新能源電池模組灌膠設(shè)備研究與設(shè)計

高士浩，曹云翔，王明睿，劉振國，蘇 贊

（1.北京機械工業(yè)自動化研究所，北京 100120；2.北京機械工業(yè)自動化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

近年來，由于國家政策對新能源行業(yè)的導(dǎo)向與支持，新能源汽車工業(yè)發(fā)展迅速，作為新能源汽車的核心部件，動力鋰電池的續(xù)航能力已經(jīng)得到了很大的提升，動力鋰電池的能量密度顯著提高。隨之而來的安全問題越發(fā)突出，電動汽車自燃事故頻發(fā)，其安全性與可靠性成了阻礙行業(yè)發(fā)展的一個重要因素。在此背景下，各電池生產(chǎn)廠商都在根據(jù)自身產(chǎn)品的特點，不斷開發(fā)新產(chǎn)品、新工藝，進(jìn)而提高其安全性與可靠性。動力電池模組灌膠工藝作為軟包電池成組的一項新工藝，可以大幅提高動力電池及整車工作的穩(wěn)定性和可靠性[1]。模組灌膠作為一道提升動力電池安全性的關(guān)鍵工序，深入探索研究該工序的關(guān)鍵工藝和設(shè)備，對于提升鋰電池模組的安全性和可靠性，降低工人勞動強度、提高生產(chǎn)安全性，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 模組灌膠機的組成及工作原理

模組灌膠機系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)、灌膠系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)、報警系統(tǒng)等組成[2]。控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個灌膠專機的運行工作，調(diào)配各項步驟的穩(wěn)定運行；加熱系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)膠水在膠罐中的恒溫加熱；攪拌系統(tǒng)的作用是為了讓膠水在加熱過程中受熱均勻并及時的排除氣泡，配合抽真空設(shè)備，使膠桶處于一個真空狀態(tài)，保證膠的質(zhì)量不受污染；報警系統(tǒng)的作用是對灌膠專機的安全運行提供監(jiān)視，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)問題時，及時的停止設(shè)備運行并在顯示屏上報錯。灌膠機的基本工作流程如圖1所示。

圖1 基本工作流程

2 模組灌膠機的控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)的基本原理是采用PLC作為邏輯跟狀態(tài)控制的核心，配合DSP的高運算精度、高速數(shù)據(jù)處理能力的特點構(gòu)成整個系統(tǒng)的控制平臺，控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)控制圖

PLC以其高可靠性、體積小、抗干擾能力強的有點，大規(guī)模的應(yīng)用在自動化行業(yè)。本設(shè)計PLC主要完成對灌膠機的運動控制以及安全監(jiān)視作用，通過與DSP系統(tǒng)的通信，驅(qū)動螺桿泵及攪拌器的工作。

DSP因其具有實時快速的信號處理能力，作為下層控制器，主要完成的是利用其實時性、單指令運算的能力進(jìn)行信息的采集并進(jìn)行算法的運算，將采集到的加熱溫度、膠水的溫度等數(shù)據(jù)迅速的處理，實時的傳給PLC，并通過運算出膠量的多少，控制活塞泵來進(jìn)行出膠。

動力電池模組灌膠過程中，因為膠水的固化溫度曲線、出膠量、灌膠速度等因素的影響，容易造成動力電池模組灌膠參數(shù)的不一致，存在安全隱患。同時，灌膠速度也影響了動力電池模組的生產(chǎn)效率。因此采用的是高精密螺桿泵和雙向活塞泵相結(jié)合的方式，先利用DPS控制活塞泵，通過控制活塞行程來對膠水進(jìn)行擠壓供膠，改變了膠水在缸里的容積，從而完成第一步膠水供料?；钊谐痰墓饺缡?1)所示：

L：活塞行程；G：膠水重量；S：活塞面積；ρ：一定溫度下膠水密度

為了滿足膠水在不同溫度下進(jìn)行灌膠工藝的要求，相同膠水在不同溫度下的密度是不同的，相應(yīng)的行程公式也要有所不同，優(yōu)化后的具體公式如式(2)所示：

α：膠水的溫度系數(shù)ρ：常溫（25℃）膠水密度

活塞運動速度：

式中的 α0、α1、α2為常數(shù)。

由活塞運動公式得活塞的行程公式，如式(4)所示：

轉(zhuǎn)換式(4)得出活塞運動時間t與設(shè)定的單位出膠量公式關(guān)系如式(5)所示：

通過以上公式間的轉(zhuǎn)換，得出單位出膠量與活塞運動時間t的立方成函數(shù)關(guān)系。通過控制活塞的運動時間，就能通過一個簡單的計算公式精準(zhǔn)的達(dá)到控制單位出膠量，這些運算過程經(jīng)過DSP實時快速的處理，準(zhǔn)確的驅(qū)動活塞泵運行，使出膠的精度穩(wěn)定在±1%。

DPS完成第一步的供膠工藝后，膠水儲存在膠頭上方的儲存計量缸內(nèi)，PLC通過控制兩個伺服電機來驅(qū)動螺桿泵進(jìn)行最終的灌膠工藝，實現(xiàn)AB兩組分膠按一定比例出膠，經(jīng)過靜態(tài)混合器混合后實現(xiàn)灌膠工藝。再次利用螺桿泵的回轉(zhuǎn)式容積泵解決灌膠量的精度問題，保證出膠量、灌膠時間的精度控制，解決了灌膠設(shè)備的外界影響因素，保證了動力電池模組的參數(shù)一致性和可靠性。

