摘 要 在卷繞電芯質(zhì)量的把控中，極耳對(duì)齊精度是一個(gè)極為復(fù)雜的影響因素，涉及多個(gè)工序的質(zhì)量。為了解決電芯多極耳對(duì)齊精度差的問(wèn)題，本文通過(guò)建立極耳位置模型，采用邊緣閉環(huán)控制算法，對(duì)影響對(duì)齊精度的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)、矯正和控制閉環(huán)，為現(xiàn)有控制技術(shù)提供理論參考數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)極耳對(duì)齊精度的有效控制。同時(shí)，極耳位置模型可反映各項(xiàng)參數(shù)對(duì)極耳位置的影響方式以及極耳錯(cuò)位的表現(xiàn)方式，以便于研發(fā)人員理解各項(xiàng)參數(shù)對(duì)極耳錯(cuò)位的影響程度以及修正極耳錯(cuò)位的方式，并將其表現(xiàn)在控制方法中。仿真分析與實(shí)際控制工況的結(jié)合結(jié)果表明，所采取的控制方法對(duì)改善極耳位置有著較高的適應(yīng)性，且模型也能準(zhǔn)確反映出極耳位置的變化趨勢(shì)。此外，本文進(jìn)一步探討了實(shí)現(xiàn)智能卷繞整體閉環(huán)的邏輯方法，進(jìn)而優(yōu)化整個(gè)卷繞工藝中的控制閉環(huán)，對(duì)最終實(shí)現(xiàn)卷繞工藝的質(zhì)量閉環(huán)，提高電池性能質(zhì)量以及生產(chǎn)效率的目標(biāo)，有著重大的參考意義。
關(guān)鍵詞 動(dòng)力電池；極耳錯(cuò)位；智能卷繞；邊緣閉環(huán)；整體閉環(huán)
動(dòng)力電池的生產(chǎn)對(duì)技術(shù)要求較高，對(duì)裝備依賴性較強(qiáng)，因此目前動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展仍受到生產(chǎn)裝備的制約。在關(guān)鍵的工藝環(huán)節(jié)中，尤其是卷繞成型階段，張力的控制精度、糾偏對(duì)齊以及極耳錯(cuò)位等都將直接影響電芯質(zhì)量；同時(shí)，當(dāng)前卷繞設(shè)備的正常運(yùn)行仍需要人工的干預(yù)，導(dǎo)致動(dòng)力電池生產(chǎn)的整體效率下降，一致性較低，是導(dǎo)致生產(chǎn)浪費(fèi)和質(zhì)量下降的重要因素。
極耳對(duì)齊精度作為電芯制作的難點(diǎn)之一，其主要的影響因素來(lái)源于材料的厚度問(wèn)題。在卷繞工藝的要求中，電芯的尺寸和極耳位置等都是確定的，并且需要使用特定周長(zhǎng)的卷針進(jìn)行卷繞。而隨著卷繞圈數(shù)的增加，極耳的數(shù)量在增加，累計(jì)的位置誤差也在增大。在各項(xiàng)參數(shù)影響不變且卷繞50圈的情況下，卷繞材料整體的平均厚度偏差達(dá)到1 μm時(shí)，電芯第一圈與最后一圈的極耳錯(cuò)位將超過(guò)7 mm，且隨圈數(shù)的增加，極耳錯(cuò)位量也會(huì)進(jìn)一步增大。
在卷繞工藝前，模切工藝會(huì)根據(jù)設(shè)定的極耳間距值對(duì)極耳進(jìn)行模切處理，業(yè)內(nèi)對(duì)于解決極耳錯(cuò)位問(wèn)題已有一些方向，即通過(guò)優(yōu)化極耳間距的計(jì)算來(lái)優(yōu)化模切工藝參數(shù)，可想而知，解決極耳錯(cuò)位問(wèn)題的關(guān)鍵在于模切工藝段極耳間距的模切參數(shù)定義。目前已有的方案中，韋磊等提出了在卷繞工藝中使用未模切的原極片，然后在成型電芯上通過(guò)人工裁切獲得理想的極耳位置分布，最后通過(guò)拆解、測(cè)量的方式獲得極耳間距數(shù)據(jù)；張國(guó)帥等通過(guò)在電芯刨面預(yù)設(shè)極耳位置，再對(duì)刨面圖上的極耳位置進(jìn)行測(cè)量獲得極耳間距數(shù)據(jù)；花宇等通過(guò)對(duì)電芯的形態(tài)和工藝參數(shù)進(jìn)行分類，在確定影響因子的基礎(chǔ)上假定一種基準(zhǔn)形態(tài)，再進(jìn)行算法探究，進(jìn)而給出了電芯形態(tài)和極耳序列號(hào)判別式，并結(jié)合基準(zhǔn)形態(tài)的算法形成最終的通用算法。前2種方案依賴于實(shí)驗(yàn)樣品，在工藝變更后需要重新制作理想模型，存在局限性。這些是在模切工序段通過(guò)優(yōu)化極耳間距的方式來(lái)解決極耳錯(cuò)位的方法。
