一種方形電芯模組自動化裝配線集成方案設計

劉綠軍，靳盼盼

（江蘇金壇綠能新能源科技有限公司，江蘇 常州 213200）

根據中國汽車工業協會對外發布的數據顯示，2018年，新能源汽車產銷分別完成127萬輛和125.6萬輛，比上年同期分別增長59.9%和61.7%。隨著新能源汽車產業化和運營商業化的蓬勃發展，動力電池裝機量也在快速攀升，2018年動力電池企業總裝機量達57.35GWh，同比增長57%，其中新能源乘用車動力電池裝機量達32.86GWh，同比增長137%，占總裝機量的57.3%，成為動力電池的主要需求增長點。當前，電池模組的技術路線選擇也已處于臨變的重要關口，方形電芯無論是在機械特性、能量密度、倍率性、循環壽命、熱管理、充放電特性等方面均優于圓形電芯，也因此成為新能源汽車增加續航里程和解決安全隱患的更優解，威馬汽車EX5、蔚來汽車ES8便使用了符合VDA（德國汽車工業聯合會）規格的方形電芯，穩定性和安全性均優于現在純電動車上主流使用的18650型圓形電芯。但方形電芯模組的生產一致性、制造成本和產線產能始終是制約該項技術得以廣泛推廣的瓶頸，傳統的生產方式已經遠遠不能滿足產能、成本和質量要求，因此，自動化、智能化、集成化的方型電芯模組裝配線需求迫在眉睫。

1 產線設計原則

1.1 對象及規格

威馬汽車EX5、蔚來汽車ES8所采用的電芯模組，采用的是德國汽車工業聯合會標準（VDA標準），針對不同車型，VDA一共定義了5種方形電芯的尺寸，詳見表1。

表1 VDA方形電芯尺寸

考慮到既要兼顧當前行業主流電芯和模組規格，又要根據行業標準考慮不同車型適用的電芯和模組的規格，并在可拓展尺寸上留有余量，因此，本次設計選擇適用的電芯規格詳見表2。

表2 電芯適用規格

模組尺寸見表3。

表3 模組適用規格

1.2 工藝先進性

本次設計以自動化、智能化、柔性化為目標，自動化裝備系統集成了當代最前沿的工業機器人控制系統、機器視覺定位系統、激光焊接控制系統、AGV物流輸送系統和智能檢測等多項高新技術，配合工廠MES系統實現自動化生產、質量追溯，實時掌控計劃、工藝、設備運行等信息情況，建立起規范的生產管理信息平臺，確保產品生產一致性，降低制造成本，充分體現了現代化的工業美感。

面對當前電芯、模組訂單批量小、規格多、標準模糊的問題，在產線設計時要確保適當的自動化程度和可升級空間。系統采用了模塊化設計，每個功能區域都根據工藝流程要求規劃設計成不同的模塊，各個模塊既能獨立運行，也能集中控制，并且每個模塊的接口一致，可根據產線工作量的大小和裝備項目內容進行擴展。單機化、模塊化設計，靈活、柔性強、美觀，方便后期工藝變更，焊接設備即可以在自動化產線上整體使用，也可以作為單機進行其它類型模組焊接。設備設有預留工位，后續可進行工藝增減、調整。

針對模組裝配過程中產生的各種異常情況，除主要功能單元采取主備設計外，還具有完備的應急響應能力及周全的異常處理機制，以保證系統異常時滿足生產的需要，系統具備自恢復能力、支持錯誤處理、故障隔離，使某個模塊由于意外情況而引起故障不會導致其他模塊停止工作，當故障模塊恢復后，其可以重新使用此模塊的功能。

2 生產工藝流程

整個自動化裝配線工藝流程如圖1，先將來料未包膜的電芯四個大表面包上絕緣膜，同時實現電芯由來料紙箱到標準托盤的流轉，通過AGV機器人自動運送到產線上料工位。機器人抓取電芯、端板、端絕緣片、隔熱片上料，掃描電芯二維碼，檢測電芯電壓內阻并進行替換補齊。電芯可根據配方要求進行翻轉，電芯、端絕緣片、端板進行等離子清洗和表面自動涂膠。機器人抓取涂膠后的電芯按串并聯關系堆疊電芯，使用高功率激光焊接機將模組側板與端板焊接牢固，焊后自動檢查側板焊縫質量。在模組表面固定位置打印條碼，將電芯與模組數據綁定，測試焊后模組絕緣耐壓性能，對極柱拍照定位后，激光振鏡系統對電極進行清洗。匯流排組件由人工預置好并人工安裝到模組上端，激光振鏡系統將匯流排組件與電芯極柱焊接，焊后自動檢查并吸塵，自動測試模組絕緣耐壓性能和模組各電芯直流內阻。人工安裝模組上蓋、LMU總成，并進行通訊測試，模組下線前采用視覺系統對模組高度和安裝孔距進行測量并判定，機器人自動抓取模組下線。

