在國家政策支持和市場需求的雙輪驅(qū)動下，新能源汽車和動力電池發(fā)展呈噴井式增加。未來3-5年將是鋰電設(shè)備高速增長期。然而電池技術(shù)仍然是一個瓶頸，在技術(shù)層面的往上提升非常困難，需要投入成倍的人力和物力換來比之前小得多的進(jìn)步。鋰電池的產(chǎn)能和性能，遠(yuǎn)不能滿足終端電動車及儲能市場的新增需求。鋰電設(shè)備行業(yè)繁榮的背后，面臨著效率低、穩(wěn)定性差、自動化程度不高等“痛點(diǎn)”。

英威騰深挖行業(yè)需求，圍繞鋰電池設(shè)備市場開發(fā)出一系列的伺服控制系統(tǒng)解決方案，將自動化驅(qū)動與控制技術(shù)與鋰電池生產(chǎn)技術(shù)相結(jié)合，大幅度提高鋰電池生產(chǎn)線的自動化和智能化程度，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，帶動鋰電池生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)升級和改造。

全自動鋰電池制片機(jī)上的應(yīng)用

該項目客戶為領(lǐng)先的鋰電池智能裝備制造商。制片屬于鋰電池加工過程中的一個重要環(huán)節(jié)。英威騰DA200高性能交流伺服系統(tǒng)被應(yīng)用于該客戶的電池制片機(jī)，以領(lǐng)先的性能和高性價比，降低投入成本，提升制造工藝和效益，滿足大批量、精益化的生產(chǎn)需求。

1.設(shè)備/工藝介紹

1.1設(shè)備原理

鋰電池制片機(jī)是生產(chǎn)正極極片或負(fù)極極片的設(shè)備，用于生產(chǎn)鋰電池正極極片(鋁質(zhì))或負(fù)極極片(銅質(zhì))。一種極性需要一臺設(shè)備，一般是正負(fù)極兩臺設(shè)備在不同車間同時加工：將極片、極耳料卷分別安裝在放卷軸上，實現(xiàn)自動放卷、自動糾偏、自動焊接極耳、自動貼膠、極耳包膠，切斷或收卷等功能。

圖1鋰電池制片機(jī)現(xiàn)場圖

1.2工藝流程

電池制片機(jī)的主要工藝過程為:自動放卷---焊前糾偏---送極耳---焊極耳---貼膠1---貼膠2---貼膠3（極耳貼）---糾偏---切片或收卷。

1.3技術(shù)要求及難點(diǎn)

自動放卷：系統(tǒng)通過電位器輸出模擬量轉(zhuǎn)換為速度控制，前方牽引速度增快則儲料區(qū)擺桿角度變大，電位器輸出模擬量速度變大同步調(diào)節(jié)，慢則隨之慢，保持同步，從而實現(xiàn)自動放卷控制。

牽引膠貼：位置控制，光電掃描極片表面上升沿信號，給到PLC，中斷觸發(fā)，一定數(shù)量的脈沖給到伺服定長運(yùn)行。

自動糾偏：糾偏傳感器輸出模擬量速度控制，通過測量極片進(jìn)入感應(yīng)區(qū)域的位置采樣變化來輸出信號，系統(tǒng)再用這個變化的信號來控制伺服帶動整個機(jī)構(gòu)不斷左右調(diào)整來料位置，從而實現(xiàn)自動糾偏。

自動收卷：電位器輸出模擬量速度控制，來料牽引速度增快則儲料區(qū)擺桿角度變大，電位器輸出模擬量速度變大，慢則隨之慢，從而實現(xiàn)自動收卷控制。必須注意收卷表面張力要調(diào)整合適，否則容易造成直徑大了收不緊，或兩邊松緊不一爆邊現(xiàn)象。

2.客戶要求

使用的伺服系統(tǒng)是高性能驅(qū)動器、動態(tài)響應(yīng)時間短、位置控制快速精確，調(diào)試簡便，適應(yīng)靈活作業(yè)，中斷定位響應(yīng)時間短,無需降速運(yùn)行,不再需要減速傳感器。伺服電機(jī)需要大慣量、大扭矩、兼容步進(jìn)驅(qū)動器的安裝尺寸、在低速時有足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩輸出且運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，以便在與機(jī)械運(yùn)動部分連接中盡量減少中間環(huán)節(jié)，耐用性更強(qiáng)，穩(wěn)定性更高。

3.系統(tǒng)方案

英威騰采用了PLC內(nèi)置定位+伺服中斷定位的控制技術(shù)，充分結(jié)合了DA200系列高性能伺服動態(tài)響應(yīng)快、定位精確、整定時間短、自適應(yīng)、運(yùn)行平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)，中斷定位響應(yīng)時間為0.05ms，無需降速運(yùn)行，不再需要減速傳感器，降低用戶機(jī)械投入成本，提升制造工藝和效益。

圖2拓?fù)鋱D

4.英威騰伺服的突出優(yōu)勢

全系伺服均采用英威騰DA200系列高性能交流伺服系統(tǒng)，性能強(qiáng)大穩(wěn)定，調(diào)試方便，性價比高，特別適合鋰電池行業(yè)國產(chǎn)伺服替代進(jìn)口多伺服的應(yīng)用；

便捷的定位指令，輕松實現(xiàn)絕對定位控制和相對定位控制。支持帶DOG搜索的原點(diǎn)回歸，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障停機(jī)，重開機(jī)時無論機(jī)械部分停在任何位置，都可自動回到原點(diǎn)，無需手動調(diào)節(jié)；

