一种CMF微型工厂的制作方法

一种cmf微型工厂
技术领域
1.本实用新型属于锂离子电池制造技术领域，涉及一种大规模集成的、微型化的锂离子电池制造工厂,具体地说是一种cmf微型工厂。


背景技术：

2.目前国内外锂离子电池制造工厂的生产线复杂冗长且高度同质化，造成了巨大的人力、物力、财力以及能源浪费。以年产1gwh锂离子电池计算：固定资产投资约5亿元人民币、厂房占用面积约4万
㎡
、用工岗位约600个、生产过程能耗约4500万kwh，生产成本高企不下。致使在纯电动汽车的制造成本中仅动力电池就占据了约45%。
3.并且，在复杂且基本类同的锂离子电池单体结构及其制造工艺的制约下，锂离子电池制造工厂的生产线很难进行突破性改造或升级。迫于生产成本高企不下的压力，大多数的升级改造都是“修修补补”甚至降低控制要求。但这些提高效率、降低人力、物力、财力以及能源消耗的技术手段都是非常有限的，甚至是徒劳的，而且降低控制要求导致的电池寿命短、安全隐患大的问题也十分凸显。


技术实现要素：

4.为解决现有技术中存在的以上不足，本实用新型旨在提供一种cmf微型工厂，以实现对锂离子电池制造工厂大规模集成的微型化制造，进而提高效率、减少能耗、降低成本，以推动低碳经济发展。
5.为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案如下：一种cmf微型工厂，包括封装平台以及按照nce能量模块制造工序集成并镶嵌封装在封装平台上的mds物料配送系统、ses模块组装系统、fvs激活虚拟电库和aps辅助动力系统；
6.其中，mds物料配送系统无缝连接ses模块组装系统，用于自动缓存物料、制备正极干浆和负极干浆，并将物料配送至ses模块组装系统的对应工序中；
7.ses模块组装系统无缝连接fvs激活虚拟电库，用于完成nce能量模块的制造，并将nce能量模块配送至fvs激活虚拟电库中；
8.fvs激活虚拟电库用于完成对nce能量模块的激活检测以及在常温老化工序的充放电储能；
9.aps辅助动力系统用于为mds物料配送系统、ses模块组装系统、fvs激活虚拟电库提供符合nce能量模块制造工艺要求的工况条件。
10.作为本实用新型的限定，所述mds物料配送系统的构成要素根据nce能量模块制造工序设计而成，包括以镶嵌方式固定在封装平台上的mds粉体物料缓存器、mds导电胶球磨装置、mds卧式干浆混料装置和mds零部件立体库；
11.其中，mds粉体物料缓存器、mds导电胶球磨装置、mds卧式干浆混料装置以及ses模块组装系统之间按照nce能量模块制造工序通过输送管道无缝连接；
12.mds零部件立体库与ses模块组装系统之间按照nce能量模块制造工序通过配送机
构无缝连接。
13.作为本实用新型的进一步限定，所述ses模块组装系统的构成要素根据nce能量模块制造工序设计而成，包括至少一组以镶嵌方式固定在封装平台上的ses制膜装置、ses锂电纸复合装置、ses锂电纸立体烘箱、ses容量单元组焊装置、ses能量单元组焊装置和ses模块扣配装置；
14.其中，ses制膜装置、ses锂电纸复合装置、ses锂电纸立体烘箱、ses容量单元组焊装置、ses能量单元组焊装置、ses模块扣配装置以及fvs激活虚拟电库之间按照nce能量模块制造工序通过配送机构无缝连接；
15.ses锂电纸复合装置、ses模块扣配装置分别与mds零部件立体库按照nce能量模块制造工序通过配送机构无缝连接。
16.作为本实用新型的再进一步限定，所述fvs激活虚拟电库的构成要素根据nce能量模块制造工序设计而成，包括至少一组以镶嵌方式固定在封装平台上的fvs真空烤箱、fvs注液箱、fvs静置箱、fvs激活箱、fvs工况定容箱、fvs高温老化箱、fvs虚拟电库和fvs虚拟电库控制柜；
17.并且，fvs真空烤箱、fvs注液箱、fvs静置箱、fvs激活箱、fvs工况定容箱、fvs高温老化箱、以及fvs虚拟电库之间按照nce能量模块制造工序通过配送机构无缝连接；
18.fvs虚拟电库控制柜与fvs虚拟电库之间电连接。
19.作为本实用新型的另一种限定，所述aps辅助动力系统的构成要素包括以镶嵌方式固定在封装平台上的aps变压器、aps制氮机、aps空气压缩机、aps真空泵、aps溶剂回收器、aps模温机、aps制冷系统、aps净化系统和aps控制柜；