在卷繞工序段，業(yè)內(nèi)也有通過(guò)實(shí)時(shí)改變卷針角度或者在卷繞過(guò)程中向材料層中加入介質(zhì)的方式來(lái)達(dá)到糾正極耳錯(cuò)位的目的。但均會(huì)一定程度地影響工藝、電芯質(zhì)量和生產(chǎn)效率。本文的研究將通過(guò)建立模型仿真并結(jié)合實(shí)際控制的方式，在卷繞工藝段，根據(jù)現(xiàn)有的調(diào)節(jié)方式，定量分析各影響參數(shù)，優(yōu)化控制體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)極耳位置的有效控制。此外，本文還倡導(dǎo)全流程產(chǎn)品質(zhì)量信息的流通，利用智能卷繞技術(shù)，從生產(chǎn)全流程的角度解決電芯生產(chǎn)的質(zhì)量問(wèn)題。
1 動(dòng)力電池制造技術(shù)
動(dòng)力電池生產(chǎn)工序大體上可以分為3個(gè)階段：前段工序(電極制作)、中段工序(電芯合成)和后段工序(化成封裝)，如圖1所示。在中段工序中，卷繞成型是目前電芯成型的主要工藝，適用于圓柱形電池和方形電池的制造。
圖1 動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)
1.1 卷繞制造技術(shù)
1.1.1 卷繞工藝
卷繞工藝是利用固定卷針通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)的方式，將正負(fù)極極片和隔膜按一定的順序繞制成圓柱型，或者繞成環(huán)形冷壓成帶圓弧的方型電芯，并以收尾貼膠的方式固定電芯結(jié)構(gòu)。
在該過(guò)程中涉及對(duì)極耳對(duì)齊、張力控制以及糾偏對(duì)齊等決定產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵問(wèn)題的處理。雖然目前卷繞技術(shù)是電芯成型工序中最成熟的，但在電芯極片隔膜對(duì)齊度、極耳對(duì)齊度、極片貼合的一致性等質(zhì)量因數(shù)以及生產(chǎn)效率上仍然有較大的提升空間。另外，卷繞工藝中的參數(shù)設(shè)定，如極片尺寸、卷繞圈數(shù)以及卷針長(zhǎng)度等都是根據(jù)電池的容量設(shè)計(jì)來(lái)確定的，因此卷繞設(shè)備會(huì)根據(jù)不同的電芯工藝以及設(shè)計(jì)要求做出不同的改變。
1.1.2 卷繞質(zhì)量的要求
在卷繞的不同階段對(duì)于質(zhì)量的要求不同：在卷繞前，通常對(duì)設(shè)備、組件的安裝精度和料線質(zhì)量有要求，具體包括輥組件的加工精度、輥組件間的平行度和極片厚度、波浪邊、蛇形彎以及極耳不良品等；卷繞過(guò)程中，對(duì)張力控制、切斷毛刺長(zhǎng)度以及機(jī)器運(yùn)動(dòng)精度等有具體要求，其中，恒張力控制是保證電芯界面平整、層間貼合均勻的關(guān)鍵；卷繞完成后，極片、隔膜對(duì)齊度、極耳對(duì)齊度以及卷芯尺寸等是卷繞質(zhì)量的關(guān)鍵要求。
極耳影響著動(dòng)力電池的安全性，其對(duì)齊度是判斷電芯合格的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。極耳錯(cuò)位會(huì)導(dǎo)致電芯極耳焊接不牢固、不均勻，影響電池的電性能和安全性能；另外，極耳錯(cuò)位過(guò)大會(huì)導(dǎo)致正負(fù)極極耳間距縮小，造成電池短路，并且焊接時(shí)的火花與金屬飛濺，也會(huì)增大短路的風(fēng)險(xiǎn)。
因此，在卷繞工藝和卷繞設(shè)備上的共同突破，將促進(jìn)卷繞技術(shù)的發(fā)展以更好地解決極耳錯(cuò)位帶來(lái)的安全隱患，再通過(guò)基于模型的數(shù)字化以及大數(shù)據(jù)的智能化，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池的智能卷繞技術(shù)。
1.2 智能制造技術(shù)
智能制造的本質(zhì)是利用數(shù)據(jù)化解制造過(guò)程的不確定性，從而實(shí)現(xiàn)最佳的制造價(jià)值，其方法是準(zhǔn)確獲取數(shù)據(jù)，通過(guò)運(yùn)用人工智能、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)制造過(guò)程自動(dòng)化和智能化的管控，以提高制造效率和產(chǎn)品質(zhì)量。
