Pack的意思就是包裝，電池pack指的就是組合電池，也就是動力電池的包裝、封裝或者裝配過程。我們都知道動力電池内部包括電解液、隔膜、正/負極材料等，這些東西組合在一起成了電芯；而多個單獨的電芯通過特定的方式進行包裝成組最後就形成了我們的動力電池，動力電池加上電池管理系統、電氣和機械系統等就能夠變成電動汽車的能量來源，而這整個過程所用到的就是電池pack。
電池包(pack)：一般是由多個電池組集合而成的，同時，還加入了電池管理系統(BMS)等，也就是電池廠最後提供給使用者的産品。
今天以某産品為例講講電池pack系統，該産品主要應用于物流車和乘用車。
Pack産品資訊
圖1 産品裝配圖
使用18650或21700電芯計算，子產品長度最大為360mm×430mm×75.5mm。
工藝方案選擇
根據對産品市場導向及市場需求的分析，該項目目标産品LR2170型電芯電池包生産拟采用插接式工藝路線，産品主要應用于物流車和乘用車。
電芯單層陣列組成的子產品，層層疊加組成模組，幾個模組安裝在電池箱裡并進行連接配接，增加管理系統，最終形成電池包。可以根據客戶的需求，變更陣列樣式、層數、模組串聯數量等設計，以便生産出各種形狀和性能參數的電池包産品。
目前主流的工藝為插接式、電阻焊和鋁絲焊，詳細對比見表1。插接式結構簡單，成本低，安全性能好。
表1 三種工藝方案優缺點比較
該項目采用高自動化插接式生産技術，與行業内成熟自動化裝置供應商共同優化設計，形成了目前的高自動化生産技術。采用插接式模組工藝，可根據客戶要求，組裝成各種形狀的電池包，型号開發難度小。采用插接式模組工藝，雷射焊無耗材，易維護，成本低。
Pack工藝流程
該項目的汽車動力電池包生産工藝主要由模組生産、電池包生産和容量檢驗三個工段組成。項目針對裝配工藝特點，采用全自動和半自動結合的工藝流程，提高生産效率，降低人力成本。采用自動化插接式模組工藝和半自動電池包工藝，此工藝路線在電池包産品性能和可制造性方面均進行了全面的考慮。
該項目工藝流程以智能制造為設計原則，采用MES管理生産計劃；對班組資訊、裝置資訊、原材料批次資訊、生産過程資料和品質檢測資料進行全面的自動采集和彙總分析，實時監控生産狀态和品質狀态；可根據原材料批次資訊追溯産品資訊，以及通過産品批次資訊追溯原材料資訊和生産過程資訊。
3.1 全自動模組裝配
電芯工廠中的房間生産電芯分檔後存放于定制料盒中，然後按檔次和批次存放在電芯成品倉庫裡，AGV系統根據MES中生産計劃自動轉運電芯至全自動模組上料區。
上料區電芯由工業機器人上料至自動流水線。電芯經過掃碼分選單元，記錄電芯批次、複測電壓和内阻；合格電芯經過PET膜去除單元，去除負極底部PET膜；經等離子體清洗單元，去除電池蓋和電池殼底部表面污漬；進入支架單元，電芯按照一定陣列形式插入支架；經雷射打碼單元，根據MES設定在支架上标記打碼，并與電芯資訊進行綁定；經彈片雷射焊接單元，将支架中的彈片與電芯正極進行焊接；經并連片上料安裝單元，将并連片安裝在支架上；經并連片雷射焊接單元，将并連片與彈片進行焊接。至此，模組的子單元子產品全部完成，插接式最上層子產品與中間層子產品的支架和焊接參數略有差別，通過設定自動線參數，可實作兩種子產品按照設定比例交替生産。
