北自所-新能源汽車鋰電池模組及PACK線智能制造

一、成果簡(jiǎn)介

新能源汽車鋰電池模組及PACK線智能制造項(xiàng)目針對(duì)目前國(guó)內(nèi)新能源汽車鋰電池的裝配設(shè)備現(xiàn)狀應(yīng)運(yùn)而生。目前新能源汽車鋰電池的尺寸不標(biāo)準(zhǔn)，不規(guī)范，產(chǎn)能低，導(dǎo)致很難形成批量，再加上新能源汽車廠及儲(chǔ)能電站企業(yè)的要求五花八門，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，也就很難在裝備方面有所突破，很多企業(yè)只能使用一些專機(jī)，替代手工生產(chǎn)，滿足新能源汽車廠和儲(chǔ)能的臨時(shí)需求；整個(gè)制造過程信息化不足，數(shù)據(jù)記錄在紙質(zhì)文檔上，難以管理。

生產(chǎn)過程無數(shù)字化的數(shù)據(jù)采集，無法進(jìn)行生產(chǎn)過程分析和預(yù)測(cè)，也無法建立制造過程的質(zhì)量追溯，越來越難以適應(yīng)高可靠性工業(yè)產(chǎn)品的苛刻要求。因此，新能源汽車鋰電池模組及PACK線智能制造成為了制約新能源汽車發(fā)展的制約因素。

新能源汽車鋰電池模組線和PACK線智能制造對(duì)于新能源汽車鋰電池系統(tǒng)廠商當(dāng)前存在的生產(chǎn)自動(dòng)化裝備不完善、質(zhì)量控制能力差、電池一致性和穩(wěn)定性較弱等問題，通過推動(dòng)工業(yè)機(jī)器人、智能視覺系統(tǒng)、增材制造裝備、智能傳感與控制裝備、智能檢測(cè)與裝配裝備、智能物流與倉(cāng)儲(chǔ)裝備等安全可控核心智能制造裝備的創(chuàng)新應(yīng)用，開展面向多規(guī)格的新能源汽車鋰電池系統(tǒng)自動(dòng)化、信息化、數(shù)字化、智能化生產(chǎn)線的研制。

新能源汽車鋰電池模組線和PACK線智能制造集柔性化制造、智能化物流、數(shù)字化信息自動(dòng)采集與集成等關(guān)鍵技術(shù)于一體，實(shí)現(xiàn)電池模組智能裝配、電池PACK智能裝配及電池PACK集成在線檢測(cè)等功能。完成包括中控系統(tǒng)、電池模組裝配產(chǎn)線、電池PACK總裝線以及電池PACK全自動(dòng)檢測(cè)線在內(nèi)的一整套設(shè)計(jì)與制造，實(shí)現(xiàn)了MES系統(tǒng)訂單下發(fā)產(chǎn)線、電池包組件條碼層層綁定、關(guān)鍵數(shù)據(jù)參數(shù)存儲(chǔ)與質(zhì)量追溯的智能化信息管理、電子看板生產(chǎn)實(shí)時(shí)信息與生產(chǎn)線運(yùn)行狀態(tài)智能監(jiān)控以及AGV智能車物料裝配與輸送等功能，為新能源汽車鋰電池廠家的批量化生產(chǎn)、智能化裝配、一致性管理，提供了可靠的軟硬件保證。

