動力鋰電池步進(jìn)移載式烘烤技術(shù)研究

摘 要：目前，動力鋰電池行業(yè)內(nèi)普遍采用的鋰電池烘烤方式都是將電池放入夾具中，然后通過搬運系統(tǒng)將夾具運送到干燥箱或者烘烤工位中進(jìn)行一站式烘烤，這種方式很難確保每個位置電池參數(shù)的一致性。為突破這一問題，通過將移動式單體干燥箱從上一個工位傳送到下一個工位，以對多個移動式干燥箱進(jìn)行多站傳遞式烘烤，從而大大提高烘烤后電池參數(shù)的一致性。本文主要探討將移動式真空烘烤模式與流水線式烘烤位相結(jié)合的控制系統(tǒng)設(shè)計及其應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，從而完成對傳統(tǒng)一站式干燥設(shè)備的突破性改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：鋰電池;移載機(jī)構(gòu);烘烤;單體干燥箱;一致性

中圖分類號：TM912 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? 文章編號：1003-5168（2021）27-0075-04

Abstract：At present， the lithium battery baking method commonly used in the power lithium battery industry is to put the battery into the fixture，Then the fixture is transported to the drying oven or baking station through the handling system for one-stop baking，This method is difficult to ensure the consistency of battery parameters at each location.To break through this problem，By transferring the movable monomer drying oven from the previous station to the next，To carry out multi-station transfer baking on a plurality of mobile drying ovens，Thereby greatly improving the consistency of battery parameters after baking.This paper mainly discusses the key technology of the design and application of the control system which combines the movable vacuum baking mode with the pipelined baking position，So as to complete the breakthrough improvement of the traditional one-stop drying equipment

Keywords：lithium batteries;load transfer mechanism;dry;monomer drying oven;consistency

動力鋰離子電池憑借其輸出電壓高、比能量高、容量和能量轉(zhuǎn)換效率高、自放電率低、循環(huán)壽命長、無記憶效應(yīng)等優(yōu)勢，成為目前動力電池的主流產(chǎn)品。動力鋰離子電池需成組后才能作為動力源，而電池成組后，單體電池間性能的不一致性成為電池組實用性能差、循環(huán)壽命短和安全性低等問題的主要原因[1]。

鋰離子電池的一致性可以分為制造過程中的一致性和使用過程中的一致性，制造過程中的一致性是指在電池成組之前電池單體之間的差異，這一階段電池之間不一致性是在制造過程中，由于工藝上的問題或材質(zhì)的不均勻引起的[1]。其中，電芯真空干燥工藝是一個決定電池一致性的關(guān)鍵問題，眾所周知，水分對鋰電池的性能影響是最大的，鋰電池在注液前需對電池殼內(nèi)放入極片的鋰電池充入惰性氣體進(jìn)行烘烤干燥處理[2]，該干燥過程的一致性決定著電芯干燥的均勻性。

為了解決電池的均勻性問題，國內(nèi)外從事電動車研發(fā)的相關(guān)企業(yè)一直在改善電池一致性的問題上奔走。在中國，由于整個產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)艿桨l(fā)展水平的制約，想要解決動力電池一致性的問題，一方面要在來料保持一致性的情況下，通過使用自動化程度高的先進(jìn)智能裝備從生產(chǎn)環(huán)節(jié)上進(jìn)行控制，保證電池在每個制造節(jié)點上的一致性[3]。從設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用情況來比較，傳統(tǒng)鋰電池裸電芯加熱的特點是“多機(jī)參數(shù)+人工操作+不同批次+二次污染”[4]，對鋰電池干燥大多采用在真空干燥箱內(nèi)或者在干燥線中進(jìn)行靜止式烘烤，待烘烤完成后進(jìn)行電池下料，這種烘烤模式忽略了烘烤設(shè)備本身的一致性。

如果將所有參與真空烘烤的電池進(jìn)行多站傳遞式烘烤，將最大限度地降低設(shè)備差異的影響，整個烘烤過程為：將移動式單體干燥箱從上一個真空烘烤工位傳送到下一個工位，如此可將多個單體干燥箱依次從第一個工位依次傳送到第N個工位，以達(dá)到同時對多個單體干燥箱進(jìn)行多階段步進(jìn)式烘烤的效果，不僅提高了電池烘烤的一致性，而且提高了效率，降低了成本。

