方型鋰離子動力電池電芯恒壓力測厚技術研究

趙留強　韓洪偉　高楓

（中航鋰電（洛陽）有限公司，河南　洛陽　471000）

方型鋰離子動力電池電芯恒壓力測厚技術研究

趙留強韓洪偉高楓

（中航鋰電（洛陽）有限公司，河南洛陽471000）

針對鋰離子動力電池生產過程中，電芯厚度檢測時人員及測量工具產生的隨機測量誤差，提出恒壓力厚度檢測技術，以解決人為隨機力度變化不可控，檢測時接觸面積小等問題。并詳細介紹了恒壓力控制技術、厚度檢測技術、綜合控制技術的原理及其應用。并對存在的問題提出改善方案，對指導生產、降低測量誤差、增強檢測效果具有實際意義，同時對未來研究方向進行了展望。

恒壓力測厚；電芯厚度

在方型鋰離子動力電池的生產過程中，鋰電池電芯厚度對電池性能及后續生產有較大的影響。電芯的厚度可直觀的體現出極片數量異常、厚度異常、隔膜褶皺等電芯品質信息，同時對后續生產中的裝殼、注液、化成等工序有較大影響。

目前各鋰電廠家在電芯厚度的檢測方法上大致相同，主要利用游標卡尺或高度尺進行多點接觸式人工測量。由于檢測時接觸面積小，人為隨機力度變化不可控，且檢測人員不固定，導致厚度的測量存在較大的人為隨機誤差。造成所測量的數據可信度較低。同時，檢測點較多、檢測周期較長，對生產效率產生了一定的影響。

針對此類問題，恒壓力測厚技術可提供較為理想的解決方案，通過壓力傳感器及伺服系統產生一恒定設定壓力，利用光電位移傳感器在線自動檢測鋰離子

電池電芯的厚度。可有效消除人為測量誤差，增加數據可信度，提高測量效率。

1　恒壓力在線測厚技術概述

鋰電池電芯厚度恒壓力在線檢測設備，其核心技術包含恒壓力控制技術及電芯厚度測量技術兩部分。

通過信息采集處理系統、控制系統、人機交互系統完成鋰電池電芯厚度在線檢測。電芯恒壓力測厚系統原理結構圖如圖1.1所示。

圖1.1　電芯恒壓力測厚系統原理結構圖

1.1恒壓力控制技術

該部分采用伺服傳動系統及壓力傳感器傳感器完成，由伺服傳動機構控制壓力傳感器及測試壓板的位移量，實現測試過程中的恒壓力需求。

圖2.1　恒壓力控制框圖

恒壓力控制實現的總體框圖如圖2.1所示。由控制器、傳動伺服系統、壓力檢測部分構成。通過傳感器檢測得到實測壓力值與系統給定的壓力值進行比較，得到偏差信號輸入控制器進行數據處理。根據數據偏差控制伺服傳動機構，調整測試壓板的位移量實現測試時所需求的恒定壓力值。

測壓力傳感器的最小檢定分度值和其量程相關，一般采用百分比形式表示，所以傳感器的量程選擇對壓力檢測來說是非常關鍵的。

根據經驗，傳感器應該工作在其量程的30％ ～70％之間，并且考慮到在使用過程中可能受到的沖擊力，一般需擴大傳感器量程的20％～30％，使傳感器的測量裕量增大，以保證傳感器的使用壽命和安全。綜合考慮，本課題選擇了合金鋼材質的應變式S形稱重傳感器。圖2.2為其外形結構和內部電路。

圖2.2　壓力傳感器的外形結構及內部電路

1.2電芯厚度檢測技術

電芯厚度檢測部分采用CCD激光位移傳感器，其測量原理使用的是三角測量系統，其中CCD陣列是光接收元件，參考面與待側面之間的距離D即為需測量的位移量。其三角法測量原理［3］如下圖所示。

通過激光源將一束激光照射到被測物面上，由待測物體表面散射的光在CCD陣列上成像。如圖2.3所示，經過光電耦合器件將像信號轉換為電信號，測出待測點O的像點O1相對于參考點A的像點A1的位移量d。當待測點O發生位移時其像點O1根據光學幾何原理發生相對應的位移。其運動關系如下。