隨著市場(chǎng)和消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、個(gè)性化和交付周期等需求的提升，傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)方式已經(jīng)開(kāi)始發(fā)生根本性的變革；在新興技術(shù)的快速發(fā)展以及日益激烈的全球經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)中，智能制造將成為制造業(yè)不斷提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中取得優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵路徑。
2 卷繞技術(shù)中的控制難點(diǎn)
在電芯成型工藝中，卷繞技術(shù)經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)間的迭代，其中最突出的改變就是“卷圓成方”，即用圓形卷針卷繞出方型電池，再進(jìn)行冷壓成型，最終得到帶圓角的方型電芯，實(shí)現(xiàn)了對(duì)方型卷針的替代。
雖然卷繞技術(shù)的發(fā)展極大地提升了卷繞電芯的質(zhì)量，但是在追求動(dòng)力電池高質(zhì)量發(fā)展的道路上仍然有著眾多需要解決的控制難點(diǎn)，主要體現(xiàn)在極耳對(duì)齊、張力控制以及糾偏對(duì)齊等方面，產(chǎn)生這些問(wèn)題的主要原因涉及材料的質(zhì)量、頻繁的加減速、卷繞前工序的影響以及設(shè)備本身的質(zhì)量等。在此，以我司250自動(dòng)卷繞機(jī)(圖2)的具體控制要求為例，展示目前在各控制難點(diǎn)的數(shù)值要求。
圖2 250自動(dòng)卷繞機(jī)示意圖
2.1 極耳對(duì)齊度
極耳對(duì)齊指的是電芯上每層正負(fù)極極耳的位置在疊層方向上都分別在要求的范圍內(nèi)，是一種范圍對(duì)齊。由于鋰電生產(chǎn)過(guò)程中既離散又連續(xù)的特性——離散是因?yàn)槠涿慷喂ば虻脑O(shè)備、標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量都來(lái)自不同的企業(yè)，而連續(xù)則是每個(gè)工序之間的生產(chǎn)質(zhì)量都相互影響，因此，卷繞前每段工序出現(xiàn)的極耳錯(cuò)位因素相互疊加，造成了極耳錯(cuò)位發(fā)生的隨機(jī)性，其中導(dǎo)致極耳錯(cuò)位的原因主要?dú)w咎于極片厚度的差異，還包括極耳間距、卷針直徑以及卷繞參數(shù)等來(lái)自不同工序段的影響因素
在250自動(dòng)卷繞機(jī)中，極耳對(duì)齊的要求為±7 mm，電芯卷繞圈數(shù)為50圈。然而在標(biāo)準(zhǔn)條件下，電芯平均每層的厚度偏差達(dá)到1 μm時(shí)，第50圈的極耳偏差將超過(guò)8 mm。總的來(lái)說(shuō)，針對(duì)極耳錯(cuò)位的問(wèn)題需要從卷繞前的每段工序中做到嚴(yán)格的質(zhì)量把控，否則，當(dāng)所有的質(zhì)量問(wèn)題都累積到電芯卷繞成型段時(shí)，只在卷繞段進(jìn)行調(diào)控的效果是有限的。
2.2 張力控制
在250自動(dòng)卷繞機(jī)的整個(gè)卷繞過(guò)程中，隔膜張力控制要求在100~750 gf(1 gf=9.8×10-3 N)，極片張力設(shè)定范圍在100~2000 gf，勻速運(yùn)行時(shí)極片和隔膜的張力波動(dòng)范圍均在規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)值的±5%，同時(shí)實(shí)時(shí)顯示張力值與傳感器值偏差在5%以內(nèi)。理論上料線張力越小，波動(dòng)越小，則電芯質(zhì)量越高，目前在實(shí)際工序要求中的張力范圍也是按照這個(gè)要求控制的。
2.3 料線對(duì)齊
電芯生產(chǎn)工藝中明確有料線邊緣對(duì)齊度的要求范圍，這使得卷繞設(shè)備上每條料線都至少安裝有1組糾偏組件，極片段甚至有3~4組，目的就是糾正跑偏的料線。料線跑偏的主要原因是其在輥上運(yùn)動(dòng)時(shí)橫向受力存在差異，具體表現(xiàn)為輥組件間的平行度以及極片橫向的厚度差異等問(wèn)題。對(duì)齊度在250自動(dòng)卷繞機(jī)的要求中明確了負(fù)極-正極、負(fù)極-隔膜以及隔膜-隔膜之間的偏差范圍，具體數(shù)值均要求在±0.5 mm。
