“超级工厂”一词在十年前还不存在，但超级工厂现在是电动汽车生态系统的基石
作者：Keysight Technologies行业与解决方案营销经理Hwee Yng Yeo
超级工厂帮助将锂离子电池的产量从每年4至10 GWh提高到每年40至80 GWh。在过去十年中，将成本效益放在首位的大批量电池生产导致电动汽车电池价格暴跌90%。
扩大电池生产需要在整个超级工厂生产电池的高度复杂过程的每一步都进行高精度、自动化和质量检查，电池是组成电池组为电动传动系统供电的电池模块的基本单元。
随着人们对更长续航里程、更快充电和持续降低电动汽车电池成本的期望，决定电动汽车电池的寿命变得比以往任何时候都更重要。根据电池组的设计和电动汽车的续航里程，大多数电动汽车电池有1500到2000个充电周期。在生产过程中检测缺陷，并在预充电/成型和老化步骤中检查质量，对于确保电池功能和达到设计寿命至关重要。图1显示了典型的锂离子电池制造工艺的简化示意图。


图1：电池制造过程中的关键阶段

电池单元生产过程中的制造缺陷检测

由于制造过程中引入的电化学或机械缺陷，电池单元的性能可能与其原始设计规范不同。
湿度、微量颗粒污染物和其他因素会对电池产生不利影响，导致更快的放电和电池故障。例如，电池结构中的微小机械缺陷会在每次充放电电池周期中产生显著的变形，导致电池寿命缩短。
进入电池制造过程的缺陷的另一个例子是在接线片焊接步骤期间，其中在接线片的焊接过程中可能形成轻微的接线片毛刺。接线片将阳极和阴极层连接到电池的外部端子。毛刺会导致内部短路，从而导致热失控。

缓解Gigafactory工作流程中的“瓶颈”

在大容量电池超级工厂的制造环境中，吞吐量是生产力的重要晴雨表。然而，电芯形成和老化是电芯精加工过程中两个耗时的步骤。一项已发表的关于当前和未来锂离子电池制造的研究表明，电芯形成和老化过程的成本最高，几乎占总制造过程成本的三分之一（见表1）。
 

表1：锂离子电池制造工艺的成本、产量和能耗
 
大部分总老化时间来自于确定电芯的自放电行为是否在可接受的范围内的过程。在电芯老化过程中，制造商必须测量电芯的自放电速率，即使它没有连接到任何设备。其目的是筛选出表现出异常或过度自放电的错误电芯，因为这种“坏”电芯会对模块和电池组的性能产生不利影响。
电芯可能需要几天、几周或几个月的时间才能表现出其自放电特性。然而，在时间和成本敏感的制造环境中，长期跟踪自放电的传统方法是不切实际的。
相反，一些制造商现在使用一种相对较新的恒电位测量方法来直接测量电芯的内部自放电电流。与等待数天或数周来记录电芯自放电性能的传统方法相比，这种方法通常需要数小时或更短的时间，从而节省了时间和宝贵的占地空间来容纳电芯进行这种至关重要的质量检查。减少电芯在老化步骤中花费的时间也可以节省直接流向超级工厂的利润。
 
面向未来的电芯循环器释放增长能力

随着新技术和电池化学技术的结合，创造出更强大、充电更快的电池，这些电芯也必须进行电芯循环测试。在这些测试中，电池单元根据不同的参数重复充电和放电，以评估其性能，并确定测试的电池容量何时未能达到规定容量。
在现代超级工厂生产线中，不可能对每个电芯进行循环质量检查。长时间的循环也会使电芯退化。因此，制造商在采样的基础上离线进行这种质量门测试，使用电芯循环器来表征电芯在一系列具有容量和效率的充电/放电循环中随时间的响应。
对续航里程更长、充电能力更快的电动汽车的需求给电芯研究人员和制造商带来了压力，他们必须更快地测试更多种类的电芯，以满足上市时间表。在实验室或生产车间，这意味着需要投资于电芯循环设备，该设备具有处理不同电芯类型的灵活性，以及产生和吸收更大电流的能力。随着电力成本的不断增长，这些电芯循环器也需要具有成本效益，并且足够容易在产量增加的情况下快速部署。让我们来看一个涉及传统电芯循环器和现代模块化生命周期测试箱的比较案例研究。

利用模块化寿命测试箱提高电芯循环效率

目前正在努力开发创新的方法，以提高效率，降低运营成本，并在电池超级工厂的运营层面进一步降低电动汽车电池的成本。
图2显示了一个典型的电芯循环测试装置，每个腔室能够容纳10到20个电芯。每个腔室使用大约10kW的功率，不包括循环器对电芯充电和放电所需的能量。


图2：传统的电芯循环测试装置
 
模块化循环寿命测试箱是实现电芯制造质量门的一种新方法，有助于降低巨型工厂的占地面积利用率和功耗。图3显示了电池测试解决方案提供商Keysight与Proventia合作创建的新型模块化质量门设置。每个容器大小的腔室最多可容纳200个350A通道（用于棱柱形电池）和100个10A通道（用于圆柱形电池），并配有安全和温度控制系统。


图3：用于电芯循环的紧凑型占地面积模块化寿命测试箱。（图片来源：Proventia）

在Keysight和Proventia的项目中，合作者发现，对于需要18个传统循环器及其配套的热室的传统质量门，寿命测试箱只占用了三分之一的占地面积，同时提供了等效的通道容量（见图4）。
 

图4：新型模块化寿命测试箱（左）占据了传统测试箱和循环器提供相同通道容量所需的33%的占地面积
 
如果需要更高的测试能力，可以更快地在现场安装额外的腔室块，以便在制造业增长的同时扩大产能。在发生严重安全问题（如过热、系统故障或烟雾、气体和火灾）时，该“超级测试箱”配备了用于5级危险控制的安全应急系统，为电动汽车电池制造商提供了一种既省钱又省时的替代方案。
 
运营效率节省资源、时间和成本
作为电芯循环质量门的模块化寿命测试箱的另一个节省成本的部件是循环器使用再生电力。来自放电电池的能量被回收到AC电力线。这些再生电力系统可以回收75%或更多的清洁电力。除了降低电费外，更少的散热还减少了系统组件的应力，提高了设备的可靠性。更少的热量产生也允许更小的系统设计，进一步降低了占地空间利用率。对模块化寿命循环测试箱的比较研究表明，它只需要50kW的功率，而运行18个传统的电池循环器需要180kW的功率。
除了通过再生电力降低间接成本外，自动化测试和利用测试数据是更快开发更好的池的方法。大多数现代电池开发和生产设施都使用运营管理工具，这些工具可以360度查看电池测试实验室的资产、软件、测试计划、结果和报告。这些数据集有助于电池开发人员深入了解现有的电芯设计以及如何改进新的设计。
 
盈利之路
随着汽车电动化势头的增强，汽车制造商及其电池供应链将继续寻找降低电池成本的方法。较低的电池成本将有助于推动大众市场从普通内燃机（ICE）转向电动汽车。实施成本节约质量门的创新方法，如使用紧凑、节能的寿命测试箱，以及再生电力和以软件为中心的操作，可以提高效率，降低运营成本，并有助于缩短盈利之路，同时加快电动汽车的采用。
 
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