สายการผลิตแบตเตอรี่ ESS: การประกอบ-ความเร็วสูงสำหรับเซลล์เปลือกอลูมิเนียมทรงแท่งปริซึม-

ผู้แต่ง: Dany Huang, Ph.D.

ผู้นำ CEO และ R&D, TOB New Energy

เชื่อมต่อกับ Dr. Huang บน LinkedIn

บทสรุปผู้บริหารและประเด็นสำคัญ

ESS boom ทำงานบนเซลล์ LFP แบบแท่งปริซึมขนาดใหญ่-รูปแบบ 280Ah และ 300Ah ซึ่งแต่ละเซลล์มีน้ำหนัก 5.4–6.0 กก. และต้องผนึกปิดผนึกไว้เป็นเวลา 15–20 ปี การประกอบความเร็วสูงถือเป็นระเบียบวินัยที่ยอมรับได้: ระยะหลบการแทรก การเจาะฝาเชื่อม และความสมดุลของ PPM/ผลผลิตสามารถตัดสินได้ว่าสายการผลิตสร้างรายได้หรือสร้างเศษเหล็ก

• ระยะห่างในการแทรกสามารถ: ทั้งหมด 0.3–0.8 มม. โดยมีการวางแนวเชิงมุมที่ต่ำกว่า 0.2 องศา ที่ความลึกของการแทรก 200 มม. ความเอียงครึ่งหนึ่งเท่ากับระยะเยื้อง 1.7 มม.- เพียงพอที่จะพับขอบตัวแยกและวางจุดบกพร่อง-การคายประจุเอง
• การเชื่อมด้วยเลเซอร์ฝาด้านบน: การเชื่อมในขอบเขต 0.76 ม. ต่อเซลล์ 280Ah ที่ 80–250 มม./วินาที, การเจาะ 0.5–1.2 มม. โดยมีอัตราการรั่วไหลของฮีเลียมตามลำดับ 10⁻7 Pa·m³/s หรือเข้มงวดกว่า
• PPM และอัตราผลตอบแทน: สายการผลิตกึ่ง-อัตโนมัติทำงาน 2–5 ส่วนต่อนาทีที่ 92–95% อัตราผลตอบแทนแรก-ผ่าน; สายการผลิตอัตโนมัติเต็มรูปแบบวิ่ง 10–15 PPM ที่ 97.5–99%
• ช่องว่างผลผลิตคือ ROI ที่แท้จริง: สี่เปอร์เซ็นต์จุดสำหรับเซลล์ 10,000 เซลล์ต่อวัน เท่ากับประมาณ 4 ล้านเหรียญสหรัฐต่อปีในวัสดุที่บันทึกไว้ที่ต้นทุนเซลล์ ESS

เซลล์ LFP ขนาด 280Ah เป็นภาชนะรับความดัน 5.5 กก. ที่ต้องทนทานต่อวงจรความร้อนภายในภาชนะนานถึงสองทศวรรษ นอกจากนี้ยังเป็นสินค้าโภคภัณฑ์-ที่ผู้ซื้อจัดเก็บแบบกริดซื้อในราคาต่อ kWh และเซลล์จะรับผิดชอบต้นทุนส่วนใหญ่ สายการประกอบจึงถูกบีบจากปลายทั้งสองข้าง: PPM ที่สูงขึ้นเพื่อตัดจำหน่ายเงินทุน ความอดทนที่เข้มงวดมากขึ้นเพื่อปกป้องผลผลิต สายการผลิตแบบแมนนวลและกึ่ง-อัตโนมัติไม่สามารถส่งทั้งสองอย่างได้ นั่นคือความจริงในการปฏิบัติงานเบื้องหลังการตัดสินใจขยายโรงงานของ ESS ทุกครั้ง

