エネルギーフィードバック式バッテリー化成・選別システム | TOB-EF256-6G

TOB-EF256-6G パウチセル用エネルギーフィードバック自動フォーメーション・グレーディングシステム

製品概要と理想的な用途

TOB-EF256-6Gは、充電式リチウムイオンパウチセル専用に設計された自動フォーメーション・グレーディングシステムです。最大6 Aで充放電可能な256個の独立試験チャンネル（電圧範囲0～5 V）を搭載し、セルから放電されたエネルギーを熱として消散させず、工場のAC電源へ戻す双方向AC-DC/DC-ACエネルギーフィードバック電源アーキテクチャを組み合わせています。この設計により、高精度な電気化学サイクル試験を実現すると同時に、バッテリー生産ラインの電力消費を大幅に削減します。

TOB-EF256-6Gの各チャンネルは、真の4線式（ケルビン）測定方式を使用し、隣接チャンネルから電気的に絶縁された専用定電流/定電圧電源によって駆動されます。256チャンネル全体のキャビネットは、TOB独自のフォーメーションソフトウェアを実行するWindowsベースのホストコンピューターから、EthernetまたはRS-485経由で単一ユニットとして制御されます。ソフトウェアでは、レシピごとに最大32ステップおよび256サイクルを設定でき、各ステップは定電流充電、定電圧充電、定電流放電、または休止として選択できます。リアルタイムの電圧/電流/容量/エネルギー曲線は各チャンネルで表示され、すべての生データとステップ終了時の結果はローカル保存され、必要に応じてMES統合用のサーバーデータベースへアップロードできます。

TOB-EF256-6Gの機械設計は、パウチセルの取り扱いに最適化されています。キャビネットは4つのドアに分割され、それぞれに16層の治具が配置され、トレイの両面に装填されたセルに対応します。モーター駆動の垂直クランプ機構が治具バンク全体を同時に開閉し、セルの装填および取り出しを高速化します。治具トレイは分割設計で、正極および負極の接触間隔を調整でき、タブ間距離が最大120 mmのパウチセルに対応します。

適した用途:

• セルをモジュールへ組み立てる前、または完成品として出荷する前に、重要なフォーメーション（初回充電、SEI形成）および容量グレーディング工程を行うリチウムイオンパウチセル生産ライン。
• 大規模生産システムと同等の電気的精度およびデータ追跡性を備え、1バッチあたり最大256セルを処理可能な単一キャビネットを必要とするバッテリーパイロットライン。
• 放電エネルギーの大部分を回収するエネルギーフィードバックシステムを導入し、フォーメーション工程の電力運用コストを削減したいメーカー。
• 初期開放電圧から最終容量ビンまで、各セルのフォーメーションおよびグレーディングデータの永続的で監査可能なデジタル記録を必要とする品質管理部門。

目標とするフォーメーションプロトコルで256チャンネルによって達成可能な処理能力を知りたいですか？セル容量と充電レートを添えて、当社のフォーメーションシステムエンジニアへお問い合わせください。

パウチセル製造におけるフォーメーションとグレーディングの位置付け

フォーメーションおよびグレーディング工程は、セル組立と最終出荷の間に位置し、2つの異なる目的を果たします:

1. フォーメーション:新しく組み立てられたパウチセルには、乾燥セパレーターと未使用状態の電極が含まれています。初回充電を行うと、電解液が負極表面で制御された形で分解し、固体電解質界面（SEI）が形成されます。このSEIはセルの長期安定性に不可欠ですが、少量のリチウムを消費し、ガスを発生させます。フォーメーションプロトコル（充電電流、電圧保持、休止期間、場合によっては脱ガス工程を含む、慎重に定義されたシーケンス）は、高い精度と再現性で実行する必要があります。これは、フォーメーション電圧または電流のばらつきがSEI成長の不均一化を引き起こし、セル容量および内部抵抗の大きなばらつきにつながる可能性があるためです。
2. グレーディング:フォーメーション後、各セルは実際の容量、エネルギー、内部抵抗を測定するために放電および再充電（多くの場合1サイクル以上）されます。その後、セルは容量ビン（通常は目標容量の±1％以内）に分類され、同じモジュールまたはパックに組み込まれるセルが近い電気特性を持つようにします。TOB-EF256-6Gは、容量グレーディング、時間グレーディング、容量＋曲線グレーディング、時間＋曲線グレーディング、容量＋電圧グレーディング、固定電圧グレーディングなど複数のグレーディング方式をサポートし、生産エンジニアが実際の性能との相関が最も高い方法を選択できる柔軟性を提供します。

