动力电池壳成套生产线概述

黄建民，仲 君，夏德琛

（扬力集团股份有限公司，江苏 扬州 225104）

在我国新能源汽车快速发展的引领下，电动化已成为全球汽车发展的主要趋势，展望未来数十年，以纯电动车、混合动力车为主的新能源汽车销量将持续保持较高的增长速度[1]。同时动力电池即为新能源动力汽车提供动力来源的电源，作为电动汽车的能量来源，是电动汽车产业链的核心，需求量同比增长。同时动力电池部分配件源自于金属成型，即主要由压力机加工生产，其需求量随电动汽车产业一同增长，加之汽车行业对成本与质量进行体系化的要求，为锻压行业带来了新的市场增量与变革。特别是目前以压力机为主体的自动生产线伴随着大量新功能、优化的冲压工艺、自动化的控制方式，随之参与到新能源汽车浪潮中去。

1 动力电池背景介绍

动力电池系统主要由电池模块、电气系统、热管理系统、壳体和BMS 等零部件组成，通过成本核算可以发现电池模块的电芯占了约80%的成本和主要的重量[2]。目前市面上有三种主流的电芯种类：圆柱形（代表企业：松下）、软包（代表企业：LG 化学）和硬包（代表企业：宁德时代，比亚迪）。其中圆柱形和硬包电池的包装密封以金属包装为主，占据了动力电池市场的主要份额。单个圆柱形或硬包电芯分别对应单个圆钢壳和方铝壳，而电池模块一般由几千个圆钢壳电芯或方铝壳电芯组成总成，获得足够的电能容量，如图1 所示。同时，如图2 所示，硬包即方铝壳电池在市场上份额。

图1 硬包电芯模块（方铝壳电池）

图2 三种电芯的市场占比

如图3 所示，动力电池装机总量逐年增长，这与2019 年电动汽车100 多万辆的产能相匹配。考虑到电动汽车巨大的未来市场，动力电池以及所属电池壳的市场潜力可观。

图3 2014～2019 年国内动力电池装机量

2 电池壳成套生产线技术方案

前文介绍了两种电芯（圆柱形和硬包）以金属包装为主，即为圆电池钢壳和方铝壳，进而形成对应的生产线技术方案。下面将分别论述。

2.1 圆电池钢壳生产线技术方案

圆电池壳冲压加工，其生产工艺相对成熟，近20～30 年来我国一直都在生产，以钢为原材料，塑性、强度皆可，所以圆钢壳电池在其他方面也有大量运用，比如18650 电池在手机、充电宝、遥控器、玩具车等上都在使用[3]。近年来特斯拉与松下合作开发，将圆柱形电池作为动力电池的电芯，带动了圆电池的大量需求。而且不仅仅对圆柱形电池自身优化，进而对电池壳生产商也有要求，比如生产效率提高，电池壳的精度、厚度等。

一条典型的圆电池钢壳生产线由1 台NC 偏摆送料机+1 台平面电子送料器+1 台JH25 系列开式双点高性能压力机+1 台剪切废料及多工位级进模具组成。主机为双点压力机，台面左右距离大，结合多工位模具的特点，抗偏载能力强，效率高，成品率高。单台主机配合级进模具就可以实现以前多台压力机配合的效果，NC 送料机、电子送料器与主机PLC 传感器协通达成高效自动化的特征，自动送料，出料，生产线关键工序带有安全检测。剪切废料器将冲压加工好的成品与废料分离，自动收集废料，减少人工分料步骤。通过上述自动化设备。圆电池钢壳生产线实现从原料到成品一步到位。

同时，本生产线具备柔性生产特性，客户可以根据自身情况从JH25-80、JH25-110 和JH25-160 等不同吨位中选择合适的主机，例如2#、5#、18#电池钢壳通常配备JH25-80 机床，生产速度60～120 件/min，每天产量8～10 万只；1#、26#电池钢壳通常配备JH25-110 机床，生产速度50～100 件/min，每天产量6～9 万只。

