汽車動力電池系統(tǒng)生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)

黎明

摘 要：動力電池是為汽車提供動力來源的重要裝置，對汽車性能有著較大的影響。傳統(tǒng)的動力電池生產(chǎn)系統(tǒng)自動化水平較低，大部分生產(chǎn)環(huán)節(jié)都是人工操作，無法保證PACK包的生產(chǎn)質(zhì)量，經(jīng)常出現(xiàn)大量PACK包返修的情況。文章主要設(shè)計(jì)某汽車動力電池系統(tǒng)生產(chǎn)線，在傳統(tǒng)動力電池系統(tǒng)生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上，使用大量的自動化設(shè)備和機(jī)器人替代人工生產(chǎn)環(huán)節(jié)，并增加大量的檢測設(shè)備，對每個生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行檢驗(yàn)，保證每個環(huán)節(jié)的生產(chǎn)質(zhì)量，希望可以設(shè)計(jì)出自動化水平高的汽車動力電池系統(tǒng)生產(chǎn)線，降低PACK包的返修率。

關(guān)鍵詞：動力電池；生產(chǎn)工藝；設(shè)計(jì)；模組；PACK；模塊

中圖分類號：U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）19-0111-03

Abstract： Power battery is an important device to provide power source for automobile， which has a great influence on the performance of automobile. The traditional power battery production system has a low level of automation， and most of the production links are manual operation， which cannot guarantee the production quality of the pack， and there are often a large number of PACK packages to be repaired. This paper mainly designs the production line of an automobile power battery system. On the basis of the traditional power battery system production line， a large number of automatic equipment and robots are used to replace the manual production link， and a large number of testing equipment is added. Each production link is inspected to ensure the production quality of each link. It is hoped that the automobile power battery system production line with high level of automation can be designed to reduce the re-repair rate of PACK package.

Keywords： power battery； production process； design； module； PACK； module

引言

動力電池系統(tǒng)生產(chǎn)過程中，有幾個需要注意的技術(shù)要點(diǎn)，第一，要對電芯篩選環(huán)節(jié)進(jìn)行重視，通過電芯篩選主篩選出同批壓差的電芯，可以保證電池包的使用壽命，主要是通過電芯篩選環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)上述目的。第二，要注意模塊電芯電阻焊接工作，要保證焊接的質(zhì)量和產(chǎn)品的合格率，為滿足上述兩點(diǎn)要求選擇了凸點(diǎn)焊的方式進(jìn)行焊接。第三，在模塊的裝配過程中，需要將絕緣片合理安裝在模塊上，需要在安裝的過程中翻轉(zhuǎn)模塊，選擇festo起動旋轉(zhuǎn)氣缸作為驅(qū)動裝置。第四，PACK包需要進(jìn)行充放電檢查工作，要將電池包充放電庫選擇立體庫形式[1]。

1 電池包參數(shù)設(shè)計(jì)

電池包參數(shù)設(shè)計(jì)如下：首先根據(jù)電池包的設(shè)計(jì)要求，電池包的絕緣電阻≥10MΩ，要注意電阻參數(shù)是總正/總負(fù)對箱體的絕緣電阻，還可以得到電池包的電壓范圍為252V-310V-348V。接下來對電池包的參數(shù)進(jìn)行明確，主要包括防護(hù)等級、阻燃性要求、安全性要求三方面，其中防護(hù)等級為IP67，阻燃性需要符合GB/T19666-2005，安全性需要符合GB/T31467.3-2015。最后對電池包的環(huán)境要求明確，電池包的最佳存儲溫度為5℃～45℃，儲存濕度為0～95%，上述為電池包的參數(shù)設(shè)計(jì)情況，需要按照上述要求設(shè)計(jì)電池生產(chǎn)工藝。

