穆永雷，耿 華

（一汽-大眾汽車有限公司，長春 130011）

0 引言

近些年來，我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)正快速發(fā)展，動力電池包是其關鍵核心技術。而動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。鋰離子電池是當前最主要的動力電池之一，且盡管磷酸鐵鋰電池已被廣泛應用，但在總體技術水平上卻滯后于歐美、日本[1，2]。目前新能源電動車主要分為油電混合動力汽車、插電式混合動力汽車和純電動汽車三種[3]。針對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，便專門設計極板上料裝置，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度，提高了勞動生產(chǎn)效率。黎明[5]提出某汽車動力電池系統(tǒng)生產(chǎn)線，在傳統(tǒng)動力電池系統(tǒng)生產(chǎn)線的基礎上，采用自動化設備并增加檢測設備，提高了生產(chǎn)質(zhì)量，降低了維修率。對于測試方面，鄭致遠[6]等基于PCI總線輸入/輸出卡和OPC即用于過程控制的對象連接與嵌入(OLE)技術，設計了一種鋰離子動力電池模組裝配線電池下線檢測(EOL)自動檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了電池模組及各模塊電壓、電阻的自動在線測量及數(shù)據(jù)存儲。而對于生產(chǎn)管理控制系統(tǒng)方面，康冬妮[7]提出MES作為集“計劃-調(diào)度-操作”等業(yè)務為一體的生產(chǎn)管理系統(tǒng)，可以幫助電池片生產(chǎn)企業(yè)更好的對車間做出決策、改進工藝、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)、自動化設備極大的應用在電池包生產(chǎn)線上，提高了生產(chǎn)質(zhì)量。但對于整條電池包生產(chǎn)線的設計還缺乏一定的系統(tǒng)性研究，其中工位傳送對電池裝配要求很高，需十分精準且靈活。而且，電池模組工件裝配也較復雜以及裝配完成后的檢測等都需得到更為高效可靠的實現(xiàn)，才能完成電池包的生產(chǎn)裝配。此外，對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力汽車電池包結構，開展了該電池裝配生產(chǎn)線的工藝設計與研究，包括工藝方案和信息化控制系統(tǒng)設計。其中工藝方案針對工位輸送、模組入箱裝配、檢測及信息化生產(chǎn)管理系統(tǒng)等核心問題進行一定研究，這對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)設計

一種插電式混合動力汽車（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，電機可以獨立驅(qū)動行駛[9]。電池包側邊配有充電插口，可實現(xiàn)充電并儲存一定的電量的功能。此外，電池包的內(nèi)熱在工作時一般較高，故常采用水冷循環(huán)。由于插電式混合動力汽車需要使用高壓來實現(xiàn)純電動工作模式，所以在地板下布置的電池組也考慮到了保護功能，防止涉水和碰撞造成的安全問題，具體參考性能指標如表1所示。

圖1 PHEV電池總體模型圖

表1 PHEV電池包性能指標

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，并具有可恢復性，防護等級可達到IP96，當壓力超過一定值時，能快速泄壓平衡電池PACK腔體壓力，及時排出有害及高壓氣體，保護電池安全。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件，其具體結構如圖2所示。

圖2 PHEV電池包結構圖

2 工藝方案

要實現(xiàn)上述電池包設計性能要求，現(xiàn)設計了一條高質(zhì)量、高效率的生產(chǎn)線。電池包的組裝通常在單獨的車間里進行，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)、維護區(qū)以及成品存儲區(qū)?？陕?lián)合生產(chǎn)兩個差別不大的電池包，所以該電池裝配生產(chǎn)線設計成可兼容生產(chǎn)兩種機型電池包MQB平臺PHEV和MLB平臺PHEV電池包。該電池裝配線以及試裝線共51個工位，包括返修工位、產(chǎn)能工位和備用工位，有13個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器的自動工位，也有需人工的手動工位，自動工位采用獨立PLC、HMI及電柜控制，手動工位則采用獨立安全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，其設計結構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。針對工位輸送的精準性及靈活性要求，本文設計生產(chǎn)線的多工位輸送是借助積放式輥道來實現(xiàn)的。如圖4中顯示的是模組線輥道，該輥道安裝有讀寫頭、檢測開關、止回裝置和擋料裝置等，該輥道工作臺具有占地面積小，伸縮靈活且可靈活改變輸送方向的優(yōu)點。而且，輸送物料時可依據(jù)裝配時各工位之間的需求，調(diào)節(jié)輥道的機械支柱高度，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，同時配備檢測開關、讀寫頭等滿足為托盤準確性和信息傳遞功能，保證裝配進行某一工序時電池包機械和電氣位置準確。

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→連接性測試（IL測試）→上殼體自動上線及合箱→電性能測試及密封性測試（EOL測試）→終檢貼標識自動下線，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完成，貼膜機如圖6所示，整個貼膜工藝主要分為三個階段：人工換料階段、緩存階段和自動貼膜階段。首先該過程的人工換料階段如圖7，物料卷處有對射開關，當有物料時會反饋信號，提示更換導熱膜卷。當槽型開關給出提示時，自動壓緊機構將膜壓緊，且壓緊機構可以手動解鎖。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向，切好后，導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間用于更換模卷，促使貼膜機可以不停機，一直處于工作狀態(tài)。且緩存階段以直線軸承與光軸做導向，利用動滑輪來緩存膜料。

