鋰電池預(yù)熱隧道爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其關(guān)鍵技術(shù)研究

摘 要：市場(chǎng)上的鋰電池預(yù)隧道熱爐主要有熱風(fēng)循環(huán)式與接觸式兩種，運(yùn)行較為穩(wěn)定，可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化操作，不但節(jié)省了占地空間面積、運(yùn)行費(fèi)用，而且生產(chǎn)效率、使用壽命大幅提高。本文主要從鋰電池預(yù)熱隧道爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)方面進(jìn)行簡(jiǎn)要探討。

關(guān)鍵詞：鋰電池;預(yù)熱隧道爐控制系統(tǒng);新能源

中圖分類(lèi)號(hào)：TM912文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）25-0114-03

Abstract： At present， there are two main types of lithium battery pre tunnel furnace： hot air circulation type and contact type. The operation is relatively stable and can realize full automatic operation. It not only saves space and operating costs， but also greatly improves production efficiency and service life. This paper briefly discussed the key technologies of the control system design and application of lithium battery preheating tunnel furnace.

Keywords： lithium batteries;control system of preheating tunnel furnace;new energy

1 研究背景

當(dāng)前，中國(guó)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)正在高速增長(zhǎng)，作為其核心部件的動(dòng)力電池，需求缺口也進(jìn)一步擴(kuò)大，于是大量資本涌入動(dòng)力電池行業(yè)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅2019年上半年，就有54家動(dòng)力電池上中下游上市公司發(fā)布了投資擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃，投資總額近1 160億元[1]。從市場(chǎng)與產(chǎn)品的思路來(lái)看，國(guó)內(nèi)新能源領(lǐng)軍企業(yè)具備以下三大特點(diǎn)。一是堅(jiān)定全球化戰(zhàn)略視野，瞄準(zhǔn)全球化動(dòng)力電池?cái)U(kuò)產(chǎn)新周期。頭部國(guó)內(nèi)企業(yè)已經(jīng)篤定國(guó)際化戰(zhàn)略，并取得了一定的先發(fā)優(yōu)勢(shì)，或已進(jìn)入國(guó)際車(chē)企/電池企業(yè)的供應(yīng)鏈體系，或緊跟國(guó)際頭部企業(yè)步伐邁向海外市場(chǎng)。二是筑建差異化市場(chǎng)“護(hù)城河”。在產(chǎn)品思路上，每家的產(chǎn)品方案均有自身的差異化優(yōu)勢(shì)。三是圍繞技術(shù)革新、降本提質(zhì)的領(lǐng)先產(chǎn)品方案。目前，國(guó)產(chǎn)新能源企業(yè)介入國(guó)際的一大突破口在于對(duì)產(chǎn)品升級(jí)、供應(yīng)鏈整合、工藝革新及新項(xiàng)目合作開(kāi)發(fā)、新工藝測(cè)試等環(huán)節(jié)。隨著國(guó)家新能源汽車(chē)補(bǔ)貼政策的落實(shí)，投資計(jì)劃和新增計(jì)劃的實(shí)施即將開(kāi)始，在動(dòng)力電池行業(yè)投資高峰期，我們要注重提升動(dòng)力電池的各項(xiàng)性能，尤其是高安全性及長(zhǎng)續(xù)航里程。動(dòng)力電池的這些核心技術(shù)指標(biāo)都指向一致性，聚焦電池一致性必將為巨額投資保駕護(hù)航。綜合來(lái)看，全球動(dòng)力電池產(chǎn)能新基建趨勢(shì)下，中國(guó)鋰電裝備將在供應(yīng)鏈體系中扮演著重要角色，成為全球化的中堅(jiān)力量。

但是，電池一致性的問(wèn)題一直困擾著國(guó)內(nèi)外從事電動(dòng)車(chē)研發(fā)的相關(guān)企業(yè)。在中國(guó)，由于整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)艿桨l(fā)展水平的制約，使得原材料品質(zhì)的一致性、制造裝備水平以及電池的綜合指標(biāo)等方面與國(guó)外存在一定差距。這些都影響了國(guó)產(chǎn)動(dòng)力電池一致性的提升。想要解決動(dòng)力電池一致性的問(wèn)題，一方面要在來(lái)料保持一致性的情況下，通過(guò)使用自動(dòng)化程度高的先進(jìn)智能裝備，從生產(chǎn)環(huán)節(jié)上進(jìn)行控制，保證電池在每個(gè)制造節(jié)點(diǎn)上的一致性[2];另一方面，動(dòng)力電池在干燥階段預(yù)熱工序水平的提高，有助于智能化裝備保障電芯及材料的一致性。從設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用情況來(lái)比較，傳統(tǒng)鋰電池裸電芯加熱的特點(diǎn)是“多機(jī)參數(shù)+人工操作+不同批次+二次污染”，而采用鋰電池全自動(dòng)預(yù)熱隧道爐的特點(diǎn)是“同一參數(shù)+智能化控制+無(wú)人工+短時(shí)間”[3]。

