動(dòng)力鋰電池組集成檢測(cè)系統(tǒng)的研究與實(shí)施

（北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，汽車已經(jīng)成為人們出行的重要交通工具，而傳統(tǒng)的汽車動(dòng)力能源具有不可再生且污染問(wèn)題嚴(yán)重等缺點(diǎn)，因此純電動(dòng)及混合動(dòng)力汽車的發(fā)展將成為一種趨勢(shì)。電池組作為電力的重要儲(chǔ)能設(shè)備，其性能的好壞直接影響整車的動(dòng)力性能[1]。串聯(lián)電池組是由單體電芯串聯(lián)組成的，由于串聯(lián)電池組存在“木桶效應(yīng)”，電池組的整體性能取決于電池組中性能最差的單體電芯，因此在電池編組過(guò)程中，對(duì)單體電池的內(nèi)阻、電壓進(jìn)行精確的采集并進(jìn)行篩選是電池組生產(chǎn)中十分重要的環(huán)節(jié)[2]。通過(guò)篩選可以大大降低單體電芯的差異性，提高電池組的壽命和使用性能。

目前隨著自動(dòng)化程度的提高，產(chǎn)品的生產(chǎn)效率大幅提高，如果在電池組生產(chǎn)過(guò)程中，繼續(xù)采用人工記錄單體電芯內(nèi)阻、電壓等生產(chǎn)數(shù)據(jù)的方法，將會(huì)很大程度的降低生產(chǎn)效率，產(chǎn)品信息的準(zhǔn)確率也無(wú)法得到保證，不利于對(duì)產(chǎn)品的追蹤處理。同時(shí)，電池生組生產(chǎn)車間存在很多安全隱患，應(yīng)盡量減少人工對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的干涉，避免生產(chǎn)事故的發(fā)生。基于上述情況，本文介紹了一套動(dòng)力鋰電池集成檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用自動(dòng)控制技術(shù)，用戶只需啟動(dòng)設(shè)備，該系統(tǒng)就可以精確檢測(cè)和篩選單體電芯，極大的提高了生產(chǎn)效率，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，并可以避免生產(chǎn)事故的發(fā)生。

1 系統(tǒng)總體功能設(shè)計(jì)

動(dòng)力鋰電池的裝配，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)單體電芯的檢測(cè)、編組、信息記錄等功能，而要實(shí)現(xiàn)動(dòng)力鋰電池的成組，需要根據(jù)電池的編組工藝進(jìn)行串并聯(lián)編組。其控制內(nèi)容包括機(jī)器人動(dòng)作的監(jiān)控、單體電芯的運(yùn)輸控制、專用電缸手抓的控制等；機(jī)器人需要根據(jù)運(yùn)輸線體的工作狀態(tài)、單體電芯質(zhì)量、信息是否匹配實(shí)施連鎖控制，并對(duì)不合格單體電芯進(jìn)行智能替換。本系統(tǒng)采用分散控制模式，智能互鎖實(shí)現(xiàn)總體功能的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)總體功能主要如下：

1）電池編組，四軸機(jī)器人根據(jù)上料模式和編組工藝對(duì)單體電池進(jìn)行串并聯(lián)編組；

2）單體電芯電壓、內(nèi)阻檢測(cè)，檢測(cè)電池組中單體電芯的電壓和內(nèi)阻，篩選出不合格的單體電芯；

3）NG電池的智能替換，根據(jù)PLC采集的單體電壓和電阻、條碼信息比對(duì)結(jié)果，電池機(jī)器人把不合格的單體電池放到廢品槽中，并取出備品區(qū)中的單體電池來(lái)替換；

4）狀態(tài)監(jiān)測(cè)，對(duì)運(yùn)輸線體、機(jī)器人、專用電缸手抓、掃碼器和備品區(qū)、廢品槽電池?cái)?shù)量的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)和故障報(bào)警；

5）數(shù)據(jù)管理，存儲(chǔ)單體電池的條碼信息、電壓、內(nèi)阻，并把監(jiān)測(cè)信息上報(bào)給MES系統(tǒng)，以供產(chǎn)品質(zhì)量的追蹤溯源；

