基于Flexsim的鋰電池生產線仿真與優(yōu)化研究

葉岍　王莉　王雅儒

摘要：隨著鋰電池行業(yè)的快速發(fā)展，鋰電行業(yè)對鋰電池生產線物流、調度、效率需求發(fā)生了本質變化，鋰電池生產線系統(tǒng)亟待進一步改進。針對鋰電池生產過程中由于產品積壓、等待以及瓶頸問題等原因產生的生產平衡率過低的現(xiàn)象，從影響鋰電池生產流水線生產效率的因素入手，以鋰電池化成階段為例，利用Flexsim軟件對鋰電池化成段生產線進行模擬仿真研究。建立仿真優(yōu)化模型，在此基礎上進行模擬仿真的循環(huán)測試，將流水線瓶頸工序用時降低。

關鍵詞：鋰電池生產;自動化;Flexsim;仿真

中圖分類號：TP391.9???文獻標識碼：A

收稿日期：2020-04-16

作者簡介：王莉（1976-），女，副教授，博士，研究方向：發(fā)動機的燃燒與控制;王雅儒（1996-），男，碩士，研究方向：電氣與自動化。

1前言

隨著鋰電池技術的快速發(fā)展，鋰電市場對鋰電生產設備性能要求在不斷地提高。自動上料系統(tǒng)是將工件以準確的數量、位置和時間向生產線傳送和定位，決定設備的自動化程度和工作效率。雖目前鋰電加工中的上料仍然采用人工上料方式，這種方式效率低，成本高，無法保證上料質量，并會影響電池生產的自動化程度和生產效率[1][2]。現(xiàn)有技術中一般是從料堆中直接取料放置到傳送帶上，各工件會彼此干擾，同時沒有配備緩存裝置，如發(fā)生上料速度與生產速度不匹配時會導致電池堵塞，影響產線工作效率[3]。西南自動化研究所的杜木偉等人針對加工毛坯自動上下料過程設計了旋鍛機自動上下料裝置[4];太原理工大學的凌赟提出了一種新型的帶載車板緩存裝置的立體車庫[5];河南中煙工業(yè)有限責任公司的李勇設計了一種新型的煙包在線緩存裝置[6]。然而上述研究，所針對的并非鋰電池生產線中所存在的問題。本文選取鋰電池生產線中化成段生產流程為研究對象，通過對生產過程中的影響因素進行分析，借助Flexsim仿真軟件對鋰電池生產線進行優(yōu)化，準確的預判出鋰電池生產線生產效率，設計鋰電池自動上料緩存系統(tǒng)，最終實現(xiàn)提高生產效率的目的。

2鋰電池化成段工序分析

研究對象為18650鋰電池，電池生產化成段具體工序如下：生產出來的電池經過組盤將256個電池分為一組，電池在靜置房中靜置三天后進行預充電，充電完成的電池需要在高溫條件下進行老化，經過OCV檢測后將不合格電池取出，之后將鋰電池重新送入靜置房進行靜置與OCV檢測，最終對電池進行分容與OCV檢測，最終將電池打包送出[7]。

3基于Flexsim的18650鋰電池生產線化成段系統(tǒng)仿真

3.1?Flexsim仿真軟件簡介與優(yōu)勢

FlexSim仿真軟件是目前功能最為齊全的物流仿真軟件。Flexsim對動態(tài)的離散時間和系統(tǒng)進行三維立體建模，可對模型中每個部位進行監(jiān)控，不僅可以使用軟件自帶的實體庫，用戶還可以自行設計所需要實體，相較其他仿真軟件，F(xiàn)lexsim通用性強，成本低，模擬能力強，運算周期短。因此，應用Flexsim仿真軟件對鋰電池生產線進行仿真優(yōu)化可以有效地提高鋰電池生產效率[8]。

3.2?仿真模型布局與仿真參數設置

根據鋰電池實際生產線布局描述，該仿真模型主要分為三個區(qū)域，如圖1所示，最左側對應鋰電池OCV檢測段，模型中部分別對應化成房A、B、C，靜置房與預充房，最右側對應電池輸入電梯，其中各線體對應生產輸送帶。