20.其中，aps变压器、aps制氮机、aps空气压缩机、aps真空泵、aps溶剂回收器、aps模温机、aps制冷系统和aps净化系统均按照nce能量模块制造工序对应连接mds物料配送系统、ses模块组装系统或者fvs激活虚拟电库；
21.aps控制柜分别电连接aps变压器、aps制氮机、aps空气压缩机、aps真空泵、aps溶剂回收器、aps模温机、aps制冷系统和aps净化系统。
22.由于采用了上述的技术方案，本实用新型与现有技术相比，所取得的有益效果是：
23.（1）本实用新型提供的cmf微型工厂，打破了传统的厂房、生产线、设备以及风、电、水、暖配套设施概念，将制造nce能量模块的所有工厂要素打散重整，分别以镶嵌方式用螺栓或者其它紧固件微型化集成、安装、固定在封装平台的相应部位并进行恒温恒湿的洁净封装，实现了nce能量模块从物料投入到成品产出全过程的微型制造。本实用新型较目前国内外锂离子电池制造的高端水平：工艺路线约缩短60%、生产效率提高约60%、厂房占用面积减少约70%、恒温恒湿净化空间减少约90%、生产能耗降低约65%、生产岗位减少80%、制造成本降低约20%。
24.（2）本实用新型提供的cmf微型工厂的控制方法，采用组态软件使硬件节点大幅度减少85%、控制软件高度集成、运行效率高且安全可靠，适合大规模工业生产和推广应用。
25.本实用新型适用于对新能源汽车及各种化学储能中nce能量模块的制造。
附图说明
26.下面结合附图及具体实施例对本实用新型作更进一步详细说明。
27.图1为本实用新型实施例1整体的结构示意图；
28.图2为本实用新型实施例1整体的内部结构示意图；
29.图3为本实用新型实施例1中mds物料配送系统的结构示意图；
30.图4为本实用新型实施例1中ses模块组装系统的结构示意图；
31.图5为本实用新型实施例1中fvs激活虚拟电库的前视结构示意图；
32.图6为本实用新型实施例1中fvs激活虚拟电库的后视结构示意图；
33.图中：1、mds物料配送系统；2、ses模块组装系统；3、fvs激活虚拟电库；4、aps辅助动力系统；
34.11、mds粉体物料缓存器；12、mds导电胶球磨装置；13、mds卧式干浆混料装置；14、mds零部件立体库；
35.21、ses制膜装置；22、ses锂电纸复合装置；23、ses锂电纸立体烘箱；24、ses容量单元组焊装置；25、ses能量单元组焊装置；26、ses模块扣配装置；
36.31、fvs真空烤箱；32、fvs注液箱；33、fvs静置箱；34、fvs激活箱；35、fvs工况定容箱；36、fvs高温老化箱；37、fvs虚拟电库；
37.41、aps变压器；42、aps制氮机；43、aps空气压缩机；44、aps真空泵；45、aps溶剂回收器；46、aps模温机；47、aps制冷系统；48、aps净化系统；49、aps控制柜。
具体实施方式
38.以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明。应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和理解本实用新型，并不用于限定本实用新型。具体实施方式
39.以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明。应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和理解本实用新型，并不用于限定本实用新型。
40.实施例1 一种cmf微型工厂
41.如图1所示，本实施例包括封装平台以及mds物料配送系统1、ses模块组装系统2、fvs激活虚拟电库3和aps辅助动力系统4。上述各系统要素按照nce能量模块制造工序，通过大规模集成的前段设计模拟、中段制造安装和后段调试检验，最终统一控制集成并封装在封装平台上，形成具备用以完成制造nce能量模块的资源配置、生产执行以及各系统运动要素自动控制功能的cmf微型工厂。
42.需要说明的，“前段设计模拟”是根据锂离子电池结构性能设计大规模集成制造工艺，打散并重整传统厂房、生产线、设备以及风、电、水、暖配套设施的所有工厂要素，再模拟nce能量模块制造工厂功能设计成高度集成的cmf微型工厂；