3 灌膠路徑插補法分析

本設(shè)計的灌膠路徑是在X-Y平面上的二維工作平臺，用兩套伺服機構(gòu)來驅(qū)動膠頭的運動。基本的路徑分為直線、斜直線、圓弧[3]。以直線為灌膠路徑的時候，相當(dāng)于是單軸運動，不存在路徑偏差。當(dāng)路徑為斜線或者圓弧時，膠槍實際的運行軌跡跟預(yù)定的軌跡是存在偏差的，因此需要通過插補算法來優(yōu)化軌跡。插補算法的本質(zhì)是一種數(shù)據(jù)密化分析，通過已知點的路徑坐標(biāo)，通過算法公式計算，得出未知點的路徑坐標(biāo)，達(dá)到還原預(yù)設(shè)路徑的目的[4]。

對于斜直線，我們通過頻率分解法進(jìn)行插補。頻率分解法是將合成頻率分解為X-Y軸方向上的脈沖頻率，進(jìn)而轉(zhuǎn)為兩軸方向的伺服系統(tǒng)通過執(zhí)行PLC發(fā)出的脈沖指令。原理圖如圖3所示。

圖3 頻率分解法原理圖

Ps、Pe為起始點跟終點；f為合成頻率；fx為X軸方向頻率分量；fy為Y軸方向頻率分量；α為運動方向與X軸的夾角。

采用相對坐標(biāo)系的方法將Ps定義為坐標(biāo)原點，根據(jù)三角定律得式(6)：

由此的X、Y軸所需要的頻率為：

4 模組工裝板的設(shè)計

模組灌膠專機將膠水涂到工裝板上，隨后人通過吊裝機構(gòu)將模組放入工裝板中，從而達(dá)到模組底面灌膠的目的。

工裝板的設(shè)計首先要考慮選材問題，模組灌膠后，為保證灌膠面的平整度，要求工裝底部足夠平整光滑；同時，模組底部四周被固化的膠完全包裹，自動脫模時只能從底部頂兩端的鋁端板，可利用的操作面有限，對灌膠工裝的設(shè)計和選材以及脫模機構(gòu)提出了極高的要求。

為保證灌膠面光滑便于脫模，在選材上擬考慮不粘膠材料（聚四氟乙烯），但是由于聚四氟乙烯價格昂貴且質(zhì)地較軟，所以在設(shè)計上要區(qū)別于手工灌膠工裝全部采用聚四氟乙烯材料，而是采用主體受力部分為碳鋼材質(zhì)，與膠水接觸的部分采用聚四氟乙烯材質(zhì)，這樣既保證了工裝足夠的強度和剛度又保證了對工裝不粘膠的要求。

由于灌膠工裝底部和灌膠后的模組面極其光滑，頂升脫模時極易形成真空吸附現(xiàn)象，要求在脫模機構(gòu)設(shè)計時要考慮先破壞真空再最終脫模，因此在工裝板設(shè)計時要設(shè)計四個頂柱，并采用“兩高兩低”的設(shè)計，先頂起一端破壞真空后另一端再延時頂出。其結(jié)構(gòu)模型圖如圖4所示。

圖4 模組工裝板結(jié)構(gòu)圖

5 模組固化立體庫設(shè)計研究

完成灌膠工藝后的模組需要進(jìn)行固化處理，灌膠后靜置在倉庫地面，占用空間較大，工作效率不高的方式在現(xiàn)代化工廠已經(jīng)不適用。目前，可編程控制、伺服驅(qū)動、光纖測溫、防火阻燃、調(diào)度系統(tǒng)軟件技術(shù)發(fā)展日趨成熟，能夠滿足市場上對建立一套模組智能倉儲系統(tǒng)的需求。具體的三維結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 模組固化庫

該立體存儲系統(tǒng)實現(xiàn)了模組灌膠后入庫靜置固化，固化庫由2個巷道4排貨架組成，每排貨架5層16列，共計300個貨位，同時能根據(jù)工廠級MES的指令或訂單，按照先入先出的原則自動調(diào)出相應(yīng)庫位的模組用?？刂葡到y(tǒng)原理如圖6所示。

圖6 固化庫控制系統(tǒng)圖

堆垛機具有模塊化結(jié)構(gòu)、自動修正、定位精準(zhǔn)、作業(yè)種類多等特點。堆垛機在固化庫中負(fù)責(zé)模組搬運功能。堆垛機在水平方向跟垂直方向的認(rèn)址方式用BPS條碼帶定位認(rèn)址，貨叉則采用脈沖編碼器認(rèn)址。巷道堆垛機在高層貨架的巷道內(nèi)按 X、Y、Z 三個坐標(biāo)方向運行，將位于巷道口輸送車上的貨物存入貨格，并將達(dá)到設(shè)定固化時間的模組搬運出去。立庫堆垛機采用雙伸雙貨叉，每次可取一盤模組，，堆垛機上安裝有紅外攝像頭，可實時監(jiān)控整個堆垛機和巷道的情況。具體結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

圖7 堆垛機示意圖

PLC主要完成巷道堆垛機系統(tǒng)、輸送機設(shè)備等設(shè)備的控制任務(wù)。對上與各個物流系統(tǒng)的調(diào)度計算機聯(lián)接，接收物料的輸送指令；對下控制各個輸送設(shè)備，實現(xiàn)底層輸送設(shè)備的驅(qū)動、輸送物料的檢測與識別，完成物料輸送的過程控制和信息的傳遞[5]。

6 結(jié)語

本設(shè)計是根據(jù)北自所實際項目經(jīng)驗進(jìn)行研究設(shè)計出來的一套模塊化、集成度高、安全可靠的動力電池模組灌膠系統(tǒng)，并且在實際應(yīng)用中證明了他的可行性。合理有效的解決了新能源電池模組灌膠工藝中所涉及到的問題，大大提高了灌膠工藝的效率，并且有效的降低了人工成本。這套灌膠系統(tǒng)的研發(fā)相信會得到很好的應(yīng)用與推廣。