ที่ 280Ah หนึ่งเซลล์เท่ากับ 0.896 kWh โรงงานขนาด 3 GWh ต้องการเซลล์ประมาณ 3.3 ล้านเซลล์ต่อปี ทำงาน 300 วันโดยมีความพร้อมใช้งานของสายการผลิต 85% ซึ่งคิดเป็นประมาณ 9–10 ส่วนต่อนาที ความเร็วของสายไม่ใช่การตั้งค่า มันเป็นเลขคณิต

เหตุใดเซลล์ 280Ah และ 300Ah จึงทำลายการออกแบบเส้นสายแบบเดิมๆ

เซลล์ทรงกระบอกขนาดเล็กทนต่อการใช้งานในทางที่ผิด กระป๋องเหล็กมีความแข็ง มวลน้อย และรูปทรงของส่วนปลายช่วยให้เกิดแนวที่คลาดเคลื่อนได้ในระดับมิลลิเมตร เซลล์ปริซึมขนาดใหญ่ทำไม่ได้

• มวลและความเฉื่อยเซลล์น้ำหนัก 5.5 กก. ที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วบนสายพานลำเลียงจะมีโมเมนตัมจริง ทุกจุดแวะส่งพลังงานจลน์เข้าสู่เซลล์และเข้าสู่ฟิกซ์เจอร์ อุปกรณ์จับยึดจำเป็นต้องมีการควบคุมแรงและแผ่นสัมผัสแบบอ่อนเพื่อหลีกเลี่ยงรอยบุบและความเค้นจากรอยเชื่อม
• รอยเท้าและความยาวรอยเชื่อมเซลล์ขนาด 280Ah มาตรฐานมีขนาดประมาณ 174 × 207 × 72 มม. ทำให้มีขอบเขตของการเชื่อมต่อเนื่องต่อเซลล์ประมาณ 760 มม. การเชื่อมนั้นเป็นเพียงสิ่งกีดขวางระหว่างอิเล็กโทรไลต์กับความชื้นโดยรอบยี่สิบปี
• การแทรกลึกกลุ่มผลิตภัณฑ์ 300Ah ยืดกระป๋องให้สูงขึ้น ความลึกของการแทรก 200 มม. จะขยายความคลาดเคลื่อนเชิงมุมตามความยาว- รูปทรงซึ่งจะช่วยลดความเอียงเล็กน้อย
• ข้อบกพร่องตลอดอายุการใช้งานของสินทรัพย์เซลล์ ESS ได้รับการให้คะแนนสำหรับ 6,000–8,000 รอบ รอยพับของตัวแยกหรือรอยเชื่อมที่หลอมละลายบางส่วนไม่ผ่านการทดสอบทางไฟฟ้า มันล้มเหลวในปีที่สาม ภายในคอนเทนเนอร์ที่ผู้ปฏิบัติงานต้องเปิดและทำงานใหม่

สายการประกอบความเร็วสูงสำหรับประเภทเซลล์นี้ไม่ได้ขยายขนาดเส้นทรงกระบอก พวกเขาต่างก็มีวินัยทางวิศวกรรมของตัวเอง และทั้งสองสถานีที่กำหนดว่าสามารถเชื่อมแบบสอดและเชื่อมฝาด้านบนได้

การแทรกกระป๋อง: กับดักความอดทนอันแรก

ส่วนประกอบอิเล็กโทรด-อิเล็กโทรดที่ซ้อนกันหรือพันแผลซึ่งมีแถบที่เชื่อมกับขั้วต่อฝาครอบแล้ว- จะถูกหย่อนลงในกระป๋องอะลูมิเนียม ความพอดีนั้นตั้งใจและแน่นหนา: ระยะห่างทั้งหมดระหว่างชุดอิเล็กโทรดและผนังกระป๋องวิ่ง 0.3–0.8 มม. ซึ่งเป็นช่องว่างแนวรัศมี 0.15–0.4 มม. ต่อด้าน

ช่องว่างนั้นไม่มีที่ว่างสำหรับการนำทางที่เลอะเทอะ ดังนั้นสถานีอัตโนมัติจึงใช้การป้องกันสามชั้น:

• แผ่นไกด์แบบลบมุมและฟิล์มไกด์ปลอก PET หรือ Mylar จะลำเลียงส่วนประกอบเข้าไปในปากกระป๋อง โดยให้สัมผัสแรกเพื่อไม่ให้ขอบของตัวคั่น ฟิล์มถูกใช้ต่อเซลล์หรือต่อชุด และเป็นวัสดุสิ้นเปลืองที่มีการควบคุม ไม่ใช่เพื่อความสะดวก
• การตรวจสอบลายเซ็นแรงและการเคลื่อนที่เซอร์โวการแทรกจะบันทึกเส้นโค้งแรงเทียบกับจังหวะ การเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องภายในซองจดหมายที่คาดหวังเป็นการแทรกที่ดี แรงที่พุ่งสูงขึ้น การที่ราบสูง หรือการตกอย่างกะทันหันหมายถึงขอบที่ติด ตัวคั่นที่พับ หรือแถบที่ไม่ตรงแนว การตรวจจับเข็มที่แถบเบี่ยงเบนแคบจะตรวจจับข้อบกพร่องเหล่านี้ที่สถานี ไม่ใช่ที่ปลายสาย
• การควบคุมการจัดตำแหน่งเชิงมุมแกนประกอบต้องอยู่ภายใน 0.2 องศาของแกนกระป๋อง ระยะเคลื่อนที่มากกว่า 200 มม. ความเอียง 0.5 องศา ให้ระยะเยื้องด้านข้าง 1.7 มม. ที่ด้านล่างของกระป๋อง-มากกว่าระยะห่างในแนวรัศมีสี่เท่า ผลที่ตามมาคือขอบของตัวแยกที่ถูกบดซึ่งไม่มีการทดสอบทางไฟฟ้าใดที่จะทำเครื่องหมายได้

รูปแบบสามร้อยแอมแปร์ชั่วโมงเพิ่มการพิจารณาประการที่สอง: ยิ่งสูงก็สามารถเพิ่มข้อกำหนดการบีบอัดสแต็กบนฟิกซ์เจอร์ได้ และเส้นทางฟิล์มนำจะยาวขึ้น ทั้งสองอย่างทำให้สถานีช้าลงหากออกแบบมาสำหรับรูปทรง 280Ah ที่เล็กกว่า สายการประกอบเซลล์แบบแท่งปริซึมแบบอัตโนมัติเต็มรูปแบบสำหรับเซลล์ ESS 280Ah และ 300Ah ได้รับการระบุตามรูปแบบด้วยเหตุผลนี้-ความสูง จังหวะการแทรก และรูปทรงของไกด์เป็นแบบเฉพาะรูปแบบ ไม่ใช่แบบสากล

การเชื่อมด้วยเลเซอร์แบบฝาบน: ตำแหน่งที่ตัดสินใจเรื่องความสุญญากาศ

วางฝาปิดไว้บนกระป๋อง จากนั้นเชื่อมด้วยเลเซอร์อย่างต่อเนื่องรอบๆ ขอบเขตทั้งหมด สำหรับเซลล์ 280Ah ที่มีการเชื่อมประมาณ 760 มม. ดำเนินการที่ 80–250 มม./วินาที ด้วยไฟเบอร์เลเซอร์ที่ 1–3 kW เป้าหมายการเจาะคือ 0.5–1.2 มม.-เพียงพอสำหรับฝาครอบฟิวส์และสามารถติดผนังได้โดยไม่ต้องเผาทะลุปึกอิเล็กโทรด

ตัวแปรกระบวนการสามตัวควบคุมคุณภาพ:

โหมดการเชื่อมและการสั่นแบบจุด อะลูมิเนียมสะท้อนแสงใกล้อินฟราเรดที่ความเข้มต่ำ แต่รูกุญแจจะเกิดขึ้นเมื่อความหนาแน่นของพลังงานเกินขีดจำกัด ลำแสงโยกเยก-การสั่นเป็นวงกลมของจุดที่ 100–300 Hz-ทำให้รูกุญแจมั่นคง ขยายโซนฟิวชันให้กว้างขึ้น และระงับความพรุนและการแตกร้าวจากความร้อน คุณภาพการเชื่อมบนอลูมิเนียมไม่โยกเยกเพียงแค่เหรียญพลิกข้ามตะเข็บยาว

แก๊สโล่. อาร์กอนที่ 15–25 ลิตร/นาที ส่งโดยหัวฉีดต่อที่ 30–45 องศา ความล้มเหลวในการครอบคลุมของก๊าซจะแสดงเป็นเม็ดเชื่อมสีเข้มที่ออกซิไดซ์และความพรุน ส่วนผสมฮีเลียมถูกใช้โดยที่ความเร็วการเชื่อมเกินขีดจำกัดของการครอบคลุมอาร์กอน

การจัดการควันและการกระเด็น อลูมิเนียมที่ระเหยและการปนเปื้อนบนพื้นผิวจะควบแน่นเป็นอนุภาคขนาดเล็ก การสกัดแบบครอสเจ็ทและโคแอกเซียลช่วยป้องกันไม่ให้กระเด็นออกจากพื้นผิวฝาครอบและเลนส์ อนุภาคนำไฟฟ้าเพียงตัวเดียวที่ตกลงบนพื้นผิวที่ไม่ถูกต้องจะกลายเป็นระยะสั้นภายในในภายหลัง ระบบสกัดเป็นส่วนหนึ่งของข้อกำหนดเฉพาะของสถานีเชื่อม ไม่ใช่อุปกรณ์เสริม

การตรวจสอบแบบอินไลน์จะปิดการวนซ้ำ การสังเกตกระบวนการโคแอกเซียลจะบันทึกลักษณะการปล่อยความร้อนของทุกรอยเชื่อม การเบี่ยงเบนจากซองจดหมายอ้างอิงจะติดธงเซลล์ก่อนที่จะเลื่อนไป จากนั้นสถานีทดสอบการรั่วไหลจะตรวจสอบผลลัพธ์ เซลล์ที่เชื่อมทุกเซลล์ผ่านการตรวจสอบการรั่วของฮีเลียมตามข้อกำหนดเฉพาะลำดับที่ 10⁻7 Pa·m³/s หรือที่เข้มงวดกว่า โดยใช้อุปกรณ์ทดสอบการรั่วของฮีเลียมสำหรับการตรวจสอบการปิดผนึกเซลล์แบบแท่งปริซึมที่รวมอยู่ในสายส่งเดียวกัน

The Numbers: เส้นแบบกึ่ง-อัตโนมัติกับแบบอัตโนมัติเต็มรูปแบบ

การเปรียบเทียบ PPM และผลผลิตด้านล่างสะท้อนถึงการประกอบแบบแท่งปริซึม 280Ah ที่ขอบเขตเต็มเส้น-จากการประกอบอิเล็กโทรดที่ป้อนเข้าผ่านการปิดผนึก การบรรจุ และการทำความสะอาดขั้นสุดท้าย ค่าเป็นช่วงทั่วไป ซัพพลายเออร์แต่ละรายและรูปแบบจะเลื่อนตัวเลข

