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中国锂电池设备自动化市场研究报告

2019-03-15 11:44:03 出版:2019《伺服与运动控制》第一期

【中国锂电池设备自动化市场研究报告】

  锂电池是一类依靠锂离子在正极与负极之间移动来达到充放电目的地一种可充电电池,具有高能量密度、高电压、寿命长、无记忆效应等优点。

  锂电池按正极材料分可分为锰酸锂电池、磷酸铁锂电池和三元材料电池;锂电池按形状分可分为圆柱电池和方形电池;按外壳分可分为钢壳、铝壳和铝塑膜(软包)三种;按工艺分可分为圆柱卷绕、方形卷绕和方形叠片三种。

  如图1所示,锂电池主要有三大类行业应用:消费类电子(手机、笔记本电脑和平板电脑等)、电动交通工具(电动自行车和电动汽车等)、工业储能设备及其他(通信用UPS和新能源用的储能电源等),其中应用于电动交通工具行业的锂电池叫做动力电池。

图1 锂电池分类

一、锂电池市场概况

  锂电池近年复合增长率在30-50%,属于国家政策扶持的高速发展行业。

  2014年之前主要是消费类电子的增长带动锂电池的发展,手机、笔记本电脑和平板电脑等每年保持8%左右的增长率,其中平板电脑和超级本增速更高。由于光伏、风电等新能源和通信的快速发展,锂电池在UPS等工业储能领域也会保持20%-30%的增长率。

  由于国家能源和环保的战略规划,电动汽车在2014年之后开始高速发展,2017年电动汽车中国销售77.7万辆,同比增长53.3%,预计未来将保持在60%以上的增长。电动汽车也是未来锂电池最主要的一个高速增长点。

二、锂电池制造设备市场情况

  随着锂电池设备的高速增长以及国家智能工厂等概念的提出,未来锂电池制造设备自动化程度会越来越高,未来两年锂电池制造设备将会保持15%-25%的高速增长。

  锂电池设备制造商采购的主要自动化产品有PLC、HMI、伺服和变频器等。

  目前锂电池制造设备中FA产品供应商主要有西门子、欧姆龙、Pro-face、施耐德、ABB、三菱、松下、安川、富士、罗克韦尔、正版抓码王彩图、丹佛斯和汇川等。

三、中国锂电池及制造设备相关厂商情况

  如表1所示,国内的锂电池制造设备厂商主要产品集中在电极制造和电芯合成两个环节,制造厂商以国内供应商为主,高端设备主要是日韩企业制造。

  高端外资设备目前以进口为主,部分外资设备厂商开始在国内建设工厂,值得松下重点关注。例如罗斯(无锡)设备抓码王每期自动更新是美国罗斯在华成立的全资子公司,其生产的搅拌机在锂电池产线有应用。

表1 中国锂电池及制造设备相关厂商

四、锂电池行业标准制定与检测机构

1. 201所(中国北方车辆研究所) 

  201所即中国北方车辆研究所,主要从事特种车辆整车及部件的研究设计、试验试制及民用汽车、专用汽车的研究开发与测试。

  201所旗下的863项目动力电池测试中心主要负责锂电池检测与检测标准的拟草,检测的内容包括:过充电、过放电、短路、跌落、加热、挤压、针刺。

  2016年,由发改委牵头,201所联合中国电子集团第十八研究所以及多家重要锂电池厂商拟稿了新国家标准,包括:GBT/31485-2016《电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法》,GBT/31467.3-2016《电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第3部分:安全性要求与测试方法》,GB/T 18384-2016 《电动汽车安全要求》。锂电池产品检测流程见图2。

图2 锂电池产品检测流程

2. 全国电工专用设备标准化技术委员会

  全国电工专用设备标准化技术委员会成立于2009年,主要负责生产制造电工设备等领域的国家标准的制定和修订工作,包括蓄电池制造专用设备、电机制造专用设备、发电设备制造专用设备等的标准,2009制定的《电工专用设备通用技术条件(GB/T 23644-2009)》标准经相关部门批准后,成为官方行业标准,得到推行。锂电池行业标准实施过程见图3。

  锂电池设备标准正在制定中。锂电设备标准不统一所造成的设备运行效率不高、制造成本高、生产效率低、信息互联互通效率低,在此背景之下,2016年8月2日,全国电工专用设备标准化技术委员会主办的“全国锂离子电池制造成套设备标准制修订工作组启动大会”在深圳举行,业内的数十位锂电设备专家共同探讨锂离子电池制造设备的标准修改制定工作。

图3 锂电池行业标准实施过程

3. 国家动力电池创新中心

  国家动力电池创新中心成立于2016年6月。该中心将以国联研究院为核心,中国汽车动力电池产业创新联盟为外延,围绕研发设计,测试验证,中试孵化和行业服务能力开展建设工作,搭建协同攻关,开放共享的动力电池创新平台,旨在推动动力电池行业的发展,也是第一家成立的国家制造业创新中心。制造业创新中心建设作为《中国制造2025》五大重点工程之一,将承担关键共性技术研究和产业化应用。作为新的增长引擎,如何构建制造业区域创新中心、引领经济的转型发展,是新时期区域经济发展战略的关键,目前该中心正在发展创建中。

