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【行业洞察】成就客户价值:施耐德电气的锂电设备解决之道

  2019年07月02日  

  一方面,中国的锂电行业?#20013;?#21319;温,新能源汽车的爆发更是带动了锂动力电池行业的新发展。另一方面,从国家大力补贴扶植电动汽?#36947;?#21160;中国未来经济增长潜力,到当前市场与行政手段相结合挤出过热的行业泡沫,中国电动汽车行业也正在步入健康?#34892;?#30340;发展道路。施耐德电气的全线自动化和数字化解决方案,正在帮助锂电设备制造商从单一的OEM设备制造商全面转型升?#27573;?#21160;力电池数字化工厂的“交钥匙”者。

  从整个锂电池的生产线来看,大体可以分为电极制作、电芯合成和模组PACK等3个阶段工艺,在每个工艺段都需要数个核心的加工工艺设备。譬如在电极制作过程中,需要搅拌机、涂布机、辊压机、分条机、模切机等设备,电芯合成过程需要卷绕机、叠片机、入壳机、注液机、顶焊机,而在模组PACK过程则需要烘箱、化成机、分容机、检测机和PACK线……在全线的锂电设备,?#32469;?#26159;其中的一些核心设备上,施耐德电气为设备制造商们提供了全方位的电气自动化与数字化解决之道,并为客户带来更多价值。

01、电极制作——涂布机

  涂布机是将成卷的基?#32784;可?#19968;层特定功能的胶、涂料或油墨等,烘干后并收卷的设备。主要控制?#26041;?#21253;括恒张力放卷、涂布过程多级同步控制、温度控制、恒张力收卷。具体来看,整机恒张力控制需要收放卷专用功能块精确计算卷径变化,通过收放卷的恒张力控制,使涂布基材不拉伸变形,保证图层长度精确度,需要收卷锥度控制,实?#21046;?#25972;端面等;通过凸轮表/电子齿轮实现涂钢辊和上料轴间的速度比控制,实现间隙涂布消头去尾;在反面涂布阶段,通过位置捕捉功能,实现高速高精度定位,不受控制器扫描周期影响。

  总体而言,当前的高速涂布机对控制精度、响应速度和可靠性有很高的要求,施耐德电气的主要解决方案则是基于CANopen和SERCOSIII运动总线的PacDrive3运动系?#22330;MC078运动控制器、LXM28/LXM32系列伺服驱动器等产品实现高速多轴同步控制、减小设计尺寸和机器开发成本,并搭配ATV320紧凑型变频器和上位的GXU人机界面HMI,解决了间隙涂布头尾消厚、正反面涂布留?#38181;云搿?#24658;张力控制、端面平整等关键工艺要求,为涂布机制造商提供了灵活的架构,最终缩短机器研发周期,降低机器成本。

02、电极制作——辊压机

  电池极片辊压机用于锂离子电池极片材料的轧制,实?#20540;?#27744;极片卷料的连续冷压生产,达到电池极片工艺要求的规格尺寸及品质。设备主要需求体现能够对轧制力在线调整,设定操作方便;恒张力收放卷控制;速度控制和输出稳定;集成以太网,总线,设备透明化管理等。

  施耐德电气的解决方案主要基于双核Core CPU的M241 PLC、Canopen以太网总线,以及ATV340变频器系列。M241控制器核心为多任务配置,高内存,双CPU架构(一个CPU处理程序,一个CPU处理通讯),集成了以太网和CANopen,Modbus 接口并具备EIP主站功能,主要优势在于开放性好,方便连接第三方仪表,实现全透明化管理。该方案通过CANopen总线连接变频器,通讯控制不受干扰,灵活?#32784;?#32476;架构实现了一网到底,方便了远程服务并为MES提供数据接口。而驱动部?#20540;腁TV340变频器内置通讯口、安装方便,具有高过载能力和宽电压设计,可以驱动同步异步多?#20540;?#26426;。

03、电芯合成——卷绕机

  电池卷绕机是整个电池成型的重要一环。电池卷绕机卷绕时的张力波动决定了电池的寿命和它的衰减率,也影响电池注液的均匀性,电池卷绕的性能是决定电池品质的重要一环。其主要工艺要求包括恒线速度控制(定制变转速功能块,实现卷绕线速度恒定,张力波动稳定);追剪裁剪控制(利用专用追剪裁切控制功能块,实现极片?#26800;?#22312;卷绕中跟随裁切);设备通讯实现环网冗余,支持设备热插拔……

  施耐德电气PacDrive3运动控制器基于SERCOS III自动化高速响应总线,可采取环形拓扑结构实现所要求的环网冗余,伺服部分采用LXM52高精高速伺服产品及支持CANopen总线的LXM28经济型伺服产品,并将卷绕设备?#38382;?#36816;行数据、设备监控、?#25910;?#20449;息集成在施耐德电气Magelis GTO人机面板显示屏上,从而实现恒线速度控制、追剪裁剪控制,以?#26696;?#36895;环网通讯。

