高速高精度锂电池极片卷绕装备控制系统的研发*

张李超张云周军周华民王维东

（1.华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室 2.深圳市赢合科技股份有限公司）

高速高精度锂电池极片卷绕装备控制系统的研发*

张李超1张云1周军1周华民1王维东2

（1.华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室 2.深圳市赢合科技股份有限公司）

基于国产锂电池卷绕装备大多以可编程逻辑控制器为主控制器，难以实现卷绕高速、高精度的问题，提出一个全局统一的高性能控制系统，采用一个主控制器整合控制系统的加减速、张力、纠偏及逻辑等控制功能，研发了基于高性能控制器的一体化控制系统软硬件、面向可变角速度运行的张力控制技术、基于偏差耦合控制的多级纠偏控制技术等，并在此基础上，研制出新型高速高精度锂电池极片卷绕装备。

锂电池；卷绕；控制系统

0 引言

随着全球化石能源日益短缺和环境污染问题日益严重，新能源、可再生能源的开发和利用越来越受到重视。锂电池是新能源开发和利用的关键环节之一，也是新能源储能、电动汽车、大容量移动设备等发展的瓶颈，已成为研发热点[1-2]。卷绕是锂电池制造的核心工艺，将锂电池的正、负极极片及隔膜按照一定的要求卷绕成电池芯体[3-4]。由于电芯性能的好坏直接影响电池的质量，因此卷绕机是生产锂电池过程中的一个重要生产设备。

目前国际上生产卷绕装备的主要企业有日本的Kaido、CKD，韩国的Koem等[5]。1992年，Kaido率先开发了BHW-1、BHW-2等半自动锂电池卷绕机，随后又发布了BJR-II型卷绕机，该设备通过卷绕时张力和反张力的控制机构、正负极片张力调节筒移动检测系统、边缘位置激光指示控制反馈系统和卷绕部凸轮驱动机构等辅助装置实现全自动化的卷绕加工[6-7]。目前Kaido公司生产的圆形锂电池全自动卷绕机（KAWM系列）已实现基于三工位的全自动卷绕，正负极片宽度方向精度偏差达±0.3 mm。CKD公司作为另一家知名的锂电池卷绕机生产商，其研发CEW-100型锂电池全自动卷绕机在精度控制方面有其独有的技术，包括将各种材料完全分离，控制各区域内的气流防止粉尘混入的区域封阻技术以及保证高精度卷绕的独立多级纠偏技术。

我国对锂电池卷绕装备的研制和生产始于2002年，2004年北京七星华创公司开发的自动化电池卷绕机X81-2-DZ开始投入市场应用。此后，珠海华冠、深圳赢合、深圳吉阳、深圳雅康等企业相继投入到锂电池卷绕机的研发中[4]。现有国产锂电池卷绕机的卷绕效率约10 ppm～15 ppm（极片长度≤800 mm），精度偏差约±0.5 mm，与国外产品的差距仍然很明显。且市场上大部分国产卷绕机仍为半自动化设备（约占卷绕机设备的80%），生产过程需要大量的人工操作，效率低、成本高、产品质量不稳定[4,8-9]。

目前，国产锂电池卷绕设备大多采用可编程逻辑控制器（PLC）作为主控制器，但随着锂电池质量要求的不断提高，对其卷绕设备控制系统性能也提出了新的要求，基于PLC构建控制系统的难度变得越来越大。此外，由于受到PLC架构上偏置逻辑控制的限制，在复杂工艺数据处理能力方面，已很难满足高速、精确的运动及复杂工艺控制需求[4,10]。因此在卷绕过程中还需要加入独立的张力控制器、多级纠偏控制器和极片自动输送装置等。这些装置的控制逻辑与PLC相对独立，但控制对象却相互耦合，无法实现全局优化的统一控制，对装备精度和速度的继续提高造成瓶颈[4,11-12]。

为提高锂电池卷绕装备的精度和效率，本文提出一种全局统一的高性能控制系统，基于高性能控制器的一体化控制系统软硬件，实现对面向变角速度运行的张力控制、基于偏差耦合控制的多级纠偏控制的全局统一控制，由此提高控制系统，在确保极片对齐精度的前提下提高了卷绕速度。

