新能源锂电池化成分容一体机整线设计

新能源锂电池化成分容一体机整线设计

赖华锋

深圳市精实机电科技有限公司  深圳市  518000

摘要：随着新能源锂电池技术的不断发展，其在电动汽车、储能设备等领域的应用越来越广泛。而锂电池的化成分容技术，可以提高锂电池的性能，为后工序Pack做准备。进一步推动了其应用的发展。因此，设计一套高效、稳定的新能源锂电池化成分容一体机整线系统，具有重要的意义。本文基于锂电池工作原理和化成分容基本原理，对一体机整线系统的构成和特点进行了分析，并提出了一套完整的整线方案设计。同时，对整线控制系统进行了详细设计，以确保系统的安全性和可靠性。本文的研究有助于推动新能源锂电池化成分容一体机整线设计的发展。

关键词：新能源锂电池；化成分容；一体机整线设计

引言：本文以新能源锂电池化成分容一体机整线设计为研究对象，通过分析锂电池的工作原理和特性，以及化成分容的基本原理，探讨了一体机整线系统的构成和特点。在此基础上，提出了一套完整的整线方案设计，包括设计原则、功能模块划分、设备选型和配置，以及生产线布局规划。同时，还对整线控制系统进行了详细的设计，包括控制系统总体架构、硬件选型和配置，以及软件功能模块设计。最后，强调了系统的安全性与可靠性设计的重要性。本文的研究对于新能源锂电池化成分容一体机整线设计具有一定的参考价值。

一、新能源锂电池化成分容一体机整线设计理论基础

1.1 锂电池工作原理及特性

锂电池是一种通过锂离子在正负极之间的迁移来实现电荷和放电的电池。锂离子在充电时从正极材料（如锂铁磷酸盐）释放出电子，经过电解质（如聚合物电解质）迁移到负极材料（如石墨）上。在放电过程中，锂离子再次从负极迁移到正极，同时释放出电子供给外部电路使用。锂电池具有高能量密度、长寿命、低自放电率等特点，因此被广泛应用于电动汽车、移动设备等领域。

1.2 化成分容基本原理

化成是通过充放电方式，将电池内部正负极物质激活，使得电池充电活化。分容在化成之后，对电池进行充放电循环并检测电池各项参数，根据测量参数对电池进行配组。化成分容及检测系统是后段工序中最关键的环节。锂电池电芯的化成分容是通过充放电的方式实现电池的初使化，使电芯的活性物质激活，是一个能量转换的过程。锂电芯的化成分容原理比较复杂，但同时也是影响电池性能很重要的一道工序，因为在Li+第一次充电时，Li+第一次插入到石墨中，会在电池内发生电化学反应，在电池首次充电过程中不可避免地要在碳负极与电解液的相界面上、形成覆盖在碳电极表面的钝化膜或SEI膜（solid electrolyte interface,固体电解质界面(膜)）。SEI膜的性能直接决定了电池的倍率、自放电等性能。为了达到使电池状态稳定，通常化成分容过程中会进行多次的充放电、60℃以下的恒温静置等。锂电池化成分容系统可以对单体锂电池进行恒流充电，当电压达到锂电池的充电上限电压时，转为恒压充电，直至充电电流逐渐降为0。然后再对电池进行恒流放电，直至电池电压达到放电截止电压。化成和分容原理上略有区别，但均可用充放电机完成。化成只是充电的过程，不需要对电芯进行放电，所以化成的时候，可以使用单独的充电机，因而充电机也常常被称为化成机，又因为充电机的外表往往是方正的柜子形态，充电机又被称为化成柜。虽然化成不需要放电，但有些电芯的化成工艺需要进行一次以上的充电，紧接着化成之后的分容工序，需要对电芯先充电再放电，化成充电之后，还必须对电芯进行放电，这种工艺上的需要也导致很多电池生产厂家，直接使用带有充电和放电功能的充放电机来进行化成。分容的意义在于筛选出合格电池并进行分组。由于电池制造过程中的工艺原因使得电池的实际容量不可能完全一致，通过一定规范进行“充满电-放完电”循环，循环时间乘以放电电流就是电池的容量。只要测试得到的容量满足或大于设计容量，电池就是合格的。通过对不同容量的电池进行分类，可以优化电池组的一致性。锂电池的化成分容过程中，对充放电电压和电流的要求非常严格，电压的高精度控制可以避免电池过充过放情况的出现。在分容过程中，需要使用到的主要设备是锂电池充放电机。具有“能量回馈”技术的充放电机可以较好解决分容充放电模块的散热问题，相比传统化成分容系统节电60%-80%。充放电机是化成分容中的重点设备，也是后段使用量最多的设备。充放电机的最小工作单位是“通道”。一个通道可以为一个电芯进行充电或放电。在充放电机实际使用中，一个“单元”由一定数量（如24个、32个、64个等）的通道组合而成。“单元”包含了若干个“通道”，是充放电机制造和安装时的最小单位，日韩企业将此单位称为BOX。从原理上说，一台充放电机可以由无数个BOX组成，国内较多采用手工操作的习惯影响下，一般一台充放电机的BOX数量并不大，一条生产线后段往往需要十几台到上百台充放电机。