1個負極支架，若幹個中間子產品，1個正極子產品在插接組裝單元層層摞起來并擠壓，串聯為一個初步的模組；經極柱安裝工位，分别在模組正負極彙流闆安裝極柱；經固定闆安裝工位，在彙流闆上安裝固定闆；經加熱帶安裝工位，在模組電芯間隙插入加熱帶；在PCB闆安裝工位，安裝PCB闆和溫度電壓采集線束；在模組打包工位，對模組進行固定；在EOL檢測工序，檢測成品模組的電阻和電壓等參數。具體工藝流程如圖2所示。
圖2 全自動模組裝配工藝流程
3.2 半自動電池包的裝配
AGV系統根據MES中生産計劃将原材料自動轉運至上料區，在上料單元，線體定制AGV将電池箱托起，依次經過各道工序；在清潔工位，采用吸塵器對電池箱進行異物清潔；在高壓線纜群組件安裝工位，将高壓線纜群組件安裝到電池箱相應位置；在BMC和LMC組裝工序，将BMC和LMC安裝到電池箱相應位置；在入箱和固定工位，勞工在自動提升系統協助下将模組安裝到合适位置；線上束安裝與整理工位，安裝相應線束并整理，在半成品檢測工序，進行Pulse充放電等檢查項目，檢驗裝備的正确性；在封箱工序，塗膠并安裝上蓋闆；在成品檢驗工序，檢驗絕緣性和氣密性。
本線體中所有螺釘的裝配力矩都有明确的規定，通過自動或半自動擰緊裝置進行轉配。半自動電池包裝配工藝流程如圖3所示。
圖3 半自動電池包裝配工藝流程
3.3 容量檢測
AGV系統根據MES中生産計劃将半成品區的待測電池包轉運至測試區，人工接線後，測試系統自動檢測電池包容量并上傳資料至MES，測試完成後打包入庫。容量檢測工藝流程如圖4所示。
圖4 容量檢測工藝流程
Pack生産制造
Pack生産制造流程：中間支架組裝→電芯上料→電芯篩選（OCV/IR測試）→PET膜去除→等離子清洗→電芯檢驗→電芯入中間支架→焊接→彙流排組裝焊接（正/負極支架組合焊接）→焊點檢查→模組及端闆綁定→模組轉接端子組裝→PCB闆采集線束和加熱片安裝→子產品檢驗→模組下線流轉。
Pack線從電芯上料至模組裝配的工序流程如圖5所示。
圖5 Pack線從電芯上料至模組裝配的工序流程
4.1 産線布局
Pack産線裝置布局如圖6所示。
圖6 Pack産線裝置布局
4.2 電芯上料
1）功能：電芯上料的主要功能為從紙盒或标準托盤中取出電芯到自動線。
2）工藝技術：
①托盤用标準出貨紙盒取出，裝置自動将電芯從紙盒中取出上線。
②掃描電芯上的條形碼（條形碼位于電芯的側面），和電芯來料資料比對。
3）電芯上料裝置：電芯上料裝置如圖7所示。AGV小車将滿電池盒的托盤運送至上料位，CCD相機拍照定位，距離傳感器檢測高度，夾爪進行抓取操作并将托盤放置在倍速鍊輸送線上。料盒抓取完後，AGV小車将空托盤運送至電芯堆放區。
圖7 電芯上料裝置
電芯上料裝置的特點如下：
①AGV小車整托盤上料，節約上料時間。
②相機定位，四軸調整，保證抓取動作既準确又穩定。
③夾爪具有防撞功能，保證電芯、料盒的安全。
4）上料過程：電芯上料如圖8所示，料盒通過上層輸送線運送至電芯抓取工位進行定位，夾爪将料盒抓取至線體兩側，對料盒進行90°翻轉，電芯抓取機構将電芯抽取至電芯輸送線上，導向機構下降并對電芯進行輸送。空箱通過升降機運送至下層倍速鍊，運送至堆疊工位，可堆疊4跺，滿料後将提示人工取走。
圖8 電芯上料
電芯上料過程的特點如下：
1）空箱回流後進行堆疊，滿料後将産生報警提示，減少人工的操作時間。
2）抓取料采用雙工位，做到故障不停機。
3）抓取後輸送導向機構保證了電芯搬運的穩定高效。
4.3 電芯檢測
