新能源汽車動力電池模組智能制造裝配技術研究

陳凌宇，劉 敏，錢洲亥，孫 桐

（國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310000）

0 引言

電池模組為新興的新能源汽車動力供應元件，目前已經得到了廣泛的推廣與認可。在實際應用過程中，動力電池模組涉及電子電氣、光、機、控、電、傳感檢測等多個單元技術。就現有統計現狀來看，電池模組成本將占到新能源汽車制造成本的70%左右，在未來該行業的競爭力水平，極有可能取決于電池模組的穩定續航能力。作為新能源汽車的唯一能量儲存裝置，電池模組的性能水平將直接決定汽車的經濟性、動力性與安全性，甚至對于整個汽車的推廣與普及都會起到極為重要的影響作用[1]。大多數新能源汽車動力電池模組制造都以鋁塑制品作為主要封裝材料，與傳統圓柱電池與方形電池相比，電池模組結構的散熱性能相對較弱，這不但會對其實際放電容量造成影響，也不利于延長了電池模組的使用時間，甚至可能會使新能源汽車無法接收到穩定的動力供應。為避免上述情況的發生，針對新能源汽車動力電池模組的智能制造與裝配技術展開研究。

1 新能源汽車動力電池模組的制造

1.1 動力電池模組的組成

新能源汽車動力電池模組主要由電芯、連接器、外殼、鑰匙開關、BMS等多個結構共同組成，其具體制造特點如下：

1）鋰離子電池：作為新能源汽車動力電池模組的核心供能元件，鋰離子電池具備雙向轉換的能力，在完成放電行為時，可將化學能轉化為電能；而在完成充電行為時，則可將電能轉化為化學能。

2）連接器：作為電池模組的輸出接口，可實現電量輸出端與汽車動力端之間的匹配連接。

3）外殼及鑰匙開關：外殼存在于電池模組外部，可對內部的鋰離子電池提供保護作用。鑰匙開關負責控制鋰離子電池的連接與閉合狀態，是新能源汽車動力電池模組的關鍵組成部件。

4）BMS：起到一定的隔離與減震作用，能夠避免動力電池模組在汽車行進過程中出現晃動狀態。

5）鎳帶導線：在動力電池模組保持連續輸出狀態時，可通過電流的形式，建立相關動力供應元件之間的串、并聯連接關系。

1.2 總體結構布局

對于新能源汽車而言，其動力電池模組的結構布局就是對PC片、BC片所處位置的按需規劃，具體連接形式如圖1所示。在每一個側板結構上端都存在一個獨立的PC片結構，可在準確記錄電池模組放電容量水平的同時，計算當前情況下，與新能源汽車動力供應行為匹配的電力傳輸量數值，從而避免不合理電量供應行為的出現，實現對電池模組穩定工作形式的合理保護[2]。除了左、右兩個邊緣側板外，每一個中間側板結構下端都存在一個與PC片對應的BC片結構，負責規劃新能源汽車的未來行進路徑，并可根據電池模組動力行為的表現形式，更改傳輸電量的不合理供應部分，從而使得動力電池模組呈現出一個更加穩定的電量供應狀態。

圖1 動力電池模組的總體結構布局形式

墊板結構存在于動力電池模組左端側板下部，可與右端側板下部的連接銅排相對應，后者負責在電量供應不足的情況下，激發電池模組的剩余動力價值，前者則可在電子供應過量的情況下，將剩余電量導出動力電池模組，從而實現對新能源汽車穩定行進狀態的有效維護。

1.3 技術要求

新能源汽車動力電池模組制造的技術要求，主要由鋰離子電芯選型、電信號輸出量統計兩部分組成。

鋰離子電芯的選型必須遵循尺寸公差及直線度準則，對于動力電池模組而言，為使其具有穩定的電量供應能力，每一個鋰離子電芯的條碼來料質量都要保持在B等級之上。在電池模組保持連續放電行為的情況下，所選鋰離子電芯的電流輸出水平不得低于模組內傳輸電流的均值水平。具體計算表達式如下：

