新能源锂电池智造行业机器人技术创新应用淺谈

  目前移动机器人在新能源行业的应用主要集中在锂电、光伏两大细分领域；新能源行业涵盖范围较为宽泛，通常包括锂电、光伏、风电、氢能、核能等。近年来，我国新能源行业蓬勃发展，在锂电领域动力电池产能约占全球70%的中国正处于新一轮能源革命的“风暴中心”，锂电池的需求量越来越大，锂电池上下游的产能都在爆发式增长；在智造规模、研发技术、市场应用、体系建设等多方面都具有领先地位；本文围绕新能源行业移动机器人应用场景及需求特点、核心技术产品及解决方案创新与应用、如何选择移动机器人解决方案、现存挑战与应对建议、未来趋势与探索方向等内容做出全面分享。

    移动机器人解决方案以快速交付、更高效、更柔性等优势能力帮助新能源行业企业快速投产，抢占市场窗口期，加速实现转型升级，增效降本，因此得到了企业青睐，尤其是在行业得到了较为广泛的应用，甚至可以说已经成为了企业兴建工厂的“标配”；为了适应锂电行业的高速发展，锂电设备包括及锂电回收设备、电池生产企业在智能制造方面大力部署；机器人作为智能设备的典型代表，在锂电行业的应用已经初见成效，从工业机器人到移动机器人（AGV/AMR）均越来越多的出现在各大锂电池厂商生产作业现场，并且认可度持续提升；一方面，锂电行业的扩产潮及锂电使用回收周期的到来为机器人应用带来了新的需求；另一方面，机器人可以更好的满足锂电柔性制造的需求，随着5G、工业互联网等技术的逐渐成熟与应用，5G+机器人、5G+AMR的应用开始成熟落地，加上工业互联网技术的加持，有望为锂电智能制造水平提升提供助力。

一、锂离子电池概述：锂离子电池的种类很多，按使用的正极材料不同又可分为：锂钴氧型，锂镍氧型和锂锰氧型以及三元材料电池；从外形将电池分为：方形，扣式(或钱币型)和圆柱形三种；锂离子电池是指分别用个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正负极构成的二次电池。

1、其工作原理如下：

2、锂离子电池大致结构是一致的，主要包括以下部件:正极，负极，电解质，安全阀，隔膜，正极引线，中心端子，负极引线，绝缘材料，电池壳和密封元件。

1）正极主要包括钴酸锂等正极材料与乙炔黑导电剂，有机粘合剂涂覆于铝箔纸上构成电流收集极；

2）负极主要是铜箔纸上涂上碳材料。

3）电解质溶液一般为全固态电解质或者凝胶聚合物等；

4）电池正负极材料用聚丙烯或聚乙烯薄膜隔开；

5）外壳一般为不锈钢、镀镍式塑料外壳，铝合金外壳。

6）除此之外，安装有安全阀等以保证电池正常输出，也可以保护短路时的电路

二、锂电智能制造行业的场景需求特点

1、行业需求特点：新能源行业的供应链环节相对固定，生产节拍争分夺秒，物流设备需要保证高效、稳定，移动机器人也不例外；锂电行业由于规模化生产相对成熟，且需求旺盛，产品货值高，因此对移动机器人的需求特点是高精度、高灵敏度、高柔性、高效率；光伏行业由于技术迭代快，柔性化、定制化是其主要的需求特点。

1）新能源行业移动机器人具有相当明显的细分领域需求特性，在锂电原材料仓库，锂电原材料化学成分多且密度高，对移动机器人的安全性、可靠性、稳定性要求更高，需要进行禁锌、铜、镍等防磁性异物处理，对设备、方案设计和现场实施都有一定挑战；

2）其次锂电原材料主要以吨袋形式存储，需要一套比较规律的存储方案，包括如何做外部清洁、吨袋怎么吊装、吨袋与车间的交付关系等等，都会涉及到整个方案的规划设计和与移动机器人的配合。

3）在锂电的电池生产车间，需要24小时连续生产，需要移动机器人具有很高的开机率和对接精度；此外，现场堪称“狭窄”的空间要容纳上百台机器人的自主交互作业，需要有很强的算法能力支撑，对移动机器人行业是一个非常大的挑战。

2、具体应用场景及要求：目前移动机器人主要应用在新能源行业的企业工厂生产车间和仓库两大场景中。

1）在生产车间，AMR来实现加工产品在不同工序之间的流转和搬运。通常每个车间每天的工件流量特别大，如何在有限的物理空间里，做到高流量、多任务、多场景协同作业，这就对集群式移动机器人提出了更高的要求：一方面需要移动机器人具有很强的硬件稳定性和单体智能，另一方面还需要有一套强大的作业和调度系统来处理集群协同作业，也就是说，系统得具备很强的群体智能决策能力。这就更近一步需要物流方案提供商既能打造稳定可靠的软硬件产品，还要有对行业工艺流程相当了解，对上下游系统具备对接能力。

