如何在动力电池自动化生产线上，实现电芯厚度、平面度等形变10微米级在线检测，有效提升品控效率？【非接触测量】

1. 动力电池电芯的基本结构与形变测量要求

动力电池的电芯是其核心组成部分，可以想象它就像一个迷你能量“三明治”。它主要由正极、负极、隔膜和电解液组成。正极和负极负责储存和释放电荷，隔膜则像一个多孔的“纸张”，只允许离子通过，防止正负极直接接触造成短路。电解液则浸润着这些材料，是离子移动的“高速公路”。这些部件被精密地封装在铝壳或软包膜中，形成一个独立的电芯。

在动力电池的整个生命周期中，电芯的尺寸和形状稳定性至关重要。就像一座高楼的地基，如果地基不稳，楼体就可能开裂甚至坍塌。电芯在充放电过程中会发生微小的体积变化，这就是所谓的“形变”。这种形变是由于活性材料的膨胀和收缩引起的，是锂离子电池的固有特性。适度的形变是可控的，但如果形变过大或不均匀，就会带来一系列问题：

• 挤压应力: 电芯在电池包（PACK）内是紧密排列的，过度的膨胀会使电芯之间产生巨大的挤压应力，这可能导致电芯内部结构受损，甚至造成隔膜破裂，引发内短路。

• 循环寿命降低: 持续的形变会加速电极材料的结构破坏，导致容量衰减，电池寿命缩短。

• 安全风险: 形变可能导致电池内部应力分布不均，进而引发局部过热，甚至在极端情况下导致热失控，带来起火或爆炸的严重安全隐患。

• 能量密度与空间利用率: 电池PACK的设计需要最大限度地利用空间来提升能量密度。如果电芯形变不可预测，PACK内部就需要预留更大的冗余空间，从而降低整体能量密度。

因此，在动力电池的生产和组装环节，对电芯的形变进行精确测量，并严格控制其在可接受的范围内，是提升电池PACK质量和安全性的关键。我们需要确保每一个“能量三明治”都足够“稳定”，才能构建一个安全可靠的“能量城堡”。

2. 动力电池电芯形变监测参数与评价方法

在动力电池电芯的生产和组装过程中，形变监测主要关注以下几个核心参数：

• 厚度/宽度膨胀率: 这是衡量电芯形变最直接的指标，指电芯在充放电或特定老化条件下，其厚度或宽度相对于初始尺寸的增加百分比。评价方法通常是在不同工况下（如满充、半充、循环后），使用高精度位移传感器或千分尺测量电芯的尺寸变化，并计算其变化量与初始尺寸的比值。例如，我们会监测电芯在首次充电完成后的厚度变化，以及在数千次循环后的累积厚度变化。

• 平面度与翘曲度: 平面度描述的是电芯表面偏离理想平面的程度，而翘曲度则特指电芯边缘或局部区域的弯曲变形。想象一张平整的纸张，如果它中间凸起或边缘卷曲，就是平面度或翘曲度不佳。在电池PACK组装时，如果电芯表面不平整，会导致与PACK内部的散热结构或相邻电芯之间产生间隙或局部接触不良，影响散热效率和均压效果。评价方法通常是利用三维扫描设备获取电芯表面轮廓数据，然后通过算法计算出偏离基准平面的最大距离或特定区域的曲率。

• 表面缺陷与形貌: 除了整体尺寸变化，电芯表面可能出现的微小划痕、凹坑、鼓包等缺陷，以及极耳焊接处的形状、毛刺等，都属于形变或形貌异常的范畴。这些缺陷可能是在制造过程中引入的，也可能是在使用过程中形变引发的。例如，极耳的焊接高度和形状直接影响接触电阻和连接可靠性。评价方法通常采用高分辨率的视觉系统或激光轮廓仪，对电芯表面进行扫描成像，通过图像处理和特征提取技术识别和量化这些微观缺陷。

• 内部结构一致性: 形变并非总是外部可见。有时，电芯内部的卷绕或堆叠结构可能出现局部错位、间隙变化、甚至异物侵入等问题，这些都会导致内部应力不均，进而引发形变。例如，电极片的对齐度、隔膜的完整性、电解液的填充均匀性都影响着内部一致性。评价方法则需要采用非破坏性检测技术，如X射线计算机断层扫描，来获取电芯内部的三维图像，分析内部组件的空间关系和潜在缺陷。

