张红梅;明五一;彭碧;陈中
【摘 要】大容量动力蓄电池逐渐成为动力电源的主体,但锂电池生产装备仍是制约国内当前锂电池产业发展的一个重要瓶颈.针对上述问题,对全自动锂离子动力电池卷绕机的关键技术展开研究,主要包括一体化控制技术、卷绕变形控制技术和卷绕精度在线检测技术,解决自动恒张力卷绕、在线纠偏等关键难题.综合采用运动控制、伺服驱动、传感器、计算机技术等多种学科和技术,属集成创新,关键技术指标卷绕最终对齐度达到了1.0 mm,达到国际先进水平. 【期刊名称】风叶红娇凤凰螺《机电工程技术》
【年(卷),期】2016(045)005
【总页数】5页(P25-29)
【关键词】全自动;锂离子;动力电池;卷绕机;关键技术
【作 者】张红梅;明五一;彭碧;陈中
【作者单位】广东华中科技大学工业技术研究院广东省制造装备数字化重点实验室,广东东莞 523808;东莞市华科制造工程研究院有限公司,广东东莞 523808;广东华中科技大学工业技术研究院广东省制造装备数字化重点实验室,广东东莞 523808;郑州轻工业学院,河南郑州 450002;东莞市华科制造工程研究院有限公司,广东东莞 523808;深圳吉阳自动化科技有限公司,广东深圳 518000
【正文语种】中 文
【中图分类】TM912
*广东省科技计划项目（编号：2013A090100001，2013B091602001）
大容量锂离子电池逐渐成为动力电源的主体，其中作为绿蓄电池的动力锂电池，以其能量高、工作电压高、工作温度范围宽、体积小、质量轻、贮存寿命长等特点，且具有不会造成二次污染、不具有记忆效应等优点，已成为新能源储能、新能源汽车动力电源、航空航天市场应用的首选［1-4］。
但锂离子动力电池生产装备仍是制约国内当前锂电池产业发展的一个重要瓶颈，如搅拌、
涂布、卷绕、注液作为锂电池制造的关键工艺环节，对装备的依赖性非常高［5-8］。其中，电芯的卷绕成型是锂离子动力电池生产最关键的工艺之一，在卷绕过程中张力控制精度、纠偏能力、卷绕效率等成为了电池产品质量的关键。在锂离子动力电池的生成装备方面，日本的一些公司领先世界，生产工艺已全部实现自动化，良品率达95%以上［9-10］，各项关键指标均优于国内，但是其价格昂贵，且难以适应国内的原材料及生产环境。国内装备在自动化程度、生产速度、生产电池的品质及一致性等方面与国外相比还有明显的不足。
有鉴于此，本项目联合相关企业、高校，在省科技项目专项资金的支持下，针对国内锂离子动力电池卷绕机现有性能不足的问题，通过开展对一体化控制技术、卷绕变形控制技术和卷绕精度在线检测技术的研究，完成全自动锂离子动力电池卷绕机的研发。
锂离子动力电池一般包括由正极、隔膜、负极、有机电解液组成的电芯，以及电池外壳包装等部分组成。全自动锂离子动力电池卷绕机需要实现卷状正、负极极片及隔膜的自动卷绕，包括自动除粉尘、贴终止胶带、短路测试等功能，该装备的工艺流程如图1所示。
结合项目实际需要，所研究的对象为三位一体全自动动力锂电池电芯卷绕机，即具有焊接
极耳、粘贴胶带、卷绕成型三大功能。该装置采用“连续极片插入方式”，包括阴/阳极片放卷机构，隔离膜放卷机构，阴/阳极极耳焊接机构，保护胶带粘贴机构，阴/阳极片主动送料机构，张力控制装置，纠偏控制装置，三工位卷绕装置，尾胶粘贴装置，除静电装置、短路检测装置，良品输送带，人机控制面板等结构。渗透印章
2.1 一体化控制技术
本项目采用高性能的工业CPU，分模块对设备的伺服系统、张力系统、纠偏系统、卷绕系统、检测系统进行控制。工业CPU具有反应速度快，能缩短控制系统的反馈时间，通过与国内普遍使用的PLC控制方式进行比对，发现在速度、准确率、稳定性上都会有很大的提升，这对于设备效率的整体提升有具有很大的实际意义。工业CPU对设备上所有的伺服电机进行控制，运用点对点的控制方式。对张力系统、纠偏系统的控制，采用数据模块，不仅控制相关机构的动作，同时会将相关机构的数据同时进行记录。在对各部分模块进行控制的基础上，将各模块的控制再进行整体的更高层级控制，从而实现卷绕机的一体化的控制，如图2所示，达到所有机构的最优效果。 2.2 卷绕变形控制技术
