1. نظرة عامة على وحدات البطارية ذات الغلاف المربع
تلعب وحدات البطاريات ذات الغلاف المربع دورًا حاسمًا في مجال الطاقة، وبفضل مزاياها التكنولوجية الفريدة، تم تطبيقها على نطاق واسع في العديد من المجالات.
(1) قائمة مجالات التطبيق الشائعة
في مجال السيارات الكهربائية، تعد وحدات البطاريات ذات الغلاف المربع أحد المكونات الأساسية التي توفر دعم الطاقة للمركبات. يمكن لكثافة الطاقة العالية أن تلبي متطلبات مركبات الطاقة الجديدة للمدى. على سبيل المثال، تستخدم العلامات التجارية الرئيسية لمركبات الطاقة الجديدة في السوق مثل DJI وYihang في الغالب بطاريات الليثيوم كمصدر للطاقة، مع نطاق يصل إلى أكثر من 30 دقيقة، مما يلبي احتياجات التصوير للمستخدمين. وفي الوقت نفسه، تتميز وحدات البطاريات ذات الغلاف المربع بخصائص دورة الحياة الطويلة والسلامة العالية والقدرة على التكيف البيئي الجيد، والتي يمكن أن تلبي احتياجات مركبات الطاقة الجديدة من حيث أداء الطاقة والسلامة وفعالية التكلفة.
في مجال معدات تخزين الطاقة، تُستخدم وحدات البطاريات ذات الغلاف المربع بشكل أساسي لبناء أنظمة تخزين الطاقة واسعة النطاق لتحقيق التوازن بين العرض والطلب على الشبكة، وتحسين استقرار الشبكة وموثوقيتها. يمكن لأنظمة تخزين الطاقة هذه تخزين الطاقة الكهربائية خلال فترات التحميل المنخفضة لشبكة الطاقة وإطلاقها خلال ساعات الذروة، مما يخفف بشكل فعال من فرق ذروة الوادي لشبكة الطاقة ويحسن الاقتصاد وكفاءة تشغيل شبكة الطاقة. بالإضافة إلى ذلك، تُستخدم وحدات البطاريات ذات الغلاف المربع على نطاق واسع في حلول تخزين الطاقة المتجددة، مثل أنظمة تخزين الطاقة لمحطات الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، لضمان إمدادات مستقرة والاستخدام الفعال للطاقة المتجددة.
في مجال الطائرات بدون طيار، تعد البطاريات أحد المكونات الأساسية للطائرات بدون طيار، وتوفر وحدات البطاريات ذات الغلاف المربع دعمًا قويًا للطاقة للطائرات بدون طيار نظرًا لكثافة الطاقة العالية وخفيفة الوزن ودورة الحياة الطويلة. على سبيل المثال، في الصين، أظهر سوق الطائرات بدون طيار اتجاها سريعا للنمو في السنوات القليلة الماضية، وأظهر إمكانات هائلة في مجالات متعددة مثل التصوير الجوي، والزراعة، والغابات، والكهرباء، والخدمات اللوجستية.
في مجال الطيران، تم استخدام وحدات البطاريات ذات الغلاف المربع على نطاق واسع نظرًا لموثوقيتها العالية ومزايا السلامة. في عملية تصميم وتصنيع وحدات البطاريات ذات الغلاف المربع، يتم التركيز على تحسين موثوقية واستقرار المنتج. باستخدام مواد عالية الجودة، وعمليات متقدمة، وأنظمة صارمة لمراقبة الجودة، تضمن وحدة البطارية أداءً مستقرًا في ظل ظروف العمل المختلفة.
2. النقاط الرئيسية لتصميم وحدة البطارية ذات الغلاف المربع
(1) مزايا كثافة الطاقة العالية
شكل خلية وحدة البطارية ذات الغلاف المربع هو مربع، مما يسمح لها بتخزين المزيد من الطاقة الكهربائية بنفس الحجم والوزن. يستخدم هذا التصميم المساحة الداخلية لحزمة البطارية بشكل كامل، مما يحسن كفاءة استخدام المساحة. وبأخذ السيارات الكهربائية كمثال، يمكن لوحدات البطاريات ذات الغلاف المربع ذات الكثافة العالية للطاقة أن تحسن بشكل كبير نطاق السيارة وتلبية احتياجات المستخدمين للسفر لمسافات طويلة. وفي مجال أجهزة تخزين الطاقة، تعد كثافة الطاقة العالية أمرًا بالغ الأهمية بنفس القدر حيث يمكنها تخزين المزيد من الطاقة الكهربائية في مساحة محدودة لتلبية الطلب على تخزين الطاقة على نطاق واسع. وفقًا للإحصاءات، يمكن لأجهزة تخزين الطاقة التي تستخدم وحدات البطاريات ذات الغلاف المربع أن تزيد من كثافة الطاقة الخاصة بها بأكثر من 20% مقارنة بالبطاريات التقليدية.
(2) خصائص استغلال المساحات العالية
بالمقارنة مع البطاريات الأسطوانية التقليدية، يمكن ترتيب التصميم المربع لوحدات البطاريات ذات الغلاف المربع بشكل أكثر إحكامًا معًا. وهذا لا يقلل من هدر المساحة فحسب، بل يسمح أيضًا لحزمة البطارية بحمل المزيد من البطاريات ضمن حجم محدود، وبالتالي تحسين كثافة الطاقة الإجمالية. في سيناريوهات التطبيقات ذات المساحة المحدودة مثل السيارات الكهربائية، يعد استخدام المساحة العالية أمرًا مهمًا بشكل خاص. على سبيل المثال، في بعض السيارات الكهربائية المدمجة ذات المساحة المحدودة، يمكن أن يوفر الاستخدام الكبير للمساحة لوحدة البطارية ذات الغلاف المربع للمركبة سعة بطارية أكبر، وبالتالي زيادة النطاق.