五、锂电池工艺及其制造自动化设备简介

1.锂电池制造流程及其设备

锂电池制造流程机器设备见图4。

图4  锂电池制造流程机器设备

2.极片制造

(1)搅拌机原理及其FA产品使用情况

图5搅拌流程图

  搅拌工序是极片制作的关键核心环节,搅拌的质量直接影响电池的一致性。

  搅拌机工作原理:分散盘搅拌桨实现既公转,又自转的行星运动,其速度通过变频器进行调整,使物料做复杂运动,受到强烈的分散和挤压,保证物料的充分分散和混合,并通过抽真空的方式去除浆内的汽泡和灰包。搅拌流程图见图5。

  搅拌机痛点:现有的FA产品能够满足搅拌机的需求,不需要改进。搅拌机的痛点在于轴承,轴承经常容易发生断裂。

  容积300L以下的搅拌机会由人工搬运来完成,300L以上会用叉车来完成,动力电池产线上较为常见的搅拌机设计容积一般为650L。

  搅拌机TOP5厂商:广州红运,东莞科锐,柳州豪杰特,七星华创,广州弘森。

(2)涂布机原理及其FA产品使用情况

  涂布是极片制作工艺中最为重要的一环,涂布的质量决定了电池的性能,涂布机一般由2个PLC控制,通讯协议为RS485总线型通讯协议。

  涂布机分为挤压式和转移式两种,挤压式涂布机一般用在动力电池生产线上,转移式涂布机一般用在消费类电子电池生产线上,转移式涂布机原理见图6;挤压式价格更贵,喷涂质量更高,挤压式涂布机原理见图7。

  涂布机工作原理:转移式:涂布辊传动带动浆料,调整刮刀间隙来调节浆料转移,并利用背辊的转动将浆料转移到基材上实现,可完成双面涂布,间隙连续涂布。挤压式:挤压式涂布价格比转移式贵2-3倍,涂布速度更快,更均匀,更稳定。

  涂布头是涂布的核心,转移式涂布头包括涂布辊,背辊,调节刮刀三个环节,挤压式涂布头只包括涂布辊一个环节。

  涂布机TOP5厂商:深圳新嘉拓,深圳浩能,深圳信宇人,东莞雅康,赢合科技。

(3)辊压机原理及其FA产品使用情况

图8 辊压机原理及图示

  辊压机属于比较大型的锂电池设备,主要是为了使涂布后的极片表面材料分布均匀。

  由于电池在制作过程中,压实密度和致密性对电池性能有较大的影响。一般来说,致密性越高,电池的容量就能做得越高,合适的压实密度可以增大电池的放电容量,减少内阻,减少极化损失,延长电池的循环寿命,提高锂离子电池的利用率,因此对极片的辊压是电池制作过程中一个非常重要的工序。

  辊压机工作原理:辊压机主要是由两个相向同步转动的高硬度压辊组成,一个为固定辊,一个为活动辊。通过伺服电机带动固定运转,从而活动辊跟随固定辊相向同步运转,在两辊调试好的间隙及压力的作用下,极片受到高压作用后,由原先篷松状态变成密实状态的极片,质密度得到明显的提高,达到工艺所需要求。辊压机原理见图8。

  辊压机主要集中在北方生产,因为北方重工业发达,加工辊等重要部件的产业更加成熟。

  辊压机TOP5厂商:邢台海裕,邢台纳科诺尔,达力集团,七星华创,深圳浩能。

(4)分条机原理及其FA产品使用情况

图9 分条机原理及图示

  分条机对应卷绕工序中的卷绕机,主要是把大的极片分切成相应电池尺寸大小的条形极片再进行卷绕。分条机原理见图9。

  分条的核心环节:牵引,主传动。

  分条机TOP5厂商:先导智能,赢合科技,东莞雅康,广东鸿宝,七星华创。

(5)模切机原理及其FA产品使用情况

图10 模切机原理及图示

  模切对应叠片工艺的叠片机,主要是通过模具对极片冲压,形成相应电池规格大小的极片进行叠片。模切机原理见图10。

  模切环节是模切机核心环节包括冲压和模切。

  模切机TOP5厂商:东莞鸿宝科技,先导智能,赢合科技,深圳兴诚捷,深圳格林晟。

3.电芯合成

(1)卷绕机原理及其FA产品使用情况

图11卷绕机原理及图示

  卷绕机分方形卷绕机和圆柱形卷绕机,其中方形卷绕需要的张力控制更多,需要的伺服电机等也更多。

  卷绕机分四卷材料:正极材料、隔膜、负极材料、隔膜这四卷材料相互间隔,最后依靠卷针卷绕为一个电芯。一般一台有三个卷针,可以通过换工位工作提高效率。卷绕机原理见图11。

