高士浩，曹云翔，王明睿，劉振國(guó)，蘇 贊

（1.北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，北京 100120；2.北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

近年來，由于國(guó)家政策對(duì)新能源行業(yè)的導(dǎo)向與支持，新能源汽車工業(yè)發(fā)展迅速，作為新能源汽車的核心部件，動(dòng)力鋰電池的續(xù)航能力已經(jīng)得到了很大的提升，動(dòng)力鋰電池的能量密度顯著提高。隨之而來的安全問題越發(fā)突出，電動(dòng)汽車自燃事故頻發(fā)，其安全性與可靠性成了阻礙行業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要因素。在此背景下，各電池生產(chǎn)廠商都在根據(jù)自身產(chǎn)品的特點(diǎn)，不斷開發(fā)新產(chǎn)品、新工藝，進(jìn)而提高其安全性與可靠性。動(dòng)力電池模組灌膠工藝作為軟包電池成組的一項(xiàng)新工藝，可以大幅提高動(dòng)力電池及整車工作的穩(wěn)定性和可靠性[1]。模組灌膠作為一道提升動(dòng)力電池安全性的關(guān)鍵工序，深入探索研究該工序的關(guān)鍵工藝和設(shè)備，對(duì)于提升鋰電池模組的安全性和可靠性，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)安全性，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 模組灌膠機(jī)的組成及工作原理

模組灌膠機(jī)系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)、灌膠系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)等組成[2]?？刂葡到y(tǒng)負(fù)責(zé)整個(gè)灌膠專機(jī)的運(yùn)行工作，調(diào)配各項(xiàng)步驟的穩(wěn)定運(yùn)行；加熱系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)膠水在膠罐中的恒溫加熱；攪拌系統(tǒng)的作用是為了讓膠水在加熱過程中受熱均勻并及時(shí)的排除氣泡，配合抽真空設(shè)備，使膠桶處于一個(gè)真空狀態(tài)，保證膠的質(zhì)量不受污染；報(bào)警系統(tǒng)的作用是對(duì)灌膠專機(jī)的安全運(yùn)行提供監(jiān)視，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)問題時(shí)，及時(shí)的停止設(shè)備運(yùn)行并在顯示屏上報(bào)錯(cuò)。灌膠機(jī)的基本工作流程如圖1所示。

圖1 基本工作流程

2 模組灌膠機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的基本原理是采用PLC作為邏輯跟狀態(tài)控制的核心，配合DSP的高運(yùn)算精度、高速數(shù)據(jù)處理能力的特點(diǎn)構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)的控制平臺(tái)，控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)控制圖

PLC以其高可靠性、體積小、抗干擾能力強(qiáng)的有點(diǎn)，大規(guī)模的應(yīng)用在自動(dòng)化行業(yè)。本設(shè)計(jì)PLC主要完成對(duì)灌膠機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制以及安全監(jiān)視作用，通過與DSP系統(tǒng)的通信，驅(qū)動(dòng)螺桿泵及攪拌器的工作。

DSP因其具有實(shí)時(shí)快速的信號(hào)處理能力，作為下層控制器，主要完成的是利用其實(shí)時(shí)性、單指令運(yùn)算的能力進(jìn)行信息的采集并進(jìn)行算法的運(yùn)算，將采集到的加熱溫度、膠水的溫度等數(shù)據(jù)迅速的處理，實(shí)時(shí)的傳給PLC，并通過運(yùn)算出膠量的多少，控制活塞泵來進(jìn)行出膠。

動(dòng)力電池模組灌膠過程中，因?yàn)槟z水的固化溫度曲線、出膠量、灌膠速度等因素的影響，容易造成動(dòng)力電池模組灌膠參數(shù)的不一致，存在安全隱患。同時(shí)，灌膠速度也影響了動(dòng)力電池模組的生產(chǎn)效率。因此采用的是高精密螺桿泵和雙向活塞泵相結(jié)合的方式，先利用DPS控制活塞泵，通過控制活塞行程來對(duì)膠水進(jìn)行擠壓供膠，改變了膠水在缸里的容積，從而完成第一步膠水供料?；钊谐痰墓饺缡?1)所示：

L：活塞行程；G：膠水重量；S：活塞面積；ρ：一定溫度下膠水密度

為了滿足膠水在不同溫度下進(jìn)行灌膠工藝的要求，相同膠水在不同溫度下的密度是不同的，相應(yīng)的行程公式也要有所不同，優(yōu)化后的具體公式如式(2)所示：

