高速高精度鋰電池極片卷繞裝備控制系統的研發*

張李超張云周軍周華民王維東

（1.華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室 2.深圳市贏合科技股份有限公司）

高速高精度鋰電池極片卷繞裝備控制系統的研發*

張李超1張云1周軍1周華民1王維東2

（1.華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室 2.深圳市贏合科技股份有限公司）

基于國產鋰電池卷繞裝備大多以可編程邏輯控制器為主控制器，難以實現卷繞高速、高精度的問題，提出一個全局統一的高性能控制系統，采用一個主控制器整合控制系統的加減速、張力、糾偏及邏輯等控制功能，研發了基于高性能控制器的一體化控制系統軟硬件、面向可變角速度運行的張力控制技術、基于偏差耦合控制的多級糾偏控制技術等，并在此基礎上，研制出新型高速高精度鋰電池極片卷繞裝備。

鋰電池；卷繞；控制系統

0 引言

隨著全球化石能源日益短缺和環境污染問題日益嚴重，新能源、可再生能源的開發和利用越來越受到重視。鋰電池是新能源開發和利用的關鍵環節之一，也是新能源儲能、電動汽車、大容量移動設備等發展的瓶頸，已成為研發熱點[1-2]。卷繞是鋰電池制造的核心工藝，將鋰電池的正、負極極片及隔膜按照一定的要求卷繞成電池芯體[3-4]。由于電芯性能的好壞直接影響電池的質量，因此卷繞機是生產鋰電池過程中的一個重要生產設備。

目前國際上生產卷繞裝備的主要企業有日本的Kaido、CKD，韓國的Koem等[5]。1992年，Kaido率先開發了BHW-1、BHW-2等半自動鋰電池卷繞機，隨后又發布了BJR-II型卷繞機，該設備通過卷繞時張力和反張力的控制機構、正負極片張力調節筒移動檢測系統、邊緣位置激光指示控制反饋系統和卷繞部凸輪驅動機構等輔助裝置實現全自動化的卷繞加工[6-7]。目前Kaido公司生產的圓形鋰電池全自動卷繞機（KAWM系列）已實現基于三工位的全自動卷繞，正負極片寬度方向精度偏差達±0.3 mm。CKD公司作為另一家知名的鋰電池卷繞機生產商，其研發CEW-100型鋰電池全自動卷繞機在精度控制方面有其獨有的技術，包括將各種材料完全分離，控制各區域內的氣流防止粉塵混入的區域封阻技術以及保證高精度卷繞的獨立多級糾偏技術。

我國對鋰電池卷繞裝備的研制和生產始于2002年，2004年北京七星華創公司開發的自動化電池卷繞機X81-2-DZ開始投入市場應用。此后，珠海華冠、深圳贏合、深圳吉陽、深圳雅康等企業相繼投入到鋰電池卷繞機的研發中[4]。現有國產鋰電池卷繞機的卷繞效率約10 ppm～15 ppm（極片長度≤800 mm），精度偏差約±0.5 mm，與國外產品的差距仍然很明顯。且市場上大部分國產卷繞機仍為半自動化設備（約占卷繞機設備的80%），生產過程需要大量的人工操作，效率低、成本高、產品質量不穩定[4,8-9]。

目前，國產鋰電池卷繞設備大多采用可編程邏輯控制器（PLC）作為主控制器，但隨著鋰電池質量要求的不斷提高，對其卷繞設備控制系統性能也提出了新的要求，基于PLC構建控制系統的難度變得越來越大。此外，由于受到PLC架構上偏置邏輯控制的限制，在復雜工藝數據處理能力方面，已很難滿足高速、精確的運動及復雜工藝控制需求[4,10]。因此在卷繞過程中還需要加入獨立的張力控制器、多級糾偏控制器和極片自動輸送裝置等。這些裝置的控制邏輯與PLC相對獨立，但控制對象卻相互耦合，無法實現全局優化的統一控制，對裝備精度和速度的繼續提高造成瓶頸[4,11-12]。

