電池面密度閉環檢測方法的研究及運用

關鍵詞：新能源電池；面密度；閉環檢測；在線監測；質量控制

中圖分類號：U466 文獻標識碼：A

0 引言

在新能源電池的生產過程中，極片的面密度是一個關鍵參數，它直接影響著電池的能量密度、充放電性能和循環壽命[1]。因此，對新能源電池極片面密度的檢測和控制具有重要的意義。

傳統的面密度檢測方法主要采用離線抽樣檢測，這種方法存在檢測周期長、檢測結果滯后及無法實時反饋等問題。為了解決這些問題，本文提出了一種新能源電池面密度閉環檢測系統，該系統采用在線檢測和閉環控制技術，能夠實時監測電池極片面密度的變化，并根據檢測結果自動調整生產工藝參數，實現了對面密度的精確控制。

1 新能源電池面密度閉環檢測系統的原理及關鍵技術

1.1 系統原理

新能源電池面密度閉環檢測系統的原理是基于物理測量方法，通過對電池極片的厚度、寬度和重量等參數的測量，計算出極片的面密度[2]。具體來說，系統采用激光測厚儀、寬度測量儀和稱重傳感器等設備，分別對極片的厚度、寬度和重量進行測量，然后將測量結果傳輸到控制系統中，控制系統根據預設的算法計算出極片的面密度[3]。

1.2 關鍵技術

1.2.1 高精度測量技術

為了保證面密度檢測的準確性，系統采用了高精度的測量技術。激光測厚儀采用了先進的激光測距技術，能夠實現對極片厚度的高精度測量；寬度測量儀采用了高精度的光柵尺測量技術，能夠實現對極片寬度的高精度測量；稱重傳感器采用了高精度的應變片測量技術，能夠實現對極片重量的高精度測量。

1.2.2 數據處理與分析技術

系統采集到的大量測量數據需要進行實時處理和分析，以提取出有用的信息。為此，系統采用了先進的數據處理與分析技術，如數據濾波、數據擬合、數據統計等，能夠有效地去除測量數據中的噪聲和干擾，提高數據的準確性和可靠性。

1.2.3 閉環控制技術

閉環控制技術是新能源電池面密度閉環檢測系統的核心技術之一。系統通過將面密度的檢測結果與預設的目標值進行比較，根據偏差自動調整生產工藝參數，實現對面密度的精確控制。為了保證閉環控制的穩定性和可靠性，系統采用了先進的控制算法，如PID 控制算法、模糊控制算法等。

2 面密度閉環檢測系統的選擇及維護

2.1 硬件方面

2.1.1 高質量傳感器的選用

傳感器是檢測系統的關鍵部件。應選擇具有高精度、高靈敏度且穩定性好的傳感器來測量電池面密度。定期對傳感器進行校準，按照傳感器制造商的建議，例如每3-6 個月進行一次全面校準，以保證其性能符合初始設定標準。

2.1.2 可靠的執行機構

執行機構負責根據控制系統的指令對生產設備進行調整。要選擇質量可靠、響應速度快的執行機構，如高精度的電機或閥門。對執行機構進行冗余設計，例如采用雙電機或雙閥門系統，當一個出現故障時，另一個可以立即接替工作，避免系統因執行機構故障而中斷運行。

2.1.3 穩定的數據采集與傳輸模塊

數據采集模塊應具備高采樣頻率和高分辨率，以確保能準確獲取傳感器的信號。其采樣頻率要滿足電池生產速度的要求，例如對于高速生產線，采樣頻率應達到100 次/s 以上。在數據傳輸方面，采用抗干擾能力強的傳輸方式，如光纖傳輸或屏蔽電纜傳輸，避免數據在傳輸過程中出現丟包或錯誤。

2.2 軟件方面

2.2.1 成熟的控制系統算法

采用經過充分驗證的控制系統算法，如PID（比例- 積分-微分）算法或更先進的智能控制算法。PID 算法的參數應根據系統的實際情況進行精確設定，確保系統能夠快速、穩定地響應面密度的偏差并進行調整。對控制系統軟件進行嚴格的測試，包括功能測試、性能測試和穩定性測試。

2.2.2 數據處理與糾錯機制

（1）建立完善的數據處理機制，對采集到的數據進行濾波、去噪處理。例如采用數字濾波技術，去除由于環境干擾或傳感器自身波動產生的噪聲數據。

（2）設計數據糾錯機制，當檢測到數據異常時，如數據超出正常范圍或者出現不合理的跳變，系統能夠自動識別并進行修正或重新采集，以保證數據的準確性和可靠性。

2.3 環境適應性方面

2.3.1 溫度和濕度控制

電池面密度閉環檢測系統應安裝在溫度和濕度相對穩定的環境中?？梢园惭b空調和除濕設備來調節環境溫濕度，并且對系統的關鍵部件進行溫度和濕度補償設計，以減少環境因素對檢測結果的影響。

2.3.2 電磁兼容性（EMC）

考慮到電池生產車間可能存在多種電氣設備，檢測系統應具備良好的電磁兼容性[4]。在系統設計時，對電路進行電磁屏蔽，采用屏蔽罩、屏蔽電纜等措施，防止外界電磁干擾對系統的影響，同時也要控制系統自身的電磁輻射，避免干擾其他設備[5]。

2.4 維護與管理方面

制定詳細的維護計劃，定期對系統的各個部件進行檢查、清潔和維護。建立故障預警機制，通過監測系統的關鍵參數，如傳感器輸出、執行機構的工作電流等，當參數超出正常范圍時，及時發出預警信號，以便提前進行檢修，避免故障的發生。

