北自所-新能源汽車鋰電池模組及PACK線智能制造

一、成果簡介

新能源汽車鋰電池模組及PACK線智能制造項目針對目前國內(nèi)新能源汽車鋰電池的裝配設(shè)備現(xiàn)狀應(yīng)運而生。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能的臨時需求；整個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，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、智能檢測與裝配裝備、智能物流與倉儲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)字化信息自動采集與集成等關(guān)鍵技術(shù)于一體，實現(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全自動檢測線在內(nèi)的一整套設(shè)計與制造，實現(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)存儲與質(zhì)量追溯的智能化信息管理、電子看板生產(chǎn)實時信息與生產(chǎn)線運行狀態(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實用新型專利和一項軟件著作權(quán)成果。

二、成果創(chuàng)新點及解決的難點問題

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，需要通過電池測厚儀、復(fù)合電壓內(nèi)阻測試儀對單體電池的厚度、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。將測厚儀和內(nèi)阻測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在最終檢測過程中進(jìn)行大電流充放電測試

按照傳統(tǒng)方法手動測試需要經(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，國內(nèi)外并沒有此類的自動檢測專機(jī)，為實現(xiàn)電池PACK在最終檢測過程中的工業(yè)化與智能化，本工序采用自動對接的方法，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接的可靠性。

電池檢測過程中承載電池的AGV采用激光定位形式，保證極高的定位精度，同時自動對接系統(tǒng)采用伺服電缸控制系統(tǒng)，保證對位電極穩(wěn)定可靠同時保證對位精度。電池檢測系統(tǒng)還兼具有報警功能，能夠檢測對位不準(zhǔn)、電池不到位、通電異常等幾十種報警信息，保證了電池自動檢測系統(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軟銅排的自動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)對每個單體電池電極的焊接點和緊固點進(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。

針對電池模組的特點，定制適合于電池模組的專用焊接夾具，每個壓頭對銅排焊接面的兩側(cè)區(qū)域進(jìn)行大面積壓緊，并且壓頭采用彈簧浮動式的壓緊方案，保證每個壓頭都能夠壓緊到位，當(dāng)浮動位移達(dá)到死限位點時，可輸出最大壓緊力。同時，采用激光測距進(jìn)行引導(dǎo)跟蹤，實時檢測待焊極耳的平面度，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、機(jī)器視覺、RFID等智能檢測及物流技術(shù)，開發(fā)電池PACK車間數(shù)字化制造管理系統(tǒng)（專用MES），實現(xiàn)電池包生產(chǎn)計劃與現(xiàn)場制造裝備的高效協(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裝配和測試、成品入庫等整個生產(chǎn)過程實時數(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)備的運維和監(jiān)控，車間可視化管理，實現(xiàn)預(yù)期的項目目標(biāo)，即質(zhì)量檢測智能化、產(chǎn)品檔案信息化、設(shè)備數(shù)據(jù)實時化、生產(chǎn)過程透明化、物料流轉(zhuǎn)自動化、異常問題目視化、裝配工藝信息化、系統(tǒng)平臺開放化。

圖1 MES工藝流程圖

三、國內(nèi)外水平對比分析

目前，針對由單體電池到電池成組的裝配及測試，國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裝配生產(chǎn)線，也不能進(jìn)行全自動的檢測。國內(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)計開發(fā)多臺智能裝配和檢測專機(jī)，采用伺服定位、機(jī)器人裝配、數(shù)碼掃描、PLC控制等自動化技術(shù)。生產(chǎn)線裝配精度高，生產(chǎn)節(jié)拍短，是國內(nèi)首創(chuàng)的新能源汽車鋰電池模組及PACK自動化、智能化裝配生產(chǎn)線。

該應(yīng)用中涉及的智能測控技術(shù)和裝置，如機(jī)器人、自動小車、疊垛系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)、管理系統(tǒng)等，國內(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，能夠滿足實用自動化、智能化裝配生產(chǎn)線，并達(dá)到國際先進(jìn)水平。

分項對比情況如表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、檢測線、MES系統(tǒng)等組成。同時包括了電芯編組復(fù)檢入底板及短側(cè)板智能化裝配單元、自動化銅排擰緊單元、雙層模組自動入箱和電池包成品在線檢測等智能化生產(chǎn)單元。其中車間MES系統(tǒng)可對電池的組裝，實現(xiàn)全過程的質(zhì)量可追溯管理，能夠?qū)崟r的顯示產(chǎn)品在各個裝配過程中的產(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線智能制造實現(xiàn)了電池模組裝配、電池Pack裝配及電池Pack集成檢測功能，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全自動檢測線在內(nèi)的一整套設(shè)計與制造，實現(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)存儲與質(zhì)量追溯的智能化信息管理、電子看板生產(chǎn)實時信息與生產(chǎn)線運行狀態(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，采用自動讀碼器與RFID進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)存，運用運動控制系統(tǒng)實現(xiàn)總裝線自動碼垛與自動入箱功能，中控系統(tǒng)通過Schneider CiTect平臺開發(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，通過LABVIEW開發(fā)平臺研發(fā)整套電池Pack自動化檢測集成系統(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)場如下圖所示。

圖2 鋰電池現(xiàn)場應(yīng)用圖

圖3 鋰電池自動入箱應(yīng)用圖

五、社會及經(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；同時通過本套生產(chǎn)線的投產(chǎn)，能夠帶動了企業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，提高了企業(yè)的核心競爭力，也提高了企業(yè)本身的價值，提高了企業(yè)的國際競爭力，在國內(nèi)同行業(yè)中掌握了先機(jī)。

同時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，能夠為制造商帶來實在的經(jīng)濟(jì)效益，按國家的發(fā)展規(guī)劃至2025年，單純以動力電池生產(chǎn)為主線的專用裝配生產(chǎn)線就能拉動至少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，在動力鋰電池柔性自動化裝配與檢測生產(chǎn)線的研制的過程中，也能夠帶動企業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，提高了企業(yè)的核心競爭力，也提高了企業(yè)本身的價值，提高了企業(yè)的國際競爭力，使企業(yè)在國內(nèi)外同行業(yè)中掌握了先機(jī)。

根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計每增加1人就業(yè)，會帶動相關(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、生產(chǎn)制造和銷售服務(wù)4個方面，全產(chǎn)業(yè)鏈涉及諸多行業(yè)，往往帶動100多個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

發(fā)展新能源汽車是我國從汽車大國邁向汽車強(qiáng)國的必由之路，能源安全與生態(tài)環(huán)境是關(guān)乎國家未來可持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略問題，世界主要制造強(qiáng)國也都在國家層面加大節(jié)能與新能源汽車發(fā)展以搶占經(jīng)濟(jì)增長制高點。中國通過大力發(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)國乃至制造強(qiáng)國奠定基礎(chǔ)。

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