软包锂离子电池热冷压化成设备
技术领域
本实用新型涉及一种软包锂离子电池热冷压化成设备,属于锂离子电池制造设备的技术领域。
背景技术
软包锂离子电池的生产工艺中,热压、冷压成型和化成三个工序十分重要,化成是用电的能量对电池内部活性进行激活、在电池负极形成SEI膜,以保证电池具有较好的充放电性能与循环寿命;在热压条件下进行化成更使负极SEI膜细腻,增加循环寿命,同时可保证电池具有更良好的外观。
在现有软包锂离子电池生产中,软包电池的化成和热压、冷压定型工序都是分开实施的。这样就造成化成的电池流转工序繁多、生产效率低、设备成本高、占地面积大的劣势。
发明内容
为了克服现有软包锂离子电池生产中存在的上述不足,本实用新型提供一种能缩短工序、电池可通过电池抓手流转、工作效率高且占地面积小的软包锂离子电池热冷压化成设备。
本实用新型采用的技术方案是:
软包锂离子电池热冷压化成设备,其特征在于:包括机架、可变条件充放电电源、热压化成夹具、冷压夹具、上下料机构和电池抓手,所述的可变条件充放电电源、热压化成夹具、冷压夹具、上下料机构和电池抓手均设置于所述的机架并且均受控于一控制机构,所述的机
架的两端均设置有所述的上下料机构,所述的冷压夹具设置于热压化成夹具之间,所述的可变条件充放电电源与所述的热压化成夹具电连接,所述的热压化成夹具和冷压夹具均包括铝层压板,所述的铝层压板与电池相接触;所述的电池抓手一次性抓取电池在所述的上下料机构、热压化成夹具和冷压夹具之间流转;
所述的热压化成夹具的铝层压板包括铝层压板本体、硅胶加热片、电池极耳夹具、用于夹紧待化成的铝离子电池的极耳的接触销、夹具位置调节块,所述的硅胶加热片设置于所述的铝层压板本体底部,所述的电池极耳夹具设置于所述的铝层压板本体的一端端部,所述的接触销设置于所述的铝层压板本体的顶端,并且相互对应的设置于所述的铝层压板本体的两端;所述的夹具位置调节块设置在所述的铝层压板本体的另一端,用于根据电池大小手动调节电池极耳夹具的高度。
所述的热压化成夹具和冷压夹具均还包括伺服电机、减速器、齿轮箱组件、丝杆、压力传感器、推板和导向轴,所述的伺服电机的输出端与所述的减速器的输入端连接,所述的减速器的输出端与所述的齿轮箱组件的输入端连接,所述的齿轮箱组件的输出端与所述的丝杆连接,所述的丝杆穿设于所述的推板,多个所述的铝层压板均滑动地设置于所述的导向轴,两个相邻的铝层压板之间放置有待化成的铝离子电池;所述的丝杆在伺服电机的作用下带动推板沿着导向轴的长度方向水平移动对待化成的铝离子电池加压。
所述的齿轮箱组件包括与减速器传动连接的主传动齿轮、一级传
动齿轮和二级传动齿轮,所述的主传动齿轮与所述的一级传动齿轮相互啮合,所述的一级传动齿轮与所述的二级传动齿轮相互啮合,所述的二级传动齿轮与所述的丝杆键连接。
所述的热压化成夹具和冷压夹具还包括压力检测及自动调整机构,所述的压力检测及自动调整机构包括弹簧组件、压力支撑板、导向杆、与压力支撑板连接的压力检测传感器和用于实时对压力检测传感器进行读取数据并实时进行压力控制调整的检测控制程序,所述的弹簧组件固定在两块所述的压力支撑板之间并且两压力支撑板之间还设置有压力缓冲组件,两块所述的压力支撑板通过所述的导向杆连接,且所述的压力支撑板可沿所述的导向杆的长度方向水平移动。
所述的冷压夹具的的铝层压板包括铝层压板本体和冷却机构,所述的铝层压板本体设置有所述的冷却机构,所述的冷却机构包括进口和出口,所述的进口和出口分别与外部冷却介质连接。
所述的机架上方的横梁上设置有第一导轨,所述的电池抓手与所述的第一导轨滑动连接;所述的电池抓手包括固定架、抓取机构、水平运动齿条、水平运动电机、升降丝杆、上下运动电机和第二导轨,所述的抓取机构固设在所述的固定架上,所述的水平运动齿条控制所述的固定架在所述的第一导轨上运动,所述的升降丝杆控制所述的固定架的上下运动,所述的上下运动电机控制所述的抓取机构的上下运动,所述的水平运动电机控制所述的抓取机构在所述的第二导轨上运动。
所述的抓取机构包括抓取气缸和夹爪,所述的抓取气缸的输出端与所述的夹爪连接。
