摘要：低碳經(jīng)濟(jì)時(shí)代，我國(guó)的新能源及節(jié)能減排方面取得了快速發(fā)展，鋰電池由于其較高的能量密度以及更好的環(huán)保性，具有較為廣闊的發(fā)展前景。在過(guò)往的半自動(dòng)卷繞過(guò)程中往往需要人工對(duì)正負(fù)極片進(jìn)行擺放，且卷繞效率也較為低下，以此前提下，全自動(dòng)圓形卷繞工藝對(duì)于鋰電池中段電芯裝配的重要性不言而喻。本文介紹了禾川全自動(dòng)卷繞機(jī)方案，可以通過(guò)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)電芯高速生產(chǎn)，配合使用禾川Y7S總線伺服，可以解決現(xiàn)有全自動(dòng)圓形卷繞機(jī)存在穩(wěn)定性低、精度低、適配性差、效率低等問(wèn)題。

　　1. 鋰電池組件發(fā)展概述

　　鋰電池是一類采用石墨或其他碳材料作為負(fù)極，以含鋰的化合物作正極的可充電電池。它是一類由鋰金屬或鋰合金為正/負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。

　　1.1初代鋰一次電池組件

　　初代鋰電池組件采用硫化鈦?zhàn)鳛檎龢O材料，金屬鋰作為負(fù)極材料，制成首個(gè)鋰電池。鋰電池的正極材料是二氧化錳或氯化亞砜，負(fù)極是鋰。電池組裝完成后電池即有電壓，不需充電。舉例來(lái)講，以前照相機(jī)里用的扣式電池就屬于鋰電池。這種電池也可以充電，但循環(huán)性能不好，在充放電循環(huán)過(guò)程中容易形成鋰結(jié)晶，造成電池內(nèi)部短路，所以一般情況下這種電池是禁止充電的。

　　1.2 二代鋰二次電池組件

　　索尼公司發(fā)明了以炭材料為負(fù)極，以含鋰的化合物作正極的鋰電池，在充放電過(guò)程中，沒(méi)有金屬鋰存在，只有鋰離子，這就是鋰離子電池。鋰離子電池革新了消費(fèi)電子產(chǎn)品的面貌。此類以鈷酸鋰作為正極材料的電池，是便攜電子器件的主要電源。

　　1.3 鋰電池現(xiàn)狀

　　憑借著高能量密度、高安全性的優(yōu)勢(shì)，鋰離子電池迅速發(fā)展，并與其他二次電池拉開(kāi)了差距。在短短的十幾年的時(shí)間里，鋰離子電池已經(jīng)徹底占領(lǐng)了消費(fèi)電子市場(chǎng)，并擴(kuò)展到了儲(chǔ)能裝置、電動(dòng)汽車領(lǐng)域，取得了矚目的成就。

　　現(xiàn)階段，鋰離子電池已經(jīng)成為電動(dòng)汽車最重要的動(dòng)力源，其發(fā)展經(jīng)歷了三代技術(shù)的發(fā)展：第一代為鈷酸鋰正極，第二代為錳酸鋰和磷酸鐵鋰，三元技術(shù)則為第三代。隨著正負(fù)極材料向著更高克容量的方向發(fā)展和安全性技術(shù)的日漸成熟、完善，更高能量密度的電芯技術(shù)正在從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化，應(yīng)用到更多場(chǎng)景里。

　　1. 鋰電池卷繞機(jī)分類及構(gòu)成

　　1.1 鋰電池卷繞機(jī)分類

　　鋰電池卷繞機(jī)是用來(lái)卷繞鋰電池電芯的，是一種將電池正極片、負(fù)極片及隔膜以連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的方式組裝成芯包的機(jī)器。卷繞機(jī)有正、負(fù)極送料單元，將正負(fù)極隔膜卷繞在一起的部分叫卷針。

　　依據(jù)卷繞芯包的形狀類型不同，卷繞設(shè)備可以主要分為方形卷繞和圓柱卷繞兩大類。方形卷繞可以細(xì)分為方形自動(dòng)卷繞機(jī)和方形制片卷繞一體機(jī)兩類，圓形卷繞可以細(xì)分為圓形自動(dòng)卷繞機(jī)和圓形制片卷繞一體機(jī)兩類。依據(jù)卷繞機(jī)的自動(dòng)化程度可以劃分為手工、半自動(dòng)、全自動(dòng)和一體機(jī)等類型。按照制作的芯包大小可以劃分為小型、中型、大型、超大型等。

　　2.2 圓形卷繞機(jī)構(gòu)成

　　圓形卷繞機(jī)采用兩副或以上卷針、單側(cè)抽針的結(jié)構(gòu)，卷料正負(fù)極極片和隔膜主動(dòng)放卷、極片隔膜換卷、自動(dòng)糾偏、自動(dòng)張力檢測(cè)與控制，極片由夾輥驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)引入卷繞部分，與隔膜一同按照工藝要求進(jìn)行自動(dòng)卷繞。卷繞完成后自動(dòng)換工位、切斷隔膜和貼終止膠帶，成品裸電芯自動(dòng)下料后，經(jīng)過(guò)預(yù)壓、掃碼，良品成品裸電芯自動(dòng)轉(zhuǎn)移到托盤中再轉(zhuǎn)移到后工序。不良品裸電芯自動(dòng)卸料到不良品裸電芯收集處。

