張清郁

(河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450053)

1 引言

新能源汽車(chē)是我國(guó)加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)的代表性產(chǎn)物之一，該類型汽車(chē)以電能作為驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛能源，不會(huì)排出對(duì)氣體污染物[1]。從結(jié)構(gòu)組成來(lái)看，新能源汽車(chē)與普通汽車(chē)的區(qū)別在于電源系統(tǒng)，前者利用鋰電池供電，后者依靠燃燒汽油、柴油方式作業(yè)[2]。所以，鋰電池電源系統(tǒng)是新能源汽車(chē)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵。目前，電源系統(tǒng)中鋰離子鋁殼模組堆疊存在長(zhǎng)度不合格問(wèn)題，如何提高模組堆疊控制，成為了當(dāng)前重點(diǎn)解決問(wèn)題[3，4]。針對(duì)此問(wèn)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(shù)，設(shè)計(jì)了一套模組堆疊控制系統(tǒng)。

2 新能源汽車(chē)動(dòng)力電源系統(tǒng)電池模組堆疊控制

本研究在傳統(tǒng)模組堆疊控制基礎(chǔ)上引入智能化控制技術(shù)，打造雙控體系，以此提高控制精準(zhǔn)度，提高作業(yè)質(zhì)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(tǒng)按照MES生產(chǎn)需求下單。

第二步：開(kāi)啟物料加工電芯作業(yè)模式，開(kāi)始向模組堆疊加工裝置送料。

第三步：通過(guò)掃碼OCV，檢測(cè)當(dāng)前物料是否達(dá)到加工標(biāo)準(zhǔn)，如果不合格，將物料轉(zhuǎn)入NG臺(tái)，如果合格，開(kāi)始執(zhí)行第四步。

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

第五步：堆疊物料。在側(cè)板的帶動(dòng)下，系統(tǒng)啟動(dòng)視覺(jué)拍照模式，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)堆疊情況，從而確保堆疊作業(yè)正常。

第六步：CMT焊接。

第七步：判斷人工焊縫檢測(cè)是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，如果達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，則進(jìn)入下一步，如果檢測(cè)結(jié)果為不合格，則NG下線。

第八步：按照生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，檢測(cè)模組長(zhǎng)度是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，如果達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，則進(jìn)入下一步，如果檢測(cè)結(jié)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(chǎn)品。

傳統(tǒng)的堆疊生產(chǎn)工藝，以人工操作為主，控制各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)設(shè)備作業(yè)狀態(tài)，部分操作需要人工處理。這種生產(chǎn)工藝不僅作業(yè)效率低，而且堆疊控制精度較低。為了改善堆疊控制現(xiàn)狀，一些廠家嘗試開(kāi)啟半自動(dòng)堆疊控制模式，部分操作利用設(shè)備操作，雖然改善了產(chǎn)品質(zhì)量，但是仍然存在產(chǎn)品缺陷問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，本文提出智能化控制，將檢測(cè)、控制、執(zhí)行3項(xiàng)重要操作，從人工操控模式轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芑p控模式，將這種新型控制模式應(yīng)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(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的智能控制部分主要由3個(gè)模塊組成，分別為執(zhí)行模塊(執(zhí)行系統(tǒng))、控制模塊(控制系統(tǒng))、檢測(cè)模塊(檢測(cè)裝置)，配合其他生產(chǎn)工藝模塊，形成完整的堆疊智能控制系統(tǒng)。如圖2所示為系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)。

圖2 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，按照模組堆疊生產(chǎn)控制需求，將模組參數(shù)數(shù)據(jù)輸入到控制系統(tǒng)中，自動(dòng)轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)作業(yè)操控命令，發(fā)送至執(zhí)行功能模塊。該模塊接收到控制命令后，按照此命令開(kāi)始生產(chǎn)作業(yè)，完成堆疊控制。生產(chǎn)執(zhí)行命令完成后，利用加壓裝置，對(duì)電池模組進(jìn)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(dá)到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，本系統(tǒng)增加了質(zhì)量檢測(cè)裝置，對(duì)模組的各項(xiàng)指標(biāo)性能進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果作出判斷[6]。如果電池模組達(dá)到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，則印刷合格標(biāo)志，如果未能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，則需要轉(zhuǎn)入控制功能模塊，針對(duì)質(zhì)檢不合格之處采取處理，轉(zhuǎn)入執(zhí)行模塊，經(jīng)過(guò)加壓處理，再次生成電池模組產(chǎn)品。

從整體來(lái)看，該系統(tǒng)完成一次電池模組生產(chǎn)加工及檢測(cè)操作后，系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)入下一次操作循環(huán)，形成一套閉環(huán)管控系統(tǒng)[7]。

3.2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

3.2.1 動(dòng)態(tài)檢測(cè)功能模塊

本系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)檢測(cè)模塊，主要檢測(cè)模組壓力和長(zhǎng)度是否達(dá)到產(chǎn)品加工標(biāo)準(zhǔn)。該功能模塊的作業(yè)原理：以傳感器作為質(zhì)檢工具，通過(guò)采集電池模組的壓力數(shù)值和長(zhǎng)度數(shù)值，對(duì)檢測(cè)對(duì)象質(zhì)量達(dá)到情況作出判斷[8]。其中，長(zhǎng)度檢測(cè)使用到的裝置為電缸閉環(huán)伺服控制，按照產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，輸入?yún)?shù)限定范圍，如果超出此范圍，則認(rèn)為當(dāng)前模組長(zhǎng)度未能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。反之，模組長(zhǎng)度符合生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)[9]。關(guān)于模組壓力的檢測(cè)，使用到的裝置為壓力傳感器，采用動(dòng)態(tài)壓力檢測(cè)方法，在活動(dòng)端的控制下，模組在檢測(cè)設(shè)備上移動(dòng)，各個(gè)部位通過(guò)傳感器固定位置時(shí)，都會(huì)生成檢測(cè)數(shù)據(jù)，如果超出規(guī)定的壓力范圍，則判定該產(chǎn)品不合格。