圖6 貼膜機

圖7 人工換料裝置

貼膜階段所用設備結構如圖8所示。主要工藝步驟是首先通過自對中機構對模組進行定位，再利用下方直線模塊帶動導熱膜將膜貼至模組上，同時將保護膜脫離導熱膜。隨后上方滑臺運動時進行滾膜，保證膜貼可靠。最后照相檢測，滑臺運動到位后進行照相檢測，相機位于工件下方。利用SICK的超聲波傳感器檢測膜厚進行判斷，膜的長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），將導熱膜切斷（保護膜不切斷）。

圖8 貼膜裝置

2.2.2 模組分裝

隔熱膜粘貼完成后，開始進行模組分裝，模組分裝是由專用的裝配機器人抓取模組工件實現(xiàn)。在模組工件，采用串聯(lián)的連接方式進行組裝，并采用支架和導電銅排進行連接，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，借助機器人抓取絕緣片安裝到模組工件上。由于機器人抓手具有可翻轉(zhuǎn)的特點，以此實現(xiàn)模組兩側的絕緣片的安裝。依據(jù)機器人的定位精度和負載狀態(tài)，選用festo氣動旋轉(zhuǎn)氣缸驅(qū)動模組工件的翻轉(zhuǎn)，完成堵件壓裝。

2.3 性能測試

為檢測前述電池包性能，對其進行性能測試，包括電性能測試和密封性測試，其設備裝置如圖5所示。

圖5 測試設備

2.3.1 EOL電性能測試

針對PHEV動力電池包的電性能檢測問題，采用了EOL檢測系統(tǒng)。EOL檢測系統(tǒng)是針對目前動力電池模組及Pack測試過程自動化程度較低，記錄與數(shù)據(jù)分析能力不足的實際問題而開發(fā)的一種全智能化測試儀[10]。所以，采用了EOL電性能測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，有效的減少了電動汽車電池包在實際使用過程中的故障率，節(jié)省大量的維護成本。EOL測試主要包括開機測試、讀取溫度、讀取電壓、耐壓測試、絕緣測試、脈沖測試、充電測試、故障存儲器檢查、電池休眠測試。在測試前需預充電5%。借助輸送輥道將前一道工序的電池包輸送到該設備的測試臺上，通過人機交互界面設置，利用電測試儀進行電性能測試，測試結果和MES生產(chǎn)管理系統(tǒng)交互，實現(xiàn)工單信息解析，測試結果上傳。

2.3.2 密封性測試

電池包出些泄露會對電池產(chǎn)生嚴重影響，例如泄露易導致外部液體滲入，污染工作環(huán)境，還會導致其他零件結構受損，以至于電容量受損，電池壽命和安全度下降，故進行密封性測試至關重要。由于電池包上一般有預留的防水透氣孔即防爆閥，因此可對電池包采用直接充氣的方式檢測氣密性。借助氣管，將氣體泄露測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-測試三個階段，氣密性檢測儀實時檢測電池包內(nèi)氣體變化情況，進而判斷電池包是否泄漏。同時通過同樣原理對冷卻系統(tǒng)，通過進出冷卻水管口進行密封性測試。

2.3.3 測試結果

經(jīng)過EOL電性能測試和密封性測試，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，無故障代碼，脈沖測試良好，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主要解決企業(yè)物料信息采集及物料防錯、設備數(shù)據(jù)對接，幫助企業(yè)實現(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相結合，通過 MES系統(tǒng)對裝配質(zhì)量、工藝參數(shù)及產(chǎn)量數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測以及生產(chǎn)數(shù)據(jù)的及時分析，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、自動化控制系統(tǒng)的協(xié)同，實現(xiàn)從計劃下達到電池包組裝完成全過程的自動化，其系統(tǒng)架構如圖9所示。該生產(chǎn)管理系統(tǒng)的軟件功能模塊一般包括：計劃調(diào)度管理，設備管理，質(zhì)量管理、生成過程管理、統(tǒng)計報表、基礎數(shù)據(jù)維護、數(shù)據(jù)采集、Andon系統(tǒng)、物料拉動、系統(tǒng)集成。即具體功能為：制定生產(chǎn)計劃；采集零部件信息及裝配質(zhì)量、檢驗數(shù)據(jù)等；電池充電狀態(tài)包括電壓、電流、溫度、充電時間、充電量等的控制。將電池包的上述信息集成到服務器中，形成電電子文件。信息將根據(jù)實際需要借助服務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

4 結語

本文設計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)，針對工藝方案中工位輸送準確靈活問題以及模組入箱裝配和檢測，如何高效可靠的實現(xiàn)以及如何實現(xiàn)信息化高效生產(chǎn)，提出了具體解決方案。該生產(chǎn)線自動化程度高，整個動力電池包可在一條生產(chǎn)線上組裝和生產(chǎn)。并通過檢測設備智能測試，使產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量得到了保證。整個裝配過程大部分生產(chǎn)環(huán)節(jié)都采用自動化及工業(yè)機器人設備，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，達到了設計效果，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。