(3) ضمان أمني عالي
عادةً ما تستخدم وحدات البطاريات ذات الغلاف المربع مواد عالية القوة مثل الألومنيوم كغلاف خارجي، والذي يتميز بقوة ومتانة عالية. يمكن لهذا التصميم أن يمنع بشكل فعال حدوث دوائر قصيرة للبطارية، والتسرب، وغيرها من المشكلات، مما يحسن سلامة البطارية. بالإضافة إلى ذلك، تعتمد وحدة البطارية ذات الغلاف المربع أيضًا تقنيات متقدمة مثل تقنية الختم بالليزر لتعزيز إغلاق حزمة البطارية وضمان سلامة البطارية. على سبيل المثال، يمكن لبعض وحدات البطاريات ذات الغلاف المربع الحفاظ على أداء مستقر في ظل الظروف القاسية مثل ارتفاع درجة الحرارة والجهد العالي والاصطدام وما إلى ذلك بعد اختبار السلامة الصارم، ولن تنفجر البطارية أو تشتعل فيها النيران أو غيرها من المواقف الخطيرة.
(4) أداء موثوقية عالية
في عملية التصميم والتصنيع، تركز وحدات البطاريات ذات الغلاف المربع على تحسين موثوقية المنتج واستقراره. باستخدام مواد عالية الجودة، وعمليات متقدمة، وأنظمة صارمة لمراقبة الجودة، تضمن وحدة البطارية أداءً مستقرًا في ظل ظروف العمل المختلفة. على سبيل المثال، في صناعة الطيران، متطلبات الموثوقية للبطاريات مرتفعة للغاية. يمكن لوحدات البطاريات ذات الغلاف المربع، بموثوقيتها العالية، أن تعمل بثبات في البيئات القاسية وتوفر دعمًا موثوقًا للطاقة للطائرات.
(5) قابلة للتخصيص للغاية
التصميم المربع يجعل وحدة البطارية ذات الغلاف المربع قابلة للتخصيص بدرجة كبيرة. نظرًا للحرية الأكبر للتصميم المربع، يمكن تخصيصه وفقًا لسيناريوهات ومتطلبات التطبيق المختلفة. على سبيل المثال، يمكن تخصيص وحدات البطارية التي تلبي متطلبات محددة مثل طراز السيارة وسعة البطارية وسرعة الشحن. تتيح هذه المرونة لوحدة البطارية ذات الغلاف المربع التكيف بشكل أفضل مع طلب السوق وتلبية الاحتياجات الشخصية لمختلف العملاء.
(6) حماية البيئة والاستدامة
في عملية الإنتاج والاستخدام، تهتم وحدات البطاريات ذات الغلاف المربع بحماية البيئة والاستدامة. تستخدم العديد من شركات الإنتاج مواد خالية من التلوث وصديقة للبيئة في عملية الإنتاج الخاصة بها، وتهتم بالحفاظ على الطاقة وخفض الانبعاثات. بالإضافة إلى ذلك، تتمتع وحدة البطارية ذات الغلاف المربع أيضًا بدورة حياة عالية وقيمة إعادة التدوير، مما يساعد على تقليل استهلاك الموارد والتلوث البيئي. وفقًا للإحصاءات، يمكن أن يصل عمر دورة وحدات البطاريات ذات الغلاف المربع إلى آلاف المرات، وهو أعلى من عمر البطاريات التقليدية. وفي الوقت نفسه، يمكن إعادة استخدام وحدة البطارية ذات الغلاف المربع المعاد تدويرها، مما يقلل من تأثيرها على البيئة.
3. مقدمة لعملية وحدة البطارية ذات الغلاف المربع
(1) مرحلة إعداد المواد
تبدأ عملية خط إنتاج PACK لوحدة البطارية ذات الغلاف المربع بمرحلة إعداد المواد، وهو أمر بالغ الأهمية. المواد الخام لمكونات البطارية مثل مواد القطب الموجب، ومواد القطب السالب، والإلكتروليتات تشبه حجر الزاوية في المبنى، وجودتها تحدد بشكل مباشر أداء المنتج النهائي. في هذه المرحلة، تعد مراقبة الجودة أمرًا بالغ الأهمية بشكل خاص، ويحتاج المصنعون إلى إنشاء نظام صارم لفحص الجودة للتأكد من أن كل مادة خام تلبي معايير عالية من متطلبات الجودة. على سبيل المثال، يتم إجراء اختبارات صارمة على نقاء مواد القطب الموجب لضمان نقل الأيونات بكفاءة أثناء عمليات شحن البطارية وتفريغها. وفي الوقت نفسه، قم بتقييم ثبات مادة القطب السالب لمنع ردود الفعل السلبية أثناء الاستخدام. فقط المواد الخام التي خضعت لفحص صارم يمكنها وضع أساس متين لخطوات العملية اللاحقة.
