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來(lái)源：Digi-Key 作者：Jeff Shepard 電池組是純電動(dòng)汽車 (EV) 的一個(gè)關(guān)鍵子組件，也是組裝最復(fù)雜的組件之一。組裝前首先要測(cè)試每個(gè)電池單元。接下來(lái)，通常用協(xié)作機(jī)器人來(lái)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(gè)自動(dòng)視覺檢查系統(tǒng)，以確保總成中的所有元件都正確地組合在一起。 本文回顧了電動(dòng)汽車電池組和一些相關(guān)子組件的復(fù)雜性，包括需要大量電池單元模塊、高電氣效率的輕型母線與線束互連，以及主動(dòng)冷卻系統(tǒng)。然后介紹了來(lái)自 Digi-Key 的代表性產(chǎn)品，包括 National Instruments 的數(shù)據(jù)采集設(shè)備（作為電池單元測(cè)試系統(tǒng)的一部分使用）、Omron Automation 的協(xié)作機(jī)器人（用于電池組組裝）以及來(lái)自 Banner Engineering 的智能相機(jī)模塊與嵌入式軟件（用作自動(dòng)檢測(cè)平臺(tái)）。 電動(dòng)汽車電池組構(gòu)件 不同的制造商對(duì)于電動(dòng)汽車電池組的設(shè)計(jì)各不相同，有時(shí)在同一制造商的不同型號(hào)的電動(dòng)汽車之間也會(huì)有所不同，因此裝配靈活性是一個(gè)重要的考慮因素。所有電動(dòng)汽車電池組的一個(gè)共同點(diǎn)是，它們可以使用成千上萬(wàn)的組件。 電動(dòng)汽車電池組由許多電池模塊組成，并被組裝成最終的電池組（圖 1）。模塊和電池組的結(jié)構(gòu)正在演變，以便為電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供更高的電壓。雖然 400 VDC 一直是標(biāo)準(zhǔn)，但高至 900 VDC 的電壓更經(jīng)常出現(xiàn)。更高電壓的主要好處是充電速度更快。充電更快可以幫助減少電動(dòng)汽車司機(jī)的續(xù)航焦慮，但使電池組的組裝更具挑戰(zhàn)性（和潛在的危險(xiǎn)）。 
圖 1：電池模塊是電動(dòng)汽車電池組的基本構(gòu)件。（圖片來(lái)源：National Instruments） 模塊中的電池單元通常被焊接在一起，而模塊一般用螺栓固定在大的母線上，形成完整的電池組。模塊與電池組的結(jié)構(gòu)往往是電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)之間的一個(gè)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，但偶爾也會(huì)在環(huán)境溫度過低時(shí)加熱，使電池有效運(yùn)行。對(duì)于小型電池組來(lái)說(shuō)，熱管理系統(tǒng)可能是被動(dòng)的，但大型電池組需要用相變裝置和泵進(jìn)行主動(dòng)熱管理，以循環(huán)液體冷卻單個(gè)電池。 電池管理系統(tǒng) (BMS) 監(jiān)測(cè)單個(gè)電池單元的健康和充電狀態(tài)。BMS 包括一系列的電壓、電流、溫度和其他傳感器，通常是在每個(gè)電池單元上設(shè)置傳感器。BMS 與電動(dòng)汽車的中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通信。 保險(xiǎn)絲有時(shí)用于模塊層面，但整個(gè)電池組總是有過流保護(hù)。通常使用一個(gè)大的高壓接觸器和其他組件來(lái)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路預(yù)充電，以防止電動(dòng)汽車首次開啟時(shí)出現(xiàn)潛在的破壞性高浪涌電流。服務(wù)斷開互鎖裝置隔離了電池組中的高電壓，為在電動(dòng)汽車上工作的服務(wù)技術(shù)人員提供了一個(gè)安全環(huán)境。整個(gè)裝配過程需要用到數(shù)以百計(jì)的螺釘、螺母和螺栓、連接器和其他機(jī)械零件。 