浙江优特格尔医疗用品有限公司
1.前言
锂电池生产工艺流程比较复杂，可分为极片制作、电芯单元制作和电池组装三个工段。极片制作工艺主要包括制浆、涂覆、辊压、分切、极耳成型等工序，是锂电池制造的基础环节；电芯单元制造工艺主要包括卷绕、叠片、装壳、极耳外壳焊接和注电解液等；电池组装工艺主要包括化成、分选、组装等流程。电芯单元制作的生产工艺主要有两种技术路线，即卷绕法或叠片法。
但是目前叠片机国内只有少数厂家能够生产，但自动化程度不高，其极片叠合精度和极片与隔膜叠合精度不高，影响电池的稳定性，此类设备我国很大部分还依赖国外进口，设备的关键技术和关键部件都被国外垄断，严重影响中国的锂电行业的发展，甚至会引起锂电生产行业的短板效应。因此我国必须尽快自主研发出高端锂离子电池叠片机，向智能化方向发展，发挥中国的本土制造优势，提高自主创新能力，促进锂电整体行业的健康快速地发展。2.研究内容
2.1最优化锂离子电池智能化叠片机机械结构设计
根据叠片工艺要求，叠片时定位精准，避免震荡现象；在叠片过程中，要求正负极片不能互混；极片大小可自行调整，下料时，叠片层避免错位，还要防止电芯在输送过程中碰伤。在上述要求基础上，合理选择机械部件，进行最优化机械设计。参考国内外现有锂离子电池叠片机结构方案，并分析其优缺点，确定锂离子电池智能化叠片机总体布局。机床的总体布局为立体方箱形。
图1 锂离子电池智能化叠片机机械结构示意图
整体设计思路如下：为了定位精确，避免震荡现象，叠片台采用滑台结构，用伺服电机驱动精密滚珠丝杆定位；正负极片压爪分开设计，避免正负材料互混；独立布置正、负极片搬运机构，可单独进行调节；设有正、负极片定位装置，定位板按极片大小做相应的规格件，调整方便；为避免电芯叠片层错位，电芯下料采用机械手放置方式；为避免电芯碰伤，用皮带输送电芯；将设计自动贴终止胶装置。图1为锂离子电池智能化叠片机机械结构示意图。
2.2隔膜智能收放卷及恒张力智能控制系统方案的设计
叠片时收放卷张力变化会引起锂电池局部变形，降低电芯成品的整齐度，也是目前国内锂离子电池成品率低下的主要原因。叠片机在叠片式时，隔膜张力控制系统中速度和张力是交叉耦合的，是多输入多输出的非线性系统；在张力控制过程中，由于卷筒的惯量不断变化及其它一些扰动，系统是时变得。常规传统的控制方法难以满足控制要求，因此选择智能控制方案。本项目选择重复控制为核心的智能控制方案。
在重复控制下,系统在经过最初几个周期的学习以后,能较好地跟踪参考信号。重复控制非常适合用于叠片机这种高速度多重复性的工作场合。重复控制自适应PID控制器主要由参数可调整的PID控制器和重复控制器两部分组成，其关键就是实现 PID 参数自整定，PID 参数自整定就是找出 PID三个参数与偏差e 和偏差变化率 ec 之间的关系，在运行中通过不断检测 e 和 ec，根据重复控制原理来对三个参数KP、KI、KD 实现在线修改，实时控制放卷电机的转速，从根本上解决了张力不能够恒定控制的问题，最终实现高精度叠片，提高锂电池品质，其基本结构如图2。
图2智能锂离子电池全自动叠片机恒张力系统控制原理图
2.3对隔膜放卷的恒张力智能控制系统进行硬件电路和软件设计。
根据系统的技术要求选择较匹配的硬件型号，设计硬件电路，要求可靠性高，抗干扰性强。对张力系统建立数学模型，确定智能控制算法，有MATLAB完成仿真分析后，进行系统软件设计。
目前国内的锂电池生成设备大部分都是有单纯的 PLC 控制，而 PLC 的控制特点是抗干扰性强，稳定性好，在 I/O 逻辑控制方面有一定的优势；但 PLC 也有一定的不足，它不能够实现一些复杂的算法，它的外围接口少，而且价格昂贵。由于本项目研究的对象需要实现智能控制算法，使用 PLC是无法实现该算法，所以不能够单一使用 PLC，需要一种处理速度和运算能力更快的处理器即DSP。因为 PLC 在 I/O 控制方面有它独特的优势，所以本叠片机的控制系统选择 PLC+DSP 的组合。使用 PLC 来控制主要流程，DSP 控制器去处理独立性较强和需要智能控制的模块，控制系统硬件框图如图3所示
图3 锂离子电池智能化叠片机控制系统硬件示意图
3.总结
本项目的设计研究将智能视觉识别原理应用在纺纱筒管的分类分拣中，通过在进料装置设置进料卡盘和进料保护阀，在视觉识别系统采取机器视觉模块OpenMV、PLC控制器和大小头圆盘转向装置，在传送和分拣装置中利用横向传导运输、纵向传导分拣的原理，以及收集桶的人机舒适性设计等来实现整个设备各部分机构的优化，可以为纺织业提供一种高效率的筒管分拣方式。该研究可以很好的提高纺织厂的生产效率与质量，缩短流水线制造时间，克服了传统的人工分类带来的操作效率低下、失误多等诸多弊端，从而带动纺织业整体经济收益的提升。
参考文献：
[1] 韩磊. 锂电池叠片机张力与纠偏控制技术研究[D], 哈尔滨工业大学, 2017.
[2] 胡敏. 方型锂电池卷绕机的张力控制系统研究与实现[D], 哈尔滨工业大学, 2017.
[3] 张辉. 叠片机多吸片检测和控制技术研究[J], 电源世界 2016, (2):55-57.
[4] 朱峰. 硅钢片自动叠片机的研究与设计[J], 机械设计与制造, 2014, (7): 98-102.
[5] 张红梅, 明五一. 全自动锂离子动力电池卷绕机关键技术研究[J], 机电工程技术, 2016, (5): 46-49.
论文作者:张航
论文发表刊物:《中国电气工程学报》2019年第2期
论文发表时间:2019/4/24
标签：锂离子电池论文; 锂电池论文; 控制系统论文; 电芯论文; 卷绕论文; 控制器论文; 系统论文; 《中国电气工程学报》2019年第2期论文;