于志剛，王亮亮，譚濤

車用圓柱形三元鋰電池焊接改善研究與應(yīng)用*

于志剛1，王亮亮2，譚濤3

（1.成都工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院，四川 成都 610213；2.重慶市汽車動(dòng)力系統(tǒng)測(cè)試工程技術(shù)研究中心，重慶 400050；3.成都雅駿新能源汽車科技股份有限公司，四川 成都 610100）

圓柱形三元鋰電池在電動(dòng)汽車上廣泛應(yīng)用，針對(duì)生產(chǎn)制造中行業(yè)內(nèi)普遍存在的焊接質(zhì)量不良、生產(chǎn)效率低等關(guān)鍵問(wèn)題，分別從人機(jī)料法環(huán)測(cè)等全面質(zhì)量管理角度進(jìn)行改善研究，打通了生產(chǎn)瓶頸，為車用圓柱形三元鋰電池焊接推廣應(yīng)用中可能會(huì)遇到的制造技術(shù)問(wèn)題的解決提供參考。

電動(dòng)汽車；電池；圓柱型電芯

前言

近年來(lái)隨著18650型圓柱形三元鋰電池在特斯拉車型上的應(yīng)用[1]，帶動(dòng)了圓柱形三元鋰電池在電動(dòng)汽車行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用熱潮，如今圓柱型三元鋰電池已廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車[2]，在車用圓柱三元鋰電池PACK過(guò)程中，考慮到電動(dòng)汽車對(duì)電池性能、可靠性、使用環(huán)境、可行性、生產(chǎn)成本等因素，普遍采用電阻焊焊接形式[3]，然而在實(shí)際電池PACK生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，焊接質(zhì)量、生產(chǎn)效率成為制約圓柱三元鋰電池PACK生產(chǎn)瓶頸。

通過(guò)某型電動(dòng)物流車上實(shí)際應(yīng)用的75度圓柱型三元鋰電池包投產(chǎn)過(guò)程中焊接實(shí)驗(yàn)，從人機(jī)料法環(huán)測(cè)全面質(zhì)量管理要素探索分析焊接質(zhì)量改善策略、生產(chǎn)效率提升路徑。

1 焊接工藝參數(shù)探索

1.1 實(shí)驗(yàn)策劃

1.1.1實(shí)驗(yàn)方案

1）實(shí)驗(yàn)名稱：電阻焊接實(shí)驗(yàn)；

2）實(shí)驗(yàn)材料：電芯，80個(gè)；鎳帶，2米18*0.15；砂紙800目，3張；

3）實(shí)驗(yàn)組數(shù)：80組；

4）實(shí)驗(yàn)方法：恒壓模式；同等參數(shù)試驗(yàn)組數(shù)10組，分析穩(wěn)定性；

5）判定基準(zhǔn)：熔接強(qiáng)度４點(diǎn)熔接：70N以上；剝離時(shí)的電極片的穿孔大小必須與熔接痕跡同等面積；電極片穿孔數(shù)：４點(diǎn)熔接，有３點(diǎn)以上的電極片穿孔；通過(guò)模組震動(dòng)實(shí)驗(yàn)、電芯溶深度實(shí)驗(yàn)（委外）；

6）注意事項(xiàng)：嚴(yán)禁非相關(guān)人員操作設(shè)備；實(shí)驗(yàn)操作者，必須佩戴防護(hù)眼鏡；實(shí)驗(yàn)結(jié)束，按照設(shè)備操作指導(dǎo)關(guān)機(jī)，斷電，斷氣；實(shí)驗(yàn)車間嚴(yán)格執(zhí)行車間5S工作；實(shí)驗(yàn)量具的管理，實(shí)驗(yàn)量具屬于精密儀器，做到輕拿輕放，嚴(yán)禁重?fù)羟么颉?/p>

1.1.2實(shí)驗(yàn)結(jié)論

1）焊接參數(shù)設(shè)定范圍：恒壓模式：電壓3.0V-3.5V；焊接時(shí)間2-3ms；焊接壓力1.2kg（一個(gè)刻度）；

2）實(shí)際拉力值70N以上，穿孔4個(gè)；

3）通過(guò)模組震動(dòng)實(shí)驗(yàn)、電芯溶深度實(shí)驗(yàn)。

2 試生產(chǎn)現(xiàn)狀

2.1 試生產(chǎn)總體情況

按照探索出的工藝參數(shù)進(jìn)行小批量試生產(chǎn)，生產(chǎn)效率、質(zhì)量及焊針打磨頻率情況如表1。

表1 試生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)

2.2 焊接質(zhì)量異常

表2 質(zhì)量異常統(tǒng)計(jì)

