כיצד מיוצרות ערכות סוללות של כלי-רכב חשמליים?

ערכת הסוללות היא תת-מכלל קריטי בכלי רכב חשמליים לחלוטין (EVs), והיא אחת המורכבות ביותר להרכבה. זה מתחיל עם בדיקת תאי הסוללה הפרטניים לפני הרכבה. אחר כך, רובוטים שיתופיים (קובוטים) משמשים לרוב להרכבת מודולי הסוללה ואחר כך לשילוב המודולים בערכות סוללה שלמות, כולל פסי הצבירה (bus bars), מכללי קירור, ניהול סוללות ותת-מערכות אחרות. לבסוף, דרושה מערכת‏ בדיקה חזותית אוטומטית כדי להבטיח שכל האלמנטים במכלל מורכבים כראוי.

מאמר זה סוקר את המורכבויות של ערכות סוללות EV ותת-מערכות מסוימות קשורות, כולל הצורך במספר רב של מודולי תא סוללה, פסי צבירה נצילים חשמלית וקלי משקל וחיבורי רתמת חיווט, ‏ומערכת קירור אקטיבית. אחר כך, המאמר מציג מוצרים מיצגים מ-DigiKey‏, כולל התקן איסוף נתונים מבית National Instruments‏ היכול לשמש כחלק ממערכת הבדיקה של תא סוללה, קובוט מבית Omron Automation‏ היכול לשמש להרכבת ערכת סוללות, ומודול מצלמה חכמה עם תוכנה משובצת מבית Banner Engineering היכול לספק פלטפורמת בדיקה אוטומטית.

אבני בניין של ערכת סוללות EV

תכן ערכת סוללות EV משתנה מיצרן ליצרן ולפעמים מדגם EV אחד לשני אצל אותו היצרן, דבר ההופך הרכבה גמישה לשיקול חשוב. דבר אחד שיש לכל ערכות סוללות EV במשותף הוא שהן יכולות להשתמש באלפי רכיבים.

ערכת סוללות EV מורכבת ממספר רב של מודולי סוללות המורכבות בערכה הסופית (איור 1‏). ארכיטקטורת המודולים והערכות מתפתחת לספק מתחים גבוהים יותר למערכת ההינע של ה-EV. בעוד 400‎ V_DC היה הסטנדרט, מתחים עד 900‎ V_DC מופיעים לעתים יותר קרובות. היתרון העיקרי של מתחים גבוהים יותר הוא טעינה מהירה יותר. טעינה מהירה יותר יכולה לעזור להפחית את חרדת הטווח של נהגי EV, אך עושה את ערכות הסוללות ליותר מאתגרות (ומסוכנות פוטנציאלית) להרכבה.

איור 1‏: מודולי סוללות הם אבני הבניין הבסיסיים של ערכות סוללות EV. (מקור תמונה: National Instruments)

תאי הסוללה במודול לרוב מרותכים ביחד, בעוד המודולים בדרך כלל מוברגים לפסי צבירה גדולים כדי ליצור את ערכת הסוללות השלמה. ארכיטקטורת המודולים ביחס לערכה היא לרוב הגורם המבדל בין תכני EV. בכל המקרים, מערכת הסוללות זקוקה לניהול תרמי, בעיקר קירור, אך לעיתים חימום כשטמפרטורת הסביבה היא נמוכה מדי עבור עבודה יעילה של סוללות. מערכת הניהול התרמי יכולה להיות פסיבית עבור ערכות קטנות, אבל ערכות גדולות דורשות ניהול תרמי אקטיבי עם התקני שינוי פאזה ומשאבות כדי לגרום לסירקולציה של נוזל לקרר תאים בודדים.

מערכת ניהול סוללות (BMS) מנטרת את מצב הבריאות והטעינה של תאי סוללה בדידים. ה-BMS כוללת מגוון של חיישני מתח, זרם, טמפרטורה ואחרים, לעיתים קרובות עם חיישנים ממוקמים על כל תא סוללה. ה-BMS מתקשרת עם מערכת המחשב המרכזית של ה-EV.

נתיכים משמשים לעיתים ברמת המודול, אך קיימת תמיד הגנת זרם-יתר עבור ערכת הסוללות הכוללת. מגעון‏ (Contactor) מתח-גבוה גדול ורכיבים אחרים משמשים כדי לטעון מראש את מעגל הינע המנוע כדי למנוע זרמי התנעה (inrush currents) גבוהים המזיקים פוטנציאלית כשה-EV מונע לראשונה. משלב (interlock) מנתק שירות מבודד את המתחים הגבוהים בערכת הסוללות ומספק סביבה בטוחה עבור טכנאי שירות העובדים על ה-EV.‏ מאות ברגים, אומים ומהדקי בורג, מחברים, ורכיבים מכניים אחרים נחוצים כדי להשלים את ההרכבה.

