圆柱电池生产装配线的设计及未来趋势

圆柱电池一般为全极耳电池（大圆柱），相对方形电池制造工艺，全极耳圆柱电池前段工序取消了模切制片工序，其余和方形电池制造流程基本一致。装配段典型工序为揉平、包胶。锂电池极耳揉平方式在电池制程过程中占据重要的地位；对于全极耳电池，正／负极片空白区位于电池两端，一般需要先对空白区揉平，使其端面致密，再对其进行极耳焊接；为了防止电池的极耳短路，在极耳焊接之前，会对极耳要外露的部分提前进行包胶。中段／后段与方形电池测试流程也基本一致。下图为全极耳圆柱电池制造流程。

全极耳圆柱电池制造流程

1.1 圆柱锂电池发展现状

圆柱锂电池也称为圆形锂电池，最早是由日本SONY公司于1992年发明的18650锂电池，其历史相当悠久，采用较为成熟的卷绕工艺，自动化程度高，产品质量稳定，成本相对较低，目前已大面积普及与广泛应用。

圆柱18650电池是被研究得最多、技术讨论最充分的电池品种。单体主要由正极、负极、隔膜、正极负极集电极、安全阀、过流保护装置、绝缘件和壳体共同组成。壳体，早期钢壳较多，当前以铝壳为主。其内部结构如图1所示。

图1 圆柱电芯内部结构

1.2 圆柱锂电池装配设备

近几年，随着新能源汽车市场的再一步扩大，以及消费者对续航里程要求的不断提高，车企对动力电池在容量、生产成本、储能寿命和产品附加属性等方面都提出了更高的要求。在原材料领域尚未获得巨大突破的前提下，适当增大圆柱锂电池的尺寸以获得更高能量密度便成为一种生产的主要方向。

如今锂电池正在往安全性以及标准化的方向发展，设备的高精度、高效率、系列化以及高自动化生产线将成为行业发展的大方向。本节提供一种锂电圆柱电池自动化生产线，实现高效自动化生产，大大节省人力成本，极大提高产能和产品质量及成品率，为客户实现利益最大化。全自动化和智能化的锂电池生产设备将在保证锂电池生产工艺的基础上，使生产出的锂电池具有较好的一致性，高的安全性能和直通良率，从而降低生产成本。

图2为圆柱电池的装配工艺流程图，实现了从卷芯到电芯焊接封口整个流程的自动化生产。圆柱电池装配线用于实现圆柱锂离子电池的电芯输送、电芯与钢壳的装入、(-)Tab与钢壳底部焊接、钢壳滚槽、Hi-pot、X射线检测、盖帽焊接、注液、封口、清洗、套膜装盒。所以整个圆柱电池装配线设备包括以下设备：卷芯上料机构、J/R与B/I插入机、Tab焊接与缩口机、T/I插入机、辊槽机、短路检测、注液机、(+)Tab焊接机、封口机等，后面一一重点介绍这些设备。

图2 圆柱电池装配工艺流程

1.3 圆柱电池装配产线未来的发展趋势

圆柱电池生产线使用时间比较长，相应的技术已经非常成熟，现有的装配线设备也大同小异。未来的发展趋势，除了从材料方面继续改善，找到高性能的电芯材料外，对于电池装配生产线而言，效率、成本等依然是动力锂电池未来发展的方向，对现有市场发展概况总结后有以下几点值得关注：

①电池本体的性能方面，比如电池尺寸、能量密度等越来越大。

②装配生产效率，在保证设备成本改动不大的情况下，不断改善生产效率；现有的圆柱锂电池装配效率可达到120PPM，甚至更高。

③电池装配线的自动化程度，显而易见自动化程度高，人工成本减少了很多，同时生产的良率更容易控制。合理控制每个工序的制作时间，从而有效缩短锂电池的生产时间，而且极大改善了工人的劳动强度大和生产成本高的问题。