本项目主要通过张力控制、卷针优化设计及软件程序优化这三大方面来控制卷绕变形的。
（1）张力控制
在锂离子动力电池电芯卷绕过程中，为了减少张力波动，特别在变工况的条件下的动态张力瞬时波动。因而，为了使电芯卷绕线速度趋于恒定，一般普遍提出了加厚卷针、卷针自转同时加入公转、加入调速机械凸轮等方法，如图3（a）～（b）所示。
由于所生产电芯的结构限制，加厚卷针不可能无限制地进行。而其他方法，虽在从理论上可行，但机械结构过于庞大复杂，实现成本比较高，经济上不可行，品种的普适性也不是哼好，也不能设计成多卷针多工位卷绕模式。因而，在本项目中，提出了加入主动送料电机和变角速度控制的方法，选用变角速度方案，它是借助设计好的角速度轮廓周期性的转动卷针，使线速度趋于恒定，实现变角速度卷绕。如图3（c）所示，利用高速响应的伺服电机完成主动送料，按照极片线速度曲线来控制送料速度，从而改善极片加减速惯性力，达到消除张力急剧波动的目的。
本项目中，伺服电机转轴连接张力杆，伺服电机转矩变化，使得施加在隔膜上的张力变化；
苯丙酮合成张力数值可以通过隔膜对机械结构施加的力矩与电机转矩相等来换算，若张力设定为100g，超出设定范围会将信号反馈到控制中心及时进行修正，使张力恒定在一个范围之内。采用变卷速张力控制技术后，张力变化结果如图4所示，可见该方案比恒卷速张力控制有效，能显著改善张力波动的范围。
（2）卷针优化设计
卷针的结构优化设计，首先就要进行对卷针的角速度进行分析，角度与角速度之间的波形图如图5所示，然后进行表面处理工艺优化，最终提升卷绕后的变形控制。卷针结构设计结合设备的动作、材料特性、力学分析、角度分析等方面，设计一种最为合理的卷针结构，从而减少极片在卷绕过程中产生的应力。在卷针的表面处理上，综合考虑多种工艺，从中到一种最符合极片、隔膜材料特性的表面处理方式。
（3）软件程序优化
烧烤箱解决卷绕过程中的张力控制，保证恒张力卷绕从而提升变形控制；张力的波动是导致最终电芯卷绕后产生内部应力的关键，因此，如何控制卷绕过程中产生的张力是一个关键技术。
张力控制方式的发展，目前使用的是第二代气缸控制方式，但这种方式已无法满足将来动力电池的需要，本项目中采用第三代伺服控制方式，通过伺服电机控制张力的调整，如图6所示，在卷绕过程中检测到张力的变化后，通过主控制系统实时反馈，张力机构动作调整张力，从而实现张力的闭环控制。
2.3 卷绕精度在线检测技术
本部分通过对极片的行进纠偏实现对卷绕精度的在线检测。极片行进纠偏原理图如图7所示。在线纠偏技术研究分三个步骤分步研究，分别为数据采集、数据分析和数据反馈，通过逐步完成以上三个步骤，最终实现在线的检测技术。数据采集主要是通过传感器检测到极片在卷绕前的位置数据，将相关数据进行收集，同步输出数据的变化图。数据分析是通过软件对采集的数据进行分析，得到数据变化的趋势，同时对超差的数据进行单独列出；数据反馈是指通过分析后得到的结论，反馈是设备的其它控制单元，其他控制单元进行操作控制，使设备始终处于一个稳定状态。
本项目研发出了具有自主知识产权的全自动锂离子动力电池卷绕机，该装备在满足性能要求的同时降低了我国锂电池制造企业的生产成本，可替代昂贵的进口产品。项目综合采用
调度优化、协同控制、传感器、计算机技术等多种学科和技术，属集成创新，通过关键工艺、新型结构、关键技术等方面的创新研究应用，关键技术指标卷绕最终对齐度达到了1.0 mm，达到国际先进水平。
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