鋰電池市場穩步增長，工控自動化大展拳腳
基於對汽車動力鋰電池發展前景的持續看好，據預測，到2020年，全球鋰電池的出貨量將達到279.9Gwh，其中汽車動力鋰電池的出貨量約為166.1Gwh。鋰電池市場未來幾年的穩步增長，為鋰電池生產設備行業提供了良好的發展機遇。
根據研究機構EVTank聯合伊維經濟研究院發布的《鋰離子電池產業發展白皮書（2018）》顯示，2017年全球鋰電池出貨量達到143.5Gwh，其中汽車動力鋰電池（EVLIB）的出貨量達到58.1Gwh，儲能鋰電池（ESSLIB）出貨量達到11.0Gwh，其他傳統領域鋰電池（SmallLIB）出貨量達到74.4Gwh。基於對汽車動力鋰電池發展前景的持續看好，EVTank預測到2020年，EVLIB的出貨量將達到166.1Gwh，從而帶動全球鋰電池的出貨量達到279.9Gwh；到2022年，EVTank認為全球鋰電池出貨量將超過400Gwh，達到428.6Gwh（如圖1所示）。
圖1全球鋰電池出貨量統計及預測（資料來源：EVTank，伊維智庫）
鋰電池市場未來幾年的穩步增長，為鋰電池生產設備行業提供了良好的發展機遇。從目前技術發展來看，在能量密度、續航里程等應用要求的驅動下，三元技術逐漸成為新能源汽車動力電池的開發主流；與此同時，動力電池企業「兩頭擠」的現象日漸明顯，在上游鋰、鈷、鎳漲價，以及下游補貼退坡、車企壓價的雙重壓力之下，產業鏈對技術、規模效應、成本控制能力的要求越來越高，這些都對鋰電池生產設備在技術開發和市場開拓方面提出了更高的要求。
圖2新能源汽車動力電池技術開發趨勢（資料來源：中金研究所）
鋰電池生產線是包含電極製作、電芯合成、化成封裝和包裝檢測等工序在內的大規模製造流程，生產工序鏈如圖3所示。作為自動化產線的基礎部件之一，伺服、運動控制、變頻器、感測器、機器人（手）等工控自動化產品和系統在當中發揮著越來越重要的作用。這些工控自動化部件產品可適應不同規模的鋰電池生產設備，其中包括：利用高性能AC伺服系統，實現高速、高精度定位和多軸同步控制等功能，提升生產效率；利用變頻器的高性能速度控制和轉矩控制，實現系統穩定、高速的運轉，保證高生產效率；使用張力檢測器、張力控制器，構建精準的收、放卷系統；通過運用輕量化的機器人/手（臂），實現工件搬運等等。
圖3鋰電池生產工序鏈（資料來源：觀研天下）
從目前的開發情況看，圍繞鋰電池前、中、後段生產環節，一批工控自動化廠商在攪拌機、塗布機、分切機、卷繞機、疊片機、搬運機器人等重點設備開發上投入了主要的精力，目標是解決現場生產過程中的難點，提高生產效率，保證產品品質。例如，在攪拌機部分，如何消除電池材料的不均勻、如何以適度的粘度進行攪拌；在塗布機部分，如何抑制張力變動，實現均勻塗布作業、如何在收/放卷是保持穩定的張力控制；在分切機部分，如何抑制卷繞錯位和收緊、如何整合裝置整體的驅動控制；在卷繞機部分，如何解決扁平卷材的凸輪製作困難、如何抑制電池和隔膜的錯位、如何克服張力控制的增益調整困難；在疊片機部分，如何有效控制加工工序的張力、如何抑制放置電極轉臂的振動；在搬運機器人部分，如何抑制機器人振動，進行高速搬運、如何實現視覺系統與機器人的協調工作等等。
整體解決方案成為決勝關鍵點
談到鋰電池生產設備對運動控制系統的需求特點，埃斯頓自動化集團運動控制事業部總經理江興科介紹說：「為了實現鋰電池企業較高的生產效率，用戶對運動控制系統的控制速度和控制精度的要求越來越高。為此，埃斯頓在現有產品和平台的基礎上，通過內部本地化的演算法團隊，深入應用現場，切實理解用戶的生產工藝，加快對市場的響應，針對應用需求不斷優化運控演算法，從而令到埃斯頓提供的整體系統解決方案能夠完全符合這一市場的實際應用要求。」據了解，目前埃斯頓定製化的產品及解決方案已被大量應用於鋰電池生產的分切、模切、卷繞、疊片、製片、分揀等環節，獲得了用戶的高度好評。
