CN107195854A - 水系动力电池注液工艺及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于水系动力电池技术领域，具体涉及一种水系动力电池注液工艺及装置。未注液的电池随前AGV车移动到上料称重装置上进行称重，上料机器手抓取单节电池放置在注液装置的托盘凹口内，托盘随后带动电池移动到注液嘴下方，注液嘴对电池进行常压注液，注液完毕后进行对注液嘴进行氮气吹扫，然后电池随托盘移走，下料机器手随后抓取电池放置在位于下料称重装置上的后AGV车上进行称重，最后进行装配。采用增重法和减重法称重，准确度高，操作简化，采用常压注液，注液速度快，且防止注液电池变形，采用氮气脉冲吹扫，不需要频繁清洗；电压测量与扫码一体化，前后注液量和压差变化集成于中央控制器，解决了清洗、数据集成的技术难题。

Description

水系动力电池注液工艺及装置

技术领域

本发明属于水系动力电池技术领域，具体涉及一种水系动力电池注液工艺及装置。

背景技术

随着城市化进程的加快，以电气化为特征的智慧城市建设日新月异。水系动力电池因具有合理的能量密度和适当的功率密度、工作温度范围宽、循环寿命长、环保可回收、高安全性等优点，在特种装备、启动电源、电动汽车、混合车、直流电源、储能电站、轻轨、高铁、动车等方面具有广阔的应用前景。

水系方型电池一般包括电池方型壳体和容纳在电池壳体内的电芯和水系电解液。其制作方法一般是将正极、隔膜与负极交替叠加制成电芯，将电芯入壳，密封顶盖，顶盖上设置有注液孔，通过注液装置从该注液孔中将水系电解液注入到电池壳体内。电解液是电池的重要组成成分，因而注液过程是电池生产过程中非常重要的环节。电池中电解液的用量关系到电池容量和循环寿命，电解液不足会造成电池容量和循环寿命的迅速衰减，注液量过多容易引起电池起鼓、循环寿命衰减率递增，而电池中用于容纳电解液的空间有限，因此必须在有限的空间内盛装准确的电解液量，以提高电池容量和循环寿命。

目前市场上用于制造水系大容量电池的注液设备都不能实现快速称量、三维扫描和动态测压、注液、安全阀装配自动化生产。现有的电池注液生产线，一般过程为：用称重装置对电池进行称重，由手工记录重量值，再将每个电池插上注液杯，进行手动或真空注液，然后进行称重，将其重量值与之注液前相比，对注液重量不足的电池进行人工补液。由于在其生产过程缺乏电池电压前后直接测量，顶部夹具来回移动，还增加载具并列回流及激光打码扫描装置，造成设备整体工位繁杂，而且短路电池不能及时挑出，因此在生产中不仅需要更多的人力，而且由于注液设备整体工位连锁等原因造成生产成本高昂，同时真空注液方型电池存在电池变形、注液口外围粘上电解液问题，这不仅影响影响产品品质，还增加了注液口擦洗工序。

最近，专利CN102945943AA公开了一种电容电池的直线式注液机及其注液方法，但由于手工操作，加上单体电池重量高，手工推动非常困难，尤其是在多节电池的时候，效率会因为操作人员体能差异存在很大差异，很不利于大规模生产，也不符合动力电池生产品质；另最新一个专利CN106602153A公开了一种电解液的注入方法，由于动力电池单体体积大，真空抽取时间很长，即使真空注液，注液口因为真空导致的电解液飞溅，容易损伤内部极片，尽管加装离心，可以避免注液口电解液淌流，但整体装置复杂和庞大，维修成本会大大增加。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种水系动力电池注液工艺，准确度高，操作简化，注液速度快，且防止注液电池变形，不需要频繁清洗，解决了清洗、数据集成的技术难题，本发明还提供实现该工艺的装置，实现自动化生产。

