物聯(lián)網(wǎng)和智能制造提升鋰離子電池生產(chǎn)安全

文·圖/桑田 廖文聰 農(nóng)立強(qiáng)

鋰離子電池常常采用高架倉(cāng)庫(kù)型式的生產(chǎn)方式，在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，引發(fā)連鎖反應(yīng)導(dǎo)致火災(zāi)的可能性也大大增加。為了平衡好集約化生產(chǎn)方式下生產(chǎn)效率和安全條件，惠州億緯鋰能股份有限公司開展了一系列研究和實(shí)踐。

2017年中國(guó)動(dòng)力和儲(chǔ)能電池產(chǎn)業(yè)已形成有效產(chǎn)能110 GWh，實(shí)際產(chǎn)出36.2 GWh電池。隨著行業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的快速發(fā)展，原有的生產(chǎn)方式無(wú)法支持大規(guī)模電池制造的實(shí)現(xiàn)，越來越多的企業(yè)開始導(dǎo)入集約化的生產(chǎn)方式，大量應(yīng)用智能制造裝備，大力提高質(zhì)量一致性、生產(chǎn)效率和單位面積上的產(chǎn)值。

鋰離子電池是一種富含能量的器件，在制造過程中電池也存在一定的失效概率，因此，需要采用化成分容工藝以及高溫老化、常溫老化等環(huán)境應(yīng)力篩選工藝。將制造過程中的失效電池篩選、剔除，以保證交產(chǎn)品滿足技術(shù)和質(zhì)量要求。

集約化的化成分容、高溫老化、常溫老化工序常常采用高架倉(cāng)庫(kù)型式的生產(chǎn)方式，這種生產(chǎn)方式在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，也意味著廠房的單位面積上的電池?cái)?shù)量更多、能量密度更高。當(dāng)少數(shù)電池失效進(jìn)而熱失控時(shí)，引發(fā)發(fā)生連鎖反應(yīng)導(dǎo)致火災(zāi)的可能性也大大增加了。為了平衡集約化生產(chǎn)方式下生產(chǎn)效率和安全條件，惠州億緯鋰能股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱“億緯鋰能”）開展了一系列研究和實(shí)踐。

億緯鋰能創(chuàng)立于2001年，是國(guó)家級(jí)高新技術(shù)企業(yè)，專注于鋰電池的創(chuàng)新發(fā)展。經(jīng)過十余年的耕耘，公司鋰亞電池居世界前列，鋰原電池居國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位。

生產(chǎn)安全條件改進(jìn)背景

生產(chǎn)方式的變化

傳統(tǒng)的化成分容方式（圖1）多采用單點(diǎn)式的化成分容設(shè)備，需要大量的人工裝夾電池，設(shè)備占地面積大，生產(chǎn)效率不高，生產(chǎn)設(shè)備對(duì)電池的熱失控幾乎沒有監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的高溫老化（圖2）、常溫老化生產(chǎn)方式（圖3）多采用傳統(tǒng)倉(cāng)儲(chǔ)式的老化方式，將電池托盤密集堆垛在棧板上或者貨架上，再將棧板或貨架置于老化環(huán)境中。這種老化方式需要大量的人工搬運(yùn)電池，對(duì)廠房垂直空間的利用效率不高，老化設(shè)備的監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)計(jì)無(wú)法精準(zhǔn)定位熱失控的失效電池，電池托盤密集堆垛也造成了火災(zāi)載荷較大。

圖1 傳統(tǒng)的化成分容方式

圖2 傳統(tǒng)的高溫老化方式

圖3 傳統(tǒng)的常溫老化方式

因此，近年來動(dòng)力和儲(chǔ)能電池企業(yè)的新建項(xiàng)目紛紛采用集約化和自動(dòng)化的制造裝備，比較多地應(yīng)用了高架倉(cāng)庫(kù)型式的化成分容、高溫老化、常溫老化設(shè)備，設(shè)備高度通常在幾米至十幾米之間，大大提高了生產(chǎn)效率和單位廠房面積的產(chǎn)值。

安全風(fēng)險(xiǎn)的變化

鋰離子電池的化成分容工序需要進(jìn)行100%充電和大電流放電。在這一過程中，少數(shù)失效電池可能會(huì)發(fā)熱、冒煙、熱失控甚至起火。不論是傳統(tǒng)形式的老化工藝還是集約化形式的老化工藝，老化場(chǎng)所都是在電池集中存放、能量非常集中的區(qū)域，在這一過程中，少數(shù)失效電池或其他外部因素可能誘發(fā)電池發(fā)熱、冒煙、熱失控甚至起火。當(dāng)發(fā)生上述情況時(shí)，若處置不當(dāng)或不及時(shí)，極有可能導(dǎo)致火情進(jìn)一步蔓延，形成火災(zāi)，危及員工人身安全和企業(yè)財(cái)產(chǎn)安全，形成不良社會(huì)影響。

