就像电池生产高速公路一样

汽车行业正在准备迎接由电动车主导的未来。 我们与贝加莱的电动交通专家Ronny Guber进行了一番座谈,了解电池将在未来发挥的重要作用,以及汽车制造商及其供应商需要克服哪些自动化挑战才能脱颖而出。

我们每天在路上看到的电动车正在变得越来越多。 是否可以肯定地说,电动出行的趋势正在走强呢?
Ronny Guber:当然。 电动车的市场份额继续呈指数级增长,即使在新冠疫情导致全球汽车整体销售下滑的情况下也是如此。 目前预测表明,到2036年,电动乘用车将超过内燃机汽车,占到全球新车销量的绝大部分。
 

 
是什么推动了这一趋势呢?
Guber:消费者越来越受到可持续发展理念的推动。 许多人已经准备好让他们的下一辆车成为电动车,他们的决定取决于两个主要因素:价格和续航里程。 换句话说:我需要为一辆电动车支付比传统汽车多多少费用,以及在我需要开始寻找充电站之前我可以开多远。 而这两方面正是电池发挥决定性作用的地方。

为什么这么说呢?
Guber:电池约占电动车成本的三分之一,因此,高效地生产电池对于使价格降至对消费者更具吸引力至关重要。 为了改善车辆的续航里程,你需要尽快将最新的电池技术推向市场,而且你还需要满足制造公差和洁净室条件,这些条件比针对传统汽车零件的条件更敏感。

随着电动车的销量呈指数级增长,电池的产量是否能跟上呢?
Guber:这是一个价值连城的问题。 在很大程度上,答案将归结为这些工厂的自动化程度如何。 为了达到必要的电池容量和成本效率,电池生产商需要消除加工工位之间走走停停的输送,并实现比传统汽车零部件快几个数量级的生产周期。 这些设备将需要进行持续高速生产 – 就像电池生产高速公路一样。

自动化技术可以使之成为可能吗?
Guber:是的,这将是自动化技术,尤其是智能输送系统的核心作用。 这些系统可以使你将产品保持在轨道上,因此不会将时间浪费在不必要的处理上。 生产得以高速流畅地进行,同时在运动中完成加工工序。 而且,当你在与轨道上的其它自动化组件进行极快地同步时,你可以显著减少每个工序的加工时间。

你是否能用数字来说明呢?
Guber:例如,通过将轨道系统与机器视觉相结合,当电池单体以4米/秒的速度通过时,你可以在50毫秒内识别它们 – 无需使用外部触发器、光源或昂贵的相机。 而如果产品停下来,这通常需要占用整整两秒钟,因此可以节省97.5%的时间。 在电池生产中还有许多其它工序,例如胶带应用,在运动中执行这些工序可以减少90%甚至更多时间。

所以,你可以通过加快各个工序来提高整体生产力。
Guber:没错。 更不用说你消除了各个输送系统之间的接力 – 这原本需要近一分钟才能完成一组10个电池单体。 当你将所有这些时间加起来,并乘以我们正在谈论的数量时,这绝对会给这一行业带来变革。 而收益不仅体现在速度方面,还体现在密度和可用性方面。

为什么这么说呢?
Guber:借助智能轨道系统,你可以将生产流程布置为相互连接的工位网络。 这样,你就可以协调周期时间,并减少工位数量,因为你提高了每个工位的利用率。 你可以消除缓冲区和空的传送带,它们不仅占用空间,而且不能提供附加值。 通过并行放置较慢的工位,你可以在不增加占地面积的情况下使生产力倍增。 通过互联的生产流,零件会在故障工位周围改变线路,因此一些小的中断不会再像传统线性设置那样对OEE产生如此巨大的影响。

这对电池生产意味着什么呢?
Guber:每条生产线的产量增加了7倍,我们看到制造商用一条高速生产线取代了四条传统生产线 – 这样占地面积减少了75%。 或者换句话说,如果你的一个工厂速度提高了两三倍,那基本上就像你拥有了两三个工厂一样。 最终,这对电池生产而言意味着非常出色的投资回报。

你还提到了加快上市时间的重要性,那么自动化技术对此是否也有帮助呢?
Guber:这是肯定的。 由于我们在谈论设计一种全新类型的电池生产系统,因此拥有基于仿真的开发、测试和虚拟调试工具尤为重要。 这样,你就可以在涉及任何硬件之前及早比较布局并预测产量。 你越早知道会发生什么越好。 然后,你就可以快速地从概念设计转向部署优化的系统,无需承担代价高昂的延迟和重新设计的风险。