通过对这些参数的精确监测和评估，可以及时发现并排除潜在的质量隐患，确保出厂的动力电池具备高水平的质量和安全性。

3. 实时监测/检测技术方法

3.1 市面上各种相关技术方案

在动力电池电芯形变检测领域，有多种先进的非接触式测量技术可供选择。这些技术各有侧重，能够从不同维度提供电芯的形变信息。

3.1.1 激光三角测量技术（或激光位移测量）

激光三角测量技术是工业领域应用最广泛的非接触式位移和尺寸测量方法之一。它的原理就像我们用眼睛看东西一样，通过角度的变化来判断距离。具体来说，传感器会向被测电芯表面发射一束窄小的激光束（通常是点状或线状）。当这束激光照射到电芯表面时，会在表面形成一个光斑。这个光斑的反射光会被传感器内部的一个高分辨率图像传感器（如CCD或CMOS）接收。

物理基础与工作原理：

整个系统构成一个三角关系：激光发射器、被测物体上的光斑、以及光斑反射光所成像在图像传感器上的位置。当电芯表面发生位移，光斑在电芯上的位置虽然没有变，但它相对传感器的距离改变了，反射光的入射角度也随之变化，导致光斑在图像传感器上的成像位置发生偏移。传感器内部的微处理器会根据这个光斑在图像传感器上的偏移量，结合预先标定好的几何参数（如激光发射角度、接收镜头焦距、发射器与接收器之间的基线距离），利用三角测量原理，精确计算出电芯表面的位移量或距离。

简化的三角测量关系可以用以下几何公式来表示：

Z = (B * f) / (x_detector + f * tan(θ))

其中： * Z：表示被测电芯表面到传感器光学中心的距离（即位移）。 * B：传感器内部激光发射器与接收镜头之间的基线距离。 * f：接收镜头的焦距。 * x_detector：激光光斑在图像传感器上的位置（相对于光学轴）。 * θ：激光束的投射角度。

这个公式表明，距离Z与光斑在传感器上的位置x_detector呈非线性关系，但通过精密的光学设计和算法补偿，可以实现高精度的线性测量。

核心性能参数： * 精度和分辨率: 激光位移传感器的精度通常在几微米到几十微米之间（例如0.005mm - 0.05mm），高端型号可达亚微米级别。分辨率通常在0.1微米到10微米之间。 * 测量范围: 根据型号不同，测量范围从几毫米到几米不等。某些型号的最大测量范围可达2000mm甚至更大。 * 响应时间: 响应时间通常在毫秒级别，更新频率可达几千赫兹，满足实时在线测量的需求。 * 线性度: 线性度通常在±0.1% FS（满量程）以内，高端型号可达±0.03%FS。

技术方案的优缺点： * 优点: 非接触式测量，不会对电芯表面造成损伤；测量速度快，可进行实时在线检测；精度较高，能检测微小形变；结构相对紧凑，易于集成到自动化生产线。对于电池电芯的厚度、翘曲度、鼓胀等尺寸变化非常适用。 * 局限性: 对被测物体的表面颜色、粗糙度、反射率有一定要求，极端黑色或镜面物体可能影响测量效果；仅能测量激光束照射点的位移，若需全面形貌，则需通过扫描或配合多传感器实现。 * 成本考量: 单点激光位移传感器成本相对适中，易于部署。激光轮廓仪（多点测量）成本较高。

3.1.2 机器视觉技术

机器视觉技术，顾名思义，就是让机器像人一样“看”和“理解”图像。它使用高分辨率相机捕捉电芯的图像，然后利用复杂的图像处理算法来分析这些图像，从而识别缺陷、测量尺寸或验证装配。这就像我们检查一个苹果有没有虫眼、大小是否合适一样，只不过机器能做得更快、更精确。