本发明所述的水系动力电池注液工艺，未注液的电池随前AGV车移动到上料称重装置上进行称重，上料机器手抓取单节电池放置在注液装置的托盘凹口内，托盘随后带动电池移动到注液嘴下方，注液嘴对电池进行常压注液，注液完毕后进行对注液嘴进行氮气吹扫，然后电池随托盘移走，下料机器手随后抓取电池放置在位于下料称重装置上的后AGV车上进行称重，最后进行装配。

其中：

上料称重装置分别对抓取电池前的前AGV车总重量、抓取电池后的前AGV车总重量进行称重，两者的重量差为被抓取的电池的重量，所述的被抓取的电池是单节未注液的电池；下料称重装置分别对放置电池后的后AGV车总重量、放置电池前的后AGV车总重量进行称重，两者的重量差为被放置的电池的重量，所述的被放置的电池是单节注液后的电池。

现在业内采用模式是电池在称重天平进行直接计量，计量数据传输给工控数据库，通过电脑来显示，需要单独放置称重天平的平台，还必须在注液输送线上安装，这样输送线上面还需要单独加装转移抓手和支撑架，造成注液装置体积大，移动效率下降的同时，清洗注液机也困难。而本发明未注液的电池随前AGV车移动到上料称重装置处，将上料称重装置隐藏在水平地面下，前AGV车到达该装置上方时，通过磁场感应，正好停留在称重区上方，直接显示总重量，上料机器手抓取一个电池后，总重量降低，前后总重量差即为未注液的电池重量，由于采用减重称量方式，反应速度要比传统工艺提高4倍，原先称量数据需要6～8s才能稳定，现在只需要1～2s就可以得到稳定的数据。此外，如果电池是小型圆柱或者方型，都是一盘几十个电池，需要真空注液或加压注液，如果每一节都要称重，效率会比人工还慢，但如果是整盘称重，机器手又无法一次抓取，因此主要通过夹具夹电池称量，通过小天平侧重，放置在地上称重，会面临无法实现的工业难题；而如果所注的电解液是有机电解液，需要隔绝氧气和空气中水分，需要要求设备紧凑，单位体积小，要求称重天平必须在输送链一个水平线上，用在地面上称重，则面临AGV车无法自由进出，设备所需整体空间更庞大，相关维护、使用费用增加的更多。如果电池是大型圆柱或者方型，如果是有机电池，由于现在也内都是采用真空或者加压注液，而且也需要隔绝氧气和控制水分，是不允许称重放在地面，也不允许AGV车，只能依靠同等水平线的皮带输送机，同时还需要检测电池壳体是否有泄露需要消耗大量的时间，因此采用现有天平称重虽然慢，但时间还是比检测泄露时间快，如果是水系电池，铅酸电池本身就需要内部化成，电解液加入和化成是一体化的，不存在称重说法，只需加液高度来控制。而本发明设计思路是取消了流水线输送皮带，改用AGV来输送，并根据水系动力电池注液无需隔绝氧气和控制水分的特点，充分利用AGV车输送和地面铺设称量装置结合，利用机器手直接转移电池到托盘里的过程中，同时完成了称重、扫码、测压三位一体。因此，与现有的称重是不同原理的，现有的是先扫码，然后拿去称重，称重完毕，再转移到下一个工位测量电压，非常繁琐。

前AGV车上一次放置30-100节未注液的电池，效率高。

上料称重装置与下料称重装置均与中央控制器连接，中央控制器通过单节注液后的电池与单节未注液的电池的重量差自动计算出注液量；同时，中央控制器自动计算出单节注液后的电池与单节未注液的电池电压的压差；通过中央控制器自动核对，前后重量差与注液量差值在允许范围内，电压的压差在允许范围内，装配机器人进行安全阀装配，反之，装配机器人挑出问题电池。其中：前后重量差与注液量差值的允许范围是根据不同型号的电池有所不同，优选地，电池在50～200g范围内，允许误差正负1g，电池在200～600g，允许误差正负2g，电池在600～940g，允许误差正负3g。优选地，电压的压差允许范围为0.3～0.9V。

