Sähköajoneuvojen akkupakettien valmistus

Akkupaketti on täyssähköajoneuvojen (EV) kriittinen osakokoonpano, jonka kokoaminen on erittäin monimutkainen tehtävä. Se alkaa yksittäisten akkukennojen testauksella ennen kokoamisen aloittamista. Sen jälkeen käytetään usein yhteistyörobotteja (cobotteja) akkumoduulien kokoamiseen ja sitten moduulien integrointiin valmiiksi akkupaketeiksi virtakiskojen, jäähdytyskokoonpanojen, akunhallinnan ja muiden osajärjestelmien kanssa. Lopuksi automaattinen visuaalinen tarkastusjärjestelmä varmistaa, että kaikki kokoonpanon elementit on koottu oikein.

Tässä artikkelissa tarkastellaan EV-akkupakettien ja joidenkin niihin liittyvien osakokoonpanojen kompleksisuutta, sekä lukuisien akkukennomoduulien, sähköisesti tehokkaiden ja kevyiden virtakiskojen ja johtosarjojen liitäntöjen sekä aktiivisen jäähdytysjärjestelmän tarvetta. Siinä esitellään sen jälkeen tähän liittyviä DigiKey-tuotteita, kuten National Instrumentsin tiedonkeruulaite, jota voidaan käyttää akkukennojen testausjärjestelmässä, Omron Automationin cobotti, jota voidaan käyttää akkupakettien kokoamiseen, sekä sulautetulla ohjelmistolla varustettu Banner Engineeringin älykäs kameramoduuli, joka tarjoaa automatisoidun tarkastusalustan.

EV-akkupakettien komponentit

EV-akkupakettien rakenne vaihtelee valmistajasta toiseen ja joskus saman valmistajan EV-mallista toiseen, joten joustava kokoaminen on tärkeä näkökohta. Kaikille EV-akkupaketeille on yhteistä se, että niissä voidaan käyttää tuhansia komponentteja.

EV-akkupaketit koostuvat lukuisista akkumoduuleista, jotka kootaan lopulliseksi akkupaketiksi (kuva 1). Akkumoduulien ja -pakettien arkkitehtuuri kehittyy, jotta sähköajoneuvon voimansiirrossa voitaisiin käyttää korkeampia jännitteitä. Vaikka 400 V_DC on ollut standardijännite, yhä useammin käytetään jopa 900 V_DC:n jännitteitä. Korkeampien jännitteiden tärkein hyöty on nopeampi lataus. Nopeampi lataus voi auttaa vähentämään sähköajoneuvojen kuljettajien toimintamatka-ahdistusta, mutta se tekee akkupakettien kokoamisesta haastavampaa (ja mahdollisesti vaarallisempaa).

Kuva 1: Akkumoduulit ovat EV-akkujen peruskomponentteja. (Kuvan lähde: National Instruments)

Akkukennot hitsataan moduuleissa usein yhteen, ja moduulit kiinnitetään yleensä pulteilla suuriin virtakiskoihin, jolloin ne muodostavat valmiin akkupaketin. EV-mallien välinen erottava tekijä on usein moduulien arkkitehtuuri suhteessa akkupakettiin. Akkujärjestelmä tarvitsee aina lämmönhallintaa – pääasiassa jäähdytystä mutta toisinaan myös lämmitystä, kun ympäristön lämpötila on liian alhainen akun tehokasta toimintaa varten. Lämmönhallintajärjestelmä voi olla pienissä akkupaketeissa passiivinen, mutta suuret akkupaketit vaativat aktiivista lämmönhallintaa faasimuutoslaitteilla ja pumpuilla, joilla nestettä kierrätetään yksittäisten kennojen jäähdyttämiseksi.

Akunhallintajärjestelmä (BMS) valvoo yksittäisten akkukennojen kuntoa ja varausta. Akunhallintajärjestelmään kuuluu erilaisia jännite-, virta-, lämpötila- ja muita antureita, ja anturit sijoitetaan usein jokaiseen akkukennoon. Akunhallintajärjestelmä kommunikoi sähköajoneuvon keskustietokonejärjestelmän kanssa.

Moduulitasolla käytetään joskus sulakkeita, mutta koko akkupaketti sisältää aina ylivirtasuojauksen. Isoa korkeajännitekontaktoria ja muita komponentteja käytetään moottorikäyttöpiirin esilataukseen, jotta estetään mahdollisesti vahingolliset korkeat virtapiikit käynnistettäessä sähköajoneuvo ensimmäisen kerran. Lukittava huoltokatkaisin erottaa akkupaketin korkeat jännitteet ja takaa turvallisen ympäristön huoltoteknikoille sähköajoneuvon huoltoa varten. Kokoonpanon viimeistelyyn tarvitaan satoja ruuveja, muttereita ja pultteja, liittimiä ja muita mekaanisia komponentteja.

