圆柱型锂离子动力电芯在PACK装配线前端的测试

2023.06.09

杨继杨吴茂敏傅灿东

摘要：一般在电芯生产厂家，圆柱型锂离子动力电芯在出厂前均做测试，而电芯到PACK装配厂或新能源整车厂，电芯需要做二次测试，比起前面的测试，要求对电芯的筛选更严格，测试效率更高，测试设备的自动化程度更高，为了提高生产和测试效率，电池包装配厂或新能源整车厂往往把电芯测试项目有机集成在装配线上，来提高企业的生产效益。

关键词：锂离子；动力电芯；测试

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.07.117

0 引言

伴随着社会环境问题的日益凸显，绿色能源的概念也逐渐深入人心，近年来陆续投入使用以锂电池为动力的新能源汽车，有污染小、使用成本低、车身结构简单、安静舒适等优点逐渐为人们所追捧。动力所使用的圆柱型锂离子动力电芯，有高能量密度、高电压、无污染、无记忆效应等优点，亚化咨询研究表明，2017年中国锂离子电芯的产量约为88.7GWh，而2018年预计突破 100 GWh。而与此对应，锂离子动力电芯的测试设备在市场上有很大的需求和进步空间。

根据国家技术标准GC/T743-2006《电动汽车用锂离子蓄电池》和GB/Z18333.1-2001《电动道路车辆用锂离子蓄电池》，以及新能源汽车市场上的要求，对国内市场上大多数电池包装配公司使用的圆柱形锂离子动力电芯，检测项目众多。本文只针对电芯在PACK装配线前端分选机上所做的检测项目做以介绍：其检测项目包括外观尺寸检测、表面缺陷检测、电性能检测。因为新能源汽车所需的电芯数量巨大，如特斯拉Model3汽车，每辆车约需7000粒锂电芯，每辆新能源大巴车则需要5万粒左右电芯，市场对电芯的需求量是相当巨大的。以前通过人工分选的方式已经远远不能满足大批量的产品生产，也不能满足电芯质量一致性的要求，所以要求PACK装配线系统集成的分选机能大批量、高质量、全自动来筛选电芯的等级。

1 分选机简述

为配合整体PACK装配线大批量高效率生产的需要，现在市场上的高端分选机节拍达到120～240P/min，主要有从电芯自动上料模块、电磁抓手模块、电芯测试模块、电芯分道模块和控制系统模块五个模块构成，分选机的主要功能是根据电芯测试区分出不同的等级，将不同等级的电芯区分开来后通过电磁抓手送至不同的分道。电芯检测分道后自动输送至PACK装配线的下个工序。

电芯测试模块是分选机的核心部分，包括外观尺寸检测、电性能检测两个部分，以下分别作详细阐述。

2 外观尺寸检测

国内PACK电池包装配厂家会检测电芯供应商提供的电芯，通过电芯分选机对其外观进行检测，剔除外表面存在缺陷（表皮破损、锈蚀、划伤、凹陷、凸点等）的电芯。各厂家根据国家标准，将尺寸外径和长度偏差大于等于0.2mm，凹陷或者凸起高度大于等于0.5mm，劃伤大于等于1mm，有明显的表皮破损或锈蚀的电芯都视为不合格。现在则主要通过机器视觉和激光测量模块来检测。机器视觉检测可以适用于人工视觉难以满足要求的场合，具有精度高、测量速度快、不接触电芯、价格适中的优点，是现在国内设备厂商的首选方案。

其电芯直径检测方案如下图1所示，将一排电芯置于同步传送带上的U型夹具上，工业相机和相配套光源安装在传送带的两侧，当夹具上的电芯通过时，利用工业相机对电芯两端面拍照，获得其端面的图像，再通过图像处理软件来计算出电池直径，同时，工业相机获取的图像，通过图像处理来判断电芯端面是否存在划伤等表面缺陷。

当同步带上U型夹具带动电芯行至下一个工位时，行程可读出气缸伸出顶紧电芯的正极端面，将电芯的负极端面紧靠基准平面，通过气缸上的行程传感器来分析出行程数值，可得到所测电芯的长度，一个气缸只能检测一粒电芯的长度，所以通常用一排气缸来同时检测一排电芯的长度来提升检测效率。

电芯的外观检测，电芯在同步带的治具上作旋转360°滚动，通过工业相机对电芯表面作动态拍照，获取电芯的圆柱面图像，再通过图像处理来判断电芯是否存在缺陷，其圆柱面外观检测方案如下图2所示。随着PACK装配线的节拍要求越来越高，当要求电芯检测速度超过3粒/秒时，这种机器视觉的检测方法在实际应用中往往检测不出细微缺陷的电芯，特别是铝壳电芯上的细微划痕，不明显的凹陷或凸起等，近年来上端的设备厂家尝试使用3D形状测量激光系统，取得了不错的效果。

3 电性能检测

锂离子电芯在新能源汽车上组装为动力电池大规模成组使用时，保证电芯的一致性是电池安全的保证，一致性不好的车辆电池包使用寿命会大大缩短，极端情况，可能车辆在驾驶时可能会导致爆炸等安全问题。保证一次性的具体参数有电池容量、端电压、内阻、充放电电压和电流和寿命等，虽然工业化生产出来的电芯生产工艺和制造材料相同，但是哪怕是同一批次生产出来的电芯的电性能也会有差别，因此，在PACK装配线上，必须把性能参数不满足一致性的电芯分选成不同的等级。

为了满足对电芯自动化测试的要求，还要把测试仪器集成在PACK装配线上，和外部检测机构相配合，既要满足电芯大批量的高速测试要求，还要保证测试的稳定性。对于电性能检测项目都需接通锂离子电芯两极来完成检测，对于内阻检测和充放电检测所需要的设备，电芯电性能检测方案如下图3所示：电芯在同步带上的托盘上依次进行内阻测试和充放电测试，再进行电性能测试。在同步带左右两侧安装有可以左右移动的夹板，一端夹板安装有整体型金属探针（Misumi），这种金属探针是从前端到末端由一根销构成的，可以通入稳定的电流。另一端夹具安装有固定金属柱，当电芯通过同步带到达固定位置后，两侧夹板夹紧电芯两极固定电芯，使电芯接通电压内阻测试设备进行测试，并将测试结果传递到数据库服务器中。当电压内阻测试完成后夹具松开，同步带传递电芯进入充放电测试工位，同样地，该工位夹板夹紧电芯，电芯通过探针接入充放电测试设备开始充放电测试。

4 结语

本文针对在PACK装配线前端的圆柱型锂离子电芯的检测需求，利用自动化分选机完成了圆柱型锂离子电芯的自动化检测，解决了锂电池行业中普遍存在检测效率低、检测质量差的问题，大大提高了PACK装配线的生产效率与锂电池在使用中的安全性能。采用高质量、全自动的电芯分选方法集成在PACK装配线上，对我国的锂电池产业化具有重大意义。

参考文献：

[1]沈景凤，瞿亚浩，李富生.一种基于PLC的新型锂离子电池分选机开发[J].电子科技，2015，28（12）：14-21.

[2]满威.锂离子电池自动检测分选系统的开发设计[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2003.