3 極耳錯(cuò)位的理論分析
從涂布、輥壓工序段的極片厚度，到激光膜切段的極耳間距，再到卷繞成型段的精度誤差和層間距問(wèn)題，都是影響極耳對(duì)齊的重要因素。這種來(lái)自多工序質(zhì)量問(wèn)題的疊加影響，若只在卷繞段進(jìn)行極耳質(zhì)量調(diào)控是很難做到高質(zhì)量生產(chǎn)的。由于卷繞階段是電芯產(chǎn)品的產(chǎn)出階段，也就是直觀地顯現(xiàn)出極耳錯(cuò)位問(wèn)題的階段，因此很容易造成是由卷繞設(shè)備問(wèn)題導(dǎo)致極耳錯(cuò)位的誤解。事實(shí)上，在卷繞前料線厚度以及極耳間距就已經(jīng)成型，也就是質(zhì)量問(wèn)題以及錯(cuò)位風(fēng)險(xiǎn)在卷繞前就已經(jīng)存在，并與卷繞段的誤差共同影響極耳位置。因此，在卷繞段進(jìn)行調(diào)控只能解決卷繞段產(chǎn)生的誤差以及在一定程度上緩解前段工藝質(zhì)量的影響，而真正解決極耳錯(cuò)位問(wèn)題應(yīng)該在制片段就開(kāi)始進(jìn)行全流程的質(zhì)量把控。
3.1 影響因素
3.1.1 工藝流程分析
從工藝流程上來(lái)看：制片階段產(chǎn)生的厚度問(wèn)題主要表現(xiàn)在厚度不均勻、厚度超差以及料線邊緣問(wèn)題等，使得在卷繞過(guò)程中每層卷繞半徑不規(guī)則變化，進(jìn)而影響到極耳位置以及收放卷速度匹配，造成極耳錯(cuò)位和張力問(wèn)題。
模切階段是參考料線標(biāo)準(zhǔn)厚度以及卷繞參數(shù)等完成的工藝設(shè)計(jì)，即極耳間距需要裁切的距離是按照標(biāo)準(zhǔn)厚度計(jì)算得出的，每個(gè)極耳間距都與一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)厚度相對(duì)應(yīng)。然而，模切階段本身存在一定的裁切精度問(wèn)題，再加上來(lái)自制片階段的厚度問(wèn)題影響，使得極耳間距與實(shí)際厚度之間產(chǎn)生隨機(jī)性的變化，導(dǎo)致卷繞過(guò)程中極耳位置的隨機(jī)分布。
卷繞階段是電芯的成型階段，在此之前，所有正負(fù)極與隔膜都是由不同設(shè)備分開(kāi)加工、處理，并隨機(jī)搭配正負(fù)極卷料和隔膜卷料進(jìn)行電芯卷繞，這使得該階段存在一個(gè)材料整合的過(guò)程，也就是極組厚度的均勻性將取決于選取的這4捆卷料的厚度情況。另一方面，卷繞設(shè)備自身的精度問(wèn)題以及卷繞參數(shù)中速度、加速度和張力的設(shè)定值也會(huì)影響極耳位置，尤其是卷針直徑。
來(lái)自多個(gè)階段的影響因素(圖3)導(dǎo)致極耳位置的把控需要在各個(gè)階段做到嚴(yán)格的或者有預(yù)見(jiàn)性的質(zhì)量監(jiān)管，即在離散的生產(chǎn)工序中，通過(guò)信息流的方式建立生產(chǎn)信息、質(zhì)量信息等的交互平臺(tái)。產(chǎn)品信息跟隨產(chǎn)品物料一起流動(dòng)，使得獨(dú)立的生產(chǎn)工序在加工前就能大體了解待加工產(chǎn)品的狀態(tài)信息，并提前做出合適的工藝調(diào)整，加強(qiáng)各段工藝間的關(guān)聯(lián)性。
圖3 影響極耳位置的因素
3.1.2 基礎(chǔ)影響因素分析
從各個(gè)工序階段大體上可以總結(jié)出3類影響因素，極組厚度、極耳間距以及卷繞精度，其中厚度是主要的影響因素，不僅包括極組厚度，還涉及卷針直徑誤差以及卷繞層間距問(wèn)題。
（1）極組厚度
極組厚度是正負(fù)極極片厚度以及相鄰兩層隔膜厚度的總和，具體影響方式表現(xiàn)在負(fù)極-負(fù)極間的極組厚度影響下一層負(fù)極極耳的位置，如圖4中的A所示；正極亦然，如圖4中的B所示。極組厚度的異常會(huì)引起下一圈的周長(zhǎng)變化，而按照標(biāo)準(zhǔn)厚度裁切好的極耳間距與該變化的周長(zhǎng)之間存在差異，最終導(dǎo)致該層的極耳錯(cuò)位并繼續(xù)影響下一層的極耳位置。
圖4 極組示意圖
值得注意的是A與B雖然同為極組厚度，但是其中的料線組合略有差異，即構(gòu)成極組厚度的料線來(lái)自不同的卷繞層；同時(shí)，根據(jù)包覆順序可以觀察到，第一層正極的厚度異常會(huì)影響第一層的負(fù)極，而負(fù)極的厚度異常卻不會(huì)影響到正極。
根據(jù)這2個(gè)特性可以得出3個(gè)結(jié)論：
①正負(fù)極極組厚度存在微小差異，當(dāng)料線局部厚度差異較小時(shí)，兩者基本一致。
