电动汽车电池组是如何制造的？
作者：Jeff Shepard
电池组是纯电动汽车 (EV) 的一个关键子组件，也是组装最复杂的组件之一。组装前首先要测试每个电池单元。接下来，通常用协作机器人来组装电池模块，然后将模块集成到完整的电池组中，包括母线、冷却组件、电池管理和其他子系统。最后，需要一个自动视觉检查系统，以确保总成中的所有元件都正确地组合在一起。
本文回顾了电动汽车电池组和一些相关子组件的复杂性，包括需要大量电池单元模块、高电气效率的轻型母线与线束互连，以及主动冷却系统。然后介绍了来自 Digi-Key 的代表性产品，包括 National Instruments 的数据采集设备（作为电池单元测试系统的一部分使用）、Omron Automation 的协作机器人（用于电池组组装）以及来自 Banner Engineering 的智能相机模块与嵌入式软件（用作自动检测平台）。
电动汽车电池组构件
不同的制造商对于电动汽车电池组的设计各不相同，有时在同一制造商的不同型号的电动汽车之间也会有所不同，因此装配灵活性是一个重要的考虑因素。所有电动汽车电池组的一个共同点是，它们可以使用成千上万的组件。
电动汽车电池组由许多电池模块组成，并被组装成最终的电池组（图 1）。模块和电池组的结构正在演变，以便为电动汽车驱动系统提供更高的电压。虽然 400 VDC 一直是标准，但高至 900 VDC 的电压更经常出现。更高电压的主要好处是充电速度更快。充电更快可以帮助减少电动汽车司机的续航焦虑，但使电池组的组装更具挑战性（和潜在的危险）。
图 1：电池模块是电动汽车电池组的基本构件。（图片来源：National Instruments）
模块中的电池单元通常被焊接在一起，而模块一般用螺栓固定在大的母线上，形成完整的电池组。模块与电池组的结构往往是电动汽车设计之间的一个区别因素。在所有情况下，电池系统都需要热管理，主要是冷却，但偶尔也会在环境温度过低时加热，使电池有效运行。对于小型电池组来说，热管理系统可能是被动的，但大型电池组需要用相变装置和泵进行主动热管理，以循环液体冷却单个电池。
电池管理系统 (BMS) 监测单个电池单元的健康和充电状态。BMS 包括一系列的电压、电流、温度和其他传感器，通常是在每个电池单元上设置传感器。BMS 与电动汽车的中央计算机系统进行通信。
保险丝有时用于模块层面，但整个电池组总是有过流保护。通常使用一个大的高压接触器和其他组件来给电机驱动电路预充电，以防止电动汽车首次开启时出现潜在的破坏性高浪涌电流。服务断开互锁装置隔离了电池组中的高电压，为在电动汽车上工作的服务技术人员提供了一个安全环境。整个装配过程需要用到数以百计的螺钉、螺母和螺栓、连接器和其他机械零件。
搭建电池组
测试单个电池单元是关键的第一步。这通常是专业的超级工厂进行电池单元生产过程的最后一步。但是，当电池到达电动汽车生产厂时，通常也会进行随机的质量保证测试，以监控入库的各批电池的质量水平。没有高质量的电池单元，就无法生产高质量的可靠电动汽车电池组。
接下来，这些单元会被组装成模块。模块通常由大约 12 至 20 个电池单元组成。这些模块被堆放在一个金属框架中，提供互连，防止冲击和振动，在某些型号中还提供热管理。精度是必须的，而且随着电池组组件的搭建，它会逐渐变重，直到数百磅重。
因精度要求和处理重物的需要，电池组组装通常使用协作机器人或工业机器人进行。协作机器人可以处理重物，并迅速而准确地组装完成封装所需的数百个螺钉、连接器和其他部件。例如，日产聆风的电池组包括 48 个模块（图 2）。电池组组装的最后一步是自动测试，包括对复杂的电池组进行视觉检查。
图 2：这个日产聆风电池组包括 48 个电池模块和数百个其他组件。（图片来源：National Instruments 的 NHR 部门）
电池测试和数据采集
设计电池测试系统的制造工程师可以转而使用 National Instruments 的 779640-01 数据采集 (DAQ) 设备。这个全速 USB 2.0 DAQ 包括 8 个用于隔离式数字输入的 ±60 伏直流 (VDC) 通道，8 个用于隔离式固态继电器 (SSR) 输出的 60 VDC、30 伏均方根 (VRMS) 通道，以及一个 32 位计数器（图 3）。八个隔离输入包括一个光耦合器、一个肖特基二极管和一个基于耗尽模式 MOSFET 的限流电路。779640-01 还包括数字滤波、变化检测、可编程上电输出和看门狗定时器。
