Линии по производству аккумуляторов ESS: Высокоскоростная-сборка призматических алюминиевых элементов с-корпусами

Автор: Дэни Хуанг, доктор философии.

Генеральный директор и руководитель исследований и разработок, TOB New Energy

Свяжитесь с доктором Хуангом в LinkedIn

Резюме и ключевые выводы

Стрела ESS работает на больших призматических элементах LFP-форматов 280 Ач и 300 Ач, которые весят 5,4–6,0 кг каждый и должны сохранять герметичность в течение 15–20 лет. Высокоскоростная сборка — это дисциплина, требующая допусков: может ли зазор при вставке, проникновение сварного шва и соотношение PPM и текучести решить, будет ли линия приносить прибыль или производить металлолом?

• Зазор при вставке банки: всего 0,3–0,8 мм, с угловым смещением менее 0,2 градуса. При глубине вставки 200 мм наклон на полградуса соответствует смещению в 1,7 мм,-достаточному, чтобы загнуть край сепаратора и образовать дефект саморазряда-.
• Лазерная сварка верхней крышки: сварной шов по периметру 0,76 м на элемент 280 Ач, скорость 80–250 мм/с, провар 0,5–1,2 мм, скорость утечки гелия порядка 10⁻⁷ Па·м³/с или меньше.
• PPM и выход: полу-автоматические линии работают со скоростью 2–5 деталей в минуту с выходом 92–95 % после первого-прохода; полностью автоматизированные линии работают со скоростью 10–15 стр/мин при 97,5–99%.
• Разница в доходности — это реальная рентабельность инвестиций: четыре процентных пункта на 10 000 ячеек в день равняются примерно 4 миллионам долларов США в год в виде экономии материала при стоимости ячеек ESS.

Элемент LFP емкостью 280 Ач представляет собой сосуд под давлением весом 5,5 кг, который должен выдерживать два десятилетия термоциклирования внутри контейнера. Это также товар, который-покупатели сетевых систем хранения данных покупают по цене за кВтч, а на долю сотовой связи приходится большая часть стоимости. Таким образом, сборочные линии сжаты с обоих концов: более высокая PPM для амортизации капитала, более жесткие допуски для защиты доходности. Ручные и полуавтоматические линии-не могут производить и то, и другое. Такова операционная реальность каждого решения ESS о расширении завода.

При 280 Ач одна ячейка равна 0,896 кВтч. Электростанции мощностью 3 ГВтч требуется около 3,3 миллиона ячеек в год. Работа в течение 300 дней при доступности линии на 85 %, что составляет примерно 9–10 деталей в минуту. Скорость линии не является предпочтением. Это арифметика.

Почему элементы емкостью 280 Ач и 300 Ач нарушают традиционную конструкцию линии

Маленькие цилиндрические ячейки выдерживают неправильное обращение. Стальной корпус жесткий, масса небольшая, а геометрия клемм допускает смещение на миллиметр. Крупные призматические клетки этого не делают.

• Масса и инерция.Ячейка массой 5,5 кг, движущаяся со скоростью по конвейеру, несет в себе настоящую инерцию. Каждая остановка передает кинетическую энергию в ячейку и в приспособление. Захватам необходим контроль силы и мягкие контактные площадки, чтобы избежать вмятин на банках и напряжения сварных швов.
• Площадь основания и длина сварного шва.Стандартный аккумулятор емкостью 280 Ач имеет размеры примерно 174 × 207 × 72 мм, что дает периметр крышки около 760 мм непрерывного сварного шва на элемент. Этот сварной шов является единственным барьером между электролитом и двадцатилетней влажностью окружающей среды.
• Глубокое введение.Семейство 300 Ач расширяет возможности банки. Глубина вставки 200 мм усиливает угловую погрешность по длине-геометрия исключает небольшие наклоны.
• Дефекты срока службы активов.Ячейки ESS рассчитаны на 6000–8000 циклов. Разделительная складка или частично проплавленный сварной шов не выдерживают электрического испытания. Он выходит из строя на третий год внутри контейнера, который оператору приходится открывать и переделывать.

Высокоскоростные сборочные линии для этого класса ячеек не являются цилиндрическими линиями увеличенного масштаба. Это отдельная инженерная дисциплина, и ее определяют два этапа: вставка консервной банки и сварка верхней крышки.

Вставка банки: первая ловушка толерантности

Электродный блок-собранный стопкой или намотанный электроды с уже приваренными к клеммам колпачками выступами-опускается в алюминиевый контейнер. Посадка продуманная и плотная: общий зазор между электродным блоком и стенкой банки составляет 0,3–0,8 мм, что соответствует радиальному зазору 0,15–0,4 мм с каждой стороны.

