趙向明 高曉勇 劉世強(qiáng)

摘要：為了提高新能源車輛鋰離子電池使用壽命，延長電池模組動力的持續(xù)時間，對目前市面上的鋰離子電池模組動力供應(yīng)系統(tǒng)及其相關(guān)智能制造、裝配技術(shù)進(jìn)行研究，基于其動力供應(yīng)特點(diǎn)和實(shí)際需求，分析了電池模組結(jié)構(gòu)組成、具體功能作用和基本組成形式，設(shè)計了動力電池模組整體結(jié)構(gòu)布局，同時聯(lián)合偏差模擬方法建立全局敏感矩陣，以動力電池模組數(shù)據(jù)信息集合為裝配序列基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了對鋰離子電池模組的智能化智造、裝配，并借助相關(guān)算法模型，計算和重新定義電池模組的裝配序列工位規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)確估算電池模組按需智能裝配的消耗時長。

關(guān)鍵詞：新能源汽車；車輛電源；動力供應(yīng)元件；電池模組；智能制造；裝配技術(shù)；穩(wěn)態(tài)性優(yōu)化

中圖分類號：U472? 收稿日期：2023-04-15

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.08.003

1 前言

目前，電池模組是一種已在新能源汽車中得到廣泛推廣與認(rèn)可的新興動力供應(yīng)元件。就現(xiàn)階段實(shí)際應(yīng)用情況而言，新能源車輛電源鋰離子電池模組供應(yīng)成本持續(xù)上漲，已經(jīng)超過汽車總成本的80%，而在未來的市場中，新能源車輛電源鋰離子電池模組勢因其穩(wěn)定、強(qiáng)大的電源續(xù)航能力，勢必會提高新能源汽車制造的行業(yè)競爭力水平[1]。

電池模組的實(shí)際性能決定了新能源汽車整體的動力性、經(jīng)濟(jì)性與穩(wěn)態(tài)性，甚至?xí)绊懞完P(guān)系到未來新能源汽車的普及與推廣。但是目前市場中很多新能源汽車所選用的動力電源電池模組封裝材料均為穩(wěn)態(tài)性較差的鋁塑制品。這種材料與市面上使用較為普及的傳統(tǒng)動力電池模組相比，整體結(jié)構(gòu)散熱性不強(qiáng)，這不僅會嚴(yán)重影響電池模組的實(shí)際放電容量，而且還會大大縮短新能源汽車電池模組使用壽命，甚至有可能降低汽車動力供應(yīng)穩(wěn)定行與安全性[2]?；诖耍瑢π履茉窜囕v電源鋰離子電池模組動力供應(yīng)穩(wěn)態(tài)性進(jìn)行智能裝配技術(shù)優(yōu)化研究，有助于提高動力電池模組的穩(wěn)定續(xù)航能力。

2 電池模組智能制造技術(shù)

2.1 新能源汽車動力電池模組結(jié)構(gòu)組成

常見的新能源汽車的動力電池模組分別由多個不同的結(jié)構(gòu)共同組建而成，其中包括鋰離子電池、BMS系統(tǒng)、連接器、電芯、鑰匙開關(guān)及外殼等部件，其詳細(xì)功能作用介紹如下：

a.具備雙向轉(zhuǎn)換功能的鋰離子電池。它是新能源車輛電源鋰離子電池模組動力供應(yīng)穩(wěn)態(tài)性技術(shù)優(yōu)化的關(guān)鍵所在，主要承擔(dān)著為汽車動力電池模組進(jìn)行充電、放電的功能，在充放電時，鋰離子電池能夠?qū)崟r將化學(xué)能、電能轉(zhuǎn)換為具體的能量。

b.BMS系統(tǒng)。該系統(tǒng)在汽車行進(jìn)過程中，能夠發(fā)揮良好的減震、隔離作用，可有效避免汽車動力電池模組劇烈晃動[3]。

c.連接器。連接器作為一種功能輸出接口，它可以匹配連接新能源汽車動力端與電量輸出端，保證電池模組正常工作。

d.電芯。這里的電芯是指鋰離子電池的電化學(xué)電芯，它分別包含“正極”和“負(fù)極”兩個極端，一般而言，鋰離子電池使用的電芯為聚合物電芯，這種電芯粒徑小、純度高、電化學(xué)性能強(qiáng)。

e.鑰匙開關(guān)。它主要負(fù)責(zé)新能源汽車動力電池模組中鋰離子電池的閉合狀態(tài)與連接狀態(tài)控制。

f.外殼部件。它主要分布于新能源汽車鋰離子電池模組的外部區(qū)域，可以實(shí)時保護(hù)內(nèi)部鋰離子電池過充或過放故障發(fā)生。

g.鎳帶導(dǎo)線。這是一種重要的部件，能夠通過電流形式，建立串聯(lián)連接或并聯(lián)連接關(guān)系，從而確保新能源汽車動力電池模組相關(guān)動力供應(yīng)元件之間始終能夠保持良好的連續(xù)輸出狀態(tài)。

