一種基于PLC的新型鋰離子電池分選機(jī)開發(fā)

一種基于PLC的新型鋰離子電池分選機(jī)開發(fā)

沈景鳳,瞿亞浩,李富生

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,上海200093)

摘要針對(duì)現(xiàn)有分選機(jī)自動(dòng)化水平及分選效率低的問題,研發(fā)了一種新型自動(dòng)化分選機(jī)。在研究鋰電池測(cè)量原理和分選工藝的基礎(chǔ)上,制定了電池自動(dòng)分選測(cè)量方案,設(shè)計(jì)了機(jī)械設(shè)備及其控制系統(tǒng),并進(jìn)行了自動(dòng)分選試運(yùn)行實(shí)測(cè)。通過對(duì)3種不同品牌的電池進(jìn)行內(nèi)阻和電壓實(shí)測(cè),得到的內(nèi)阻和電壓測(cè)試分辨率分別為0.1 mΩ和0.1 mV,該實(shí)測(cè)結(jié)果的精度達(dá)到了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求,且連續(xù)分選效率比原先提升了60%以上。

關(guān)鍵詞分選機(jī);鋰電池;測(cè)量與分選

收稿日期:2015-06-11

作者簡(jiǎn)介:李富生(1988—),男,碩士研究生。研究方向:計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。E-mail:289678683@qq.com

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.12.004

中圖分類號(hào)TM912.9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

A New Lithium-ion Battery Separator Based on PLC

SHEN Jingfeng,QU Yahao,LI Fusheng

(School of Mechanical Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

AbstractA novel automated sorting machine of high i efficiency s developed.This paper focuses on the designs of the measure scheme,mechanical structure,and control system based on the principles of battery measure.Tests show the mechanical structure and control system can operate normally with cell resistance and voltage accuracies of 0.1 mΩ and 0.1 mV respectively,and an increased sorting efficiency by 60%.

Keywordssorting machine;lithium battery;detection and sorting

近年來,在動(dòng)力電池組領(lǐng)域,由于鉛酸電池的使用壽命相對(duì)較短、能量密度低、不環(huán)保等缺點(diǎn),正在逐步被具有工作電壓高、比能量高、循環(huán)壽命長、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)的鋰離子電池組所取代[1]。在鋰離子電池組生產(chǎn)過程中,最大的難點(diǎn)之一就是電池的一致性,行業(yè)內(nèi)對(duì)電池組中各單體電池的一致性要求較高[2-5]。電池的一致性指多個(gè)電池的性能衰減快慢不一致的問題,即電池組存在“水桶效應(yīng)”,連續(xù)地充放電循環(huán)會(huì)導(dǎo)致單體電池的差異放大,將使某些單體電池容量加速衰減,從而使電池組過早失效[6],所以在生產(chǎn)時(shí)電池分選是必不可少的關(guān)鍵工序。電池分選就是要將內(nèi)阻、電壓、容量等在一定誤差范圍內(nèi)的單體電池挑選到一起組合成電池組,增加電池組的整體壽命[7-8]。目前,在電池組生產(chǎn)領(lǐng)域,索尼、三星等國外廠商走在世界前列,我國尚處在發(fā)展階段,在生產(chǎn)方面僅次于日本,而且市場(chǎng)增長的空間大[9]。隨著電池組市場(chǎng)需求的不斷擴(kuò)大,同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈,電池組生產(chǎn)的自動(dòng)化程度不斷提高,作為首要工序,電池分選的自動(dòng)化程度直接影響生產(chǎn)效率和成本控制。

