高速高精动力锂电池注液机关键技术研究

明五一 1，张 臻 2，3，黄 浩 2，陈 中 4

（1.郑州轻工业学院，河南 郑州 450002；2.广东华中科技大学 工业技术研究院，广东 东莞 523808；3.广东省制造装备数字化重点实验室，广东 东莞 523808；4.东莞市德瑞精密设备有限公司，广东 东莞 523800）

摘 要：大容量动力锂电池逐渐成为动力电源的主体，但锂电池生产装备仍是制约国内当前锂电池产业发展的一个重要瓶颈，尤其是注液方面，随着环保要求的进一步提升，迫切需要改进为无人操作。有鉴于此，本项目针对大容量高速高精真空锂电池注液机的关键技术展开研究，主要包括分选和注液两大方面。分选是将锂电池扫码、称重并分拣的过程，注液则包括抽真空、注电解液、渗透静置、残液处理等内容。本项目综合采用调度优化、协同控制、传感器、计算机技术等多种学科和技术，属集成创新，可解决动力锂电池注液速度慢、精度低、稳定性差等问题，对于容量为20AH的动力锂电池，装备产能可达到4ppm左右，部分指标达到国际先进水平。

关键词：高速，高精，动力锂电池，真空，注液机，关键技术

1 引言

大容量动力蓄电池逐渐成为动力电源的主体，其中作为绿色蓄电池的动力锂电池，以其能量高、工作电压高、工作温度范围宽、体积小、质量轻、贮存寿命长等特点，且具有不会造成二次污染、不具有记忆效应等优点，已成为新能源储能、新能源汽车动力电源、航空航天市场应用的首选[1-2]。

但锂电池生产装备仍是制约国内当前锂电池产业发展的一个重要瓶颈，如搅拌、涂布、卷绕、注液作为锂电池制造的关键工艺环节，对装备的依赖性非常高[3-5]。尤其是注液方面，随着环保要求的进一步提升，迫切需要改进为无人操作[6-8]。在注液工艺方面，国外注液大多运用先进的控制方法，基本实现了主要工序的全自动控制，可以批量生产，并能有效控制注液量。但是其价格昂贵，且难以适应国内的原材料及生产环境，国内装备在自动化程度、生产速度、生产电池的品质等方面存在差距。

有鉴于此，项目联合相关企业、高校，在省科技项目专项资金的支持下，针对国内注液机现有产能低下的缺点，通过开展对数字化控制技术、快速真空注液技术的研究以及锂电池自动称重分选系统的研发。

2 工艺流程

锂电池注液量过多容易引起电池起鼓，造成电池厚度不均；相反，过少也会减低电池容量和循环次数；注液量不均匀则导致电池容量和循环性能产生一致性差异，上述问题都会直接影响到锂离子电池的性能。而且，由于能量密度远大于普通锂电池，大容量动力锂电池的注液工艺对注液过程中注液速度、密封性和稳定性的要求更高。

图1 动力锂电池注液机工艺流程图
Fig.1Flow Chart of Liquid Injection Machine for Power Lithium Battery

项目研发的大容量动力锂电池注液装备的工艺流程，主要由分选和注液两方面组成，如图1所示。分选是将锂电池扫码、称重并分拣的过程，注液则包括抽真空、注电解液、渗透静置、残液处理等内容。实现动力锂电池高精度高稳定性下的快速注液，即是提高动力锂电池注液工艺的分选效率和注液效率。

3 协同控制模型

3.1 关系模型与目标优化模型

为了控制当前批次的锂电池注液过程，可利用生产线上的历史数据建立质量特征参数与注液关键工序参数之间的数学关系。假设当前在加工第m批产品，则可建立如下关系模型：

式中：y=｛y1，y2，y3，…，ym｝T—锂电池的质量特征参数；

m—质量特征参数的个数；

x=｛x1，x2，x3，…，xn｝T—工序参数；

n—关键工序参数的个数；

f（）—关系函数；

ε—噪声矢量。

设x0和y0分别表示关键工序参数的目标值和锂电池质量特征参数的目标值。那么第m批产品，工序k操作完成后，则参数｛x1，x2，x3，…，xk｝T是已知，记为 zk（m）=｛z1，z2，z3，…，zk｝T。当完成k道工序后，可优化余下的n-k道工序，补偿前k道工序的偏差对锂电池质量特征的影响，使y与y0的偏差最小，从而提高锂电池的注液良品率。补偿方法是重新计算、分配余下n-k道工序参数的目标值。目标优化模型为：

式中：xk（m-1）—第m批产品在余下n-k道工序的待优化参数；xk（m-1）—第m-1批产品在余下n-k道工序的待优化参数；λ—一个权值，用于防止产品相邻批次间产生突变或不规则的控制序列。

