制片機(jī)是鋰離子電池生產(chǎn)過程中必不可少的工序，也是直接影響電池安全性、容量、一致性等各項(xiàng)性能的關(guān)鍵工序。本文重點(diǎn)介紹了禾川以Q系列PAC為控制層，搭載全新X5E伺服驅(qū)動(dòng)器為驅(qū)動(dòng)層的制片機(jī)方案。

　　文/浙江禾川科技有限公司 呂文申

　　1. 鋰離子電池的發(fā)展概述

　　世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，新能源動(dòng)力電池的發(fā)展得到人們關(guān)注。其中鋰離子電池表現(xiàn)出來的優(yōu)異性能，成為當(dāng)前眾多動(dòng)力電池主流的發(fā)展方向。但是由于鋰離子化學(xué)性質(zhì)比較活躍，在鋰電池制備過程中，生產(chǎn)環(huán)境、生產(chǎn)工藝參數(shù)、材料配比等方面的因素，都會(huì)影響到電池成品之后的使用性能和安全性能。所以在鋰電池電芯的制造過程中，需要對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行嚴(yán)格的控制，減少制備過程中產(chǎn)生的缺陷，保證電芯制造過程中的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，通過對(duì)電芯制備過程中的工藝管控，提高成品電池的使用性能及安全性能。

　　1.1鋰離子電池的由來

　　世界上第一個(gè)電池是由意大利人伏打發(fā)明的伏打電堆，跟原電池差不多，世界上第一個(gè)可充電電池法國(guó)人普蘭特發(fā)明的鉛酸蓄電池，隨后還有鎳鎘鎳氫電池，直到1991年鋰離子電池問世并商業(yè)化生產(chǎn)，鋰離子電池以容量大，電壓高，循環(huán)性能好等優(yōu)越性能在眾電池中脫穎而出，但只能用一次，不夠環(huán)保。自然要發(fā)展可以循環(huán)使用的二次電池，鋰二次電池曾經(jīng)在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)研究的都非常熱門。關(guān)鍵是安全問題，充電過程中金屬鋰析出的過程發(fā)生了枝晶偏析，即形成了樹枝狀的晶體，等樹枝長(zhǎng)的足夠大便從正極連到了負(fù)極，發(fā)生了短路，鋰電池便要發(fā)生爆炸，所以此時(shí)鋰二次電池的發(fā)展便遇到了巨大的瓶頸。研究人員不得不去尋找一種能夠吸收金屬鋰防止枝晶偏析的物質(zhì)來代替鋰做負(fù)極，這直接導(dǎo)致了鋰離子電池的產(chǎn)生。經(jīng)過研究人員不斷的發(fā)掘與改進(jìn)才有了我們現(xiàn)在使用的商業(yè)化鋰離子電池。

　　1.2 鋰離子電池在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用和發(fā)展前景

圖1.鋰離子電池結(jié)構(gòu)圖

　　1.2.1鋰離子電池的應(yīng)用

　　近年來， 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展， 人們生活水平越來越高，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)著計(jì)算機(jī)技術(shù)和無線通訊技術(shù)快速發(fā)展。目前，移動(dòng)通訊設(shè)施已經(jīng)在社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用，人們的日常生活和工作離不開移動(dòng)通訊， 保障移動(dòng)通訊的正常使用， 對(duì)其電池提出了更高的要求。為了更好的滿足人們對(duì)移動(dòng)通訊設(shè)備的應(yīng)用，鋰離子電池作為二次充電電池成為工作人員首選的研究目標(biāo)。鋰離子電池的廣泛應(yīng)用，在很大程度上減少了能源的浪費(fèi)， 提高了電池的使用效率。

　　1.2.2鋰離子電池發(fā)展前景

　　社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)鋰離子電池的生產(chǎn)工藝提出了更高的要求。鋰離子電池為了更好的適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展需求，需要向多種以及特種電池的方向發(fā)展。近幾年， 我國(guó)環(huán)境污染比較嚴(yán)重，有很大的原因是因?yàn)槠嚁?shù)量增多， 尾氣排放量超標(biāo)，為了緩解這種情況， 我國(guó)開始發(fā)展新能源汽車，減少環(huán)境污染，提高空氣質(zhì)量。新能源汽車的發(fā)展對(duì)動(dòng)力鋰離子電池的需求越來越大，動(dòng)力鋰離子電池與傳統(tǒng)鋰離子電池存在一定的不同

　　之處，傳統(tǒng)的鋰離子電池的電壓低于動(dòng)力鋰離子電池的電壓，并且動(dòng)力鋰離子電池的比能量要遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的鋰離子電池，其整體的重量較低， 在很大程度上減輕了新能源汽車的重量，有利于新能源汽車得到快速發(fā)展。