物理基础与工作原理：

系统通过光源照明被测电芯，由高分辨率图像传感器（如CCD或CMOS相机）捕捉电芯的二维图像。这些图像是像素点的集合，每个像素点带有亮度或颜色信息。图像数据随后传输到处理器，利用内置的视觉算法（如边缘检测、模式匹配、缺陷分类、颜色识别等）进行分析。例如，通过边缘检测算法可以精确识别电芯的轮廓并测量其尺寸；通过模式匹配可以检查极耳是否对齐；通过缺陷检测算法可以识别表面划痕、污渍或鼓包等异常。现代智能相机甚至集成了AI边缘计算能力，可以直接在设备上运行预训练的深度学习模型，实现更智能、更快速的缺陷识别和分类。

核心性能参数： * 图像分辨率: 常用200万像素到2000万像素甚至更高，决定了对细节的捕捉能力。 * 处理速度: 每秒可处理数千个图像，以适应高速生产线。 * 检测精度: 亚像素级的精度，可实现对微米级缺陷的检测和尺寸测量。 * 视觉工具: 丰富的软件工具库，包括几何测量、缺陷检测、OCR/OCV（字符识别/验证）、条码读取等。

技术方案的优缺点： * 优点: 能够进行全面的表面外观检测和复杂尺寸测量；非常适合识别划痕、污染、对齐度、极耳焊接质量等；集成度高，易于与自动化设备配合；尤其擅长缺陷的分类和模式识别。 * 局限性: 仅限于表面可见特征的检测；对于内部结构或三维形变（如微小翘曲）的测量能力有限，通常需要配合其他三维测量技术；易受光照条件、物体表面反光等环境因素影响。 * 成本考量: 根据相机分辨率、处理能力和软件功能的复杂程度，成本从几万元到几十万元不等。

3.1.3 X射线计算机断层扫描（X射线CT）技术

X射线CT技术可以理解为给电芯做一次“全身透视”扫描。与普通X射线只能得到二维图像不同，CT技术通过多角度的X射线照射，并结合计算机重建算法，能够生成电芯内部的完整三维图像，让我们“看清”电芯的“骨骼”和“内脏”。

物理基础与工作原理：

X射线CT系统发射高能X射线穿透被测电芯。不同材料（如电极材料、隔膜、金属外壳、空气）对X射线的吸收能力不同。探测器会收集穿透电芯后的X射线强度信息，从而得到一系列二维投射图像。为了获得三维信息，系统会在电芯旋转时从多个角度进行X射线投射和图像采集。随后，强大的计算机算法（如滤波反投影算法）将这些二维图像进行处理和重建，生成电芯内部的三维断层图像。这些图像能清晰显示电芯内部的结构，包括电极的卷绕或堆叠情况、隔膜的完整性、是否存在气泡、异物、焊接空隙或内部短路等缺陷。

核心性能参数： * 焦点尺寸: 亚微米级（例如，0.5 µm），决定了图像的清晰度和细节捕捉能力。 * 管电压: 10kV至数兆伏（例如160 kV或225 kV），用于穿透不同密度和厚度的材料。 * 空间分辨率: 微米级，能够识别微小的内部缺陷。 * 自动化能力: 支持自动化装载、扫描和缺陷分析流程。

技术方案的优缺点： * 优点: 唯一的非破坏性内部结构检测方法，能够发现肉眼和外部测量无法发现的缺陷；提供完整的三维内部信息，对电极对齐度、内部异物、气泡、焊接空隙、隔膜损伤等关键质量问题有独到优势，是确保电池安全性和性能的关键技术。 * 局限性: 测量速度相对较慢，通常不适用于100%在线高速检测，更常用于抽样检测、研发分析和质量溯源；设备成本极高；需要专业的X射线防护措施。 * 成本考量: 单套设备成本通常在百万元人民币以上。

3.1.4 白光结构光扫描技术

白光结构光扫描技术可以理解为给电芯“拍照”，但不是普通的照片，而是通过投射特殊的图案来获取电芯的三维“浮雕”信息。它像是一次性地给电芯的整个表面生成一个高精度的三维模型。