04、电芯合成——叠片机

  叠片机的作用在于将正、负极片装入料盒中,机械手左右运动,在正、负极料盒中拾取极片,经二次定位,交替将正、负极片放在叠片台上。隔膜主动放卷,叠片台带动隔膜左右往复移动形成Z?#20540;?#32469;。叠片完成后,按照设定长度切断,自动?#32479;?#20154;工贴胶。叠片机的控制挑战在于?#28938;?#33180;张力稳定控制、叠片整齐度和叠片台横移轴高速定位实现。

  施耐德电气提供的最大支持24轴同?#20132;?#24046;补的LMC078运动控制器、SERCOS Ⅲ高速总线以及紧凑型设计的LXM28系列经济型伺服解决方案,可以基于横移轴与缓冲辊位置关系,通过电子凸轮实现高速叠片,张力波动小,提升叠片速度和节拍;基于激光纠偏传感器遮光量的算法处理,调整纠偏速度,实现高精度的纠偏控制,保证端面整齐,通过LXM28伺服振动抑制功能减小横移轴高速运动结束时的震动,减小等待时间,提升叠片质量和效率。

05、电芯合成——顶焊机

  电池顶盖焊接机主要用于实现锂电池的顶盖与壳体之间的自动激光焊接。该设备主要功能包括:电池Barcode扫描、电池入夹具定位基准、焊接、焊接翻边检测判定、焊接爆点外观不?#25216;?#27979;、焊接过程惰性气体保护、焊接飞溅物以及?#22363;?#21560;收处理、设备内部环境洁净控制、MES追溯系?#36710;?#21151;能。顶焊机激光焊接过程需要实现自动上下料、双工位交互交替的高速度焊接工作。采用施耐德电气LMC078运动控制器和LXM32/LXM28系列伺服驱动器,基于SERCOSIII和CANopen总线,可?#28304;?#21040;移动速度1500mm/s,焊接速度200mm/s,焊接效率10pcs/min,焊接?#25112;?#22788;降速<5%。

06、模组PACK——化成库

  化成库将初次充电的锂电池在加温、加压的环境中进行充放电,进而达到激活电池的目的。因此,需要实现精确的压力控制(S曲线定位)、码垛机平?#28909;?#25918;料,以及安全保障。通过施耐德电气的高性能PLC控制器、ATV340变频器和LXM32伺服驱动,帮助减小/ 消除定位过冲,减少了20%~40%加减速时间,同时减小机械振动;控制码垛机平?#28909;?#25918;料达到精度±2mm,15m 以上防震(防摆)更佳,架构性能超0.5m/s2的加减速;在安全方面同时采用施耐德电气安全继电器和安全总线通讯,可以防止电流过大损伤电池组,实现 过压/欠压/断流/欠流/过温等保护功能,保护人、设备和电池产品。

07、模组PACK——PACK线

  作为典型的装配过程,动力电池包的模组和PACK是非常适合进行自动化应用的:从电芯自动上料开始,经过电芯分选-打螺钉-组装-焊接-清洗检测-入库-成串PACK等主要工?#23637;?#31243;,将若干电芯组成模组,再由若干单元组成PACK,每个工位都可以借助机器人设备和控制系统实现自动化无缝集成。其工艺特点包括:

  ●关键部位采用六轴标准工业机器人提高自动化水平和稳定性,诸如电芯入壳、装配?#20154;?#24230;快且关键工位做减法、尽可能采用标准工业产品、尽量减少?#28508;?#35774;备。

  ●在激光焊接站配有CCD定位,焊接主机具有能量负反馈,保证焊接质量和一致性。

  ●PACK吊臂上下料,操作简单,维修和操作人员安全有保障。

  ●配置有数据采集和处理系统,满足MES信息采集需求,在关键站配有电子显示屏,实时显示整个电池线的生产信息

  ●柔性化设计布局(高度稳定生产)

  针对PACK线的工艺特点,施耐德电气的解决之道是提供高性能开放性控制器如M262/M251,支持Ethernet/IP、ModbusTCP、RS485、RS232、CANopen、OPC等多种通讯,解决PACK线各设备通讯问题;通过One SoMachine统一编程软件,并采用远程?#26893;际絀/O分区段连接方式,减少配置随工艺变化改动的工作;利用多网通讯介质和机器人功能库实现多款串联机器人无缝通讯示教……

  施耐德电气正在凭借齐全的软硬件产品和?#35270;?#30340;锂电设备解决方案,帮助锂电行业诸多关键设备实现高度自动化,并为打造数字化的锂电工厂奠定坚实的基础。

标签:施耐德电气 LMC078运动控制器我要反馈
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