④人机工程方向，设备易操作、易维修更是要关注的一点，保证设备操作的灵活性。

⑤缩短生产周期，提高产品质量，降低生产成本是未来整体发展方向，模块化技术的应用是自动化设备深度优化的目标。

1.4 圆柱锂电池生产装配线的设计

对于圆柱电池产线的设计，针对客户提出的要求会有不同的设计，根据在生产过程中遇到的问题及相应的实践，主要要从以下几个方面去考虑：

①产品的工艺：包括电池的大小、极耳的大小、焊接的厚度等。

②厂房空间大小：据此安排生产线设备的具体位置，以及要优化的机构等，还要考虑人机工程，人工操作的方便性，以及后期维护的可操作性。

③设备的设计：结构越简单越好，这样更容易操作。

④生产线中节拍的分配：重点考虑瓶颈工位的效率，如果效率达不到，考虑将单工位改为双工位甚至多工位，同时高的安全性能和直通良率也是重点关注的点。

⑤产品定位方式：对于客户不同的需求，采用不同的产品定位方式，比如侧边定位、以两边为基准定位、夹具定位等。

⑥粉尘防止装置：圆柱电池装配线设备中基本都是每个需要除尘的设备中都有相应的除尘设施，比如集尘器、毛刷等。

⑦质量检测：整套装配线中会涉及CCD检测、电芯测厚检测、绝缘检测、短路检测等。

⑧生产线的外观的一致性：保持整套设备的美观。

设备组成及关键结构

2.1 卷芯上料机

圆柱锂电池的关键来料就是卷芯（极组），它是电池性能的重要保障之一，其制作工艺技术已经研究成熟，因此不再继续阐述。着重关注从卷芯（极组）开始装配的设备流程，圆柱锂电池的装配线从卷芯上料开始，包括卷芯（极组）托盘投入、输送线运输、卷芯（极组）供应、空托盘堆叠、排出、卷芯（极组）装入托杯、托杯输送等工序环节，整个过程对卷芯（极组）的定位要求准确，以及卷芯（极组）装入托杯的高精确度，卷芯（极组）上料的效率也是设备重点考虑的地方，提高自动化程度与生产效率是市场、企业对未来设备的要求方向。

具体的工序流程在后面会配合相应的设备详细介绍。

图3是利用16×16的极组（卷芯）专用托盘进行极组供给，具体流程如下：人工通过小车（或者托盘输送线）的方式将托盘投入到设备入口处，设备自动将托盘进行输送、分盘、定位，使用机械手将托盘中的极组取放到极组专用托杯中，为极组入壳设备进行供料，具体的工艺流程如图4所示。

图3 卷芯上料设备

图4 卷芯（极组）设备工艺流程

设备每个工位完成的具体动作包括如下步骤：①卷芯托盘供给；②托盘升降机；③托盘移送；④卷芯移送；⑤卷芯移送传送带；⑥卷芯直径检查。

卷芯上料设备布局如图5所示。

图5 卷芯上料设备布局

1—极组托盘小车；2—极组托盘供料；3—极组托盘传送；4—取出托盘内极组；5—极组放入进料工装内；6—空托盘叠放（5层）；7—空托盘叠放（10层）；8—空托盘小车排出

从上面的工艺流程中可以得知，卷芯上料机重点是把卷芯（极组）从托盘中取出并放在相应的托杯上，而准确性和工作效率是其重要的衡量标准。所以设备中的取料机械手的作用显得尤为重要，选取该结构作为关键结构详细说明，如图6所示。

图6 取料机械手

取料机械手在工作中，采用的16个夹子（手指）从极组托盘中取料，在气动装置的控制下可以高效完成相应动作。工作过程中的注意事项如下：

①卷芯夹取手指下降时有上下浮动功能。

②卷芯移送时一列的标准是16个。

③夹取手指的内部及角保证光滑，卷芯不会有损伤。

④卷芯内部不会因为夹取手指及套座移送而导致损伤。

2.2 J/R与B/I插入机

J/R即卷芯（极组），B/I即底部绝缘片。该工序的目的是将底部绝缘片(B/I)插入在极组(J/R)上，然后装入钢壳（或铝壳）中，这是圆柱锂电池装配线的关键流程。结构相对较复杂，设备所完成的动作较多。

J/R与B/I插入机用于实现电芯的(-)端部整理、(-)端部外径检测、NG出料、自动上料、(-)Tab定位、下绝缘片装入、折(-)内极耳、折(-)外极耳、钢壳自动供料、吸取粉尘、CCD检查绝缘片与极耳是否盖住中心孔、电芯入壳、NG排出、良品下料等功能。

J/R与B/I插入机如图7所示，其中极组由专用托杯通过输送链板进行供给进入设备入口，分别对极组的终端Tab、先端Tab进行定位整理，插入B/I并随即弯折Tab，通过视频(CCD)对Tab弯折状态与B/I状态进行实时检查；对钢壳内部进行除粉尘作业，钢壳插入极组。具体工艺流程如图8所示。

图7 J/R与B/I插入机

图8 工艺流程图

1）设备的组成及工位划分

①卷芯供料；

②B/I冲裁和插入；

③负极耳定位与折弯；

④CCD检查；

⑤钢壳供给及插入；

⑥钢壳插入卷芯单元；

⑦良品与NG品排出。

2）关键结构

J/R与B/I插入机设备布局如图9所示。

图9 J/R与B/I插入机设备布局

1—料机械手；2—先端Tab定位与终端Tab定位；3—底部绝缘片插入；4—底部绝缘片冲裁；5—先端Tab弯折&终端Tab弯折；6—极组插入钢壳（入壳）；7—钢壳供料；8—NG排出

从图9中可知，底部绝缘片(B/I)插入、底部绝缘片(B/I)冲裁、先端Tab弯折与终端Tab弯折、极组插入钢壳（入壳）、钢壳供料等比较关键，对整个装配出来的半成品有至关重要的作用，选取其中几个机构做详细的介绍说明。

