新能源汽車電池裝配生產(chǎn)線工藝設(shè)計(jì)研究

穆永雷，耿 華

（一汽-大眾汽車有限公司，長(zhǎng)春 130011）

0 引言

近些年來，我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)正快速發(fā)展，動(dòng)力電池包是其關(guān)鍵核心技術(shù)。而動(dòng)力電池包的制造與裝配質(zhì)量將直接影響新能源車輛的特性。鋰離子電池是當(dāng)前最主要的動(dòng)力電池之一，且盡管磷酸鐵鋰電池已被廣泛應(yīng)用，但在總體技術(shù)水平上卻滯后于歐美、日本[1，2]。目前新能源電動(dòng)車主要分為油電混合動(dòng)力汽車、插電式混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車三種[3]。針對(duì)新能源電池包的生產(chǎn)裝配，Wang[4]等就電池生產(chǎn)線的裝配過程中存在很多手工上料，致使操作人的健康受到鉛粉的危害，便專門設(shè)計(jì)極板上料裝置，該極板上料裝置投入使用后，克服了傳統(tǒng)的上料瓶頸，有效減少了工人的工作強(qiáng)度，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)效率。黎明[5]提出某汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)生產(chǎn)線，在傳統(tǒng)動(dòng)力電池系統(tǒng)生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上，采用自動(dòng)化設(shè)備并增加檢測(cè)設(shè)備，提高了生產(chǎn)質(zhì)量，降低了維修率。對(duì)于測(cè)試方面，鄭致遠(yuǎn)[6]等基于PCI總線輸入/輸出卡和OPC即用于過程控制的對(duì)象連接與嵌入(OLE)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種鋰離子動(dòng)力電池模組裝配線電池下線檢測(cè)(EOL)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電池模組及各模塊電壓、電阻的自動(dòng)在線測(cè)量及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。而對(duì)于生產(chǎn)管理控制系統(tǒng)方面，康冬妮[7]提出MES作為集“計(jì)劃-調(diào)度-操作”等業(yè)務(wù)為一體的生產(chǎn)管理系統(tǒng)，可以幫助電池片生產(chǎn)企業(yè)更好的對(duì)車間做出決策、改進(jìn)工藝、提升電池片質(zhì)量、提高工作效率。郭銀良[8]等在鋰電池生產(chǎn)線中也應(yīng)用了MES生產(chǎn)系統(tǒng)，提高了電池包裝配生產(chǎn)質(zhì)量。從以上研究現(xiàn)狀可發(fā)現(xiàn)各種智能化系統(tǒng)、自動(dòng)化設(shè)備極大的應(yīng)用在電池包生產(chǎn)線上，提高了生產(chǎn)質(zhì)量。但對(duì)于整條電池包生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)還缺乏一定的系統(tǒng)性研究，其中工位傳送對(duì)電池裝配要求很高，需十分精準(zhǔn)且靈活。而且，電池模組工件裝配也較復(fù)雜以及裝配完成后的檢測(cè)等都需得到更為高效可靠的實(shí)現(xiàn)，才能完成電池包的生產(chǎn)裝配。此外，對(duì)于電池包的大批量生產(chǎn)更需要信息化的生產(chǎn)管理系統(tǒng)。

就此，本文基于插電式混合動(dòng)力汽車電池包結(jié)構(gòu)，開展了該電池裝配生產(chǎn)線的工藝設(shè)計(jì)與研究，包括工藝方案和信息化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。其中工藝方案針對(duì)工位輸送、模組入箱裝配、檢測(cè)及信息化生產(chǎn)管理系統(tǒng)等核心問題進(jìn)行一定研究，這對(duì)于提升電池包的生產(chǎn)質(zhì)量，完善電池包生產(chǎn)線的裝配效率具有極其重要的意義。

1 PHEV電池參數(shù)設(shè)計(jì)

一種插電式混合動(dòng)力汽車（PHEV Plug-in Hybrid Electrical Vehicle）電池模型圖，如圖1中所示。該類電池容量較大，電機(jī)可以獨(dú)立驅(qū)動(dòng)行駛[9]。電池包側(cè)邊配有充電插口，可實(shí)現(xiàn)充電并儲(chǔ)存一定的電量的功能。此外，電池包的內(nèi)熱在工作時(shí)一般較高，故常采用水冷循環(huán)。由于插電式混合動(dòng)力汽車需要使用高壓來實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)工作模式，所以在地板下布置的電池組也考慮到了保護(hù)功能，防止涉水和碰撞造成的安全問題，具體參考性能指標(biāo)如表1所示。

圖1 PHEV電池總體模型圖

表1 PHEV電池包性能指標(biāo)

