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　　“碳達峰”、“碳中和”成焦點

　　在剛剛結束的全國兩會期間，政府工作報告中提到的“碳達峰”、“碳中和”成為熱詞。實際上，這出自于2020年第七十五屆聯合國大會上中國向世界的鄭重承諾——力爭在2030年前實現二氧化碳的排放總量達到歷史峰值(即“碳達峰”)，并努力爭取在2060年前實現“碳中和”。

　　“碳達峰”、“碳中和”的目標都是“控碳”，這對于地球氣候變化、人類生存環境的未來發展起到至關重要的作用，中國作為目前全球最大體量的制造業國家，在其中承擔的責任責無旁貸，也必將對國內產業結構布局、能源結構調整、新能源開發利用產生重大的影響。

　　“碳中和”，簡單來說就是通過節能減排的形式，以抵消自身產生的二氧化碳或溫室氣體排放量，達到相對“零排放”。圍繞“碳達峰”、“碳中和”，目前國內的改革路徑大體從三個方面來實現：工業減排、環保檢測、新能源使用(圖1)，背后則是能源革命、能源安全、能源責任三大內在驅動力，在供給側、輸配側、需求側涵蓋多個產業行業，需要在大幅提升能源利用效率、大力發展新能源與可再生能源等方面進行科技創新。

　　以現階段國內新能源的開發與使用為例，其中主要包括：電力系統通過光伏、風電來實現無碳發電;以及交通運輸系統大規模電動化/氫能化。經過近十余年的發展，中國光伏、新能源汽車及鋰電池制造行業均已躋身世界先進行列，誕生出一批優秀的本土品牌企業，而工控自動化廠商也借著有利條件，活躍在這些新能源產業的第一線。

　　全球新能源汽車駛入快速道

　　3月初，工業和信息化部部長肖亞慶表示，我國新能源汽車產銷量連續6年蟬聯世界第一，累計銷售550萬輛。同時他也指出，近年來，國家相繼發布了約60多項支持政策和舉措，新能源汽車產業發展取得了積極成效，基礎材料/零件、電機、電控、電池以及整車等各方面都取得了實質性突破，2020年新能源汽車增速達到了10.9%，并呈現持續增長的趨勢。但另一方面，新能源汽車的發展還處于爬坡過坎的關鍵時期，新能源汽車市場競爭激烈，技術上、品質上、消費者的感受上也還有不少問題需要進一步解決。　

　　“得電池者得天下”，根據中國化學與物理電源行業協會動力電池應用分會的統計分析，2020年中國新能源汽車動力鋰離子電池裝機量累計為63.3GWh，同比增長1.8%。從電池類型看，2020年三元動力電池裝機量39.7GWh，占總裝機量的62.7%;磷酸鐵鋰動力電池裝機量23.2GWh，占總裝機量的36.7%。智能化、網絡化是電動汽車發展的大勢所趨，越來越多功能要實現，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水平，例如三元路線的高鎳少鈷(或無鈷);二是要簡化電池結構，例如比亞迪于2020年初推出的刀片電池，在安全性、續航能力上均實現了大幅躍升。

　　而從全球范圍來看，現階段各大車廠已經把汽車電動化的具體日程表明確了下來。戴姆勒集團計劃到2022年推出超過10款純電動汽車;大眾集團將在今后5年間對混合動力、電動出行以及數字化領域投資600億歐元，實現到2029年累計銷售純電動汽車2600萬輛的長期目標;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年推出使用固態電池的新型電動汽車的原型車，豐田計劃最初面向商業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。

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

　　在鋰電池制造設備的開發上，隨著近一兩年中國鋰電池生產廠商(如寧德時代等)在全球新能源汽車產業鏈中的地位突顯，也帶動著整體產業掀起了一波擴產高潮，除了伺服與運動控制廠商積極投入其中之外，一些直驅技術廠商的身影也越來越多地出現在這一新興領域中。

　　光伏制造躋身世界領先行列

　　經過近二十年的發展，中國已形成了完整的光伏產業鏈，技術水平和制造規模均處于世界前列：中國光伏累計裝機量連續6年穩居世界第一，新增裝機量連續8年保持全球首位，多晶硅產量連續10年位居全球第一，光伏組件生產量連續14年名列世界前茅。

　　根據中國光伏行業協會的報告顯示，2020年，中國光伏新增裝機規模為48.2GW，同比增幅超過60%，光伏累計裝機規模為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市場表現出的恢復性增長，據預測，2021年光伏將占據可再生能源增量市場的半壁江山，2021年中國光伏新增裝機規模將達到55-65GW，“十四五”期間，國內年均光伏新增裝機規模約為70-90GW(圖2)。

