基于運動仿真的鋰電池干燥關(guān)鍵技術(shù)研究

陳磊

摘 要：目前，鋰電池的干燥工序大多在大氣中完成，在輸送轉(zhuǎn)移時又重新暴露在大氣環(huán)境中。水、氣、雜質(zhì)的再次污染導致電池性能、技術(shù)指標低下。因此，要創(chuàng)造高真空、低露點、高溫度均勻度的干燥環(huán)境，使鋰電池在上、下道工序轉(zhuǎn)移過程中與大氣隔絕，從而大幅度提高鋰電池的安全性和一致性。本文主要探討將運動仿真技術(shù)與鋰電池真空干燥技術(shù)相結(jié)合，運用運動仿真實現(xiàn)鋰電池干燥技術(shù)升級。

關(guān)鍵詞：鋰電池;運動仿真;干燥;真空;汽車

中圖分類號：TM912 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）26-0126-06

Research on Key Technology of Lithium Battery Drying

Based on Motion Simulation

CHEN Lei

（Henan Top Energy Technology Co.， Ltd.，Suixian Henan 476900）

Abstract： At present， the drying process of lithium batteries is mostly completed in the atmosphere， and is re-exposed to the atmosphere during transport transfer. Re-contamination of water， gas， and impurities leads to poor battery performance and technical specifications. Therefore， it is necessary to create a dry environment with high vacuum， low dew point， and high temperature uniformity， so that the lithium battery is isolated from the atmosphere during the transfer process of the upper and lower processes， thereby greatly improving the safety and consistency of the lithium battery. This paper mainly discussed the combination of motion simulation technology and lithium battery vacuum drying technology， and used motion simulation to upgrade the lithium battery drying technology.

Keywords： lithium batteries;motion simulation;dry;vacuum;car

動力電池是電動汽車的心臟，是新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。我國近幾年加大了對新能源汽車及動力電池研發(fā)與創(chuàng)新的力度，幫助新能源汽車行業(yè)做好發(fā)展組織規(guī)劃，將低碳的動力鋰電池不斷深入應用到新能源汽車中，保障能源和低碳經(jīng)濟安全、快速發(fā)展，未來幾年是新能源汽車和動力鋰電池研發(fā)和生產(chǎn)的重要時期。目前，動力鋰電池的全球產(chǎn)量已經(jīng)突破50億只，銷售規(guī)模已經(jīng)達到了170億美元，且仍然增長。我國對儲能電池和新能源汽車都很重視，對于動力鋰電池的進口量很大，成為繼日本之后的第二大鋰電池生產(chǎn)和消費國家，動力鋰電池的銷售額在2012年就已經(jīng)突破了400億大關(guān)。由于近幾年共享經(jīng)濟的火爆，共享電動車、共享汽車等紛紛選擇了動力鋰電池，這就讓動力鋰電池的規(guī)模又再一次擴大。

黨中央、國務院高度重視新能源汽車和動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展，為貫徹落實《國務院關(guān)于印發(fā)節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012—2020年）的通知》（國發(fā)〔2012〕22號）以及《國務院辦公廳關(guān)于加快新能源汽車推廣應用的指導意見》（國辦發(fā)〔2014〕35號），加快提升我國汽車動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展能力和水平，推動新能源汽車產(chǎn)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展，工業(yè)和信息化部組織汽車行業(yè)組織、重點高校、整車和動力電池主要生產(chǎn)企業(yè)開展專題研究，會同國家發(fā)展和改革委員會、科學技術(shù)部、財政部等有關(guān)部門于2017年2月20日聯(lián)合印發(fā)了《促進汽車動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動方案》。方案指出：“依托重大技改升級工程、增強制造業(yè)核心競爭力重大工程包，加大對瓶頸制約環(huán)節(jié)突破、關(guān)鍵核心技術(shù)產(chǎn)業(yè)化等的支持，加快在正負極、隔膜、電解液、電池管理系統(tǒng)等領(lǐng)域培育若干優(yōu)勢企業(yè)，促進動力電池與材料、零部件、裝備、整車等產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展，推進自主可控、協(xié)調(diào)高效、適應發(fā)展目標的產(chǎn)業(yè)鏈體系建設。

與傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池相比，鋰離子電池能量比高、比功率高、體積小、重量輕、循環(huán)壽命長，可以實現(xiàn)5 000次以上的反復放電，無記憶效應。新能源汽車應用鋰離子電池，具有許多十分明顯的優(yōu)勢。首先，鋰電池的能量密度高，其儲存的能量是常見鉛酸電池的七至八倍。其次，鋰電池生產(chǎn)對水資源的消耗極少，幾乎不消耗水。再者，鋰電池在使用、生產(chǎn)、報廢等環(huán)節(jié)都不會產(chǎn)生有害物質(zhì)或元素，環(huán)保特性突出。此外，鋰電池對溫度的適用性強，即使是在低溫、高溫等極端溫度條件下也可以使用。鋰電池還具有重量輕、自放電率低、充放電能力高和使用壽命長等顯著優(yōu)勢[1-3]。

傳統(tǒng)鋰電池干燥主要靠人工進行，人工成本過高，在生產(chǎn)過程中，人呼出的氣體也會對鋰電池的性能造成一定影響。如果整個干燥過程與仿真運動的機器人相結(jié)合，將鋰電池干燥過程置于高真空、低露點、高溫度均勻性的干燥環(huán)境中進行，且無人參與，實現(xiàn)智能化生產(chǎn)，那將具有巨大優(yōu)勢。

1 工業(yè)機器人運動仿真技術(shù)應用

目前，工業(yè)機器人主要由機械連桿通過各個關(guān)節(jié)連接在一起，起連接作用的關(guān)節(jié)通過伺服電機進行驅(qū)動，采用微處理器實現(xiàn)控制。工業(yè)機器人最主要的模塊就是機械系統(tǒng)，通過分析、計算、編程來完成機械系統(tǒng)的運動過程和特定動作。在設計過程中，機械系統(tǒng)主要遵循尺度規(guī)劃原則、剛度設計原則、最小轉(zhuǎn)動慣量原則、工藝性原則、高強度材料選用原則和可靠性原則。對工業(yè)機器人的運動進行仿真時，使用蒙特卡洛方法并結(jié)合Matlab軟件，可以很好地完成動作控制。蒙特卡洛方法是一種以統(tǒng)計和概率為核心的計算方法，把遇到的問題和某一個概率模型結(jié)合在一起，然后在計算機上進行仿真模擬。這種方法可以在隨機的數(shù)據(jù)中找到需要的結(jié)果，且采樣數(shù)據(jù)越多，正確率越高，唯一的缺點就是沒有辦法得知目前模擬的結(jié)果是不是正確的結(jié)果。

通過研究機器人的運動仿真，人們能夠全面掌握各個連桿的位置變化、速度變化和加速度變化，可以使機械手在空間中實現(xiàn)不同的姿勢并滿足工作要求。將各個連桿的參數(shù)和各個關(guān)節(jié)的參數(shù)作為已知量，通過公式計算出機器人的姿勢，這是關(guān)于機器人的正解。相反，將這兩個變量調(diào)換位置，所得到的解即為機器人的逆解。在Matlab Robotics Toolbox中創(chuàng)建機器人的模型，將各個關(guān)節(jié)和各個桿件都展示出來，利用link函數(shù)實現(xiàn)預期目標。該方法不僅可以得到機器人的模型，還可以創(chuàng)建機器人的控制部分。

在進行運動仿真的過程中，人們可以通過滑動控制面板上的滑塊來改變相關(guān)關(guān)節(jié)的角度值，得到每個關(guān)節(jié)的角度值之后，就可以確定機器人的任意姿勢和位置[4-6]。經(jīng)過深入研究，筆者決定采用基于工業(yè)機器人的運動仿真技術(shù)進行鋰電池全自動干燥，在對鋰電池電芯干燥之前，由六軸機器人結(jié)合柔性模組進行智能化上料，干燥過程由閉環(huán)控溫系統(tǒng)進行智能監(jiān)測及控制，干燥完成后由六軸機器人結(jié)合柔性模組進行智能化下料，干燥工序?qū)崿F(xiàn)全程無人化。工業(yè)機器人應用示例如圖1所示。

控制系統(tǒng)負責建立數(shù)據(jù)庫，存儲電芯追溯碼、夾具條碼、烘箱號、烘箱層放置位、時間和溫度等信息，數(shù)據(jù)實時查詢并上傳MES系統(tǒng)實時反饋，實現(xiàn)數(shù)據(jù)全程可追溯。

2 鋰電池干燥真空度自動檢測技術(shù)研究

傳統(tǒng)的鋰電池干燥工藝基本都是在常壓環(huán)境下進行，甚至完全暴露在大氣中，降低了鋰電池的性能。與常壓干燥相比，真空干燥具有干燥溫度低、水分蒸發(fā)速度快、干燥后電池均勻性好等優(yōu)點。在不同類型鋰電池制造過程中，水分控制都極為嚴格，從某種意義上說，裝配后電池水分含量多少是判定鋰電池綜合性能好壞的重要指標之一。采用真空干燥對鋰電池制造具有非常重要的意義[7-9]。

