Γραμμές παραγωγής μπαταριών ESS: Συναρμολόγηση υψηλής ταχύτητας για Prismatic Aluminium-Shell Cells

Συγγραφέας: Dany Huang, Ph.D.

CEO & R&D Leader, TOB New Energy

Συνδεθείτε με τον Dr. Huang στο LinkedIn

Σύνοψη & Βασικά Takeaways

Η μπούμα ESS λειτουργεί σε μεγάλες πρισματικές κυψέλες LFP-μορφές 280Ah και 300Ah που ζυγίζουν 5,4–6,0 kg η καθεμία και πρέπει να διατηρούν την ερμητική τους σφράγιση για 15–20 χρόνια. Η συναρμολόγηση υψηλής ταχύτητας είναι μια πειθαρχία ανοχής: μπορεί το διάκενο εισαγωγής, η διείσδυση συγκόλλησης καλύμματος και η ισορροπία PPM/απόδοσης να αποφασίσουν εάν μια γραμμή βγάζει χρήματα ή κάνει σκραπ.

• Διάκενο εισαγωγής δοχείου: 0,3–0,8 mm συνολικά, με γωνιακή εσφαλμένη ευθυγράμμιση κάτω από 0,2 μοίρες. Σε βάθος εισαγωγής 200 mm, μισή μοίρα κλίσης ισούται με 1,7 mm μετατόπισης-αρκετή για να διπλώσει ένα διαχωριστικό άκρο και να δημιουργήσει ένα ελάττωμα αυτο-εκφόρτισης.
• Συγκόλληση με λέιζερ άνω καλύμματος: περιμετρική συγκόλληση 0,76 m ανά κυψέλη 280 Ah με 80–250 mm/s, διείσδυση 0,5–1,2 mm, με ρυθμό διαρροής ηλίου της τάξης των 10-7 Pa·m3/s ή πιο σφιχτή.
• PPM και απόδοση: ημι-ημιαυτόματες γραμμές εκτελούνται 2–5 μέρη ανά λεπτό με 92–95% απόδοση πρώτης-απόδοσης. πλήρως αυτοματοποιημένες γραμμές εκτελούν 10–15 PPM σε 97,5–99%.
• Το χάσμα απόδοσης είναι η πραγματική απόδοση επένδυσης: τέσσερις ποσοστιαίες μονάδες σε 10.000 κελιά ανά ημέρα ισούται περίπου με 4 εκατομμύρια USD ανά έτος σε εξοικονομημένο υλικό σε κόστος κυψελών ESS.

Μια κυψέλη LFP 280Ah είναι ένα δοχείο πίεσης 5,5 kg που πρέπει να επιβιώσει δύο δεκαετίες θερμικού κύκλου μέσα σε ένα δοχείο. Είναι επίσης ένα εμπόρευμα-που αγοράζουν οι αγοραστές αποθήκευσης δικτύου στην τιμή ανά kWh και η κυψέλη αντιπροσωπεύει το μεγαλύτερο μέρος του κόστους. Επομένως, οι γραμμές συναρμολόγησης συμπιέζονται και από τα δύο άκρα: υψηλότερο PPM για απόσβεση κεφαλαίου, μεγαλύτερη ανοχή για προστασία της απόδοσης. Οι χειροκίνητες και ημι{6}}γραμμές δεν μπορούν να παραδώσουν και τα δύο. Αυτή είναι η λειτουργική πραγματικότητα πίσω από κάθε απόφαση επέκτασης του εργοστασίου της ESS.

Στα 280Ah, ένα στοιχείο ισούται με 0,896 kWh. Ένα φυτό 3 GWh χρειάζεται περίπου 3,3 εκατομμύρια κύτταρα ετησίως. Εκτέλεση 300 ημερών με 85% διαθεσιμότητα γραμμής, που έχει περίπου 9–10 μέρη ανά λεπτό. Η ταχύτητα γραμμής δεν αποτελεί προτίμηση. Είναι αριθμητική.

Γιατί τα κύτταρα 280Ah και 300Ah σπάζουν τη συμβατική σχεδίαση γραμμών

Τα μικρά κυλινδρικά κελιά ανέχονται την κατάχρηση χειρισμού. Το μεταλλικό κουτί είναι άκαμπτο, η μάζα είναι χαμηλή και η τερματική γεωμετρία συγχωρεί ένα χιλιοστό κακής ευθυγράμμισης. Τα μεγάλα πρισματικά κύτταρα δεν το κάνουν.

