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1、动力电池自动化产线控制系统设计导读本文主要是探讨动力锂电池自动化产线控制系统设计及相关设备、 仪器、工具的选型的一些思路。新能源电池尤其是动力锂电池产业是近些年非常火爆的新兴产 业，市场发展前景非常富有想象力。相对于传统的不管是铅酸 蓄电池，还是镍氢电池，甚至燃料电池，锂电池无论是在寿 命、环保、安全方面，还是高容量、体积小、重量轻等方面有 很大的优越性及发展潜力。新行业，新产品往往是百花齐放， 也有鱼目混珠。目前这个行业，不管是电池本身的设计 ,还是其生产工艺，还是 制造它的生产线及设备都还缺乏比较完善的规范化、标准化指 导，尤其是其产品线的后段。这样导致的现状是产品线设计及 调试周期长，投
2、入资源大，而最后产品品质得不到保证，生产 效益低也是目前行业普遍现象。我们知道自动化线及设备设计的成功与否或者好坏，不但取决 于自动化技术水平：包括设计理念、控制架构、元器件选型、 作业方式等的把握及其标准化、规范化；而且也取决于产品结 构及其生产工艺的标准化、规范化。对于后者，自动化设备提供是无法准确把握的，而电池生产厂 家往往又对自动化产线及设备的技术缺乏足够的理解。实践证 明：要实现生产自动化线及设备的高效化需要产品开发与设备 开发两者的高度融合。也就是说，面向客户、面向产品、面向 工艺才是自动化行业的根本目的和设计落脚点；而方案、技 术、选型等只是实现的方法和手段。本文主要是探讨动力锂
3、电池自动化产线控制系统设计及相关设 备、仪器、工具的选型的一些思路。01一、锂电池生产过程中的现状目前市场上采用较多的锂电池主要为磷酸铁锂电池和三元锂电 池，首先二者正极原材料差异就大，因而虽然整个生产工艺流 程比较接近但各阶段工艺参数还是有差异，而且不同应用厂家 有不同的材料的使用和配比，工艺的变化、相应的设备选择也 就有差异。另外，锂电池从外形上分方形电池、圆柱电池和软包电池；而 从应用的角度，又分数码电池、动力电池、储能电池。其中动 力电池和储能电池是将众多单个的电芯通过串、并联的方式连 接起来的电池组及电池包，并综合了动力和热管理等电池管理 系统。相比于数码电池，电芯的配组、组装是动力
4、电池系统生产、设 计应用的关键，是连接上游电芯生产和下游（如整车生产）应 用的核心环节。相比电池的前段相对标准化的电芯生产、组装 工艺，后段电芯的配组、组装工艺，目前还缺乏成熟的行业标 准。本文将主要以方形电芯动力锂电池为例，探讨其后段的生产控 制系统。02二、电池生产的工艺及其特征锂电池生产牵涉到一套很长、复杂的生产链，从整个生产链来 看锂电池生产是典型的流程式生产，即工艺过程基本上是连续 进行的，生产顺序几乎不变。根据标准化成熟度及工序的相关度，电芯生产段即动力电池生 产的前段已发展了十多年，基本上工艺、设备标准化成熟度比 较高，适用于离散式流程生产方式。而后段动力电池组装段是 近些年才发
5、展起来的产业，行业标准还处于探索阶段，相比则 其自动化生产适用流水线式流程生产方式。整个流程一般分几 段，中间通过成品/半成品缓存库连接。消费领域的数码电池是锂电池行业发展最早也最成熟的应用产 品，其生产工艺及设备基本标准化。主要由上游电芯生产厂家 生产，其“电芯”也是构成动力电池生产最基本的原料。电芯生产段主要涉及的设备有：1，极片制作段：搅拌机，涂布机，辊压机，分条机，制片机。2，电芯制作段：卷绕机，叠片机，入壳、注液、封口等预装设备。3，电芯组装段：充电化成设备，分容测试柜，电芯测试仪，电芯封装设备。电芯生产段主要应用到的控制技术包括：同步控制，纠偏技 术，张力控制等；牵涉到的主要仪器及