所述的上下料机构包括设置在托盘架上的上下料托盘、电池夹紧气缸、用于调节电池长度及高度的调节板、用于调整上下料托盘高度的升降调节螺杆,所述的上下料托盘包括若干固定板,相邻固定板之间形成固定槽用以放置铝离子电池,并且铝离子电池放置在长度调节板上相对应的槽中,铝离子电池的底端放置在高度调节板上;所述的固定槽的大小与相邻的铝层压板之间的间距一致。
所述的铝层压板的顶部设置有用于对待化成的铝离子电池进行导向扶正作用的导向块。
所述的可变条件充放电电源包括机箱以及设置在机箱上的单片机、化成功率驱动板、电源开关、系统电源、散热风扇、PLC和加热温度控制板,所述的PLC和加热温度控制板可根据不同容量的锂离子电池化成工艺对每个电池进行充放电控制及实时数据采集。所述的PLC通过通讯接口线与和加热温度控制板与PC组件通讯,PC组件由PC主机和显示屏、触摸屏组成,PC机完成本设备的操作运行。
本实用新型中,电池抓手在PLC指令下可以在机架上灵活平行滑动,抓取机构按照PLC指令可以垂直抓取、放下电池,实现在上下料托盘和冷、热压夹具之间电池物流的移动。其中,电池上下料机构设置在机架的前后端,以便电池物流的流动,减少人工干预。
可变条件充放电电源中,单片机具有中央单片处理器及其程序数据存储器、掉电监测电路、实时时钟电路、译码电路、A/D测量转换
电路、测试采样存储器、通讯接口电路。程序数据存储器内部的空间,用作监控程序及其工作内存;掉电监测电路使用了专用掉电监测电路,当+5V电源下降到4.75V时,它会向CPU发出中断请求信号,使监控程序转入掉电中断服务程序,将化成记录保存下来;实时时钟电路的任务是将电池测试记录与时间联系起来,从而实现电池的容量计算和化成过程的电压-时间曲线、电流-时间曲线,起到对电池进行分类、统计的作用;系统的通讯网络是主从式的,主控计算机(上位机)对各个控制管理单元(下位机)进行发送和接收。
化成功率驱动板是接受单片机的指令,化成电池的充放电电压和电流参数经过处理后传送给单片机,它主要包括充放电的电流、电压参考电压、电参数测量、恒压恒流充放电控制、充放电功率驱动和控制接口电路。从结构上划分为两部分:一是驱动;二是检测控制模块。
每个区都有12位D/A控制转换电路,产生四路程控信号,分别为恒流充电、恒压充电、恒流放电、恒压放电的基准信号,它们输出到恒压-恒流充放电控制电路完成控制功能。化成功率驱动板的电压和电流测量均采用四端法,充放电功率驱动是充放电控制回路中的重要一环,它由一个充电功率管和一个放电功率管组成,另外还有用于精密电流测量的四端电阻,以及对取样电流进行的差分运算放大;驱动化成单元的控制接口电路是用来控制各个电池的充电-放电-休眠状态、显示状态,各个I/0输出口(每个电池配有两个输出口以控制电池的充电、放电和休眠)是通过CPLD实现的。
系统电源含有数字电路的供电电源和模拟电路的供电电源,它是
为系统本身工作需要而提供的。
专用软件由相应的通讯接口来控制的;系统专用软件是在操作系统环境下运行的,它保持了标准化的用户界面,多任务以及硬件的独立性;系统是主从式方式工作的,适合于集散控制的电池化成网络系统。
化成软件具备准确控制限时间、限电压、限电流的每进程结束条件。
计算化成电池充放电容量及能量参数。
可编辑1~250的化成循环次数,每个循环可编辑32个化成步骤,每个化成步骤可由恒流充电、恒压充电、恒流放电、休眠等四种属性可选。
充放电电流可设置,充放电电压由(0~5)V可设置,每步骤时间可由1min~99h99min可设置。
能够实时绘制每节电池化成过程的动态曲线,包括电压/时间曲线、电流/时间曲线、容量/时间曲线和能量/时间曲线、容量/电压曲线等功能菜单。
化成循环的库文件编辑以及修改功能。
时间发送、校准功能。
分设备、分区独立发送化成信息。
新建监测、打开、关闭文档、打印及设置功能。
分类设置及启动化成。
新建窗口、排列图标、层叠平铺分隔显示。
帮助信息的功能。
对已化成的电池进行分选功能,分选标准有容量、充放电曲线等。
每节电池的充放电数据可以形成数据列表形式,供用户查看或打印输出。
软件具备精度校准功能(配合校准工装使用),校准后的参数可下传设备保存。
