電池材料燒結窯爐溫度控制及其系統研究

劉智敏

摘 要： 本文主要對我國電池材料燒結窯爐溫度控制系統進行研究與分析，首先對電池材料生產工藝進行分析，在分析的基礎上對整個系統進行分析，首先對電池材料測溫系統及其原理進行解析，在解析的基礎上對于升溫系統及其改進進行詳細概述，希望能夠為電池材料燒結溫度控制提供指導。

關鍵詞： 電池材料燒結窯爐；溫度控制；系統

在提高鋰電池的生產質量中可以從生產過程以及溫度控制入手，完善電池的結構，降低電池生產能耗并提高鋰電池的產量具有建設性意義。電池材料燒結窯爐內部溫度直接關系到電池材料的煅燒程度，溫度波動或者溫度不能良好控制會直接影響電池材料的品質，在我國傳統鋰電池的生產中升溫和測溫系統不能滿足鋰電池的生產要求，因此需要借助信息化技術以及網絡技術來進行電池材料燒結窯爐溫度的升溫以及控制。

1.電池材料生產工藝分析

在電池材料的生產中，一般采用高溫固相反應的方法來制取磷酸鐵鋰。以Fe（CH3COO）2、Li2CO3以及金屬離子氧化物等作為磷酸鐵鋰合成的原材料，并按照相應的化學計量比進行原材料的混合，將原材料置于球磨機中進行球磨并干燥混勻。為保證磷酸鐵鋰能夠正常制備需要采取相應的氮氣以及氬氣等惰性氣體作為保護氣，并首先升溫到300℃將原材料進行初步分解，然后通過升溫系統繼續升溫到600-800℃在此高溫下進行保溫處理，一般保溫時間要超過12h，講過12h反應之后能夠由原材料制備得到所需要的磷酸鐵鋰材料，一般制備的磷酸鐵鋰（LiFePO4）呈橄欖石晶型。

在這一磷酸鐵鋰制備過程中，涉及到初步分解的升溫以及后期的高溫反應兩個升溫過程，為保證反應的正常進行，必須要對兩個升溫過程和保溫過程進行嚴格的控制。

2.測溫系統結構與原理分析

在電池材料燒結窯爐溫度控制系統中，測溫系統是重要的組成部分，通過測溫系統來準確監控窯爐內部溫度以及反映溫度。整個系統包括窯爐溫度采集與發送模塊、窯爐溫度接收與轉發模塊以及窯爐溫度接收與輸出模塊三部分。

2.1窯爐溫度采集與發送模塊

如圖所示，在電池材料窯爐溫度采集與發動模塊中采用熱電偶倆進行窯爐內溫度的檢測，通過熱電偶檢測窯爐內部的毫伏電壓信號，然后將信號通過補償導線傳送給圖示的窯爐溫度發送器；通過這一發送器能夠將接收到的熱電偶信號進行放大和A/D轉換處理，最終轉換為相應的溫度數據，將數據通過無線電傳輸到操作室的接收器當中。窯爐溫度采集與發送系統硬件設置如圖1所示，其中A、B、C是三個發送器，主要承擔數據和信號的傳輸。

2.2窯爐溫度接收與轉發模塊

為實現對電池材料窯爐溫度的監測和控制，需要在窯爐操作室安裝相應的“窯爐溫度接收器”，窯爐溫度接收器如圖2所示。在窯爐溫度接收器中不僅僅有窯爐溫度接收與轉發模塊以及無線數傳模塊，而且還安裝相應的無線數傳天線在機箱外部。經過無線數傳天線接收窯爐溫度，并且經過內部的無線數傳模塊進行窯爐溫度數據的發送與傳輸，將傳輸數據經過計算機系統處理之后最終在窯爐溫度顯示器中顯示出檢測溫度。另外，為保證整個系統的正常運行，還會降低數據傳輸到窯爐溫度輸出器當中。

2.3窯爐溫度接收與輸出模塊

如圖所示，在窯爐溫度接收與輸出模塊中主要由兩部分組成，包括無線數傳模塊和兩個窯爐溫度輸出模塊。其中窯爐溫度輸出模塊功能的實現主要通過高性能單片計算機和光磁隔離電路以及輸出電源等綜合作用實現。在窯爐溫度接收模塊中接收到窯爐溫度，會以無線接收與傳輸的方式轉發回轉窯爐溫度的相關數據，將數據轉換成電流信號進行傳輸，最終由PLC系統在計算機上處理并顯示。

3.窯爐溫度升溫及其控制系統分析

3.1窯爐溫度升溫及其控制系統構成分析

我國的傳統電池材料窯爐溫度自動升溫系統，工控儀主要按照設定方案來實現目標溫度值的傳遞，最終傳遞給溫控儀。結合第二部分窯爐溫度測溫系統將測得的實際溫度和目標溫度進行對比和匹配，經過PID運算最終將運算結果以電流信號的形式傳遞給功率調節器；在功率調節器中將電流信號進行適當的調節并最終將電流信號傳遞給加熱元器件，通過加熱元器件來改變與調節電池材料窯爐溫度，最終達到預設的目標值之后保持穩定。

3.2窯爐溫度升溫及其控制改進系統構成分析

圖5中右側的圖是在傳統升溫及其控制系統基礎上改進得到的。增加了數據存儲采集模塊以及數據庫模塊等，通過對溫度、電壓、電流以及報警數據等數據的實時監測來實現對窯爐溫度以及窯爐運行情況的實時監測，最終能夠將數據進行歸檔最終存儲到數據模塊中。同時在進行改進的過程中還將升溫方案的溫度目標值寫入到溫控儀以及數據庫模塊中。在數據分析管理模塊中還會對系統的加熱電壓以及加熱電流進行分析，通過分析能夠判斷元器件是否損壞或者是否存在問題。另外在窯爐溫度升溫及其控制系統中還增加了報警管理系統，通過實時監測數據采集模塊和數據分析管理模塊中的各項數據和出現的報警信息進行實時監測，并且在這一模塊中設定既定的報警方式，將各項參數存儲記錄到這一模塊中，當出現情況并進行報警的時候會將報警信息進行存儲。

另外在改進的數據系統中還增加了權限管理模塊，通過這一模塊能夠對用戶的訪問權限進行分配和監控。通過這一模塊能夠對用戶的訪問權限進行訪問，對于有權限的用戶能夠至直接訪問，對于沒有權限的用戶會直接拒絕。

4.改進系統優點分析

在本文提出的升溫及控制改進系統中，通過改進能夠保證窯爐溫度與控制更加操作簡便，與傳統的電池材料升溫及控制系統相比能夠極大程度的降低工作人員的工作強度。通過計算機系統進行升溫方案的確定和設置，在設定好升溫方案之后系統能夠按照設定的方案進行升溫，最終能夠達到生產要求的溫度，在磷酸鐵鋰的生產中包括300℃和600-800℃兩個升溫情況正常的進行升溫。在利用這一系統進行升溫以及溫度的控制過程中，不需要專門的工作人員在生產車間進行值守升溫，能夠極大程度的節約人力成本。另外利用這一系統和模塊，能夠靈活的配置升溫方案，和電價以及用電情況相結合，選擇合適的時間與時段進行升溫以及生產，在電價較貴以及用電不穩定的情況下進行保溫處理等，能夠在一定程度上節約物力成本；與傳統的人工手動升溫相比，能夠有效的避免操作失誤情況的出現，提高生產效率與生產質量。

參考文獻

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