dāng)焊接壓力最優(yōu)時(shí)，才能使相對(duì)振動(dòng)摩擦力及速度所獲得的產(chǎn)熱功率最大，使焊機(jī)產(chǎn)生的熱量充分的用于被焊工件的連接[5]。摩擦產(chǎn)熱量是由功率對(duì)時(shí)間積分所得，所以極片焊接時(shí)間越長(zhǎng)，焊接設(shè)備提供給極片的能量越多，則由于摩擦作用產(chǎn)生的熱量增多，那么焊接過程中極片的溫度將不斷升高，圖3揭示了焊接時(shí)間對(duì)銅、鋁極片接觸區(qū)溫度的影響規(guī)律。

通常情況下，鋰電池規(guī)格型號(hào)不同選擇鋁箔和銅箔的厚度有所不同（鋁箔單層厚度：0.008～0.2 mm，銅箔單層厚度：0.005～0.1 mm），本文以兩種常用的不同厚度的鋁箔和銅箔極耳超聲波焊接過程為研究對(duì)象，搭建了極耳超聲波焊接實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，獲得了極片焊接過程中高頻摩擦產(chǎn)熱對(duì)極片連接的作用規(guī)律，由焊接頭與極片接觸區(qū)溫度獲得極耳與極耳引片界面溫度，進(jìn)一步揭示焊接壓力、超聲波振幅和焊接時(shí)間等焊接工藝參數(shù)對(duì)焊頭與工件接觸區(qū)溫度的影響規(guī)律，并建立焊接工藝參數(shù)優(yōu)化模型，采用多元二次回歸方程來擬合因素與響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系，通過對(duì)回歸方程的分析，獲得不同厚度極耳的最優(yōu)焊接工藝參數(shù)組，最優(yōu)參數(shù)組1：正極27層（單層鋁箔尺寸：26 mm×25 mm×0.01 mm），負(fù)極28層（單層銅箔尺寸：26 mm×25 mm×0.008 mm），焊接振幅55μm，焊接能量130 J，焊接壓力30 PSI，焊接時(shí)間≤0.5 s；最優(yōu)參數(shù)組2：正極39層（單層鋁箔尺寸：26 mm×25 mm×0.012 mm），負(fù)極40層（單層銅箔尺寸：26 mm×25 mm×0.01 mm），焊接振幅40μm，能量200 J，焊接壓力35 PSI，焊接時(shí)間≤0.5 s；顯著提高了焊接質(zhì)量。

在極片焊接過程中，高頻振動(dòng)摩擦?xí)a(chǎn)生金屬粉塵，粉塵進(jìn)入電芯內(nèi)部會(huì)帶來短路風(fēng)險(xiǎn)。運(yùn)用有限元仿真對(duì)焊接過程進(jìn)行模擬分析，揭示了焊接時(shí)產(chǎn)生的金屬粉塵飛濺軌跡，獲得其進(jìn)入電芯內(nèi)部的概率，如圖4所示，再對(duì)除塵裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化厚的除塵結(jié)構(gòu)保證在極耳焊接時(shí)，除塵裝置的上下吸塵罩閉合，將電芯極耳處包圍行程密閉腔體，吸塵接口處通過負(fù)壓吸塵，防止粉塵漂浮到工作環(huán)境中，最終避免了粉塵進(jìn)入電芯內(nèi)部，提高了動(dòng)力電池的安全性。

（2）基于圖像處理技術(shù)的極耳多維位置校正技術(shù)

為獲得更好的極耳焊接質(zhì)量，需保證有效焊接長(zhǎng)度，對(duì)焊接位置參數(shù)提出了較高的要求，采用了基于圖像處理技術(shù)的極耳多維位置校正技術(shù)，如圖5所示，運(yùn)用智能相機(jī)獲取待焊接極耳的圖像，獲取極耳邊界位置信息，研究基于機(jī)器視覺的高效運(yùn)動(dòng)算法，驅(qū)動(dòng)UVW三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，進(jìn)行極耳姿態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)±0.41 mm的焊接位置精度。

（3）新型膠帶切斷機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及精密貼膠技術(shù)

為避免貼膠精度差造成電池封裝時(shí)產(chǎn)生封裝不良，杜絕電池工作時(shí)電芯內(nèi)部短路問題，采用恒張力控制技術(shù)、基于機(jī)器視覺的高精度定位技術(shù)、自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)控制算法和柔性貼膜技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了膠帶的精準(zhǔn)貼附。為提高圖像質(zhì)量，優(yōu)化了切膠帶工藝，摒棄傳統(tǒng)的沖切方式，采用剪切方式使得膠帶邊界質(zhì)量更高，無毛刺。獲取膠帶邊界位置信息后，采用自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)控制算法驅(qū)動(dòng)UVW三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，調(diào)整膠帶位置，實(shí)現(xiàn)±0.32 mm的貼膠位置精度，如圖6所示。

4結(jié)束語

研發(fā)出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的軟包動(dòng)力鋰電池極耳焊接貼膠一體化設(shè)備，樣機(jī)如圖7所示。設(shè)備可實(shí)現(xiàn)片料極耳兼容卷料極耳、平焊與折彎焊兼容，平貼膠與Z型貼膠兼容，解決了國(guó)內(nèi)外同類設(shè)備存在產(chǎn)能不夠高，設(shè)備換型、輔助換料時(shí)間長(zhǎng)等問題。設(shè)備綜合采用運(yùn)動(dòng)控制、伺服驅(qū)動(dòng)、高精度視覺傳感、有限元仿真分析等多種學(xué)科和技術(shù)，通過關(guān)鍵工藝技術(shù)優(yōu)化、創(chuàng)新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面的研究應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了焊接、貼膠等多功能復(fù)合一體化結(jié)構(gòu)，焊接位置精度提高至±0.41 mm，貼膠精度±0.32 mm，設(shè)備產(chǎn)能>13 PPM，產(chǎn)品優(yōu)率達(dá)到99%，部分指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

參考文獻(xiàn)：

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第一作者簡(jiǎn)介：廖均克（1980-），男，大學(xué)本科，工程師，研究領(lǐng)域?yàn)闄C(jī)電一體化，已發(fā)表論文4篇。

（編輯：刁少華）