基于PID算法的鋰電池恒壓夾具系統設計

顏春林

（浙江同濟科技職業學院 浙江省杭州市 311231）

鋰離子電池是20世紀90年代出現的綠色高能環保電池，具有能量密度高、循環壽命長、等突出的優點，是眾多電子裝置小型輕量化的理想電源，也是未來電動汽車、軍用的理想輕型高能動力源。

在鋰離子電池制備過程中，第一道重要的工序稱為化成，即對注液擱置后的電池進行首次充電，是對鋰電池的一個首次活化，并形成固體電解質界面膜(SEI)的過程[1]，在鋰電池化成過程中影響電池最終性能的一個最重要的因素是恒壓因素，經實踐證明，鋰電池化成過程必須放在一個特定的夾具內，并施予一恒定不變的壓力，這樣不僅能保證電池正負極界面平整、均勻接觸，縮短化成時間，而且還大大的提高電池的化成效果；但是，隨著化成充電的進行，電池內部電壓升高且伴隨氣體的產生，電池會膨脹，導致其所受壓力升高，產生壓力干擾；當電芯表面壓力過大時，電極表面的電解液被擠出，離子濃度降低，不利于SEI 膜形成[2]。因此需要保證在化成過程中，如何消除壓力擾動，保證壓力環境恒定，是當務之急。

針對鋰電池化成過程中需要恒定壓力的工藝要求以及化成過程產生的壓力干擾，本文采取壓力傳感器和伺服系統相結合方法來構建鋰電池化成的恒壓夾具系統，并引入PID 控制算法，實時的追蹤鋰電池化成過程中的壓力，并通過壓力傳感器和伺服控制系統及時的進行修正，從而給鋰電池化成提供一個恒定的壓力環境。

1 PID控制技術

目前較為成熟的控制理論有PID 控制、BP 神經網絡、模糊控制等以及多種算法相融合，不同算法各有優勢，方案選取視控制精度要求和控制難度等實際情況而定。其中PID 控制不需要推導和求解電機及傳動系統精確的數學模型即可進行有效控制，且魯棒性較好，因而成為目前實際應用中普遍采用的控制方法[3]。PID 控制器穩定性較高、調試方便和結構簡單等優點，當工程技術人員無法準確地得到被控對象的參數數據、控制系統的結構以及參數時，就必須依靠技術人員的經驗并通過現場調試來確定時，PID 控制器是最好的選擇。具體的PID 控制框圖如圖1所示，其微分方程可表示為：

式中：u(t)—電機的輸入控制信號；Kp—比例系數；e(t)—實際值與給定值的偏差；TI—積分時間常數；TD—微分時間常數，u0—PID 系統輸入值。

根據圖1 中PID 控制框圖可知，當系統的預設值和實時值不相等時，此時偏差e(t)不等于0，PID 控制器將通過比例、積分、微分控制器實時對被控量進行監控，進而驅動執行器進行相應的動作，保持系統穩定，控制器的輸出可以看成是三個調節器輸出的和[4]，通過拉普拉斯變換后，可以得到：

圖1：PID 控制框圖

比例項輸出：

積分項輸出：

微分項輸出：

經過離散化計算可以得到PID 控制在某一采樣時刻輸出可表示為：

式中：u(n)—當前輸出的控制變量；u0—PID 系統輸入值。

本次設計的被控對象為壓力信號，執行器采用伺服傳動方式。電池化成系統在收到化成命令后，伺服電機帶動夾具壓緊電池，壓力傳感器實時采集夾具的壓力值，在此過程中有兩個環節會出現壓力的波動：

（1）在達到預設壓力的時候，由于慣性以及控制器的延時性，會產生壓力的過沖；

（2）在電池充放電過程中會產生大量氣體，導致電池膨脹，從而使得夾具內部壓力波動，針對這兩個問題，利用PID 控制算法實時監視系統偏差，在每個采樣周期都對的被控量的輸出值進行監控以及計算，進而實時地調節執行機構動作，達到壓力的精準控制。

