新能源汽車動力電池模組的制造和裝配過程

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(guān)、BMS等多個結(jié)構(gòu)共同組成，其具體制造特點(diǎn)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(zhuǎn)換的能力，在完成放電行為時，可將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能；而在完成充電行為時，則可將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。

2）連接器：作為電池模組的輸出接口，可實(shí)現(xiàn)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(guān)：外殼存在于電池模組外部，可對內(nèi)部的鋰離子電池提供保護(hù)作用。鑰匙開關(guān)負(fù)責(zé)控制鋰離子電池的連接與閉合狀態(tài)，是新能源汽車動力電池模組的關(guān)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(jìn)過程中出現(xiàn)晃動狀態(tài)。

5）鎳帶導(dǎo)線：在動力電池模組保持連續(xù)輸出狀態(tài)時，可通過電流的形式，建立相關(guān)新能源汽車動力動力供應(yīng)元件之間的串、并聯(lián)連接關(guān)系。

1.2 總體結(jié)構(gòu)布局

對于新能源汽車而言，其動力電池模組的結(jié)構(gòu)布局就是對PC片、BC片所處位置的按需規(guī)劃，具體連接形式如圖1所示。在每一個側(cè)板結(jié)構(gòu)上端都存在一個獨(dú)立的PC片結(jié)構(gòu)，可在準(zhǔn)確記錄電池模組放電容量水平的同時，計(jì)算當(dāng)前情況下，與新能源汽車動力供應(yīng)行為匹配的電力傳輸量數(shù)值，從而避免不合理電量供應(yīng)行為的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)對電池模組穩(wěn)定工作形式的合理保護(hù)[2]。除了左、右兩個邊緣側(cè)板外，每一個中間側(cè)板結(jié)構(gòu)下端都存在一個與PC片對應(yīng)的BC片結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)規(guī)劃新能源汽車的未來行進(jìn)路徑，并可根據(jù)電池模組動力行為的表現(xiàn)形式，更改傳輸電量的不合理供應(yīng)部分，從而使得動力電池模組呈現(xiàn)出一個更加穩(wěn)定的電量供應(yīng)狀態(tài)。

圖1 動力電池模組的總體結(jié)構(gòu)布局形式

墊板結(jié)構(gòu)存在于動力電池模組左端側(cè)板下部，可與右端側(cè)板下部的連接銅排相對應(yīng)，后者負(fù)責(zé)在電量供應(yīng)不足的情況下，激發(fā)電池模組的剩余動力價(jià)值，前者則可在電子供應(yīng)過量的情況下，將剩余電量導(dǎo)出動力電池模組，從而實(shí)現(xiàn)對新能源汽車穩(wěn)定行進(jìn)狀態(tài)的有效維護(hù)。

1.3 技術(shù)要求

新能源汽車動力電池模組制造的技術(shù)要求，主要由鋰離子電芯選型、電信號輸出量統(tǒng)計(jì)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(zhǔn)則，對于動力電池模組而言，為使其具有穩(wěn)定的電量供應(yīng)能力，每一個鋰離子電芯的條碼來料質(zhì)量都要保持在B等級之上。在電池模組保持連續(xù)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(nèi)傳輸電流的均值水平。具體計(jì)算表達(dá)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(biāo)系數(shù)，在實(shí)際應(yīng)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(nèi)的傳輸電流均值）。β表示鋰離子電導(dǎo)系數(shù)，表示電導(dǎo)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(rèn)為電信號輸出量越大，汽車的實(shí)際行進(jìn)速度也就越快。設(shè)umax表示電池模組輸出電壓的最大數(shù)值，κ表示電信號制備系數(shù)，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(lián)立上述物理量，可將電信號輸出量表達(dá)式定義為：

根據(jù)新能源汽車動力電池模組的技術(shù)性制造要求，可對電流、電壓等電量信號的傳輸行為進(jìn)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(yīng)環(huán)境呈現(xiàn)相對穩(wěn)定的存在狀態(tài)。

2 新能源汽車動力電池模組的裝配

2.1 裝配序列規(guī)劃

動力電池模組的裝配序列是以全局敏感矩陣為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)信息集合，囊括了所有與新能源汽車動力供應(yīng)行為相關(guān)的指標(biāo)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(guān)系，具體表達(dá)式如下：

其中，a表示零件層偏差系數(shù)，b表示裝配層偏差系數(shù)。

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(chǔ)上，對各指標(biāo)參量之間的實(shí)際配合關(guān)系及與之對應(yīng)的裝配元件進(jìn)行操作，則可以準(zhǔn)確掌握所有模組結(jié)構(gòu)的裝配順序，也就能夠?qū)⒀b配序列問題轉(zhuǎn)化為動力電池模組的排序問題。規(guī)定ε表示一個隨機(jī)選取的動力電池模組裝配系數(shù)，且指標(biāo)ε的取值結(jié)果始終屬于集合。設(shè)表示新能源汽車的動力行為供應(yīng)條件，聯(lián)立式(1)、式(2)，可將新能源汽車動力電池模組的裝配序列規(guī)劃結(jié)果表示為：

上式中，k表示既定的電池模組序列標(biāo)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(shí)際供應(yīng)需求，電池模組序列標(biāo)號k的取值結(jié)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(shí)時裝配位置，在已知序列規(guī)劃條件的基礎(chǔ)上，可認(rèn)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(qiáng)度也就越大；反之，若相鄰工位之間的物理距離越遠(yuǎn)，電池模組所能提供的動力支持作用強(qiáng)度也就越小[4]。假設(shè)兩個相鄰電池模組工位的定義坐標(biāo)分別為l1、l2，在動力供應(yīng)系數(shù)最大值為μmax、最小值為μmin的情況下，聯(lián)立式(4)，可將相鄰電池模組之間的物理距離極值表達(dá)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(guī)定m表示動力電池模組工位的初始劃分權(quán)限，表示既定時刻動力電池模組中的電信號感應(yīng)特征值，聯(lián)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(biāo)準(zhǔn)定義為：