目前，對(duì)于鋰電池裸電芯預(yù)熱一般采用熱風(fēng)循環(huán)式或者接觸式預(yù)熱隧道爐進(jìn)行加熱[4-5]。采用這兩種方式進(jìn)行預(yù)熱，溫度容易控制，且電芯為連續(xù)進(jìn)料，經(jīng)過(guò)隧道式預(yù)熱爐不同溫度段后，設(shè)定相應(yīng)的時(shí)間，以便達(dá)到相應(yīng)的預(yù)熱效果。這種溫度可以維持恒定，可以實(shí)現(xiàn)鋰電池裸電芯的一致性、可塑性，采用鋰電池預(yù)熱隧道爐將電芯加熱到一定溫度，整形后送入烘烤，可減小50%的烘烤時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率，減少了一半的熱壓設(shè)備成本，節(jié)約了熱壓成本與廠房占地面積。預(yù)熱隧道爐高效過(guò)濾裝置對(duì)電芯粉層進(jìn)行及時(shí)處理，可以過(guò)濾電芯雜質(zhì)，提高電芯質(zhì)量;采用多模塊多點(diǎn)溫控檢測(cè)設(shè)計(jì)，解決了預(yù)熱隧道爐內(nèi)溫度的均勻性問(wèn)題，大幅提高鋰電池批量生產(chǎn)質(zhì)量的一致性。在相同產(chǎn)能條件下，鋰電池預(yù)熱隧道爐可以節(jié)省運(yùn)營(yíng)費(fèi)用90%以上，此外，為了保證強(qiáng)度，采用的電芯鏈板的承載板一般為雙層結(jié)構(gòu)，保證了傳輸過(guò)程的平穩(wěn)性。所以，智能化鋰電池預(yù)熱隧道爐的優(yōu)勢(shì)十分突出：一是全面提升電池性能和一致性，提升產(chǎn)品品質(zhì);二是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化大規(guī)模生產(chǎn)，提升產(chǎn)能;三是大幅度降低能耗，凸顯成本優(yōu)勢(shì)。

2 鋰電池預(yù)熱隧道爐多模塊自動(dòng)控制技術(shù)

鋰電池預(yù)熱隧道爐主要由自動(dòng)上料模塊、烘烤模塊、輸送治具模塊、除塵模塊、上位機(jī)控制模塊等組成。上料模塊采用自動(dòng)夾取技術(shù)夾取物料，進(jìn)行智能化上料后，電芯在恒溫烤爐內(nèi)的輸送線上步進(jìn)式移動(dòng)[6]，輸送治具模塊與自動(dòng)上料裝置連接，自動(dòng)上料裝置將電芯放置在輸送平臺(tái)上，電芯通過(guò)輸送平臺(tái)輸送到預(yù)熱裝置內(nèi)經(jīng)過(guò)烘烤后輸出;輸送平臺(tái)依次穿過(guò)若干預(yù)熱風(fēng)箱并伸出，每個(gè)預(yù)熱風(fēng)箱內(nèi)輸送平臺(tái)上方設(shè)有過(guò)濾裝置，輸送平臺(tái)下方設(shè)有鏤空均風(fēng)板，其與預(yù)熱風(fēng)箱底壁之間形成回風(fēng)室，回風(fēng)室出口與風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)口連通，風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口上方設(shè)有加熱裝置。整個(gè)預(yù)熱過(guò)程由閉環(huán)控溫系統(tǒng)進(jìn)行智能監(jiān)測(cè)及控制，預(yù)熱完成后進(jìn)行智能化下料;整個(gè)過(guò)程采用高效過(guò)濾系統(tǒng)除塵裝置能有效處理電芯粉層，增強(qiáng)除塵效果，保證電芯的潔凈度[7]。

使用該多模塊自動(dòng)控制技術(shù)，設(shè)備預(yù)熱溫度可調(diào)節(jié)范圍RT～150 ℃，調(diào)節(jié)精度1 ℃，控溫精度±2 ℃，設(shè)備烘烤溫度均勻性±2 ℃，節(jié)省了成本、占地空間，同時(shí)能縮短熱壓整形工序時(shí)間，提高產(chǎn)品良率，單機(jī)一次良率達(dá)100%。整個(gè)預(yù)熱過(guò)程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)全程追溯，實(shí)現(xiàn)單電芯與設(shè)備及其參數(shù)的綁定，全程監(jiān)控并追溯數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)預(yù)熱工序?qū)崿F(xiàn)全程無(wú)人化，預(yù)熱隧道爐控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)建立數(shù)據(jù)庫(kù)、存儲(chǔ)電芯追溯碼、條碼、預(yù)熱爐號(hào)、預(yù)熱層放置位、時(shí)間、溫度等信息，實(shí)現(xiàn)整個(gè)預(yù)熱過(guò)程的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)查詢(xún)并上傳MES系統(tǒng)，實(shí)時(shí)反饋及數(shù)據(jù)全程可追溯。