2.2 新能源汽車動力電池模組布局設(shè)計

在布局設(shè)計動力電池模組整體結(jié)構(gòu)時，首先需要按照新能源汽車實(shí)際功能所需，合理規(guī)劃BC片、PC片所處具體位置。從圖1中的結(jié)構(gòu)連接形式可以看出，每個側(cè)板結(jié)構(gòu)上端均勻分布的PC片都能對汽車電池模組放電容量完整記錄，同時還可準(zhǔn)確計算新能源汽車在行進(jìn)時電池模組電力傳輸量合理的電力供應(yīng)量，由此對元件和電池模組工作狀態(tài)進(jìn)行合理保護(hù)，使其可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。除了左側(cè)邊緣側(cè)板與右側(cè)邊緣側(cè)板之外，每個BC片主要用于根據(jù)新能源汽車電池模組動力行為的具體表現(xiàn)，對其未來具體行進(jìn)路徑進(jìn)行合理規(guī)劃，在此過程中，BC片結(jié)構(gòu)能夠使電池模組呈現(xiàn)出更加穩(wěn)定的動力供應(yīng)態(tài)勢，避免電量不合理供應(yīng)部分出現(xiàn)[4]。

3 電池模組智能裝配技術(shù)

3.1 基于“偏差模擬法”規(guī)劃電池模組裝配序列

本文使用“偏差模擬方法”描述動力電池模組智能裝配層與零件層全局敏感矩陣偏差量線性關(guān)系，并以此為基礎(chǔ)，按照下列矩陣規(guī)劃新能源車輛電源鋰離子電池模組動力供應(yīng)穩(wěn)態(tài)性行為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息集合影響[5]，具體如下：

式中，a為電池模組動力供應(yīng)穩(wěn)態(tài)性智能裝配零件層偏差系數(shù)；b為電池模組動力供應(yīng)穩(wěn)態(tài)性智能裝配層偏差系數(shù)。

假設(shè)研究對象為電池模組，在建立式（1）所示的全局敏感矩陣的基礎(chǔ)上，通過對a、b等指標(biāo)參量的實(shí)配關(guān)系進(jìn)行分析，同時針對電動汽車動力電池模組智能裝配元件進(jìn)行操作，即可掌握智能裝配順序，從而徹底解決電池模組裝配序列排序問題。本研究假設(shè)電池模組智能裝配系數(shù)指標(biāo)ε的隨機(jī)結(jié)果始終屬于全局敏感矩陣集合，同時假設(shè)[d]代表動力電池模組在行進(jìn)時的動力供應(yīng)基礎(chǔ)條件，然后與式（1）聯(lián)立，則得到電池模組動力供應(yīng)穩(wěn)態(tài)性序列規(guī)劃結(jié)果表達(dá)式：

式中，k為電池模組既定的智能裝配標(biāo)定序列標(biāo)號。為了使電動汽車動力電池模組智能裝配更貼近于我國新能源汽車行進(jìn)過程中的實(shí)際電量信號供應(yīng)需求，式（2）中的k的取值范圍既不能等于其最大值n，也不能等于其初始值1。

3.2 劃分動力電池模組實(shí)時裝配工位

在電池模組優(yōu)化可用智能裝配工位表示，在其序列規(guī)劃條件既定前提下，一般認(rèn)為，動力電池模組兩個相鄰工位之間物理距離越近，其所能提供的實(shí)時動力強(qiáng)度就越大；相反，如果動力電池模組兩個相鄰工位之間的物理距離越遠(yuǎn)，其所能提供的實(shí)時動力強(qiáng)度就越小[6]。基于此，本研究假設(shè)某款新能源汽車動力電池模組的兩個相鄰工位的定義坐標(biāo)依次為I1、I2，此時動力電池模組的動力供應(yīng)系數(shù)最小值為μmin，而最大值為μmax，然后與式（2）聯(lián)立可以得到相鄰兩個動力電池組的物理距離極值表達(dá)式：

式中，[dmax]、[dmin]分別為新能源汽車相鄰兩個動力電池組的物理距離最大值和最小值。假設(shè)m為既定時刻電池模組初始權(quán)限，X為新能源汽車動力電池組電信號值，聯(lián)立式（2）、式（3）可得到既定時刻電池模組動力供應(yīng)穩(wěn)態(tài)性優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)：

據(jù)此，根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)可實(shí)時掌握電池模組分布態(tài)勢，從而利用已知序列規(guī)劃條件，實(shí)現(xiàn)對動力電池模組實(shí)時裝配工位進(jìn)行準(zhǔn)確劃分。