為提高鋰電池卷繞裝備的精度和效率，本文提出一種全局統一的高性能控制系統，基于高性能控制器的一體化控制系統軟硬件，實現對面向變角速度運行的張力控制、基于偏差耦合控制的多級糾偏控制的全局統一控制，由此提高控制系統，在確保極片對齊精度的前提下提高了卷繞速度。

1 主控制系統設計

1.1 主控制系統架構設計

傳統的卷繞裝備一般基于PLC，雖簡單易用，但PLC架構上偏重邏輯控制，工藝數據處理能力弱，復雜的運動控制及工藝控制需要外部的專用裝置實現，無法實現全局統一控制。為解決傳統控制系統架構存在的問題，采用基于高性能運動控制器的集中化解決方案，如圖1所示。采用的高性能運動控制器具備完整的工藝數據處理能力和全數字化總線傳輸能力，以多軸聯動運動控制功能為主體，同時整合了完備的PLC邏輯處理功能，可深度定制糾偏、錐度張力控制等需要復雜工藝計算能力的軟件模塊。其特點是在一臺控制器中完成以往需要PLC、運動控制器（驅動器）、各種糾偏、張力等工藝控制器聯合完成的實時控制任務，且內部控制邏輯為系統級別的整合，可實現全局最優化控制策略。

圖1 基于高性能控制器的集中控制系統架構

在系統硬件聯接方面，基于Drive CliQ、ProfiNet及工業以太網等數字化總線聯接運動控制器、各類傳感器及伺服電機等執行機構，其特點為控制器可實時獲取伺服電機內部的力矩、電流等關鍵狀態信息，也能實時設置電機的最大輸出力矩、精確位置控制等指令，實現力矩與位置環的統一控制。

在控制系統硬件組態方面，設計基于二級虛擬主軸的主從式同步架構。系統核心為1根虛擬主軸控制整個裝備的整體運行節拍，以此為基準實現整個系統的同步運行，再設置4根虛擬從軸分別指代裝備中正極極片、負極極片和兩個隔膜的運行節拍，它們分別跟隨虛擬主軸同步運行。諸如每個正負極片、隔膜上的執行機構則跟隨上級虛擬從軸運行。其優點是解除了系統中各個電機的直接耦合，以二級主從式的隨動關系確保整個系統的同步運行，其隨動關系由軟件（基于函數關系計算的復雜曲線，類似電子凸輪，也可根據參數設置實時演算。除了位置同步之外，對不同的控制對象采用不同的同步映射關系，如對張力控制將采用力矩同步模式運行）實現，具備較大的柔性。

1.2 系統軟件架構設計

在控制系統軟件開發方面，以面向控制任務的ST語言進行編程，較傳統的梯形圖編程模塊化程度和抽象化程度高得多，有助于實現復雜的軟件架構，可將系列化的鋰電池全自動卷繞裝備統一到一個軟件框架下，只是裝備的參數設置及某些工藝計算/執行模塊配置不同，這樣的優點在于系列裝備只需要維護一套統一的軟件代碼，有助于產品線的拓展和整個產品線的同步升級與維護。

系統軟件物理上分布在3個不同的硬件裝置上，具體的軟件架構如圖2所示。

圖2 卷繞裝備的總體軟件架構

1)實時控制軟件，運行于運動控制器上，執行裝備中所有與實時控制相關的功能，主要包括：運動、邏輯及工藝（含張力、糾偏等）控制；整個裝備的同步性管理及工藝規劃；底層安全控制。

2)HMI軟件，運行于裝備控制面板的觸摸屏HMI上，該軟件比較簡單，功能包括裝備的運行狀態顯示及基本的參數設置與指令輸入。

3)PC機軟件，運行于工控機上，完成所有非實時性的參數優化、狀態監控、數據記錄等工作。該軟件不參與任何實時性的控制工作，理論上即使工控機失效，裝備在運動控制器的控制下仍然能繼續正常工作，但該軟件卻是實現本裝備高端化、高可管理性、高可靠性必不可少的關鍵環節，主要包括2部分功能：

