CN204557172U - 一种化成手套箱及其抽真空控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种化成手套箱及其抽真空控制系统，属于锂离子电池生产技术领域。本实用新型采用开合程度可调的比例阀控制抽真空和充氮气的速率，通过露点仪检测手套箱内气体的水分含量，通过真空压力变送器采集箱体的真空压力，PLC根据采集到箱体内的水分含量和真空压力控制抽真空管路和充氮气管路上的比例阀，实现对化成抽真空过程中工艺参数的实时监控和抽真空及充氮气速率的自动控制，有效提高了抽真空效率，避免了人为因素造成的抽真空不足对电池质量的影响，保证了抽真空工艺的可靠实施，提高了化成抽真空过程质量控制能力，提高了电池一致性。

Description

一种化成手套箱及其抽真空控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种化成手套箱及其抽真空控制系统，属于锂离子电池生产技术领域。

背景技术

锂离子电池作为新一代绿色高能可充电式电池，具有电压高、体积小、比能量高、循环性能好、自放电小、无记忆效应、无污染等诸多优点，被广泛地应用于电子、通讯、机械、交通、航空航天及军事等方面。随着锂离子电池在各个领域的大量应用，人们对锂离子电池的性能要求也越来越高，尤其在动力领域表现最为突出，要求电池高压力、高容量、高功率，而现有技术还不能使得锂离子电池满足以上要求，往往由于电池性能不一致或者电池生产过程中某道工序的不合理控制导致电池循环寿命减少、安全性能降低、容量不达标。因此，如何提高电池的稳定性便成为目前一项重要的研究课题。

在实际生产电池过程中，化成工序的抽真空过程直接影响了电池的稳定性。目前，抽真空速率的大小是通过操作人员开启、关闭球阀的大小来控制，不仅无法避免人为误差的存在，而且很难保证抽真空过程中各项工艺参数要求的准确性，如已在国内外众多实验室和生产中使用的德力斯手套箱系统，该手套箱系统就是通过设置在箱体底部的脚踏开关实现对抽真空过程的控制，该控制过程需要人工操作，而人工操作可能会引起抽真空不彻底，若抽真空不彻底，会在电池内部产生大量气泡，阻挡锂离子的传输通道，导致负极表面无法嵌入锂离子，出现电池负极表面黑斑、容量偏低、首次充放电效率低等现象。另一方面，化成手套箱抽真空的对象是已经注液的电池，仅通过开、关球阀操作无法实现抽真空过程中抽真空速率与充氮气速率的调节，一旦抽真空速率过大，将导致电解液倒吸；而充氮气速率过大，会引起氮气压力过大将电解液挤出，都严重影响电池性能；反之，抽真空速率与充氮气速率过小又将严重影响电池生产效率。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种化成手套箱及其抽真空控制系统，以解决目前化成手套箱在抽真空时无法实现自动控制的问题。

本实用新型为解决上述技术问题而提供一种化成手套箱，包括箱体、手套口、与箱体连通的抽真空管道和充氮气管道，所述抽真空管道上安装有第一电磁比例阀，充氮气管道上安装有第二电磁比例阀，所述箱体上安装有露点仪、真空压力变送器和PLC控制器，所述露点仪和真空压力变送器的输出端与PLC控制器的输入端连接，PLC控制器的输出端控制连接第一电磁比例阀和第二电磁比例阀。

所述的第一电磁比例阀和第二电磁比例阀均采用先导控制结构。

所述PLC控制器的输出端上连接有报警器。

所述的PLC控制器上还连接有人机交互模块，该人机交互模块用于接收PLC控制器采集到的状态信号以及向PLC发送控制信号。

所述的人机交互模块为触摸屏。

同时本实用新型还提供了一种化成手套箱的抽真空控制系统，该控制系统包括用于设置在手套箱箱体上的露点仪、真空压力变送器和PLC控制器以及用于安装在抽真空管道上的第一电磁比例阀、充氮气管道上的第二电磁比例阀，所述露点仪和真空压力变送器的输出端与PLC控制器的输入端连接，PLC控制器的输出端控制连接第一电磁比例阀和第二电磁比例阀。