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

　　進入2021年，從硅片、工藝優化以及電池結構等方面進行升級，進一步提升電池效率，是產業鏈中各重要廠商在技術開發上的主要方向。電池行業是光伏產業鏈中集中度最低的環節，但是也是整個光伏產業鏈里增效最明顯的環節，目前該領域主流的電池技術以PERC為主，為了突破電池轉換效率的“瓶頸”， 一些廠商也在積極布建以HJT異質結電池技術為代表的新型電池生產路線。HJT不同于PERC電池，其對工藝和設備的要求更高，其中，無論是非晶硅鍍膜設備(PECVD)、TCO鍍膜設備(PVD & RPD)，還是金屬化制程設備(絲網印刷機)，技術路線和競爭格局均尚未穩定，開發廠商的機遇與風險并存。

　　直驅技術在鋰電池生產中嶄露頭角

　　新能源汽車動力鋰電池的整個生產流程，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)。前段設備(如涂布機、輥壓機、分切機等)和中段設備(如制片機、模切機、卷繞機、疊片機等)是決定鋰電池質量和性能的關鍵，因此對于生產設備的控制精度和穩定性要求較高。而鋰電池后道生產設備，如化成、分容及檢測、Pack組裝設備等，則對于產線柔性化的要求更高，提高后段設備的自動化程度是關鍵。以往伺服系統應用較為普遍，但目前，直驅技術的應用優勢在這一領域也開始嶄露頭角。　

　　前段設備涂布機環節，鋼輥作為整個涂布機系統的主輥，起到穩定和傳輸作用，運行的平穩性直接影響到涂布的精度，涂布機鋼輥的運動控制系統要求能夠縮小誤差值，縮短加速時間并實現位置鎖定，提升極片的密度和精度，有效降低極片的次品率，此外，目前主流的涂布機一般的生產速度為60米/分鐘，仍然無法滿足鋰電池廠商的生產需求。

　　為了幫助廠商解決應用難點，科爾摩根采用DDR馬達替代之前減速機+伺服的方案，該DDR馬達類似于一個伺服空心軸，通過壓縮聯軸器，DDR馬達直接抱緊滾軸延伸軸，無機械背隙和柔性連接，直接帶動鋼輥高速轉動。同時搭配科爾摩根AKD驅動器，縮短了產線的組裝時間，減少了部件數量，提高了系統穩定性和精度，涂布機生產速度從原來的60米/分鐘大幅提升到80米/分鐘，提升了涂布環節的產能，充分滿足了涂布機鋼輥的性能要求，顯著提升了涂布機的設備精度，幫助涂布機設備廠商增強了競爭力。此外，涂布機極片工藝的優化，也幫助鋰電池廠商改善了生產效率和產品質量，大幅降低了生產成本。

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

　　另外，在鋰電池頂蓋激光焊接機方案中，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+AKD驅動器方案之后，可達到250mm/秒的正常生產速度，特別是滿足了小圓角焊接穩定性所需要的較高的加速度要求，提高了生產效率，且位置偏差控制在±50微米以內，實現了高響應度、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。　

　　高動態轉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，目前國產設備在加工效率、加工效果等方面與進口設備不相上下，且具備明顯的成本優勢，以單晶PERC電池制造為例，PECVD、擴散爐、清洗制絨、自動化、絲網印刷機等生產設備被用于多個主工藝之中。

　　太陽能光伏硅片絲網印刷機是電池片的重點工藝設備之一，直接影響到電池片的成品質量，屬于光伏電池片設備的后道工序。主流的太陽能光伏硅片絲網印刷機多為轉盤式(另外也有部分通過式絲網印刷機)，采用四工位轉臺結構設計，依次進行拍照定位、網板移動與硅片對位、網框下降進行印刷、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散之前用磷漿印的柵線重合，因此要求絲網印刷機能夠有精確度較高的定位系統，高精度是太陽能電池絲網印刷機發展的根本，也是未來新工藝開展的前提。

　　DD馬達(力矩馬達)等直驅技術有著輸出力矩大的特點，可直接與轉臺負載連接，具有較高的定位精度，重復定位精度更穩定，因而這類大慣量的直驅電機非常適用于轉盤式光伏電池絲網印刷機的應用場景，據了解，目前科爾摩根、上海奧茵紳等國內外廠商都在該領域已有了成熟的應用案例。此外，視覺系統及UVW平臺細微環節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到±12.5μm以下，疊印才會有更好的效果。

　　“碳達峰”、“碳中和”，正在為中國社會與經濟帶來一次翻天覆地的變革，新能源產業的發展必然經歷技術的不斷更新迭代，未來還有很長的一段路要走。要實現“碳達峰”、“碳中和”的目標，同樣需要包括直驅技術廠商在內的工控自動化行業的全力支持與配合，助力高端裝備制造業的整機開發，讓中國太陽能光伏、新能源汽車等新興產業繼續屹立于世界之巔。