其中，D為待測點位移量，d為像位移，m和n分別是參考點A處的物距和像距，α是散射光接收角，β是成像角。根據其關系式即可求得待側面與參考面之間的位移量，通過安裝位置及軟件處理即可獲得所需求的電芯厚度。

圖2.3　CCD激光位移傳感器原理示意圖

2　恒壓力測厚儀技術構成

2.1恒壓力測厚系統構成

根據鋰離子動力電池電芯特性，及其厚度檢測時遇到的人為隨機力度變化不可控，檢測時接觸面積小等問題，電芯恒壓力測厚系統需包含以下基本功能。

①可產生恒定壓力，并可根據需求對壓力值進行調整；

②可進行準確的在線測量，并根據測量數據給出相應的基本判斷。

為滿足以上功能，本課題所設計的恒壓力測厚裝置系統構成如圖3.1所示。

圖3.1　恒壓測厚裝置系統構成

其中包含檢測部分，主要用于厚度、壓力等關鍵信息的采集；人機交互系統，用于控制信號的輸入及壓力、厚度、警示等信息狀態實時的顯示；主控制器用于各種信息的處理、控制運算及執行指令的發出。

2.2恒壓力測厚系統實體結構

電芯恒壓力測厚裝置實體結構示意圖如圖3.2所示。包括結構架（含測試平臺）、信息采集部分、運動執行部分、控制及人機交互部分。

電芯恒壓力測厚裝置工作時，將待測電芯放置于測試區域；伺服電機帶動下壓機構及測壓力傳感器向電芯運動；下壓板與電芯接觸后即可測得實時壓力值；當壓力達到設定值后，伺服系統停止工作；開啟厚度測量儀器對當前電芯厚度進行準確測量，并將信息顯示至人機交互界面，并輸出相應的基本判定信息。

圖3.2　恒壓力測厚裝置系統實體結構圖

1）人機交互單元2）信息處理及控制單元3）伺服控制系統4）運動與執行機構5）機體結構6）壓力檢測單元7）下壓機構8）測試電芯放置區9）厚度檢測單元

2.3在線檢測

以圖3.2為基礎制作恒壓力測厚裝置，并進行對比測試驗證。測量24支電芯樣品，每支電芯人工測量取8個測試點，測量完成后取平均值。恒壓力測厚裝置一次完成測量。測試結果對比見圖3.3所示。通過測試對比可明顯看出，設備測試的穩定性明顯高于手工測試。此試驗批次，其中恒壓力測試的測量極差為1.6，而手動測試的極差為12.4。此外，在生產效率方面有了較大的提升，單個電芯的測量次數由8次精簡為1次。

圖3.3　測試結果對比

3　結論和展望

鋰電池生產過程中，電芯厚度測量時，由于檢測時接觸面積小，人為隨機力度變化不可控，且檢測人員不固定，而導致厚度的測量存在較大的人為隨機誤差。電芯恒壓力測厚技術有效的解決了上述問題，并節約了大量的測量時間，有效的提高了生產效率。

考慮到動力電池的安全特性，其生產過程信息可追溯性將會成為生產過程中的核心環節。厚度數據的采集處理、數據存儲及與電芯ID綁定等技術的綜合應用，應該作為電芯恒壓力測厚技術未來的重要研究方向。

［1］李新覺，劉志剛，余純.基于AMESim壓力開環與閉環控制系統研究［J］.流體傳動與控制，2014，62（2）.

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TF041

A

1003-5168（2015）-12-0061-2

趙留強（1984-），男，河南人，中航鋰電（洛陽）有限公司工程師，研究方向：鋰電設備研究。

韓洪偉（1985-），男，河南人，中航鋰電（洛陽）有限公司工程師，研究方向：鋰電設備研究。

高楓（1983-），男，河南人，中航鋰電（洛陽）有限公司工程師，研究方向：鋰電設備研究。