鋰電池智能干燥裝備的真空度自動檢測系統(tǒng)主要對鋰電池智能干燥裝備密封腔體真空度檢測過程進行全自動控制，實時監(jiān)測，無需人工干預，只需設定好合格的工藝參數(shù)，等待一定時間即可自動出結(jié)果，真空度自動檢測不合格會發(fā)出報警信號，如圖2所示。該系統(tǒng)大大降低了人工成本，也從根本上預防了人工判斷導致的額外數(shù)據(jù)誤差，提高了鋰電池智能干燥裝備密封腔體真空度檢測結(jié)果的準確度。壓力檢測模塊集成I/O單元，可以獨立控制電磁閥、真空泵、接收傳感器信號，脫離PLC后能獨立運行。另外，該壓力檢測模塊可以自動適應壓力傳感器，并兼容國內(nèi)外品牌壓力傳感器。壓力檢測模塊將檢測出來的壓力值傳送給PLC，PLC根據(jù)預先設計好的判斷程序，對真空超時、抽真空失敗進行報警判斷，結(jié)果在HMI及上位機顯示報警信息。HMI畫面設計有動畫，實時顯示設備運行狀況、每個腔體壓力值、循環(huán)換氣參數(shù)等信息。

該系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)采集單元和自動控制單元實現(xiàn)干燥設備的數(shù)據(jù)采集和自動控制，實現(xiàn)設備特定參數(shù)的自動收集和質(zhì)量判定，并在檢測過程中實現(xiàn)設備的自動開啟和關(guān)閉、數(shù)據(jù)的實時采集和保存，此數(shù)據(jù)可用于質(zhì)量分析和品質(zhì)回溯。軟件基于通用Modbus RTU工業(yè)標準開發(fā)，真空采集模塊利用公司自研數(shù)據(jù)采集板采集實時真空數(shù)據(jù)值，I/O模塊實現(xiàn)氣閥的打開和關(guān)閉，多路設備并行采集和控制。

3 鋰電池干燥多工位電阻自動測試控制技術(shù)研究

鋰電池智能干燥裝備多工位電阻自動測試控制系統(tǒng)主要由專用夾具底座、高精密測試探針、電阻檢測模塊、PLC和開關(guān)電源系統(tǒng)組成，如圖3所示。現(xiàn)有的檢測工藝采用高精度萬用表，逐一對檢測回路中的電阻進行測量并實時記錄，工作效率低，不能滿足復雜產(chǎn)品批量生產(chǎn)時的具體測試要求[10，11]。該技術(shù)的應用可以實現(xiàn)多工位電阻檢測過程的全自動控制，無需人工干預，只需設置好合格的發(fā)熱板電阻值。整個過程檢測時間只需1s，檢測速度極快，大大降低了人工檢測維修成本，杜絕了人工判斷誤操作，有效地提高了多工位電阻檢測結(jié)果的準確度。

4 鋰電池干燥多路溫度采集控制技術(shù)研究

鋰電池智能干燥裝備的多路溫度采集控制系統(tǒng)主要由專用夾具底座、高精密測試探針、高靈敏溫度采集模塊、溫度控制集成系統(tǒng)、PLC模塊、高靈敏觸摸屏和開關(guān)電源系統(tǒng)組成，采用最新的閉環(huán)控制，如圖4所示。該自動測試控制技術(shù)的應用徹底改變了傳統(tǒng)的人工溫度采集，可以直接通過以太網(wǎng)連接到上位機，并入大數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，實現(xiàn)鋰電池干燥過程的無人化生產(chǎn)管理。PLC內(nèi)部編寫低溫報警、超溫報警、超高溫報警、同夾具溫差報警和通信異常報警等報警程序，實時追蹤每一塊加熱板的溫度信息，確保產(chǎn)品的一致性。

5 鋰電池干燥智能調(diào)度技術(shù)研究

鋰電池全自動干燥線智能調(diào)度系統(tǒng)具有多柔性模組、多線程、可擴展、數(shù)據(jù)實時追溯、閉環(huán)控制和界面可視化等特點，采用標準化、高可靠性和安全性設計，如圖5所示。該智能調(diào)度系統(tǒng)整線通過上位機進行統(tǒng)一調(diào)度，每一個系統(tǒng)獨立運行，互不干擾，確保了整線的穩(wěn)定性。