Akkujen rakentaminen

Yksittäisten akkukennojen testaaminen on tärkeä ensimmäinen vaihe. Se on yleensä kennojen tuotantoprosessin viimeinen vaihe kennoihin erikoistuneessa gigatehtaassa, jossa kennot valmistetaan. Kun kennot saapuvat sähköajoneuvojen tuotantolaitokseen, on kuitenkin yleistä suorittaa satunnaisia laadunvarmistustestejä saapuvien akkukennoerien laatutason valvomiseksi. Korkealaatuisten ja luotettavien EV-akkupakettien valmistus on mahdotonta ilman korkealaatuisia akkukennoja.

Seuraavaksi kennot kootaan moduuleiksi. Moduulit koostuvat yleensä noin 12–20 kennosta. Moduulit pinotaan metallikehykseen, joka tarjoaa liitännät, suojan iskuja ja tärinää vastaan sekä joissakin malleissa myös lämmönhallinnan. Tämä vaatii tarkkuutta, ja akkupaketin paino kasvaa kokoamisen aikana jatkuvasti, kunnes se painaa satoja kiloja.

Tarkkuusvaatimuksen ja raskaiden kuormien käsittelyn vuoksi akkupakettien kokoamiseen käytetään usein cobotteja tai teollisuusrobotteja. Cobotti pystyy käsittelemään raskaita kuormia ja asentamaan nopeasti ja tarkasti satoja ruuveja, liittimiä ja muita valmiissa akkupaketissa tarvittavia komponentteja. Esimerkiksi Nissan Leafin akku koostuu 48 moduulista (kuva 2). Akkupaketin kokoamisen viimeinen vaihe on automatisoitu testaus, johon kuuluu kompleksisen paketin visuaalinen tarkastus.

Kuva 2: Tämä Nissan Leafin akkupaketti sisältää 48 akkumoduulia sekä satoja muita komponentteja. (Kuvan lähde: National Instrumentsin NHR-osasto)

Akkujen testaus ja tiedonkeruu

Akkujen testausjärjestelmiä suunnittelevat tuotantoinsinöörit voivat käyttää National Instrumentsin tiedonkeruulaitetta (DAQ) 779640-01. Tähän täyden nopeuden USB 2.0 -tiedonkeruulaitteeseen kuuluu kahdeksan ±60 voltin tasavirtakanavaa (V_DC) erotettuja digitaalisia tuloja varten, kahdeksan 60 V_DC- ja 30 V RMS (Root Mean Square) -kanavaa (V_RMS) erotettuja puolijohderelelähtöjä (SSR) varten sekä 32-bittinen laskuri (kuva 3). Nämä kahdeksan erotettua tuloa sisältävät optoerottimen, Schottky-diodin ja tyhjennystyyppisen MOSFET-pohjaisen virranrajoituspiirin. Tiedonkeruulaite 779640-01 tarjoaa myös digitaalisen suodatuksen, muutosten tunnistuksen, ohjelmoitavat käynnistyslähdöt ja vahtiajastimen.

Kuva 3: Tiedonkeruulaitteeseen 779640-01 kuuluu kahdeksan erotettua digitaalista tuloa (oikea puoli) ja kahdeksan erotettua SSR-lähtöä (vasen puoli). (Kuvan lähde: DigiKey)

Tiedonkeruulaite 779640-01 voi valvoa muutoksia, mukaan lukien nousevia tai laskevia reunoja tai molempia, tietyissä tulolinjoissa tai kaikissa tulolinjoissa samanaikaisesti. Kun havaitaan muutos, generoidaan keskeytys. Keskeytys ei ilmaise tulolinjaa, jossa muutos tapahtui. Linjat voidaan lukea ja muutosilmoituksen lähde voidaan määrittää ohjelmistollisesti. Digitaalinen suodatus voi minimoida kohinan ja sähkömagneettisten häiriöiden (EMI) vaikutukset.

Digitaalinen suodatin toimii optoerottimen tuloissa. Optoerottimet kytkeytyvät pois päältä hitaammin kuin ne kytkeytyvät päälle, jolloin laskevat reunat välittyvät hitaammin kuin nousevat reunat. Digitaalisella suodattimella voidaan eliminoida kohinan tai sähkömagneettisten häiriöiden aiheuttamat muutokset. Suunnittelijat voivat konfiguroida suodatinkanavat ohjelmoiduilla suodatinväleillä. Jos pulssin pituus on lyhyempi kuin puoli ohjelmoitua suodatinväliä, se estetään. Suodatinväliä pidemmät pulssit päästetään läpi. Näiden välissä olevat pulssit saattavat päästä suodattimen läpi tai ei.