物理基础与工作原理：

这种技术通过投影仪向被测电芯表面投射一系列预设的、有规律的白光图案（如条纹、格栅或随机散斑）。当这些图案投射到具有三维形貌的电芯表面时，会因为表面的高低起伏而发生变形。系统使用至少两个高分辨率相机从不同的角度同步捕捉这些变形后的图案图像。通过分析这些图像中图案的变形程度，利用三角测量原理，系统能够精确计算出电芯表面上每个点的三维坐标。通过快速投射和捕捉多帧图案，可以在短时间内获得电芯完整的高密度三维点云数据。这些数据被用来精确测量电芯的几何尺寸、形貌、平面度、翘曲度以及装配间隙等。

核心性能参数： * 测量精度: 最高可达微米级（例如，0.01 mm即10 µm），能够精确捕捉微小的形变。 * 扫描速度: 单次扫描通常在数秒内完成，可快速获取全场三维数据。 * 测量范围: 灵活可调，适应不同尺寸的电芯。 * 数据点密度: 可达到每秒数百万甚至千万点，生成高密度的三维点云。

技术方案的优缺点： * 优点: 快速、非接触地获取电芯的完整三维几何数据；适用于电芯壳体、电极片的尺寸和形貌检测、装配位置验证、变形分析和翘曲度测量；效率高，可实现自动化在线检测；无需在电芯表面喷涂显像剂，适用于各种表面材质。 * 局限性: 对于高反射率或透明表面，可能需要特殊处理或涂层；存在测量盲区，需要多角度扫描才能覆盖所有表面；数据量大，对后处理软件和计算能力有较高要求。 * 成本考量: 设备成本较高，但相对于其三维测量能力和效率，仍具有良好的性价比。

3.2 市场主流品牌/产品对比

在电芯形变和尺寸测量领域，以下几个国际品牌提供了领先的解决方案：

• 日本基恩士

  • 采用技术: 激光轮廓仪（基于激光三角测量原理）。

  • 核心技术参数: LJ-X8000系列激光轮廓仪，测量范围（高度）最高可达40 mm，重复精度最高可达0.1 µm，采样速度最高可达64 kHz，分辨率0.005 µm。

  • 应用特点和独特优势: 以其高精度、高速的在线非接触测量能力著称，特别适用于电池电极涂层厚度、电池片平整度、焊接高度、密封条形状等关键尺寸的检测。其产品易于集成，抗环境光干扰能力强，在自动化生产线上表现出色。

• 英国真尚有

  • 采用技术: 激光位移传感器（基于激光三角测量原理）。

  • 核心技术参数: ZLDS115激光位移传感器，测量范围广，最大可达2000mm（甚至可扩展到2000-4000mm），最高分辨率可达0.01mm，线性度最优可达±0.03mm，更新频率1kHz，温度偏差±0.03% FS/°C，防护等级达到IEC IP65标准，工作温度范围为0°C至+45°C。

  • 应用特点和独特优势: ZLDS115以其大测量范围和高精度在工业应用中表现突出，特别适合测量电芯的整体厚度、形变以及PACK组装过程中的关键间隙。其快速响应能力和良好的温度稳定性，确保在复杂生产环境下也能提供可靠的实时测量数据。内置多种滤波器，支持用户自定义设置，同时具备厚度测量功能，允许两个传感器自动配对进行厚度测量，无需额外的控制盒或特殊校准，提高了测量的灵活性和实用性。

• 瑞典海克斯康测量技术

  • 采用技术: 白光结构光扫描仪。

  • 核心技术参数: WLS400A白光结构光扫描仪，测量精度最高可达微米级（例如10 µm到50 µm），扫描速度快（单次扫描数秒），可快速获取全场三维数据，点云密度高（每秒数百万点）。

  • 应用特点和独特优势: 专注于快速、非接触地获取电芯的完整三维几何数据。在电池壳体、电极片的尺寸和形貌检测、装配位置验证、变形分析和翘曲度测量方面表现卓越。其高效率和无需喷涂显像剂的特点，使其在自动化在线检测中具有优势。

• 美国康耐视

  • 采用技术: 机器视觉（智能相机）。

  • 核心技术参数: In-Sight D900系列智能相机，具有高分辨率图像传感器（例如200万至500万像素），支持高速生产线（每秒可处理数千个图像），提供丰富的视觉工具（边缘工具、缺陷检测工具等），并支持以太网、数字I/O等多种通信接口。

