在“碳達(dá)峰、碳中和”的目標(biāo)愿景下，新能源行業(yè)迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇，儲(chǔ)能電池系統(tǒng)在民用及商用中廣泛被業(yè)界接受，使用范圍越來(lái)越廣，諸如光伏發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電、不間斷電源UPS、5G通訊、大型工商儲(chǔ)能等領(lǐng)域。
在各國(guó)推行的新能源政策支持下，儲(chǔ)能行業(yè)正在大步走向規(guī)模化商業(yè)模式。隨之而來(lái)的是儲(chǔ)能電池成品、半成品的物流運(yùn)輸包裝的開(kāi)發(fā)與研究。在物流運(yùn)輸包裝設(shè)計(jì)體系中，需要充分考慮產(chǎn)品、環(huán)境、包裝、人的因素，才能設(shè)計(jì)出成本、質(zhì)量、功能等恰到好處的物流運(yùn)輸包裝。
1.儲(chǔ)能類(lèi)軟包電池CorePack的一般特性
儲(chǔ)能電池內(nèi)部電芯主要有方殼、圓柱、軟包三種形態(tài)。軟包電池不像方殼、圓柱電池自身有堅(jiān)固的金屬外殼，在結(jié)構(gòu)上采用鋁塑膜將電池隔膜、電解液、正負(fù)極極片等卷繞封裝而成。
儲(chǔ)能軟包電池隨著客戶(hù)需求的不同組成方式也有差異，最常見(jiàn)的是軟包電池半成品CorePack及成品電池Pack模組。軟包電池CorePack主要由軟包電芯、轉(zhuǎn)接板、塑膠上下蓋組成，其示意圖見(jiàn)圖1。
2.運(yùn)輸流通環(huán)境分析
軟包電池CorePack標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)，能滿(mǎn)足不同客戶(hù)的個(gè)性化需求，可以使用一個(gè)或多個(gè)CorePack再加BMS、外機(jī)殼等組裝成新的電池包。
其流通環(huán)節(jié)為工廠到工廠，結(jié)合電池本身的重量和產(chǎn)品尺寸，單個(gè)聯(lián)運(yùn)托盤(pán)模數(shù)一般為12pcs、16pcs、20pcs等，滿(mǎn)足海運(yùn)集裝箱裝柜。
聯(lián)運(yùn)托盤(pán)堆碼通常為二或三層，需同時(shí)滿(mǎn)足機(jī)械吊裝和人機(jī)工程學(xué)要求，因此聯(lián)運(yùn)托盤(pán)裝貨總高度一般不超過(guò)1.1m。在此流通環(huán)境中采用集合包裝，能夠滿(mǎn)足包裝防護(hù)需求及達(dá)到控制成本的目的。
2.1產(chǎn)品保護(hù)
包裝必須使被包裝物從出廠起，經(jīng)運(yùn)輸、儲(chǔ)存、裝卸，最終送到用戶(hù)手中為止的全過(guò)程得到保護(hù)。
軟包電池CorePack是由軟包電芯堆疊而成，無(wú)有效剛性支撐，產(chǎn)品在倉(cāng)儲(chǔ)流通等環(huán)節(jié)不能受壓，因此需要借助外部包裝防止軟包電芯擠壓變形，對(duì)包裝防護(hù)要求極為苛刻。需選擇回彈性良好的包裝材料進(jìn)行緩沖防振保護(hù)，并在堆疊的每層產(chǎn)品間使用包裝材料起到支撐防護(hù)作用。
2.2產(chǎn)品裝卸運(yùn)輸倉(cāng)儲(chǔ)
軟包電池CorePack由于托盤(pán)單元重量在400kg～600kg，裝卸過(guò)程中需使用叉車(chē)堆疊或轉(zhuǎn)運(yùn)，存在一定的跌落風(fēng)險(xiǎn)。
運(yùn)輸方式主要為汽運(yùn)和海運(yùn)，汽運(yùn)會(huì)受到不同程度的振動(dòng)和沖擊，海運(yùn)還會(huì)因高溫高濕環(huán)境導(dǎo)致堆碼強(qiáng)度降低，客戶(hù)長(zhǎng)時(shí)間倉(cāng)儲(chǔ)也會(huì)影響堆碼強(qiáng)度。
基于產(chǎn)品的特性、運(yùn)輸倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境的分析，需要進(jìn)行合理的包裝防護(hù)設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足各個(gè)環(huán)節(jié)過(guò)程中對(duì)產(chǎn)品的保護(hù)，以實(shí)現(xiàn)完整的交付。
3.產(chǎn)品集合運(yùn)輸包裝設(shè)計(jì)
集合包裝是指將一定數(shù)量的產(chǎn)品或包裝件組合在一起，形成一個(gè)合適的運(yùn)輸單元，以便裝卸、儲(chǔ)存和運(yùn)輸。相比于傳統(tǒng)單件包裝，更利于機(jī)械化作業(yè)，具有提升效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度，縮小包裝體積，降低包材、運(yùn)輸、倉(cāng)儲(chǔ)成本等優(yōu)勢(shì)。
對(duì)于集合包裝設(shè)計(jì)而言，首先，選擇合適的托盤(pán)、圍板箱尺寸，同時(shí)選擇易于包裝、拆卸的包裝容器；其次，確定CorePack在包裝容器中的形態(tài)、擺放方式、堆碼層數(shù)；最后，評(píng)估集裝箱裝載率及承載率。
本文以單元尺寸為440mm×386mm×128mm，總數(shù)16個(gè)CorePack為例進(jìn)行運(yùn)輸包裝設(shè)計(jì)。采用緩沖件包裝＋支撐防護(hù)部件＋圍板箱結(jié)構(gòu)，按每層4個(gè)、每托盤(pán)4層的集合包裝方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。