(2) عملية تصنيع خلايا البطارية
باعتبارها المكون الأساسي للبطاريات، يتم تصنيع خلايا البطارية باستخدام تكنولوجيا إنتاج خلايا البطارية المتقدمة. يمكن لعملية اللف أو التراص أن تجمع بدقة مواد القطب الموجب والسالب معًا لتشكيل هيكل خلية بطارية مستقر. في هذه العملية، هناك حاجة إلى دقة عالية واتساق. على سبيل المثال، من خلال التحكم الدقيق في التوتر وسرعة اللف، يتم ضمان أن يكون الهيكل الداخلي لكل خلية بطارية موحدًا ومتسقًا، وبالتالي ضمان استقرار الأداء. وفي الوقت نفسه، تتطلب عملية التراص رقابة صارمة على سمك ومحاذاة كل طبقة من المواد لتحسين كثافة الطاقة ودورة عمر خلايا البطارية. المفتاح لهذه الخطوة هو ضمان اتساق واستقرار أداء خلايا البطارية، وتوفير مكونات أساسية عالية الجودة لخطوات العملية اللاحقة.
(3) عملية اختبار الخلايا
بعد الانتهاء من تصنيع خلية البطارية، يتم إجراء اختبار خلية البطارية على الفور. من خلال إجراء اختبارات شاملة على الأداء الكهربائي لخلايا البطارية، مثل الجهد الكهربي والسعة والمقاومة الداخلية وغيرها من المعلمات، يمكننا فحص خلايا البطارية التي تتوافق مع المعايير. هذه المرحلة تشبه اختيار الجنود، فقط أفضل خلايا البطارية يمكنها الدخول إلى المرحلة التالية. وفقا للإحصاءات، بعد الاختبار والفحص الصارمين، يمكن أن تؤدي خلايا البطارية أداء أفضل في الإنتاج اللاحق، مما يحسن بشكل كبير جودة وموثوقية وحدة البطارية بأكملها. تأكد من أن كل خلية بطارية يمكن أن تؤدي أداءً جيدًا في الإنتاج اللاحق، مما يوفر أساسًا موثوقًا لتجميع الوحدة.
(4) عملية تجميع الوحدة
في مرحلة تجميع الوحدة، تلعب معدات التجميع الآلية للغاية دورًا مهمًا. يتم تجميع خلايا البطارية في وحدات بطريقة منظمة، واستكمال الخطوات مثل ترتيب الخلايا، وربط الأسلاك، وإضافة المواد العازلة. يمكن للمعدات الآلية ضمان دقة التجميع وسرعة كل وحدة، مما يحسن كفاءة الإنتاج. على سبيل المثال، في عملية ترتيب خلايا البطارية، يضمن الوضع الميكانيكي الدقيق وجود مسافة متساوية بين الخلايا، وهو أمر مفيد لتبديد الحرارة وتحسين الأداء. يتطلب لحام أسلاك التوصيل معدات لحام عالية الدقة لضمان اتصال ثابت وموثوق، وتقليل المقاومة، وتحسين كفاءة نقل الطاقة. يمكن أن تؤدي إضافة المواد العازلة إلى منع التسرب والدوائر القصيرة بشكل فعال، وتحسين سلامة وحدات البطارية.
(5) تكنولوجيا مطابقة الخلايا
من أجل تحسين الأداء العام، فإن خط إنتاج وحدة البطارية ذات الغلاف المربع PACK يعتمد تكنولوجيا مطابقة الخلايا. من خلال مطابقة أداء خلايا البطارية بدقة، يتم ضمان اتساق كل وحدة أثناء عملية الشحن والتفريغ. وهذا يشبه تشكيل فرقة موسيقية ممتازة، حيث تحتاج كل آلة إلى التنسيق والتناسق من أجل عزف موسيقى جميلة. على سبيل المثال، المطابقة المستندة إلى معلمات مثل سعة الخلية والمقاومة الداخلية تمكن الخلايا في كل وحدة من العمل بشكل متزامن أثناء الشحن والتفريغ، مما يقلل من فقدان الطاقة ويحسن الأداء العام وعمر الخدمة لمكونات البطارية.
(6) خطوات التعبئة والتغليف وفحص الجودة
بعد الانتهاء من تجميع الوحدة، يدخل المنتج إلى مرحلة التعبئة والتغليف. وفي الوقت نفسه، يتم إجراء فحص شامل للجودة على مكونات البطارية للتأكد من أن المنتجات تلبي معايير الجودة. أثناء عملية التعبئة والتغليف، يتم استخدام مواد تغليف متينة وصديقة للبيئة لحماية المنتج من التلف أثناء النقل والتخزين، مع تلبية المتطلبات البيئية أيضًا. تجري عملية فحص الجودة فحصًا شاملاً لمظهر المنتج ووظيفته، بما في ذلك التحقق من وجود خدوش على الغلاف الخارجي، والوصلات الآمنة، والامتثال لمعايير الأداء. لضمان حصول المستخدمين على منتجات بطاريات عالية الجودة وموثوقة.
(7) عملية اختبار المنتج النهائي
يتم إجراء اختبار المنتج النهائي على خط الإنتاج، والذي يختبر بشكل شامل الأداء الكهربائي والسلامة والجوانب الأخرى لوحدة البطارية الشاملة PACK. تعتبر هذه الخطوة بمثابة الاختبار النهائي للمنتج، حيث يتم التأكد من مستوى الجودة قبل الخروج من المصنع وتلبية احتياجات السوق والعملاء. على سبيل المثال، إجراء اختبار الأداء الكهربائي للتحقق مما إذا كانت السعة والجهد والمقاومة الداخلية والمعلمات الأخرى لوحدة البطارية تلبي متطلبات التصميم؛ إجراء اختبارات السلامة، بما في ذلك الأداء تحت الشحن الزائد، والتفريغ الزائد، وقصر الدائرة، وارتفاع درجة الحرارة، وغيرها من الظروف. فقط المنتجات التي اجتازت هذه الاختبارات الصارمة يمكنها دخول السوق وتوفير دعم موثوق للطاقة للمستخدمين.