• Μάζα και αδράνεια.Ένα στοιχείο 5,5 kg που κινείται με ταχύτητα σε έναν μεταφορέα φέρει πραγματική ορμή. Κάθε στάση μεταφέρει κινητική ενέργεια στο κύτταρο και στο εξάρτημα. Οι λαβές χρειάζονται έλεγχο δύναμης και μαλακά μαξιλαράκια επαφής για να αποφευχθούν βαθουλώματα και καταπόνηση των ραφών συγκόλλησης.
• Αποτύπωμα και μήκος συγκόλλησης.Μια τυπική κυψέλη 280Ah έχει διαστάσεις περίπου 174 × 207 × 72 mm, δίνοντας μια περίμετρο καπακιού περίπου 760 mm συνεχούς συγκόλλησης ανά στοιχείο. Αυτή η συγκόλληση είναι το μόνο εμπόδιο μεταξύ του ηλεκτρολύτη και είκοσι ετών υγρασίας περιβάλλοντος.
• Βαθιά εισαγωγή.Η οικογένεια των 300 Ah απλώνει το δοχείο ψηλότερα. Ένα βάθος εισαγωγής 200 mm ενισχύει το γωνιακό σφάλμα στο μήκος του-η γεωμετρία τιμωρεί τις μικρές κλίσεις.
• Ελαττώματα ζωής του ενεργητικού.Τα κύτταρα ESS βαθμολογούνται για 6.000–8.000 κύκλους. Μια πτυχή διαχωριστή ή μια μερικώς συντηγμένη συγκόλληση δεν αποτυγχάνει στην ηλεκτρική δοκιμή. Αποτυγχάνει το τρίτο έτος, μέσα σε ένα κοντέινερ που πρέπει να ανοίξει και να επεξεργαστεί ξανά ο χειριστής.

Οι γραμμές συναρμολόγησης υψηλής ταχύτητας για αυτήν την κατηγορία κυψελών δεν είναι κλιμακωμένες κυλινδρικές γραμμές. Είναι ο δικός τους κλάδος μηχανικής και οι δύο σταθμοί που το καθορίζουν είναι η εισαγωγή και η συγκόλληση άνω καλύμματος.

Εισαγωγή δοχείου: Η πρώτη παγίδα ανοχής

Το συγκρότημα ηλεκτροδίων-στοιβαγμένα ή τυλιγμένα ηλεκτρόδια με γλωττίδες ήδη συγκολλημένες στους ακροδέκτες του καπακιού-χαμηλώνεται στο αλουμινένιο κουτί. Η εφαρμογή είναι σκόπιμη και σφιχτή: η συνολική απόσταση μεταξύ του συγκροτήματος ηλεκτροδίου και του τοιχώματος του δοχείου είναι 0,3–0,8 mm, που είναι 0,15–0,4 mm ακτινικού διακένου ανά πλευρά.

Αυτό το κενό δεν αφήνει περιθώρια για ατημέλητη καθοδήγηση, έτσι οι αυτοματοποιημένοι σταθμοί χρησιμοποιούν τρία επίπεδα προστασίας:

• Λοξωτές πλάκες οδηγών και φιλμ οδήγησης.Ένα χιτώνιο PET ή Mylar διοχετεύει το συγκρότημα στο στόμιο του κουτιού, παίρνοντας την πρώτη επαφή έτσι ώστε να μην το κάνει η διαχωριστική άκρη. Το φιλμ καταναλώνεται ανά κύτταρο ή ανά παρτίδα και είναι ένα ελεγχόμενο αναλώσιμο, όχι μια ευκολία.
• Παρακολούθηση υπογραφής δύναμης-μετατόπισης.Ο σερβομηχανισμός εισαγωγής καταγράφει την καμπύλη δύναμης έναντι της διαδρομής. Μια σταθερή άνοδος εντός ενός αναμενόμενου φακέλου είναι μια καλή εισαγωγή. Μια ακίδα δύναμης, ένα πλάτωμα ή μια ξαφνική πτώση σημαίνει μια μπλοκαρισμένη άκρη, ένα διπλωμένο διαχωριστικό ή μια κακή ευθυγράμμιση γλωττίδας. Η ανίχνευση αιχμής σε μια στενή ζώνη απόκλισης εντοπίζει αυτά τα ελαττώματα στο σταθμό και όχι στο τέλος της γραμμής.
• Έλεγχος γωνιακής ευθυγράμμισης.Ο άξονας συναρμολόγησης πρέπει να βρίσκεται εντός 0,2 μοιρών από τον άξονα του κουτιού. Πάνω από 200 mm διαδρομής, 0,5 μοίρες κλίσης παράγουν 1,7 mm πλευρική μετατόπιση στο κάτω μέρος του δοχείου-περισσότερο από τέσσερις φορές το ακτινωτό διάκενο. Η συνέπεια είναι ένα θρυμματισμένο άκρο διαχωριστή που δεν θα επισημάνει καμία ηλεκτρική δοκιμή.