3 鋰電池智能裝備的水平移載式技術(shù)

傳統(tǒng)鋰電池裸電芯接觸式預(yù)熱流程主要為靠提升機(jī)構(gòu)將發(fā)熱板提起—上下料模組取放電芯—發(fā)熱板疊起加熱，以達(dá)到預(yù)熱電芯的目的。然而，在提升最底部的一塊發(fā)熱板時(shí)，需要附帶提起上面的所有發(fā)熱板，導(dǎo)致底部發(fā)熱板受力較大、底部發(fā)熱板變形及提升時(shí)導(dǎo)桿之間的阻力變大，易引發(fā)故障，一旦發(fā)熱板組的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)出現(xiàn)故障，將會(huì)導(dǎo)致其他發(fā)熱板不能將內(nèi)部烘烤好的電芯輸出。

為了解決該問(wèn)題，經(jīng)過(guò)深入研究，提供一種可水平移載式發(fā)熱板及包含其的預(yù)熱爐。可水平移載式發(fā)熱板主要由底部發(fā)熱板、垂直固定于底部發(fā)熱板前后兩側(cè)的保溫板、垂直固定于底部發(fā)熱板左右兩側(cè)的固定板等組成。底部發(fā)熱板上表面設(shè)置數(shù)個(gè)電池放置工位，固定板的外側(cè)固定有撥動(dòng)塊及發(fā)熱板導(dǎo)向組件。發(fā)熱板導(dǎo)向組件包括固定于固定板側(cè)部的滑塊以及與滑塊滑動(dòng)連接的線軌。此外，預(yù)熱爐還包括爐體框架以及電池上料工位、電池加熱工位和電池下料工位。爐體框架上設(shè)有數(shù)層用于承載每塊可水平移載式發(fā)熱板的支撐隔條，線軌固定于支撐隔條上，線軌的長(zhǎng)度覆蓋電池上料工位、電池加熱工位以及電池下料工位，每個(gè)電池放置工位由相對(duì)設(shè)置的兩個(gè)導(dǎo)向限位塊及位于導(dǎo)向限位塊兩側(cè)的氣爪避空位組成，通過(guò)驅(qū)動(dòng)可水平移載式發(fā)熱板在電池上料工位、電池加熱工位以及電池下料工位之間轉(zhuǎn)換的移動(dòng)裝置，兩個(gè)導(dǎo)向限位塊的上端部為相向設(shè)置的斜劈以形成V型導(dǎo)向。應(yīng)用鋰電池智能裝備的水平移載式技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在電池上下料時(shí)，由移動(dòng)裝置將發(fā)熱板水平推出到電池上料工位、電池下料工位即可，不需要承載發(fā)熱板組結(jié)合的重力，減少了發(fā)熱板豎直方向的受力，減少了發(fā)熱板變形的風(fēng)險(xiǎn)，即使發(fā)熱板組的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)出現(xiàn)故障，其他發(fā)熱板也可以將內(nèi)部烘烤好的電芯輸出，從而提升設(shè)備的可靠性，相對(duì)于提升機(jī)構(gòu)更加可靠簡(jiǎn)單，易于維護(hù)。

4 鋰電池預(yù)熱隧道爐多路溫度采集控制技術(shù)及多工位電阻自動(dòng)測(cè)試控制技術(shù)

4.1 多路溫度采集控制技術(shù)

鋰電池智能裝備的多路溫度采集控制系統(tǒng)主要由高精密測(cè)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(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)組成，采用最新的閉環(huán)控制。該自動(dòng)測(cè)試控制技術(shù)的應(yīng)用徹底改變了傳統(tǒng)的人工溫度采集，可以直接通過(guò)以太網(wǎng)連接到上位機(jī)，并入大數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)鋰電池干燥過(guò)程的無(wú)人化生產(chǎn)管理。PLC內(nèi)部編寫(xiě)低溫報(bào)警、超溫報(bào)警、超高溫報(bào)警、溫差報(bào)警、通信異常報(bào)警等報(bào)警程序，實(shí)時(shí)追蹤每一塊加熱板的溫度信息[8]，確保產(chǎn)品的一致性。

