动力电池汇流排螺栓拧紧检测，如何实现±0.1% FSD精度与高过载能力？【自动化拧紧】

第1部分：被测物结构与技术要求

动力电池汇流排是连接电池模组内部或模组之间的关键电气部件，其上通常集成了汇流排本身（通常是铜或铝制成的导电排）以及用于连接的极耳（电池的引出端）。这些部件通过螺栓进行紧固连接，以确保低电阻、高可靠性的电气通路。

汇流排螺栓的拧紧检测，其核心技术要求在于：

• 紧固力矩的准确性： 螺栓需要达到一定的预紧力，以保证良好的导电接触，避免因接触电阻过大而发热，影响电池性能甚至引发安全问题。过紧则可能损坏汇流排、极耳或螺栓本身，甚至影响电池壳体的密封性。

• 拧紧角度/行程的精确性： 在某些应用中，除了扭矩，拧紧过程中的角度或行程也是重要的控制参数，它关系到螺栓的最终锁紧状态。

• 连接的可靠性： 确保连接在振动、温度变化等工况下不会松动，从而保证长期的电气性能和安全性。

• 过程的可追溯性： 能够记录每次拧紧的操作数据（如扭矩、角度、时间等），便于质量追溯和故障分析。

• 高效率与自动化： 尤其在规模化生产中，拧紧检测需要高速、自动化，以满足生产节拍要求。

第2部分：相关技术标准简介

在动力电池汇流排的连接质量检测中，关注的监测参数及其评价方法主要包括：

• 扭矩 (Torque): 指螺栓拧紧时产生的旋转力矩。评价方法通常是通过高精度扭矩传感器实时测量，并与预设的扭矩范围进行比对。

• 角度 (Angle): 指螺栓在拧紧过程中旋转的角度。评价方法常结合编码器等设备，记录从起始点到拧紧终点的旋转角度，并与预设角度范围比对。

• 峰值扭矩 (Peak Torque): 拧紧过程中达到的最大扭矩值。对于某些需要瞬间爆发力的紧固工况，此参数尤为重要。

• 角度（扭矩）比 (Angle-Torque Ratio): 拧紧过程中，在特定扭矩点下的旋转角度，或在特定角度下的扭矩值。用于评估螺栓的拧紧状态和材料特性。

• 预紧力 (Pre-tightening Force): 螺栓拧紧后产生的轴向拉力。虽然直接测量预紧力较为困难，但通常可以通过精确控制扭矩和角度来间接推算。

• 拧紧时间 (Tightening Time): 完成整个拧紧过程所需的时间，以反映生产效率。

• 接触电阻 (Contact Resistance): 汇流排与极耳之间连接点的电阻值，是衡量连接质量的关键指标，过高的电阻意味着连接不良。

第3部分：实时监测/检测技术方法

（1）市面上各种相关技术方案

针对汇流排螺栓的拧紧检测，目前市面上存在多种技术方案，它们各有侧重，适用于不同的应用场景。

• 技术方案一：应变式扭矩测量（如ZTQS302系列）

  • 工作原理与物理基础： 该技术的核心是利用电阻应变片粘贴在旋转轴或测量杆上。当受到扭转力矩时，材料会发生微小的形变，应变片随之形变，其电阻值也随之改变。通过连接这些应变片组成全惠斯通电桥，可以测量到由形变引起的电桥输出电压变化，这个变化与施加的扭矩呈线性关系。

