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來(lái)源：Digi-Key 作者：Jeff Shepard 電池組是純電動(dòng)汽車(chē) (EV) 的一個(gè)關(guān)鍵子組件，也是組裝最復雜的組件之一。組裝前首先要測試每個(gè)電池單元。接下來(lái)，通常用協(xié)作機器人來(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(xiàn)、冷卻組件、電池管理和其他子系統。最后，需要一個(gè)自動(dòng)視覺(jué)檢查系統，以確�？偝芍械乃性颊_地組合在一起。 本文回顧了電動(dòng)汽車(chē)電池組和一些相關(guān)子組件的復雜性，包括需要大量電池單元模塊、高電氣效率的輕型母線(xiàn)與線(xiàn)束互連，以及主動(dòng)冷卻系統。然后介紹了來(lái)自 Digi-Key 的代表性產(chǎn)品，包括 National Instruments 的數據采集設備（作為電池單元測試系統的一部分使用）、Omron Automation 的協(xié)作機器人（用于電池組組裝）以及來(lái)自 Banner Engineering 的智能相機模塊與嵌入式軟件（用作自動(dòng)檢測平臺）。 電動(dòng)汽車(chē)電池組構件 不同的制造商對于電動(dòng)汽車(chē)電池組的設計各不相同，有時(shí)在同一制造商的不同型號的電動(dòng)汽車(chē)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(chē)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(chē)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）。模塊和電池組的結構正在演變，以便為電動(dòng)汽車(chē)驅動(dòng)系統提供更高的電壓。雖然 400 VDC 一直是標準，但高至 900 VDC 的電壓更經(jīng)常出現。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(chē)司機的續航焦慮，但使電池組的組裝更具挑戰性（和潛在的危險）。 
圖 1：電池模塊是電動(dòng)汽車(chē)電池組的基本構件。（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(xiàn)上，形成完整的電池組。模塊與電池組的結構往往是電動(dòng)汽車(chē)設計之間的一個(gè)區別因素。在所有情況下，電池系統都需要熱管理，主要是冷卻，但偶爾也會(huì )在環(huán)境溫度過(guò)低時(shí)加熱，使電池有效運行。對于小型電池組來(lái)說(shuō)，熱管理系統可能是被動(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 (BMS) 監測單個(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)電池單元上設置傳感器。BMS 與電動(dòng)汽車(chē)的中央計算機系統進(jìn)行通信。 保險絲有時(shí)用于模塊層面，但整個(gè)電池組總是有過(guò)流保護。通常使用一個(gè)大的高壓接觸器和其他組件來(lái)給電機驅動(dòng)電路預充電，以防止電動(dòng)汽車(chē)首次開(kāi)啟時(shí)出現潛在的破壞性高浪涌電流。服務(wù)斷開(kāi)互鎖裝置隔離了電池組中的高電壓，為在電動(dòng)汽車(chē)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(guò)程需要用到數以百計的螺釘、螺母和螺栓、連接器和其他機械零件。 搭建電池組 測試單個(gè)電池單元是關(guān)鍵的第一步。這通常是專(zhuān)業(yè)的超級工廠(chǎng)進(jìn)行電池單元生產(chǎn)過(guò)程的最后一步。但是，當電池到達電動(dòng)汽車(chē)生產(chǎn)廠(chǎng)時(shí)，通常也會(huì )進(jìn)行隨機的質(zhì)量保證測試，以監控入庫的各批電池的質(zhì)量水平。沒(méi)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(chē)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)，在某些型號中還提供熱管理。精度是必須的，而且隨著(zhù)電池組組件的搭建，它會(huì )逐漸變重，直到數百磅重。 因精度要求和處理重物的需要，電池組組裝通常使用協(xié)作機器人或工業(yè)機器人進(jìn)行。協(xié)作機器人可以處理重物，并迅速而準確地組裝完成封裝所需的數百個(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)測試，包括對復雜的電池組進(jìn)行視覺(jué)檢查。
圖 2：這個(gè)日產(chǎn)聆風(fēng)電池組包括 48 個(gè)電池模塊和數百個(gè)其他組件。（圖片來(lái)源：National Instruments 的 NHR 部門(mén)） 電池測試和數據采集 設計電池測試系統的制造工程師可以轉而使用 National Instruments 的 779640-01 數據采集 (DAQ) 設備。這個(gè)全速 USB 2.0 DAQ 包括 8 個(gè)用于隔離式數字輸入的 ±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 位計數器（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 還包括數字濾波、變化檢測、可編程上電輸出和看門(mén)狗定時(shí)器。