进一步地，上料称重装置信号通过中央控制器与上料机器人进行对接。前AGV车移动到上料称重装置处，自动称量出全重，通过重量感性信号，自动发送给中央控制器，中央控制器里内在设定的逻辑会自动减去前AGV车裸车的重量，获得多个电池的总重量W1，当上料机器手抓取一个电池后，上料称重装置会重新计算出一个新的重量，中央控制器里内在设定的逻辑会自动减去前AGV车裸车的重量，重新获得多个电池的总重量W2，W1-W2即为抓取电池的重量，依次类推，单个电池的重量依次获得，并且可以累积数量，从而获得电池数量参数。

上料机器手和下料机器手均对电池进行扫码和测量电压。

氮气吹扫为脉冲气体，气压相对于外界气压高100～1000Pa。

本发明还提供一种实现所述的水系动力电池注液工艺的装置，包括依次排放的前AGV车、上料称重装置、上料机器手、注液装置、下料机器手、下料称重装置、后AGV车和装配机器人；注液装置内设有输送链和伺服电机，伺服电机驱动输送链循环移动，托盘固定设置在输送链上，注液嘴设置在注液装置支架上，注液装置支架上还设有位移传感器和氮气电磁阀，注液嘴内部设有液位信号器，液位信号器与氮气电磁阀相连接。

上料机器手上设有前电压测量端和前扫码机；下料机器手上设有后电压测量端和后扫码机，可以扫码和电压测量同时进行。上料机器手和下料机器手均对电池进行扫码和测量电压。上料机器手顶端有正负极测量电池电压，并带扫码仪，自动扫码需要2～6s时间，同时水系动力电池通常采用金属材质为外壳，二维码容易反光，机器手在转移过程中，移动时间需要3～8s，可以提供多维角度光线，充分提高扫码效率和精准性，测量的电压自动跟随扫码的电池编号对应存入中央控制器。

本发明所述的随后抓取电池放置在所属注液装置的托盘凹口内，伺服电机驱动输送链循环移动，托盘固定设置在输送链上，托盘随输送链通过伺服电机移动到注液嘴下方，完成常压注液后进行氮气吹扫，注液好的电池随托盘移动到下一格。

输送链上优选设置8～10个托盘。

所述的凹口带夹具，不同型号的电池，尺寸不同，生产前事先通过调整夹具，可以很好的固定电池，同时凹口底部可以通过标准垫块调整内高，这样不同型号的电池，都可以确保上方的高度一致，进而注液的时候，注液嘴下移距离固定；常压注液后，注液嘴下方一般留有最后一悬液，容易滴落在输送链或电池顶盖，造成清洗困难的同时，还影响注液准确性；业内为了加快注液速度，常用两个办法，一个就是真空注液+离心，另一种就是加压注液；前者存在真空时间长，注液一节电池需要8～10min，后者存在电池容易鼓肚子，变形。

本发明采用注液完毕后进行对注液嘴进行氮气吹扫，氮气为惰性气体，对电池没有负面影响，氮气吹扫为氮气脉冲吹扫，目的是为了把最后一个悬液吹入电池内，从而避免了清洗困难和注液不准的问题。电池注液完毕，液位信号器发出指令给氮气电磁阀，氮气电磁阀瞬间开启后又快速关闭，提供一个脉冲氮气，氮气顺着注液嘴与最后悬浮的液滴吹入电池，从而完成注液最后一环。氮气吹扫为氮气脉冲吹扫，开启时间只是瞬间，开启时间为0.1～0.3s，目的只是把液滴吹入，氮气压力很低，气压相对于外界气压高100～1000Pa，不是业内常规的那种高压氮气，也不是用来长时间吹扫，如果气压过高，容易损伤电池内部，造成不良电化学隐患。

