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電動汽車動力電池裝配擰緊技術

從手動工具,到氣動工具,再到有線電動工具、無線電動工具和自動裝配系統的過程,從以往傳統汽車的裝配過程進化史中,我們看到,科技的創新不僅改變了傳統燃油汽車的生產制造,也對電動汽車產生了深遠的影響。現在,動力電池作為電動汽車的重要零部件,已經走在了汽車工業創新裝配的最前沿。

在交通運輸領域,車輛的電動化已逐漸成為一種潮流。電動汽車利用來源多樣化的電能取代傳統的化石能源,不但可以顯著提高能源轉化效率,而且有助于減少溫室氣體排放、改善空氣質量和降低噪聲污染。此外,車輛的電動化還能提高國家的能源安全性,實現可持續發展,符合多種政策的要求。作為汽車行業中最具創新性的產業集群之一,電動汽車還具備增強經濟和產業競爭力的巨大潛力,提高投資吸引力。

近年來,電動汽車市場在不斷擴增,國家政策對電動汽車的扶持力度和汽車產業在電動汽車業務上的擴大投入都表明:這一趨勢在未來10年內不會減弱。作為純電動汽車的“心臟”,動力電池直接決定了車輛的安全、壽命和性能。隨著電動汽車的普及,不僅其應用范圍和數量不斷擴大,單只電池的能量也越來越高,在動力電池能量密度和性能不斷提升的過程中,安全性也成為備受關注與爭議的話題。

由于動力電池多為鋰電池,其對溫度和安全防護的要求極高。因此,鋰電池的裝配安全是電動汽車裝配環節的重中之重。

動力電池裝配的關鍵流程

動力電池系統是一個復雜的系統,包括電池管理系統、外殼部分和眾多的電池模組。電池包由多個模組組成,每個模組又由多個動力電芯串并聯組合而成。電池管理系統,對電池進行監控和管理的系統,通過對電壓、電流和溫度等參數的采集、計算,進而控制電池的充放電過程,實現對電池的保護,保證電池組正常且安全的工作。

動力電池包的裝配主要是對多個模組進行排列、緊固,檢測接線盒。在裝配過程中,有很多工位都涉及到安全連接,這些裝配過程直接關系到整車乘員的安全。

動力電池包的關鍵裝配流程具體如下:

1. 高低壓連接器的裝配

電池包或者BMS上分布有很多高低壓連接器,這些接口的裝配都是安全件,需要收集數據反饋,必須使用傳感器式工具;接口擰緊時通常都是單手持工件,單手持工具,因此最好采用槍式工具,握持擰緊最為方便;扭矩范圍不大,易選用緊湊型的工具。

2. 高壓線束的安裝

電池包內有總正總負的高壓線束需要連接裝配,模組充上電時,這部分連接的電壓高達數百伏特。通常工位地面都會做絕緣處理,為高壓防護工位。除此之外,在裝配上也需要做絕緣處理,這部分工位的絕緣處理不僅影響著電池的安全,更影響著操作者的生命安全。

3. 高壓銅巴的連接安裝

高壓銅巴用于連接模組之間的導通,電流大且使用密集,裝配復雜,作為電池導通的關鍵結構,裝配安全同樣至關重要,裝配的疏忽很有可能導致電池發生短路。

4. 模組安裝

電池包由多個電池模塊組成,電池模塊的裝配要求松緊度適中,各結構部件具有足夠的強度,防止因電池內部外力的作用而發生變形或破壞。電池模組又由多個動力電芯串并聯組合而成,電池模塊的裝配需要將電池模塊固定在鋁制箱體里,一般使用長螺栓穿過模組固定到箱體底部的螺母上;也有電池包為了節約空間,采用雙層模組的形式,會有安裝模組支架用于固定上層模組。

5. 上蓋安裝

為了減重,電池包通常采用鋁制殼體。電池包鋁制殼體上蓋和下箱體之間通過數十個螺栓連接裝配,螺栓數量多且分布規則,擰緊方向都為垂直向下,在裝配時需要順序擰緊,保證上蓋擰緊應力分布均勻。

動力電池的裝配重難點及解決方案

從動力電池的關鍵裝配流程可以了解到,動力電池的裝配重難點主要集中在以下幾方面:

1. 過流件問題

動力電池中有很多部件在裝配時或者裝配之后會通過電流,稱之為過流件。這些過流點通常為接線端子,接線端子未鎖緊,會造成端子連接處的接觸不好,有較大的接觸電阻,相當于在回路中串接了一個電阻。由于這個電阻的存在,在流過電流時,此處將發熱;流過大電流時,接線端子上會有較大壓降,此處會過熱,有可能燒毀接線端子。

