鋰電池預熱隧道爐控制系統設計及其關鍵技術研究

摘 要：市場上的鋰電池預隧道熱爐主要有熱風循環式與接觸式兩種，運行較為穩定，可以實現全自動化操作，不但節省了占地空間面積、運行費用，而且生產效率、使用壽命大幅提高。本文主要從鋰電池預熱隧道爐控制系統設計及其應用的關鍵技術方面進行簡要探討。

關鍵詞：鋰電池;預熱隧道爐控制系統;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，中國新能源汽車產業正在高速增長，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。據不完全統計，僅2019年上半年，就有54家動力電池上中下游上市公司發布了投資擴產計劃，投資總額近1 160億元[1]。從市場與產品的思路來看，國內新能源領軍企業具備以下三大特點。一是堅定全球化戰略視野，瞄準全球化動力電池擴產新周期。頭部國內企業已經篤定國際化戰略，并取得了一定的先發優勢，或已進入國際車企/電池企業的供應鏈體系，或緊跟國際頭部企業步伐邁向海外市場。二是筑建差異化市場“護城河”。在產品思路上，每家的產品方案均有自身的差異化優勢。三是圍繞技術革新、降本提質的領先產品方案。目前，國產新能源企業介入國際的一大突破口在于對產品升級、供應鏈整合、工藝革新及新項目合作開發、新工藝測試等環節。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航里程。動力電池的這些核心技術指標都指向一致性，聚焦電池一致性必將為巨額投資保駕護航。綜合來看，全球動力電池產能新基建趨勢下，中國鋰電裝備將在供應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外從事電動車研發的相關企業。在中國，由于整個產業鏈受到發展水平的制約，使得原材料品質的一致性、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，從生產環節上進行控制，保證電池在每個制造節點上的一致性[2];另一方面，動力電池在干燥階段預熱工序水平的提高，有助于智能化裝備保障電芯及材料的一致性。從設備系統設計及應用情況來比較，傳統鋰電池裸電芯加熱的特點是“多機參數+人工操作+不同批次+二次污染”，而采用鋰電池全自動預熱隧道爐的特點是“同一參數+智能化控制+無人工+短時間”[3]。

目前，對于鋰電池裸電芯預熱一般采用熱風循環式或者接觸式預熱隧道爐進行加熱[4-5]。采用這兩種方式進行預熱，溫度容易控制，且電芯為連續進料，經過隧道式預熱爐不同溫度段后，設定相應的時間，以便達到相應的預熱效果。這種溫度可以維持恒定，可以實現鋰電池裸電芯的一致性、可塑性，采用鋰電池預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，提高了生產效率，減少了一半的熱壓設備成本，節約了熱壓成本與廠房占地面積。預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，提高電芯質量;采用多模塊多點溫控檢測設計，解決了預熱隧道爐內溫度的均勻性問題，大幅提高鋰電池批量生產質量的一致性。在相同產能條件下，鋰電池預熱隧道爐可以節省運營費用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構，保證了傳輸過程的平穩性。所以，智能化鋰電池預熱隧道爐的優勢十分突出：一是全面提升電池性能和一致性，提升產品品質;二是實現自動化大規模生產，提升產能;三是大幅度降低能耗，凸顯成本優勢。

2 鋰電池預熱隧道爐多模塊自動控制技術

鋰電池預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夾取物料，進行智能化上料后，電芯在恒溫烤爐內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熱裝置內經過烘烤后輸出;輸送平臺依次穿過若干預熱風箱并伸出，每個預熱風箱內輸送平臺上方設有過濾裝置，輸送平臺下方設有鏤空均風板，其與預熱風箱底壁之間形成回風室，回風室出口與風機的進風口連通，風機的出風口上方設有加熱裝置。整個預熱過程由閉環控溫系統進行智能監測及控制，預熱完成后進行智能化下料;整個過程采用高效過濾系統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，設備預熱溫度可調節范圍RT～150 ℃，調節精度1 ℃，控溫精度±2 ℃，設備烘烤溫度均勻性±2 ℃，節省了成本、占地空間，同時能縮短熱壓整形工序時間，提高產品良率，單機一次良率達100%。整個預熱過程實現數據全程追溯，實現單電芯與設備及其參數的綁定，全程監控并追溯數據信息，實現預熱工序實現全程無人化，預熱隧道爐控制系統負責建立數據庫、存儲電芯追溯碼、條碼、預熱爐號、預熱層放置位、時間、溫度等信息，實現整個預熱過程的數據實時查詢并上傳MES系統，實時反饋及數據全程可追溯。