1.3 一体机整线系统构成及特点

一体机整线系统是指将锂电池的化成分容工艺与其他生产工艺集成在一起的系统。一体机整线系统主要由化成分容设备、电池组装设备、质检设备、控制系统和输送系统等组成。其特点是整体性强，可以实现化成分容和其他生产工艺的无缝衔接，提高生产效率和产品质量。一体机整线系统具有自动化程度高、生产过程可控性强、生产线布局紧凑等特点，适用于大规模的锂电池生产。

二、新能源锂电池化成分容一体机整线方案设计

2.1 设计原则及要求

设计原则和要求有：提高生产效率和产品质量、降低生产成本、确保生产安全和环境友好、提高设备的可靠性和稳定性、灵活可调整的生产线布局、满足不同规格和容量的锂电池生产需求。

2.2 功能模块划分及设计

新能源锂电池化成分容一体机整线功能模块划分及设计主要包括以下几个部分：1. 电池上料模块：负责将待检测的锂电池送入设备中，通常采用机械手臂或输送带等方式实现。2. 化成模块：对锂电池进行激活处理，包括恒流恒压充电、恒流放电等。这一模块的关键在于高精度的电源控制和电池状态监测。3. 分容模块：对化成后的锂电池进行容量分选，将不同容量的电池划分到不同的档次。这一模块需要高精度的电量计和高效的电池测试算法。4. 下料模块：将已完成化成分容的锂电池从设备中输出，通常采用机械手臂或输送带等方式实现。5. 系统控制模块：负责整线设备的自动化控制和状态监控，包括各功能模块的工作协调、数据采集和分析等。这一模块需要强大的数据处理能力和稳定的控制系统。6.天车模块：负责将锂电池从上料模块送至化成模块，从化成模块送至分容模块，从分容模块送至下料模块，天车模块贯穿整条化成分容线，是化成分容一体机整线运输的桥梁。7.电源模块：化成是通过电源给电池充放电，激活电池，分容是通过电源确认化成后电池里面的容量进行分档，在整个化成分容段起到至关重要的作用。

在设计化成分容一体机时，还需要考虑以下因素：设备安全性：化成分容过程中涉及高电压和大电流，需要确保设备的安全性，采用绝缘防护、短路保护等措施。精度和效率：化成分容一体机需要具备高精度的电源控制、电量计和电池测试算法，以保证测试结果的准确性和设备的工作效率。易用性：设计友好的人机交互界面，方便操作人员使用和维护设备。柔性化设计：考虑到不同客户对电池类型的需求，化成分容一体机应具备一定的柔性化设计，可以方便地根据需求进行调整和扩展。

