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中國鋰電池設備自動化市場研究報告

2019-03-15 11:44:03 出版:2019《伺服與運動控制》第一期

【中國鋰電池設備自動化市場研究報告】

  鋰電池是一類依靠鋰離子在正極與負極之間移動來達到充放電目的地一種可充電電池,具有高能量密度、高電壓、壽命長、無記憶效應等優點。

  鋰電池按正極材料分可分為錳酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池和三元材料電池;鋰電池按形狀分可分為圓柱電池和方形電池;按外殼分可分為鋼殼、鋁殼和鋁塑膜(軟包)三種;按工藝分可分為圓柱卷繞、方形卷繞和方形疊片三種。

  如圖1所示,鋰電池主要有三大類行業應用:消費類電子(手機、筆記本電腦和平板電腦等)、電動交通工具(電動自行車和電動汽車等)、工業儲能設備及其他(通信用UPS和新能源用的儲能電源等),其中應用于電動交通工具行業的鋰電池叫做動力電池。

圖1 鋰電池分類

一、鋰電池市場概況

  鋰電池近年復合增長率在30-50%,屬于國家政策扶持的高速發展行業。

  2014年之前主要是消費類電子的增長帶動鋰電池的發展,手機、筆記本電腦和平板電腦等每年保持8%左右的增長率,其中平板電腦和超級本增速更高。由于光伏、風電等新能源和通信的快速發展,鋰電池在UPS等工業儲能領域也會保持20%-30%的增長率。

  由于國家能源和環保的戰略規劃,電動汽車在2014年之后開始高速發展,2017年電動汽車中國銷售77.7萬輛,同比增長53.3%,預計未來將保持在60%以上的增長。電動汽車也是未來鋰電池最主要的一個高速增長點。

二、鋰電池制造設備市場情況

  隨著鋰電池設備的高速增長以及國家智能工廠等概念的提出,未來鋰電池制造設備自動化程度會越來越高,未來兩年鋰電池制造設備將會保持15%-25%的高速增長。

  鋰電池設備制造商采購的主要自動化產品有PLC、HMI、伺服和變頻器等。

  目前鋰電池制造設備中FA產品供應商主要有西門子、歐姆龍、Pro-face、施耐德、ABB、三菱、松下、安川、富士、羅克韋爾、臺達、丹佛斯和匯川等。

三、中國鋰電池及制造設備相關廠商情況

  如表1所示,國內的鋰電池制造設備廠商主要產品集中在電極制造和電芯合成兩個環節,制造廠商以國內供應商為主,高端設備主要是日韓企業制造。

  高端外資設備目前以進口為主,部分外資設備廠商開始在國內建設工廠,值得松下重點關注。例如羅斯(無錫)設備有限公司是美國羅斯在華成立的全資子公司,其生產的攪拌機在鋰電池產線有應用。

表1 中國鋰電池及制造設備相關廠商

四、鋰電池行業標準制定與檢測機構

1. 201所(中國北方車輛研究所) 

  201所即中國北方車輛研究所,主要從事特種車輛整車及部件的研究設計、試驗試制及民用汽車、專用汽車的研究開發與測試。

  201所旗下的863項目動力電池測試中心主要負責鋰電池檢測與檢測標準的擬草,檢測的內容包括:過充電、過放電、短路、跌落、加熱、擠壓、針刺。

  2016年,由發改委牽頭,201所聯合中國電子集團第十八研究所以及多家重要鋰電池廠商擬稿了新國家標準,包括:GBT/31485-2016《電動汽車用動力蓄電池安全要求及試驗方法》,GBT/31467.3-2016《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統第3部分:安全性要求與測試方法》,GB/T 18384-2016 《電動汽車安全要求》。鋰電池產品檢測流程見圖2。

