Hoe worden accu's voor elektrische voertuigen gemaakt?

Het accupakket is een essentieel onderdeel van volledig elektrische voertuigen (EV's) en een van de meest complexe onderdelen om te assembleren. Het begint met het testen van de afzonderlijke accucellen vóór de assemblage. Vervolgens worden vaak collaboratieve robots (cobots) gebruikt om de accumodules te assembleren en vervolgens de modules te integreren in complete accupakketten, met inbegrip van de bus bars, koelsystemen, accumanagement en andere subsystemen. Tenslotte is er een geautomatiseerd visueel inspectiesysteem nodig om ervoor te zorgen dat alle elementen van de assemblage correct zijn samengesteld.

In dit artikel wordt een overzicht gegeven van de complexiteit van accupakketten voor EV's en enkele daarmee verband houdende subassemblages, waaronder de noodzaak van talrijke accucelmodules, elektrisch efficiënte en lichtgewicht bus bars en kabelboomverbindingen, en een actief koelsysteem. Vervolgens worden representatieve producten van DigiKey gepresenteerd, waaronder een data-acquisitieapparaat van National Instruments, dat kan worden gebruikt als onderdeel van het testsysteem voor accucellen, een cobot van Omron Automation, die kan worden gebruikt voor de assemblage van accupakketten, en een slimme cameramodule met ingebouwde software van Banner Engineering waarmee een geautomatiseerd inspectieplatform kan worden samengesteld.

Bouwstenen voor accu's voor EV's

Het ontwerp van accupakketten voor EV's verschilt van fabrikant tot fabrikant en soms van het ene model EV tot het andere bij dezelfde fabrikant. Eén ding hebben alle accupakketten voor EV's gemeen: ze kunnen duizenden onderdelen bevatten.

Accupakketten voor EV's bestaan uit talrijke accumodules die tot het uiteindelijke pakket worden geassembleerd (Afbeelding 1). De architectuur van de modules en pakketten evolueert om hogere spanningen te leveren aan de aandrijving van de EV. Hoewel 400 _volt de standaard is, komen spanningen tot 900 _volt steeds vaker voor. Het belangrijkste voordeel van hogere spanningen is sneller opladen. Sneller laden kan de zorgen over het rijbereik bij bestuurders van een EV helpen verminderen, maar maakt het monteren van de accupakketten moeilijker (en mogelijk gevaarlijker).

Afbeelding 1: Accumodules zijn de fundamentele bouwstenen van accupakketten voor EV's. (Bron afbeelding: National Instruments)

De accucellen in een module worden vaak aan elkaar gelast, terwijl de modules doorgaans met bouten aan grote rails worden bevestigd tot het complete accupakket. De architectuur van de modules versus het pack is vaak een onderscheidende factor tussen EV-ontwerpen. In alle gevallen heeft het accusysteem temperatuurmanagement nodig, voornamelijk koeling, maar af en toe verwarming wanneer de omgevingstemperatuur te laag is voor een efficiënte werking van de accu. Het thermisch beheerssysteem kan passief zijn voor kleine pakketten, maar voor grote pakketten is actief thermisch beheer nodig met faseveranderingsapparaten en pompen om vloeistof te laten circuleren om de afzonderlijke cellen te koelen.

Een temperatuurmanagementsysteem (BMS) controleert de gezondheidstoestand en de lading van afzonderlijke accucellen. Het BMS omvat een reeks spannings-, stroom-, temperatuur- en andere sensoren, vaak met sensoren op elke accucel. Het BMS communiceert met het centrale computersysteem van de EV.

Zekeringen worden soms gebruikt op moduleniveau, maar er is altijd overstroombeveiliging voor het gehele accupakket. Een grote hoogspanningsschakelaar en andere componenten worden gebruikt om het motoraandrijvingscircuit voor te laden om potentieel schadelijke hoge inschakelstromen te voorkomen wanneer de EV voor het eerst wordt ingeschakeld. Een service disconnect isoleert de hoge spanningen in het accupakket en biedt een veilige omgeving voor monteurs die aan de EV werken. Honderden schroeven, bouten en moeren, connectoren en andere mechanische onderdelen zijn nodig om de assemblage te voltooien.