2）在仓库，车间生产所需的原料和半成品，以及成品，很多会存储在仓库中，这就会涉收、拣、存等多类移动机器人的运用。以存储环节举例，企业有两个主要选择：一个是以堆垛机存取为主的传统稳健性流派，一个是以四向车存取为主的面向未来的密集存储和柔性拓展流派，涉及AMR、机械臂、四向车、智能叉车等不同类型的移动机器人的协同作业。从企业需求变化来看，为了获得更高空间利用率、更高效率，以及产能达标后进一步扩展的灵活性，相当一部分客户逐渐从堆垛机存储的形式，转向柔性化、密集存储的形式。

3）锂电行业现阶段成熟且大规模应用移动机器人的仅有生产工艺中的PACK段，其他工艺环节虽有应用案例但仍在实现规模化突破；前段工艺主要是卷料、铜箔、极片等运输环节，主要采用无人叉车为主的智慧物流系统实现原材料上下料工序；中段工艺主要是电池模组转运环节，主要采用二维码背负滚筒解决模组线的上下料搬运工序；后段工艺是目前主要应用的环节，主要集中在电池PACK线的上下料、线边转运工序，采用二维码导航及磁导航的标准搬运车型；原料/成品出入库环节主要应用无人叉车实现原料/成品搬运、码垛等工序。

3、目前工业机器人在锂电行业应用主要呈现以下几个特点：

1）以电池生产中后端工艺及PACK为主；锂电池生产工艺中端环节的叠片、焊接、封装等工序涉及工业机器人较多，因为要保证生产效率及产品一致性；后端检测、组装和PACK涉及工业机器人也较多，因机器人能满足较大负载的抓取、搬运动作。

（1）锂电池生产环节工业机器人的应用情况：

（2）数码电池以SCARA为主，动力电池以多关节机器人为主；SCARA在实现产品的快速转型以及取代直线滑台上具有优势。在数码电池的生产过程中，因为电池产品种类多，需要频繁换型，SCARA使用量比较大；而动力电池产品相对单一且体积和重量较大，在产线后端的搬运和装箱上使用大负载的多关节机器人更方便；锂电池生产环节机器人应用种类及领域：

2）智能仓储物流系统提升生产及管理智能化;锂电池企业越来越重视其原料仓、线边仓及成品仓的智能化管理，因此越来越倾向于利用自动化立体仓库提升厂区空间的利用率及电池的便捷存取，同时使用AGV/AMR实现工艺之间的物料、半成品的运输，便于生产物料的监管。此外，将电池生产工艺与自动化物流系统完美结合，通过存储设备、输送设备、装盘区设备、NG站等专机，实现电池生产全工艺过程的自动化、智能化，达到生产企业预期的指标。

3）国外品牌主导工业机器人应用，国产品牌主导移动机器人应用:锂电行业使用较多的工业机器人是多关节机器人与SCARA机器人，外资品牌基于品牌与产品长期可靠性的优势，在锂电行业占据一定的主导地位，大部分锂电厂商均采用外资品牌机器人为主，少量试用国产品牌机器人。

4)锂电行业的移动机器人（AGV/AMR）应用则是以国产厂商为主导，国产厂商基于高性价比、高稳定性、高服务品质的优势，不断获得锂电厂商的认可。此外，国产移动机器人（AGV/AMR）企业还可针对锂电行业特定场景专门开发定制类产品，在一定程度上解决了锂电厂商的痛点，并获得持续订单需求;其中移动机器人（AGV/AMR）在产线工序衔接及线边仓的重要程度已经无可替代，根据AGV在锂电行业的应用现状得出如下趋势：

（1）AGV自身精度进一步提升：对于电池生产线而言，前端工序涂布、辊压、分切机台自动上下料的最大难点在于对接精度要求高，单纯仅靠车体自身的定位精度/对接精度较难实现，一般会使用相机等来辅助定位提高精度，这就产生了时间成本，因此，提高AGV自身的精度对产品应用及生产效率都至关重要。

（2）AMR替代传统AGV：基于动力电池制造柔性与协作性要求较高的工艺环节，采用无辅助定位标识的SLAM导航的AGV（或AMR），可以更快的实现生产部署，同时更加灵活的路径规划及避障算法将节省运输效率。这种技术给部分替代传统AGV带来了可能性。此外，也可进一步解决极卷输送频次高、料架精准对接、车间空间复杂和人车混流等应用难题。

（3）AGV定制化需求提升：针对不同种类电池企业的产线差异，需要根据电池生产工艺做出定制化的AGV，同时，还要考虑电池生产线的空间及布局，以便能够较快速的进行自转、绕行等路径的规划，从而提升定制化AGV的易用性。

（4）此外应更加深化AGV自身在智能制造体系中的利用率，保证与锂电行业设备所需的通信、抗干扰等能力，同时结合5G进行实施状态监测和数据上传，提高数字化管理及大数据监测的智能化生产。