備注：上表不良現(xiàn)象包含不良現(xiàn)象描述及數(shù)量（此數(shù)量是指整個(gè)模塊中出現(xiàn)異常的電芯數(shù)）。

試生產(chǎn)運(yùn)行2個(gè)小時(shí)共生產(chǎn)29 PCS，異常 16PCS，異常統(tǒng)計(jì)見(jiàn)上表2，異常如圖1、圖2所示。

圖1 兩點(diǎn)虛焊示意

圖2 一點(diǎn)虛焊示意

3 分析與改進(jìn)

3.1 質(zhì)量異常分析與改進(jìn)

基于全面質(zhì)量管理5M1E[4]（人-機(jī)-料-法-環(huán)-測(cè)）法對(duì)點(diǎn)焊不良進(jìn)行分析，分析圖見(jiàn)圖3，制定對(duì)策。

圖3 5M1E分析

3.1.1人的因素

工藝部門(mén)制訂點(diǎn)焊技能培訓(xùn)資料，并組織對(duì)點(diǎn)焊工位操作員進(jìn)行培訓(xùn)。

培訓(xùn)資料構(gòu)成：

1）電阻焊原理；

2）點(diǎn)焊工位基本操作流程；

3）異常判定方法。

3.1.2機(jī)器設(shè)備因素

此處僅進(jìn)行分析和初步改進(jìn)，設(shè)備產(chǎn)能將在專項(xiàng)中進(jìn)行改善。

1）調(diào)整點(diǎn)焊平臺(tái)，通過(guò)水平儀確認(rèn)至水平狀態(tài)（含設(shè)備整體及模塊放置區(qū)局部水平）；

2）驗(yàn)證對(duì)比選用易購(gòu)買(mǎi)，易加工，且保證焊接效果之電極棒；并同步尋購(gòu)打磨工具；

3）針對(duì)選用的電極棒，實(shí)施參數(shù)DOE，達(dá)到焊接拉力及電極棒壽命最佳平衡；

4）銅鎳片固定方式（酌情考慮取消壓條，針對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)專用治具固定）。

3.1.3物料因素

1）針對(duì)不同材質(zhì)鎳片應(yīng)有與之相對(duì)應(yīng)的點(diǎn)焊參數(shù)；

2）上線物料必須保證材質(zhì)一致性；

3）針對(duì)鎳片應(yīng)作出材質(zhì)要求，并簽定相應(yīng)的材質(zhì)承諾書(shū)；

4）來(lái)料時(shí)應(yīng)要求供應(yīng)商按批次提供材質(zhì)證明，以保證材正確性及一致性。

3.1.4作業(yè)方法、環(huán)境及檢測(cè)因素

1）驗(yàn)證確定電極棒打磨方法，更換周期；

2）使用治具輔助電極棒更換、調(diào)整；

3）對(duì)車間溫室度定期點(diǎn)檢；

4）對(duì)設(shè)備加裝降溫裝置，以期消除溫度對(duì)電極棒的影響；

5）酌情考慮對(duì)車間增加溫濕度控制設(shè)施；

6）設(shè)計(jì)，驗(yàn)證治具，用于對(duì)點(diǎn)焊焊點(diǎn)的檢測(cè)。

3.2 設(shè)備產(chǎn)能分析與改進(jìn)

3.2.1設(shè)備運(yùn)行流程分解

由于采用自動(dòng)化焊機(jī)生產(chǎn)，所以生產(chǎn)效率主要取決于設(shè)備，下面將設(shè)備生產(chǎn)動(dòng)作過(guò)程進(jìn)行剖析，見(jiàn)圖4。

圖4 自動(dòng)點(diǎn)焊機(jī)工作過(guò)程

3.2.2優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行軌跡

通過(guò)分析，設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中存在如下問(wèn)題：正常運(yùn)行治具A點(diǎn)運(yùn)行至C點(diǎn)焊接位需要時(shí)間為4S，運(yùn)行原理為模塊焊接完成后治具流出，焊接工位治具末端流出超過(guò)C點(diǎn)時(shí)，A點(diǎn)待焊接治具開(kāi)始向C點(diǎn)焊接工位運(yùn)行，所需等待時(shí)間為2S，見(jiàn)圖5所示。

