趙向明 高曉勇 劉世強(qiáng)

摘要：為了提高新能源車輛鋰離子電池使用壽命，延長(zhǎng)電池模組動(dòng)力的持續(xù)時(shí)間，對(duì)目前市面上的鋰離子電池模組動(dòng)力供應(yīng)系統(tǒng)及其相關(guān)智能制造、裝配技術(shù)進(jìn)行研究，基于其動(dòng)力供應(yīng)特點(diǎn)和實(shí)際需求，分析了電池模組結(jié)構(gòu)組成、具體功能作用和基本組成形式，設(shè)計(jì)了動(dòng)力電池模組整體結(jié)構(gòu)布局，同時(shí)聯(lián)合偏差模擬方法建立全局敏感矩陣，以動(dòng)力電池模組數(shù)據(jù)信息集合為裝配序列基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋰離子電池模組的智能化智造、裝配，并借助相關(guān)算法模型，計(jì)算和重新定義電池模組的裝配序列工位規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)確估算電池模組按需智能裝配的消耗時(shí)長(zhǎng)。

關(guān)鍵詞：新能源汽車；車輛電源；動(dòng)力供應(yīng)元件；電池模組；智能制造；裝配技術(shù)；穩(wěn)態(tài)性優(yōu)化

中圖分類號(hào)：U472? 收稿日期：2023-04-15

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.08.003

1 前言

目前，電池模組是一種已在新能源汽車中得到廣泛推廣與認(rèn)可的新興動(dòng)力供應(yīng)元件。就現(xiàn)階段實(shí)際應(yīng)用情況而言，新能源車輛電源鋰離子電池模組供應(yīng)成本持續(xù)上漲，已經(jīng)超過汽車總成本的80%，而在未來的市場(chǎng)中，新能源車輛電源鋰離子電池模組勢(shì)因其穩(wěn)定、強(qiáng)大的電源續(xù)航能力，勢(shì)必會(huì)提高新能源汽車制造的行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力水平[1]。

電池模組的實(shí)際性能決定了新能源汽車整體的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性與穩(wěn)態(tài)性，甚至?xí)绊懞完P(guān)系到未來新能源汽車的普及與推廣。但是目前市場(chǎng)中很多新能源汽車所選用的動(dòng)力電源電池模組封裝材料均為穩(wěn)態(tài)性較差的鋁塑制品。這種材料與市面上使用較為普及的傳統(tǒng)動(dòng)力電池模組相比，整體結(jié)構(gòu)散熱性不強(qiáng)，這不僅會(huì)嚴(yán)重影響電池模組的實(shí)際放電容量，而且還會(huì)大大縮短新能源汽車電池模組使用壽命，甚至有可能降低汽車動(dòng)力供應(yīng)穩(wěn)定行與安全性[2]?；诖?，對(duì)新能源車輛電源鋰離子電池模組動(dòng)力供應(yīng)穩(wěn)態(tài)性進(jìn)行智能裝配技術(shù)優(yōu)化研究，有助于提高動(dòng)力電池模組的穩(wěn)定續(xù)航能力。

2 電池模組智能制造技術(shù)

2.1 新能源汽車動(dòng)力電池模組結(jié)構(gòu)組成

常見的新能源汽車的動(dòng)力電池模組分別由多個(gè)不同的結(jié)構(gòu)共同組建而成，其中包括鋰離子電池、BMS系統(tǒng)、連接器、電芯、鑰匙開關(guān)及外殼等部件，其詳細(xì)功能作用介紹如下：

a.具備雙向轉(zhuǎn)換功能的鋰離子電池。它是新能源車輛電源鋰離子電池模組動(dòng)力供應(yīng)穩(wěn)態(tài)性技術(shù)優(yōu)化的關(guān)鍵所在，主要承擔(dān)著為汽車動(dòng)力電池模組進(jìn)行充電、放電的功能，在充放電時(shí)，鋰離子電池能夠?qū)崟r(shí)將化學(xué)能、電能轉(zhuǎn)換為具體的能量。

b.BMS系統(tǒng)。該系統(tǒng)在汽車行進(jìn)過程中，能夠發(fā)揮良好的減震、隔離作用，可有效避免汽車動(dòng)力電池模組劇烈晃動(dòng)[3]。

c.連接器。連接器作為一種功能輸出接口，它可以匹配連接新能源汽車動(dòng)力端與電量輸出端，保證電池模組正常工作。

d.電芯。這里的電芯是指鋰離子電池的電化學(xué)電芯，它分別包含“正極”和“負(fù)極”兩個(gè)極端，一般而言，鋰離子電池使用的電芯為聚合物電芯，這種電芯粒徑小、純度高、電化學(xué)性能強(qiáng)。

