微斑面密度測量儀在涂布閉環(huán)控制中的應(yīng)用

白云飛，謝 凡，許 樂

(1.開封市金石科技有限公司，河南 開封 475000；2.開封市測控技術(shù)有限公司，河南 開封 475000)

隨著國家新能源汽車發(fā)展規(guī)劃的發(fā)布，動力鋰電池產(chǎn)業(yè)進入了飛速發(fā)展的新階段。極片涂布是鋰電池生產(chǎn)的一個關(guān)鍵工序，特別是對于正極極片，涂層過薄導(dǎo)致電池低容，涂層過厚易脫嵌析鋰，因此涂層均勻性將直接影響鋰電池的質(zhì)量和使用安全。以往依靠產(chǎn)業(yè)工人的專業(yè)技術(shù)水平和操作經(jīng)驗去調(diào)節(jié)涂布機模頭的生產(chǎn)方式，效率低、效果差、勞動強度大，已不適合當下產(chǎn)能大規(guī)模急劇提升的生產(chǎn)需求。為適應(yīng)寬幅、高速涂布的生產(chǎn)條件，達到均勻涂布的目的，鋰電池涂布產(chǎn)線需要基于涂層面密度反饋的智能化閉環(huán)控制以提高極片的涂布質(zhì)量[1]。

1 涂布閉環(huán)控制介紹

極片涂布的閉環(huán)控制是以面密度測量儀的在線測量值為基礎(chǔ)實現(xiàn)涂層縱向和橫向的雙閉環(huán)調(diào)節(jié)?？v向閉環(huán)的輸入?yún)?shù)為面密度測量儀給出的面密度掃描均值，執(zhí)行機構(gòu)為定量螺桿泵，控制參數(shù)為定量泵的泵速；橫向閉環(huán)的輸入?yún)?shù)為面密度測量儀給出的面密度橫向分區(qū)值，執(zhí)行機構(gòu)為模頭橫向分布的伺服或步進電機，控制參數(shù)為涂布模頭各狹縫的開度[2]。新型可電動控制的狹縫擠壓式涂布模頭如圖1所示。

圖1 涂布模頭

該電控式模頭依據(jù)工藝需求，在橫向等間距排列了若干個伺服或步進電機用于調(diào)節(jié)上下模頭的唇口間隙，每個電機的調(diào)節(jié)區(qū)域?qū)捈s30～50 mm。由于受涂層漿料密度、粘稠度及表面張力等流體特性的影響，各狹縫流體間還存在耦合干涉，因此閉環(huán)控制中要實現(xiàn)涂布橫向均勻性的調(diào)節(jié)，控制難度極大。為適應(yīng)模頭電機的調(diào)節(jié)區(qū)域范圍，為控制系統(tǒng)提供準確的各區(qū)域涂布質(zhì)量，橫向閉環(huán)控制要求面密度測量儀應(yīng)給出不大于10 mm 的橫向分區(qū)測量數(shù)據(jù)，以真實反映橫向涂層輪廓。類似于數(shù)碼照片的像素概念，測量儀的測量點范圍越精細，質(zhì)量厚度分布越清晰，越有利于閉環(huán)控制，因此閉環(huán)控制中需要微斑型的面密度在線測量儀。

2 微斑X 射線面密度測量儀

2.1 測量原理

面密度測量儀依據(jù)射線透射被測物后，其強度依指數(shù)衰減的原理實現(xiàn)面密度測量[3]，其基礎(chǔ)數(shù)學(xué)模型為I=I0e－μρd，式中：I為透射后射線的強度；I0為入射射線的強度；μ為被測物對射線的吸收系數(shù)，cm2/g；ρd為被測物的面密度，g/cm2。射線發(fā)生裝置與探測裝置在運動機構(gòu)的驅(qū)動下同步往復(fù)掃描，實現(xiàn)對極片涂布面密度的在線非接觸式測量。

基于正極極片三元、磷酸鐵鋰、鈷酸鋰等涂層材料的等效原子序數(shù)遠大于鋁箔基材的特點，面密度測量儀使用能量低于20 keV 的軟X 射線構(gòu)成涂層敏感型的探測系統(tǒng)。為適合橫向涂布閉環(huán)的小測量斑點的要求，需構(gòu)造輸出微射線斑的X 射線測量系統(tǒng)。

2.2 微斑射線的實現(xiàn)