托盘设有两个凹口，每个凹口内能够放置一节电池，注液嘴设置两个。每个注液装置可同时进行两节电池注液。注液每次为两节电池，可以提高注液效率；电池数量少，由于位移本身需要时间，抓取电池也需要时间，这些时间绝对量刚好与两节电池注液时间保持好动态平衡；若是超过两节电池，首先，注液嘴需要增加，当注液嘴大于三个时，水平度控制难度增大，同时注液效率并没有实质性提高，反而因为多等待一节电池，降低效率。

本发明所述的下料机器手对电池进行扫码和测量电压，随后抓取电池放置在下料称重装置处的后AGV车上，自动称量出全重，通过重量感性信号，自动发送给中央控制器，中央控制器里内在设定的逻辑会自动减去后AGV车裸车的重量，获得第一个电池的重量M1，当上料机器手再放置一个电池后，上料称重装置会重新计算出一个新的重量，中央控制器里内在设定的逻辑会自动减去前AGV车裸车的重量，重新获得两个电池的总重量M2，M2-M1即为放置的第二节注液电池的重量，依次类推，单个注液电池的重量依次获得，通过中央控制器自动核对，注液电池和未注液电池的重量差即为注液量，系统逻辑会与生产设定的注液量标准进行比对是否一致，系统逻辑也会就注液电池和未注液电池的压差与生产设定标准进行比对是否在生产允许范围内，然后发出信号指示给装配机器人，装配机器人在进行安全阀装配时，会根据收到的指令进行操作，若不在允许压差波动范围或注液量不一致，装配机器人就不装配。不装配的电池，由人工确认后集中处理。

进一步地，上料称重装置通过AGV车总重量与抓取电池后的AGV车的总重量差获得单节未注液电池的重量，下料称重装置通过放置电池后的AGV车的总重量与AGV车总重量差获得单节注液电池的总重量，中央控制器通过前后电池重量差自动计算出注液量；同样，注液前后的压差通过前后测量，由中央控制器自动计算出数据。而业内现在的做法只是进行简单的称量，数据不一致就报警，然后人工检查，而此发明将操作与系统逻辑结合起来，并可以预留接口，将数据集成到生产控制中心，在线实时显示最新工作状态，并在允许的情况下，还可以连接内部网络，实现智能制造。

装配机器人按照中央控制器指令进行操作，完成安全阀安装和挑出问题电池。

本发明各部件由中央控制器控制，中央控制器控制上设有触摸屏和紧急按钮开关。中央控制器正常运行状态下，触摸屏显示工序流程动态图，可手工切换界面，进行人工控制，可以通过触摸屏输入指令，控制每一个装置的动作，包括可以调整机器手只抓取一面操作；运行过程中，出现故障，触摸屏会呈现不同颜色交替变换，兼具展示报警功能；在紧急情况下，还可以手工操作紧急按钮，所有设备停止运转。

作为一种优选的技术方案，本发明所述的水系动力电池注液工艺，包括以下步骤：

(1)未注液的电池随前AGV车移动到上料称重装置处进行称重，上料机器手对电池进行扫码和测量电压，随后抓取电池放置在托盘的凹口内；

(2)伺服电机驱动输送链循环移动，托盘固定设置在输送链上，托盘随输送链通过伺服电机移动到注液嘴下方，注液嘴对电池进行常压注液，完成常压注液后，液位信号器发出指令给氮气电磁阀，氮气电磁阀提供一个脉冲氮气，氮气顺着注液嘴将最后悬浮的液滴吹入电池，从而完成注液最后一环，注液好的电池随托盘移走；

