基于運動仿真的鋰電池干燥關鍵技術研究

陳磊

摘 要：目前，鋰電池的干燥工序大多在大氣中完成，在輸送轉移時又重新暴露在大氣環境中。水、氣、雜質的再次污染導致電池性能、技術指標低下。因此，要創造高真空、低露點、高溫度均勻度的干燥環境，使鋰電池在上、下道工序轉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與鋰電池真空干燥技術相結合，運用運動仿真實現鋰電池干燥技術升級。

關鍵詞：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，是新能源汽車產業發展的關鍵。我國近幾年加大了對新能源汽車及動力電池研發與創新的力度，幫助新能源汽車行業做好發展組織規劃，將低碳的動力鋰電池不斷深入應用到新能源汽車中，保障能源和低碳經濟安全、快速發展，未來幾年是新能源汽車和動力鋰電池研發和生產的重要時期。目前，動力鋰電池的全球產量已經突破50億只，銷售規模已經達到了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和消費國家，動力鋰電池的銷售額在2012年就已經突破了400億大關。由于近幾年共享經濟的火爆，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業發展，為貫徹落實《國務院關于印發節能與新能源汽車產業發展規劃（2012—2020年）的通知》（國發〔2012〕22號）以及《國務院辦公廳關于加快新能源汽車推廣應用的指導意見》（國辦發〔2014〕35號），加快提升我國汽車動力電池產業發展能力和水平，推動新能源汽車產業健康可持續發展，工業和信息化部組織汽車行業組織、重點高校、整車和動力電池主要生產企業開展專題研究，會同國家發展和改革委員會、科學技術部、財政部等有關部門于2017年2月20日聯合印發了《促進汽車動力電池產業發展行動方案》。方案指出：“依托重大技改升級工程、增強制造業核心競爭力重大工程包，加大對瓶頸制約環節突破、關鍵核心技術產業化等的支持，加快在正負極、隔膜、電解液、電池管理系統等領域培育若干優勢企業，促進動力電池與材料、零部件、裝備、整車等產業協同發展，推進自主可控、協調高效、適應發展目標的產業鏈體系建設。

與傳統的鉛酸蓄電池相比，鋰離子電池能量比高、比功率高、體積小、重量輕、循環壽命長，可以實現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、報廢等環節都不會產生有害物質或元素，環保特性突出。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勢[1-3]。

傳統鋰電池干燥主要靠人工進行，人工成本過高，在生產過程中，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境中進行，且無人參與，實現智能化生產，那將具有巨大優勢。

1 工業機器人運動仿真技術應用

目前，工業機器人主要由機械連桿通過各個關節連接在一起，起連接作用的關節通過伺服電機進行驅動，采用微處理器實現控制。工業機器人最主要的模塊就是機械系統，通過分析、計算、編程來完成機械系統的運動過程和特定動作。在設計過程中，機械系統主要遵循尺度規劃原則、剛度設計原則、最小轉動慣量原則、工藝性原則、高強度材料選用原則和可靠性原則。對工業機器人的運動進行仿真時，使用蒙特卡洛方法并結合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據中找到需要的結果，且采樣數據越多，正確率越高，唯一的缺點就是沒有辦法得知目前模擬的結果是不是正確的結果。

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不同的姿勢并滿足工作要求。將各個連桿的參數和各個關節的參數作為已知量，通過公式計算出機器人的姿勢，這是關于機器人的正解。相反，將這兩個變量調換位置，所得到的解即為機器人的逆解。在Matlab Robotics Toolbox中創建機器人的模型，將各個關節和各個桿件都展示出來，利用link函數實現預期目標。該方法不僅可以得到機器人的模型，還可以創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關節的角度值，得到每個關節的角度值之后，就可以確定機器人的任意姿勢和位置[4-6]。經過深入研究，筆者決定采用基于工業機器人的運動仿真技術進行鋰電池全自動干燥，在對鋰電池電芯干燥之前，由六軸機器人結合柔性模組進行智能化上料，干燥過程由閉環控溫系統進行智能監測及控制，干燥完成后由六軸機器人結合柔性模組進行智能化下料，干燥工序實現全程無人化。工業機器人應用示例如圖1所示。

控制系統負責建立數據庫，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，數據實時查詢并上傳MES系統實時反饋，實現數據全程可追溯。

2 鋰電池干燥真空度自動檢測技術研究

傳統的鋰電池干燥工藝基本都是在常壓環境下進行，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、水分蒸發速度快、干燥后電池均勻性好等優點。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，實時監測，無需人工干預，只需設定好合格的工藝參數，等待一定時間即可自動出結果，真空度自動檢測不合格會發出報警信號，如圖2所示。該系統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據誤差，提高了鋰電池智能干燥裝備密封腔體真空度檢測結果的準確度。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、循環換氣參數等信息。

該系統利用數據采集單元和自動控制單元實現干燥設備的數據采集和自動控制，實現設備特定參數的自動收集和質量判定，并在檢測過程中實現設備的自動開啟和關閉、數據的實時采集和保存，此數據可用于質量分析和品質回溯。軟件基于通用Modbus RTU工業標準開發，真空采集模塊利用公司自研數據采集板采集實時真空數據值，I/O模塊實現氣閥的打開和關閉，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研究

鋰電池智能干燥裝備多工位電阻自動測試控制系統主要由專用夾具底座、高精密測試探針、電阻檢測模塊、PLC和開關電源系統組成，如圖3所示?，F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，不能滿足復雜產品批量生產時的具體測試要求[10，11]。該技術的應用可以實現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果的準確度。

4 鋰電池干燥多路溫度采集控制技術研究

鋰電池智能干燥裝備的多路溫度采集控制系統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、PLC模塊、高靈敏觸摸屏和開關電源系統組成，采用最新的閉環控制，如圖4所示。該自動測試控制技術的應用徹底改變了傳統的人工溫度采集，可以直接通過以太網連接到上位機，并入大數據庫系統，實現鋰電池干燥過程的無人化生產管理。PLC內部編寫低溫報警、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，確保產品的一致性。

5 鋰電池干燥智能調度技術研究

鋰電池全自動干燥線智能調度系統具有多柔性模組、多線程、可擴展、數據實時追溯、閉環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。該智能調度系統整線通過上位機進行統一調度，每一個系統獨立運行，互不干擾，確保了整線的穩定性。

6 鋰電池干燥系統控制技術研究

如圖6所示，鋰電池干燥系統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提供真空環境，在高溫、真空狀態下，使電芯極片內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，該系統可實現本機控制、與鋰電池全自動干燥線上位機通信等功能，在其中一塊發熱板故障時，電氣控制系統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，電池與兩側發熱板單邊距離為1.5mm。經研究測試，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，發熱板之間溫度均勻性≤±3℃，單片發熱板溫度偏差≤±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。溫控系統具有超溫保護功能，每片發熱板實時在線巡檢，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

溫控系統控制方式如圖7所示。該溫控系統能夠對采集的溫度實時控制，整個夾具的發熱板溫度控制精度保持在±3℃內，夾具中每塊發熱板的采集溫度與實際溫度偏差≤±3℃。實時對夾具中每塊發熱板溫度進行巡檢，當控溫使用的感溫線受到干擾或故障時，輔助控制系統給出準確的溫度值，防止發生超溫事故。該溫控系統具有超溫保護功能，每片發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化為數字溫度信號，并輸出給溫度控制模塊，模塊中所有電氣元件如電阻、模擬開關等耐溫特性均采用工業級別85℃，部分關鍵元件如嵌入單片等耐溫特性需采用工業級別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化為數字溫度信號，并將數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架構，整體確定鋰電池智能干燥裝備的技術工藝;針對技術工藝流程和信息化、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、干燥環境等在內的各種信息;研究基于粒子群優化的干燥工藝參數優化方法，提高干燥效率和降低能耗;根據實時采集的信息，研究鋰電池干燥質量預估、預警、溯源方法，實現每個鋰電池干燥過程的可監控、可溯源、可及時處理;集中成本技術研究成果，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業化。本技術的干燥工藝簡單，原創性強，創新性突出，整個干燥過程可實現無人化控制。

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