3.1局部緩沖包裝件
緩沖包裝是為了在振動(dòng)、跌落、沖擊過(guò)程中能夠有效吸收能量，確保外形和功能完好而設(shè)計(jì)的、具有緩沖防震作用的包裝。局部緩沖在包裝件的邊、角、局部施用緩沖材料襯墊，不減低緩沖效果，能節(jié)約緩沖材料，降低包裝成本的作用。
EPE具有很好的加工性能，便于大規(guī)模作業(yè)；具有高回彈性，使得產(chǎn)品包裝有很好的抗沖擊性，特別是多次沖擊緩沖效果幾乎保持不變，且符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，是出口產(chǎn)品的優(yōu)良選擇。
小圍框?qū)⒕彌_泡棉、軟包電池形成一個(gè)獨(dú)立的緩沖包裝件。考慮到軟包電池CorePack在裝卸、運(yùn)輸過(guò)程中可能受到的沖擊振動(dòng)因素及成本的合理性。
本設(shè)計(jì)采用C-σm方法進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，根據(jù)C-σm曲線(xiàn)查得C=3.8，σm=1.7×105Pa，并已知軟包電池CorePack質(zhì)量M=30kg，產(chǎn)品脆值G=40，跌落高度H=0.2m，緩沖襯墊材料EPE的密度ρ=22kg/m3，根據(jù)下列公式可計(jì)算出緩沖襯墊的面積A為
EPE因?yàn)閷诱常什捎肨=2cm的板材加工。根據(jù)克斯特那經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行校核：，故設(shè)計(jì)安全。設(shè)計(jì)局部緩沖包裝結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。
3.2集合包裝部件
軟包電池CorePack由于自身結(jié)構(gòu)缺乏一定剛性的原因，常規(guī)的紙箱包裝方式都會(huì)使產(chǎn)品受到一定壓力，從而影響軟包電芯的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，必須加強(qiáng)包裝的支撐防護(hù)。
木箱包裝具有良好的強(qiáng)度，但是綜合成本高。因此采用紙與膠合板結(jié)合的方式，對(duì)單個(gè)軟包電池CorePack采用小圍框包裝，每層4個(gè)采用蜂窩紙板分層。
小圍框中部位置開(kāi)槽并嵌入長(zhǎng)條型膠合板，膠合板具有優(yōu)良的抗彎性能，蜂窩板具有優(yōu)良的垂直抗壓性能但抗彎性能較差，兩者相結(jié)合能防止蜂窩紙板變形擠壓到軟包電池。
膠合板與小圍框接觸位置加豎直方向的瓦楞紙支撐塊以加強(qiáng)支撐作用，單個(gè)軟包電池CorePack的水平及豎直方向的支撐防護(hù)均得到加強(qiáng)，最外層加裝大圍框固定形成集合包裝的運(yùn)輸單元。
包裝結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。
4.可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證
結(jié)合產(chǎn)品流通特性及產(chǎn)品集合包裝方式，采用國(guó)際通用運(yùn)輸包裝測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)ISTA3E進(jìn)行包裝驗(yàn)證試驗(yàn)，該標(biāo)準(zhǔn)用于模擬包裝件在運(yùn)輸倉(cāng)儲(chǔ)過(guò)程中遇到的氣候、振動(dòng)、沖擊、跌落、堆碼的因素。
試驗(yàn)順序如下：
1）環(huán)境預(yù)處理：60℃相對(duì)濕度85%±5%放置12小時(shí)；
2）機(jī)械沖擊測(cè)試：采用沖擊速度為1.1米/秒斜面沖擊；
3）旋轉(zhuǎn)棱跌落測(cè)試：一棱墊高100mm，相對(duì)棱抬高200mm釋放；
4）堆碼測(cè)試：負(fù)載19600N持續(xù)1小時(shí)；
5）隨機(jī)振動(dòng)測(cè)試：1～200Hz隨機(jī)振動(dòng)180分鐘；
6）旋轉(zhuǎn)棱跌落測(cè)試：一棱墊高100mm相對(duì)棱抬高200mm釋放。
試驗(yàn)結(jié)束后檢測(cè)軟包電池Corepack的電性能、通訊性能及外觀，結(jié)果表明各項(xiàng)性能指標(biāo)正常，轉(zhuǎn)接板銅排無(wú)變形，單體軟包電芯無(wú)異常。
結(jié)語(yǔ)
儲(chǔ)能軟包電池Corepack包裝設(shè)計(jì)，綜合了產(chǎn)品特性、客戶(hù)需求以及運(yùn)輸流通環(huán)境中對(duì)包裝設(shè)計(jì)的約束要求。
采用局部緩沖包裝的方式、加大小圍框及充分結(jié)合膠合板、蜂窩紙板、瓦楞紙板各自的優(yōu)勢(shì)形成的集合包裝，彌補(bǔ)了產(chǎn)品自身強(qiáng)度不足，并通過(guò)ISTA3E運(yùn)輸包裝試驗(yàn)驗(yàn)證，為儲(chǔ)能類(lèi)軟包電池Corepack運(yùn)輸提供了完整且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的整體包裝解決方案。
參考資料：儲(chǔ)能軟包電池Core Pack 的運(yùn)輸包裝設(shè)計(jì)；作者：彭真、李澤亞，東莞新能安科技有限公司；李春球，廣州質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)研究院
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