基于运动仿真的锂电池干燥关键技术研究

陈磊

摘 要：目前，锂电池的干燥工序大多在大气中完成，在输送转移时又重新暴露在大气环境中。水、气、杂质的再次污染导致电池性能、技术指标低下。因此，要创造高真空、低露点、高温度均匀度的干燥环境，使锂电池在上、下道工序转移过程中与大气隔绝，从而大幅度提高锂电池的安全性和一致性。本文主要探讨将运动仿真技术与锂电池真空干燥技术相结合，运用运动仿真实现锂电池干燥技术升级。

关键词：锂电池;运动仿真;干燥;真空;汽车

中图分类号：TM912 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）26-0126-06

Research on Key Technology of Lithium Battery Drying

Based on Motion Simulation

CHEN Lei

（Henan Top Energy Technology Co.， Ltd.，Suixian Henan 476900）

Abstract： At present， the drying process of lithium batteries is mostly completed in the atmosphere， and is re-exposed to the atmosphere during transport transfer. Re-contamination of water， gas， and impurities leads to poor battery performance and technical specifications. Therefore， it is necessary to create a dry environment with high vacuum， low dew point， and high temperature uniformity， so that the lithium battery is isolated from the atmosphere during the transfer process of the upper and lower processes， thereby greatly improving the safety and consistency of the lithium battery. This paper mainly discussed the combination of motion simulation technology and lithium battery vacuum drying technology， and used motion simulation to upgrade the lithium battery drying technology.

Keywords： lithium batteries;motion simulation;dry;vacuum;car

动力电池是电动汽车的心脏，是新能源汽车产业发展的关键。我国近几年加大了对新能源汽车及动力电池研发与创新的力度，帮助新能源汽车行业做好发展组织规划，将低碳的动力锂电池不断深入应用到新能源汽车中，保障能源和低碳经济安全、快速发展，未来几年是新能源汽车和动力锂电池研发和生产的重要时期。目前，动力锂电池的全球产量已经突破50亿只，销售规模已经达到了170亿美元，且仍然增长。我国对储能电池和新能源汽车都很重视，对于动力锂电池的进口量很大，成为继日本之后的第二大锂电池生产和消费国家，动力锂电池的销售额在2012年就已经突破了400亿大关。由于近几年共享经济的火爆，共享电动车、共享汽车等纷纷选择了动力锂电池，这就让动力锂电池的规模又再一次扩大。

党中央、国务院高度重视新能源汽车和动力电池产业发展，为贯彻落实《国务院关于印发节能与新能源汽车产业发展规划（2012—2020年）的通知》（国发〔2012〕22号）以及《国务院办公厅关于加快新能源汽车推广应用的指导意见》（国办发〔2014〕35号），加快提升我国汽车动力电池产业发展能力和水平，推动新能源汽车产业健康可持续发展，工业和信息化部组织汽车行业组织、重点高校、整车和动力电池主要生产企业开展专题研究，会同国家发展和改革委员会、科学技术部、财政部等有关部门于2017年2月20日联合印发了《促进汽车动力电池产业发展行动方案》。方案指出：“依托重大技改升级工程、增强制造业核心競争力重大工程包，加大对瓶颈制约环节突破、关键核心技术产业化等的支持，加快在正负极、隔膜、电解液、电池管理系统等领域培育若干优势企业，促进动力电池与材料、零部件、装备、整车等产业协同发展，推进自主可控、协调高效、适应发展目标的产业链体系建设。

与传统的铅酸蓄电池相比，锂离子电池能量比高、比功率高、体积小、重量轻、循环寿命长，可以实现5 000次以上的反复放电，无记忆效应。新能源汽车应用锂离子电池，具有许多十分明显的优势。首先，锂电池的能量密度高，其储存的能量是常见铅酸电池的七至八倍。其次，锂电池生产对水资源的消耗极少，几乎不消耗水。再者，锂电池在使用、生产、报废等环节都不会产生有害物质或元素，环保特性突出。此外，锂电池对温度的适用性强，即使是在低温、高温等极端温度条件下也可以使用。锂电池还具有重量轻、自放电率低、充放电能力高和使用寿命长等显著优势[1-3]。

传统锂电池干燥主要靠人工进行，人工成本过高，在生产过程中，人呼出的气体也会对锂电池的性能造成一定影响。如果整个干燥过程与仿真运动的机器人相结合，将锂电池干燥过程置于高真空、低露点、高温度均匀性的干燥环境中进行，且无人参与，实现智能化生产，那将具有巨大优势。