Accupakketten bouwen

Het testen van afzonderlijke accucellen is een cruciale eerste stap. Het is meestal de laatste stap in het productieproces van de cellen in de gespecialiseerde megafabriek, waar de cellen worden vervaardigd. Maar het is ook gebruikelijk random kwaliteitscontroles uit te voeren wanneer de cellen in de fabriek aankomen waar de EV wordt gebouwd, om de kwaliteitsniveaus van binnenkomende partijen accucellen te controleren. Zonder hoogwaardige accucellen is het onmogelijk hoogwaardige en betrouwbare accupakketten voor EV's te produceren.

Vervolgens worden de cellen geassembleerd tot modules. Modules bestaan gewoonlijk uit ca. 12 tot 20 cellen. De modules zijn gestapeld in een metalen frame dat zorgt voor onderlinge verbindingen, bescherming tegen schokken en trillingen, en in sommige modellen, temperatuurmanagement. Precisie is vereist, en naarmate het accupakket wordt opgebouwd, wordt het steeds zwaarder tot het honderden kilo's weegt.

Vanwege de behoefte aan precisie en het hanteren van zware lasten wordt de assemblage van accupakketten vaak uitgevoerd met behulp van cobots of industriële robots. Een cobot kan zware lasten aan en snel en nauwkeurig de honderden schroeven, connectoren en andere onderdelen monteren die nodig zijn voor het voltooide pakket. Het accupakket in een Nissan Leaf bevat bijvoorbeeld 48 modules (Afbeelding 2). De laatste stap in de assemblage van accupakketten is het geautomatiseerd testen, met inbegrip van de visuele inspectie van het complexe pakket.

Afbeelding 2: Dit accupakket voor de Nissan Leaf bevat 48 accumodules plus honderden andere onderdelen. (Bron afbeelding: NHR divisie van National Instruments)

Testen van accu's en data acquisitie

Ingenieurs die accutestsystemen ontwerpen kunnen gebruik maken van de 779640-01 voor data-acquisitie (DAQ) van National Instruments. Deze full-speed USB 2.0 DAQ bevat acht kanalen van + of - 60 volt voor geïsoleerde digitale ingangen_, acht kanalen van 60 volt_, 30 volt _RMS kanalen voor geïsoleerde solid-state relais (SSR) uitgangen, en een 32-bits teller (Afbeelding 3). De acht geïsoleerde ingangen bevatten een optocoupler, een Schottky-diode en een op depletie-mode MOSFET gebaseerde stroombegrenzer. De 779640-01 beschikt verder over digitale filtering, veranderingsdetectie, programmeerbare power-up uitgangen en een watchdog timer.

Afbeelding 3: De 779640-01 DAQ bevat acht geïsoleerde digitale ingangen (rechts) en acht geïsoleerde SSR-uitgangen (links). (Bron afbeelding: DigiKey)

De 779640-01 DAQ kan veranderingen bewaken, inclusief opgaande en neergaande flanken of beide, op specifieke ingangslijnen of op alle ingangslijnen tegelijk. Een interrupt wordt gegenereerd wanneer een verandering wordt herkend. De interrupt geeft niet aan op welke ingangslijn de verandering plaatsvond. De software kan worden gebruikt om de lijnen uit te lezen en de bron van de wijzigingsmelding te bepalen. Digitale filtering kan de effecten van ruis en elektromagnetische interferentie (EMI) minimaliseren.

Het digitale filter werkt op de ingangen van de optocoupler. Optocouplers schakelen langzamer uit dan aan, en geven neergaande flanken langzamer door dan opgaande flanken. Het digitale filter kan veranderingen veroorzaakt door ruis of EMI helpen elimineren. Ontwerpers kunnen de filterkanalen configureren met geprogrammeerde filterintervallen. Pulsen korter dan de helft van het geprogrammeerde filterinterval worden geblokkeerd. Pulsen die langer zijn dan het filterinterval worden doorgelaten. Pulsen daartussen kunnen wel of niet door het filter komen.