2 項(xiàng)目概況

眾泰需要一套汽車動力電池系統(tǒng)自動化生產(chǎn)線，動力電池匹配的車型為眾泰E200車型。該電池系統(tǒng)生產(chǎn)工藝是現(xiàn)階段國內(nèi)自動化水平較高的生產(chǎn)線，大部分生產(chǎn)環(huán)節(jié)都可以通過機(jī)器人結(jié)合設(shè)備聯(lián)動實(shí)現(xiàn)，電芯篩選、模塊組裝、PACK成組三個生產(chǎn)環(huán)節(jié)都可以在一條生產(chǎn)線上完成。在PACK生產(chǎn)完成以后，還設(shè)置了大量的視覺掃描及檢驗(yàn)設(shè)備，可以對產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)。因?yàn)檎麄€生產(chǎn)線大部分環(huán)節(jié)都使用了機(jī)器人配合作業(yè)，將人為失誤降到了最低，可以保證整個生產(chǎn)的質(zhì)量和效率。整個電池系統(tǒng)生產(chǎn)線使用了31臺機(jī)器人，具有較高的自動化水平。生產(chǎn)線還具有很高的兼容性，如果需要更換產(chǎn)品，將抓手、工裝更換掉即可，可以快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的過渡。整個生產(chǎn)線采用封閉生產(chǎn)模式，可以提升生產(chǎn)的安全性能[2]。

3 生產(chǎn)工藝流程

整個電池系統(tǒng)生產(chǎn)工藝流程如圖1，先進(jìn)行電芯的上料操作，上料方式采用人工上料，進(jìn)入電芯篩選環(huán)節(jié)，將不合格的電芯淘汰掉，電芯進(jìn)入到下支架以后，會通過機(jī)器人將電池進(jìn)行合理碼放，然后進(jìn)入到盒蓋環(huán)節(jié)，通過機(jī)器人將上蓋與模塊閉合，接下來進(jìn)入到凸點(diǎn)焊接環(huán)節(jié)，這種焊接方式既能保證焊接質(zhì)量，還可以提高產(chǎn)品的合格率。然后進(jìn)入到模塊的裝配階段，將裝配結(jié)束后的模組進(jìn)行測試和打碼，對于測試不合格的模組進(jìn)行返工，測試合格的模組則進(jìn)入到模組采樣板裝配環(huán)節(jié)，最后進(jìn)行模組采樣焊接，就完成了電池生產(chǎn)工藝流程。

4 生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)

4.1 工藝節(jié)拍設(shè)計(jì)

在進(jìn)行工藝節(jié)拍設(shè)計(jì)之前，先明確生產(chǎn)的產(chǎn)能要求，該生產(chǎn)線的要求為每天生產(chǎn)10h，生產(chǎn)PACK數(shù)量為100個。通過產(chǎn)能要求，可以計(jì)算出來一個PACK節(jié)拍為324s，即一個PACK所有的生產(chǎn)時間為324s，每個PACK有兩種模組組成，一種模組由5個模塊組成，另一組由6個模塊組成，每個模塊有144個電芯組成，根據(jù)上述數(shù)據(jù)，可以設(shè)計(jì)出模組節(jié)拍為81s，模塊節(jié)拍為1.35s，單側(cè)的時間為一半節(jié)拍，電芯的篩選為0.093s[3]。

4.2 生產(chǎn)線主要裝配工藝

4.2.1 模塊組裝與焊接

模塊的組裝采用36P×4SD的結(jié)構(gòu)形式，每個模塊都要預(yù)留4個采壓接口，在模塊的組裝過程中，每個模塊需要組裝144個電芯，并通過36并4串的方式。將電芯安裝在模塊內(nèi)部以后，還需要進(jìn)行電阻焊接操作，通過焊接操作可以使電芯與銅鎳復(fù)合片完成串并聯(lián)，焊接的操作對于電池包性能有著較大的影響，通過反復(fù)試驗(yàn)以后決定使用凸點(diǎn)焊對電芯進(jìn)行焊接操作，可以保證焊接的質(zhì)量和產(chǎn)品合格率。模塊中的每個電芯都需要進(jìn)行正反面的凸點(diǎn)焊操作。根據(jù)生產(chǎn)線的產(chǎn)能需求可知，焊接模塊的速度需要達(dá)到220個每小時，需要使用20臺焊接設(shè)備進(jìn)行同時操作。