3 生產工藝設計

3.1 節拍設計

電芯包膜工位設置在線外，采用雙線對稱布局，機器節拍12ppm。電芯上料至側板激光焊接工位之間的各電芯工位采用步進式輸送線，每組4只電芯，電芯產能定義為18ppm。

當前主流新能源乘用車和物流車所采用的方案為12個電芯串聯的模組，如寶馬i3所使用的三星SDI方形電芯，共有8個模組組成，每個模組有12個電芯串聯，共計96個電芯串聯；蔚來ES8采用了寧德時代提供VDA-PHEV2方形鋁殼電芯,整個電池包是由32個模組，每個模組12個電芯,共384個電芯構成。我們按照12電芯模組方案，18PPM產能，節拍約為39秒/模組，每日按兩班倒，每班10個小時，每天20小時計算即日產能1850個模組，每月25天即月產能46250，年產能55.5萬個模組。

3.2 裝配線主要裝配工藝

（1）電芯包膜。電芯包膜工藝采用模塊化設計，分7個獨立模塊：上料單元、包藍膜單元、頂蓋底部折邊、貼頂蓋、絕緣片與絕緣測試、厚度測試單元、下料單元，實現對電芯進行包膜、絕緣檢測、外形尺寸檢測，并將數據上傳數據庫，用于后期追溯。由于是電芯上線裝配之前的預處理，因此，電芯包膜工位可以在線外設置。人工從紙箱取出未包膜電芯放入上料輸送線，通過翻轉進料、橫向、縱向移栽機構將電芯推至包膜機構的包膜位，包膜機將電芯四個大面全部包上絕緣膜，包膜完成后通過多工位移栽機構將電芯自動依次抓取至折邊定位機構和貼頂部絕緣片機構，完成電芯側邊、頂邊和底邊的折邊及電芯頂部絕緣片的貼片，該工位可預留貼底部絕緣片的功能。通過進料傳輸線的進料傳輸及定位氣缸動作，配合絕緣測試機構、尺寸測量機構完成檢測及數據上傳。包膜、測試合格的電芯進入出料拉帶，人工裝入標準托盤。整個包膜工序采用雙通道對稱布局，雙通道獨立工作，互不干擾，采用快速換型設計，通過簡單更換夾具即可實現兼容產品的快速換型。

圖1 工藝流程

（2）電芯上料。電芯包膜和裝配線之間采用AGV物料傳輸，電芯周轉料盒為4×40=160顆電芯，標準托盤，料車自動定位。上料可采用雙工位設計，一備一用，料盒上下料與電芯上料同時進行。經過機器視覺系統定位料盒中每組電芯的位置后，由六軸機器人夾爪每次從料盒中抓取4只電芯，放入輸送線旁的翻轉機構，由翻轉機構將電芯旋轉90°后放入電芯輸送線的定位治具中。

（3）電芯篩選（OCV/IR測試）。電芯輸送線將定位治具傳送到定位點，步進平移機構移動掃碼槍到各電芯二維碼位置，掃碼探針接觸電芯正負極進行OCV/IR測試，并將測試數據和電芯數據進行綁定上傳至MES系統，在聯機狀態下，由MES判斷是否合格，測試OCV和IR的標準使用MES中的數值，技術人員可以根據需要進行更改。NG電芯由機械手移至NG工位,機械手再從OK電芯預備工位抓取電芯補充，可根據工藝配方要求，選擇是否將電芯翻轉180°，補充電芯仍放置在原來位置。

（4）等離子清洗涂膠。上料機械手通過視覺定位系統精準的將電芯和端板放入輸送線的定位治具中，等離子火焰槍固定在XY伺服模組平移機構上，控制平移機構的移動軌跡，配合翻轉機構，對電芯和端板的正反面均進行等離子清洗，運動軌跡可根據工藝要求預先設定。出膠計量閥固定在XY伺服模組平移機構上，控制平移機構的移動軌跡，對電芯和端板的表面涂膠，運動軌跡可根據工藝要求預先設定。涂膠完成后，固定在平移機構上的2D彩色視覺系統對涂覆的膠水外形進行視覺檢測，對膠水的顏色、無膠、斷膠、膠線過寬、過窄、膠線的位置進行判定處理。