搭建電池組 測(cè)試單個(gè)電池單元是關(guān)鍵的第一步。這通常是專業(yè)的超級(jí)工廠進(jìn)行電池單元生產(chǎn)過程的最后一步。但是，當(dāng)電池到達(dá)電動(dòng)汽車生產(chǎn)廠時(shí)，通常也會(huì)進(jìn)行隨機(jī)的質(zhì)量保證測(cè)試，以監(jiān)控入庫(kù)的各批電池的質(zhì)量水平。沒有高質(zhì)量的電池單元，就無(wú)法生產(chǎn)高質(zhì)量的可靠電動(dòng)汽車電池組。 接下來(lái)，這些單元會(huì)被組裝成模塊。模塊通常由大約 12 至 20 個(gè)電池單元組成。這些模塊被堆放在一個(gè)金屬框架中，提供互連，防止沖擊和振動(dòng)，在某些型號(hào)中還提供熱管理。精度是必須的，而且隨著電池組組件的搭建，它會(huì)逐漸變重，直到數(shù)百磅重。 因精度要求和處理重物的需要，電池組組裝通常使用協(xié)作機(jī)器人或工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行。協(xié)作機(jī)器人可以處理重物，并迅速而準(zhǔn)確地組裝完成封裝所需的數(shù)百個(gè)螺釘、連接器和其他部件。例如，日產(chǎn)聆風(fēng)的電池組包括 48 個(gè)模塊（圖 2）。電池組組裝的最后一步是自動(dòng)測(cè)試，包括對(duì)復(fù)雜的電池組進(jìn)行視覺檢查。
圖 2：這個(gè)日產(chǎn)聆風(fēng)電池組包括 48 個(gè)電池模塊和數(shù)百個(gè)其他組件。（圖片來(lái)源：National Instruments 的 NHR 部門） 電池測(cè)試和數(shù)據(jù)采集 設(shè)計(jì)電池測(cè)試系統(tǒng)的制造工程師可以轉(zhuǎn)而使用 National Instruments 的 779640-01 數(shù)據(jù)采集 (DAQ) 設(shè)備。這個(gè)全速 USB 2.0 DAQ 包括 8 個(gè)用于隔離式數(shù)字輸入的 ±60 伏直流 (VDC) 通道，8 個(gè)用于隔離式固態(tài)繼電器 (SSR) 輸出的 60 VDC、30 伏均方根 (VRMS) 通道，以及一個(gè) 32 位計(jì)數(shù)器（圖 3）。八個(gè)隔離輸入包括一個(gè)光耦合器、一個(gè)肖特基二極管和一個(gè)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(cè)、可編程上電輸出和看門狗定時(shí)器。
圖 3：779640-01 DAQ 包括八個(gè)隔離式數(shù)字輸入（右側(cè)）和八個(gè)隔離式 SSR 輸出（左側(cè)）。（圖片來(lái)源：Digi-Key） 779640-01 DAQ 可以監(jiān)測(cè)特定輸入線路或所有輸入線路上的變化，包括上升沿、下降沿，或同時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)識(shí)別到一個(gè)變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷。中斷并未指示發(fā)生變化的輸入線路。該軟件可用于讀取線路并確定變化通知的來(lái)源。數(shù)字濾波可以將噪音和電磁干擾 (EMI) 的影響降到最低。 數(shù)字濾波器工作在光耦合器輸入端。光耦合器關(guān)閉的速度比打開的速度慢，傳遞下降沿的速度要比上升沿慢。數(shù)字濾波器可以幫助消除因噪聲或 EMI 引起的變化。設(shè)計(jì)人員可以用編程好的濾波間隔來(lái)配置濾波通道。短于所設(shè)定濾波間隔一半的脈沖將被阻斷。長(zhǎng)于濾波間隔的脈沖通過。中間的脈沖可能通過也可能不通過濾波器。 獲得重負(fù)荷和重復(fù)性工作的幫助 一旦電池單元通過測(cè)試，協(xié)作機(jī)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(gè)過程，像 Omron Automation 的 RT6-1001321 這樣的協(xié)作機(jī)器人具有很強(qiáng)的適應(yīng)性（圖 4）。RT6-1001321 有一個(gè)集成的現(xiàn)場(chǎng)總線適配器，便于集成到工廠自動(dòng)化系統(tǒng)中。