動力 + 儲能產能爆發, 鋰電池設備、零部件供應趨緊

文: 編輯部2022年第二期

  當前,全球鋰電池行業進入到新一輪擴產期,不僅動力領域在擴張,儲能和 3C 數碼領域也同樣加速成長。這些市場的集中擴產,對鋰電池生產設備的需求呈現出爆發式的增長,在這一趨勢下,也對設備廠商的供應能力帶來了巨大的沖擊。作為鋰電池設備供應鏈中的一環,包括 PLC、伺服系統、直線模組、工控機、機器人、IO 模塊等產品線在內的眾多工控自動化廠商迎來了一次良好的發展機遇,但與此同時,在產品 / 方案的技術開發、企業供應鏈的管控等方面也面臨著一定的考驗。

鋰電池

  產能迅猛擴張 原材料價格暴漲

  根據工業和信息化部發布的數據顯示,2021年全國鋰電池總產量約為324GWh,同比增長106%;其中消費、動力、儲能型鋰電產量分別為72GWh、220GWh、32GWh(如圖1所示),同比增長依次為18%、165%、146%,從中可見,動力和儲能已是鋰電池增長的兩大細分市場。動力鋰電池市場主要指的是電動乘用車、電動客車、電動自行車、電動工具等領域;儲能市場則主要包括新能源儲能、通訊基站儲能、工商業儲能、家用儲能等領域。而在近期工信部公布的最新數據顯示,今年前兩個月全國鋰電總產量超過82GWh,其中儲能電池產量超9GWh,新能源汽車動力電池裝車量約30GWh,與上年同期數據相比,均繼續保持高速增長的勢頭。

  新能源汽車一直都是鋰電池行業重點的開發市場。在今年的“中國電動汽車百人會年度論壇”上,國家發展和改革委員會副主任林念修表示,2021年新能源汽車行業呈現出市場和政策雙輪驅動的特征,在市場化程度逐年提高的同時,要統籌布局好新能源汽車產業高質量發展,引導產業向發展基礎好、產能利用充分的地區和主體聚集,在現有基地打造合理規模之前,不再新增產能布點。

  在新能源汽車產業高質量發展的大趨勢下,2021年可謂是動力電池行業的技術大年,圍繞能量密度、安全、成本、循環壽命這些重要指標,廠商們紛紛推出一系列新技術路線的鋰電池產品。一些值得關注的開發動向有:寧德時代推出的第三代CTP高效成組技術(內部稱其為麒麟電池)預計于今年四月正式發布;蜂巢能源開發出無鈷電池、果凍電池等;比亞迪于4月3日宣布停止燃油汽車的整車生產,其開發的刀片電池開始在國內多家車廠的整車中得到運用。另外,在海外部分,松下電器集團宣布將力爭在3年內實現無鈷電池的量產;今年1月LG化學旗下子公司LG新能源正式登陸韓國證券交易所,募資總額達到110億美元,成為韓國資本市場有史以來最大的一次IPO,發起了對全球鋰電池市場第一位置的強力沖擊。

  而在儲能市場,去年4月中央兩部委發布的《關于加快推動新型儲能發展的指導意見(征求意見稿)》要求,到2025年新型儲能裝機規模要達到3000萬千瓦以上。國泰君安表示,至2030年,以發電側和用戶側新增儲能滲透率達到60%以上計,全球儲能新增市場需求將達1361Gwh,十年復合增長率突破150%;中國市場儲能也將突破660Gwh,產業規模達到33.1億元。

  2022年以來,整體鋰電池市場的一個突出現象是上游原材料價格的飆升,如:電池級碳酸鋰從去年年初的約5萬/噸,一路暴漲到近期的約50萬/噸(如圖2所示),加上鎳、鈷、銅等電池原材料的價格也一路攀升,使得多家動力電池廠家的產品價格普遍上漲了15%,甚至部分客戶漲幅達到20-30%。有行業專家指出,今年材料漲價的一個原因就是整車需求的增長,電池預期走高,企業擴大產能、增加儲備;另一個原因是供給延遲,因為典型的礦石生產的碳酸鋰,產能釋放周期是3-5年,鹵水提鋰周期更長;另外疫情沖擊也影響到鋰資源的生產,特別是交通運力影響了貨物供應。并且,這波“瘋狂”也直接傳導至下游整車終端,今年以來,特斯拉、比亞迪、小鵬、東風小康、上汽通用、愛馳等車廠陸續發出漲價通知,漲價趨勢仍在蔓延之中。