圖 3：779640-01 DAQ 包括八個(gè)隔離式數字輸入（右側）和八個(gè)隔離式 SSR 輸出（左側）。（圖片來(lái)源：Digi-Key） 779640-01 DAQ 可以監測特定輸入線(xiàn)路或所有輸入線(xiàn)路上的變化，包括上升沿、下降沿，或同時(shí)監測。當識別到一個(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(xiàn)路。該軟件可用于讀取線(xiàn)路并確定變化通知的來(lái)源。數字濾波可以將噪音和電磁干擾 (EMI) 的影響降到最低。 數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(kāi)的速度慢，傳遞下降沿的速度要比上升沿慢。數字濾波器可以幫助消除因噪聲或 EMI 引起的變化。設計人員可以用編程好的濾波間隔來(lái)配置濾波通道。短于所設定濾波間隔一半的脈沖將被阻斷。長(cháng)于濾波間隔的脈沖通過(guò)。中間的脈沖可能通過(guò)也可能不通過(guò)濾波器。 獲得重負荷和重復性工作的幫助 一旦電池單元通過(guò)測試，協(xié)作機器人就可以加快電池模塊和電池組的組裝過(guò)程。裝配涉及多個(gè)過(guò)程，像 Omron Automation 的 RT6-1001321 這樣的協(xié)作機器人具有很強的適應性（圖 4）。RT6-1001321 有一個(gè)集成的現場(chǎng)總線(xiàn)適配器，便于集成到工廠(chǎng)自動(dòng)化系統中。協(xié)作機器人的操作精度很高，可以協(xié)助擰螺絲、打膠、涂抹導熱膏、配接連接器，以及組裝電動(dòng)汽車(chē)電池組所需的眾多其他活動(dòng)。讓協(xié)作機器人非常適合用于電動(dòng)汽車(chē)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)作機器人的訓練。 · 集成的視覺(jué)系統可協(xié)助檢查和測量結果，并協(xié)助裝配活動(dòng)。 · 模塊化的末端效應器可以快速更換，能夠讓單個(gè)協(xié)作機器人執行一系列的組裝過(guò)程。 · 協(xié)作機器人可以與物流和其他移動(dòng)機器人交互操作，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)作機器人具有很強的適應性，可以快速、高精度地完成重復性任務(wù)。（圖片來(lái)源：Omron Automation） 能夠靈活和快速地學(xué)習新的程序，能夠避免長(cháng)時(shí)間停機和低效生產(chǎn)，是協(xié)作機器人的關(guān)鍵屬性。使用圖形用戶(hù)界面或簡(jiǎn)單地將協(xié)作機器人手臂從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置，可以在幾分鐘內教授一項新活動(dòng)。協(xié)作機器人擅長(cháng)于電動(dòng)汽車(chē)電池組裝配中常見(jiàn)的重復性工作，并能精確處理重物。最后，協(xié)作機器人可以加入機器視覺(jué)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，并檢查結果。 驗證結果 使用 Banner Engineering 的VE205G1A 智能相機可以對電池組是否正確組裝進(jìn)行自動(dòng)視覺(jué)驗證（圖 5）。該集成軟件旨在執行高級視覺(jué)檢查功能。VE205G1A 隨附了 Banner 的視覺(jué)管理軟件，其中提供了一些工具，如物品檢測、定位和特征測量和流量分析，以及條形碼讀取，以加快視覺(jué)應用的開(kāi)發(fā)。運行時(shí)編輯支持實(shí)時(shí)更改檢查程序，減少停機時(shí)間并加快結果輸出。VE205G1A 智能相機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(chǎng)自動(dòng)化系統中。 · 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，提供相機狀態(tài)，并能快速轉換到新的活動(dòng)。 · 可選的密封鏡頭蓋為惡劣工業(yè)環(huán)境提供 IP67 防護等級。 · 典型用途包括： · 零件存在與否測試，包括清點(diǎn)物品數量和核實(shí)標簽。 · 驗證零件的方向，并將零件的位置和方向發(fā)送給拾放機器人或協(xié)作機器人。 · 瑕疵檢測，包括識別物品上瑕疵的位置和大小。 · 測量物品的關(guān)鍵尺寸或裝配中物品的相對位置。
圖 5：像 VE205G1A 這樣的智能相機提供了對電動(dòng)汽車(chē)電池組組件進(jìn)行快速視覺(jué)檢測所需的所有功能。（圖片來(lái)源：Banner Engineering） 結語(yǔ) 電動(dòng)汽車(chē)電池組是復雜而關(guān)鍵的子系統。電動(dòng)汽車(chē)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(guò)程從驗證電池單元是否符合要求的規格開(kāi)始，然后依靠機器人和協(xié)作機器人的自動(dòng)精密裝配，最后使用智能自動(dòng)相機進(jìn)行最后的視覺(jué)檢查。 |