新能源汽車鋰電池模組線和PACK線智能制造已取得四項(xiàng)實(shí)用新型專利和一項(xiàng)軟件著作權(quán)成果。

二、成果創(chuàng)新點(diǎn)及解決的難點(diǎn)問題

1、單體電池存在厚度、電壓和內(nèi)阻不一致的情況，在電池裝配過程中會(huì)直接影響到電池的安全穩(wěn)定、整體性能和使用壽命

在新能源汽車鋰電池智能裝配成組過程中，必須要兼顧單體電池的厚度公差且必須保證電池PACK的尺寸一致，保證最終電池的裝配尺寸及質(zhì)量是需要攻克的技術(shù)難題。在電池成組過程中，需要通過電池測(cè)厚儀、復(fù)合電壓內(nèi)阻測(cè)試儀對(duì)單體電池的厚度、電壓和內(nèi)阻進(jìn)行復(fù)檢，并剔除不合格的單體電池，從而保證單體電池的一致性。將測(cè)厚儀和內(nèi)阻測(cè)試儀集成到電池編組設(shè)備中，機(jī)器人在拾取單體后先進(jìn)行復(fù)檢，根據(jù)復(fù)檢結(jié)果判定對(duì)單體電池進(jìn)行剔除和進(jìn)一步編組處理。

2、電池PACK在最終檢測(cè)過程中進(jìn)行大電流充放電測(cè)試

按照傳統(tǒng)方法手動(dòng)測(cè)試需要經(jīng)過復(fù)雜的人工接線及保證大電流通過的相應(yīng)保護(hù)措施。目前，國(guó)內(nèi)外并沒有此類的自動(dòng)檢測(cè)專機(jī)，為實(shí)現(xiàn)電池PACK在最終檢測(cè)過程中的工業(yè)化與智能化，本工序采用自動(dòng)對(duì)接的方法，技術(shù)難度大，不僅需要精確定位電池箱體，而且還要保證大電流對(duì)接的可靠性。

電池檢測(cè)過程中承載電池的AGV采用激光定位形式，保證極高的定位精度，同時(shí)自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)采用伺服電缸控制系統(tǒng)，保證對(duì)位電極穩(wěn)定可靠同時(shí)保證對(duì)位精度。電池檢測(cè)系統(tǒng)還兼具有報(bào)警功能，能夠檢測(cè)對(duì)位不準(zhǔn)、電池不到位、通電異常等幾十種報(bào)警信息，保證了電池自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性性及電池本體的安全性。

3、為了兼容電池厚度的公差尺寸，單體電池串并聯(lián)連接銅排采用軟銅排形式

采用軟銅排不僅兼容了單體電池厚度公差而且對(duì)軟銅排的自動(dòng)焊接和緊固連接提高了可靠性。在裝配過程中，裝配和焊接機(jī)器人中搭配視覺系統(tǒng)對(duì)每個(gè)單體電池電極的焊接點(diǎn)和緊固點(diǎn)進(jìn)行位置定位與修正，達(dá)到保證裝配與焊接的質(zhì)量可靠和裝配的精度。

針對(duì)電池模組的特點(diǎn)，定制適合于電池模組的專用焊接夾具，每個(gè)壓頭對(duì)銅排焊接面的兩側(cè)區(qū)域進(jìn)行大面積壓緊，并且壓頭采用彈簧浮動(dòng)式的壓緊方案，保證每個(gè)壓頭都能夠壓緊到位，當(dāng)浮動(dòng)位移達(dá)到死限位點(diǎn)時(shí)，可輸出最大壓緊力。同時(shí)，采用激光測(cè)距進(jìn)行引導(dǎo)跟蹤，實(shí)時(shí)檢測(cè)待焊極耳的平面度，并將此數(shù)據(jù)反饋到Z軸伺服機(jī)構(gòu)，借此調(diào)整焊接焦距。

4、新能源汽車鋰電池模組PACK車間制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）的應(yīng)用

針對(duì)新能源汽車鋰電池PACK安全及高效生產(chǎn)的需要，本應(yīng)用集成在線檢測(cè)、機(jī)器視覺、RFID等智能檢測(cè)及物流技術(shù)，開發(fā)電池PACK車間數(shù)字化制造管理系統(tǒng)（專用MES），實(shí)現(xiàn)電池包生產(chǎn)計(jì)劃與現(xiàn)場(chǎng)制造裝備的高效協(xié)同及品質(zhì)管控。車間MES的應(yīng)用，提高了本模式的智能化管理程度，能夠?qū)崿F(xiàn)從單體電池上線、模組裝配、不合格品處理、電池PACK裝配和測(cè)試、成品入庫(kù)等整個(gè)生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集、控制、分析和歷史追溯。

