圓柱型鋰離子動(dòng)力電芯在PACK裝配線前端的測(cè)試

楊繼楊 吳茂敏 傅燦東

摘 要：一般在電芯生產(chǎn)廠家，圓柱型鋰離子動(dòng)力電芯在出廠前均做測(cè)試，而電芯到PACK裝配廠或新能源整車廠，電芯需要做二次測(cè)試，比起前面的測(cè)試，要求對(duì)電芯的篩選更嚴(yán)格，測(cè)試效率更高，測(cè)試設(shè)備的自動(dòng)化程度更高，為了提高生產(chǎn)和測(cè)試效率，電池包裝配廠或新能源整車廠往往把電芯測(cè)試項(xiàng)目有機(jī)集成在裝配線上，來(lái)提高企業(yè)的生產(chǎn)效益。

關(guān)鍵詞：鋰離子；動(dòng)力電芯；測(cè)試

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.07.117

0 引言

伴隨著社會(huì)環(huán)境問題的日益凸顯，綠色能源的概念也逐漸深入人心，近年來(lái)陸續(xù)投入使用以鋰電池為動(dòng)力的新能源汽車，有污染小、使用成本低、車身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安靜舒適等優(yōu)點(diǎn)逐漸為人們所追捧。動(dòng)力所使用的圓柱型鋰離子動(dòng)力電芯，有高能量密度、高電壓、無(wú)污染、無(wú)記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，亞化咨詢研究表明，2017年中國(guó)鋰離子電芯的產(chǎn)量約為88.7GWh，而2018年預(yù)計(jì)突破 100 GWh。而與此對(duì)應(yīng)，鋰離子動(dòng)力電芯的測(cè)試設(shè)備在市場(chǎng)上有很大的需求和進(jìn)步空間。

根據(jù)國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)GC/T743-2006《電動(dòng)汽車用鋰離子蓄電池》和GB/Z18333.1-2001《電動(dòng)道路車輛用鋰離子蓄電池》，以及新能源汽車市場(chǎng)上的要求，對(duì)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上大多數(shù)電池包裝配公司使用的圓柱形鋰離子動(dòng)力電芯，檢測(cè)項(xiàng)目眾多。本文只針對(duì)電芯在PACK裝配線前端分選機(jī)上所做的檢測(cè)項(xiàng)目做以介紹：其檢測(cè)項(xiàng)目包括外觀尺寸檢測(cè)、表面缺陷檢測(cè)、電性能檢測(cè)。因?yàn)樾履茉雌囁璧碾娦緮?shù)量巨大，如特斯拉Model3汽車，每輛車約需7000粒鋰電芯，每輛新能源大巴車則需要5萬(wàn)粒左右電芯，市場(chǎng)對(duì)電芯的需求量是相當(dāng)巨大的。以前通過人工分選的方式已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足大批量的產(chǎn)品生產(chǎn)，也不能滿足電芯質(zhì)量一致性的要求，所以要求PACK裝配線系統(tǒng)集成的分選機(jī)能大批量、高質(zhì)量、全自動(dòng)來(lái)篩選電芯的等級(jí)。

1 分選機(jī)簡(jiǎn)述

為配合整體PACK裝配線大批量高效率生產(chǎn)的需要，現(xiàn)在市場(chǎng)上的高端分選機(jī)節(jié)拍達(dá)到120～240P/min，主要有從電芯自動(dòng)上料模塊、電磁抓手模塊、電芯測(cè)試模塊、電芯分道模塊和控制系統(tǒng)模塊五個(gè)模塊構(gòu)成，分選機(jī)的主要功能是根據(jù)電芯測(cè)試區(qū)分出不同的等級(jí)， 將不同等級(jí)的電芯區(qū)分開來(lái)后通過電磁抓手送至不同的分道。電芯檢測(cè)分道后自動(dòng)輸送至PACK裝配線的下個(gè)工序。

電芯測(cè)試模塊是分選機(jī)的核心部分，包括外觀尺寸檢測(cè)、電性能檢測(cè)兩個(gè)部分，以下分別作詳細(xì)闡述。

2 外觀尺寸檢測(cè)

國(guó)內(nèi)PACK電池包裝配廠家會(huì)檢測(cè)電芯供應(yīng)商提供的電芯，通過電芯分選機(jī)對(duì)其外觀進(jìn)行檢測(cè)，剔除外表面存在缺陷（表皮破損、銹蝕、劃傷、凹陷、凸點(diǎn)等）的電芯。各廠家根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，將尺寸外徑和長(zhǎng)度偏差大于等于0.2mm，凹陷或者凸起高度大于等于0.5mm，劃傷大于等于1mm，有明顯的表皮破損或銹蝕的電芯都視為不合格?，F(xiàn)在則主要通過機(jī)器視覺和激光測(cè)量模塊來(lái)檢測(cè)。機(jī)器視覺檢測(cè)可以適用于人工視覺難以滿足要求的場(chǎng)合，具有精度高、測(cè)量速度快、不接觸電芯、價(jià)格適中的優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)在國(guó)內(nèi)設(shè)備廠商的首選方案。

