Hur tillverkas batteripaket för elfordon?

Batteripaketet är en kritisk del i helt elektriska fordon, och är en av de mest komplicerade att montera. Det börjar med att de enskilda battericellerna testas innan de monteras. Därefter används ofta samarbetsrobotar (cobots) för att montera batterimodulerna och sedan integrera modulerna i färdiga batteripaket, inklusive samlingsskenor, kylaggregat, batterihantering och andra delsystem. Slutligen behövs ett automatiskt visuellt inspektionssystem för att se till att alla delar i monteringen är korrekt sammansatta.

Artikeln granskar komplexiteten hos batteripaket för elfordon och vissa relaterade delenheter, inklusive behovet av många battericellsmoduler, elektriskt effektiva och lätta samlingsskenor och kabelstammar samt ett aktivt kylsystem. Därefter presenteras representativa produkter från DigiKey, inklusive en datainsamlingsenhet från National Instruments som kan användas som en del av testsystemet för battericeller, en samarbetsrobot från Omron Automation som kan användas för montering av batteripaket och en smart kameramodul med inbyggd programvara från Banner Engineering som kan utgöra en automatiserad inspektionsplattform.

Byggstenar för batteripaket i elfordon

Utformningen av batteripaket för elfordon varierar från en tillverkare till en annan och ibland från en modell av ett fordon till en annan hos samma tillverkare, vilket gör att flexibel montering är en viktig faktor. En sak som är gemensam för alla batteripaket för elfordon är att de kan innehålla tusentals komponenter.

Batteripaket för elfordon består av många batterimoduler som monteras ihop till ett färdigt paket (figur 1). Modulens och paketens arkitektur utvecklas för att ge högre spänningar till elfordonets drivlina. 400 V_DC har varit standard, men spänningar på upp till 900 V_DC förekommer allt oftare. Den största fördelen med högre spänningar är snabbare laddning. Snabbare laddning kan bidra till att minska räckviddsångesten hos förare av elbilar, men gör det svårare (och potentiellt farligt) att montera batteripaketen.

Figur 1: Batterimoduler är de grundläggande byggstenarna i batteripaket för elfordon. (Bildkälla: National Instruments)

Battericellerna i en modul svetsas ofta ihop, medan modulerna i allmänhet bultas fast på stora samlingsskenor för att bilda det färdiga batteripaketet. Modulernas arkitektur i förhållande till paketet är ofta en särskiljande faktor mellan olika konstruktioner av elfordon. I alla fall behöver batterisystemet värmehantering, främst kylning men ibland även uppvärmning när omgivningstemperaturen är för låg för att batteriet ska fungera effektivt. Systemet för värmehantering kan vara passivt för små paket, men stora paket kräver aktiv värmehantering med fasväxlare och pumpar för att cirkulera vätska för kylning av enskilda celler.

Ett batterihanteringssystem (BMS) övervakar statusen hos och laddningen av enskilda battericeller. Batterihanteringssystemet innehåller en mängd sensorer för spänning, ström, temperatur och annat, ofta med sensorer placerade på respektive battericell. Batterihanteringssystemet kommunicerar med elfordonets centrala datorsystem.

Säkringar används ibland på modulnivå, men det finns alltid ett överströmsskydd för hela batteripaketet. En stor högspänningskontaktor och andra komponenter används för att förladda kretsen för motordrivning för att förhindra potentiellt skadliga höga strömmar när elfordonet startas för första gången. Ett lås för serviceavbrott isolerar högspänningarna i batteripaketet och ger en säker miljö för servicetekniker som arbetar med elfordonet. Hundratals skruvar, muttrar och bultar, kontakter och andra mekaniska komponenter behövs för att slutföra monteringen.

Tillverkning av batteripaket

Att testa enskilda battericeller är ett viktigt första steg. Det är vanligtvis det sista steget i cellproduktionsprocessen i den specialiserade gigafabriken där cellerna tillverkas. Men när cellerna anländer till produktionsanläggningen för elfordon är det också vanligt att slumpmässiga kvalitetssäkringstester sker för att övervaka kvalitetsnivåerna på inkommande partier av battericeller. Utan högkvalitativa battericeller är det omöjligt att tillverka högkvalitativa och tillförlitliga batteripaket för elfordon.

