خط مونتاژ بسته باتری توضیح داده شده: از مرتب سازی تا BMS

نویسنده: Dany Huang, Ph.D.

مدیر عامل و رهبر تحقیق و توسعه، TOB New Energy

خلاصه اجرایی و نکات کلیدی

انتقال از تولید سلول‌های یونی{0} لیتیوم منفرد به مونتاژ یک بسته باتری ولتاژ بالا، جایی است که مهندسی الکتروشیمی با یکپارچگی مکانیکی- با دقت بالا مواجه می‌شود. یک سلول 21700 که کاملاً ساخته شده باشد، اگر در یک بسته نامتناسب جوش داده شود، بی فایده است.

• "اثر بشکه" مطلق است:ظرفیت کلی و طول عمر یک بسته باتری کاملاً توسط ضعیف ترین سلول فردی آن تعیین می شود. انحرافات جزئی در مقاومت داخلی (IR) یا ولتاژ مدار باز (OCV) باعث محو شدن زودهنگام ظرفیت در کل ماژول می شود.

• مرتب سازی اساس است:مرتب‌سازی خودکار سلول‌ها یک بررسی کیفیت اختیاری نیست. این خط پایه ریاضی اساسی مونتاژ بسته است. گروه‌بندی سلول‌ها با تحمل‌های IR در ± 1 mΩ و ولتاژ در ± 5 mV برای کاربردهای EV و ESS اجباری است.

• یکپارچگی جوشکاری ایمنی را تعیین می کند:چه با استفاده از جوشکاری نقطه‌ای با مقاومت دو طرفه یا جوشکاری لیزری خودکار، پیوند متالورژیکی بین پایانه سلول و شینه باید در برابر لرزش شدید و انبساط حرارتی بدون ایجاد جوش کاذب مقاومت کند.

• تست BMS مغز را تایید می کند:سیستم مدیریت باتری (BMS) تنها چیزی است که بین بسته شما و فرار حرارتی ایستاده است. تجهیزات تست جامع BMS باید شرایط خطای شدید-شارژ بیش از حد، تخلیه عمیق و مدارهای کوتاه- را قبل از آب بندی بسته شبیه سازی کنند.

معماری خط مونتاژ بسته باتری کلید در دست

بسیاری از تولیدکنندگان به اشتباه مونتاژ بسته را به عنوان یک فرآیند مکانیکی ساده-چسباندن سلول ها به هم و زدن یک نوار نیکل در بالای آن می دانند. این طرز فکر قدیمی به همین دلیل است که بسیاری از استارت‌آپ‌های EV سبک (e-دوچرخه) و سیستم ذخیره‌سازی انرژی (ESS) در اولین سال استقرار با ادعاهای گارانتی فاجعه‌بار مواجه می‌شوند.

مدرن،-بازدهی بالاخط مونتاژ بسته باترییک گردش کار به شدت خودکار و مبتنی بر داده-است. هر سلول منفرد باید تحت یک سیستم اجرایی واحد تولید (MES) ردیابی، اندازه‌گیری، تطبیق، جوشکاری و تأیید شود. اگر نمی توانید OCV دقیق سلول #45 را در یک بسته 100S10P به داده های مرتب سازی اصلی آن ردیابی کنید، خط تولید ندارید. شما یک مسئولیت دارید

در زیر، تجزیه‌وتحلیل مهندسی گام به گام یک گردش کار حرفه‌ای مونتاژ بسته‌ها در زیر آمده است، که نقاط شکست حیاتی را که اکثر مدیران تولید از دست می‌دهند، برجسته می‌کند.

مرحله 1: اهمیت مرتب سازی و تطبیق سلول

اگر فقط یک اصل مهندسی را از این راهنما حذف می کنید، بگذارید این باشد:هرگز سلول های بی همتا را جمع آوری نکنید.

هنگامی که سلول ها را به صورت سری (برای افزایش ولتاژ) و موازی (برای افزایش ظرفیت) وصل می کنید، آنها به عنوان یک واحد عمل می کنند. در طول شارژ، اگر یک سلول در یک رشته سری دارای مقاومت داخلی (IR) قابل توجهی بالاتر از همسایگان خود باشد، سریعتر به آستانه قطع ولتاژ می رسد. BMS رشته را به عنوان "کاملا شارژ" ثبت می کند و جریان شارژ را قطع می کند، حتی اگر سلول های دیگر فقط 85٪ ظرفیت دارند.

در هنگام ترخیص، برعکس این اتفاق می افتد. سلول "ضعیف" ابتدا به قطع ولتاژ پایین برخورد می کند و بسته را خاموش می کند در حالی که سلول های دیگر هنوز انرژی دارند. این پدیده که به عنوان اثر بشکه شناخته می شود، ظرفیت قابل استفاده بسته شما را به شدت کاهش می دهد و تخریب موضعی را تسریع می کند.