[0043]“中段制造安装”是根据前段设计模拟将制造出来的mds物料配送系统1、ses模块组装系统2、fvs激活虚拟电库3、aps辅助动力系统4等工厂要素分别以镶嵌方式用螺栓或其它紧固件微型化集成、安装、固定在封装平台的相应部位并进行恒温恒湿的洁净封装；
[0044]“后段调试检验”是将中段制造安装后的上述各工厂要素之间按照nce能量模块制造工序以镶嵌方式进行无缝连接，并统一控制、联调联动，生产nce能量模块产品并检验是否达到设计要求。
[0045]
具体的，本实施例中的封装平台是由钢结构铆焊加工件组装的立体框架，整体用
螺栓或者其它紧固件固定在水泥地板的预埋件上，它包括mds物料配送系统封装平台、ses模块组装系统封装平台、fvs激活虚拟电库封装平台和aps辅助动力系统封装平台四部分，如图1所示，中部为mds物料配送系统封装平台和ses模块组装系统封装平台,并且，mds物料配送系统封装平台设于ses模块组装系统封装平台前方；两侧为fvs激活虚拟电库封装平台和aps辅助动力系统封装平台，并且，fvs激活虚拟电库封装平台设于ses模块组装系统封装平台左右两侧，aps辅助动力系统封装平台设于mds物料配送系统封装平台左右两侧。
[0046]
本实施例中以封装平台为基础架构搭建的cmf微型工厂，结构对称，布局合理、占地面积小。如图2所示，其中的ses模块组装系统2和fvs激活虚拟电库3均设有两组，并且，两组结构相同的ses模块组装系统2、fvs激活虚拟电库3共用同一组mds物料配送系统1和aps辅助动力系统4。其中，第一组ses模块组装系统2和第二组ses模块组装系统2上下对称封装在中部的ses模块组装系统封装平台上，第一组fvs激活虚拟电库3和第二组fvs激活虚拟电库3左右对称封装在两侧的fvs模块组装系统封装平台上。
[0047]
mds物料配送系统1、第一组ses模块组装系统2和第一组fvs激活虚拟电库3配合以aps辅助动力系统4构成nce能量模块第一生产线；mds物料配送系统1、第二组ses模块组装系统2和第二组fvs激活虚拟电库3配合以aps辅助动力系统4构成nce能量模块第二生产线。
[0048]
下面对各系统要素的构成进行具体阐述，需要提前说明的是，本实施例中提及的“无缝连接”指各系统要素执行的多道工序按照nce能量模块制造工序先后通过输送管道、配送机构（输送带、码垛机器人等）形成无缝衔接动作配合。
[0049]
一、mds物料配送系统1
[0050]
mds物料配送系统1无缝连接ses模块组装系统2，用于自动缓存物料、制备正极干浆和负极干浆，并将物料配送至ses模块组装系统2的对应工序中。
[0051]
如图3所示，mds物料配送系统1的构成要素均根据nce能量模块制造工艺设计而成，包括以镶嵌方式固定在mds物料配送系统封装平台上的mds粉体物料缓存器11、mds导电胶球磨装置12、mds卧式干浆混料装置13和mds零部件立体库14。
[0052]
其中，mds粉体物料缓存器11、mds导电胶球磨装置12、mds卧式干浆混料装置13以及ses模块组装系统2之间按照nce能量模块制造工序通过输送管道无缝连接；mds零部件立体库14与ses模块组装系统2之间按照nce能量模块制造工序通过配送机构无缝连接。上述多个构成要素之间更为具体的连接关系，详见实施例2中的步骤s1。
[0053]
本实施例中，上述对应工序之间的配送机构为传送带或者工业机械手。
[0054]
二、ses模块组装系统2
[0055]
ses模块组装系统2无缝连接fvs激活虚拟电库3，用于完成nce能量模块的制造，并将nce能量模块配送至fvs激活虚拟电库3中。
[0056]
如图4所示，ses模块组装系统2的构成要素均根据nce能量模块制造工艺设计而成，包括至少一组以镶嵌方式固定在ses模块组装系统封装平台上的ses制膜装置21、ses锂电纸复合装置22、ses锂电纸立体烘箱23、ses容量单元组焊装置24、ses能量单元组焊装置25和ses模块扣配装置26。本实施例中共设有两组，分别为第一ses模块组装系统2和第二ses模块组装系统2。
[0057]