（5）電芯堆疊。六軸機器人從電芯后處理線抓取端板和電芯放入堆疊治具中，治具左右、上下規整電芯，堆疊完成，堆疊機構旋轉180°，堆疊完成的電芯模組至上料。

（6）側板激光焊接。側板絕緣片在輔助工位自動上料，靠近電芯一側進行等離子清洗和涂膠。涂膠完成后在待料位翻轉90°，六軸機器人抓取堆疊好的模組，先至極性檢測工位，測試OK后，再至側板待料位吸取處理好的側板，機器人抓取模組和側板與焊接工裝自動交互對接。焊接工裝自動裝夾、規整模組，使電芯極柱與工裝貼平，側板貼緊模組側邊，焊接機器人檢測側板與端板焊縫位置并測距。焊接機器人帶動激光器焊接四條焊縫，激光位移傳感器檢測焊接離焦量，CCD監控焊接過程中焊接質量，焊后焊接速度、焊接功率、焊接波形、離焦量、保護氣流量等參數上傳MES，滿足追溯要求。焊接完成后，六軸機器人從焊接工裝取出模組，移動至焊縫打磨工位，調整位置、角度，使四條焊縫分別對準拋光輪，打磨焊縫，并拍照確認焊縫是否合格。機器人將模組放入翻轉工位翻轉后，移至模組后組裝線，放入線上流轉的工裝板中。

（7）激光打碼。模組工裝板隨輸送線移動至定點位置，在模組側面打印條形碼、二維碼、文字標識等。

（8）絕緣耐壓測試。模組治具移動到絕緣耐壓測試工位，掃描模組條形碼，進行電芯極性判斷、相鄰兩個電芯正極間的絕緣阻抗、所有電芯正極與模組側板間絕緣阻抗、相鄰兩電芯正極間的耐壓測試、所有電芯正極與模組側板間耐壓測試，測試數據上傳MES。

（9）電芯極柱清洗。模組治具移動到極柱拍照位置，掃描模組條形碼，XY平臺帶相機拍模組MARK點，對每個極柱位置進行拍照記錄坐標。模組治具移動到極柱清洗位置，掃描模組條形碼，模組MARK點拍照找出極柱位置，極柱測距計算焦點后激光清洗極柱表面，記錄焦距、清洗參數上傳MES。

（10）匯流排組件安裝焊接。匯流排組件由人工預置好后配送到此工位，人工安裝到模組上端。模組治具移動到匯流排焊接工位，掃碼槍掃描模組二維碼，同時三維工作臺承載CCD抓取夾具上的Mark點，調取前拍照工位的數據，再進行測距，找出極柱位置，檢測匯流排焊接焦距。焊接工位伺服平臺帶動大功率振鏡焊接頭完成匯流排焊接，焊接參數上傳MES（焊接功率、焊接速度、離焦量、保護氣流量等），機器人帶動吸塵罩，貼近極柱作吸塵處理。模組治具移動到極柱拍照位置，掃描模組條形碼，XY平臺帶相機拍模組極柱焊縫，判斷焊縫外形是否合格。

（11）絕緣耐壓測試。模組治具移動到絕緣耐壓測試工位，掃描模組條形碼，探針接觸模組正負極和側板進行絕緣耐壓測試，測試數據上傳MES。

（12）直流內阻測試。模組治具移動到直流內阻測試工位，掃描模組條形碼，測試針床接觸模組電芯極柱，銅排連接模組正負極進行直流內阻測試，測試數據上傳MES。

（13）上蓋安裝測試檢查。人工安裝模組上蓋，LMU總成，并進行通訊測試和外觀檢查，人工打印標簽并粘貼。

（14）模組下線。模組治具移動到模組下線工位，掃描模組條形碼，六軸機器人抓取模組放置到檢測平臺，模組治具回流。采用視覺系統對模組高度和安裝孔距進行測量和判定，機器人抓取模組放置到緩存棧板。

3.3 AGV輸送系統

AGV配送系統用于物料的配送及電池模組的下線，配送的物料包括電芯、端板、側板等物料。送料采用潛伏舉升式AGV+料車，通用組合選型規格為：電芯+料車重量≤800kg；端板、側板物料+料車重量≤100kg；電池模組、緩存區物料+料車重量≤800kg。

AGV物料配送系統由中央調度系統、AGV、充電系統構成。系統采用智能調度型AGV，正常在原材料拆包區或物料暫存區待命，等待呼叫信號，MES系統根據電芯、側板等原材料的使用情況給中央調度系統下達需求信號，中央調度系統把需求信息傳遞給在待命點的AGV，AGV自動運行至呼叫站點執行裝載任務，根據所運物料的種類將滿料架運送至指定位置，將空料架運回模組下線區，依次循環。

3.4 控制系統設計

（1）控制系統軟硬件設計。本項目控制系統采用分布式控制，集中信息采集，通過分布式IO將現場的信號和CPU連接起來，再通過總線將遠程的信息集中采集。總線系統采用基于工業以太網的西門子PROFINET現場總線，把主站PLC、分布式IO、HMI等連接在一起組成現場樹狀控制結構的PLC控制系統。使得現場布線和接線的工作強度大大降低，傳輸實時性大大提高，故障診斷能力更加靈活，網絡擴展更加方便。

