电池材料烧结窑炉温度控制及其系统研究

刘智敏

摘 要： 本文主要对我国电池材料烧结窑炉温度控制系统进行研究与分析，首先对电池材料生产工艺进行分析，在分析的基础上对整个系统进行分析，首先对电池材料测温系统及其原理进行解析，在解析的基础上对于升温系统及其改进进行详细概述，希望能够为电池材料烧结温度控制提供指导。

关键词： 电池材料烧结窑炉；温度控制；系统

在提高锂电池的生产质量中可以从生产过程以及温度控制入手，完善电池的结构，降低电池生产能耗并提高锂电池的产量具有建设性意义。电池材料烧结窑炉内部温度直接关系到电池材料的煅烧程度，温度波动或者温度不能良好控制会直接影响电池材料的品质，在我国传统锂电池的生产中升温和测温系统不能满足锂电池的生产要求，因此需要借助信息化技术以及网络技术来进行电池材料烧结窑炉温度的升温以及控制。

1.電池材料生产工艺分析

在电池材料的生产中，一般采用高温固相反应的方法来制取磷酸铁锂。以Fe（CH3COO）2、Li2CO3以及金属离子氧化物等作为磷酸铁锂合成的原材料，并按照相应的化学计量比进行原材料的混合，将原材料置于球磨机中进行球磨并干燥混匀。为保证磷酸铁锂能够正常制备需要采取相应的氮气以及氩气等惰性气体作为保护气，并首先升温到300℃将原材料进行初步分解，然后通过升温系统继续升温到600-800℃在此高温下进行保温处理，一般保温时间要超过12h，讲过12h反应之后能够由原材料制备得到所需要的磷酸铁锂材料，一般制备的磷酸铁锂（LiFePO4）呈橄榄石晶型。

在这一磷酸铁锂制备过程中，涉及到初步分解的升温以及后期的高温反应两个升温过程，为保证反应的正常进行，必须要对两个升温过程和保温过程进行严格的控制。

2.测温系统结构与原理分析

在电池材料烧结窑炉温度控制系统中，测温系统是重要的组成部分，通过测温系统来准确监控窑炉内部温度以及反映温度。整个系统包括窑炉温度采集与发送模块、窑炉温度接收与转发模块以及窑炉温度接收与输出模块三部分。

2.1窑炉温度采集与发送模块

如图所示，在电池材料窑炉温度采集与发动模块中采用热电偶俩进行窑炉内温度的检测，通过热电偶检测窑炉内部的毫伏电压信号，然后将信号通过补偿导线传送给图示的窑炉温度发送器；通过这一发送器能够将接收到的热电偶信号进行放大和A/D转换处理，最终转换为相应的温度数据，将数据通过无线电传输到操作室的接收器当中。窑炉温度采集与发送系统硬件设置如图1所示，其中A、B、C是三个发送器，主要承担数据和信号的传输。

2.2窑炉温度接收与转发模块

为实现对电池材料窑炉温度的监测和控制，需要在窑炉操作室安装相应的“窑炉温度接收器”，窑炉温度接收器如图2所示。在窑炉温度接收器中不仅仅有窑炉温度接收与转发模块以及无线数传模块，而且还安装相应的无线数传天线在机箱外部。经过无线数传天线接收窑炉温度，并且经过内部的无线数传模块进行窑炉温度数据的发送与传输，将传输数据经过计算机系统处理之后最终在窑炉温度显示器中显示出检测温度。另外，为保证整个系统的正常运行，还会降低数据传输到窑炉温度输出器当中。

2.3窑炉温度接收与输出模块

如图所示，在窑炉温度接收与输出模块中主要由两部分组成，包括无线数传模块和两个窑炉温度输出模块。其中窑炉温度输出模块功能的实现主要通过高性能单片计算机和光磁隔离电路以及输出电源等综合作用实现。在窑炉温度接收模块中接收到窑炉温度，会以无线接收与传输的方式转发回转窑炉温度的相关数据，将数据转换成电流信号进行传输，最终由PLC系统在计算机上处理并显示。

3.窑炉温度升温及其控制系统分析

3.1窑炉温度升温及其控制系统构成分析

我国的传统电池材料窑炉温度自动升温系统，工控仪主要按照设定方案来实现目标温度值的传递，最终传递给温控仪。结合第二部分窑炉温度测温系统将测得的实际温度和目标温度进行对比和匹配，经过PID运算最终将运算结果以电流信号的形式传递给功率调节器；在功率调节器中将电流信号进行适当的调节并最终将电流信号传递给加热元器件，通过加热元器件来改变与调节电池材料窑炉温度，最终达到预设的目标值之后保持稳定。

3.2窑炉温度升温及其控制改进系统构成分析

图5中右侧的图是在传统升温及其控制系统基础上改进得到的。增加了数据存储采集模块以及数据库模块等，通过对温度、电压、电流以及报警数据等数据的实时监测来实现对窑炉温度以及窑炉运行情况的实时监测，最终能够将数据进行归档最终存储到数据模块中。同时在进行改进的过程中还将升温方案的温度目标值写入到温控仪以及数据库模块中。在数据分析管理模块中还会对系统的加热电压以及加热电流进行分析，通过分析能够判断元器件是否损坏或者是否存在问题。另外在窑炉温度升温及其控制系统中还增加了报警管理系统，通过实时监测数据采集模块和数据分析管理模块中的各项数据和出现的报警信息进行实时监测，并且在这一模块中设定既定的报警方式，将各项参数存储记录到这一模块中，当出现情况并进行报警的时候会将报警信息进行存储。

另外在改进的数据系统中还增加了权限管理模块，通过这一模块能够对用户的访问权限进行分配和监控。通过这一模块能够对用户的访问权限进行访问，对于有权限的用户能够至直接访问，对于没有权限的用户会直接拒绝。

4.改进系统优点分析

在本文提出的升温及控制改进系统中，通过改进能够保证窑炉温度与控制更加操作简便，与传统的电池材料升温及控制系统相比能够极大程度的降低工作人员的工作强度。通过计算机系统进行升温方案的确定和设置，在设定好升温方案之后系统能够按照设定的方案进行升温，最终能够达到生产要求的温度，在磷酸铁锂的生产中包括300℃和600-800℃两个升温情况正常的进行升温。在利用这一系统进行升温以及温度的控制过程中，不需要专门的工作人员在生产车间进行值守升温，能够极大程度的节约人力成本。另外利用这一系统和模块，能够灵活的配置升温方案，和电价以及用电情况相结合，选择合适的时间与时段进行升温以及生产，在电价较贵以及用电不稳定的情况下进行保温处理等，能够在一定程度上节约物力成本；与传统的人工手动升温相比，能够有效的避免操作失误情况的出现，提高生产效率与生产质量。

参考文献

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[2]曾小信，邱立运.基于低功耗技术的回转窑测温多点通信系统[J].自动化与仪表，2016，31（04）：34-37.