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动力电池虚拟仿真综合实训系统-锂电池生产制造虚拟仿真实训基地

发布时间:2024-02-02

编辑人:灵图互动

阅读量:20

动力电池虚拟仿真综合实训系统基于国内大型电池制造企业锂电池生产工艺,采用三维虚拟现实技术,开发集企业认知、认识实习和实践操作等为一体的典型电池生产流程综合实训系统,解决了高校下厂实习难的教学难题,提高了学生的实践水平、课程成绩和课程满意度,切实提高了专业课教学质量,激发学生自主学习和实践创新的兴趣,建立起锂电池行业、企业、职业、专业的基本认知。

动力电池虚拟仿真综合实训系统主要涵盖电极材料制备虚拟仿真实训模块、电极电芯制备及电池组装虚拟仿真实训模块、电池生产工艺3D典型设备实训模块、电池电化学性能测试实训模块、电池回收工艺实训模块、电池生产全流程实训模块、电池生产先进控制系统实训模块以及电池生产全流程VR虚拟仿真实训系统模块等。

动力电池虚拟仿真综合实训系统

1.电极材料制备虚拟仿真实训模块

电极材料制备虚拟仿真实训模块包含四个子模块,分别是:正极材料制备工艺仿真软件、负极材料制备工艺仿真软件、电解液制备工艺仿真软件、隔膜生产工艺仿真软件。功能模块包含锂离子电池介绍、锂离子电池材料介绍、实验流程介绍、实验设备及操作介绍、实验操作介绍、实验操作安全提示、材料的回收与保存、设备维护等。具体内容如下:

1.1锂离子电池介绍

锂离子电池介绍部分包含锂离子电池的概念和应用背景、电池的组成部件及各部件的特点和功能,囊括锂离子电池的基本概念,以及其它新能源电池的基本知识,内容可模块化,可通过点击不同的模块进行灵活的切换,满足学习和操作的便利。

1.2锂离子电池电极材料

锂离子电池电极材料部分需要包含市场上常用的正极、负极材料、隔膜及电解液等,以及有可能商业化的下一代新型材料。对材料的介绍需包含材料的微观结构、电化学相关的基本物性参数、材料本身的物理化学性质、常用的实验室及商业化制备方法,材料制备的设备介绍、材料使用过程中注意事项及化学性危害等。

1.3实验流程

该部分需选取2~6种电池相关的材料,介绍其制备的工艺流程,需各包含正极、负极、隔膜、电解液各一种具有代表性、普适性的材料的制备工艺。

1.4实验设备及操作介绍

该部分针对(3)中的每一种材料,开发出一套实验室级制备该材料所需要的成套实验设备,针对制备流程中的每一台仪器需具备仪器操作说明及注意事项给予动画演示,同时,设备还需要满足学生自主模拟操作的功能。

1.5实验操作

该部分需要对材料的整个制备流程给予完整的展示,每一步需包含该步操作的目的,还需要包含相邻两步之间的内在联系等,同时,整个流程中的设备需满足学生资助模拟操作的需要。

1.6实验操作安全提示

该部分功能可以包含在设备介绍或设备操作过程中,也可以单独设置教学模块,但不可缺少。

1.7材料的回收及保存

该部分针对上述制备的材料,根据材料的特点,展示适当的收集所制备材料的操作方法,以及根据材料的物性,筛选适合材料长久保存的存储方法。

1.8设备维护

该部分需要结合理论和实际案例,讲解设备在使用完成后的清洗和维护流程。也可将该部分集成到设备的操作模块中。

通过以上模块的学习,我们可以掌握一下内容: 

(1)平台内嵌内容需满足学生对锂电池整体的认知,包含:正极材料、负极材料、电解质、隔膜等相关知识;

(2)虚拟教学需满足学生对材料过程制备的清晰认知,包括:制备材料过程中原材料的选取和称量、材料的制备方法(球磨法、高温固相法等)、成品材料的收集和正确的存储方式、相关设备的使用规范、设备的安全隐患及排查、设备的维护等;

(3)满足学生对相关化学品安全知识的掌握,包括:原材料的危害、材料制备过程中有害废物的防备及处理、成品材料的化学危害性及避免措施等;