①底部绝缘片(B/I)冲裁机构如图10所示。

图10 B/I（底部绝缘片）冲裁机构

1—伺服电机；2—上下导向；3—冲裁模具；4—B/I吸取机构；5—B/I卷料供给方向；6—B/I卷料回收装置

底部绝缘片(B/I)的冲裁机构工作时重要注意事项如下：

a．B/I冲裁和供给时不会因静电（有去静电离子发生器）导致供给错误发生；

b．B/I插入使用负压吸取方式；

c．B/I插入装置设计为可上下浮动的构造，插入时卷芯上部不会有损伤；

d．B/I片材质：PP/PET建议厚度为0.3mm；

e．B/I颜色：蓝色（颜色不允许白色和黑色）；

f．B/I供给确认，使用真空压力进行检查；

g．B/I冲裁不会出现中心口偏移的现象；

h．底部绝缘片的冲裁模具材质为SKD11。

②(-)2Tab（负极）折弯。如图11所示，负极的两个Tab折弯工艺以及其先后折弯顺序可以清晰看出来，在工作过程中，Tab的折弯和视频检查先后进行，做到加工的精确性和完整度，保证加工质量。

图11 Tab折弯机构

③钢壳供给机构。钢壳供给机构如图12所示，该机构的钢壳供给方式为包装箱供给钢壳，磁石吸附供给方式供给数量为10层。卷芯插入前在钢壳内部进行正压吹，采用负压吸的方式对钢壳进行清洁处理。

图12 钢壳供给机构

1—供料缓存Ⅰ；2—钢壳吸取装置Ⅰ；3—提升机构Ⅰ；4—换盘横移；5—钢壳输出；6—供料缓存Ⅱ；7—钢壳吸取装置Ⅱ；8—提升机构Ⅱ

2.3 Tab焊接与缩口机及T/I插入机

如图13所示，底部焊接机完成Tab焊接、缩口、插Pin、T/I插入等工艺，入壳后的极组投入设备，将(-)Tab与钢壳底部进行电阻焊接、钢壳口部缩颈、插入中心Pin、装入T/I。过程中会分别对焊接强度、缩口外径、中心Pin、T/I进行实时有效的检查判断。整体工艺流程如图14所示。

图14 整体工艺流程图

1）设备组成及工位划分

①电芯供料；

②卷芯中心孔整形；

③负极耳焊接部分；

④正极耳整形；

⑤整形后位置精度保证在±3˚以内；

⑥电池翻转180°；

⑦钢壳缩口；

⑧极耳定位与整形；

⑨T/I冲裁与插入；

⑩T/I检查；

⑪极耳整理。

2）关键结构

如图15所示的设备布局图中可知，Tab焊接与缩口机设备中(-)Tab焊接与拉力检查、缩口、中心Pin插入、T/I冲裁、T/I插入等比较关键，对整个装配出来的产品有至关重要的作用，选取其中几个机构做详细的介绍说明。

图15 关键结构设备布局

1—极组中心孔整理；2—视觉检测(CCD)；3—(-)Tab焊接与拉力检查（焊接设定值：电流、电压、压力）；4—缩口；5—中心Pin供应；6—中心Pin插入；7—(+)Tab定位；8—T/I冲裁；9—T/I插入

①负极Tab焊接机构。负极Tab焊接机构构成如图16所示，该机构主要完成负极处Tab与钢壳的焊接工序，完成之后同时进行拉伸检测，确定焊接后的强度能够满足要求。

图16 负极Tab焊接机构构成

②缩口机构。缩口机构构成如图17所示，该机构主要完成对卷芯的外壳即钢壳的缩口工序，缩小卷芯上部的钢壳外径，这对于电池的封装是个初步过程，为后续圆柱电池的封口做好铺垫。

图17 缩口机构构成

③Pin插入机构。Pin插入机构构成如图18所示，该机构主要完成将中心销(Pin)插入收口成型的卷芯内径中，包括Pin的供料、Pin的插入以及Pin高度检查等，工序完成的同时也完成了对Pin插入的检测，保证了工序的准确性以及完整度。

图18 Pin插入机构构成

1—升降机械手；2—气动手指与夹具；3—高度检测；4—载具与输送；5—二次定位

④T/I插入机构。T/I插入机构构成如图19所示，该机构主要完成对正极Tab的定位、顶部绝缘片(T/I)插入电池内部等工序，同时在动作完成以后对T/I插入进行检测，保障工序完成的准确性和完整度。

图19 T/I插入机构构成

1—升降机构；2—90°旋转；3—真空吸头；4—载具与输送

2.4 辊槽机及短路测试机

辊槽机及短路测试机（图20）是对前面加工好的半成品电池进行加工，即对电池的钢壳实施槽口加工进而滚压，并对电池内部进行短路测试。辊槽机由上料输送带、上料分料盘、辊槽机构、下料分料盘、下料传送带等部件和除尘机构与Hi-pot检测装置共同组成。辊槽通过采用横向进刀、上下同时压缩补给、背轮支撑的结构方式来实现钢壳槽口的成型。