3.3 估算電池模組動力供應(yīng)穩(wěn)態(tài)性時間

新能源車輛電源鋰離子電池模組動力供應(yīng)穩(wěn)態(tài)性時間主要是指從制造到裝配的完整生命周期。因每個電池動力模組的實(shí)際設(shè)備在其所處的智能制造裝配工位中的位置有所不同，所以會導(dǎo)致整個動力電池模組的智能裝配時間長度存在較大的差異[7-10]?；诖耍狙芯考僭O(shè)k1與k2分別為兩個不同的動力參量供應(yīng)指標(biāo)，且它們均與實(shí)際電信號輸出值有關(guān)，若k1≠k2，則該動力參量不等式條件恒成立。另外假設(shè)新能源汽車電信號輸出均值為[y]，電池智能裝配系數(shù)為[?]，電池智能裝配特征為j，根據(jù)上文可以得到特定模組區(qū)間內(nèi)的與電池模組相關(guān)的裝配時間估算公式。通常情況下，電池模組穩(wěn)態(tài)性取值應(yīng)小于等于電信號長[11]。公式如下：

3.4 汽車模型實(shí)驗分析

本研究選取新能源汽車模型進(jìn)行試驗分析，依次在試驗?zāi)Ｐ椭邪惭b普通動力電池組與智能制造裝配技術(shù)下的動力電池模組，然后分別取550 Ω和1 050 Ω作為試驗?zāi)Ｐ偷膬?nèi)阻取值試驗參數(shù)，并將電池模組所有感應(yīng)開關(guān)完全閉合，使新能源汽車保持30 min的穩(wěn)定行進(jìn)，同時針對實(shí)驗組、對照組的電池模組放電容量數(shù)值實(shí)時變化波動情況進(jìn)行分析，得到如圖2所示的波動曲線。

由圖2可以看出，與普通模組相比，使用智能制造裝配技術(shù)可以使電池模組動力供應(yīng)保持充分的穩(wěn)態(tài)性，且在動力供應(yīng)時的內(nèi)阻R值不同時，在1 050 Ω的大內(nèi)阻條件下，電池模組放電容量均值水平可以實(shí)現(xiàn)最大化，且有利于提高電池模組使用性能，延長動力供應(yīng)時間，同時能夠在有效的動力供應(yīng)條件下保持相對穩(wěn)定的放電能力。

4 結(jié)語

本研究測試結(jié)果表明，新型智能制造裝配技術(shù)在新能源汽車動力供應(yīng)中的應(yīng)用實(shí)踐，不但能夠為新能源汽車提供必要的動力供應(yīng)保障，而且有助于提高動力電池模組的穩(wěn)定續(xù)航能力，且能夠延長電池模組實(shí)際放電容量，保證新能源汽車動力電池模組動力供應(yīng)狀態(tài)可靠、經(jīng)濟(jì)、安全、穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)：

[1]阮祖.新能源汽車動力電池模組的設(shè)計開發(fā)[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2022（18）：25-27.

[2]張清郁.基于智能化控制的新能源汽車動力電源系統(tǒng)電池模組堆疊控制系統(tǒng)設(shè)計[J].綠色科技，2021，23（24）：222-224.

[3]朱小燕.無模組技術(shù)在新能源汽車動力電池中的應(yīng)用與研究[J].科技與創(chuàng)新，2020（15）：159-161.

[4]朱佳偉，史新民，秦小州.基于新能源汽車退役動力電池模組梯次利用的保護(hù)電路[J].電子世界，2020（9）：152-155.

[5]劉立新，盛青山，趙曉燕.新能源汽車動力電源系統(tǒng)電池模組堆疊智能控制系統(tǒng)研究[J].機(jī)床與液壓，2019，47（21）：135-138+159.

[6]張孝政.汽車動力電池模組自動化裝備的系統(tǒng)設(shè)計[D].深圳：深圳大學(xué)，2018.

[7]楊炤宇.動力電池模組自動化制造系統(tǒng)的設(shè)計[D].深圳：深圳大學(xué)，2018.

[8]李海君.新能源汽車用鋰動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2018.

[9]張國路.電動汽車動力電池荷電狀態(tài)估計及均衡技術(shù)研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2018.

[10]李杰浩.新能源汽車動力電池模組并聯(lián)特性的研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2018.

[11]張沛賢，謝秋菊，方君寧.新能源汽車用電池及電池模組的標(biāo)準(zhǔn)化探究[J].中國標(biāo)準(zhǔn)化，2017（10）：6-7+9.

作者簡介：

趙向明，男，1983年生，工程師，研究方向為汽車檢測與維修。