電池分選過程已由過去的人工分選逐步改進(jìn)為自動(dòng)化分選,國外的分選機(jī)少有出口到我國,且價(jià)格昂貴,國內(nèi)生產(chǎn)電池組的廠家大都采用國產(chǎn)的分選機(jī),因此很難了解到國外對(duì)于分選機(jī)的研究現(xiàn)狀及技術(shù)水平。而國內(nèi)大部分的分選機(jī)廠家均是根據(jù)客戶要求定做,并沒有形成產(chǎn)業(yè)化市場(chǎng),分選機(jī)的種類繁多。文獻(xiàn)[10~11]介紹了一種自主開發(fā)的基于Diamond機(jī)械手的電池分選機(jī),主要適用于多類型電池的分選;文獻(xiàn)[12~13]介紹了利用單片機(jī)系統(tǒng)來進(jìn)行控制的分選機(jī);專利文獻(xiàn)[14~16]介紹了一些結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,具有一定實(shí)用性的小型分選機(jī)。三星生產(chǎn)基地使用的是一款半自動(dòng)化分選機(jī),需要3個(gè)人工參與分選,效率雖高,但人工成本高,而且工人操作易疲勞。還有一些如研富達(dá)FXJ、創(chuàng)卓為YZXNFX-B5,都是主流分選機(jī),自動(dòng)化程度相對(duì)較高,基本能實(shí)現(xiàn)電池的自動(dòng)化分選,但依靠往復(fù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)及人工上料使得分選效率偏低。本課題旨在設(shè)計(jì)研發(fā)一臺(tái)鋰離子電池自動(dòng)分選機(jī),提升電池分選過程的自動(dòng)化水平,進(jìn)一步提高電池分選的效率。本課題研發(fā)的分選機(jī)具有自動(dòng)化的上料、傳送、測(cè)試及分選機(jī)構(gòu),以PLC作為系統(tǒng)主控器、氣動(dòng)元件和伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)模塊、觸摸屏作為系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控和人機(jī)界面交互模塊,具有較高的性價(jià)比,能夠滿足中小型鋰電池組生產(chǎn)企業(yè)的需求,實(shí)現(xiàn)高效的自動(dòng)化分選。

1分選機(jī)的設(shè)計(jì)

1.1分選機(jī)總體方案設(shè)計(jì)

通過分析現(xiàn)有分選機(jī)的不足、電池內(nèi)阻和電壓的測(cè)量原理,利用繼電器的通斷功能,設(shè)計(jì)了一次測(cè)量12節(jié)電池的測(cè)量方案。機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)與該測(cè)量方案相匹配,同時(shí)能實(shí)現(xiàn)整個(gè)分選過程的自動(dòng)化,設(shè)計(jì)時(shí)也要兼顧控制系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)的難易程度,盡量將控制程序的復(fù)雜度降到最小。綜合考慮本分選機(jī)所要達(dá)到的技術(shù)及性能指標(biāo)后,初步確定了總體設(shè)計(jì)方案,該方案主要圍繞上料、測(cè)試及分選工位展開,分選機(jī)總體設(shè)計(jì)工作流程如圖1所示。

圖1　分選機(jī)總體設(shè)計(jì)工作流程

分選機(jī)整個(gè)工作流程中,控制系統(tǒng)對(duì)各動(dòng)作進(jìn)行協(xié)調(diào)控制并監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)。

由此,分選機(jī)的設(shè)計(jì)內(nèi)容主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩部分組成:

(1)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。機(jī)械結(jié)構(gòu)是分選機(jī)實(shí)現(xiàn)其各項(xiàng)功能的基礎(chǔ),包括整機(jī)布局、外形尺寸、工位設(shè)置及各機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)等,同時(shí)還要考慮零部件加工精度、材料選擇、成本等問題。

(2)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)要求與機(jī)械機(jī)構(gòu)配合,能夠?qū)崿F(xiàn)分選機(jī)所有預(yù)期動(dòng)作,設(shè)計(jì)過程包括控制電路、反饋電路、氣動(dòng)回路、保護(hù)電路等的排布;電機(jī)、低壓電器、傳感器、氣動(dòng)元件等的選型;人機(jī)界面、控制軟件的設(shè)計(jì),以實(shí)現(xiàn)其功能。

1.2機(jī)械系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本論文研究的分選機(jī)主要是完成對(duì)電池內(nèi)阻、電壓的測(cè)試并分類,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上要盡量做到緊湊、實(shí)用,如圖2所示,整機(jī)機(jī)架采用鋁型材和冷軋烤漆鋼板搭建而成,堅(jiān)固而美觀;上部機(jī)殼采用鋁型材和有機(jī)玻璃板通過鉸鏈連接而成,既能保護(hù)整機(jī)內(nèi)部機(jī)構(gòu)也能透過有機(jī)玻璃看到設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行情況,同時(shí)設(shè)計(jì)了大面積的可開閉結(jié)構(gòu),方便調(diào)試和維修;側(cè)邊搭有可拆卸副工作臺(tái),方便后期升級(jí)改造。

1-底部機(jī)柜 2-傳送機(jī)構(gòu) 3-副工作臺(tái) 4-輸送機(jī) 5-測(cè)試機(jī)構(gòu) 6-分選機(jī)構(gòu) 7-上部機(jī)殼 8-單軸機(jī)器人 9-觸摸屏 10-按鈕盒 11-收料槽 12-支撐臺(tái) 圖2　分選機(jī)整體結(jié)構(gòu)

