锂电池预热隧道炉控制系统设计及其关键技术研究

摘 要：市场上的锂电池预隧道热炉主要有热风循环式与接触式两种，运行较为稳定，可以实现全自动化操作，不但节省了占地空间面积、运行费用，而且生产效率、使用寿命大幅提高。本文主要从锂电池预热隧道炉控制系统设计及其应用的关键技术方面进行简要探讨。

关键词：锂电池;预热隧道炉控制系统;新能源

中图分类号：TM912文献标识码：A文章编号：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

当前，中国新能源汽车产业正在高速增长，作为其核心部件的动力电池，需求缺口也进一步扩大，于是大量资本涌入动力电池行业。据不完全统计，仅2019年上半年，就有54家动力电池上中下游上市公司发布了投资扩产计划，投资总额近1 160亿元[1]。从市场与产品的思路来看，国内新能源领军企业具备以下三大特点。一是坚定全球化战略视野，瞄准全球化动力电池扩产新周期。头部国内企业已经笃定国际化战略，并取得了一定的先发优势，或已进入国际车企/电池企业的供应链体系，或紧跟国际头部企业步伐迈向海外市场。二是筑建差异化市场“护城河”。在产品思路上，每家的产品方案均有自身的差异化优势。三是围绕技术革新、降本提质的领先产品方案。目前，國产新能源企业介入国际的一大突破口在于对产品升级、供应链整合、工艺革新及新项目合作开发、新工艺测试等环节。随着国家新能源汽车补贴政策的落实，投资计划和新增计划的实施即将开始，在动力电池行业投资高峰期，我们要注重提升动力电池的各项性能，尤其是高安全性及长续航里程。动力电池的这些核心技术指标都指向一致性，聚焦电池一致性必将为巨额投资保驾护航。综合来看，全球动力电池产能新基建趋势下，中国锂电装备将在供应链体系中扮演着重要角色，成为全球化的中坚力量。

但是，电池一致性的问题一直困扰着国内外从事电动车研发的相关企业。在中国，由于整个产业链受到发展水平的制约，使得原材料品质的一致性、制造装备水平以及电池的综合指标等方面与国外存在一定差距。这些都影响了国产动力电池一致性的提升。想要解决动力电池一致性的问题，一方面要在来料保持一致性的情况下，通过使用自动化程度高的先进智能装备，从生产环节上进行控制，保证电池在每个制造节点上的一致性[2];另一方面，动力电池在干燥阶段预热工序水平的提高，有助于智能化装备保障电芯及材料的一致性。从设备系统设计及应用情况来比较，传统锂电池裸电芯加热的特点是“多机参数+人工操作+不同批次+二次污染”，而采用锂电池全自动预热隧道炉的特点是“同一参数+智能化控制+无人工+短时间”[3]。

目前，对于锂电池裸电芯预热一般采用热风循环式或者接触式预热隧道炉进行加热[4-5]。采用这两种方式进行预热，温度容易控制，且电芯为连续进料，经过隧道式预热炉不同温度段后，设定相应的时间，以便达到相应的预热效果。这种温度可以维持恒定，可以实现锂电池裸电芯的一致性、可塑性，采用锂电池预热隧道炉将电芯加热到一定温度，整形后送入烘烤，可减小50%的烘烤时间，提高了生产效率，减少了一半的热压设备成本，节约了热压成本与厂房占地面积。预热隧道炉高效过滤装置对电芯粉层进行及时处理，可以过滤电芯杂质，提高电芯质量;采用多模块多点温控检测设计，解决了预热隧道炉内温度的均匀性问题，大幅提高锂电池批量生产质量的一致性。在相同产能条件下，锂电池预热隧道炉可以节省运营费用90%以上，此外，为了保证强度，采用的电芯链板的承载板一般为双层结构，保证了传输过程的平稳性。所以，智能化锂电池预热隧道炉的优势十分突出：一是全面提升电池性能和一致性，提升产品品质;二是实现自动化大规模生产，提升产能;三是大幅度降低能耗，凸显成本优势。

2 锂电池预热隧道炉多模块自动控制技术

锂电池预热隧道炉主要由自动上料模块、烘烤模块、输送治具模块、除尘模块、上位机控制模块等组成。上料模块采用自动夹取技术夹取物料，进行智能化上料后，电芯在恒温烤炉内的输送线上步进式移动[6]，输送治具模块与自动上料装置连接，自动上料装置将电芯放置在输送平台上，电芯通过输送平台输送到预热装置内经过烘烤后输出;输送平台依次穿过若干预热风箱并伸出，每个预热风箱内输送平台上方设有过滤装置，输送平台下方设有镂空均风板，其与预热风箱底壁之间形成回风室，回风室出口与风机的进风口连通，风机的出风口上方设有加热装置。整个预热过程由闭环控温系统进行智能监测及控制，预热完成后进行智能化下料;整个过程采用高效过滤系统除尘装置能有效处理电芯粉层，增强除尘效果，保证电芯的洁净度[7]。

使用该多模块自动控制技术，设备预热温度可调节范围RT～150 ℃，调节精度1 ℃，控温精度±2 ℃，设备烘烤温度均匀性±2 ℃，节省了成本、占地空间，同时能缩短热压整形工序时间，提高产品良率，单机一次良率达100%。整个预热过程实现数据全程追溯，实现单电芯与设备及其参数的绑定，全程监控并追溯数据信息，实现预热工序实现全程无人化，预热隧道炉控制系统负责建立数据库、存储电芯追溯码、条码、预热炉号、预热层放置位、时间、温度等信息，实现整个预热过程的数据实时查询并上传MES系统，实时反饋及数据全程可追溯。