4. حالة تصميم وحدة البطارية ذات الغلاف المربع
(1) تصميم وحدة بطارية Ultium SAIC-GM
1. مقدمة لخصائص ثلاثة أنواع من الوحدات
يتميز تصميم وحدة بطارية Ultium من SAIC GM بميزات فريدة. وتتكون من بطارية حزمة ناعمة وخليتين مربعتين بسماكات مختلفة لتشكيل أساس خلية البطارية، مما يجعل الوحدة متوافقة من حيث الحجم الكلي. سواء في نماذج مختلفة من السيارات الكهربائية أو في سيناريوهات الاستخدام المختلفة، يمكن تطبيقها بمرونة.
جميع الوحدات الثلاث تعتمد طريقة التبريد المتكاملة للوحدة، والتي تدمج اللوحة المبردة بالماء في الأسفل. يمكن لهذا التصميم أن يقلل درجة حرارة البطارية بشكل فعال، ويحسن أداء البطارية وعمرها. وفقًا للبيانات ذات الصلة، يمكن لوحدات البطارية التي تستخدم التبريد المدمج للوحدة أن تقلل من درجة حرارة البطارية بأكثر من 10% مقارنة بطرق التبريد التقليدية.
تتبنى وحدة الغلاف المربع طريقة إخراج طرفية، بينما تتبنى وحدة الحزمة الناعمة طريقة إخراج طرفية واحدة. هذا التصميم يجعل Pack متوافقًا مع اثنين من توصيلات قضبان التوصيل المختلفة ذات الجهد العالي، كما تم تبسيط التصميم العام بسبب عدم وجود خطوط اتصال وأخذ العينات ذات الجهد المنخفض. وهذا لا يقلل من تكاليف الإنتاج فحسب، بل يحسن كفاءة الإنتاج أيضًا.
2. عرض تصميم وحدة قذيفة مربعة
لقد أظهرت شركة SAIC General Motors بوضوح بطارية Ultium ذات الغلاف المربع، والتي تنقسم بشكل أساسي إلى بطاريات ذات سماكة مختلفة (بنفس الارتفاع والعرض). في تصميم صمام التفريغ لخلايا البطارية، خضع نوعان من البطاريات لمعاملات مختلفة. يمكن لهذا التصميم أن يحسن بشكل فعال سلامة البطاريات ويمنع الانفجارات في حالة الشحن الزائد، والتفريغ الزائد، والدوائر القصيرة، وغيرها من المواقف.
فيما يتعلق بالحماية من الانفلات الحراري، يتم اتخاذ التدابير التالية بشكل أساسي: يتم استخدام المواد العازلة لحماية المسافة بين كل خلية بطارية، وتستخدم صفائح الميكا لمنع صمام تخفيف الضغط فوق خلية البطارية. وهذا يضمن سلامة البطارية حتى لو كان الغطاء العلوي لوحدة البطارية من البلاستيك. وفي الوقت نفسه، يمكن أن يساعد التبريد المتكامل أيضًا في تحسين تبديد حرارة خلايا البطارية أثناء الحالات العادية والحرارية، وتقليل درجة حرارة البطارية، وتعزيز أداء البطارية وعمرها.
لا يوجد تصميم واجهة منخفض الجهد في هذه الوحدة، وقد يكون الجزء البارز هو PCBA الخاص بوحدة CMU اللاسلكية التي تم إدخالها. يتم تشغيل هذا الجزء وأخذ عينات منه من خلال FPC ويتم توصيله أولاً. لا يعمل هذا التصميم على تحسين تكامل وحدات البطارية فحسب، بل يقلل أيضًا من تكاليف الإنتاج.
3. شرح تصميم وحدة الحزمة الناعمة
لم يكن تصميم وحدة الحزمة الناعمة هو محور التصميم الذي تم إصداره في الصين، لذلك تم عرض وحدة واحدة فقط بدون تشريح. وحدة الحزمة الناعمة ووحدة الغلاف المربعة لهما نفس الحجم ونقطة التثبيت، وقد تمت معالجتهما بنفس الإخراج الطرفي على واجهة إخراج ناقل الوحدة. نظرًا للمساحة الموجودة في الاتجاه Z للوحدة، لا يوجد هيكل بارز مرئي لوحدة CMU اللاسلكية هنا.
يعرض تصميم وحدة الحزمة الناعمة الرسوم المتحركة لخلايا البطارية وتصميمها، وهو في الواقع مشابه تمامًا لمفهوم التوافق بين حزمة MEB الناعمة وتصميم الغلاف المربع لشركة فولكس فاجن. نظرًا لوحدة الحزمة الناعمة الخاصة بها، قامت جنرال موتورز بترتيب مفهومين للتكديس باتجاهات مختلفة، ومصممة بارتفاعات وقدرات مختلفة، مما يوفر للمستخدمين المزيد من الخيارات.
