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

　　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)濟的快速發(fā)展，新能源動力電池的發(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，成為當前眾多動力電池主流的發(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，需要對生產(chǎn)工藝進行嚴格的控制，減少制備過程中產(chǎn)生的缺陷，保證電芯制造過程中的標準化、規(guī)范化，通過對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，世界上第一個可充電電池法國人普蘭特發(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)在很長的一段時間內(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，等樹枝長的足夠大便從正極連到了負極，發(fā)生了短路，鋰電池便要發(fā)生爆炸，所以此時鋰二次電池的發(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， 隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展， 人們生活水平越來越高，科學(xué)技術(shù)的進步推動著計算機技術(shù)和無線通訊技術(shù)快速發(fā)展。目前，移動通訊設(shè)施已經(jīng)在社會各個領(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通訊， 保障移動通訊的正常使用， 對其電池提出了更高的要求。為了更好的滿足人們對移動通訊設(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。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， 提高了電池的使用效率。

　　1.2.2鋰離子電池發(fā)展前景

　　社會經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，對鋰離子電池的生產(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， 我國環(huán)境污染比較嚴重，有很大的原因是因為汽車數(shù)量增多， 尾氣排放量超標，為了緩解這種情況， 我國開始發(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)展對動力鋰離子電池的需求越來越大，動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力鋰離子電池的電壓，并且動力鋰離子電池的比能量要遠高于傳統(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 電池制片機設(shè)備簡介

　　制片機是鋰離子電池生產(chǎn)過程中必不可少的工序，也是直接影響電池安全性、容量、一致性等各項性能的關(guān)鍵工序。制片工序是用于極片分切后，對極片進行“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行成卷收料或裁切收料”的一種自動化生產(chǎn)設(shè)備。

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

圖3. 禾川6道膠制片機設(shè)備

　　2. 禾川電池制片機解決方案介紹

　　2.1方案介紹

　　禾川制片機方案以禾川Q系列PAC為控制層，搭載全新X5E伺服驅(qū)動器為驅(qū)動層。

圖4. 禾川電池制片機系統(tǒng)拓撲圖

　　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100Mbit/s(100base-TX)。不僅解決了傳統(tǒng)方案布線復(fù)雜，布線時間長的痛點，更是保證了設(shè)備間的通訊高效和穩(wěn)定，具有極強的抗干擾性。

　　驅(qū)動層采用禾川進階型X5E伺服驅(qū)動器。17個X5E伺服，控制17軸，保證8道工序平穩(wěn)運行。

　　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)通過放卷機構(gòu)實現(xiàn)一個高速放卷的過程。放卷軸以周期速度模式運行，利用放卷軸+電位計+牽引軸，計算出放卷軸的角速度;另外再通過電位計做PID速度補償，實現(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)計選擇單焊或雙焊的機械結(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極片完成上下貼膠動作，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卷繞機，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：通過切刀牽引軸+傳送軸+下料軸+切刀機構(gòu)對極片進行等長裁切并將其搬運

　　至指定的工作臺。

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

圖5. 禾川電池制片機生產(chǎn)流程圖

　　2.2.2設(shè)備主要性能指標

　　禾川電池制片機在研制過程中始終保持著高標準，嚴要求的理念滿足了以下設(shè)備指標：

　　(1)收卷浮輥的波動：在進行收卷的過程中，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

　　為了迎合市場需求，解決目前電池制片機存在的缺點，禾川電池制片機解決了以下的工藝難點：

　　(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)時只需根據(jù)不同的產(chǎn)品類別或型號，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)時不能浪費材料，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的常用速度計算，1個周期可跑片2mm。膠輥周長

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

　　3. 禾川X5E伺服驅(qū)動器介紹

　　X5E伺服驅(qū)動器是禾川最新推出的一款運行穩(wěn)定，功能強大，能夠滿足絕大對數(shù)工業(yè)應(yīng)用場景的伺服驅(qū)動器，其能夠搭配禾川系列電機進行高精度，高速度，高強度的生產(chǎn)。

　　X5EB驅(qū)動器的特點：

　　(1)精度：實現(xiàn)了位置，速度和力矩的閉環(huán)控制;避免因定位不準而導(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，能承受三倍于額定轉(zhuǎn)矩的負載，對有瞬間負載波動和要求快速起動的場合特別適用;

　　(4)穩(wěn)定：運行平穩(wěn)，防止因電機本身抖動造成的產(chǎn)品問題。適用于有高響應(yīng)要求的場合;

　　(5)及時性：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，超高功率密度設(shè)計實現(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%，在相同制動應(yīng)用場合下，四合一節(jié)省20%，六合一節(jié)省30%。

　　4、結(jié)束語

　　禾川電池制片機控制系統(tǒng)適用性強，生產(chǎn)模式可分為調(diào)試，手動，自動三種，能夠根據(jù)客戶的不同需求以及產(chǎn)品的差異化進行調(diào)整，且在電池自動化制片過程中不需要操作工配合，節(jié)約人力成本的同時有效地提升了生產(chǎn)效率。在功能上，禾川制片機基本可以涵蓋目前市場上的所有產(chǎn)品各類，如，雙極耳，長短留鉑，長短極耳等等，并且支持配方功能，對于不同電池型號可以調(diào)用設(shè)置不同參數(shù)，方便型號切換生產(chǎn)。

　　雖然目前在電池制片機市場上已經(jīng)有了制片機的相關(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)，高安全的目標邁進。