欧阳文龙　张含叶　陈爱霞　卢宏　林伟明

摘要：在分析锂离子电池模块装配工艺功能需求的基础上，提出锂离子电池模块装配工艺规划系统。该系统是基于Visual C#和SQL Server开发的，为锂离子电池模块装配系统提供装配工艺设计、规划和管理的协同工作环境。

Abstract： Based on the functional requirements of the assembly process of the lithium-ion battery module， the assembly process planning system of the lithium-ion battery module is proposed. Based on Visual C# and SQL Server， the system is developed. The system provides a collaborative working environment for the assembly process design， planning and management of the lithium-ion battery module assembly system.

关键词： 锂离子电池模块；工艺规划；装配线平衡

Key words： lithium-ion battery module；process planning；assembly line balancing

中图分类号：TH16 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）32-0148-03

0 引言

近年来我国汽车行业迅猛发展，据专家保守估计，到2020年汽车保有量达到1.3亿辆，汽车对石油能源的大量消耗以及由此引起的环境污染问题使得交通能源动力转型成为全球共识[1]。解决交通能源消耗和环境污染的有效途径是研发、应用和推广新能源汽车，国际上主流的汽车公司，如福特、通用等，陆续推出基于锂离子电池的电动汽车[2]。首先，原材料（正极材料、负极材料、电解液、外壳等）经过一系列制造工艺流程加工成锂离子电池单体；接着，若干锂离子电池单体和其它零部件按照一系列装配工艺操作装配成锂离子电池模块；然后，数个锂离子电池模块再装配成锂离子电池包；最后，锂离子电池包安放于电动汽车上，为其提供动力源。其中，锂离子电池单体大规模自动化生产已经是一种很成熟的技术，存在大量研究[3]。近年来，国内外出版了许多关于电池模块设计[4]、电池包设计[5]、管理系统[6]等方面的文献，但大多是关于改进电池功能，而锂离子电池模块装配工艺规划方面的相关研究鲜有报道，因此本文对其进行研究。

1 系统主要功能分析

锂离子电池模块装配工艺规划系统可以满足以下需求：①对锂离子电池模块装配工艺规划的信息进行管理；②对任意两个不同的锂离子电池模块进行综合相似度计算；③对锂离子电池模块进行装配顺序规划；④对单品种锂离子电池模块和混合品种锂离子电池模块进行装配线平衡；⑤锂离子电池模块装配工艺规划系统的输入；⑥锂离子电池模块装配工艺规划系统的输出。

2 系统主要功能模块

2.1 用户登录模块

考虑到锂离子电池模块装配工艺规划系统的用户不仅是企业内部工艺规划人员，也有可能是非工艺规划人员的其他企业技术人员或企业客户。系统设置两种不同权限的用户帐户，分别为普通用户与高级用户。普通用户登陆系统后，仅仅只有系统信息浏览的权限；而高级用户，实际上是借助该系统进行规划的专业工艺人员拥有数据输入、数据导出和数据修改的权限。这样不仅能够满足普通用户对锂离子电池模块装配工艺规划系统的浏览，而且能保证系统数据的安全性，不会因为非专业人员的误操作或故意修改而导致的数据丢失、数据破坏。

当启动锂离子电池模块装配工艺规划系统时，该系统会要求输入用户名和密码。当用户输入用户名和密码后，系统会到数据库中取得用户名与密码，并与用户输入的值进行比较。验证结果有两种：当用户输入的值与数据库中取得值一致时，验证成功，登录到系统；当用户输入的值与数据库中取得值不一致时，验证失败，退出系统。这样，只有通过身份验证的用户才可以进入系统，从而保证了数据库的安全性，用户登陆流程规划如图1所示。

2.2 零件管理模块

进入零件管理模块后，界面左边呈树形结构，清晰地反映了组成锂离子电池模块的各种零件，点击树根节点下零件节点，右边是零件的属性界面，将出现相应的零部件各个属性信息。

通过该功能模块，不仅可以实现对锂离子电池模块装配线上零件信息的浏览，而且还能对零件的三维模型进行浏览。

进入零件管理界面后，右键点击零件节点，弹出右键菜单，其中包括“添加节点、修改节点、删除节点”。点击“删除节点”，则可以直接删除该节点，并在数据库中也删除对应的零件；点击“添加节点”，则在被选节点下方建立新的树节点，在右边零件属性界面中所有的属性处于编輯状态，输入相应的信息，点击下方的“添加”按钮，相应的信息会在数据库和左边的节点信息中更新；点击“修改节点”，则右边的零件属性界面中零件属性会处于编辑状态，修改相应的信息并保存，即可完成修改，如图2所示。通过该模块的开发，使得工艺规划人员在一个可视化的界面上方便地进行零件的浏览、修改等操作，简化了技术人员翻阅大量图纸文件的繁琐工作。

2.3 锂离子电池模块管理

该模块由两部分组成，第一部分可以浏览系统中所有的锂离子电池模块装配体，如图3所示；第二部分为每种锂离子电池模块的装配工艺信息，包括锂离子电池模块的爆炸图、组成锂离子电池模块的零件统计信息、装配锂离子电池模块所用到的机器人、员工、工具、辅助工具、连接方式信息，如图4所示。