α：膠水的溫度系數(shù)ρ：常溫（25℃）膠水密度

活塞運(yùn)動(dòng)速度：

式中的 α0、α1、α2為常數(shù)。

由活塞運(yùn)動(dòng)公式得活塞的行程公式，如式(4)所示：

轉(zhuǎn)換式(4)得出活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)間t與設(shè)定的單位出膠量公式關(guān)系如式(5)所示：

通過以上公式間的轉(zhuǎn)換，得出單位出膠量與活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)間t的立方成函數(shù)關(guān)系。通過控制活塞的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，就能通過一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算公式精準(zhǔn)的達(dá)到控制單位出膠量，這些運(yùn)算過程經(jīng)過DSP實(shí)時(shí)快速的處理，準(zhǔn)確的驅(qū)動(dòng)活塞泵運(yùn)行，使出膠的精度穩(wěn)定在±1%。

DPS完成第一步的供膠工藝后，膠水儲(chǔ)存在膠頭上方的儲(chǔ)存計(jì)量缸內(nèi)，PLC通過控制兩個(gè)伺服電機(jī)來驅(qū)動(dòng)螺桿泵進(jìn)行最終的灌膠工藝，實(shí)現(xiàn)AB兩組分膠按一定比例出膠，經(jīng)過靜態(tài)混合器混合后實(shí)現(xiàn)灌膠工藝。再次利用螺桿泵的回轉(zhuǎn)式容積泵解決灌膠量的精度問題，保證出膠量、灌膠時(shí)間的精度控制，解決了灌膠設(shè)備的外界影響因素，保證了動(dòng)力電池模組的參數(shù)一致性和可靠性。

3 灌膠路徑插補(bǔ)法分析

本設(shè)計(jì)的灌膠路徑是在X-Y平面上的二維工作平臺(tái)，用兩套伺服機(jī)構(gòu)來驅(qū)動(dòng)膠頭的運(yùn)動(dòng)。基本的路徑分為直線、斜直線、圓弧[3]。以直線為灌膠路徑的時(shí)候，相當(dāng)于是單軸運(yùn)動(dòng)，不存在路徑偏差。當(dāng)路徑為斜線或者圓弧時(shí)，膠槍實(shí)際的運(yùn)行軌跡跟預(yù)定的軌跡是存在偏差的，因此需要通過插補(bǔ)算法來優(yōu)化軌跡。插補(bǔ)算法的本質(zhì)是一種數(shù)據(jù)密化分析，通過已知點(diǎn)的路徑坐標(biāo)，通過算法公式計(jì)算，得出未知點(diǎn)的路徑坐標(biāo)，達(dá)到還原預(yù)設(shè)路徑的目的[4]。

對(duì)于斜直線，我們通過頻率分解法進(jìn)行插補(bǔ)。頻率分解法是將合成頻率分解為X-Y軸方向上的脈沖頻率，進(jìn)而轉(zhuǎn)為兩軸方向的伺服系統(tǒng)通過執(zhí)行PLC發(fā)出的脈沖指令。原理圖如圖3所示。

圖3 頻率分解法原理圖

Ps、Pe為起始點(diǎn)跟終點(diǎn)；f為合成頻率；fx為X軸方向頻率分量；fy為Y軸方向頻率分量；α為運(yùn)動(dòng)方向與X軸的夾角。

采用相對(duì)坐標(biāo)系的方法將Ps定義為坐標(biāo)原點(diǎn)，根據(jù)三角定律得式(6)：

由此的X、Y軸所需要的頻率為：

4 模組工裝板的設(shè)計(jì)

模組灌膠專機(jī)將膠水涂到工裝板上，隨后人通過吊裝機(jī)構(gòu)將模組放入工裝板中，從而達(dá)到模組底面灌膠的目的。

工裝板的設(shè)計(jì)首先要考慮選材問題，模組灌膠后，為保證灌膠面的平整度，要求工裝底部足夠平整光滑；同時(shí)，模組底部四周被固化的膠完全包裹，自動(dòng)脫模時(shí)只能從底部頂兩端的鋁端板，可利用的操作面有限，對(duì)灌膠工裝的設(shè)計(jì)和選材以及脫模機(jī)構(gòu)提出了極高的要求。