Hulp krijgen bij zware belasting en herhalende taken

Zodra de accucellen zijn getest, kan een cobot het assemblageproces van de accumodules en -pakketten versnellen. Assemblage omvat meerdere processen, en cobots zoals de RT6-1001321 van Omron Automation zijn bijzonder goed aan te passen (Afbeelding 4). De RT6-1001321 heeft een geïntegreerde veldbusadapter om de integratie in fabrieksautomatiseringssystemen te vergemakkelijken. Cobots werken met hoge precisie en kunnen helpen bij het schroeven, lijmen, aanbrengen van thermisch vet, koppelen van connectoren en tal van andere activiteiten die nodig zijn om een accupakket voor een EV in elkaar te zetten. Enkele mogelijkheden die cobots zeer geschikt maken voor de assemblage van accu's voor EV's zijn:

• Grafische programmeeromgevingen om cobot-training te versnellen.
• Geïntegreerde visiesystemen helpen bij de inspectie en meting van de resultaten en bij de assemblageactiviteiten.
• Modulaire eindeffectoren kunnen snel worden verwisseld, zodat één cobot een reeks assemblageprocessen kan uitvoeren.
• Cobots kunnen interactief werken met logistieke en andere mobiele robots om een complete fabricagecel voor accupakketten te vormen.

Afbeelding 4: Cobots zoals de RT6-1001321 zijn zeer goed aan te passen en kunnen herhalende taken snel en met hoge precisie uitvoeren. (Bron afbeelding: Omron Automation)

Flexibiliteit en de mogelijkheid om snel nieuwe procedures aan te leren, waardoor lange stilstand en inefficiënte productieperioden worden voorkomen, zijn belangrijke kenmerken van de cobot. Een nieuwe activiteit kan in enkele minuten worden aangeleerd met behulp van een grafische gebruikersinterface of door de cobotarm eenvoudigweg van positie naar positie te bewegen. Cobots blinken uit in herhalende taken die vaak voorkomen bij de assemblage van accu's voor EV's en kunnen zware lasten nauwkeurig hanteren. Ten slotte kunnen cobots machinevisie en kunstmatige intelligentie (AI) omvatten om de vereiste onderdelen in de juiste oriëntatie op te pakken, ze aan de assemblage toe te voegen en het resultaat te inspecteren.

Verificatie van de resultaten

Met de slimme camera VE205G1A van Banner Engineering (Afbeelding 5) kan automatisch visueel worden gecontroleerd of de accu correct is gemonteerd. De geïntegreerde software is ontworpen om geavanceerde visuele inspecties uit te voeren. De visiemanagersoftware van Banner wordt met de VE205G1A meegeleverd en biedt verschillende tools zoals detectie van onderdelen, positionering en kenmerkmeting en flowanalyse, en barcodes lezen om de ontwikkeling van visie-toepassingen te versnellen. Runtime editing ondersteunt real-time wijzigingen in een inspectieroutine, waardoor de uitvaltijd wordt verminderd en de resultaten sneller worden behaald. Enkele mogelijkheden van de VE205G1A slimme camera zijn:

• EtherNet/IP, Modbus/TCP, PROFINET en RS-232 connectiviteit voor eenvoudige integratie in fabrieksautomatiseringssystemen.
• Zes optisch geïsoleerde in-/uitgangen (I/O) en een externe lichtconnector
• Display met twee regels en acht tekens waarop de status van de camera wordt weergegeven en die een snelle omschakeling naar nieuwe activiteiten mogelijk maakt.
• Optionele afgedichte lensdeksels leveren IP67 ratings voor zware industriële omgevingen.
• Typische toepassingen zijn:
  • Aanwezigheid of afwezigheid van onderdelen, met inbegrip van het tellen van het aantal onderdelen en het controleren van de labels.
  • Controle van de oriëntatie van een onderdeel en verzending van de locatie en oriëntatie naar een pick-and-place robot of cobot.
  • Het opsporen van gebreken, waaronder het vaststellen van de plaats en de ernst van de gebreken bij een onderdeel.
  • Het meten van kritische afmetingen van een onderdeel of de relatieve locaties van onderdelen in een assemblage.

Afbeelding 5: Slimme camera's zoals de VE205G1A bieden alle functies die nodig zijn voor een snelle visuele inspectie van accupakketten voor EV's. (Bron afbeelding: Banner Engineering)

Samenvatting

Accupakken voor elektrische voertuigen zijn complexe en kritische subsystemen. De prestaties, betrouwbaarheid en kosten van een EV hangen sterk samen met de mogelijkheid het accupakket efficiënt en snel te assembleren. Het assemblageproces begint met een controle of de accucellen aan de vereiste specificaties voldoen, berust vervolgens op geautomatiseerde precisieassemblage met robots en cobots, en eindigt met een laatste visuele inspectie met behulp van slimme, geautomatiseerde camera's.