(2) تصميم بطارية طراز Tesla LFP موديل 3
1. وصف حجم تصميم توافق الوحدة
تتبنى وحدة البطارية Tesla LFP الإصدار 3 تصميمًا متوافقًا، مع تكوينين مختلفين من 25 خلية و28 خلية، بإجمالي 106 خلية، تم تصنيعها في مواصفات وحدتين لتكون متوافقة مع تصميم الوحدة الثلاثية الأصلي. هذا التصميم يمكن أن يقلل تكاليف الإنتاج بشكل فعال ويحسن كفاءة الإنتاج.
ووفقاً للبيانات ذات الصلة، يمكن لوحدات البطارية ذات هذا التصميم المتوافق أن تقلل تكاليف الإنتاج بنسبة تزيد عن 20% مقارنة بالتصميمات التقليدية. وفي الوقت نفسه، يمكن لهذا التصميم أيضًا تحسين أداء وعمر البطارية، وتلبية متطلبات المستخدمين لمجموعة السيارات الكهربائية.
2. مقدمة للوحة تبريد المياه وتصميم هيكل التثبيت
تم دمج اللوحة المبردة بالماء في الجزء السفلي من الوحدة ولها هيكل خارجي كامل يتوافق مع هذه اللوحة المبردة بالماء. من ناحية، فإنه يمنح الوحدة قوة ميكانيكية كافية، ومن ناحية أخرى، لديها أيضًا مسافة عزل كافية. وتتمثل المهمة الرئيسية للوحات المبردة بالماء على LFP في التسخين بدرجة حرارة منخفضة، وفي إصدارات NCM اللاحقة، يجب معالجة مسألة تبديد الحرارة.
التحدي الرئيسي في تصميم خلايا بطارية بسمك 82 مم هو كيفية تحقيق شحن فائق السرعة بقدرة 250 كيلو واط. في هذا التصميم، نظرًا لارتفاع خلايا البطارية ذات الغلاف المربع وألواح أخذ العينات والعزل المقابلة للوحدة، قامت Tesla بتعديل تخطيط لوحة أخذ العينات CMU. إنه ليس في الجزء الأصلي من الوحدة النمطية، ولكن في وضع تمديد لوحة الدائرة المرنة. هنا يتم استخدام الجزء المقطوع فقط.
3. شرح تعديل تخطيط عينة جامعة كارنيجي ميلون
نظرًا لارتفاع خلايا البطارية ذات الغلاف المربع وألواح أخذ العينات والعزل المقابلة للوحدة، قامت تسلا بتعديل تخطيط لوحة أخذ العينات CMU واعتمدت وضع تمديد لوحة دوائر مرنة. هذا التصميم يمكن أن يقلل تكاليف الإنتاج بشكل فعال ويحسن كفاءة الإنتاج.
وفقًا للبيانات ذات الصلة، فإن تخطيط لوحات أخذ العينات CMU باستخدام وضع تمديد لوحة الدوائر المرنة يمكن أن يقلل تكاليف الإنتاج بأكثر من 15% مقارنة بالتصميمات التقليدية. وفي الوقت نفسه، يمكن لهذا التصميم أيضًا تحسين تكامل وحدات البطارية، وتقليل وزن وحدات البطارية، وزيادة نطاق المركبات الكهربائية.
5. اتجاه تطوير تكنولوجيا وحدة البطارية ذات الغلاف المربع
(1) خصائص خط الإنتاج الآلي
1. الإنتاج الفعال
مع التقدم التكنولوجي المستمر، أصبح دور خطوط الإنتاج الآلية في إنتاج وحدات البطاريات ذات الغلاف المربع بارزًا بشكل متزايد. بعد إدخال الروبوتات ومعدات التشغيل الآلي، تم تحسين كفاءة الإنتاج بشكل كبير. على سبيل المثال، في عملية تجميع وحدات خلايا البطارية، يمكن للمعدات الآلية إكمال العمليات المعقدة بسرعة كبيرة للغاية، مما يؤدي إلى تقصير دورة الإنتاج بشكل كبير. وفقًا للإحصاءات، مقارنة بالعمليات اليدوية التقليدية، يمكن لخطوط الإنتاج الآلية إكمال عبء العمل عدة مرات أو حتى عشرات المرات في نفس الوقت، مما يلبي الطلب المتزايد على وحدات البطاريات في السوق. وهذا لا يؤدي إلى تحسين القدرة الإنتاجية للمؤسسة فحسب، بل يتكيف أيضًا بشكل أفضل مع بيئة السوق المتغيرة بسرعة.
2. تقليل تكاليف العمالة
إن تطبيق خطوط الإنتاج الآلية يقلل الاعتماد على عدد كبير من العمال، وبالتالي خفض تكاليف العمالة. في وضع الإنتاج التقليدي، يتطلب العمل المتكرر عددًا كبيرًا من العمال، الأمر الذي لا يؤدي فقط إلى ارتفاع تكاليف العمالة، بل يجعل من الصعب أيضًا ضمان كفاءة الإنتاج وجودته. يمكن لخطوط الإنتاج الآلية أن تحقق إنتاجًا بدون طيار أو بطاقم أقل، ولا تتطلب سوى عدد صغير من الموظفين الفنيين للمراقبة والصيانة. وفي الوقت نفسه، أصبح تشغيل خطوط الإنتاج الآلية أكثر استقرارًا، مما يقلل من تقلبات الإنتاج والأخطاء الناجمة عن العوامل البشرية، مما يزيد من تحسين كفاءة الإنتاج وجودة المنتج.
