Considérations de conception clés pour la production automatisée de batteries de véhicules électriques

De nombreux points de conception entrent dans les cellules d'assemblage de batterie de véhicule électrique (EV) qui garantissent une fiabilité et une répétabilité élevées, une efficacité globale optimale de l'équipement, un débit maximal et les concepts de numérisation de l'industrie 4.0. L'examen d'une cellule automatisée de dégazage de batterie de VE qui est largement installée dans l'industrie illustre bon nombre de ces caractéristiques de conception.

La formation fait référence au processus initial de charge et de décharge des types de cellules de batterie EV cylindriques, prismatiques et en poche. Le processus de charge génère du gaz dans chaque cellule de la batterie. Le gaz doit être extrait des cellules de batterie scellées sans perte d'électrolyte.

Des racks de formage, les cellules de batterie passent à un système de dégazage automatisé. Les pinces à vide soulèvent généralement les cellules de la batterie hors des plateaux et sur le système de dégazage. Un système de manutention en porte-à-faux prélève et place les cellules de batterie dans et hors d'une chambre de dégazage. Ces deux dernières opérations sont le pick and place, une méthode courante dans tout le processus de production des cellules de batterie EV.

A l'intérieur de la chambre, des vérins pneumatiques déplacent des lances creuses qui percent les cellules de la batterie et, à l'aide du vide, évacuent le gaz jusqu'à ce que l'électrolyte pénètre dans la lance. Le système passe alors du vide à la pression positive et souffle l'électrolyte dans la cellule de la batterie. L'unité de production scelle la batterie, ce qui est généralement réalisé par soudage thermique ou par ultrasons. Les cellules de batterie dégazées sont prélevées et placées hors de la chambre de dégazage et remises dans des plateaux. Les plateaux remplis de cellules de batterie passent à l'étape de production suivante.

La cellule de dégazage automatisée comporte à la fois un mouvement pneumatique et électrique. Pourquoi utiliser à la fois électrique et pneumatique ? Chaque type de mouvement a ses points forts, le pneumatique étant le plus économique et le plus simple des deux. La pneumatique réduit le coût total du système automatisé et simplifie certains aspects du système, permettant une mise en service, une installation et un dépannage plus rapides.

Les actionneurs électriques fournissent un moyen plus fiable de synchroniser le mouvement des plaques utilisées pour sceller les cellules de la batterie. Le mouvement synchronisé garantit qu'il n'y a pas de problèmes d'alignement d'une plaque arrivant avant l'autre. Ce niveau de contrôle fait de la précision et de la synchronisation des actionneurs électriques la solution optimale pour cet aspect de l'opération. Les concepteurs OEM identifient où un mouvement plus simple et moins coûteux est le meilleur et où la précision électrique est obligatoire pour créer le système le plus rentable pour l'utilisateur final.

Alors que des centaines de cellules de dégazage fonctionnent aujourd'hui, les concepteurs doivent concevoir chacune pour son application spécifique, son type de cellule, son environnement et ses exigences de production. Dans leurs considérations de conception, le dimensionnement correct des composants électriques et pneumatiques est essentiel pour atteindre deux objectifs : la rentabilité et la satisfaction des exigences fonctionnelles.

Une ingénierie excessive due à un dimensionnement incorrect amplifie la complexité, augmente le temps de mise en service et crée des problèmes de dépannage. Recherchez des outils de productivité d'ingénierie auprès de fournisseurs qui harmonisent tous les composants ; par exemple, entraînement, moteur et actionneur, ou vérin, interrupteur, raccords et tubes. Ces outils accélèrent non seulement la conception, mais dimensionnent également le système correctement.

Le système de manutention en porte-à-faux de la cellule de dégazage de la batterie est basé sur des axes de broche. Ces axes assurent un chargement et un déchargement dynamiques et sûrs des chambres de dégazage. La conception en porte-à-faux, située directement au-dessus de l'enveloppe de travail, minimise l'encombrement des cellules. Les systèmes cartésiens de sélection et de placement nécessitent rarement une protection ; l'élimination de la protection réduit également l'encombrement.