MES系統(tǒng)是企業(yè)內(nèi)部計(jì)劃、物流、生產(chǎn)、品質(zhì)部門取得第一手生產(chǎn)信息的保障系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)智能遠(yuǎn)程終端生產(chǎn)線和組裝線的有限能力排產(chǎn)、計(jì)劃的下達(dá)和過程監(jiān)控，車間在制物料的管理、車間設(shè)備的運(yùn)維和監(jiān)控，車間可視化管理，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的項(xiàng)目目標(biāo)，即質(zhì)量檢測(cè)智能化、產(chǎn)品檔案信息化、設(shè)備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)化、生產(chǎn)過程透明化、物料流轉(zhuǎn)自動(dòng)化、異常問題目視化、裝配工藝信息化、系統(tǒng)平臺(tái)開放化。

圖1 MES工藝流程圖

三、國(guó)內(nèi)外水平對(duì)比分析

目前，針對(duì)由單體電池到電池成組的裝配及測(cè)試，國(guó)外有些廠家在電池成組裝配方面制作了部分專機(jī)，但還沒有形成全自動(dòng)裝配生產(chǎn)線，也不能進(jìn)行全自動(dòng)的檢測(cè)。國(guó)內(nèi)還停留在手工裝配階段，致使生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品一致性差、產(chǎn)品質(zhì)量得不到可靠保證。

本應(yīng)用中設(shè)計(jì)開發(fā)多臺(tái)智能裝配和檢測(cè)專機(jī)，采用伺服定位、機(jī)器人裝配、數(shù)碼掃描、PLC控制等自動(dòng)化技術(shù)。生產(chǎn)線裝配精度高，生產(chǎn)節(jié)拍短，是國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的新能源汽車鋰電池模組及PACK自動(dòng)化、智能化裝配生產(chǎn)線。

該應(yīng)用中涉及的智能測(cè)控技術(shù)和裝置，如機(jī)器人、自動(dòng)小車、疊垛系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)、管理系統(tǒng)等，國(guó)內(nèi)都具備了一定的技術(shù)基礎(chǔ)、裝備準(zhǔn)備和工程經(jīng)驗(yàn)，能夠滿足實(shí)用自動(dòng)化、智能化裝配生產(chǎn)線，并達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

分項(xiàng)對(duì)比情況如表1所示：

四、成果應(yīng)用情況

新能源汽車鋰電池模組及PACK線智能制造主要由電池模組裝配線、電池PACK裝配線、檢測(cè)線、MES系統(tǒng)等組成。同時(shí)包括了電芯編組復(fù)檢入底板及短側(cè)板智能化裝配單元、自動(dòng)化銅排擰緊單元、雙層模組自動(dòng)入箱和電池包成品在線檢測(cè)等智能化生產(chǎn)單元。其中車間MES系統(tǒng)可對(duì)電池的組裝，實(shí)現(xiàn)全過程的質(zhì)量可追溯管理，能夠?qū)崟r(shí)的顯示產(chǎn)品在各個(gè)裝配過程中的產(chǎn)品狀態(tài)和設(shè)備狀態(tài)，并與相應(yīng)裝配過程的部件條碼進(jìn)行綁定，建立產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電池PACK車間產(chǎn)品的制造、物流、質(zhì)量控制全流程的數(shù)字化、智能化。

新能源汽車鋰電池模組及PACK線智能制造實(shí)現(xiàn)了電池模組裝配、電池Pack裝配及電池Pack集成檢測(cè)功能，完成包括中控系統(tǒng)、電池模組裝配產(chǎn)線、電池Pack總裝線以及電池Pack全自動(dòng)檢測(cè)線在內(nèi)的一整套設(shè)計(jì)與制造，實(shí)現(xiàn)了MES系統(tǒng)訂單下發(fā)產(chǎn)線、電池包組件條碼層層綁定、關(guān)鍵數(shù)據(jù)參數(shù)存儲(chǔ)與質(zhì)量追溯的智能化信息管理、電子看板生產(chǎn)實(shí)時(shí)信息與生產(chǎn)線運(yùn)行狀態(tài)智能監(jiān)控以及AGV智能車物料裝配與輸送等功能。

