盡管新能源動(dòng)力電池行業(yè)經(jīng)過一輪又一輪的“洗牌”，但優(yōu)質(zhì)動(dòng)力電池供不應(yīng)求的局面仍在長(zhǎng)期持續(xù)。根據(jù)中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)（CIAPS）統(tǒng)計(jì)，2018年中國(guó)鋰電池的產(chǎn)量增長(zhǎng)到1242億瓦時(shí)，同比增長(zhǎng)23.1%。鋰電池市場(chǎng)規(guī)模的快速擴(kuò)大，主要來自于新能源汽車動(dòng)力電池的增長(zhǎng)；其中，2018年動(dòng)力鋰電池產(chǎn)量達(dá)到650億瓦時(shí)，同比增長(zhǎng)45.7%（如圖1所示）；而在整個(gè)動(dòng)力電池新增裝機(jī)量中，三元電池為331億瓦時(shí)，占總裝機(jī)量的58.2%；磷酸鐵鋰電池為221.9億瓦時(shí)，占總裝機(jī)量的39%。
廢舊鋰電池回收從全球整體產(chǎn)業(yè)鏈的角度來看，新能源汽車動(dòng)力鋰電池市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，2018年以來，以日、韓、中為代表的各大廠商紛紛加大了投資建設(shè)的規(guī)模，特別是在新能源汽車行業(yè)最為活躍的中國(guó)市場(chǎng)上，這兩年來動(dòng)力鋰電池的巨頭們正有條不紊地?cái)U(kuò)張著他們的產(chǎn)能版圖。
談到近期中國(guó)動(dòng)力電池行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)況，CIAPS協(xié)會(huì)秘書長(zhǎng)劉彥龍表示，受2018年中國(guó)動(dòng)力電池行業(yè)補(bǔ)貼大幅度下滑、能量密度及續(xù)航門檻大幅提高、企業(yè)資金鏈緊張等多重壓力，市場(chǎng)已進(jìn)入到快速“洗牌”的階段，一方面企業(yè)要擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，另一方面則要提高產(chǎn)線自動(dòng)化水平，提高產(chǎn)品的一致性和良品率。
在這一趨勢(shì)下，為產(chǎn)業(yè)鏈上游的鋰電設(shè)備行業(yè)提供了廣闊的發(fā)展空間。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年4家上市鋰電設(shè)備企業(yè)的總營(yíng)收同比增長(zhǎng)22.47%；扣非歸母凈利潤(rùn)同比減少15.58%，在產(chǎn)業(yè)鏈中受新能源整車補(bǔ)貼退坡的影響最小。預(yù)計(jì)2019年鋰電設(shè)備行業(yè)將繼續(xù)維持較高增速，尤其是得益于外資龍頭企業(yè)紛紛在國(guó)內(nèi)建廠，近兩年鋰電設(shè)備需求將較大增長(zhǎng)，且2019年鋰電設(shè)備企業(yè)的利潤(rùn)增速擴(kuò)大。
1鋰電設(shè)備行業(yè)新趨勢(shì)
圍繞動(dòng)力電池的開發(fā)，已成為現(xiàn)階段促進(jìn)新能源汽車普及應(yīng)用的一個(gè)重點(diǎn)，目標(biāo)是——高能量密度、低成本、高安全性，為此，除了在優(yōu)化材料體系和制作工藝上下功夫之外，鋰電池生產(chǎn)設(shè)備的開發(fā)也是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。
目前一個(gè)較為明顯的趨勢(shì)是，鋰電池生產(chǎn)設(shè)備的整體產(chǎn)線改造與升級(jí)速度加快，一體化集成設(shè)備受到應(yīng)用端青睞，以滿足主流動(dòng)力鋰電池企業(yè)對(duì)降本、提效的迫切要求。
例如，先導(dǎo)智能開發(fā)出的新型激光切卷繞一體機(jī)可代替?zhèn)鹘y(tǒng)模切機(jī)（2臺(tái)）和卷繞機(jī)（1臺(tái)），一方面，激光切割的精度比傳統(tǒng)的模切大幅提高；另一方面激光切卷繞一體機(jī)的產(chǎn)能≥100m/min，既節(jié)省了空間和人力成本，也節(jié)省了模切到卷繞間的搬運(yùn)過程，且提高了生產(chǎn)安全性。此外，先導(dǎo)智能最新的高速疊片機(jī)其精度可達(dá)±0.2mm，達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。