裝配線控制系統主要包括數據采集上位計算機服務器、PLC控制系統、AGV小車。PLC控制系統是以S7-1500系列PLC作為主站，ET200SP分布式IO等作為從站，現場傳感器及執行機構作為底層，觸摸顯示屏作為人機交互。

（2）控制系統功能說明。主控PLC選用西門子1500系列CPU1511-1PN，人機界面為西門子彩色12”觸摸屏。信號采集采用西門子ET200SP分布式IO模塊。項目由3套PLC系統控制，每條組裝線各一套PLC，測試區和緩存區一套PLC。系統之間通過Profinet實時通信，測試區配有監控系統，可以監控測試數據、狀態、安全信息等，并可以本地存儲及上傳至車間MES系統。

各手動工位配置的觸摸顯示屏上集成操作按鈕，操作信息可以通過觸摸顯示屏直接傳遞給AGV調度系統和PLC系統，由AGV調度系統給工位分配小車，系統之間采用TCP/IP協議。對于自動工位，執行動作由機器人執行，動作完成后機器人傳達至PLC，PLC再通過MES系統傳達AGV調度系統，實現工位無人化。自動工位設置急停按鈕及安全光柵保護系統安全。

人機界面采用西門子彩色HMI和觸摸一體機顯示屏，通過面板可以實現：查看設備運行狀態，如工位運行狀態、AGV運行狀態、測試結果等；故障診斷，設備出現故障時，觸摸屏會顯示相應的故障信息及處理方法。工藝參數設定，工藝參數設定會根據安全級別設定密碼。設備工藝信息顯示、總節拍、循環時間、工件計數等。

3.5 MES系統集成

通過MES子系統的建設，強化生產過程管理和控制，與工廠MES系統進行協同工作，建立起規范的生產管理信息平臺，使企業內部現場控制層與管理層之間的信息互聯互通，提高工廠異常反應速度。實現產線智能化、無紙化，打造智能化生產車間，提升企業智能制造信息化水平。

MES子系統主要配合工廠MES實現整體的功能需求，功能主要包括：數據管理（包括數據采集、數據上傳、數據追溯）、計劃管理、人員管理、配方管理、設備管理、生產管理以及看板管理等功能。

（1）數據管理。數據管理功能包含數據采集、數據上傳、數據追溯及數據報表。數據采集是將各工位生產數據與來料信息一起存入數據庫，用于報表統計、質量追溯等，與工廠MES系統進行協同工作。數據采集實現將產線生成的模組相關信息包括模組型號、模組流水號、裝配線托盤編號等存入數據庫中。報表統計生產數據進行組合查詢和統計，生成生產、質量和設備報表，其中生產報表分為生產數據列表、設備數據列表、模組以及設備的echarts圖。

（2）人員管理。人員管理功能主要用于建立用戶并為用戶分配相應權限。系統中預設三級權限，可以在操作界面中進行用戶及相應權限的編輯。

（3）計劃管理。計劃管理功能主要用于接收工廠MES發送的計劃信息并與相應的采集數據進行綁定并上傳到工廠MES服務器。主要功能包括班組生產的啟動與停止、計劃的下發與結束以及計劃的清除。生產計劃主界面分為三部分：生產啟動設置、未啟動計劃數據、已啟動計劃數據。

生產計劃新增：根據主工單編號與計劃編號到數據庫中查詢屬于該工單編號的相關數據， 插入計劃表中，并在未啟動計劃區域中顯示出來。

生產計劃下發：生產計劃下發包括兩部分，一是同步模組信息，二是下發生產計劃。點擊同步按鈕時，若輸入的模組批次代碼與等級代碼不存在，系統會做出提示。若同步成功，會將信息記錄到數據庫表中。模組數據成功同步后，方可對計劃進行下發。模組信息的具體型號與數量根據成品型號的不同而變化。

（4）設備管理。設備管理主要用于控制整線設備的啟停，并記錄及顯示各設備的運行情況、報警信息及保養維護信息等。

（5）看板管理。看板管理功能管理產線上所有的LED看板，運用WEBSOCKET技術集成看板與服務器，實現數據的實時推送顯示。

（6）交互管理。交互管理主要管理與工廠MES之間的交互方式的管理，目前支持的接口形式有數據庫、WebService、WebAPI等主流的接口形式，也可根據客戶具體需求開發對應接口（可定制）。

（7）配方管理。配方管理功能用于對整線各工位的配方進行編輯存儲并根據產品型號方便切換整線生產配方。