摘要 本文通过对几种影响动力电池张力的因数进行分析，通过数学建模提炼出可行的解决方案。
关键词 电芯；变转速；张力波动
Several evaluation methods of laboratory comparison results
Zhangchunyan
（Centre Testing International Group Co.，Ltd.，Shenzhen 518101，China）
Abstract Through the introduction of several laboratory comparison methods，this paper expounds how the laboratory evaluates the results in comparison，and provides a scientific evaluation of the differences between the two comparison results and the use of attention.
Keywords reference material；testing laboratory；selection；application
一、引言
锂离子电池是目前世界上最先进的商品化二次电池，随着各种电子产品的发展，对锂离子电池的需求量呈现迅速增长态势，对锂电池生产设备的性能和生产效率提出了更高的要求。锂离子电池电芯的卷绕是锂离子电池制作的关键环节之一，其卷绕张力控制精度、卷绕速度、成品率等指标直接决定了电池性能。
二、张力控制现状
方形锂离子电池卷绕设备，一般采用长方形或菱形的卷针结构，同圆形卷针结构相比，在长方形卷针恒角速转动时，在极片的行进方向上将产生类似正弦曲线的速度分量，造成了电池极片和隔膜卷绕过程中的张力波动，不仅造成电池卷绕过程中极片易拉断，而且限制了电池卷绕速度，从而影响了方形锂离子电池的生产质量和效率。
三、动力电池张力改善方法
需要解决的技术问题就是针对不同的方形卷针结构，如何设计变转速控制参数，实现卷绕中极片的恒线速度行进，进而保证恒张力卷绕。
1. 卷针变转速模型的建立方法
极片卷绕张力控制系统的实物及由单路放料系统与卷针卷绕系统组成的张力控制系统总体结构如图1a所示。图1中张力检测臂4和与之相连的角度传感器（电位计）5构成了一个间接张力检测系统，张力臂的位置变化将间接体现张力的变化。放卷时，控制器将根据张力检测电压值与平衡位置的给定电压值的偏差，控制直流伺服电动机7带动料卷8的线速度，实现放卷过程的张力控制。
由图2所组成的卷绕张力控制系统为张力闭环控制系统，其中被控对象料卷的张力值是由放卷线速度V0和卷针沿料卷行进方向速度分量V1之间的速度差函数。
图3为卷针结构与卷绕过程示意图，卷针由两个梯形合成，采用半轴对插方式，极片卷绕成一个梭
m为o1、o2间距离，图中r1、r2、r3可通过计算得到。当卷针转至B、E为一垂直直线时，定义为初始位置θ0，θ0=p/2-arctg（o2A/o1A）；B、C、o2为一条直线时，定义为θ1位置；C、D、o2为一条直线时，定义为θ2位置；D、E、o2为一条直线时，定义为θ3位置；定义θ4位置，θ4=p+θ1；定义θ5位置，θ5=p+θ2；定义θ6位置，θ6=p+θ3；定义θ7位置，θ7=2p+θ1。设定w为卷针的旋转角速度，V为极片运行速度，∠ Bo1C和∠ Bo1D可事先求得，分别定义为e和f，通过边角关系可得到如下方程：
对上述方程利用matlab软件分析画图，可得到卷针以60r/min的恒定转速旋转时，卷针所要求极片送进速度v与卷绕头转角关系曲线如图4所示，
