基于智能化控制的新能源汽車動力電源系統電池模組堆疊控制系統設計

張清郁

(河南工業貿易職業學院，河南 鄭州 450053)

1 引言

新能源汽車是我國加強環境保護的代表性產物之一，該類型汽車以電能作為驅動車輛行駛能源，不會排出對氣體污染物[1]。從結構組成來看，新能源汽車與普通汽車的區別在于電源系統，前者利用鋰電池供電，后者依靠燃燒汽油、柴油方式作業[2]。所以，鋰電池電源系統是新能源汽車開發的關鍵。目前，電源系統中鋰離子鋁殼模組堆疊存在長度不合格問題，如何提高模組堆疊控制，成為了當前重點解決問題[3，4]。針對此問題的探究，尚未形成較為成熟的控制方案，本文嘗試引入智能化控制技術，設計了一套模組堆疊控制系統。

2 新能源汽車動力電源系統電池模組堆疊控制

本研究在傳統模組堆疊控制基礎上引入智能化控制技術，打造雙控體系，以此提高控制精準度，提高作業質量。如圖1所示為模組堆疊控制工藝流程。

圖1 模組堆疊控制工藝流程

第一步：系統按照MES生產需求下單。

第二步：開啟物料加工電芯作業模式，開始向模組堆疊加工裝置送料。

第三步：通過掃碼OCV，檢測當前物料是否達到加工標準，如果不合格，將物料轉入NG臺，如果合格，開始執行第四步。

第四步：采用等離子清洗方法，對物料采取清洗處理。其中，應用到的裝置為端板和端絕緣板。

第五步：堆疊物料。在側板的帶動下，系統啟動視覺拍照模式，實時監測堆疊情況，從而確保堆疊作業正常。

第六步：CMT焊接。

第七步：判斷人工焊縫檢測是否達到標準，如果達到標準，則進入下一步，如果檢測結果為不合格，則NG下線。

第八步：按照生產標準，檢測模組長度是否達到標準，如果達到標準，則進入下一步，如果檢測結果為不合格，則NG下線。

第九步：模組靜置，采用激光焊接工序加以固定，生成合格產品。

傳統的堆疊生產工藝，以人工操作為主，控制各個生產環節設備作業狀態，部分操作需要人工處理。這種生產工藝不僅作業效率低，而且堆疊控制精度較低。為了改善堆疊控制現狀，一些廠家嘗試開啟半自動堆疊控制模式，部分操作利用設備操作，雖然改善了產品質量，但是仍然存在產品缺陷問題。為了解決這些問題，本文提出智能化控制，將檢測、控制、執行3項重要操作，從人工操控模式轉變為智能化雙控模式，將這種新型控制模式應用至如圖1所示的堆疊控制工藝流程中。

3 基于智能化控制的模組堆疊控制系統設計

3.1 系統框架設計

本系統的智能控制部分主要由3個模塊組成，分別為執行模塊(執行系統)、控制模塊(控制系統)、檢測模塊(檢測裝置)，配合其他生產工藝模塊，形成完整的堆疊智能控制系統。如圖2所示為系統框架結構。

圖2 系統框架結構

該系統框架結構是一個閉環系統，按照模組堆疊生產控制需求，將模組參數數據輸入到控制系統中，自動轉化為系統作業操控命令，發送至執行功能模塊。該模塊接收到控制命令后，按照此命令開始生產作業，完成堆疊控制。生產執行命令完成后，利用加壓裝置，對電池模組進行加壓，使得電池具備供電基本條件[5]。為了保證電池模組達到質量標準，本系統增加了質量檢測裝置，對模組的各項指標性能進行檢測，根據檢測結果作出判斷[6]。如果電池模組達到質量標準，則印刷合格標志，如果未能達到標準，則需要轉入控制功能模塊，針對質檢不合格之處采取處理，轉入執行模塊，經過加壓處理，再次生成電池模組產品。