②料線或極組厚度異常會(huì)產(chǎn)生疊加影響，持續(xù)影響后續(xù)每層的極耳位置。
③卷繞過(guò)程中，壓花輥調(diào)試極耳位置的原理是通過(guò)改變正極料線的厚度，調(diào)整極組厚度以改變極耳位置，然而改變正極厚度對(duì)同層的負(fù)極造成的影響相同，因此壓花輥調(diào)試對(duì)于正負(fù)極極耳的位置影響程度一致，這也是卷繞工序中存在調(diào)試限制的原因之一。
（2）極耳間距
極耳間距指的是兩相鄰極耳間的距離，可分為兩相鄰極耳內(nèi)側(cè)的距離或兩相鄰極耳間的距離，如圖5所示。其影響主要體現(xiàn)在2個(gè)方面。
圖5 極耳間距示意圖
①第一層極耳間距與卷針周長(zhǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系
卷繞電芯前兩個(gè)極耳對(duì)齊取決于第一個(gè)極耳間距與卷針直徑之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖6所示，關(guān)系式為：
圖6 卷針與極耳間距的關(guān)系(橙色為正極，黑色為負(fù)極)
圖7 極耳間距差與極組厚度的關(guān)系
從兩相鄰極耳間距的差值中可以得出，其與極組厚度的關(guān)系如下：
因此，在極組厚度理想的狀態(tài)下，卷繞電芯中每個(gè)極耳間距呈現(xiàn)等差的遞增趨勢(shì)，即該層極耳間距與上層極耳間距的差值與該層新增的極組厚度呈對(duì)應(yīng)關(guān)系。
（3）卷繞精度
卷繞精度的影響體現(xiàn)在多個(gè)方面，包括機(jī)械精度、控制精度、參數(shù)設(shè)定以及卷針半徑，其中主要的影響來(lái)自參數(shù)設(shè)定和卷針半徑。圖8所示為卷針直徑。
圖8 卷針直徑
參數(shù)設(shè)定指的是卷繞時(shí)的速度、加速度和張力的設(shè)定數(shù)值以及精準(zhǔn)把控，這直接影響到卷繞的層間距，相當(dāng)于從另一個(gè)方面造成了極組厚度的異常；卷針是整個(gè)卷繞過(guò)程的基礎(chǔ)支撐，它的尺寸不僅直接影響電芯的尺寸，還影響電芯內(nèi)部的極耳位置分布。
卷繞參數(shù)與卷針半徑對(duì)極耳間距的影響從公式中分別表達(dá)為：
根據(jù)公式表示，卷針半徑對(duì)每一層極耳的影響都是一個(gè)定值。因此，它與厚度影響的不同之處在于，其對(duì)于每一圈的極耳位置影響程度相同，而厚度的影響會(huì)產(chǎn)生疊加效應(yīng)。在實(shí)際情況下，極耳位置通常也是由多種因素共同影響的。
3.2 極耳錯(cuò)位的方式
根據(jù)極耳位置影響因素的數(shù)量和類型，大致可以將極耳錯(cuò)位方式分為3類(圖9中為電芯的截面示意圖，橙線和藍(lán)線代表每層正負(fù)極極耳兩側(cè)的對(duì)齊狀態(tài))。
圖9 模型對(duì)應(yīng)實(shí)物圖
（1）單一因素影響，即只有卷針半徑或者厚度的影響
卷繞電芯若只受到卷繞半徑影響時(shí)，其極耳位置呈現(xiàn)等差的直線偏移，如圖10所示，第n層極耳偏移量為：
其中，圖片為卷針半徑的偏差量，每層極耳位置都相對(duì)于上層偏移圖片的距離。
圖10 只受卷針半徑影響的極耳分布圖
假設(shè)卷繞圈數(shù)為50圈，要求極耳錯(cuò)位量不大于7 mm，則卷針半徑偏差不能超過(guò)0.022 mm。
卷繞電芯若只受到厚度影響時(shí)，其極耳位置呈現(xiàn)等比的弧線偏移，如圖11所示，第n層極耳偏移量為：
圖11 只受厚度影響的極耳分布圖
假設(shè)卷繞圈數(shù)為50圈，要求極耳錯(cuò)位量不大于7 mm，則平均厚度偏差不能超過(guò)0.87 μm(此處的厚度包括極組厚度以及卷繞層間距)。
（2）共同影響，即卷針半徑與厚度同時(shí)影響
卷繞電芯若同時(shí)受到卷繞半徑和厚度影響，其極耳位置呈現(xiàn)U形偏移，如圖12所示，此時(shí)卷繞半徑與厚度對(duì)極耳位置的影響程度相反(影響程度相同時(shí)偏移量更大，在此不考慮)，第n層極耳偏移量為：
圖12 受半徑和厚度共同影響的極耳分布圖
這也是在卷繞過(guò)程中，通過(guò)調(diào)試卷針半徑來(lái)緩解極耳錯(cuò)位的原理，即由于厚度異常導(dǎo)致大幅度極耳錯(cuò)位時(shí)，可通過(guò)調(diào)試卷針半徑的方式來(lái)降低極耳錯(cuò)位的程度。
假設(shè)條件相同，卷繞圈數(shù)為50圈，要求極耳錯(cuò)位量不大于7 mm，此時(shí)的平均厚度偏差不能超過(guò)3.5 μm，相比之前的0.87 μm，對(duì)料線厚度質(zhì)量有著更強(qiáng)的適應(yīng)性。