具体工艺流程如下：电池投入后将托杯与电池分离，通过上下部的凸轮曲线运动，分别在电池长度方向进行机械压缩，利用滚刀在钢壳口部实施槽口的加工；对已完成辊槽工艺的电池进行尺寸检查（辊槽部位的外径、高度）与短路测试等。

关键结构：辊槽机及短路测试机设备布局如图21所示；其工艺流程如图22所示。

图21 辊槽机及短路测试机设备布局

1—电池投入；2—电池与托杯分离；3—辊槽（6个冲裁头）；4—电池与托杯结合；5—T/I检查；6—外径检测及高度检测；7—短路检测；8—X射线（电池排出）；9—NG排出

图22 辊槽机及短路测试设备的工艺流程

从图20的设备布局图中可知，辊槽、短路测试设备中辊槽机构、T/I检查机构、短路检测机构等是关键机构，对整个装配出来的产品有至关重要的作用，选取其中几个机构做详细的介绍说明。

①辊槽机构。辊槽机构如图23所示，该机构主要完成在电池的钢壳上进行辊槽，中间会完成电池和托杯的分离与结合动作，钢壳上部辊槽成型，目的是为了确保盖帽放置位置。

图23 辊槽机构

②短路测试机构。短路测试机构如图24所示，该机构主要完成在(+)Tab定位后，检测钢壳与卷芯(+)Tab间的电阻，保证电池内部的绝缘性，是电池装配完成前的检测工作。

图24 短路测试机构

2.5 (+)Tab激光焊接机

(+)Tab激光焊接机（图25）是圆柱电池装配的后环节，主要功能是将正极处的Tab与电池的盖帽进行激光焊接，并做进一步检测工序，后面详细介绍各个机构的工作过程。

将注液后的电池(+)Tab与盖帽进行激光焊接的工序包括：(+)Tab清洁、定位、CCD检测、激光焊接、焊接拉力测试、Tab弯折、盖帽压入等。

焊接设备结构布局如图26所示，可以看出(+)Tab焊接机每个工位的具体工作内容。其工艺流程如图27所示。

图26 焊接设备结构布局

1—电池供给；2—高度调整；3—Tab定位；4—DMC清洗（湿擦）；5—擦洗（干擦）；6—Tab定位(CCD)；7—盖帽供料；8—激光焊接；9—拉力检测；10—焊接位置检测(CCD)；11—极耳弯折；12—顶盖压入；13—高度检测；14—NG排出；15—随行治具

图27 激光焊接机工艺流程

从图26的设备结构布局图中可知，(+)Tab焊接机设备中激光焊接机构、拉力检测机构、极耳弯折机构、顶盖压入机构等是关键机构，对整个装配出来的产品有至关重要的作用，选取其中几个机构做详细的介绍说明。

①盖帽激光焊接机构。盖帽激光焊接机构如图28所示，该机构主要完成(+)Tab的定位、激光焊接Tab和盖帽、焊接强度检测、将盖帽插入中钢壳中等工序，每个工序都很关键，为后续的封口环节打好基础。

图28 盖帽激光焊接机构

②拉力测试机构。拉力测试机构如图29所示，它由压紧板、盖帽夹持机构、上下运动机构、拉力传感器、放大器等组成，用于检查焊接拉力是否满足强度要求。可根据要求自动设定检测的频次及拉力的大小，具有焊接拉力检测范围设置以及拉力异常报警停线功能。

2.6 封口机

封口机（图30）是圆柱电池装配的后环节，是对成型电池外表面钢壳进行包装封口，对电池外观的保护，使得电池内部的气密性更好，是圆柱电池装配的重要环节。封口机用于盖帽焊接后电池的口部密封。钢壳经封口1次或2次弯折整形作业后，蹲压电池上部端面，使电池内部保持密闭。

封口机设备主要工艺包括：DMC清洗、卷边1、DMC清洗、卷边2、蹲封等。其详细的工艺流程如图31所示。

图31 封口机设备工艺流程

封口机设备的整体布局如图32所示，可以清晰看到设备从电池供给到封口、检测完排出的加工整个过程。

图32 封口机设备的整体布局

1—托杯与电池供给；2—DMC涂抹；3—卷边；4—DMC涂抹；5—卷边；6—排出；7—托杯与电池供给；8—托杯与电池分离；9—空托杯回流；10—DMC涂抹；11—蹲封；12—高度检查；13—外形检查；14—NG排出；15—电池排出

从图32中可知，封口机设备中的卷边机构、蹲封机构、外形检测机构等是关键机构，对整个装配出来的产品有至关重要的作用，选取其中卷边蹲封机构做详细的介绍说明。其结构示意图以及工艺流程如图33与图34所示。