據此,建議使用傳感器式電動工具,實時監控擰緊過程曲線,保證裝配接線端子達到正確的扭矩,防止假貼合、假扭矩等情況發生。

2. 絕緣問題

電池模組在生產工廠中會進行充放電,安裝和更換模組一般也都是在帶電情況下進行操作。因此使用手持式有線工具就存在導電金屬導通,最終形成回路的風險,電勢差經由螺栓到擰緊工具,再到控制器,人手持著工具也會被串聯到回路中。這種工況存在著很大的風險,因為在400~600 V下產生的短時電流就可以讓人致命。而電池包的裝配中存在著很多裝配位置會有高達幾百伏特的電壓,在這些位置的螺栓裝配時,絕緣的處理尤為重要。

因此在使用電動裝配工具時,為了預防人員傷害,杜絕環境的危害和產品責任案件,嚴格遵循工具使用的絕緣要求非常重要。通過可靠且正確的方式使用裝配工具能為生產提供安全、高效的裝配解決方案。

圖1 Desoutter電動工具

如圖1所示,Desoutter電動工具給出了專業的絕緣工具解決方案,工具采用專為電池包設計的絕緣輸出頭:絕緣輸出頭完全內置集成,防止錯用常規套筒;保護操作者,防止放電打火;通過國際電工委員會認證(IEC),有效絕緣電壓高達1 000 V/AC和1 500 V/DC。

圖1 Desoutter電動工具

3. 殘余扭矩問題

在電池包的裝配中,上蓋工位、連接器裝配工位等特別容易出現扭矩衰減的問題,主要是由于連接的位置安裝有彈性材料、密封件等導致,所以在裝配的時候要尤為注意螺栓擰緊的先后順序,并需采用多段不同的螺栓裝配擰緊速度,從而緩解螺栓的扭矩衰減。必要的時候還可以選用數顯扭矩扳手檢測螺栓的殘余扭矩來進行質量的管控。

如下表所示,針對于不同的扭矩衰減產生的原因,會采用不同的方式緩解。

表 殘余扭矩產生的原因及解決方法

產生原因

解決方法

被裝配件的表面粗糙度:材料變形─局部嵌入

盡量避免部件的表面粗糙度過大,選擇表面粗糙度較小的零部件

彈性連接材料:尤其是塑料或密封件

1. 降低最終擰緊的速度

2. 分步擰緊,如分步驟設置目標扭矩

3. 使用“擰緊+反松+最終擰緊”的方法

過快的裝配速度、不合理的裝配動作

1. 選用合適的工具

2. 多軸同步擰緊

3. 按照擰緊順序來擰緊

其他:如裝配過程中的溫度

1. 避免不合理的摩擦

2. 避免熱膨脹系數不同或相差過大

4. 擰緊順序問題

電池包上蓋等大平面的零部件擰緊裝配時需要保證應力分布均勻,因此會有擰緊順序要求。通過控制擰緊螺栓的先后順序,保證應力分布得盡可能均勻,同時這也能從一定程度上緩解扭矩衰減的發生。

通常,工廠里常用的擰緊順序控制是采用人機工程學的力臂通過編碼器來實現對位置點的控制。這種方式比較常規,但是對于電池包上蓋的螺栓定位并不是最優解,因為電池包上蓋通常尺寸范圍比較大,用力臂覆蓋布置會很困難,人員操作也很困難,且容易有覆蓋死角。在此,Desoutter專門為電池包上蓋螺栓順序擰緊定位設計的視覺定位系統能完美解決這一問題,視覺定位系統由紅外攝像頭實現三維坐標定位,定位精度高且穩定性好,安裝操作十分方便。同時,它還能完美地與Desoutter的裝配工具進行集成。

未來動力電池裝配技術的展望

現在,動力電池作為電動汽車的重要零部件,已經走在了創新裝配的最前沿,我們用到了很多的電動有線工具和無線工具,這些工具能很好地適應動力電池的裝配工況,幫助動力電池這一關鍵部件實現全裝配擰緊數據的可靠追溯。特別是無線電動工具(如圖2所示),針對于動力電池扭矩不太大,產品操作范圍較大的情況,能很好地兼顧便攜靈活性與高性能的表現。

圖2 無線工具智能擰緊中樞

除此之外,自動化的裝配系統(如圖3所示)也在動力電池的裝配中得到了廣泛的應用,從電池包的上蓋到模組的裝配,自動化的裝配系統幫助客戶提高了防錯等級,提高了產品的裝配質量,加快了生產節拍,節省了人力資源,為動力電池乃至電動汽車走向智能制造往前邁進了一大步。

圖3 集成了送釘與擰緊的自動化裝配系統

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