電芯檢測如圖9所示。上料夾爪從輸送線上一次抓取12隻電芯，變間距後放置在步進托闆上，并由其将電芯運送至掃碼工位，滾輪帶動電芯旋轉，CCD相機自動抓取電芯上的條碼資訊，并上傳至MES。在OCV/IR測試工位，壓闆将電芯壓緊，探針同時對12顆電芯進行測試，并将測試資訊上傳至MES。下料機械手根據掃碼及測試情況将電芯放置到OK輸送線或NG工位。
圖9 電芯檢測
電芯檢測的特點如下：
1）采用專利技術，對多組電芯條碼進行滾動掃描，高效且穩定。
2）采用專用同軸高頻探針，保證電芯測量的精度和分選的準确率，且更換也比較友善。
3）将NG電芯按照掃碼不良、測試不良、壓降過大及批次不符等情況，進行分類存儲，以便于品質追溯。
4.4 電芯篩選（OCV/IR測試）
1）功能：
①測試每隻電芯的OCV和ACIR，并将測試資料和電芯資料綁定後上傳至MES。在聯機狀态下，由MES判斷電芯是否合格；在單機狀态下，資料存取在本地；聯機時，自動上傳至MES。
②将測試合格的電芯流入下一道工序，不合格的電芯單獨流出，并及時提醒員工取出。
2）工藝技術：
①電芯電壓為0~5000mV，分辨率為0.01mV，精度為±0.3mV，整體測試精度為±0.3mV。
②電芯内阻為0～2mΩ，分辨率為0.01mΩ，精度為±0.02mΩ，整體測試精度為±0.04mΩ。
電芯内阻為2～5mΩ，分辨率為0.01mΩ，儀表精度為±0.02mΩ，整體測試精度為±0.04mΩ。
③測試OCV和IR的标準使用MES中的數值，技術人員可以根據需要進行更改。
④針對給出的電芯型号與外形，電壓内阻測試儀的測試夾具具有高精度、耐用（接觸探針的使用壽命不小于3000000次）、易于維護和易于換型等特點；由于電芯殼為鋁殼，表面可能會有氧化層，探針端面開齒槽能夠刺破電芯表面氧化層，防止誤判。
⑤軟體功能：具備權限管理功能、記錄功能、查詢功能、修改删除功能、報表輸出功能、Excel導入與導出及提供資料庫外接口。
⑥在測試、分選過程中，電芯表面不得出現任何劃傷和磕碰等。
（5）電芯剝皮
1）功能：
①将電芯外表面的PET膜去除。
②去除電芯正極的絕緣片。
③檢測電芯外觀。
④檢測電芯入裝極性位置。
2）工藝技術：
①不能破壞電芯的塗層。
②電芯内表面瞬間溫度不能超過80℃。
③對于外觀及極性位置不良的自動剔除，并提醒從業人員取走。
3）電芯剝皮操作：如圖10所示，步進線将12隻電芯同時送到第一次雷射切割位，上滾輪壓住電芯，下滾輪轉動，雷射器進行環形切割；步進至第二次雷射切割位，雷射從環形至底部進行切割；電芯至剝皮工位用壓闆壓住正極側，夾爪将電芯外皮剝離，并由壓縮空氣吹出料倉。
圖10 電芯剝皮
電芯剝皮的特點如下：
①可同時對多隻電芯進行處理，生産效率比較高。
②用伺服系統控制電芯旋轉，可保證電芯外皮切割的完整性。
③分次對電芯表皮進行切割，保證了剝皮的可靠性。
4.6 電芯入工裝
如圖11所示，夾爪從輸送線上抓取電芯，分間距後放置在導向槽上。推闆将電芯推入旋轉導向，旋轉導向翻轉90°并移動至入殼工位。電芯工裝通過機械手從倍速鍊輸送線上抓取至入殼工位，入殼氣缸将電芯壓入電芯工裝内。裝滿電芯的工裝通過機械手抓取至倍速鍊輸送線上。
圖11 電芯入工裝
電芯入工裝的特點如下：
①進入工裝時有精确導向，保證電芯不會傾斜劃傷。
②多隻電芯同時進氣入工裝，生産效率比較高。
4.7 等離子清洗
1）功能：對電芯表面進行等離子清洗。
2）工藝技術：清洗完成後，電芯表面去塵，無污物和雜質。
