基于Flexsim的锂电池生产线仿真与优化研究

叶岍　王莉　王雅儒

摘要：随着锂电池行业的快速发展，锂电行业对锂电池生产线物流、调度、效率需求发生了本质变化，锂电池生产线系统亟待进一步改进。针对锂电池生产过程中由于产品积压、等待以及瓶颈问题等原因产生的生产平衡率过低的现象，从影响锂电池生产流水线生产效率的因素入手，以锂电池化成阶段为例，利用Flexsim软件对锂电池化成段生产线进行模拟仿真研究。建立仿真优化模型，在此基础上进行模拟仿真的循环测试，将流水线瓶颈工序用时降低。

关键词：锂电池生产;自动化;Flexsim;仿真

中图分类号：TP391.9   文献标识码：A

收稿日期：2020-04-16

作者简介：王莉（1976-），女，副教授，博士，研究方向：发动机的燃烧与控制;王雅儒（1996-），男，硕士，研究方向：电气与自动化。

1前言

随着锂电池技术的快速发展，锂电市场对锂电生产设备性能要求在不断地提高。自动上料系统是将工件以准确的数量、位置和时间向生产线传送和定位，决定设备的自动化程度和工作效率。虽目前锂电加工中的上料仍然采用人工上料方式，这种方式效率低，成本高，无法保证上料质量，并会影响电池生产的自动化程度和生产效率[1][2]。现有技术中一般是从料堆中直接取料放置到传送带上，各工件会彼此干扰，同时没有配备缓存装置，如发生上料速度与生产速度不匹配时会导致电池堵塞，影响产线工作效率[3]。西南自动化研究所的杜木伟等人针对加工毛坯自动上下料过程设计了旋锻机自动上下料装置[4];太原理工大学的凌赟提出了一种新型的带载车板缓存装置的立体车库[5];河南中烟工业有限责任公司的李勇设计了一种新型的烟包在线缓存装置[6]。然而上述研究，所针对的并非锂电池生产线中所存在的问题。本文选取锂电池生产线中化成段生产流程为研究对象，通过对生产过程中的影响因素进行分析，借助Flexsim仿真软件对锂电池生产线进行优化，准确的预判出锂电池生产线生产效率，设计锂电池自动上料缓存系统，最终实现提高生产效率的目的。

2锂电池化成段工序分析

研究对象为18650锂电池，电池生产化成段具体工序如下：生产出来的电池经过组盘将256个电池分为一组，电池在静置房中静置三天后进行预充电，充电完成的电池需要在高温条件下进行老化，经过OCV检测后将不合格电池取出，之后将锂电池重新送入静置房进行静置与OCV检测，最终对电池进行分容与OCV检测，最终将电池打包送出[7]。

3基于Flexsim的18650锂电池生产线化成段系统仿真

3.1 Flexsim仿真软件简介与优势

FlexSim仿真软件是目前功能最为齐全的物流仿真软件。Flexsim对动态的离散时间和系统进行三维立体建模，可对模型中每个部位进行监控，不仅可以使用软件自带的实体库，用户还可以自行设计所需要实体，相较其他仿真软件，Flexsim通用性强，成本低，模拟能力强，运算周期短。因此，应用Flexsim仿真软件对锂电池生产线进行仿真优化可以有效地提高锂电池生产效率[8]。

3.2 仿真模型布局与仿真参数设置

根据锂电池实际生产线布局描述，该仿真模型主要分为三个区域，如图1所示，最左侧对应锂电池OCV检测段，模型中部分别对应化成房A、B、C，静置房与预充房，最右侧对应电池输入电梯，其中各线体对应生产输送带。

在系统仿真中，数据输入为：电池发生器生产间隔为0s，实体流设置为cylinder。电池加工处理器选用机械手进行加工。托盘发生器生产间隔为0s，实体流为tote。托杯合成模式选择装箱，托盘发生器实体到达时间为16s。托盘合成器设置输入端口2的实体为16个。静置房设置历史到达次数为1、2、3、4的电池停留时间分别为3d、10d、6h与4h，化成房停留时间为3d，预充房停留时间为8min，OCV检测数据以实验为准。

3.3 锂电池自动上料缓存装置模拟仿真

图2为锂电池自動上料缓存装置仿真。生产出来的电池通过机械手抓取至传送带上，机械手将传送带上的电池抓取至合成器上，合成器将电池装入托杯中后放入缓存装置，最后通过机械手2抓取放入装托盘合成器中。

4仿真模型模拟运行结果与分析

模型运行结果如表1所示。托杯暂存区、缓存装置上平均容量相同，其最大停留时间接近，而托盘暂存区平均容量高于其他工序，其原因为托盘生产速率远大于其他工序的运行速率，最终导致托盘积压，无法及时投入生产。

机械手1和装托杯工序与其他工序有明显差异，机械手1输出速率高于其他几个工序，机械手速率过大可能会使得其耐久度降低，因此可传送带和生产区间增加机械手以缓解机械手的工作强度。装托杯合成器、机械手2、装托盘合成器、叉车存在较高空闲时间，所以可以判断缓存装置，装托盘和入货三道工序为瓶颈环节。

5结论

在已有生产条件下，通过Flexsim仿真软件对电池生产线化成段进行模拟仿真，根据运行结果对锂电池生产线化成段生产情况进行预测，通过反复的循环与优化，发现并解决问题。设计锂电池自动上料缓存装置，缓解锂电池上料压力，提高生产效率。由于Flexsim软件通用性高，逻辑功能强，因此可以在锂电池生产各个阶段进行适用。

参考文献：

[1]明新建，夏琴香，刘秀娟，等.锂电池高速自动套管机自动上料系统设计与仿真[J].机电工程技术，2018（11）：1-4.

[2]阎涛，胡章咏，赵宝琴.小型零件自动上料系统的可靠性设计[J].内燃机与配件，2018（22）：6-7.

[3]徐雪明，年雪山，范雪峰，等.自动送料装置：CN10312-8544A[P].2013.

[4]杜木伟，龚运环.旋锻机自动上下料装置的设计[J].机械制造，2016（03）：68-71.

[5]凌赟.帶载车板缓存装置巷道堆垛式立体停车车库存取策略的研究[D].太原：太原理工大学，2014.

[6]李勇.一种烟包在线缓存装置的研究[J].中国管理信息化，2018（23）：107-108.

[7]付芸，李付强，李彦刚，等.高效节能动力锂电池检测及化成系统[J].电源世界，2013（10）：50-52.

[8]王桂萍.基于Flexsim自动化立体仓库的仿真研究[J].机械工程师，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