3 锂电池智能装备的水平移载式技术

传统锂电池裸电芯接触式预热流程主要为靠提升机构将发热板提起—上下料模组取放电芯—发热板叠起加热，以达到预热电芯的目的。然而，在提升最底部的一块发热板时，需要附带提起上面的所有发热板，导致底部发热板受力较大、底部发热板变形及提升时导杆之间的阻力变大，易引发故障，一旦发热板组的传动机构出现故障，将会导致其他发热板不能将内部烘烤好的电芯输出。

为了解决该问题，经过深入研究，提供一种可水平移载式发热板及包含其的预热炉。可水平移载式发热板主要由底部发热板、垂直固定于底部发热板前后两侧的保温板、垂直固定于底部发热板左右两侧的固定板等组成。底部发热板上表面设置数个电池放置工位，固定板的外侧固定有拨动块及发热板导向组件。发热板导向组件包括固定于固定板侧部的滑块以及与滑块滑动连接的线轨。此外，预热炉还包括炉体框架以及电池上料工位、电池加热工位和电池下料工位。炉体框架上设有数层用于承载每块可水平移载式发热板的支撑隔条，线轨固定于支撑隔条上，线轨的长度覆盖电池上料工位、电池加热工位以及电池下料工位，每个电池放置工位由相对设置的两个导向限位块及位于导向限位块两侧的气爪避空位组成，通过驱动可水平移载式发热板在电池上料工位、电池加热工位以及电池下料工位之间转换的移动装置，两个导向限位块的上端部为相向设置的斜劈以形成V型导向。应用锂电池智能装备的水平移载式技术可以实现在电池上下料时，由移动装置将发热板水平推出到电池上料工位、电池下料工位即可，不需要承载发热板组结合的重力，减少了发热板竖直方向的受力，减少了发热板变形的风险，即使发热板组的传动机构出现故障，其他发热板也可以将内部烘烤好的电芯输出，从而提升设备的可靠性，相对于提升机构更加可靠简单，易于维护。

4 锂电池预热隧道炉多路温度采集控制技术及多工位电阻自动测试控制技术

4.1 多路温度采集控制技术

锂电池智能装备的多路温度采集控制系统主要由高精密测试探针、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。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、温差报警、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[8]，确保产品的一致性。

4.2 多工位电阻自动测试技术

接触式预热隧道炉采用多工位电阻自动测试控制系统，主要由高精密测试探针、电阻检测模块、PLC和开关电源系统组成。传统的检测工艺为采用高精度万用表，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[5]。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，无须人工干预，只需设置好合格的发热板电阻值即可。整个过程检测时间只需1 s，检测速度极快，并且大大降低了人工检测维修成本，杜绝了人工判断误操作，有效提高了多工位电阻检测结果的准确度。

5 预热隧道炉自动检测技术

通过上位机操作程序对接客户车间信息管理系统（MES），实现设备状态信息的实时采集、制造过程中工艺参数的收集和保存及系统登录权限的控制。该上位机软件克服了PLC对TCP应用层开发的限制，基于Ethernet网络实现灵活布线，并将设备信息和数据直观显示到应用程序界面。同时，软件将采集到的数据间隔保存，并提供条件查询及数据导出功能。

本系统采用上位机—中位机—下位机的架构，中位机与下位机均使用欧姆龙PLC，上位机与中位机采用欧姆龙自定义Fins协议进行通信。对关键参数可自定义保存间隔，存储于本地电脑以供历史查询;对工作过程中出现的断网等异常，提供自动重连功能;提供连接外部信息管理系统（MES）数据交互功能，并提供设置界面便于数据交互参数设定及本地数据查询和导出备份功能;提供按小时统计的产能统计显示功能;界面操作简单，直观易用;准确的运行日志存储，便于后续设备调试和异常处理。上位机间隔0.2 s进行PLC数据采集，并将采集结果解析后显示到程序主界面上。连接MES测试要严格按照工序进行，电池扫码后，上位机记录电池进入预热工序，电池在正常下料后，才将数据上传至MES过站，期间实时采集PLC内部存储器数据，不能人为改变电池上下料次序和数量，直观显示设备状态变化及实时数值。

6 结语

在信息技术逐渐渗入锂电设备行业领域的今天，实现软硬件结合，加强对信息技术的研发，深入对技术工艺流程和信息化、智能化的需求调研，研究锂电池自动化预热工艺标准化模型，集成多个技术研究成果，用于研制锂电池智能化预热工艺及装备，可以加快实现锂电池预热隧道炉的产业化，而提高信息技术水平，是确保锂电池智能装备精确控制及健康运行的关键。从其他角度讲，依托现代化信息技术，充分保证锂电池预热隧道炉智能化稳定运行与精确控制，需要科研技术人员不断创新，提高软硬件结合能力的技术水平。

参考文献：

[1]徐飞燕.新能源汽车及动力锂电池的发展[J].山东工业技术，2018（6）：59.

[2]潘腾远.电动汽车锂电池的发展现状探讨[J].时代汽车，2019（2）：105-106.

[3]方英民.新能源汽车锂电池的技术演进[J].高科技与产业化，2015（2）：64-67.

[4]陈磊，陈立军，姜运振.一种风腔涡流消除机构及包含其的预热隧道炉：201922241410.6[P].2019-12-15.

[5]陈磐，崔帅团，童金顺.可水平移载式发热板及包含其的预热炉：201822077389.6[P].2018-12-12.

[6]陈磊，李昆明，魏伟，等.一种可变间距式水平传送装置：201910442900.4[P].2019-05-26.

[7]陈磐，崔帅团，童金顺.一种具有除尘功能的预热炉：201822077388.1[P].2018-08-06.

[8]陈平易，卢桢珍.一种便携式多路电阻自动测试装置[J].电子世界，2019（7）：188-189.