  • 应用特点和独特优势: 以其强大的视觉工具库和高精度缺陷检测能力而闻名。尤其适用于电池单元的表面划痕、破损、污染、电极对齐度、极耳焊接质量、尺寸一致性等外观和装配检查。集成度高，易于部署和维护，是实现全自动化在线外观检测的核心组件。

3.3 选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

选择合适的测量设备或传感器，就像挑选一个精准的“眼睛”来观察电芯形变。以下是几个关键技术指标及其选型建议：

• 测量范围（Measuring Range）: 指传感器能够有效测量到的最大和最小距离/尺寸。

  • 实际意义: 决定了传感器能覆盖的电芯尺寸或形变幅度。如果测量范围太小，可能无法覆盖电芯的整个形变过程；如果太大，则分辨率和精度可能下降。

  • 选型建议:

    • 电芯整体厚度/膨胀测量: 对于方壳或软包电芯的整体厚度测量，需要传感器测量范围至少能覆盖电芯厚度变化的最大值。例如，一个标称厚度100mm的电芯，在生命周期内可能膨胀2-5mm，则传感器需能测量100mm到105mm之间的变化。

    • 局部形变/翘曲测量: 对于电芯表面局部形变或翘曲，通常只需要较小的测量范围，但需要极高的精度。

• 精度（Accuracy）与分辨率（Resolution）:

  • 实际意义: 这两个指标直接决定了形变测量的可靠性和细致程度。电芯的微小形变往往在几十微米到几百微米之间，甚至更小。如果精度或分辨率不够，就无法有效捕捉这些关键的形变信息。

  • 选型建议:

    • 高精密尺寸检测（如电极片厚度、极耳高度）: 需要分辨率达到微米级（0.001mm）甚至亚微米级（0.0001mm）的传感器。

    • 电芯整体膨胀测量: 分辨率在0.01mm到0.1mm之间通常可以满足要求，但精度越高越好。

    • 形貌和表面缺陷检测: 如果是表面轮廓或微小缺陷，则需要极高的分辨率和精度，如激光轮廓仪或白光结构光。

• 线性度（Linearity）: 指传感器输出信号与被测量值之间线性关系的程度。

  • 实际意义: 优秀的线性度保证了在整个测量范围内，传感器都能提供一致且准确的测量结果，避免了在特定测量点出现偏差。

  • 选型建议: 选择线性度在0.1% FS（满量程）甚至更优的传感器，高端型号可达 0.03% FS，确保测量结果的可靠性，特别是当测量范围较大时。

• 更新频率（Update Rate）/响应时间（Response Time）: 指传感器每秒能够完成测量并输出数据的次数。

  • 实际意义: 决定了传感器是否能进行实时在线检测。在高速自动化生产线上，电芯通常以很快的速度通过检测工位，传感器必须能够快速响应并捕捉数据。

  • 选型建议:

    • 高速在线检测: 至少需要几百赫兹（Hz）到几千赫兹（kHz）的更新频率。例如，1kHz的更新频率意味着每秒可以测量1000次。

    • 离线或抽样检测: 对更新频率要求相对较低。

• 温度稳定性（Temperature Stability）: 指环境温度变化对测量结果的影响程度。

  • 实际意义: 生产现场的温度可能波动，如果传感器温度稳定性差，测量结果会受环境温度影响而产生漂移，导致误判。

  • 选型建议: 选择温度偏差率低的传感器，以确保在不同环境温度下测量结果的一致性和准确性。

• 防护等级（IP Rating）: 指传感器对外来物（如灰尘、水）侵入的防护能力。

  • 实际意义: 电池生产车间可能存在粉尘、水汽甚至电解液等腐蚀性物质，高防护等级能保证传感器在恶劣环境下长期稳定工作。

  • 选型建议: 至少选择IP65或更高防护等级的传感器。

3.4 实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在实际应用中，即使选择了高性能的传感器，也可能遇到一些问题，影响测量效果。

1. 问题：被测电芯表面特性复杂，导致测量不稳定。

   • 原因与影响: 电池电芯表面可能存在多种情况：反光（如铝壳表面）、颜色不均（如涂层缺陷）、纹理变化（如极耳焊接处）。这些都会影响激光束的反射光接收，导致光斑图像模糊、跳动或信号强度弱，从而使测量数据不稳定或产生较大误差。

