“碳達(dá)峰”、“碳中和”成焦點

　　在剛剛結(jié)束的全國兩會期間，政府工作報告中提到的“碳達(dá)峰”、“碳中和”成為熱詞。實際上，這出自于2020年第七十五屆聯(lián)合國大會上中國向世界的鄭重承諾——力爭在2030年前實現(xiàn)二氧化碳的排放總量達(dá)到歷史峰值(即“碳達(dá)峰”)，并努力爭取在2060年前實現(xiàn)“碳中和”。

　　“碳達(dá)峰”、“碳中和”的目標(biāo)都是“控碳”，這對于地球氣候變化、人類生存環(huán)境的未來發(fā)展起到至關(guān)重要的作用， 中國作為目前全球最大體量的制造業(yè)國家，在其中承擔(dān)的責(zé)任責(zé)無旁貸，也必將對國內(nèi)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)布局、能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、新能源開發(fā)利用產(chǎn)生重大的影響。

　　“碳中和”，簡單來說就是通過節(jié)能減排的形式，以抵消自身產(chǎn)生的二氧化碳或溫室氣體排放量，達(dá)到相對“零排放”。圍繞“碳達(dá)峰”、“碳中和”，目前國內(nèi)的改革路徑大體從三個方面來實現(xiàn)：工業(yè)減排、環(huán)保檢測、新能源使用(圖1)，背后則是能源革命、能源安全、能源責(zé)任三大內(nèi)在驅(qū)動力，在供給側(cè)、輸配側(cè)、需求側(cè)涵蓋多個產(chǎn)業(yè)行業(yè)，需要在大幅提升能源利用效率、大力發(fā)展新能源與可再生能源等方面進(jìn)行科技創(chuàng)新。

　　以現(xiàn)階段國內(nèi)新能源的開發(fā)與使用為例，其中主要包括： 電力系統(tǒng)通過光伏、風(fēng)電來實現(xiàn)無碳發(fā)電;以及交通運輸系統(tǒng)大規(guī)模電動化/氫能化。經(jīng)過近十余年的發(fā)展，中國光伏、新能源汽車及鋰電池制造行業(yè)均已躋身世界先進(jìn)行列，誕生出一批優(yōu)秀的本土品牌企業(yè)，而工控自動化廠商也借著有利條件， 活躍在這些新能源產(chǎn)業(yè)的第一線。

　　全球新能源汽車駛?cè)肟焖俚?/strong>

　　3月初，工業(yè)和信息化部部長肖亞慶表示，我國新能源汽車產(chǎn)銷量連續(xù)6年蟬聯(lián)世界第一，累計銷售550萬輛。同時他也指出，近年來，國家相繼發(fā)布了約60多項支持政策和舉措，新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展取得了積極成效，基礎(chǔ)材料/零件、電機(jī)、電控、電池以及整車等各方面都取得了實質(zhì)性突破，2020年新能源汽車增速達(dá)到了10.9%，并呈現(xiàn)持續(xù)增長的趨勢。但另一方面，新能源汽車的發(fā)展還處于爬坡過坎的關(guān)鍵時期，新能源汽車市場競爭激烈，技術(shù)上、品質(zhì)上、消費者的感受上也還有不少問題需要進(jìn)一步解決。

　　“得電池者得天下”，根據(jù)中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會動力電池應(yīng)用分會的統(tǒng)計分析，2020年中國新能源汽車動力鋰離子電池裝機(jī)量累計為63.3GWh，同比增長1.8%。從電池類型看，2020年三元動力電池裝機(jī)量39.7GWh，占總裝機(jī)量的62.7%;磷酸鐵鋰動力電池裝機(jī)量23.2GWh，占總裝機(jī)量的36.7%。智能化、網(wǎng)絡(luò)化是電動汽車發(fā)展的大勢所趨，越來越多功能要實現(xiàn)，電池能量密度不斷提高是必然要求，一是要提升材料的技術(shù)水平，例如三元路線的高鎳少鈷(或無鈷);二是要簡化電池結(jié)構(gòu)，例如比亞迪于2020年初推出的刀片電池， 在安全性、續(xù)航能力上均實現(xiàn)了大幅躍升。

