如何製造電動車電池組？

電池組是全電動車 (EV) 中的關鍵子組件，也是最複雜的組裝組件之一。組裝前要先測試單一電池單元。接下來，通常會使用協作機器人 (cobots) 組裝電池模組，然後將模組整合到完整的電池組中，包括匯流排、散熱組件、電池管理和其他子系統。最後，需要一個自動目視檢查系統，以確保組件中的所有元件都正確配置。

本文回顧電動車電池組和一些相關子組件的複雜性，包括對大量電池單元模組、高電氣效率輕量匯流排和線束互連，以及主動散熱系統的需求。接著介紹 DigiKey 的代表性產品，包括 National Instruments 的 數據採集裝置，可用於電池單元測試系統；Omron Automation 的協作機器人 ，可用於組裝電池組；以及 Banner Engineering 含嵌入式軟體的智慧相機模組，可提供自動偵測平台。

電動車電池組建構塊

電動車的電池組設計因製造商而異，有時同一製造商的不同車款也有不同的電池組設計，因此靈活組裝成為一個重要的考量因素。所有電動車電池組的共同點是可能使用數千個組件。

電動車電池組包含許多電池模組，組裝成最終電池組 (圖 1)。模組和電池組的架構不斷發展，以便為電動車傳動系統提供更高的電壓。雖然通常以 400 V_DC 為標準，但更常見高達 900 V_DC 的電壓。更高電壓的主要優點是能更快速充電。更快的充電速度有助於減少電動車駕駛的里程焦慮，但會使電池組的組裝更具挑戰性，並且具有潛在危險。

圖 1：電池模組是電動車電池組的基本建構塊。(圖片來源：National Instruments)

模組中的電池單元通常熔接一起，而通常會用螺栓將模組固定在大匯流排上，組成完整的電池組。電動車設計之間的差異往往在於模組與電池組的架構。在所有情況下，電池系統都需要熱管理，主要是散熱，但偶爾當環境溫度太低，無法讓電池運作時則會需要加熱。小型電池組可能採用被動式熱管理系統，但大型電池組需要主動式熱管理，使用相變裝置和幫浦循環液體，為單一電池散熱。

電池管理系統 (BMS) 監控各個電池單元的健康狀態和充電情況。電池管理系統包括一系列電壓、電流、溫度和其他感測器，通常每個電池單元上都有感測器。電池管理系統與電動車的中央電腦系統通訊。

有時在模組級會使用保險絲，但一定會針對整個電池組提供過電流保護。大型高電壓接觸器和其他組件可對馬達驅動電路預充電，以防止在電動車剛啟動時可能造成破壞的高湧入電流。維修斷開聯鎖裝置可隔離電池組中的高電壓，為電動車維修技術人員提供安全的環境。完成組裝需要數百個螺絲、螺帽、螺栓、連接器和其他機械元件。

建構電池組

測試單一電池單元是非常重要的第一步。這通常是專業的超級電池工廠 (gigafactory) 在電池生產過程的最後一步。但是，當電池單元送達電動車生產設施時，也常會進行隨機品質保證測試，以監控電池批次的品質水準。唯有高品質的電池單元，才能生產高品質和可靠的電動車電池組。

接下來，將電池單元組裝成模組。模組通常由大約 12 到 20 個電池單元組成。這些模組堆疊在金屬框架中，提供互連、防衝擊和振動保護，在某些型號中還提供熱管理。組裝時必需保持精密，電池組組件在組裝時，會逐漸變重，完成後可能會重達數百磅。

電池組組裝需要高度精密和處理重負載，因此通常會使用協作機器人或工業機器人進行。協作機器人可以處理重物並快速準確地組裝完整電池組所需的數百個螺絲、連接器和其他組件。例如，Nissan Leaf 的電池組包括 48 個模組 (圖 2)。電池組組裝的最後一個步驟是自動化測試，包括對複雜的電池組進行目視檢查。

圖 2：此 Nissan Leaf 電池組包括 48 個電池模組和數百個其他組件。(圖片來源：National Instruments 的 NHR 部門)

電池測試和數據採集

製造工程師在設計電池測試系統時，可以選用 National Instruments 的 779640-01 數據採集 (DAQ) 裝置。此全速 USB 2.0 DAQ 包括八個用於隔離數位輸入的 ±60 V_DC 通道、八個 60 V_DC、30 V_RMS 隔離固態繼電器 (SSR) 輸出通道和 32 位元計數器 (圖 3)。八個隔離輸入包括一個光耦合器、一個肖特基二極體和一個空乏模式 MOSFET 架構的限流電路。779640-01 還包括數位濾波、變化偵測、可編程電源啟動輸出和監控設備計時器。