　　1.2 鋰離子電池生產(chǎn)流程

　　鋰離子電池生產(chǎn)流程一般可以分為前段、中段和后段三個(gè)部分。其中，前段工序包括配料、攪拌、涂布、輥壓、分切，制片等，中段工序包括卷繞/疊片、封裝、烘干、注液、封口、清洗等，后段主要為化成、分容、包裝等。

圖2. 鋰離子電池生產(chǎn)流程圖

　　1.2 電池制片機(jī)設(shè)備簡(jiǎn)介

　　制片機(jī)是鋰離子電池生產(chǎn)過程中必不可少的工序，也是直接影響電池安全性、容量、一致性等各項(xiàng)性能的關(guān)鍵工序。制片工序是用于極片分切后，對(duì)極片進(jìn)行“極耳包膠、焊接極耳、極耳留白處貼絕緣膠帶后最終將制成的極片進(jìn)行成卷收料或裁切收料”的一種自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。

　　按產(chǎn)品類型分類，目前市場(chǎng)上主要的制片機(jī)型有：2道膠，4道膠，6道膠，8道膠，雙焊雙貼。

圖3. 禾川6道膠制片機(jī)設(shè)備

　　2. 禾川電池制片機(jī)解決方案介紹

　　2.1方案介紹

　　禾川制片機(jī)方案以禾川Q系列PAC為控制層，搭載全新X5E伺服驅(qū)動(dòng)器為驅(qū)動(dòng)層。

圖4. 禾川電池制片機(jī)系統(tǒng)拓?fù)鋱D

　　該方案采用EtherCAT總線通訊，以超五類屏蔽網(wǎng)線或光纖作為傳輸媒介，傳輸速率可達(dá)100Mbit/s(100base-TX)。不僅解決了傳統(tǒng)方案布線復(fù)雜，布線時(shí)間長(zhǎng)的痛點(diǎn)，更是保證了設(shè)備間的通訊高效和穩(wěn)定，具有極強(qiáng)的抗干擾性。

　　驅(qū)動(dòng)層采用禾川進(jìn)階型X5E伺服驅(qū)動(dòng)器。17個(gè)X5E伺服，控制17軸，保證8道工序平穩(wěn)運(yùn)行。

　　8道工序主要包括：

　　收放卷：極片放卷是把分切之后的片卷(卷徑90~500mm)通過放卷機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)一個(gè)高速放卷的過程。放卷軸以周期速度模式運(yùn)行，利用放卷軸+電位計(jì)+牽引軸，計(jì)算出放卷軸的角速度;另外再通過電位計(jì)做PID速度補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)放卷。

　　極耳制備及送極耳：極耳制備工位位于設(shè)備背面，通過極耳放卷→包膠/壓花→切斷→送極耳，將制作好的極耳通過送極耳軸送至設(shè)備前端進(jìn)行下一步工序。

　　極耳焊接：焊極耳是在每條極片的留白處焊接1~2條極耳，可根據(jù)產(chǎn)品需求設(shè)計(jì)選擇單焊或雙焊的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

　　極耳拍平：去除焊疤上可能留下的毛刺，保證其平整光滑。

　　極片貼膠：通過拉膠軸和輥膠軸對(duì)極片完成上下貼膠動(dòng)作，貼膠精度要求在0.2mm左右。根據(jù)產(chǎn)品需求可設(shè)置2道膠、4道膠、6道膠和8道膠貼膠工序。

　　極片裁切：由切刀牽引軸+傳送軸+移料軸組成;單位極片可以按產(chǎn)品需求按1刀或2刀模式切斷，條切方式主要是為了兼容老式半自動(dòng)卷繞機(jī)，按單片切斷后在下道工序?qū)崿F(xiàn)人工單片上料卷繞。

　　極片搬運(yùn)：通過切刀牽引軸+傳送軸+下料軸+切刀機(jī)構(gòu)對(duì)極片進(jìn)行等長(zhǎng)裁切并將其搬運(yùn)

　　至指定的工作臺(tái)。

　　極片收卷：通過收卷軸將極片進(jìn)行成卷收料。(裁切及收卷工序可根據(jù)用戶需求進(jìn)行選擇)。

圖5. 禾川電池制片機(jī)生產(chǎn)流程圖

　　2.2.2設(shè)備主要性能指標(biāo)

　　禾川電池制片機(jī)在研制過程中始終保持著高標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)要求的理念滿足了以下設(shè)備指標(biāo)：

　　(1)收卷浮輥的波動(dòng)：在進(jìn)行收卷的過程中，保證收卷軸擺幅的最小化，保證片材張力恒定，片的緊密性一至。

　　(2)放卷軸的加減速：盡可能平緩，以免對(duì)重卷大卷，因慣量大而損傷極片。

　　(3)焊極耳&貼膠精度：精度在0.2mm以內(nèi)。

　　(4)各工位糾偏(尤其是收卷)：在生產(chǎn)過程中保證收卷切面平整，極片不松卷;

　　(5)制片效率：生產(chǎn)速度最高可達(dá)80PCS/min(優(yōu)于行業(yè)普遍方案：60PCS/min)