图33 卷边、蹲封结构示意图

图34 卷边、蹲封工艺流程

封口机通过3爪与封口模具对电池进行1次、2次的卷边封口，然后利用上模具对电池表面进行蹲封工艺，目的是为了电池高度保持一致。

圆柱型电芯Pack系统智能制造

Pack的意思就是包装，电池pack指的就是组合电池，也就是动力电池的包装、封装或者装配过程。我们都知道动力电池内部包括电解液、隔膜、正/负极材料等，这些东西组合在一起成了电芯；而多个单独的电芯通过特定的方式进行包装成组最后就形成了我们的动力电池，动力电池加上电池管理系统、电气和机械系统等就能够变成电动汽车的能量来源，而这整个过程所用到的就是电池pack。

电池包(pack)：一般是由多个电池组集合而成的，同时，还加入了电池管理系统(BMS)等，也就是电池厂最后提供给用户的产品。

今天以某产品为例讲讲电池pack系统，该产品主要应用于物流车和乘用车。

Pack产品信息

图1 产品装配图

使用18650或21700电芯计算，模块长度最大为360mm×430mm×75.5mm。

工艺方案选择

根据对产品市场导向及市场需求的分析，该项目目标产品LR2170型电芯电池包生产拟采用插接式工艺路线，产品主要应用于物流车和乘用车。

电芯单层阵列组成的模块，层层叠加组成模组，几个模组安装在电池箱里并进行连接，增加管理系统，最终形成电池包。可以根据客户的需求，变更阵列样式、层数、模组串联数量等设计，以便生产出各种形状和性能参数的电池包产品。

目前主流的工艺为插接式、电阻焊和铝丝焊，详细对比见表1。插接式结构简单，成本低，安全性能好。

表1 三种工艺方案优缺点比较

该项目采用高自动化插接式生产技术，与行业内成熟自动化设备供应商共同优化设计，形成了目前的高自动化生产技术。采用插接式模组工艺，可根据客户要求，组装成各种形状的电池包，型号开发难度小。采用插接式模组工艺，激光焊无耗材，易维护，成本低。

Pack工艺流程

该项目的汽车动力电池包生产工艺主要由模组生产、电池包生产和容量检验三个工段组成。项目针对装配工艺特点，采用全自动和半自动结合的工艺流程，提高生产效率，降低人力成本。采用自动化插接式模组工艺和半自动电池包工艺，此工艺路线在电池包产品性能和可制造性方面均进行了全面的考虑。

该项目工艺流程以智能制造为设计原则，采用MES管理生产计划；对班组信息、设备信息、原材料批次信息、生产过程数据和质量检测数据进行全面的自动采集和汇总分析，实时监控生产状态和质量状态；可根据原材料批次信息追溯产品信息，以及通过产品批次信息追溯原材料信息和生产过程信息。

3.1 全自动模组装配

电芯车间生产电芯分档后存放于定制料盒中，然后按档次和批次存放在电芯成品仓库里，AGV系统根据MES中生产计划自动转运电芯至全自动模组上料区。

上料区电芯由工业机器人上料至自动流水线。电芯经过扫码分选单元，记录电芯批次、复测电压和内阻；合格电芯经过PET膜去除单元，去除负极底部PET膜；经等离子体清洗单元，去除电池盖和电池壳底部表面污渍；进入支架单元，电芯按照一定阵列形式插入支架；经激光打码单元，根据MES设定在支架上标记打码，并与电芯信息进行绑定；经弹片激光焊接单元，将支架中的弹片与电芯正极进行焊接；经并连片上料安装单元，将并连片安装在支架上；经并连片激光焊接单元，将并连片与弹片进行焊接。至此，模组的子单元模块全部完成，插接式最上层模块与中间层模块的支架和焊接参数略有区别，通过设定自动线参数，可实现两种模块按照设定比例交替生产。

1个负极支架，若干个中间模块，1个正极模块在插接组装单元层层摞起来并挤压，串联为一个初步的模组；经极柱安装工位，分别在模组正负极汇流板安装极柱；经固定板安装工位，在汇流板上安装固定板；经加热带安装工位，在模组电芯间隙插入加热带；在PCB板安装工位，安装PCB板和温度电压采集线束；在模组打包工位，对模组进行固定；在EOL检测工序，检测成品模组的电阻和电压等参数。具体工艺流程如图2所示。

图2 全自动模组装配工艺流程

3.2 半自动电池包的装配

AGV系统根据MES中生产计划将原材料自动转运至上料区，在上料单元，线体定制AGV将电池箱托起，依次经过各道工序；在清洁工位，采用吸尘器对电池箱进行异物清洁；在高压线缆和组件安装工位，将高压线缆和组件安装到电池箱相应位置；在BMC和LMC组装工序，将BMC和LMC安装到电池箱相应位置；在入箱和固定工位，工人在自动提升系统协助下将模组安装到合适位置；在线束安装与整理工位，安装相应线束并整理，在半成品检测工序，进行Pulse充放电等检查项目，检验装备的正确性；在封箱工序，涂胶并安装上盖板；在成品检验工序，检验绝缘性和气密性。