热压化成夹具为一个具有压力自我反馈能力的闭环系统,可以达到产品加压所需控制压力和压力精度要求;丝杆和导向轴穿设于推板和层压板,在两个相邻的层板之间放置需要化成的锂离子电池。
铝层压板本体通过温度控制器可设置铝板之间的温度,铝板左右两边设置电池极耳夹具和极耳夹具位置调节块可以满足多种电池极耳宽度的电池进行化成作业,铝板的左右上方安装滑动轴承和轴承套,便于推板压紧铝压板本体中的被化成的电池。
冷压夹具为一个具有压力自我反馈的压力与压力精度闭环系统,铝层压板中有冷却机构,在通过冷却介质后双层铝板内电池温度可以迅速下降使电池冷却成型。
上下料机构放置于设备本体的前后两端,固定槽与冷热压夹具铝层压板张开位置在相同的间距内,便于电池抓手正确的将被化成电池移送在固定槽与冷热压夹具铝层压板之间。电池长度高度调节板对于初次放入固定槽的被化成电池的位置可进行初次排列和固定。
本实用新型的有益效果体现在:
1、能缩短工序、电池可通过电池抓手流转、工作效率高且占地
面积小。
2、电池抓手在PLC指令下可以在机架上灵活平行滑动,抓取机构按照PLC指令可以垂直抓取、放下电池,实现在上下料托盘和冷、热压夹具之间电池物流的移动。
3、电池上下料机构设置在机架的前后端,以便电池物流的流动,减少人工干预。
4、热压化成夹具为一个具有压力自我反馈能力的闭环系统,可以达到产品加压所需控制压力和压力精度要求;丝杆和导向轴穿设于推板和层压板,在两个相邻的层板之间放置需要化成的锂离子电池。
5、铝层压板本体通过温度控制器可设置铝板之间的温度,铝板左右两边设置电池极耳夹具和极耳夹具位置调节块可以满足多种电池极耳宽度的电池进行化成作业,铝板的左右上方安装滑动轴承和轴承套,便于推板压紧铝压板本体中的被化成的电池。
6、冷压夹具为一个具有压力自我反馈的压力与压力精度闭环系统,铝层压板中有冷却机构,在通过冷却介质后双层铝板内电池温度可以迅速下降使电池冷却成型。
7、上下料机构放置于设备本体的前后两端,电池托盘固定槽与冷热压夹具铝层压板张开位置在相同的间距内,便于电池抓手正确的将被化成电池移送在上下料电池固定槽与冷热压夹具铝层压板之间。电池长度高度调节板对于初次放入电池固定槽的被化成电池的位置可进行初次排列和固定。
附图说明
图1为本实用新型设备的整体结构示意图。
图2a为本实用新型中机架、可变条件充放电电源的结构示意图。
图2b为图2a的侧视图。
图3为本实用新型中可变条件充放电电源的结构示意图。
图4a为本实用新型中热压化成夹具的侧视图。
图4b为本实用新型中热压化成夹具的俯视图。
图4c为本实用新型中热压化成夹具的立体图A。
图4d为本实用新型中热压化成夹具的立体图B。
图5a为本实用新型中热压化成夹具铝压层板的结构示意图。
图5b为本实用新型中热压化成夹具铝压层板之间的连接示意图。
图5c为本实用新型中热压化成夹具局部结构示意图。
图5d为本实用新型中热压化成夹具的接触销的结构示意图。
图6a为本实用新型中冷压夹具的结构示意图。
图6b为本实用新型中冷压夹具的铝压层板的结构示意图。
图7为本实用新型中电池抓手结构示意图。
图8为本实用新型中上下料机构的结构示意图。
其中
1-机架、
2-可变条件充放电电源、21-单片机、22-化成功率驱动板、23-电源开关、24-系统电源、25-散热风扇、26-机箱、27-PLC和加热温度控制板。
3-热压化成夹具、310-伺服电机、311-推板、312-减速器、313-压力传感器、314-压力缓冲组件、315-弹簧组件、316-接触销、317-夹具位置调节块、318-主传动齿轮、319-齿轮箱组件、320-一级传动齿轮、321-二级传动齿轮、322-丝杆、323-导向块、324-铝层压板本体、325-滑动轴承、326-电池极耳夹具、327-硅胶加热片、328-轴承安装座、329-直线轴承、
4-冷压夹具、41-伺服电机、42-减速器、43-压力缓冲组件、44-压力传感器、45-弹簧组件、46-主传动齿轮、47-丝杆、48-齿轮箱组件、49-一、二级传动齿轮、410-铝层压板本体、411-推板、412-冷却机构。
5-上下料机构、51-托盘架、52-电池挡条、53-升降调节螺杆、54-电池夹紧气缸、55-上下料托盘、56-调节板、57-固定槽。