以上分析中对卷针的卷绕过程中半径变化忽略不计，从图4中可看出卷绕过程中最大速度与最小速度之比近似等于卷针的长与宽之比。方形锂离子电池卷针恒速卷绕所造成的极片行进方向宽范围速度波动是引起卷绕张力波动最主要原因。
2 卷针变转速卷绕
2.1卷针变转速卷绕命题提出
从图2.极片卷绕张力控制系统动态结构图可以看出，若在卷绕过程中通过控制卷针的角速度按特定规律变化，保证卷针沿料卷行进方向速度分量V1保持恒定，这样张力值最容易控制稳定。因此：卷针的卷绕过程中，如何控制卷针角速度实现卷针沿料卷行进方向速度分量V1恒定，即极片行进的恒线速度控制问题。
2.2直接控制卷针角速度实现恒线速度开环控制构想及数学验证
在前面我们推导了卷针卷绕过程中卷绕角速度在不同角度位置处同卷针沿料卷行进方向速度分量V之间的数学描述，如下面等式：
V恒定必须存在不等式（5）所表示的时间范围内，才可实现恒线速度控制。
当V不同时，t的范围不同，因此要在所有的运行时间t ）内实现放卷线速度恒定是不可能的。其它角度范围内得到结论类似，这里不再推导。
利用以上的推导，可以得出如下的结论：在不同时刻，通过控制卷针角速度的方式，实现卷绕过程中卷针沿料卷行进方向速度分量恒定，即所谓的恒线速度开环控制方法，在理论上是不可以实现的。
2.3基于卷针近似逆模型的恒线速度卷绕闭环控制
前面所推出的卷针恒转速模型，从本质上来说是在特定的角度位置处转针的沿极片方向的线速度与转针角速度关系的数学描述，为一个类似正弦的非线性函数关系。为得到卷针近似逆模型，我们采用了小角度内非线性函数线性化的近似实现方法：将卷针在0~2p卷绕区间内细化很多段，每一个段内采用正模型的倒数作为近似逆模型。基于卷针近似逆模型的闭环控制系统模型如图2.6所示。由于近似模型存在的模型误差会造成V1与V0间的不匹配，因此图2.6中仍然采用张力闭环控制回路去修正，使V0保持动态跟随V1的变化效果。卷针实际模型与近似逆模型的不匹配造成V1将围绕放卷电机期望恒线速度小误差范围内正弦波动，因此放卷电机的实际转速V0也将围绕放卷电机期望恒线速度小误差范围内正弦波动。
2.4张力与线速度双闭环控制方法
2.3节中，其逆模型采用了非线性函数的小范围内线性化得到的，该模型存在理论建模误差，无法实现卷针电机真正的恒线速度控制。为此，我们研究了一种新的控制结构，即在原有的张力闭环控制结构外，增加卷针线速度闭环控制结构，控制系统结构图如图2.7所示。
图中，上面的闭环回路为线速度闭环回路，通过测量极片行进线路中编码器线速度测量实际的卷针线速度，通过PID控制，控制卷针电机的实际线速度V1始终跟随放卷电机期望的线速度。下面的张力控制回路用来控制卷绕过程中实际卷绕张力与设定相符，同时补偿由于各种干扰产生的速度不匹配。
采用该方法在测量实际卷绕线速度时，需要在测量回路中增加数字低通滤波器，测量效果更佳。
2.5 卷绕半径计算与补偿方法
实际卷心在卷绕过程中，随着薄膜或极片不断卷绕在卷心上，半径会逐步增大，因此对于相同的角速度，其线速度也会逐步增大。而对于放料电机，对于相同的线速度，随料卷半径逐渐减少，电机所控制角速度需要逐渐增大。这就要求我们卷绕过程中实时测量出卷针和料卷的卷绕半径。
对于方形锂离子电池卷绕，由于每个电池卷绕圈数固定，可以采用每卷一圈，卷芯增加固定厚度的办法确定实时卷绕半径，卷饶中只需要对卷绕圈数实时计数即可。而对于放料电机卷绕半径的实时测量我们一般可采用以下两种方法实现。
<1>精确测量方法：通过在卷绕过程中某一固定时间段内测量线编码器计数脉冲，确定极片在辊上行进的位移。同时测量该时间段内放料电机所转动的角位移，二者相除，即可得到当前时间段内的料卷半径。