分選機(jī)主工作臺(tái)集中了主要的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和部件。抓取電池部件由單軸機(jī)器人作為主運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),配以精密長軸導(dǎo)向,運(yùn)動(dòng)時(shí)穩(wěn)定、可靠,其上裝有電池抓取部件,該部件主要由氣缸、永磁鐵、連接件構(gòu)成,主要目的是將抓取的電池送往翻轉(zhuǎn)部件,翻轉(zhuǎn)部件是傳送機(jī)構(gòu)的一部分,能夠?qū)⒆ト〉降碾姵胤胖幂斔蜋C(jī)上。測(cè)試機(jī)構(gòu)主要用來對(duì)電池進(jìn)行測(cè)試,由氣缸帶動(dòng)測(cè)試探針實(shí)現(xiàn)測(cè)試功能,共有12根探針,每4根針連接一臺(tái)測(cè)試儀。分選機(jī)構(gòu)同樣由單軸機(jī)器人完成主運(yùn)動(dòng),其上裝有12個(gè)小型氣缸,每個(gè)氣缸單獨(dú)動(dòng)作。人機(jī)界面安裝在上部機(jī)殼的右側(cè),下面裝有按鈕盒,這樣設(shè)計(jì)的目的是盡量放大左側(cè)主體部分的可視空間,也方便操作人員右手操作。分選機(jī)的底部機(jī)柜內(nèi)放置3臺(tái)測(cè)試儀,并將所有低壓電氣元件全部安裝于此,這樣設(shè)計(jì)的目的是縮小分選機(jī)的尺寸減少成本,同時(shí),在機(jī)柜右側(cè)和后側(cè)共設(shè)計(jì)了3扇可開閉門,方便工作人員對(duì)電氣部件維修和保養(yǎng)?？紤]到接線問題,在分選機(jī)中間隔板上開有多個(gè)穿線孔,方便接線。副工作臺(tái)上裝有一臺(tái)輸送機(jī),用來輸送待分選電池,可根據(jù)分選的節(jié)拍要求進(jìn)行調(diào)速,輸送機(jī)上還裝有傳感器和氣缸,用來對(duì)電池盒進(jìn)行限位,保證抓取部件能夠順利抓取電池。

圖3　分選機(jī)機(jī)械動(dòng)作流程

1.3控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

鋰離子電池分選系統(tǒng)采用基于PLC的“PLC+觸摸屏+伺服電機(jī)”的整體硬件控制方案,硬件結(jié)構(gòu)圖如圖4所示,其主要組成為:(1)以歐姆龍CP1H-XA40DT-D為主控制器,可方便地實(shí)現(xiàn)與可編程終端之間的鏈接和數(shù)據(jù)傳輸,接收來自人機(jī)界面、操作面板等的操作指令和現(xiàn)場(chǎng)各反饋系統(tǒng)的反饋指令,經(jīng)過運(yùn)算得到確定的輸出信號(hào)來驅(qū)動(dòng)和協(xié)調(diào)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)作。(2)以臺(tái)達(dá)DOP-B系列觸摸屏作為人機(jī)操作界面,實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控、手動(dòng)操作、參數(shù)設(shè)置、操作記錄、數(shù)據(jù)處理、故障診斷、數(shù)據(jù)查詢等功能,操作方便且高效。(3)操作面板采用DC24V帶燈按鈕,分別是上電、斷電、啟動(dòng)、急停及復(fù)位。(4)系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)模組機(jī)器人及氣缸組成,配合各模塊機(jī)械結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)預(yù)期機(jī)械動(dòng)作。(5)電池測(cè)試及數(shù)據(jù)采集模塊由HIOKI日置測(cè)試儀完成。(6)氣缸磁性開關(guān)、接近開關(guān)及光電傳感器構(gòu)成了分選機(jī)的傳感器系統(tǒng),檢測(cè)并反饋現(xiàn)場(chǎng)信息,使PLC控制單元及人機(jī)界面監(jiān)測(cè)單元能夠更好地掌握系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)。(7)電源系統(tǒng)為分選機(jī)提供穩(wěn)定的交直流電源。

