Giải thích về dây chuyền lắp ráp bộ pin: Từ phân loại đến BMS

Tác giả: Dany Huang, Ph.D.

CEO & Trưởng nhóm R&D, TOB New Energy

Tóm tắt điều hành & bài học chính

Quá trình chuyển đổi từ sản xuất tế bào ion lithium-riêng lẻ sang lắp ráp bộ pin-điện áp cao là nơi kỹ thuật điện hóa đáp ứng được sự tích hợp cơ học có độ chính xác-cao. Một tế bào 21700 được sản xuất hoàn hảo sẽ vô dụng nếu nó được hàn thành một gói không khớp.

• "Hiệu ứng thùng" là tuyệt đối:Tổng dung lượng và tuổi thọ của bộ pin hoàn toàn được quyết định bởi từng tế bào yếu nhất của nó. Những sai lệch nhỏ về điện trở trong (IR) hoặc Điện áp mạch hở (OCV) sẽ khiến công suất giảm sớm trên toàn bộ mô-đun.

• Sắp xếp là nền tảng:Việc sắp xếp ô tự động không phải là biện pháp kiểm tra chất lượng tùy chọn; nó là cơ sở toán học cơ bản của việc lắp ráp gói. Việc nhóm các ô có dung sai IR trong phạm vi ± 1 mΩ và điện áp trong phạm vi ± 5 mV là bắt buộc đối với các ứng dụng EV và ESS.

• Tính toàn vẹn của mối hàn quyết định sự an toàn:Cho dù sử dụng phương pháp hàn điểm điện trở hai mặt hay hàn laze tự động, mối liên kết luyện kim giữa cực tế bào và thanh cái đều phải chịu được độ rung và giãn nở nhiệt nghiêm trọng mà không tạo ra các mối hàn giả.

• Kiểm tra BMS xác nhận bộ não:Hệ thống quản lý pin (BMS) là thứ duy nhất đứng giữa ba lô của bạn và sự thoát nhiệt. Thiết bị kiểm tra BMS toàn diện phải mô phỏng các điều kiện lỗi cực độ-sạc quá mức, phóng điện sâu và-chắn mạch-trước khi gói được niêm phong.

Kiến trúc của dây chuyền lắp ráp bộ pin chìa khóa trao tay

Nhiều nhà sản xuất nhầm tưởng việc lắp ráp gói là một quy trình cơ học đơn giản-dán các tế bào lại với nhau và dán một dải niken lên trên. Tư duy lỗi thời này là lý do tại sao rất nhiều công ty khởi nghiệp về hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) và xe điện nhẹ (e-) phải đối mặt với các yêu cầu bảo hành nghiêm trọng trong năm đầu tiên triển khai.

Năng suất hiện đại,{0}}caodây chuyền lắp ráp pinlà quy trình làm việc-theo hướng dữ liệu và được tự động hóa cao độ. Mỗi tế bào phải được theo dõi, đo lường, khớp, hàn và xác minh trong Hệ thống thực thi sản xuất thống nhất (MES). Nếu bạn không thể theo dõi OCV chính xác của ô số 45 trong gói 100S10P về dữ liệu sắp xếp ban đầu của nó thì bạn không có dây chuyền sản xuất; bạn có một trách nhiệm pháp lý.

Dưới đây là bản phân tích kỹ thuật rõ ràng,-từng{1}}từng bước của quy trình lắp ráp gói chuyên nghiệp, nêu bật những điểm lỗi nghiêm trọng mà hầu hết người quản lý sản xuất đều bỏ qua.

Giai đoạn 1: Tầm quan trọng của việc sắp xếp và kết hợp ô

Nếu bạn chỉ rút ra một nguyên tắc kỹ thuật từ hướng dẫn này, hãy chọn nguyên tắc đó như sau:Không bao giờ lắp ráp các tế bào chưa từng có.

Khi bạn kết nối các ô nối tiếp (để tăng điện áp) và song song (để tăng công suất), chúng hoạt động như một khối duy nhất. Trong quá trình sạc, nếu một ô trong chuỗi nối tiếp có điện trở trong (IR) cao hơn đáng kể so với các ô lân cận, nó sẽ đạt ngưỡng cắt điện áp nhanh hơn. BMS sẽ đăng ký chuỗi là "đã sạc đầy" và cắt dòng sạc, mặc dù các ô khác chỉ ở mức 85% công suất.