3. تحسين استقرار جودة المنتج
يعد التشغيل الميكانيكي الدقيق ومراقبة الجودة الصارمة أمرًا أساسيًا لضمان اتساق المنتج ودقته في خطوط الإنتاج الآلية. يمكن للمعدات الآلية إكمال كل عملية إنتاج بإجراءات عالية الدقة، مما يضمن دقة التجميع وجودة وحدات خلايا البطارية. على سبيل المثال، في عملية لحام توصيل الأسلاك، يمكن لمعدات اللحام الآلية ضمان صلابة وموثوقية نقاط اللحام، وتقليل المقاومة، وتحسين كفاءة نقل الطاقة الكهربائية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لخطوط الإنتاج الآلية أيضًا مراقبة وتتبع البيانات في الوقت الفعلي أثناء عملية الإنتاج. بمجرد اكتشاف المشاكل، يمكن تعديلها ومعالجتها في الوقت المناسب. وهذا يساعد على اكتشاف المشكلات وحلها في الوقت المناسب، مما يحسن استقرار جودة المنتج.
4. تعزيز الأمن
تتضمن عملية تجميع وحدات البطاريات ذات الغلاف المربع مواد ذات جهد عالي وكثافة طاقة عالية، وقد يشكل التشغيل اليدوي مخاطر على السلامة. تعمل خطوط الإنتاج الآلية على تقليل المخاطر التشغيلية وتحسين سلامة الإنتاج من خلال اعتماد تدابير حماية السلامة وأنظمة التحكم الذكية. على سبيل المثال، في عملية اختبار وحدات البطارية، يمكن لمعدات الاختبار الآلية اختبار الأداء الكهربائي وسلامة البطارية بشكل شامل، مما يضمن أن المنتج يلبي معايير السلامة. وفي الوقت نفسه، يمكن لأنظمة التحكم الذكية مراقبة مخاطر السلامة في عملية الإنتاج في الوقت الحقيقي. بمجرد اكتشاف حالات غير طبيعية، يمكن اتخاذ التدابير في الوقت المناسب لضمان سلامة موظفي الإنتاج.
5. زيادة المرونة
يمكّن التصميم المعياري خط الإنتاج الآلي من التمتع بمرونة قوية ويمكن تعديله وفقًا لمتطلبات المنتج المختلفة وتغييرات العملية. على سبيل المثال، عندما يتغير طلب السوق، يمكن للمؤسسات إنتاج منتجات تلبي طلب السوق بسرعة عن طريق ضبط مجموعة الوحدات النمطية لخطوط الإنتاج الآلية. تتيح هذه المرونة لخط الإنتاج التكيف مع تغيرات السوق وتلبية احتياجات الإنتاج المتنوعة. وفي الوقت نفسه، يسهل التصميم المعياري أيضًا صيانة خطوط الإنتاج وتطويرها، مما يقلل من تكاليف التشغيل للمؤسسات.
6. حماية البيئة والحفاظ على الطاقة
تساعد خطوط الإنتاج الآلية على تحقيق حماية البيئة والحفاظ على الطاقة من خلال تحسين عمليات الإنتاج وتقليل هدر الطاقة غير الضروري. على سبيل المثال، في عملية الإنتاج، يمكن للمعدات الآلية ضبط استهلاك الطاقة بشكل معقول وفقًا للاحتياجات الفعلية، وتجنب هدر الطاقة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لخطوط الإنتاج الآلية أيضًا تقليل النفايات وانبعاثات الملوثات أثناء عملية الإنتاج، وهو ما يتماشى مع اتجاه تطوير التصنيع الأخضر. وهذا ليس مفيدا لحماية البيئة فحسب، بل أيضا لترسيخ صورة اجتماعية جيدة للشركات وتعزيز قدرتها التنافسية.
(2) احتمال عملية التراص المربع
1. التحليل المقارن لعمليات التصفيح واللف
سيطرت عملية اللف لفترة طويلة على مجال بطاريات الطاقة، ويرجع ذلك أساسًا إلى كفاءتها الإنتاجية العالية وتكلفتها المنخفضة. من منظور تاريخ التطوير، تم تطبيق تكنولوجيا اللف منذ البطاريات الاستهلاكية، وقد مرت بعملية التطوير من آلات اللف اليدوية، وآلات اللف شبه الأوتوماتيكية إلى آلات اللف الأوتوماتيكية بالكامل، مما أدى إلى تحسين كفاءة الإنتاج بشكل كبير. في عملية التطوير من البطاريات الاستهلاكية إلى بطاريات الطاقة، حذت تقنية اللف حذوها أيضًا وتستخدم على نطاق واسع في البطاريات المربعة والأسطوانية. في الوقت الحاضر، يبلغ إجمالي القدرة المركبة لبطاريات الطاقة المربعة لمركبات الطاقة الجديدة في الصين حوالي 42.25 جيجاوات في الساعة، وهو ما يمثل 74.1٪ من إجمالي القدرة المركبة، ومعظمها يستخدم تكنولوجيا اللف. في المقابل، يتم حاليًا تطبيق عملية التصفيح بشكل أساسي في مجال البطاريات الناعمة بحصة سوقية أصغر. تتميز عملية التصفيح بعيوب واضحة مثل انخفاض كفاءة الإنتاج، وتعقيد العملية العالي، وصعوبة مراقبة الجودة، وبصمة المعدات الكبيرة، ونسبة الاستثمار العالية لكل واط ساعة. في الوقت الحاضر، تبلغ كفاءة صناعة آلات الترقق المحلية بشكل عام 1-1.2 ثانية لكل قطعة لكل محطة واحدة. فقط عندما يتم تحسين الكفاءة إلى حوالي 0.2 ثانية لكل قطعة، يمكن مقارنة تكلفة عملية التصفيح بعملية اللف.