圖2 鋰電池產品檢測流程

2. 全國電工專用設備標準化技術委員會

  全國電工專用設備標準化技術委員會成立于2009年,主要負責生產制造電工設備等領域的國家標準的制定和修訂工作,包括蓄電池制造專用設備、電機制造專用設備、發電設備制造專用設備等的標準,2009制定的《電工專用設備通用技術條件(GB/T 23644-2009)》標準經相關部門批準后,成為官方行業標準,得到推行。鋰電池行業標準實施過程見圖3。

  鋰電池設備標準正在制定中。鋰電設備標準不統一所造成的設備運行效率不高、制造成本高、生產效率低、信息互聯互通效率低,在此背景之下,2016年8月2日,全國電工專用設備標準化技術委員會主辦的“全國鋰離子電池制造成套設備標準制修訂工作組啟動大會”在深圳舉行,業內的數十位鋰電設備專家共同探討鋰離子電池制造設備的標準修改制定工作。

圖3 鋰電池行業標準實施過程

3. 國家動力電池創新中心

  國家動力電池創新中心成立于2016年6月。該中心將以國聯研究院為核心,中國汽車動力電池產業創新聯盟為外延,圍繞研發設計,測試驗證,中試孵化和行業服務能力開展建設工作,搭建協同攻關,開放共享的動力電池創新平臺,旨在推動動力電池行業的發展,也是第一家成立的國家制造業創新中心。制造業創新中心建設作為《中國制造2025》五大重點工程之一,將承擔關鍵共性技術研究和產業化應用。作為新的增長引擎,如何構建制造業區域創新中心、引領經濟的轉型發展,是新時期區域經濟發展戰略的關鍵,目前該中心正在發展創建中。

五、鋰電池工藝及其制造自動化設備簡介

1.鋰電池制造流程及其設備

鋰電池制造流程機器設備見圖4。

圖4  鋰電池制造流程機器設備

2.極片制造

(1)攪拌機原理及其FA產品使用情況

圖5攪拌流程圖

  攪拌工序是極片制作的關鍵核心環節,攪拌的質量直接影響電池的一致性。

  攪拌機工作原理:分散盤攪拌槳實現既公轉,又自轉的行星運動,其速度通過變頻器進行調整,使物料做復雜運動,受到強烈的分散和擠壓,保證物料的充分分散和混合,并通過抽真空的方式去除漿內的汽泡和灰包。攪拌流程圖見圖5。

  攪拌機痛點:現有的FA產品能夠滿足攪拌機的需求,不需要改進。攪拌機的痛點在于軸承,軸承經常容易發生斷裂。

  容積300L以下的攪拌機會由人工搬運來完成,300L以上會用叉車來完成,動力電池產線上較為常見的攪拌機設計容積一般為650L。

  攪拌機TOP5廠商:廣州紅運,東莞科銳,柳州豪杰特,七星華創,廣州弘森。

(2)涂布機原理及其FA產品使用情況

  涂布是極片制作工藝中最為重要的一環,涂布的質量決定了電池的性能,涂布機一般由2個PLC控制,通訊協議為RS485總線型通訊協議。

  涂布機分為擠壓式和轉移式兩種,擠壓式涂布機一般用在動力電池生產線上,轉移式涂布機一般用在消費類電子電池生產線上,轉移式涂布機原理見圖6;擠壓式價格更貴,噴涂質量更高,擠壓式涂布機原理見圖7。

  涂布機工作原理:轉移式:涂布輥傳動帶動漿料,調整刮刀間隙來調節漿料轉移,并利用背輥的轉動將漿料轉移到基材上實現,可完成雙面涂布,間隙連續涂布。擠壓式:擠壓式涂布價格比轉移式貴2-3倍,涂布速度更快,更均勻,更穩定。