其中，ses制膜装置21、ses锂电纸复合装置22、ses锂电纸立体烘箱23、ses容量单元组焊装置24、ses能量单元组焊装置25、ses模块扣配装置26以及fvs激活虚拟电库3之间
按照nce能量模块制造工序通过配送机构无缝连接；ses锂电纸复合装置22、ses模块扣配装置26分别与mds零部件立体库14按照nce能量模块制造工序通过配送机构无缝连接。上述多个构成要素之间更为具体的连接关系，详见实施例2中的步骤s2。
[0058]
本实施例中，上述对应工序之间的配送机构为传送带或者工业机械手。
[0059]
三、fvs激活虚拟电库3
[0060]
fvs激活虚拟电库3用于获取ses模块组装系统2生产的nce能量模块，并对其激活检测以及完成在常温老化工序的充放电储能。
[0061]
如图5和图6所示，fvs激活虚拟电库3的构成要素均根据nce能量模块制造工艺设计而成，包括至少一组以镶嵌方式固定在fvs激活虚拟电库封装平台上的fvs真空烤箱31、fvs注液箱32、fvs静置箱33、fvs激活箱34、fvs工况定容箱35、fvs高温老化箱36、fvs虚拟电库37和fvs虚拟电库37控制柜。本实施例中共设有两组，分别为第一fvs激活虚拟电库3和第二fvs激活虚拟电库3。
[0062]
并且，fvs真空烤箱31、fvs注液箱32、fvs静置箱33、fvs激活箱34、fvs工况定容箱35、fvs高温老化箱36以及fvs虚拟电库37之间按照nce能量模块制造工序通过配送机构无缝连接；fvs虚拟电库控制柜与fvs虚拟电库37之间电连接，以使fvs虚拟电库控制柜能够对fvs虚拟电库37传送执行指令。上述多个构成要素之间更为具体的连接关系，详见实施例2中的步骤s3。
[0063]
本实施例中的配送机构为码垛机器人。
[0064]
四、aps辅助动力系统4
[0065]
aps辅助动力系统4用于为mds物料配送系统1、ses模块组装系统2、fvs激活虚拟电库3提供符合nce能量模块制造工艺要求的工况条件。
[0066]
如图2所示，aps辅助动力系统4的构成要素包括以镶嵌方式固定在aps辅助动力系统封装平台上的aps变压器41、aps制氮机42、aps空气压缩机43、aps真空泵44、aps溶剂回收器45、aps模温机46、aps制冷系统47、aps净化系统48和aps控制柜49。
[0067]
其中，aps变压器41、aps制氮机42、aps空气压缩机43、aps真空泵44、aps溶剂回收器45、aps模温机46、aps制冷系统47和aps净化系统48均按照nce能量模块制造工序对应连接mds物料配送系统1、ses模块组装系统2或者fvs激活虚拟电库3；aps控制柜49分别电连接aps变压器41、aps制氮机42、aps空气压缩机43、aps真空泵44、aps溶剂回收器45、aps模温机46、aps制冷系统47和aps净化系统48，以进行相应的指令控制。
[0068]
实施例2 一种cmf微型工厂的控制方法
[0069]
本实施例2采用组态软件通过pac工控机、i/o接口的通讯连接组成工业以太网，控制实施例1公开的cmf微型工厂完成制造nce能量模块的资源配置、生产执行以及各系统运动要素自动控制，它包括按顺序依次进行的以下步骤：
[0070]
s1、资源配置：控制mds物料配送系统自动缓存物料、制备正极干浆和负极干浆，然后将物料配送至ses模块组装系统的对应工序中。
[0071]
首先，控制mds粉体物料缓存器将自动缓存后的电池正负极原辅粉料及溶剂按配比要求输送至mds导电胶球磨装置；其次，控制mds导电胶球磨装置制备导电胶；其三，控制mds粉体物料缓存器和mds导电胶球磨装置，将电池正负极原粉料及导电胶按配比要求输送至mds卧式干浆混料装置；其四，控制mds卧式干浆混料装置制备正极干浆、负极干浆，并输
送至正负极干浆分料器中。
[0072]
上述工序进行时，mds粉体物料缓存器、mds导电胶球磨装置、mds卧式干浆混料装置、干浆分料器以及ses模块组装系统之间的输送管道均为密闭输送管道，且恒温控制在35℃～75℃之间，以防止露天结露；mds零部件立体库室温恒湿洁净控制；正极干浆固含量65%～100%、负极干浆固含量60%～100%，且二者均无流平性。
[0073]
、模块合成：控制ses模块组装系统获取物料后，制造nce能量模块；
[0074]