1 主控制系统设计

1.1 主控制系统架构设计

传统的卷绕装备一般基于PLC，虽简单易用，但PLC架构上偏重逻辑控制，工艺数据处理能力弱，复杂的运动控制及工艺控制需要外部的专用装置实现，无法实现全局统一控制。为解决传统控制系统架构存在的问题，采用基于高性能运动控制器的集中化解决方案，如图1所示。采用的高性能运动控制器具备完整的工艺数据处理能力和全数字化总线传输能力，以多轴联动运动控制功能为主体，同时整合了完备的PLC逻辑处理功能，可深度定制纠偏、锥度张力控制等需要复杂工艺计算能力的软件模块。其特点是在一台控制器中完成以往需要PLC、运动控制器（驱动器）、各种纠偏、张力等工艺控制器联合完成的实时控制任务，且内部控制逻辑为系统级别的整合，可实现全局最优化控制策略。

图1 基于高性能控制器的集中控制系统架构

在系统硬件联接方面，基于Drive CliQ、ProfiNet及工业以太网等数字化总线联接运动控制器、各类传感器及伺服电机等执行机构，其特点为控制器可实时获取伺服电机内部的力矩、电流等关键状态信息，也能实时设置电机的最大输出力矩、精确位置控制等指令，实现力矩与位置环的统一控制。

在控制系统硬件组态方面，设计基于二级虚拟主轴的主从式同步架构。系统核心为1根虚拟主轴控制整个装备的整体运行节拍，以此为基准实现整个系统的同步运行，再设置4根虚拟从轴分别指代装备中正极极片、负极极片和两个隔膜的运行节拍，它们分别跟随虚拟主轴同步运行。诸如每个正负极片、隔膜上的执行机构则跟随上级虚拟从轴运行。其优点是解除了系统中各个电机的直接耦合，以二级主从式的随动关系确保整个系统的同步运行，其随动关系由软件（基于函数关系计算的复杂曲线，类似电子凸轮，也可根据参数设置实时演算。除了位置同步之外，对不同的控制对象采用不同的同步映射关系，如对张力控制将采用力矩同步模式运行）实现，具备较大的柔性。

1.2 系统软件架构设计

在控制系统软件开发方面，以面向控制任务的ST语言进行编程，较传统的梯形图编程模块化程度和抽象化程度高得多，有助于实现复杂的软件架构，可将系列化的锂电池全自动卷绕装备统一到一个软件框架下，只是装备的参数设置及某些工艺计算/执行模块配置不同，这样的优点在于系列装备只需要维护一套统一的软件代码，有助于产品线的拓展和整个产品线的同步升级与维护。

系统软件物理上分布在3个不同的硬件装置上，具体的软件架构如图2所示。

图2 卷绕装备的总体软件架构

1)实时控制软件，运行于运动控制器上，执行装备中所有与实时控制相关的功能，主要包括：运动、逻辑及工艺（含张力、纠偏等）控制；整个装备的同步性管理及工艺规划；底层安全控制。

2)HMI软件，运行于装备控制面板的触摸屏HMI上，该软件比较简单，功能包括装备的运行状态显示及基本的参数设置与指令输入。

3)PC机软件，运行于工控机上，完成所有非实时性的参数优化、状态监控、数据记录等工作。该软件不参与任何实时性的控制工作，理论上即使工控机失效，装备在运动控制器的控制下仍然能继续正常工作，但该软件却是实现本装备高端化、高可管理性、高可靠性必不可少的关键环节，主要包括2部分功能：

① 监控与工艺优化，基于故障诊断与工艺优化专家系统内核，可根据用户设置的最终目标参数自动优化匹配具体的加工执行参数，也可根据监控装备的运行状态及控制系统的底层运行数据发现装备的早期故障；

② 工业IT，本软件是联接制造装备到企业信息系统的桥梁，它将装备生产的具体信息存储在数据库中并提供丰富的查询、报表与分析机制，实现了历史产品的可追溯性、生产过程管理和日志等高端功能。并可基于数据挖掘功能从海量的生产过程数据中分析产品的良品率与材料、工艺设置参数之间的关系，从而有助于获取最优的加工参数。

2 面向可变角速度卷绕的张力控制

在正常的电芯卷绕过程中，必须确保料带保持一定的张力，张力过大会造成料带变形，直接影响卷绕效果，或者造成料带拉断；张力过小，不仅可能造成废品，还可能导致不能进行正常的卷绕操作。

为保证在高速、长流程运行条件下的张力控制性能，除了在料带的放卷及收卷设置了张力控制装置外，本文在储料处也增加了张力辅助控制机构，确保整个工艺流程中的张力是连续的，保证整个系统中料带张力的稳定性。