  涂布頭是涂布的核心,轉移式涂布頭包括涂布輥,背輥,調節刮刀三個環節,擠壓式涂布頭只包括涂布輥一個環節。

  涂布機TOP5廠商:深圳新嘉拓,深圳浩能,深圳信宇人,東莞雅康,贏合科技。

(3)輥壓機原理及其FA產品使用情況

圖8 輥壓機原理及圖示

  輥壓機屬于比較大型的鋰電池設備,主要是為了使涂布后的極片表面材料分布均勻。

  由于電池在制作過程中,壓實密度和致密性對電池性能有較大的影響。一般來說,致密性越高,電池的容量就能做得越高,合適的壓實密度可以增大電池的放電容量,減少內阻,減少極化損失,延長電池的循環壽命,提高鋰離子電池的利用率,因此對極片的輥壓是電池制作過程中一個非常重要的工序。

  輥壓機工作原理:輥壓機主要是由兩個相向同步轉動的高硬度壓輥組成,一個為固定輥,一個為活動輥。通過伺服電機帶動固定運轉,從而活動輥跟隨固定輥相向同步運轉,在兩輥調試好的間隙及壓力的作用下,極片受到高壓作用后,由原先篷松狀態變成密實狀態的極片,質密度得到明顯的提高,達到工藝所需要求。輥壓機原理見圖8。

  輥壓機主要集中在北方生產,因為北方重工業發達,加工輥等重要部件的產業更加成熟。

  輥壓機TOP5廠商:邢臺海裕,邢臺納科諾爾,達力集團,七星華創,深圳浩能。

(4)分條機原理及其FA產品使用情況

圖9 分條機原理及圖示

  分條機對應卷繞工序中的卷繞機,主要是把大的極片分切成相應電池尺寸大小的條形極片再進行卷繞。分條機原理見圖9。

  分條的核心環節:牽引,主傳動。

  分條機TOP5廠商:先導智能,贏合科技,東莞雅康,廣東鴻寶,七星華創。

(5)模切機原理及其FA產品使用情況

圖10 模切機原理及圖示

  模切對應疊片工藝的疊片機,主要是通過模具對極片沖壓,形成相應電池規格大小的極片進行疊片。模切機原理見圖10。

  模切環節是模切機核心環節包括沖壓和模切。

  模切機TOP5廠商:東莞鴻寶科技,先導智能,贏合科技,深圳興誠捷,深圳格林晟。

3.電芯合成

(1)卷繞機原理及其FA產品使用情況

圖11卷繞機原理及圖示

  卷繞機分方形卷繞機和圓柱形卷繞機,其中方形卷繞需要的張力控制更多,需要的伺服電機等也更多。

  卷繞機分四卷材料:正極材料、隔膜、負極材料、隔膜這四卷材料相互間隔,最后依靠卷針卷繞為一個電芯。一般一臺有三個卷針,可以通過換工位工作提高效率。卷繞機原理見圖11。

  正、負極材料在放卷、放卷糾偏、過程糾偏和張力控制各需要1個伺服電機控制,極片入位的時候各需要2個伺服電機控制的夾具完成;兩卷隔膜在放卷、放卷糾偏、過程糾偏和張力控制各需要1個伺服電機控制;三個卷針各需要1個伺服電機控制,且三個卷針換工位的時候需要1個伺服電機控制。

  通過以上分析可以得出,通常的卷繞機需要24個伺服電機來控制。假如正負極材料需要單卷,包括客戶對張力控制要求較高的話還需要再添加張力控制伺服電機,因此卷繞機伺服通常在24個以上,共需要1-2個中型PLC來控制。