Οι μορφές τριακόσιων αμπέρωρων προσθέτουν μια δεύτερη σκέψη: το ψηλότερο δοχείο αυξάνει την απαίτηση συμπίεσης στοίβας στο εξάρτημα και η διαδρομή του φιλμ οδηγού επιμηκύνεται. Και οι δύο επιβραδύνουν τον σταθμό εάν έχουν σχεδιαστεί για τη μικρότερη γεωμετρία 280 Ah. Μια πλήρως αυτοματοποιημένη γραμμή συναρμολόγησης πρισματικών κυψελών για κελιά ESS 280Ah και 300Ah καθορίζεται ανά μορφή για αυτόν ακριβώς τον λόγο-μπορεί το ύψος, η διαδρομή εισαγωγής και η γεωμετρία οδηγών να είναι συγκεκριμένης μορφής και όχι καθολική.

Συγκόλληση Laser Top Cap: Εκεί που αποφασίζεται η ερμητικότητα

Το καπάκι τοποθετείται στο δοχείο και στη συνέχεια ενώνεται με μια συνεχή συγκόλληση με λέιζερ σε όλη την περίμετρο. Για μια κυψέλη 280Ah που είναι περίπου 760 mm συγκόλλησης, που εκτελείται στα 80–250 mm/s με λέιζερ ινών στα 1–3 kW. Ο στόχος διείσδυσης είναι 0,5–1,2 mm-αρκετός για να συγκολληθεί το καπάκι και μπορεί να τοιχτεί χωρίς να καεί μέσα στη στοίβα ηλεκτροδίων.

Τρεις μεταβλητές διαδικασίας διέπουν την ποιότητα:

Λειτουργία συγκόλλησης και ταλάντωση σημείου. Το αλουμίνιο ανακλά το φως κοντά στο υπέρυθρο σε χαμηλή ένταση, αλλά μια κλειδαρότρυπα σχηματίζεται μόλις η πυκνότητα ισχύος υπερβεί το κατώφλι. Η ταλάντωση δέσμης-κυκλική ταλάντωση του σημείου στα 100–300 Hz-σταθεροποιεί την κλειδαρότρυπα, διευρύνει τη ζώνη σύντηξης και καταστέλλει το πορώδες και το θερμό ράγισμα. Χωρίς ταλάντωση, η ποιότητα συγκόλλησης στο αλουμίνιο είναι ένα χτύπημα νομίσματος σε μια μακριά ραφή.

Θωρακτικό αέριο. Το αργό στα 15–25 λίτρα/λεπτό, που παρέχεται από ένα συρόμενο ακροφύσιο στους 30–45 μοίρες. Οι αστοχίες κάλυψης αερίου εμφανίζονται ως σκούρα, οξειδωμένα σφαιρίδια συγκόλλησης και πορώδες. Τα μείγματα ηλίου χρησιμοποιούνται όπου η ταχύτητα συγκόλλησης ωθεί τα όρια κάλυψης αργού.

Διαχείριση καπνού και πιτσιλίσματος. Το εξατμισμένο αλουμίνιο και οποιαδήποτε επιφανειακή μόλυνση επανασυμπυκνώνονται ως λεπτά σωματίδια. Ο εγκάρσιος πίδακας και η ομοαξονική εξαγωγή κρατούν το πιτσίλισμα από την επιφάνεια του καπακιού και τα οπτικά στοιχεία. Ένα μόνο αγώγιμο σωματίδιο που προσγειώνεται σε λάθος επιφάνεια γίνεται εσωτερικό λίγο αργότερα. Το σύστημα εξαγωγής είναι μέρος της προδιαγραφής του σταθμού συγκόλλησης και όχι εξάρτημα.

