شرح خط تجميع حزمة البطارية: من الفرز إلى نظام إدارة المباني

المؤلف: داني هوانغ، دكتوراه

الرئيس التنفيذي ورئيس البحث والتطوير، TOB New Energy

الملخص التنفيذي والوجبات السريعة الرئيسية

إن الانتقال من تصنيع خلايا أيون الليثيوم- الفردية إلى تجميع مجموعة بطاريات عالية الجهد- هو المكان الذي تلتقي فيه الهندسة الكهروكيميائية مع التكامل الميكانيكي عالي الدقة-. تعتبر خلية 21700 المصنعة بشكل مثالي عديمة الفائدة إذا تم لحامها في عبوة غير متطابقة.

• "تأثير البرميل" مطلق:يتم تحديد السعة الإجمالية لحزمة البطارية وعمرها بالكامل من خلال أضعف خلية فردية بها. ستؤدي الانحرافات الطفيفة في المقاومة الداخلية (IR) أو جهد الدائرة المفتوحة (OCV) إلى تلاشي القدرة المبكرة عبر الوحدة بأكملها.

• الفرز هو الأساس:الفرز الآلي للخلايا ليس فحصًا اختياريًا للجودة؛ إنه خط الأساس الرياضي الأساسي لتجميع الحزمة. يعد تجميع الخلايا مع تفاوتات الأشعة تحت الحمراء ضمن ± 1 mΩ والجهد ضمن ± 5 mV أمرًا إلزاميًا لتطبيقات EV وESS.

• سلامة اللحام تملي السلامة:سواء تم استخدام اللحام النقطي بمقاومة مزدوجة الجوانب أو اللحام بالليزر الآلي، فإن الرابطة المعدنية بين طرف الخلية وقضيب التوصيل يجب أن تتحمل الاهتزازات الشديدة والتمدد الحراري دون إحداث لحامات زائفة.

• اختبار BMS يتحقق من صحة الدماغ:نظام إدارة البطارية (BMS) هو الشيء الوحيد الذي يقف بين مجموعتك والهروب الحراري. يجب أن تحاكي معدات الاختبار الشاملة لنظام إدارة المباني (BMS) ظروف الأعطال الشديدة-الشحن الزائد والتفريغ العميق والدوائر القصيرة-الدوائر-قبل إغلاق العبوة.

بنية خط تجميع حزمة البطاريات الجاهزة

ينظر العديد من المصنعين عن طريق الخطأ إلى عملية تجميع العبوات على أنها عملية ميكانيكية بسيطة-تلصق الخلايا معًا وتوضع فوقها شريط من النيكل. هذه العقلية القديمة هي السبب وراء مواجهة العديد من الشركات الناشئة في مجال المركبات الكهربائية الخفيفة (e-) ونظام تخزين الطاقة (ESS) مطالبات ضمان كارثية خلال السنة الأولى من النشر.

إنتاجية حديثة وعالية-.خط تجميع حزمة البطاريةعبارة عن سير عمل-معتمد على البيانات ومؤتمت بشكل كبير. يجب تتبع كل خلية وقياسها ومطابقتها ولحامها والتحقق منها بموجب نظام تنفيذ التصنيع الموحد (MES). إذا لم تتمكن من تتبع OCV الدقيق للخلية رقم 45 في حزمة 100S10P مرة أخرى إلى بيانات الفرز الأصلية، فلن يكون لديك خط إنتاج؛ لديك مسؤولية.

يوجد أدناه التقسيم الهندسي النهائي-بخطوة-خطوة بخطوة لسير عمل تجميع الحزم الاحترافي، مع تسليط الضوء على نقاط الفشل الحرجة التي يغفل عنها معظم مديري الإنتاج.

المرحلة 1: أهمية فرز الخلايا ومطابقتها

إذا أخذت مبدأ هندسيًا واحدًا فقط من هذا الدليل، فليكن هذا:لا تقم أبدًا بتجميع خلايا غير متطابقة.

عندما تقوم بتوصيل الخلايا على التوالي (لزيادة الجهد) وبالتوازي (لزيادة السعة)، فإنها تعمل كوحدة واحدة. أثناء الشحن، إذا كانت إحدى الخلايا في سلسلة متوالية تتمتع بمقاومة داخلية أعلى بكثير من الخلايا المجاورة لها، فسوف تصل إلى عتبة قطع الجهد بشكل أسرع. سيقوم نظام BMS بتسجيل السلسلة على أنها "مشحونة بالكامل" ويقطع تيار الشحن، على الرغم من أن الخلايا الأخرى تبلغ سعتها 85٪ فقط.