Därefter sätts cellerna ihop till moduler. Moduler består vanligtvis av 12-20 celler. Modulerna är staplade i en metallram som tillhandahåller sammankopplingar, skydd mot stötar och vibrationer och i vissa modeller även värmestyrning. Det krävs precision, och när batteripaketet byggs upp blir det allt tyngre tills det väger flera hundra kilo.

På grund av behovet av precision och hantering av tunga laster utförs monteringen av batteripaket ofta med hjälp av samarbetsrobotar eller industrirobotar. En samarbetsrobot kan hantera tunga laster och snabbt och noggrant montera de hundratals skruvar, kontakter och andra komponenter som behövs för att färdigställa paketet. Batteripaketet i en Nissan Leaf består exempelvis av 48 moduler (figur 2). Det sista steget i monteringen av batteripaketet är automatiserad testning, inklusive visuell inspektion av det komplicerade paketet.

Figur 2: Batteripaketet i Nissan Leaf innehåller 48 batterimoduler och hundratals andra komponenter. (Bildkälla: NHR-divisionen hos National Instruments)

Testning av batterier och datainsamling

Tillverkningsingenjörer som utformar system för batteritester kan använda sig av datainsamlingsenheten 779640-01 från National Instruments. Den här datainsamlingsenheten med USB 2.0 och hög hastighet inkluderar åtta kanaler med ±60 V likspänning (V_DC) för isolerade digitala ingångar, åtta kanaler med 60 V_DC, 30 V effektivvärde (V_RMS) för isolerade utgångar med solid-state-reläer (SSR), och en 32-bitars räknare (figur 3). De åtta isolerade ingångarna inkluderar en optokopplare, en Schottky-diod och en MOSFET-baserad strömbegränsningskrets i utarmningsläge. Datainsamlingsenheten 779640-01 har även digital filtrering, ändringsdetektering, programmerbara utgångar för start och en övervakningstimer.

Figur 3: datainsamlingsenheten 779640-01 innehåller åtta isolerade digitala ingångar (höger sida) och åtta isolerade SSR-utgångar (vänster sida). (Bildkälla: DigiKey)

Datainsamlingsenheten 779640-01 kan övervaka förändringar, inklusive stigande flanker, fallande flanker eller båda, på specifika ingångar eller alla ingångar samtidigt. Ett avbrott genereras när en ändring upptäcks. Avbrottet anger inte vilken ingång ändringen inträffade på. Programmet kan användas för att läsa linjerna och fastställa källan till ändringsavbrottet. Digital filtrering kan minimera effekterna av brus och elektromagnetiska störningar (EMI).

Det digitala filtret är aktivt för ingångarna med optokopplare. Optokopplare stängs av långsammare än de slås på, och släpper igenom fallande flanker långsammare än stigande flanker. Det digitala filtret kan göra det lättare att eliminera förändringar som orsakas av brus eller EMI. Konstruktörer kan konfigurera filterkanaler med programmerade filterintervall. Pulser som är kortare än hälften av det programmerade filterintervallet blockeras. Pulser som är längre än filterintervallet passerar igenom. Pulser som ligger däremellan kan passera genom filtret eller inte.