① 監控與工藝優化，基于故障診斷與工藝優化專家系統內核，可根據用戶設置的最終目標參數自動優化匹配具體的加工執行參數，也可根據監控裝備的運行狀態及控制系統的底層運行數據發現裝備的早期故障；

② 工業IT，本軟件是聯接制造裝備到企業信息系統的橋梁，它將裝備生產的具體信息存儲在數據庫中并提供豐富的查詢、報表與分析機制，實現了歷史產品的可追溯性、生產過程管理和日志等高端功能。并可基于數據挖掘功能從海量的生產過程數據中分析產品的良品率與材料、工藝設置參數之間的關系，從而有助于獲取最優的加工參數。

2 面向可變角速度卷繞的張力控制

在正常的電芯卷繞過程中，必須確保料帶保持一定的張力，張力過大會造成料帶變形，直接影響卷繞效果，或者造成料帶拉斷；張力過小，不僅可能造成廢品，還可能導致不能進行正常的卷繞操作。

為保證在高速、長流程運行條件下的張力控制性能，除了在料帶的放卷及收卷設置了張力控制裝置外，本文在儲料處也增加了張力輔助控制機構，確保整個工藝流程中的張力是連續的，保證整個系統中料帶張力的穩定性。

2.1 放卷及儲料處張力控制

為保證極片卷繞裝備在高速工作時張力與線速度的穩定性，在料帶放卷及儲料處的張力控制采用基于交流伺服電機力矩控制的全閉環張力控制方式。其交流伺服電機工作在力矩指令模式，由主控制器根據張力傳感器反饋信息、工藝設置參數及系統整體運行信息實時計算發出數字化的力矩指令調節電機輸出轉矩，其特點是張力控制精度高、穩定性強、響應快。較傳統張力控制中使用磁粉離合器+電機方案而言，精度更高、響應更快，可控制的卷徑變化范圍更大，在高速卷繞中優勢更加明顯，且可靠性高，不需要更換磁粉，維護費用低。

由于張力控制算法在主控制器中，主控制器擁有料帶行進過程中的全部狀態信息，在系統的啟動、制動、加減速運行過程及系統中出現其他擾動因素時，主控制器可實時進行補償以保證系統張力的穩定性，而不會出現振蕩或沖擊。

張力檢測采用2種方式應對不同的電芯形狀。對于圓形電芯卷繞裝備，采用張力傳感器對張力直接進行檢測。張力傳感器與機械緊密地結合在一起，沒有移動部件，其優點是檢測范圍寬、響應速度快、線性好。但張力傳感器不能吸收料帶中張力的峰值，對于方形電芯卷繞裝備，由于方形電芯在卷繞過程中電機角速度時刻處在快速變動中，可能會產生瞬間的張力跳變，因此采用張力擺動輥/反饋復合式張力檢測方式，該方式可同時檢測由張力擺動輥電位器輸出的擺動輥位置信號和張力傳感器輸出的張力信號，從而可向系統提供更高精度的張力控制數據；并且張力擺動輥對大范圍張力跳變具備吸收和緩沖功能，可抑制控制系統來不及處理的張力波動，提高系統的可靠性。

2.2 收卷張力及線速度控制

料帶的行進速度是由收卷電機決定的，因此收卷電機必須先進行料帶速度控制。在放卷端已經實施了料帶張力控制后，收卷端料帶的張力已經基本與放卷端料帶張力一致，收卷端料帶新引入的張力變化量主要在于極片變速運動時帶動每個輥子變速轉動時需要克服的慣性力，它的大小與極片加減速時的加速度值及每個輥子的轉動慣量有關。此外如果系統中引入了張力擺動輥，在料帶變速運行時張力擺動輥會在某個角度范圍內周期擺動，這個擺動加速度產生的力也會改變張力。可見收卷端張力保持恒定的核心問題在于保持收卷時料帶線速度的平穩性，不會引入速度波動。