2.1 放卷及储料处张力控制

为保证极片卷绕装备在高速工作时张力与线速度的稳定性，在料带放卷及储料处的张力控制采用基于交流伺服电机力矩控制的全闭环张力控制方式。其交流伺服电机工作在力矩指令模式，由主控制器根据张力传感器反馈信息、工艺设置参数及系统整体运行信息实时计算发出数字化的力矩指令调节电机输出转矩，其特点是张力控制精度高、稳定性强、响应快。较传统张力控制中使用磁粉离合器+电机方案而言，精度更高、响应更快，可控制的卷径变化范围更大，在高速卷绕中优势更加明显，且可靠性高，不需要更换磁粉，维护费用低。

由于张力控制算法在主控制器中，主控制器拥有料带行进过程中的全部状态信息，在系统的启动、制动、加减速运行过程及系统中出现其他扰动因素时，主控制器可实时进行补偿以保证系统张力的稳定性，而不会出现振荡或冲击。

张力检测采用2种方式应对不同的电芯形状。对于圆形电芯卷绕装备，采用张力传感器对张力直接进行检测。张力传感器与机械紧密地结合在一起，没有移动部件，其优点是检测范围宽、响应速度快、线性好。但张力传感器不能吸收料带中张力的峰值，对于方形电芯卷绕装备，由于方形电芯在卷绕过程中电机角速度时刻处在快速变动中，可能会产生瞬间的张力跳变，因此采用张力摆动辊/反馈复合式张力检测方式，该方式可同时检测由张力摆动辊电位器输出的摆动辊位置信号和张力传感器输出的张力信号，从而可向系统提供更高精度的张力控制数据；并且张力摆动辊对大范围张力跳变具备吸收和缓冲功能，可抑制控制系统来不及处理的张力波动，提高系统的可靠性。

2.2 收卷张力及线速度控制

料带的行进速度是由收卷电机决定的，因此收卷电机必须先进行料带速度控制。在放卷端已经实施了料带张力控制后，收卷端料带的张力已经基本与放卷端料带张力一致，收卷端料带新引入的张力变化量主要在于极片变速运动时带动每个辊子变速转动时需要克服的惯性力，它的大小与极片加减速时的加速度值及每个辊子的转动惯量有关。此外如果系统中引入了张力摆动辊，在料带变速运行时张力摆动辊会在某个角度范围内周期摆动，这个摆动加速度产生的力也会改变张力。可见收卷端张力保持恒定的核心问题在于保持收卷时料带线速度的平稳性，不会引入速度波动。

由于方形锂电池电芯卷针的形状为扁形，为保证料带线速度恒定，需要电芯收卷电机角速度周期性跳动，不良的控制设计难以保证线速度的绝对恒定，甚至会引入新的动态张力波动来源。因此，首先研究收卷过程中方型卷针在收卷过程中的动态模型，得到了方型卷针角速度与收卷线速度的映射函数，并且反推得到了方型卷针收卷线速度恒定时的角速度与位置的曲线关系。在此基础上，结合电芯卷绕过程中卷径增大的数学模型可获得理想情况下电机角速度的运转曲线函数，以此作为电机的前馈控制依据。系统张力控制模型如图3所示。在收卷端前面设置编码器获取料带线速度进行线速度闭环控制，由此保证线速度的稳定性。

图3 系统张力控制模型

3 基于偏差耦合控制的多级纠偏控制

3.1 纠偏系统设计

纠偏性能的优劣是影响锂电池极片、电芯卷绕工作性能及产品质量的关键指标。通过对纠偏产生原因进行理论分析及模拟实验，设置三级纠偏机构：

1) 一级纠偏（平动纠偏），极片自动放卷后的平动纠偏装置主要是为了防止上道工序生产的料卷可能有不整齐、错层或塔形现象，从而保证料带能一开始就准确地沿着辊子中心传送；

2) 二级纠偏（扭动纠偏），极片经过储料机构前的扭动纠偏装置主要是为了防止料带传送距离过长、辊子机械安装精度等因素造成料带跑偏。储料机构作为连接极片与电芯卷绕的中间过渡环节，最适合做二级纠偏；

3) 三级纠偏（扭动纠偏），极片进入卷绕时的扭动纠偏装置主要是为了保证料带在卷取时边缘平齐，达到电芯预定的设计要求。

通过以上多组纠偏控制，可以有效地保证电芯卷绕对齐度，提高了良品率。

3.2 平动纠偏的机械结构设计

平动纠偏用于极片经过自动放卷进入极片卷绕装备后的第一级纠偏。由于极片料带来源与卷绕品质不能确定，可能出现不整齐、错层或塔形等情况，并且可能在放置料带、极片运动前，位置已经有偏差，这时必须采用立刻将极片平移到正确位置的实时平动纠偏方式，才可以保证后继工序的正常运转。