フォーメーションとグレーディングを単一の256チャンネルキャビネットに統合することで、TOB-EF256-6Gはセル取り扱い回数を削減します。同じ治具が初回フォーメーション充電から最終グレーディング放電までセルを保持するため、機械間でセルを移送する必要がなくなり、タブ損傷や汚染リスクを低減します。

エネルギーフィードバックシステムの動作原理

TOB-EF256-6Gは、セルサイクル中の電気エネルギーの流れを根本的に変える双方向AC-DC/DC-AC電源アーキテクチャを採用しています:

充電時:

• 各チャンネルの定電流/定電圧電源は、双方向電源のAC-DC段によって供給される内部14 V DCバスからDC電力を取り出します。
• AC-DC段は、交流商用電源（三相380 V）を制御されたDCへ変換し、その変換効率は従来のリニア定電流電源より本質的に高くなっています。
• 充電時の総合的なエネルギー流れは次の通りです:（電力網からの電力＋同時に放電している他セルからのエネルギー）→ AC-DC双方向インバーター → DCバス → 各チャンネルDC-DC回路 → セル。

放電時:

• セルに蓄えられたエネルギーは各チャンネルのDC-DC回路を通じて戻され、セル電圧を内部DCバス電圧まで昇圧します。
• 双方向電源のDC-AC段は、このDCエネルギーをACへ変換し、工場のAC電力網と同期させます。
• AC電力は工場内のローカルACバスへ流れ、他の充電中のTOB-EF256-6Gキャビネットを含む他の設備や、照明、HVAC、オフィス機器などの一般的な工場負荷によって優先的に消費されます。
• 工場の瞬間的な消費量を超えるエネルギーのみが、より広範な電力網へ戻されます。

効率仕様:

• 充電電源出力変換効率: > 70％（ソフトウェア記録されたバッテリー充電エネルギーを、電力メーター測定消費量で割り×100％として計算）。
• 放電電源フィードバック効率: > 65％（電力メーターの逆方向有効エネルギーを、ソフトウェア記録されたバッテリー放電エネルギーで割り×100％として計算）。

これらの効率値は、容量試験中にセルから放電された1 kWhのエネルギーにつき、約0.65 kWhが工場内で回収・再利用され、抵抗負荷バンクによって熱として消散されないことを意味します。

主なシステム機能

▶ 256個の独立・絶縁チャンネル

256個の各チャンネルには、他のチャンネルから電気的に絶縁された独自の定電流/定電圧電源があります。各チャンネルの電流範囲は5～6000 mAで、小型パウチセル（例:150 mAh）から大型パイロット生産セルまでのフォーメーション需要をカバーします。すべてのチャンネルはキャビネットコントローラーによってグループとしてアドレス指定および制御されますが、各チャンネルの電気回路は完全に独立しているため、1つのチャンネルの故障が他のチャンネルへ影響することはありません。

▶ 4線式ケルビン接続による高精度測定

電流精度はフルスケールの±0.05％＋読み取り値の±0.05％、電圧精度は±2 mVです。これらの仕様は、治具接触点で電流供給用リードと電圧検出用リードを分離する真の4線式測定方式によって実現され、測定セル電圧からリード抵抗および接触抵抗の影響を排除します。256チャンネルすべてのキャビネット全体スキャンは≤3秒以内に完了し、最小データ記録間隔は5秒です。