在软件开发时间方面呢?
Guber:当你的目标是尽快提高产量时 – 你需要多个开发团队协同工作。 因此,显然拥有一个可支持并行开发的通用工程环境好处巨大。 如果开发人员能够使用开箱即用的软件组件设置基本的机器功能,那么他们就能将时间和精力集中在实现电池生产所独有的工艺流程上。

听起来汽车行业有一条非常令人兴奋的未来之路。
Guber:那是肯定的。 目前,我们所讨论的主要集中在单个电池的生产上。 随着将电池组装成电池组并集成到车辆中,电池生产靠得越来越近,也必将会有更多优化的机会。 所有迹象都表明,事物就是这样发展的,凭借贝加莱拥有完美集成自动化技术的完整产品组合,再加上我们母公司ABB的机器人和自动导引车(AGV)专业知识,我们已经准备好从今天起让未来变成现实。

感谢您的时间!

轨道技术在电池生产中的优势
在不增加占地面积的情况下使生产力倍增
通过在运动中执行加工工序减少90%或更多时间
用1条高速生产线替代4条传统生产线 – 减少75%的占地面积

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圆柱电池外壳成形技术浅析

在之前的文章中介绍了方型电池外壳后,在这里再重点介绍圆柱形电池外壳。 除了铝制的方型电池外壳外,用于电动汽车的圆柱电池外壳是由镀镍钢(NPS)制成。 某些轻型汽车会用铝壳,但对于电动汽车而言,绝大多数情况是钢壳。 有人会问,“铝是否会在未来发挥作用呢?”这是一个很好的问题。关于铝壳的优势问题已经做了一些有趣的研究,具体可以参见最近由Speira公司和RWTH’s PEM研究所发布的白皮书“圆柱锂电池铝壳的优点”。 然而,并没有人能确保这些优势一定会在市场中显现出来,所以现在让我们关注NPS外壳。
NPS圆柱电池外壳的工艺路线是深拉伸和变薄的组合,类似于饮料罐的技术应用,通常称为“DWI”,即拉伸和变薄。 Reynolds Metal Company和其他公司在1960年代已经开发了这种饮料罐加工工艺。
制作电池外壳的工艺路线如下

• 冲杯(卷材下料和第一次深拉)
变径——次数
变薄——次数
切边

在此工艺路线之间,可能需要用于底部或开口几何形状的穿孔和附加成型步骤。
上一篇文章的回顾:杯体尺寸和深拉/变径步骤将由材料可能的深拉比β决定。 变薄是通过将金属压入冲头和变薄环之间的间隙来减少壁厚。 通过变薄减少壁厚与增加外壳长度直接相关。 壁厚的减少或长度的增加由变薄比给出。
冲杯是一种在双动冲杯机的每个冲程中产生多个杯子的方法,它不仅生产效率高,而且在材料利用方面也有优势。 该方法很简单,原则上就是切出一个圆形坯料,然后对该坯料进行第一次拉伸。 模具的横截面显示了活动元件,如切刀、拉伸垫、落料拉伸模和冲头。
冲杯模座及其模具
这些元件在模座中重复多次,以便每个冲程运行多个杯子的宽线圈。
事实上,材料利用率随出料数量的增加而提高。 如下图所示:
冲杯压力机及典型材料利用率
NPS通常提供650mm-900mm的宽度。 有必要找出其供应链中可用的最大宽度, 并通过安排尽可能多的坯料来优化材料利用率,从而最大限度地利用它。 卷材在加工前需要用光滑的油膜润滑。
快速运转(高达每分钟1.200个零件)和良好的材料产量是冲杯工艺的关键。 通过在每个杯体上标记其模具组的编号来提供完全的可追溯性,并对杯体进行随机检查以确保质量。
杯体必须通过大规模传送到下一个压机,该压机应用诸如变径、变薄、切边和可能的其他必要成型步骤等工艺步骤。 杯体会被移动到一个夹层平台上,并通过滑槽落入到整形压力机中(通常是一台多工位压力机)。 杯体在多列模具工位中运行,以完成不同任务,在冲压行程的开合期间,将零件从一个工位转移到下一个工位。 这一基本概念由Louis Schuler于1900年在巴黎世博会上提出,至今仍在使用。
 