該電池包外部殼體有防爆閥，該防爆閥支持極低的防爆壓力，并具有可恢復(fù)性，防護(hù)等級(jí)可達(dá)到IP96，當(dāng)壓力超過一定值時(shí)，能快速泄壓平衡電池PACK腔體壓力，及時(shí)排出有害及高壓氣體，保護(hù)電池安全。此外，電池包內(nèi)部還有用于連接的電池連接盒總成以及電池核心部件電芯模組，冷卻部分的冷卻板和冷卻水管等重要構(gòu)件，其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 PHEV電池包結(jié)構(gòu)圖

2 工藝方案

要實(shí)現(xiàn)上述電池包設(shè)計(jì)性能要求，現(xiàn)設(shè)計(jì)了一條高質(zhì)量、高效率的生產(chǎn)線。電池包的組裝通常在單獨(dú)的車間里進(jìn)行，根據(jù)具體功能，這些車間一般分為原料存放區(qū)、分裝區(qū)、總裝區(qū)、充電區(qū)、維護(hù)區(qū)以及成品存儲(chǔ)區(qū)。可聯(lián)合生產(chǎn)兩個(gè)差別不大的電池包，所以該電池裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)成可兼容生產(chǎn)兩種機(jī)型電池包MQB平臺(tái)PHEV和MLB平臺(tái)PHEV電池包。該電池裝配線以及試裝線共51個(gè)工位，包括返修工位、產(chǎn)能工位和備用工位，有13個(gè)工位屬于兩種電池包共用工位。這條生產(chǎn)線工位中有完全依靠機(jī)器的自動(dòng)工位，也有需人工的手動(dòng)工位，自動(dòng)工位采用獨(dú)立PLC、HMI及電柜控制，手動(dòng)工位則采用獨(dú)立安全PLC、HMI及配電箱控制，各工位還安裝有安全措施，在HMI上有急停按鈕。

工位輸送是整條生產(chǎn)線的重要組成部分，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)直接影響電池包裝配的可行性、產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)節(jié)拍。針對(duì)工位輸送的精準(zhǔn)性及靈活性要求，本文設(shè)計(jì)生產(chǎn)線的多工位輸送是借助積放式輥道來實(shí)現(xiàn)的。如圖4中顯示的是模組線輥道，該輥道安裝有讀寫頭、檢測(cè)開關(guān)、止回裝置和擋料裝置等，該輥道工作臺(tái)具有占地面積小，伸縮靈活且可靈活改變輸送方向的優(yōu)點(diǎn)。而且，輸送物料時(shí)可依據(jù)裝配時(shí)各工位之間的需求，調(diào)節(jié)輥道的機(jī)械支柱高度，故該輥道適用范圍較大，可滿足電池裝配各工位要求。此外，為保證裝配的可靠性，輥道上還具有抬起舉升裝置滿足定位功能，同時(shí)配備檢測(cè)開關(guān)、讀寫頭等滿足為托盤準(zhǔn)確性和信息傳遞功能，保證裝配進(jìn)行某一工序時(shí)電池包機(jī)械和電氣位置準(zhǔn)確。

圖4 模組線輥道

2.1 生產(chǎn)線工藝流程

整條生產(chǎn)線布局如圖3所示，其工藝流程為：下殼體上線→下殼體分裝→模組入箱裝配→模組擰緊→堵件壓裝→冷卻系統(tǒng)組件、電氣件和線束裝配→連接性測(cè)試（IL測(cè)試）→上殼體自動(dòng)上線及合箱→電性能測(cè)試及密封性測(cè)試（EOL測(cè)試）→終檢貼標(biāo)識(shí)自動(dòng)下線，其中主要的工藝具體如下。

圖3 工位圖

2.2 模組入箱裝配

整條生產(chǎn)線工藝流程中，模組入箱裝配這一部分是整個(gè)生產(chǎn)裝配的核心，電池包具有多塊模組，經(jīng)篩選后將一致性較好的模組進(jìn)行同一電池包組裝。而模組入箱裝配的包括隔熱膜粘貼和模組分裝。