本线体中所有螺钉的装配力矩都有明确的规定，通过自动或半自动拧紧装置进行转配。半自动电池包装配工艺流程如图3所示。

图3 半自动电池包装配工艺流程

3.3 容量检测

AGV系统根据MES中生产计划将半成品区的待测电池包转运至测试区，人工接线后，测试系统自动检测电池包容量并上传数据至MES，测试完成后打包入库。容量检测工艺流程如图4所示。

图4 容量检测工艺流程

Pack生产制造

Pack生产制造流程：中间支架组装→电芯上料→电芯筛选（OCV/IR测试）→PET膜去除→等离子清洗→电芯检验→电芯入中间支架→焊接→汇流排组装焊接（正/负极支架组合焊接）→焊点检查→模组及端板绑定→模组转接端子组装→PCB板采集线束和加热片安装→模块检验→模组下线流转。

Pack线从电芯上料至模组装配的工序流程如图5所示。

图5 Pack线从电芯上料至模组装配的工序流程

4.1 产线布局

Pack产线设备布局如图6所示。

图6 Pack产线设备布局

4.2 电芯上料

1）功能：电芯上料的主要功能为从纸盒或标准托盘中取出电芯到自动线。

2）工艺技术：

①托盘用标准出货纸盒取出，设备自动将电芯从纸盒中取出上线。

②扫描电芯上的条形码（条形码位于电芯的侧面），和电芯来料数据比对。

3）电芯上料设备：电芯上料设备如图7所示。AGV小车将满电池盒的托盘运送至上料位，CCD相机拍照定位，距离传感器检测高度，夹爪进行抓取操作并将托盘放置在倍速链输送线上。料盒抓取完后，AGV小车将空托盘运送至电芯堆放区。

图7 电芯上料设备

电芯上料设备的特点如下：

①AGV小车整托盘上料，节约上料时间。

②相机定位，四轴调整，保证抓取动作既准确又稳定。

③夹爪具有防撞功能，保证电芯、料盒的安全。

4）上料过程：电芯上料如图8所示，料盒通过上层输送线运送至电芯抓取工位进行定位，夹爪将料盒抓取至线体两侧，对料盒进行90°翻转，电芯抓取机构将电芯抽取至电芯输送线上，导向机构下降并对电芯进行输送。空箱通过升降机运送至下层倍速链，运送至堆叠工位，可堆叠4跺，满料后将提示人工取走。

图8 电芯上料

电芯上料过程的特点如下：

1）空箱回流后进行堆叠，满料后将产生报警提示，减少人工的操作时间。

2）抓取料采用双工位，做到故障不停机。

3）抓取后输送导向机构保证了电芯搬运的稳定高效。

4.3 电芯检测

电芯检测如图9所示。上料夹爪从输送线上一次抓取12只电芯，变间距后放置在步进托板上，并由其将电芯运送至扫码工位，滚轮带动电芯旋转，CCD相机自动抓取电芯上的条码信息，并上传至MES。在OCV/IR测试工位，压板将电芯压紧，探针同时对12颗电芯进行测试，并将测试信息上传至MES。下料机械手根据扫码及测试情况将电芯放置到OK输送线或NG工位。

图9 电芯检测

电芯检测的特点如下：

1）采用专利技术，对多组电芯条码进行滚动扫描，高效且稳定。

2）采用专用同轴高频探针，保证电芯测量的精度和分选的准确率，且更换也比较方便。

3）将NG电芯按照扫码不良、测试不良、压降过大及批次不符等情况，进行分类存储，以便于质量追溯。

4.4 电芯筛选（OCV/IR测试）

1）功能：

①测试每只电芯的OCV和ACIR，并将测试数据和电芯数据绑定后上传至MES。在联机状态下，由MES判断电芯是否合格；在单机状态下，数据存取在本地；联机时，自动上传至MES。

②将测试合格的电芯流入下一道工序，不合格的电芯单独流出，并及时提醒员工取出。

2）工艺技术：

①电芯电压为0~5000mV，分辨率为0.01mV，精度为±0.3mV，整体测试精度为±0.3mV。

②电芯内阻为0～2mΩ，分辨率为0.01mΩ，精度为±0.02mΩ，整体测试精度为±0.04mΩ。

电芯内阻为2～5mΩ，分辨率为0.01mΩ，仪表精度为±0.02mΩ，整体测试精度为±0.04mΩ。

③测试OCV和IR的标准使用MES中的数值，技术人员可以根据需要进行更改。

④针对给出的电芯型号与外形，电压内阻测试仪的测试夹具具有高精度、耐用（接触探针的使用寿命不小于3000000次）、易于维护和易于换型等特点；由于电芯壳为铝壳，表面可能会有氧化层，探针端面开齿槽能够刺破电芯表面氧化层，防止误判。

