摘要：研究新能源汽車儲(chǔ)能行業(yè)中LFP方形鋁殼電池組立段設(shè)備，包括梳理組立段設(shè)備的工作流程，將組立段設(shè)備分解為卷繞、熱壓、焊接和入殼等子系統(tǒng)模塊，研究歸納各子系統(tǒng)模塊的主要功能、機(jī)構(gòu)原理、技術(shù)參數(shù)等。通過(guò)研究，深入對(duì)組立段卷繞、熱壓、焊接、檢測(cè)等核心設(shè)備的認(rèn)識(shí)，有利于推廣組立段設(shè)備新技術(shù)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：方形鋁殼電芯；組立段；卷繞；熱壓；入殼

中圖分類號(hào)：U467.9 收稿日期：2024-01-04

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.04.020

1 LFP方型鋁殼電芯組立段卷繞設(shè)備

卷繞作為組立段工序的重要工藝，是將正極極片、隔膜、負(fù)極極片一同按照工藝要求進(jìn)行卷繞，形成電芯的本體，其主要功能涵蓋放卷糾偏、極片過(guò)程糾偏、入料糾偏、卷繞、CCD尺寸檢測(cè)、貼膠、預(yù)壓等。

卷繞設(shè)備工作流程如圖1所示。

卷繞設(shè)備的主要功能模塊包括放卷模塊、自動(dòng)換卷模塊、自動(dòng)糾偏模塊、張力控制模塊、張力檢測(cè)模塊、極耳翻折檢測(cè)及極片計(jì)長(zhǎng)模塊、壓花輥模塊、入料模塊、極片及隔膜切斷模塊、終止膠帶粘貼模塊、卷繞模塊[1]。

放卷模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)極片、隔膜卷料固定、自動(dòng)放卷功能；放卷機(jī)構(gòu)依靠伺服電機(jī)控制放卷速度， 放卷糾偏機(jī)構(gòu)由伺服+滾珠絲桿結(jié)構(gòu)控制糾偏；放卷速度>2.5 m/s，放卷糾偏精度控制為±0.1 mm。

自動(dòng)換卷模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)極片卷料卷軸切換，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換卷功能；工人上備料時(shí)提前按原理圖穿好卷料并貼好膠帶，一卷卷料接近用完，備料靠吸塊完成粘接；換卷極片錯(cuò)開(kāi)≤1 mm。

自動(dòng)糾偏模塊的主要功能是對(duì)料帶邊緣實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、實(shí)現(xiàn)走帶過(guò)程中實(shí)時(shí)修正達(dá)到糾偏目的；糾偏機(jī)構(gòu)均由伺服機(jī)構(gòu)控制糾偏，包括放卷糾偏、過(guò)程糾偏和入料糾偏；放卷糾偏精度控制為±0.1 mm，過(guò)程糾偏精度控制為±0.1 mm，入料糾偏精度控制為±0.01 mm。

張力控制模塊的主要功能是有效控制物料走帶張力，不因卷繞張力問(wèn)題造成裸電芯變形；張力控制機(jī)構(gòu)均由伺服機(jī)構(gòu)控制張力大??；極片張力范圍200～2 000 N，張力波動(dòng)5%。

張力檢測(cè)模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)張力值的實(shí)時(shí)測(cè)量/顯示、張力曲線在觸摸屏上實(shí)時(shí)顯示、張力值及曲線與生產(chǎn)時(shí)間、裸電芯條碼等對(duì)應(yīng)在工控機(jī)內(nèi)的存儲(chǔ)/顯示；通過(guò)張力傳感器，輸出實(shí)時(shí)張力值；張力測(cè)試頻率≥30 Hz，測(cè)量誤差≤1.0%。

極耳翻折檢測(cè)及極片計(jì)長(zhǎng)模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)卷繞前和卷針上極耳翻折的檢測(cè)、報(bào)警、挑出以及極片和隔膜長(zhǎng)度測(cè)量；通過(guò)位移傳感器，反饋出單次用量長(zhǎng)度值；計(jì)長(zhǎng)誤差控制為±2 mm。

壓花輥模塊的主要功能是用在陰極極片上產(chǎn)生凹坑、凸起，以增加裸電芯的層間間距；通過(guò)滾花模，在極片上加工出紋路；層間間隙控制為（20±10）μm。

入料模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)卷繞前極片入料。通過(guò)夾輥驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，將極片送入滾針；極片頭部在裸電芯中的位置精度控制為±0.5 mm，入料偏差≤0.1 mm，吹氣角度可自由調(diào)節(jié)。

