机器视觉如何应对袋形、棱柱形和圆柱形电池检测挑战

电池在电动汽车价格中的占比高达 40%，因此降低电池成本也是降低电动汽车成本的合理起点，而利用机器视觉实现自动化是有助于降低电池生产成本的关键因素。制造商和 OEM 制造商使用这项技术检测电池是否存在缺陷、将电池芯导入模块、验证装配、测量特征和识别部件。但是，装配电池的类型可能会给自动化带来不同的挑战。

机器视觉对于众多电动汽车电池自动化生产至关重要。从左到右图片：机器视觉系统测量电极涂层的宽度，检测圆柱形电池的缺陷，将电池芯导入模块外壳以及识别棱柱形电池上的代码。

袋形、棱柱形和圆柱形电动汽车电池芯具有相同的功能：制造商将这些电池芯装配到电动汽车电池模块和电池组中。但是，要降低电动汽车成本，关键是要了解其独特的性能和制造障碍，以及如何利用机器视觉来解决这些障碍。

所有锂离子电动汽车电池都从电极制造开始，电池制造商将碳、石墨和其他元素的混合物浇注到金属片材上，形成阳极和阴极。许多制造相似处也止步于此，各种独特的优势和制造挑战随之出现。
 

袋形电池芯

制造流程： 隔膜材料、电镀阳极和阴极被切割成片状，放入由多层铝复合箔制成的袋中。然后，电池制造商将铝箔边缘密封，将极耳焊接在一起，并在袋中注入液态电解液。最后，电池芯在称为“电池芯化成”的过程中经过各种老化和脱气程序。 

优势：与其他几何形状的电池相比，袋形电池经久耐用、体积小巧均匀，因此一些制造商推崇袋形电池。一般通过电池芯片材堆叠或“Z 型折叠”来制造袋形电池，即由机器人拾取单个阳极或阴极片，将其放在隔膜材料上，然后将下一个阴极或阳极放在上面。袋形电池芯的支持者认为，与用于圆柱形和某些棱柱形几何形状电池的卷绕法相比，堆叠法可使热量分布更均匀。由于袋形电池芯没有坚硬外壳，因此更具经济性，可以降低制造成本，并保证良好的能量密度。

缺点：根据电池系统的设计和要求，袋形电池几何形状的某些优势也可能会带来不利。虽然没有外壳可以降低制造成本、减轻重量并提高能量密度，但袋形电池芯在一定充电周期后体积会膨胀最多 10%。有些电池袋模块设计需要在每个电池袋之间安装铝制传热板，以便将热量从电池袋中传出。根据模块设计和电池芯数量，这些热管理系统可能会抵消袋形电池芯的一些优势。 

独特的挑战：袋形电动汽车电池具有金属性和柔韧性，会产生大量镜面眩光和皱褶，使缺陷检测变得困难。如果在检测过程中漏掉一个缺陷，就会影响电池的性能和完整性。然而，如果将可接受的外观瑕疵误认为是电池袋表面的关键缺陷，则可能导致更高的废品率，增加成本。划痕等缺陷与可接受的瑕疵之间的区别可能只有几微米。

分辨率：对于基于规则的机器视觉解决方案而言，检测袋形电池芯上的缺陷过于复杂；规则必须考虑数以百计的变量、反复出现的缺陷和可接受的异常情况。此外，用户经常会在短时间内要求不同的规格和设计；更换供应商、制造技术或材料可能会带来新的问题和缺陷。

为了应对这些挑战，康耐视开发了由 AI 驱动的机器视觉软件 VisionPro Deep Learning，该软件可通过分析成千上万张标记图像来了解电池的好坏。 VisionPro Deep Learning 与机器视觉系统相结合，可实现电池检测自动化，降低成本，缩短检测时间，同时保证电池质量。计算成像技术可以提供更好的检测结果，从不同角度照亮袋形电池的表面，揭示细微的缺陷和特征。

制造流程：棱柱形电池芯的制造方法是将电镀阳极、阴极和隔膜材料缠绕成单层或堆叠在一起。排列好后，将电池芯片材插入矩形金属外壳。一般来说，堆叠的电池芯片材释放更多能量，性能更好；而卷筒或卷绕的电池芯片材含有更多能量，从而使用寿命更长。 

优势：由于棱柱形电池芯是矩形，因此在模块和电池组中表现出更好的能量密度：电池芯之间没有浪费的空间。一些电池制造商在棱柱形电池芯中使用磷酸铁锂化学材料，与锂离子电池相比，这种材料更容易获得，更具成本效益。此外，由于棱柱形电池芯比其他几何形状的电池芯更大，因此需要的电气连接和线束更少，从而降低了出现制造缺陷的概率。

缺点：棱柱形电池芯的标准尺寸只有有限的几种。不同的电池系统可能需要独特的电池芯规格和尺寸，这会使大规模生产复杂化并增加成本。虽然棱柱形电池的统一形状和大尺寸提高了模块和电池组的能量密度，但这种设计会导致热量积聚，这是因为电池芯紧密接触，热量无处可散。