從整體來看，該系統完成一次電池模組生產加工及檢測操作后，系統自動轉入下一次操作循環，形成一套閉環管控系統[7]。

3.2 系統功能模塊設計

3.2.1 動態檢測功能模塊

本系統中的動態檢測模塊，主要檢測模組壓力和長度是否達到產品加工標準。該功能模塊的作業原理：以傳感器作為質檢工具，通過采集電池模組的壓力數值和長度數值，對檢測對象質量達到情況作出判斷[8]。其中，長度檢測使用到的裝置為電缸閉環伺服控制，按照產品生產質量標準，輸入參數限定范圍，如果超出此范圍，則認為當前模組長度未能達到標準。反之，模組長度符合生產標準[9]。關于模組壓力的檢測，使用到的裝置為壓力傳感器，采用動態壓力檢測方法，在活動端的控制下，模組在檢測設備上移動，各個部位通過傳感器固定位置時，都會生成檢測數據，如果超出規定的壓力范圍，則判定該產品不合格。

3.2.2 智能控制功能模塊

本系統的智能控制功能模塊選取西門子PLC和倍福控制系統組成，利用TwinCAT軟件開發自動化控制程序，根據電池模組堆疊控制需求，編輯系統作業程序。在PLC和倍福雙控制下，生產線按照產品生產加工要求開始作業，實現來料、等離子清洗、堆疊智能化操控，以此提高操作質量和效率[10]。從系統整體結構來看，該控制模塊作為核心控制器，開啟此模塊作業狀態，能夠實現執行功能和動態檢測功能。

3.2.3 執行功能模塊

該功能模塊按照生產工藝流程，配置電池模組生產所需的設備，通過對這些進行智能化操控，從而實現高效高質量生產。其中，使用到重要裝置包括壓臂、對中夾具、導軌、伺服電缸、焊接臺底座等，物料沿著導軌傳送至生產線后，在伺服電缸作用下，開始物料加工，通過伸出導向桿，完成壓力傳感器作業位置控制[11]。與此同時，根據生成需求，調節壓臂、中夾具等裝置作業狀態，使其滿足產品加工需求。

4 系統功能實現軟件開發

系統功能實現，利用倍福系統和PLC控制器，對電池模組生產相關設備進行控制，相關狀態信息在HMI界面顯示，通過調解軟件操作程序，實現系統智能化控制功能[12]。如圖3所示為系統軟件功能實現的核心流程。

圖3 系統軟件核心程序

該程序主要是對模組堆疊操作規范性進行控制，按照生產標準，設定長度模組壓力標準范圍和長度標準范圍[13]。通過檢測這兩項參數數值，與設定范圍進行對比，如果超出范圍，移除不合格模組，而后清理HMI數據。如果達到標準，開啟CMT焊接處理模式。為了提高產品合格率，對于一些超出標準較小的電池模組，采取微調處理，再次質檢。

5 系統測試分析

5.1 測試環境

按照系統結構組成情況，按照系統硬件框架結構，在TwinCAT軟件環境中運行程序。如所示為系統測試環境[14]。本次測試中，模組長度控制范圍461±1 mm，設置焊接壓力上限和下限數值分別為6358 N、14685 N。

5.2 測試結果分析

本次測試設置3組實驗，每組MES下單數量不同，分別是625、595、610，以傳統生產加工工藝作為對照組，以本系統作為實驗組，分別測試兩組控制方式下的電池模組產品生產合格情況，測試結果如表1所示。如果焊縫質量不合格數和長度不合格數均控制在3以內，則認為該控制方法達到電池模組生產控制標準[15]。

表1中測試結果顯示，與傳統生產工藝相比，本系統的應用能夠有效改善焊縫質量問題和長度問題，應用系統后產品合格數量大幅度增加。雖然部分電池模組的焊縫質量未能達到標準，但是在合格率控制范圍之內。

表1 控制系統應用前后模組生產狀態

6 結語

本文圍繞新能源汽車動力電源系統的開發展開了探究，以系統中的電池模組堆疊控制為例，提出了一種智能化控制系統。該系統以PLC和倍福系統作為核心控制器，根據模組堆疊控制需求，下達模組生產執行命令，以智能化控制代替傳統人工控制模式，實現智能化操控。測試結果顯示：該系統能夠準確控制電池模組堆疊操作，產品不合格數量控制在2以內，符合生產控制要求。