極片及隔膜切斷模塊是實(shí)現(xiàn)極片和隔膜的精準(zhǔn)切斷。極片切刀機(jī)構(gòu)為鍘刀式且?guī)O片壓緊部件、切刀動(dòng)作的動(dòng)力設(shè)置于切刀長(zhǎng)度的中部；隔膜切斷采用熱切刀結(jié)構(gòu)；極片切斷模式有計(jì)長(zhǎng)，檢測(cè)Mark孔和數(shù)極耳3種方式，極片切刀壽命≥200萬(wàn)次，金屬箔毛刺超出膜片≤10 μm，隔膜切刀壽命≥50萬(wàn)次，隔膜切刀可加熱。

終止膠帶粘貼模塊的主要功能是卷料膠帶開(kāi)卷后按所需長(zhǎng)度自動(dòng)備好膠帶，并貼在裸電芯收尾處；備膠機(jī)構(gòu)將膠紙按要求長(zhǎng)度裁切好；貼膠擺輥完成取膠，貼膠；檢測(cè)Mark孔，貼膠位置精度控制為±3.0 mm，貼膠平整度為無(wú)褶皺，膠帶寬度為15～30 mm。

卷繞模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)電芯的卷繞（圓形卷繞）和不同卷繞工位的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，并能實(shí)現(xiàn)恒張力卷繞（張力波動(dòng)±5%）；采用多伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和多套卷針機(jī)構(gòu)，將入料極片、隔膜通過(guò)卷針機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)卷繞到一起；極片對(duì)齊度控制為±0.3 mm，隔膜對(duì)齊度控制為±0.5 mm。

2 LFP方型鋁殼電芯組立段熱壓設(shè)備

電芯在完成卷繞之后，進(jìn)入熱壓工序，熱壓工序首先將裸電芯通過(guò)接觸式或者運(yùn)風(fēng)式預(yù)熱爐進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱完畢之后通過(guò)移載機(jī)械手對(duì)電芯中轉(zhuǎn)定位，將電芯熱壓整形后，最后進(jìn)行厚度和Hi-pot測(cè)試。

熱壓設(shè)備工作流程如圖2所示。

預(yù)熱主要用于裸電芯（JR）在卷繞之后熱壓之前的預(yù)熱，以便熱壓整形能夠快速地達(dá)到整形效果，提高單線產(chǎn)能。電芯預(yù)熱設(shè)備按照原理主要分為兩類，一類為接觸式預(yù)熱設(shè)備，另一類為運(yùn)風(fēng)式（非接觸式）預(yù)熱設(shè)備［2］。

接觸式加熱模塊對(duì)電芯進(jìn)行加熱：每層加熱板上下貼有加熱膜，電芯下表面接觸加熱膜加熱，上表面通過(guò)加熱膜熱輻射加熱；層間間隙≤5 mm，加熱板均溫控制為±4 ℃，加熱至90 ℃，時(shí)間≤20 min。

運(yùn)風(fēng)式加熱模塊對(duì)電芯進(jìn)行加熱：每電芯在恒溫烤爐內(nèi)的輸送線上步進(jìn)式移動(dòng)加熱，烤爐配套的發(fā)熱管產(chǎn)生熱量，熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)將所產(chǎn)生熱風(fēng)輸送至電芯表面，以達(dá)到電芯預(yù)熱的目的；爐內(nèi)溫度80～130 ℃可調(diào)，最小調(diào)節(jié)精度1 ℃。

熱壓模塊的主要功能是將電芯進(jìn)行熱壓整形：伺服電機(jī)+絲桿機(jī)構(gòu)輸出壓力，加熱棒輸出熱量，通過(guò)上下壓板壓緊電芯；溫度均勻性控制為±3 ℃，溫度穩(wěn)定性控制為±3 ℃，壓力控制精度控制為±3%設(shè)定值，上下壓板平行度≤0.1 mm。

厚度&Hi-pot測(cè)試模塊的主要功能是對(duì)整形完成的電芯在一定壓力下進(jìn)行厚度和Hi-pot測(cè)試。通過(guò)加壓機(jī)構(gòu)壓緊電芯，探針接觸電芯正負(fù)極極耳，通過(guò)傳感器和電阻測(cè)試儀對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)；壓力控制精度控制為±3%設(shè)定值，厚度檢測(cè)控制為±0.02 mm。