3 鋰電池智能裝備的水平移載式技術

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

為了解決該問題，經過深入研究，提供一種可水平移載式發熱板及包含其的預熱爐。可水平移載式發熱板主要由底部發熱板、垂直固定于底部發熱板前后兩側的保溫板、垂直固定于底部發熱板左右兩側的固定板等組成。底部發熱板上表面設置數個電池放置工位，固定板的外側固定有撥動塊及發熱板導向組件。發熱板導向組件包括固定于固定板側部的滑塊以及與滑塊滑動連接的線軌。此外，預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。爐體框架上設有數層用于承載每塊可水平移載式發熱板的支撐隔條，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置的兩個導向限位塊及位于導向限位塊兩側的氣爪避空位組成，通過驅動可水平移載式發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換的移動裝置，兩個導向限位塊的上端部為相向設置的斜劈以形成V型導向。應用鋰電池智能裝備的水平移載式技術可以實現在電池上下料時，由移動裝置將發熱板水平推出到電池上料工位、電池下料工位即可，不需要承載發熱板組結合的重力，減少了發熱板豎直方向的受力，減少了發熱板變形的風險，即使發熱板組的傳動機構出現故障，其他發熱板也可以將內部烘烤好的電芯輸出，從而提升設備的可靠性，相對于提升機構更加可靠簡單，易于維護。

4 鋰電池預熱隧道爐多路溫度采集控制技術及多工位電阻自動測試控制技術

4.1 多路溫度采集控制技術

鋰電池智能裝備的多路溫度采集控制系統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、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。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、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]，確保產品的一致性。

4.2 多工位電阻自動測試技術

接觸式預熱隧道爐采用多工位電阻自動測試控制系統，主要由高精密測試探針、電阻檢測模塊、PLC和開關電源系統組成。傳統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，不能滿足復雜產品批量生產時的具體測試要求[5]。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，無須人工干預，只需設置好合格的發熱板電阻值即可。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果的準確度。

5 預熱隧道爐自動檢測技術

通過上位機操作程序對接客戶車間信息管理系統（MES），實現設備狀態信息的實時采集、制造過程中工藝參數的收集和保存及系統登錄權限的控制。該上位機軟件克服了PLC對TCP應用層開發的限制，基于Ethernet網絡實現靈活布線，并將設備信息和數據直觀顯示到應用程序界面。同時，軟件將采集到的數據間隔保存，并提供條件查詢及數據導出功能。

本系統采用上位機—中位機—下位機的架構，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協議進行通信。對關鍵參數可自定義保存間隔，存儲于本地電腦以供歷史查詢;對工作過程中出現的斷網等異常，提供自動重連功能;提供連接外部信息管理系統（MES）數據交互功能，并提供設置界面便于數據交互參數設定及本地數據查詢和導出備份功能;提供按小時統計的產能統計顯示功能;界面操作簡單，直觀易用;準確的運行日志存儲，便于后續設備調試和異常處理。上位機間隔0.2 s進行PLC數據采集，并將采集結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熱工序，電池在正常下料后，才將數據上傳至MES過站，期間實時采集PLC內部存儲器數據，不能人為改變電池上下料次序和數量，直觀顯示設備狀態變化及實時數值。

6 結語

在信息技術逐漸滲入鋰電設備行業領域的今天，實現軟硬件結合，加強對信息技術的研發，深入對技術工藝流程和信息化、智能化的需求調研，研究鋰電池自動化預熱工藝標準化模型，集成多個技術研究成果，用于研制鋰電池智能化預熱工藝及裝備，可以加快實現鋰電池預熱隧道爐的產業化，而提高信息技術水平，是確保鋰電池智能裝備精確控制及健康運行的關鍵。從其他角度講，依托現代化信息技術，充分保證鋰電池預熱隧道爐智能化穩定運行與精確控制，需要科研技術人員不斷創新，提高軟硬件結合能力的技術水平。

參考文獻：

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[4]陳磊，陳立軍，姜運振.一種風腔渦流消除機構及包含其的預熱隧道爐：201922241410.6[P].2019-12-15.

[5]陳磐，崔帥團，童金順.可水平移載式發熱板及包含其的預熱爐：201822077389.6[P].2018-12-12.

[6]陳磊，李昆明，魏偉，等.一種可變間距式水平傳送裝置：201910442900.4[P].2019-05-26.

[7]陳磐，崔帥團，童金順.一種具有除塵功能的預熱爐：201822077388.1[P].2018-08-06.

[8]陳平易，盧楨珍.一種便攜式多路電阻自動測試裝置[J].電子世界，2019（7）：188-189.