首先，控制ses制膜装置从正负极干浆分料器中按工艺要求获取正极干浆、负极干浆分别制备正负极膜；
[0075]
其次，控制ses锂电纸复合装置按工艺要求从ses制膜装置中获取正负极膜、从mds零部件立体库中获取电池隔离膜、集流体，制备复合锂电纸并裁切成单片锂电纸；
[0076]
其三，控制ses锂电纸立体烘箱按工艺要求获取单片锂电纸热风烘干定型；
[0077]
其四，控制ses容量单元组焊装置按工艺要求获取烘干的单片锂电纸堆叠并组焊制备容量单元；
[0078]
其五，控制ses能量单元组焊装置按工艺要求获取容量单元堆叠组焊制备能量单元；
[0079]
其六，控制ses模块扣配装置按工艺要求从ses能量单元组焊装置获取能量单元、从mds零部件立体库获取nce壳体，并将nce壳体扣装在能量单元上制备nce能量模块。
[0080]
上述工序进行时，ses制膜装置连续滚压制膜控制温度70～235℃，ses锂电纸复合装置滚压复合锂电纸控制温度70～120℃，ses锂电纸立体烘箱热风烘烤干燥单片锂电纸控制温度80～120℃。
[0081]
、激活检测：控制fvs激活虚拟电库获取nce能量模块后激活检测nce能量模块，并在常温老化工序对nce能量模块充放电储能作虚拟电库；
[0082]
首先，控制fvs真空烤箱通过码垛机器人从ses模块扣配装置中获取nce能量模块，真空烘烤制备干燥nce能量模块；
[0083]
其次，控制fvs注液箱通过码垛机器人获取干燥nce能量模块，加注电解液制备注液nce能量模块；
[0084]
其三，控制fvs静置箱通过码垛机器人获取注液nce能量模块，静置浸润制备浸润nce能量模块；
[0085]
其四，控制fvs激活箱通过码垛机器人获取浸润nce能量模块，充放电激活制备激活nce能量模块；
[0086]
其五，控制fvs工况定容箱通过码垛机器人获取激活nce能量模块，模拟工况条件充放电测定容量制备定容nce能量模块；
[0087]
其六，控制fvs高温老化箱通过码垛机器人获取定容nce能量模块，高温条件下静置老化制备高温老化nce能量模块；
[0088]
其七，控制fvs虚拟电库通过码垛机器人获取高温老化nce能量模块，自动插接串并联组成fvs虚拟电库；
[0089]
其八，控制fvs虚拟电库控制柜按工艺要求控制fvs虚拟电库自动充放电储能老化，制得nce能量模块成品。
[0090]
上述工序进行时，fvs真空烤箱绝对真空压力控制20～1000pa、温度控制80～120
℃；fvs注液箱温度控制室温～80℃，fvs静置箱温度控制室温～75℃，fvs激活箱温度控制室温～60℃，fvs工况定容箱控制潜水1m以下测试，fvs高温老化箱温度控制45～85℃，fvs虚拟电库由fvs虚拟电库控制柜控制nce能量模块能够自由上下线。
[0091]
上述步骤s1、s2、s3进行时，控制aps辅助动力系统为mds物料配送系统、ses模块组装系统、fvs激活虚拟电库提供符合nce能量模块制造工序要求的工况条件。具体为：
[0092]
制备nce能量模块时，由aps控制柜控制aps变压器连接市电网给fvs虚拟电库充入市电网电谷电力电量、控制aps制氮机给fvs真空烤箱提供氮气、控制aps空气压缩机给cmf微型工厂各系统提供压缩空气、控制aps真空泵给fvs真空烤箱提供真空压力、控制aps溶剂回收器回收ses锂电纸立体烘箱的溶剂介质、控制aps模温机给mds物料配送系统提供热水、控制aps制冷系统给cmf微型工厂恒温恒湿环境提供冷媒、控制aps净化系统给cmf微型工厂净化环境提供净化空气。
[0093]
进一步的，aps变压器交流电压ac380v、aps制氮机氮气纯度小于99.999%、aps空气压缩机空气压力小于3kpa、aps真空泵绝对真空压力小于20pa、aps溶剂回收器回收率大于97%、aps模温机温度控制小于90℃、aps制冷系统控制舒适温度、aps净化系统控制洁净度100～10000级。
[0094]
需要说明的是，以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域技术人员来说，其依然可以对上述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。