   • 解决建议:

     • 优化传感器选型: 选择具有“抗高反光”或“智能表面适应”功能的激光传感器，这些传感器通常采用更先进的信号处理算法或不同的激光光源（如红外激光）。

     • 调整传感器参数: 调整传感器的增益、曝光时间、滤波设置（如中值滤波、平均滤波）等参数，以适应不同表面条件。

     • 改善照明条件: 对于机器视觉或结构光扫描，使用漫反射光源或偏振光，减少反光和阴影的影响。

     • 表面处理: 在允许的情况下，对强反光表面进行哑光处理或喷涂示踪剂（但电池生产中通常避免）。

2. 问题：自动化生产线震动或定位误差，影响测量精度。

   • 原因与影响: 自动化设备在高速运行过程中，可能产生微小震动，或者电芯在输送带上未能精确停止在预定位置，导致传感器与电芯之间的相对位置发生瞬时变化或重复定位误差，引入测量噪声和系统误差。

   • 解决建议:

     • 强化设备刚性: 确保传感器和被测电芯的固定夹具、机械结构具有足够的刚性，减少震动传递。

     • 引入辅助定位: 使用额外的视觉定位系统、精密导轨或气缸，确保电芯每次都能精确、稳定地停留在测量区域。

     • 使用高速传感器: 选用更新频率更高的传感器，可以在电芯通过的极短时间内采集更多数据点，然后通过数据平均或滤波来消除瞬时抖动的影响。

     • 软件补偿: 对于可预知的定位误差，可以通过上位机软件进行误差补偿或数据校正。

3. 问题：温度变化导致测量结果漂移。

   • 原因与影响: 传感器内部电子元件的性能会随温度变化而略微改变，导致其输出信号产生漂移。即使传感器本身有温度补偿，在较大的温度波动下仍可能影响测量结果的长期稳定性。

   • 解决建议:

     • 选择高温度稳定性传感器: 优先选用明确标注有良好温度稳定性参数的传感器。

     • 环境控制: 尽可能将传感器部署在温度波动较小的环境中，或对局部区域进行温度控制。

     • 定期校准: 根据生产环境的温度变化规律，制定合理的校准周期，及时修正传感器的系统误差。

     • 温度补偿算法: 在上位机系统中集成温度补偿算法，根据环境温度数据对测量结果进行实时校正。

4. 应用案例分享

• 电芯厚度及膨胀监测: 在电池生产线末端或PACK组装前，可以使用两个激光位移传感器对向测量电芯的实时厚度，监测其在生产过程中的微小膨胀，确保电芯尺寸一致性，避免因过度膨胀导致的PACK内部应力问题。例如，英国真尚有的ZLDS115激光位移传感器，具备高精度和良好的温度稳定性，能够胜任此类应用。

• 极耳焊接质量检测: 利用激光轮廓仪扫描电芯极耳焊接区域，精确测量焊接高度、宽度、焊点形状和是否有毛刺，评估焊接质量，确保电流传输路径的稳定性和安全性。

• 电芯表面平面度/翘曲度评估: 在PACK入箱前，使用白光结构光扫描仪或多点激光位移传感器阵列，对电芯的整个表面进行三维扫描，检测其平面度或是否存在翘曲变形，防止装配过程中产生间隙或局部受力不均，影响散热和整体性能。

• 电极片涂布厚度及均匀性检测: 在电极制造过程中，使用高精度激光位移传感器对极片涂布后的厚度进行在线检测，确保涂布均匀性和一致性，这直接关系到电芯的容量和内阻。英国真尚有的ZLDS115激光位移传感器，由于其高精度特性，亦可应用于此场景。

参考资料： [1] 中国电动汽车充电基础设施促进联盟发布《电动汽车充电基础设施发展指南（2023-2025）》 [2] 国家标准化管理委员会发布的关于动力电池及电动汽车相关标准（如GB/T 31484、GB/T 31485、GB/T 31486等）。（此处仅作参考信息，不代表文中已具体引用其条款）