6、专用设备主要有电芯的 电压、内阻测试仪器，分容测试柜，超声波焊接 ，中低功率激光 焊接机等等。这些不是本文需要探讨的重点，电池生产的后 段：动力电池组装段才是本文探讨的重点。03三、动力电池组装工艺及产线配置动力电池组装自动化生产主要包括：电芯处理段，模组组装 段，模组框架焊接段，汇流排焊接段，PACK 装配段。某方形动力电池生产流程如下图：/谓摄上娃CB瑕蚩EiC3【自如晦g0E虫袋汇迓押人工辰舌阳占异是丘芾 i自如瞧板倒矗墩兀崔目诃）霑律剜LSf自加W：（自卽揍粗下红fiasrc（聊制牝剔除禅绢扫昭打标 包讨P r舫邸曉*NG圧關*来岸理安菇 人工）DCUSHli；:口咖丄:自珈吩严自亦自
7、亦来料、 栈板/从图中可见动力电池组装流程基本是从头到尾连续进行的，一 般在模组组装与电池包组装段之间通过模组缓存库来连接，也 就是说，整个生产过程可以分成两段流程型自动线。一般而言，不管是软包电池、硬壳电池还是圆柱电池。模组的 自动化组装工艺流程都是从电芯上料开始的，这个来料可以是 原供应商提供的包装，也可以是厂家经过检测后统一整理好的 专用料框。上料可以是人工操作，也可以通过传送带自动上 料，然后通过机器手臂抓取。上料的同时会进行电芯的读码、电芯极性检测、电芯分选、电 芯厚度检测、电芯电性能 OCV等检测，并将不良品剔除。来料 通过初检和分选之后，根据模组和工艺要求的不同会分别进行 诸如等
8、离子清洁、涂胶贴胶、电芯堆叠、模组组装、极耳裁切 整形、模组框架焊接、模组打码扫码、模组检测、汇流排焊 接、BMS系统连接、模组最终检测、模组下料等工序。这一序列工序是完成从单个电芯配组成模组的组装工艺过程， 从模组配组成电池包过程也基本类似。也就是说所有的工序、 处理动作都是围绕单个电芯配组成模组再配组成电池包而进行 的，如：只有经过一序列检测、处理合格，满足所谓“同一性”要求的电芯才能参与配组；电芯堆叠与模组框架组装好，符合 成组要求，满足组装精度才能进行电芯串并联的焊接作业；电 芯组装成模组后合不合格要通过测试才能确定等等。当然不同电池生产厂家，同一厂家不同的规格型号有不同的生 产流程，
9、但大的流程方向上差不多。主要差别是电芯、模组、 电池包有不同的尺寸、规格，也有不同分档、配组原则，至于 测试参数、电源管理、温度监控等等基本上是各公司的核心数 据。因此，由于电芯及侧板、端板、绝缘片、连接片等投入物料差 异；模组及电池包的结构和组装差异；行业标准化的缺位等因 素，所以设计时要着重注意产线的兼容性、整线的节拍，也就 是说目前生产线设计要定位于多规格小批量混线生产方式。这 也从一个角度说明：产线的控制架构设计，数据采集和处理方 式从技术层面看是设计自动化产线控制系统的关键，围绕 MES（制造执行系统）设计才是设计控制系统的指导核心。基于以上分析，尽量配置机器人参与电池组装生产是明智
10、选 择，配合输送线、视觉定位、专用设备（如高功率激光焊接 机）和专用检测仪器等完成整个电池生产过程。如上图所示电芯处理段，比较适合用同步带输送线（相比电芯 尺寸小且变动也不大），各工位同步运行，各工序间状态和参 数的连接、转换稳定可靠。模组堆叠、组装则更适合用选用机 器人。如下图，模组框架外壳的焊接牵涉到焊接、视觉定位， 同样应用机器人更方便灵活；至于把不同来料组装在一起，半 成品/成品生产工位的转移就更能发挥机器人的灵活方便优势， 这也是多规格小批量混线生产方式的最佳选择。4除尘机冷水机升澤机04模组貼底部1固优,绝縁片.四、动力电池生产线控制系统分析由前文对动力电池组装产线生产工艺流程特点
