Друзья привет!
Первую статью на Яндекс.Дзен решил посвятить тому как все начиналось, а именно как началось направление сборки литий-ионных аккумуляторных батарей с использованием ультразвуковой сварки.
Предыстория, лирика конечно, но она важна, хочу передать вам то внутреннее состояние и реальность в которой я находился, а кому-то может понравится наша модель мышления и он захочет наконец-то прекратить сливать бюджет и сделать нормальный рабочий продукт.
В далеком, далеком 2015м году в первые на моих глазах появилась тяговая литий-ионная батарея для 1,5т ричтрака в ИКЕА. Наша команда с 2010ого года обслуживает парк свинцово-кислотных батарей на складе магазина ИКЕА г. Новосибирск. На самом деле литий-ионные батарейки уже были на рынке, но так чтобы я мог на нее посмотреть в живую, произошло в первый раз. Веселье было в том, что клиент оплачивает за каждую единицу тяговой батареи, и когда в конце месяца я увидел счёт, в котором на 3000 рублей меньше, я понял, вот кто «уволит» меня с рынка облуживания свинцово-кислотных батарей.
Перепугался я тогда знатно, был молод и не опытен, это сейчас оказалось, что свинец еще ого-го-го и не собирается никуда уходить, но тогда, это был тот самый момент, похожий, когда вам голову пережимает дверьми в троллейбусе, да и водитель еще не замечает этого и начинает ехать… конечно же голова внутри троллейбуса.
Ок, подумал я, значит надо потихоньку готовиться, да еще и образование прямое по синтезу литий-ионных катодных материалов подталкивало меня – давай Саня, мол, ты справишься. Ага…
Прошло несколько лет и весной 2018 года появилась возможность, крохотный запрос на поломойку для распределительного центра крупной торговой сети. Было время и ресурсы, мы решили попробовать собрать решение на базе точечной сварки и никелевых лент (на таком подходе делают решения для велосипедов). Мы то его собрали, спаяли, сделали корпус, нашли поставщика силовой электроники и жо…а. ЭТО НЕ РАБОТАЕТ!!!!! Батарея ездила без всех возможных систем безопасности, без балансировки, без нормального протокола обмена данными с зарядным устройством и невероятно грелась вся проводка - никель ЭТО ПЕЧЬКА! Жесть!!! Мы конечно ни чего клиенту не сказали, уведомили, что на тест у них всего 2 недели, помолись и уехали с объекта. Через 2 недели забрали батарею себе. Клиент был доволен – поломойка каталась. Батарея после этого была разобрана и никогда более не использовалась.
Далее встала задача – как собирать решения для складской техники и поломоечных систем, а также делать спец заказы с различными системами охлаждения и сложными системами управления.
Вторым источником полезной информации для нас стала наша система контроля за тяговыми батареями и складской техникой STOPiT, разработка велась в ООО «АКБ Мониторинг» созданная специально для контроля за тяговыми батареями, она позволяет в режиме реального времени контролировать не только параметры батареи, но и людей обслуживающих её. В последствии ее полюбили большие ребята с парком батарей более 50 шт. там без автоматизации делать нечего.
Ну ладно исходные данные есть, они делятся на 2 направления. Первое это требование к сборке самого модуля (о ней я расскажу в следующей статье) и второе это технология сварки литий-ионных элементов вместе.
Анализ рынка тягового направления показал, что конкуренты не сильно парились собирали на «болтах» т.е. брали готовые элементы литий-ионных аккумуляторов из Китая 3,2В 240-360Ач и собирали их медными перемычками. Решение супер, но мозг говорил обратное, просто свербел, думай САША думай говорил он. «Дешево – дорого», это не правильный подход.
И да, после анализа решения оказалось следующее:
- элементы стационарного назначения, электроды попросту висят на борнах, а на складах весьма хорошая вибрация у техники нет рессор и такие решения за редким исключением работают больше 4-5 лет. А должны более 15 лет.
- средний мотор на погрузчике 8-12 кВт, плюс гидравлика до 4х кВт, получается что для батареи 48В 360Ач (17 кВт*ч) емкости импульсная нагрузка доходит от 1С до 3С, на что стационарные решения плохо реагируют отслоением активной массы электрода от токо съемной пластины.
- корпуса изготовлены из полипропилена, а он ужасно проводит тепло, поймать перегрев на таком элементе очень просто, больше 1 цикла заряда в день система не выдерживает, бывали даже случае вскипания и мгновенного выхода литий-ионного аккумулятора из строя.
- обычно клиенту нужна батарея в течение пары недель, ну может месяца, а только поставка элементов идет до 4х месяцев, а держать объем разных элементов на складе — это огромные затраты, с такого начинать опасно.
Мы решили, что надо делать правильные сборки, основывались на следующем:
- Клиент должен получать ровно ту ёмкость, которая ему нужна для производственного цикла. Т.е КЛИЕНТ выбирает что ЕМУ нужно, а не ПРОИЗВОДИТЕЛЬ элементов диктует, что клиенту правильно.
- Элементная база должна быть EV (electric vehicle) стандарта.
- Безопасность должна быть МАКСИМАЛЬНАЯ.
- Силовая часть должны быть с 3-5х кратным запасом, чтобы импульсные тока не перегревали проводники тока.
- Решение должно соответствовать DIN стандарту свинцово-кислотных аккумуляторов, чтобы можно было легко одним решением закрыть все возможные варианты тяговых батарей. Этот пункт больше для тягового направления, остальные для всех направлений.
После этого стало проще, вот она цель по сборкам. И очевидно:
- Цилиндрические элементы 18650, 21700, 26650 и др. с CID мембраной – безопасность на первом месте, плюс металлический корпус для хорошего теплоотвода и возможность купить элемент у множества производителей, так сказать подстраховка по поставщику.
