圆柱形锂离子电池注液机的设计

圆柱形锂离子电池注液机的设计

肖江连

东莞市卓安精机自动化设备有限公司广东东莞523000

摘要：相较于传统的蓄电池，圆柱形锂离子电池不但具有更高的能量、更强的放电能力以及更长的循环寿命，而且储能效率也超过了90%，圆柱形锂离子电池以期上述特点在很多领域的发展前景都十分可观，同时也在不断进行优化。文中所述是一种新开发设计的圆柱形锂离子电池生产用注液机，以满足新的自动装配线需要。该设备不仅精度高、运行平稳、方便维护操作，而且生产效率与新建自动装配线的40只/分钟要求完全相符。

关键词：注液机；圆柱形；锂离子电池

由于圆柱形锂离子电池内含有的电解液量密切关系着电池的容量和安全性，所以，对其注电解液工序是一种十分关键的装配工序。若注液量过多，则较易渗漏或打开安全阀而导致电池报废；反之，则会降低容量甚至电池发生爆炸，因此必须充分保障注液量的精度。而现如今，电池容量正在逐渐变大，电解液的吸收随之也变得更加困难，天津某企业开始增资扩建圆柱形锂离子电池工程，其中有新建的电池装配线3条，但而却未确定十分关键的注液机。由于进口设备所需的资金较多，而且该公司以前引进设备的运行也不稳定，市场上现有的国产设备也很难同时保证精度和40只/min的生产效率要求，所以，本文开发设计了与该公司生产工艺完全相符的注液机。

1分析现状

现阶段，随着现代新型号电池的不断研发，电池容量也在快速提升，所以，电池内含有越来越多的化学物质，密度也在逐渐增大，电解液的吸收也越发困难，因此，注液困难普遍存在。天津某企业在生产中，现有注液设备常常停机维护，并频繁更换零部件，明显已经无法适满足新的生产工艺要求。甚至在6个月内，1台设备便更换了30件部件，其中还包含一些进口部件，不仅价格昂贵，而且采购所需时间也较长，因此，目前的生产维护就已经非常困难了。

2解决策略

经过研究讨论后，一致认为只有结合企业实际情况，设计出于新的生产工艺相符的设备才能将问题切实解决。

进口注液机在存在的问题如下：由同一台机器完成注液与电液吸收，而设备系统内部却相互干扰，加之新型号电池较难吸收电液，所以，设备内累积了很多电解液而使加压系统和真空被干扰了。严重腐蚀也致使密封系统出现了问题，因此，设备无法平稳运行。所以，对注液工艺进行了适当的调整，注液机只需完成定量注液，在真空箱内才吸收电液。

经过多次改进和试制后，设计出的圆柱形锂离子电池新注液机主要包括：电器柜、工作台、X轴气缸与Y轴气缸各1个、HIBAR定量注液泵5个、防护罩、脚踏开关及自动/调整开关。其中电气柜中装有电磁阀和PLC；工作台工作平台；X、Y轴气缸用于完成四工位的操作；HIBAR定量注液泵5个用于注液；防护罩不仅能避免空气水分进入电池，而且也能避免电解液溅到人身上；脚踏开关用于启动、复位或暂停；自动/调整开关用于设备保持自动运行或进行调整。操作顺序如下：打开电源、压缩空气和氮气的开关，再将电池20只放在注液专用的托盘内，然后在注液机内放入托盘，并将防护门关上，再踩下脚踏开关，则开始自动对这20只电池注液，完成注液后，将防护罩门打开，将电池取出后，便可进入后序吸收工序。

在设计这种电池的整体注液机时，着重考虑了耐腐性。由于电解液属于强氧化剂，会腐蚀一般有机物或金属，因此，采用耐腐蚀的聚氯乙烯和铝型材分别作为工作台面和设备支架，以从日本进口的SMC带导轨的气缸作为关键的运动部件，精度高、又能内置导轨且较难腐蚀。而防护罩需要耐腐蚀和透明，经过实验比较有机玻璃、国产亚克力及进口亚克力，将其电解液内浸泡，发现1天后，有机玻璃氧化发白；3天后，国产ACRYL颜色发生改变且龟裂；一周后，进口ACRYL仍透明，仅边缘出现细小裂纹，因此，进口ACRYL与要求最相符，最终选择了进口ACRYL。