式中，Is、Ie表示兩個不同的鋰電流輸出量，s、e表示兩個不同的電流定標系數，在實際應用過程中，Is>、Ie>的不等式條件同時成立（表示動力電池模組內的傳輸電流均值）。β表示鋰離子電導系數，表示電導量均值，q表示鋰離子電芯的尺寸公差值，δ表示直線度參量。

電信號輸出量描述了動力電池模組所具備的電信號輸出能力，以新能源汽車為例，則可認為電信號輸出量越大，汽車的實際行進速度也就越快。設umax表示電池模組輸出電壓的最大數值，κ表示電信號制備系數，f表示輸出電壓判別條件，ΔT表示動力電池模組輸出電信號的單位制備時長。聯立上述物理量，可將電信號輸出量表達式定義為：

根據新能源汽車動力電池模組的技術性制造要求，可對電流、電壓等電量信號的傳輸行為進行約束，一方面能夠最大化延長電池模組的使用時間，另一方面也可使汽車動力供應環境呈現相對穩定的存在狀態。

2 新能源汽車動力電池模組的裝配

2.1 裝配序列規劃

動力電池模組的裝配序列是以全局敏感矩陣為基礎的數據信息集合，囊括了所有與新能源汽車動力供應行為相關的指標參量。在新能源汽車動力電池模組的裝配過程中，全局敏感矩陣采用偏差模擬方法，表述零件層偏差量與裝配層偏差量之間的線性影響關系，具體表達式如下：

其中，a表示零件層偏差系數，b表示裝配層偏差系數。

若以新能源汽車動力電池模組作為研究對象，在全局敏感矩陣的基礎上，對各指標參量之間的實際配合關系及與之對應的裝配元件進行操作，則可以準確掌握所有模組結構的裝配順序，也就能夠將裝配序列問題轉化為動力電池模組的排序問題[3]。規定ε表示一個隨機選取的動力電池模組裝配系數，且指標ε的取值結果始終屬于集合。設表示新能源汽車的動力行為供應條件，聯立式(1)、式(2)，可將新能源汽車動力電池模組的裝配序列規劃結果表示為：

上式中，k表示既定的電池模組序列標號。為使新能源汽車動力電池模組的裝配形式更符合電量信號的實際供應需求，電池模組序列標號k的取值結果既不能等于其初始值1，也不能等于其最大值n。

2.2 裝配工位劃分

裝配工位是指新能源汽車動力電池模組的實時裝配位置，在已知序列規劃條件的基礎上，可認為相鄰工位之間的物理距離越近，電池模組所能提供的動力支持作用強度也就越大；反之，若相鄰工位之間的物理距離越遠，電池模組所能提供的動力支持作用強度也就越小[4]。假設兩個相鄰電池模組工位的定義坐標分別為l1、l2，在動力供應系數最大值為μmax、最小值為μmin的情況下，聯立式(4)，可將相鄰電池模組之間的物理距離極值表達式定義為：

式中，dmax表示相鄰電池模組之間的物理距離最大值，dmin表示相鄰電池模組之間的物理距離最小值。規定m表示動力電池模組工位的初始劃分權限，表示既定時刻動力電池模組中的電信號感應特征值，聯立式(4)、式(5)，可將新能源汽車動力電池模組的裝配工位劃分標準定義為：

根據裝配工位劃分原則，可以掌握電池模組在新能源汽車動力體系內的基本分布情況，這也是智能化制造裝配技術的實施有效性能夠得到有效保障的主要原因。

2.3 裝配時間估算

裝配時間是指由完成動力電池模組智能制造到實現元件準確裝配的完整時間周期，由于設備結構所處的裝配工位不同，所以不同情況下的裝配時間長度也有所不同[5]。設k1、k2表示兩個與新能源汽車電池模組相關的動力參量供應指標，且k1≠k2的不等式條件恒成立。表示動力電池模組中的電信號輸出均值，φ表示特定模組區間內的電池裝配系數，j表示該區間內的電池元件裝配特征。在上述物理量的支持下，聯立式(6)，可將新能源汽車動力電池模組的裝配時間估算表達式定義為：