图 3：779640-01 DAQ 包括八个隔离式数字输入（右侧）和八个隔离式 SSR 输出（左侧）。（图片来源：Digi-Key）
779640-01 DAQ 可以监测特定输入线路或所有输入线路上的变化，包括上升沿、下降沿，或同时监测。当识别到一个变化时，会产生一个中断。中断并未指示发生变化的输入线路。该软件可用于读取线路并确定变化通知的来源。数字滤波可以将噪音和电磁干扰 (EMI) 的影响降到最低。
数字滤波器工作在光耦合器输入端。光耦合器关闭的速度比打开的速度慢，传递下降沿的速度要比上升沿慢。数字滤波器可以帮助消除因噪声或 EMI 引起的变化。设计人员可以用编程好的滤波间隔来配置滤波通道。短于所设定滤波间隔一半的脉冲将被阻断。长于滤波间隔的脉冲通过。中间的脉冲可能通过也可能不通过滤波器。
获得重负荷和重复性工作的帮助
一旦电池单元通过测试，协作机器人就可以加快电池模块和电池组的组装过程。装配涉及多个过程，像 Omron Automation 的 RT6-1001321 这样的协作机器人具有很强的适应性（图 4）。RT6-1001321 有一个集成的现场总线适配器，便于集成到工厂自动化系统中。协作机器人的操作精度很高，可以协助拧螺丝、打胶、涂抹导热膏、配接连接器，以及组装电动汽车电池组所需的众多其他活动。让协作机器人非常适合用于电动汽车电池组组装的一些能力包括：
· 图形化的编程环境，可加快协作机器人的训练。
· 集成的视觉系统可协助检查和测量结果，并协助装配活动。
· 模块化的末端效应器可以快速更换，能够让单个协作机器人执行一系列的组装过程。
· 协作机器人可以与物流和其他移动机器人交互操作，形成一个完整的电池组制造单元。
图 4：像 RT6-1001321 这样的协作机器人具有很强的适应性，可以快速、高精度地完成重复性任务。（图片来源：Omron Automation）
能够灵活和快速地学习新的程序，能够避免长时间停机和低效生产，是协作机器人的关键属性。使用图形用户界面或简单地将协作机器人手臂从一个位置移动到另一个位置，可以在几分钟内教授一项新活动。协作机器人擅长于电动汽车电池组装配中常见的重复性工作，并能精确处理重物。最后，协作机器人可以加入机器视觉和人工智能 (AI)，以正确的方向拾取所需的零件，将它们添加到电池组组件中，并检查结果。
验证结果
使用 Banner Engineering 的VE205G1A 智能相机可以对电池组是否正确组装进行自动视觉验证（图 5）。该集成软件旨在执行高级视觉检查功能。VE205G1A 随附了 Banner 的视觉管理软件，其中提供了一些工具，如物品检测、定位和特征测量和流量分析，以及条形码读取，以加快视觉应用的开发。运行时编辑支持实时更改检查程序，减少停机时间并加快结果输出。VE205G1A 智能相机的一些功能包括如下：
· EtherNet/IP、Modbus/TCP、PROFINET 和 RS-232 连接，便于集成到工厂自动化系统中。
· 六个光隔离输入/输出 (I/O) 和一个外部灯连接器
· 双列八字符显示器，提供相机状态，并能快速转换到新的活动。
· 可选的密封镜头盖为恶劣工业环境提供 IP67 防护等级。
· 典型用途包括：
· 零件存在与否测试，包括清点物品数量和核实标签。
· 验证零件的方向，并将零件的位置和方向发送给拾放机器人或协作机器人。
· 瑕疵检测，包括识别物品上瑕疵的位置和大小。
· 测量物品的关键尺寸或装配中物品的相对位置。
图 5：像 VE205G1A 这样的智能相机提供了对电动汽车电池组组件进行快速视觉检测所需的所有功能。（图片来源：Banner Engineering）
结语
电动汽车电池组是复杂而关键的子系统。电动汽车的性能、可靠性和成本与电池组的有效和快速组装能力密切相关。装配过程从验证电池单元是否符合要求的规格开始，然后依靠机器人和协作机器人的自动精密装配，最后使用智能自动相机进行最后的视觉检查。
