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