Η ενσωματωμένη παρακολούθηση κλείνει τον βρόχο. Η ομοαξονική παρατήρηση διεργασίας καταγράφει την υπογραφή θερμικής εκπομπής κάθε συγκόλλησης. μια απόκλιση από τον φάκελο αναφοράς επισημαίνει το κελί πριν προχωρήσει. Στη συνέχεια, ο σταθμός δοκιμής διαρροής επαληθεύει το αποτέλεσμα. Κάθε συγκολλημένο στοιχείο περνά από έλεγχο διαρροής ηλίου με προδιαγραφές της τάξεως των 10-7 Pa·m3/s ή πιο αυστηρό, χρησιμοποιώνταςεξοπλισμός δοκιμής διαρροής ηλίουγια επαλήθευση πρισματικής σφράγισης κυψέλης ενσωματωμένη στην ίδια γραμμή μεταφοράς.

Οι αριθμοί: Ημι-Αυτόματες έναντι πλήρως αυτοματοποιημένες γραμμές

Η σύγκριση PPM και απόδοσης παρακάτω αντικατοπτρίζει πρισματική συναρμολόγηση 280 Ah σε πλήρες εύρος γραμμής-από την τροφοδοσία συγκροτήματος ηλεκτροδίων μέσω σφράγισης, πλήρωσης και τελικού καθαρισμού. Οι τιμές είναι τυπικά εύρη. Κάθε προμηθευτής και κάθε μορφή αλλάζει τους αριθμούς.

Τα οικονομικά ζουν στις δύο τελευταίες σειρές. Η διαφορά μεταξύ της απόδοσης 95% και 99% είναι 400 κύτταρα ανά 10.000 - περίπου 14.000 USD σε υλικό με 35 USD ανά κελί. Μια γραμμή που παράγει 10.000 κύτταρα την ημέρα χάνει επιπλέον 14.000 USD ημερησίως στη χαμηλότερη απόδοση. Σε 300 ημέρες παραγωγής, δηλαδή περίπου 4,2 εκατομμύρια USD ετησίως. Συγκρίνετε αυτό με τον όρο εργασίας: η αντικατάσταση 20 χειριστών με κόστος φόρτωσης 40.000 USD εξοικονομεί 800.000 USD ετησίως. Μισθοδοσία νάνων σκραπ υλικών στην κατασκευή ESS. Η απόδοση είναι το ROI.

Η απόδοση επίσης ενώσεις με διαφορετικό τρόπο σε κλίμακα ESS. Ένα στοιχείο 280Ah περιέχει περίπου 0,9 kWh. Μια απώλεια απόδοσης 1% σε μια γραμμή 3 GWh απορρίπτει υλικό κυψέλης αξίας μεγαλύτερης από τον ετήσιο προϋπολογισμό συντήρησης ολόκληρης της περιοχής συναρμολόγησης.

Όπου ο αυτοματισμός πληρώνει πραγματικά, σταθμό προς σταθμό

Πλήρης αυτοματισμός δεν σημαίνει μια γραμμή με ρομπότ βιδωμένα σε μια χειροκίνητη διαδικασία. Σημαίνει ότι κάθε σταθμός αντιστοιχίζεται σε χρόνο κύκλου και κάθε μεταφορά είναι μηχανοποιημένη.

• Ρομποτικός χειρισμός με έλεγχο δύναμης.Οι σερβολαβές ανυψώνουν στοιχεία 5,5 kg από το σώμα του κουτιού με προγραμματιζόμενη δύναμη σφιγκτήρα και οι τελικοί τελεστές κενού μετακινούν τα συγκροτήματα ηλεκτροδίων χωρίς να αγγίζουν την άκρη του διαχωριστή.
• Μεταφορά με ευρετήριο ή παλέτα.Ευρετηρίαση σταθερού τόνου για μια παγωμένη μορφή. ανεξάρτητες παλέτες όπου οι σταθμοί λειτουργούν σε διαφορετικούς χρόνους κύκλου. Και τα δύο εξαλείφουν το περπάτημα, την ουρά και τη χειροκίνητη σταδιοποίηση που καταναλώνουν την περισσότερη ημιαυτόματη εργασία.
• Buffers μεταξύ σταθμών.Οι μικροί συσσωρευτές απορροφούν μικρο-στοπ, έτσι ένας λόξυγκας 5 δευτερολέπτων στο σταθμό συγκόλλησης δεν σταματά ολόκληρη τη γραμμή.
• Ενσωματωμένη επιθεώρηση μετά από κάθε κρίσιμο βήμα.Παρακολούθηση συγκόλλησης καπακιού, δοκιμή διαρροής ηλίου και οπτικός έλεγχος στη θύρα πλήρωσης. Τα ελαττώματα απορρίπτονται στο σταθμό που τα δημιούργησε, δεν ανακαλύπτονται σε δοκιμές στο τέλος της γραμμής.
• Ιχνηλασιμότητα σε επίπεδο κυττάρου.Οι παράμετροι συγκόλλησης κάθε στοιχείου, η καμπύλη δύναμης εισαγωγής και ο ρυθμός διαρροής καταγράφονται σε σχέση με τον γραμμωτό κώδικα. Όταν ένα κοντέινερ επιστρέφει το τέταρτο έτος, υπάρχει το ρεκόρ κατασκευής.

