汽車鋰電池系統總裝配生產線的模塊化應用

雷 霆，周 華，鄭元喜，劉振國，金永強

LEI Ting, ZHOU Hua, ZHENG Yuan-xi, LIU Zhen-guo, JIN Yong-qiang

（北京機械工業自動化研究所，北京 100120）

0 引言

鋰電池系統的裝配是電動汽車動力生產系統中重要的環節，然而多數汽車鋰電池系統的裝配以純手工為主，勞動工作量大，生產效率低，且手工生產過程中容易出錯且可能引起電池短路造成燃燒等事故。隨著鋰電池汽車研發的加大與產業化，以往的純手工生產方式已經跟不上迅速增長的電池系統需求，因此改善生產過程的自動化程度來提高生產效率、降低故障率、減輕勞動強度勢在必行。為此，結合該產品特點對鋰電池系統的裝配線各工序進行自動化升級，且加入了防短路設計及防錯識別，大大提高了整個生產過程的效率及可靠性。

1 系統構成

本系統主要包括2臺可自動升降疊垛機；單模組安裝裝配線；雙模組成組裝配線；總體裝配線等。其中配有疊垛工裝設備；單模塊擱置緩沖區；單模組安裝裝配生產線；翻轉操作臺；單模組壓差、內阻測試操作臺；雙模組成組裝配生產線；總體裝配板式鏈線；B型立柱式助力機械手及吊具；I型立柱式助力機械手及吊具；KBK導軌及導軌支架；電葫蘆及附件；DDK電動扳手；產品信息采集存儲管理系統；氣動或電動工具等。

2 工作流程

單體電池經疊垛機完成32～48片的單模組電池的成組安裝，經由B型立柱式助力機械手搬運至單模組安裝裝配線，通過翻轉操作臺完成單模組電池雙側電池極板安裝，再經過內阻測試操作臺檢測壓差與內阻合格后經由B型立柱式助力機械手搬運至雙模組成組裝配線，將兩同規格的單模組電池成組安裝（雙模組成組電池）后經由I型立柱式助力機械手搬運至總體裝配線，將2～3組雙模組成組電池與其它附件裝配成成品電池系統。

圖1 效果總圖

2.1 疊垛機

疊垛設備采用可升降操作平臺設計。升降采用伺服電機系統結構，配置絲杠導軌，保證升降精度。操作者每放置一片單體電池，升降平臺自動平緩下降一片單體電池厚度的高度，重復運動至模組所需數量。疊垛設備具有正、負極放置指示功能、模組中間夾板放置位置提示功能、電池疊垛計數功能提示組裝順序，包含6套電池模組疊放模式，不同模式對應不同疊垛電池數量和方式。

每個單體電池都有唯一的條碼（該條碼包含電池的生產批號、產品規格），將單體電池放置于條碼識別區域進行條碼自動識別，控制系統根據條碼自動判斷要加工的產品類別并顯示在疊垛控制箱的觸摸屏上，操作員根據控制箱的極性指示燈將掃碼后的單體電池放置在疊垛的極性檢測機構上，系統就會根據當前電池的電壓極性、電壓值和加工次序判斷單體電池放置是否正確，如正確則檢測極性機構打開且伺服電機帶動升降臺下降一片單體電池厚度的距離，同時高度檢測傳感器檢測疊垛電池是否高于正常疊垛位置，如正常極性檢測機構閉合繼續進行下一片單體電池的檢測。極性檢測與高度檢測不合格時都會有報警提示操作人員進行糾正，每一片電池的相關信息（電壓、極性、條碼、序號）都會在觸摸屏上顯示，所有6種產品在疊垛過程中各執行機構的動作會有所不同，控制系統會自動進行判別，保證每一個環節的可靠性和安全性。當一組電池疊垛完成后，操作人員雙手按住疊垛兩側下壓按鈕，旋轉氣缸旋轉90°后電缸下壓至設定行程（行程可根據產品實際加工精度調整）并保持，直到緊固螺栓完成確認后自動返回。每臺疊垛生產節拍小于5分鐘，而原生產節拍為11分鐘，且每臺疊垛省了一個操作員，生產效率大大提高。

圖2 疊垛專機效果圖

2.2 單模組線體

通過B型助力機械手將疊垛完成的電池放到單模組線體的工裝板上，控制系統根據線體運行狀況將電池自動分配到4臺翻轉操作臺最近且空閑的一臺進行電池極板裝配，每臺翻轉操作臺工作時都會將電池拉離線體外側進行裝配，不占用線體的運行通道而影響線體的效率，翻轉操作臺在入件及出件時自動判斷線體是否有其他電池組運行及其他工位的狀態以避免電池組的碰撞而發生事故。極板裝配完成后會依次進入內阻測試操作臺進行單模組電池的內阻、壓差的檢測，內阻測試操作臺位于線體兩側采用雙電缸同步控制，系統根據單模組電池的條碼自動識別該電池組信息，自動調用相應測試程序將各檢測的內阻與電壓值顯示在主控柜觸摸屏上，并將整個模組的電壓值匯總求出總壓差，與觸摸屏設置的內阻與壓差對比自動判斷該電池組是否合格，當測試產品測試合格后電池組自動輸送到升降機側，即可通過雙模組側的B型助力機械手搬運至雙模組成組裝配線。

