北自所-新能源汽车锂电池模组及PACK线智能制造
一、成果简介
新能源汽车锂电池模组及PACK线智能制造项目针对目前国内新能源汽车锂电池的装配设备现状应运而生。目前新能源汽车锂电池的尺寸不标准，不规范，产能低，导致很难形成批量，再加上新能源汽车厂及储能电站企业的要求五花八门，没有统一的标准，也就很难在装备方面有所突破，很多企业只能使用一些专机，替代手工生产，满足新能源汽车厂和储能的临时需求；整个制造过程信息化不足，数据记录在纸质文档上，难以管理。
生产过程无数字化的数据采集，无法进行生产过程分析和预测，也无法建立制造过程的质量追溯，越来越难以适应高可靠性工业产品的苛刻要求。因此，新能源汽车锂电池模组及PACK线智能制造成为了制约新能源汽车发展的制约因素。
新能源汽车锂电池模组线和PACK线智能制造对于新能源汽车锂电池系统厂商当前存在的生产自动化装备不完善、质量控制能力差、电池一致性和稳定性较弱等问题，通过推动工业机器人、智能视觉系统、增材制造装备、智能传感与控制装备、智能检测与装配装备、智能物流与仓储装备等安全可控核心智能制造装备的创新应用，开展面向多规格的新能源汽车锂电池系统自动化、信息化、数字化、智能化生产线的研制。
新能源汽车锂电池模组线和PACK线智能制造集柔性化制造、智能化物流、数字化信息自动采集与集成等关键技术于一体，实现电池模组智能装配、电池PACK智能装配及电池PACK集成在线检测等功能。完成包括中控系统、电池模组装配产线、电池PACK总装线以及电池PACK全自动检测线在内的一整套设计与制造，实现了MES系统订单下发产线、电池包组件条码层层绑定、关键数据参数存储与质量追溯的智能化信息管理、电子看板生产实时信息与生产线运行状态智能监控以及AGV智能车物料装配与输送等功能，为新能源汽车锂电池厂家的批量化生产、智能化装配、一致性管理，提供了可靠的软硬件保证。
新能源汽车锂电池模组线和PACK线智能制造已取得四项实用新型专利和一项软件著作权成果。
二、成果创新点及解决的难点问题
1、单体电池存在厚度、电压和内阻不一致的情况，在电池装配过程中会直接影响到电池的安全稳定、整体性能和使用寿命
在新能源汽车锂电池智能装配成组过程中，必须要兼顾单体电池的厚度公差且必须保证电池PACK的尺寸一致，保证最终电池的装配尺寸及质量是需要攻克的技术难题。在电池成组过程中，需要通过电池测厚仪、复合电压内阻测试仪对单体电池的厚度、电压和内阻进行复检，并剔除不合格的单体电池，从而保证单体电池的一致性。将测厚仪和内阻测试仪集成到电池编组设备中，机器人在拾取单体后先进行复检，根据复检结果判定对单体电池进行剔除和进一步编组处理。
2、电池PACK在最终检测过程中进行大电流充放电测试
按照传统方法手动测试需要经过复杂的人工接线及保证大电流通过的相应保护措施。目前，国内外并没有此类的自动检测专机，为实现电池PACK在最终检测过程中的工业化与智能化，本工序采用自动对接的方法，技术难度大，不仅需要精确定位电池箱体，而且还要保证大电流对接的可靠性。
电池检测过程中承载电池的AGV采用激光定位形式，保证极高的定位精度，同时自动对接系统采用伺服电缸控制系统，保证对位电极稳定可靠同时保证对位精度。电池检测系统还兼具有报警功能，能够检测对位不准、电池不到位、通电异常等几十种报警信息，保证了电池自动检测系统的可靠性性及电池本体的安全性。
3、为了兼容电池厚度的公差尺寸，单体电池串并联连接铜排采用软铜排形式
采用软铜排不仅兼容了单体电池厚度公差而且对软铜排的自动焊接和紧固连接提高了可靠性。在装配过程中，装配和焊接机器人中搭配视觉系统对每个单体电池电极的焊接点和紧固点进行位置定位与修正，达到保证装配与焊接的质量可靠和装配的精度。
针对电池模组的特点，定制适合于电池模组的专用焊接夹具，每个压头对铜排焊接面的两侧区域进行大面积压紧，并且压头采用弹簧浮动式的压紧方案，保证每个压头都能够压紧到位，当浮动位移达到死限位点时，可输出最大压紧力。同时，采用激光测距进行引导跟踪，实时检测待焊极耳的平面度，并将此数据反馈到Z轴伺服机构，借此调整焊接焦距。
4、新能源汽车锂电池模组PACK车间制造执行系统（MES）的应用
针对新能源汽车锂电池PACK安全及高效生产的需要，本应用集成在线检测、机器视觉、RFID等智能检测及物流技术，开发电池PACK车间数字化制造管理系统（专用MES），实现电池包生产计划与现场制造装备的高效协同及品质管控。车间MES的应用，提高了本模式的智能化管理程度，能够实现从单体电池上线、模组装配、不合格品处理、电池PACK装配和测试、成品入库等整个生产过程实时数据的采集、控制、分析和历史追溯。