Αυτή η ενοποίηση σταθμό προς σταθμό είναι αυτό που προσφέρει ένας πάροχος με το κλειδί στο χέρι ως ενιαίο πεδίο: οπτική ίναΑυτοματισμός συγκόλλησης με λέιζερ για πρισματικές κυψέλεςΗ στεγανοποίηση άνω καλύμματος σχεδιάστηκε παράλληλα με τους σταθμούς εισαγωγής, μεταφοράς και επιθεώρησης αντί να προέρχεται χωριστά και να συνδέεται επιτόπου.

FAQ: ESS Prismatic Cell Assembly

Σε τι PPM θα πρέπει να λειτουργεί μια γραμμή συναρμολόγησης κυψέλης 280 Ah;
10–15 μέρη ανά λεπτό για μια πλήρως αυτοματοποιημένη γραμμή, με διαμορφώσεις υψηλής ταχύτητας που φτάνουν τα 20 PPM. Οι ημιαυτόματες γραμμές λειτουργούν συνήθως 2–5 PPM. Το απαιτούμενο PPM προκύπτει απευθείας από το στόχο GWh: 1 GWh στα 280Ah ισούται με περίπου 1,1 εκατομμύρια κύτταρα ετησίως.

Ποια απόδοση μπορεί να αναμένεται από μια αυτοματοποιημένη γραμμή συναρμολόγησης ESS;
Η απόδοση πρώτης διέλευσης είναι 97,5–99% σε μια ελεγχόμενη αυτοματοποιημένη γραμμή, έναντι 92–95% στον ημιαυτόματο εξοπλισμό. Η διαφορά κόστους υλικού σε μια γραμμή μεγάλου όγκου ανέρχεται σε εκατομμύρια USD ετησίως.

Ποιο είναι το πιο δύσκολο βήμα διαδικασίας σε πρισματική συναρμολόγηση 280Ah;
Η συγκόλληση με λέιζερ κορυφαίου καπακιού είναι συνήθως τόσο η ποιότητα όσο και η απόδοση. Μια συνεχής συγκόλληση 760 mm με διείσδυση 0,5–1,2 mm πρέπει να εκτελεστεί σε λίγα δευτερόλεπτα με μηδενικό πορώδες και ο κύκλος του σταθμού συνήθως καλύπτει τη γραμμή PPM.

Πώς επαληθεύεται η ερμητικότητα των κυττάρων;
Δοκιμή διαρροής ηλίου με προδιαγραφή της τάξεως των 10-7 Pa·m3/s ή πιο αυστηρή, που εκτελείται εν σειρά μετά τη συγκόλληση πώματος. Η δειγματοληψία ακτίνων Χ ή CT χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της διείσδυσης συγκόλλησης σε παρτίδα.

Μπορεί μια υπάρχουσα ημι{0}}γραμμή να αναβαθμιστεί σε υψηλότερο PPM;
Μερικώς. Η προσθήκη του σταθμού συγκόλλησης, της δοκιμής διαρροής και της ιχνηλασιμότητας σε μια χειροκίνητη γραμμή αυξάνει την απόδοση, αλλά το PPM παραμένει περιορισμένο από τη μη αυτόματη μεταφορά. Πάνω από περίπου 5 PPM, μια νέα γραμμή που βασίζεται στην αυτοματοποιημένη εισαγωγή και συγκόλληση είναι η οδός με το χαμηλότερο κόστος.

Τεχνική αναφορά που συντάχθηκε από την ομάδα μηχανικής διεργασιών TOB New Energy από αναπτύξεις γραμμής συναρμολόγησης πρισματικών κυψελών για μορφές κυψελών ESS. Για ένα μοντέλο χρόνου κύκλου και απόδοσης στον συγκεκριμένο στόχο παραγωγής 280Ah ή 300Ah, συνδεθείτε με τον Dr. Dany Huang στο LinkedIn ή υποβάλετε τις προδιαγραφές κυψέλης στο γραφείο μηχανικών Xiamen.