6）故障報(bào)警信息的記錄和提示，記錄設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)故障信息，根據(jù)故障代碼提示故障處理措施。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)構(gòu)建了一套以四軸機(jī)器人為主體，搭載掃碼器、接觸式探針、專用電缸夾爪和運(yùn)輸線體的智能鋰電池集成檢測(cè)系統(tǒng)。電池物料到達(dá)工位一后，通過(guò)運(yùn)輸線體將電池物料運(yùn)輸至工位三，電池物料在通過(guò)第二工位時(shí)，使用離子風(fēng)對(duì)電池進(jìn)行除塵、除靜電等清洗，檢測(cè)到物料到位后四軸機(jī)器人開始根據(jù)要求對(duì)電池進(jìn)行編組、檢測(cè)、替換等一系列動(dòng)作。其中專用電缸夾爪安裝在機(jī)器人第四軸上，電芯電壓和內(nèi)阻采用交流四端子測(cè)試方法，四端子以接觸式探針的方式安裝在專用電缸的夾爪上，通過(guò)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)電缸手抓的移動(dòng)，并通過(guò)機(jī)器人第四軸下壓的運(yùn)動(dòng)對(duì)單體電芯進(jìn)行接觸式測(cè)量，該方法相對(duì)當(dāng)前單體電芯電壓、內(nèi)阻的檢測(cè)，具有設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高、速度快等優(yōu)點(diǎn)，掃碼器安裝在專用電缸手抓的兩側(cè)，為了提高生產(chǎn)效率該設(shè)計(jì)采用雙缸夾爪設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)夾起兩塊電芯進(jìn)行編組。如圖1所示為設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)整體示意圖。

圖1 設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)整體示意圖

2.1 通信方式與通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)置

本系統(tǒng)使用電池電壓內(nèi)阻測(cè)試儀測(cè)試單體電芯的內(nèi)阻和電壓，根據(jù)測(cè)試結(jié)果判斷單體電芯是否滿足生產(chǎn)工藝要求、電芯在編組過(guò)程中有無(wú)放反、條碼信息是否匹配等信息。要實(shí)現(xiàn)各設(shè)備之間的連鎖控制，必須實(shí)現(xiàn)1+N控制形式中1與N控制器之間的交互通信，本系統(tǒng)選擇由PLC對(duì)所有信息進(jìn)行處理并對(duì)整體做出控制調(diào)配[3]。

工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)無(wú)線是目前工業(yè)通信領(lǐng)域的三大主流技術(shù)[4]。將以太網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)總線、無(wú)線技術(shù)融合到控制網(wǎng)絡(luò)中，可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定，增強(qiáng)系統(tǒng)的開放性和互操作性，完善信息服務(wù)。由于本系統(tǒng)設(shè)備處于固定狀態(tài)，故本系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線的通信方式即可以提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，降低維護(hù)成本。

本系統(tǒng)采用西門子PLC進(jìn)行系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)整個(gè)的系統(tǒng)調(diào)配控制。PLC支持多種通信方式，其中電缸和四軸機(jī)器人采用現(xiàn)場(chǎng)總線通信、電壓內(nèi)阻測(cè)試儀采用RS-485串口方式、掃碼器以及觸摸屏采用工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通信，各類數(shù)字量開關(guān)通過(guò)PLC本身的數(shù)字量輸入輸出模塊接收和控制設(shè)備的啟停，系統(tǒng)的管理層站與控制層站之間的通訊方式與通訊網(wǎng)絡(luò)采用工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。圖2為動(dòng)力鋰電池集成檢測(cè)系統(tǒng)通信方式與通信網(wǎng)絡(luò)示意圖。