2.4 装配资源管理模块

装配资源管理模块的界面左边呈树形结构，其下包括了机器人、人力资源、夹具、工具和辅助设备五个子节点，每个节点下包含了该类资源的全部资源节点。点击任何一个具体的资源节点，右边将出现相应的资源属性信息；需要编辑哪种资源，就选择相应的资源节点。右键点击树节点后，点击右键菜单会出现“添加节点、修改节点、删除节点”，如图5所示。

通过该模块的开发，实现了对锂离子电池模块装配线线上装配资源信息的浏览，包括资源编号、资源名称、资源型号、价格、供应商等，同时还能对装配资源进行三维模型的浏览，使得工艺规划人员在一个可视化的界面上方便地进行装配资源的浏览、管理等操作。

2.5 综合相似度计算模块

在锂离子电池模块装配工艺规划系统中，锂离子电池模块之间综合相似度计算模块是专门为计算两个不同锂离子电池模块的综合相似度而设计的一个智能化模块。基于文献[7]中的理论，对其进行规划设计，具体实施过程分为三步：第一步，选择所要计算的对象；第二步，载入零件相似度矩阵、结构相似度矩阵和装配工艺相似度矩阵信息；第三步，利用MATLAB编程接口技术将Kuhn—Munkres算法程序嵌入到Visual C#软件平台中，通过点击“运算”按钮，触发内部程序，打开MATLAB軟件进行计算，如图6所示。

2.6 装配顺序规划模块

在锂离子电池模块装配工艺规划系统中，锂离子电池模块的装配顺序规划模块是专门为计算锂离子电池模块的装配顺序而开发设计的一个智能化模块。基于文献[8]中的理论，对其进行规划设计，具体实施过程分为三步：第一步，选择所要计算的对象；第二步，载入零件信息矩阵（即零件编号、装配方向和装配工具）、接触矩阵（即锂离子电池模块装配体中各零部件之间的接触关系）、移动边矩阵（即沿着±X，±Y，±Z装配方向，锂离子电池模块装配体中各零部件之间的几何干涉关系），并输入基础件的信息；第三步，利用MATLAB编程接口技术将免疫粒子群算法（IPSO）程序嵌入到Visual C#软件平台中，通过点击“运算”按钮，触发内部程序，打开MATLAB软件进行计算，如图7所示。

2.7 装配线平衡模块

该模块包括两部分，第一部分为单品种装配线平衡模块，第二部分为混合品种装配线平衡模块。

2.7.1 单品种装配线平衡模块

在锂离子电池模块装配工艺规划系统中，单品种锂离子电池模块的装配线平衡模块是专门为计算其装配线平衡而开发设计的一个智能化模块，具体实施过程分为三步：第一步，选择所要计算的对象；第二步，载入线性装配优先关系信息、装配时间均值信息、装配时间的标准差信息，并输入装配节拍；第三步，利用MATLAB编程接口技术将基于任务的枚举算法程序嵌入到Visual C#软件平台中，通过点击“运算”按钮，触发内部程序，打开MATLAB软件进行计算，如图8所示。

2.7.2 混合品种装配线平衡模块

在锂离子电池模块装配工艺规划系统中，混合品种锂离子电池模块的装配线平衡模块是专门为计算其装配线平衡而开发设计的一个智能化模块，对其进行规划设计，具体实施过程分为三步：第一步，输入所要计算的品种总数量，然后选择具体的品种并输入该品种的需求量；第二步，将所选择的每种锂离子电池模块的线性装配优先顺序、每种锂离子电池模块中配任务的时间均值和标准差进行预处理，处理后的综合线性装配优先顺序、综合线性装配优先顺序中装配时间的均值和标准差分别以txt文档的形式保存，调用的时候直接点击“载入”按钮即可；第三步，利用MATLAB编程接口技术将基于任务的枚举算法程序嵌入到Visual C#软件平台中，通过点击“运算”按钮，触发内部程序，打开MATLAB软件进行计算，如图9所示。

3 结束语

开发了电动汽车用锂离子电池模块装配工艺规划系统，并对研究的关键技术进行实例运行，实现了锂离子电池模块装配工艺规划的数字化和程序化。

参考文献：

[1]Karden E， Ploumen S， Fricke B， et al. Energy storage devices for future hybrid electric vehicles[J]. Journal of Power Sources， 2007， 168 （1）： 2-11.

[2]黄学杰.浅谈混合电动汽车用锂离子动力电池[C].CBIA2007中国国际电池产业链论坛， 2007：238-247.

[3]Yoshio M， Brodd R J， Kozawa A. Lithium-ion batteries： science and technologies[M]. Springer， 2009.

[4]魏学哲，朱维，曾凡帅，等.用于改善长条状电池模块散热的设计结构[P].中国，CN203071194U， 2013-07-17.

[5]车杜兰.电动汽车锂离子电池包热特性研究与优化设计[D].武汉理工大学，2009.

[6]乔立彪.锂离子电池管理系统的研究与实现[D].山东大学，2012.

[7]张含叶，刘海江.基于综合相似度的锂离子电池模块品种分类[J].中国工程机械学报，2015，13（03）：277-282.

[8]Zhang HY， Liu HJ， Li LY， Research on a kind of assembly sequence planning based on immune algorithm and particle swarm optimization algorithm[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2014， 71（5）： 795-808.