根據(jù)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(nèi)的基本分布情況，這也是智能化制造裝配技術(shù)的實(shí)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(shí)現(xiàn)元件準(zhǔn)確裝配的完整時間周期，由于設(shè)備結(jié)構(gòu)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(shè)k1、k2表示兩個與新能源汽車電池模組相關(guān)的動力參量供應(yīng)指標(biāo)，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(qū)間內(nèi)的電池裝配系數(shù)，j表示該區(qū)間內(nèi)的電池元件裝配特征。在上述物理量的支持下，聯(lián)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(dá)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(jié)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(shí)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(shí)際使用時間，通常情況下，電池元件放電容量數(shù)值的穩(wěn)定性越強(qiáng)，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(yīng)條件的保障能力也就越強(qiáng)。

對于新能源汽車動力電池模組而言，其放電容量計(jì)算表達(dá)式如下：

其中，R表示動力電池模組的內(nèi)阻數(shù)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(shí)驗(yàn)對象，分別將按照智能制造裝配技術(shù)生產(chǎn)的動力電池模組、普通動力電池模組安裝于實(shí)驗(yàn)汽車模型之上，其中前者作為實(shí)驗(yàn)組、后者作為對照組。

圖2 新能源汽車實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

分別以500Ω、1000Ω作為動力電池模組的內(nèi)阻取值結(jié)果，可知本次實(shí)驗(yàn)的具體流程如下：

步驟一：將實(shí)驗(yàn)組、對照組電池模組（內(nèi)阻數(shù)值為500Ω）安裝于汽車模型之上，閉合所有感應(yīng)開關(guān)，令新能源汽車保持一段時間的穩(wěn)定行進(jìn)狀態(tài)；

步驟二：再次將實(shí)驗(yàn)組、照組電池模組（內(nèi)阻數(shù)值為1000Ω）安裝于實(shí)驗(yàn)汽車模型之上，閉合所有感應(yīng)開關(guān)，令新能源汽車保持一段時間的穩(wěn)定行進(jìn)狀態(tài)；

步驟三：保持實(shí)驗(yàn)組、對照組汽車行進(jìn)時間處于等長狀態(tài)；

步驟四：記錄在汽車行進(jìn)過程中，實(shí)驗(yàn)組、對照組電池模組放電容量數(shù)值的具體變化情況。

下圖反映了內(nèi)阻取值等于500Ω時實(shí)驗(yàn)組、對照組電池模組放電容量的數(shù)值變化情況。

分析圖3可知，當(dāng)電池模組內(nèi)阻等于500Ω時，在整個實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)組放電容量始終保持相對穩(wěn)定的數(shù)值變化狀態(tài)，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(shí)驗(yàn)時間內(nèi)，對照組電池模組放電容量始終保持不斷波動的數(shù)值變化狀態(tài)，當(dāng)時間取值為10min時，其最大值達(dá)到了7.2MA；在20～50min的實(shí)驗(yàn)時間內(nèi)，對照組電池模組放電容量呈現(xiàn)連續(xù)下降的數(shù)值變化趨勢，直至實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其最小取值結(jié)果達(dá)到了2.4MA，與其最大值相比，差值為4.8MA，高于實(shí)驗(yàn)組差值結(jié)果。

圖3 電池模組放電容量（500Ω內(nèi)阻）

圖4反映了內(nèi)阻取值等于1000Ω時實(shí)驗(yàn)組、對照組電池模組放電容量的數(shù)值變化情況。

圖4 電池模組放電容量（1000Ω內(nèi)阻）

分析圖4可知，當(dāng)電池模組內(nèi)阻等于1000Ω時，實(shí)驗(yàn)組放電容量曲線依然呈現(xiàn)相對穩(wěn)定的變化狀態(tài)，當(dāng)時間取值為45min時，實(shí)驗(yàn)組電池模組放電容量最大值達(dá)到了7.3MA，與其全局最小值6.7MA相比，二者之間的物理差數(shù)值等于0.6MA。對照組電池模組放電容量在整個實(shí)驗(yàn)過程中始終保持連續(xù)波動的數(shù)值變化狀態(tài)，當(dāng)時間取值為20min時，其最大值達(dá)到了8.6MA，當(dāng)時間取值為45min時，其最小值低至4.1MA，二者之間的物理數(shù)值差為4.5 MA，遠(yuǎn)高于實(shí)驗(yàn)組差值水平。

綜上可知本次實(shí)驗(yàn)結(jié)論如下：

1）對于新能源汽車而言，電池模組的內(nèi)阻數(shù)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(yīng)用智能制造裝配技術(shù)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(nèi)阻條件下，均保持相對穩(wěn)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(jìn)行有效的動力供應(yīng)。

4 結(jié)語

智能制造裝配技術(shù)在保障動力電池模組內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的同時，實(shí)施了準(zhǔn)確的工位劃分處理，并針對裝配時間進(jìn)行估算，不但能夠使模組元件在放電過程中保持絕對穩(wěn)定的容量狀態(tài)，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(yīng)確實(shí)起到了促進(jìn)性影響作用。

審核編輯：湯梓紅