所述的第一电磁比例阀和第二电磁比例阀均采用先导控制结构。

所述PLC控制器的输出端上连接有报警器。

所述的PLC控制器上还连接有人机交互模块，该人机交互模块用于接收PLC控制器采集到的状态信号以及向PLC发送控制信号。

所述的人机交互模块为触摸屏。

本实用新型的有益效果是:本实用新型采用开合程度可调的比例阀控制抽真空和充氮气的速率，通过露点仪检测手套箱内气体的水分含量，通过真空压力变送器采集箱体的真空压力，PLC根据采集到箱体内的水分含量和真空压力控制抽真空管路和充氮气管路上的比例阀，实现对化成抽真空过程中工艺参数的实时监控和抽真空及充氮气速率的自动控制，有效提高了抽真空效率，避免了人为因素造成的抽真空不足对电池质量的影响，保证了抽真空工艺的可靠实施，提高了化成抽真空过程质量控制能力，提高了电池一致性。

附图说明

图1是本发明实施例中的化成手套箱装置的结构示意图；

图2是本发明实施例中化成手套箱的控制原理图；

图3是本发明实施例中化成手套箱的自动控制系统的结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步的说明。

本实用新型的一种化成手套箱的实施例

如图1所示，本实施例中的化成手套箱包括箱体、用于操作的手套口3、用于存放带化成锂离子电池的承载箱体4和与锂离子电池承载箱体连通的抽真空管道8和充氮气管道9，抽真空管道8与外界真空泵连接，真空泵通过抽真空管道8可抽出箱体内的气体，充氮气管道9与外界氮气源连通，外界氮气源通过充氮气管道9向箱体输送氮气，其中充氮气管道9上安装有充氮气电磁比例阀7，抽真空管道8上安装有抽真空电磁比例阀5，箱体上还安装有用于度量气体水分含量的露点仪、用于检测箱体压力的真空压力变送器6和PLC控制器，露点仪包括露点仪探头2和露点仪显示屏，露点仪探头2和真空压力变送器6的输出端均与PLC控制器的输入端连接，PLC控制器的输出端控制连接抽真空电磁比例阀5和充氮气电磁比例阀7，一方面露点仪探头2将检测到露点信息通过露点仪显示屏1显示出来，另一方面，露点仪探头2将检测到的露点信息传送给PLC控制器，真空压力变送器6将采集到箱体真空压力传送给PLC控制器，PLC控制器根据采集到露点和真空压力信息相应的控制充氮气电磁比例阀和抽真空电磁比例阀，实现对抽真空速率和充氮气速率的自动控制。

此外，为了方便操作人员了解在化成抽真空过程中是否出现异常，本实用新型的化成手套箱还包括有报警器，该报警器连接在PLC控制器的输出端，PLC控制器根据实时采集到工艺技术参数控制报警器，这里的控制器可采用声光报警器。

同时，PLC控制器上还连接有人机交互模块，该人机交互模块用于接收PLC控制器采集到的状态信号以及向PLC发送控制信号，这里的人机交互模块可采用触摸屏，通过触摸屏作为操作界面，进行参数设定，这里可设定的参数包括设定真空度设定值、保压时间、循环次数和真空上限值(设备抽真空时，达到该值之后，阀门开始缓慢关闭；在保压期间，真空度低于该值时，阀门自动开启)。

比例阀按其结构形式大致可分为直接控制和先导控制两种，直接控制一般应用于小流量小功率系统中，先导控制一般应用于大流量大功率系统中；在化成抽真空控制系统中，抽真空的速率要求较高、流量相对较大，因此，选择先导控制方式，同时，考虑到电池内部电解液的腐蚀性及可燃性，本实施例中的抽真空电磁比例阀5和充氮气电磁比例阀7均采用不锈钢材质的先导控制结构的比例阀，以减少电解液对阀体及阀芯的腐蚀，实现抽真空、充氮气过程的平稳控制。