e.鑰匙開關(guān)。它主要負(fù)責(zé)新能源汽車動(dòng)力電池模組中鋰離子電池的閉合狀態(tài)與連接狀態(tài)控制。

f.外殼部件。它主要分布于新能源汽車鋰離子電池模組的外部區(qū)域，可以實(shí)時(shí)保護(hù)內(nèi)部鋰離子電池過充或過放故障發(fā)生。

g.鎳帶導(dǎo)線。這是一種重要的部件，能夠通過電流形式，建立串聯(lián)連接或并聯(lián)連接關(guān)系，從而確保新能源汽車動(dòng)力電池模組相關(guān)動(dòng)力供應(yīng)元件之間始終能夠保持良好的連續(xù)輸出狀態(tài)。

2.2 新能源汽車動(dòng)力電池模組布局設(shè)計(jì)

在布局設(shè)計(jì)動(dòng)力電池模組整體結(jié)構(gòu)時(shí)，首先需要按照新能源汽車實(shí)際功能所需，合理規(guī)劃BC片、PC片所處具體位置。從圖1中的結(jié)構(gòu)連接形式可以看出，每個(gè)側(cè)板結(jié)構(gòu)上端均勻分布的PC片都能對(duì)汽車電池模組放電容量完整記錄，同時(shí)還可準(zhǔn)確計(jì)算新能源汽車在行進(jìn)時(shí)電池模組電力傳輸量合理的電力供應(yīng)量，由此對(duì)元件和電池模組工作狀態(tài)進(jìn)行合理保護(hù)，使其可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。除了左側(cè)邊緣側(cè)板與右側(cè)邊緣側(cè)板之外，每個(gè)BC片主要用于根據(jù)新能源汽車電池模組動(dòng)力行為的具體表現(xiàn)，對(duì)其未來具體行進(jìn)路徑進(jìn)行合理規(guī)劃，在此過程中，BC片結(jié)構(gòu)能夠使電池模組呈現(xiàn)出更加穩(wěn)定的動(dòng)力供應(yīng)態(tài)勢(shì)，避免電量不合理供應(yīng)部分出現(xiàn)[4]。

3 電池模組智能裝配技術(shù)

3.1 基于“偏差模擬法”規(guī)劃電池模組裝配序列

本文使用“偏差模擬方法”描述動(dòng)力電池模組智能裝配層與零件層全局敏感矩陣偏差量線性關(guān)系，并以此為基礎(chǔ)，按照下列矩陣規(guī)劃新能源車輛電源鋰離子電池模組動(dòng)力供應(yīng)穩(wěn)態(tài)性行為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息集合影響[5]，具體如下：

式中，a為電池模組動(dòng)力供應(yīng)穩(wěn)態(tài)性智能裝配零件層偏差系數(shù)；b為電池模組動(dòng)力供應(yīng)穩(wěn)態(tài)性智能裝配層偏差系數(shù)。

假設(shè)研究對(duì)象為電池模組，在建立式（1）所示的全局敏感矩陣的基礎(chǔ)上，通過對(duì)a、b等指標(biāo)參量的實(shí)配關(guān)系進(jìn)行分析，同時(shí)針對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池模組智能裝配元件進(jìn)行操作，即可掌握智能裝配順序，從而徹底解決電池模組裝配序列排序問題。本研究假設(shè)電池模組智能裝配系數(shù)指標(biāo)ε的隨機(jī)結(jié)果始終屬于全局敏感矩陣集合，同時(shí)假設(shè)[d]代表動(dòng)力電池模組在行進(jìn)時(shí)的動(dòng)力供應(yīng)基礎(chǔ)條件，然后與式（1）聯(lián)立，則得到電池模組動(dòng)力供應(yīng)穩(wěn)態(tài)性序列規(guī)劃結(jié)果表達(dá)式：

式中，k為電池模組既定的智能裝配標(biāo)定序列標(biāo)號(hào)。為了使電動(dòng)汽車動(dòng)力電池模組智能裝配更貼近于我國(guó)新能源汽車行進(jìn)過程中的實(shí)際電量信號(hào)供應(yīng)需求，式（2）中的k的取值范圍既不能等于其最大值n，也不能等于其初始值1。

3.2 劃分動(dòng)力電池模組實(shí)時(shí)裝配工位

在電池模組優(yōu)化可用智能裝配工位表示，在其序列規(guī)劃條件既定前提下，一般認(rèn)為，動(dòng)力電池模組兩個(gè)相鄰工位之間物理距離越近，其所能提供的實(shí)時(shí)動(dòng)力強(qiáng)度就越大；相反，如果動(dòng)力電池模組兩個(gè)相鄰工位之間的物理距離越遠(yuǎn)，其所能提供的實(shí)時(shí)動(dòng)力強(qiáng)度就越小[6]?；诖耍狙芯考僭O(shè)某款新能源汽車動(dòng)力電池模組的兩個(gè)相鄰工位的定義坐標(biāo)依次為I1、I2，此時(shí)動(dòng)力電池模組的動(dòng)力供應(yīng)系數(shù)最小值為μmin，而最大值為μmax，然后與式（2）聯(lián)立可以得到相鄰兩個(gè)動(dòng)力電池組的物理距離極值表達(dá)式：