埃斯頓開發的鋰電池卷繞解決方案可提供圓形卷針和方形卷針兩種不同卷針形式下的張力控制精度，以及方形卷針下的異型收卷張力控制演算法。平台採用了TRIOMCx系列運動控制器，伺服刷新周期最小為125us，最多可以同時支持128軸，適合多軸應用場合，如製片卷繞一體機等。同時，平台全面升級採用了最新的伺服驅動，伺服軟體演算法更精準，性能更高。針對卷繞等設備對於響應的更高要求，平台採用了新一代EM3A低慣量高速轉速電機，搭配23bit多圈絕對值編碼器，控制精度大幅提高。
埃斯頓推出的飛剪/追剪系統解決方案採用高性能的TRIO控制器，在保證物料進給速度穩定的同時，可實時控制刀輥的運行速度，控制刀尖的線速度與物料進給速度完全相同，從而使得系統以指定長度實現切斷，且精度高，設備的加工效率也更高。
圖4埃斯頓開發的鋰電池卷繞解決方案及飛剪/追剪系統解決方案
行業工藝集成專機興起
深圳市匯川技術股份有限公司進入鋰電池設備市場已有三年多的時間，該公司行業總經理范穎超介紹到，匯川技術通過深耕工藝理解、集成工藝功能、開發行業定製產品等措施，目前可面向鋰電設備市場提供包括卷繞、疊片、模切、塗布、化成等全流程工序在內的一整套電氣解決方案，協助企業實現生產效率、綜合能效、企業效益的全面提升。
匯川技術鋰電池設備解決方案的一大亮點是行業工藝集成專機的創新開發。例如，針對傳統機械手末端體積大、質量重、結構複雜等缺點，匯川技術新推出的花鍵式Z軸模組將SCARA機器人的第四軸獨立出來，利用內部滾珠花鍵絲桿體積小、精度高、剛性高等特點，實現了產品的升降、螺旋、旋轉運動，使得設備的設計更為精簡化、精巧化，且提高了末端旋轉響應和控制易用性。
此外，匯川技術推出的花鍵直驅伺服也頗具特色，其利用複合設計理念，把穿軸針電機和旋轉電機集成於一體，大大簡化了傳動結構，獨創性地將花鍵螺母和電機轉子作為一體，單一產品即可完成旋轉和穿軸針運動，大幅提升了卷針結構的剛性和一致性，為方形卷繞的提速奠定了基礎。而針對鋰電池熱壓、化成等對壓力控制有較高要求的生產場合，匯川技術創新性地集成了壓力控制功能，研發出壓合伺服，滿足了對壓力高精度、高響應、快速調試的應用需求。
在鋰電池設備的整體解決方案上，匯川技術推出的方形卷繞機方案、激光模切機方案、高速疊片機方案等都具有較高的應用價值和市場競爭力。其中，方形卷繞機方案採用匯川技術AC810高性能匯流排型控制器，基於EtherCAT匯流排方案，完成整套系統拓撲搭建和工藝實現。同時，通過建立異型卷繞系統數學模型，自主開發變轉速演算法、張力控制演算法以及糾偏控制演算法，系統可完成高速低張力波動卷繞控制，線速度可達到1200mm/s以上。激光模切機則主要採用匯川AM600中型PLC，基於EtherCAT匯流排方案，完成整套系統拓撲搭建和工藝實現，並且通過FPGA高速比較輸出與激光器進行交互，最短反應時間可達10μs以內，使得模切更精準、控制更穩定。
圖5匯川技術推出的花鍵式Z軸模組、花鍵直驅伺服及方形卷繞機展台
加速FA與IT之間的融合
鋰電池的規模化生產製造帶來了對智能製造、工廠信息化建設的更高要求。目前的一個重要發展趨勢是，通過充分利用FA技術和IT技術，令開發、生產、維護等整個流程的整體成本有所縮減，其中包括：使能源整體「可視化」，以達成降低能耗和提高效率的目的；整合控制生產系統的控制器和人機界面、工程環境及網路，降低從開發到生產和維護的成本；利用邊緣計算，無需通信網關，直接連接生產現場和IT系統，以減少FA和IT的整合成本，提升生產效率和實現可追溯性等等。
歐姆龍是較早切入二次電池設備生產領域的國際廠商之一，也是目前鋰電池設備市場佔有率較高的品牌，其歷時3年不斷進化的「i-Automation」核心從intelligent(智能化)、integrated(控制升級)、interactive(人類與機械新協調)三個層次將工廠FA與IT技術完美結合，推動智能製造在鋰電池設備等生產現場的落實，幫助企業實更最高效益的生產。
