基于極限制造的方殼鋰電池裝配段設備選型設計研究

中圖分類號：TQ131. 1⁺1 文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）07-0005-04

Abstract：Lithiumbattery equipment playsan extremely important role inthe development oflithiumbateries，and extreme manufacturing has greatly promoted the development of lithium batery equipment，thus also promoting the development of lithium batteries.This paper mainly introduced the definition of extreme manufacturing，based on the concept of extreme manufacturing，through the comparison of the advantages and disadvantages of diffrent equipment，the selectionand parameter confirmation of the production line equipment ofthe shellithium batery assembly section，and the method of timing decomposition and botleneck process capacity measurement was appied to calculatethe number of equipment and production capacityof the entire production line.Finall，other design parameters and requirements were explained，and the whole paper was summarized and prospected.

Key words ：lithium battry ; square shell; assembly section ; equipment ; extreme manufacturing

極限制造是指在貼合工藝情況下盡可能大規模、低成本、高效的生產出高良率的產品[1]。目前鋰電行業的競爭已經持續白熱化，隨著價格戰的打響，材料成本、制造成本都是企業必須面對的問題[2-3] 。

鋰電池的發展離不開鋰電設備的進步，極限制造首先就是提升設備的產能。電極段的勻漿工序可以通過增大成品罐來實現產能的提升，涂布等工序可以通過加大幅寬或者新增設備來實現產能的提升。測試段主要是貨架和測試柜子數量的增加來提升產能。而裝配段由卷繞/疊片、熱壓、極耳超聲波焊接等工序組成，都是非標設備，且涉及種類多，調度困難，單機產能又有局限，在設備產能提升上成了瓶頸工序[4]

1裝配段設備選型

相對于常規工藝方式，本產品采用了直接將極耳焊接到頂蓋上的工藝。

1.1 芯包制備

芯包制備通常采用卷繞和疊片兩種方式[5]。根據現有的制造工藝、設備加工成熟度，以及產品情況，二者各有優勢。疊片工藝路線的極片可以充分填充殼體，空間利用率高，電芯的能量密度高，單片堆疊相對于卷繞，對齊度更高，結構更穩定[6]。但現階段疊片機最高的效率采用飛疊為 0.125s/ 片[7]，卷繞速度最大可達 3m/min ，相同芯包，卷繞的實際效率超過疊片的1.5倍，而市場價格是疊片機的 1/2～1/4 ，相應的場地要求、環境管控、除塵等設施會增加，操作人員等運營成本也會增加。綜合成本考慮，除了刀片電池和能量密度要求極高的電池，大部分采用的是卷繞工藝。本設計選型根據綜合制造成本和研發要求采用卷繞設備進行生產。

1.2 芯包預熱

為了使隔膜與極片更好的貼合及減少壓合整形的時間，一般會對電池芯包進行熱處理，熱處理方式有接觸式加熱和吹熱風。由于芯包是蓬松的，接觸式熱傳導效果不佳，芯包內層加熱較慢，100層的磷酸鐵鋰芯包加熱到95℃，內芯溫度達到70℃需要約150s，需要上下加熱板夾住加熱，一次處理的電芯數量較少，需要工位較多。而吹熱風可以通過熱風吹入極片間隙，加熱相對均勻，采用隧道爐烘箱和鏈板的方式可以讓電芯以流水線的方式搬運并充分加熱，鏈板可以一次上下多個電芯，烘箱可以根據產能和烘烤時間加長，可以有效提高單個鏈板前進的效率，進而提高生產效率[8]。故本設計根據效率和占地的優勢選用預熱隧道爐對芯包進行預熱處理。

1.3 芯包熱壓成型

熱壓即加熱后壓制成型。熱壓是為了使芯包定型，提高電池的一致性，使極片和隔膜接觸更緊密，縮短離子擴散距離降低內阻[9]，增大空間利用率和提高能量密度。2018年以前大部分采用冷壓（不加熱壓制）工藝，后來通過不斷的研究對比發現采用一定溫度和壓力進行熱壓配合預熱相比冷壓更節約時間，電芯界面性能更佳。故本設計根據工藝需求使用熱壓設備對芯包進行壓制定型。

1.4 極耳收攏

隨著鋰電工藝的發展，結構件不斷的優化，減少或縮減結構件，降低成本，減少裝配誤差顯得尤為重要?；跇O限制造的理念，很多鋰電廠家開始使用無轉接片的結構，采用極耳超聲波焊接后直接焊接至頂蓋上。極耳進行收攏整形主要采用超聲波焊接[10]

1.5 激光焊接

裝配段設備有很多地方使用到了激光焊接：極耳與頂蓋的焊接，頂蓋激光刻碼，頂蓋預、滿焊等[11]。現有激光焊接工藝有很多種，各激光器的優劣勢和使用場景見表1。

由表1可知，本設計選用5 0 ～脈沖焊接用于頂蓋刻碼，2000W單模連續激光焊進行極耳與頂蓋的焊接，1500W多模連續激光焊接用于頂蓋預焊，4000W + 2000W環形光斑激光焊接用于頂蓋滿焊。

1.6 其他工序

除了以上設備還有短路測試（hi-pot）設備、配對機、合芯包膠機、包膜機、X射線、氮檢設備和物流

線等常規的非標設備設施，這些都是根據產品工藝需求進行配置。

2 裝配段設備設計選型

本設計裝配段單機設計產能大于等于15PPM的自動化產線。產品藍本為50圈 .20m 長度極片卷繞雙芯包電池。常規電池產線設備的搬運、檢測等效率都可以通過選配更高速度的單軸模組、電缸等移動搬運機構，或者新增相應的通道數量解決效率問題。