2 恒壓夾具系統設計

2.1 夾具系統的結構及原理

本次設計的恒壓夾具結構如圖2所示，采用PLC 伺服控制系統，電池通過機械手和電池導向機構進入到電池放置通道，在收到夾具啟動命令后，首先PLC 驅動伺服電機帶動絲杠推動板快速定位至預緊位；到達預緊位后，切換至慢速運行，通過壓力傳感器對夾具通道內的壓力進行實時檢測，壓力信號由PLC控制器進行實時采集，并通過PID 控制算法的計算，實時地改變伺服電機的運行速度，直至實時采集的壓力值在給定設定范圍內，伺服運行停止，系統穩定。

圖2：恒壓夾具結構示意圖

2.2 控制系統的硬件框架

本次設計的控制系統硬件主要包括壓力檢測單元、PLC 主控制器、觸摸屏人機界面、伺服驅動控制系統組件及配套傳感器單元、保護傳感器單元以及電池充放電交互模塊?？刂葡到y的硬件框架如圖3所示。

圖3：恒壓夾具控制系統硬件框圖

2.2.1 PLC 主控制器

本控制系統采用西門子SIMATIC S7-1200 型PLC CPU1214 CDC/DC/DC 作為主控制核心，并設置 SM1223 型混合輸入輸出模塊以及EDS-205A 系列5 端口工業以太網交換機，共同組成該控制系統的主控制器。

西門子SIMATIC S7-1200 型PLC CPU1214CDC/DC/DC 具有100K 的工作存儲器，CPU 執行速率快，可以到達0.04ms/1000 條指令；供電電源采用DC24V，PLC 本體設有14 個輸入點與 12 個輸出點，輸入點支持源型和漏型兩種接入方式，可以適用不同輸出形式的傳感器接入，輸出點最高輸出 100kHz 高速脈沖信號，能夠達到夾具伺服運行控制的速度要求；自帶2 通道A/D 采集單元，采用高精度的16 位采集電路，具有很高的A/D 轉換精度，且自帶降噪濾波器，本文中主要用于壓力信號的采集；設有PROFINET 網絡接口，具有很高的傳輸速率，用于編程、HMI 界面以及PLC 之間的通信；設有4 個脈沖發生器接口，可以實現4 個伺服軸的驅動，并設有伺服工藝接口，可以方便的對伺服脈沖和實際位置值進行轉換。SM1223 型混合輸入輸出模塊為PLC 輸入輸出擴展模塊，提供16 路輸入與16 路輸出口。EDS-205A 系列5 端口工業以太網交換機是PLC 控制器與觸控屏的連接紐帶，其最高支持100Mbps 的傳輸速率，且各通訊口均采用光耦隔離，具有較強的抗干擾能力。

2.2.2 人機交互界面

本控制系統的人機界面采用10 寸的proface 觸摸屏作為顯示操作屏幕，通過以太網通訊方式與PLC 主控制器進行通訊。針對本次控制系統設計了恒壓夾具操控交互系統，包含監控界面、操作畫面、狀態顯示、參數設置以及報警維護等交互界面。通過觸控屏可以對伺服參數、壓力參數、PID 參數以及系統參數進行設置，且設有不同電池類型切換參數功能，滿足不同種電池的加工；另外，該系統配置有數據存儲功能，可將實驗數據實時存儲在 USB 存儲介質中。

2.2.3 傳感器

本控制系統中采用的傳感器主要有光電傳感器和壓力傳感器，伺服限位和原點傳感器采用歐姆龍槽型開關EE-SX674 進行檢測，該傳感器體積小，安裝方便，通過接線方式的更改實現常開常閉的信號的切換；通道中電池有無的檢測采用歐姆龍對射傳感器E3Z-T61；電池位置檢測采用激光對射傳感器FU-78,該傳感器的光斑只有0.5-1.5mm，可以大大減少由光斑散射而帶來的誤檢測；本次采用壓力傳感器YZC-218C 對夾具通道內的壓力進行實時的檢測，測量量程為 5000kg，輸出為 4 ～20mA 模擬信號。