由于方形鋰電池電芯卷針的形狀為扁形，為保證料帶線速度恒定，需要電芯收卷電機角速度周期性跳動，不良的控制設計難以保證線速度的絕對恒定，甚至會引入新的動態張力波動來源。因此，首先研究收卷過程中方型卷針在收卷過程中的動態模型，得到了方型卷針角速度與收卷線速度的映射函數，并且反推得到了方型卷針收卷線速度恒定時的角速度與位置的曲線關系。在此基礎上，結合電芯卷繞過程中卷徑增大的數學模型可獲得理想情況下電機角速度的運轉曲線函數，以此作為電機的前饋控制依據。系統張力控制模型如圖3所示。在收卷端前面設置編碼器獲取料帶線速度進行線速度閉環控制，由此保證線速度的穩定性。

圖3 系統張力控制模型

3 基于偏差耦合控制的多級糾偏控制

3.1 糾偏系統設計

糾偏性能的優劣是影響鋰電池極片、電芯卷繞工作性能及產品質量的關鍵指標。通過對糾偏產生原因進行理論分析及模擬實驗，設置三級糾偏機構：

1) 一級糾偏（平動糾偏），極片自動放卷后的平動糾偏裝置主要是為了防止上道工序生產的料卷可能有不整齊、錯層或塔形現象，從而保證料帶能一開始就準確地沿著輥子中心傳送；

2) 二級糾偏（扭動糾偏），極片經過儲料機構前的扭動糾偏裝置主要是為了防止料帶傳送距離過長、輥子機械安裝精度等因素造成料帶跑偏。儲料機構作為連接極片與電芯卷繞的中間過渡環節，最適合做二級糾偏；

3) 三級糾偏（扭動糾偏），極片進入卷繞時的扭動糾偏裝置主要是為了保證料帶在卷取時邊緣平齊，達到電芯預定的設計要求。

通過以上多組糾偏控制，可以有效地保證電芯卷繞對齊度，提高了良品率。

3.2 平動糾偏的機械結構設計

平動糾偏用于極片經過自動放卷進入極片卷繞裝備后的第一級糾偏。由于極片料帶來源與卷繞品質不能確定，可能出現不整齊、錯層或塔形等情況，并且可能在放置料帶、極片運動前，位置已經有偏差，這時必須采用立刻將極片平移到正確位置的實時平動糾偏方式，才可以保證后繼工序的正常運轉。

本文提出一種可沿軸向運動的糾偏過渡輪的糾偏方案：行進中的電池極片是繃繞在若干固定輥輪上的，極片本身是張緊的。糾偏過渡輪位于適當的位置使得行進中的極片貼靠在糾偏過渡輪上，如果極片出現偏斜，動力裝置沿著糾偏過渡輪的軸向驅動糾偏過渡輪朝著與極片偏斜相反的方向運動，糾偏過渡輪表面與極片之間的摩擦力使得極片朝著與偏斜相反的方向運動，達到糾偏目的。

為適應料帶的各種極端偏移方式，有時料帶的持續偏移量會超過糾偏過渡輪的最大軸向運動量，為保證糾偏持續有效，在機構上還需要設置一個讓極片脫離糾偏過渡輪的過渡裝置。當檢測到糾偏過渡輪在軸向方向的位置超出允許范圍時，過渡裝置使糾偏過渡輪與極片脫離，然后在控制單元控制下，動力裝置驅動糾偏過渡輪沿著與糾偏方向相反的方向運動，直至糾偏過渡輪回復至適當的位置，糾偏過渡輪與極片重新接觸，這時如有需要，糾偏過渡輪可以沿著原來的糾偏方向繼續運動。由此可以實時糾正任意大偏移量的料帶。

3.3 扭動糾偏的機械結構設計

經過一級糾偏后，極片等料帶已經不會出現突發的大位移偏移，而是由于機械安裝的系統誤差等原因產生的微小但持續的偏移，這時采用扭動糾偏最合適。電機驅動糾偏輥繞旋轉軸轉過一定角度，根據輥上的摩擦力，使料帶發生反向持續位移，因此料帶的橫向位移為糾偏輥旋轉角度對時間的積分，其中糾偏輥旋轉角度的分辨率決定了糾偏分辨率，因此要求保證糾偏輥圓柱精度與角度調整精度，即可保證糾偏精度。