  卷繞機TOP5廠商:先導智能,吉陽智云,珠海華冠,東莞雅康,贏合科技。

(2)入殼機、滾槽機原理及其FA產品使用情況

  圖12所示為入殼機原理。

    滾槽機通過PLC,繼電器控制各個氣缸配合動作,電機帶動整體高速運轉,將裝有電芯的圓柱鋼殼進行均勻的自動滾槽。滾槽機原理見圖13。

    滾槽機的主要部件為滾刀,轉動模芯也是決定滾槽質量的關鍵。

    入殼機、滾槽機TOP5廠商:東莞大眾機械、珠海華冠、鴻寶科技、深圳鴻博爾、深圳銘銳祥。

(3) 注液機原理及其FA產品使用情況

圖14 注液機原理及圖示

    注液主要是把電解液注入電池殼體中,注液機的核心工藝在于電池注液部分。注液機原理見圖14。

    注液機TOP5廠商:先導智能,廣東鴻寶,融捷股份,吉陽智云,深圳鉑納特斯。

(4)封口機、焊接機原理及其FA產品使用情況

圖15 封口機原理及圖示

   封口機工作原理:采用發熱管加熱上下封頭,至用戶設定溫度。封裝時,電池放在腔體內,進行完全抽真空后,電池封裝開始,上下封頭對電池的鋁塑膜進行短時間融化,并使上下封頭的對壓,產生一定壓力后,便把鋁塑膜的兩個面熔在一起,電池就被封好。封口機原理見圖15。

  機器的具體工作是利用轉盤的循環取料,進料、抽真空,刺破、封裝連續去實現的。

  封口機TOP5廠商:惠州卓特、東莞大眾機械、鴻寶科技、深圳圣瀚宇、深圳美爾達。

圖16 焊接機原理及圖示

    焊接機TOP5廠商:大族激光、大光激光、時代高科、蘇州迅鐳、深圳新控自動化。

    焊接機原理見圖16。

4.化成檢測

    化成檢測TOP5廠商:廣州藍奇、浙江杭可、珠海泰坦、廣州正業、融捷股份。

(1)化成工序

    化成就是將注液后的電池激活,使其具有儲存電的能力。

    化成柜一般不會用到伺服和變頻器,會用到一個小型PLC和HMI。

(2)分容工序

    分容就是將化成好的電池按照放電容量進行分類,以適合不同的容量需求。

    分容柜不用伺服和變頻器,會用到一個小型PLC和HMI。

(3)其他檢測工序

    除了化成分容外,還會有一些檢測設備對電池進行大電流充放電,檢測電池在大電流通過時是否會起火等。

六、鋰電池制造自動化設備FA產品市場分析

1.鋰電池制造設備FA市場

  按FA產品分類,2017年鋰電池制造設備FA市場見圖17。按行業分類,2017年鋰電池制造設備FA市場見圖18。

2.2017年鋰電池設備制造廠商FA品牌分析

(1)鋰電池設備PLC品牌份額

圖192017年鋰電池設備PLC品牌份額

  Omron(歐姆龍)PLC在鋰電行業應用最多,占比約31%,歐姆龍會和一些設備廠家聯合開發一些鋰電池專用PLC。

  Mitsubishi(三菱)的PLC占比份額居第二位,約22%。三菱的產品適應環境能力更強,性價比更高。2017年鋰電池設備PLC品牌份額見圖19。

(2)鋰電池設備HMI品牌份額

圖202017年鋰電池設備HMI品牌份額

  2017年鋰電池設備HMI品牌份額見圖20。Pro-face(普洛菲斯)和Siemens(西門子)的HMI在鋰電池行業應用較多。大廠商一般都會選用Pro-face。

(3)鋰電池設備伺服品牌份額

圖212017年鋰電池設備伺服品牌份額

  2017年鋰電池設備伺服品牌份額見圖21。Omron(歐姆龍)伺服在鋰電池行業應用較多,占到30%左右的市場份額,其次是Yaskawa(安川)和Mitusubishi(三菱)。

  伺服主要用在卷繞機、制片機和涂布機等關鍵機型,進行張力和糾偏等高精度要求的控制。

(4)鋰電池設備變頻器品牌份額

圖22 2017年鋰電池設備變頻器品牌份額

  2017年鋰電池設備變頻器品牌份額見圖22。

  ABB變頻器在鋰電池行業應用較多,其次是Inovance(匯川)和Mitsubishi(三菱)。

  國產的Inovance(匯川)也開始在鋰電池行業有應用,Inovance(匯川)通過推出鋰電行業專機和贏合等知名鋰電客戶簽訂戰略協議等進軍鋰電行業。此外國產的還有英威騰等的變頻器也有應用。

 

供稿:睿工業

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