圖2 設(shè)備通信方式與通信網(wǎng)絡(luò)示意圖

2.2 交流四端子測(cè)試電池電壓內(nèi)阻

在實(shí)際生產(chǎn)中為了提高生產(chǎn)節(jié)拍和生產(chǎn)效率，完成一組電池編組時(shí)間很短。編組的主要過(guò)程包括：電池電壓內(nèi)阻測(cè)試儀對(duì)單體電芯進(jìn)行測(cè)量并把測(cè)量結(jié)果反饋到控制層，控制層根據(jù)工藝要求對(duì)測(cè)量結(jié)果對(duì)比判斷，然后把判斷結(jié)果反饋給四軸機(jī)器人，機(jī)器人根據(jù)判斷結(jié)果做出相應(yīng)的動(dòng)作。要完成這一系列動(dòng)作，需要耗費(fèi)一定時(shí)間，而其中設(shè)備之間的信息交互所耗費(fèi)的時(shí)間非常短，大部分的時(shí)間消耗在對(duì)電池電壓內(nèi)阻的測(cè)量上。在測(cè)量單體電芯電壓內(nèi)阻過(guò)程中，單體電芯的內(nèi)阻電壓較小，以磷酸鐵鋰為例，電壓為3.2V，內(nèi)阻一般在0.2mΩ左右。如果采用普通測(cè)試方法不僅耗時(shí)較長(zhǎng)且測(cè)量結(jié)果誤差很大，而采用交流四端子測(cè)試法不僅可以同時(shí)對(duì)電壓內(nèi)阻進(jìn)行測(cè)量，而且可進(jìn)行高精度高速測(cè)量，最適合電池生產(chǎn)檢測(cè)。

交流四端子測(cè)試法其原理是H端子向測(cè)試電池輸入交流電流IS。在H端子上，因?yàn)楸粶y(cè)單體電池的阻抗會(huì)產(chǎn)生壓降測(cè)量VIS。此時(shí)，由于H端子連接在內(nèi)部高阻抗電壓計(jì)上，因此導(dǎo)線電阻和接觸電阻R2、R3上幾乎沒有電流流過(guò)，所以，電阻R2、R3基本不會(huì)有電壓下降，測(cè)試線電阻和接觸電阻等影響可以忽略不計(jì)，從而達(dá)到精確測(cè)量。利用同步檢波法的原理，測(cè)試電池的阻抗劃分為有效電阻和電抗，我們可以通過(guò)得到有效電阻作為判斷依據(jù)。

圖3 R1～R2測(cè)試線的電阻和接觸部分的接觸電阻

因測(cè)試端子通過(guò)安裝在專用電缸手抓的探針來(lái)對(duì)電池進(jìn)行測(cè)試，故需要自制測(cè)試線，為了減小外界干擾因素，采用屏蔽雙絞線。測(cè)試端子處避免靠近金屬板，所以安裝接觸探針的支架采用塑料材質(zhì)。為了降低噪音的干擾和信號(hào)的衰減配線的長(zhǎng)度在5m以內(nèi)，探針與電壓內(nèi)阻測(cè)試儀連接線采用焊接連接，避免因接觸電阻過(guò)大導(dǎo)致不能向被測(cè)電池通入正常的電流，而導(dǎo)致測(cè)試異常。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

動(dòng)力鋰電池集成檢測(cè)系統(tǒng)主要有監(jiān)控軟件和控制軟件兩部分組成。監(jiān)控軟件主要由設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、參數(shù)設(shè)置、設(shè)備操作、報(bào)警歷史記錄與提示、數(shù)據(jù)管理、電池組的電壓內(nèi)阻趨勢(shì)界面等畫面構(gòu)成。系統(tǒng)啟動(dòng)設(shè)備首先進(jìn)入設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)界面，根據(jù)運(yùn)輸線體上的電池?cái)?shù)量、位置及設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)然后設(shè)置編組模式及機(jī)器人抓取塊數(shù)，系統(tǒng)切換至自動(dòng)，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，設(shè)備進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警及連鎖停機(jī)，在監(jiān)控界面上會(huì)以警示燈的形式報(bào)警并且在歷史報(bào)警界面中查詢何處出現(xiàn)故障。設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控界面如圖4所示。

圖4 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控界面

為了保證生產(chǎn)的效率和設(shè)備的生產(chǎn)安全，該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了電池編組與NG電池的智能替換、故障診斷與機(jī)器人連鎖控制功能。