2.2.1 隔熱膜粘貼

隔熱膜粘貼主要通過貼膜機(jī)完成，貼膜機(jī)如圖6所示，整個(gè)貼膜工藝主要分為三個(gè)階段：人工換料階段、緩存階段和自動(dòng)貼膜階段。首先該過程的人工換料階段如圖7，物料卷處有對(duì)射開關(guān)，當(dāng)有物料時(shí)會(huì)反饋信號(hào)，提示更換導(dǎo)熱膜卷。當(dāng)槽型開關(guān)給出提示時(shí)，自動(dòng)壓緊機(jī)構(gòu)將膜壓緊，且壓緊機(jī)構(gòu)可以手動(dòng)解鎖。換模卷后需要將膜拉伸圖7黃色位置，與前一卷膜的尾端用膠帶進(jìn)行連接，并拉把手將膠帶切斷。切膠帶利用光軸及直線軸承做導(dǎo)向，切好后，導(dǎo)熱膜拉伸到漲緊狀態(tài)。最后將模卷處芯軸漲緊。緩存階段，緩存的膜料可用的時(shí)間用于更換模卷，促使貼膜機(jī)可以不停機(jī)，一直處于工作狀態(tài)。且緩存階段以直線軸承與光軸做導(dǎo)向，利用動(dòng)滑輪來緩存膜料。

圖6 貼膜機(jī)

圖7 人工換料裝置

貼膜階段所用設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖8所示。主要工藝步驟是首先通過自對(duì)中機(jī)構(gòu)對(duì)模組進(jìn)行定位，再利用下方直線模塊帶動(dòng)導(dǎo)熱膜將膜貼至模組上，同時(shí)將保護(hù)膜脫離導(dǎo)熱膜。隨后上方滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)進(jìn)行滾膜，保證膜貼可靠。最后照相檢測(cè)，滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)到位后進(jìn)行照相檢測(cè)，相機(jī)位于工件下方。利用SICK的超聲波傳感器檢測(cè)膜厚進(jìn)行判斷，膜的長(zhǎng)度是通過伺服直線模塊所走行程控制的。切膜是通過氣缸帶著刀片（刀采用未開刃的滾刀），將導(dǎo)熱膜切斷（保護(hù)膜不切斷）。

圖8 貼膜裝置

2.2.2 模組分裝

隔熱膜粘貼完成后，開始進(jìn)行模組分裝，模組分裝是由專用的裝配機(jī)器人抓取模組工件實(shí)現(xiàn)。在模組工件，采用串聯(lián)的連接方式進(jìn)行組裝，并采用支架和導(dǎo)電銅排進(jìn)行連接，使之作為模組支撐，并使用模組上的螺栓緊固。中間部位通過環(huán)氧板絕緣冷卻，以隔離相鄰模組工件，并且在模組工件上利用特制的卡扣緊固絕緣片。在模塊的組裝過程中，為了避免分裝過程人為操作損壞模組工件，借助機(jī)器人抓取絕緣片安裝到模組工件上。由于機(jī)器人抓手具有可翻轉(zhuǎn)的特點(diǎn)，以此實(shí)現(xiàn)模組兩側(cè)的絕緣片的安裝。依據(jù)機(jī)器人的定位精度和負(fù)載狀態(tài)，選用festo氣動(dòng)旋轉(zhuǎn)氣缸驅(qū)動(dòng)模組工件的翻轉(zhuǎn)，完成堵件壓裝。

2.3 性能測(cè)試

為檢測(cè)前述電池包性能，對(duì)其進(jìn)行性能測(cè)試，包括電性能測(cè)試和密封性測(cè)試，其設(shè)備裝置如圖5所示。

圖5 測(cè)試設(shè)備

2.3.1 EOL電性能測(cè)試

針對(duì)PHEV動(dòng)力電池包的電性能檢測(cè)問題，采用了EOL檢測(cè)系統(tǒng)。EOL檢測(cè)系統(tǒng)是針對(duì)目前動(dòng)力電池模組及Pack測(cè)試過程自動(dòng)化程度較低，記錄與數(shù)據(jù)分析能力不足的實(shí)際問題而開發(fā)的一種全智能化測(cè)試儀[10]。所以，采用了EOL電性能測(cè)試可通過模擬大容量充放電過程發(fā)現(xiàn)潛在的質(zhì)量缺陷，有效的減少了電動(dòng)汽車電池包在實(shí)際使用過程中的故障率，節(jié)省大量的維護(hù)成本。EOL測(cè)試主要包括開機(jī)測(cè)試、讀取溫度、讀取電壓、耐壓測(cè)試、絕緣測(cè)試、脈沖測(cè)試、充電測(cè)試、故障存儲(chǔ)器檢查、電池休眠測(cè)試。在測(cè)試前需預(yù)充電5%。借助輸送輥道將前一道工序的電池包輸送到該設(shè)備的測(cè)試臺(tái)上，通過人機(jī)交互界面設(shè)置，利用電測(cè)試儀進(jìn)行電性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果和MES生產(chǎn)管理系統(tǒng)交互，實(shí)現(xiàn)工單信息解析，測(cè)試結(jié)果上傳。