独特的挑战：制造棱柱形电动汽车电池芯需要进行大量焊接。制造商在电池芯片材周围焊接金属外壳，并在外壳顶部焊接顶板或盖子。由于棱柱形电池紧密堆叠在一起，因此盖子必须留有空间以允许在电池芯加热和冷却时膨胀和收缩。在将电池芯安装在模块中之前，必须检查顶板和侧板的焊缝。

分辨率：棱柱形电池焊缝中的缺陷（如焊机功率不足和焊接功率过大引起的焊接缺陷），看起来几乎与可接受的异常情况相同，而且形状和大小各异。对于基于规则的机器视觉而言，计算缺陷焊缝的所有迭代并将其与类似的可接受异常区分开来过于复杂。 

Cognex VisionPro Deep Learning 与 2D 和 3D 机器视觉系统相结合，旨在检测此类细微缺陷。VisionPro Deep Learning 的缺陷检测和分类工具使用各种“良好”和“有缺陷”焊缝变体进行训练，使该解决方案能够从可接受的外观瑕疵中识别出功能缺陷并进行分类。 
 

圆柱形电池芯

制造流程：与袋形电池或棱柱形电池不同，圆柱形电动汽车电池芯仅通过将电镀阳极、阴极和隔膜材料的薄片卷绕成单层制造而成。然后，制造商将形成的圆柱体或“凝胶辊”插入外壳中，注入液态电解液并密封电池芯。 

优势：包括特斯拉、Rivian 和 Lucid 在内的众多电动汽车制造商都青睐圆柱形电动汽车电池芯是有道理的。几十年来，各公司一直在生产圆柱形电池，多年来已形成了标准化尺寸，使其生产成本比棱柱形和袋形电池更具经济性。根据电池尺寸和制造流程的不同，卷绕或滚动电极的速度更快，据估计每分钟可生产 200 个部件，而堆叠或“Z 型折叠”每分钟只能生产 10 个部件。圆柱形电池在机械性能上也比其他形状的电池更坚固，而且电池壁更薄，可以容纳气体积聚，因此更安全。

缺点：当圆柱形电池芯放入模块中时，每个电池芯之间会留有间隙。每个电池芯之间的间隙可以减少热积聚，但会导致模块中出现大量闲置空间，从而降低能量密度。此外，据一些制造商称，圆柱形电池在寒冷环境中的性能不如其他几何形状的电池。

独特的挑战：圆柱形电池芯的设计阻碍了可追溯性。电动汽车电池厂将制造流程、材料来源和批号等数据输入直接蚀刻在电池上的代码中，称为直接部件标记 (DPM)。这些信息对于更有效地管理召回、遵守众多法规和可持续发展目标以及隔离生产过程中的问题非常重要。

然而，在圆柱形电池上读取 DPM 码是一项独特的挑战，因为条码可能位于电池侧面的任何位置。由于电池是圆形并采用金属材料，代码通常会发生扭曲、变形，机器很难读取代码。

分辨率：康耐视基于图像的条码读码器使用先进成像系统和解码技术来克服这些挑战。高动态范围增强 (HDR+) 增加了局部对比度以创建更均匀的图像，并使康耐视条码读码器能够覆盖更大的视野，以读取圆柱形电池不同侧面上的代码。结合 PowerGrid 技术的 2DMax 算法结合纹理和几何形状数据，即使在变形或扭曲的情况下也能读取低质量 DPM。
 

新形状和尺寸：刀片电池和固态电池

目前还没有客观的“最佳”电动汽车电池芯。每种几何形状的电池都各有其优点、缺点和独特的制造挑战。各公司都在尝试新的电池制造技术、设计和化学成分，这也带来了新的生产问题。

优秀的电动汽车制造商和电池生产商比亚迪于 2020 年推出了“刀片”电池。这种设计无需模块，电池系统由细长的矩形电池芯组成，直接安装在电池组中。这家中国汽车制造商声称，刀片电池比其他磷酸铁锂电池节省 50% 的空间。2023 年，特斯拉开始在部分车型上使用刀片电池；2024 年初，福特、通用汽车和斯特兰蒂斯的一级汽车供应商 BorgWarner Inc. 与比亚迪签订了刀片电池供货协议。

（图片来源：比亚迪）

比亚迪于 2020 年推出刀片电池并宣称，与其他几何形状的电动汽车电池相比，该电池具有更好的能量密度和安全性能。多家汽车制造商和原始设备制造商（OEM 制造商）对该技术很感兴趣。 

十多家汽车制造商和电池制造商也在探索固态电池技术。传统电池使用液态电解质作为离子传导膜，而固态电池则使用固态电解质。固态电池的优势包括更好的储能、更快的充电速度和提升电动汽车安全性。不过，这项技术仍在发展中，批评者认为固态电池必须克服生产成本高、缺乏验证等障碍，才适合量产。

无论电池芯形状如何，机器视觉都能在电动汽车电池制造中发挥作用。随着电池技术和制造技术的发展，将缺陷与可接受的异常情况区分开来以及跟踪和追溯组件的能力，对制造商来说将变得更加重要。