3）等離子清洗的操作：如圖12所示，裝滿電芯的工裝通過倍速鍊輸送線運送至等離子清洗工位後進行定位，XY二軸機械手帶動等離子清洗頭對電芯正極表面進行清洗。
圖12 等離子清洗
等離子清洗的特點如下：
①等離子清洗路徑及時間可自由設定，保證清洗效果。
②電芯清洗完成後立即會将支架蓋上，避免再次污染。
4.8 電芯入中間塑膠支架
1）功能：
①将中間塑膠支架組合體（中間塑膠支架、彈片和電壓采集彈片）上料。
②焊接彈片依次裝入到上支架内。
③電芯按照子產品要求依次插入裝有彈片的上支架内，并擠壓保證電芯正極極柱和彈片接觸。
2）工藝技術：
①電芯插接到位，保證正極極柱和彈片完全接觸。
②若電芯位置和極性與要求不符，必須立刻報警提醒操作人員進行處理。
3）電芯安裝支架：如圖13所示，電池支架放置在料架裡，人工将料架推入料倉。提升裝置将料倉一層層托起，搬運機構将電池支架推送至搬運位并加以定位。四軸機器人抓取電池支架，通過CCD相機定位後放置在裝滿電芯的工裝闆上。電芯支架運送至雷射打碼工位打碼，資料綁定并上傳至MES。
圖13 電芯安裝支架
電芯安裝支架的特點如下：
①支架料車每側兩台，其中一台備用，不影響生産。
②緩存槽可加以調節，以适應不同規格的子產品。
③可緩存15min用量，料槽有缺料提前預警功能。
4.9 雷射焊接
1）功能：
①使彙流排（中間塑膠支架）完整地焊接到電芯的正極端（彈片與電芯焊接，彈片與連片焊接），并将資料上傳至MES。
②使彙流排（正極塑膠支架）完整地焊接到電芯的正極端（彈片與電芯焊接，彈片與連片焊接），并将資料上傳至MES。
③使彙流排（負極塑膠支架）組合與彈片雷射焊接，并将資料上傳至MES。
④焊接後自動檢測焊點品質是否合格。合格産品流入下一道工序，不合格産品單獨流出，并及時提醒從業人員取出。
2）工藝技術：
①不能焊穿彙流排及電芯的正極端。
②焊點強度（剝離力）應大于100N。
③能夠焊接鎳片、鋼片等。
④一個産品的焊接參數放在一個檔案裡（一個産品一個檔案）包含設定參數、運動參數和坐标、原點或零點坐标、測距Spec、偏差Spec及焊點檢測對比參數等。切換産品時隻需要選擇這個産品檔案，不需要額外動作。
⑤裝置PLC與計算機間的通信協定。
⑥産品資訊上的輸入與輸出功能。
⑦界面有焊點布局圖，對Pass和Fail不同焊點有顔色顯示。
⑧可設定産品檔案資料來源于本地還是伺服器，伺服器可設定和導入焊接參數。
⑨焊接工裝便于及時換型使用。
⑩對中途發生的異常作業，操作人員可通過調整，繼續後續焊接。
⑪ 配備自動焊點檢查功能。
3）雷射焊接操作：如圖14所示，支架運送至第一焊接位置定位後進行彈片與電芯正極的焊接。人工将并連片放置在料盒裡，規整氣缸進行規整，測距傳感器測量并連片厚度，上料機械手根據測量的厚度抓取并連片将其放置在支架上。支架在第二焊接工位定位後進行并連片與彈片的焊接，每顆電芯的焊接資料都會上傳至MES。
圖14 雷射焊接
雷射焊接的特點如下：
①料盒分别位于左右兩側，更換料時不需要停機。
②規整定位，測量厚度，抓取安全可靠。
③采用振鏡焊接方式，生産效率非常高。
4.10 子產品堆疊
如圖15所示，六軸機器人将負極支架、焊接子產品和正極支架依次堆疊至子產品堆疊位。電缸使用力矩模式将子產品壓緊，并記錄、判斷高度是否在允許範圍内，然後移動至人工工位進行焊點檢查。待往複運動至模組拼接完成後，六軸機器人将模組放置在出料工位上。