式中，[dmax]、[dmin]分別為新能源汽車相鄰兩個(gè)動(dòng)力電池組的物理距離最大值和最小值。假設(shè)m為既定時(shí)刻電池模組初始權(quán)限，X為新能源汽車動(dòng)力電池組電信號(hào)值，聯(lián)立式（2）、式（3）可得到既定時(shí)刻電池模組動(dòng)力供應(yīng)穩(wěn)態(tài)性優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)：

據(jù)此，根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)可實(shí)時(shí)掌握電池模組分布態(tài)勢(shì)，從而利用已知序列規(guī)劃條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電池模組實(shí)時(shí)裝配工位進(jìn)行準(zhǔn)確劃分。

3.3 估算電池模組動(dòng)力供應(yīng)穩(wěn)態(tài)性時(shí)間

新能源車輛電源鋰離子電池模組動(dòng)力供應(yīng)穩(wěn)態(tài)性時(shí)間主要是指從制造到裝配的完整生命周期。因每個(gè)電池動(dòng)力模組的實(shí)際設(shè)備在其所處的智能制造裝配工位中的位置有所不同，所以會(huì)導(dǎo)致整個(gè)動(dòng)力電池模組的智能裝配時(shí)間長(zhǎng)度存在較大的差異[7-10]?；诖耍狙芯考僭O(shè)k1與k2分別為兩個(gè)不同的動(dòng)力參量供應(yīng)指標(biāo)，且它們均與實(shí)際電信號(hào)輸出值有關(guān)，若k1≠k2，則該動(dòng)力參量不等式條件恒成立。另外假設(shè)新能源汽車電信號(hào)輸出均值為[y]，電池智能裝配系數(shù)為[?]，電池智能裝配特征為j，根據(jù)上文可以得到特定模組區(qū)間內(nèi)的與電池模組相關(guān)的裝配時(shí)間估算公式。通常情況下，電池模組穩(wěn)態(tài)性取值應(yīng)小于等于電信號(hào)長(zhǎng)[11]。公式如下：

3.4 汽車模型實(shí)驗(yàn)分析

本研究選取新能源汽車模型進(jìn)行試驗(yàn)分析，依次在試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭邪惭b普通動(dòng)力電池組與智能制造裝配技術(shù)下的動(dòng)力電池模組，然后分別取550 Ω和1 050 Ω作為試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膬?nèi)阻取值試驗(yàn)參數(shù)，并將電池模組所有感應(yīng)開關(guān)完全閉合，使新能源汽車保持30 min的穩(wěn)定行進(jìn)，同時(shí)針對(duì)實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組的電池模組放電容量數(shù)值實(shí)時(shí)變化波動(dòng)情況進(jìn)行分析，得到如圖2所示的波動(dòng)曲線。

由圖2可以看出，與普通模組相比，使用智能制造裝配技術(shù)可以使電池模組動(dòng)力供應(yīng)保持充分的穩(wěn)態(tài)性，且在動(dòng)力供應(yīng)時(shí)的內(nèi)阻R值不同時(shí)，在1 050 Ω的大內(nèi)阻條件下，電池模組放電容量均值水平可以實(shí)現(xiàn)最大化，且有利于提高電池模組使用性能，延長(zhǎng)動(dòng)力供應(yīng)時(shí)間，同時(shí)能夠在有效的動(dòng)力供應(yīng)條件下保持相對(duì)穩(wěn)定的放電能力。

4 結(jié)語

本研究測(cè)試結(jié)果表明，新型智能制造裝配技術(shù)在新能源汽車動(dòng)力供應(yīng)中的應(yīng)用實(shí)踐，不但能夠?yàn)樾履茉雌囂峁┍匾膭?dòng)力供應(yīng)保障，而且有助于提高動(dòng)力電池模組的穩(wěn)定續(xù)航能力，且能夠延長(zhǎng)電池模組實(shí)際放電容量，保證新能源汽車動(dòng)力電池模組動(dòng)力供應(yīng)狀態(tài)可靠、經(jīng)濟(jì)、安全、穩(wěn)定。

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作者簡(jiǎn)介：

趙向明，男，1983年生，工程師，研究方向?yàn)槠嚈z測(cè)與維修。