  鋰電設備邁向自動化、一體化和智能化

  得益于鋰電池行業的高速發展,以先導智能、贏合科技、利元亨、海目星、杭可科技、大族激光、吉陽等為代表的一批中國本土鋰電池設備廠商在最近幾年迅速崛起,并且跟隨著鋰電池廠商的腳步,在實現產能擴張的同時,國內廠商也快速打開國際市場。根據高工產研鋰電研究所(GGII)近期發布的統計數據顯示,2021年國產鋰電池設備市場的規模約為575億元,與上年同期相比增長速度翻了一倍(如圖3所示)。

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圖 1 2021 年全國鋰電池總產量統計

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圖 2 2021 年 -2022 年 3 月碳酸鋰價格走勢

  2022年產業供應鏈的緊張局面同樣傳導至鋰電池設備環節,大部分鋰電池專機設備的價格呈現逐漸提升的趨勢,較上年同期訂單價格的漲幅約10-20%,具體價格漲幅與客戶體量以及是否簽訂長期協議有關。目前設備供應商的正常交付期一般為3個月,去年由于擴產量較大,交付期基本都有1-2個月的延遲,相對而言,大型供應商的交付與售后服務能力更強?,F在對于大多數鋰電池設備公司來說,最主要的工作就是“保供”,那些能夠在短時間內快速提升產能、按時完成客戶交付的廠商,將在未來的競爭中贏得先機。

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  圖 3 2017-2021 年中國國產鋰電設備市場規模統計(單位:億元,%)(備注:鋰電設備僅針對生產環節中使用的設備,不包含機器人及國外進口設備,數據來源:高工產研鋰電研究所 (GGII),2022 年 3 月)

  在技術開發方面,現階段,加強鋰電設備自動化、一體化和智能化研發,幫助客戶不斷降本增效,是眾多廠商重要的工作目標。例如:整線和單機在開發的難度上呈幾何倍數增加,先導智能經過十余年的深耕,目前在前段、中段和后段整線產線的開發上保持著一定的優勢;贏合科技研發出了高速切疊一體機、一出六激光模切分切一體機、高速包膜入殼機等創新設備,持續在效率、成本、安全指標上突破技術與制造“極限”;利元亨敏銳捕捉到疊片機的發展先機,深入研發高速動力切疊一體機,現已獲得行業頭部企業的廣泛認可,實現批量生產,此外,對于新型 4680 電池,利元亨也已提前儲備好對應的研發技術,目前驗證平臺數據反饋較穩定,卷繞、揉平、裝配、焊接、化成等每道工藝的參數都達到技術要求。

  緊跟鋰電設備行業的迅猛發展,作為關鍵功能零部件供應商的伺服系統、運控系統、直驅技術等產品線廠商也積極投入到這一波建設熱潮之中,同時機器視覺、傳感器等先進技術也正在被逐步引入到這一領域,為鋰電池設備的自動化、一體化和智能化發展奠定堅實的基礎。

  運動控制:高速、高精、標準化

  在動力鋰電池設備中,常用到的工控產品包括:PLC、伺服系統、直線模組、工控機、機器人、IO模塊等等。由于應用規模較大,例如有的一臺鋰電設備就需要使用到超過50部以上的伺服驅動器,因此用戶市場對于伺服產品的性價比要求較為嚴苛,這令到某些市占率較高的日系品牌比較具有優勢。與此同時,從去年開始,上游芯片元器件供應普遍趨緊,一些國際廠商的供貨交期拉長,在目前鋰電池設備廠商全力“保供”的前提下,這也為國內工控廠商提供了一個良好的市場機會。

  在涂布、模切、卷繞、疊片、頂蓋焊等對設備的運行速度、精度、穩定性等要求極高的核心工序中,運動控制系統正發揮著越來越重要的作用。以雷賽智能基于EtherCAT總線的PLC+伺服+步進運動控制解決方案為例,系統提供3.2kHz速度環帶寬、最小125μs總線周期,實現快速高效的響應和高控制精度;電流環20MHz的采樣頻率,實現高精度張力閉環控制;優化的歸一化增益參數,結合單參數MFC調整,實現快速高效伺服調試,以應對軸數多調試耗時問題;通過對工藝流程的不斷深挖,優化各軸間協同配合,提升關鍵軸效率,減少等待時間,可滿足涂布、疊片、卷繞、封包、注液、化成等工序的應用要求。其中,PMC600系列中型PLC運動控制器具備豐富的控制功能,內置高速飛拍及鎖存、多種行業功能算法、支持IEC61131-3標準、支持PLCopen標準功能塊、可擴展32個模塊、EtherCAT總線可擴展32軸。