1 鋰電池步進(jìn)移載式烘烤概述

傳統(tǒng)的鋰電池烘烤采用移動式夾具，由機(jī)械手夾取放于干燥烘箱中進(jìn)行烘烤，待烘烤完成后，進(jìn)行夾具或電池下料，待電池下料完成后進(jìn)行再次上料烘烤，由于需要電池反復(fù)上下料，烤箱存在空置狀態(tài)，不僅效率低下，而且無法保證電池烘烤的一致性。為了提高烘烤效率，出現(xiàn)了移動式烘烤模式，例如采用立體貨架式烘烤[5]，由上位機(jī)調(diào)度堆垛機(jī)將滿載電池的移動式單體干燥箱放置于立體貨架上進(jìn)行自動烘烤，自動上下料，大大提高了干燥效率，干燥空間更小、全程智能控制。但是，由于多個烘烤工位存在差異，因此，也很難確保電池烘烤的一致性。

為了解決電池烘烤的一致性問題，本文采用移載式烘烤技術(shù)[6]，具體技術(shù)方案為：采用兩個以上依次相接的具有對移動式單體干燥箱真空烘烤功能的移載裝置，該移載裝置包括固定支撐架以及用于將移動式單體干燥箱從上一個真空烘烤工位傳送到下一個真空烘烤工位的移載機(jī)構(gòu);移動式單體干燥箱包括內(nèi)部放置電池夾具的干燥箱體和用于密封干燥箱體的密封蓋體，密封蓋體與干燥箱體通配。每個移載裝置至少包括一個真空烘烤工位，每個真空烘烤工位設(shè)置一組與移動式單體干燥箱對應(yīng)的導(dǎo)電探針機(jī)構(gòu)和真空對接裝置，導(dǎo)電探針機(jī)構(gòu)、真空對接裝置、移載機(jī)構(gòu)均設(shè)于固定支撐架上。首先，上料完成的單體干燥箱傳遞至移載裝置，由移載裝置移動至第一個真空烘烤工位并自動完成真空對接、抽真空、通電連接探針進(jìn)行烘烤，待真空烘烤完畢后，由移載裝置移動到第二個真空烘烤工位再次進(jìn)行抽真空烘烤，依次類推，當(dāng)?shù)谝粋€單體干燥箱移動至第二個真空烘烤工位時，另一個單體干燥箱由上位機(jī)控制并由移載裝置移動至第一個真空烘烤工位，如此循環(huán)，設(shè)定每個真空烘烤工位烘烤時間為一個單位時間段，多個真空烘烤工位可同時對單體干燥箱進(jìn)行抽真空烘烤，如此，不僅整體提升電池的烘烤一致性，而且可以大幅提升整線產(chǎn)能。

以鋁殼電池4014691為例，該步進(jìn)移載式方案烘烤所需時間5 h，相比傳統(tǒng)熱風(fēng)循環(huán)式隧道線的6～7 h顯著縮短，可有效提升產(chǎn)能;溫度均勻性±2 ℃，也明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方式的±3 ℃，烘烤后電池的一致性也會更好，有利于提高電池的性能;該方案移載式干燥線若出現(xiàn)故障，能隨時從側(cè)邊拉出維修，維修時間不超過一個單位時間就不存在整線停機(jī)風(fēng)險;能耗更低，更環(huán)保，使用時間越久，能耗降低帶來的經(jīng)濟(jì)效益會越來越明顯。