在傳統(tǒng)生產(chǎn)方式中，生產(chǎn)設(shè)備設(shè)施往往沒有火災(zāi)探測(cè)器，無(wú)法確定失效電池的冒煙位置；在集約化的高架倉(cāng)庫(kù)方式中，存放電池的貨位數(shù)量多，貨架高度遠(yuǎn)超出了人工應(yīng)急處置的能力范圍。按照傳統(tǒng)的應(yīng)急處置措施，當(dāng)建筑消防設(shè)施的火災(zāi)探測(cè)器報(bào)警后，廠區(qū)的消防控制室先將報(bào)警信息通報(bào)車間工作人員，車間工作人員需要在報(bào)警區(qū)域人工目視搜索，以進(jìn)一步確定冒煙、起火部位，再使用滅火器、消防軟管卷盤或消防水帶處置。這種應(yīng)急處置方式耗時(shí)長(zhǎng)、效率低，極易延誤初起火災(zāi)處置的“黃金三分鐘”，導(dǎo)致單個(gè)電池的冒煙、起火蔓延形成火災(zāi)。而且，對(duì)高架倉(cāng)庫(kù)的高處貨位的警情，人工使用滅火器無(wú)法處置，使用消防軟管卷盤或消防水帶又容易造成水滯次生災(zāi)害，擴(kuò)大財(cái)產(chǎn)損失。

因此，必須研究和應(yīng)用一種監(jiān)測(cè)預(yù)警效率更強(qiáng)、定位更精準(zhǔn)、處置速度更快、次生災(zāi)害更小、更適合集約化生產(chǎn)的生產(chǎn)方式和安全技術(shù)系統(tǒng)。

借力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能制造裝備

億緯鋰能針對(duì)傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的痛點(diǎn)和安全風(fēng)險(xiǎn)，在分容化成、高溫老化和常溫老化工序系統(tǒng)性地應(yīng)用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能制造裝備。

智能制造生產(chǎn)系統(tǒng)

高架倉(cāng)庫(kù)型式的分容化成、高溫老化、常溫老化生產(chǎn)系統(tǒng)（圖4）高度通常在4～10 m之間，高貨架的每個(gè)貨位可儲(chǔ)存1 536只電池（以18650型鋼殼圓柱為例），大大提高了單位面積的產(chǎn)值。

圖4 高架倉(cāng)庫(kù)型式的分容化成、高溫老化、常溫老化生產(chǎn)系統(tǒng)

該生產(chǎn)系統(tǒng)采用總線式中央控制室（圖5），產(chǎn)品各類技術(shù)指標(biāo)信息、生產(chǎn)工藝信息、產(chǎn)品質(zhì)量信息、產(chǎn)品實(shí)時(shí)位置和狀態(tài)信息均自動(dòng)采集進(jìn)入中央控制室集中處理。每2列高貨架之間設(shè)置1個(gè)堆垛機(jī)器人（圖6）。堆垛機(jī)器人可執(zhí)行電池的搬運(yùn)、裝夾等生產(chǎn)任務(wù)，也可以執(zhí)行滅火等應(yīng)急處置任務(wù)。整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間小于5 s，堆垛機(jī)器人從最遠(yuǎn)距離響應(yīng)到完成任務(wù)指令的時(shí)間小于1.5 min，大大提高了生產(chǎn)效率。

圖5 總線式中央控制室

圖6 堆垛機(jī)器人

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的安全系統(tǒng)

高架倉(cāng)庫(kù)型式的分容化成、高溫老化、常溫老化生產(chǎn)系統(tǒng)，采用阻燃型的電池托盤，每個(gè)電池保持一定安全間距，防止一只電池?zé)崾Э禺a(chǎn)生的熱量快速輻射到相鄰電池，減少熱失控帶來的連鎖反應(yīng)，減少火災(zāi)概率。高貨架的每個(gè)貨位之間也保持一定的安全距離，同樣能夠減少熱失控帶來的連鎖反應(yīng)，減少火災(zāi)概率。

每個(gè)貨位設(shè)置了一只火災(zāi)探測(cè)器（圖7），火災(zāi)信號(hào)和位置信號(hào)通過總線接入生產(chǎn)系統(tǒng)的中央控制室。堆垛機(jī)器人上設(shè)有一套自動(dòng)滅火裝置（圖8），每?jī)闪懈哓浖茉O(shè)置一個(gè)事故水箱（圖9）用于浸泡發(fā)熱電池。

