圆柱电池装配线设备技术详解！

天天见闻 2024-03-21 科技阅读: 18

摘要: 圆柱锂电池装配设备圆柱电池装配工艺流程圆柱电池装配产线未来的发展趋势圆柱电池生产线使用时间比较长，相应的技术已经非常成熟，现有的装配线设备也大同小异。圆柱锂电池生产装配线的设计焊接设备结构布局如图26所示，可以看出(+)Tab焊接机每个工位的具体工作内容。

圆柱电池一般为全极耳电池（大圆柱），相对方形电池制造工艺，全极耳圆柱电池前段工序取消了模切制片工序，其余和方形电池制造流程基本一致。装配段典型工序为揉平、包胶。锂电池极耳揉平方式在电池制程过程中占据重要的地位；对于全极耳电池，正／负极片空白区位于电池两端，一般需要先对空白区揉平，使其端面致密，再对其进行极耳焊接；为了防止电池的极耳短路，在极耳焊接之前，会对极耳要外露的部分提前进行包胶。中段／后段与方形电池测试流程也基本一致。下图为全极耳圆柱电池制造流程。

全极耳圆柱电池制造流程

设备主要功能及描述

1.1 圆柱锂电池发展现状

圆柱锂电池也称为圆形锂电池，最早是由日本SONY公司于1992年发明的18650锂电池，其历史相当悠久，采用较为成熟的卷绕工艺，自动化程度高，产品质量稳定，成本相对较低，目前已大面积普及与广泛应用。

圆柱18650电池是被研究得最多、技术讨论最充分的电池品种。单体主要由正极、负极、隔膜、正极负极集电极、安全阀、过流保护装置、绝缘件和壳体共同组成。壳体，早期钢壳较多，当前以铝壳为主。其内部结构如图1所示。

图1 圆柱电芯内部结构

1.2 圆柱锂电池装配设备

近几年，随着新能源汽车市场的再一步扩大，以及消费者对续航里程要求的不断提高，车企对动力电池在容量、生产成本、储能寿命和产品附加属性等方面都提出了更高的要求。在原材料领域尚未获得巨大突破的前提下，适当增大圆柱锂电池的尺寸以获得更高能量密度便成为一种生产的主要方向。

如今锂电池正在往安全性以及标准化的方向发展，设备的高精度、高效率、系列化以及高自动化生产线将成为行业发展的大方向。本节提供一种锂电圆柱电池自动化生产线，实现高效自动化生产，大大节省人力成本，极大提高产能和产品质量及成品率，为客户实现利益最大化。全自动化和智能化的锂电池生产设备将在保证锂电池生产工艺的基础上，使生产出的锂电池具有较好的一致性，高的安全性能和直通良率，从而降低生产成本。

图2为圆柱电池的装配工艺流程图，实现了从卷芯到电芯焊接封口整个流程的自动化生产。圆柱电池装配线用于实现圆柱锂离子电池的电芯输送、电芯与钢壳的装入、(-)Tab与钢壳底部焊接、钢壳滚槽、Hi-pot、X射线检测、盖帽焊接、注液、封口、清洗、套膜装盒。所以整个圆柱电池装配线设备包括以下设备：卷芯上料机构、J/R与B/I插入机、Tab焊接与缩口机、T/I插入机、辊槽机、短路检测、注液机、(+)Tab焊接机、封口机等，后面一一重点介绍这些设备。

图2 圆柱电池装配工艺流程

1.3 圆柱电池装配产线未来的发展趋势

圆柱电池生产线使用时间比较长，相应的技术已经非常成熟，现有的装配线设备也大同小异。未来的发展趋势，除了从材料方面继续改善，找到高性能的电芯材料外，对于电池装配生产线而言，效率、成本等依然是动力锂电池未来发展的方向，对现有市场发展概况总结后有以下几点值得关注：

①电池本体的性能方面，比如电池尺寸、能量密度等越来越大。

②装配生产效率，在保证设备成本改动不大的情况下，不断改善生产效率；现有的圆柱锂电池装配效率可达到，甚至更高。

③电池装配线的自动化程度，显而易见自动化程度高，人工成本减少了很多，同时生产的良率更容易控制。合理控制每个工序的制作时间，从而有效缩短锂电池的生产时间，而且极大改善了工人的劳动强度大和生产成本高的问题。