11、的分析，从控制 系统角度看：PLC，机器人、扫码、物料传输、检测、测试、 焊接、自适应、MES （制造执行管理系统）是整条产线中需要 解决的关键技术，也是适用多规格小批量生产形态的重要技术 支撑。正如前文说的：产线的控制架构设计，数据采集和处理方式从 技术层面看是设计自动化产线控制系统的关键，围绕 MES （制 造执行系统）设计才是设计控制系统的指导核心。MES （制造执行系统）是一套面向制造企业车间执行层的生产信息化管理系统。MES侧重于车间作业计划的完成，可以为企 业提供包括制造数据管理、计划排程管理、生产调度管理、库 存管理、质量管理、人力资源管理、设备管理、工具工装管 理、采购管理、成
12、本管理、项目看板管理、生产过程控制、底 层数据集成分析、上层数据集成分解等管理模块，为企业打造 一个扎实、可靠、全面、可行的制造协同管理平台。它是所谓工业 3.0数字化工厂背景的产物，经过近 2、30年 的发展，其广度、深度已发生很大变化。它所包含的十几项目 功能，在不同应用领域，不同的生产环境，侧重点会所不同。一般商用 MES系统虽然提供二次开发功能，但在实际应用， 尤其是与设备层的连接上，因为实际的生产领域、环境、形 态、工艺，甚至客户要求等各方面差异很大，应用起来并不是 很顺手，最好的方式还是根据 MES的原理根据实际的应用量 身定做开发专用的MES系统。对于动力电池自动生产线， MES
13、需要的功能及特征包括但不仅 限于：设备管理：设备和工艺操作模式，状态、参数及配置的管理, 也包括产线及设备运行性能、产能的评估：up timedowntime，yield， efficiency 等。数据采集：在线、实时采集或处理各种原始数据，生成各种数 据库并保存。这些数据配合条码、料号及仓储等，是进行物料 追踪、品质管控、生产监控、生成各种报表的基础。质量管理：通过在线测试或离线抽检，对产线、部件或工艺的 稳定性、可靠性管控，如SPC,SQC,CPK,R&R,K&K等分析。配方管理：配合计划排配、生产调度，新品导入。生产监控：生产过程中的各种实时数据，设备运行状态，报警报表生产：各种记录、
14、生成、查询报表，由后端处理。由此可见，控制系统的核心其实就是数据处理，控制系统的不 同源自于数据深度和广度的差别，这也是工业自动化发展到数 字化工厂，再到未来的智能化工厂的基础。从电控和IT的角度，上面这些功能可以分成前端数据和后端数据。实时性的，原始的数据由前端电控处理，包括数据的采集，设 备及运行状态的监控等；而数据的转换、生成及储存由后端IT 处理。前后端数据通过控制系统高度合作、统一，通过同一平 台，同一格式各自运行、相互联系、互相影响。05五、动力电池生产线的控制模型方法学认为构造系统：应该围绕对象而不是功能；而面向对象 划分问题：应该以功能而不是以步骤。基于前文对动力电池生产线的分
15、析，在保证安全的基础上，为 了实现最少硬件配置，操作简单化（包括远程上电，初始化， 设备基本处理等），就近配线原则。可以采用整线操作，区域 集中控制，现场分布式总线连接控制方式来设计整个控制系 统。这也是基于模块化、标准化的设计原则，无论是机构还是电 控，是电气还是控制，要以能实现功能站可单独调试、打包、 转运、组装等一体化、模组化为设计目标。整线的控制网络参 考实例见文后附页图示。整线（Line）可分成几个区（Zone），每一个区或由若干模 组（Module）组成。模组是指能完成产线生产中一个工作区段的 模块（如：机器人配组、激光焊接等），模组由若干工站（Station ）组成。工站分两类：基础站（Base Station ）和 制程站（Process Station, 也包括 Test 站）。制程站可以完成一道具体生产工序，它可能是一个独立设备。Test站是特殊的Process 站，一般是指独立系统处理的测试 工站，如嵌入式CCD检测。基础站连接各工序站，