為保證灌膠面光滑便于脫模，在選材上擬考慮不粘膠材料（聚四氟乙烯），但是由于聚四氟乙烯價(jià)格昂貴且質(zhì)地較軟，所以在設(shè)計(jì)上要區(qū)別于手工灌膠工裝全部采用聚四氟乙烯材料，而是采用主體受力部分為碳鋼材質(zhì)，與膠水接觸的部分采用聚四氟乙烯材質(zhì)，這樣既保證了工裝足夠的強(qiáng)度和剛度又保證了對(duì)工裝不粘膠的要求。

由于灌膠工裝底部和灌膠后的模組面極其光滑，頂升脫模時(shí)極易形成真空吸附現(xiàn)象，要求在脫模機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮先破壞真空再最終脫模，因此在工裝板設(shè)計(jì)時(shí)要設(shè)計(jì)四個(gè)頂柱，并采用“兩高兩低”的設(shè)計(jì)，先頂起一端破壞真空后另一端再延時(shí)頂出。其結(jié)構(gòu)模型圖如圖4所示。

圖4 模組工裝板結(jié)構(gòu)圖

5 模組固化立體庫設(shè)計(jì)研究

完成灌膠工藝后的模組需要進(jìn)行固化處理，灌膠后靜置在倉庫地面，占用空間較大，工作效率不高的方式在現(xiàn)代化工廠已經(jīng)不適用。目前，可編程控制、伺服驅(qū)動(dòng)、光纖測(cè)溫、防火阻燃、調(diào)度系統(tǒng)軟件技術(shù)發(fā)展日趨成熟，能夠滿足市場(chǎng)上對(duì)建立一套模組智能倉儲(chǔ)系統(tǒng)的需求。具體的三維結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 模組固化庫

該立體存儲(chǔ)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了模組灌膠后入庫靜置固化，固化庫由2個(gè)巷道4排貨架組成，每排貨架5層16列，共計(jì)300個(gè)貨位，同時(shí)能根據(jù)工廠級(jí)MES的指令或訂單，按照先入先出的原則自動(dòng)調(diào)出相應(yīng)庫位的模組用?？刂葡到y(tǒng)原理如圖6所示。

圖6 固化庫控制系統(tǒng)圖

堆垛機(jī)具有模塊化結(jié)構(gòu)、自動(dòng)修正、定位精準(zhǔn)、作業(yè)種類多等特點(diǎn)。堆垛機(jī)在固化庫中負(fù)責(zé)模組搬運(yùn)功能。堆垛機(jī)在水平方向跟垂直方向的認(rèn)址方式用BPS條碼帶定位認(rèn)址，貨叉則采用脈沖編碼器認(rèn)址。巷道堆垛機(jī)在高層貨架的巷道內(nèi)按 X、Y、Z 三個(gè)坐標(biāo)方向運(yùn)行，將位于巷道口輸送車上的貨物存入貨格，并將達(dá)到設(shè)定固化時(shí)間的模組搬運(yùn)出去。立庫堆垛機(jī)采用雙伸雙貨叉，每次可取一盤模組，，堆垛機(jī)上安裝有紅外攝像頭，可實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)堆垛機(jī)和巷道的情況。具體結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

圖7 堆垛機(jī)示意圖

PLC主要完成巷道堆垛機(jī)系統(tǒng)、輸送機(jī)設(shè)備等設(shè)備的控制任務(wù)。對(duì)上與各個(gè)物流系統(tǒng)的調(diào)度計(jì)算機(jī)聯(lián)接，接收物料的輸送指令；對(duì)下控制各個(gè)輸送設(shè)備，實(shí)現(xiàn)底層輸送設(shè)備的驅(qū)動(dòng)、輸送物料的檢測(cè)與識(shí)別，完成物料輸送的過程控制和信息的傳遞[5]。

6 結(jié)語

本設(shè)計(jì)是根據(jù)北自所實(shí)際項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行研究設(shè)計(jì)出來的一套模塊化、集成度高、安全可靠的動(dòng)力電池模組灌膠系統(tǒng)，并且在實(shí)際應(yīng)用中證明了他的可行性。合理有效的解決了新能源電池模組灌膠工藝中所涉及到的問題，大大提高了灌膠工藝的效率，并且有效的降低了人工成本。這套灌膠系統(tǒng)的研發(fā)相信會(huì)得到很好的應(yīng)用與推廣。