（3）異向影響，即正負(fù)極極耳錯(cuò)位的方式不同
由前文的分析大體可以得出，正常工藝情況下正負(fù)極極耳的偏移方向和程度基本相同，這是由于厚度和卷針半徑對(duì)正負(fù)極的極耳影響程度一致，然而，在實(shí)際生產(chǎn)中仍有正負(fù)極偏移不同的情況，其中常見(jiàn)的是“八字”偏移，如圖13所示。
圖13 “八字”偏移時(shí)的極耳分布圖
該種偏移的特點(diǎn)在于正負(fù)極極耳的偏移方向或程度不同，由于在卷繞過(guò)程中的調(diào)試對(duì)正負(fù)極的影響程度一致，因此在卷繞過(guò)程中無(wú)法對(duì)此種偏移做出有效的極耳位置調(diào)控。引起“八字”偏移的原因主要是正負(fù)極料線的模切工藝不同(正負(fù)極極耳間距差異過(guò)大)或者在料線橫向上的厚度分布不均(正負(fù)極極耳處的局部厚度差異過(guò)大)。
3.3 解決方案
影響極耳錯(cuò)位的因素來(lái)自電芯生產(chǎn)的多個(gè)工序，從工藝的角度出發(fā)，在卷繞前料線的厚度以及極耳間距已經(jīng)加工好，只在卷繞過(guò)程中進(jìn)行檢測(cè)和調(diào)控十分困難并且效果受限；從影響因素的角度分析，極耳間距與眾多因素之間存在強(qiáng)相關(guān)性；從設(shè)計(jì)和制造的角度來(lái)講，模切階段是根據(jù)卷繞工藝進(jìn)行計(jì)算后對(duì)極耳位置進(jìn)行設(shè)計(jì)的階段，而卷繞只是將模切段設(shè)計(jì)好的料卷按照正常的卷繞工藝將其卷成卷芯，前者是產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段，后者是產(chǎn)品的制造階段，質(zhì)量是設(shè)計(jì)出來(lái)的。
因此，在全流程對(duì)極耳位置質(zhì)量把控的基礎(chǔ)上，解決極耳錯(cuò)位的重心應(yīng)該在模切階段。然而要想在模切階段能對(duì)極耳位置做到高質(zhì)量的設(shè)計(jì)，首先就是需要實(shí)現(xiàn)對(duì)料線厚度的測(cè)量，這是解決極耳錯(cuò)位的基礎(chǔ)，更是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量極耳位置設(shè)計(jì)的必要條件。在能實(shí)現(xiàn)亞微米級(jí)的實(shí)時(shí)厚度測(cè)量之后，模切段就能根據(jù)料線厚度的變化對(duì)極耳間距做出相應(yīng)的調(diào)整；同時(shí)建立工序間、設(shè)備間的聯(lián)系，使設(shè)備在加工前就能了解待加工產(chǎn)品的質(zhì)量信息并調(diào)整工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵生產(chǎn)信息的快速流通，促進(jìn)智能制造技術(shù)的發(fā)展。
然而，激光切卷繞一體機(jī)與激光膜切、卷繞分體機(jī)間極耳錯(cuò)位的解決方式也不同，由于一體機(jī)實(shí)現(xiàn)了在一臺(tái)設(shè)備上結(jié)合激光切與卷繞2道工序，相當(dāng)于建立起了2道工序間的信息流通，因此，一體機(jī)的極耳對(duì)齊度將比分體機(jī)更加容易控制。
3.3.1 激光切卷繞一體機(jī)
擁有有效的測(cè)厚技術(shù)后，在一體機(jī)上實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制相對(duì)就更加容易。只需要通過(guò)動(dòng)態(tài)檢測(cè)極片的厚度，再通過(guò)算法計(jì)算出需要裁切的極耳間距，最后進(jìn)行動(dòng)態(tài)的切割調(diào)整即可；同時(shí)，還可以根據(jù)卷繞電芯的質(zhì)量情況做出相應(yīng)的裁切調(diào)整，再通過(guò)數(shù)字化積累實(shí)現(xiàn)極耳對(duì)齊的高質(zhì)量調(diào)控。
3.3.2 激光模切、卷繞分體機(jī)
在分體機(jī)中通過(guò)電芯產(chǎn)品的質(zhì)量反饋來(lái)改善極耳間距的裁切參數(shù)是不可靠的，因此，需要在激光模切段就對(duì)極耳位置做好最佳的設(shè)計(jì)規(guī)劃。具體的實(shí)現(xiàn)方式是在卷繞前對(duì)正負(fù)極以及隔膜卷料做好標(biāo)識(shí)，其目的是保證同一標(biāo)識(shí)的卷料將會(huì)一同被送入卷繞工序中并卷繞成同一電芯，即在激光模切段對(duì)有同一標(biāo)識(shí)的卷料進(jìn)行針對(duì)性加工(整個(gè)正負(fù)極與隔膜卷料中的每片電芯一一對(duì)應(yīng)，不合格片不計(jì))，根據(jù)綜合的極組厚度情況進(jìn)行極耳位置的針對(duì)性切割，做到最優(yōu)的極耳位置設(shè)計(jì)。
