圓柱型鋰離子動力電芯在PACK裝配線前端的測試

楊繼楊 吳茂敏 傅燦東

摘 要：一般在電芯生產廠家，圓柱型鋰離子動力電芯在出廠前均做測試，而電芯到PACK裝配廠或新能源整車廠，電芯需要做二次測試，比起前面的測試，要求對電芯的篩選更嚴格，測試效率更高，測試設備的自動化程度更高，為了提高生產和測試效率，電池包裝配廠或新能源整車廠往往把電芯測試項目有機集成在裝配線上，來提高企業的生產效益。

關鍵詞：鋰離子；動力電芯；測試

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.07.117

0 引言

伴隨著社會環境問題的日益凸顯，綠色能源的概念也逐漸深入人心，近年來陸續投入使用以鋰電池為動力的新能源汽車，有污染小、使用成本低、車身結構簡單、安靜舒適等優點逐漸為人們所追捧。動力所使用的圓柱型鋰離子動力電芯，有高能量密度、高電壓、無污染、無記憶效應等優點，亞化咨詢研究表明，2017年中國鋰離子電芯的產量約為88.7GWh，而2018年預計突破 100 GWh。而與此對應，鋰離子動力電芯的測試設備在市場上有很大的需求和進步空間。

根據國家技術標準GC/T743-2006《電動汽車用鋰離子蓄電池》和GB/Z18333.1-2001《電動道路車輛用鋰離子蓄電池》，以及新能源汽車市場上的要求，對國內市場上大多數電池包裝配公司使用的圓柱形鋰離子動力電芯，檢測項目眾多。本文只針對電芯在PACK裝配線前端分選機上所做的檢測項目做以介紹：其檢測項目包括外觀尺寸檢測、表面缺陷檢測、電性能檢測。因為新能源汽車所需的電芯數量巨大，如特斯拉Model3汽車，每輛車約需7000粒鋰電芯，每輛新能源大巴車則需要5萬粒左右電芯，市場對電芯的需求量是相當巨大的。以前通過人工分選的方式已經遠遠不能滿足大批量的產品生產，也不能滿足電芯質量一致性的要求，所以要求PACK裝配線系統集成的分選機能大批量、高質量、全自動來篩選電芯的等級。

1 分選機簡述

為配合整體PACK裝配線大批量高效率生產的需要，現在市場上的高端分選機節拍達到120～240P/min，主要有從電芯自動上料模塊、電磁抓手模塊、電芯測試模塊、電芯分道模塊和控制系統模塊五個模塊構成，分選機的主要功能是根據電芯測試區分出不同的等級， 將不同等級的電芯區分開來后通過電磁抓手送至不同的分道。電芯檢測分道后自動輸送至PACK裝配線的下個工序。

電芯測試模塊是分選機的核心部分，包括外觀尺寸檢測、電性能檢測兩個部分，以下分別作詳細闡述。

2 外觀尺寸檢測

國內PACK電池包裝配廠家會檢測電芯供應商提供的電芯，通過電芯分選機對其外觀進行檢測，剔除外表面存在缺陷（表皮破損、銹蝕、劃傷、凹陷、凸點等）的電芯。各廠家根據國家標準，將尺寸外徑和長度偏差大于等于0.2mm，凹陷或者凸起高度大于等于0.5mm，劃傷大于等于1mm，有明顯的表皮破損或銹蝕的電芯都視為不合格。現在則主要通過機器視覺和激光測量模塊來檢測。機器視覺檢測可以適用于人工視覺難以滿足要求的場合，具有精度高、測量速度快、不接觸電芯、價格適中的優點，是現在國內設備廠商的首選方案。

其電芯直徑檢測方案如下圖1所示，將一排電芯置于同步傳送帶上的U型夾具上，工業相機和相配套光源安裝在傳送帶的兩側，當夾具上的電芯通過時，利用工業相機對電芯兩端面拍照，獲得其端面的圖像，再通過圖像處理軟件來計算出電池直徑，同時，工業相機獲取的圖像，通過圖像處理來判斷電芯端面是否存在劃傷等表面缺陷。