圖5 設(shè)備運(yùn)行軌跡示意圖

改善對(duì)策：如圖所示A點(diǎn)為待焊接擋塊位，B點(diǎn)為夾緊2氣缸位置，公司產(chǎn)品長(zhǎng)度原因長(zhǎng)時(shí)間不需要使用B點(diǎn)氣缸，模塊治具由A點(diǎn)運(yùn)行至B點(diǎn)需要3S時(shí)間，將A點(diǎn)位置與B點(diǎn)位置互換，相應(yīng)M9N電磁感應(yīng)器進(jìn)行互換，屏蔽夾緊2氣缸，使待焊位與焊接位之間距離縮短，減少運(yùn)行等待時(shí)間，設(shè)備焊接整體效率提升3S。

3.3.3設(shè)計(jì)專用工具

分別從焊針冷卻、調(diào)節(jié)及焊點(diǎn)檢查等方面設(shè)計(jì)新的專用工具，見(jiàn)圖6所示。

圖6 專用工具圖

4 改進(jìn)驗(yàn)證

4.1 改進(jìn)后生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)

通過(guò)系統(tǒng)性改進(jìn)，生產(chǎn)質(zhì)量、生產(chǎn)效率、焊針打磨頻次均發(fā)生大幅改進(jìn)，見(jiàn)表3：

表3 改進(jìn)后生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)

4.2 改進(jìn)效果

通過(guò)5M1E系統(tǒng)角度分析及針對(duì)性改善，尤其是點(diǎn)焊參數(shù)的調(diào)試及周邊輔助工具工裝的使用，點(diǎn)焊工序產(chǎn)能，直通率及焊針打磨頻率都呈現(xiàn)良好的向上趨勢(shì)，見(jiàn)圖7、圖8、圖9。

圖7 產(chǎn)能對(duì)比

圖8 直通率對(duì)比

圖9 打磨頻率對(duì)比

5 結(jié)論

本文通過(guò)焊接實(shí)驗(yàn)，探索可行的焊接工藝參數(shù)，經(jīng)過(guò)試生產(chǎn)驗(yàn)證，利用基于全面質(zhì)量管理5M1E的人-機(jī)-料-法-環(huán)-測(cè)法對(duì)點(diǎn)焊不良和生產(chǎn)效率低等行業(yè)內(nèi)普遍存在的難題進(jìn)行分析和改進(jìn)，生產(chǎn)驗(yàn)證表明，生產(chǎn)質(zhì)量直通率提升了100%以上，產(chǎn)能從提升了49%，焊針打磨頻率提升了100%，打通了生產(chǎn)瓶頸，為車用圓柱形三元鋰電池推廣應(yīng)用中可能遇到的制造技術(shù)問(wèn)題的解決提供參考。

[1] 劉春娜.特斯拉汽車電池技術(shù)及策略[J].電源技術(shù),2014,38(07): 1201-1202.

[2] 張燕梅.電動(dòng)汽車用圓柱三元鋰電池性能研究[J].汽車實(shí)用技術(shù), 2019(09):35-38.

[3] Jian Dong Yang, Chun Lin Tian, Hai Yan Hu, et al. Research on the Orthogonal Test of Spot Welding Parameters of Power Battery Packs.2015, 3752:1118-1122.

[4] 丁帥,賈帥鋒,李琦.淺談涂裝車間5M1E的變更管理[J].汽車實(shí)用技術(shù),2019(21):189-190.

Research and Application on Welding improvement of Cylindrical Ternary Lithium Battery for Vehicle*

Yu Zhigang1, Wang Liangliang2, Tan Tao3

（1.School of Automotive Engineering, Chengdu Industrial Vocational Technical College, Sichuan Chengdu 610213;2.Chongqing Automotive Power System Testing Engineering Technology Research Center, Chongqing 400050;3.Chengdu RAJA New Energy Automobile Technology Co., Ltd, Sichuan Chengdu 610100）

Cylindrical ternary lithium battery is widely used in new energy vehicles. Aiming at the key problems of poor welding quality and low production efficiency in the manufacturing industry, the improvement research is carried out from the perspective of comprehensive quality management such as man-machine material method and environmental testing, which breaks through the production bottleneck and may encounter manufacturing technology problems in the populari -zation and application of cylindrical lithium-ion battery for vehicles to provide reference.

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.04.002

U469.7

EV; Battery; Cylindrical cell

B

1671-7988(2021)04-06-04

U469.7

B

1671-7988(2021)04-06-04

于志剛，碩士研究生，汽車設(shè)計(jì)高級(jí)工程師，現(xiàn)任成都工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院新能源汽車技術(shù)帶頭人，主要研究汽車設(shè)計(jì)及制造技術(shù)，在西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)、材料保護(hù)、中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)等國(guó)內(nèi)核心期刊發(fā)表10余篇學(xué)術(shù)論文，取得發(fā)明及實(shí)用新型專利授權(quán)10項(xiàng)。

四川省科技計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)2016GZ0024）資助。