(4)通过该仿真软件可以掌握电池正极材料、负极材料、电解液、隔膜的基本原理和生产操作方法并锻炼学生的数据采集和分析方法;

(5)培养学生创新意识,为满足未来从事材料、新能源领域相关职业发展需求提供有力支撑。

2.电极电芯制备及电池组装虚拟仿真实训模块

电极电芯制备及电池组装虚拟仿真实训模块包含两大模块,分别是电极电芯制备工艺和电池组装工艺。此两大模块包含5个子模块,分别是电芯制备认识实习工艺仿真软件、电芯制备生产实习工艺仿真软件、扣式电池组装工艺仿真软件、软包电池组装工艺仿真软件、圆柱电池组装工艺仿真软件。

该功能模块应包含锂离子电池的组成部件介绍、电极制备的工艺流程、电极制备及电池组装的相关设备介绍、扣式电池组装工艺、软包电池组装工艺、圆柱电池组装工艺、安全生产相关细则。具体指标如下:

2.1电池组成部件简介

该模块在模块1的基础上当有所侧重,偏重电极结构的基础知识的重点讲解,服务于后续电极制备过程的教学。

2.2电极制备工艺流程

该模块包含应电极浆料的制备、浆料的粘度测试、浆料的涂覆过程、极片的干燥流程、极片的裁片工艺、极片的保存工艺等。此模块需包含扣式电池的电极制备、软包电池的电极制备、圆柱形电池的电极制备工艺介绍。每一步所涉及的工艺参数模块需着重开发,方便教师的讲解和学生的学习。

2.3电极制备及电池组装的设备介绍

电极制备可与(2)中的工艺协通开发,将每步工艺的细节与每步所涉及的设备结合起来。电极制备设备介绍包括设备的操作、参数的调节、设备的清洗和维护、操作设备的安全事项。电池组装设备包含扣式电池整套组装设备、软包电池整套组装设备、圆柱形电池的整套组装设备。每套设备的教学模块单独设置分支。

2.4安全生产

该模块包含整个电极制备过程中涉及到的化学品安全隐患、机械操作安全隐患、电芯存储及处理安全隐患等,需将上述安全隐患汇总并单独开发出子模块进行教学。

通过以上模块的学习,我们可以掌握一下内容: 

(1)整个教学流程覆盖不同类型(扣式电池、软包电池、圆柱电池)的电极制备过程、包含不同电池组装设备的详细教学、安全生产的教学。满足学生的电芯生产实习和认知实习;

(2)软件所包含的电芯制作的关键操作:配料→涂布→辗压→分切冲片→卷绕\叠片→焊接→封装→注液→化成→抽气封边→检验,能满足学员对电芯制备的操作能力的掌握、提高学生的操作技能;

(3)通过软件操作,掌握电池电芯制备的基本方法以及各种典型设备的使用方法和技巧;

(4)将根据典型锂电池企业真实电芯生产过程场景搭建,参考企业布局、借助3D虚拟环境模拟企业现实的生产环境、条件和流程,使学员具有与真实世界相同的实训体验。

电极电芯制备及电池组装虚拟仿真实训模块

3.电池生产工艺3D典型设备实训模块

电池生产工艺3D典型设备实训模块以锂电池生产工程中典型工艺设备为原型,精选10多个典型单元设备(如混料设备、极片涂覆设备、电极片干燥设备、极片辊压设备、极片模切设备、极耳焊接设备、电芯组装设备、电池外壳冲压设备、注液设备、电池封装设备、电芯化成设备、电池性能测试常用设备等),通过3D动画,视频,图片等多媒体技术,实现学生对锂电池生产相关知识,如生产流程、设备知识、工作原理等的掌握。每台仪器应配置独立的、清晰的操作说明及动画演示,同时满足学生的在线可操作性。此外、涉及到设备操作安全的内容应尽可能全面,且在软件教学功能区着重显示。

4.电池电化学性能测试实训模块

电池电化学性能测试实训模块主要对循环伏安、电化学阻抗和充放电等电化学测试技术进行仿真模拟,通过软件操作,掌握电化学技术的测试原理和操作方法,可帮助电池科研界与产业界更细致深入了解常用电池的测试过程,了解测试方法、原理及应用。具体子模块包括:

4.1锂离子电池性能指标的介绍及评价标准

4.2锂离子性能参数的具体含义(结合实例)

4.3循环伏安法简介和实际应用介绍

4.4循环伏安法测试的电芯操作及仪器参数调节(含不同情况的曲线分析实例)

4.5交流阻抗法简介和实际应用介绍

4.6交流阻抗法测试的电芯操作及仪器参数调节(含不同情况的曲线分析实例)

4.7充放电循环测试的简介和实际应用介绍

4.8充放电循环测试的电芯操作及仪器参数调节(含不同情况的曲线分析实例)

4.9数据的到处及绘图

通过以上模块的学习,我们可以掌握一下内容: 

(1)通过电池性能参数的介绍,使学生了解评判电池电能好坏的指标,明白测试相关电芯参数的重要性;

(2)通过虚拟教学,使学生掌握电化学性能测试相关的循环伏安法、交流阻抗法、充放电循环测试等的意义,能独立胜任电芯相关的测试操作和数据的简单分析;

(3)通过软件学习电池性能测试的基本方法和各种相关仪器的使用方法。拓宽学生的视野,培养学生的动手能力和创新意识,以适应新能源产业迅猛发展的需要;

(4)使学生掌握简单的绘图方法,便于数据整理和结果分析。

电池电化学性能测试实训模块

5.电池回收工艺实训模块

电池回收工艺实训模块针对废旧锂离子电池的拆解分离和回收工艺流程进行模拟,使学生了解电池锂电回收的重要性,掌握废旧电池回收的整理流程,掌握废旧电池回收过程中的安全处理原则。具体模块包括:

5.1整套废旧锂离子电池回收设备

包括:多刀粉碎机、气流分筛机、粉碎机、引风机、集料器、脉冲净化器、分析机、磁选机、分级筛、比重分选机等。

5.2废旧锂离子电池的操作安全培训

包括:废旧电池的存储和转运风险管控、回收过程中的风险管控弄。

5.3整条设备线的虚拟动画演示

5.4单独设备的功能及操作讲解

5.5设备运转时的内部横截面动画展示

通过以上模块的学习,我们可以掌握一下内容: 

(1)使学生掌握电池回收工艺的认识实习和生产实习的相关知识和技能;

(2)使学生掌握电池回收的收集、放电、拆解、粉碎等操作方法;

(3)通过仿真软件教学使学生掌握电池回收流程的基本原理和生产操作细节;

(4)通过搭建典型的企业锂电回收的场景,参考企业布局,借助3D虚拟环境模拟企业的真实生产环境、条件和流程,使学院具有与真实世界相同的实训体验;

(5)培养学生的创新意识,为满足未来从事材料、新能源领域相关职业发展需求提供有利支撑。

6.电池生产全流程虚拟仿真实训模块

电池生产全流程虚拟仿真实训模块,通过高度还原的产线级电芯制备流程,目的在于引导学生将电池制备的工艺从实验室扣式电池级别、中试生产线级别向大型产线电芯制备流程放大,用以培养满足不同岗位需求的电芯制备技术从业人员。其功能化模块包括:工艺基础知识补充模块、自动化投料模拟、自动化电极涂覆干燥工艺模拟,自动化辊压工艺模拟、自动化电极模切模拟、自动化极片卷绕模拟、自动化极片裁片模拟、自动化极片叠片模拟、自动化电极封装冷压模拟、自动化高温静置模拟、自动化注液模拟、化成流程模拟、软包电池二封工艺模拟,电芯分容工艺模拟、电芯K值测试流程模拟等。每个模块的开始需要先讲解每一个工步的目的,上下工步之间的联系。具体模块参数如下:

6.1工艺基础知识补充模块

该模块包含从扣式电池制备工艺到小型软包电芯制备工艺再到大软包电芯及大容量圆柱形电芯制备过程中,随着电芯容量及体积的增大,在工艺上对应的差异及注意事项。

6.2自动化投料模拟

该模块针对百公斤级自动化投料设备的生产流程进行详细的工艺操作讲解、参数调节说明、注意事项、应急处理办法等。该模块需包含锂离子电池生产的干法混料新工艺及钠离子电池电极制备的混料工艺。