3.2.2 智能控制功能模塊

本系統(tǒng)的智能控制功能模塊選取西門(mén)子PLC和倍?？刂葡到y(tǒng)組成，利用TwinCAT軟件開(kāi)發(fā)自動(dòng)化控制程序，根據(jù)電池模組堆疊控制需求，編輯系統(tǒng)作業(yè)程序。在PLC和倍福雙控制下，生產(chǎn)線按照產(chǎn)品生產(chǎn)加工要求開(kāi)始作業(yè)，實(shí)現(xiàn)來(lái)料、等離子清洗、堆疊智能化操控，以此提高操作質(zhì)量和效率[10]。從系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)來(lái)看，該控制模塊作為核心控制器，開(kāi)啟此模塊作業(yè)狀態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)執(zhí)行功能和動(dòng)態(tài)檢測(cè)功能。

3.2.3 執(zhí)行功能模塊

該功能模塊按照生產(chǎn)工藝流程，配置電池模組生產(chǎn)所需的設(shè)備，通過(guò)對(duì)這些進(jìn)行智能化操控，從而實(shí)現(xiàn)高效高質(zhì)量生產(chǎn)。其中，使用到重要裝置包括壓臂、對(duì)中夾具、導(dǎo)軌、伺服電缸、焊接臺(tái)底座等，物料沿著導(dǎo)軌傳送至生產(chǎn)線后，在伺服電缸作用下，開(kāi)始物料加工，通過(guò)伸出導(dǎo)向桿，完成壓力傳感器作業(yè)位置控制[11]。與此同時(shí)，根據(jù)生成需求，調(diào)節(jié)壓臂、中夾具等裝置作業(yè)狀態(tài)，使其滿足產(chǎn)品加工需求。

4 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)軟件開(kāi)發(fā)

系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)，利用倍福系統(tǒng)和PLC控制器，對(duì)電池模組生產(chǎn)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行控制，相關(guān)狀態(tài)信息在HMI界面顯示，通過(guò)調(diào)解軟件操作程序，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)智能化控制功能[12]。如圖3所示為系統(tǒng)軟件功能實(shí)現(xiàn)的核心流程。

圖3 系統(tǒng)軟件核心程序

該程序主要是對(duì)模組堆疊操作規(guī)范性進(jìn)行控制，按照生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定長(zhǎng)度模組壓力標(biāo)準(zhǔn)范圍和長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)范圍[13]。通過(guò)檢測(cè)這兩項(xiàng)參數(shù)數(shù)值，與設(shè)定范圍進(jìn)行對(duì)比，如果超出范圍，移除不合格模組，而后清理HMI數(shù)據(jù)。如果達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)啟CMT焊接處理模式。為了提高產(chǎn)品合格率，對(duì)于一些超出標(biāo)準(zhǔn)較小的電池模組，采取微調(diào)處理，再次質(zhì)檢。

5 系統(tǒng)測(cè)試分析

5.1 測(cè)試環(huán)境

按照系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成情況，按照系統(tǒng)硬件框架結(jié)構(gòu)，在TwinCAT軟件環(huán)境中運(yùn)行程序。如所示為系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境[14]。本次測(cè)試中，模組長(zhǎng)度控制范圍461±1 mm，設(shè)置焊接壓力上限和下限數(shù)值分別為6358 N、14685 N。

5.2 測(cè)試結(jié)果分析

本次測(cè)試設(shè)置3組實(shí)驗(yàn)，每組MES下單數(shù)量不同，分別是625、595、610，以傳統(tǒng)生產(chǎn)加工工藝作為對(duì)照組，以本系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)組，分別測(cè)試兩組控制方式下的電池模組產(chǎn)品生產(chǎn)合格情況，測(cè)試結(jié)果如表1所示。如果焊縫質(zhì)量不合格數(shù)和長(zhǎng)度不合格數(shù)均控制在3以內(nèi)，則認(rèn)為該控制方法達(dá)到電池模組生產(chǎn)控制標(biāo)準(zhǔn)[15]。

表1中測(cè)試結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝相比，本系統(tǒng)的應(yīng)用能夠有效改善焊縫質(zhì)量問(wèn)題和長(zhǎng)度問(wèn)題，應(yīng)用系統(tǒng)后產(chǎn)品合格數(shù)量大幅度增加。雖然部分電池模組的焊縫質(zhì)量未能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，但是在合格率控制范圍之內(nèi)。

表1 控制系統(tǒng)應(yīng)用前后模組生產(chǎn)狀態(tài)

6 結(jié)語(yǔ)

本文圍繞新能源汽車(chē)動(dòng)力電源系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)展開(kāi)了探究，以系統(tǒng)中的電池模組堆疊控制為例，提出了一種智能化控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以PLC和倍福系統(tǒng)作為核心控制器，根據(jù)模組堆疊控制需求，下達(dá)模組生產(chǎn)執(zhí)行命令，以智能化控制代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工控制模式，實(shí)現(xiàn)智能化操控。測(cè)試結(jié)果顯示：該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確控制電池模組堆疊操作，產(chǎn)品不合格數(shù)量控制在2以內(nèi)，符合生產(chǎn)控制要求。