電池材料燒結(jié)窯爐溫度控制及其系統(tǒng)研究

劉智敏

摘 要： 本文主要對我國電池材料燒結(jié)窯爐溫度控制系統(tǒng)進行研究與分析，首先對電池材料生產(chǎn)工藝進行分析，在分析的基礎(chǔ)上對整個系統(tǒng)進行分析，首先對電池材料測溫系統(tǒng)及其原理進行解析，在解析的基礎(chǔ)上對于升溫系統(tǒng)及其改進進行詳細概述，希望能夠為電池材料燒結(jié)溫度控制提供指導。

關(guān)鍵詞： 電池材料燒結(jié)窯爐；溫度控制；系統(tǒng)

在提高鋰電池的生產(chǎn)質(zhì)量中可以從生產(chǎn)過程以及溫度控制入手，完善電池的結(jié)構(gòu)，降低電池生產(chǎn)能耗并提高鋰電池的產(chǎn)量具有建設(shè)性意義。電池材料燒結(jié)窯爐內(nèi)部溫度直接關(guān)系到電池材料的煅燒程度，溫度波動或者溫度不能良好控制會直接影響電池材料的品質(zhì)，在我國傳統(tǒng)鋰電池的生產(chǎn)中升溫和測溫系統(tǒng)不能滿足鋰電池的生產(chǎn)要求，因此需要借助信息化技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來進行電池材料燒結(jié)窯爐溫度的升溫以及控制。

1.電池材料生產(chǎn)工藝分析

在電池材料的生產(chǎn)中，一般采用高溫固相反應(yīng)的方法來制取磷酸鐵鋰。以Fe（CH3COO）2、Li2CO3以及金屬離子氧化物等作為磷酸鐵鋰合成的原材料，并按照相應(yīng)的化學計量比進行原材料的混合，將原材料置于球磨機中進行球磨并干燥混勻。為保證磷酸鐵鋰能夠正常制備需要采取相應(yīng)的氮氣以及氬氣等惰性氣體作為保護氣，并首先升溫到300℃將原材料進行初步分解，然后通過升溫系統(tǒng)繼續(xù)升溫到600-800℃在此高溫下進行保溫處理，一般保溫時間要超過12h，講過12h反應(yīng)之后能夠由原材料制備得到所需要的磷酸鐵鋰材料，一般制備的磷酸鐵鋰（LiFePO4）呈橄欖石晶型。

在這一磷酸鐵鋰制備過程中，涉及到初步分解的升溫以及后期的高溫反應(yīng)兩個升溫過程，為保證反應(yīng)的正常進行，必須要對兩個升溫過程和保溫過程進行嚴格的控制。

2.測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理分析

在電池材料燒結(jié)窯爐溫度控制系統(tǒng)中，測溫系統(tǒng)是重要的組成部分，通過測溫系統(tǒng)來準確監(jiān)控窯爐內(nèi)部溫度以及反映溫度。整個系統(tǒng)包括窯爐溫度采集與發(fā)送模塊、窯爐溫度接收與轉(zhuǎn)發(fā)模塊以及窯爐溫度接收與輸出模塊三部分。

2.1窯爐溫度采集與發(fā)送模塊

如圖所示，在電池材料窯爐溫度采集與發(fā)動模塊中采用熱電偶倆進行窯爐內(nèi)溫度的檢測，通過熱電偶檢測窯爐內(nèi)部的毫伏電壓信號，然后將信號通過補償導線傳送給圖示的窯爐溫度發(fā)送器；通過這一發(fā)送器能夠?qū)⒔邮盏降臒犭娕夹盘栠M行放大和A/D轉(zhuǎn)換處理，最終轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過無線電傳輸?shù)讲僮魇业慕邮掌鳟斨小８G爐溫度采集與發(fā)送系統(tǒng)硬件設(shè)置如圖1所示，其中A、B、C是三個發(fā)送器，主要承擔數(shù)據(jù)和信號的傳輸。

2.2窯爐溫度接收與轉(zhuǎn)發(fā)模塊

為實現(xiàn)對電池材料窯爐溫度的監(jiān)測和控制，需要在窯爐操作室安裝相應(yīng)的“窯爐溫度接收器”，窯爐溫度接收器如圖2所示。在窯爐溫度接收器中不僅僅有窯爐溫度接收與轉(zhuǎn)發(fā)模塊以及無線數(shù)傳模塊，而且還安裝相應(yīng)的無線數(shù)傳天線在機箱外部。經(jīng)過無線數(shù)傳天線接收窯爐溫度，并且經(jīng)過內(nèi)部的無線數(shù)傳模塊進行窯爐溫度數(shù)據(jù)的發(fā)送與傳輸，將傳輸數(shù)據(jù)經(jīng)過計算機系統(tǒng)處理之后最終在窯爐溫度顯示器中顯示出檢測溫度。另外，為保證整個系統(tǒng)的正常運行，還會降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁G爐溫度輸出器當中。