3.2 设备选择评价方法

假设当前正在加工第m批锂电池产品，设xk-1和xk分别表示前道工序k-1当前工序k的输出参数表示工序k的输出参数的目标值，Δk表示当前工序k的输出参数的容许误差余量。单台设备的性能可定义为：

如果设备进行预防性维修，设备是不可利用，在选择设备时需要考虑设备的可利用性问题。设Tpm（i）表示设备i距离下一次预防性维护的时间，显然，生产时间小于预防性维护时间时，该设备才是可利用的，可定义为：

选择处于最佳状态的设备需要综合考虑设备性能、生产时间和设备的可利用性。项目中选择如下设备选择模型：

式中：η—一个权值。选择处于最佳状态的设备就是选择具有最小J值的设备。

3.3 设备控制模型

假设第k道工序的设备可通过如下模型进行控制：

式中：x0—第m批产品在第k道工序输出参数的目标值；

μm、xm—第k道工序的输入和输出参数；

xp—先前工序的前馈信息；

α、β—模型系数；

ε—生产过程中的噪声干扰。

4 关键技术研究

4.1 多工序协同控制技术

大容量动力锂电池的注液过程为多工序过程，最终产品质量受到所有工序质量的影响。为了提高对大容量动力锂电池注液量精度的控制，必须解决可靠高效的多工序协同控制技术，综合考虑各工序之间的协调配合，得出整体最佳实施方案。项目的多工序协同控制模型由目标优化、装备选择和装备控制3层组成，如图2所示。选定目标优化模型（基于混合智能多目标优化算法）后，目标优化层借助该模型对下游关键工序参数的进行优化，补偿上游工序偏差对产品质量特征的影响；装备选择层综合考虑装备性能、生产时间以及装备的可利用性，选择处于最佳状态的装备完成相应的工序操作；为了降低产品批次间的差异，设备控制层对选定的设备进行Run-to-Run控制方式[9-10]，其控制模型如上节所述。

图2 多工序协同控制模型
Fig.2Multi-Process Collaborative Control Model

4.2 快速注液技术

大容量动力锂电池的快速注液技术涉及到锂电池注液工艺的多道工序，由三项子技术共同组成，具体如下。

4.2.1 夹具精密定位技术

在锂电池制造加工过程中，需要将电解液通过电池上的注液孔注入。目前的国内注入模式主要采用转盘式，由于结构上的限制导致效率低、漏液率高，并且使电解液接触空气时间久，容易吸收空气中的水分，导致电解液失效，影响了锂离子电池的质量、安全性、一致性以及使用寿命。项目研发了一套面向大容量动力锂电池注液工艺的电池夹具机构，配合上、下料机械手完成锂电池的真空注液、循环静置等过程。其结构，如图3所示。

图3 锂电池夹具图
Fig.3Lithium Battery Clamp

夹具的结构设置为全封闭式，能很好地保护电池不会在注液过程中产生形变。装夹时，通过开启导向气缸推动定位销相对于移动板上下运动与夹具上的定位销孔相扣合，实现相互之间扣合精确定位；扣合后的夹具和移动板在驱动气缸的推动下在导轨上移动至注液工位注入定量电解液，然后进入循环静置工位。夹具配合机械手完成锂电池的上、下料过程，动作迅速准确，提高了上、下料效率。

4.2.2 分次注液技术

目前常规的锂电池注液和静置方式都是分别对锂电池进行一次注液和一次静置，对于动力锂电池来说，由于注液量大，静置时间长，用常规的一次注液、不利于电解液的吸收、注液稳定性差、静止时间长等问题，影响锂电池产品的质量和一致性。

项目采用一种分次注液技术，将动力锂电池的注液过程分为多个“注液-静置”循环过程，如图4所示。

图4 循环“注液-静置”流程图
Fig.4Flow Chart of'Liquid Injecting-Stewing Treatment”

电池随夹具一起上注液工位（2号工位），注液泵将电解液注入注液机构的注液杯里，之后注液子站沿导轨进入后续的循环静置工位（（3～11）工位），经过多次正、负压循环将电解液注入电池内部，完成锂电池的“注液-静置”过程。由于注液和静置分多次进行，每次注液的注液量少（总注液量由动力锂电池的规格决定），有利于电芯对电解液的吸收；且由于注液量少，每次注液后电解液容易渗透，注液和静置过程的总体时间比常规方式的一次注液、静置大大减少。对于容量为20AH的动力锂电池，采用直线式转移及多工位的结构，装备产能可达到（3～4）ppm，注液速度得到了提高。