2 鋰電池移載式烘烤步驟分析

傳統(tǒng)的鋰電池或夾具搬運主要采用堆垛機(jī)或者機(jī)械手完成，一方面成本高，占用空間大，另一方面，多個夾具、干燥箱的搬運過程不能同時進(jìn)行。在傳統(tǒng)的自動干燥流水線中，物體在一個工位完成功能性操作后，需要搬運到下一個工位進(jìn)行功能性操作，在完成該搬運過程中需要定位部件，且一般是連續(xù)性的移動物體，這一過程會造成傳動、連接零件損壞，且定位不準(zhǔn)確，零件繁多，成本高[7，8]。為了解決該問題，我們對單體干燥箱移載技術(shù)[6]進(jìn)行深入研究，采用如下移載步進(jìn)式的技術(shù)方案：移載裝置包括固定支撐架、移載機(jī)構(gòu)，移載機(jī)構(gòu)設(shè)于固定支撐架上，移載機(jī)構(gòu)包括活動支撐架、凸輪頂升裝置、絲杠傳動裝置以及活動支撐板，凸輪頂升裝置呈中心對稱地固定在活動支撐板上，絲杠傳動裝置固定于支撐底板上，凸輪頂升裝置驅(qū)動活動支撐架向上移動并抬起位于固定支撐架上的單體干燥箱，當(dāng)活動支撐架抬起單體干燥箱時，絲杠傳動裝置驅(qū)動活動支撐架水平向前移動并將單體干燥箱放于下一個真空烘烤工位的固定支撐架上，如此，即可完成單體干燥箱的傳遞。凸輪頂升裝置包括固定在活動支撐板上的兩個偏心輪支撐座、設(shè)置于偏心輪支撐座上的偏心輪、兩端固定連接兩個偏心輪的偏心輪傳動軸以及驅(qū)動偏心輪傳動軸旋轉(zhuǎn)的傳動電機(jī)，偏心輪傳動軸兩端固定在偏心輪支撐座上，兩個偏心輪分別與活動支撐架上的兩組導(dǎo)向輪相切，在偏心輪轉(zhuǎn)動過程中實現(xiàn)活動支撐架的上下移動;絲杠傳動裝置包括電機(jī)、副絲杠、連接件、水平直線導(dǎo)軌，副絲杠的絲杠與電機(jī)的輸出端連接，副絲杠中的絲杠套與連接件固定連接且?guī)舆B接件沿水平方向移動，活動支撐板與連接件固定連接且與水平直線導(dǎo)軌滑動連接實現(xiàn)活動支撐架的水平移動;通過將兩個以上的移載裝置依次相接即可實現(xiàn)單體干燥箱從上一個真空烘烤工位傳遞到下一個真空烘烤工位，如此循環(huán)，即可完成對單體干燥箱的多站式流水線烘烤。

3 鋰電池烘烤多模塊控制邏輯

鋰電池步進(jìn)移載式烘烤[7]主要由來料輸送模塊、掃碼NG模塊、自動上料模塊、移載式烘烤模塊、密封蓋回流輸送模塊、無蓋單體干燥箱回流模塊、真空對接模塊、密封蓋開合控制模塊、真空泵體集成模塊、探針自動通電模塊、上位機(jī)控制模塊等部分組成。上料模塊采用上料機(jī)械手自動夾取來料輸送線上的電池放到單體干燥箱內(nèi)，由滾筒線輸送到上料段升降滾筒上，等待移載密封蓋機(jī)械手將回流的密封蓋取放到單體干燥箱上，對單體干燥箱進(jìn)行密封，同時對單體干燥箱密封性及通電狀態(tài)進(jìn)行檢測;箱體預(yù)抽真空及預(yù)通電出現(xiàn)NG時，由人工用叉車將箱體取走，密封完成的單體干燥箱，通過上料段升降滾筒輸送到進(jìn)料銜接板裝置，進(jìn)料銜接板裝置將滿載電池的單體干燥箱送至移載裝置的第一個真空烘烤工位;進(jìn)料銜接裝置將單體干燥箱定位后，真空對接裝置開始對箱體進(jìn)行抽真空，同時探針對接裝置對箱體通電預(yù)熱。第一個單位時間結(jié)束后，移載裝置運動，將單體干燥箱移動到第二個真空烘烤工位上;再經(jīng)過一個單位時間后，移載裝置將單體干燥箱移動至下一個真空烘烤工位，以此類推，直到單體干燥箱到達(dá)最后烘烤工位完成整個烘烤工序。然后，干燥房過渡倉內(nèi)密封門板打開，由移載裝置將單體干燥箱送至下料段升降滾筒，移載裝置退回，密封門板關(guān)閉;單體干燥箱到達(dá)下料段升降滾筒后，由移載密封蓋機(jī)械手將密封蓋取走放置到上層密封蓋回流線上;無密封蓋的單體干燥箱通過下料段升降滾筒將無蓋的單體干燥箱輸送到下層回流線上，直至輸送到上料區(qū)域滾筒線上，至此完成整個箱體的回流。整個烘烤過程實現(xiàn)數(shù)據(jù)全程追溯，實現(xiàn)單電池、單體干燥箱與設(shè)備及其參數(shù)的綁定，數(shù)據(jù)可追溯，鋰電池步進(jìn)移載式烘烤控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)存儲電芯追溯碼、單體干燥箱放置位、烘烤時間、溫度等信息，實現(xiàn)整個烘烤過程的數(shù)據(jù)實時查詢并上傳MES系統(tǒng)，實時反饋及數(shù)據(jù)全程可追溯，下圖為產(chǎn)線布局示意圖。