ماشین مرتب سازی سلولی خودکار: اولین خط دفاعی شما

برای جلوگیری از تأثیر بشکه، سلول‌های استوانه‌ای (18650، 21700، 4680) یا منشوری ورودی باید از طریق دستگاه مرتب‌سازی خودکار اجرا شوند.

مدرنماشین آلات مرتب سازی سلول باتریبه قرائت های دستی مولتی متر اعتماد نکنید. آنها از تسترهای امپدانس AC بسیار کالیبره شده (معمولاً با فرکانس 1 کیلوهرتز) و ولت مترهای دقیق برای پروفایل هر سلول در میلی ثانیه استفاده می کنند.

پارامترهای مرتب‌سازی استاندارد برای بسته‌های{0} عملکرد بالا:

• مقاومت داخلی AC (ACIR):تحمل به شدت در ± 1 mΩ تا ± 2 mΩ کنترل می شود.

• ولتاژ مدار باز (OCV):تحمل در محدوده ± 5 میلی ولت تا 10 ± میلی ولت کنترل می شود.

• ظرفیت (در صورت استفاده از سهام درجه بندی شده):مطابق با انحراف 1٪.

بینش مهندسی:سلول ها را بلافاصله پس از دریافت آنها از حمل و نقل مرتب نکنید. سلول‌های یونی{1} لیتیوم در حین انتقال، ولتاژ را آرام می‌کنند و خود{2}}تخلیه می‌شوند. برای به دست آوردن قرائت های دقیق OCV، سلول ها باید در یک محیط کنترل شده با دمای{4}(2±25 درجه) حداقل به مدت 48 تا 72 ساعت قبل از اجرا از طریق دستگاه مرتب سازی نگهداری شوند.

مرحله 2: مونتاژ سازه و تأیید قطبیت

هنگامی که یک دسته سلولی کاملاً منطبق دارید، باید از نظر ساختاری ایمن شوند. لرزش دشمن اتصال جوش داده شده است. اگر سلول ها در حین کار به طور مستقل در داخل بسته حرکت کنند (مانند یک اسکوتر برقی که در زمین های ناهموار حرکت می کند)، شینه های نیکل دچار خستگی فلزی شده و در نهایت دچار شکستگی می شوند.

براکت های سلولی و عایق

سلول‌ها در براکت‌های پلاستیکی{0}از پلی کربنات یا ABS مقاوم در برابر شعله قرار می‌گیرند. این براکت ها سه عملکرد حیاتی را انجام می دهند:

1. سختی مکانیکی:آنها سلول ها را در یک شبکه ثابت قفل می کنند و شوک فیزیکی را از نقاط جوش دور می کنند.

2. فاصله حرارتی:آنها یک شکاف هوای اجباری (معمولاً 1 تا 2 میلی متر) بین سلول های استوانه ای ایجاد می کنند. این شکاف برای اتلاف حرارتی حیاتی است. اگر یک سلول وارد فرار حرارتی شود، فاصله گذاری از انتشار فوری حرارتی به سلول های مجاور جلوگیری می کند.

3. جداسازی الکتریکی:آنها از تماس پوسته‌های بیرونی سلول‌های مجاور (که بار منفی در قالب‌های استوانه‌ای استاندارد حمل می‌کنند) و در صورت آسیب دیدن روکش انقباض PVC باعث اتصال کوتاه می‌شوند.

بازرسی قطبیت CCD

قبل از انتقال بسته به ایستگاه جوشکاری، باید تحت بازرسی بصری خودکار قرار گیرد. یک سلول منفرد که وارونه قرار داده شود (قطبیت معکوس) باعث ایجاد یک اتصال کوتاه فوری و فاجعه آمیز در لحظه ای که شینه روی آن جوش داده می شود. دوربین‌های CCD با سرعت بالا، ماتریس سلول‌ها را اسکن می‌کنند و با استفاده از تشخیص تصویر، تأیید می‌کنند که پایانه‌های مثبت (بالای دکمه) و منفی (مسطح) دقیقاً با شماتیک سری/موازی مورد نظر مطابقت دارند.

مرحله 3: فرآیند جوشکاری - مقاومت در برابر لیزر

اتصال الکتریکی بین سلول‌های مجزا و پایانه‌های اصلی بسته از طریق شینه‌ها-معمولاً نوارهای نیکل خالص، فولاد نیکل-روکش شده، یا در کاربردهای{2}قدرت بالا، کامپوزیت‌های آلومینیوم یا مس حاصل می‌شود.