尤其是歐姆龍智能製造理念「i-Automation！」中的integrated（控制升級）。為了實現更高品質、更高效率的生產，要確保可最大限度地發揮機械性能，幫助客戶實現高速、高精度控制，為此，歐姆龍新推出的機械自動化控制器NX1系列內置3個工業用Ethernet埠和電源，同時搭載了可將控制和信息融合的功能，可實現與生產效率同步的可追溯性，整合高速生產線的機器控制和安全控制，並可在生產線上完成高速檢查，在提高生產效率的同時，實現了信息活用、安全對策和品質管理的同步管控。
由於受到政策驅動的影響較大，使得新能源汽車市場的發展仍具有不確定性，這成為了當前鋰電池設備市場的一大特色。其次，在動力鋰電池的材料、工藝開發上也還處於不斷發展、提升的過程之中，令到生產設備的研發必須要緊跟終端製造廠商在材料選用、生產工藝方面的開發腳步，切實滿足現場生產製造的要求。面對潛力巨大的市場空間，競爭同樣日益激烈，行業解決方案的開發需要足夠的技術經驗和積累，要求參與開發的廠商能夠靜下心來，潛心研究、大膽探索，同時加強與終端市場的合作，以需求帶動技術開發，只有這樣才能真正提供滿足鋰電池生產工藝標準的自動化生產設備。
BOX：2018年鋰電池產業風向標
1、2018年5月，特斯拉上海全資子公司正式設立，這家美國車企在華「獨資」夢終於實現。數據顯示，中國市場佔據特斯拉全球近20%的銷量。位於上海的特斯拉公司並非工廠，其經營範圍主要是電動汽車研發，不涉及到生產，汽車行業分析師鍾師認為，特斯拉在上海設立的獨資公司，無疑是一個具有先導性、打前站的公司，為特斯拉將來的建廠做準備。
2、松下未來兩年有三座電池廠將實現規模量產：美國Nevada的超級電池廠2018年完全量產；松下日本Sumoto工廠，2018年增加的生產線將實現完全投產；松下中國大連電池廠2018年3月實現量產。
3、LG化學目前在韓、中、美、歐都建有電池廠，2020年電池產能將從目前的10GW增長至2020年的40GW，新建的波蘭電池廠投產後，EV電池產能增加55%至28萬片。另外，韓國三星SDI目前在全球有3座動力電池廠，目前匈牙利Goed工廠已落成，2018年第二季度投產，電池年產能為50000輛電動車/年。
4、2018年比亞迪的產品規劃中，乘用車換裝三元，發力A0級市場，切入共享汽車領域等等，彰顯了比亞迪對於未來清晰的目標。在動力電池領域，2018年，比亞迪還將在青海擴充10Gwh的電池產能，啟動建設「年產3萬噸電池級碳酸鋰項目」。
5、6月初，寧德時代正式登陸創業板。根據規劃，2018年上汽與寧德時代的合資項目規劃建設動力電池總產能36GWh，其中，一期總投資約100億元，計劃2018年底全面投產，形成18GWh產能。而根據此前寧德時代的計劃，動力電池的產能到2020年能夠達到50GWh。
除此之外，寧德時代也積極海外擴張，寧德時代董事長曾毓群在接受媒體採訪時表示，寧德時代正從歐盟三個地點中選擇一個，作為其在海外首個工廠的所在地，目前已接近定址。外媒援引一位熟知該計劃人士的消息稱，寧德時代已在德國、匈牙利和波蘭進行相關考察。
6、國軒高科與江淮和北汽的合作密切，目前正在進行的有江淮汽車一季度約1．1萬套江淮IEV系列轎車動力電池訂單，北汽新能源上半年2．3萬套北汽EC180及EC220轎車動力電池訂單。
此外，國軒高科近期也宣布確定為福特與眾泰合資公司開發的第一款車型提供三元622動力電池，該車續航里程達到350km以上。目前正在進行相關車型設計與開發工作。
在技術研發方面，國軒高科表示，已開發出三元811軟包電芯，能量密度到達302wh／kg，公司目前已開始建設相關產品中試線，計劃2019年開始建設產線。
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