圖3 單模組線體效果圖

2.3 雙模組線體

線體采用節距為38.1mm鏈條的雙層倍速鏈，在雙層線體的前、后兩端安裝有工裝板提升機，負責將隨行工裝板從上層線體移到下層線體和將下層線體的隨行工裝板輸送到上層線體。在工裝板提升機上分別設有電動滾杠和無動力滾杠，使工裝板自動進出升降機。工裝板提升機上下動作選用氣缸升降及直線導軌完整升降動作，線體每個工位均設有止動裝置。裝配按照從后到前的次序自動將兩套單模組電池放置在各工位上，每個工位的操作員完成裝配后按放行按鈕，電池組自動輸送到后面的升降機側等待I型助力機械手吊至總裝配線體。

圖4 雙模組線體效果圖

圖5 電氣系統結構圖

2.4 總裝配線體

總裝配線體采用兩條專用特種雙節距帶側翼滾子鏈條的板式鏈線體，線寬均為0.9m，節距為100mm。用鏈板將兩條鏈子上的翼板連接，鏈板形成一個平面拖動工件運行。鏈板表面緊固6mm厚的塑料板，防止電池系統組件磕碰劃傷。線體均采用強制節拍、間歇傳送的控制方式，并配有安全防護罩。板式鏈頭部設有無動力滾杠裝置，每2.2米一個工位，每個工位設有止動裝置，操作者通過止動按鈕控制工裝板運行及停止，操作者完成工序的作業任務，即控制放行，產品待轉。

3 電控系統

總裝線控制系統采用西門子最新系列的PLCSIMATIC S7-1500控制器和ET200SP點對點通信模塊，自帶PROFINET接口是新一代基于工業以太網技術的自動化總線標準，完全兼容工業以太網和現有的現場總線技術；疊垛、翻轉、線體、測試工位的IO控制連接到本工位附近的PROFINET現場總線擴展模塊，使得接線更為簡單、快捷并且各工位的執行狀態能在本工位的模塊的指示燈中反映出來，為以后的維護、檢修帶來了很大方便。

圖6 信息系統結構圖

4 系統主要功能

系統功能主要包括產品智能識別、柔性生產、過程監控、信息采集及數據管理、精度控制等。功能如下：

1）產品智能識別

由于生產線可能在同一時段可能加工不同產品，系統加入了產品智能識別功能，提高了產品生產的可靠性。如疊垛時可根據電池條碼自動判斷當前裝配的產品類別，并選擇相應的程序進行裝配，裝配過程中如遇不同規格的電池系統會自動聲光報警并在觸摸屏上提示；單模組內阻測試時自動調用匹配程序進行檢測；雙模組、總裝配線體的條碼綁定與數據錄入會自動判斷是否為同一類型產品。

2）柔性生產

設計之初除了滿足客戶定制6種產品的生產外，只要疊垛尺寸在長寬高750mm×230mm×350mm的尺寸以內的所有其他產品都能很方便加入到本系統中來。PLC控制程序、上位機及信息采集及數據管理系統都預留擴展接口來滿足客戶對產品類型增加的可能性。

3）過程監控

所有設備的運行及故障狀態均顯示在觸摸屏與工控機上并有聲光提示；疊垛下壓距離、極板安裝、雙模組及總裝配的扭矩及每種電池的內阻、電壓范圍均可通過觸摸屏及工控機設置。

4）信息采集及數據管理

利用讀碼器對電池系統生產線上工件進行條碼讀取，自動打印各工序產品條碼并對數據進行關聯，保存到數據庫里以便后續對數據進行查詢、檢索、追溯。將檢測結果輸出給上位機或是輸出報警信號，讓上位機進行后期處理或進行人工干預處理。系統可根據出廠時間、產品型號、用戶名稱、訂單號、制造單位等信息錄入到相應的數據管理文件下。查詢時可根據權限級別查詢相應的信息，可按產品型號、用戶名稱、條碼、訂單號等形式查詢，并能查詢到與其相關聯的各級產品信息。條碼管理系統結構分為四級，一級為單體電池條碼，包含電壓內阻等信息，二級為疊垛模塊電池條碼，包含靜態動態檢測信息、MMU、線束、管理檢測信息，三級為小箱體條碼、繼電器條碼、保險條碼、風扇條碼、大箱體條碼及BCU條碼信息，四級為成品條碼包含以上各級所有信息及總裝檢測結果。

5）精度控制

疊垛長度尺寸＜±0.5mm保證了后續裝配的裝配 精度；電池及電池組測量：電阻分辨率0.01mΩ，檢測精度+0.5%rdg.+5dgt；電壓及壓差分辨率0.1mV，檢測精度+0.01%rdg.+3dgt；重復精度偏差＜±1.0%。

5 結束語

本系統已進入試生產階段，其中疊垛專機生產減少了兩個人工并且效率提高了一倍，在5分鐘內即可完成單模組的疊垛工序。優化了單模組極板的安裝，采用了雙工位同時安裝與疊垛工序節拍匹配。自動測試工位完成電池的電壓、內阻的檢測與判斷并同步到產品信息采集存儲管理系統中。雙模組與總體裝配線的控制方式使得人工操作更為靈活。使用助力機械手代替人工搬運工件，減輕了操作人員的勞動強度，提高了工作效率。所有關鍵工序包括單體電池、單模組電池內阻壓差，雙模組、總體裝配線的各部件條碼都記錄在產品信息采集存儲管理系統中，方便了產品的質量追蹤和售后服務。

[1] 楊帆.國內外新能源汽x車動力電池發展及供求現狀[J].上海汽車2014,9(1).

[2] 劉廣敏.電動汽車動力鋰電池在線絕緣電阻檢測方法研究[J].汽車技術2013,11(12).