车用圆柱形三元锂电池焊接改善研究与应用*

于志刚，王亮亮，谭涛

车用圆柱形三元锂电池焊接改善研究与应用*

于志刚1，王亮亮2，谭涛3

（1.成都工业职业技术学院汽车工程学院，四川 成都 610213；2.重庆市汽车动力系统测试工程技术研究中心，重庆 400050；3.成都雅骏新能源汽车科技股份有限公司，四川 成都 610100）

圆柱形三元锂电池在电动汽车上广泛应用，针对生产制造中行业内普遍存在的焊接质量不良、生产效率低等关键问题，分别从人机料法环测等全面质量管理角度进行改善研究，打通了生产瓶颈，为车用圆柱形三元锂电池焊接推广应用中可能会遇到的制造技术问题的解决提供参考。

电动汽车；电池；圆柱型电芯

前言

近年来随着18650型圆柱形三元锂电池在特斯拉车型上的应用[1]，带动了圆柱形三元锂电池在电动汽车行业内的应用热潮，如今圆柱型三元锂电池已广泛应用于电动汽车[2]，在车用圆柱三元锂电池PACK过程中，考虑到电动汽车对电池性能、可靠性、使用环境、可行性、生产成本等因素，普遍采用电阻焊焊接形式[3]，然而在实际电池PACK生产过程中发现，焊接质量、生产效率成为制约圆柱三元锂电池PACK生产瓶颈。

通过某型电动物流车上实际应用的75度圆柱型三元锂电池包投产过程中焊接实验，从人机料法环测全面质量管理要素探索分析焊接质量改善策略、生产效率提升路径。

1 焊接工艺参数探索

1.1 实验策划

1.1.1实验方案

1）实验名称：电阻焊接实验；

2）实验材料：电芯，80个；镍带，2米18*0.15；砂纸800目，3张；

3）实验组数：80组；

4）实验方法：恒压模式；同等参数试验组数10组，分析稳定性；

5）判定基准：熔接强度４点熔接：70N以上；剥离时的电极片的穿孔大小必须与熔接痕迹同等面积；电极片穿孔数：４点熔接，有３点以上的电极片穿孔；通过模组震动实验、电芯溶深度实验（委外）；

6）注意事项：严禁非相关人员操作设备；实验操作者，必须佩戴防护眼镜；实验结束，按照设备操作指导关机，断电，断气；实验车间严格执行车间5S工作；实验量具的管理，实验量具属于精密仪器，做到轻拿轻放，严禁重击敲打。