圖4　分選機(jī)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.4控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的控制軟件由PLC控制程序、測(cè)試儀數(shù)據(jù)采集、觸摸屏人機(jī)界面3部分組成,如圖5所示。測(cè)試儀通過RS485口與PLC進(jìn)行通訊,觸摸屏通過RS232口與PLC進(jìn)行通訊。PLC主要完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理、主控程序的實(shí)現(xiàn),包括對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分類、啟?？刂啤⑾到y(tǒng)的初始化、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的自動(dòng)運(yùn)行、手動(dòng)操作及故障處理。測(cè)試儀主要完成對(duì)電池的數(shù)據(jù)采集,然后通過通訊口將采集數(shù)據(jù)發(fā)送到PLC進(jìn)行分析處理。觸摸屏人機(jī)界面可以詳細(xì)地顯示當(dāng)前PLC的工作狀態(tài),對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、可以進(jìn)行手動(dòng)/自動(dòng)模式選擇、發(fā)送手動(dòng)操作指令以及對(duì)結(jié)果進(jìn)行顯示與存儲(chǔ)。各部分通過緊密的配合,可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定、高效的運(yùn)行。

圖5　控制系統(tǒng)軟件整體設(shè)計(jì)方案

2分選機(jī)運(yùn)行調(diào)試

2.1機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配與調(diào)試

機(jī)械機(jī)構(gòu)是分選機(jī)運(yùn)行的基礎(chǔ),在進(jìn)行整機(jī)運(yùn)行之前必須將其裝配調(diào)試完成,提前發(fā)現(xiàn)問題并解決能夠?yàn)楹罄m(xù)使用節(jié)省大量人力物力,所以必須在沒有控制系統(tǒng)的情況下對(duì)各模塊進(jìn)行精度、功能校驗(yàn)以使其達(dá)標(biāo),例如上料時(shí)抓取機(jī)構(gòu)能否抓好電池使其在傳送過程中不掉落,翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在翻轉(zhuǎn)時(shí)是否能達(dá)到所要求翻轉(zhuǎn)角度等。

圖6　分選機(jī)裝配現(xiàn)場(chǎng)圖

2.2電氣控制系統(tǒng)調(diào)試

2.2.1硬件調(diào)試

本分選機(jī)的電氣元件全部置于機(jī)柜內(nèi)部,直接安裝在薄鋼板上,周圍裝有線槽,接線時(shí)方便梳理,在機(jī)械部件與機(jī)柜之間的基板上開有多個(gè)穿線孔,上下連線快捷,具體的調(diào)試內(nèi)容如下:(1)通電后查看觸摸屏、PLC及擴(kuò)展、伺服驅(qū)動(dòng)器等關(guān)鍵元件是否工作正常,包括通訊口、接線等有無異常信號(hào)指示。(2)氣源通氣,通電后檢查電磁閥及對(duì)應(yīng)氣缸是否動(dòng)作,同時(shí)測(cè)試磁性開關(guān)是否靈敏,確保氣動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。(3)對(duì)各部分繼電器進(jìn)行通電測(cè)試,測(cè)試轉(zhuǎn)換部分的看其是否按指定時(shí)間動(dòng)作,氣缸部分的看其動(dòng)作是否正常。

2.2.2軟件調(diào)試

軟件調(diào)試主要進(jìn)行手動(dòng)操作調(diào)試、各子程序執(zhí)行、自動(dòng)運(yùn)行程序執(zhí)行及報(bào)警等,具體調(diào)試內(nèi)容如下:(1)手動(dòng)操作調(diào)試時(shí),首先可在觸摸屏上任意點(diǎn)擊動(dòng)作按鈕,例如壓板缸降按鈕,看氣缸是否下降;輸送機(jī)按鈕,看輸送機(jī)是否動(dòng)作等。其次有些動(dòng)作必須按規(guī)定順序執(zhí)行以防干涉,例如壓板氣缸下降后取電池氣缸才能下降,在壓板氣缸按鈕不按的情況下,先按取電池氣缸按鈕看其是否動(dòng)作,以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可靠性。(2)單獨(dú)運(yùn)行各子程序,包括上料子程序、傳送子程序、測(cè)試子程序及分選子程序等,待所有子程序均運(yùn)行無誤的情況下,再對(duì)整個(gè)自動(dòng)運(yùn)行程序進(jìn)行調(diào)試。(3)對(duì)于報(bào)警調(diào)試,可人為的制造一些故障或錯(cuò)誤,例如一直將翻轉(zhuǎn)電池機(jī)構(gòu)的接近開關(guān)擋住,看該機(jī)構(gòu)是否會(huì)翻轉(zhuǎn)。