Få hjälp med tunga belastningar och repetetiva uppgifter

När battericellerna har testats kan en samarbetsrobot påskynda monteringen av batterimodulerna och batteripaketet. Montering omfattar flera processer och samarbetsrobotar som RT6-1001321 från Omron Automation är mycket anpassningsbara (figur 4). RT6-1001321 har en integrerad fältbussadapter för att underlätta integrering i fabriksautomationssystem. Samarbetsrobotar arbetar med hög precision och kan hjälpa till med att skruva, limma, applicera termiska fetter, koppla ihop kontakter och en mängd andra aktiviteter som behövs för att sätta ihop ett batteripaket för elfordon. Några av de funktioner som gör samarbetsrobotar väl lämpade för montering av batteripaket för elfordon är följande:

• Grafiska programmeringsmiljöer för att påskynda utbildningen av samarbetsrobotar.
• Integrerade bildsystem hjälper till vid inspektion och mätning av resultaten samt vid montering.
• Modulära slutmekanismer kan snabbt bytas ut, vilket gör att en enda samarbetsrobot kan utföra en mängd olika monteringsprocesser.
• Samarbetsrobotar kan arbeta interaktivt med logistikrobotar och andra mobila robotar för att bilda en komplett tillverkningscell för batteripaket.

Figur 4: Samarbetsrobotar som RT6-1001321 är mycket anpassningsbara och kan utföra repetitiva uppgifter snabbt och med hög precision. (Bildkälla: Omron Automation)

Flexibilitet och förmågan att snabbt lära sig nya procedurer för att undvika längre stillestånd och ineffektiva produktionsperioder är viktiga egenskaper för samarbetsrobotar. En ny aktivitet kan läras ut på några minuter med hjälp av ett grafiskt användargränssnitt eller bara genom att flytta samarbetsrobotens arm från position till position. Samarbetsrobotar utmärker sig i repetitiva uppgifter som är vanliga vid montering av batteripaket för elfordon och kan hantera tunga laster med precision. Slutligen kan samarbetsrobotar inkludera maskinseende och artificiell intelligens (AI) för att plocka upp de nödvändiga delarna i rätt riktning, lägga till dem i batteripaketet och inspektera resultatet.

Kontroll av resultaten

Automatiserad visuell kontroll av att batteripaketet har monterats korrekt kan utföras med hjälp av den smarta kameran VE205G1A från Banner Engineering (figur 5). Den inbyggda programvaran är utformad för att utföra avancerade visuella inspektionsfunktioner. Bildhanteringsprogramvara från Banner ingår i VE205G1A och tillhandahåller flera verktyg som objektdetektering, positionering, mätning av egenskaper, flödesanalys och streckkodsläsning för att påskynda utvecklingen av bildtillämpningar. Redigering under körtid stöder ändringar i realtid av en inspektionsrutin, vilket minskar stilleståndstiden och påskyndar resultaten. Några av funktionerna hos den smarta kameran VE205G1A är följande:

• Anslutning via EtherNet/IP, Modbus/TCP, PROFINET och RS-232 för enkel integrering i fabriksautomationssystem.
• Sex optiskt isolerade in- och utgångar (I/O) och en extern ljuskontakt.
• Display med två rader och åtta tecken som visar kamerans status och möjliggör snabb övergång till nya aktiviteter.
• Valfria förseglade linsskydd ger IP67-klassificering för tuffa industriella miljöer.
• Typiska användningsområden är:
  • Förekomst eller avsaknad av delar, inklusive räkning av antalet föremål och kontroll av märkning.
  • Verifiera en dels riktning och skicka delens placering och riktning till en plock- och placeringsrobot eller samarbetsrobot.
  • Upptäckt av fel, inklusive identifiering av plats och storlek på ett föremåls felaktigheter.
  • Mätning av viktiga mått för ett objekt eller de relativa platserna för föremål i en monterad enhet.

Figur 5: Smarta kameror som VE205G1A har alla funktioner som behövs för snabb visuell inspektion av batteripaket för elfordon. (Bildkälla: Banner Engineering)

Sammanfattning

Batteripaket för elfordon är komplicerade och viktiga delsystem. Ett fordons prestanda, tillförlitlighet och kostnad är starkt kopplade till förmågan att montera batteripaketet på ett effektivt och snabbt sätt. Monteringsprocessen börjar med en kontroll av att battericellerna uppfyller de nödvändiga specifikationerna, och bygger sedan på automatiserad precisionsmontering med hjälp av robotar och samarbetsrobotar, och avslutas med en sista visuell inspektion med hjälp av smarta, automatiserade kameror.