6-电池抓手、61-水平运动电机、62-升降丝杆、63-抓取气缸、64-上下运动电机、65-上下导杆、66-夹爪、67-水平导杆、68-水平运动导轨轴套、69-水平运动齿条。
具体实施方式
参考图1至图8,软包锂离子电池热冷压化成设备,包括机架1、可变条件充放电电源2、热压化成夹具3、冷压夹具4、上下料机构5和电池抓手6,所述的可变条件充放电电源2、热压化成夹具3、冷压夹具4、上下料机构5和电池抓手6均设置于所述的机架1并且均受控于一控制机构,所述的机架1的两端均设置有所述的上下料机构5,所述的冷压夹具4设置于热压化成夹具3之间,所述的可变条件
充放电电源2与所述的热压化成夹具3电连接,所述的热压化成夹具3和冷压夹具2均包括铝层压板,所述的铝层压板与电池相接触;所述的电池抓手6一次性抓取电池在所述的上下料机构5、热压化成夹具3和冷压夹具4之间流转;
所述的热压化成夹具3的铝层压板包括铝层压板本体324、硅胶加热片327、电池极耳夹具326、用于夹紧待化成的铝离子电池的极耳的接触销316、夹具位置调节块317,所述的硅胶加热片327设置于所述的铝层压板本体底部,所述的电池极耳夹具326设置于所述的铝层压板本体的一端端部,所述的接触销316设置于所述的铝层压板本体的顶端,并且相互对应的设置于所述的铝层压板本体的两端;所述的夹具位置调节块317设置在所述的铝层压板本体的另一端,用于根据电池大小手动调节电池极耳夹具的高度。
所述的热压化成夹具3和冷压夹具4均还包括伺服电机310、41、减速器312、42、齿轮箱组件319、48、丝杆322、47、压力传感器313、44、推板311、411和导向轴,所述的伺服电机的输出端与所述的减速器的输入端连接,所述的减速器的输出端与所述的齿轮箱组件的输入端连接,所述的齿轮箱组件的输出端与所述的丝杆连接,所述的丝杆穿设于所述的推板,多个所述的铝层压板均滑动地设置于所述的导向轴,两个相邻的铝层压板之间放置有待化成的铝离子电池;所述的丝杆在伺服电机的作用下带动推板沿着导向轴的长度方向水平移动对待化成的铝离子电池加压。
所述的齿轮箱组件319、48包括与减速器传动连接的主传动齿轮
318、46、一级传动齿轮320、49和二级传动齿轮321、49,所述的主传动齿轮与所述的一级传动齿轮相互啮合,所述的一级传动齿轮与所述的二级传动齿轮相互啮合,所述的二级传动齿轮与所述的丝杆键连接。
所述的热压化成夹具3和冷压夹具4还包括压力检测及自动调整机构,所述的压力检测及自动调整机构包括弹簧组件315、45、压力支撑板、导向杆、与压力支撑板连接的压力检测传感器和用于实时对压力检测传感器进行读取数据并实时进行压力控制调整的检测控制程序,所述的弹簧组件固定在两块所述的压力支撑板之间并且两压力支撑板之间还设置有压力缓冲组件314、43,两块所述的压力支撑板通过所述的导向杆连接,且所述的压力支撑板可沿所述的导向杆的长度方向水平移动。
所述的冷压夹具4的的铝层压板包括铝层压板本体410和冷却机构412,所述的铝层压板本体410设置有所述的冷却机构412,所述的冷却机构包括进口和出口,所述的进口和出口分别与外部冷却介质连接。
所述的机架1上方的横梁上设置有第一导轨,所述的电池抓手6与所述的第一导轨滑动连接;所述的电池抓手6包括固定架、抓取机构、水平运动齿条69、水平运动电机61、升降丝杆62、上下运动电机64和第二导轨,所述的抓取机构固设在所述的固定架上,所述的水平运动齿条控制所述的固定架在所述的第一导轨上运动,所述的升
降丝杆控制所述的固定架的上下运动,所述的上下运动电机控制所述的抓取机构的上下运动,所述的水平运动电机控制所述的抓取机构在所述的第二导轨上运动。
所述的抓取机构包括抓取气缸63和夹爪66,所述的抓取气缸的输出端与所述的夹爪连接。
所述的上下料机构5包括设置在托盘架51上的上下料托盘55、电池夹紧气缸54、用于调节电池长度及高度的调节板56、用于调整上下料托盘高度的升降调节螺杆53,所述的上下料托盘55包括若干固定板,相邻固定板之间形成固定槽用以放置铝离子电池,并且铝离子电池放置在长度调节板上相对应的槽中,铝离子电池的底端放置在高度调节板上;所述的固定槽的大小与相邻的铝层压板之间的间距一致。