2.2.4 伺服電機

本次采用三菱HF-SN102J-S100 型伺服電機及三菱MR-JE-100A 型驅動器作為恒壓夾具傳動的動力元件，其機械響應速度快，最高轉速可達3000r/min，電機內部集成20bit 位置編碼器，可實現位置與轉速的精確控制，滿足恒壓夾具準確進給的要求。

3 系統軟件設計

本控制系統的編程軟件選用西門子博圖TIA_Portal_STEP_7_V15，編程語言選用梯形圖和高級語言結合的方式進行；本程序框架主要由傳感器采集、PID算法、自動運行、原點復歸、參數配置、交互信號處理以及手動操作，系統軟件設計框圖如圖4所示。

圖4：恒壓夾具控制系統軟件設計框圖

傳感器采集程序主要實現夾具壓力信號的實時追蹤，給PID算法提供實時準確的壓力信號輸入；PID 控制算法主要是實現當系統出現壓力擾動信號后，實時地驅動伺服電機進行調節，從而保證系統的恒壓穩定環境，壓力因素是電池在充放電過程中一個非常重用的技術指標；原點復歸程序主要實現系統出現故障或者其他問題后，恢復系統至運行初始位置，保證系統的運行安全；參數配置主要實現伺服電機參數、壓力設定參數以及不同型號電池參數切換等功能；交互信號處理主要實現夾具系統和電池化成裝置之間的握手協議，夾具穩定后，觸發電池化成啟動，電池化成結束，驅動夾具系統張開；操作部分可分為手動和自動兩大部分，手動模式下可以實現，伺服電機的點動、回零、手動定位、傳感器的標定、信號測試等操作，以及系統出現故障后，在手動模式進行歸零操作；自動模式下，根據設置好的伺服參數、壓力參數以及PID 參數，系統在接收到命令，自動讓夾具系統達到設定的壓力要求，并保持恒定的壓力環境。

3.1 壓力采集程序

壓力采集的程序流程如圖5所示，由于電池內部產生的壓力干擾，不僅直接影響電池的化成效果，而且還大大影響電池的性能參數，因此必須盡可能準確的對壓力進行實時監控，為了保證較高的采樣精度，選用循環中斷程序來完成壓力的采樣；本次設計中采樣周期設置為50ms，每隔50ms 進行一次壓力的采樣，采樣的數值存放在PLC 的寄存器中；本次選用的壓力傳感器的量程為0～5000kg，而PLC 采樣的數值的范圍為0～27648，根據A/D 采樣計算算法，便可以得到夾具內部壓力的實時值。

圖5：壓力采集程序流程圖

3.2 伺服控制設計

本控制系統伺服控制如圖6所示，運動機構的進給由伺服來進行驅動，伺服電機采樣脈沖控制方式，因此有較高的進給精度，可以有效的減少本恒壓系統由于進給慣性帶來的壓力波動。本次采用PLC 自帶脈沖口作為脈沖源，來驅動伺服電機的運行，脈沖頻率最大可以達到100KHz。伺服運行分為預緊段、慢速段以及張開段兩個部分：

圖6：伺服控制流程圖

（1）預緊段。在行程前半段，電池還沒有和電池通道的內壁接觸，內部壓力為零，為了提高運行節拍，采用位置控制模式。在手動模式下設定好預夾緊位置的坐標，并將坐標值設定接口開放在觸摸屏上，并設置好配方，不同類型的電池，可以選擇不同的預夾緊位置。自動模式下，伺服電機接收到啟動命令，按照給定的坐標值和運行速度，快速運行至預夾緊位。

（2）慢速段。在行程后半段，壓力傳感器實時檢測夾具內的壓力，此時如果仍采用快速定位的模式，勢必會引起壓力的過沖，因此為了達到良好的調節性能，采用速度運行模式，PID算法根據壓力信號的變化，實時的輸出調節比例，進而實時的調節運行的速度，當壓力實時值在調整的范圍之內，伺服停止動作，系統穩定。

