基于PLC技術(shù)的廢舊鋰電池自動拆解控制系統(tǒng)

黃 帆

（長沙有色冶金設(shè)計研究院華楚智科，湖南 長沙410019）

0 引 言

近年由于霧霾天氣頻發(fā)，我國的新能源汽車行業(yè)不斷蓬勃發(fā)展，同時也為鋰電池市場帶來了巨大的發(fā)展前景。發(fā)展需求促使鋰電池的生產(chǎn)要求不斷提升，提升的內(nèi)容包括：壽命、質(zhì)量、產(chǎn)量等[1]。廢鋰電池自動拆解設(shè)備的精確度與設(shè)備本身的機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)等諸多因素相關(guān)聯(lián)。在保證機(jī)械結(jié)構(gòu)安全合理的情況下，鋰電池拆解系統(tǒng)的設(shè)計會直接影響到設(shè)備的準(zhǔn)確度、高效性等指標(biāo)[2]。智能化生產(chǎn)是工業(yè)的發(fā)展趨勢，智能化水平的高低是判斷鋰電池拆解是否先進(jìn)的重要指標(biāo)。在拆解廢舊鋰電池的過程中，會產(chǎn)生大量的有害氣體、液體和粉塵等。不僅如此，可能還會發(fā)生著火、漏電等狀況，具有一定的危險性，在拆解過程中可能會對工作人員造成傷害。我國鋰電池的拆解自動化程序還不是很智能，很多拆解流程還需要人工完成，本文就此問題，提出了廢舊鋰電池自動拆解控制系統(tǒng)，希望能夠為此方面提供一些理論與技術(shù)的研究。

1 廢舊鋰電池拆解再利用的現(xiàn)狀

相關(guān)研究顯示，我國在2016年年底，堆積了大批量的廢舊鋰電池，隨后廢舊鋰電池的回收利用應(yīng)運而生。在2017年年初，許多商家將鋰電池包進(jìn)行拆解，得到內(nèi)部的電池單體，將此部分電池作為低耗電的手電筒、五金工具等電池的使用，進(jìn)行回收與售賣，并形成了產(chǎn)業(yè)鏈。2017年大約已有十多家小型的企業(yè)從事此項業(yè)務(wù)。廢舊鋰電池的使用方向還只是這些低能耗的渠道，并沒有得到真正實質(zhì)性的推廣[3]。

1.1 國內(nèi)利用進(jìn)展

我國目前廢舊鋰電池以儲能系統(tǒng)作為主要發(fā)展戰(zhàn)略，國家電網(wǎng)、北京工業(yè)大學(xué)、中國電科院、交通大學(xué)、北京普萊德新能源電池科技公司等單位，陸續(xù)構(gòu)建了鋰電池利用的項目基地。主要針對廢舊的鋰電池拆解后的用途進(jìn)行研究，但這些示范的項目后續(xù)大多數(shù)都不作商業(yè)用途。

1.2 國外利用進(jìn)展

國外對廢舊鋰電池的拆解以儲能為主要研究內(nèi)容，夏普公司開發(fā)了智能功率調(diào)節(jié)器，將車載廢舊鋰電池用于家庭電源的控制管理；日產(chǎn)汽車和住友集團(tuán)合資創(chuàng)建的4R Energy公司，將日產(chǎn)Leaf汽車換下的廢舊鋰電池進(jìn)行回收利用，主要應(yīng)用于家庭和商業(yè)的儲能設(shè)備中；日本伊藤忠商社與美國Ener Del公司進(jìn)行商業(yè)合作，首次將廢舊鋰電池拆解后用于新公寓的建設(shè)中，主要進(jìn)行了推廣梯次的利用；美國Tesla Energy、通用公司及ABB集團(tuán)、德國BOSCH、BMW等公司也進(jìn)行了相關(guān)的研究與利用。同時還開發(fā)了更多可利用的渠道[4]。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1 廢舊鋰電池回收過程

基于上述現(xiàn)狀分析，為進(jìn)一步提高鋰電池回收利用的效率，設(shè)計利用PLC技術(shù)控制廢舊鋰電池的自動拆解過程。在鋰電池的使用中，如果電池放電容量降到初始容量的80%及以下時，該鋰電池就不能滿足車用的標(biāo)準(zhǔn)，則需要更換相應(yīng)新的電池來維持能源車的性能。但電池衰減至初始容量的80%時，仍然具有較好的性能和壽命，只是不適合繼續(xù)使用在能源車中。所以此類回收的鋰電池仍可以將其利用在不具有高要求的電池領(lǐng)域中，如低速電動車、電網(wǎng)儲能、場地車等環(huán)境。不僅能節(jié)約成本，還可以讓廢舊電池有利用價值。目前我國對廢舊鋰電池的回收利用主要是按照余能進(jìn)行分梯次使用，拆解的鋰電池通常為無法繼續(xù)使用的廢舊鋰電池。廢舊鋰電池的拆解回收過程如圖1所示。