協(xié)作機(jī)器人的操作精度很高，可以協(xié)助擰螺絲、打膠、涂抹導(dǎo)熱膏、配接連接器，以及組裝電動(dòng)汽車電池組所需的眾多其他活動(dòng)。讓協(xié)作機(jī)器人非常適合用于電動(dòng)汽車電池組組裝的一些能力包括： · 圖形化的編程環(huán)境，可加快協(xié)作機(jī)器人的訓(xùn)練。 · 集成的視覺系統(tǒng)可協(xié)助檢查和測(cè)量結(jié)果，并協(xié)助裝配活動(dòng)。 · 模塊化的末端效應(yīng)器可以快速更換，能夠讓單個(gè)協(xié)作機(jī)器人執(zhí)行一系列的組裝過程。 · 協(xié)作機(jī)器人可以與物流和其他移動(dòng)機(jī)器人交互操作，形成一個(gè)完整的電池組制造單元。
圖 4：像 RT6-1001321 這樣的協(xié)作機(jī)器人具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，可以快速、高精度地完成重復(fù)性任務(wù)。（圖片來(lái)源：Omron Automation） 能夠靈活和快速地學(xué)習(xí)新的程序，能夠避免長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)和低效生產(chǎn)，是協(xié)作機(jī)器人的關(guān)鍵屬性。使用圖形用戶界面或簡(jiǎn)單地將協(xié)作機(jī)器人手臂從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置，可以在幾分鐘內(nèi)教授一項(xiàng)新活動(dòng)。協(xié)作機(jī)器人擅長(zhǎng)于電動(dòng)汽車電池組裝配中常見的重復(fù)性工作，并能精確處理重物。最后，協(xié)作機(jī)器人可以加入機(jī)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(yàn)證結(jié)果 使用 Banner Engineering 的VE205G1A 智能相機(jī)可以對(duì)電池組是否正確組裝進(jìn)行自動(dòng)視覺驗(yàn)證（圖 5）。該集成軟件旨在執(zhí)行高級(jí)視覺檢查功能。VE205G1A 隨附了 Banner 的視覺管理軟件，其中提供了一些工具，如物品檢測(cè)、定位和特征測(cè)量和流量分析，以及條形碼讀取，以加快視覺應(yīng)用的開發(fā)。運(yùn)行時(shí)編輯支持實(shí)時(shí)更改檢查程序，減少停機(jī)時(shí)間并加快結(jié)果輸出。VE205G1A 智能相機(jī)的一些功能包括如下： · EtherNet/IP、Modbus/TCP、PROFINET 和 RS-232 連接，便于集成到工廠自動(dòng)化系統(tǒng)中。 · 六個(gè)光隔離輸入/輸出 (I/O) 和一個(gè)外部燈連接器 · 雙列八字符顯示器，提供相機(jī)狀態(tài)，并能快速轉(zhuǎn)換到新的活動(dòng)。 · 可選的密封鏡頭蓋為惡劣工業(yè)環(huán)境提供 IP67 防護(hù)等級(jí)。 · 典型用途包括： · 零件存在與否測(cè)試，包括清點(diǎn)物品數(shù)量和核實(shí)標(biāo)簽。 · 驗(yàn)證零件的方向，并將零件的位置和方向發(fā)送給拾放機(jī)器人或協(xié)作機(jī)器人。 · 瑕疵檢測(cè)，包括識(shí)別物品上瑕疵的位置和大小。 · 測(cè)量物品的關(guān)鍵尺寸或裝配中物品的相對(duì)位置。
圖 5：像 VE205G1A 這樣的智能相機(jī)提供了對(duì)電動(dòng)汽車電池組組件進(jìn)行快速視覺檢測(cè)所需的所有功能。（圖片來(lái)源：Banner Engineering） 結(jié)語(yǔ) 電動(dòng)汽車電池組是復(fù)雜而關(guān)鍵的子系統(tǒng)。電動(dòng)汽車的性能、可靠性和成本與電池組的有效和快速組裝能力密切相關(guān)。裝配過程從驗(yàn)證電池單元是否符合要求的規(guī)格開始，然后依靠機(jī)器人和協(xié)作機(jī)器人的自動(dòng)精密裝配，最后使用智能自動(dòng)相機(jī)進(jìn)行最后的視覺檢查。 |