　　而從全球范圍來看，現(xiàn)階段各大車廠已經(jīng)把汽車電動化的具體日程表明確了下來。戴姆勒集團(tuán)計劃到2022年推出超過10款純電動汽車;大眾集團(tuán)將在今后5年間對混合動力、電動出行以及數(shù)字化領(lǐng)域投資600億歐元，實現(xiàn)到2029年累計銷售純電動汽車2600萬輛的長期目標(biāo);寶馬計劃到2025年推出25 款混合動力車型和12款純電動車型。豐田則宣布，將在2021 年推出使用固態(tài)電池的新型電動汽車的原型車，豐田計劃最初面向商業(yè)客戶和地方政府銷售約100輛這樣的新能源汽車， 2022年以后再面向普通消費者銷售，這與日本政府到2030年代中期停售燃油車的方針相一致。

　圖 1 碳中和實現(xiàn)的路徑公司名稱項目內(nèi)容及規(guī)模建設(shè)時間預(yù)計產(chǎn)能

        新能源汽車的三大件——電機(jī)、電控、電池，依然是目前技術(shù)上研發(fā)的重點，目前工控自動化領(lǐng)域廠商參與較多的是電控技術(shù)和鋰電池制造設(shè)備的開發(fā)。作為變頻驅(qū)動技術(shù)平臺的一個重要的應(yīng)用分支，新能源汽車市場電控技術(shù)的集成化發(fā)展可謂是一日千里，匯川技術(shù)、藍(lán)海華騰、吉泰科等都是該領(lǐng)域中的佼佼者。

　　在鋰電池制造設(shè)備的開發(fā)上，隨著近一兩年中國鋰電池生產(chǎn)廠商(如寧德時代等)在全球新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈中的地位突顯，也帶動著整體產(chǎn)業(yè)掀起了一波擴(kuò)產(chǎn)高潮，除了伺服與運動控制廠商積極投入其中之外，一些直驅(qū)技術(shù)廠商的身影也越來越多地出現(xiàn)在這一新興領(lǐng)域中。

　　光伏制造躋身世界領(lǐng)先行列

　　經(jīng)過近二十年的發(fā)展，中國已形成了完整的光伏產(chǎn)業(yè)鏈，技術(shù)水平和制造規(guī)模均處于世界前列：中國光伏累計裝機(jī)量連續(xù)6年穩(wěn)居世界第一，新增裝機(jī)量連續(xù)8年保持全球首位，多晶硅產(chǎn)量連續(xù)10年位居全球第一，光伏組件生產(chǎn)量連續(xù)14年名列世界前茅。

　　根據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會的報告顯示，2020年，中國光伏新增裝機(jī)規(guī)模為48.2GW，同比增幅超過60%，光伏累計裝機(jī)規(guī)模為253GW。總體來看，2020年雖受疫情影響，但全球光伏市場仍保持了增長勢頭，這主要得益于中國光伏行業(yè)市場表現(xiàn)出的恢復(fù)性增長，據(jù)預(yù)測，2021年光伏將占據(jù)可再生能源增量市場的半壁江山，2021年中國光伏新增裝機(jī)規(guī)模將達(dá)到55- 65GW，“十四五”期間，國內(nèi)年均光伏新增裝機(jī)規(guī)模約為70-90GW(圖2)。

　圖2 2011-2025 年中國光伏新增裝機(jī)量統(tǒng)計及預(yù)測(數(shù)據(jù)來源：中國光伏行業(yè)協(xié)會)

從產(chǎn)品供應(yīng)鏈來看，近年來國內(nèi)從上游的硅料，到中游的硅片、電池片，以及下游的組件等，整體都保持著穩(wěn)定的增長率，尤其是組件出口量在總產(chǎn)量中的占比維持高位，充分顯示出海外市場對光伏發(fā)電不斷增長的需求趨勢。2020年， 中國多晶硅產(chǎn)量達(dá)39.2萬噸，同比增長14.6%;硅片產(chǎn)量約161.3GW，同比增長19.7%;電池片產(chǎn)量為134.8GW，同比增長22.2%;組件產(chǎn)量達(dá)到124.6GW，同比增長26.4%。