6.3自动化电极涂覆干燥工艺模拟

该模块包含对自动化涂覆设备的参数调节与极片厚度、宽度、麻点、断带、面密度测量、应急处理措施等的讲解。温度、温区的调节与极片残余水含量、残余溶剂含量、极片裂纹、脆性之间的关系。除常规的电极涂覆工艺外,该模块还应包含干法电极涂布工艺的详细介绍。

6.4自动化辊压工艺模拟

该模块包含激光测厚仪设备的应用、辊压断带应急措施、极片延展率测试等。

6.5极片模切工艺模拟

该模块需详细介绍模切设备的参数调节与正负极极耳尺寸之间的关系,应包含正负极各1个图纸实例,用以讲解模切时极耳尺寸的裁切。此外,还应包含极片模切过程中,极耳翻折等情况的避免措施。

6.6自动化极片卷绕工艺模拟

该模块着重讲解不同型号的卷针对电极卷芯的不同方面的影响,以及解决措施。

6.7自动化极片裁片工艺与叠片工艺模拟

该模块包含裁片和叠片设备的参数调节与极片尺寸之间的关系,裁片和叠片过程中不同异常的处理方法及原因,电芯X-ray边缘校准的PASS和NG标准等。

6.8电芯封装、高温静置、水含量测试、注液等工艺模拟

这部分工艺相对简单,需包含常规的操作及注意事项,但确保详细。

6.9化成、分容工艺模拟

该部分需介绍化成分容的目的及电流、电压值、压力值、温度值的调节与电芯化成数据之间的关系。

6.10电芯一封和二封工艺模拟

该部分按实际生产流程分开讲解,介绍封口机压力、温度、封口时间与封口密实度之间的关系,并举实例模拟其操作。

6.11K值测试流程模拟

该部分介绍化成电芯的存储要点;荷电状态电芯的拾取操作细节,从而避免意外发生的同时保护电芯,举实例视频辅助讲解非拾取和存储电芯的危害。讲解不同静置时间电芯OCV的采集方法,并讲解K值的计算收集方法。

7.电池生产先进控制系统实训模块

电池生产先进控制系统实训模块主要针对电池生产线的控制架构设计,数据采集和处理方式,采用虚拟教学的方式,使学生掌握现代化制造车间的控制系统的操作技能。具体模块包含:

7.1制造执行系统(MES)的简介

7.2制造执行系统(MES)的子系统介绍

包括:生产管控系统、质量管控系统、工艺实时监控系统、数据对接系统。

7.3各子系统模块界面介绍、参数调节、参数功能介绍、问题排查、故障清楚等

7.4各系统数据收集、结果分析等

通过虚拟仿真教学,使学生掌握和熟练使用MES系统,能通过MES系统,模拟生产过程中组织、生产布局、系统用户、生产时间、产品、物料、工艺路线和基本资料管理的过程;模拟企业经营活动,根据实际需求下发不同生产指标,进行模拟生产;使学生能看懂监控设备和产品参数,计算、分析参数,可以通过观察异常数据,及时发现问题,支援预防性维护;能够通过质量管理系统,实现对产品质量、能耗的监控、分析及控制。

8.电池生产全流程VR虚拟仿真实训系统模块

电池生产全流程VR虚拟仿真实训系统模块基于电池生产全流程模块,开发出依赖可穿戴电子设备,实现学生实际操作虚拟场景的效果,让学生在虚拟世界体会到实际操作的切身感受。该部分包含全套MR虚拟教学所涉及的设备,包括:全系处理单元、光学投影系统、摄像头与传感部分、存储设备、辅助设备等作为硬件平台,基于全方位锂离子电池从材料制备、极片制备、电池组装、电池测试、电池回收等虚拟软件开发,能保证学生在3D抽象化的虚拟空间中,切身感受切合实际生产的企业场景。设备需保证学生不适用键盘、鼠标和显示屏幕,直接使用双手持感应器在空气中操作,即可完成在电脑的所有操作,体验高度还原的真实场景。

基于MR设备,将静态的文字、图片等立体化,增强学习的互动性、去问性、真实感,创设3D模型使抽象的学习内容变得形象化、微观的学习变得可视化、复杂的学习内容变得简单化,帮助学生理解和识记相关概念和操作,增加学生的虚拟实践机会,增强学生的实际操作经验,促进学生快速进入职业状态。

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