เศรษฐศาสตร์อยู่ในสองแถวสุดท้าย ความแตกต่างระหว่างผลผลิต 95% และ 99% คือ 400 เซลล์ต่อ 10,000-ประมาณ 14,000 เหรียญสหรัฐในวัสดุที่ 35 เหรียญสหรัฐต่อเซลล์ สายการผลิตที่ผลิต 10,000 เซลล์ต่อวันจะสูญเสียเงินเพิ่มอีก 14,000 เหรียญสหรัฐต่อวันด้วยผลผลิตที่ต่ำกว่า ตลอดระยะเวลาการผลิต 300 วัน ซึ่งคิดเป็นมูลค่าประมาณ 4.2 ล้านเหรียญสหรัฐต่อปี เมื่อเปรียบเทียบกับเงื่อนไขแรงงาน: การเปลี่ยนพนักงาน 20 รายด้วยต้นทุนการโหลด 40,000 เหรียญสหรัฐฯ จะช่วยประหยัดได้ 800,000 เหรียญสหรัฐฯ ต่อปี ค่าจ้างเศษวัสดุของคนแคระในการผลิต ESS อัตราผลตอบแทนคือ ROI

อัตราผลตอบแทนยังมีสารประกอบที่แตกต่างกันในระดับ ESS เซลล์ 280Ah มีพลังงานประมาณ 0.9 kWh การสูญเสียผลผลิต 1% ในสายการผลิต 3 GWh จะทิ้งวัสดุเซลล์ซึ่งมีมูลค่ามากกว่างบประมาณการบำรุงรักษาประจำปีของพื้นที่ประกอบทั้งหมด

เมื่อระบบอัตโนมัติจ่ายจริง สถานีต่อสถานี

ระบบอัตโนมัติเต็มรูปแบบไม่ได้หมายความว่าหุ่นยนต์จะยึดติดกับกระบวนการแบบแมนนวล หมายความว่าทุกสถานีมีรอบเวลาตรงกัน และการถ่ายโอนทุกครั้งจะมีกลไก

• การจัดการหุ่นยนต์ด้วยการควบคุมแรงมือจับเซอร์โวจะยกเซลล์น้ำหนัก 5.5 กก. ข้างตัวกระป๋องด้วยแรงแคลมป์ที่ตั้งโปรแกรมได้ และเอฟเฟกต์ปลายสุญญากาศจะเคลื่อนชุดอิเล็กโทรดโดยไม่ต้องสัมผัสขอบตัวแยก
• การโอนแบบจัดทำดัชนีหรือพาเลทการทำดัชนีพิทช์คงที่สำหรับรูปแบบแช่แข็งเดี่ยว พาเลทอิสระที่สถานีวิ่งในรอบเวลาที่แตกต่างกัน ทั้งสองกำจัดการเดิน การเข้าคิว และการจัดเตรียมแบบแมนนวลที่ใช้แรงงานกึ่งอัตโนมัติส่วนใหญ่
• บัฟเฟอร์ระหว่างสถานีตัวเก็บประจุขนาดเล็กดูดซับไมโครสต็อป ดังนั้นการสะอึก 5 วินาทีที่สถานีเชื่อมไม่หยุดทั้งแนว
• การตรวจสอบแบบอินไลน์หลังจากทุกขั้นตอนที่สำคัญการตรวจสอบรอยเชื่อมของฝาปิด การทดสอบการรั่วของฮีเลียม และการตรวจสอบด้วยภาพบนช่องเติม ข้อบกพร่องจะถูกปฏิเสธที่สถานีที่ผลิต โดยจะไม่ค้นพบที่การทดสอบปลายสายการผลิต
• การตรวจสอบย้อนกลับระดับเซลล์พารามิเตอร์การเชื่อมของแต่ละเซลล์ เส้นโค้งแรงแทรก และอัตราการรั่วไหลจะถูกบันทึกเทียบกับบาร์โค้ด เมื่อคอนเทนเนอร์กลับมาในปีที่สี่ บันทึกการผลิตก็จะยังคงอยู่

การบูรณาการแบบทีละสถานีคือสิ่งที่ผู้ให้บริการแบบครบวงจรมอบให้ในขอบเขตเดียว: ไฟเบอร์การเชื่อมด้วยเลเซอร์อัตโนมัติสำหรับเซลล์ปริซึมการปิดผนึกฝาด้านบนได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมควบคู่ไปกับสถานีการแทรก การขนย้าย และการตรวจสอบ แทนที่จะแยกจากแหล่งและเชื่อมต่อที่ไซต์งาน