Этот пробел не оставляет места для небрежного управления, поэтому автоматизированные станции используют три уровня защиты:

• Скошенные направляющие пластины и направляющая пленка.Рукав из ПЭТ или майлара направляет сборку в горловину банки, захватывая первый контакт, а не край сепаратора. Пленка расходуется на ячейку или на партию и является контролируемым расходным материалом, а не удобством.
• Мониторинг сигнатур силы-перемещения.Сервопривод вставки записывает кривую силы в зависимости от хода. Устойчивый рост в пределах ожидаемого диапазона является хорошей вставкой. Скачок усилия, плато или внезапное падение означают застрявший край, загнутый разделитель или смещенный выступ. Обнаружение всплесков в узкой полосе отклонения выявляет эти дефекты на станции, а не в конце линии.
• Контроль углового выравнивания.Ось сборки должна находиться в пределах 0,2 градуса от оси банки. При перемещении более 200 мм и наклоне на 0,5 градуса возникает боковое смещение нижней части банки на 1,7 мм-, что более чем в четыре раза превышает радиальный зазор. Следствием этого является разрушение края сепаратора, которое не будет выявлено никакими электрическими испытаниями.

Форматы на триста ампер-часов добавляют еще одно соображение: чем выше баллон, тем выше требования к сжатию пакета на приспособлении, а путь направляющей пленки удлиняется. Оба замедляют работу станции, если она рассчитана на меньшую геометрию 280 Ач. Полностью автоматизированная линия сборки призматических элементов ESS на 280 Ач и 300 Ач определяется для каждого формата именно по этой причине-может ли высота, ход вставки и геометрия направляющих зависеть от формата, а не быть универсальными.

Лазерная сварка верхней крышки: где решается вопрос герметичности

Крышка устанавливается на банку, а затем соединяется непрерывной лазерной сваркой по всему периметру. Для элемента емкостью 280 Ач это примерно 760 мм сварного шва, выполненного со скоростью 80–250 мм/с с помощью волоконного лазера мощностью 1–3 кВт. Цель проникновения составляет 0,5–1,2 мм-достаточно, чтобы расплавить колпачок, и она может загораживаться, не прожигая батарею электродов.

Качество определяют три переменные процесса:

Режим сварки и колебание пятна. Алюминий отражает ближний инфракрасный свет с низкой интенсивностью, но как только плотность мощности превышает пороговое значение, образуется «замочная скважина». Колебание луча-круговое колебание пятна с частотой 100–300 Гц-стабилизирует замочную скважину, расширяет зону сварки и подавляет пористость и горячее растрескивание. Без колебаний качество сварки алюминия можно сравнить с подбрасыванием монеты по длинному шву.

Защитный газ. Аргон со скоростью 15–25 л/мин, подаваемый через сопло при температуре 30–45 градусов. Нарушения газового покрытия проявляются в виде темных окисленных сварных швов и пористости. Гелиевые смеси используются там, где скорость сварки выходит за пределы покрытия аргоном.

Управление дымом и брызгами. Испарившийся алюминий и любые поверхностные загрязнения повторно конденсируются в виде мелких частиц. Поперечная струя и коаксиальная вытяжка предотвращают попадание брызг на поверхность колпачка и оптику. Одна проводящая частица, попавшая не на ту поверхность, позже становится внутренним замыканием. Система вытяжки является частью спецификации сварочной станции, а не аксессуаром.

Встроенный мониторинг замыкает цикл. Наблюдение за процессом в коаксиальном режиме фиксирует характеристики теплового излучения каждого сварного шва; отклонение от эталонного конверта помечает ячейку перед ее продвижением. Затем станция проверки герметичности проверяет результат. Каждая сварная ячейка проходит проверку на утечку гелия со спецификацией порядка 10⁻⁷ Па·м³/с или выше с использованиемоборудование для испытания на утечку гелиядля проверки герметичности призматических ячеек, интегрированных в одну линию передачи.

Цифры: полу-автоматические и полностью автоматизированные линии

Сравнение PPM и производительности, приведенное ниже, отражает призматическую сборку емкостью 280 Ач на всей линии-от подачи сборки электродов до герметизации, наполнения и окончательной очистки. Значения представляют собой типичные диапазоны; каждый поставщик и формат меняют цифры.

