原標題：電動汽車電池組是如何制造的？

　　作者：Jeff Shepard

　　轉(zhuǎn)載來源：digkey

　　電池組是全電動汽車 (EV) 中的關鍵子組件，也是組裝最復雜的組件之一。它首先在組裝前測試單個電池單元。接下來，協(xié)作機器人(cobots)通常用于組裝電池模塊，然后將模塊集成到完整的電池組中，包括母線、冷卻組件、電池管理和其他子系統(tǒng)。最后，需要一個自動化的視覺檢測系統(tǒng)來確保裝配中的所有元件都正確組合在一起。

　　本文回顧了電動汽車電池組和一些相關子組件的復雜性，包括對大量電池模塊、高效輕質(zhì)母線和線束互連以及主動冷卻系統(tǒng)的需求。然后，它展示了 Digi-Key 的代表性產(chǎn)品，包括 數(shù)據(jù)采集裝置 從 美國國家儀器 可用作電池單元測試系統(tǒng)的一部分，一個 協(xié)作機器人 從 歐姆龍自動化 可用于電池組組裝，以及帶有嵌入式軟件的智能相機模塊 邦納工程 可以提供自動化檢測平臺。

　　電動汽車電池組積木

　　電動汽車電池組的設計因制造商而異，有時在同一制造商的電動汽車型號之間有所不同，因此柔性組裝是一個重要的考慮因素。所有電動汽車電池組都有一個共同點，那就是它們可以使用數(shù)千個組件。

　　電動汽車電池組由許多電池模塊組成，這些模塊組裝成最終電池組(圖 1)。模塊和電池組的架構(gòu)正在不斷發(fā)展，為電動汽車傳動系統(tǒng)提供更高的電壓。而 400 V直流 已成為標準配置，電壓高達 900 V直流 出現(xiàn)頻率更高。更高電壓的主要好處是充電速度更快。更快的充電可以幫助減少電動汽車司機的里程焦慮，但會使電池組的組裝更具挑戰(zhàn)性(并且有潛在危險)。

　　圖 1：電池模塊是 EV 電池組的基本組成部分。(圖片來源：美國國家儀器公司)

　　模塊中的電池單元通常焊接在一起，而模塊通常用螺栓固定在大母線上以形成完整的電池組。模塊與電池組的架構(gòu)通常是電動汽車設計之間的區(qū)別因素。在所有情況下，電池系統(tǒng)都需要熱管理，主要是冷卻，但當環(huán)境溫度太低而無法有效運行電池時偶爾加熱。對于小電池組，熱管理系統(tǒng)可能是被動的，但大包裝需要使用相變裝置和泵進行主動熱管理，以循環(huán)液體以冷卻單個電池。

　　電池管理系統(tǒng) (BMS) 監(jiān)控單個電池單元的運行狀況和充電狀態(tài)。BMS 包括一系列電壓、電流、溫度和其他傳感器，通常每個電池單元上都有傳感器。BMS與EV的中央計算機系統(tǒng)通信。

　　保險絲有時用于模塊級別，但整個電池組始終存在過流保護。大型高壓接觸器和其他組件用于對電機驅(qū)動電路進行預充電，以防止在EV首次打開時可能造成破壞性的高浪涌電流。服務斷開聯(lián)鎖隔離電池組中的高電壓，并為在 EV 上工作的維修技術(shù)人員提供安全的環(huán)境。完成組裝需要數(shù)百個螺釘、螺母和螺栓、連接器和其他機械部件。

　　構(gòu)建電池組

　　測試單個電池單元是關鍵的第一步。這通常是制造電池的專業(yè)超級工廠電池生產(chǎn)過程的最后一步。但是，當電池到達電動汽車生產(chǎn)設施時，通常會進行隨機質(zhì)量保證測試，以監(jiān)控進貨批次電池的質(zhì)量水平。沒有高質(zhì)量的電芯，就不可能生產(chǎn)出高質(zhì)量、可靠的電動汽車電池組。

　　接下來，將單元組裝成模塊。模塊通常由大約 12 到 20 個電池組成。這些模塊堆疊在金屬框架中，提供互連、抗沖擊和振動保護，在某些型號中還提供熱管理。精度是必需的，隨著電池組組件的建立，它變得越來越重，直到重達數(shù)百磅。

　　由于需要精度和處理重物，電池組組裝通常使用協(xié)作機器人或工業(yè)機器人進行。協(xié)作式機器人可以處理重物，并快速準確地組裝完成包裝所需的數(shù)百個螺釘、連接器和其他組件。例如，日產(chǎn)聆風的電池組包括 48 個模塊(圖 2)。電池組組裝的最后一步是自動化測試，包括對復雜電池組的目視檢查。

　　圖 2：這款日產(chǎn) Leaf 電池組包括 48 個電池模塊以及數(shù)百個其他組件。(圖片來源：美國國家儀器公司NHR部門)