  目前動力鋰電池設備開發的另一個“痛點”是,驅控品牌多元化、軟件平臺各具特色、離線仿真技術參差不齊等,這些為整體系統的開發增添了大量重復、低價值、繁瑣的工作量,迫切需要工控部件廠商能夠提供開放的接口、支持仿真調試功能,并且可以在云端更新、儲存電機參數。

  為此,利元亨在工控應用領域進行了大膽的探索,在對標準化平臺的建設過程中,通過深入剖析各家客戶對同類項目產品工藝技術要求的共性與差異,結合多年來在非標定制化領域所積累的開發經驗,利元亨對驅動調試、HMI人機界面、跨平臺自動編程、工程項目管理、電氣配線、電氣設計仿真等應用層面進行了大膽的探索與嘗試,逐步建立起了標準化的工藝庫、器件庫,以及編程/命名規范,并在標準化工藝平臺的基礎上,進一步將內部的技術模塊形成通用技術,最終沉淀出一整套標準化平臺,以工具驅動標準執行,加快了對產線裝備的開發效率,提升了交付質量,同時也大幅提高了設備的智能化水平。

  引入視覺與傳感器技術,確保高品質

  隨著現階段鋰電池生產工藝的不斷升級更新,在生產過程中,越來越多的關鍵節點需要進行管控,以確保產品具備更高的安全性、可靠性和產品壽命。

  例如,在動力鋰電池的生產流程中,對模組進行全尺寸測量是模組在下線前的最后一道關鍵工序。測量項目包括但不限于:四個安裝孔寬度方向尺寸、四個安裝孔長度方向尺寸、模組總長、模組總寬、模組總高、底部平面度、四角平面度、安裝孔平面到對側端板高度差、安裝孔尺寸、側板安裝孔位置度等等。SICK可提供視覺整套解決方案,硬件采用SICK開發生產的2D相機以及3D相機,其中RulerXR 300/ Ruler3020相機最大幀率46kHz,實際檢測速度可達400-700mm/s;在軟件上,搭配SICK開發的EasyRanger軟件包,支持客戶快速實施;SICK還可根據客戶特定的模組類型和尺寸,合理優化激光、鏡頭等,提供定制化3D相機方案。為了保證動力鋰電池的安全性,方形電芯鋁殼各個表面都需要進行嚴格的檢測,各種凹坑、劃痕等缺陷都會對電池的使用造成嚴重的隱患,為此,可采用SICK RulerX 70 型號的3D相機監控頂面和窄側面,寬側面則使用RulerXR 200 型號的3D相機,同時輸出高度(Range)圖像、Reflectance圖、Scatter圖,以滿足更多的檢測需求。

鋰電池

表 1 2022 年部分鋰電池設備廠商生產最新動態

  松下提供的傳感器技術同樣在鋰電池生產工藝的關鍵管控點中得到了廣泛的應用,幫助客戶構建高質量、低風險、高效率、低成本的生產線。例如:在極片糾偏工序中,采用松下位移傳感器HG-T系列,對邊緣進行實時監測,通過測得位移量變化值判斷偏移程度;在檢測外殼尺寸時,松下位移傳感器HG-S系列可對外殼表面的位移量進行測量,推算出外殼的尺寸;為了控制點膠機高度,松下位移傳感器HL-G1系列點激光傳感器采用三角測量法,實時監測滴膠針嘴與目標物的距離;在涂布厚度測量時,松下位移傳感器HL-C2系列控制器中自帶厚度檢測程序,可直接對厚度進行測量;在確認極片位置時,則可以采用松下的圖像傳感器SV系列及配套算法軟件;另外松下靜電消除器ER-X系列還可同時實現除靜電和除塵功能。

  此外,據報道,在儲能鋰電池方面,憑借多年來對電力電子與控制技術的開發耕耘,目前匯川技術在構建鋰電生態能源領域取得了不錯的成績,公司已為超1萬臺風機提供了變槳偏航系統解決方案、為300+鋰電池產線提供了全產業鏈解決方案、為300GW光伏項目提供了制成產業鏈解決方案、為新能源汽車提供了超過100萬臺電驅動解決方案。2021年,匯川技術開發出500MW電化學/物理儲能系統解決方案,并具備超過15種工程機械電動化解決方案。

  全球新能源產業正掀起一波如火如荼的建設熱潮,無論是在新能源汽車領域,還是在能源存儲領域,鋰電池以及更多其他材料/形態的電池(如:固態電池、鈉電池、氫燃料電池等)都將在其中發揮重要的作用,電池生產設備、關鍵零部件行業也正緊跟技術發展趨勢,不斷進行產品和方案的迭代更新,助力中國新能源制造產業繼續保持世界領先地位。

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