2.3窯爐溫度接收與輸出模塊

如圖所示，在窯爐溫度接收與輸出模塊中主要由兩部分組成，包括無線數(shù)傳模塊和兩個窯爐溫度輸出模塊。其中窯爐溫度輸出模塊功能的實現(xiàn)主要通過高性能單片計算機和光磁隔離電路以及輸出電源等綜合作用實現(xiàn)。在窯爐溫度接收模塊中接收到窯爐溫度，會以無線接收與傳輸?shù)姆绞睫D(zhuǎn)發(fā)回轉(zhuǎn)窯爐溫度的相關(guān)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電流信號進行傳輸，最終由PLC系統(tǒng)在計算機上處理并顯示。

3.窯爐溫度升溫及其控制系統(tǒng)分析

3.1窯爐溫度升溫及其控制系統(tǒng)構(gòu)成分析

我國的傳統(tǒng)電池材料窯爐溫度自動升溫系統(tǒng)，工控儀主要按照設(shè)定方案來實現(xiàn)目標溫度值的傳遞，最終傳遞給溫控儀。結(jié)合第二部分窯爐溫度測溫系統(tǒng)將測得的實際溫度和目標溫度進行對比和匹配，經(jīng)過PID運算最終將運算結(jié)果以電流信號的形式傳遞給功率調(diào)節(jié)器；在功率調(diào)節(jié)器中將電流信號進行適當?shù)恼{(diào)節(jié)并最終將電流信號傳遞給加熱元器件，通過加熱元器件來改變與調(diào)節(jié)電池材料窯爐溫度，最終達到預(yù)設(shè)的目標值之后保持穩(wěn)定。

3.2窯爐溫度升溫及其控制改進系統(tǒng)構(gòu)成分析

圖5中右側(cè)的圖是在傳統(tǒng)升溫及其控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上改進得到的。增加了數(shù)據(jù)存儲采集模塊以及數(shù)據(jù)庫模塊等，通過對溫度、電壓、電流以及報警數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測來實現(xiàn)對窯爐溫度以及窯爐運行情況的實時監(jiān)測，最終能夠?qū)?shù)據(jù)進行歸檔最終存儲到數(shù)據(jù)模塊中。同時在進行改進的過程中還將升溫方案的溫度目標值寫入到溫控儀以及數(shù)據(jù)庫模塊中。在數(shù)據(jù)分析管理模塊中還會對系統(tǒng)的加熱電壓以及加熱電流進行分析，通過分析能夠判斷元器件是否損壞或者是否存在問題。另外在窯爐溫度升溫及其控制系統(tǒng)中還增加了報警管理系統(tǒng)，通過實時監(jiān)測數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)分析管理模塊中的各項數(shù)據(jù)和出現(xiàn)的報警信息進行實時監(jiān)測，并且在這一模塊中設(shè)定既定的報警方式，將各項參數(shù)存儲記錄到這一模塊中，當出現(xiàn)情況并進行報警的時候會將報警信息進行存儲。

另外在改進的數(shù)據(jù)系統(tǒng)中還增加了權(quán)限管理模塊，通過這一模塊能夠?qū)τ脩舻脑L問權(quán)限進行分配和監(jiān)控。通過這一模塊能夠?qū)τ脩舻脑L問權(quán)限進行訪問，對于有權(quán)限的用戶能夠至直接訪問，對于沒有權(quán)限的用戶會直接拒絕。

4.改進系統(tǒng)優(yōu)點分析

在本文提出的升溫及控制改進系統(tǒng)中，通過改進能夠保證窯爐溫度與控制更加操作簡便，與傳統(tǒng)的電池材料升溫及控制系統(tǒng)相比能夠極大程度的降低工作人員的工作強度。通過計算機系統(tǒng)進行升溫方案的確定和設(shè)置，在設(shè)定好升溫方案之后系統(tǒng)能夠按照設(shè)定的方案進行升溫，最終能夠達到生產(chǎn)要求的溫度，在磷酸鐵鋰的生產(chǎn)中包括300℃和600-800℃兩個升溫情況正常的進行升溫。在利用這一系統(tǒng)進行升溫以及溫度的控制過程中，不需要專門的工作人員在生產(chǎn)車間進行值守升溫，能夠極大程度的節(jié)約人力成本。另外利用這一系統(tǒng)和模塊，能夠靈活的配置升溫方案，和電價以及用電情況相結(jié)合，選擇合適的時間與時段進行升溫以及生產(chǎn)，在電價較貴以及用電不穩(wěn)定的情況下進行保溫處理等，能夠在一定程度上節(jié)約物力成本；與傳統(tǒng)的人工手動升溫相比，能夠有效的避免操作失誤情況的出現(xiàn)，提高生產(chǎn)效率與生產(chǎn)質(zhì)量。

參考文獻

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