圖 3：779640-01 DAQ 包括八個隔離數位輸入 (右) 和八個隔離 SSR 輸出 (左)。(圖片來源：DigiKey)

779640-01 DAQ 可以同時監控特定輸入線路或所有輸入線路上的變化，包括正緣、負緣或兩者。辨識到變化時會產生中斷指令。中斷指令不會指示哪條輸入線路發生變化。可使用軟體讀取線路，並確定變化通知的來源。數位濾波可以將雜訊和電磁干擾 (EMI) 的影響降至最低。

數位濾波器在光耦合器輸入運作。光耦合器的關閉比開啟慢，負緣比正緣慢。數位濾波器有助於消除由雜訊或電磁干擾造成的變化。設計人員可以使用編程的濾波器間隔，配置濾波通道。短於編程濾波間隔一半的脈衝將被阻擋。長於濾波間隔的脈衝將可通過。介於兩者之間的脈衝不一定會通過濾波器。

協助處理重負載和重複性任務

一旦電池單元通過測試，就可以使用協作機器人，加速電池模組和電池組組裝過程。裝配涉及多個流程，如 Omron Automation 的 RT6-1001321 協作機器人就具有很強的適應性 (圖 4)。RT6-1001321 具有整合式現場匯流排配接器，可整合到工廠自動化系統。協作機器人以高精密度運作，可以協助拴緊螺絲、黏合、塗抹導熱膏、配接連接器，以及組裝電動車電池組所需的無數其他作業。協作機器人包含一些功能，非常適合用於電動車電池組組裝：

• 圖形化編程環境，可加速訓練協作機器人。
• 整合式目視系統，有助於檢查和測量結果以及組裝作業。
• 模組化末端執行器可以快速更換，使單一協作機器人能夠執行一系列組裝過程。
• 協作機器人可以與物流和其他移動機器人交互操作，形成完整的電池組製造單元。

圖 4：RT6-1001321 等協作機器人具有很強的適應性，能以高精密度快速執行重複的任務。(圖片來源：Omron Automation)

協作機器人的關鍵屬性在於能靈活並快速學習新流程，避免延長停機時間和生產效率低下。可使用圖形使用者介面或將協作機器人的手臂移到新位置，就可以在幾分鐘內教授一項新作業。協作機器人擅長執行電動車電池組組裝中常見的重複性任務，並且可以精確地處理重負載。最後，協作機器人可以包括機械視覺和人工智慧 (AI)，以正確的方向拾取所需的零件，添加到電池組組件中，並檢查結果。

驗證結果

Banner Engineering 的 VE205G1A 智慧相機可對電池組進行自動目視驗證，確保已正確組裝 (圖 5)。整合軟體旨在執行先進目視檢驗功能。Banner 的目視管理器軟體包含在 VE205G1A 中，並提供多種工具，如物品偵測、定位和特徵量測與流量分析，以及條碼讀取，以加速目視應用的開發。可在運作時編輯，因此能即時變更檢查常式，如此便能減少停機時間並加速完成。VE205G1A 智慧相機的一些功能：

• 乙太網路/IP、Modbus/TCP、PROFINET 和 RS-232 連接，可輕鬆整合到工廠自動化系統中
• 六個光隔離輸入／輸出 (I/O) 和一個外部燈連接器
• 兩行八字元顯示，提供攝影機狀態並支援快速切換到新活動。
• 選配密封鏡頭蓋提供 IP67 防護等級，適用於嚴峻的工業環境。
• 典型用途包括：
  • 確認零件是否存在，包括計算物品數量和驗證標籤。
  • 驗證零件的方向並將零件位置和方向傳送給拾放機器人或協作機器人。
  • 缺陷偵測，包括識別物品缺陷的位置和大小。
  • 測量物品的關鍵尺寸或組件中物品的相對位置。

圖 5：VE205G1A 智慧攝影機提供對電動車電池組組件進行快速目視檢查所需的所有功能。(圖片來源：Banner Engineering)

結論

電動車電池組是複雜且關鍵的子系統。電動車的效能、可靠性和成本與高效率、快速組裝電池組的能力密切相關。組裝時，首先驗證電池是否符合要求的規格，然後使用機器人和協作機器人進行自動化精密組裝，最後以智慧的自動化攝影機進行最終目視檢查。