本文提出一种可沿轴向运动的纠偏过渡轮的纠偏方案：行进中的电池极片是绷绕在若干固定辊轮上的，极片本身是张紧的。纠偏过渡轮位于适当的位置使得行进中的极片贴靠在纠偏过渡轮上，如果极片出现偏斜，动力装置沿着纠偏过渡轮的轴向驱动纠偏过渡轮朝着与极片偏斜相反的方向运动，纠偏过渡轮表面与极片之间的摩擦力使得极片朝着与偏斜相反的方向运动，达到纠偏目的。

为适应料带的各种极端偏移方式，有时料带的持续偏移量会超过纠偏过渡轮的最大轴向运动量，为保证纠偏持续有效，在机构上还需要设置一个让极片脱离纠偏过渡轮的过渡装置。当检测到纠偏过渡轮在轴向方向的位置超出允许范围时，过渡装置使纠偏过渡轮与极片脱离，然后在控制单元控制下，动力装置驱动纠偏过渡轮沿着与纠偏方向相反的方向运动，直至纠偏过渡轮回复至适当的位置，纠偏过渡轮与极片重新接触，这时如有需要，纠偏过渡轮可以沿着原来的纠偏方向继续运动。由此可以实时纠正任意大偏移量的料带。

3.3 扭动纠偏的机械结构设计

经过一级纠偏后，极片等料带已经不会出现突发的大位移偏移，而是由于机械安装的系统误差等原因产生的微小但持续的偏移，这时采用扭动纠偏最合适。电机驱动纠偏辊绕旋转轴转过一定角度，根据辊上的摩擦力，使料带发生反向持续位移，因此料带的横向位移为纠偏辊旋转角度对时间的积分，其中纠偏辊旋转角度的分辨率决定了纠偏分辨率，因此要求保证纠偏辊圆柱精度与角度调整精度，即可保证纠偏精度。

3.4 交叉耦合的多级纠偏控制策略

由于本设备涉及的纠偏机构众多，前后牵制，并且料带运行速度较快，对纠偏品质要求更高，一般的通用纠偏控制器已经难以满足要求，必须采用基于系统化纠偏控制策略、面向自主设计纠偏机构优化的定制控制算法才能获得理想的综合纠偏效果。因而选用基于交叉耦合控制策略的系统化纠偏控制方案，运行在系统主控制器（高性能运动控制器）的方案。高性能运动控制器采样周期可高达250 us，配以高精度的光电传感器（检测精度10 um）及定制的纠偏机构和控制策略，可实现预定的纠偏控制指标。

4 装备开发与效果

基于上述关键技术，通过与深圳某制造企业合作，研制了高速高精度全自动锂电池卷绕系列装备，如图4所示。该装备包括圆形、方形2种类型的电芯，圆形卷芯规格覆盖φ 60 mm～800 mm，方形卷芯规格覆盖280 mm×1600 mm，可实现生产工艺过程的全自动，包括极片自动放卷、贴胶，隔膜自动放卷、自动纠偏、自动定位裁切、自动贴胶、自动下料等。装备生产效率大幅度提高，生产圆柱型电芯15个/min；方形电芯10个/min。电芯制造精度与日本同类高端设备相当，隔膜和极片对齐误差均提高到±0.3 mm，电芯高度误差≤±0.5 mm。

图4 研发的锂电池全自动卷绕机

5 结语

本文研究了高速高精度锂电池极片卷绕装备控制系统，重点研究其中的全数字化集成控制、卷料速度与张力控制、多级纠偏控制等。

1) 采用一个主控制器整合控制全系统的加减速、张力、纠偏和逻辑等全部控制功能，解决了各个子系统间的扰动问题，实现整机的高速、高精协调运转；

2) 基于全数字化总线技术连接系统中的全部传感器及执行机构到统一的主控制器上，高性能的主控制作为系统的大脑，可感知系统运行中的全部状态信息，根据原材料、环境的变动因素作出智能化的决策并实时执行，从而提高了自动化程度和加工品质；

3) 采用全局性的多级张力与纠偏控制，保证了装备在高速运转过程中的精度与稳定性，电芯制造精度与日本设备相当。

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张李超，男，1975年生，副教授，主要研究方向：成形装备控制技术。

张云，男，1981年生，副教授，主要研究方向：成形工艺。

周军，男，1976年生，教授，主要研究方向：锂电池材料。

周华民，男，1974年生，教授，主要研究方向：锂电池制造装备。

王维东，男，1969年生，工程师，主要研究方向：锂电池卷绕装备。

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

广东省科技计划资助项目（2013B091300011，2015B090901037）