Un système cartésien est idéal car la plupart des manipulations de cellules de batterie se font par prélèvement et placement dans les axes X, Y et Z, exactement ce pour quoi le système cartésien est conçu. Ces systèmes de pick and place offrent une grande précision sur l'ensemble de l'enveloppe de travail, un avantage par rapport aux robots à six axes, qui perdent en précision à la périphérie. Les systèmes cartésiens de pick and place sont également moins coûteux que les robots articulés.

Pendant le processus de dégazage, une vanne à manchon évacue la chambre de traitement. Les vannes à manchon sont compactes, durables, économes en énergie, faciles à entretenir et flexibles. Bien qu'une vanne à manchon ne soit pas la première vanne qui vient à l'esprit pour contrôler le débit d'air, elle offre une alternative de coût, de taille et de fonctionnalité aux autres vannes, telles que les vannes à membrane ou à bille. Le but est d'identifier le composant optimal, qui peut ne pas être le premier choix évident. Appuyez-vous sur les fournisseurs pour suggérer ce genre de solutions pas si évidentes.

La cellule de dégazage dispose d'un système d'E/S décentralisé. Les E/S décentralisées intègrent tous les périphériques d'E/S et IO-Link, tels que les capteurs et les terminaux de distributeurs, dans le réseau de communication de l'usine, créant une communication transparente de la pièce à usiner vers le cloud.

Les E/S décentralisées sont flexibles, compactes, légères et offrent une capacité en temps réel et sont essentielles pour le comportement déterministe de l'équipement. Les E/S décentralisées offrent une structure simple qui prend en charge l'usine numérique et fournit une évolutivité élevée où des points d'E/S supplémentaires sont facilement ajoutés.

Sans les E/S décentralisées et le maître IO-Link, les utilisateurs finaux auraient plus de mal à évoluer et à augmenter les points d'E/S après la conception initiale. Si l'architecture de contrôle n'est pas décidée dès le début de la conception, envisagez de standardiser sur une architecture d'E/S qui peut facilement passer d'une plate-forme à l'autre. Grâce à cette flexibilité supplémentaire, le schéma d'E/S et l'agencement physique n'auront pas à être modifiés. Le seul changement sera le module d'interface qui se connecte à l'automate. De plus, si la plate-forme de contrôle n'est pas définie, choisissez des contrôleurs de moteur prenant en charge plusieurs protocoles.

La cellule de dégazage comprend une pince adaptable souple pour saisir et placer des cellules de batterie dans et hors de la chambre de dégazage. La conformité de la pince à la pièce signifie que la cellule de la batterie est fixée sans force excessive. À cet égard, les concepteurs utilisent couramment le vide pour les cellules en poche et cylindriques. La génération de vide doit être très proche de la ventouse pour augmenter l'efficacité en utilisant moins de vide et en réduisant la consommation d'énergie. Un capteur de pression intégré au générateur de vide permet de vérifier si la cellule est toujours maintenue après le déménagement. Selon la cellule, les pinces magnétiques sont parfois une option efficace.

L'ingénieur de conception doit tenir compte de ce qui se passe lors d'une situation d'arrêt d'urgence pour s'assurer que les cellules de la batterie ne tombent pas. La redondance de préhension intégrée est un must. Les préhenseurs à vide sont souvent associés à une sécurité mécanique positionnée sous la cellule de la batterie, par exemple, une pince à doigt.

Ce qui est merveilleux avec la manipulation des cellules de batterie, c'est que toute la technologie de mouvement, de contrôle et de communication est à la fois disponible et éprouvée. Les OEM utilisant ces considérations clés peuvent concevoir et fournir des systèmes rapides à mettre en service, fiables et extrêmement efficaces.

Cet article a été rédigé par Lawrence Lin, responsable du développement commercial des batteries EV, et Jarod Garbe, responsable du segment de l'industrie automobile, tous deux chez Festo (Islandia, NY). Pour plus d'informations, rendez-vous ici.

Cet article est paru pour la première fois dans le numéro de juin 2023 de Battery & Electrification Technology Magazine.

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