1 工业机器人运动仿真技术应用

目前，工业机器人主要由机械连杆通过各个关节连接在一起，起连接作用的关节通过伺服电机进行驱动，采用微处理器实现控制。工业机器人最主要的模块就是机械系统，通过分析、计算、编程来完成机械系统的运动过程和特定动作。在设计过程中，机械系统主要遵循尺度规划原则、刚度设计原则、最小转动惯量原则、工艺性原则、高强度材料选用原则和可靠性原则。对工业机器人的运动进行仿真时，使用蒙特卡洛方法并结合Matlab软件，可以很好地完成动作控制。蒙特卡洛方法是一种以统计和概率为核心的计算方法，把遇到的问题和某一个概率模型结合在一起，然后在计算机上进行仿真模拟。这种方法可以在随机的数据中找到需要的结果，且采样数据越多，正确率越高，唯一的缺点就是没有办法得知目前模拟的结果是不是正确的结果。

通过研究机器人的运动仿真，人们能够全面掌握各个连杆的位置变化、速度变化和加速度变化，可以使机械手在空间中实现不同的姿势并满足工作要求。将各个连杆的参数和各个关节的参数作为已知量，通过公式计算出机器人的姿势，这是关于机器人的正解。相反，将这两个变量调换位置，所得到的解即为机器人的逆解。在Matlab Robotics Toolbox中创建机器人的模型，将各个关节和各个杆件都展示出来，利用link函数实现预期目标。该方法不仅可以得到机器人的模型，还可以创建机器人的控制部分。

在进行运动仿真的过程中，人们可以通过滑动控制面板上的滑块来改变相关关节的角度值，得到每个关节的角度值之后，就可以确定机器人的任意姿势和位置[4-6]。经过深入研究，笔者决定采用基于工业机器人的运动仿真技术进行锂电池全自动干燥，在对锂电池电芯干燥之前，由六轴机器人结合柔性模组进行智能化上料，干燥过程由闭环控温系统进行智能监测及控制，干燥完成后由六轴机器人结合柔性模组进行智能化下料，干燥工序实现全程无人化。工业机器人应用示例如图1所示。

控制系统负责建立数据库，存储电芯追溯码、夹具条码、烘箱号、烘箱层放置位、时间和温度等信息，数据实时查询并上传MES系统实时反馈，实现数据全程可追溯。

2 锂电池干燥真空度自动检测技术研究

传统的锂电池干燥工艺基本都是在常压环境下进行，甚至完全暴露在大气中，降低了锂电池的性能。与常压干燥相比，真空干燥具有干燥温度低、水分蒸发速度快、干燥后电池均匀性好等优点。在不同类型锂电池制造过程中，水分控制都极为严格，从某种意义上说，装配后电池水分含量多少是判定锂电池综合性能好坏的重要指标之一。采用真空干燥对锂电池制造具有非常重要的意义[7-9]。

锂电池智能干燥装备的真空度自动检测系统主要对锂电池智能干燥装备密封腔体真空度检测过程进行全自动控制，实时监测，无需人工干预，只需设定好合格的工艺参数，等待一定时间即可自动出结果，真空度自动检测不合格会发出报警信号，如图2所示。该系统大大降低了人工成本，也从根本上预防了人工判断导致的额外数据误差，提高了锂电池智能干燥装备密封腔体真空度检测结果的准确度。压力检测模块集成I/O单元，可以独立控制电磁阀、真空泵、接收传感器信号，脱离PLC后能独立运行。另外，该压力检测模块可以自动适应压力传感器，并兼容国内外品牌压力传感器。压力检测模块将检测出来的压力值传送给PLC，PLC根据预先设计好的判断程序，对真空超时、抽真空失败进行报警判断，结果在HMI及上位机显示报警信息。HMI画面设计有动画，实时显示设备运行状况、每个腔体压力值、循环换气参数等信息。

该系统利用数据采集单元和自动控制单元实现干燥设备的数据采集和自动控制，实现设备特定参数的自动收集和质量判定，并在检测过程中实现设备的自动开启和关闭、数据的实时采集和保存，此数据可用于质量分析和品质回溯。软件基于通用Modbus RTU工业标准开发，真空采集模塊利用公司自研数据采集板采集实时真空数据值，I/O模块实现气阀的打开和关闭，多路设备并行采集和控制。

3 锂电池干燥多工位电阻自动测试控制技术研究

锂电池智能干燥装备多工位电阻自动测试控制系统主要由专用夹具底座、高精密测试探针、电阻检测模块、PLC和开关电源系统组成，如图3所示。现有的检测工艺采用高精度万用表，逐一对检测回路中的电阻进行测量并实时记录，工作效率低，不能满足复杂产品批量生产时的具体测试要求[10，11]。该技术的应用可以实现多工位电阻检测过程的全自动控制，无需人工干预，只需设置好合格的发热板电阻值。整个过程检测时间只需1s，检测速度极快，大大降低了人工检测维修成本，杜绝了人工判断误操作，有效地提高了多工位电阻检测结果的准确度。