在系統(tǒng)仿真中，數據輸入為：電池發(fā)生器生產間隔為0s，實體流設置為cylinder。電池加工處理器選用機械手進行加工。托盤發(fā)生器生產間隔為0s，實體流為tote。托杯合成模式選擇裝箱，托盤發(fā)生器實體到達時間為16s。托盤合成器設置輸入端口2的實體為16個。靜置房設置歷史到達次數為1、2、3、4的電池停留時間分別為3d、10d、6h與4h，化成房停留時間為3d，預充房停留時間為8min，OCV檢測數據以實驗為準。

3.3?鋰電池自動上料緩存裝置模擬仿真

圖2為鋰電池自動上料緩存裝置仿真。生產出來的電池通過機械手抓取至傳送帶上，機械手將傳送帶上的電池抓取至合成器上，合成器將電池裝入托杯中后放入緩存裝置，最后通過機械手2抓取放入裝托盤合成器中。

4仿真模型模擬運行結果與分析

模型運行結果如表1所示。托杯暫存區(qū)、緩存裝置上平均容量相同，其最大停留時間接近，而托盤暫存區(qū)平均容量高于其他工序，其原因為托盤生產速率遠大于其他工序的運行速率，最終導致托盤積壓，無法及時投入生產。

機械手1和裝托杯工序與其他工序有明顯差異，機械手1輸出速率高于其他幾個工序，機械手速率過大可能會使得其耐久度降低，因此可傳送帶和生產區(qū)間增加機械手以緩解機械手的工作強度。裝托杯合成器、機械手2、裝托盤合成器、叉車存在較高空閑時間，所以可以判斷緩存裝置，裝托盤和入貨三道工序為瓶頸環(huán)節(jié)。

5結論

在已有生產條件下，通過Flexsim仿真軟件對電池生產線化成段進行模擬仿真，根據運行結果對鋰電池生產線化成段生產情況進行預測，通過反復的循環(huán)與優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)并解決問題。設計鋰電池自動上料緩存裝置，緩解鋰電池上料壓力，提高生產效率。由于Flexsim軟件通用性高，邏輯功能強，因此可以在鋰電池生產各個階段進行適用。

參考文獻：

[1]明新建，夏琴香，劉秀娟，等.鋰電池高速自動套管機自動上料系統(tǒng)設計與仿真[J].機電工程技術，2018（11）：1-4.

[2]閻濤，胡章詠，趙寶琴.小型零件自動上料系統(tǒng)的可靠性設計[J].內燃機與配件，2018（22）：6-7.

[3]徐雪明，年雪山，范雪峰，等.自動送料裝置：CN10312-8544A[P].2013.

[4]杜木偉，龔運環(huán).旋鍛機自動上下料裝置的設計[J].機械制造，2016（03）：68-71.

[5]凌赟.帶載車板緩存裝置巷道堆垛式立體停車車庫存取策略的研究[D].太原：太原理工大學，2014.

[6]李勇.一種煙包在線緩存裝置的研究[J].中國管理信息化，2018（23）：107-108.

[7]付蕓，李付強，李彥剛，等.高效節(jié)能動力鋰電池檢測及化成系統(tǒng)[J].電源世界，2013（10）：50-52.

[8]王桂萍.基于Flexsim自動化立體倉庫的仿真研究[J].機械工程師，2020（4）：30-33.

Abstract：With the development of lithium battery industry， the demand for logistics， scheduling and efficiency of production line has changed substantially. The system of lithium battery production line needs further improvement.In view of the phenomenon that the production balance rate is too low in the production of lithium battery due to product backlog， waiting and bottleneck problems， starting with the factors affecting the efficiency of lithium battery production line， taking the lithium battery formation stage as an example， the simulation research on the lithium battery formation section is carried out by using Flexsim.The model is established， on this basis， the cycle test of simulation is carried out to reduce the bottleneck process time of pipeline.

Key?words：Lithium battery production;Automation;Flexsim;Simulation