圖7 火災(zāi)探測(cè)器

圖8 堆垛機(jī)器人的自動(dòng)滅火裝置

圖9 事故水箱

當(dāng)電池出現(xiàn)發(fā)熱冒煙的險(xiǎn)情時(shí)，貨位上的火災(zāi)探測(cè)器探測(cè)、觸發(fā)，信號(hào)經(jīng)服務(wù)器處理后在車間和中央控制室同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警。中央控制系統(tǒng)自動(dòng)向堆垛機(jī)器人下達(dá)應(yīng)急處置指令。堆垛機(jī)器人根據(jù)不同狀態(tài)在5 s內(nèi)響應(yīng)并在1.5 min內(nèi)完成處置。

狀態(tài)1：堆垛機(jī)器人在執(zhí)行生產(chǎn)任務(wù)中接到應(yīng)急處置指令后，立刻以就近原則結(jié)束生產(chǎn)任務(wù)，然后前往報(bào)警貨位取出整個(gè)貨位的電池，并送往事故水箱。

狀態(tài)2：堆垛機(jī)器人在待機(jī)狀態(tài)接到應(yīng)急處置指令后，立刻前往報(bào)警貨位取出整個(gè)貨位的電池，并送往事故水箱。

堆垛機(jī)器人在將電池送往事故水箱途中，如探測(cè)到電池仍然在冒煙，堆垛機(jī)器人的防火卷簾門會(huì)自動(dòng)下降，啟動(dòng)堆垛機(jī)器人上的自動(dòng)滅火裝置滅火。

生產(chǎn)安全條件改進(jìn)帶來的安全收益

改進(jìn)后的生產(chǎn)系統(tǒng)有兩大成果，首先集約化的智能制造方式提高了生產(chǎn)效率，其次基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的安全系統(tǒng)提升了監(jiān)測(cè)預(yù)警能力，提高了應(yīng)急處置效率，大大降低了事故危害度和事故損失。

生產(chǎn)效率的提高體現(xiàn)在兩個(gè)方面。一方面是高架倉(cāng)庫(kù)型式的生產(chǎn)系統(tǒng)能容納481萬(wàn)只電池同時(shí)老化，而相同面積的廠房如采用傳統(tǒng)工藝僅能老化約300萬(wàn)只電池，高架倉(cāng)庫(kù)型式的生產(chǎn)系統(tǒng)提高了約60%的生產(chǎn)效率，每年可多產(chǎn)出約4 163萬(wàn)只電池，增加產(chǎn)值約3億3 304萬(wàn)元。另一方面，大大減少了電池搬運(yùn)、裝夾的工作人員數(shù)量。如采用傳統(tǒng)工藝，每個(gè)班次至少需要4名工作人員不間斷地搬運(yùn)電池，需要若干名工作人員裝夾電池，同時(shí)還存在著工作人員被電池砸傷、被叉車壓傷的風(fēng)險(xiǎn)，而高架倉(cāng)庫(kù)型式的生產(chǎn)系統(tǒng)只需要1名工作人員監(jiān)視中央控制系統(tǒng)，適時(shí)輸入生產(chǎn)指令，堆垛機(jī)器人則會(huì)根據(jù)系統(tǒng)預(yù)設(shè)指令或人工指令自動(dòng)操作，每年可節(jié)約人工成本約25萬(wàn)2 000元。

在降低事故危害度和事故損失的收益方面，2017—2018年間，億緯鋰能某工廠的分容化成、高溫老化和常溫老化生產(chǎn)系統(tǒng)共監(jiān)測(cè)到12次電池失效故障，該系統(tǒng)及時(shí)預(yù)警，堆垛機(jī)器人成功處置，沒有發(fā)生火情蔓延、設(shè)備損失、電池?fù)p失和人身傷害。以一個(gè)貨位的電池價(jià)值計(jì)算，減少事故損失8.00元×1 536（只電池）×12（次）=14萬(wàn)7 456元，如考慮成功避免了更大尺度的火災(zāi)損失，則安全收益更多。

根據(jù)過去3年的生產(chǎn)實(shí)踐和安全管理實(shí)踐，在單個(gè)容量為數(shù)安時(shí)的三元電池化成分容、高溫老化、常溫老化制造過程中，采用高架倉(cāng)庫(kù)型式的電池存放設(shè)施、貨位火災(zāi)探測(cè)器、堆垛機(jī)器人、設(shè)備自動(dòng)滅火裝置、中央控制系統(tǒng)這一套物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能制造裝備，提升了生產(chǎn)效率，取得了顯著的安全收益，為動(dòng)力和儲(chǔ)能電池行業(yè)在產(chǎn)能大發(fā)展時(shí)期管理好安全生產(chǎn)、防范火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)提供了一個(gè)可以借鑒的范本。

但是，在單個(gè)容量為數(shù)十安時(shí)或數(shù)百安時(shí)的大容量的三元電池上的應(yīng)用效果，還需要進(jìn)一步研究和實(shí)踐。