圖15 子產品堆疊
子產品堆疊的特點是：每層子產品都要壓緊并記錄高度資料，以保證拼接的可靠性。
4.11 模組組裝及下線
如圖16所示，在模組加壓工位，人工裝上兩側的端闆，裝置自動将模組加壓至設定長度，自動記錄壓力值并判斷是否在安全值範圍内。梯形絲杠有自鎖功能保證模組長度，人工在下一工位進行打包并安裝線束。對子產品進行絕緣測試及DCIR測試，人工進行附件的安裝。完成後由六軸機器人自動将模組搬運至AGV小車上，運送至指定地點。
圖16 模組組裝及下線
1）模組插接組裝
①功能：
a.在焊接好的Cellblock上安裝并聯彙流排。
b.按照7層子產品進行堆疊。
②工藝技術：每層子產品插接堆疊都必須擠壓到位，并記錄高度值。
2）采集線束安裝：
①功能：人工安裝PCB闆采集線束和加熱帶。
②工藝技術：需要掃描檢測是否安裝零部件，若無自動報警提醒操作人員。
3）DCIR測試：
①功能：
a.按照測試流程進行測試，通過探針記錄每一串電芯的電壓。
b.記錄每一串電芯的直流阻抗。
c.測試完直流内阻後需要将電芯SOC調成初始值或設定值。
計算的内阻是SOC的函數來自脈沖功率測試資料：脈沖放電10s後的放電内阻；回報脈沖10s後的回報内阻。
②工藝技術：
a.記錄每一串電芯的電壓，記錄間隔為0.1s。
b.對于不同子產品的測試工序需要容易更換，探針需定期更換。
c.對于測試意外停止的産品應記錄其充放電容量，并可以依據此記錄指導返工。
4）下料單元：
①功能：将制作好的子產品按順序下料到子產品流轉車中或AGV小車中。
②工藝技術：運轉子產品的周轉車廠家設計；下料時對物料車和電芯包掃描條碼，并将資料上傳到MES。
模組組裝及下線的特點是：模組組裝的同時記錄長度值及壓力值，保證模組組裝的可靠性。
4.12 彈片安裝（單機）
如圖17所示，彈性連接配接片通過振動盤上料，出料後通過磁性立柱将彈片吸起并插入到治具導向孔内。治具移動至下一工位，CCD相機拍照并判斷彈片的角度，旋轉彈片導向孔至正确角度。夾爪将治具抓起并移動至電芯支架上方，壓杆将彈片壓入支架孔内。治具通過步進線回流至彈片安裝工位，完成一個循環。
圖17 彈片安裝（單機）
彈片安裝的特點是：振動盤出料時彈片位置不穩定，應先插入導向孔，再判斷角度，保證彈片安裝的準确性。
4.13 正極銅牌焊接（單機）
正極銅牌焊接（單機）如圖18所示。人工将正極銅牌和過渡片放置在料盒裡，規整氣缸進行規整，測距傳感器測量厚度，上料機械手根據測量的厚度依次抓取正極銅牌和過渡片放置在工裝上。工裝移動至雷射焊接位置後定位進行雷射焊接。焊接完成後的銅牌通過機械手抓取至下料位置。
圖18 正極銅牌焊接（單機）
正極銅牌焊接的特點是：一台正極銅牌焊接機可以同時滿足兩條生産線的生産需求。
4.14 Pack EOL測試
Pack EOL測試的主要功能及檢測基本内容有：箱體漏電檢測、絕緣電阻檢測、耐壓檢測、BMS系統功耗、通信端口功能檢測、軟硬體版本确認、LMU資料采集功能、資料精度檢測、高壓端口電壓和極性檢測、充電功能檢測、其他I/O功能檢測、仿真信号輸入、報警資訊确認、Pulse功能測試、國标直流内阻測試、采樣資料分析、測試報告及資料MES存儲。Pack EOL測試工藝流程如圖19所示。
圖19 Pack EOL測試工藝流程
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