當同步帶上U型夾具帶動電芯行至下一個工位時，行程可讀出氣缸伸出頂緊電芯的正極端面，將電芯的負極端面緊靠基準平面，通過氣缸上的行程傳感器來分析出行程數值，可得到所測電芯的長度，一個氣缸只能檢測一粒電芯的長度，所以通常用一排氣缸來同時檢測一排電芯的長度來提升檢測效率。

電芯的外觀檢測，電芯在同步帶的治具上作旋轉360°滾動，通過工業相機對電芯表面作動態拍照，獲取電芯的圓柱面圖像，再通過圖像處理來判斷電芯是否存在缺陷，其圓柱面外觀檢測方案如下圖2所示。隨著PACK裝配線的節拍要求越來越高，當要求電芯檢測速度超過3粒/秒時，這種機器視覺的檢測方法在實際應用中往往檢測不出細微缺陷的電芯，特別是鋁殼電芯上的細微劃痕，不明顯的凹陷或凸起等，近年來上端的設備廠家嘗試使用3D形狀測量激光系統，取得了不錯的效果。

3 電性能檢測

鋰離子電芯在新能源汽車上組裝為動力電池大規模成組使用時，保證電芯的一致性是電池安全的保證，一致性不好的車輛電池包使用壽命會大大縮短，極端情況，可能車輛在駕駛時可能會導致爆炸等安全問題。保證一次性的具體參數有電池容量、端電壓、內阻、充放電電壓和電流和壽命等，雖然工業化生產出來的電芯生產工藝和制造材料相同，但是哪怕是同一批次生產出來的電芯的電性能也會有差別，因此，在PACK裝配線上，必須把性能參數不滿足一致性的電芯分選成不同的等級。

為了滿足對電芯自動化測試的要求，還要把測試儀器集成在PACK裝配線上，和外部檢測機構相配合，既要滿足電芯大批量的高速測試要求，還要保證測試的穩定性。對于電性能檢測項目都需接通鋰離子電芯兩極來完成檢測，對于內阻檢測和充放電檢測所需要的設備，電芯電性能檢測方案如下圖3所示：電芯在同步帶上的托盤上依次進行內阻測試和充放電測試，再進行電性能測試。在同步帶左右兩側安裝有可以左右移動的夾板，一端夾板安裝有整體型金屬探針（Misumi），這種金屬探針是從前端到末端由一根銷構成的，可以通入穩定的電流。另一端夾具安裝有固定金屬柱，當電芯通過同步帶到達固定位置后，兩側夾板夾緊電芯兩極固定電芯，使電芯接通電壓內阻測試設備進行測試，并將測試結果傳遞到數據庫服務器中。當電壓內阻測試完成后夾具松開，同步帶傳遞電芯進入充放電測試工位，同樣地，該工位夾板夾緊電芯，電芯通過探針接入充放電測試設備開始充放電測試。

4 結語

本文針對在PACK裝配線前端的圓柱型鋰離子電芯的檢測需求，利用自動化分選機完成了圓柱型鋰離子電芯的自動化檢測，解決了鋰電池行業中普遍存在檢測效率低、檢測質量差的問題，大大提高了PACK裝配線的生產效率與鋰電池在使用中的安全性能。采用高質量、全自動的電芯分選方法集成在PACK裝配線上，對我國的鋰電池產業化具有重大意義。

參考文獻：

[1]沈景鳳，瞿亞浩，李富生.一種基于PLC的新型鋰離子電池分選機開發[J].電子科技，2015，28（12）：14-21.

[2]滿威.鋰離子電池自動檢測分選系統的開發設計[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2003.

作者簡介：楊繼楊（1979-），男，安徽太和人，本科，工程師，主要從事自動化設備的設計改造等工作。