在這個(gè)過(guò)程中，為了提高卷繞效率并減少停機(jī)時(shí)間，需要保證正負(fù)極卷料的有效片數(shù)相同，實(shí)時(shí)檢測(cè)不合格的片數(shù)并排除在計(jì)數(shù)之外，這樣能保證換料的同步進(jìn)行，減少不必要的停機(jī)時(shí)間。
3.4 模型仿真運(yùn)用案例
在工藝質(zhì)量學(xué)習(xí)閉環(huán)中，數(shù)據(jù)的整理收集以及模型的優(yōu)化選擇是實(shí)現(xiàn)整體制造過(guò)程大數(shù)據(jù)閉環(huán)的方式。
以極耳錯(cuò)位模型為例：
①模型只考慮了極組厚度以及卷針半徑的影響；
②電芯卷繞圈數(shù)為50圈；
③所有的偏差均以標(biāo)準(zhǔn)厚度為基礎(chǔ)。
3.4.1 料線尺寸偏差計(jì)算
標(biāo)準(zhǔn)料線尺寸如表1所示，正負(fù)極極片的誤差要求在±3 μm，隔膜要求為±1 μm，根據(jù)不同的尺寸偏差要求，運(yùn)用不同的計(jì)算方式對(duì)概率進(jìn)行估算。
表1 標(biāo)準(zhǔn)極片尺寸偏差以及概率計(jì)算
由于正負(fù)極極片誤差在±3 μm，假設(shè)極片厚度符合正態(tài)分布情況，隔膜厚度以平均數(shù)方式簡(jiǎn)便計(jì)算，即可得出在標(biāo)準(zhǔn)要求下，料線厚度的偏差量以及概率情況。
3.4.2 卷徑與極組極值的關(guān)系
根據(jù)不同的極組總體偏差情況，只通過(guò)變化卷徑的方式調(diào)節(jié)，結(jié)果如表2所示，若極耳錯(cuò)位量要求在7 mm以內(nèi)，極組總體偏差為±5 μm時(shí)，可通過(guò)卷徑調(diào)節(jié)完成合格生產(chǎn)，合格率估算為99.6%；同理，若極耳錯(cuò)位量要求在6 mm以內(nèi)，極組總體偏差為±4 μm時(shí)，可通過(guò)卷徑調(diào)節(jié)完成合格生產(chǎn)，合格率估算為97.95%。
表2 料線極值變化與卷徑變化仿真結(jié)果
仿真過(guò)程中，在每組總體厚度偏差一定的情況下，調(diào)整卷針直徑使得正負(fù)極極耳錯(cuò)位量最小，從而得到最優(yōu)的卷針直徑數(shù)值以及正負(fù)極極耳的錯(cuò)位量。
在只進(jìn)行卷徑調(diào)整的情況下且極耳錯(cuò)位偏差要求在7 mm以內(nèi)時(shí)，若極組的總體偏差超過(guò)±5 μm，則無(wú)法只通過(guò)卷徑變化完成極耳錯(cuò)位的調(diào)整；而隨極組總體厚度偏差的極值化情況的加重，整體的生產(chǎn)合格率預(yù)測(cè)也將會(huì)大幅度下降。
3.4.3 壓花與極組極值的關(guān)系
目前的壓花是通過(guò)改變正極的厚度來(lái)完成極耳位置調(diào)節(jié)，因此，根據(jù)負(fù)極和上下隔膜的偏差，以及電芯極耳位置要求可以推算出正極厚度所需調(diào)節(jié)的厚度情況，如表3所示。
表3 正極厚度變化與極組極值變化的仿真結(jié)果
以表3第1行數(shù)據(jù)為例：當(dāng)負(fù)極與上下隔膜的總體偏差達(dá)到0.005 mm時(shí)，正極厚度的偏差需要保持在-0.0057～-0.0042 mm之間，即正極厚度要比標(biāo)準(zhǔn)薄4.2～5.7 μm，才能保證正負(fù)極極耳錯(cuò)位量在要求范圍內(nèi)。也就是在總體偏差達(dá)5 μm時(shí)，正極厚度偏差為-5.7 μm和-4.2 μm所對(duì)應(yīng)的正負(fù)極極耳錯(cuò)位量分別為-6.84mm、-5.60mm和5.17 mm、6.41 mm。
若需要滿足所有偏差情況下極耳位置調(diào)整要求，正極厚度變化范圍最少需要在-4.2～4.2 μm之間，這需要通過(guò)壓花來(lái)實(shí)現(xiàn)，即通過(guò)測(cè)厚計(jì)算得出此時(shí)的厚度偏差情況，再根據(jù)正極的厚度進(jìn)行壓花調(diào)節(jié)。然而，正極厚度自身存在±3 μm的誤差情況，因此壓花所帶來(lái)的正極厚度變化只有超過(guò)14.4 μm時(shí)，才可以應(yīng)對(duì)所有的厚度偏差情況。
3.4.4 卷徑、壓花與極組極值
