基于PLC技術的廢舊鋰電池自動拆解控制系統(tǒng)

黃 帆

（長沙有色冶金設計研究院華楚智科，湖南 長沙410019）

0 引 言

近年由于霧霾天氣頻發(fā)，我國的新能源汽車行業(yè)不斷蓬勃發(fā)展，同時也為鋰電池市場帶來了巨大的發(fā)展前景。發(fā)展需求促使鋰電池的生產要求不斷提升，提升的內容包括：壽命、質量、產量等[1]。廢鋰電池自動拆解設備的精確度與設備本身的機械結構、控制系統(tǒng)等諸多因素相關聯(lián)。在保證機械結構安全合理的情況下，鋰電池拆解系統(tǒng)的設計會直接影響到設備的準確度、高效性等指標[2]。智能化生產是工業(yè)的發(fā)展趨勢，智能化水平的高低是判斷鋰電池拆解是否先進的重要指標。在拆解廢舊鋰電池的過程中，會產生大量的有害氣體、液體和粉塵等。不僅如此，可能還會發(fā)生著火、漏電等狀況，具有一定的危險性，在拆解過程中可能會對工作人員造成傷害。我國鋰電池的拆解自動化程序還不是很智能，很多拆解流程還需要人工完成，本文就此問題，提出了廢舊鋰電池自動拆解控制系統(tǒng)，希望能夠為此方面提供一些理論與技術的研究。

1 廢舊鋰電池拆解再利用的現狀

相關研究顯示，我國在2016年年底，堆積了大批量的廢舊鋰電池，隨后廢舊鋰電池的回收利用應運而生。在2017年年初，許多商家將鋰電池包進行拆解，得到內部的電池單體，將此部分電池作為低耗電的手電筒、五金工具等電池的使用，進行回收與售賣，并形成了產業(yè)鏈。2017年大約已有十多家小型的企業(yè)從事此項業(yè)務。廢舊鋰電池的使用方向還只是這些低能耗的渠道，并沒有得到真正實質性的推廣[3]。

1.1 國內利用進展

我國目前廢舊鋰電池以儲能系統(tǒng)作為主要發(fā)展戰(zhàn)略，國家電網、北京工業(yè)大學、中國電科院、交通大學、北京普萊德新能源電池科技公司等單位，陸續(xù)構建了鋰電池利用的項目基地。主要針對廢舊的鋰電池拆解后的用途進行研究，但這些示范的項目后續(xù)大多數都不作商業(yè)用途。

1.2 國外利用進展

國外對廢舊鋰電池的拆解以儲能為主要研究內容，夏普公司開發(fā)了智能功率調節(jié)器，將車載廢舊鋰電池用于家庭電源的控制管理；日產汽車和住友集團合資創(chuàng)建的4R Energy公司，將日產Leaf汽車換下的廢舊鋰電池進行回收利用，主要應用于家庭和商業(yè)的儲能設備中；日本伊藤忠商社與美國Ener Del公司進行商業(yè)合作，首次將廢舊鋰電池拆解后用于新公寓的建設中，主要進行了推廣梯次的利用；美國Tesla Energy、通用公司及ABB集團、德國BOSCH、BMW等公司也進行了相關的研究與利用。同時還開發(fā)了更多可利用的渠道[4]。

2 系統(tǒng)方案設計

2.1 廢舊鋰電池回收過程

基于上述現狀分析，為進一步提高鋰電池回收利用的效率，設計利用PLC技術控制廢舊鋰電池的自動拆解過程。在鋰電池的使用中，如果電池放電容量降到初始容量的80%及以下時，該鋰電池就不能滿足車用的標準，則需要更換相應新的電池來維持能源車的性能。但電池衰減至初始容量的80%時，仍然具有較好的性能和壽命，只是不適合繼續(xù)使用在能源車中。所以此類回收的鋰電池仍可以將其利用在不具有高要求的電池領域中，如低速電動車、電網儲能、場地車等環(huán)境。不僅能節(jié)約成本，還可以讓廢舊電池有利用價值。目前我國對廢舊鋰電池的回收利用主要是按照余能進行分梯次使用，拆解的鋰電池通常為無法繼續(xù)使用的廢舊鋰電池。廢舊鋰電池的拆解回收過程如圖1所示。