2. حجم بطارية أطول ومزايا التراص
مع تطور السيارات الكهربائية، بدأت الشركات في تطوير الهياكل ووحدات البطاريات وأحجام الخلايا للسيارات الكهربائية. تعد منصة MEB الخاصة بشركة فولكس فاجن مثالًا نموذجيًا، حيث تتزايد أحجام الوحدات والخلايا الخاصة ببطارياتها. تعتقد الصناعة بشكل عام أن الوحدات الكبيرة والبطاريات الكبيرة هي اتجاه تطوير بطاريات الطاقة المستقبلية. عندما تصبح البطاريات أطول، ستصبح عملية اللف أكثر صعوبة في تحقيقها. تتمتع العملية المصفحة بمزايا كبيرة في الأداء. وفي ظل نفس الظروف، يمكن أن تزيد عملية التصفيح من كثافة طاقة البطارية بنسبة 5%، ودورة الحياة بنسبة 10%، والتكلفة بنسبة 5%. على سبيل المثال، قدم يانغ هونغ شين، المدير العام لشركة Honeycomb Energy، أن كثافة طاقة البطاريات التي تنتجها التكنولوجيا المصفحة أعلى، والتي يمكن أن تلبي طلب السيارات الكهربائية من حيث المدى؛ دورة حياة أطول، مما يقلل من تكاليف استخدام المستخدم؛ وقد أدى انخفاض التكاليف إلى تحسين القدرة التنافسية للمؤسسات.
3. اختراق في المعدات اللازمة لإنتاج عملية مغلفة
حققت شركة Honeycomb Energy اختراقات كبيرة في تطوير معدات الإنتاج الرقائقية. في الوقت الحاضر، تم الانتهاء من تطوير وإدخال آلة تصفيح عالية السرعة تدور بزاوية 45 درجة، مع كفاءة تصفيح بمحطة واحدة تصل إلى 0.6 ثانية لكل ورقة. وفي الوقت نفسه، أكملت شركة Honeycomb التحقق من سرعة المحطة الواحدة البالغة 0.45s/piece وتطوير وتصنيع النماذج الأولية. من المتوقع أن يتم تطوير معدات تصفيح بمحطة واحدة بسرعة 0.25 ثانية/قطعة بمقدار 2{{10}}23. بحلول 2023، ستعمل عملية التصفيح فائقة السرعة البالغة 0.25 ثانية على حل مشكلة كفاءة عملية التصفيح بشكل فعال ومن المتوقع أن تتجاوز كفاءة عملية اللف. على سبيل المثال، تمت ترقية خط إنتاج المرحلة الأولى من Honeycomb Energy في مصنع جينتان في تشانغتشو إلى كفاءة إنتاج محطة واحدة تبلغ 0.6 ثانية للقطعة الواحدة، وستصل الطاقة الإنتاجية إلى 4 جيجاواط ساعة في عام 2021؛ يمكن للمرحلة الثانية تحقيق تكديس عالي السرعة في 0.45 ثانية، بقدرة إنتاجية تبلغ 8 جيجاوات في الساعة بحلول عام 2022. بالإضافة إلى ذلك، يتم إنتاج معدات إنتاج تكنولوجيا التصفيح عالية السرعة 0.6-ثانية لشركة Honeycomb Energy بالتعاون مع شركات أجنبية موردي المعدات، بينما تم تصميم المعدات الثانية 0.45-بشكل مستقل بواسطة شركة Honeycomb Energy. تم تقديم أكثر من 10 براءات اختراع ذات صلة، وسيتم تطويرها بشكل مشترك مع اثنين من موردي المعدات في المستقبل.
6. صعوبات في تصميم ومعالجة وحدات البطاريات ذات الغلاف المربع
(1) صعوبات بطارية نزهة تيانجونج
1. تحليل صعوبات التصميم الإنشائي
تواجه بطارية Tiangong العديد من صعوبات التصميم الهيكلي في عملية التكامل الحر للوحدة. عند تصميم بطاريات CTC ذات الغلاف المربع، تمثل الحماية الشاملة في ظل الانفلات الحراري تحديًا رئيسيًا. تتمتع خلية البطارية الثلاثية بكثافة طاقة تبلغ 246 وات/كجم بطاقة هائلة، وتطلق خلية البطارية التي تقترب من 1 كيلو وات/ساعة حرارة شديدة. ولمعالجة هذه المشكلة، اتخذت Tiangong Battery سلسلة من التدابير. أولاً، يتم استخدام قطعة واحدة من لوح العزل لحماية الغطاء العلوي للمادة المركبة، وذلك لمنع حدوث أضرار جسيمة لحزمة البطارية بسبب الحرارة أثناء الهروب الحراري. في نفس الوقت، من أجل تصميم الدرج ذو الحواف المنخفضة، تم استخدام غطاء من المواد المركبة بشكل خاص. من ناحية، يمكنها تحسين قدرة تغطية الحافة بشكل فعال، ومن ناحية أخرى، من الضروري التأكد من أن المادة العازلة يمكنها حماية الغطاء من التلف أثناء الهروب الحراري.