3 LFP方型鋁殼電芯組立段焊接設(shè)備

焊接設(shè)備包括超聲波焊接設(shè)備和激光焊機(jī)模塊。

超聲波焊接設(shè)備用于實(shí)現(xiàn)電芯極耳與轉(zhuǎn)接片、保護(hù)片通過(guò)超聲波焊接：主要功能涵蓋電芯掃碼上料、 轉(zhuǎn)接片上料、電芯極耳陽(yáng)極焊接、電芯極耳陰極焊接、焊后除塵、焊接后貼藍(lán)膠、焊印檢測(cè)、良品下料至物流線、不良品下料至NG線等；主要包括轉(zhuǎn)接片上料模塊、超聲波焊接模塊、焊接保護(hù)模塊和貼膠模塊。

激光焊接設(shè)備用于實(shí)現(xiàn)電芯極耳與轉(zhuǎn)接片、保護(hù)片通過(guò)超聲波焊接：通過(guò)循環(huán)夾具，依次將刻碼OK的頂蓋、超焊后的電芯組、焊接保護(hù)壓板（防止金屬飛濺飛進(jìn)電芯及壓緊轉(zhuǎn)接片與蓋板）組合到一起，進(jìn)入焊接工位，通過(guò)振鏡發(fā)出激光，完成頂蓋與轉(zhuǎn)接片的焊接組裝；主要包括頂蓋激光刻碼模塊、頂蓋激光焊接模塊、焊印除塵模塊、焊印貼膠模塊［3］。

4 LFP方型鋁殼電芯組立段包Mylar設(shè)備

包Mylar設(shè)備用于對(duì)合芯貼膠后電芯用Mylar進(jìn)行包裹，為后續(xù)電芯入殼做準(zhǔn)備。設(shè)備完成電池自動(dòng)上料、掃碼、底托片與Mylar熔合、定位送料、包Mylar、貼藍(lán)膠、CCD檢測(cè)焊點(diǎn)及貼藍(lán)膠等。

該設(shè)備的主要功能模塊包括底托和Mylar熱熔模塊、側(cè)面熱熔模塊、底部貼膠模塊。

底托和Mylar熱熔模塊的主要功能是將Mylar和底托、Mylar和電芯頂支架熔合到一起：通過(guò)給熱熔絲通電，電流通過(guò)鍍有鉬、鈦等高組織材料產(chǎn)生高溫去加熱熔合；熱熔壓力0.2～0.7 MPa，熱熔溫度穩(wěn)定性控制為±3 ℃，熔點(diǎn)位置精度控制為±0.5 mm。

側(cè)面熱熔模塊的主要功能是將Mylar包裹電芯側(cè)面：通過(guò)側(cè)面的薄片以及滾輪，將側(cè)面的Mylar包裹好電芯，再通過(guò)熱熔頭將側(cè)面Mylar熱熔到頂蓋支架上；Mylar位置精度控制為±0.5 mm。

底部貼膠模塊的主要功能是將Mylar底部進(jìn)行貼膠固定：為了防止電芯底部Mylar在轉(zhuǎn)運(yùn)的過(guò)程中散開(kāi)（Mylar只在電芯頂部有熱熔固定），需在電芯底部貼L形膠紙固定；貼膠位置精度控制為±1 mm。

5 LFP方型鋁殼電芯組立段入殼設(shè)備

入殼設(shè)備用于將包裹Mylar后的電芯裝入鋁殼，并用激光完成頂蓋與鋁殼的預(yù)焊，為后續(xù)頂蓋激光焊接做準(zhǔn)備。設(shè)備完成電芯自動(dòng)上料、電芯掃碼、電芯清潔、鋁殼上料、鋁殼清潔、電芯入殼、電芯壓裝、臺(tái)階檢測(cè)、頂蓋預(yù)焊、Hi-pot測(cè)試等。

入殼設(shè)備工作流程如圖3所示。

電芯入殼設(shè)備的主要功能模塊包括電芯入殼模塊、電芯壓裝模塊、臺(tái)階檢測(cè)模塊、激光預(yù)焊模塊。

電芯入殼模塊的主要功能是將電芯推入鋁殼：將Mylar包裹的電芯、鋁殼定好位，并用開(kāi)口機(jī)構(gòu)張開(kāi)鋁殼殼口，利用導(dǎo)向機(jī)構(gòu)將電芯推入鋁殼；入殼定位精度控制為±0.05 mm，入殼壓力≤100 N。

電芯壓裝模塊的主要功能是將電芯頂蓋推入鋁殼：將電芯頂蓋、鋁殼定好位，并用開(kāi)口機(jī)構(gòu)張開(kāi)鋁殼殼口，利用導(dǎo)向機(jī)構(gòu)將頂蓋推入鋁殼；頂蓋與鋁殼臺(tái)階≤0.3 mm。

臺(tái)階檢測(cè)模塊的主要功能是檢測(cè)壓裝后頂蓋和鋁殼的臺(tái)階是否OK：3D輪廓儀將對(duì)電芯四周進(jìn)行掃描檢測(cè)；臺(tái)階檢測(cè)誤判率≤0.1%，檢測(cè)精度控制為±0.02 mm。

