动力锂电池自动配组方案研究

陈甦欣，曾 臻

(1.合肥工业大学 机械工程学院，安徽 合肥 230009； 2.合肥工业大学 智能制造技术研究院，安徽 合肥 230009)

0 引言

随着新能源电动汽车的日益发展，动力电池的使用也越来越广泛，动力电池组的生产制造业成为了一个重要产业。众所周知，电池组是由单个电芯经过串并联组合成的，电池组的质量优劣，除了电芯本身的化学配方以外，电芯的配组也有着至关重要的影响[1-2]。

电池组内部一致性一般指组成电池组的同一规格型号的单个电芯间的容量、电压、内阻等参数的一致性。单个电芯间的差异太大会导致各个电芯不能得到充分利用，从而使得电池组的整体特性急剧下滑，甚至加速电池组的损坏，严重影响电池组的质量[3-6]。但是对于企业而言，在考虑电池组质量的同时也必须考虑生产的效率，现有的生产商大都用人工选配的方法进行选配，这样生产效率太低，不利于大规模生产线生产。

本文以实际项目为例，设计了一套自动配组方案，对电芯进行多目标条件自动配组，在保证电池组质量的同时提高电芯的利用率，运用MATLAB软件对设计的算法方案进行优化求解[7]，与分档选取每次使用同一档电芯进行配组的原始方案进行比较，并在生产线上试运行，以验证方案的可行性。

1 配组方案优化设计

1.1 多目标优化问题及最优解

多目标问题可描述为：

miny=F(x)=(f1(x),f2(x)，…，fm(x))T.

s.t.gi(x)≥0i=1,2,3，…，p.

x=(x1，x2,…,xn)T.

其中：y为目标函数；gi(x)≥0为约束条件；x为决策向量。

该问题具有n个决策变量，p个约束条件，m个目标函数，设可行解集为X。在对多目标问题进行优化时需要有以下概念。

(1) pareto占优(pareto dominance)：解x0优于解x1，记x0x1，即:

∀i=1,2,…，m,fi(x0)≤fi(x1).

∃j∈{1,2,…，m},fj(x0)

(2) pareto最优解：解x*是pareto最优解当且仅当：

┐∃x∈X,xx*.

注:┐表示“not”，┐∃表示不存在。

(3) pareto最优解集Ps：

Ps={x*|┐∃x∈X,xx*}.

(4) pareto前沿：所有pareto最优解对应目标函数值形成的区域Pf：

Pf={F(x)=(f1(x),f2(x),…，fm(x))|x*∈Ps}.

1.2 配组方案的设计

电池配组方案的设计，首先需要考虑电芯本身的质量，各个电芯之间因为其化学配方的稳定性以及生产技术水平、生产批次不同等因素而产生一定的差异。常见配组的方式是将电芯进行检测分类后进行人工配组，这样的配组方式虽然保证了单个电池组的质量，但是生产效率非常低，不利于大批量生产；也有为了大批量生产而将电芯分类后选取同一档电芯组成电池组，这样虽然保证了同一批次的电池组内部的一致性，也提高了生产效率，但是会导致不同生产批次之间的电池组的差异过大。

本文设计的自动配组方案针对以上配组方式的不足之处进行改进，以动力电池的一个PACK包为生产计划单位，在确定了生产电池组的类型后以每串电芯为配组单位，将电芯分类后，按不同档位混合配组，通过将电芯的参数放在三维空间中计算差异性[8-9],在配组方案中同时考虑电池组低差异性和电芯高利用率的条件下，选取最优化的配组方案,具体步骤如下：

按照电芯的主要指标容量对电芯进行分类，将电芯分为n档，每次生产计划电芯总数为Y，每档位电芯数为y1，y2，…，yn，每档电芯的平均容量为f1，f2，…，fn。

确定模组电芯串并联组合方式为X并Z串，即先将X个电芯并联，再将Z个并联电芯串联，确定模组标准容量A0、可容纳误差值Δ。

设每组并联的电芯中各档电芯数为x1，x2，…，xn，即每组并联的电芯由x1个1档电芯、x2个2档电芯、…、xn个n档电芯并联组成，可得电芯在配组方案下的每组并联电芯的容量：

A=f(x1,x2，…,xn)=f1x1+f2x2+，…,+fnxn.

(1)

由此可以算出每组并联电芯的容量与标准容量间的误差：

φ=A0-A.

(2)

每次生产计划中并联电芯组数的最小约数为：

(3)

每次生产计划的电芯利用率为：

(4)

其中：W为每生产一个PACK包所需要的并联电芯的组数；δ为模组的生产基数，即每次生产都是δ个模组同时生产；R为生产一个PACK包所需的电芯个数。

本文中电池组的一致性主要考虑容量、电压、内阻的影响，将电芯的参数设为一个三坐标的点：

zi=(zi1，zi2，zi3)i=1,2,…，n.