  正、负极材料在放卷、放卷纠偏、过程纠偏和张力控制各需要1个伺服电机控制,极片入位的时候各需要2个伺服电机控制的夹具完成;两卷隔膜在放卷、放卷纠偏、过程纠偏和张力控制各需要1个伺服电机控制;三个卷针各需要1个伺服电机控制,且三个卷针换工位的时候需要1个伺服电机控制。

  通过以上分析可以得出,通常的卷绕机需要24个伺服电机来控制。假如正负极材料需要单卷,包括客户对张力控制要求较高的话还需要再添加张力控制伺服电机,因此卷绕机伺服通常在24个以上,共需要1-2个中型PLC来控制。

  卷绕机TOP5厂商:先导智能,吉阳智云,珠海华冠,东莞雅康,赢合科技。

(2)入壳机、滚槽机原理及其FA产品使用情况

  图12所示为入壳机原理。

    滚槽机通过PLC,继电器控制各个气缸配合动作,电机带动整体高速运转,将装有电芯的圆柱钢壳进行均匀的自动滚槽。滚槽机原理见图13。

    滚槽机的主要部件为滚刀,转动模芯也是决定滚槽质量的关键。

    入壳机、滚槽机TOP5厂商:东莞大众机械、珠海华冠、鸿宝科技、深圳鸿博尔、深圳铭锐祥。

(3) 注液机原理及其FA产品使用情况

图14 注液机原理及图示

    注液主要是把电解液注入电池壳体中,注液机的核心工艺在于电池注液部分。注液机原理见图14。

    注液机TOP5厂商:先导智能,广东鸿宝,融捷股份,吉阳智云,深圳铂纳特斯。

(4)封口机、焊接机原理及其FA产品使用情况

图15 封口机原理及图示

   封口机工作原理:采用发热管加热上下封头,至用户设定温度。封装时,电池放在腔体内,进行完全抽真空后,电池封装开始,上下封头对电池的铝塑膜进行短时间融化,并使上下封头的对压,产生一定压力后,便把铝塑膜的两个面熔在一起,电池就被封好。封口机原理见图15。

  机器的具体工作是利用转盘的循环取料,进料、抽真空,刺破、封装连续去实现的。

  封口机TOP5厂商:惠州卓特、东莞大众机械、鸿宝科技、深圳圣瀚宇、深圳美尔达。

图16 焊接机原理及图示

    焊接机TOP5厂商:大族激光、大光激光、时代高科、苏州迅镭、深圳新控自动化。

    焊接机原理见图16。

4.化成检测

    化成检测TOP5厂商:广州蓝奇、浙江杭可、珠海泰坦、广州正业、融捷股份。

(1)化成工序

    化成就是将注液后的电池激活,使其具有储存电的能力。

    化成柜一般不会用到伺服和变频器,会用到一个小型PLC和HMI。

(2)分容工序

    分容就是将化成好的电池按照放电容量进行分类,以适合不同的容量需求。

    分容柜不用伺服和变频器,会用到一个小型PLC和HMI。

(3)其他检测工序

    除了化成分容外,还会有一些检测设备对电池进行大电流充放电,检测电池在大电流通过时是否会起火等。

六、锂电池制造自动化设备FA产品市场分析

1.锂电池制造设备FA市场

  按FA产品分类,2017年锂电池制造设备FA市场见图17。按行业分类,2017年锂电池制造设备FA市场见图18。

2.2017年锂电池设备制造厂商FA品牌分析

(1)锂电池设备PLC品牌份额

图192017年锂电池设备PLC品牌份额

  Omron(欧姆龙)PLC在锂电行业应用最多,占比约31%,欧姆龙会和一些设备厂家联合开发一些锂电池专用PLC。

  Mitsubishi(三菱)的PLC占比份额居第二位,约22%。三菱的产品适应环境能力更强,性价比更高。2017年锂电池设备PLC品牌份额见图19。

(2)锂电池设备HMI品牌份额

图202017年锂电池设备HMI品牌份额

  2017年锂电池设备HMI品牌份额见图20。Pro-face(普洛菲斯)和Siemens(西门子)的HMI在锂电池行业应用较多。大厂商一般都会选用Pro-face。

(3)锂电池设备伺服品牌份额

图212017年锂电池设备伺服品牌份额

  2017年锂电池设备伺服品牌份额见图21。Omron(欧姆龙)伺服在锂电池行业应用较多,占到30%左右的市场份额,其次是Yaskawa(安川)和Mitusubishi(三菱)。

  伺服主要用在卷绕机、制片机和涂布机等关键机型,进行张力和纠偏等高精度要求的控制。

(4)锂电池设备变频器品牌份额

图22 2017年锂电池设备变频器品牌份额

  2017年锂电池设备变频器品牌份额见图22。

  ABB变频器在锂电池行业应用较多,其次是Inovance(汇川)和Mitsubishi(三菱)。

  国产的Inovance(汇川)也开始在锂电池行业有应用,Inovance(汇川)通过推出锂电行业专机和赢合等知名锂电客户签订战略协议等进军锂电行业。此外国产的还有英威腾等的变频器也有应用。

 

供稿:睿工业

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