新能源汽車鋰電池模組及PACK線采用可編程控制器進(jìn)行系統(tǒng)集成，采用機(jī)器人進(jìn)行裝配工作，通過視覺系統(tǒng)配合機(jī)器人進(jìn)行工件定位修正，采用自動(dòng)讀碼器與RFID進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)存，運(yùn)用運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)總裝線自動(dòng)碼垛與自動(dòng)入箱功能，中控系統(tǒng)通過Schneider CiTect平臺(tái)開發(fā)，進(jìn)行生產(chǎn)線狀態(tài)監(jiān)控、信息管理以及數(shù)據(jù)上傳與存儲(chǔ)，通過LABVIEW開發(fā)平臺(tái)研發(fā)整套電池Pack自動(dòng)化檢測(cè)集成系統(tǒng)，整線結(jié)構(gòu)緊湊，物流通道合理，滿足產(chǎn)能節(jié)拍需求。

案例應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)如下圖所示。

圖2 鋰電池現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用圖

圖3 鋰電池自動(dòng)入箱應(yīng)用圖

五、社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益分析

1、該案例的應(yīng)用，能夠使廠家節(jié)約大量的工人，使效率大大提高，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大大減少；通過本套生產(chǎn)線的投產(chǎn)，能夠規(guī)范廠家產(chǎn)品的生產(chǎn)流程，保證產(chǎn)品的精度及質(zhì)量；同時(shí)通過本套生產(chǎn)線的投產(chǎn)，能夠帶動(dòng)了企業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，提高了企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，也提高了企業(yè)本身的價(jià)值，提高了企業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，在國(guó)內(nèi)同行業(yè)中掌握了先機(jī)。

同時(shí)也改善和提高了管理水平，與以前的手工作業(yè)相比大大提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品靈活性，做到生產(chǎn)過程可監(jiān)控和管理，保證了生產(chǎn)效率最高、產(chǎn)品質(zhì)量最好。

2、該案例的應(yīng)用，能夠?yàn)橹圃焐處韺?shí)在的經(jīng)濟(jì)效益，按國(guó)家的發(fā)展規(guī)劃至2025年，單純以動(dòng)力電池生產(chǎn)為主線的專用裝配生產(chǎn)線就能拉動(dòng)至少180億元的投資規(guī)模，為制造商提供了可靠地經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)，此外，在動(dòng)力鋰電池柔性自動(dòng)化裝配與檢測(cè)生產(chǎn)線的研制的過程中，也能夠帶動(dòng)企業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，提高了企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，也提高了企業(yè)本身的價(jià)值，提高了企業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，使企業(yè)在國(guó)內(nèi)外同行業(yè)中掌握了先機(jī)。

根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)每增加1人就業(yè)，會(huì)帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)增加8人就業(yè)。從新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈看，主要包括產(chǎn)品研發(fā)、零部件采購(gòu)、生產(chǎn)制造和銷售服務(wù)4個(gè)方面，全產(chǎn)業(yè)鏈涉及諸多行業(yè)，往往帶動(dòng)100多個(gè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

發(fā)展新能源汽車是我國(guó)從汽車大國(guó)邁向汽車強(qiáng)國(guó)的必由之路，能源安全與生態(tài)環(huán)境是關(guān)乎國(guó)家未來可持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略問題，世界主要制造強(qiáng)國(guó)也都在國(guó)家層面加大節(jié)能與新能源汽車發(fā)展以搶占經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)制高點(diǎn)。中國(guó)通過大力發(fā)展新能源汽車可以推進(jìn)產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，為建設(shè)汽車強(qiáng)國(guó)乃至制造強(qiáng)國(guó)奠定基礎(chǔ)。

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