<2>特定位置测量+估算的近似测量方法：在料卷的几个特定位置，加光电位置传感器，可以感应到料卷卷到特定位置处的卷绕半径。以这几个特定位置为基准，其它位置采用每转一圈，料卷半径减少固定厚度的方法进行修正，可以近似估算出实时料卷半径。
2.6 张力锥度控制方法
有文献对收卷过程中所卷成的带材变形原因做了如下的分析：已收卷的带材中实际存在的张力，并不等于卷绕时所施加的张力，而是随卷绕的进行而不断减少。如果用恒张力卷绕带材，则由于最终卷成的带材中实际张力的不均匀，将导致以下问题：带材靠内芯处往往出现皱折或挤成锥形突出，其原因是最终在靠近内芯处出现负张力之故。为了解决上述问题，在收卷中普遍采用锥度张力卷绕。即施加于带材上的张力随带材卷径逐步增大而线性地减小，其数学表达式为：f=f0[1-α（1-R0/R）]，其中α为锥度系数，0≤α≤1；R0为卷芯半径；f0为初始张力。
为实现大范围变化的张力锥度控制曲线，一般采用控制张力辊电磁阀模拟电压的方法，该模拟电压同张力设定为线性函数关系。因此，对于每台设备需要事先准确测量该关系曲线以得到所需要的设定张力。
另外在特定张力辊电磁阀模拟控制电压下，可以通过改变张力闭环回路的张力设定值的方法实现小范围内张力设定值微调
3 恒线速度卷绕控制算法实验
3.1基于卷针近似逆模型的闭环控制系统模型
利用前节中的基于卷针近似逆模型的闭环控制系统模型，控制以恒线速度卷绕过程高速卷绕。卷绕中卷针实际为变转速，为同恒转速控制比较，我们利用平均转速描述其运动速度。图7和图8分别为卷针平均转速90r/min时左极片张力电位计变化曲线及左极片放料卷线速度变化曲线。
从图中可以看出，卷针平均转速90r/min时，张力辊电位计波动范围为60左右，但是由于卷绕半径不断增加（即卷针尺寸不断变大），电位计波动位置不断上移。同时，放料卷线速度波动范围为2000mm/min左右。
3.2 改进的卷针近似逆模型闭环控制系统
采用前节的控制方案，由于在张力辊和放料卷中加入一个闭环控制，所以张力辊和放料卷线速度的波动得到了控制。但当转速越来越快时，在极片从张力辊出来经过纠偏机构，在入卷针之前出现了抖动，而这种抖动对极片纠偏造成了极大的影响。因此必须在卷针到张力辊间再加个闭环控制。在反模型曲线作前馈时，再根据张力辊波动范围反馈补偿卷针转速。改进的卷针近似逆系统双闭环模型如图9所示。
图10 为卷针平均转速110r/min时所采用的卷针近似逆反模型曲线，图11平均转速110r/min时的前馈+张力PID补偿后卷针转速曲线，图12 平均转速110r/min时左极片张力电位计变化曲线，图13 平均转速110r/min时左极片放料线速度。
卷针110r/min时，张力辊电位计波动范围不到100，放料卷线速度在3500mm/min左右波动。
极片入卷针处抖动现象明显好转，张力辊电位计波动范围、放料卷线速度都比采用传统方案提高很多
四、结语
采用本方法可在不改变原硬件的情况下，针对不同卷针尺寸，用卷针变速度模型作为前馈，最终实现高转速下极片行进线速度恒定，从而使张力波动范围大大减小，极大地提高了成品质量，增加了整个电芯生产的效率。
作者简介：王强（1979.09），男，本科，主要负责锂电池行业卷绕机方案的推广及核心技术的研制管理等工作。
论文作者:王强
论文发表刊物:《电力设备》2018年第14期
论文发表时间:2018/8/21
标签：卷绕论文; 线速度论文; 闭环论文; 转速论文; 模型论文; 近似论文; 角速度论文; 《电力设备》2018年第14期论文;