　　電池測試和數(shù)據(jù)采集

　　設計電池測試系統(tǒng)的制造工程師可以轉(zhuǎn)向 779640-01 NI 的 數(shù)據(jù) 采集 (DAQ) 設備這款全速 USB 2.0 數(shù)據(jù)采集包括 8 ±60 V 直流電 (V直流) 用于隔離數(shù)字輸入的通道，8 個 60 V直流，30 伏均方根 (V有效值) 用于隔離固態(tài)繼電器 (SSR) 輸出的通道和一個 32 位計數(shù)器(圖 3)。八個隔離輸入包括一個光耦合器、一個肖特基二極管和一個基于耗盡模式 MOSFET 的限流電路。779640-01 還包括數(shù)字濾波、變化檢測、可編程上電輸出和看門狗定時器。

　　圖 3：779640-01 DAQ 包括 8 個隔離式數(shù)字輸入(右側(cè))和 8 個隔離式 SSR 輸出(左側(cè))。(圖片來源：數(shù)碼鑰匙)

　　779640-01 DAQ 可以同時監(jiān)控特定輸入線或所有輸入線上的變化，包括上升沿、下降沿或兩者兼而有之。識別更改時會生成中斷。中斷不指示發(fā)生更改的輸入行。該軟件可用于讀取行并確定更改通知的來源。數(shù)字濾波可以將噪聲和電磁干擾(EMI)的影響降至最低。

　　數(shù)字濾波器作用于光耦合器輸入端。光耦合器的關斷速度比開啟速度慢，通過下降沿的速度比上升沿慢。數(shù)字濾波器有助于消除由噪聲或EMI引起的變化。設計人員可以使用編程的濾波器間隔配置濾波器通道。短于編程濾波間隔一半的脈沖被阻塞。超過濾波間隔的脈沖通過。中間的脈沖可能會也可能不會通過濾波器。

　　獲得有關重負荷和重復性任務的幫助

　　一旦電池單元通過測試，協(xié)作機器人就可以加快電池模塊和電池組的組裝過程。裝配涉及多個流程，而像 RT6-1001321 歐姆龍自動化具有很強的適應性(圖 4)。RT6-1001321 集成了現(xiàn)場總線適配器，便于集成到工廠自動化系統(tǒng)中。協(xié)作機器人運行精度高，可以協(xié)助擰螺絲、粘合、涂抹導熱硅脂、配接連接器以及組裝 EV 電池組所需的無數(shù)其他活動。使協(xié)作機器人非常適合電動汽車電池組組裝的一些功能包括：

　　圖形化編程環(huán)境，可加快協(xié)作機器人培訓。

　　集成視覺系統(tǒng)有助于檢查和測量結(jié)果以及裝配活動。

　　模塊化末端執(zhí)行器可以快速更換，使單個協(xié)作式機器人能夠執(zhí)行一系列裝配過程。

　　協(xié)作機器人可以與物流和其他移動機器人交互操作，形成完整的電池組制造單元。

　　圖 4：像 RT6-1001321 這樣的協(xié)作機器人適應性強，可以高精度地快速執(zhí)行重復性任務。(圖片來源：歐姆龍自動化)

　　靈活性和快速學習新程序的能力，避免延長停機時間和低效的生產(chǎn)周期，是協(xié)作機器人的關鍵屬性。使用圖形用戶界面或簡單地將協(xié)作機器人手臂從一個位置移動到另一個位置，可以在幾分鐘內(nèi)教授一項新活動。協(xié)作機器人擅長處理電動汽車電池組組裝中常見的重復性任務，并且可以精確處理重負載。最后，協(xié)作機器人可以包括機器視覺和人工智能(AI)，以正確的方向拾取所需的零件，將它們添加到電池組組件中，并檢查結(jié)果。

　　驗證結(jié)果

　　可以使用以下命令自動目視驗證電池組是否已正確組裝 VE205G1A 邦納的智能相機(圖5)。集成軟件旨在執(zhí)行高級視覺檢測功能。邦納的視覺管理器軟件包含在VE205G1A中，并提供多種工具，如物品檢測、定位和特征測量、流量分析以及條形碼讀取，以加快視覺應用的開發(fā)。運行時編輯支持對檢測例程進行實時更改，從而減少停機時間并加快結(jié)果速度。VE205G1A 智能相機的一些功能包括：

　　EtherNet/IP、Modbus/TCP、PROFINET 和 RS-232 連接，可輕松集成到工廠自動化系統(tǒng)中

　　六個光隔離輸入/輸出 (I/O) 和一個外部光連接器

　　雙行八字符顯示屏，提供攝像機狀態(tài)并可快速切換到新活動。

　　可選的密封鏡頭蓋提供 IP67 防護等級，適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境。

　　典型用途包括：

　　零件的存在與否，包括計算項目數(shù)量和驗證標簽。

　　驗證零件的方向，并將零件位置和方向發(fā)送給拾取和放置機器人或協(xié)作機器人。

　　缺陷檢測，包括識別物品上缺陷的位置和大小。

　　測量項目的關鍵尺寸或組件中項目的相對位置。

　　圖 5：VE205G1A 等智能攝像頭提供快速目視檢查 EV 電池組組件所需的所有功能。(圖片來源：邦納工程)

　　總結(jié)

　　電動汽車電池組是復雜而關鍵的子系統(tǒng)。電動汽車的性能、可靠性和成本與高效快速組裝電池組的能力密切相關。組裝過程從驗證電池單元是否符合所需規(guī)格開始，然后依靠機器人和協(xié)作機器人的自動精密裝配，最后使用智能自動化相機進行最終目視檢查。