3.1 電池編組與NG電池的智能替換控制

電池組在進(jìn)行編組時(shí)對(duì)單體電芯進(jìn)行測(cè)試會(huì)出現(xiàn)不合格的單體電芯，導(dǎo)致設(shè)備不能繼續(xù)進(jìn)行生產(chǎn)工作，設(shè)備在生產(chǎn)中如果人工參與替換不合格單體芯，無(wú)法保證工作人員的生產(chǎn)效率和安全。本系統(tǒng)設(shè)置了備品槽和廢品槽，當(dāng)機(jī)器人在編組過(guò)程中檢測(cè)出不合格單體電芯后，首先把不合格單體放入廢品槽，然后從備品槽中抓取備品電芯并進(jìn)行檢測(cè)，如果合格則直接進(jìn)行編組放入下料線體的第三工位處，不合格則放入廢品槽，繼續(xù)從備品槽中抓取電芯進(jìn)行替換，直至替換成功。電芯替換成功后繼續(xù)編組未完成的電芯。備品槽和廢品槽中電芯數(shù)量的計(jì)數(shù)通過(guò)安裝在底部光電傳感器來(lái)計(jì)數(shù)，當(dāng)廢品槽滿和備品槽缺料時(shí)，設(shè)備停機(jī)并發(fā)出提示信息。電池編組與NG電池的智能替換控制流程圖如圖5所示。

圖5 電池編組與NG電池的智能替換控制流程圖

3.2 計(jì)數(shù)、監(jiān)測(cè)與機(jī)器人的連鎖控制

電芯物料到達(dá)上料線體的工位三后，通過(guò)光電傳感器對(duì)電芯物料數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)光電傳感器接收到感應(yīng)信號(hào)代表此處有物料，PLC通過(guò)光電傳感器采集到電芯數(shù)量與機(jī)器人進(jìn)行信息交互，機(jī)器人根據(jù)PLC傳回的數(shù)據(jù)信息確定單體電芯的抓取位置。因一次給定電芯物料數(shù)量是固定的，如發(fā)生電芯散落，電芯物料未到位等突發(fā)情況，如果通過(guò)機(jī)器人抓取次數(shù)來(lái)計(jì)數(shù)剩余電芯的數(shù)量，無(wú)法實(shí)現(xiàn)電芯數(shù)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，則很可能發(fā)生機(jī)器人撞機(jī)事故，對(duì)機(jī)器人使用壽命造成巨大損害。所以需要通過(guò)傳感器對(duì)單體電芯的數(shù)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，傳感器可以實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)電池?cái)?shù)量確定機(jī)器人抓取位置和放置位置，如線體上的電芯散落，人工移動(dòng)電芯位置或電芯物料未走到位等突發(fā)情況，第一時(shí)間發(fā)出聲光警報(bào)并根據(jù)故障情況實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的連鎖停機(jī)。為了防止因電芯鼓包、變形等情況導(dǎo)致電芯物料位置發(fā)生變化，在電芯物料的一側(cè)加裝激光位移傳感器，當(dāng)電芯物料因電池形變導(dǎo)致位置整體偏移時(shí)，則發(fā)出故障警報(bào)并連鎖停機(jī)機(jī)器人，防止機(jī)器人動(dòng)作發(fā)生設(shè)備故障。故障診斷與機(jī)器人連鎖控制流程圖如圖6所示。

圖6 故障診斷與機(jī)器人連鎖控制流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的動(dòng)力鋰電池集成檢測(cè)系統(tǒng)根據(jù)目前電池成組的發(fā)展和要求，采用自動(dòng)控制技術(shù)，引入機(jī)器人技術(shù)代替人工編組，通過(guò)對(duì)單體電芯電壓內(nèi)阻的檢測(cè)嚴(yán)格的把控電池組質(zhì)量，保證電池組單體電芯之間的一致性。由于本系統(tǒng)采用工業(yè)上主流通訊方式，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)結(jié)合故障診斷實(shí)現(xiàn)設(shè)備的連鎖停機(jī)等技術(shù)，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，保證系統(tǒng)的可持續(xù)運(yùn)行。該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)電芯信息的存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品質(zhì)量信息的追蹤溯源和物料消耗的實(shí)時(shí)化，使生產(chǎn)數(shù)據(jù)可查，并能進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，助力打造數(shù)字化車間，實(shí)現(xiàn)精益生產(chǎn)。