בניית ערכות סוללות

בדיקת תאי סוללה בדידים‏ היא צעד ראשון חיוני. היא בדרך כלל הצעד האחרון בתהליך ייצור התא בגיגה-המפעל המיוחד בו התאים מיוצרים. אך כשהתאים מגיעים אל מפעל ייצור ה-EV, מקובל גם כן לבצע בדיקת אבטחת איכות אקראית כדי לנטר את רמות האיכות של סדרות תאי סוללה נכנסות. ללא תאי סוללה באיכות גבוהה, בלתי אפשרי ליצר ערכות סוללות EV אמינות ובאיכות-גבוהה.

בשלב הבא, התאים מורכבים למודולים. מודולים בדרך כלל כוללים בערך 12‏ עד ‏20‏ תאים. המודולים מגובבים במסגרת מתכתית המספקת חברורים, הגנה מפני זעזועים ורעידות, ובדגמים מסוימים, ניהול תרמי. דרוש דיוק, ועם התקדמות ההרכבה של ערכת הסוללות, היא הופכת להיות יותר ויותר כבדה עד שהיא שוקלת מאות פאונד.

בשל הצורך בדיוק וטיפול בעומסים כבדים, הרכבת ערכת סוללות מתבצעת לרוב תוך שימוש בקובוטים או רובוטים תעשייתיים. קובוט יכול לטפל בעומסים כבדים ולהרכיב במהירות ובדיוק את מאות הברגים, מחברים ורכיבים אחרים הדרושים עבור הערכה המוגמרת. לדוגמה, ערכת הסוללות ב-Nissan Leaf כוללת 48 מודולים (איור 2‏). הצעד האחרון בהרכבת ערכת סוללות הוא בדיקה אוטומטית, כולל בדיקה חזותית של המארז המורכב.

איור 2‏: ערכת סוללות Nissan Leaf זו כוללת 48 מודולי סוללות ועוד מאות רכיבים אחרים. (מקור תמונה: חטיבת NHR של National Instruments)

בדיקת סוללות ואיסוף נתונים

מהנדסי ייצור המתכננים מערכות בדיקה של סוללות יכולים לפנות אל התקן איסוף הנתונים (DAQ) ‏779640-01 מבית National Instruments‏. התקן USB 2.0 DAQ מהירות-מלאה זה כולל שמונה ערוצי זרם ישר (V_DC) של ±60 וולט עבור כניסות דיגיטליות מבודדות, שמונה ערוצי ‎60 V_DC,‏ 30 וולט שורש ממוצע הריבועים (V_RMS) עבור יציאות ממסר מצב-מוצק (SSR) מבודד, ומונה‏ bit‏-32‏ (איור 3‏). שמונת ערוצי הכניסה המבודדים כוללים מבדד אופטי (optocoupler), דיודת שוטקי (Schottky), ומעגל מגביל-זרם מבוסס על ‏depletion-mode MOSFET‏. ה-779640-01 גם כולל סינון דיגיטלי, גילוי שינוי, יציאות הפעלה ניתנות-לתכנות וקוצב-זמן watchdog.

איור 3‏: ה-‎779640-01 DAQ כולל שמונה כניסות דיגיטליות מבודדות (צד ימין) ושמונה יציאות SSR (צד שמאל). (מקור תמונה: DigiKey)

ה-‎779640-01 DAQ יכול לנטר שינויים, כולל שפות אות עולות, שפות אות יורדות או שתיהן, על קווי כניסה ספציפיים או על כל קווי הכניסה ביחד. מופק‏ פסק (Interrupt‏) כשמזוהה שינוי. הפסק (Interrupt‏) אינו מציין את קו הכניסה עליו התרחש השינוי. ניתן להשתמש בתוכנה כדי לקרוא את השורות ולקבוע את המקור של הודעת השינוי. סינון דיגיטלי יכול למזער את השפעות הרעש וההפרעות האלקטרומגנטיות (EMI‏).

המסנן הדיגיטלי עובד על הכניסות של המבדד האופטי (optocoupler). מבדדים אופטיים נכבים לאט יותר משהם נדלקים, מעבירים שפות אות יורדות לאט יותר משפות אות עולות. המסנן הדיגיטלי יכול לסייע במניעת שינויים הנגרמים על ידי רעש או EMI. מתכננים יכולים להגדיר את ערוצי המסנן עם מרווחי סינון מתוכנתים. פולסים קצרים יותר ממחצית מרווח הסינון המתוכנת נחסמים. פולסים שהם ארוכים יותר ממרווח הסינון מועברים. פולסים בין לבין עשויים לעבור או לא לעבור את המסנן.