(3)下料机器手对电池进行扫码和测量电压，随后抓取电池放置在下料称重装置处的后AGV车上；

(5)通过中央控制器自动核对，前后重量差与注液量在允许范围内，前后压差在允许范围内，装配机器人进行安全阀装配，反之，装配机器人挑出问题电池；

(6)托盘上下循环，重复步骤(1)-步骤(5)，完成一次注液循环。

注液装置优选设置两套，两套都可以单独注液，也可以一同联动，上料机器手和下料机器手可以360度旋转，进行左右两边上料、下料，注液装置可以在左右两边各一套，利用注液间歇时间和位移时间，可以左右同时工作，实现双工位注液。业内注液大型电池，通常为了提高效率，采用转盘注液，一边注液的同时在反复真空，同时旋转出位置，放置新的未注液的电池，由于电池设计本身很紧凑，同时真空注液时间很长，单独等待，注液效率会很低，一小时还不到20节，而采用转盘，比如每盘八格，每格可以放置四节电池，真空注液需要时间8～12分钟注液完毕一个格的电池，如果是八格，效率提高八倍，等于不到2分钟可以注液一个格的电池，注液效率可以提高到30节/h，但转盘体积庞大，转盘由于带动力矩大，故障率高，每天也需要清洗。本发明由于采用常压注液，一次注液只需要2分钟，一次两节，相当于一分钟注液1节电池，如果是两套同时注液，就相当于30s注液一节电池，一小时可以注液120节电池，效率是传统转盘注液的4倍。但传统常压注液有悬滴问题，造成清洗频繁，我们创造性的使用氮气脉冲吹扫进行解决。效率高，且不需要频繁清洗。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明特别适用于水系动力电池注液，AGV车与地面称重装置结合，引入增重法和减重法称重，准确度高，操作简化，效率提高。

(2)本发明采用常压注液，注液速度快，效率高，且防止注液电池变形，同时采用氮气脉冲吹扫，注液准确度高，不需要频繁清洗。

(3)本发明注液装置设置两套，同时或单独使用，既提高了电池注液效率，还降低了设备的使用和维护成本，适合水系动力电池企业广泛采用；可以实现两边同时设置注液装置，可以双工位注液，生产效率提高。一套装置一次注液两节电池，准确度高，效率高，效率提高了4倍。

(4)本发明电压测量与扫码一体化，前后注液量和压差变化集成于中央控制器，实现无人化立体操作，效果实用，彻底解决了清洗、数据集成的历史性技术难题。

(5)本发明通过中央控制器控制各部件，能够实现自动数据对比评估，整个过程人工操作电池，不但提高了生产效率，还节省人力。

附图说明

图1是本发明实施例水系动力电池注液装置的结构示意图；

图中：1-前AGV车，2-上料称重装置，3-上料机器手，4-注液装置，5-下料机器手，6-下料称重装置，7-后AGV车，8-装配机器人，10-前电压测量端，11-前扫码机，12-后电压测量端，13-后扫码机，14-托盘，15-注液嘴，16-输送链，17-伺服电机，18-凹口，19-位移传感器，20-液位信号器，21-氮气电磁阀。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

实施例

一种水系动力电池注液工艺，包括以下步骤：

(1)未注液的电池随前AGV车1移动到上料称重装置2处进行称重，上料机器手3对电池进行扫码和测量电压，随后抓取电池放置在托盘14的凹口18内；

(2)伺服电机17驱动输送链16循环移动，托盘14固定设置在输送链16上，托盘14随输送链16通过伺服电机17移动到注液嘴15下方，注液嘴15对电池进行常压注液，完成常压注液后，液位信号器20发出指令给氮气电磁阀21，氮气电磁阀21提供一个脉冲氮气，氮气顺着注液嘴15将最后悬浮的液滴吹入电池，从而完成注液最后一环，注液好的电池随托盘14移走；

(3)下料机器手5对电池进行扫码和测量电压，随后抓取电池放置在下料称重装置6处的后AGV车7上；

(5)通过中央控制器自动核对，前后重量差与注液量在允许范围内，前后压差在允许范围内，装配机器人8进行安全阀装配，反之，装配机器人挑出问题电池；

(6)托盘14上下循环，重复步骤(1)-步骤(5)，完成一次注液循环。

水系动力电池注液装置，如图1所示，包括依次排放的前AGV车1、上料称重装置2、上料机器手3、注液装置4、下料机器手5、下料称重装置6、后AGV车7和装配机器人8；注液装置4内设有输送链16和伺服电机17，伺服电机17驱动输送链16循环移动，托盘14固定设置在输送链16上，注液嘴15设置在注液装置4支架上，注液装置4支架上还设有位移传感器19和氮气电磁阀21，注液嘴15内部设有液位信号器20，液位信号器20与氮气电磁阀21相连接。托盘14设有两个凹口18，每个凹口18内能够放置一节电池，注液嘴15设置两个。上料机器手3上设有前电压测量端10和前扫码机11；下料机器手5上设有后电压测量端12和后扫码机13，注液装置4设置两套。