新能源汽車動(dòng)力鋰電池的整個(gè)生產(chǎn)流程，大致上可以分為電極制作（前段）、電芯裝配（中段）、后道處理（后段）三大過程工序（如圖2所示）。前段設(shè)備（如涂布機(jī)、輥壓機(jī)、分切機(jī)等）和中段設(shè)備（如制片機(jī)、模切機(jī)、卷繞機(jī)、疊片機(jī)等）是決定鋰電池質(zhì)量和性能的關(guān)鍵，因此對(duì)于生產(chǎn)設(shè)備的控制精度和穩(wěn)定性要求較高。而鋰電池后道生產(chǎn)設(shè)備，如化成、分容及檢測(cè)、Pack組裝設(shè)備等，則對(duì)于產(chǎn)線柔性化的要求更高，提高后段設(shè)備的自動(dòng)化程度是關(guān)鍵。
鋰電池回收另一個(gè)值得一提的現(xiàn)象是，最近幾年國(guó)產(chǎn)設(shè)備及生產(chǎn)技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。根據(jù)GGII的調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，在鋰電池生產(chǎn)的前段設(shè)備中，總體國(guó)產(chǎn)占有率達(dá)88%；中段設(shè)備總體國(guó)產(chǎn)占有率約為90%以上；而后段設(shè)備總體國(guó)產(chǎn)占有率甚至超過95%。這主要得益于近年來在國(guó)家政策的引導(dǎo)和扶持下，新能源汽車行業(yè)在中國(guó)市場(chǎng)取得了迅猛發(fā)展，并逐步建立起了完整的動(dòng)力鋰電池產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈，本土鋰電池設(shè)備開發(fā)廠商借助便利條件，得以快速掌握應(yīng)用需求變化，加上強(qiáng)大的服務(wù)支持能力，因而在激烈的競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)中發(fā)展壯大起來。
2驅(qū)控算法成為關(guān)鍵
伴隨著國(guó)內(nèi)鋰電池生產(chǎn)設(shè)備行業(yè)的高速發(fā)展，為包括伺服、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、機(jī)器人、整體產(chǎn)線設(shè)計(jì)等在內(nèi)的工控自動(dòng)化廠商提供了良好的發(fā)展空間。例如，前段、中段生產(chǎn)設(shè)備對(duì)控制精度和穩(wěn)定性的要求極高，在張力控制、收放卷控制、中斷定位控制等特殊工藝環(huán)節(jié)上需要驅(qū)動(dòng)、控制技術(shù)與鋰電池生產(chǎn)技術(shù)緊密結(jié)合起來，才能真正滿足鋰電池生產(chǎn)的實(shí)際應(yīng)用需求。
為了實(shí)現(xiàn)更高的控制精度，以及保證高效產(chǎn)能，目前大部分廠商的解決之道都在于將驅(qū)、控算法在底層集成于一體，盡可能地讓控制指令下達(dá)到驅(qū)動(dòng)器的延時(shí)縮短，同時(shí)在驅(qū)控算法上做進(jìn)一步的優(yōu)化，令伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快，定位更精確，運(yùn)行平穩(wěn)，自適應(yīng)能力強(qiáng)，協(xié)助客戶有效控制機(jī)械投入成本，并且提升產(chǎn)品品質(zhì)和生產(chǎn)效率。
深圳市威科達(dá)科技有限公司潛心研究張力控制技術(shù)，開發(fā)出基于專用伺服的恒張力控制系統(tǒng)，在鋰電池隔膜分切機(jī)張力控制環(huán)節(jié)，把被動(dòng)式拉力改進(jìn)為主動(dòng)換卷收卷式拉力，實(shí)現(xiàn)了微張力完美收放、啟停時(shí)平穩(wěn)控制、大小卷徑不限制等控制特色，滿足了鋰電池材料隔膜生產(chǎn)過程中對(duì)9μ、12μ、16μ薄料分切的應(yīng)用需求。