- Силовая часть должна быть с расчетом до 1000 Ампер (а лучше больше) чтобы можно было собирать взрослые решения, например, для большой складской техники, тягачей или установок для выравнивания льда на катках. Взгляд пал на алюминий, его много, с ним удобно работать дальше оставался вопрос как все подружить.
- Затраты на сборку должны быть небольшим, чтобы не удорожать элементную базу, так как батарейка и так очень дорогая часть в больших решениях.
Мировой рынок на начало 2018 года предлагал следующие технологии:
- Болтовое соединение. Берешь готовый элемент и собираешь. Минусы я указал выше, в добавок можно указать что типоформатов элементов очень мало и на них можно делать только ограниченные продукту, чего хотелось нам избежать.
- Лазерная сварка токоотводов у pouch cell. Сам элемент по сути это кофейный пакетик из ламинированного алюминия толщиной 200мкм. Это решение нашло себя в простых решениях на большом объеме, например, в электромобильной отрасли, почти все крупные бренды делают именно так, например, у Nissan Leaf выполнены как раз по такой технологии. Плюс – на серии очень дешево. Минусы таких элементов ОЧЕНЬ мало, т.е. их буквально на рынке с 3-5 форматов и из них каши не сварить. Плюсом под каждую сборку нужен отдельный корпус так как ламинированный алюминий очень плохо держит габариты, его можно смять и т.д. в итоге нам не подходит.
- Лазерная сварка цилиндрических элементов – решение разработано в Германии, там же видимо и похоронено. Проблема в том, что нужны очень точные размеры всех деталей, вплоть до 1 мкм. Т.е. это рабочее решение опять на объем, когда есть пресс-формы для матриц и токопроводящие шины также очень высокого качества исполнения. Плюсы – быстро. Минусы – очень дорого и вся цепочка деталей должна быть своя. Не наш вариант.
- Точечная сварка – очень много думали про нее, вроде и не очень дорого по оборудованию, и расходники вроде холдеры копеечные да никелевая лента. Но силовые высокотоковые решения на ней делать очень сложно, нужна медная пластина с наваренной на нее никелевой пластиной. Этого оборудования в РФ нет, да и медь весьма дорогая. Далее идет качество сварки – ее вообще не проверить ни как, как мы не бились с поставщиками оборудования, они молвили одно – тест на емкость, но это время, очень много времени. Смысл в том, что сварка происходит за счет нажатия 2х медных токоотводом на никелевую ленту, прижимая ее непосредственно к элементу. Проходит ток, и никелевая лента вваривается за счет разогрева в элемент. И ТОННА нюансов. Вместе с лентой приваривается медный токоотвод. Элемент покрыт антикоррозионным маслом, и с первого раза может не получиться хороший контакт. Итого решение норм для мелких сборок, крупные решения на нем делать мы не захотели, да и по цене дорого это оказалось.
- И тут Илон Маск вылез (чуть пораньше, но не суть) с решением по ультразвуковой сварки. *Суть решения очень простая, токосъемную шину соединяют с элементом питания алюминиевой/никелевой/медной проволокой, при этом саму проволоку методом трения и давления приваривают к элементу и шине. Генератор работает в ультразвуковом диапазоне, он выдает более 40 000 Гц (вибраций в секунду), и при ширине наковальни, которая давит на проволоку с массой 1,5 кг и площади пятна менее 1 мм2, создается давление около 1000 тонн на 1 м2 и безумного трения происходит молекулярное втирания алюминия в поверхность без разогрева элемента в целом.
По Маску на самом деле все было по-другому, когда он заключился с Panasonic, а те массово производили только 18650, тогда у них выхода не было, надо было адаптировать какую-то технологию под этот формат элементов, тогда-то и родилась эта ветка в индустрии. Далее мы нашли 4х производителей оборудования, 1 в Германии, 1 в США и 2 в Китае. Ценник на Западе был дикий, поэтому мы полетели на Восток. Низкорослики (у меня рост 198 см) встретили нас отлично, 4е поколение станка, 8 лет в нише, более 100 выполненных заказов. ОК. Цена очень высокая, но производительность эквивалентна 1000 электробусов в год, дешевые расходники сильно нас подманили, из минусов инструкции нет даже на Китайском.
Решились на станок по ультразвуковой сварке
И твердо считаю, что не прогадали! Мало того, что можно делать сборку литий-ионных аккумуляторов любой формы, так еще и добавляется еще один элемент защиты – перегорающая от высокого тока алюминиевая проволока, что ОЧЕНЬ круто и утяжеление сборки происходит всего на 4%, что позволяет использовать технологию даже в eVTOL (electric vertical take-off and landing) направлении, что в последствии мы и стали делать.
Кстати я продал квартиру и влез в долги, чтобы его купить… ох в семье мне досталось... no comment.
Далее почти год учились на нем работать, подбирали способы подготовки поверхности, анализировали настройки и прочее, много энергии и бессонных ночей, в итоге нашли все нужные режимы, освоили кучу разных вариантов сшивки, умеем даже делать сшивку с расположением алюминиевых шин только с одной стороны модуля, это нужно если уж совсем нет места в корпусе.
Вот так весело начиналось направление по разработке и производству сборок литий-ионных аккумуляторов в Энергоэлементе!
Если вам понравилось, поставьте пожалуйста лайк, напишите комментарий, а лучше сделайте заказ, наши продукты этого достойны!:)
С уважением,
Александр Логинов,
“Энергоэлемент” - Оживляем ваши творения!
P.S. с удовольствием отвечу на ваши вопросы, напишите их пожалуйста в комментарии. И жду вас в телеграмм и на страничке YouTube