أثناء التفريغ، يحدث العكس. تصل الخلية "الضعيفة" إلى قطع الجهد المنخفض أولاً، مما يؤدي إلى إيقاف تشغيل الحزمة بينما لا تزال الخلايا الأخرى تحتفظ بالطاقة. تعمل هذه الظاهرة، المعروفة باسم تأثير البرميل، على تقليل السعة القابلة للاستخدام لحزمتك بشكل كبير وتسريع التدهور الموضعي.

آلة فرز الخلايا الآلية: خط دفاعك الأول

لمنع تأثير البرميل، يجب تشغيل الخلايا الأسطوانية الواردة (18650، 21700، 4680) أو الخلايا المنشورية من خلال آلة فرز آلية.

حديثآلات فرز خلايا البطاريةلا تعتمد على قراءات المقاييس المتعددة اليدوية. إنهم يستخدمون أجهزة اختبار مقاومة التيار المتردد ذات المعايرة العالية (عادةً ما يتم قياسها عند 1 كيلو هرتز) ومقاييس الفولتميتر الدقيقة لتعريف كل خلية بالمللي ثانية.

معلمات الفرز القياسية للحزم-عالية الأداء:

• المقاومة الداخلية للتيار المتردد (ACIR):يتم التحكم في التسامح بشكل صارم ضمن ± 1 mΩ إلى ± 2 mΩ.

• جهد الدائرة المفتوحة (OCV):يتم التحكم في التسامح ضمن ± 5 مللي فولت إلى ± 10 مللي فولت.

• السعة (في حالة استخدام المخزون المصنف):متطابقة ضمن انحراف 1%.

البصيرة الهندسية:لا تقم بفرز الخلايا فور استلامها من الشحن. تتعرض خلايا أيون الليثيوم- لاسترخاء الجهد الكهربي والتفريغ الذاتي- أثناء النقل. للحصول على قراءات دقيقة لـ OCV، يجب تخزين الخلايا في بيئة يتم التحكم بدرجة حرارتها - (25 درجة ± 2 درجة ) لمدة 48 إلى 72 ساعة على الأقل قبل تشغيلها عبر آلة الفرز.

المرحلة 2: التجميع الهيكلي والتحقق من القطبية

بمجرد حصولك على مجموعة متطابقة تمامًا من الخلايا، يجب تأمينها هيكليًا. الاهتزاز هو عدو المفصل الملحوم. إذا تحركت الخلايا بشكل مستقل داخل العبوة أثناء التشغيل (كما هو الحال في سكوتر كهربائي يسافر فوق أرض وعرة)، فسوف تتعرض قضبان التوصيل المصنوعة من النيكل إلى إجهاد معدني وتنقطع في النهاية.

بين قوسين الخلية والعزل

يتم إدخال الخلايا في -أقواس من مادة البولي كربونات المقاومة للهب أو بلاستيك ABS. تخدم هذه الأقواس ثلاث وظائف حاسمة:

1. الصلابة الميكانيكية:فهي تحبس الخلايا في شبكة ثابتة، وتنقل الصدمات الجسدية بعيدًا عن نقاط اللحام.

2. التباعد الحراري:إنها تفرض فجوة هوائية إلزامية (عادةً من 1 مم إلى 2 مم) بين الخلايا الأسطوانية. هذه الفجوة حيوية للتبديد الحراري. إذا دخلت الخلية في الهروب الحراري، فإن التباعد يمنع الانتشار الحراري الفوري إلى الخلايا المجاورة.

3. العزل الكهربائي:إنها تمنع الأغلفة الخارجية للخلايا المجاورة (التي تحمل شحنة سالبة في الأشكال الأسطوانية القياسية) من التلامس والتسبب في حدوث ماس كهربائي في حالة تلف غلاف الانكماش PVC.

CCD قطبية التفتيش

قبل أن تنتقل العبوة إلى محطة اللحام، يجب أن تخضع لفحص بصري آلي. سوف تتسبب خلية واحدة يتم إدخالها رأسًا على عقب (قطبية عكسية) في حدوث ماس كهربائي فوري وكارثي في ​​اللحظة التي يتم فيها لحام قضيب التوصيل عبرها. تقوم كاميرات CCD عالية السرعة- بفحص مصفوفة الخلايا، باستخدام التعرف على الصور للتحقق من أن الأطراف الموجبة (الزر العلوي) والسالبة (المسطحة) تتطابق تمامًا مع المخطط التسلسلي/المتوازي المقصود تمامًا.

المرحلة 3: عملية اللحام – المقاومة مقابل الليزر

يتم تحقيق الاتصال الكهربائي بين الخلايا الفردية وأطراف الحزمة الرئيسية عبر قضبان التوصيل-عادةً شرائط النيكل النقي، أو الفولاذ المطلي بالنيكل-، أو، في تطبيقات الطاقة- العالية، مركبات الألومنيوم أو النحاس.