　　(6)產(chǎn)品使用：設(shè)備操作方便，漏貼、漏焊和斷片事件發(fā)生概率極低。。

　　2.2.3設(shè)備工藝難點(diǎn)

　　為了迎合市場(chǎng)需求，解決目前電池制片機(jī)存在的缺點(diǎn)，禾川電池制片機(jī)解決了以下的工藝難點(diǎn)：

　　(1)設(shè)備生產(chǎn)的產(chǎn)品主要包括3大類，鋼殼圓柱電池，軟包電池，方形電池及N種小類。禾川方案配方功能，設(shè)備作業(yè)時(shí)只需根據(jù)不同的產(chǎn)品類別或型號(hào)，選擇不同的作業(yè)方式及工藝流程即可。

　　(2)因原材料較為昂貴，設(shè)備生產(chǎn)時(shí)不能浪費(fèi)材料，即使斷電重啟也不能出現(xiàn)漏焊漏貼等現(xiàn)象，因此在自動(dòng)生產(chǎn)流程之外，禾川方案還設(shè)置了應(yīng)急處理功能，用戶可在HMI上進(jìn)行選擇。

　　(3)精度要求0.2~0.5mm，禾川Q1控制器任務(wù)周期設(shè)置到2ms或以上，按1000mm/s的常用速度計(jì)算，1個(gè)周期可跑片2mm。膠輥周長(zhǎng)

　　188.5mm，電機(jī)均速時(shí)可能出現(xiàn)位置偏差，X5E伺服可通過位置補(bǔ)償來修正伺服精度。

　　3. 禾川X5E伺服驅(qū)動(dòng)器介紹

　　X5E伺服驅(qū)動(dòng)器是禾川最新推出的一款運(yùn)行穩(wěn)定，功能強(qiáng)大，能夠滿足絕大對(duì)數(shù)工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景的伺服驅(qū)動(dòng)器，其能夠搭配禾川系列電機(jī)進(jìn)行高精度，高速度，高強(qiáng)度的生產(chǎn)。

　　X5EB驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)：

　　(1)精度：實(shí)現(xiàn)了位置，速度和力矩的閉環(huán)控制;避免因定位不準(zhǔn)而導(dǎo)致產(chǎn)品良品率過低的問題;

　　(2)轉(zhuǎn)速：高速性能好，在產(chǎn)能要求上升的情況下仍然有良好的表現(xiàn);

　　(3)適應(yīng)性：抗過載能力強(qiáng)，能承受三倍于額定轉(zhuǎn)矩的負(fù)載，對(duì)有瞬間負(fù)載波動(dòng)和要求快速起動(dòng)的場(chǎng)合特別適用;

　　(4)穩(wěn)定：運(yùn)行平穩(wěn)，防止因電機(jī)本身抖動(dòng)造成的產(chǎn)品問題。適用于有高響應(yīng)要求的場(chǎng)合;

　　(5)及時(shí)性：掃描周期控制在2ms，確保制片過程中貼膠的精確性。

　　(6)舒適性：發(fā)熱和噪音明顯降低。

　　為了滿足客戶在安裝空間和功耗上的需求，禾川也推出了J3一體機(jī)，超高功率密度設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)更輕薄的體積，明顯的能耗節(jié)省，在同等功率配置下，四合一節(jié)省40%，六合一節(jié)省50%，在相同制動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)合下，四合一節(jié)省20%，六合一節(jié)省30%。

　　4、結(jié)束語

　　禾川電池制片機(jī)控制系統(tǒng)適用性強(qiáng)，生產(chǎn)模式可分為調(diào)試，手動(dòng)，自動(dòng)三種，能夠根據(jù)客戶的不同需求以及產(chǎn)品的差異化進(jìn)行調(diào)整，且在電池自動(dòng)化制片過程中不需要操作工配合，節(jié)約人力成本的同時(shí)有效地提升了生產(chǎn)效率。在功能上，禾川制片機(jī)基本可以涵蓋目前市場(chǎng)上的所有產(chǎn)品各類，如，雙極耳，長(zhǎng)短留鉑，長(zhǎng)短極耳等等，并且支持配方功能，對(duì)于不同電池型號(hào)可以調(diào)用設(shè)置不同參數(shù)，方便型號(hào)切換生產(chǎn)。

　　雖然目前在電池制片機(jī)市場(chǎng)上已經(jīng)有了制片機(jī)的相關(guān)設(shè)備，但普遍存在生產(chǎn)速率不高，收放卷過程不夠穩(wěn)定，漏貼漏焊和產(chǎn)品功能單一等問題。但是禾川電池制片機(jī)能夠處理以及完善這些行業(yè)

　　產(chǎn)品的缺陷，朝著鋰電行業(yè)生產(chǎn)過程中的高產(chǎn)能，高品質(zhì)，高安全的目標(biāo)邁進(jìn)。