基于PLC技术的废旧锂电池自动拆解控制系统

2021-04-06黄帆

通信电源技术 2021年1期

黄帆

（长沙有色冶金设计研究院华楚智科，湖南长沙410019）

0 引言

近年由于雾霾天气频发，我国的新能源汽车行业不断蓬勃发展，同时也为锂电池市场带来了巨大的发展前景。发展需求促使锂电池的生产要求不断提升，提升的内容包括：寿命、质量、产量等[1]。废锂电池自动拆解设备的精确度与设备本身的机械结构、控制系统等诸多因素相关联。在保证机械结构安全合理的情况下，锂电池拆解系统的设计会直接影响到设备的准确度、高效性等指标[2]。智能化生产是工业的发展趋势，智能化水平的高低是判断锂电池拆解是否先进的重要指标。在拆解废旧锂电池的过程中，会产生大量的有害气体、液体和粉尘等。不仅如此，可能还会发生着火、漏电等状况，具有一定的危险性，在拆解过程中可能会对工作人员造成伤害。我国锂电池的拆解自动化程序还不是很智能，很多拆解流程还需要人工完成，本文就此问题，提出了废旧锂电池自动拆解控制系统，希望能够为此方面提供一些理论与技术的研究。

1 废旧锂电池拆解再利用的现状

相关研究显示，我国在2016年年底，堆积了大批量的废旧锂电池，随后废旧锂电池的回收利用应运而生。在2017年年初，许多商家将锂电池包进行拆解，得到内部的电池单体，将此部分电池作为低耗电的手电筒、五金工具等电池的使用，进行回收与售卖，并形成了产业链。2017年大约已有十多家小型的企业从事此项业务。废旧锂电池的使用方向还只是这些低能耗的渠道，并没有得到真正实质性的推广[3]。

1.1 国内利用进展

我国目前废旧锂电池以储能系统作为主要发展战略，国家电网、北京工业大学、中国电科院、交通大学、北京普莱德新能源电池科技公司等单位，陆续构建了锂电池利用的项目基地。主要针对废旧的锂电池拆解后的用途进行研究，但这些示范的项目后续大多数都不作商业用途。

1.2 国外利用进展

国外对废旧锂电池的拆解以储能为主要研究内容，夏普公司开发了智能功率调节器，将车载废旧锂电池用于家庭电源的控制管理；日产汽车和住友集团合资创建的4R Energy公司，将日产Leaf汽车换下的废旧锂电池进行回收利用，主要应用于家庭和商业的储能设备中；日本伊藤忠商社与美国Ener Del公司进行商业合作，首次将废旧锂电池拆解后用于新公寓的建设中，主要进行了推广梯次的利用；美国Tesla Energy、通用公司及ABB集团、德国BOSCH、BMW等公司也进行了相关的研究与利用。同时还开发了更多可利用的渠道[4]。

2 系统方案设计

2.1 废旧锂电池回收过程

基于上述现状分析，为进一步提高锂电池回收利用的效率，设计利用PLC技术控制废旧锂电池的自动拆解过程。在锂电池的使用中，如果电池放电容量降到初始容量的80%及以下时，该锂电池就不能满足车用的标准，则需要更换相应新的电池来维持能源车的性能。但电池衰减至初始容量的80%时，仍然具有较好的性能和寿命，只是不适合继续使用在能源车中。所以此类回收的锂电池仍可以将其利用在不具有高要求的电池领域中，如低速电动车、电网储能、场地车等环境。不仅能节约成本，还可以让废旧电池有利用价值。目前我国对废旧锂电池的回收利用主要是按照余能进行分梯次使用，拆解的锂电池通常为无法继续使用的废旧锂电池。废旧锂电池的拆解回收过程如图1所示。

根据电池拆解流程，本文提出了一种基于PLC的废旧锂电池自动拆解控制系统。目前，我国大部分的企业生产的动力锂电池单体外壳主要材质包括铝壳、镀镍钢、不锈钢等。单体电池的生产工序，主要是壳体的拆解和电芯的提取。在拆解时，会产生很多有害物质，如废气、有害液体，有害物质会对环境及工作人员构成威胁，所以需要集中收集并对有害物质进行无害处理[5]。最后将处理分解好的有关原料进行物流存储，或运输发往买家。

2.2 系统方案设计

本文设计的自动拆解控制系统主要由七个关键部分组成，分别为料仓部分、HMI触摸屏部分、主控部分、机械手部分、环切部分、切断部分、取芯部分。

工作的主要流程如下，第一步系统中由机械手从料仓中进行取料；第二步进行环切，主要是对电池从上边、下边、后边进行多方位切割；第三步送入切断机，主要是切断具有正负极的电池头部；第四步将电芯取出，将电池外壳左右分离，取出电芯，实现整体的拆解。在此过程中，产生的废气、废液等有害物质分别集中收集及处理，对于产生的粉尘，也要进行相应的过滤处理。

3 控制系统硬件设计

系统硬件结构如图2所示，主控模板主要采用目前比较先进稳定的模板作为主控部分，然后采用总线技术、脉冲、信号传输等方式实现整个系统的操控。PLC通过PROFIBUS总线对机械手进行读取，获得相应的数据后，进行指令的下达[6]。通过MOSBUS总线与变频电机之间的任务，实现与料仓、环切和切断等模块之间的数据交互。工业控制计算机和HMI触摸屏，主要是在PROFINET总线协议的基础上，以组态的方式和PLC之间形成数据的交互。主要的目的是读取设备状态，同时也对设备的运行进行控制。PLC对于料仓模块和环切模块的控制主要是采用A/B相脉冲的方法使伺服电机服从生产指令。在对设备传感器的采集和气缸的控制等问题上，PLC主要采用DI/DO点的方式进行采集和控制。

4 PLC控制系统软件设计

4.1 PLC程序设计

PLC程序软件流程如图3所示。首先，将需要进行拆卸的废旧锂电池装入料仓中，然后系统会自动进入环切步骤。在此过程中，利用气缸夹紧废旧锂电池，系统会根据输入电池的尺寸进行相应的计算。通过控制伺服电机，实现切轮装置的位置移动，完成整个电池的切割。切割的部位是上部、下部和后部，整个切割完成，系统会将电池的正负极所在头部进行切断。在正负极顶部切割时，基本锂电池的规格是相似的，所以采用定长切割的方法。切割完成进入取芯步骤，利用伸缩气缸拆解电池外壳，去除电池的电芯，运送到指定的收集仓储。最后变成成品实现整装保存，完成整个电池的自动拆解过程。

4.2 机械手系统设计

机械手代替人手进行处理，可以减少对操作人员的损害，同时避免了一些危险，在所有流程的处理中，利用机械手来实现物件的传输与移动操作。在整个操作流程中需要由机械手完成，所有的机械手操作环节均需要统一控制，同时将相关的数据实时传输到相关系统后反馈至PLC，如图4所示。

4.3 触摸屏模块设计

为了能够让控制系统更加智能，操作界面更加便捷，因此设计了触摸屏操作模块。HMI触摸屏模块主要的作用有：对现场设备的自动化调控、故障报警显示、各种系统参数的设置、模块的调试、配方数据的分发等。上机位的主要工作有：所有数据的搜集、产量的相关计量、产品的质量数据分析、工作状态的实时分析、还有各种与数据有关的报表等。