คำถามที่พบบ่อย: ESS Prismatic Cell Assembly

สายการประกอบเซลล์ 280Ah ควรใช้ PPM ใด
10–15 ส่วนต่อนาทีสำหรับสายการผลิตอัตโนมัติเต็มรูปแบบ โดยมีการกำหนดค่าความเร็วสูงถึง 20 PPM โดยปกติแล้วสายการผลิตกึ่งอัตโนมัติจะทำงานที่ 2–5 PPM PPM ที่จำเป็นต่อจากเป้าหมาย GWh โดยตรง: 1 GWh ที่ 280Ah เท่ากับประมาณ 1.1 ล้านเซลล์ต่อปี

สายการผลิต ESS อัตโนมัติสามารถคาดหวังผลตอบแทนได้เท่าใด
อัตราผลตอบแทนการส่งผ่านครั้งแรกทำได้ 97.5–99% บนสายการผลิตอัตโนมัติที่ได้รับการควบคุม เทียบกับ 92–95% บนอุปกรณ์กึ่งอัตโนมัติ ความแตกต่างของต้นทุนวัสดุในสายการผลิตที่มีปริมาณมากมีมูลค่าหลายล้านเหรียญสหรัฐต่อปี

ขั้นตอนกระบวนการที่ยากที่สุดในการประกอบแบบแท่งปริซึมขนาด 280Ah คืออะไร
การเชื่อมด้วยเลเซอร์ฝาด้านบนมักเป็นทั้งคุณภาพและปัญหาคอขวดของปริมาณงาน การเชื่อมต่อเนื่องขนาด 760 มม. ที่การเจาะ 0.5–1.2 มม. จะต้องดำเนินการภายในไม่กี่วินาทีโดยไม่มีรูพรุนเป็นศูนย์ และโดยทั่วไปวงจรของสถานีจะปิดเส้น PPM

ความคงตัวของเซลล์ได้รับการตรวจสอบอย่างไร?
การทดสอบการรั่วของฮีเลียมที่ข้อกำหนดเฉพาะลำดับ 10⁻7 Pa·m³/s หรือเข้มงวดกว่า ดำเนินการแบบอินไลน์หลังการเชื่อมฝาครอบ การสุ่มตัวอย่างด้วยรังสีเอกซ์หรือ CT ใช้ในการตรวจสอบการเจาะทะลุของรอยเชื่อมเป็นชุด

สายกึ่งอัตโนมัติ-ที่มีอยู่สามารถอัปเกรดเป็น PPM ที่สูงขึ้นได้หรือไม่
บางส่วน. การเพิ่มสถานีเชื่อม การทดสอบการรั่วไหล และการตรวจสอบย้อนกลับไปยังไลน์แบบแมนนวลจะเพิ่มผลผลิต แต่ PPM ยังคงถูกจำกัดโดยการถ่ายโอนแบบแมนนวล สูงกว่าประมาณ 5 PPM บรรทัดใหม่ที่สร้างขึ้นเกี่ยวกับการแทรกและการเชื่อมแบบอัตโนมัติเป็นเส้นทางที่มีต้นทุนต่ำกว่า

ข้อมูลอ้างอิงทางเทคนิคที่รวบรวมโดยกลุ่มวิศวกรรมกระบวนการ TOB New Energy จากการปรับใช้สายการประกอบเซลล์แบบแท่งปริซึมสำหรับรูปแบบเซลล์ ESS หากต้องการทราบรอบเวลาและแบบจำลองผลผลิตของเป้าหมายการผลิต 280Ah หรือ 300Ah เฉพาะของคุณ โปรดติดต่อ Dr. Dany Huang บน LinkedIn หรือส่งข้อมูลจำเพาะของเซลล์ไปที่แผนกวิศวกรรมของ Xiamen