　　1. 禾川圓形卷繞機(jī)解決方案

　　3.1 禾川圓形卷繞機(jī)方案介紹

　　禾川圓形卷繞機(jī)設(shè)備配置有可編程控制器，在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合中經(jīng)常遇到不同的產(chǎn)品規(guī)格支持配方功能，對(duì)于不同卷繞電芯大小可以調(diào)用不同得配方參數(shù)、方便切換型號(hào)生產(chǎn)。設(shè)備適應(yīng)性高且工作效率高。卷繞效率每分鐘20-50片(片長(zhǎng)不同效率不同)，正負(fù)極耳對(duì)齊，對(duì)齊度要求0.2mm以內(nèi)，卷徑控制，公差0.1mm以內(nèi)，糾偏穩(wěn)定，電芯橫截面無(wú)凹凸，不擺尾，偏差0.2mm以內(nèi)。

　　張力控制：在完成了正負(fù)極片初始送極片過(guò)程后，正負(fù)極片被隔膜裹緊，并繞卷針纏繞一周后的卷繞。該過(guò)程是控制放卷軸以周期速度模式運(yùn)行，配合電位計(jì)+編碼器，計(jì)算出放卷軸的角速度，再通過(guò)電位計(jì)做PID速度補(bǔ)償，保證卷繞過(guò)程中料卷的張力穩(wěn)定。

　　左、右機(jī)械手入片：

　　(1)結(jié)構(gòu)包括“夾送軸”&“切送軸”&“輥送軸”3個(gè)伺服軸，及“夾片”“切刀”“輥壓”3個(gè)氣缸，實(shí)現(xiàn)入片&預(yù)送片&追切作業(yè)。

　　(2)極片前裝有“黃標(biāo)檢測(cè)”，“無(wú)極耳檢測(cè)”，Mark切點(diǎn)檢測(cè)，區(qū)分來(lái)片NG或OK類別，并完成對(duì)應(yīng)正確處理方式。

　　更換工位功能：

　　通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)依次完成電芯卷繞》》貼終止膠》》卷針下料等工位動(dòng)作要求。

　　圖1 禾川圓形卷繞機(jī)示意圖

　　圖2 禾川圓形卷繞機(jī)機(jī)構(gòu)

　　3.2 禾川圓形卷繞機(jī)工藝流程

　　禾川圓形卷繞機(jī)工藝流程大致可分為7步，分別是：極片或隔膜放卷、左右機(jī)械手入片、換工位、極片收卷、貼終止膠、卷針下料、NG剔除。

　　圖3 禾川圓形卷繞機(jī)工藝流程圖

　　3.3 禾川圓形卷繞機(jī)方案

　　禾川圓形卷繞機(jī)方案以TP2510E觸摸屏作為信息層交互層，HCQ5-1500為控制層，采用Y7S伺服驅(qū)動(dòng)器及配套X6電機(jī)，執(zhí)行層具有大盤翻轉(zhuǎn)軸、卷針軸、隔膜+極片放卷軸、左右?jiàn)A送軸、左右輥送軸等。

　　圖3 禾川全自動(dòng)圓形卷繞機(jī)系統(tǒng)拓?fù)鋱D

　　禾川全自動(dòng)圓形卷繞機(jī)方案可通過(guò)TP2510E觸摸屏實(shí)時(shí)查看設(shè)備狀態(tài)，方便用戶地操作。HCQ5-1500是禾川自主研發(fā)的中型PAC，在禾川全自動(dòng)圓形卷繞機(jī)方案中，可以輕松帶動(dòng)64軸運(yùn)動(dòng)。Y7S型高性能伺服系統(tǒng)，采用全新的控制算法平臺(tái)，以卓越的驅(qū)動(dòng)性能，更豐富的總線和擴(kuò)展功能來(lái)滿足不同行業(yè)客戶的多樣控制需求。同時(shí)具有更高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，定位精度和可靠性，以及更快的速度、易于使用、免調(diào)整功能等7大核心性能，搭配禾川X6電機(jī)，運(yùn)行穩(wěn)定，功能強(qiáng)大，可以完成高精度、高速度、高強(qiáng)度的生產(chǎn)。

　　3.4 圓形卷繞機(jī)設(shè)備工藝介紹

　　1.首先現(xiàn)場(chǎng)人員把隔膜、正負(fù)極片等物料放置在對(duì)應(yīng)的位置后，適當(dāng)?shù)恼{(diào)整參數(shù)或示教位置后，即可正常啟動(dòng)自動(dòng)流程。

　　2.工位卷針動(dòng)作，卷繞的同時(shí)通過(guò)放卷軸+電位計(jì)+編碼器形成閉環(huán)PID計(jì)算及補(bǔ)償放卷速度，實(shí)現(xiàn)控制維持張力的平穩(wěn)。

　　3.卷繞工位上卷繞好的產(chǎn)品通過(guò)換工位機(jī)械部分動(dòng)作移到下工序進(jìn)行貼終止膠。

　　4.貼好終止膠后的產(chǎn)品再次通過(guò)工位機(jī)械部分動(dòng)作進(jìn)行下料并配合過(guò)程中的短路檢測(cè)分辨OK/NG的芯包，以此循環(huán)。

　　5.短路檢測(cè)NG的產(chǎn)品會(huì)被剔除工位剔除，保證產(chǎn)品良率的同時(shí)也減少了人工操作帶來(lái)的麻煩。

　　1. 結(jié)束語(yǔ)

　　禾川圓形繞線機(jī)方案采用整套電機(jī)方案，效率更高;支持各個(gè)軸的位置示教，方便用戶的調(diào)試;支持配方功能，可以匹配不同尺寸的極片，使用更便捷;使用Y7S總線伺服，一線到底，減少?gòu)?fù)雜的脈沖接線，杜絕脈沖干擾;檢測(cè)精度更高。

　　目前，市面上的圓形自動(dòng)繞線機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)類似，可參考本方案進(jìn)行復(fù)制。浙江禾川科技股份有限公司始終以更好的整機(jī)解決方案來(lái)滿足客戶的需求，以更高性能的產(chǎn)品來(lái)服務(wù)客戶。