所述的铝层压板的顶部设置有用于对待化成的铝离子电池进行导向扶正作用的导向块323。
所述的可变条件充放电电源2包括机箱26以及设置在机箱26上的单片机21、化成功率驱动板22、电源开关23、系统电源24、散热风扇25、PLC和加热温度控制板27,所述的PLC和加热温度控制板可根据不同容量的锂离子电池化成工艺对每个电池进行充放电控制及实时数据采集。所述的PLC通过通讯接口线与和加热温度控制板与PC组件通讯,PC组件由PC主机和显示屏、触摸屏组成,PC机完成本设备的操作运行。
本实用新型中,电池抓手在PLC指令下可以在机架上灵活平行
滑动,抓取机构按照PLC指令可以垂直抓取、放下电池,实现在上下料托盘和冷、热压夹具之间电池物流的移动。其中,电池上下料机构设置在机架的前后端,以便电池物流的流动,减少人工干预。
参照图1,软包锂离子电池热冷压化成设备包括:机架1、可变条件充放电电源箱2、热压化成夹具3、冷压夹具4、出入料机构5、电池抓手6、PC组件7。
参考图2a至图3,可变条件充放电电源2包括单片机21、化成功率驱动板22、电源开关23、系统电源24、散热风扇25、充放电电源的机箱26、PLC和加热温度控制板27,上述单元组装在一个机箱26中形成独立的可变条件充放电电源,可变条件充放电电源设置在机架1中加热化成夹具3的下方,与上方的加热化成夹具3中的硅胶加热片327,电池极耳夹具324和硅胶加热片327的温控组件进行电气连接。
参考图4a至5d,热压化成夹具3由伺服电机310,推板311,减速器312,丝杆322,压力缓冲组件314,压力传感器313,主传动齿轮、一级传动齿轮、二级传动齿轮318、320、321形成一个具有压力自我反馈能力的加压夹具动力单元机构。
热压化成夹具的铝层压板由铝层压板本体324,滑动轴承325,硅胶加热片327,轴承安装座328,直线轴承329,导向块323,电池极耳夹具326,夹具位置调节块317,接触销316组成,电池放置在2个铝层压板之间,由动力带动推板311和丝杆322再压紧铝层压板324,被化成的铝离子电池保持100℃左右高温和3T左右压力下电池
极耳夹具326与可变条件充放电电源2进行循环充放电,完成激活电池的功能。
参考图6a和6b,冷压夹具4由伺服电机41、推板411、减速器42、压力传感器44、压力缓冲组件43、弹簧组件45、主传动齿轮46、一级、二级传动齿轮49、丝杆47、铝层压板410、冷却机构412组成,在热压化成夹具3环境下进行过循环充放电的电池通过电池抓手6放入到带有冷却机构的冷压夹具4的两块铝层压板410中间,由动力单元再次给电池加压3T左右,冷却至20℃±3℃铝板环境若干分钟后软包电池冷却成型即可出品。
参考图7,电池抓手6包括水平运动电机61、水平导杆67、水平运动导轨轴套、水平运动齿条69、上下运动电机64、上下导杆65、上下升降丝杆62、抓取气缸63、夹爪66。电池抓手接受PLC控制板指令在上下料机构5抓取电池后水平移动到热压化成夹具3上方,然后电池抓手向下移动到热压化成夹具3中电池放置位置后,松开抓取气缸63放下电池,恢复原始位置,电池抓手6接到PLC指令将电池抓夹到上下料机构的固定槽57,使化成电池在本机架的上下料托盘与冷热压夹具中移动。
参考图,8,上下料机构5包括上下料托盘55、托盘架51、电池挡条52、固定槽57、电池夹紧气缸54、电池长度高度调节板56、升降调节螺杆53。从流水线上转移的电池被固定在固定槽57后电池长度、高度调节板56动作,整理齐相同电池位置,然后电池夹紧气缸54动作,便于电池抓手抓取电池。
PC机7通过触摸屏、PC显示器进行人机对话操作。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举,本实用新型的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式,本实用新型的保护范围也及于本领域技术人员根据本实用新型构思所能够想到的等同技术手段。