收放卷模型計算精度高、張力浮輥PID控制靈活、控制方式多樣化、動作簡單化、無需高速計數(shù)模塊、高速中斷定位控制、客戶編程簡單；

收卷使用英威騰定制大慣量電機(jī)，大容量電池直徑大的規(guī)格也能收料整齊；

總線構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，具有易擴(kuò)展、配線簡化等特點(diǎn)，并可以支持以太網(wǎng)通信協(xié)議，為工業(yè)4.0智能化工廠的建設(shè)奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

全自動鋰電池卷繞機(jī)的應(yīng)用

全自動卷繞機(jī)是把整卷的正負(fù)極片和隔膜通過卷繞的方式做成電芯的關(guān)鍵設(shè)備，主要動作流程包括：預(yù)卷、入片、卷繞、極片和隔膜裁斷、換位、貼膠帶、下料等；方型卷繞機(jī)由于其卷針形狀的不規(guī)則性，要保證卷繞過程中的線速度恒定和張力波動小，對控制系統(tǒng)的要求特別高。

圖3鋰電池卷繞機(jī)工藝流程示意圖

1.系統(tǒng)架構(gòu)圖

采用運(yùn)動控制器+英威騰DA200高性能伺服系統(tǒng)的控制方案；

HMI采用以太網(wǎng)通訊，快速實現(xiàn)人機(jī)數(shù)據(jù)交換；

可分布式安裝I/O或模擬量模塊。

圖4英威騰DA200高性能交流伺服系統(tǒng)

2.關(guān)鍵技術(shù)介紹

（1）變轉(zhuǎn)速控制

系統(tǒng)支持恒轉(zhuǎn)速控制和變轉(zhuǎn)速控制，可通過HMI選擇；

變轉(zhuǎn)速采用電子凸輪控制方式實現(xiàn)；

變轉(zhuǎn)速控制能使整個機(jī)械系統(tǒng)穩(wěn)定，較易實現(xiàn)高速運(yùn)行和穩(wěn)定的張力控制。

（2）張力控制

各極片、隔膜在每個動作階段可單獨(dú)設(shè)置張力大?。?/p>

在正常卷繞階段可以按長度設(shè)六段不同的張力。每段張力可以按線性變化，也可以按圈線性變化；

張力設(shè)置靈活，能很好解決電芯變形問題。

（3）自動糾偏

當(dāng)設(shè)備運(yùn)行速度比較快時，糾偏響應(yīng)時間要求比較快：

運(yùn)動控制器1ms任務(wù)掃描周期；

EtherCAT傳輸速率：100Mbaud；

伺服響應(yīng)控制器指令<2ms；

采用PI控制算法。

（4）主動放卷

主動放卷能使整個片材運(yùn)行更加平穩(wěn)，從而降低張力輥的波動，使張力更穩(wěn)定；

應(yīng)用運(yùn)動控制器的電子齒輪功能，以收卷速度為主軸，以放卷為從軸，實現(xiàn)放卷快速響應(yīng)收卷速度；

實時求取當(dāng)前卷徑，作為電子齒輪的參數(shù)。同時當(dāng)前卷徑作為空卷報警的依據(jù)。

系統(tǒng)主要功能

采用英威騰DA200高性能交流伺服系統(tǒng)的鋰電池卷繞機(jī)可實現(xiàn)以下功能：

（1）不良極片單卷剔除

根據(jù)檢測裝置檢測極片，對不良極片可單卷排除并報警；

可判斷當(dāng)前不良極片是否在當(dāng)前卷繞電芯內(nèi)。如果在電芯外，不影響當(dāng)前電芯卷繞，并在下個卷繞周期自動卷繞不良極片并剔除。

（2）報警功能

多達(dá)200條報警信息。包括機(jī)械干涉預(yù)報、氣缸故障、程序控制報警等；

保護(hù)功能齊全；

能讓操作工快速定位問題點(diǎn)，提高效率。

（3）手動和單步運(yùn)行

更好地支持設(shè)備調(diào)試、換料處理及故障處理。

4.方案特點(diǎn)

（1）采用EtherCAT高速工業(yè)以太網(wǎng)，支持多達(dá)64軸，滿足卷繞焊接一體機(jī)的控制要求。

（2）實時大容量存儲生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，為質(zhì)量追溯提供數(shù)據(jù)保障。

（3）采用遠(yuǎn)程I/O就近安裝，幫助客戶節(jié)省各種配線和維護(hù)成本。

（4）完全支持IEC61131-3國際標(biāo)準(zhǔn)的編程環(huán)境，工程師無縫切換。

（5）卷繞曲線完全通過自學(xué)習(xí)的方式實現(xiàn)，不需要設(shè)置任何卷針參數(shù)。

5.方案優(yōu)勢

張力波動?。簩嶋H極片和隔膜張力波動<5%；

卷繞速度快：200mm寬卷針實測線速度>800mm/s,線速度波動<5%；

糾偏響應(yīng)快：驅(qū)動器內(nèi)部處理糾偏，直接響應(yīng)無須再經(jīng)過控制器；

可采用控制器處理糾偏，掃描周期1ms；

裁切精度高：8米長極片裁切誤差小于2mm。

未來已來，鋰電池設(shè)備的高精度、高效率以及高自動化生產(chǎn)線將成為行業(yè)發(fā)展的大方向。英威騰在鋰電設(shè)備市場可提供包括卷繞、制片、疊片、模切、涂布、化成等全流程工序套電氣解決方案，協(xié)助企業(yè)實現(xiàn)生產(chǎn)效率、綜合能效、企業(yè)效益的全面提升。