Trong quá trình xả, điều ngược lại xảy ra. Tế bào "yếu" trước tiên chạm vào mức cắt điện áp thấp hơn, tắt gói trong khi các tế bào khác vẫn giữ năng lượng. Hiện tượng này, được gọi là Hiệu ứng Thùng, làm giảm đáng kể khả năng sử dụng của ba lô của bạn và đẩy nhanh quá trình xuống cấp cục bộ.

Máy phân loại tế bào tự động: Tuyến phòng thủ đầu tiên của bạn

Để ngăn chặn Hiệu ứng Thùng, các ô hình trụ (18650, 21700, 4680) hoặc hình lăng trụ đến phải được chạy qua máy phân loại tự động.

Hiện đạimáy phân loại pinkhông dựa vào số đo vạn năng thủ công. Họ sử dụng máy kiểm tra trở kháng AC được hiệu chuẩn cao (thường đo ở tần số 1 kHz) và vôn kế chính xác để lập hồ sơ từng tế bào tính bằng mili giây.

Tham số sắp xếp tiêu chuẩn cho gói hiệu suất-cao:

• Điện trở trong AC (ACIR):Dung sai được kiểm soát chặt chẽ trong phạm vi ± 1 mΩ đến ± 2 mΩ.

• Điện áp mạch hở (OCV):Dung sai được kiểm soát trong phạm vi ± 5 mV đến ± 10 mV.

• Công suất (nếu sử dụng kho đã phân loại):Phù hợp trong độ lệch 1%.

Cái nhìn sâu sắc về kỹ thuật:Không sắp xếp các ô ngay khi nhận được từ vận chuyển. Các tế bào ion lithium-có hiện tượng giảm điện áp và tự-tự phóng điện trong quá trình vận chuyển. Để có được số đọc OCV chính xác, các tế bào phải được bảo quản trong môi trường-được kiểm soát nhiệt độ (25 độ ± 2 độ ) trong ít nhất 48 đến 72 giờ trước khi chạy chúng qua máy phân loại.

Giai đoạn 2: Lắp ráp kết cấu và xác minh phân cực

Khi bạn có một lô ô được khớp hoàn hảo, chúng phải được bảo mật về mặt cấu trúc. Rung là kẻ thù của mối hàn. Nếu các tế bào di chuyển độc lập bên trong gói trong quá trình vận hành (chẳng hạn như trong xe máy điện di chuyển trên địa hình gồ ghề), các thanh cái niken sẽ bị mỏi kim loại và cuối cùng bị gãy.

Chân đế di động và cách nhiệt

Các tế bào được lắp vào các giá đỡ bằng nhựa polycarbonate hoặc ABS chống cháy-. Các dấu ngoặc này phục vụ ba chức năng quan trọng:

1. Độ cứng cơ học:Họ khóa các tế bào vào một lưới cố định, truyền chấn động vật lý ra khỏi các điểm hàn.

2. Khoảng cách nhiệt:Chúng tạo ra một khe hở không khí bắt buộc (thường từ 1 mm đến 2 mm) giữa các ô hình trụ. Khoảng trống này rất quan trọng cho việc tản nhiệt; nếu một ô đi vào vùng thoát nhiệt, khoảng cách sẽ ngăn cản sự truyền nhiệt ngay lập tức đến các ô lân cận.

3. Cách ly điện:Chúng ngăn không cho vỏ ngoài của các ô liền kề (mang điện tích âm ở dạng hình trụ tiêu chuẩn) chạm vào và gây đoản mạch nếu lớp bọc co PVC bị hỏng.

Kiểm tra cực tính CCD

Trước khi gói hàng di chuyển đến trạm hàn, gói hàng phải trải qua quá trình kiểm tra trực quan tự động. Một tế bào duy nhất được lắp lộn ngược (phân cực ngược) sẽ gây ra hiện tượng đoản mạch ngay lập tức, thảm khốc ngay khi thanh cái được hàn ngang qua nó. Camera CCD tốc độ cao- quét ma trận ô, sử dụng tính năng nhận dạng hình ảnh để xác minh rằng cực dương (trên cùng của nút) và cực âm (phẳng) khớp chính xác với sơ đồ chuỗi/song song dự định.

Giai đoạn 3: Quá trình hàn – Điện trở và Laser

Kết nối điện giữa các tế bào riêng lẻ và các cực chính của gói được thực hiện thông qua các thanh cái-thường là các dải niken tinh khiết, thép mạ niken-hoặc trong các ứng dụng công suất cao-, vật liệu tổng hợp bằng nhôm hoặc đồng.

Phương pháp được sử dụng để kết nối các thanh cái này với các cực của tế bào sẽ quyết định điện trở trong của kết nối và độ bền cơ học của gói.

