汽车动力电池系统生产工艺设计

黎明

摘 要：动力电池是为汽车提供动力来源的重要装置，对汽车性能有着较大的影响。传统的动力电池生产系统自动化水平较低，大部分生产环节都是人工操作，无法保证PACK包的生产质量，经常出现大量PACK包返修的情况。文章主要设计某汽车动力电池系统生产线，在传统动力电池系统生产线的基础上，使用大量的自动化设备和机器人替代人工生产环节，并增加大量的检测设备，对每个生产环节进行检验，保证每个环节的生产质量，希望可以设计出自动化水平高的汽车动力电池系统生产线，降低PACK包的返修率。

关键词：动力电池；生产工艺；设计；模组；PACK；模块

中图分类号：U469.72 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）19-0111-03

Abstract： Power battery is an important device to provide power source for automobile， which has a great influence on the performance of automobile. The traditional power battery production system has a low level of automation， and most of the production links are manual operation， which cannot guarantee the production quality of the pack， and there are often a large number of PACK packages to be repaired. This paper mainly designs the production line of an automobile power battery system. On the basis of the traditional power battery system production line， a large number of automatic equipment and robots are used to replace the manual production link， and a large number of testing equipment is added. Each production link is inspected to ensure the production quality of each link. It is hoped that the automobile power battery system production line with high level of automation can be designed to reduce the re-repair rate of PACK package.

Keywords： power battery； production process； design； module； PACK； module

引言

动力电池系统生产过程中，有几个需要注意的技术要点，第一，要对电芯筛选环节进行重视，通过电芯筛选主筛选出同批压差的电芯，可以保证电池包的使用寿命，主要是通过电芯筛选环节实现上述目的。第二，要注意模块电芯电阻焊接工作，要保证焊接的质量和产品的合格率，为满足上述两点要求选择了凸点焊的方式进行焊接。第三，在模块的装配过程中，需要将绝缘片合理安裝在模块上，需要在安装的过程中翻转模块，选择festo起动旋转气缸作为驱动装置。第四，PACK包需要进行充放电检查工作，要将电池包充放电库选择立体库形式[1]。

1 电池包参数设计

电池包参数设计如下：首先根据电池包的设计要求，电池包的绝缘电阻≥10MΩ，要注意电阻参数是总正/总负对箱体的绝缘电阻，还可以得到电池包的电压范围为252V-310V-348V。接下来对电池包的参数进行明确，主要包括防护等级、阻燃性要求、安全性要求三方面，其中防护等级为IP67，阻燃性需要符合GB/T19666-2005，安全性需要符合GB/T31467.3-2015。最后对电池包的环境要求明确，电池包的最佳存储温度为5℃～45℃，储存湿度为0～95%，上述为电池包的参数设计情况，需要按照上述要求设计电池生产工艺。

2 项目概况

众泰需要一套汽车动力电池系统自动化生产线，动力电池匹配的车型为众泰E200车型。该电池系统生产工艺是现阶段国内自动化水平较高的生产线，大部分生产环节都可以通过机器人结合设备联动实现，电芯筛选、模块组装、PACK成组三个生产环节都可以在一条生产线上完成。在PACK生产完成以后，还设置了大量的视觉扫描及检验设备，可以对产品进行质量检验。因为整个生产线大部分环节都使用了机器人配合作业，将人为失误降到了最低，可以保证整个生产的质量和效率。整个电池系统生产线使用了31台机器人，具有较高的自动化水平。生产线还具有很高的兼容性，如果需要更换产品，将抓手、工装更换掉即可，可以快速实现产品的过渡。整个生产线采用封闭生产模式，可以提升生产的安全性能[2]。

3 生产工艺流程

整个电池系统生产工艺流程如图1，先进行电芯的上料操作，上料方式采用人工上料，进入电芯筛选环节，将不合格的电芯淘汰掉，电芯进入到下支架以后，会通过机器人将电池进行合理码放，然后进入到盒盖环节，通过机器人将上盖与模块闭合，接下来进入到凸点焊接环节，这种焊接方式既能保证焊接质量，还可以提高产品的合格率。然后进入到模块的装配阶段，将装配结束后的模组进行测试和打码，对于测试不合格的模组进行返工，测试合格的模组则进入到模组采样板装配环节，最后进行模组采样焊接，就完成了电池生产工艺流程。