روشی که برای اتصال این شینه‌ها به پایانه‌های سلولی استفاده می‌شود، مقاومت داخلی اتصال و دوام مکانیکی بسته را تعیین می‌کند.

میکرو{0}}جوشکاری نقطه‌ای مقاومتی (دوطرفه-)

برای اکثر بسته‌های سلولی استوانه‌ای (e-دوچرخه، ابزار برقی، ماژول‌های استاندارد ESS)، جوشکاری نقطه‌ای مقاومتی خودکار دو طرفه استاندارد صنعتی است.

رادستگاه جوش اتوماتیک نقطه ایاز منبع تغذیه DC اینورتر با فرکانس بالا-یا منبع تغذیه ترانزیستوری استفاده می کند. فشار موضعی را از طریق دو پین جوش مسی-آلومینا اعمال می‌کند و یک پالس عظیم جریان را برای کسری از ثانیه (معمولاً 5 تا 15 میلی‌ثانیه) ارسال می‌کند. مقاومت الکتریکی در سطح مشترک بین نوار نیکل و پوشش سلول فولادی، گرمای موضعی شدیدی ایجاد می‌کند و این دو فلز را با هم ذوب می‌کند و یک «نگت» تشکیل می‌دهد.

اجتناب از "جوش کاذب" (شبه-جوشکاری):

یک جوش کاذب از نظر بصری قابل قبول به نظر می رسد اما فاقد نفوذ متالورژیکی است. اگر نوار نیکل را از یک جوش خوب جدا کنید، باید سوراخی در نوار ایجاد شود و قطعه جوش به سلول متصل شود (یک آزمایش کشش مخرب موفق). یک جوش کاذب به طور تمیز از بین می رود.

برای جلوگیری از این امر، مهندسان تولید باید به طور مداوم نظارت کنند:

• سایش پین الکترود:نکات باید بایگانی شود و به طور منظم لباس پوشیده شود. پین های کسل کننده یا اکسیده شده جریان را در یک منطقه بسیار وسیع پخش می کنند و عمق نفوذ را کاهش می دهند.

• فشار پنوماتیک:اگر فشار سر جوش خیلی کم باشد، مقاومت تماس خیلی زیاد است و باعث جرقه زدن و سوختن سطح می شود. اگر فشار بیش از حد سنگین باشد، جریان به طور کامل رابط را دور می زند.

جوشکاری لیزری برای بسته‌های{0}قدرت بالا

همانطور که به سمت سلول‌های منشوری با ظرفیت بالا-و معماری‌های عظیم EV حرکت می‌کنیم، جوشکاری نقطه‌ای سنتی برای نفوذ به شینه‌های مسی یا آلومینیومی ضخیم تلاش می‌کند. در اینجا، جوشکاری لیزر فیبر کار را به عهده می گیرد. جوشکاری لیزری یک جوش درز پیوسته و با مقاومت کم-با منطقه متاثر از حرارت بسیار کنترل شده (HAZ) ارائه می دهد. با این حال، برای جلوگیری از محافظ پلاسما و تخلخل جوش، نیاز به سرمایه‌گذاری بیشتر و کنترل‌های شدید جوی دارد.

مرحله 4: یکپارچه سازی BMS - مغزهای عملیات

بسته باتری اکنون از نظر ساختاری و الکتریکی یکپارچه شده است، اما "گنگ" است. بدون سیستم مدیریت باتری (BMS)، شیمی یون لیتیوم ذاتاً ناپایدار و خطرناک است.

BMS یک برد مدار چاپی پیچیده (PCB) است که وضعیت هر گروه موازی در بسته را کنترل می کند. دسته سیم باید به دقت از BMS به ترمینال مثبت هر اتصال سری لحیم شده و لحیم شود (یا به صورت اولتراسونیک جوش داده شود).

توابع اصلی BMS:

1. حفاظت از شارژ بیش از حد:اگر هر رشته سلولی از حداکثر ولتاژ مطمئن بیشتر شود (مثلاً 4.25 ولت برای NMC، 3.65 ولت برای LFP) مدار را قطع می کند.

2. حفاظت از تخلیه بیش از-:اگر هر رشته ای کمتر از حداقل ولتاژ مطمئن باشد، برق را قطع می کند و از انحلال غیرقابل برگشت مس در آند جلوگیری می کند.

3. حفاظت در برابر جریان بیش از حد / اتصال کوتاه:از ماسفت ها یا کنتاکتورها برای قطع فوری اتصال در صورت افزایش جریان تخلیه از حد طراحی استفاده می کند.

4. مانیتورینگ دما:از ترمیستورهای NTC مدفون در ماتریس سلول برای نظارت بر گرما استفاده می کند. اگر دما از حد مجاز عملکرد ایمن (معمولاً 65 درجه) فراتر رود، BMS بسته را خاموش می کند.