Hàn điểm điện trở vi mô-(Hai{1}}mặt)

Đối với phần lớn các gói pin hình trụ (xe đạp điện tử, dụng cụ điện, mô-đun ESS tiêu chuẩn), hàn điểm điện trở tự động hai mặt là tiêu chuẩn ngành.

cácmáy hàn điểm tự độngsử dụng nguồn điện DC biến tần tần số cao hoặc nguồn điện có bóng bán dẫn. Nó tạo áp suất cục bộ thông qua hai chân hàn nhôm-đồng và cung cấp một xung dòng điện lớn trong một phần của giây (thường là 5 đến 15 mili giây). Điện trở ở bề mặt phân cách giữa dải niken và vỏ tế bào thép tạo ra nhiệt cục bộ cực mạnh, làm nóng chảy hai kim loại với nhau để tạo thành một "cục vàng".

Tránh "Màn hàn giả" (Hàn{0}}giả):

Một mối hàn giả trông có vẻ chấp nhận được nhưng lại thiếu tính thẩm thấu luyện kim. Nếu bạn cạy dải niken ra khỏi mối hàn tốt, nó sẽ làm rách một lỗ trên dải, để lại điểm hàn dính vào tế bào (thử nghiệm kéo phá hủy thành công). Mối hàn giả sẽ bong ra sạch sẽ.

Để ngăn chặn điều này, các kỹ sư sản xuất phải liên tục theo dõi:

• Độ mòn của chốt điện cực:Những lời khuyên phải được giũa và mặc quần áo thường xuyên. Các chân cắm bị xỉn màu hoặc bị oxy hóa sẽ truyền dòng điện ra một khu vực quá rộng, làm giảm độ sâu thâm nhập.

• Áp suất khí nén:Nếu áp lực đầu hàn quá nhẹ, điện trở tiếp xúc quá cao khiến bề mặt phát sinh tia lửa điện và cháy. Nếu áp suất quá lớn, dòng điện sẽ bỏ qua hoàn toàn giao diện.

Hàn laze cho gói điện năng-cao

Khi chúng ta tiến tới các tế bào lăng trụ có công suất-cao và cấu trúc EV lớn, phương pháp hàn điểm truyền thống gặp khó khăn trong việc xuyên qua các thanh cái bằng đồng hoặc nhôm dày. Ở đây, hàn laser sợi quang diễn ra. Hàn laze mang lại mối hàn đường may liên tục, có điện trở suất thấp-với Vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) được kiểm soát chặt chẽ. Tuy nhiên, nó đòi hỏi đầu tư vốn lớn hơn và kiểm soát khí quyển cực kỳ nghiêm ngặt để ngăn chặn sự che chắn plasma và độ xốp của mối hàn.

Giai đoạn 4: Tích hợp BMS – Bộ não vận hành

Bộ pin hiện đã thống nhất về mặt cấu trúc và điện, nhưng nó rất "ngu ngốc". Nếu không có Hệ thống quản lý pin (BMS), chất hóa học lithium{1}}ion vốn không ổn định và nguy hiểm.

BMS là một bảng mạch in phức hợp (PCB) theo dõi trạng thái của mọi nhóm song song trong gói. Bộ dây phải được định tuyến và hàn một cách tỉ mỉ (hoặc hàn siêu âm) từ BMS đến cực dương của mỗi kết nối nối tiếp.

Chức năng BMS cốt lõi:

1. Bảo vệ quá tải:Ngắt kết nối mạch nếu bất kỳ chuỗi ô nào vượt quá điện áp an toàn tối đa (ví dụ: 4,25V đối với NMC, 3,65V đối với LFP).

2. Bảo vệ-xả quá mức:Cắt điện nếu bất kỳ chuỗi nào giảm xuống dưới điện áp an toàn tối thiểu, ngăn chặn sự hòa tan đồng không thể đảo ngược ở cực dương.

3. Bảo vệ quá dòng / ngắn mạch:Sử dụng MOSFET hoặc công tắc tơ để ngắt kết nối ngay lập tức nếu dòng phóng điện tăng vọt vượt quá giới hạn thiết kế.

4. Giám sát nhiệt độ:Sử dụng nhiệt điện trở NTC được chôn trong ma trận tế bào để theo dõi nhiệt. Nếu nhiệt độ vượt quá giới hạn vận hành an toàn (thường là 65 độ), BMS sẽ tắt gói.