بالإضافة إلى ذلك، جلب تصميم وحدة تنسيق الشبكة لبطارية Tiangong أيضًا تحديات للتصميم الهيكلي. يحتاج هذا التصميم إلى ملء مادة عزل حراري من مادة الهلام الهوائي ذات التوصيل الحراري المنخفض بين النوى الكهربائية، وفي الوقت نفسه، يحتاج إلى تحقيق عزل حراري يزيد عن 1000 درجة، ومثبطات اللهب UL94 V0، والصناعات العسكرية الحماية الكهربائية مع تصميم أمان تكرار العزل الكهربائي 800 فولت، وتصميم تكرار الدائرة القصيرة لأخذ العينات، وتصميم أمان تكرار الوحدة النمطية والدوائر القصيرة، بالإضافة إلى الحماية الهيكلية من نوع المقصورة لإطار من الألومنيوم خفيف الوزن وعالي القوة، والتوسع سلامة الهيكل أكثر من 2000N، ووحدة كبيرة مخصصة ومتكاملة للغاية. تضع هذه المتطلبات متطلبات عالية للغاية على اختيار المواد ودقة العمليات.
2. استكشاف الصعوبات في نظام إدارة البطارية
بعد الانضمام إلى الإدارة السحابية، يواجه نظام إدارة البطارية في Tiangong Battery صعوبات مثل تقدير خوارزمية SOH المستندة إلى السحابة استنادًا إلى كمية كبيرة من البيانات المستخرجة. تتطلب إدارة السحابة كمية كبيرة من جمع البيانات وتحميلها بسرعة عالية إلى منصات الخادم، مما يشكل تحديات لاستقرار وأمان نقل البيانات. وفي الوقت نفسه، فإن كيفية استخراج معلومات مفيدة بدقة من البيانات الضخمة وإجراء تقدير خوارزمية SOH المستندة إلى السحابة لتحقيق إدارة أفضل للبطاريات يمثل أيضًا تحديًا تقنيًا.
في نظام السيارة، تحتاج خوارزمية BMS إلى توفير المزيد من حالة تشغيل البطارية الأساسية، جنبًا إلى جنب مع وحدات التحكم بالمجال والخوارزميات السحابية لإدارة البطارية. ويتطلب ذلك تعاونًا فعالاً ودقيقًا بين الخوارزميات المختلفة لتجنب النزاعات أو سوء التقدير. علاوة على ذلك، مع التراكم المستمر لبيانات البطارية، فإن كيفية تخزين البيانات وإدارتها وتحليلها بشكل فعال لتحسين نظام إدارة البطارية بشكل مستمر يمثل أيضًا تحديًا طويل المدى.
(2) صعوبات في اللحام بالليزر لوحدة حزمة البطارية ذات الغلاف المربع لتخزين الطاقة
1. شرح صعوبات اللحام لوحدة بسبار PACK للبطارية ذات الغلاف المربع
هناك صعوبات متعددة في لحام قضيب التوصيل لوحدة PACK للبطارية ذات الغلاف المربع لتخزين الطاقة. أولاً، تعتبر المواد الرقيقة مشكلة بارزة، حيث أن اللحام الافتراضي يكون عرضة لحدوثه عند تكديس قطع متعددة ولحامها، مما يؤدي إلى عدم كفاية القوة وضعف التوصيل. وذلك لأن المواد الرقيقة لديها نقل غير متساو للحرارة أثناء عملية اللحام، مما قد يؤدي بسهولة إلى لحام غير مستقر. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يؤدي العرض غير الكافي لوصلة اللحام أيضًا إلى عدم كفاية القوة، مما يؤثر على الأداء العام لوحدة البطارية.
تشكل هذه الصعوبات تهديدًا لسلامة وموثوقية بطاريات تخزين الطاقة. إذا كانت جودة اللحام لا تلبي المعايير، فقد تحدث مشاكل مثل التيار غير المستقر والتدفئة المفرطة وحتى حوادث السلامة أثناء استخدام البطارية.
2. الحلول المقترحة
وقد تم اقتراح سلسلة من الحلول لمعالجة هذه الصعوبات. أولاً، يعد التحكم في استواء المواد الواردة أمرًا بالغ الأهمية. من خلال الفحص والفحص الصارم للجودة، تأكد من أن تسطيح مواد اللحام يلبي المتطلبات ويقلل مشاكل اللحام الافتراضية الناجمة عن المواد غير المستوية. ثانيًا، تصميم التركيبات بأداء ممتاز والتحكم في فجوة التثبيت. يجب أن يكون تصميم الجهاز قادرًا على تثبيت مادة اللحام بدقة، وضمان الاستقرار أثناء عملية اللحام، وتجنب الفجوات المفرطة أو غير المستوية التي قد تؤثر على جودة اللحام.
يعد استخدام ليزر الألياف الأساسية الصغيرة واللحام المتأرجح من الحلول الفعالة أيضًا. يمكن أن توفر ليزرات الألياف الأساسية الصغيرة كثافة طاقة أعلى، مما يجعل اللحام أكثر دقة. يمكن أن يؤدي اللحام المتأرجح إلى توسيع عرض وصلة اللحام وتحسين قوة اللحام. من خلال التطبيق الشامل لهذه الحلول، يمكن تحسين جودة اللحام لقضيب وحدة PACK للبطارية ذات الغلاف المربع لتخزين الطاقة بشكل فعال، مما يعزز سلامة وموثوقية البطارية.