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來源：Digi-Key 作者：Jeff Shepard 電池組是純電動汽車 (EV) 的一個關鍵子組件，也是組裝最復雜的組件之一。組裝前首先要測試每個電池單元。接下來，通常用協作機器人來組裝電池模塊，然后將模塊集成到完整的電池組中，包括母線、冷卻組件、電池管理和其他子系統。最后，需要一個自動視覺檢查系統，以確保總成中的所有元件都正確地組合在一起。 本文回顧了電動汽車電池組和一些相關子組件的復雜性，包括需要大量電池單元模塊、高電氣效率的輕型母線與線束互連，以及主動冷卻系統。然后介紹了來自 Digi-Key 的代表性產品，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 的協作機器人（用于電池組組裝）以及來自 Banner Engineering 的智能相機模塊與嵌入式軟件（用作自動檢測平臺）。 電動汽車電池組構件 不同的制造商對于電動汽車電池組的設計各不相同，有時在同一制造商的不同型號的電動汽車之間也會有所不同，因此裝配靈活性是一個重要的考慮因素。所有電動汽車電池組的一個共同點是，它們可以使用成千上萬的組件。 電動汽車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，以便為電動汽車驅動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汽車司機的續航焦慮，但使電池組的組裝更具挑戰性（和潛在的危險）。 
圖 1：電池模塊是電動汽車電池組的基本構件。（圖片來源：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上，形成完整的電池組。模塊與電池組的結構往往是電動汽車設計之間的一個區別因素。在所有情況下，電池系統都需要熱管理，主要是冷卻，但偶爾也會在環境溫度過低時加熱，使電池有效運行。對于小型電池組來說，熱管理系統可能是被動的，但大型電池組需要用相變裝置和泵進行主動熱管理，以循環液體冷卻單個電池。 電池管理系統 (BMS) 監測單個電池單元的健康和充電狀態。BMS 包括一系列的電壓、電流、溫度和其他傳感器，通常是在每個電池單元上設置傳感器。BMS 與電動汽車的中央計算機系統進行通信。 保險絲有時用于模塊層面，但整個電池組總是有過流保護。通常使用一個大的高壓接觸器和其他組件來給電機驅動電路預充電，以防止電動汽車首次開啟時出現潛在的破壞性高浪涌電流。服務斷開互鎖裝置隔離了電池組中的高電壓，為在電動汽車上工作的服務技術人員提供了一個安全環境。整個裝配過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 測試單個電池單元是關鍵的第一步。這通常是專業的超級工廠進行電池單元生產過程的最后一步。但是，當電池到達電動汽車生產廠時，通常也會進行隨機的質量保證測試，以監控入庫的各批電池的質量水平。沒有高質量的電池單元，就無法生產高質量的可靠電動汽車電池組。 接下來，這些單元會被組裝成模塊。模塊通常由大約 12 至 20 個電池單元組成。這些模塊被堆放在一個金屬框架中，提供互連，防止沖擊和振動，在某些型號中還提供熱管理。精度是必須的，而且隨著電池組組件的搭建，它會逐漸變重，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作機器人或工業機器人進行。協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螺釘、連接器和其他部件。例如，日產聆風的電池組包括 48 個模塊（圖 2）。電池組組裝的最后一步是自動測試，包括對復雜的電池組進行視覺檢查。
圖 2：這個日產聆風電池組包括 48 個電池模塊和數百個其他組件。（圖片來源：National Instruments 的 NHR 部門） 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。這個全速 USB 2.0 DAQ 包括 8 個用于隔離式數字輸入的 ±60 伏直流 (VDC) 通道，8 個用于隔離式固態繼電器 (SSR) 輸出的 60 VDC、30 伏均方根 (VRMS) 通道，以及一個 32 位計數器（圖 3）。八個隔離輸入包括一個光耦合器、一個肖特基二極管和一個基于耗盡模式 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狗定時器。
圖 3：779640-01 DAQ 包括八個隔離式數字輸入（右側）和八個隔離式 SSR 輸出（左側）。（圖片來源：Digi-Key） 779640-01 DAQ 可以監測特定輸入線路或所有輸入線路上的變化，包括上升沿、下降沿，或同時監測。當識別到一個變化時，會產生一個中斷。中斷并未指示發生變化的輸入線路。該軟件可用于讀取線路并確定變化通知的來源。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。光耦合器關閉的速度比打開的速度慢，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。長于濾波間隔的脈沖通過。中間的脈沖可能通過也可能不通過濾波器。 獲得重負荷和重復性工作的幫助 一旦電池單元通過測試，協作機器人就可以加快電池模塊和電池組的組裝過程。裝配涉及多個過程，像 Omron Automation 的 RT6-1001321 這樣的協作機器人具有很強的適應性（圖 4）。RT6-1001321 有一個集成的現場總線適配器，便于集成到工廠自動化系統中。協作機器人的操作精度很高，可以協助擰螺絲、打膠、涂抹導熱膏、配接連接器，以及組裝電動汽車電池組所需的眾多其他活動。讓協作機器人非常適合用于電動汽車電池組組裝的一些能力包括： · 圖形化的編程環境，可加快協作機器人的訓練。 · 集成的視覺系統可協助檢查和測量結果，并協助裝配活動。 · 模塊化的末端效應器可以快速更換，能夠讓單個協作機器人執行一系列的組裝過程。 · 協作機器人可以與物流和其他移動機器人交互操作，形成一個完整的電池組制造單元。
圖 4：像 RT6-1001321 這樣的協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。（圖片來源：Omron Automation） 能夠靈活和快速地學習新的程序，能夠避免長時間停機和低效生產，是協作機器人的關鍵屬性。使用圖形用戶界面或簡單地將協作機器人手臂從一個位置移動到另一個位置，可以在幾分鐘內教授一項新活動。協作機器人擅長于電動汽車電池組裝配中常見的重復性工作，并能精確處理重物。最后，協作機器人可以加入機器視覺和人工智能 (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行自動視覺驗證（圖 5）。該集成軟件旨在執行高級視覺檢查功能。VE205G1A 隨附了 Banner 的視覺管理軟件，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，以加快視覺應用的開發。運行時編輯支持實時更改檢查程序，減少停機時間并加快結果輸出。VE205G1A 智能相機的一些功能包括如下： · EtherNet/IP、Modbus/TCP、PROFINET 和 RS-232 連接，便于集成到工廠自動化系統中。 · 六個光隔離輸入/輸出 (I/O) 和一個外部燈連接器 · 雙列八字符顯示器，提供相機狀態，并能快速轉換到新的活動。 · 可選的密封鏡頭蓋為惡劣工業環境提供 IP67 防護等級。 · 典型用途包括： · 零件存在與否測試，包括清點物品數量和核實標簽。 · 驗證零件的方向，并將零件的位置和方向發送給拾放機器人或協作機器人。 · 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汽車電池組組件進行快速視覺檢測所需的所有功能。（圖片來源：Banner Engineering） 結語 電動汽車電池組是復雜而關鍵的子系統。電動汽車的性能、可靠性和成本與電池組的有效和快速組裝能力密切相關。裝配過程從驗證電池單元是否符合要求的規格開始，然后依靠機器人和協作機器人的自動精密裝配，最后使用智能自動相機進行最后的視覺檢查。 |