针对这种注液机，新设计的气路控制中，从气源经由减压阀后，压缩空气划分为三路，一路从1个2位5通阀与X轴气缸相连；另一路也是从1个2位5通阀与Y轴气缸相连；第三路从1个大流量电磁阀与5个HIBAR定量注液泵相连。以SMC牌带导轨气缸2个作为运动部件，既精度高，运行平稳，又可调节运动行程。分别采用1个2位5通电磁阀进行控制，由HIBAR定量注液泵5个来负责注液工作。由于整台设备主要依靠定量注液泵HIBAR来确保精度，而通过1个SMC电磁阀来控制HIBAR泵，为了确保5个HIBAR泵中的气流量，选用了“7”系列与f10的气管的大流量电磁阀。在X、Y轴气缸的实际运动轨迹中，X、Y轴气缸组成了四个工位，所有工位HIBAR定量泵5个均会注液，因此，自动完成了对20只电池的注液。

在电路控制中，欧姆龙牌的可编程控制器是整台设备的核心，它控制着电磁阀的动作和动作等待时间，根据程序适时吸合电磁阀，使气缸运动，HIBAR定量泵的完成吐液动作，同时设备还具备开始、暂停、复位及调试功能。为了确保注液精度，设备通过程序，对X、Y轴形成的4个工位采取了时间延时，从而使每个动作都能安全到位。另外，还有编制调试程序，一般用于在X、Y轴气缸不启动的情况下，HIBAR定量泵单独工作，方便调试和测量HIBAR泵。另外，每个HIBAR泵都配有各自的手动两通阀，以便某个HIBAR泵发生问题时，可以关闭其他泵，方便维修。此外，在即将结束生产时，常常凑不足20只电池，导致电池托盘装不满，这时可结合实际情况，将多余的HIBAR定量泵关闭，使注液顺利完成，以便更好地适应实际生产的要求。

3分析优化效果

在PLC程序中，将一个循环时间设置为20秒，一个循环生产20只电池，因此，理论上效率为60只/min，若加上托盘的装卸时间，则整台设备的效率可与新建装配线的40只/min要求完全符合。

制作一台设备的只需10万元人民币，但若进口国外设备，先不不考虑是否实用，则一台设备需110万元人民币，而一共设计了3台，因此，为企业大约节省了300万元人民币。

4结论

综上所述，对于圆柱形锂离子电池，所设计的注液机很合理，特别是明确了运动结构和HIBAR定量泵数量的关系。因为HIBAR定量泵较昂贵，如果只为了减少成本，可只用一个HIBAR定量泵，则运动就必须由电机驱动丝杠以明确X轴上10个电池的部位，进而导致运动单元结构更加复杂，而且不便调试维护，但如果使用10个HIBAR定量泵，则运动仅需一个Y轴气缸，虽然简化了结构，但是，成本却大幅度地提提升了，本文最终决定使用HIBAR定量泵5个、X轴、Y轴气缸各一个，既控制成本在10万元内，又精简了运动单元结构，正是基于此，才成功研制了这台设备，与此同时，还可为以后方形及聚合物锂离子电池注液机的研制提供了较好的样板。

参考文献：

[1]张宏成，尚新生，张玉龙，等.圆柱形锂离子电池电解液自动注液机：，CN201829562U[P].2011.

[2]明五一，张臻，黄浩，等.高速高精动力锂电池注液机关键技术研究[J].机械设计与制造，2017（10）：187-190.

[3]林树忠，黄邦均，杨莉，等.电池自动注液机系统的设计[J].电池，1997（1）：25-27.

[4]关玉明，冀承林，刘琴，等.动力锂离子电池真空连续注液封装系统的研究[J].真空科学与技术学报，2017，37（5）：455-459.

[5]李瑶.锂离子电池真空注液机：CN103606640A[P].2014.