(5)

其中：zi1为检测得到的i档所有电芯的容量平均值；zi2为检测得到的i档所有电芯的电压平均值；zi3为检测得到的i档所有电芯的内阻平均值。取zi1、zi2、zi3的影响因子分别为：k1=0.2、k2=0.5、k3=0.3。

计算配组方案中并联的X个电芯各个数据的平均值：

(6)

再求方案中并联的X个电芯各个数据的差异度评价：

(7)

然后综合各个数据的影响因子求方案中并联的X个电芯的整体差异度评价[10]：

(8)

根据以上公式可以求出其不同方案下的整体差异度，差异度值越小电池组一致性越高。

根据条件得到可行方案后，再通过综合考虑电池组一致性和电芯利用率，优化选取最佳方案，然后求得每档电芯使用数量，更新剩余电芯数继续为下一生产计划配组。

2 仿真及试验

2.1 配组方案数学模型

以本次项目的生产要求为例，确定电芯以及其他生产要求：电芯分为4档，n=4；每档位电芯的数量y和各个电芯参数zi都由程序按照要求随机给出，电芯上料以框为单位，每框64个电芯，每次上料共100框，Y=6 400；电芯为5并4串即X=5，Z=4；电芯标准容量为38 A·h，模组标准容量A0=190 A·h，可容纳误差值Δ≤3.5 A·h；PACK包所需要的并联电芯组数W=31；生产基数δ=4；PACK包所需的电芯个数R=155。

综合以上多目标优化问题以及自动配组方案的设计，建立数学模型：

目标函数f1(x)表示整体差异度，越小越优；目标函数f2(x)表示电芯利用率，越大越优；条件约束g1限制每串各电芯数和为X；条件约束g2限制配组的每串电芯容量误差在可容纳范围以内；决策向量x表示方案中组成并联电芯的各个档位电芯的数量。

具体的数学函数如下：

g2(x)=φ=190-A≤3.5.

x=(x1，x2,x3,x4).

2.2 数据仿真

在建立数学模型之后，对同档电芯配组方案(方案1)和多档电芯自动混合配组方案(方案2)进行编程，模拟了40次随机上料情况，即随机给出各档电芯数和各档位电芯的参数，得到两种方案的电芯利用率，如图1所示。因为生产模组所需要的电芯数是12 400(生产一组模组所需要的电芯数)的倍数，所以利用率总是产生在0.968 8、0.871 9、0.678 1三个值中。由图1可以明显看出，使用方案2产生高利用率情况更多，所得的电芯利用率也更稳定。

再提取模拟的料框中电芯的参数和配组方式，抽取其中一次上料情况中两种方案得到的30个模组的参数如图2所示。由图2可以看出，使用方案2所得的模组除了容量没有使用方案1所得的稳定以外，整体参数都要更加统一，差异也更加小。

2.3 试验

将自动配组方案在生产线上试验。建立数学模型之后，通过高级语言编程将以上方案编入电芯上线工位的机器人控制系统中，通过对上一个工位检测到的电芯参数进行运算，得到配组方案，将信息传给上料机器人，上料机器人根据方案对不同档位的电芯进行选择抓取上料，通过调整抓取顺序来达到不同的配组方案。试验现场的电芯上线工位和模组组装工位如图3、图4所示。

图1 两种方案电芯利用率对比

图2 两种方案模组参数对比

图3电芯上线工位图4模组组装工位

本次试验采取的是同时对4个模组进行组装的方案，对电芯两种配组方案进行对比试验，准备4个档位的电芯24框，各档位电芯6框，将电芯平分为两组，每组电芯12框，各档位电芯3框，分别用同档电芯配组方案(方案1)和多档电芯自动混合配组方案(方案2)两种配组方式对两组电芯进行配组，统计电芯利用率，同时将得到的模组进行100 min充放电测试，记录试验前、后电压值，得到的结果如表1所示。

表1 试验结果

由此看出，在使用多档电芯自动混合配组方案后电芯的利用率得到了提高，所得的模组在进行充放电试验中也取得了一定的优化，达到了预期效果。

3 结论

本文通过多目标的优化求解方式，对电芯配组方案进行优化设计，在保证电池模组良好性能的同时提高了电芯的整体利用率，解决了电芯堆积和生产的模组质量差异过大的问题。通过MATLAB仿真运算，并在生产线进行生产试验，得到的结果表明，将本文设计的自动配组方案使用在电池模组装配线上能够有效地提高模组的生产效率和电芯的利用率，提升产品质量，故此方案是有效可行的。