采用该注液工艺，注液速度快，每套装置一小时可以实现120节电池注液，且注液准确度高，99.5％以上无漏液滴漏，无需频繁清洗设备，由传统的每天整体清洗设备一次变成一个月整体清理一次；数据由传统的手工输入或电脑零散存储升级为自动集成生成。彻底解决了清洗、数据集成的技术难题。

Claims (10)

1.一种水系动力电池注液工艺，其特征在于：未注液的电池随前AGV车移动到上料称重装置上进行称重，上料机器手抓取单节电池放置在注液装置的托盘凹口内，托盘随后带动电池移动到注液嘴下方，注液嘴对电池进行常压注液，注液完毕后进行对注液嘴进行氮气吹扫，然后电池随托盘移走，下料机器手随后抓取电池放置在位于下料称重装置上的后AGV车上进行称重，最后进行装配。

2.根据权利要求1所述的水系动力电池注液工艺，其特征在于：上料称重装置分别对抓取电池前的前AGV车总重量、抓取电池后的前AGV车总重量进行称重，两者的重量差为被抓取的电池的重量，所述的被抓取的电池是单节未注液的电池；下料称重装置分别对放置电池后的后AGV车总重量、放置电池前的后AGV车总重量进行称重，两者的重量差为被放置的电池的重量，所述的被放置的电池是单节注液后的电池。

3.根据权利要求2所述的水系动力电池注液工艺，其特征在于：上料机器手和下料机器手均对电池进行扫码和测量电压。

4.根据权利要求3所述的水系动力电池注液工艺，其特征在于：上料称重装置与下料称重装置均与中央控制器连接，中央控制器通过单节注液后的电池与单节未注液的电池的重量差自动计算出注液量；同时，中央控制器自动计算出单节注液后的电池与单节未注液的电池电压的压差；通过中央控制器自动核对，前后重量差与注液量差值在允许范围内，电压的压差在允许范围内，装配机器人进行安全阀装配，反之，装配机器人挑出问题电池。

5.根据权利要求1所述的水系动力电池注液工艺，其特征在于：氮气吹扫为脉冲气体，气压相对于外界气压高100～1000Pa。

6.根据权利要求1所述的水系动力电池注液工艺，其特征在于：前AGV车上一次放置30-100节未注液的电池。

7.一种实现权利要求1所述的水系动力电池注液工艺的装置，其特征在于：包括依次排放的前AGV车(1)、上料称重装置(2)、上料机器手(3)、注液装置(4)、下料机器手(5)、下料称重装置(6)、后AGV车(7)和装配机器人(8)；注液装置(4)内设有输送链(16)和伺服电机(17)，伺服电机(17)驱动输送链(16)循环移动，托盘(14)固定设置在输送链(16)上，注液嘴(15)设置在注液装置(4)支架上，注液装置(4)支架上还设有位移传感器(19)和氮气电磁阀(21)，注液嘴(15)内部设有液位信号器(20)，液位信号器(20)与氮气电磁阀(21)相连接。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：托盘(14)设有两个凹口(18)，每个凹口(18)内能够放置一节电池，注液嘴(15)设置两个。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：上料机器手(3)上设有前电压测量端(10)和前扫码机(11)；下料机器手(5)上设有后电压测量端(12)和后扫码机(13)。

10.根据权利要求7-9任一所述的装置，其特征在于：注液装置(4)设置两套。