5. Cân bằng thụ động/chủ động:Loại bỏ năng lượng dư thừa từ các tế bào có điện áp-cao nhất ở cuối chu kỳ sạc thông qua các điện trở rẽ nhánh, cho phép các tế bào có điện áp-thấp hơn "bắt kịp". Đây là cách BMS chống lại Hiệu ứng Thùng trong suốt vòng đời của đàn.

Giai đoạn 5: Kiểm tra gói và BMS toàn diện

Bạn không thể cho rằng BMS đã được nối dây chính xác hoặc phần sụn của nó hoạt động bình thường. BMS bị lỗi sẽ cho phép gói sạc trực tiếp vào vùng thoát nhiệt.

Trước khi đóng gói lần cuối, toàn bộ cụm lắp ráp phải được kết nối với mạng công nghiệpThiết bị kiểm tra BMSvà người kiểm tra gói-cuối-dòng (EOL).

Giao thức thử nghiệm BMS

Trình kiểm tra BMS mô phỏng hoạt động của các tế bào pin để xác minh rằng logic bảo vệ trên bo mạch sẽ kích hoạt ở chính xác micro giây mà nó được yêu cầu.

• Mô phỏng điện áp:Người kiểm tra sẽ bơm tín hiệu điện áp cao (ví dụ: 4,3V) vào một trong các dây cảm biến một cách giả tạo. Thiết bị xác minh rằng MOSFET của BMS ngay lập tức kích hoạt quá trình cắt-quá tải.

• Tiêm hiện tại:Người kiểm tra truyền một xung dòng điện lớn, tức thời qua dây dẫn phóng điện chính để xác minh-thời gian phản hồi bảo vệ ngắn mạch (phải phản ứng tính bằng micro giây).

• Xác minh cân bằng:Người kiểm tra giám sát các mạch cân bằng để đảm bảo rằng các điện trở xả kích hoạt khi một điện áp delta mô phỏng được đưa vào trên dây.

Kiểm tra gói EOL cuối cùng

Sau khi BMS được xác thực, gói hoàn chỉnh sẽ được chạy thông qua Trình kiểm tra cuối dòng. Máy này tiến hành kiểm tra tổng thể lần cuối:

• Tổng điện trở trong AC của gói.

• Tổng điện áp mạch hở.

• Kiểm tra nồi-cao (Khả năng chịu điện môi): Đặt điện áp cao giữa các cực mang điện và vỏ bên ngoài của gói để đảm bảo không có sự cố cách điện hoặc dòng điện rò rỉ.

• Chu kỳ sạc/xả hiện tại-cao và ngắn để xác minh khả năng cung cấp điện tổng thể.

Đóng gói và lão hóa cuối cùng

Chỉ sau khi vượt qua tất cả các bài kiểm tra EOL thì gói hàng mới được niêm phong. Đối với các gói tiêu chuẩn, việc này bao gồm việc bọc cụm trong các tấm sợi thủy tinh epoxy và thu gọn một ống bọc nhựa PVC chịu lực-chắc quanh nó. Đối với các ứng dụng ESS và EV, gói được hạ xuống trong vỏ bằng nhôm hoặc thép được xếp hạng IP67, được phủ bằng chất kết dính cấu trúc dẫn nhiệt và được bắt vít đóng lại.

Cuối cùng, các gói hoàn chỉnh sẽ trải qua quá trình lão hóa (thường từ 7 đến 14 ngày) trong kho-được giám sát nhiệt độ. Điều này cho phép thành phần hóa học bên trong của gói ổn định và làm lộ ra mọi vết nứt vi mô-bị trì hoãn hoặc các mối hàn bị lỗi trước khi sản phẩm được vận chuyển đến người dùng cuối.

Kỹ thuật dòng gói tiếp theo của bạn?

Việc tìm nguồn cung ứng máy độc lập từ các nhà cung cấp khác nhau dẫn đến những cơn ác mộng về tích hợp phần mềm và thời gian chu kỳ không khớp. Các kỹ sư của TOB New Energy đã tích hợp đầy đủ dây chuyền lắp ráp bộ pin chìa khóa trao tay. Từ việc phân loại ô tự động và kiểm tra CCD đến hàn servo hai mặt-và kiểm tra EOL cuối cùng, thiết bị của chúng tôi giao tiếp hoàn hảo trong MES thống nhất. Cung cấp cho chúng tôi công suất gói mục tiêu và yêu cầu sản lượng hàng ngày của bạn và nhóm kỹ thuật của chúng tôi sẽ cung cấp bản thiết kế nhà máy toàn diện.