קבלת עזרה עם עומסים כבדים ומשימות חוזרות

לאחר שתאי הסוללה עברו בדיקה, קובוט יכול לזרז את תהליך ההרכבה של המודול וערכת הסוללות. הרכבה כרוכה במספר תהליכים, וקובוטים כמו ה-RT6-1001321 מבית Omron Automation‏ הם בעלי יכולת הסתגלות גבוהה (איור 4‏). ל-RT6-1001321 יש מתאם‏ Fieldbus משולב כדי להקל על אינטגרציה בתוך מערכות אוטומציה של מפעל. קובוטים פועלים עם דיוק גבוה ויכולים לסייע בסגירת ברגים, הדבקה, מריחת גריז תרמי, חיבור מחברים ומספר רב של פעילויות אחרות הדרושות כדי להרכיב ערכת סוללות EV. יכולות מסוימות ההופכות קובוטים למתאימים היטב עבור הרכבת ערכת סוללות EV כוללות:

• סביבות תכנות גרפי לזרוז הדרכת קובוט.
• מערכות ראייה משולבות מסייעות בפיקוח ומדידה של התוצאות כמו גם בפעילויות הרכבה.
• אפקטורי (effectors) קצה מודולריים ניתנים להחלפה מהירה, דבר המאפשר לקובוט יחיד לבצע מגוון תהליכי הרכבה.
• קובוטים יכולים לפעול באופן אינטראקטיבי עם לוגיסטיקה ורובוטים ניידים אחרים כדי ליצור תא ייצור שלם עבור ערכות סוללות.‏

איור 4‏: קובוטים כמו ה-RT6-1001321 הם מסתגלים ביותר ויכולים לבצע במהירות משימות חוזרות בדיוק גבוה. (מקור תמונה: Omron Automation)

גמישות והיכולת ללמוד במהירות נהלים חדשים, תוך מניעת הדממה ופרקי זמן ייצור לא אפקטיביים ממושכים, הם מאפייני מפתח של קובוטים. ניתן ללמד פעילות חדשה במספר‏ דקות תוך שימוש בממשק משתמש גרפי או פשוט הנעת זרוע הקובוט מנקודה לנקודה. קובוטים מצטיינים במשימות חוזרות ונשנות שכיחות בהרכבת ערכת סוללות EV ויכולים לטפל בעומסים כבדים בדיוק רב. לבסוף, קובוטים יכולים לכלול ראיית מכונה ובינה מלאכותית (AI) כדי להרים את החלקים הדרושים באוריינטציה הנכונה, להוסיפם למכלול ערכת הסוללות ולבדוק את התוצאות.

בדיקת התוצאות

אימות חזותי אוטומטי שערכת הסוללות הורכבה כראוי ניתן לבצע על ידי שימוש במצלמה החכמה VE205G1A מבית Banner Engineering (איור 5‏). התוכנה המשולבת מתוכננת לבצע פונקציות מתקדמות של בדיקה חזותית. תוכנת Vision Manager של Banner כלולה עם ה-VE205G1A ומספקת מספר כלים כמו גילוי פריט, מיקום ומדידת תכונות וניתוח זרימה, וקריאת ברקוד כדי להאיץ את הפיתוח של יישומי ראייה. עריכת זמן-ריצה תומכת בשינויי זמן-אמת לנוהל בדיקה, דבר המצמצם זמן הדממה ומזרז קבלת תוצאות. חלק מהיכולות של המצלמה החכמה VE205G1A כוללות:

• EtherNet/IP‏, Modbus/TCP‏, PROFINET‏ וחיבוריות RS-232‏ עבור‏ אינטגרציה קלה במערכות אוטומציה של מפעל
• שש כניסות/יציאות (I/O) מבודדות אופטית ומחבר אור חיצוני
• תצוגה של שתי שורות, שמונה תווים, המספקת מצב מצלמה ומאפשרת שינויים מהירים לפעילויות חדשות.
• כיסויי עדשה אטומים אופציונליים מספקים דרוגי IP67‏ עבור סביבות תעשייתיות קשות.
• שימושים אופייניים כוללים:
  • נוכחות או העדרות של חלקים, כולל ספירת מספר הפריטים ואימות תוויות.
  • אימות אוריינטציה של‏ חלק ומשלוח מיקום ואוריינטציה של חלק לרובוט או קובוט Pick-and-Place.
  • גילוי פגמים תת-משטחיים (Flaw detection) כולל זיהוי מיקום וגודל של פגמים (flaws) בפריט.
  • מדידת מידות קריטיות של‏ פריט או המיקומים היחסיים של פריטים במכלול.

איור 5‏: מצלמות חכמות כמו ה-VE205G1A מספקות את כל הפונקציונליות הנחוצה עבור בדיקה חזותית מהירה של מכללי ערכת סוללות EV. (מקור תמונה: Banner Engineering‏)

סיכום

ערכות סוללות EV הן תת-מערכות מורכבות וקריטיות. ביצועים, אמינות ועלות של EV נמצאים בקורלציה חזקה ליכולת להרכיב ביעילות ובמהירות את ערכת הסוללות. תהליך ההרכבה מתחיל באימות שתאי הסוללה עומדים במפרטים הדרושים, אחר כך מסתמך על הרכבה מדויקת אוטומטית תוך שימוש ברובוטים וקובוטים, ומסתיים עם בדיקה חזותית סופית תוך שימוש במצלמות אוטומטיות חכמות.