本实施例中化成手套箱的抽真空过程主要包括抽真空、充氮气两个部分，该过程需要严格控制的工艺参数主要包括：露点、真空压力值、保压时间及循环次数。在抽真空过程中，为了确保露点仪的露点、真空度等符合工艺参数要求，需要对以上参数数据进行实时监控，若不满足要求，必须及时停止抽真空过程，可参照图2和图3，抽真空过程中关键技术参数的控制方式如下：

露点监测：采集露点仪的模拟量信号，将模拟量信号上传至PLC处理，判断露点是否在工艺要求的范围内，模拟量信号为4-20mA电流，当露点在正常范围内时，输出参考电流值≤12mA；当检测值高于标准值时，输出电流＞12mA，此时输出露点超标报警信号。

真空度控制：通过采集数字式真空压力开关或真空压力变送器的模拟信号，将真空度信号上传至PLC进行处理，经过处理后的真空度数据传输至触摸屏，显示在触摸屏上，当输出电流低于设定值时，PLC输出真空异常报警信号。

保压时间及抽真空循环次数控制：在触摸屏上设定抽真空时间、保压时间、循环次数，设定数据传送到PLC，PLC自动运行设定的程序，可以保证设备按照设定的参数进行抽真空自动运行。抽真空时间到达设定时间后，PLC控制比例阀关断抽真空管道进入保压阶段；保压时间结束后，PLC控制比例阀打开氮气管道进行泄压。

测试过程

抽真空控制精度测试：根据技术规定，真空度的控制精度范围为±1.5KPa，为了使抽真空过程的真空度趋于稳定，可在系统中增加了真空度的闭环控制环节，即当真空度低于某一定值时，抽真空电动阀打开，使其处于抽真空状态，待真空度达到要求的参数后，关闭电动阀门。

本实施例设定了10组不同的真空度，通过PLC控制器实时监控正在抽真空过程中的真空度能否满足其控制精度要求，测试结果(见表1)表明：真空度的控制范围在-1.39KPa～+1.32KPa之间，满足工艺要求。

表1 真空度实际检测表

设定值(KPa)	实际检测最大值(KPa)	实际检测最小值(KPa)	波动范围(KPa)
				50	51.32	48.93	-1.07～+1.32
55	55.74	53.68	-1.32～+0.74

60	60.91	58.73	-1.27～+0.91
				65	65.87	63.79	-1.21～+0.87
70	70.88	69.04	-0.96～+0.88
				75	76.13	73.66	-1.34～+1.13
80	80.97	78.61	-1.39～+0.97
				85	86.22	84.05	-0.95～+1.22
90	91.03	88.94	-1.07～+1.32
				95	96.33	93.83	-1.07～+1.32

保压时间精度测试：按照技术要求，抽真空过程中的保压时间精度应该控制在±1S,即保证抽真空的时间控制在1S以内。当真空度值达到设定值时，真空阀门关闭，此时开始计时，观察显示的保压时间与实际监测时间的差别。

本实施例设定了10组不同的保压时间设定值，然后利用秒表观察其保压时间的准确性，测试结果(见表2)表明：真空达到设定值后的保压时间基本控制在1S以内，满足生产技术控制要求。

表2 保压时间检测表

为了保证电池性能稳定，还对抽真空过程中是否存在电解液洒落现象进行了测试，在人机交互模块的参数设置界面上，将真空度值分别设定为70KPa、80KPa、85KPa、90KPa、95KPa，进行抽真空过程，观察结果显示电池注液口处无电解液溢出，抽真空过程正常。

以上测试结果均表明：本实用新型的化成手套箱抽能够实现恒压闭环控制与抽真空自动控制，具有漏气报警、循环过程及抽真空结束提示等功能；能够实现抽真空过程中关键工艺参数的实时监控；同时，能够有效控制抽真空速率与充氮气速率，避免了抽真空过程电解液溢出对电池性能造成的影响，保证了抽真空过程的平稳运行，提高了抽真空效率，