Экономика живет в последних двух рядах. Разница между выходом 95% и 99% составляет 400 ячеек на 10 000 – около 14 000 долларов США за материал по 35 долларов США за ячейку. Линия, производящая 10 000 клеток в день, теряет дополнительно 14 000 долларов США в день при более низкой урожайности. За 300 производственных дней это примерно 4,2 миллиона долларов США в год. Сравните это с трудозатратами: замена 20 операторов при стоимости загрузки в 40 000 долларов США экономит 800 000 долларов США в год. Отходы материалов затмевают заработную плату в производстве ESS. Доходность — это рентабельность инвестиций.

Доходность также рассчитывается по-разному в масштабе ESS. Ячейка емкостью 280 Ач содержит около 0,9 кВтч. Потеря производительности на 1% на линии мощностью 3 ГВтч приведет к выбрасыванию материала элементов, стоимость которого превышает годовой бюджет на техническое обслуживание всей сборочной зоны.

Там, где автоматизация действительно окупается, станция за станцией

Полная автоматизация не означает линию с роботами, привязанными к ручному процессу. Это означает, что каждая станция согласована по времени цикла и каждая передача механизирована.

• Роботизированное манипулирование с контролем силы.Сервозахваты поднимают ячейки массой 5,5 кг за корпус банки с программируемой силой зажима, а вакуумные концевые эффекторы перемещают сборки электродов, не касаясь края сепаратора.
• Индексированная или паллетная передача.Индексация с фиксированным шагом для одного замороженного формата; независимые поддоны, где станции работают с разным временем цикла. Оба исключают необходимость ходить, стоять в очередях и выполнять ручную постановку, которые требуют большей части полуавтоматического труда.
• Буферы между станциями.Маленькие аккумуляторы поглощают микроостановки, поэтому 5-секундный сбой на сварочной станции не останавливает всю линию.
• Внутренняя проверка после каждого критического шага.Контроль сварки крышки, проверка на утечку гелия и визуальная проверка заливного отверстия. Дефекты отбраковываются на станции, на которой они были изготовлены, а не обнаруживаются при заключительном тестировании.
• Прослеживаемость на уровне ячеек.Параметры сварки каждой ячейки, кривая силы вставки и скорость утечки регистрируются по ее штрих-коду. Когда контейнер возвращается через четвертый год, производственная запись уже существует.

Такая интеграция «станция за станцией» — это то, что поставщик «под ключ» предлагает в виде единого объема: оптоволокноавтоматизация лазерной сварки призматической ячейкиУплотнение верхней крышки спроектировано рядом со станциями вставки, передачи и проверки, а не поставляется отдельно и соединяется на месте.

Часто задаваемые вопросы: Сборка призматических ячеек ESS

На каком PPM должна работать линия сборки аккумуляторов емкостью 280 Ач?
10–15 деталей в минуту для полностью автоматизированной линии с высокоскоростными конфигурациями, достигающими 20 страниц в минуту. Полуавтоматические линии обычно работают со скоростью 2–5 страниц в минуту. Требуемая PPM напрямую следует из целевого показателя ГВтч: 1 ГВтч при 280 Ач соответствует примерно 1,1 миллиону ячеек в год.

Какую производительность можно ожидать от автоматизированной сборочной линии ESS?
На управляемой автоматизированной линии достижим выход первого прохода 97,5–99%, на полуавтоматическом оборудовании — 92–95%. Разница в стоимости материалов на линии больших объемов исчисляется миллионами долларов США в год.

Какой этап процесса сборки призм на 280 Ач является самым сложным?
Лазерная сварка верхней крышки обычно является узким местом как качества, так и производительности. Непрерывный шов длиной 760 мм с проваром 0,5–1,2 мм должен быть выполнен за несколько секунд с нулевой пористостью, а цикл станции обычно ограничивает линию PPM.

Как проверяется герметичность ячейки?
Испытание на утечку гелием со спецификациями порядка 10⁻⁷ Па·м³/с или выше, проводится в линию после приварки крышки. Для проверки проплавления сварных швов на выборочной основе используются рентгеновские снимки или КТ-пробы.

Можно ли модернизировать существующую полу-автоматическую линию до более высокой производительности?
Частично. Добавление сварочной станции, системы проверки герметичности и отслеживания к линии с ручным управлением повышает производительность, но PPM остается ограниченной ручной передачей. При производительности примерно 5 стр/мин новая линия, построенная на автоматизированной установке и сварке, является более дешевым маршрутом.

Технический справочник, составленный группой инженеров-технологов TOB New Energy на основе развертывания линии сборки призматических ячеек для форматов ячеек ESS. Чтобы получить модель времени цикла и производительности для вашей конкретной производственной цели на 280 Ач или 300 Ач, свяжитесь с доктором Дэни Хуангом в LinkedIn или отправьте спецификацию элемента в инженерный отдел Сямыня.