إن الطريقة المستخدمة لدمج أشرطة التوصيل هذه في أطراف الخلية تحدد المقاومة الداخلية للاتصال والمتانة الميكانيكية للحزمة.

اللحام البقعي بالمقاومة الدقيقة -(مزدوج-الجوانب)

بالنسبة للغالبية العظمى من مجموعات الخلايا الأسطوانية (الدراجات الإلكترونية والأدوات الكهربائية ووحدات ESS القياسية)، فإن اللحام النقطي الآلي بالمقاومة المزدوجة الجوانب هو المعيار الصناعي.

الآلة لحام البقعة الأوتوماتيكيةيستخدم مصدر طاقة التيار المستمر-العاكس عالي التردد أو مصدر طاقة ترانزستور. إنه يطبق ضغطًا موضعيًا عبر اثنين من دبابيس لحام الألومينا النحاسية - ويقدم نبضة هائلة من التيار لجزء من الثانية (عادةً من 5 إلى 15 مللي ثانية). تولد المقاومة الكهربائية عند السطح البيني بين شريط النيكل وغلاف الخلية الفولاذية حرارة موضعية مكثفة، مما يؤدي إلى ذوبان المعدنين معًا لتشكيل "كتلة صلبة".

تجنب "اللحامات الكاذبة" (اللحام الزائف-):

يبدو اللحام الزائف مقبولًا بصريًا ولكنه يفتقر إلى الاختراق المعدني. إذا قمت بنزع شريط النيكل من لحام جيد، فيجب أن يحدث ثقبًا في الشريط، مما يترك كتلة اللحام متصلة بالخلية (اختبار سحب مدمر ناجح). سوف ينفجر اللحام الزائف بشكل نظيف.

ولمنع ذلك، يجب على مهندسي الإنتاج المراقبة المستمرة:

• ارتداء دبوس القطب:يجب تقديم النصائح وارتداء ملابسها بانتظام. تقوم المسامير الباهتة أو المؤكسدة بنشر التيار على مساحة واسعة جدًا، مما يقلل من عمق الاختراق.

• الضغط الهوائي:إذا كان ضغط رأس اللحام خفيفًا جدًا، فإن مقاومة التلامس تكون عالية جدًا، مما يتسبب في حدوث شرارة وحرق على السطح. إذا كان الضغط ثقيلًا جدًا، فإن التيار يتجاوز الواجهة تمامًا.

اللحام بالليزر لحزم الطاقة العالية-.

بينما نتحرك نحو-الخلايا المنشورية عالية السعة وبنيات المركبات الكهربائية الضخمة، يواجه اللحام البقعي التقليدي صعوبة في اختراق قضبان التوصيل السميكة المصنوعة من النحاس أو الألومنيوم. هنا، يتولى اللحام بليزر الألياف المهمة. يوفر اللحام بالليزر درزًا مستمرًا ومنخفض المقاومة-مع منطقة متأثرة بالحرارة (HAZ) يتم التحكم فيها بشكل كبير. ومع ذلك، فإنه يتطلب استثمارات كبيرة في رأس المال وضوابط جوية صارمة للغاية لمنع التدريع بالبلازما ومسامية اللحام.

المرحلة 4: تكامل BMS – العقل المدبر للعملية

أصبحت حزمة البطارية الآن موحدة هيكليًا وكهربائيًا، لكنها "غبية". بدون نظام إدارة البطارية (BMS)، تكون كيمياء أيون الليثيوم-غير مستقرة وخطيرة بطبيعتها.

BMS عبارة عن لوحة دوائر مطبوعة معقدة (PCB) تراقب حالة كل مجموعة متوازية في العبوة. يجب أن يتم توجيه مجموعة الأسلاك ولحامها (أو لحامها بالموجات فوق الصوتية) بدقة من نظام إدارة المباني (BMS) إلى الطرف الموجب لكل اتصال سلسلة على حدة.

وظائف نظام إدارة المباني الأساسية:

1. حماية الشحن الزائد:افصل الدائرة إذا تجاوزت أي سلسلة خلية الحد الأقصى للجهد الآمن (على سبيل المثال، 4.25 فولت لـ NMC، 3.65 فولت لـ LFP).

2. أكثر من-حماية التفريغ:يقطع الطاقة إذا انخفض أي خيط عن الحد الأدنى من الجهد الآمن، مما يمنع انحلال النحاس بشكل لا رجعة فيه عند الأنود.

3. حماية التيار الزائد/ماس كهربائى:يستخدم MOSFETs أو الموصلات لقطع الاتصال على الفور إذا تجاوز تيار التفريغ حد التصميم.

4. مراقبة درجة الحرارة:يستخدم الثرمستورات NTC المدفونة داخل مصفوفة الخلية لمراقبة الحرارة. إذا تجاوزت درجات الحرارة حدود التشغيل الآمنة (عادة 65 درجة)، يقوم نظام إدارة المباني بإيقاف تشغيل العبوة.