  • 核心性能参数：

    • 额定扭矩 (FSD): 传感器设计的满量程，例如 0.175 N·m 至 265 N·m，覆盖多个小至中等扭矩的紧固件应用。

    • 综合精度 (Accuracy): 含非线性、滞后等的总误差，标称为 ±0.1% FSD，非常高。

    • 非线性/滞后: 测量曲线的线性度和重复性，例如 ±0.05% FSD。

    • 安全机械过载: 能够承受的最大瞬时负载，而不会造成永久性损坏，例如 400% FSD，远高于一般传感器。

    • 电气读数范围: 传感器仍能输出有效线性读数的范围，达到 250% FSD的电气超量程可捕捉瞬时峰值。

    • 采样率/带宽: 数据更新速度，例如 4000 samples/s，或 5 kHz 带宽，足以捕捉动态拧紧过程。

• 技术方案优缺点：

  • 优点：测量直接、精度高，400% 的超高机械过载能力使其非常适合用于冲击扳手等产生瞬态冲击的拧紧工具，能有效防止传感器损坏。此外，其原生方头接口设计减少了附加误差，提高了测量准确性，并缩短了测试台的搭建时间。同时，采用无线射频信号传输避免了传统滑环的磨损与接触噪声。

  • 缺点：方头接口的设计在设计上可能存在动平衡限制，不太适合极高转速的测试。选择IP65防护等级可能会进一步限制最大转速并引入额外的摩擦扭矩。通过USB采集数据时，可能受主机系统影响，存在非确定性延迟。

  • 适用场景：动力工具校准、高精度扭矩审计、螺栓拧紧过程监控等。

• 技术方案二：基于伺服驱动器的角度-扭矩控制

  • 工作原理与物理基础： 此方案通常集成在自动化拧紧设备中。伺服驱动器通过内置的高精度编码器记录螺栓在拧紧过程中的旋转角度，结合工具的扭矩反馈，实现对拧紧过程的精确控制和质量追溯。

  • 优缺点： 能够实现非常精确的扭矩和角度控制，非常适合对拧紧参数有高要求的生产环境，但相对成本较高。

• 技术方案三：基于激光测量的尺寸与位置检测

  • 工作原理与物理基础： 该技术利用激光三角测量原理，对螺栓头部高度、形状及安装位置进行精确扫描，适用于补充拧紧状态验证。

• 技术方案四：基于超声波的间接检测

  • 优缺点： 非接触式检测对被测物影响小，但无法直接测量扭矩，适合作为辅助或探索性技术。

第4部分：市场主流品牌/产品对比

在动力电池汇流排极耳螺栓拧紧检测领域，一些知名品牌提供了成熟的解决方案。以下对比将聚焦于采用类似技术原理的品牌。

• 德国马克

  • 技术方案： 应变式扭矩测量，采用MarTest C-3000产品，覆盖扭矩范围为0.1 - 30 N·m，精度达到±0.5% F.S.，最高测量频率为1000 Hz。该品牌以其测量技术成熟与稳定性著称，适用于高扭矩精度要求的应用。

• 英国真尚有

  • 技术方案： 主要采用应变式扭矩测量，产品如ZTQS30X系列n能确保旋转角度的准确记录。

• 瑞士宝盟

  • 技术方案： 主要采用基于伺服驱动器的角度-扭矩控制，产品如b maXX 5000系列，集成的高精度编码器确保旋转角度和位移的准确记录。

• 德国倍加福

  • 技术方案： 基于激光扫描的尺寸与位置检测，通过R2100系列激光扫描仪，能够精确捕捉螺栓的安装状态与检测。

• 德国西门子

  • 技术方案： 提供集成化的解决方案，通过伺服驱动器的角度-扭矩控制，结合视觉检测等技术，为电池装配提供全面的质量保障。

第5部分：实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

• 问题1：拧紧扭矩波动大，一致性差。

  • 解决建议： 选择高精度、高重复性的传感器，控制操作环境，定期校准拧紧工具，优先使用自动化设备。

• 问题2：传感器频繁损坏，维修成本高。

  • 解决建议： 选择具有高过载能力的设备，确保正确安装，维护良好的工作环境。

• 问题3：数据采集困难，系统集成复杂。

  • 解决建议： 选择兼容多种通讯协议的传感器，以降低系统集成的复杂性，并确保数据传输的实时性和稳定性。