4 锂电池干燥多路温度采集控制技术研究

锂电池智能干燥装备的多路温度采集控制系统主要由专用夹具底座、高精密测试探针、高灵敏温度采集模块、温度控制集成系统、PLC模块、高灵敏触摸屏和开关电源系统组成，采用最新的闭环控制，如图4所示。该自动测试控制技术的应用彻底改变了传统的人工温度采集，可以直接通过以太网连接到上位机，并入大数据库系统，实现锂电池干燥过程的无人化生产管理。PLC内部编写低温报警、超温报警、超高温报警、同夹具温差报警和通信异常报警等报警程序，实时追踪每一块加热板的温度信息，确保产品的一致性。

5 锂电池干燥智能调度技术研究

锂电池全自动干燥线智能调度系统具有多柔性模组、多线程、可扩展、数据实时追溯、闭环控制和界面可视化等特点，采用标准化、高可靠性和安全性设计，如图5所示。该智能调度系统整线通过上位机进行统一调度，每一个系统独立运行，互不干扰，确保了整线的稳定性。

6 锂电池干燥系统控制技术研究

如图6所示，锂电池干燥系统主要通过接触式夹具对电芯加热，通过真空泵对真空烘箱抽真空，为电芯Baking提供真空环境，在高温、真空状态下，使电芯极片内的水分快速气化溢出，以达到控制电芯极片含水量的目的。同时，该系统可实现本机控制、与锂电池全自动干燥线上位机通信等功能，在其中一块发热板故障时，电气控制系统可以通过巡检检测出来，并对相应电池进行标记，对相应电池进行回炉处理，而不需要对整组电池回炉，大大提高了容错率。

6.1 接触式加热夹具

夹具采用一体式加热板设计，加热板表面温度均匀，电池与两侧发热板单边距离为1.5mm。经研究测试，加热板空载室温升至100℃的时间≤20min，带电池室温升至100℃的时间≤90min，温度设定范围为40～110℃，采用专用温控模块，整体热量均匀，发热板之间温度均匀性≤±3℃，单片发热板温度偏差≤±3℃，高精密温控模块的温控精度为±0.1℃。电池底部与发热板直接接触加热，具有加热速度快、温度均匀性好、精度高等特点。控制系统能够控制真空泵的开启和停止，具备防止各腔体间串气的功能。温控系统具有超温保护功能，每片发热板实时在线巡检，超过设定温度时自动断开加热，同时具有低温报警功能，低于设定值10℃（可设定）时会自动进行声光报警。

6.2 温控系统

温控系统控制方式如图7所示。该温控系统能够对采集的温度实时控制，整个夹具的发热板温度控制精度保持在±3℃内，夹具中每块发热板的采集温度与实际温度偏差≤±3℃。实时对夹具中每块发热板温度进行巡检，当控温使用的感温线受到干扰或故障时，辅助控制系统给出准确的温度值，防止发生超温事故。该温控系统具有超温保护功能，每片发热板独立温控且实时在线巡检，超过设定温度时自动断开加热，同时具有低温报警功能，低于设定值10℃时会自动进行声光报警。

6.2.1 温度采集模块。将感温线中的物理特性信号转化为数字温度信号，并输出给温度控制模块，模块中所有电气元件如电阻、模拟开关等耐温特性均采用工业级别85℃，部分关键元件如嵌入单片等耐温特性需采用工业级别105℃。

6.2.2 温度控制模块。收集采集模块中的温度信号并进行判定，同时控制继电器吸合达到控制温度的目的。

6.2.3 温度巡检模块。与温度采集模块类似，温度巡检模块负责将感温线中的物理特性信号转化为数字温度信号，并将数字温度信号输出给温度控制模块或其他采集控制元件，其元件及要求同温度采集模块。

7 结论

本文通过研究基于运动仿真的锂电池自动化干燥装备系统架构，整体确定锂电池智能干燥装备的技术工艺;针对技术工艺流程和信息化、智能化的需求，研究锂电池自动化干燥工艺标准化模型，采集、传输和使用包括各个工位、工件、干燥环境等在内的各种信息;研究基于粒子群优化的干燥工艺参数优化方法，提高干燥效率和降低能耗;根据实时采集的信息，研究锂电池干燥质量预估、预警、溯源方法，实现每个锂电池干燥过程的可监控、可溯源、可及时处理;集中成本技术研究成果，研制锂电池智能化干燥工艺及装备，并完成锂电池智能干燥装备及全自动干燥线的产业化。本技术的干燥工艺简单，原创性强，创新性突出，整个干燥过程可实现无人化控制。

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