1.1.2实验结论

1）焊接参数设定范围：恒压模式：电压3.0V-3.5V；焊接时间2-3ms；焊接压力1.2kg（一个刻度）；

2）实际拉力值70N以上，穿孔4个；

3）通过模组震动实验、电芯溶深度实验。

2 试生产现状

2.1 试生产总体情况

按照探索出的工艺参数进行小批量试生产，生产效率、质量及焊针打磨频率情况如表1。

表1 试生产统计

2.2 焊接质量异常

表2 质量异常统计

备注：上表不良现象包含不良现象描述及数量（此数量是指整个模块中出现异常的电芯数）。

试生产运行2个小时共生产29 PCS，异常 16PCS，异常统计见上表2，异常如图1、图2所示。

图1 两点虚焊示意

图2 一点虚焊示意

3 分析与改进

3.1 质量异常分析与改进

基于全面质量管理5M1E[4]（人-机-料-法-环-测）法对点焊不良进行分析，分析图见图3，制定对策。

图3 5M1E分析

3.1.1人的因素

工艺部门制订点焊技能培训资料，并组织对点焊工位操作员进行培训。

培训资料构成：

1）电阻焊原理；

2）点焊工位基本操作流程；

3）异常判定方法。

3.1.2机器设备因素

此处仅进行分析和初步改进，设备产能将在专项中进行改善。

1）调整点焊平台，通过水平仪确认至水平状态（含设备整体及模块放置区局部水平）；

2）验证对比选用易购买，易加工，且保证焊接效果之电极棒；并同步寻购打磨工具；

3）针对选用的电极棒，实施参数DOE，达到焊接拉力及电极棒寿命最佳平衡；

4）铜镍片固定方式（酌情考虑取消压条，针对产品设计专用治具固定）。

3.1.3物料因素

1）针对不同材质镍片应有与之相对应的点焊参数；

2）上线物料必须保证材质一致性；

3）针对镍片应作出材质要求，并签定相应的材质承诺书；

4）来料时应要求供应商按批次提供材质证明，以保证材正确性及一致性。

3.1.4作业方法、环境及检测因素

1）验证确定电极棒打磨方法，更换周期；

2）使用治具辅助电极棒更换、调整；

3）对车间温室度定期点检；

4）对设备加装降温装置，以期消除温度对电极棒的影响；

5）酌情考虑对车间增加温湿度控制设施；

6）设计，验证治具，用于对点焊焊点的检测。

3.2 设备产能分析与改进

3.2.1设备运行流程分解

由于采用自动化焊机生产，所以生产效率主要取决于设备，下面将设备生产动作过程进行剖析，见图4。

图4 自动点焊机工作过程

3.2.2优化设备运行轨迹

通过分析，设备运行过程中存在如下问题：正常运行治具A点运行至C点焊接位需要时间为4S，运行原理为模块焊接完成后治具流出，焊接工位治具末端流出超过C点时，A点待焊接治具开始向C点焊接工位运行，所需等待时间为2S，见图5所示。

图5 设备运行轨迹示意图

改善对策：如图所示A点为待焊接挡块位，B点为夹紧2气缸位置，公司产品长度原因长时间不需要使用B点气缸，模块治具由A点运行至B点需要3S时间，将A点位置与B点位置互换，相应M9N电磁感应器进行互换，屏蔽夹紧2气缸，使待焊位与焊接位之间距离缩短，减少运行等待时间，设备焊接整体效率提升3S。

3.3.3设计专用工具

分别从焊针冷却、调节及焊点检查等方面设计新的专用工具，见图6所示。

图6 专用工具图

4 改进验证

4.1 改进后生产统计

通过系统性改进，生产质量、生产效率、焊针打磨频次均发生大幅改进，见表3：

表3 改进后生产统计

4.2 改进效果

通过5M1E系统角度分析及针对性改善，尤其是点焊参数的调试及周边辅助工具工装的使用，点焊工序产能，直通率及焊针打磨频率都呈现良好的向上趋势，见图7、图8、图9。

图7 产能对比

图8 直通率对比

图9 打磨频率对比

5 结论

本文通过焊接实验，探索可行的焊接工艺参数，经过试生产验证，利用基于全面质量管理5M1E的人-机-料-法-环-测法对点焊不良和生产效率低等行业内普遍存在的难题进行分析和改进，生产验证表明，生产质量直通率提升了100%以上，产能从提升了49%，焊针打磨频率提升了100%，打通了生产瓶颈，为车用圆柱形三元锂电池推广应用中可能遇到的制造技术问题的解决提供参考。

[1] 刘春娜.特斯拉汽车电池技术及策略[J].电源技术,2014,38(07): 1201-1202.

[2] 张燕梅.电动汽车用圆柱三元锂电池性能研究[J].汽车实用技术, 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] 丁帅,贾帅锋,李琦.浅谈涂装车间5M1E的变更管理[J].汽车实用技术,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

于志刚，硕士研究生，汽车设计高级工程师，现任成都工业职业技术学院新能源汽车技术带头人，主要研究汽车设计及制造技术，在西南交通大学学报、材料保护、中国安全生产科学技术等国内核心期刊发表10余篇学术论文，取得发明及实用新型专利授权10项。

四川省科技计划项目（编号2016GZ0024）资助。