4.2 多工位電阻自動(dòng)測(cè)試技術(shù)

接觸式預(yù)熱隧道爐采用多工位電阻自動(dòng)測(cè)試控制系統(tǒng)，主要由高精密測(cè)試探針、電阻檢測(cè)模塊、PLC和開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)組成。傳統(tǒng)的檢測(cè)工藝為采用高精度萬(wàn)用表，逐一對(duì)檢測(cè)回路中的電阻進(jìn)行測(cè)量，并實(shí)時(shí)記錄，工作效率低，不能滿足復(fù)雜產(chǎn)品批量生產(chǎn)時(shí)的具體測(cè)試要求[5]。該技術(shù)的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)多工位電阻檢測(cè)過(guò)程的全自動(dòng)控制，無(wú)須人工干預(yù)，只需設(shè)置好合格的發(fā)熱板電阻值即可。整個(gè)過(guò)程檢測(cè)時(shí)間只需1 s，檢測(cè)速度極快，并且大大降低了人工檢測(cè)維修成本，杜絕了人工判斷誤操作，有效提高了多工位電阻檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度。

5 預(yù)熱隧道爐自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)

通過(guò)上位機(jī)操作程序?qū)涌蛻糗?chē)間信息管理系統(tǒng)（MES），實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)采集、制造過(guò)程中工藝參數(shù)的收集和保存及系統(tǒng)登錄權(quán)限的控制。該上位機(jī)軟件克服了PLC對(duì)TCP應(yīng)用層開(kāi)發(fā)的限制，基于Ethernet網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)靈活布線，并將設(shè)備信息和數(shù)據(jù)直觀顯示到應(yīng)用程序界面。同時(shí)，軟件將采集到的數(shù)據(jù)間隔保存，并提供條件查詢(xún)及數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能。

本系統(tǒng)采用上位機(jī)—中位機(jī)—下位機(jī)的架構(gòu)，中位機(jī)與下位機(jī)均使用歐姆龍PLC，上位機(jī)與中位機(jī)采用歐姆龍自定義Fins協(xié)議進(jìn)行通信。對(duì)關(guān)鍵參數(shù)可自定義保存間隔，存儲(chǔ)于本地電腦以供歷史查詢(xún);對(duì)工作過(guò)程中出現(xiàn)的斷網(wǎng)等異常，提供自動(dòng)重連功能;提供連接外部信息管理系統(tǒng)（MES）數(shù)據(jù)交互功能，并提供設(shè)置界面便于數(shù)據(jù)交互參數(shù)設(shè)定及本地?cái)?shù)據(jù)查詢(xún)和導(dǎo)出備份功能;提供按小時(shí)統(tǒng)計(jì)的產(chǎn)能統(tǒng)計(jì)顯示功能;界面操作簡(jiǎn)單，直觀易用;準(zhǔn)確的運(yùn)行日志存儲(chǔ)，便于后續(xù)設(shè)備調(diào)試和異常處理。上位機(jī)間隔0.2 s進(jìn)行PLC數(shù)據(jù)采集，并將采集結(jié)果解析后顯示到程序主界面上。連接MES測(cè)試要嚴(yán)格按照工序進(jìn)行，電池掃碼后，上位機(jī)記錄電池進(jìn)入預(yù)熱工序，電池在正常下料后，才將數(shù)據(jù)上傳至MES過(guò)站，期間實(shí)時(shí)采集PLC內(nèi)部存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)，不能人為改變電池上下料次序和數(shù)量，直觀顯示設(shè)備狀態(tài)變化及實(shí)時(shí)數(shù)值。

6 結(jié)語(yǔ)

在信息技術(shù)逐漸滲入鋰電設(shè)備行業(yè)領(lǐng)域的今天，實(shí)現(xiàn)軟硬件結(jié)合，加強(qiáng)對(duì)信息技術(shù)的研發(fā)，深入對(duì)技術(shù)工藝流程和信息化、智能化的需求調(diào)研，研究鋰電池自動(dòng)化預(yù)熱工藝標(biāo)準(zhǔn)化模型，集成多個(gè)技術(shù)研究成果，用于研制鋰電池智能化預(yù)熱工藝及裝備，可以加快實(shí)現(xiàn)鋰電池預(yù)熱隧道爐的產(chǎn)業(yè)化，而提高信息技術(shù)水平，是確保鋰電池智能裝備精確控制及健康運(yùn)行的關(guān)鍵。從其他角度講，依托現(xiàn)代化信息技術(shù)，充分保證鋰電池預(yù)熱隧道爐智能化穩(wěn)定運(yùn)行與精確控制，需要科研技術(shù)人員不斷創(chuàng)新，提高軟硬件結(jié)合能力的技術(shù)水平。

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