Apua raskaisiin kuormiin ja toistuviin tehtäviin

Kun akkukennot ovat läpäisseet testauksen, cobotti voi nopeuttaa akkumoduulin ja -paketin kokoamisprosessia. Kokoamiseen kuuluu useita prosesseja, ja sellaiset cobotit kuten Omron Automationin RT6-1001321 ovat niihin erittäin mukautuvia (kuva 4). Cobotissa RT6-1001321 on integroituna kenttäväyläsovitin, joka helpottaa integrointia tehdasautomaatiojärjestelmiin. Cobotit toimivat erittäin tarkasti ja voivat auttaa ruuvauksessa, liimaamisessa, lämpörasvan levittämisessä, liittimien liittämisessä ja lukemattomissa muissa tehtävissä, joita tarvitaan sähköajoneuvon akkupaketin kokoamisessa. Cobotit soveltuvat hyvin EV-akkujen kokoamiseen erityisesti seuraavien ominaisuuksien ansiosta:

• Graafiset ohjelmointiympäristöt nopeuttavat cobottien koulutusta.
• Integroidut näköjärjestelmät auttavat tulosten tarkastuksessa ja mittauksessa sekä kokoamistehtävissä.
• Modulaariset päätetyövälineet voidaan vaihtaa nopeasti, jolloin yksi ainut cobotti voi suorittaa mitä erilaisempia kokoamisprosesseja.
• Cobotit voivat toimia interaktiivisesti logistiikka- ja muiden mobiilirobottien kanssa ja muodostaa akkupakettien täydellisen tuotantosolun.

Kuva 4: Cobotit, kuten RT6-1001321, ovat erittäin mukautuvia. Ne pystyvät suorittamaan toistuvia tehtäviä nopeasti ja erittäin tarkasti. (Kuvan lähde: Omron Automation)

Cobottien keskeisiin ominaisuuksiin kuuluvat joustavuus ja kyky oppia nopeasti uusia proseduureja. Tämä auttaa välttämään pitkät seisokit ja tehottomat tuotantojaksot. Uusi tehtävä voidaan opettaa muutamassa minuutissa graafisen käyttöliittymän kautta tai yksinkertaisesti liikuttamalla cobotin kättä asennosta toiseen. Cobotit soveltuvat erinomaisesti toistuviin tehtäviin, jotka ovat yleisiä EV-akkupakettien kokoamisessa, ja ne pystyvät käsittelemään raskaita kuormia tarkasti. Lisäksi cobotit voivat käyttää konenäköä ja tekoälyä (AI) tarvittavien osien noukkimiseen oikein päin, niiden lisäämiseen koottavaan akkupakettiin ja tulosten tarkastukseen.

Tulosten tarkastus

Automaattinen visuaalinen tarkastus, että akkupaketti on koottu oikein, voidaan suorittaa Banner Engineeringin älykameralla VE205G1A (kuva 5). Siihen integroitu ohjelmisto on tarkoitettu kehittyneiden visuaalisten tarkastustoimintojen suorittamiseen. Älykameran VE205G1A mukana toimitetaan Bannerin Vision Manager -ohjelmisto, joka tarjoaa monia toimintoja, kuten kohteen tunnistuksen, paikannuksen ja ominaisuuksien mittauksen ja virta-analyysin sekä viivakoodien luvun. Ne kaikki nopeuttavat näkösovellusten kehittämistä. Ajonaikainen editointi tukee tarkastusrutiinin tehtäviä reaaliaikaisia muutoksia, mikä vähentää seisokkiaikaa ja nopeuttaa tuloksia. VE205G1A-älykamera tarjoaa muun muassa seuraavia ominaisuuksia:

• EtherNet/IP-, Modbus/TCP-, PROFINET- ja RS-232-yhdistettävyys, joka mahdollistaa helpon integroinnin tehdasautomaatiojärjestelmiin.
• Kuusi optisesti erotettua tuloa/lähtöä (I/O) ja ulkoinen valoliitin
• Kaksirivinen kahdeksanpaikkainen näyttö, joka ilmaisee kameran tilan ja mahdollistaa nopean vaihdon uusiin tehtäviin.
• Lisävarusteena saatavat tiiviit linssinsuojukset tarjoavat IP67-luokituksen vaativiin teollisuusympäristöihin.
• Tyypillisiin käyttökohteisiin kuuluvat:
  • Osien läsnäolon tai puuttumisen tunnistaminen, sekä kappaleiden lukumäärän laskenta ja merkintöjen tarkastaminen.
  • Osan suunnan tarkastaminen sekä osan sijainnin ja suunnan lähettäminen ladontarobotille tai cobotille.
  • Virheiden tunnistus, mukaan lukien virheiden sijainnin ja koon tunnistaminen kappaleessa.
  • Kappaleen kriittisten mittojen tai kokoonpanoon kuuluvien kappaleiden suhteellisen sijainnin mittaaminen.

Kuva 5: Älykamerat, kuten VE205G1A, tarjoavat kaikki koottujen EV-akkupakettien nopeaan visuaaliseen tarkastukseen tarvittavat toiminnot. (Kuvan lähde: Banner Engineering)

Yhteenveto

Sähköajoneuvojen akkupaketit ovat kompleksisia ja kriittisiä osajärjestelmiä. Sähköajoneuvon suorituskyky, luotettavuus ja kustannukset riippuvat vahvasti kyvystä koota akkupaketti tehokkaasti ja nopeasti. Kokoamisprosessi alkaa tarkastamalla, että akkukennot täyttävät vaadittavat spesifikaatiot. Sen jälkeen se nojaa roboteilla ja coboteilla toteutettavaan automatisoituun tarkkaan kokoamiseen ja se päättyy automaattisilla älykameroilla suoritettavaan visuaaliseen lopputarkastukseen.