通過在X 射線輸出路徑上加裝長隧道、高原子序數(shù)材質(zhì)的準直器等措施屏蔽散射粒子輸出經(jīng)深度準直的X 射線，直線X 光柱投射到極片上可得到微斑測量區(qū)，如圖2 所示。雖然應(yīng)用微斑X 射線束有利于實現(xiàn)極片橫向小分區(qū)的測量，但是射線探測信號的相對統(tǒng)計漲落(N為探測信號的大小)與射線量相關(guān)[4]。與寬射線束測量相比，在同等條件下微斑射線由于射線量少，探測信號小，統(tǒng)計漲落變大，導(dǎo)致測量系統(tǒng)的測量精度降低。為了適應(yīng)橫向閉環(huán)控制的需求，要改善微斑射線的測量條件，需要對面密度測量儀從增加射線輸出量、提高探測效率、測量裝置精密運動、信號坐標準確匹配等多方面予以改進。

圖2 X 射線的準直示意圖

2.3 增加射線輸出

在額定管電壓下，X 射線的輸出強度與X 射線管的管電流呈正線性相關(guān)關(guān)系[5]，通過提高X 射線管的管電流可以增加射線輸出強度，但是隨著管電流的提升會伴隨X 射線管發(fā)熱量急劇增加、光管壽命顯著減少等一系列問題。因此，綜合平衡各種因素，將微斑型X 射線發(fā)生器的管電流由100～150 μA 提升至300 μA，此時探測器的前置放大器輸出零點信號值可達到4 000 mV左右，較為適合小分區(qū)微斑測量的應(yīng)用場合。

2.4 提高探測效率

在微射線束X 射線的條件下，通過提高探測器的探測效率也可提升測量精度。X 射線探測器采用充氣電離室，要求射線輸入窗必須足夠薄，又具備良好的密封性[6]。因此以質(zhì)量厚度小、原子序數(shù)低、厚度小于100 μm 的金屬片(例如鈦箔等)作窗，焊接在密封殼體上以提升射線透過率及長期穩(wěn)定性。同時在制備電離室的過程中，需通過多種真空工藝及氣體純化措施來盡量減少或避免復(fù)合現(xiàn)象的發(fā)生，以進一步改善探測器的性能[7]。對該微斑X 射線探測器進行連續(xù)24 h 考驗測試：探測器平均信號值4 159 mV，每1 h 信號的相對標準偏差小于0.006%，每1 s 信號的相對標準偏差小于0.01%。

2.5 精密的運動控制

微斑面密度測量儀給出的每個測量值需要匹配準確的橫向位置坐標，以真實反饋橫向涂布情況。由于測量值代表的區(qū)域范圍很小，為降低位置坐標誤差，選用日本Magnescale公司的磁柵尺反饋測量部件的精密位移信息。該磁柵傳感器的分辨率為0.1 μm，測量精度10 μm。同時設(shè)計基于FPGA的運動控制器，以每秒4 000 次高速采集射線探測信號及位移信號，每個信號值均關(guān)聯(lián)對應(yīng)的位置坐標，以數(shù)據(jù)再現(xiàn)的形式還原掃描區(qū)域測量輪廓。

所以綜合現(xiàn)有技術(shù)水平及工程應(yīng)用的實際情況，應(yīng)用于正極涂布閉環(huán)控制系統(tǒng)中的微斑X 射線面密度測量儀其物理光斑寬度為4 mm。由于不可避免的射線散射、探測器的時間常數(shù)等因素，實際測量斑的寬度為4.5～5 mm，因此面密度測量儀可以給出5～25 mm 等多種分區(qū)寬度的橫向涂布測量信息。

3 在閉環(huán)系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 測量儀的安裝位置

在涂布閉環(huán)控制系統(tǒng)中，為利于及時閉環(huán)調(diào)整，面密度測量儀向閉環(huán)控制器提供的縱向和橫向涂層面密度測量值應(yīng)當實時快速。但是受制于極片烘干時間的原因(隨著涂布產(chǎn)量的增加，烘箱長度最長已達到80 m)，烘箱后干膜處測量儀給出的測量數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)反映的是涂布機模頭2～3 min 之前的涂布情況，存在嚴重的時空滯后，很容易導(dǎo)致控制超調(diào)。雖然在控制策略中可以引入史密斯預(yù)估器等純滯后補償算法，但是在實際應(yīng)用中還是存在延長調(diào)節(jié)時間、橫向閉環(huán)調(diào)節(jié)容易震蕩等問題。