由于壓花只能使極片變厚這一特性，使得卷繞段的調(diào)控受到一定的限制，因此在卷繞過(guò)程中，控制正極片在受到一定的壓花壓力后的厚度值與標(biāo)準(zhǔn)值接近，此時(shí)再通過(guò)控制增減壓花的壓力即可實(shí)現(xiàn)正極片變薄變厚的目的。
根據(jù)實(shí)際工況情況，料線整體厚度偏厚，且卷繞機(jī)壓花可調(diào)厚度為0.008 mm，因此正極片厚度越薄越有利于極耳位置對(duì)齊，即取正極偏差為-0.0042 mm進(jìn)行仿真計(jì)算，如表4所示。
表4 卷徑、壓花變化與極組極值變化的仿真結(jié)果 ( mm )
在整體偏厚的情況下，正極以最大負(fù)偏差進(jìn)行仿真計(jì)算，通過(guò)調(diào)節(jié)卷針直徑偏差，得到最優(yōu)的正負(fù)極極耳偏差情況(兩極耳偏差絕對(duì)值的差值最小)。因此，整體偏差為正值時(shí)，正極偏差值為-4.2 μm，整體偏差為負(fù)值時(shí)，根據(jù)壓花壓力調(diào)節(jié)的能力，正極偏差值為3.8 μm。當(dāng)偏差達(dá)到±9 μm時(shí)(不包括正極)，無(wú)法通過(guò)卷徑變化和壓花共同調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)極耳位置的對(duì)齊。即在共同調(diào)節(jié)的情況下，可以適應(yīng)更大的偏差范圍，極組偏差達(dá)到±8 μm(不包括正極偏差)。然而，實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)在于有足夠的壓花厚度調(diào)節(jié)來(lái)調(diào)整正極的厚度情況，使得卷繞機(jī)能適應(yīng)更大的料線偏差，因此，在符合質(zhì)量以及工藝等要求的前提下，盡量增大壓花的厚度調(diào)節(jié)范圍，將提升對(duì)極耳錯(cuò)位的調(diào)節(jié)能力。
3.4.5 小 結(jié)
在理論仿真中，以客戶現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際生產(chǎn)要求為例，極組偏差在±5 μm以內(nèi)時(shí)，可以只通過(guò)卷徑調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)電芯的合格生產(chǎn)；同時(shí)，壓花厚度調(diào)節(jié)能力能達(dá)到14.4 μm時(shí)，極組偏差達(dá)到±5 μm，也能實(shí)現(xiàn)只通過(guò)壓花調(diào)節(jié)達(dá)到極耳對(duì)齊的要求。此外，2種調(diào)試方式結(jié)合使用，可以在極組偏差達(dá)到±11 μm的情況下，完成極耳對(duì)齊的生產(chǎn)要求。
在結(jié)合實(shí)際控制時(shí)，首先需要通過(guò)測(cè)厚計(jì)算來(lái)確定料線的厚度情況，再根據(jù)整體偏差值(不包括正極)以及正極厚度情況來(lái)判斷卷針直徑的調(diào)節(jié)數(shù)值，現(xiàn)階段建議優(yōu)先只通過(guò)卷徑調(diào)整實(shí)現(xiàn)極耳對(duì)齊(由于目前壓花存在影響料線質(zhì)量的爭(zhēng)議)，在極組厚度偏差過(guò)大時(shí)，再通過(guò)改變壓花壓力實(shí)現(xiàn)輔助調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)極耳位置的有效調(diào)控。
但要實(shí)現(xiàn)真正意義上的對(duì)齊仍需要對(duì)料線質(zhì)量以及極耳間距進(jìn)行優(yōu)化提升。實(shí)現(xiàn)真正意義上的高質(zhì)量智能制造，即在發(fā)現(xiàn)料線質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，就已經(jīng)通過(guò)計(jì)算得出該層極耳的錯(cuò)位量，并在激光膜切時(shí)根據(jù)該段錯(cuò)位量調(diào)整極耳間距的切割參數(shù)。在卷繞前解決錯(cuò)位問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)問(wèn)題的預(yù)處理和解決，卷繞時(shí)只需要通過(guò)檢測(cè)料線質(zhì)量變化和極耳的位置情況，做出適當(dāng)?shù)腻e(cuò)位參數(shù)調(diào)整，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)極耳位置的精準(zhