摘 要：市場上的鋰電池預(yù)隧道熱爐主要有熱風(fēng)循環(huán)式與接觸式兩種，運行較為穩(wěn)定，可以實現(xiàn)全自動化操作，不但節(jié)省了占地空間面積、運行費用，而且生產(chǎn)效率、使用壽命大幅提高。本文主要從鋰電池預(yù)熱隧道爐控制系統(tǒng)設(shè)計及其應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)方面進行簡要探討。

關(guān)鍵詞：鋰電池;預(yù)熱隧道爐控制系統(tǒng);新能源

中圖分類號：TM912文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）25-0114-03

Abstract： At present， there are two main types of lithium battery pre tunnel furnace： hot air circulation type and contact type. The operation is relatively stable and can realize full automatic operation. It not only saves space and operating costs， but also greatly improves production efficiency and service life. This paper briefly discussed the key technologies of the control system design and application of lithium battery preheating tunnel furnace.

Keywords： lithium batteries;control system of preheating tunnel furnace;new energy

1 研究背景

當前，中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)正在高速增長，作為其核心部件的動力電池，需求缺口也進一步擴大，于是大量資本涌入動力電池行業(yè)。據(jù)不完全統(tǒng)計，僅2019年上半年，就有54家動力電池上中下游上市公司發(fā)布了投資擴產(chǎn)計劃，投資總額近1 160億元[1]。從市場與產(chǎn)品的思路來看，國內(nèi)新能源領(lǐng)軍企業(yè)具備以下三大特點。一是堅定全球化戰(zhàn)略視野，瞄準全球化動力電池擴產(chǎn)新周期。頭部國內(nèi)企業(yè)已經(jīng)篤定國際化戰(zhàn)略，并取得了一定的先發(fā)優(yōu)勢，或已進入國際車企/電池企業(yè)的供應(yīng)鏈體系，或緊跟國際頭部企業(yè)步伐邁向海外市場。二是筑建差異化市場“護城河”。在產(chǎn)品思路上，每家的產(chǎn)品方案均有自身的差異化優(yōu)勢。三是圍繞技術(shù)革新、降本提質(zhì)的領(lǐng)先產(chǎn)品方案。目前，國產(chǎn)新能源企業(yè)介入國際的一大突破口在于對產(chǎn)品升級、供應(yīng)鏈整合、工藝革新及新項目合作開發(fā)、新工藝測試等環(huán)節(jié)。隨著國家新能源汽車補貼政策的落實，投資計劃和新增計劃的實施即將開始，在動力電池行業(yè)投資高峰期，我們要注重提升動力電池的各項性能，尤其是高安全性及長續(xù)航里程。動力電池的這些核心技術(shù)指標都指向一致性，聚焦電池一致性必將為巨額投資保駕護航。綜合來看，全球動力電池產(chǎn)能新基建趨勢下，中國鋰電裝備將在供應(yīng)鏈體系中扮演著重要角色，成為全球化的中堅力量。

但是，電池一致性的問題一直困擾著國內(nèi)外從事電動車研發(fā)的相關(guān)企業(yè)。在中國，由于整個產(chǎn)業(yè)鏈受到發(fā)展水平的制約，使得原材料品質(zhì)的一致性、制造裝備水平以及電池的綜合指標等方面與國外存在一定差距。這些都影響了國產(chǎn)動力電池一致性的提升。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智能裝備，從生產(chǎn)環(huán)節(jié)上進行控制，保證電池在每個制造節(jié)點上的一致性[2];另一方面，動力電池在干燥階段預(yù)熱工序水平的提高，有助于智能化裝備保障電芯及材料的一致性。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“多機參數(shù)+人工操作+不同批次+二次污染”，而采用鋰電池全自動預(yù)熱隧道爐的特點是“同一參數(shù)+智能化控制+無人工+短時間”[3]。

目前，對于鋰電池裸電芯預(yù)熱一般采用熱風(fēng)循環(huán)式或者接觸式預(yù)熱隧道爐進行加熱[4-5]。采用這兩種方式進行預(yù)熱，溫度容易控制，且電芯為連續(xù)進料，經(jīng)過隧道式預(yù)熱爐不同溫度段后，設(shè)定相應(yīng)的時間，以便達到相應(yīng)的預(yù)熱效果。這種溫度可以維持恒定，可以實現(xiàn)鋰電池裸電芯的一致性、可塑性，采用鋰電池預(yù)熱隧道爐將電芯加熱到一定溫度，整形后送入烘烤，可減小50%的烘烤時間，提高了生產(chǎn)效率，減少了一半的熱壓設(shè)備成本，節(jié)約了熱壓成本與廠房占地面積。預(yù)熱隧道爐高效過濾裝置對電芯粉層進行及時處理，可以過濾電芯雜質(zhì)，提高電芯質(zhì)量;采用多模塊多點溫控檢測設(shè)計，解決了預(yù)熱隧道爐內(nèi)溫度的均勻性問題，大幅提高鋰電池批量生產(chǎn)質(zhì)量的一致性。在相同產(chǎn)能條件下，鋰電池預(yù)熱隧道爐可以節(jié)省運營費用90%以上，此外，為了保證強度，采用的電芯鏈板的承載板一般為雙層結(jié)構(gòu)，保證了傳輸過程的平穩(wěn)性。所以，智能化鋰電池預(yù)熱隧道爐的優(yōu)勢十分突出：一是全面提升電池性能和一致性，提升產(chǎn)品品質(zhì);二是實現(xiàn)自動化大規(guī)模生產(chǎn)，提升產(chǎn)能;三是大幅度降低能耗，凸顯成本優(yōu)勢。

2 鋰電池預(yù)熱隧道爐多模塊自動控制技術(shù)

鋰電池預(yù)熱隧道爐主要由自動上料模塊、烘烤模塊、輸送治具模塊、除塵模塊、上位機控制模塊等組成。上料模塊采用自動夾取技術(shù)夾取物料，進行智能化上料后，電芯在恒溫烤爐內(nèi)的輸送線上步進式移動[6]，輸送治具模塊與自動上料裝置連接，自動上料裝置將電芯放置在輸送平臺上，電芯通過輸送平臺輸送到預(yù)熱裝置內(nèi)經(jīng)過烘烤后輸出;輸送平臺依次穿過若干預(yù)熱風(fēng)箱并伸出，每個預(yù)熱風(fēng)箱內(nèi)輸送平臺上方設(shè)有過濾裝置，輸送平臺下方設(shè)有鏤空均風(fēng)板，其與預(yù)熱風(fēng)箱底壁之間形成回風(fēng)室，回風(fēng)室出口與風(fēng)機的進風(fēng)口連通，風(fēng)機的出風(fēng)口上方設(shè)有加熱裝置。整個預(yù)熱過程由閉環(huán)控溫系統(tǒng)進行智能監(jiān)測及控制，預(yù)熱完成后進行智能化下料;整個過程采用高效過濾系統(tǒng)除塵裝置能有效處理電芯粉層，增強除塵效果，保證電芯的潔凈度[7]。

使用該多模塊自動控制技術(shù)，設(shè)備預(yù)熱溫度可調(diào)節(jié)范圍RT～150 ℃，調(diào)節(jié)精度1 ℃，控溫精度±2 ℃，設(shè)備烘烤溫度均勻性±2 ℃，節(jié)省了成本、占地空間，同時能縮短熱壓整形工序時間，提高產(chǎn)品良率，單機一次良率達100%。整個預(yù)熱過程實現(xiàn)數(shù)據(jù)全程追溯，實現(xiàn)單電芯與設(shè)備及其參數(shù)的綁定，全程監(jiān)控并追溯數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)預(yù)熱工序?qū)崿F(xiàn)全程無人化，預(yù)熱隧道爐控制系統(tǒng)負責(zé)建立數(shù)據(jù)庫、存儲電芯追溯碼、條碼、預(yù)熱爐號、預(yù)熱層放置位、時間、溫度等信息，實現(xiàn)整個預(yù)熱過程的數(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。

3 鋰電池智能裝備的水平移載式技術(shù)

傳統(tǒng)鋰電池裸電芯接觸式預(yù)熱流程主要為靠提升機構(gòu)將發(fā)熱板提起—上下料模組取放電芯—發(fā)熱板疊起加熱，以達到預(yù)熱電芯的目的。然而，在提升最底部的一塊發(fā)熱板時，需要附帶提起上面的所有發(fā)熱板，導(dǎo)致底部發(fā)熱板受力較大、底部發(fā)熱板變形及提升時導(dǎo)桿之間的阻力變大，易引發(fā)故障，一旦發(fā)熱板組的傳動機構(gòu)出現(xiàn)故障，將會導(dǎo)致其他發(fā)熱板不能將內(nèi)部烘烤好的電芯輸出。

為了解決該問題，經(jīng)過深入研究，提供一種可水平移載式發(fā)熱板及包含其的預(yù)熱爐?？伤揭戚d式發(fā)熱板主要由底部發(fā)熱板、垂直固定于底部發(fā)熱板前后兩側(cè)的保溫板、垂直固定于底部發(fā)熱板左右兩側(cè)的固定板等組成。底部發(fā)熱板上表面設(shè)置數(shù)個電池放置工位，固定板的外側(cè)固定有撥動塊及發(fā)熱板導(dǎo)向組件。發(fā)熱板導(dǎo)向組件包括固定于固定板側(cè)部的滑塊以及與滑塊滑動連接的線軌。此外，預(yù)熱爐還包括爐體框架以及電池上料工位、電池加熱工位和電池下料工位。爐體框架上設(shè)有數(shù)層用于承載每塊可水平移載式發(fā)熱板的支撐隔條，線軌固定于支撐隔條上，線軌的長度覆蓋電池上料工位、電池加熱工位以及電池下料工位，每個電池放置工位由相對設(shè)置的兩個導(dǎo)向限位塊及位于導(dǎo)向限位塊兩側(cè)的氣爪避空位組成，通過驅(qū)動可水平移載式發(fā)熱板在電池上料工位、電池加熱工位以及電池下料工位之間轉(zhuǎn)換的移動裝置，兩個導(dǎo)向限位塊的上端部為相向設(shè)置的斜劈以形成V型導(dǎo)向。應(yīng)用鋰電池智能裝備的水平移載式技術(shù)可以實現(xiàn)在電池上下料時，由移動裝置將發(fā)熱板水平推出到電池上料工位、電池下料工位即可，不需要承載發(fā)熱板組結(jié)合的重力，減少了發(fā)熱板豎直方向的受力，減少了發(fā)熱板變形的風(fēng)險，即使發(fā)熱板組的傳動機構(gòu)出現(xiàn)故障，其他發(fā)熱板也可以將內(nèi)部烘烤好的電芯輸出，從而提升設(shè)備的可靠性，相對于提升機構(gòu)更加可靠簡單，易于維護。

4 鋰電池預(yù)熱隧道爐多路溫度采集控制技術(shù)及多工位電阻自動測試控制技術(shù)

4.1 多路溫度采集控制技術(shù)

鋰電池智能裝備的多路溫度采集控制系統(tǒng)主要由高精密測試探針、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。該自動測試控制技術(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，并入大數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，實現(xiàn)鋰電池干燥過程的無人化生產(chǎn)管理。PLC內(nèi)部編寫低溫報警、超溫報警、超高溫報警、溫差報警、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[8]，確保產(chǎn)品的一致性。

4.2 多工位電阻自動測試技術(shù)

接觸式預(yù)熱隧道爐采用多工位電阻自動測試控制系統(tǒng)，主要由高精密測試探針、電阻檢測模塊、PLC和開關(guān)電源系統(tǒng)組成。傳統(tǒng)的檢測工藝為采用高精度萬用表，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(fù)雜產(chǎn)品批量生產(chǎn)時的具體測試要求[5]。該技術(shù)的應(yīng)用可以實現(xiàn)多工位電阻檢測過程的全自動控制，無須人工干預(yù)，只需設(shè)置好合格的發(fā)熱板電阻值即可。整個過程檢測時間只需1 s，檢測速度極快，并且大大降低了人工檢測維修成本，杜絕了人工判斷誤操作，有效提高了多工位電阻檢測結(jié)果的準確度。

5 預(yù)熱隧道爐自動檢測技術(shù)

通過上位機操作程序?qū)涌蛻糗囬g信息管理系統(tǒng)（MES），實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)信息的實時采集、制造過程中工藝參數(shù)的收集和保存及系統(tǒng)登錄權(quán)限的控制。該上位機軟件克服了PLC對TCP應(yīng)用層開發(fā)的限制，基于Ethernet網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)靈活布線，并將設(shè)備信息和數(shù)據(jù)直觀顯示到應(yīng)用程序界面。同時，軟件將采集到的數(shù)據(jù)間隔保存，并提供條件查詢及數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能。

本系統(tǒng)采用上位機—中位機—下位機的架構(gòu)，中位機與下位機均使用歐姆龍PLC，上位機與中位機采用歐姆龍自定義Fins協(xié)議進行通信。對關(guān)鍵參數(shù)可自定義保存間隔，存儲于本地電腦以供歷史查詢;對工作過程中出現(xiàn)的斷網(wǎng)等異常，提供自動重連功能;提供連接外部信息管理系統(tǒng)（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;提供按小時統(tǒng)計的產(chǎn)能統(tǒng)計顯示功能;界面操作簡單，直觀易用;準確的運行日志存儲，便于后續(xù)設(shè)備調(diào)試和異常處理。上位機間隔0.2 s進行PLC數(shù)據(jù)采集，并將采集結(jié)果解析后顯示到程序主界面上。連接MES測試要嚴格按照工序進行，電池掃碼后，上位機記錄電池進入預(yù)熱工序，電池在正常下料后，才將數(shù)據(jù)上傳至MES過站，期間實時采集PLC內(nèi)部存儲器數(shù)據(jù)，不能人為改變電池上下料次序和數(shù)量，直觀顯示設(shè)備狀態(tài)變化及實時數(shù)值。

6 結(jié)語

在信息技術(shù)逐漸滲入鋰電設(shè)備行業(yè)領(lǐng)域的今天，實現(xiàn)軟硬件結(jié)合，加強對信息技術(shù)的研發(fā)，深入對技術(shù)工藝流程和信息化、智能化的需求調(diào)研，研究鋰電池自動化預(yù)熱工藝標準化模型，集成多個技術(shù)研究成果，用于研制鋰電池智能化預(yù)熱工藝及裝備，可以加快實現(xiàn)鋰電池預(yù)熱隧道爐的產(chǎn)業(yè)化，而提高信息技術(shù)水平，是確保鋰電池智能裝備精確控制及健康運行的關(guān)鍵。從其他角度講，依托現(xiàn)代化信息技術(shù)，充分保證鋰電池預(yù)熱隧道爐智能化穩(wěn)定運行與精確控制，需要科研技術(shù)人員不斷創(chuàng)新，提高軟硬件結(jié)合能力的技術(shù)水平。

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