正極漿料的溶劑是NMP 有機物液體(化學(xué)式C5H9NO)，屬于低等效原子序數(shù)物質(zhì)。相比于含有錳、鈷、鐵等高原子序數(shù)金屬元素的正極材料，NMP 對軟X 射線的吸收遠小于正極材料。面密度測量儀微斑軟X 射線的透射衰減主要反映的是漿料中正極材料即涂層物質(zhì)，而對NMP 溶劑不敏感。為了減少延遲時間，解決控制遲滯的問題，在涂布機模頭后濕膜處安裝一臺微斑型面密度測量儀，即時反饋濕膜極片涂布趨勢以滿足閉環(huán)控制的需求。但是未烘干的濕膜極片其涂覆漿料仍處于粘稠的固液混合態(tài)，無法完成沖壓取樣、天平稱重等測量儀標定步驟，測量儀不能直接給出涂層面密度具體數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)中的模頭等執(zhí)行機構(gòu)無法對應(yīng)定量調(diào)節(jié)。所以利用烘箱后的干膜微斑型面密度測量儀與濕膜測量儀構(gòu)成多架同步掃描測量模式：利用EtherCAT 數(shù)據(jù)總線實時共享極片走帶速度、極片帶縱向位置坐標、橫向位置坐標等參數(shù)。兩架測量儀實現(xiàn)同步啟動，運動關(guān)聯(lián)，同軌跡測量，在微斑測量條件下，掃描軌跡偏差應(yīng)小于3 mm。經(jīng)標定的干膜測量儀實時比對同一測量區(qū)域濕膜測量儀的測量值，以干膜測量數(shù)據(jù)校準量化濕膜數(shù)據(jù)，以保證極片在烘干前后的涂層面密度的測量一致性。因此，在涂布閉環(huán)控制系統(tǒng)中，以烘箱前的濕膜測量儀快速反饋涂層質(zhì)量分布，以烘箱后的干膜測量儀評價極片涂布質(zhì)量，其安裝位置示意如圖3 所示。

圖3 面密度測量儀的安裝位置示意圖

3.2 與閉環(huán)控制系統(tǒng)的聯(lián)動

在實際應(yīng)用中，面密度測量儀與閉環(huán)控制系統(tǒng)應(yīng)具有聯(lián)動功能，如啟動聯(lián)動：閉環(huán)系統(tǒng)的涂布機開始涂布，測量儀開啟測量；掃描聯(lián)動：測量儀的掃描速度與涂布機的涂布速度自動匹配，極片每涂布16 m，測量儀至少進行一次往復(fù)掃描測量；數(shù)據(jù)聯(lián)動：測量儀完成掃描測量后通過EtherCAT 總線實時向閉環(huán)控制器的PLC 指定地址寫入數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)格式如表1 所示。

表1 閉環(huán)控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交互格式

3.3 應(yīng)用效果

某正極涂布線涂布速度40～60 m/min，雙面涂布的工藝目標值為373 mg/1 540.25 mm2，公差±5 mg。應(yīng)用微斑型面密度測量儀以0.2 m/s 的速度對極片進行在線掃描測量。測量儀向閉環(huán)系統(tǒng)反饋掃描周期均值的縱向面密度趨勢以進行縱向控制，向橫向控制器反饋每10 mm 一個測量值的橫向面密度趨勢以進行橫向控制。由面密度測量儀持續(xù)跟蹤縱向與橫向涂布質(zhì)量情況，開啟閉環(huán)控制前后的對比效果如圖4和圖5 所示?？v向掃描均值極差由開啟閉環(huán)前的6 mg 降低至2 mg，橫向10 mm 分區(qū)間極差由開啟閉環(huán)前的10 mg 降低至2.5 mg。經(jīng)計算過程能力指數(shù)(CPK)提高至2.5，極片的涂布質(zhì)量一致性顯著提高。

圖4 面密度測量儀給出的縱向閉環(huán)控制效果

圖5 面密度測量儀給出的橫向閉環(huán)控制效果

4 結(jié)論

微斑X 射線測量儀可以給出正極極片橫向小分區(qū)的涂布面密度測量值，適合縱向橫向雙閉環(huán)涂布控制系統(tǒng)的反饋輸入信號使用，是鋰電池涂布產(chǎn)線質(zhì)量控制所必需的在線檢測儀器。雙閉環(huán)的智能化質(zhì)量控制是鋰電池生產(chǎn)的發(fā)展趨勢，微斑測量儀將得到更為廣泛的應(yīng)用。由于負極極片的微斑面密度測量儀需要使用β 放射源氪85，而β 射線與X 射線的固有物理屬性不同，對β 射線的準直、校準負極濕膜水分對β射線的吸收影響、空氣溫度變化補償?shù)燃夹g(shù)實現(xiàn)相較于X 射線更加復(fù)雜，因此還需要進一步研究在β 射線微射線束條件下負極閉環(huán)控制的使用效果。