2.3.2 密封性測(cè)試

電池包出些泄露會(huì)對(duì)電池產(chǎn)生嚴(yán)重影響，例如泄露易導(dǎo)致外部液體滲入，污染工作環(huán)境，還會(huì)導(dǎo)致其他零件結(jié)構(gòu)受損，以至于電容量受損，電池壽命和安全度下降，故進(jìn)行密封性測(cè)試至關(guān)重要。由于電池包上一般有預(yù)留的防水透氣孔即防爆閥，因此可對(duì)電池包采用直接充氣的方式檢測(cè)氣密性。借助氣管，將氣體泄露測(cè)試儀和電池包的防爆閥連接起來，從而使一定量的壓縮空氣可以充入到電池包的內(nèi)部，經(jīng)過充氣-穩(wěn)壓-測(cè)試三個(gè)階段，氣密性檢測(cè)儀實(shí)時(shí)檢測(cè)電池包內(nèi)氣體變化情況，進(jìn)而判斷電池包是否泄漏。同時(shí)通過同樣原理對(duì)冷卻系統(tǒng)，通過進(jìn)出冷卻水管口進(jìn)行密封性測(cè)試。

2.3.3 測(cè)試結(jié)果

經(jīng)過EOL電性能測(cè)試和密封性測(cè)試，上述電池包裝配生產(chǎn)線裝配的電池包工作狀態(tài)、絕緣和耐壓性能良好，充放電性能良好，無(wú)故障代碼，脈沖測(cè)試良好，溫度和壓差合格，密封性能良好。

3 信息化控制系統(tǒng)

為了提高電池包的生產(chǎn)效率，提升裝配自動(dòng)化程度，該生產(chǎn)線采用MES生產(chǎn)體系。MES的裝配線智能化技術(shù)主要解決企業(yè)物料信息采集及物料防錯(cuò)、設(shè)備數(shù)據(jù)對(duì)接，幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全過程的追溯管理，使生產(chǎn)過程的數(shù)字化、可視化[10]。本文將電池裝配生產(chǎn)線與MES相結(jié)合，通過 MES系統(tǒng)對(duì)裝配質(zhì)量、工藝參數(shù)及產(chǎn)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及生產(chǎn)數(shù)據(jù)的及時(shí)分析，逐步提高電池包的安全性，提升裝配線的效能。

該體系通過與EPT、自動(dòng)化控制系統(tǒng)的協(xié)同，實(shí)現(xiàn)從計(jì)劃下達(dá)到電池包組裝完成全過程的自動(dòng)化，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖9所示。該生產(chǎn)管理系統(tǒng)的軟件功能模塊一般包括：計(jì)劃調(diào)度管理，設(shè)備管理，質(zhì)量管理、生成過程管理、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)、數(shù)據(jù)采集、Andon系統(tǒng)、物料拉動(dòng)、系統(tǒng)集成。即具體功能為：制定生產(chǎn)計(jì)劃；采集零部件信息及裝配質(zhì)量、檢驗(yàn)數(shù)據(jù)等；電池充電狀態(tài)包括電壓、電流、溫度、充電時(shí)間、充電量等的控制。將電池包的上述信息集成到服務(wù)器中，形成電電子文件。信息將根據(jù)實(shí)際需要借助服務(wù)器將其傳送到車間顯示屏，待跟蹤的信息也將根據(jù)需要形成一條消息，并在打印后隨電池包一并發(fā)送。

圖9 系統(tǒng)架構(gòu)

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)一條電池包裝配生產(chǎn)線，主要論述了和研究了該生產(chǎn)線的工藝方案以及信息化生產(chǎn)控制系統(tǒng)，針對(duì)工藝方案中工位輸送準(zhǔn)確靈活問題以及模組入箱裝配和檢測(cè)，如何高效可靠的實(shí)現(xiàn)以及如何實(shí)現(xiàn)信息化高效生產(chǎn)，提出了具體解決方案。該生產(chǎn)線自動(dòng)化程度高，整個(gè)動(dòng)力電池包可在一條生產(chǎn)線上組裝和生產(chǎn)。并通過檢測(cè)設(shè)備智能測(cè)試，使產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量得到了保證。整個(gè)裝配過程大部分生產(chǎn)環(huán)節(jié)都采用自動(dòng)化及工業(yè)機(jī)器人設(shè)備，可較大程度的增加電池包的生產(chǎn)質(zhì)量和裝配效率。該生產(chǎn)線建成后，達(dá)到了設(shè)計(jì)效果，大幅度提高了生產(chǎn)效率及裝配質(zhì)量，并已在2019年批量投產(chǎn)使用，大大減少了投資成本，在業(yè)界具有良好的示范性作用。