5. التوازن السلبي/النشط:ينزف الطاقة الزائدة من الخلايا ذات الجهد العالي- في نهاية دورة الشحن من خلال المقاومات الالتفافية، مما يسمح للخلايا ذات الجهد المنخفض-باللحاق بالركب. هذه هي الطريقة التي يحارب بها BMS تأثير البرميل على مدى عمر العبوة.

المرحلة 5: نظام إدارة المباني الشامل واختبار العبوات

لا يمكنك افتراض أن نظام إدارة المباني قد تم توصيله بشكل صحيح أو أن البرامج الثابتة الخاصة به تعمل بشكل صحيح. سيسمح نظام إدارة المباني الخاطئ بشحن الحزمة مباشرة إلى الانفلات الحراري.

قبل التعبئة النهائية، يجب أن تكون المجموعة بأكملها متصلة بالصناعةمعدات اختبار BMSو-مختبري حزمة السطر (EOL) في نهاية-الخط.

بروتوكول اختبار BMS

يحاكي اختبار BMS سلوك خلايا البطارية للتحقق من تشغيل منطق الحماية الموجود على اللوحة عند الميكروثانية المحددة التي من المفترض أن يتم تشغيلها.

• محاكاة الجهد:يقوم جهاز الاختبار بحقن إشارة الجهد العالي بشكل مصطنع (على سبيل المثال، 4.3 فولت) في أحد أسلاك الاستشعار. تتحقق المعدات من أن الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) الخاصة بنظام إدارة المباني تؤدي على الفور إلى قطع -الشحن الزائد.

• الحقن الحالي:يقوم جهاز الاختبار بتشغيل نبضة تيار هائلة ولحظية عبر أسلاك التفريغ الرئيسية للتحقق من وقت استجابة حماية الدائرة القصيرة- (والتي يجب أن تتفاعل بالميكروثانية).

• التحقق من التوازن:يقوم جهاز الاختبار بمراقبة دوائر التوازن للتأكد من تنشيط مقاومات التسييل عند إدخال دلتا الجهد المحاكاة عبر الأوتار.

الاختبار النهائي لحزمة EOL

بمجرد التحقق من صحة نظام إدارة المباني، يتم تشغيل الحزمة المكتملة من خلال جهاز اختبار نهاية-الخط. يقوم هذا الجهاز بإجراء فحص نهائي وشامل:

• إجمالي المقاومة الداخلية للتيار المتردد.

• إجمالي جهد الدائرة المفتوحة.

• اختبار -الوعاء العالي (المقاومة العازلة للكهرباء): تطبيق جهد عالي بين أطراف التوصيل المباشرة والغلاف الخارجي للعبوة لضمان عدم وجود أي انهيار في العزل أو تسرب التيارات.

• دورة شحن/تفريغ تيار قصيرة ومرتفعة- للتحقق من إمكانية توصيل الطاقة بشكل عام.

التغليف النهائي والشيخوخة

فقط بعد اجتياز جميع اختبارات EOL يتم إغلاق العبوة أخيرًا. بالنسبة للحزم القياسية، يتضمن ذلك تغليف المجموعة بألواح من الألياف الزجاجية الإيبوكسي وتقليص غلاف PVC شديد التحمل حولها. بالنسبة لتطبيقات ESS وEV، يتم إنزال العبوة في حاوية من الألومنيوم أو الفولاذ حاصلة على تصنيف IP67، ومزودة بمواد لاصقة هيكلية موصلة للحرارة، ويتم إغلاقها بمسامير.

وأخيرًا، تخضع الحزم المكتملة لعملية تقادم (من 7 إلى 14 يومًا عادةً) في مستودع يتم مراقبته بدرجة الحرارة-. وهذا يسمح للكيمياء الداخلية للعبوة بالاستقرار والكشف عن أي شورتات دقيقة متأخرة - أو لحامات معيبة قبل شحن المنتج إلى المستخدم النهائي.

هندسة خط الحزمة التالي الخاص بك؟

يؤدي الحصول على الأجهزة المستقلة من بائعين مختلفين إلى كوابيس تكامل البرامج وأوقات الدورات غير المتطابقة. مهندسو TOB New Energy متكاملون تمامًا، وخطوط تجميع حزمة البطاريات الجاهزة. بدءًا من الفرز الآلي للخلايا والفحص باستخدام CCD وحتى اللحام المؤازر -ثنائي الجوانب واختبار EOL النهائي، تتواصل أجهزتنا بشكل لا تشوبه شائبة في ظل نظام MES موحد. قم بتزويدنا بسعة الحزمة المستهدفة ومتطلبات الإنتاج اليومية، وسيقدم فريقنا الهندسي مخططًا شاملاً للمصنع.