4.2.3 电池释放及残液处理技术

电池结束循环静置工序后，活塞杆下降密封注液杯口，注液杯上升，释放电池，同时启动吹残液机构清洁注液杯内部的残余电解液。为实现这一功能，设计了电池释放/吹残液机构。吹残液机构密封设计为密封机构，能很好地与注液杯下端注液口密封结合，防止吹气时残余电解液四处飞溅。

4.3 自动称重分选系统

项目把传统称重分选动作由顺序进行（串行）改进为并列进行（并行），即需要并行完成取料、放料、称重、分选、收料等动作。当第一片极板称重时，第二片在等待；当第一片在分选时，第二片在称重，第三片在等待，以此类推。

设备运行时，3个工位均保持工作状态。只有工位转换时，传感器才空闲，大大提高了传感器的利用率。另外，还成功研制了间歇式机械运动装置，机构在间歇运动中加速度平稳变化，做到在提高动作速度的前提下运动件的加速度平稳变化。根据生产工艺和控制要求，系统采用PLC梯形图编程实现各种逻辑顺序控制和称重检测控制[11-12]。

5 实验

为了验证本项目锂电池注液机中所采用关键技术的有效性，选择了15批次的容量为20AH的动力锂电池进行注液，每批次锂电池的数量为80个。所比对的实验在同时在两个锂电池注液机上进行，其注液成品率和装备产能比对数据，如图5所示。

图5 实验数据
Fig.5Experimental Data

从图5中可以看出，装备改进后，特别是采用了多工序协同控制方法，其注液的成品率有明显提升，从平均的92.47%提升到96.23%，废品率降低了近一半。装备的产能也是有大幅度的提升，从平均的2.95ppm提升到3.89ppm，接近4ppm。

图6 高速高精真空锂电池注液机样机
Fig.6High Speed and Precision Vacuum Injecting Prototype Machine for Power Lithium Battery

6 结语

项目研发出了具有自主知识产权的大容量高速高精真空锂电池注液机样机，如图6所示。该装备在满足性能要求的同时降低了我国锂电池制造企业的生产成本，可替代昂贵的进口产品。项目综合采用调度优化、协同控制、传感器、计算机技术等多种学科和技术，属集成创新，通过关键工艺、新型结构、关键技术等方面的创新研究应用，可解决动力锂电池注液速度慢、精度低、稳定性差等问题。对于容量为20AH的动力锂电池，废品率有明显的降低，装备产能可达到4ppm左右。同时，由于采用平面结构，在增长一倍的静置时间的情况下，机器长度只增加30%，可节约空间资源，部分指标达到国际先进水平。

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Research on the Key Technology of High Speed and Precision Vacuum Injecting Machine for Power Lithium Battery

MING Wu-yi1，ZHANG Zhen2，3，HUANG Hao2，CHEN Zhong4
（1.Department of Electromechanical Science and Engineering，Zhengzhou University of Light Industry，He’nan Zhengzhou 450002，China；2.GD-HUST Industrial Technology Research Institute，Guangdong Dongguan 523808，China；3.Guangdong Province Key Lab of Digital Manufacturing Equipment，Guangdong Dongguan 523808，China；4.Dongguan Derui Precision Equipment Co.，Ltd.，Guangdong Dongguan 523800，China）

Abstract：Large capacity power battery has gradually become the main body of the power supply，but the lithium battery production equipment is still restricting the development of current lithium battery industry.In addition，the liquid injection operation needs to be improved by the automation operation under the further improvement of environmental protection requirements.For tackling above problems，this project aimed the key technology of high capacity，speed，and precision vacuum injecting machine for lithium battery，mainly including the two processes of separation and injection.Separation process is the process of scanning，weighing and separating for the lithium battery，and the injection process includes the contents of the vacuum pumping，electrolyte injection，infiltration，and residue treatment.The project comprehensively used scheduling optimization，cooperative control，sensor，and computer technology etc.，which belongs to the integrated innovation with multi-functional composite integrated structure.It can solve the problem of slow speed，low precision，poor stability and other issues in this equipment.For the capacity of 20AH power lithium battery，the equipment capacity can obtain 4ppm，in which some indicators reach the international level

Key Words：High Speed；High Precision；Power Lithium Battery；Vacuum；Liquid Injection Machine；Key Technology

中图分类号：TH16；TP23

文献标识码：A

文章编号：1001-3997（2017）10-0187-04

来稿日期：2017-04-25

基金项目：广东省科技计划项目（编号：2013A090100001）

作者简介：明五一，（1981-），男，湖北浠水人，博士研究生，讲师，主要研究方向：机电一体化：数控加工中心方向研究