EV バッテリーの自動生産のための主要な設計上の考慮事項

電気自動車 (EV) のバッテリー アセンブリ セルには多くの設計ポイントが組み込まれており、高い信頼性と再現性、最適な全体的な機器効率、最大のスループット、およびデジタル化のインダストリー 4.0 コンセプトが保証されます。 業界全体で広く設置されている EV バッテリーのガス抜き自動化セルを調べると、これらの設計特徴の多くが実証されます。

フォーミングとは、円筒型、角型、パウチ型の EV バッテリー セルの初期充電および放電プロセスを指します。 充電プロセスでは、各バッテリーセル内でガスが発生します。 電解質を失わずに、密閉されたバッテリーセルからガスを抽出する必要があります。

バッテリーセルは成形ラックから自動脱気システムに移動します。 通常、真空グリッパーはバッテリーセルをトレイから取り出し、脱気システム上に持ち上げます。 カンチレバー式ハンドリング システムは、バッテリー セルを脱気チャンバーに出し入れします。 これら最後の 2 つの操作はピック アンド プレースであり、EV バッテリー セルの製造プロセス全体で一般的な方法です。

チャンバー内では、空気圧シリンダーが中空のランスを動かし、電池セルに穴をあけ、電解液がランスに入るまで真空を利用してガスを排出します。 その後、システムは真空から正圧に切り替わり、電解液をバッテリーセルに吹き戻します。 生産ユニットはバッテリーを密閉します。これは通常、熱溶接または超音波溶接によって行われます。 脱気されたバッテリーセルは、脱気チャンバーから取り出され、トレイに戻されます。 バッテリーセルを詰めたトレイは次の生産段階に進みます。

自動脱気セルは、空気圧と電気の両方の動作を備えています。 なぜ電気と空気圧の両方を使用するのですか? 各タイプの動作にはそれぞれ長所があり、2 つの動きのうちでは空気圧の方が経済的で簡単です。 空気圧により、自動化システムの総コストが削減され、システムの側面が簡素化され、より迅速な試運転、設置、トラブルシューティングが可能になります。

電動アクチュエーターは、バッテリーセルを密閉するために使用されるプレートの動きを同期させる、より信頼性の高い手段を提供します。 同期した動きにより、一方のプレートが他方のプレートより先に到着することによって位置合わせの問題が発生することはありません。 このレベルの制御により、電動アクチュエータの精度とタイミングが、操作のこの側面にとって最適なソリューションになります。 OEM 設計者は、エンド ユーザーにとって最もコスト効率の高いシステムを作成するために、よりシンプルで低コストの動作が最適な場所と、電気的精度が必須となる場所を特定します。

現在、何百もの脱気セルが稼働していますが、設計者は、特定の用途、セルの種類、環境、生産要件に合わせてそれぞれを設計する必要があります。 設計上の考慮事項では、コスト効率と機能要件を満たすという 2 つの目標を達成するために、電気コンポーネントと空気圧コンポーネントの正しいサイズ設定が不可欠です。

不適切なサイジングによる過剰なエンジニアリングにより、複雑さが増幅され、試運転時間が増加し、トラブルシューティングの課題が生じます。 すべてのコンポーネントを調和させるサプライヤーのエンジニアリング生産性ツールを探してください。 たとえば、ドライブ、モーター、アクチュエーター、シリンダー、スイッチ、継手、チューブなどです。 これらのツールは、設計をスピードアップするだけでなく、システムのサイズを適切に設定します。

バッテリー脱気セルのカンチレバー ハンドリング システムはスピンドル軸に基づいています。 これらの軸により、脱気チャンバーへの動的かつ安全なロードとアンロードが保証されます。 作業領域の真上に配置されるカンチレバー設計により、セルの設置面積が最小限に抑えられます。 デカルト形式のピック アンド プレイス システムでは、ガードが必要になることはほとんどありません。 ガードを排除すると設置面積も削減されます。