3 面密度閉環檢測流程

3.1 數據采集

3.1.1 極片厚度測量

利用激光測厚儀對新能源電池極片進行厚度測量。激光測厚儀發射激光束到極片表面，根據激光反射或散射回來的時間、角度等信息，基于三角測量原理或激光干涉原理計算出極片的厚度。例如，當激光束照射到極片上時，部分激光被反射，測量反射光與發射光之間的角度和時間差等參數，從而得出極片在測量點處的厚度值。

3.1.2 極片寬度測量

通過寬度測量儀（如基于光柵尺測量技術的設備）來獲取極片的寬度信息。光柵尺上的刻度線在極片邊緣經過時，會產生光學信號變化，根據這些信號的變化計算出極片的寬度值。

3.1.3 極片重量測量

使用稱重傳感器對極片進行稱重操作。稱重傳感器中的應變片會根據極片重量產生相應的形變，這種形變量轉化為電信號，經過放大和轉換后得到極片的重量值。

3.2 面密度計算

3.2.1 數據傳輸與匯總

將上述測量得到的極片厚度、寬度和重量數據傳輸到控制系統，這些數據通過數據線傳輸到中央處理器或控制單元。

3.2.2 數據計算

在控制系統中，根據面密度的計算公式：面密度＝質量/（ 厚度× 寬度）例如，如果測量得到極片質量為W（單位為g），厚度為h（單位為cm），寬度為 b（單位為cm），那么面密度A（單位為g/cm²）為：A ＝ W/（h×b）。

3.3 閉環控制階段

3.3.1 與目標值比較

將計算得到的面密度值與預設的目標面密度值進行比較。例行業分析INDUSTRY ANALYSIS016如，目標面密度值設定為A1，如果計算得到的面密度值A 與A1存在偏差，則需要進行調整。

3.3.2 工藝參數調整

根據偏差值，控制系統發出指令給執行機構調整生產工藝參數。如果面密度偏大，可能會降低涂布機的涂布速度或者減少涂布量；如果面密度偏小，則可能增加涂布速度或者涂布量。

4 面密度閉環檢測系統運用

4.1 電池生產過程中的質量控制

4.1.1 實時監測

在新能源電池的生產線上，該系統可以對極片的面密度進行實時監測。例如，在涂布環節，隨著涂布機不斷地將漿料涂覆在集流體上，面密度閉環檢測系統可以即時測量極片的面密度，確保每一段極片的面密度都在規定的范圍內。

4.1.2 精確調整

當系統檢測到面密度偏離設定值時，可以自動調整生產工藝參數。例如，如果面密度過高，系統可以控制涂布機降低涂布速度或減少漿料的供應量；如果面密度過低，則可以增加涂布速度或漿料供應量。通過這種精確的調整，可以保證極片的面密度始終保持在最佳狀態，提高電池的一致性和性能。

4.2 研發與優化

4.2.1 新材料測試

在新能源電池的研發過程中，經常需要嘗試不同的材料和配方。面密度閉環檢測系統可以幫助研究人員準確地測量不同材料制成的極片的面密度，從而評估新材料的性能。例如，對于一種新型的正極材料，通過測量其在不同面密度下的充放電性能、循環壽命等指標，可以確定該材料的最佳面密度范圍，為后續的研發提供依據。

4.2.2 工藝優化

該系統還可以用于優化電池生產工藝。例如，通過對不同涂布工藝參數（如涂布速度、干燥溫度、壓力等）下極片面密度的變化進行研究，可以找到最佳的工藝參數組合，提高生產效率和產品質量。同時，還可以通過分析面密度與電池性能之間的關系，進一步優化電池的設計和制造工藝。

4.3 產品性能評估

4.3.1 一致性評估

對于一批生產出來的新能源電池，面密度閉環檢測系統可以對極片的面密度進行抽樣檢測，評估產品的一致性。如果面密度的波動范圍較小，說明產品的一致性較好，電池的性能也更穩定。反之，如果面密度波動較大，可能會導致電池性能的差異，影響電池的整體質量。

4.3.2 性能預測

通過建立面密度與電池性能之間的關系模型，可以根據極片的面密度預測電池的性能。例如，已知某種類型電池在特定面密度下的容量、內阻、循環壽命等性能指標，可以通過測量新生產電池的面密度，大致預測其性能表現。這對于電池的質量控制和性能評估具有重要的指導意義。

4.4 產業鏈協同

在新能源電池產業鏈中，原材料的質量對電池性能至關重要。面密度閉環檢測系統可以幫助電池生產企業對原材料進行質量檢測。例如，對于采購的正極材料和負極材料，可以通過測量其制成極片后的面密度，判斷原材料的質量是否符合要求。同時，也可以與原材料供應商合作，共同優化原材料的性能，提高整個產業鏈的質量水平。

5 結束語

電池面密度閉環檢測系統通過在線檢測和閉環控制技術，實現了對電池極片面密度的實時監測和精確控制。系統采用了高精度的測量技術、先進的數據處理與分析技術和閉環控制技術，具有測量精度高、控制效果好、穩定性強等優點。實驗結果表明，該系統能夠有效地提高電池的生產效率和質量，具有廣闊的應用前景。通過對面密度檢測系統的研究運用，公司實現降低增效，提升電池面密度一致性，改善電池界面，提升產品質量及使用壽命，同時在檢測技術研究使用方面得到提升。

作者簡介：孫美昭，工程師，研究方向為計量檢測技術。