4 鋰電池烘烤多路溫度控制方式

鋰電池步進(jìn)移載式烘烤的多路溫度采集控制系統(tǒng)主要由高精密測試探頭、高靈敏溫度采集模塊、溫度集成控制系統(tǒng)、PLC模塊、高靈敏觸摸屏和開關(guān)電源系統(tǒng)等組成，采用最新的閉環(huán)控制，徹底改變了傳統(tǒng)的人工溫度采集，通過以太網(wǎng)連接到上位機(jī)，并入大數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，實現(xiàn)鋰電池烘烤過程的智能化生產(chǎn)管理。PLC內(nèi)部編寫低溫報警、超溫報警、超高溫報警、溫差報警、通訊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。

鋰電池步進(jìn)移載式烘烤的溫控系統(tǒng)能夠?qū)Σ杉臏囟葘崟r控制，干燥箱的發(fā)熱板溫度控制精度保持在±1 ℃內(nèi)，干燥箱內(nèi)多塊發(fā)熱板的高低溫度差≤±2 ℃，實時對干燥箱中每塊發(fā)熱板溫度進(jìn)行巡檢，當(dāng)主控溫系統(tǒng)出現(xiàn)故障或信號收到干擾時，輔助控制系統(tǒng)給出準(zhǔn)確的溫度值，防止發(fā)生超溫事故;該溫控系統(tǒng)不僅有超溫保護(hù)功能，每片發(fā)熱板獨立溫控且實時在線巡檢，超過設(shè)定溫度時自動斷開加熱并輸出報警信息。

5 鋰電池烘烤數(shù)據(jù)傳輸

上位機(jī)操作程序連接車間信息管理系統(tǒng)（MES），實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)信息實時采集、制造過程中的工藝參數(shù)的收集和保存以及系統(tǒng)登錄權(quán)限的控制。該上位機(jī)基于TCP/IP協(xié)議，將設(shè)備信息和數(shù)據(jù)直觀顯示到程序界面。

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PLC，對關(guān)鍵參數(shù)可自定義保存間隔，存儲于本地電腦以供查詢;對工作過程中出現(xiàn)的斷網(wǎng)等異常，提供自動重連功能;提供連接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)定及本地數(shù)據(jù)查詢和導(dǎo)出備份功能;產(chǎn)線電池的在線烘烤狀態(tài)，生產(chǎn)實時監(jiān)控及反饋。界面操作簡單、直觀易用;準(zhǔn)確地運行日志存儲，便于后續(xù)設(shè)備調(diào)試和異常處理。每間隔0.2 s進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)解析后顯示到程序主界面上，直觀顯示設(shè)備狀態(tài)變化及實時數(shù)值，單體干燥箱的烘烤時間、目前狀態(tài)實時顯示在觸摸屏上，能夠很直觀地查看各箱體烘烤時間及烘烤狀態(tài)。

6 結(jié)論

本文通過研究鋰電池步進(jìn)移載式烘烤技術(shù)工藝，整體確定鋰電池步進(jìn)移載式烘烤裝備的系統(tǒng)架構(gòu);深入對技術(shù)工藝流程信息化、智能化需求的研究，使得整體結(jié)構(gòu)模塊化，拆卸、組裝、運輸、調(diào)試方便快捷，節(jié)省制造成本及縮短調(diào)試周期;根據(jù)實時采集的溫度等信息，研究鋰電池烘烤質(zhì)量預(yù)估、預(yù)警、溯源方法，實現(xiàn)每個鋰電池烘烤過程的可監(jiān)控、可溯源、可及時處理。本方案具有干燥工藝簡單、一致性高、效率高、能耗低等特點，整體提升了動力電池烘烤工藝水平。

參考文獻(xiàn)：

[1] 冀承林.動力鋰離子電池一致性制造工藝研究[D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2017.

[2] 關(guān)玉明，姜釗，趙芳華，等.一種鋰離子電池電芯真空烘烤工藝的研究[J].電源技術(shù)，2018（11）：1622-1624，1659.

[3] 潘騰遠(yuǎn).電動汽車鋰電池的發(fā)展現(xiàn)狀探討[J].時代汽車，2019（2）：105-106.

[4] 方英民.新能源汽車鋰電池的技術(shù)演進(jìn)[J].高科技與產(chǎn)業(yè)化，2015（2）：64-67.

[5] 陳磊，姜大彪，崔帥團(tuán).立體貨架式烘烤系統(tǒng)：201820201099.5[P].2018-02-06.

[6] 陳磐，崔帥團(tuán)，童金順.移載式干燥裝置：201810509522.2[P].2018-05-24.

[7] 陳磐，崔帥團(tuán)，童金順.一種自動移載裝置：201820784605.8[P].2018-05-24.

[8] 陳磐，崔帥團(tuán)，童金順.智能移載式干燥線：201810509518.6[P].2018-05-24.