3實(shí)測(cè)結(jié)果分析

在分選機(jī)結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)均調(diào)試完畢后,需對(duì)鋰離子電池進(jìn)行實(shí)測(cè),這樣能夠直觀地看到分選機(jī)的實(shí)際性能。為使結(jié)果更具說服力,選擇了3種不同品牌的電池,分別為韓國三星、國產(chǎn)力神及國產(chǎn)天鵬。這3種電池的外形尺寸及內(nèi)在參數(shù)均略有不同,因此可以考驗(yàn)分選機(jī)在不同機(jī)種下工作的狀態(tài)及結(jié)果是否令人滿意,從而增加分選結(jié)果的可信度,現(xiàn)分別截取3種電池測(cè)試的部分結(jié)果,如圖7~圖9所示。

圖7　三星鋰離子電池實(shí)測(cè)部分?jǐn)?shù)據(jù)

圖8　力神鋰離子電池實(shí)測(cè)部分?jǐn)?shù)據(jù)

圖9　天鵬鋰離子電池實(shí)測(cè)部分?jǐn)?shù)據(jù)

從圖中可看出,3種電池的電壓、內(nèi)阻有一定的差別,電阻測(cè)試精度為0.1 Ω,電壓測(cè)試精度為0.1 V,達(dá)到設(shè)計(jì)要求精度;最終結(jié)果顯示了每一節(jié)電池應(yīng)歸屬的通道,主要集中在通道1~通道3,從而說明本分選機(jī)所設(shè)通道數(shù)足夠企業(yè)目前生產(chǎn)所需,且分選結(jié)果良好,連續(xù)分選時(shí)可達(dá)到3 000 pcs/h,分選效率比原分選機(jī)提高了60%以上。

4結(jié)束語

在研究鋰電池測(cè)量原理和分選工藝的基礎(chǔ)上,制定了電池自動(dòng)分選測(cè)量方案,設(shè)計(jì)了分選機(jī)的機(jī)械設(shè)備及其控制系統(tǒng),研發(fā)出一種新型的自動(dòng)分選機(jī),并進(jìn)行了自動(dòng)分選試運(yùn)行實(shí)測(cè),測(cè)試結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的自動(dòng)分選機(jī)明顯的提高了分選效率。

參考文獻(xiàn)

[1]WalterAVS,BrunoS.Advancesinlithium-ionbatteries[M].NewYork:KluwerAcademic/PlenumPublishers,2002.

[2]王繞.電動(dòng)車電池一致性配組技術(shù)[J].電器工業(yè),2002(6):15-17.

[3]王志福,彭連云,孫逢春,等.電動(dòng)車用鋰離子動(dòng)力電池充放電特性[J].電池,2003,33(3):167-168.

[4]鐘勝,朱方明.鎳鎘蓄電池組一致性篩選及快速充電機(jī)保護(hù)方法[J].電源技術(shù),2002,26(4):311-313.

[5]王震坡,孫逢春.電動(dòng)汽車電池組連接可靠性及不一致性研究[J].車輛與動(dòng)力技術(shù),2002,88(4):11-15.

[6]蔣新華.鋰離子電池組管理系統(tǒng)研究[D].上海:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息管理研究所,2007.

[7]謝皎,阮曉莉,李玉龍,等.鋰離子電池組的一致性及影響因素研究[J].東方電氣評(píng)論,2012,26(3):1-5.

[8]何鵬林,喬月.多芯鋰離子電池組的一致性與安全性[J].電池,2010,40(3):161-163.

[9]倪文昊,丁冬.我國鋰離子電池發(fā)展現(xiàn)狀及前景探討[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量,2012(1):26.

[10]王攀峰,梅江平,陳恒軍,等.基于多并聯(lián)機(jī)械手的鋰離子電池自動(dòng)分揀裝備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2007,43(11):63-68.

[11]吳秀平.基于Diamond機(jī)械手的大批量、多類型鋰電池分選裝備的研究與開發(fā)[D].天津:天津大學(xué),2007.

[12]滿威.鋰離子電池自動(dòng)檢測(cè)分選系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)[D].哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué),2003.

[13]劉勇,王會(huì)英.一種鋰離子電池的檢測(cè)分選系統(tǒng)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2005(1):181-182.

[14]于冬光,劉賢明.電池分選機(jī):中國,ZL200620064169[P].2007-10-03.

[15]鄺懷概.電池電壓自動(dòng)分選裝置:中國,CN102397845A[P].2012-04-04.

[16]董洪波,潘士雅.9V一次鋰電池測(cè)試機(jī):中國,CN202591138U[P].2012-12-12.