激光預(yù)焊模塊的主要功能是將鋁殼和蓋板預(yù)熔合到一起：通過(guò)夾具將電芯定位好，振鏡發(fā)出的激光將頂蓋和鋁殼預(yù)焊到一起，焊接的同時(shí)，夾具上的氣道對(duì)其吹保護(hù)氣及負(fù)壓抽塵；長(zhǎng)邊間隙≤0.06 mm，短邊間隙≤0.1 mm。

激光焊接模塊的主要功能是將鋁殼和蓋板熔合密封焊接：采用大理石搭建平臺(tái)框架，高速焊接過(guò)程中，夾具對(duì)電芯定位，上保護(hù)蓋等動(dòng)作；準(zhǔn)直頭上的位移傳感器會(huì)對(duì)電芯頂蓋進(jìn)行位移測(cè)量，自動(dòng)調(diào)整Z向焊接距離，保證激光離焦量一致；除塵結(jié)構(gòu)一般采用同軸渦輪形式；焊接速度20～200 mm/s可調(diào)，速度控制精度控制為±3 mm/s，焊接最大熔深≥700 μm，焊接最大熔寬≥1 200 μm，有效熔深≥550 μm，焊接拉爆強(qiáng)度≥0.8 MPa。

6 LFP方型鋁殼電芯組立段其他設(shè)備

LFP方型鋁殼電芯組立段還包括密封釘焊接設(shè)備和檢測(cè)設(shè)備。

密封釘焊接設(shè)備用于將密封釘和蓋板上的注液孔完成激光焊接：主要功能涵蓋上下料機(jī)構(gòu)、注液口激光清洗機(jī)構(gòu)、上密封鋁釘機(jī)構(gòu)、密封鋁釘激光焊接和焊后外觀檢測(cè)等組成。該設(shè)備主要包括對(duì)注液口進(jìn)行清潔的激光清洗模塊，把存儲(chǔ)的密封釘精準(zhǔn)裝到電芯注液口上的密封釘上釘模塊，把注液孔上的密封釘和頂蓋密封焊接到一起的密封釘焊接模塊，激光清洗模塊通過(guò)脈沖激光對(duì)殘留在注液孔附件的電解液結(jié)晶進(jìn)行燒灼蒸發(fā)，達(dá)到清潔效果；密封釘上釘模塊上釘前CCD先對(duì)工位電芯的注液孔進(jìn)行拍照定位，保證上釘位置的準(zhǔn)確性；密封釘焊接模塊先用CCD先對(duì)工位電芯的注液孔進(jìn)行拍照定位，保證上釘位置的準(zhǔn)確性，再準(zhǔn)指頭發(fā)出的激光對(duì)注液孔上密封釘進(jìn)行預(yù)焊、滿焊。

檢測(cè)設(shè)備包括X-RAY檢測(cè)設(shè)備和氦檢設(shè)備。X- RAY檢測(cè)設(shè)備通過(guò)X射線穿透電芯內(nèi)部成像來(lái)檢測(cè)電芯極片端面對(duì)齊度以及極片的層數(shù)來(lái)判定電芯是否合格。氦檢設(shè)備分為一次氦檢機(jī)和二次氦檢機(jī)，一次氦檢機(jī)用于對(duì)頂蓋激光焊接后的電芯進(jìn)行氣密性檢測(cè)，二次氦檢機(jī)用于對(duì)密封釘激光焊接后的電芯進(jìn)行氣密性檢測(cè)。

7 結(jié)語(yǔ)

本文主要研究闡述LFP方殼電芯組立段的主要設(shè)備，包括設(shè)備工作流程、設(shè)備模塊的功能、機(jī)構(gòu)原理和主要技術(shù)參數(shù)。組立設(shè)備是動(dòng)力電池生產(chǎn)過(guò)程的重要環(huán)節(jié)，是保證電池生產(chǎn)滿足產(chǎn)能、質(zhì)量目標(biāo)的關(guān)鍵因素，對(duì)設(shè)備的自動(dòng)化、裝配精度，檢測(cè)能力等有較高的要求。隨著動(dòng)力電池的迅速發(fā)展，深入研究總結(jié)組立段設(shè)備的工作流程、系統(tǒng)模塊有著重要的意義，有利于未來(lái)組立段設(shè)備朝高柔性、高效率、低能耗、智能化的方向發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：

龍?bào)銜?，女?987生，助理研究員，研究方向?yàn)殡姵刂圃?、測(cè)試、分類。