6 鋰電池干燥系統(tǒng)控制技術(shù)研究

如圖6所示，鋰電池干燥系統(tǒng)主要通過接觸式夾具對電芯加熱，通過真空泵對真空烘箱抽真空，為電芯Baking提供真空環(huán)境，在高溫、真空狀態(tài)下，使電芯極片內(nèi)的水分快速氣化溢出，以達到控制電芯極片含水量的目的。同時，該系統(tǒng)可實現(xiàn)本機控制、與鋰電池全自動干燥線上位機通信等功能，在其中一塊發(fā)熱板故障時，電氣控制系統(tǒng)可以通過巡檢檢測出來，并對相應電池進行標記，對相應電池進行回爐處理，而不需要對整組電池回爐，大大提高了容錯率。

6.1 接觸式加熱夾具

夾具采用一體式加熱板設計，加熱板表面溫度均勻，電池與兩側(cè)發(fā)熱板單邊距離為1.5mm。經(jīng)研究測試，加熱板空載室溫升至100℃的時間≤20min，帶電池室溫升至100℃的時間≤90min，溫度設定范圍為40～110℃，采用專用溫控模塊，整體熱量均勻，發(fā)熱板之間溫度均勻性≤±3℃，單片發(fā)熱板溫度偏差≤±3℃，高精密溫控模塊的溫控精度為±0.1℃。電池底部與發(fā)熱板直接接觸加熱，具有加熱速度快、溫度均勻性好、精度高等特點?？刂葡到y(tǒng)能夠控制真空泵的開啟和停止，具備防止各腔體間串氣的功能。溫控系統(tǒng)具有超溫保護功能，每片發(fā)熱板實時在線巡檢，超過設定溫度時自動斷開加熱，同時具有低溫報警功能，低于設定值10℃（可設定）時會自動進行聲光報警。

6.2 溫控系統(tǒng)

溫控系統(tǒng)控制方式如圖7所示。該溫控系統(tǒng)能夠?qū)Σ杉臏囟葘崟r控制，整個夾具的發(fā)熱板溫度控制精度保持在±3℃內(nèi)，夾具中每塊發(fā)熱板的采集溫度與實際溫度偏差≤±3℃。實時對夾具中每塊發(fā)熱板溫度進行巡檢，當控溫使用的感溫線受到干擾或故障時，輔助控制系統(tǒng)給出準確的溫度值，防止發(fā)生超溫事故。該溫控系統(tǒng)具有超溫保護功能，每片發(fā)熱板獨立溫控且實時在線巡檢，超過設定溫度時自動斷開加熱，同時具有低溫報警功能，低于設定值10℃時會自動進行聲光報警。

6.2.1 溫度采集模塊。將感溫線中的物理特性信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字溫度信號，并輸出給溫度控制模塊，模塊中所有電氣元件如電阻、模擬開關(guān)等耐溫特性均采用工業(yè)級別85℃，部分關(guān)鍵元件如嵌入單片等耐溫特性需采用工業(yè)級別105℃。

6.2.2 溫度控制模塊。收集采集模塊中的溫度信號并進行判定，同時控制繼電器吸合達到控制溫度的目的。

6.2.3 溫度巡檢模塊。與溫度采集模塊類似，溫度巡檢模塊負責將感溫線中的物理特性信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字溫度信號，并將數(shù)字溫度信號輸出給溫度控制模塊或其他采集控制元件，其元件及要求同溫度采集模塊。

7 結(jié)論

本文通過研究基于運動仿真的鋰電池自動化干燥裝備系統(tǒng)架構(gòu)，整體確定鋰電池智能干燥裝備的技術(shù)工藝;針對技術(shù)工藝流程和信息化、智能化的需求，研究鋰電池自動化干燥工藝標準化模型，采集、傳輸和使用包括各個工位、工件、干燥環(huán)境等在內(nèi)的各種信息;研究基于粒子群優(yōu)化的干燥工藝參數(shù)優(yōu)化方法，提高干燥效率和降低能耗;根據(jù)實時采集的信息，研究鋰電池干燥質(zhì)量預估、預警、溯源方法，實現(xiàn)每個鋰電池干燥過程的可監(jiān)控、可溯源、可及時處理;集中成本技術(shù)研究成果，研制鋰電池智能化干燥工藝及裝備，并完成鋰電池智能干燥裝備及全自動干燥線的產(chǎn)業(yè)化。本技術(shù)的干燥工藝簡單，原創(chuàng)性強，創(chuàng)新性突出，整個干燥過程可實現(xiàn)無人化控制。

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