　　進(jìn)入2021年，從硅片、工藝優(yōu)化以及電池結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行升級，進(jìn)一步提升電池效率，是產(chǎn)業(yè)鏈中各重要廠商在技術(shù)開發(fā)上的主要方向。電池行業(yè)是光伏產(chǎn)業(yè)鏈中集中度最低的環(huán)節(jié)，但是也是整個光伏產(chǎn)業(yè)鏈里增效最明顯的環(huán)節(jié)，目前該領(lǐng)域主流的電池技術(shù)以PERC為主，為了突破電池轉(zhuǎn)換效率的“瓶頸”， 一些廠商也在積極布建以HJT異質(zhì)結(jié)電池技術(shù)為代表的新型電池生產(chǎn)路線。HJT不同于PERC電池，其對工藝和設(shè)備的要求更高，其中，無論是非晶硅鍍膜設(shè)備(PECVD)、TCO鍍膜設(shè)備(PVD & RPD)，還是金屬化制程設(shè)備(絲網(wǎng)印刷機(jī))，技術(shù)路線和競爭格局均尚未穩(wěn)定，開發(fā)廠商的機(jī)遇與風(fēng)險并存。

　　直驅(qū)技術(shù)在鋰電池生產(chǎn)中嶄露頭角

　　新能源汽車動力鋰電池的整個生產(chǎn)流程，大致上可以分為電極制作(前段)、電芯裝配(中段)、后道處理(后段)三大過程工序(如圖3所示)。前段設(shè)備(如涂布機(jī)、輥壓機(jī)、分切機(jī)等)和中段設(shè)備(如制片機(jī)、模切機(jī)、卷繞機(jī)、疊片機(jī)等)是決定鋰電池質(zhì)量和性能的關(guān)鍵，因此對于生產(chǎn)設(shè)備的控制精度和穩(wěn)定性要求較高。而鋰電池后道生產(chǎn)設(shè)備，如化成、分容及檢測、Pack組裝設(shè)備等，則對于產(chǎn)線柔性化的要求更高，提高后段設(shè)備的自動化程度是關(guān)鍵。以往伺服系統(tǒng)應(yīng)用較為普遍，但目前，直驅(qū)技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢在這一領(lǐng)域也開始嶄露頭角。

圖 3 鋰電池制作工序流程圖

　   前段設(shè)備涂布機(jī)環(huán)節(jié)，鋼輥作為整個涂布機(jī)系統(tǒng)的主輥， 起到穩(wěn)定和傳輸作用，運行的平穩(wěn)性直接影響到涂布的精度， 涂布機(jī)鋼輥的運動控制系統(tǒng) 要求能夠縮小誤差值，縮短加速時間并實現(xiàn)位置鎖定，提升極片的密度和精度，有效降低極片的次品率，此外，目前主流的涂布機(jī)一般的生產(chǎn)速度為60米/分鐘，仍然無法滿足鋰電池廠商的生產(chǎn)需求。

　　為了幫助廠商解決應(yīng)用難點，科爾摩根采用DDR馬達(dá)替代之前減速機(jī)+伺服的方案，該DDR馬達(dá)類似于一個伺服空心軸，通過壓縮聯(lián)軸器，DDR馬達(dá)直接抱緊滾軸延伸軸，無機(jī)械背隙和柔性連接，直接帶動鋼輥高速轉(zhuǎn)動。同時搭配科爾摩根AKD驅(qū)動器，縮短了產(chǎn)線的組裝時間，減少了部件數(shù)量，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和精度，涂布機(jī)生產(chǎn)速度從原來的60米/分鐘大幅提升到80米/分鐘，提升了涂布環(huán)節(jié)的產(chǎn)能，充分滿足了涂布機(jī)鋼輥的性能要求，顯著提升了涂布機(jī)的設(shè)備精度，幫助涂布機(jī)設(shè)備廠商增強(qiáng)了競爭力。另外，涂布機(jī)極片工藝的優(yōu)化， 也幫助鋰電池廠商改善了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，大幅降低了生產(chǎn)成本。