4.2.2 模組組裝

模組組裝是通過機(jī)器人抓取模塊實(shí)現(xiàn)的，生產(chǎn)線中具有專門的裝配機(jī)器可以將模塊組裝成模組，每個模塊和模塊之間組裝時，采用串聯(lián)的連接方式，使用含導(dǎo)電簧接插件作為連接構(gòu)建，并使用專門的螺桿擰緊模塊。模組組裝時，中間部位通過環(huán)氧板制造絕緣區(qū)域，使每個模塊之間都具有絕緣性，模塊上有專門的卡扣，可以扣住絕緣片。在模塊的組裝環(huán)節(jié)，已經(jīng)進(jìn)行了焊接操作，為了避免人工操作對模塊產(chǎn)生破壞，使用機(jī)器人抓取絕緣片并安裝在模塊上，機(jī)器人可以進(jìn)行翻轉(zhuǎn)操作實(shí)現(xiàn)模塊兩側(cè)的絕緣片安裝工作。根據(jù)對機(jī)器人定位精度以及負(fù)載情況，選擇使用festo氣動旋轉(zhuǎn)氣缸進(jìn)行模塊的翻轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置。

4.2.3 PACK組裝

每個PACK包采用1*4的結(jié)構(gòu)形式，也就是每個PACK由4個模組構(gòu)成，將模組按照順序放置在鋁殼內(nèi)部，并使用專門的螺栓固定在PACK包內(nèi)部，在模組的下方會放置專門的橡膠，這種橡膠具有傳熱的特性，將模組安裝在鋁殼內(nèi)以后，可以與PACK底實(shí)現(xiàn)軟接觸和傳熱。然后使用接插件連接電氣，要保證PACK包內(nèi)部的結(jié)構(gòu)緊湊，避免出現(xiàn)空間資源浪費(fèi)的情況。模組在放置在PACK包內(nèi)部以后，還需要實(shí)現(xiàn)電連接，主要使用銅排鎖螺釘實(shí)現(xiàn)，可以滿足模組之間的電連接需求[3]。

4.3 產(chǎn)品在線檢測工藝

4.3.1 電芯檢測

在最開始的產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，選用了三種類型的電芯，分比為力神、CATL和LG。電芯受到壓降的影響，會出現(xiàn)較大的電壓的波動，但是波動過大的電壓會影響到電池包的使用壽命，這就需要設(shè)置一個電芯的檢驗(yàn)環(huán)節(jié)，對電芯電壓進(jìn)行篩選工作，挑選同批壓差的電芯，進(jìn)入模塊的組裝環(huán)節(jié)。為了將電芯電壓差控制在0.1V范圍內(nèi)，開發(fā)設(shè)計(jì)了多功能專機(jī)，用于電芯的篩選，可以對電芯進(jìn)行檢驗(yàn)、掃碼、視覺檢測，保證篩選的電芯符合生產(chǎn)要求。電芯篩選設(shè)備每小時可以檢測8000個電芯，而電池系統(tǒng)生產(chǎn)線產(chǎn)能要求為10h生產(chǎn)100個PACK，這就需要每小時篩選出31680個電芯，電芯在篩選的過程中，必然會出現(xiàn)一部分的不合格電芯，在計(jì)算中預(yù)留10%不合格率，根據(jù)上述數(shù)據(jù)計(jì)算，需要在生產(chǎn)線中準(zhǔn)備5個電芯檢測設(shè)備，才能滿足電池系統(tǒng)生產(chǎn)線的產(chǎn)能要求[4]。

4.3.2 模塊檢測

對模塊進(jìn)行盒蓋和凸點(diǎn)焊接操作以后，即可進(jìn)行模塊的測試工作，主要是對電芯進(jìn)行檢測工作，通過自動化設(shè)備和機(jī)器人的使用完成模塊的檢測工作，傳統(tǒng)的檢測通常都是通過人工完成檢測工作，經(jīng)常會出現(xiàn)人工失誤的情況，為此本項(xiàng)目選擇自動化設(shè)備和機(jī)器人的使用完成模塊的測試工作，將失誤幾率降到最低。在模塊的檢測工作中，經(jīng)常會使用視覺檢測的方式，通過專業(yè)的機(jī)械設(shè)備對電芯上的缺陷進(jìn)行查看，可以找出電芯上存在的劃痕、凸點(diǎn)等等問題，一旦發(fā)現(xiàn)明顯視覺缺陷，需要在對模塊檢測完成以后，通過機(jī)器人專業(yè)設(shè)備將不合格的產(chǎn)品打上印記，并進(jìn)行返工處理，而通過模塊檢測的產(chǎn)品則可以進(jìn)入到后面的模組組裝環(huán)節(jié)。