MES系统是企业内部计划、物流、生产、品质部门取得第一手生产信息的保障系统。实现智能远程终端生产线和组装线的有限能力排产、计划的下达和过程监控，车间在制物料的管理、车间设备的运维和监控，车间可视化管理，实现预期的项目目标，即质量检测智能化、产品档案信息化、设备数据实时化、生产过程透明化、物料流转自动化、异常问题目视化、装配工艺信息化、系统平台开放化。
图1 MES工艺流程图
三、国内外水平对比分析
目前，针对由单体电池到电池成组的装配及测试，国外有些厂家在电池成组装配方面制作了部分专机，但还没有形成全自动装配生产线，也不能进行全自动的检测。国内还停留在手工装配阶段，致使生产效率低、产品一致性差、产品质量得不到可靠保证。
本应用中设计开发多台智能装配和检测专机，采用伺服定位、机器人装配、数码扫描、PLC控制等自动化技术。生产线装配精度高，生产节拍短，是国内首创的新能源汽车锂电池模组及PACK自动化、智能化装配生产线。
该应用中涉及的智能测控技术和装置，如机器人、自动小车、叠垛系统、PLC系统、管理系统等，国内都具备了一定的技术基础、装备准备和工程经验，能够满足实用自动化、智能化装配生产线，并达到国际先进水平。
分项对比情况如表1所示：
四、成果应用情况
新能源汽车锂电池模组及PACK线智能制造主要由电池模组装配线、电池PACK装配线、检测线、MES系统等组成。同时包括了电芯编组复检入底板及短侧板智能化装配单元、自动化铜排拧紧单元、双层模组自动入箱和电池包成品在线检测等智能化生产单元。其中车间MES系统可对电池的组装，实现全过程的质量可追溯管理，能够实时的显示产品在各个装配过程中的产品状态和设备状态，并与相应装配过程的部件条码进行绑定，建立产品数据管理系统，实现电池PACK车间产品的制造、物流、质量控制全流程的数字化、智能化。
新能源汽车锂电池模组及PACK线智能制造实现了电池模组装配、电池Pack装配及电池Pack集成检测功能，完成包括中控系统、电池模组装配产线、电池Pack总装线以及电池Pack全自动检测线在内的一整套设计与制造，实现了MES系统订单下发产线、电池包组件条码层层绑定、关键数据参数存储与质量追溯的智能化信息管理、电子看板生产实时信息与生产线运行状态智能监控以及AGV智能车物料装配与输送等功能。
新能源汽车锂电池模组及PACK线采用可编程控制器进行系统集成，采用机器人进行装配工作，通过视觉系统配合机器人进行工件定位修正，采用自动读码器与RFID进行数据采集与转存，运用运动控制系统实现总装线自动码垛与自动入箱功能，中控系统通过Schneider CiTect平台开发，进行生产线状态监控、信息管理以及数据上传与存储，通过LABVIEW开发平台研发整套电池Pack自动化检测集成系统，整线结构紧凑，物流通道合理，满足产能节拍需求。
案例应用现场如下图所示。
图2 锂电池现场应用图
图3 锂电池自动入箱应用图
五、社会及经济效益分析
1、该案例的应用，能够使厂家节约大量的工人，使效率大大提高，工人劳动强度大大减少；通过本套生产线的投产，能够规范厂家产品的生产流程，保证产品的精度及质量；同时通过本套生产线的投产，能够带动了企业的技术进步，提高了企业的核心竞争力，也提高了企业本身的价值，提高了企业的国际竞争力，在国内同行业中掌握了先机。
同时也改善和提高了管理水平，与以前的手工作业相比大大提高了生产效率和产品灵活性，做到生产过程可监控和管理，保证了生产效率最高、产品质量最好。
2、该案例的应用，能够为制造商带来实在的经济效益，按国家的发展规划至2025年，单纯以动力电池生产为主线的专用装配生产线就能拉动至少180亿元的投资规模，为制造商提供了可靠地经济基础，此外，在动力锂电池柔性自动化装配与检测生产线的研制的过程中，也能够带动企业的技术进步，提高了企业的核心竞争力，也提高了企业本身的价值，提高了企业的国际竞争力，使企业在国内外同行业中掌握了先机。
根据相关统计每增加1人就业，会带动相关产业增加8人就业。从新能源汽车产业链看，主要包括产品研发、零部件采购、生产制造和销售服务4个方面，全产业链涉及诸多行业，往往带动100多个产业的发展。
发展新能源汽车是我国从汽车大国迈向汽车强国的必由之路，能源安全与生态环境是关乎国家未来可持续发展的重大战略问题，世界主要制造强国也都在国家层面加大节能与新能源汽车发展以抢占经济增长制高点。中国通过大力发展新能源汽车可以推进产业技术进步和产品结构转型，为建设汽车强国乃至制造强国奠定基础。
责编：节能与新能源汽车年鉴，转载请注明来源。