（3）張開段。張開段控制采用定位運行模式。電池充放電結束后，通過交互程序塊，將信號反饋給PLC 主控制器，主控制器發出張開命令，伺服電機按照預設的張開位坐標以及張開速度運行至指定位置。

3.3 PID自適應程序設計

本次PID算法的控制流程如圖7所示，為了提高采樣精度，采用PLC 中的循環中斷程序，采樣周期設置為50ms；在初始化程序中，主要對PID 參數進行初始化操作；PID算法的輸入被控量為壓力信號偏差eM(n)，為壓力設定值和傳感器實時采集的壓力信號之差，通過PID 控制算法，在每一個采樣周期，輸出一個與信號偏差eM(n)相對應調節值，PID 控制算法如公式（6）所示：

圖7：PID 控制流程圖

式中：uM(n)—PID算法的輸出量；kp—比例系數；eM(n)—壓力實際值與給定值的偏差；ekd—上一采樣周期偏差；Td—微分時間常數；Tsampling—采樣時間；TI—積分時間常數；ekl—累計偏差；

基于壓力被控量的PID 輸出量經過壓力-速度轉換算法得到相對應的控制速度，具體計算算法如式7所示：

式中：uvel(n)—電機的控制速度輸出；uM(n)—PID算法的輸出量；urate(n)—控制比率；velsetting—速度設定閾值；uM_limit—PID算法輸出閾值。

4 系統測試及結果分析

恒壓測試夾具如圖8所示，設備組裝完畢后，分別進行傳感器標定、伺服基本功能調試、PID 參數校準以及程序自動運行測試，在設備滿足測試要求后，采用剛出廠鋰電池電池包進行測試，電池的額定受力為1500kg。

圖8：恒壓測試夾具

本次采用了兩種不同的控制方法分別進行了測試：

4.1 未引入PID控制算法

此種控制方式的快速段和慢速段控制方式均采用位置控制模式，以恒定的不變的速度進行進給，當壓力值在壓力閾值范圍內伺服控制停止；當系統出現擾動，超過壓力閾值，伺服以恒定速度啟動定位控制。

4.2 引入PID控制算法

此種控制方式的快速段采用位置控制方式，以恒定的不變的速度進行進給；慢速段的控制采用速度運行方式，控制速度隨著壓力的實時值的變化而實時變化，當壓力值在壓力閾值范圍內伺服控制停止；當系統出現擾動，超過壓力閾值，伺服啟用速度運行模式，進行精準調節。經過多次測試，測得數據對比如表1所示。

表1：不同控制方法測試數據對比

表1 中列舉了三種不同模式下所測試的數據，通過對數據進行分析發現，沒有進行校準的情況下實際壓力值均值和標準差都比較大，采用固定速度校準模式的方法，相對于第一種方式，標準差有很大的變化；而采用PID 控制校準模式的方法，標準差僅為1.5kg，控制的準確度大大提高, 保證了本控制系統穩定的恒壓環境, 進而提高了電池充放電的效率，提高電池的品質。

5 總結

（1）針對鋰電池恒壓夾具在化成和控制過程中產生的壓力干擾，本文采用伺服控制系統和PID算法相結合的方法，將壓力被控量和伺服控制的速度被控量建立聯系，通過實時采集的壓力值的變化，及時的調節伺服控制的速度，從而有效的減少了由于慣性而造成的壓力不確定性，較好地解決了控制過程壓力干擾，保證恒壓夾具的穩壓環境。

（2）從特定對象出發,將PID算法運用到伺服恒壓系統中,通過數據測試可以發現，采用此種方法，可以大大地提高系統控制的精度, 有效的減少由于壓力擾動因素而導致的鋰電池充放電效率和效果, 進而最終提高鋰電池的性能指標。

（3）該項技術對恒溫控制、恒壓供水以及管道壓力控制等一些需要保持恒定被控量的應用有較大的參考價值, 尤其是針對控制精度較高的場合, 顯得尤為重要。