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(shí)又重新暴露在大氣環(huán)境中。水、氣、雜質(zhì)的再次污染導(dǎo)致電池性能、技術(shù)指標(biāo)低下。因此，要?jiǎng)?chuàng)造高真空、低露點(diǎn)、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(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)與鋰電池真空干燥技術(shù)相結(jié)合，運(yùn)用運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)現(xiàn)鋰電池干燥技術(shù)升級。

關(guān)鍵詞：鋰電池;運(yùn)動(dòng)仿真;干燥;真空;汽車

中圖分類號：TM912 文獻(xiàn)標(biāo)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(dòng)力電池是電動(dòng)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(dòng)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(dòng)力鋰電池不斷深入應(yīng)用到新能源汽車中，保障能源和低碳經(jīng)濟(jì)安全、快速發(fā)展，未來幾年是新能源汽車和動(dòng)力鋰電池研發(fā)和生產(chǎn)的重要時(shí)期。目前，動(dòng)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(dá)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(dòng)力鋰電池的進(jìn)口量很大，成為繼日本之后的第二大鋰電池生產(chǎn)和消費(fèi)國家，動(dòng)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(jì)的火爆，共享電動(dòng)車、共享汽車等紛紛選擇了動(dòng)力鋰電池，這就讓動(dòng)力鋰電池的規(guī)模又再一次擴(kuò)大。

黨中央、國務(wù)院高度重視新能源汽車和動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展，為貫徹落實(shí)《國務(wù)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(wù)院辦公廳關(guān)于加快新能源汽車推廣應(yīng)用的指導(dǎo)意見》（國辦發(fā)〔2014〕35號），加快提升我國汽車動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展能力和水平，推動(dòng)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(diǎn)高校、整車和動(dòng)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(xué)技術(shù)部、財(cái)政部等有關(guān)部門于2017年2月20日聯(lián)合印發(fā)了《促進(jìn)汽車動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)方案》。方案指出：“依托重大技改升級工程、增強(qiáng)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(fù)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(jìn)動(dòng)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(jìn)自主可控、協(xié)調(diào)高效、適應(yīng)發(fā)展目標(biāo)的產(chǎn)業(yè)鏈體系建設(shè)。

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(shí)現(xiàn)5 000次以上的反復(fù)放電，無記憶效應(yīng)。新能源汽車應(yīng)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(bào)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(qiáng)，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(jìn)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(gè)干燥過程與仿真運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人相結(jié)合，將鋰電池干燥過程置于高真空、低露點(diǎn)、高溫度均勻性的干燥環(huán)境中進(jìn)行，且無人參與，實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)，那將具有巨大優(yōu)勢。

1 工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)應(yīng)用

目前，工業(yè)機(jī)器人主要由機(jī)械連桿通過各個(gè)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(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，采用微處理器實(shí)現(xiàn)控制。工業(yè)機(jī)器人最主要的模塊就是機(jī)械系統(tǒng)，通過分析、計(jì)算、編程來完成機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)過程和特定動(dòng)作。在設(shè)計(jì)過程中，機(jī)械系統(tǒng)主要遵循尺度規(guī)劃原則、剛度設(shè)計(jì)原則、最小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量原則、工藝性原則、高強(qiáng)度材料選用原則和可靠性原則。對工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真時(shí)，使用蒙特卡洛方法并結(jié)合Matlab軟件，可以很好地完成動(dòng)作控制。蒙特卡洛方法是一種以統(tǒng)計(jì)和概率為核心的計(jì)算方法，把遇到的問題和某一個(gè)概率模型結(jié)合在一起，然后在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真模擬。這種方法可以在隨機(jī)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(diǎn)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(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仿真，人們能夠全面掌握各個(gè)連桿的位置變化、速度變化和加速度變化，可以使機(jī)械手在空間中實(shí)現(xiàn)不同的姿勢并滿足工作要求。將各個(gè)連桿的參數(shù)和各個(gè)關(guān)節(jié)的參數(shù)作為已知量，通過公式計(jì)算出機(jī)器人的姿勢，這是關(guān)于機(jī)器人的正解。相反，將這兩個(gè)變量調(diào)換位置，所得到的解即為機(jī)器人的逆解。在Matlab Robotics Toolbox中創(chuàng)建機(jī)器人的模型，將各個(gè)關(guān)節(jié)和各個(gè)桿件都展示出來，利用link函數(shù)實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。該方法不僅可以得到機(jī)器人的模型，還可以創(chuàng)建機(jī)器人的控制部分。

在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真的過程中，人們可以通過滑動(dòng)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(gè)關(guān)節(jié)的角度值之后，就可以確定機(jī)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(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)進(jìn)行鋰電池全自動(dòng)干燥，在對鋰電池電芯干燥之前，由六軸機(jī)器人結(jié)合柔性模組進(jìn)行智能化上料，干燥過程由閉環(huán)控溫系統(tǒng)進(jìn)行智能監(jiān)測及控制，干燥完成后由六軸機(jī)器人結(jié)合柔性模組進(jìn)行智能化下料，干燥工序?qū)崿F(xiàn)全程無人化。工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用示例如圖1所示。

控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)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(shí)間和溫度等信息，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)查詢并上傳MES系統(tǒng)實(shí)時(shí)反饋，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)全程可追溯。

2 鋰電池干燥真空度自動(dòng)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(jìn)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(diǎn)。在不同類型鋰電池制造過程中，水分控制都極為嚴(yán)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(biāo)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(dòng)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(jìn)行全自動(dòng)控制，實(shí)時(shí)監(jiān)測，無需人工干預(yù)，只需設(shè)定好合格的工藝參數(shù)，等待一定時(shí)間即可自動(dòng)出結(jié)果，真空度自動(dòng)檢測不合格會發(fā)出報(bào)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(yù)防了人工判斷導(dǎo)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(zhǔn)確度。壓力檢測模塊集成I/O單元，可以獨(dú)立控制電磁閥、真空泵、接收傳感器信號，脫離PLC后能獨(dú)立運(yùn)行。另外，該壓力檢測模塊可以自動(dòng)適應(yīng)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(yù)先設(shè)計(jì)好的判斷程序，對真空超時(shí)、抽真空失敗進(jìn)行報(bào)警判斷，結(jié)果在HMI及上位機(jī)顯示報(bào)警信息。HMI畫面設(shè)計(jì)有動(dòng)畫，實(shí)時(shí)顯示設(shè)備運(yùn)行狀況、每個(gè)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(dòng)控制單元實(shí)現(xiàn)干燥設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)設(shè)備特定參數(shù)的自動(dòng)收集和質(zhì)量判定，并在檢測過程中實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)開啟和關(guān)閉、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)時(shí)真空數(shù)據(jù)值，I/O模塊實(shí)現(xiàn)氣閥的打開和關(guān)閉，多路設(shè)備并行采集和控制。

3 鋰電池干燥多工位電阻自動(dòng)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(dòng)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?，F(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(jìn)行測量并實(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)的具體測試要求[10，11]。該技術(shù)的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)多工位電阻檢測過程的全自動(dòng)控制，無需人工干預(yù)，只需設(shè)置好合格的發(fā)熱板電阻值。整個(gè)過程檢測時(shí)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(zhǔn)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(dòng)測試控制技術(shù)的應(yīng)用徹底改變了傳統(tǒng)的人工溫度采集，可以直接通過以太網(wǎng)連接到上位機(jī)，并入大數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，實(shí)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(bào)警、超溫報(bào)警、超高溫報(bào)警、同夾具溫差報(bào)警和通信異常報(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，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(dòng)干燥線智能調(diào)度系統(tǒng)具有多柔性模組、多線程、可擴(kuò)展、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)追溯、閉環(huán)控制和界面可視化等特點(diǎn)，采用標(biāo)準(zhǔn)化、高可靠性和安全性設(shè)計(jì)，如圖5所示。該智能調(diào)度系統(tǒng)整線通過上位機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度，每一個(gè)系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)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(dá)到控制電芯極片含水量的目的。同時(shí)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)本機(jī)控制、與鋰電池全自動(dòng)干燥線上位機(jī)通信等功能，在其中一塊發(fā)熱板故障時(shí)，電氣控制系統(tǒng)可以通過巡檢檢測出來，并對相應(yīng)電池進(jìn)行標(biāo)記，對相應(yīng)電池進(jìn)行回爐處理，而不需要對整組電池回爐，大大提高了容錯(cuò)率。

6.1 接觸式加熱夾具

夾具采用一體式加熱板設(shè)計(jì)，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(shí)間≤20min，帶電池室溫升至100℃的時(shí)間≤90min，溫度設(shè)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(diǎn)。控制系統(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(hù)功能，每片發(fā)熱板實(shí)時(shí)在線巡檢，超過設(shè)定溫度時(shí)自動(dòng)斷開加熱，同時(shí)具有低溫報(bào)警功能，低于設(shè)定值10℃（可設(shè)定）時(shí)會自動(dòng)進(jìn)行聲光報(bào)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?shí)時(shí)控制，整個(gè)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(shí)際溫度偏差≤±3℃。實(shí)時(shí)對夾具中每塊發(fā)熱板溫度進(jìn)行巡檢，當(dāng)控溫使用的感溫線受到干擾或故障時(shí)，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)具有超溫保護(hù)功能，每片發(fā)熱板獨(dú)立溫控且實(shí)時(shí)在線巡檢，超過設(shè)定溫度時(shí)自動(dòng)斷開加熱，同時(shí)具有低溫報(bào)警功能，低于設(shè)定值10℃時(shí)會自動(dòng)進(jìn)行聲光報(bào)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(jìn)行判定，同時(shí)控制繼電器吸合達(dá)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(fù)責(zé)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(yùn)動(dòng)仿真的鋰電池自動(dòng)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(dòng)化干燥工藝標(biāo)準(zhǔn)化模型，采集、傳輸和使用包括各個(gè)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(shí)時(shí)采集的信息，研究鋰電池干燥質(zhì)量預(yù)估、預(yù)警、溯源方法，實(shí)現(xiàn)每個(gè)鋰電池干燥過程的可監(jiān)控、可溯源、可及時(shí)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(dòng)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(qiáng)，創(chuàng)新性突出，整個(gè)干燥過程可實(shí)現(xiàn)無人化控制。

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