2.1 卷繞機

卷繞選用卷繞速度為 2.5m/min 運行速度的雙卷針卷繞機，卷繞機換卷時間為2s。目前卷繞機的輔助工序時間均小于卷繞時間，卷繞機設計設備綜合效率（OEE）為 65% ，單機產能計算如下：

卷繞機產能 =60/ （極片長度/卷繞速度 + 換卷時間） × OEE

由于是雙芯包，故所有卷繞機合計產能大于30PPM，計算需7.7臺，按8臺設計。

2.2 預熱隧道爐

預熱采用機器人上下料，根據輔助及熱壓等待時間，預熱隧道爐可以按40s每排面板向前移動（即單排面板向前移動時間為40s），內芯溫度到75 C ，需要預熱時間約 20min 。為了充分利用空間，采用雙層設計，每排面板向前移動的距離為30mm ，一次取料12個電芯（單排面板電芯數量），設備設計計算如下：

單層設備產能 =60/ 單排面板向前移動時間 × 單排面板電芯數量

預熱隧道爐爐體長度 σ=σ 預熱時間/單排面板向前移動時間 × 每排面板向前移動的距離

由計算可知，單層的產能可達 18PPM ，預熱隧道爐爐體長度設計為 9m ，根據雙層A、B面分開布置在兩層，設計一臺預熱隧道爐即可滿足設計產能需求大于等于 15PPM 。

2.3 熱壓機

熱壓機可以采用伺服電缸多工位多層同步加壓的熱壓機，通常熱壓機的層數在3＼～5層，基于極限制造，初步選擇5層的熱壓機，熱壓工藝要求單個芯包熱壓時間為 30～60 s（最大熱壓時間60s），單臺熱壓機產能：單臺熱壓機產能 =60/ 最大熱壓時間。

單芯包30PPM的產能，需要30個熱壓工位，即A、B芯包各 15PPM 。便于預熱工位抓取，熱壓機的數量按12個電芯的公約數，每次取2、3、4、6個，如果每次抓取3個，即3臺熱壓機，5層的熱壓機剛好15PPM，故可以選擇熱壓層數為5層的熱壓機一臺。

2.4X光檢測設備

該設備采用2個光機發出X射線（即2個檢測位），穿透電池內部成像和拍照來確定并挑選出不良品[12-3]。兩檢測位可以達到設計要求15 PPM以上，雙芯包按A、B2種芯包，2臺設備可以實現。

2.5超聲波焊接機

為了保證極耳焊接后的拉力大于等于100N，殘留面積大于等于 75% ，本設計采用功率大于等于4kW 的超聲波焊接機，每個極耳焊接兩次（具體焊印面積根據工藝要求的過流能力決定），超聲波焊接時序見表2。

超聲波焊接機產能 =60/ 超聲波焊接時間

由此正負極各需要4臺超聲波焊接機，按一臺四工位焊接機設計可以達到每臺15PMM以上的產能。

2.6 頂蓋預焊

頂蓋預焊激光焊接時間非常短，焊接速度5 m/min 如果一個焊點按 2mm 長度算，單個焊點時間：

焊接時間 σ=σ 焊點長度/焊接速度

焊接出光時間非常短，僅需考慮單個電芯多個點焊接移動時間，一個電芯按2s焊接時間算，設計兩個電芯焊接工位，頂蓋預焊序見表3。

按時序表，一次焊接2個電芯的產能公式為：

激光焊接產能 =60/ 焊接時間

故單臺的產能為17PPM，大于設計需求15PPM，配備一臺即可滿足選型要求。

2.7 頂蓋焊接

頂蓋滿焊激光焊接的速度可以達到 10m/min 電池按長 200mm ，寬 50mm ，焊接時間公式：

焊接時間=（頂蓋長邊+頂蓋短邊）×2激光焊接速度

本設計按一次焊接6個電芯設計，其時序結果見表4。

2.8設備選型清單

根據以上設計計算，設備的數量清單見表5。

由表5可知，本實驗設計的產線為一條產能大于等于15PPM的鋰電池卷繞裝配線體。

3裝配段設備其他設計及要求

本產線設計本著極限制造的理念，打造高效率、高智能化產線，產線所有產品參數具備MES跟蹤，卷繞機采用OHT（OverheadHoistTranspor）上料，結構件等物料采用AGV（AutomatedGuidedVehicle）上料；AGV的路徑采用AI算法，質量檢測采用視覺AI檢測，減少人員干預，大大提高產品一致性。對所有易損件采用壽命監控報警，對部分核心系統及部件進行自檢預判維護[14]，對產線進行全生命周期管理。此外，根據工藝需求，裝配段所有設備與產品接觸的元器件需要禁銅、鋅、鎳、鎘[15]。物流線、超聲波焊接、激光焊接等產生粉塵的工位均需要配備除濕、除塵系統[16] 。

4結語

通過對產品要求分析，對不同設備優劣勢對比篩選出了工藝優勢明顯，效率高的先進設備。通過效率計算，時序分析計算出了產能匹配的設備參數并輸出了設備清單。由論文可知，相對于傳統設計，本產線設計效率高，達到了行業較高水平的15PPM，產線采用卷繞工藝，易于加工制造。整個產線設計中，卷繞、熱壓、超聲波焊接、激光焊接等工位對整線的產能水平影響較大，本設計使用了時序分解及瓶頸工序測算產能的方法，使產線產能預算更精準更容易實現，使得產線得到均衡極限利用。

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