④人机工程方向，设备易操作、易维修更是要关注的一点，保证设备操作的灵活性。

⑤缩短生产周期，提高产品质量，降低生产成本是未来整体发展方向，模块化技术的应用是自动化设备深度优化的目标。

1.4 圆柱锂电池生产装配线的设计

对于圆柱电池产线的设计，针对客户提出的要求会有不同的设计，根据在生产过程中遇到的问题及相应的实践，主要要从以下几个方面去考虑：

①产品的工艺：包括电池的大小、极耳的大小、焊接的厚度等。

②厂房空间大小：据此安排生产线设备的具体位置，以及要优化的机构等，还要考虑人机工程，人工操作的方便性，以及后期维护的可操作性。

③设备的设计：结构越简单越好，这样更容易操作。

④生产线中节拍的分配：重点考虑瓶颈工位的效率，如果效率达不到，考虑将单工位改为双工位甚至多工位，同时高的安全性能和直通良率也是重点关注的点。

⑤产品定位方式：对于客户不同的需求，采用不同的产品定位方式，比如侧边定位、以两边为基准定位、夹具定位等。

⑥粉尘防止装置：圆柱电池装配线设备中基本都是每个需要除尘的设备中都有相应的除尘设施，比如集尘器、毛刷等。

⑦质量检测：整套装配线中会涉及CCD检测、电芯测厚检测、绝缘检测、短路检测等。

⑧生产线的外观的一致性：保持整套设备的美观。

设备组成及关键结构

2.1 卷芯上料机

圆柱锂电池的关键来料就是卷芯（极组），它是电池性能的重要保障之一，其制作工艺技术已经研究成熟，因此不再继续阐述。着重关注从卷芯（极组）开始装配的设备流程，圆柱锂电池的装配线从卷芯上料开始，包括卷芯（极组）托盘投入、输送线运输、卷芯（极组）供应、空托盘堆叠、排出、卷芯（极组）装入托杯、托杯输送等工序环节，整个过程对卷芯（极组）的定位要求准确，以及卷芯（极组）装入托杯的高精确度，卷芯（极组）上料的效率也是设备重点考虑的地方，提高自动化程度与生产效率是市场、企业对未来设备的要求方向。

具体的工序流程在后面会配合相应的设备详细介绍。

图3是利用16×16的极组（卷芯）专用托盘进行极组供给，具体流程如下：人工通过小车（或者托盘输送线）的方式将托盘投入到设备入口处，设备自动将托盘进行输送、分盘、定位，使用机械手将托盘中的极组取放到极组专用托杯中，为极组入壳设备进行供料，具体的工艺流程如图4所示。

图3 卷芯上料设备

图4 卷芯（极组）设备工艺流程

设备每个工位完成的具体动作包括如下步骤：①卷芯托盘供给；②托盘升降机；③托盘移送；④卷芯移送；⑤卷芯移送传送带；⑥卷芯直径检查。

卷芯上料设备布局如图5所示。

图5 卷芯上料设备布局

1—极组托盘小车；2—极组托盘供料；3—极组托盘传送；4—取出托盘内极组；5—极组放入进料工装内；6—空托盘叠放（5层）；7—空托盘叠放（10层）；8—空托盘小车排出

从上面的工艺流程中可以得知，卷芯上料机重点是把卷芯（极组）从托盘中取出并放在相应的托杯上，而准确性和工作效率是其重要的衡量标准。所以设备中的取料机械手的作用显得尤为重要，选取该结构作为关键结构详细说明，如图6所示。

图6 取料机械手

取料机械手在工作中，采用的16个夹子（手指）从极组托盘中取料，在气动装置的控制下可以高效完成相应动作。工作过程中的注意事项如下：

①卷芯夹取手指下降时有上下浮动功能。

②卷芯移送时一列的标准是16个。

③夹取手指的内部及角保证光滑，卷芯不会有损伤。

④卷芯内部不会因为夹取手指及套座移送而导致损伤。

2.2 J/R与B/I插入机

J/R即卷芯（极组），B/I即底部绝缘片。该工序的目的是将底部绝缘片(B/I)插入在极组(J/R)上，然后装入钢壳（或铝壳）中，这是圆柱锂电池装配线的关键流程。结构相对较复杂，设备所完成的动作较多。

J/R与B/I插入机用于实现电芯的(-)端部整理、(-)端部外径检测、NG出料、自动上料、(-)Tab定位、下绝缘片装入、折(-)内极耳、折(-)外极耳、钢壳自动供料、吸取粉尘、CCD检查绝缘片与极耳是否盖住中心孔、电芯入壳、NG排出、良品下料等功能。

J/R与B/I插入机如图7所示，其中极组由专用托杯通过输送链板进行供给进入设备入口，分别对极组的终端Tab、先端Tab进行定位整理，插入B/I并随即弯折Tab，通过视频(CCD)对Tab弯折状态与B/I状态进行实时检查；对钢壳内部进行除粉尘作业，钢壳插入极组。具体工艺流程如图8所示。

图7 J/R与B/I插入机

图8 工艺流程图

1）设备的组成及工位划分

①卷芯供料；

②B/I冲裁和插入；

③负极耳定位与折弯；

④CCD检查；

⑤钢壳供给及插入；

⑥钢壳插入卷芯单元；

⑦良品与NG品排出。

2）关键结构

J/R与B/I插入机设备布局如图9所示。

图9 J/R与B/I插入机设备布局

1—料机械手；2—先端Tab定位与终端Tab定位；3—底部绝缘片插入；4—底部绝缘片冲裁；5—先端Tab弯折&终端Tab弯折；6—极组插入钢壳（入壳）；7—钢壳供料；8—NG排出

从图9中可知，底部绝缘片(B/I)插入、底部绝缘片(B/I)冲裁、先端Tab弯折与终端Tab弯折、极组插入钢壳（入壳）、钢壳供料等比较关键，对整个装配出来的半成品有至关重要的作用，选取其中几个机构做详细的介绍说明。