デカルト システムは、ほとんどのバッテリー セルの処理が X、Y、Z 軸でピック アンド プレイスされるため、理想的です。これはまさにデカルト システムの設計どおりです。 これらのピック アンド プレース システムは、作業範囲全体にわたって高い精度を実現します。これは、周辺部で精度が低下する 6 軸ロボットと比較して利点です。 デカルト ピック アンド プレイス システムも多関節ロボットよりも安価です。

脱ガスプロセス中、ピンチバルブがプロセスチャンバーを真空にします。 ピンチバルブはコンパクトで耐久性があり、エネルギー効率が高く、メンテナンスが容易で、柔軟性があります。 ピンチバルブは、空気の流れを制御するための最初のバルブではないかもしれませんが、ダイヤフラムバルブやボールバルブなどの他のバルブに代わるコスト、サイズ、機能を提供します。 重要なのは、最適なコンポーネントを特定することですが、これが最初の選択肢であることは明らかではありません。 このようなあまり明らかではない解決策については、サプライヤーに提案してもらいましょう。

脱気セルは分散型 I/O システムを備えています。 分散型 I/O は、センサーやバルブターミナルなどのすべての I/O および IO-Link デバイスをプラントの通信ネットワークに統合し、ワークピースからクラウドへのシームレスな通信を実現します。

分散型 I/O は柔軟、コンパクト、軽量で、リアルタイム機能を提供し、機器の確定的な動作に不可欠です。 分散型 I/O は、デジタル ファクトリをサポートするシンプルな構造を提供し、追加の I/O ポイントを簡単に追加できる高い拡張性を提供します。

分散型 I/O と IO-Link マスターがなければ、エンドユーザーは、初期設計後に拡張して I/O ポイントを増やすことがより困難になるでしょう。 設計の最初から制御アーキテクチャが決まっていない場合は、プラットフォーム間で簡単に移行できる I/O アーキテクチャでの標準化を検討してください。 この柔軟性の追加により、I/O 回路図と物理レイアウトを変更する必要がなくなります。 唯一の変更点は、PLC に接続するインターフェイス モジュールです。 さらに、制御プラットフォームが設​​定されていない場合は、複数のプロトコルをサポートするモーター コントローラーを選択してください。

脱気セルには、バッテリーセルを脱気チャンバーに出し入れするための柔軟な適応グリッパーが含まれています。 グリッパーがワークピースに適合するということは、過度な力を加えることなくバッテリーセルが固定されることを意味します。 この点において、設計者は通常、パウチ型セルや円筒型セルに真空を使用します。 より少ない真空の使用とより少ないエネルギー消費で効率を高めるために、真空の生成は吸盤の非常に近くで行う必要があります。 真空発生器に組み込まれた圧力センサーにより、セルが移動後も保持されているかどうかを確認できます。 セルによっては、磁気グリッパーが効率的なオプションとなる場合があります。

設計エンジニアは、バッテリーセルが落下しないように、緊急停止状況で何が起こるかを考慮する必要があります。 内蔵のグリップ冗長性は必須です。 真空グリッパーは、バッテリーセルの下に配置された機械的なフェールセーフ (フィンガークランプなど) と組み合わせられることがよくあります。

バッテリーセルの取り扱いの素晴らしい点は、動作、制御、通信のためのすべてのテクノロジーが利用可能であり、実証済みであることです。 OEM は、これらの重要な考慮事項を考慮して、迅速な稼働、信頼性の高い、非常に効率的なシステムを設計して提供できます。

この記事は、Festo (ニューヨーク州アイランディア) の EV バッテリー事業開発マネージャーである Lawrence Lin と自動車産業セグメント マネージャーである Jarod Garbe によって執筆されました。 詳細については、ここを参照してください。

この記事は、『Battery & Electrification Technology Magazine』2023 年 6 月号に初めて掲載されました。

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