⑤软件功能：具备权限管理功能、记录功能、查询功能、修改删除功能、报表输出功能、Excel导入与导出及提供数据库外接口。

⑥在测试、分选过程中，电芯表面不得出现任何划伤和磕碰等。

（5）电芯剥皮

1）功能：

①将电芯外表面的PET膜去除。

②去除电芯正极的绝缘片。

③检测电芯外观。

④检测电芯入装极性位置。

2）工艺技术：

①不能破坏电芯的涂层。

②电芯内表面瞬间温度不能超过80℃。

③对于外观及极性位置不良的自动剔除，并提醒工作人员取走。

3）电芯剥皮操作：如图10所示，步进线将12只电芯同时送到第一次激光切割位，上滚轮压住电芯，下滚轮转动，激光器进行环形切割；步进至第二次激光切割位，激光从环形至底部进行切割；电芯至剥皮工位用压板压住正极侧，夹爪将电芯外皮剥离，并由压缩空气吹出料仓。

图10 电芯剥皮

电芯剥皮的特点如下：

①可同时对多只电芯进行处理，生产效率比较高。

②用伺服系统控制电芯旋转，可保证电芯外皮切割的完整性。

③分次对电芯表皮进行切割，保证了剥皮的可靠性。

4.6 电芯入工装

如图11所示，夹爪从输送线上抓取电芯，分间距后放置在导向槽上。推板将电芯推入旋转导向，旋转导向翻转90°并移动至入壳工位。电芯工装通过机械手从倍速链输送线上抓取至入壳工位，入壳气缸将电芯压入电芯工装内。装满电芯的工装通过机械手抓取至倍速链输送线上。

图11 电芯入工装

电芯入工装的特点如下：

①进入工装时有精确导向，保证电芯不会倾斜划伤。

②多只电芯同时进气入工装，生产效率比较高。

4.7 等离子清洗

1）功能：对电芯表面进行等离子清洗。

2）工艺技术：清洗完成后，电芯表面去尘，无污物和杂质。

3）等离子清洗的操作：如图12所示，装满电芯的工装通过倍速链输送线运送至等离子清洗工位后进行定位，XY二轴机械手带动等离子清洗头对电芯正极表面进行清洗。

图12 等离子清洗

等离子清洗的特点如下：

①等离子清洗路径及时间可自由设定，保证清洗效果。

②电芯清洗完成后立即会将支架盖上，避免再次污染。

4.8 电芯入中间塑料支架

1）功能：

①将中间塑料支架组合体（中间塑料支架、弹片和电压采集弹片）上料。

②焊接弹片依次装入到上支架内。

③电芯按照模块要求依次插入装有弹片的上支架内，并挤压保证电芯正极极柱和弹片接触。

2）工艺技术：

①电芯插接到位，保证正极极柱和弹片完全接触。

②若电芯位置和极性与要求不符，必须立刻报警提醒操作人员进行处理。

3）电芯安装支架：如图13所示，电池支架放置在料架里，人工将料架推入料仓。提升装置将料仓一层层托起，搬运机构将电池支架推送至搬运位并加以定位。四轴机器人抓取电池支架，通过CCD相机定位后放置在装满电芯的工装板上。电芯支架运送至激光打码工位打码，数据绑定并上传至MES。

图13 电芯安装支架

电芯安装支架的特点如下：

①支架料车每侧两台，其中一台备用，不影响生产。

②缓存槽可加以调节，以适应不同规格的模块。

③可缓存15min用量，料槽有缺料提前预警功能。

4.9 激光焊接

1）功能：

①使汇流排（中间塑料支架）完整地焊接到电芯的正极端（弹片与电芯焊接，弹片与连片焊接），并将数据上传至MES。

②使汇流排（正极塑料支架）完整地焊接到电芯的正极端（弹片与电芯焊接，弹片与连片焊接），并将数据上传至MES。

③使汇流排（负极塑料支架）组合与弹片激光焊接，并将数据上传至MES。

④焊接后自动检测焊点质量是否合格。合格产品流入下一道工序，不合格产品单独流出，并及时提醒工作人员取出。

2）工艺技术：

①不能焊穿汇流排及电芯的正极端。

②焊点强度（剥离力）应大于100N。

③能够焊接镍片、钢片等。

④一个产品的焊接参数放在一个文件里（一个产品一个文件）包含设置参数、运动参数和坐标、原点或零点坐标、测距Spec、偏差Spec及焊点检测对比参数等。切换产品时只需要选择这个产品文件，不需要额外动作。