▶ モーター駆動自動クランプによるモジュール式構造

キャビネットは4つのドアに分割されており、各ドアには16層の治具（合計256チャンネル）が配置されています。セルの投入と取り出しは、ドア内のすべての治具を同時に開閉するモーター駆動の垂直クランプ機構によって高速化されています。治具トレイは分割設計で、正極および負極の接触アセンブリを独立して移動でき、接触間隔を最大120 mmまで調整して、異なるタブ間隔を持つパウチセルに対応できます。各トレイにおける点間接触間隔は168 mmです。

▶ エネルギーフィードバックアーキテクチャによる運用コスト削減

双方向AC-DC/DC-AC電源は、本来廃棄されるはずの放電エネルギーの大部分を回収します。容量測定のためにセルを複数回放電する一般的なフォーメーションおよびグレーディング工程では、回収されたエネルギーが工場の電気料金を直接削減し、工場の空調システムにかかる熱負荷を低減します。

▶ 柔軟な多段階レシピプログラミング

ホストソフトウェアは、EthernetまたはRS-485経由で接続されたWindows PC上で動作し、1つのレシピにつき最大32ステップおよび256サイクルをプログラムできます。各ステップは、定電流充電、定電圧充電、定電流/定電圧充電、定電流放電、または休止として設定できます。ステップは、電流、電圧、時間、または容量条件によって終了するよう設定できます。この柔軟性により、多段階ウェッティング、ガス生成、脱ガスシーケンスなどの複雑なフォーメーションプロトコルに対応します。

▶ 包括的なデータ記録とMES接続

すべてのチャンネルおよびすべてのステップの詳細な生データは、個別のプロセスファイルとしてPCにローカル保存されます。ステップ終了時の結果（開回路電圧、平均電圧、ステップ時間、電流、容量、プラトー容量）は、プロセス実行ごとに1つの標準MDBデータベースファイルに保存されます。構成済みのデータサーバーを備えた設備では、結果をサーバーデータベースへ自動アップロードでき、MDBファイルは標準データベース形式として機能し、工場MESへ直接統合できます。このアーキテクチャは完全なデジタル記録を維持してトレーサビリティを確保し、継続的な工程改善に必要な統計分析をサポートします。

▶ セルトレーサビリティのためのバーコードスキャン

TOB-EF256-6Gは、順次スキャンおよびチャンネルジャンプスキャンを含むバーコードスキャンに対応しており、各セル固有のバーコードを、処理される特定のチャンネルに紐付けます。バーコードデータはフォーメーションおよびグレーディング結果とともに保存され、投入セルから最終容量ビンまでの完全な前方・後方トレーサビリティを実現します。

▶ 包括的な保護およびアラーム機能

システムは、ハードウェアおよびソフトウェアによる保護機能を通じて、セルおよび装置自体を保護します。保護項目には、過電流、不足電流、過電圧、不足電圧、過容量、漏れ電流検出が含まれます。充電過電圧および放電不足電圧は、ハードウェア回路とソフトウェア制限の両方で保護されており、制御ソフトウェアが誤動作した場合でもセルを保護する冗長な安全層を提供します。

技術仕様

追加機能仕様

機械仕様

システム構成

提供されるTOB-EF256-6G形成およびグレーディングシステムは、以下の主要要素で構成されています：

1. リチウムイオン電池形成およびグレーディング装置（上記で説明した256チャンネルキャビネット）。
2. USBおよびEthernetインターフェースを備えたホストコンピューター。
3. 通信コンバーターおよびケーブル（USB-to-RS-485コンバーターと通信ケーブル、またはカテゴリ5ネットワークケーブルとRJ45コネクター）。
4. Windows用TOB形成およびグレーディングソフトウェア。

ホストコンピューターはキャビネットコントローラーに接続し、コマンドを送信すると同時に全チャンネルからデータを収集します。各チャンネルの定電流/定電圧ボードはコントローラーのCPUに応答し、充電および放電の両方で定電流および定電圧制御を提供します。