①底部绝缘片(B/I)冲裁机构如图10所示。

图10 B/I（底部绝缘片）冲裁机构

1—伺服电机；2—上下导向；3—冲裁模具；4—B/I吸取机构；5—B/I卷料供给方向；6—B/I卷料回收装置

底部绝缘片(B/I)的冲裁机构工作时重要注意事项如下：

a．B/I冲裁和供给时不会因静电（有去静电离子发生器）导致供给错误发生；

b．B/I插入使用负压吸取方式；

c．B/I插入装置设计为可上下浮动的构造，插入时卷芯上部不会有损伤；

d．B/I片材质：PP/PET建议厚度为0.3mm；

e．B/I颜色：蓝色（颜色不允许白色和黑色）；

f．B/I供给确认，使用真空压力进行检查；

g．B/I冲裁不会出现中心口偏移的现象；

h．底部绝缘片的冲裁模具材质为SKD11。

②(-)2Tab（负极）折弯。如图11所示，负极的两个Tab折弯工艺以及其先后折弯顺序可以清晰看出来，在工作过程中，Tab的折弯和视频检查先后进行，做到加工的精确性和完整度，保证加工质量。

图11 Tab折弯机构

③钢壳供给机构。钢壳供给机构如图12所示，该机构的钢壳供给方式为包装箱供给钢壳，磁石吸附供给方式供给数量为10层。卷芯插入前在钢壳内部进行正压吹，采用负压吸的方式对钢壳进行清洁处理。

图12 钢壳供给机构

1—供料缓存Ⅰ；2—钢壳吸取装置Ⅰ；3—提升机构Ⅰ；4—换盘横移；5—钢壳输出；6—供料缓存Ⅱ；7—钢壳吸取装置Ⅱ；8—提升机构Ⅱ

2.3 Tab焊接与缩口机及T/I插入机

如图13所示，底部焊接机完成Tab焊接、缩口、插Pin、T/I插入等工艺，入壳后的极组投入设备，将(-)Tab与钢壳底部进行电阻焊接、钢壳口部缩颈、插入中心Pin、装入T/I。过程中会分别对焊接强度、缩口外径、中心Pin、T/I进行实时有效的检查判断。整体工艺流程如图14所示。

图13 底部焊接机

图14 整体工艺流程图

1）设备组成及工位划分

①电芯供料；

②卷芯中心孔整形；

③负极耳焊接部分；

④正极耳整形；

⑤整形后位置精度保证在±3˚以内；

⑥电池翻转180°；

⑦钢壳缩口；

⑧极耳定位与整形；

⑨T/I冲裁与插入；

⑩T/I检查；

⑪极耳整理。

2）关键结构

如图15所示的设备布局图中可知，Tab焊接与缩口机设备中(-)Tab焊接与拉力检查、缩口、中心Pin插入、T/I冲裁、T/I插入等比较关键，对整个装配出来的产品有至关重要的作用，选取其中几个机构做详细的介绍说明。

图15 关键结构设备布局

1—极组中心孔整理；2—视觉检测(CCD)；3—(-)Tab焊接与拉力检查（焊接设定值：电流、电压、压力）；4—缩口；5—中心Pin供应；6—中心Pin插入；7—(+)Tab定位；8—T/I冲裁；9—T/I插入

①负极Tab焊接机构。负极Tab焊接机构构成如图16所示，该机构主要完成负极处Tab与钢壳的焊接工序，完成之后同时进行拉伸检测，确定焊接后的强度能够满足要求。

图16 负极Tab焊接机构构成

②缩口机构。缩口机构构成如图17所示，该机构主要完成对卷芯的外壳即钢壳的缩口工序，缩小卷芯上部的钢壳外径，这对于电池的封装是个初步过程，为后续圆柱电池的封口做好铺垫。

图17 缩口机构构成

③Pin插入机构。Pin插入机构构成如图18所示，该机构主要完成将中心销(Pin)插入收口成型的卷芯内径中，包括Pin的供料、Pin的插入以及Pin高度检查等，工序完成的同时也完成了对Pin插入的检测，保证了工序的准确性以及完整度。

图18 Pin插入机构构成

1—升降机械手；2—气动手指与夹具；3—高度检测；4—载具与输送；5—二次定位

④T/I插入机构。T/I插入机构构成如图19所示，该机构主要完成对正极Tab的定位、顶部绝缘片(T/I)插入电池内部等工序，同时在动作完成以后对T/I插入进行检测，保障工序完成的准确性和完整度。

图19 T/I插入机构构成

1—升降机构；2—90°旋转；3—真空吸头；4—载具与输送

2.4 辊槽机及短路测试机

辊槽机及短路测试机（图20）是对前面加工好的半成品电池进行加工，即对电池的钢壳实施槽口加工进而滚压，并对电池内部进行短路测试。辊槽机由上料输送带、上料分料盘、辊槽机构、下料分料盘、下料传送带等部件和除尘机构与Hi-pot检测装置共同组成。辊槽通过采用横向进刀、上下同时压缩补给、背轮支撑的结构方式来实现钢壳槽口的成型。