根據電池拆解流程，本文提出了一種基于PLC的廢舊鋰電池自動拆解控制系統(tǒng)。目前，我國大部分的企業(yè)生產的動力鋰電池單體外殼主要材質包括鋁殼、鍍鎳鋼、不銹鋼等。單體電池的生產工序，主要是殼體的拆解和電芯的提取。在拆解時，會產生很多有害物質，如廢氣、有害液體，有害物質會對環(huán)境及工作人員構成威脅，所以需要集中收集并對有害物質進行無害處理[5]。最后將處理分解好的有關原料進行物流存儲，或運輸發(fā)往買家。

2.2 系統(tǒng)方案設計

本文設計的自動拆解控制系統(tǒng)主要由七個關鍵部分組成，分別為料倉部分、HMI觸摸屏部分、主控部分、機械手部分、環(huán)切部分、切斷部分、取芯部分。

工作的主要流程如下，第一步系統(tǒng)中由機械手從料倉中進行取料；第二步進行環(huán)切，主要是對電池從上邊、下邊、后邊進行多方位切割；第三步送入切斷機，主要是切斷具有正負極的電池頭部；第四步將電芯取出，將電池外殼左右分離，取出電芯，實現整體的拆解。在此過程中，產生的廢氣、廢液等有害物質分別集中收集及處理，對于產生的粉塵，也要進行相應的過濾處理。

3 控制系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件結構如圖2所示，主控模板主要采用目前比較先進穩(wěn)定的模板作為主控部分，然后采用總線技術、脈沖、信號傳輸等方式實現整個系統(tǒng)的操控。PLC通過PROFIBUS總線對機械手進行讀取，獲得相應的數據后，進行指令的下達[6]。通過MOSBUS總線與變頻電機之間的任務，實現與料倉、環(huán)切和切斷等模塊之間的數據交互。工業(yè)控制計算機和HMI觸摸屏，主要是在PROFINET總線協(xié)議的基礎上，以組態(tài)的方式和PLC之間形成數據的交互。主要的目的是讀取設備狀態(tài)，同時也對設備的運行進行控制。PLC對于料倉模塊和環(huán)切模塊的控制主要是采用A/B相脈沖的方法使伺服電機服從生產指令。在對設備傳感器的采集和氣缸的控制等問題上，PLC主要采用DI/DO點的方式進行采集和控制。

4 PLC控制系統(tǒng)軟件設計

4.1 PLC程序設計

PLC程序軟件流程如圖3所示。首先，將需要進行拆卸的廢舊鋰電池裝入料倉中，然后系統(tǒng)會自動進入環(huán)切步驟。在此過程中，利用氣缸夾緊廢舊鋰電池，系統(tǒng)會根據輸入電池的尺寸進行相應的計算。通過控制伺服電機，實現切輪裝置的位置移動，完成整個電池的切割。切割的部位是上部、下部和后部，整個切割完成，系統(tǒng)會將電池的正負極所在頭部進行切斷。在正負極頂部切割時，基本鋰電池的規(guī)格是相似的，所以采用定長切割的方法。切割完成進入取芯步驟，利用伸縮氣缸拆解電池外殼，去除電池的電芯，運送到指定的收集倉儲。最后變成成品實現整裝保存，完成整個電池的自動拆解過程。

4.2 機械手系統(tǒng)設計

機械手代替人手進行處理，可以減少對操作人員的損害，同時避免了一些危險，在所有流程的處理中，利用機械手來實現物件的傳輸與移動操作。在整個操作流程中需要由機械手完成，所有的機械手操作環(huán)節(jié)均需要統(tǒng)一控制，同時將相關的數據實時傳輸到相關系統(tǒng)后反饋至PLC，如圖4所示。

4.3 觸摸屏模塊設計

為了能夠讓控制系統(tǒng)更加智能，操作界面更加便捷，因此設計了觸摸屏操作模塊。HMI觸摸屏模塊主要的作用有：對現場設備的自動化調控、故障報警顯示、各種系統(tǒng)參數的設置、模塊的調試、配方數據的分發(fā)等。上機位的主要工作有：所有數據的搜集、產量的相關計量、產品的質量數據分析、工作狀態(tài)的實時分析、還有各種與數據有關的報表等。

5 結 論

隨著節(jié)能環(huán)保能源汽車的不斷普及，必將迎來鋰電池市場新的生產高潮，相應的廢舊鋰電池也會逐年增多。因此，研究和開發(fā)廢舊鋰電池拆解系統(tǒng)，可以提高我國鋰電池的回收利用，提高我國能源的利用率。