在威科達(dá)開發(fā)的全伺服張力控制解決方案中，以VEC-VB-HJ張力控制專用型伺服為核心，將張力控制器集成于伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)，系統(tǒng)由人機(jī)界面、張力控制專用伺服、張力傳感器所組成。同時(shí)，采用伺服的專用算法計(jì)算卷徑，系統(tǒng)簡(jiǎn)單高效，精準(zhǔn)度高，可實(shí)現(xiàn)收放卷開環(huán)張力控制、收放卷閉環(huán)張力控制、過程張力控制等功能，達(dá)到高速生產(chǎn)（150-200m/min）、起動(dòng)平穩(wěn)（張力波動(dòng)≤1N）、低速無抖動(dòng)；收放卷徑范圍寬泛；加減速或急停急起時(shí)，張力穩(wěn)定，張力精度控制在傳感器量程的1-5%等理想的應(yīng)用效果，獲得了用戶的高度好評(píng)。
3助力鋰電池生產(chǎn)提速、降本
在鋰電池生產(chǎn)的卷繞機(jī)部分，以方型卷繞機(jī)為例，由于其卷針形狀的不規(guī)則性，卷針外圍每個(gè)點(diǎn)與卷針中心的距離都不一樣，卷針在旋轉(zhuǎn)一周的過程中，為了保證入料速度穩(wěn)定，需要對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行多次動(dòng)態(tài)調(diào)整，通常一個(gè)電池的電芯制作要對(duì)電機(jī)進(jìn)行幾百上千次的動(dòng)態(tài)調(diào)整，而單位時(shí)間內(nèi)能夠調(diào)整的能力越高，也意味著卷繞機(jī)的線速度越快，整線的生產(chǎn)效率也更高。
為此，深圳市微秒控制技術(shù)有限公司基于寄存器級(jí)驅(qū)控一體架構(gòu)，將控制與驅(qū)動(dòng)的核心算法都在同一個(gè)芯片上，從底層的設(shè)計(jì)開始，就充分考慮資源的分配與軟件的協(xié)調(diào)，大幅縮減控制指令下達(dá)到驅(qū)動(dòng)器的延時(shí)時(shí)間，從而在面對(duì)高周期循環(huán)動(dòng)態(tài)調(diào)整應(yīng)用中，也能保證設(shè)備在600mm/s的速度上穩(wěn)定地運(yùn)行。
為了進(jìn)一步提高鋰電池設(shè)備的生產(chǎn)效率，微秒在伺服驅(qū)動(dòng)器部分上進(jìn)行了針對(duì)性開發(fā)。除了具備自學(xué)習(xí)功能、無需設(shè)置任何卷針參數(shù)之外，微秒開發(fā)的電子凸輪功能還具備獨(dú)特的功能優(yōu)勢(shì)，如多點(diǎn)凸輪擬合、自動(dòng)生成凸輪曲線、凸輪啟動(dòng)方式多樣等等。
例如在飛切工位，8192點(diǎn)生產(chǎn)的凸輪曲線比一般的凸輪更細(xì)化，失真度更小，也更容易完成復(fù)雜的飛切動(dòng)作，裁切時(shí)卷針無需減速停止，因而提高了生產(chǎn)效率，單個(gè)電芯較傳統(tǒng)方式提高0.3秒。在同步模式下，微秒控制的伺服驅(qū)動(dòng)器既可以接收外部指令脈沖，也可以運(yùn)行內(nèi)部定位指令，這就使得電機(jī)可在運(yùn)行過程中直接疊加或者疊減一個(gè)距離，保證了動(dòng)作的連貫性，如在完成飛切工位可直接到達(dá)入片工位，無縫銜接，在保證入片穩(wěn)定性的同時(shí)，又提高了生產(chǎn)效率。
另外，微秒還針對(duì)一些特殊工位進(jìn)行了專門研發(fā)，提出了一系列提速降本的解決方案。如：在鋰電生產(chǎn)設(shè)備中的牽引工位，為了消除中斷定位的延時(shí)與誤差，往往會(huì)在前端加一個(gè)傳感器，當(dāng)接到這個(gè)傳感器信號(hào)后進(jìn)行降速處理，這既增加了傳感器的購(gòu)買成本，也增加了送料時(shí)間，使得生產(chǎn)效率降低。為此，微秒開發(fā)的技術(shù)方案將中斷信號(hào)直接輸入驅(qū)動(dòng)器處理，理論上不存在延時(shí)，因此無需降速，也無需額外增加傳感器，大大節(jié)約了投資成本，且提高了生產(chǎn)效率。