根據(jù)電池拆解流程，本文提出了一種基于PLC的廢舊鋰電池自動拆解控制系統(tǒng)。目前，我國大部分的企業(yè)生產(chǎn)的動力鋰電池單體外殼主要材質(zhì)包括鋁殼、鍍鎳鋼、不銹鋼等。單體電池的生產(chǎn)工序，主要是殼體的拆解和電芯的提取。在拆解時，會產(chǎn)生很多有害物質(zhì)，如廢氣、有害液體，有害物質(zhì)會對環(huán)境及工作人員構(gòu)成威脅，所以需要集中收集并對有害物質(zhì)進(jìn)行無害處理[5]。最后將處理分解好的有關(guān)原料進(jìn)行物流存儲，或運輸發(fā)往買家。

2.2 系統(tǒng)方案設(shè)計

本文設(shè)計的自動拆解控制系統(tǒng)主要由七個關(guān)鍵部分組成，分別為料倉部分、HMI觸摸屏部分、主控部分、機(jī)械手部分、環(huán)切部分、切斷部分、取芯部分。

工作的主要流程如下，第一步系統(tǒng)中由機(jī)械手從料倉中進(jìn)行取料；第二步進(jìn)行環(huán)切，主要是對電池從上邊、下邊、后邊進(jìn)行多方位切割；第三步送入切斷機(jī)，主要是切斷具有正負(fù)極的電池頭部；第四步將電芯取出，將電池外殼左右分離，取出電芯，實現(xiàn)整體的拆解。在此過程中，產(chǎn)生的廢氣、廢液等有害物質(zhì)分別集中收集及處理，對于產(chǎn)生的粉塵，也要進(jìn)行相應(yīng)的過濾處理。

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，主控模板主要采用目前比較先進(jìn)穩(wěn)定的模板作為主控部分，然后采用總線技術(shù)、脈沖、信號傳輸?shù)确绞綄崿F(xiàn)整個系統(tǒng)的操控。PLC通過PROFIBUS總線對機(jī)械手進(jìn)行讀取，獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)后，進(jìn)行指令的下達(dá)[6]。通過MOSBUS總線與變頻電機(jī)之間的任務(wù)，實現(xiàn)與料倉、環(huán)切和切斷等模塊之間的數(shù)據(jù)交互。工業(yè)控制計算機(jī)和HMI觸摸屏，主要是在PROFINET總線協(xié)議的基礎(chǔ)上，以組態(tài)的方式和PLC之間形成數(shù)據(jù)的交互。主要的目的是讀取設(shè)備狀態(tài)，同時也對設(shè)備的運行進(jìn)行控制。PLC對于料倉模塊和環(huán)切模塊的控制主要是采用A/B相脈沖的方法使伺服電機(jī)服從生產(chǎn)指令。在對設(shè)備傳感器的采集和氣缸的控制等問題上，PLC主要采用DI/DO點的方式進(jìn)行采集和控制。

4 PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 PLC程序設(shè)計

PLC程序軟件流程如圖3所示。首先，將需要進(jìn)行拆卸的廢舊鋰電池裝入料倉中，然后系統(tǒng)會自動進(jìn)入環(huán)切步驟。在此過程中，利用氣缸夾緊廢舊鋰電池，系統(tǒng)會根據(jù)輸入電池的尺寸進(jìn)行相應(yīng)的計算。通過控制伺服電機(jī)，實現(xiàn)切輪裝置的位置移動，完成整個電池的切割。切割的部位是上部、下部和后部，整個切割完成，系統(tǒng)會將電池的正負(fù)極所在頭部進(jìn)行切斷。在正負(fù)極頂部切割時，基本鋰電池的規(guī)格是相似的，所以采用定長切割的方法。切割完成進(jìn)入取芯步驟，利用伸縮氣缸拆解電池外殼，去除電池的電芯，運送到指定的收集倉儲。最后變成成品實現(xiàn)整裝保存，完成整個電池的自動拆解過程。

4.2 機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計

機(jī)械手代替人手進(jìn)行處理，可以減少對操作人員的損害，同時避免了一些危險，在所有流程的處理中，利用機(jī)械手來實現(xiàn)物件的傳輸與移動操作。在整個操作流程中需要由機(jī)械手完成，所有的機(jī)械手操作環(huán)節(jié)均需要統(tǒng)一控制，同時將相關(guān)的數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)较嚓P(guān)系統(tǒng)后反饋至PLC，如圖4所示。

4.3 觸摸屏模塊設(shè)計

為了能夠讓控制系統(tǒng)更加智能，操作界面更加便捷，因此設(shè)計了觸摸屏操作模塊。HMI觸摸屏模塊主要的作用有：對現(xiàn)場設(shè)備的自動化調(diào)控、故障報警顯示、各種系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置、模塊的調(diào)試、配方數(shù)據(jù)的分發(fā)等。上機(jī)位的主要工作有：所有數(shù)據(jù)的搜集、產(chǎn)量的相關(guān)計量、產(chǎn)品的質(zhì)量數(shù)據(jù)分析、工作狀態(tài)的實時分析、還有各種與數(shù)據(jù)有關(guān)的報表等。

5 結(jié) 論

隨著節(jié)能環(huán)保能源汽車的不斷普及，必將迎來鋰電池市場新的生產(chǎn)高潮，相應(yīng)的廢舊鋰電池也會逐年增多。因此，研究和開發(fā)廢舊鋰電池拆解系統(tǒng)，可以提高我國鋰電池的回收利用，提高我國能源的利用率。