世界第一台多工位压力机于1900面世
 
在今天,我们使用多列模具,对于直径为46毫米的电池外壳,每分钟可加工多达240个零件。 对于这样的性能,模具是要主动冷却的,零件是用油或乳液润滑的。 在多工位压机后立即对外壳标记进行随机质量检查,确保只有合格的零件进入下一个生产步骤,即清洗。
到目前为止,我们已经收到了一个符合其图纸并在公差范围内,以高速和稳定的工艺生产的外壳。 然而,另一个重要的要求是外壳的清洁度不能通过金属成型来实现,因为它是一种湿法工艺,需要使用杯体润滑剂、拉丝油和润滑乳液。
上述运行水基或溶剂的清洗段设备的任务。 在量产过程中,清洗设备以水为基础,占用着前端工艺的两个或三个工位连续工作着。其中外壳经过预洗、洗涤和漂洗区,然后是干燥。 这种设备每分钟可以处理2000个外壳,甚至更多。
之后,生产线末端系统将外壳放入此类生产线末端的托盘中,其中的摄像头可以对外壳进行100%全方位的检查。 清洗后,外壳干燥且容易产生凹痕,因此必须特别小心地进行检查和包装。
圆柱电池外壳的生产旨在实现零缺陷、高速、材料最佳利用率和极高的清洁度。 我们可以站在巨人的肩膀上,将已建立的金属成形方法提升到一个新的水平,从而满足这些要求。

致谢
Insights on forming methods are taken from the Schuler Metalforming Handbook, ‎ Springer; 1., Edition (12. Juni 1998).
Video Schuler – Manufacturing for Cylindrical Battery Cases, retrieved on 24/04/2022

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电芯的追溯跟踪解决方案

锂电池制造:RFID技术势如破竹

 
随着锂电池制造业指数级的增长,对单个子母电芯的追溯和跟踪需求也日益变得重要。
电池制造工艺主要分成了以下三个工艺段段,分别是:

电芯制造;
电池组装;
化成,老化和测试;

以上所有工艺过程都是高度自动化的,在特定情况,还会位于1级洁净室或干燥房中。 因此RFID及扫码解决方案在这些场景中有大量运用。
UHF(超高频)在电芯极片制造过程中的典型应用场景
电芯极片制造过程中决定其价值走向的关键环节是将传统条形码系统和/或二维码系统迁移到RFID(UHF)系统。 电芯极片生产过程包括从搅拌、涂布、辊压一直到真空干燥和储存的多个生产工艺流程。 每台设备工艺流程通常从放卷卷轴开始,到收卷卷轴结束——卷对卷工艺。
在工艺过程中,正负极材料都需要识别、工艺步骤验证和整个工厂内的全程可追溯性。 如果仅使用条码和/或二维码等光学系统,电池工厂的可见性和可追溯性以及电芯的跟踪性就会很有限。
我们与电池制造商合作并深入了解其工艺要求,从而开发了一种小型高温式UHF(超高频)编码块技术,以承受电芯极片的生产环境。 该编码块能够在高达235度的循环应用中存活下来,尤其是在真空干燥产线中。 凭借其4米的工作范围和小巧的外形尺寸,它能够在嵌入正负极极卷时呈现最佳状态:如下图所示。

 
连同我们的 BIS V UHF 处理器和相关读写头,我们能够提供并支持电池工厂所需的所有必要硬件和咨询服务,通过嵌入在卷芯中的编码块来跟踪所有生产步骤的预期目标。 客户不仅可以通过卷轴上的固定读写头获得读/写内容,还可以选择手持式读写头,用于记录从接收货物到子极卷存储架的所有存储位置。
 

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用于锂电池制造中成本效益和可持续性突出的除湿机

电动汽车 (EVs) 是汽车行业的未来,预计到 2030 年,电动汽车对锂离子 (Li-ion) 电池的需求将达到 9300 GWh或 9TWh。锂电池的制造需要专门设计的“干燥室”,因为锂电池中使用的原材料对水分具有高度反应性,这会降低产品的质量和性能。需要使用除湿机来去除电池制造环境中的水分。
 
现存挑战:
极低的湿度水平对于锂电池制造商来说至关重要,这是因为锂元素很容易与水蒸气反应形成很危险的氢氧化锂和氢气组合,从而降低电池的质量。出于这个原因,锂电池的生产需要大量能耗来运行除湿机,这些除湿机将关键干燥房间区域的湿度水平保持在远低于 1%(-40°C 露点)的水平。
 
解决方案:
图片源于:CotesA/S
 
柯提思Exergic技术通过结合使用低成本的可持续能源(如风能、水力、太阳能、废热和沼气)为电池干燥室可以实现世界上最低的碳足迹。柯提思认为天然气(在许多传统的干燥房间中使用)并不是一种可持续的能源。
柯提思使用Exergic技术为西欧一家大型电池制造商所做的分析显示,碳排放量减少了高达 95%,成本降低了66%。这对于未来的超级工厂实现规模经济并降低每千瓦时的成本铺平道路。
 
