鋰離子電池模塊裝配工藝規劃系統

歐陽文龍　張含葉　陳愛霞　盧宏　林偉明

摘要：在分析鋰離子電池模塊裝配工藝功能需求的基礎上，提出鋰離子電池模塊裝配工藝規劃系統。該系統是基于Visual C#和SQL Server開發的，為鋰離子電池模塊裝配系統提供裝配工藝設計、規劃和管理的協同工作環境。

Abstract： Based on the functional requirements of the assembly process of the lithium-ion battery module， the assembly process planning system of the lithium-ion battery module is proposed. Based on Visual C# and SQL Server， the system is developed. The system provides a collaborative working environment for the assembly process design， planning and management of the lithium-ion battery module assembly system.

關鍵詞： 鋰離子電池模塊；工藝規劃；裝配線平衡

Key words： lithium-ion battery module；process planning；assembly line balancing

中圖分類號：TH16 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）32-0148-03

0 引言

近年來我國汽車行業迅猛發展，據專家保守估計，到2020年汽車保有量達到1.3億輛，汽車對石油能源的大量消耗以及由此引起的環境污染問題使得交通能源動力轉型成為全球共識[1]。解決交通能源消耗和環境污染的有效途徑是研發、應用和推廣新能源汽車，國際上主流的汽車公司，如福特、通用等，陸續推出基于鋰離子電池的電動汽車[2]。首先，原材料（正極材料、負極材料、電解液、外殼等）經過一系列制造工藝流程加工成鋰離子電池單體；接著，若干鋰離子電池單體和其它零部件按照一系列裝配工藝操作裝配成鋰離子電池模塊；然后，數個鋰離子電池模塊再裝配成鋰離子電池包；最后，鋰離子電池包安放于電動汽車上，為其提供動力源。其中，鋰離子電池單體大規模自動化生產已經是一種很成熟的技術，存在大量研究[3]。近年來，國內外出版了許多關于電池模塊設計[4]、電池包設計[5]、管理系統[6]等方面的文獻，但大多是關于改進電池功能，而鋰離子電池模塊裝配工藝規劃方面的相關研究鮮有報道，因此本文對其進行研究。

1 系統主要功能分析

鋰離子電池模塊裝配工藝規劃系統可以滿足以下需求：①對鋰離子電池模塊裝配工藝規劃的信息進行管理；②對任意兩個不同的鋰離子電池模塊進行綜合相似度計算；③對鋰離子電池模塊進行裝配順序規劃；④對單品種鋰離子電池模塊和混合品種鋰離子電池模塊進行裝配線平衡；⑤鋰離子電池模塊裝配工藝規劃系統的輸入；⑥鋰離子電池模塊裝配工藝規劃系統的輸出。

2 系統主要功能模塊

2.1 用戶登錄模塊

考慮到鋰離子電池模塊裝配工藝規劃系統的用戶不僅是企業內部工藝規劃人員，也有可能是非工藝規劃人員的其他企業技術人員或企業客戶。系統設置兩種不同權限的用戶帳戶，分別為普通用戶與高級用戶。普通用戶登陸系統后，僅僅只有系統信息瀏覽的權限；而高級用戶，實際上是借助該系統進行規劃的專業工藝人員擁有數據輸入、數據導出和數據修改的權限。這樣不僅能夠滿足普通用戶對鋰離子電池模塊裝配工藝規劃系統的瀏覽，而且能保證系統數據的安全性，不會因為非專業人員的誤操作或故意修改而導致的數據丟失、數據破壞。

當啟動鋰離子電池模塊裝配工藝規劃系統時，該系統會要求輸入用戶名和密碼。當用戶輸入用戶名和密碼后，系統會到數據庫中取得用戶名與密碼，并與用戶輸入的值進行比較。驗證結果有兩種：當用戶輸入的值與數據庫中取得值一致時，驗證成功，登錄到系統；當用戶輸入的值與數據庫中取得值不一致時，驗證失敗，退出系統。這樣，只有通過身份驗證的用戶才可以進入系統，從而保證了數據庫的安全性，用戶登陸流程規劃如圖1所示。

2.2 零件管理模塊

進入零件管理模塊后，界面左邊呈樹形結構，清晰地反映了組成鋰離子電池模塊的各種零件，點擊樹根節點下零件節點，右邊是零件的屬性界面，將出現相應的零部件各個屬性信息。

通過該功能模塊，不僅可以實現對鋰離子電池模塊裝配線上零件信息的瀏覽，而且還能對零件的三維模型進行瀏覽。

進入零件管理界面后，右鍵點擊零件節點，彈出右鍵菜單，其中包括“添加節點、修改節點、刪除節點”。點擊“刪除節點”，則可以直接刪除該節點，并在數據庫中也刪除對應的零件；點擊“添加節點”，則在被選節點下方建立新的樹節點，在右邊零件屬性界面中所有的屬性處于編輯狀態，輸入相應的信息，點擊下方的“添加”按鈕，相應的信息會在數據庫和左邊的節點信息中更新；點擊“修改節點”，則右邊的零件屬性界面中零件屬性會處于編輯狀態，修改相應的信息并保存，即可完成修改，如圖2所示。通過該模塊的開發，使得工藝規劃人員在一個可視化的界面上方便地進行零件的瀏覽、修改等操作，簡化了技術人員翻閱大量圖紙文件的繁瑣工作。