3.4 交叉耦合的多級糾偏控制策略

由于本設備涉及的糾偏機構眾多，前后牽制，并且料帶運行速度較快，對糾偏品質要求更高，一般的通用糾偏控制器已經難以滿足要求，必須采用基于系統化糾偏控制策略、面向自主設計糾偏機構優化的定制控制算法才能獲得理想的綜合糾偏效果。因而選用基于交叉耦合控制策略的系統化糾偏控制方案，運行在系統主控制器（高性能運動控制器）的方案。高性能運動控制器采樣周期可高達250 us，配以高精度的光電傳感器（檢測精度10 um）及定制的糾偏機構和控制策略，可實現預定的糾偏控制指標。

4 裝備開發與效果

基于上述關鍵技術，通過與深圳某制造企業合作，研制了高速高精度全自動鋰電池卷繞系列裝備，如圖4所示。該裝備包括圓形、方形2種類型的電芯，圓形卷芯規格覆蓋φ 60 mm～800 mm，方形卷芯規格覆蓋280 mm×1600 mm，可實現生產工藝過程的全自動，包括極片自動放卷、貼膠，隔膜自動放卷、自動糾偏、自動定位裁切、自動貼膠、自動下料等。裝備生產效率大幅度提高，生產圓柱型電芯15個/min；方形電芯10個/min。電芯制造精度與日本同類高端設備相當，隔膜和極片對齊誤差均提高到±0.3 mm，電芯高度誤差≤±0.5 mm。

圖4 研發的鋰電池全自動卷繞機

5 結語

本文研究了高速高精度鋰電池極片卷繞裝備控制系統，重點研究其中的全數字化集成控制、卷料速度與張力控制、多級糾偏控制等。

1) 采用一個主控制器整合控制全系統的加減速、張力、糾偏和邏輯等全部控制功能，解決了各個子系統間的擾動問題，實現整機的高速、高精協調運轉；

2) 基于全數字化總線技術連接系統中的全部傳感器及執行機構到統一的主控制器上，高性能的主控制作為系統的大腦，可感知系統運行中的全部狀態信息，根據原材料、環境的變動因素作出智能化的決策并實時執行，從而提高了自動化程度和加工品質；

3) 采用全局性的多級張力與糾偏控制，保證了裝備在高速運轉過程中的精度與穩定性，電芯制造精度與日本設備相當。

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張李超，男，1975年生，副教授，主要研究方向：成形裝備控制技術。

張云，男，1981年生，副教授，主要研究方向：成形工藝。

周軍，男，1976年生，教授，主要研究方向：鋰電池材料。

周華民，男，1974年生，教授，主要研究方向：鋰電池制造裝備。

王維東，男，1969年生，工程師，主要研究方向：鋰電池卷繞裝備。

Development of the Control System of High Speed and High Precision Lithium Battery Winding Equipment

Zhang Lichao1Zhang Yun1Zhou Jun1Zhou Huamin1Wang Weidong2
（1.State Key Laboratory of Material Processing and Die and Mold Technology at Huazhong University of Science and Technology 2.Shenzhen Yinghe Technology Inc.）

The winding is the core technology for manufacturing the lithium battery, which has a direct influence on the quality of the lithium battery. The programmable logic controller (PLC) is utilized as the main controller in most of winding equipments, which will make it difficult to achieve the high-speed and high-accuracy winding. In this study, a uniform high-performance control system is proposed, which employs a main controller to control all the functions of the entire system, such as the acceleration, tension, correction and logic. Moreover, the hardware and software of the integrated control system based on the high-performance controller, the technology of the tension control for the operation with the variable angular velocity and the multilevel control technology based on the correction coupling controlling are developed. On the basis of these, this paper is devoting to developing a kind of new high-speed and high-accuracy winding equipment for the pole piece of the lithium battery.

Lithium Battery; Winding; Control System

廣東省科技計劃資助項目（2013B091300011，2015B090901037）