⑤设备PLC与计算机间的通信协议。

⑥产品信息上的输入与输出功能。

⑦界面有焊点布局图，对Pass和Fail不同焊点有颜色显示。

⑧可设置产品文件数据来源于本地还是服务器，服务器可设置和导入焊接参数。

⑨焊接工装便于及时换型使用。

⑩对中途发生的异常作业，操作人员可通过调整，继续后续焊接。

⑪ 配备自动焊点检查功能。

3）激光焊接操作：如图14所示，支架运送至第一焊接位置定位后进行弹片与电芯正极的焊接。人工将并连片放置在料盒里，规整气缸进行规整，测距传感器测量并连片厚度，上料机械手根据测量的厚度抓取并连片将其放置在支架上。支架在第二焊接工位定位后进行并连片与弹片的焊接，每颗电芯的焊接数据都会上传至MES。

图14 激光焊接

激光焊接的特点如下：

①料盒分别位于左右两侧，更换料时不需要停机。

②规整定位，测量厚度，抓取安全可靠。

③采用振镜焊接方式，生产效率非常高。

4.10 模块堆叠

如图15所示，六轴机器人将负极支架、焊接模块和正极支架依次堆叠至模块堆叠位。电缸使用力矩模式将模块压紧，并记录、判断高度是否在允许范围内，然后移动至人工工位进行焊点检查。待往复运动至模组拼接完成后，六轴机器人将模组放置在出料工位上。

图15 模块堆叠

模块堆叠的特点是：每层模块都要压紧并记录高度数据，以保证拼接的可靠性。

4.11 模组组装及下线

如图16所示，在模组加压工位，人工装上两侧的端板，设备自动将模组加压至设定长度，自动记录压力值并判断是否在安全值范围内。梯形丝杠有自锁功能保证模组长度，人工在下一工位进行打包并安装线束。对模块进行绝缘测试及DCIR测试，人工进行附件的安装。完成后由六轴机器人自动将模组搬运至AGV小车上，运送至指定地点。

图16 模组组装及下线

1）模组插接组装

①功能：

a.在焊接好的Cellblock上安装并联汇流排。

b.按照7层模块进行堆叠。

②工艺技术：每层模块插接堆叠都必须挤压到位，并记录高度值。

2）采集线束安装：

①功能：人工安装PCB板采集线束和加热带。

②工艺技术：需要扫描检测是否安装零部件，若无自动报警提醒操作人员。

3）DCIR测试：

①功能：

a.按照测试流程进行测试，通过探针记录每一串电芯的电压。

b.记录每一串电芯的直流阻抗。

c.测试完直流内阻后需要将电芯SOC调成初始值或设定值。

计算的内阻是SOC的函数来自脉冲功率测试数据：脉冲放电10s后的放电内阻；反馈脉冲10s后的反馈内阻。

②工艺技术：

a.记录每一串电芯的电压，记录间隔为0.1s。

b.对于不同模块的测试工序需要容易更换，探针需定期更换。

c.对于测试意外停止的产品应记录其充放电容量，并可以依据此记录指导返工。

4）下料单元：

①功能：将制作好的模块按顺序下料到模块流转车中或AGV小车中。

②工艺技术：运转模块的周转车厂家设计；下料时对物料车和电芯包扫描条码，并将数据上传到MES。

模组组装及下线的特点是：模组组装的同时记录长度值及压力值，保证模组组装的可靠性。

4.12 弹片安装（单机）

如图17所示，弹性连接片通过振动盘上料，出料后通过磁性立柱将弹片吸起并插入到治具导向孔内。治具移动至下一工位，CCD相机拍照并判断弹片的角度，旋转弹片导向孔至正确角度。夹爪将治具抓起并移动至电芯支架上方，压杆将弹片压入支架孔内。治具通过步进线回流至弹片安装工位，完成一个循环。

图17 弹片安装（单机）

弹片安装的特点是：振动盘出料时弹片位置不稳定，应先插入导向孔，再判断角度，保证弹片安装的准确性。

4.13 正极铜牌焊接（单机）

正极铜牌焊接（单机）如图18所示。人工将正极铜牌和过渡片放置在料盒里，规整气缸进行规整，测距传感器测量厚度，上料机械手根据测量的厚度依次抓取正极铜牌和过渡片放置在工装上。工装移动至激光焊接位置后定位进行激光焊接。焊接完成后的铜牌通过机械手抓取至下料位置。

图18 正极铜牌焊接（单机）

正极铜牌焊接的特点是：一台正极铜牌焊接机可以同时满足两条生产线的生产需求。

4.14 Pack EOL测试

Pack EOL测试的主要功能及检测基本内容有：箱体漏电检测、绝缘电阻检测、耐压检测、BMS系统功耗、通信端口功能检测、软硬件版本确认、LMU数据采集功能、数据精度检测、高压端口电压和极性检测、充电功能检测、其他I/O功能检测、仿真信号输入、报警信息确认、Pulse功能测试、国标直流内阻测试、采样数据分析、测试报告及数据MES存储。Pack EOL测试工艺流程如图19所示。

图19 Pack EOL测试工艺流程

审核编辑：黄飞