2.3 鋰離子電池模塊管理

該模塊由兩部分組成，第一部分可以瀏覽系統中所有的鋰離子電池模塊裝配體，如圖3所示；第二部分為每種鋰離子電池模塊的裝配工藝信息，包括鋰離子電池模塊的爆炸圖、組成鋰離子電池模塊的零件統計信息、裝配鋰離子電池模塊所用到的機器人、員工、工具、輔助工具、連接方式信息，如圖4所示。

2.4 裝配資源管理模塊

裝配資源管理模塊的界面左邊呈樹形結構，其下包括了機器人、人力資源、夾具、工具和輔助設備五個子節點，每個節點下包含了該類資源的全部資源節點。點擊任何一個具體的資源節點，右邊將出現相應的資源屬性信息；需要編輯哪種資源，就選擇相應的資源節點。右鍵點擊樹節點后，點擊右鍵菜單會出現“添加節點、修改節點、刪除節點”，如圖5所示。

通過該模塊的開發，實現了對鋰離子電池模塊裝配線線上裝配資源信息的瀏覽，包括資源編號、資源名稱、資源型號、價格、供應商等，同時還能對裝配資源進行三維模型的瀏覽，使得工藝規劃人員在一個可視化的界面上方便地進行裝配資源的瀏覽、管理等操作。

2.5 綜合相似度計算模塊

在鋰離子電池模塊裝配工藝規劃系統中，鋰離子電池模塊之間綜合相似度計算模塊是專門為計算兩個不同鋰離子電池模塊的綜合相似度而設計的一個智能化模塊。基于文獻[7]中的理論，對其進行規劃設計，具體實施過程分為三步：第一步，選擇所要計算的對象；第二步，載入零件相似度矩陣、結構相似度矩陣和裝配工藝相似度矩陣信息；第三步，利用MATLAB編程接口技術將Kuhn—Munkres算法程序嵌入到Visual C#軟件平臺中，通過點擊“運算”按鈕，觸發內部程序，打開MATLAB軟件進行計算，如圖6所示。

2.6 裝配順序規劃模塊

在鋰離子電池模塊裝配工藝規劃系統中，鋰離子電池模塊的裝配順序規劃模塊是專門為計算鋰離子電池模塊的裝配順序而開發設計的一個智能化模塊。基于文獻[8]中的理論，對其進行規劃設計，具體實施過程分為三步：第一步，選擇所要計算的對象；第二步，載入零件信息矩陣（即零件編號、裝配方向和裝配工具）、接觸矩陣（即鋰離子電池模塊裝配體中各零部件之間的接觸關系）、移動邊矩陣（即沿著±X，±Y，±Z裝配方向，鋰離子電池模塊裝配體中各零部件之間的幾何干涉關系），并輸入基礎件的信息；第三步，利用MATLAB編程接口技術將免疫粒子群算法（IPSO）程序嵌入到Visual C#軟件平臺中，通過點擊“運算”按鈕，觸發內部程序，打開MATLAB軟件進行計算，如圖7所示。

2.7 裝配線平衡模塊

該模塊包括兩部分，第一部分為單品種裝配線平衡模塊，第二部分為混合品種裝配線平衡模塊。

2.7.1 單品種裝配線平衡模塊

在鋰離子電池模塊裝配工藝規劃系統中，單品種鋰離子電池模塊的裝配線平衡模塊是專門為計算其裝配線平衡而開發設計的一個智能化模塊，具體實施過程分為三步：第一步，選擇所要計算的對象；第二步，載入線性裝配優先關系信息、裝配時間均值信息、裝配時間的標準差信息，并輸入裝配節拍；第三步，利用MATLAB編程接口技術將基于任務的枚舉算法程序嵌入到Visual C#軟件平臺中，通過點擊“運算”按鈕，觸發內部程序，打開MATLAB軟件進行計算，如圖8所示。

2.7.2 混合品種裝配線平衡模塊

在鋰離子電池模塊裝配工藝規劃系統中，混合品種鋰離子電池模塊的裝配線平衡模塊是專門為計算其裝配線平衡而開發設計的一個智能化模塊，對其進行規劃設計，具體實施過程分為三步：第一步，輸入所要計算的品種總數量，然后選擇具體的品種并輸入該品種的需求量；第二步，將所選擇的每種鋰離子電池模塊的線性裝配優先順序、每種鋰離子電池模塊中配任務的時間均值和標準差進行預處理，處理后的綜合線性裝配優先順序、綜合線性裝配優先順序中裝配時間的均值和標準差分別以txt文檔的形式保存，調用的時候直接點擊“載入”按鈕即可；第三步，利用MATLAB編程接口技術將基于任務的枚舉算法程序嵌入到Visual C#軟件平臺中，通過點擊“運算”按鈕，觸發內部程序，打開MATLAB軟件進行計算，如圖9所示。

3 結束語

開發了電動汽車用鋰離子電池模塊裝配工藝規劃系統，并對研究的關鍵技術進行實例運行，實現了鋰離子電池模塊裝配工藝規劃的數字化和程序化。

參考文獻：

[1]Karden E， Ploumen S， Fricke B， et al. Energy storage devices for future hybrid electric vehicles[J]. Journal of Power Sources， 2007， 168 （1）： 2-11.

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[6]喬立彪.鋰離子電池管理系統的研究與實現[D].山東大學，2012.

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