4自動(dòng)化裝配產(chǎn)線集成興起
鋰電池生產(chǎn)后段設(shè)備的產(chǎn)線自動(dòng)化集成也是目前廠商們研發(fā)的一個(gè)熱點(diǎn)，尤其是組裝環(huán)節(jié)。例如在高倍率放電、大容量的疊片電池裝配生產(chǎn)中，整條產(chǎn)線需要完成疊片、極耳預(yù)焊、檢測(cè)、焊接、貼膠、包膜、熱熔、入殼等多道工序，彼此之間能夠快速銜接，外圍設(shè)備則與多個(gè)SCARA機(jī)器人配合，這些對(duì)產(chǎn)線的柔性化要求較高。
深圳市合信自動(dòng)化技術(shù)有限公司推出的疊片電池機(jī)械手全自動(dòng)裝配生產(chǎn)線，采用集成運(yùn)動(dòng)控制、PLC控制和網(wǎng)絡(luò)控制于一體的方式，總控制由一個(gè)主機(jī)控制完成，盡量減少不同系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換，并且通過EtherCAT總線連接20多個(gè)驅(qū)動(dòng)器加多個(gè)EtherCAT遠(yuǎn)程IO模塊，支持遠(yuǎn)距離多點(diǎn)數(shù)應(yīng)用。該方案通過合信CTH300系列C37運(yùn)動(dòng)控制器和機(jī)器人示教器，基于EtherCAT總線通訊方式搭配H1A伺服驅(qū)動(dòng)器和EtherCAT遠(yuǎn)程IO模塊，以擴(kuò)展模塊方式與設(shè)備外部信號(hào)實(shí)現(xiàn)交互。在軟件部分，系統(tǒng)CODESYS軟件平臺(tái)支持PLCopen標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)控制指令、支持電子凸輪/電子齒輪、支持CNC及多種機(jī)器人模型算法；并結(jié)合合信Mico遠(yuǎn)程解決方案，可實(shí)現(xiàn)基于互聯(lián)網(wǎng)的各種智能終端的應(yīng)用。
另外，在鋰電池生產(chǎn)后段整線部分，由利元亨自主研發(fā)的動(dòng)力電池制芯工藝全自動(dòng)裝配產(chǎn)線經(jīng)廣東省機(jī)械工程學(xué)會(huì)鑒定總體處于國(guó)際先進(jìn)水平。據(jù)介紹，利元亨的核心技術(shù)實(shí)力主要體現(xiàn)在跨領(lǐng)域應(yīng)用和產(chǎn)品的技術(shù)工藝方面，包括智能控制技術(shù)、機(jī)器視覺、人工智能技術(shù)、激光加工技術(shù)、機(jī)電聯(lián)合仿真技術(shù)和力與位移精準(zhǔn)控制技術(shù)等。同時(shí)通過對(duì)電芯裝配、電池檢測(cè)和電池組裝三大環(huán)節(jié)鋰電后段設(shè)備整線技術(shù)的掌握，利元亨沉淀出了標(biāo)準(zhǔn)化工藝平臺(tái)，可以為客戶提供集成多工序的鋰電池裝配生產(chǎn)線。
伴隨新一輪動(dòng)力鋰電池?cái)U(kuò)建潮的興起，產(chǎn)業(yè)內(nèi)部的競(jìng)爭(zhēng)將更為白熱化，鋰電池生產(chǎn)過程工序復(fù)雜，加上材料的特殊性與多元性、工藝參數(shù)的敏感性與高標(biāo)準(zhǔn)，這些都使得智能制造裝備成為鋰電池生產(chǎn)過程中的一項(xiàng)必要條件。工控自動(dòng)化技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高效率、高品質(zhì)生產(chǎn)，協(xié)助鋰電池企業(yè)提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，因而發(fā)揮著越來越重要的作用。但另一方面，要想真正滿足鋰電池生產(chǎn)的實(shí)際應(yīng)用需求，就要求工控廠商和鋰電池設(shè)備企業(yè)緊密合作，把自動(dòng)化技術(shù)與鋰電池生產(chǎn)工藝很好地結(jié)合在一起，以需求帶動(dòng)技術(shù)開發(fā)，切實(shí)提供下游鋰電池設(shè)備企業(yè)所需的產(chǎn)品和產(chǎn)線方案。