　　在鋰電池極片模切機(jī)上，傳統(tǒng)模切機(jī)的停切控制張力機(jī)構(gòu)通常采用普通伺服電機(jī)加絲杠的方式，通過控制動滑輪機(jī)構(gòu)上下移動來控制張力，然而當(dāng)速度接近1m/s時，絲杠噪音明顯增大，潤滑狀況急劇惡化，所搭配的減速機(jī)的精度也會因為長時間的磨損而逐步丟失，不但令維護(hù)保養(yǎng)的成本增加，而且嚴(yán)重影響到產(chǎn)品的精度。為此，科爾摩根在這一工藝段因地制宜地使用適合筒類應(yīng)用的CDDR模塊化直驅(qū)電機(jī)取代絲杠傳動， 將負(fù)載直接耦合到電機(jī)上，無需減速機(jī)構(gòu)，使得設(shè)備的整體速度一躍突破至45m/min，可在無需維護(hù)的情況下長期保證產(chǎn)品的精度。

　　另外，在鋰電池頂蓋激光焊接機(jī)方案中，針對軌跡焊接速度小、精度差、焊接良品率低等問題，科爾摩根運用DDL直線電機(jī)+AKD驅(qū)動器方案之后，可達(dá)到250mm/秒的正常生產(chǎn)速度，特別是滿足了小圓角焊接穩(wěn)定性所需要的較高的加速度要求，提高了生產(chǎn)效率，且位置偏差控制在±50微米以內(nèi)，實現(xiàn)了高響應(yīng)度、高精度的運動控制效果，提升了電池焊接的密封性，提高了良品率。

　　高動態(tài)轉(zhuǎn)臺提升光伏電池制造效率

　　在太陽能光伏硅片電池(PERC)的制造流程中，目前國產(chǎn)設(shè)備在加工效率、加工效果等方面與進(jìn)口設(shè)備不相上下，且具備明顯的成本優(yōu)勢，以單晶PERC電池制造為例，PECVD、擴(kuò)散爐、清洗制絨、自動化、絲網(wǎng)印刷機(jī)等生產(chǎn)設(shè)備被用于多個主工藝之中。

　　太陽能光伏硅片絲網(wǎng)印刷機(jī)是電池片的重點工藝設(shè)備之一，直接影響到電池片的成品質(zhì)量，屬于光伏電池片設(shè)備的后道工序。主流的太陽能光伏硅片絲網(wǎng)印刷機(jī)多為轉(zhuǎn)盤式(另外也有部分通過式絲網(wǎng)印刷機(jī))，采用四工位轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)設(shè)計，依次進(jìn)行拍照定位、網(wǎng)板移動與硅片對位、網(wǎng)框下降進(jìn)行印刷、卸片這四道工序。由于在加工過程中，印刷的電極柵線必須要與擴(kuò)散之前用磷漿印的柵線重合，因此要求絲網(wǎng)印刷機(jī)能夠有精確度較高的定位系統(tǒng)，高精度是太陽能電池絲網(wǎng)印刷機(jī)發(fā)展的根本，也是未來新工藝開展的前提。

　　DD馬達(dá)(力矩馬達(dá))等直驅(qū)技術(shù)有著輸出力矩大的特點，可直接與轉(zhuǎn)臺負(fù)載連接，具有較高的定位精度，重復(fù)定位精度更穩(wěn)定，因而這類大慣量的直驅(qū)電機(jī)非常適用于轉(zhuǎn)盤式光伏電池絲網(wǎng)印刷機(jī)的應(yīng)用場景，據(jù)了解，目前科爾摩根、上海奧茵紳等國內(nèi)外廠商都在該領(lǐng)域已有了成熟的應(yīng)用案例。此外，視覺系統(tǒng)及UVW平臺細(xì)微環(huán)節(jié)都會對于印刷精度有較大的影響，兩者配合后的定位精度達(dá)到±12.5μm以下，疊印才會有更好的效果。

　　“碳達(dá)峰”、“碳中和”，正在為中國社會與經(jīng)濟(jì)帶來一次翻天覆地的變革，新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展必然經(jīng)歷技術(shù)的不斷更新迭代，未來還有很長的一段路要走。要實現(xiàn)“碳達(dá)峰”、“碳中和”的目標(biāo)，同樣需要包括直驅(qū)技術(shù)廠商在內(nèi)的工控自動化行業(yè)的全力支持與配合，助力高端裝備制造業(yè)的整機(jī)開發(fā)，讓中國太陽能光伏、新能源汽車等新興產(chǎn)業(yè)繼續(xù)屹立于世界之巔。