图片源于:CotesA/S
 
柯提思Exergic技术原理:
首先,新鲜空气分两个阶段进行干燥,然后与来自干燥室的大部分再循环空气混合,然后通过终转子干燥组合空气。空气一步一步分阶段进行干燥,不需要高温来去除除湿机转子中的水分。
其他公司的除湿解决方案需要 130°C 或更高的温度,但柯提思Exergic 技术的工作温度约为 90°C,以从二氧化硅转子中提取水分。较低的温度使得选择可持续热源的组合成为可能。柯提思Exergic技术的核心是使用热水将空气加热到 90°C。制造商如何给水加热取决于他们,这便可以让他们从任何可以使用的可持续能源中进行选择。这可以大大节省运行干燥室的二氧化碳排放量。在一些欧洲国家,我们看到碳减排量高达 95%。
“如果供暖端需要 130°C,则必须引入大量电力。在 90°C 时,您可以同时使用区域供热和热泵”柯提思业务发展经理兼所有者 Thomas Rønnow 解释道。
干燥过程还需要将空气冷却到大约 10°C,然后再通过每个二氧化硅转子进行循环。这使得吸附转子更为高效,如果安装了二氧化碳热泵,加热和冷却都可以利用,从而节省更多能源。
柯提思已交付并安装了 150 多个专业干燥室系统,用于锂电池生产,适用于各种设置。 Cotes 还对干燥室除湿的几个概念提供了评估标准。
 
Source: https://www.cotes.com/blog/lithium-ion-battery-factories-can-save-millions-in-electricity-consumption

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焕发电池第二生命的应用和挑战

何所谓电池的第二生命?
电动汽车电池或所谓的“动力电池”在使用12-15年后将面临失效。因为车辆在使用的过程中动力电池会在不同温度条件下快速充电和放电,这势必对电池造成损伤,从而导致电池退化。
经历了十几年使用的电池与新电池相比较,性能会有所退化。所以现在广大用户都面临着换电池的需求。
从汽车上拆下来的电池还有百分之八十的容量,此时在回收之前还可以进一步使用它。 当电池在电动汽车使用后继续应用于其他用途时,可谓拥有了 “第二次生命”,被称为“二次生命”电池。
 
图片来源:麦肯锡咨询公司
 
二次生命电池的认证
动力电池重新利用需要经历的三个步骤

评估:电池工程师通过了解电池制造商和终端用户的使用记录来判断从电动汽车中取出的电池可否进一步再利用。
再加工:在某些情况下,此时的电池是可以直接使用的。但是有时需要根据其应用场景进行再加工。
再认证:最后,再加工后的电池需要根据其预期用途进行认证。 这包括运输法规,例如 UN 38.3 和电气安全法规和标准。

遵循既定标准和指南是非常重要的,例如 UL 1974 是评估再利用电池的标准。 UL 1974 的主要内容是要求电池必须通过安全和性能测试。
如果不是遵循UL 1974,则必须根据 IEC、NFPA、ANSI 或其他行业组织的适用安全标准对电池进行判断。

 
二次生命电池的应用:

电信和数据中心备份服务:目前是全球最大的二次生命电池应用场景,因为该应用场景需要稳定的电源。
Behind-the-metre储能服务(BTM储能服务):Behind-the-metre“电表后端”储能系统是一种并网光伏发电系统,用于住宅和商业,可以在停电时提供备用电源。大多数家庭会将其建在电表后,并通过电表连接电力系统,固称为“电表后端”储能系统。
Front-of-the-meter储能系统(FTM储能系统):该储能系统用于公用事业服务,主要针对频率调节、电压支持和过剩可再生能源存储应用。
小动力电动车:此时电池无法再为乘用车供电,但可以继续为高尔夫球车、叉车等慢速行驶的小动力电动车供电。

 
二次生命电池应用的挑战:

需要对每个电池/模组进行跟踪追溯。了解每个电池的历史对于决定其是否适合再次发挥作用是非常重要的。甚至在此之后,跟踪追溯对于其生命结束,即无法再充电并开始进行回收时,依然是至关重要的。
BMS系统适配不同的应用场景,比如说,动力电池和电力系统存储应用中使用相同的BMS。
动力电池具有不同的化学成分、外形尺寸和模组,而这些元素在二次使用时是不能混用,我们需要根据化学成分、容量和外形尺寸对电池进行分类。
在保证安全性的情况下,电力储能系统使用电池必须经过认证。
锂离子电池被归类为 9 类有害物质,其运输和传送是一个很大的挑战。

 
参考:

https://afdc.energy.gov/files/u/publication/battery_second_life_faq.pdf
https://www.mckinsey.com/industries/automotive-and-assembly/our-insights/second-life-ev-batteries-the-newest-value-pool-in-energy-storage
https://iaeimagazine.org/columns/certification-insights/an-overview-of-repurposed-electric-vehicle-batteries/

 

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