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锂电池方型卷绕恒线速控制解决方案

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一、前言

你知道吗?我们所使用的手机电池、笔记本电池、照相机电池、DV机电池、电动汽车电池等都是由锂电池卷绕机所制造出来的。锂电池卷绕机的种类主要有方型半自动卷绕机、方型全自动卷绕机、圆型全自动卷绕机三种,这里主要介绍方型全自动卷绕机。
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二、电池卷绕行业前景

以电动汽车为首的新能源汽车成为“十二五”期间的重点扶持对象。2010年,中央财政、各地方财政纷纷明确拿出“重金补贴+政府扶持”的双重刺激措施。按照初步规划,未来中国将投资1000亿元支持新能源汽车产业的发展。同时多部委正在牵头制订涉及扶持新能源汽车发展的相关政策。由科技部牵头的《电动汽车科技发展“十二五”专项规划》已制订完毕,最迟明年正式对外公布。根据《规划》,小型化和汽车电气化是中国汽车未来发展的两大方向,2015年中国电动汽车保有量计划达到100万辆,动力电池产能约达100亿瓦时。为此,我国计划推动电动汽车产业链发展,动力电池、电机、电控成为未来发展的核心。
新能源汽车产业的发展势必带来电池生产、制造产业的腾飞,这将给电池生产设备企业带来重大的发展机遇,同时也将在很大程度上对现有电池生产设备提出更高的要求。

三、电池卷绕恒线速度工艺介绍

锂电池卷绕设备主要技术难点在于如何控制隔膜和极片的张力和恒线速卷绕,极片张力控制的好坏直接决定了电池的生产质量,张力的好坏对电池绕线过程的均衡性、生产效率也有直接影响。而张力的控制则直接受至于电池卷绕时的极片恒线速度控制,如果卷绕时极片的线速度恒定,那么张力就将是一个恒定的值,如果线速度发生跳变,张力也将发生跳变。
极片恒线速的控制在方型电池上表现得特别突出,由于卷针型状特殊,因此卷针外围每个点与卷针中心的距离均不一样,是一个不规则的形状,因此为了实现恒线速度,卷针必须以一个变化的速度来旋转,才能保证在这一周中圆弧上每一点的线速度一样。

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四、系统性能的要求

如果采用40mm宽度的卷针,目前客户现有设备的卷绕速度是200mm/s,折算到转速大概就是2r/s,同时卷针运行时还不是真正的恒线速卷绕。为了实现真正的恒线速卷绕,并提供卷绕速度,客户要求我们能够把转速提高到3r/s,这个性能指标目前在国内来说是非常高的,国内厂家目前均做不到这一点。这对伺服的响应能力提出了很高的要求,经过方案评估,我们采用了与客户现有方案完全不同的实现方式,即把卷绕的控制程序写了ED伺服驱动器里面,同时还采用了专用的电子凸轮算法,因此kinco的ED伺服方案在交流阶段即得到了认可。

五、步科的控制方案

针对方型卷绕恒线速度控制要求,步科提出了独特的专用电子凸轮的解决方案。方案详细如下:
下载失败在每一种电池自动卷绕之前,通过半自动的控制方式控制伺服电机恒转速卷绕一个电池成品,在手动卷绕过程中,伺服驱动器会定时采集编码器反馈回来的数据,并对这些数据进行存储并处理。在整个电池绕线过程中,伺服驱动器总共会采集4096个编码器数据,这些数据主要用来在后期自动卷绕过程去控制伺服电机的恒线速。这些数据全部通过自学习得来,不需要用户进行设置,只需要在换新品种之前自学习一次即可。原理大致如下:
1、将极片长度测量的编码器信号接入到伺服驱动器
2、自学习过程:伺服驱动器驱动电机按照恒定的转速来运行,同时驱动器接收长度测量编码器的长度信号,同时一并记录此时电机编码器的位置信号;这些数据将会记录到一个表格里面,每两个数据之间的差值是不一样的;如果要记录多组数据,可以通过HMI来保存。
3、电机运行完一定长度后(该长度比实际电池极片卷绕的长度要长一些,且这个长度可以通过HMI进行设置),伺服驱动器再反回起始动作的原点;
4、伺服驱动器将采集到的这些数据通过内部算法进行处理,得到要使极片能够恒线速运行电机转速。
5、每次更换不同的卷针,只需让伺服电机在自学习一次即可
6、实际运行过程,客户只需要让PLC发送一定频率的脉冲给伺服即可,伺服即可按照这个脉冲的频率去查表,以实现恒线速运行。
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六、方案优点

1、变转速控制,通过伺服驱动器内部专用的电子凸轮算法来实现,不需要PLC参与控制,整个控制过程响应快、速度稳速精度高;
2、采用专用的电子凸轮算法,使得卷针运行线速度非常接近于理论设计的线速度,从而很好的保证了张力系统的稳定,避免了因线速度不稳产生的张力跳变;
3、ED伺服系统具有非常灵活的,当系统更换卷针的时候,ED伺服能够非常方便的就把卷针数据学习上来,而不需要PLC或者HMI做任何处理,非常方便客户使用;
4、多个卷针的数据还能够上传到HMI里面保存起来,更换卷针时只需调出与之相符数据即可,用户不需要再进行学习,为客户节省了不少时间;
5、由于不需要PLC参与恒线速度的控制,因此PLC能够对其它任务进行更快的处理,提高了系统的运行效率;
6、由于卷针伺服的运行可以不依赖于PLC的高速脉冲,为此可以为PLC节省两个通道的高速脉冲输出接口,因此客户可以选择比目前更加便宜的PLC,整个系统的成本可以更低;
7、通过HMI的通讯口直接连接到ED伺服驱动器,能够直接对电机进行控制,同时还显示出电机运行状态、故障信息,非常方便后期的系统维护;
卷针转速40mm卷针:2r/s、120mm卷针:0.67r/s40mm卷针:3r/s、120mm卷针:1.5r/s
极片线速200mm/s300mm/s
更换卷针的难易程度易,只需学习一次即可
卷针数据库
卷针控制程序难度很难在伺服内部完成,PLC不需做任何处理
卷针控制部分成本2台三菱、安川750W伺服仅在卷针伺服上比日系伺服稍贵,但系统其它部分不变。
调试便利性简单简单,原有PLC程序基本不动

七、我们的系统能够为客户带来什么价值

-提高50%以上的效率,设备档次提升
-节省机械凸轮,一个机械凸轮采用了1.3KW的中惯量伺服电机和一套机械设备
-张力变化范围小,成品率更高


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