黃 晨，李柳芽

(中國電子科技集團公司第四十三研究所，安徽合肥230088)

磷酸鐵鋰是一種新型鋰離子電池電極材料。目前全球已經(jīng)有很多廠家開始了工業(yè)化生產(chǎn)，如美國的Valence（威能）公司和A123（高博），加拿大的Phostech，國內天津斯特蘭，北大先行，BYD等。磷酸鐵鋰電池特點是放電容量大，價格低廉，無毒性，不造成環(huán)境污染。磷酸鐵鋰電池應用領域廣泛，終端產(chǎn)品如電動工具、UPS電源、礦燈、玩具、電動自行車、電動汽車等都是關系民生的消費量很大的產(chǎn)品，此外在軍事和航天領域也是一種最佳的動力電池。但是磷酸鐵鋰材料研發(fā)和生產(chǎn)有著較高的技術含量，進入這個領域有一定的門檻，工業(yè)化生產(chǎn)不僅要掌握材料配方，而且要求掌握成熟的工藝。氮氣保護推板爐是磷酸鐵鋰生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的重要設備，窯爐的一些重要指標如：爐膛溫度控制精度、爐膛均勻度、爐膛氣氛控制直接影響磷酸鐵鋰的電性能。

1 氮氣推板爐結構

1.1 機械結構

采用全新液壓推進機構的氮氣保護推板爐主要由置換氣室、爐膛溫區(qū)、回推滾道、液壓推進系統(tǒng)、密封裝置、氣氛管路、水路、電氣控制柜組成。整個設備控制系統(tǒng)為自動運行，只需把需燒結的磷酸鐵鋰粉料置于滾道上，設備自動將粉料送進氣室置換，置換完畢后送進爐膛進行氣氛保護燒結，最后在計量好的工藝時間內自動把燒成的粉料送出爐膛，且出爐的粉料溫度在50℃以下，保證粉料出爐后不被空氣氧化。

1.2 控制系統(tǒng)

窯爐的控制系統(tǒng)由溫度控制系統(tǒng)，液壓控制系統(tǒng)，爐膛氣氛控制系統(tǒng)和計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)四大部分組成（見圖1）。

圖1 推板爐控制系統(tǒng)結構

1.2.1 溫度控制系統(tǒng)

主要由若干個溫區(qū)組成。每個溫區(qū)都是由單獨的溫控儀控制，溫控儀把采集的熱電偶信號通過放大轉換后，與設定值比較，通過PID計算，控制輸出率大小來調節(jié)加熱功率大小，從而達到控溫的目的。PID實際是一個放大系數(shù)可自動調節(jié)的放大器，動態(tài)時，為了防止系統(tǒng)出現(xiàn)超調與振蕩，所以放大系數(shù)較低。靜態(tài)時，放大系數(shù)較高，可以蒱捉到小誤差信號，提高控制精度。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統(tǒng)控制器的結構和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制(見圖2所示)。

圖2 PID反饋控制原理

1.2.2 窯爐動作控制

動作系統(tǒng)主要由液壓站、油泵、若干個油路和電磁閥組成。油缸推進的時候，PLC控制電磁閥打開，油泵進油從而推動油缸運動，到達位置后，位置傳感器把到位信號給PLC，PLC檢測到位信號后，控制電磁閥關閉。通過位置傳感器把檢測信號送入PLC，PLC按設定程序讓各個油缸穩(wěn)定有步驟的運行。圖3為油缸循環(huán)自動推進動示意圖。箭頭方向為動作運行方向。

圖3 油缸循環(huán)自動推進動作示意圖

1.2.3 氣氛控制系統(tǒng)

主要由若干個氣路和若干電磁閥組成。爐膛內始終是氮氣置換，這樣可以保證爐膛壓力高于外界大氣壓，外界空氣不能進入。對于置換氣室，當氧含量傳感器檢測到氧含量超標時，給出信號送入PLC，PLC控制電磁閥開啟，充入氮氣直到氧含量達標，達標后自動關閉充氣閥門。當充入氮氣過多導致壓力超標時，排氣電磁閥自動開啟釋放壓力。

1.2.4 計算機數(shù)據(jù)采集體統(tǒng)

主要有工控機和窯爐監(jiān)控軟件組成。計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用集散控制系統(tǒng)，上位機和下位機通過RS485進行通訊，上位機采用工業(yè)計算機，下位機包括溫控儀、PLC、變頻器等。計算機監(jiān)控軟件采用VB編寫，界面友好，可以設置溫度參數(shù)，顯示和存儲實時工藝參數(shù)、溫度數(shù)據(jù)、報警狀態(tài)，記錄氧含量等功能(見圖4所示)。

圖4 監(jiān)控軟件主界面

2 氮氣保護推板爐應用

全自動氮氣保護推板爐是針對磷酸鐵鋰的生產(chǎn)特性，專門開發(fā)的新型設備。其主要特點：

（1）控溫采用先進的PID控制算法儀表，溫度控制精度高，減小了爐膛溫度的波動。

（2）爐膛氧含量控制在20×10-6以下。

（3）設備采用液壓系統(tǒng)控制推進速度，速度平滑穩(wěn)定，有效地解決了電動推桿推力過小的不足。

（4）設備在保溫過程中能耗較低，保溫功率只有滿功率的50%左右。

（5）整個推進系統(tǒng)自動運行，可以連續(xù)放料和出料，能保證產(chǎn)量。

（6）計算機全程記錄各個溫區(qū)參數(shù)、推進速度，記錄爐子運行狀態(tài)，以便查詢。

（7）窯爐生產(chǎn)時為全自動運行，檢修時候可以切換到手動運行。

目前磷酸鐵鋰材料的生產(chǎn)廠家眾多，各家廠商的材料配方工藝都有區(qū)別。在低溫預燒后，采用全自動氮氣保護推板爐在高溫燒結，這是一種方法。大部分廠家的粉料在預燒過程中會產(chǎn)生大量化學物質，甚至是帶有腐蝕性的揮發(fā)物，我們稱這些物質為膠質。若不經(jīng)過預燒直接從氮氣推板爐內排膠并燒結，這也是一種工藝方法。此方法缺點是產(chǎn)生的膠質腐蝕會縮短氮氣保護推板爐的使用壽命。膠質容易腐蝕設備上的傳感器和零部件，導致維修成本增加。順暢排出揮發(fā)物不污染環(huán)境，保證爐膛氧含量穩(wěn)定不波動是氮氣保護推板爐設計過程中一大難點。針對這一問題，在爐體的設計上這就要求合理分布溫區(qū)，合理設計煙囪位置，控制爐膛內氣體的流向，從而達到順暢排膠和保證爐膛氧含量不超標的目的。就目前國內而言，相當大部分磷酸鐵鋰通過使用全氣氛保護推板窯來實現(xiàn)制備，效果非常好。目前我公司研制的全自動氮氣保護推板爐已經(jīng)用在國內十幾個廠家的生產(chǎn)線中，有用于測試階段的，也有用于量產(chǎn)的。

3 結束語

我們相信，磷酸鐵鋰電池作為一種實用新型鋰電池，代表了電池未來的發(fā)展方向。國內的磷酸鐵鋰產(chǎn)業(yè)投資熱正在興起，其勢頭超過了其他任何國家，制造出更穩(wěn)定、更可靠、更節(jié)能、更經(jīng)濟的設備是我們的目標。氮氣推板爐制造技術的不斷發(fā)展和成熟將為磷酸鐵鋰制造業(yè)提供有力支持，同時也可大大提高我國裝備制造業(yè)的水平。

[1]陶永華，尹怡欣.新型PID控制及應用[M].北京:機械工業(yè)出版社，1998.