4.3.3 模組檢測

模組檢測主要有四個部分，分別為電阻檢測、電壓采樣檢測、尺寸檢測、外觀檢查。其中前三種檢查，都是通過自動化設(shè)備進(jìn)行檢查，機(jī)器人配合自動化設(shè)備，對組裝完成后的模塊進(jìn)行合理的檢查工作，檢查完成以后的模組可以進(jìn)入到下一個生產(chǎn)環(huán)節(jié)。其中外觀檢查主要是使用專業(yè)的設(shè)備對模組的劃痕、破損、污漬、凸點(diǎn)等等缺陷問題進(jìn)行發(fā)現(xiàn)。并對檢查結(jié)束的模組進(jìn)行掃碼操作，將每項(xiàng)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的記錄工作，檢查合格的產(chǎn)品通過機(jī)器人送入到下一個環(huán)節(jié)，檢驗(yàn)不合格的模組則打下印記，進(jìn)行返工。

4.3.4 PACK檢測

PACK檢測主要包括絕緣耐壓與電氣回路測試、氣密性測試兩大部分。在進(jìn)行絕緣耐壓與電氣回路測試時，主要是為了檢測出PACK包的絕緣耐受電壓能力，在保證PACK接線合格以后，即可以進(jìn)行絕緣耐壓與電氣回路測試工作，先進(jìn)行PACK包的絕緣耐壓檢測，檢測不合格的PACK包需要進(jìn)行返工處理，并將不合格的產(chǎn)品打印上不良信息，通過絕緣耐壓檢測的PACK才能進(jìn)入到電氣回路檢驗(yàn)環(huán)節(jié)，與上述環(huán)節(jié)的檢驗(yàn)相同，不通過的PACK包需要進(jìn)行打印不良信息，合格的PACK包通過該檢測環(huán)節(jié)，并進(jìn)行后續(xù)的氣密性測試和充放電檢測[5]。

4.4 PACK充放電檢測

PACK自充放電檢測也是通過自動化設(shè)備進(jìn)行檢測，每個電池包都需要進(jìn)行兩次充電和兩次放電檢測，完成一個PACK包的充放電檢測需要耗費(fèi)4個小時，每天需要將生產(chǎn)的100件PACK全部進(jìn)行充放電檢測工作，這就需要25臺充放電檢測設(shè)備。因?yàn)樾枰獧z測的PACK包數(shù)量比較多，為此選擇立體庫的方式存放需要檢測的PACK包，并使用專業(yè)的插接設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)自動插接和自動檢測的工作，不但降低了失誤率，還可以避免其他因素影響到檢測結(jié)果。

5 結(jié)束語

根據(jù)上述研究可知，該生產(chǎn)線具有較高的自動化水平，可以在一條生產(chǎn)線上完成整個動力電池的生產(chǎn)，在通過視覺掃描和檢驗(yàn)設(shè)備對完成的電池包進(jìn)行多次檢驗(yàn)，保證了產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量。整個生產(chǎn)工藝中大部分環(huán)節(jié)都是采用機(jī)器人配合自動化設(shè)備，可以大幅度增加生產(chǎn)的質(zhì)量和效率。根據(jù)實(shí)際的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段大部分PACK生產(chǎn)線自動化水平較低，大部分生產(chǎn)環(huán)節(jié)都是人工操作，導(dǎo)致PACK返修率居高不下。本生產(chǎn)線總結(jié)了原來的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并增加自動化設(shè)備和檢測環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)出自動化水平高、返修率低的動力系統(tǒng)生產(chǎn)線。

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