一般來說，新能源汽車動力電池模組裝配時間的取值結果不得大于動力電池模組輸出電信號的單位制備時長。

3 實例分析

電池元件的放電容量能夠反映新能源汽車動力電池模組的實際使用時間，通常情況下，電池元件放電容量數值的穩定性越強，電池模組的使用時間也就越長，此時電池模組對于新能源汽車動力供應條件的保障能力也就越強。

對于新能源汽車動力電池模組而言，其放電容量計算表達式如下：

其中，R表示動力電池模組的內阻數值，IR表示恒定的放電電流，tR表示動力電池模組的具體放電時長。

選取如圖2所示的新能源汽車模型作為實驗對象，分別將按照智能制造裝配技術生產的動力電池模組、普通動力電池模組安裝于實驗汽車模型之上，其中前者作為實驗組、后者作為對照組。

圖2 新能源汽車實驗模型

分別以500Ω、1000Ω作為動力電池模組的內阻取值結果，可知本次實驗的具體流程如下：

步驟一：將實驗組、對照組電池模組（內阻數值為500Ω）安裝于汽車模型之上，閉合所有感應開關，令新能源汽車保持一段時間的穩定行進狀態；

步驟二：再次將實驗組、照組電池模組（內阻數值為1000Ω）安裝于實驗汽車模型之上，閉合所有感應開關，令新能源汽車保持一段時間的穩定行進狀態；

步驟三：保持實驗組、對照組汽車行進時間處于等長狀態；

步驟四：記錄在汽車行進過程中，實驗組、對照組電池模組放電容量數值的具體變化情況。

下圖反映了內阻取值等于500Ω時實驗組、對照組電池模組放電容量的數值變化情況。

分析圖3可知，當電池模組內阻等于500Ω時，在整個實驗過程中，實驗組放電容量始終保持相對穩定的數值變化狀態，全局最大值5.3MA、全局最小值4.3MA之間的物理差值僅為1.2MA。在前20min的實驗時間內，對照組電池模組放電容量始終保持不斷波動的數值變化狀態，當時間取值為10min時，其最大值達到了7.2MA；在20～50min的實驗時間內，對照組電池模組放電容量呈現連續下降的數值變化趨勢，直至實驗結果，其最小取值結果達到了2.4MA，與其最大值相比，差值為4.8MA，高于實驗組差值結果。

圖3 電池模組放電容量（500Ω內阻）

圖4反映了內阻取值等于1000Ω時實驗組、對照組電池模組放電容量的數值變化情況。

圖4 電池模組放電容量（1000Ω內阻）

分析圖4可知，當電池模組內阻等于1000Ω時，實驗組放電容量曲線依然呈現相對穩定的變化狀態，當時間取值為45min時，實驗組電池模組放電容量最大值達到了7.3MA，與其全局最小值6.7MA相比，二者之間的物理差數值等于0.6MA。對照組電池模組放電容量在整個實驗過程中始終保持連續波動的數值變化狀態，當時間取值為20min時，其最大值達到了8.6MA，當時間取值為45min時，其最小值低至4.1MA，二者之間的物理數值差為4.5 MA，遠高于實驗組差值水平。

綜上可知本次實驗結論如下：

1）對于新能源汽車而言，電池模組的內阻數值越大，其放電容量的均值水平越高；

2）與普通動力電池模組相比，應用智能制造裝配技術加工出來的電池模組能夠最大化保障元件自身的放電容量，使其在不同內阻條件下，均保持相對穩定的放電能力，這不但有利于延長電池模組的使用時間，也可以對新能源汽車進行有效的動力供應。

4 結語

智能制造裝配技術在保障動力電池模組內部組成結構穩定性的同時，實施了準確的工位劃分處理，并針對裝配時間進行估算，不但能夠使模組元件在放電過程中保持絕對穩定的容量狀態，也可以充分延長物理電池的使用時間，這對于維持新能源汽車的動力供應確實起到了促進性影響作用。