4 生产工艺设计

4.1 工艺节拍设计

在进行工艺节拍设计之前，先明确生产的产能要求，该生产线的要求为每天生产10h，生产PACK数量为100个。通过产能要求，可以计算出来一个PACK节拍为324s，即一个PACK所有的生产时间为324s，每个PACK有两种模组组成，一种模组由5个模块组成，另一组由6个模块组成，每个模块有144个电芯组成，根据上述数据，可以设计出模组节拍为81s，模块节拍为1.35s，单侧的时间为一半节拍，电芯的筛选为0.093s[3]。

4.2 生产线主要装配工艺

4.2.1 模块组装与焊接

模块的组装采用36P×4SD的结构形式，每个模块都要预留4个采压接口，在模块的组装过程中，每个模块需要组装144个电芯，并通过36并4串的方式。将电芯安装在模块内部以后，还需要进行电阻焊接操作，通过焊接操作可以使电芯与铜镍复合片完成串并联，焊接的操作对于电池包性能有着较大的影响，通过反复试验以后决定使用凸点焊对电芯进行焊接操作，可以保证焊接的质量和产品合格率。模块中的每个电芯都需要进行正反面的凸点焊操作。根据生产线的产能需求可知，焊接模块的速度需要达到220个每小时，需要使用20台焊接设备进行同时操作。

4.2.2 模组组装

模组组装是通过机器人抓取模块实现的，生产线中具有专门的装配机器可以将模块组装成模组，每个模块和模块之间组装时，采用串联的连接方式，使用含导电簧接插件作为连接构建，并使用专门的螺杆拧紧模块。模组组装时，中间部位通过环氧板制造绝缘区域，使每个模块之间都具有绝缘性，模块上有专门的卡扣，可以扣住绝缘片。在模块的组装环节，已经进行了焊接操作，为了避免人工操作对模块产生破坏，使用机器人抓取绝缘片并安装在模块上，机器人可以进行翻转操作实现模块两侧的绝缘片安装工作。根据对机器人定位精度以及负載情况，选择使用festo气动旋转气缸进行模块的翻转驱动装置。

4.2.3 PACK组装

每个PACK包采用1*4的结构形式，也就是每个PACK由4个模组构成，将模组按照顺序放置在铝壳内部，并使用专门的螺栓固定在PACK包内部，在模组的下方会放置专门的橡胶，这种橡胶具有传热的特性，将模组安装在铝壳内以后，可以与PACK底实现软接触和传热。然后使用接插件连接电气，要保证PACK包内部的结构紧凑，避免出现空间资源浪费的情况。模组在放置在PACK包内部以后，还需要实现电连接，主要使用铜排锁螺钉实现，可以满足模组之间的电连接需求[3]。

4.3 产品在线检测工艺

4.3.1 电芯检测

在最开始的产品设计阶段，选用了三种类型的电芯，分比为力神、CATL和LG。电芯受到压降的影响，会出现较大的电压的波动，但是波动过大的电压会影响到电池包的使用寿命，这就需要设置一个电芯的检验环节，对电芯电压进行筛选工作，挑选同批压差的电芯，进入模块的组装环节。为了将电芯电压差控制在0.1V范围内，开发设计了多功能专机，用于电芯的筛选，可以对电芯进行检验、扫码、视觉检测，保证筛选的电芯符合生产要求。电芯筛选设备每小时可以检测8000个电芯，而电池系统生产线产能要求为10h生产100个PACK，这就需要每小时筛选出31680个电芯，电芯在筛选的过程中，必然会出现一部分的不合格电芯，在计算中预留10%不合格率，根据上述数据计算，需要在生产线中准备5个电芯检测设备，才能满足电池系统生产线的产能要求[4]。