2.3 设备选型及配置

首先，根据生产需求和技术要求，明确所需设备的功能和性能指标。其次，考虑设备的稳定性和可靠性。选用具有良好品质和可靠性的设备能够降低故障率，提高生产线的稳定性和连续性。此外，设备的维护保养和故障处理能力也需要考虑在内，以确保设备的长期稳定运行。另外，设备的生产能力也是选择设备时需要考虑的因素。根据生产需求和产能规划，选择适当的设备能够满足生产线的产能要求，避免设备过剩或产能不足的情况发生。最后，设备之间的协同配合和整体系统的一体化设计也是设备选型及配置的重要考虑因素。设备之间需要具备良好的协同性，能够无缝衔接，确保生产线的连续性和高效性。

2.4 生产线布局规划

生产线布局规划需要考虑以下几个方面：厂房布局：首先需要确定厂房的大小和形状，根据生产线的规模和生产流程来确定合适的布局。一般而言，生产线需要按照化成和分容两个功能区域进行划分，并预留足够的空间以便未来扩张。生产线设计：根据生产线的产能和效率要求，确定生产线的类型和数量。生产线可以分为全自动化和半自动化两种，全自动化生产线可以大大提高生产效率，但成本较高。半自动化生产线则相对灵活，但可以满足大部分生产需求。设备选型：根据生产线的设计，选择合适的设备。设备选型时需要考虑设备的性能、精度、效率以及兼容性等因素。同时，还需要确保设备符合国家和行业的安全与环保标准。物流规划：合理规划生产线内的物流，包括原材料、半成品和成品的流动。尽量减少物料搬运的距离和次数，提高生产效率。自动化程度：根据生产线的需求，确定自动化的程度。全自动化生产线可以大大提高生产效率，但需要较高的初期投资。半自动化生产线则相对灵活，但可以满足大部分生产需求。人员配置：根据生产线的设计和设备选型，确定生产线所需的人员数量和职责。人员配置需要均衡，以保证生产线的顺利进行。质量控制：建立完善的质量控制体系，包括来料检验、生产过程中的质量控制和成品检验等环节，确保产品质量符合要求。安全与环保：确保生产线的设计和设备选型符合国家和行业的安全与环保标准，降低生产过程中的安全隐患和环境污染。

三、新能源锂电池化成分容一体机整线控制系统设计

3.1 控制系统总体架构

新能源锂电池化成分容一体机整线控制系统的总体架构包括上位机、PLC（可编程逻辑控制器）、传感器、执行器和通信网络等组成。上位机负责监控和管理整个生产线的运行状态，PLC负责控制各个设备的运行和协调，传感器负责采集生产过程中的各种参数，执行器负责根据PLC的指令控制设备的运行，通信网络负责实现各个设备之间的数据传输和信息交互。

3.2 硬件选型及配置

硬件选型需要考虑设备的性能、稳定性、可靠性和兼容性等因素。例如，选择高性能的PLC、可靠的传感器和执行器，配置适当的通信模块和接口，以满足系统的控制需求。

3.3 软件功能模块设计

在新能源锂电池化成分容一体机整线控制系统设计中，需要设计不同的软件功能模块，包括生产调度模块、设备控制模块、数据采集和分析模块等。生产调度模块负责对生产任务进行调度和分配，设备控制模块负责控制设备的启停和运行，数据采集和分析模块负责采集和分析生产过程中的数据，以实现生产过程的监控和优化。

3.4 系统安全性与可靠性设计

系统的安全运行需要采取各种措施来确保，如设置安全防护装置、实施紧急停机机制等。同时，还需要设计系统的容错和故障处理机制，以提高系统的可靠性和稳定性。此外，还需要进行系统的备份和恢复设计，以应对可能发生的故障和意外情况。

结束语：本文以新能源锂电池化成分容一体机整线设计为研究对象，通过对锂电池工作原理和化成分容基本原理的分析，探讨了一体机整线系统的构成和特点。在此基础上，提出了一套完整的整线方案设计，并对整线控制系统进行了详细设计。本文的研究对于新能源锂电池化成分容一体机整线设计具有一定的参考价值，有助于推动其应用的发展。同时，本文也强调了系统的安全性与可靠性设计的重要性，为相关研究提供了借鉴。

参考文献

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