本实用新型的一种化成手套箱的抽真空控制系统的实施例

如图2所示，本实用新型的化成手套箱的抽真空控制系统包括用于设置在手套箱箱体上的露点仪、真空压力变送器和PLC控制器以及用于安装在抽真空管道上的第一电磁比例阀、充氮气管道上的第二电磁比例阀，其中露点仪和真空压力变送器的输出端与PLC控制器的输入端连接，PLC控制器的输出端控制连接第一电磁比例阀和第二电磁比例阀。露点仪将检测到的露点信息传送给PLC控制器，真空压力变送器将采集到箱体真空压力传送给PLC控制器，PLC控制器根据采集到露点和真空压力信息相应的控制第一电磁比例阀和第二电磁比例阀，对抽真空速率和充氮气速率进行控制，实现了化成手套箱抽真空的自动控制。

本实施例中抽真空控制系统是还包括有报警器，该报警器连接在PLC控制器的输出端，PLC控制器根据实时采集到工艺技术参数控制报警器，这里的控制器可采用声光报警器。

同时，PLC控制器上还连接有人机交互模块，该人机交互模块用于接收PLC控制器采集到的状态信号以及向PLC发送控制信号，这里的人机交互模块可采用触摸屏，通过触摸屏作为操作界面，进行参数设定，这里可设定的参数包括设定真空度设定值、保压时间、循环次数和真空上限值(设备抽真空时，达到该值之后，阀门开始缓慢关闭；在保压期间，真空度低于该值时，阀门自动开启)。

比例阀按其结构形式大致可分为直接控制和先导控制两种，直接控制一般应用于小流量小功率系统中，先导控制一般应用于大流量大功率系统中；在化成抽真空控制系统中，抽真空的速率要求较高、流量相对较大，因此，选择先导控制方式，同时，考虑到电池内部电解液的腐蚀性及可燃性，本实施例中的抽真空电磁比例阀5和充氮气电磁比例阀7均采用不锈钢材质的先导控制结构的比例阀，以减少电解液对阀体及阀芯的腐蚀，实现抽真空、充氮气过程的平稳控制。

该系统的具体工作原理和控制过程与化成手套箱的实施例中的描述相同，这里不再重复赘述。

Claims (10)

1.一种化成手套箱，包括箱体、手套口、与箱体连通的抽真空管道和充氮气管道，其特征在于，所述抽真空管道上安装有第一电磁比例阀，充氮气管道上安装有第二电磁比例阀，所述箱体上安装有露点仪、真空压力变送器和PLC控制器，所述露点仪和真空压力变送器的输出端与PLC控制器的输入端连接，PLC控制器的输出端控制连接第一电磁比例阀和第二电磁比例阀。

2.根据权利要求1所述的化成手套箱，其特征在于，所述的第一电磁比例阀和第二电磁比例阀均采用先导控制结构。

3.根据权利要求1或2所述的化成手套箱，其特征在于，所述PLC控制器的输出端上连接有报警器。

4.根据权利要求3所述的化成手套箱，其特征在于，所述的PLC控制器上还连接有人机交互模块，该人机交互模块用于接收PLC控制器采集到的状态信号以及向PLC发送控制信号。

5.根据权利要求4所述的化成手套箱，其特征在于，所述的人机交互模块为触摸屏。

6.一种化成手套箱的抽真空控制系统，其特征在于，该控制系统包括用于设置在手套箱箱体上的露点仪、真空压力变送器和PLC控制器以及用于安装在抽真空管道上的第一电磁比例阀、充氮气管道上的第二电磁比例阀，所述露点仪和真空压力变送器的输出端与PLC控制器的输入端连接，PLC控制器的输出端控制连接第一电磁比例阀和第二电磁比例阀。

7.根据权利要求6所述的化成手套箱的抽真空控制系统，其特征在于，所述的第一电磁比例阀和第二电磁比例阀均采用先导控制结构。

8.根据权利要求6或7所述的化成手套箱的抽真空控制系统，其特征在于，所述PLC控制器的输出端上连接有报警器。

9.根据权利要求8所述的化成手套箱的抽真空控制系统，其特征在于，所述的PLC控制器上还连接有人机交互模块，该人机交互模块用于接收PLC控制器采集到的状态信号以及向PLC发送控制信号。

10.根据权利要求9所述的化成手套箱的抽真空控制系统，其特征在于，所述的人机交互模块为触摸屏。