充電時、双方向電源はAC商用電源を14 V DCバスに変換し、各チャンネルのボードがセルへの電流を制御します。放電時はプロセスが逆になります：各チャンネルのボードがまずセル電圧を内部DCバスまで昇圧し、次に双方向電源がそのDC電力をACに変換して工場のAC配電網へ供給します。この構成により、仕様に記載されたエネルギーフィードバック機能を実現します。

実用的な運用およびメンテナンス推奨事項

• 校正：装置の電圧および電流チャンネルは、内蔵デジタル校正手順を使用して6か月ごとに再校正する必要があります。校正は完全にソフトウェアベースであり、キャビネット内部のポテンショメータを調整する必要はありません。基準標準として認証済みデジタルマルチメーターが必要です。
• 治具接点メンテナンス：各治具の4線式ケルビン接点は、摩耗、汚染、酸化がないか定期的に点検する必要があります。汚れた電圧検出接点は誤って高い電圧値を示し、不正確な容量結果につながります。キャビネットが稼働していないときは、イソプロピルアルコールと糸くずの出ないワイプで接点を清掃してください。
• エネルギーフィードバック運転：エネルギーフィードバック機能は、セルが放電されるたびに自動的に動作します。オペレーターの介入は不要です。エネルギー回収効率は、接続されたすべてのキャビネットで同時に充電および放電されるセル数によって異なります。最高の回収効率は、1つのセルグループからの放電電力が、別のセルグループが必要とする充電電力とほぼ一致するときに達成されます。
• データバックアップ：ローカルPCはすべてのプロセスデータを削除せずに保存しますが、各生産バッチ終了時にMDB結果ファイルと詳細プロセスファイルをネットワークドライブまたはサーバーへバックアップすることを強く推奨します。これにより、ローカルPCのハードドライブが故障した場合でもデータにアクセスできます。
• ソフトウェアワークフロー：生産バッチを開始する前に、TOB形成ソフトウェアで適切なレシピを作成または読み込みます。トレーサビリティが必要な場合は、バーコードスキャン順序を定義します。すべてのチャンネルが校正済みであり、処理対象セルモデルに対して過電圧および低電圧保護制限が正しく設定されていることを確認します。バッチ完了後、グレーディングユーティリティを使用して選択したグレーディング方法に従ってセルを容量ビンに分類し、パック組立用のビニングレポートをエクスポートします。

ポーチセル生産ライン向けの高精度でエネルギー効率に優れた形成およびグレーディングを導入する準備はできていますか？TOB-EF256-6Gの見積もりを依頼するか、当社の形成システムエンジニアにお問い合わせいただき、特定のセルタイプ、目標スループット、MES統合要件についてご相談ください。

tob.amy@tobmachine.com | +86 181 2071 5609

以下も必要になる場合があります

1. ポーチセル形成およびグレーディング用5V1A充放電装置— 低容量ポーチセルのラボ規模またはパイロット規模の形成およびグレーディング向けに設計された、小規模・低電流の充放電システム。R&Dバッチ向けの卓上型フォーマットで、TOB-EF256-6Gに匹敵する精度を提供します。
2. リチウムパウチセル形成用ホットプレス機— パウチセル製造の形成および脱ガス工程中に、制御された熱と圧力を加えます。ホットプレスはガスの押し出し、電極とセパレーターの界面接触の改善、均一なSEI層の形成を支援し、その後セルが電気サイクルおよびグレーディングのためにTOB-EF256-6Gへ進む前の状態を整えます。
3. パウチセル二次真空シール・エッジカット一体型機— 形成および脱ガス後に二次真空シールとエッジトリミングを実行する統合ステーションです。TOB-EF256-6Gとシームレスに連携し、完全なパウチセル仕上げラインを構成して、最終検査および出荷に向けたセルの準備を行います。