5. تعادل غیرفعال/فعال:انرژی اضافی را از سلول‌های دارای بالاترین-ولتاژ در پایان چرخه شارژ از طریق مقاومت‌های بای‌پس خارج می‌کند، و به سلول‌های ولتاژ پایین‌تر اجازه می‌دهد تا «به خود برسند». این روشی است که BMS با تأثیر بشکه در طول عمر بسته مبارزه می کند.

مرحله 5: تست جامع BMS و بسته

شما نمی توانید فرض کنید BMS به درستی سیم کشی شده است یا سیستم عامل آن به درستی کار می کند. یک BMS معیوب به یک پک اجازه می‌دهد تا مستقیماً در خروجی حرارتی شارژ شود.

قبل از بسته بندی نهایی، کل مجموعه باید به صنعتی متصل شودتجهیزات تست BMSو بسته آزمایشی-خط-(EOL).

پروتکل تست BMS

تستر BMS رفتار سلول‌های باتری را شبیه‌سازی می‌کند تا تأیید کند که منطق حفاظتی روی برد دقیقاً در میکروثانیه‌ای که قرار است فعال می‌شود.

• شبیه سازی ولتاژ:تستر به طور مصنوعی یک سیگنال ولتاژ بالا (مثلاً 4.3 ولت) را به یکی از سیم های حسگر تزریق می کند. تجهیزات تأیید می‌کنند که ماسفت‌های BMS فوراً باعث قطع شارژ{4}} می‌شوند.

• تزریق فعلی:تستر یک پالس جریان عظیم و لحظه‌ای را از طریق جریان اصلی تخلیه می‌کند تا زمان پاسخ حفاظت مدار کوتاه-را تأیید کند (که باید در میکروثانیه واکنش نشان دهد).

• تأیید تعادل:تستر مدارهای متعادل کننده را نظارت می کند تا اطمینان حاصل کند که مقاومت های بلید هنگامی که یک مثلث ولتاژ شبیه سازی شده در سراسر رشته ها وارد می شود فعال می شوند.

تست نهایی بسته EOL

پس از تأیید اعتبار BMS، بسته تکمیل‌شده از طریق آزمایش‌کننده پایان-خط- اجرا می‌شود. این دستگاه یک بررسی کامل و نهایی را انجام می دهد:

• مقاومت داخلی AC توتال پک.

• مجموع ولتاژ مدار باز

• تست دیالکتریک بالا (استقامت دی الکتریک): اعمال ولتاژ بالا بین پایانه های برق و پوشش بیرونی بسته برای اطمینان از عدم وجود خرابی عایق یا جریان نشتی.

• یک چرخه شارژ/دشارژ جریانی کوتاه-برای تأیید قابلیت کلی تحویل نیرو.

کپسولاسیون نهایی و پیری

تنها پس از گذراندن تمام آزمایشات EOL، بسته در نهایت مهر و موم می شود. برای بسته‌های استاندارد، این شامل پیچاندن مجموعه در تخته‌های فایبرگلاس اپوکسی و جمع کردن یک غلاف PVC سنگین در اطراف آن است. برای کاربردهای ESS و EV، بسته در یک محفظه آلومینیومی یا فولادی با استاندارد IP67 فرو می‌رود، با چسب‌های ساختاری رسانای حرارتی در گلدان قرار می‌گیرد و با پیچ و مهره بسته می‌شود.

در نهایت، بسته‌های تکمیل‌شده تحت یک فرآیند پیری (معمولاً 7 تا 14 روز) در یک انبار تحت نظارت دما قرار می‌گیرند. این امر به ترکیب شیمیایی داخلی بسته اجازه می‌دهد تا تثبیت شود و هرگونه جوش‌های ریز{4}} تاخیری یا معیوب را قبل از ارسال محصول به کاربر نهایی آشکار می‌کند.

خط پک بعدی خود را مهندسی کنید؟

تامین منابع ماشین‌های مستقل از فروشندگان مختلف منجر به کابوس‌های یکپارچه‌سازی نرم‌افزار و زمان‌های چرخه ناهماهنگ می‌شود. مهندسان TOB New Energy خطوط مونتاژ بسته باتری را کاملاً یکپارچه کرده اند. از مرتب‌سازی سلول‌های خودکار و بازرسی CCD گرفته تا جوش‌کاری سروو دو طرفه-و آزمایش نهایی EOL، تجهیزات ما تحت یک MES یکپارچه بدون نقص ارتباط برقرار می‌کنند. ظرفیت بسته هدف و نیازهای خروجی روزانه خود را در اختیار ما قرار دهید و تیم مهندسی ما طرح جامع کارخانه را ارائه خواهد کرد.