2.2 方铝壳生产线技术方案

根据上文介绍电池市场情况，方铝壳电池最近脱颖而出，装机量占比占据头部。早期方壳电池在电动大巴车、公交车上逐步试用、推广，近几年铝式方壳电池因重量较轻，能量密度较高，便于整合进入动力电池系统，被广泛应用在乘用车上[3]。比如宁德时代与多家电动汽车企业合作，通过大规模的量产，取得价格优势、技术重复迭代，进一步推进方铝壳电池的市场扩大，因此冲压设备生产商针对方铝壳的潜在市场推出相应冲压生产线来满足客户的需求。一条典型的动力电池方铝壳生产线由总控台+二合一伺服送料机含料架整平+二次元机械手+P2M 系列多工位拉伸压力机+智能多工位模具+下料传送带+输送带+超声波清洗机+全自动周转流水线+搬运机械手+包装机器人组成，各种设备形成一个个节点，数个节点构成各车间或跨车间作为桥梁，如图4 所示。

图4 动力电池方铝壳生产线示意

总控室的关键设备是总控台，承担大脑的作用，负责帮助员工管理各节点设备，交换各节点的信息，监控各节点作业。加工车间中，P2M系列冲压机作为主要的生产工具，它们采用芯轴横放，双边偏心齿轮传动，传动平稳，连杆施力点跨度大，机床抗偏载能力强，受力部件的强度远大于曲轴式机床，克服了曲轴受力变形，挠度差的状况。考虑到多工位的级进模在一幅模具内存在多个工序，压力机一个行程周期完成多个工序，对于偏载要求较高，P2M系列机床调整2 点布置距离。这种调整保证产品的质量与精度的前提下，可以增大台面面积，进而使一副拉伸级进模拥有更多工位或单个模具加大，增加方形壳深度与减薄厚度，便于扩展与升级模具。清洗车间关键设备就是清洗机，全自动操作，超声波原理，自动风干。清洗完成利用全自动周转流水线逐步运输到包装车间。包装车间主要依靠搬运机械手和包装机器人，首先搬运机械手将清洗好的方铝壳堆叠摆放好，然后包装机器人将成堆的方铝壳打包，最后由人工整理至库房。

因此，该生产线自动化程度高，体现出新式生产线诸多优点。首先，诸多节点中只有三个节点需要人工处理，包括转载原料的料架节点，清理废料节点，整理打包好的成品节点，其他环节都可以通过总控室管理与监控，这样大量减少人工的参与度，增加自动化的比率，实现高效、精准、标准化作业。同时汇总控制权于总控室形成高集中度，实现总控室可以监控各生产线的复杂节点，更加高效率的管理工厂。其次，在本案例中，各节点之间使用自动化的设备连接，比如输送带将冲压好的产品送到超声波清洗机和将废料送到废料车间，不再使用人力去转移半加工品，将运输量变为可控。各环节通过总控台交换信息，通过协调各节点的作业速度，控制生产线的总的生产速度，避免单环节积料或单环节无料作业。最后，该生产线保留扩展性，一是可增加生产线的数量，二是可以增加检测点与传感器，三是可以增加功能节点，便于升级生产线的功能或后期维护。综上所述，随着自动化与传统机械逐渐结合，体现出一加一大于二的优势，方铝壳生产线会逐渐向智能化，扩展性，集中化进化，将生产效率推向更高。

3 结束语

目前新能源电动汽车全面推向市场并普及的步伐越来越快，动力电池的市场在扩大，但动力电池壳的生产企业已在重新洗牌，从目前趋势看，动力电池的生产都在向规模企业集中，前5 名的生产商占据了65%的市场。可以预见的未来，动力电池市场的竞争会愈加激烈，技术迭代会越来越频繁。例如续航里程长是电动车追求的一个重要指标，在电池能量密度提升遇到重大瓶颈的现状下，在别的方面寻求突破[2]。在动力电池系统中，电池壳占系统总重量约20～30%，是主要结构件，因此电池壳的轻量化已经成为电池壳制造商的迫切需求[2]。又例如电池壳制造商对生产效率的追求，即用较少的生产线能生产较多的产品，使得电池壳成套生产线不断革新自动化与智能化，以及不断优化压力机性能。对于电池壳成套生产线的生产商来说，未来几年可以预见到是不断推动技术进步，一方面将圆电池钢壳的生产效率与方电池铝壳的生产效率提高到目前的10%～20%，一方面提升冲压工艺，生产质量好更轻薄化的电池壳，努力提高竞争，准备迎接巨大的挑战和机遇。