其電芯直徑檢測(cè)方案如下圖1所示，將一排電芯置于同步傳送帶上的U型夾具上，工業(yè)相機(jī)和相配套光源安裝在傳送帶的兩側(cè)，當(dāng)夾具上的電芯通過時(shí)，利用工業(yè)相機(jī)對(duì)電芯兩端面拍照，獲得其端面的圖像，再通過圖像處理軟件來(lái)計(jì)算出電池直徑，同時(shí)，工業(yè)相機(jī)獲取的圖像，通過圖像處理來(lái)判斷電芯端面是否存在劃傷等表面缺陷。

當(dāng)同步帶上U型夾具帶動(dòng)電芯行至下一個(gè)工位時(shí)，行程可讀出氣缸伸出頂緊電芯的正極端面，將電芯的負(fù)極端面緊靠基準(zhǔn)平面，通過氣缸上的行程傳感器來(lái)分析出行程數(shù)值，可得到所測(cè)電芯的長(zhǎng)度，一個(gè)氣缸只能檢測(cè)一粒電芯的長(zhǎng)度，所以通常用一排氣缸來(lái)同時(shí)檢測(cè)一排電芯的長(zhǎng)度來(lái)提升檢測(cè)效率。

電芯的外觀檢測(cè)，電芯在同步帶的治具上作旋轉(zhuǎn)360°滾動(dòng)，通過工業(yè)相機(jī)對(duì)電芯表面作動(dòng)態(tài)拍照，獲取電芯的圓柱面圖像，再通過圖像處理來(lái)判斷電芯是否存在缺陷，其圓柱面外觀檢測(cè)方案如下圖2所示。隨著PACK裝配線的節(jié)拍要求越來(lái)越高，當(dāng)要求電芯檢測(cè)速度超過3粒/秒時(shí)，這種機(jī)器視覺的檢測(cè)方法在實(shí)際應(yīng)用中往往檢測(cè)不出細(xì)微缺陷的電芯，特別是鋁殼電芯上的細(xì)微劃痕，不明顯的凹陷或凸起等，近年來(lái)上端的設(shè)備廠家嘗試使用3D形狀測(cè)量激光系統(tǒng)，取得了不錯(cuò)的效果。

3 電性能檢測(cè)

鋰離子電芯在新能源汽車上組裝為動(dòng)力電池大規(guī)模成組使用時(shí)，保證電芯的一致性是電池安全的保證，一致性不好的車輛電池包使用壽命會(huì)大大縮短，極端情況，可能車輛在駕駛時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致爆炸等安全問題。保證一次性的具體參數(shù)有電池容量、端電壓、內(nèi)阻、充放電電壓和電流和壽命等，雖然工業(yè)化生產(chǎn)出來(lái)的電芯生產(chǎn)工藝和制造材料相同，但是哪怕是同一批次生產(chǎn)出來(lái)的電芯的電性能也會(huì)有差別，因此，在PACK裝配線上，必須把性能參數(shù)不滿足一致性的電芯分選成不同的等級(jí)。

為了滿足對(duì)電芯自動(dòng)化測(cè)試的要求，還要把測(cè)試儀器集成在PACK裝配線上，和外部檢測(cè)機(jī)構(gòu)相配合，既要滿足電芯大批量的高速測(cè)試要求，還要保證測(cè)試的穩(wěn)定性。對(duì)于電性能檢測(cè)項(xiàng)目都需接通鋰離子電芯兩極來(lái)完成檢測(cè)，對(duì)于內(nèi)阻檢測(cè)和充放電檢測(cè)所需要的設(shè)備，電芯電性能檢測(cè)方案如下圖3所示：電芯在同步帶上的托盤上依次進(jìn)行內(nèi)阻測(cè)試和充放電測(cè)試，再進(jìn)行電性能測(cè)試。在同步帶左右兩側(cè)安裝有可以左右移動(dòng)的夾板，一端夾板安裝有整體型金屬探針（Misumi），這種金屬探針是從前端到末端由一根銷構(gòu)成的，可以通入穩(wěn)定的電流。另一端夾具安裝有固定金屬柱，當(dāng)電芯通過同步帶到達(dá)固定位置后，兩側(cè)夾板夾緊電芯兩極固定電芯，使電芯接通電壓內(nèi)阻測(cè)試設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，并將測(cè)試結(jié)果傳遞到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中。當(dāng)電壓內(nèi)阻測(cè)試完成后夾具松開，同步帶傳遞電芯進(jìn)入充放電測(cè)試工位，同樣地，該工位夾板夾緊電芯，電芯通過探針接入充放電測(cè)試設(shè)備開始充放電測(cè)試。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)在PACK裝配線前端的圓柱型鋰離子電芯的檢測(cè)需求，利用自動(dòng)化分選機(jī)完成了圓柱型鋰離子電芯的自動(dòng)化檢測(cè)，解決了鋰電池行業(yè)中普遍存在檢測(cè)效率低、檢測(cè)質(zhì)量差的問題，大大提高了PACK裝配線的生產(chǎn)效率與鋰電池在使用中的安全性能。采用高質(zhì)量、全自動(dòng)的電芯分選方法集成在PACK裝配線上，對(duì)我國(guó)的鋰電池產(chǎn)業(yè)化具有重大意義。

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作者簡(jiǎn)介：楊繼楊（1979-），男，安徽太和人，本科，工程師，主要從事自動(dòng)化設(shè)備的設(shè)計(jì)改造等工作。