4.3.2 模块检测

对模块进行盒盖和凸点焊接操作以后，即可进行模块的测试工作，主要是对电芯进行检测工作，通过自动化设备和机器人的使用完成模块的检测工作，传统的检测通常都是通过人工完成检测工作，经常会出现人工失误的情况，为此本项目选择自动化设备和机器人的使用完成模块的测试工作，将失误几率降到最低。在模块的检测工作中，经常会使用视觉检测的方式，通过专业的机械设备对电芯上的缺陷进行查看，可以找出电芯上存在的划痕、凸点等等问题，一旦发现明显视觉缺陷，需要在对模块检测完成以后，通过机器人专业设备将不合格的产品打上印记，并进行返工处理，而通过模块检测的产品则可以进入到后面的模组组装环节。

4.3.3 模组检测

模组检测主要有四个部分，分别为电阻检测、电压采样检测、尺寸检测、外观检查。其中前三种检查，都是通过自动化设备进行检查，机器人配合自动化设备，对组装完成后的模块进行合理的检查工作，检查完成以后的模组可以进入到下一个生产环节。其中外观检查主要是使用专业的设备对模组的划痕、破损、污渍、凸点等等缺陷问题进行发现。并对检查结束的模组进行扫码操作，将每项测试数据进行合理的记录工作，检查合格的产品通过机器人送入到下一个环节，检验不合格的模组则打下印记，进行返工。

4.3.4 PACK检测

PACK检测主要包括绝缘耐压与电气回路测试、气密性测试两大部分。在进行绝缘耐压与电气回路测试时，主要是为了检测出PACK包的绝缘耐受电压能力，在保证PACK接线合格以后，即可以进行绝缘耐压与电气回路测试工作，先进行PACK包的绝缘耐压检测，检测不合格的PACK包需要进行返工处理，并将不合格的产品打印上不良信息，通过绝缘耐压检测的PACK才能进入到电气回路检验环节，与上述环节的检验相同，不通过的PACK包需要进行打印不良信息，合格的PACK包通过该检测环节，并进行后续的气密性测试和充放电检测[5]。

4.4 PACK充放电检测

PACK自充放电检测也是通过自动化设备进行检测，每个电池包都需要进行两次充电和两次放电检测，完成一个PACK包的充放电检测需要耗费4个小时，每天需要将生产的100件PACK全部进行充放电检测工作，这就需要25台充放电检测设备。因为需要检测的PACK包数量比较多，为此选择立体库的方式存放需要检测的PACK包，并使用专业的插接设备，可以实现自动插接和自动检测的工作，不但降低了失误率，还可以避免其他因素影响到检测结果。

5 结束语

根据上述研究可知，该生产线具有较高的自动化水平，可以在一条生产线上完成整个动力电池的生产，在通过视觉扫描和检验设备对完成的电池包进行多次检验，保证了产品的生产质量。整个生产工艺中大部分环节都是采用机器人配合自动化设备，可以大幅度增加生产的质量和效率。根据实际的调查研究发现，现阶段大部分PACK生产线自动化水平较低，大部分生产环节都是人工操作，导致PACK返修率居高不下。本生产线总结了原来的设计经验，并增加自动化设备和检测环节，设计出自动化水平高、返修率低的动力系统生产线。

参考文献：

[1]刘雯，曹航畅，施艺旋，等.基于CAE的汽车动力电池固定支架冷冲压工艺设计与分析[J].锻压技术，2017，42（9）：35-41.

[2]符兴锋，何国新，曹月明，等.基于动态分时计费的动力电池系统预约充电设计方法研究[J].汽车技术，2018（4）.

[3]蒋宁懿，李成章，宋承鹏.大容量磷酸铁锂体系高功率电池的设计研究[J].电源技术，2017，41（5）：674-677.

[4]谭礼忠，潘泽洵，姜云峰，等.纯电动汽车用动力电池碳纤维上盖的设计[J].汽车工艺与材料，2017（7）：70-72.

[5]安治国，金昌理，癿建建.关于电动汽车动力电池能量转移均衡控制设计[J].计算机仿真，2017，34（5）：147-150.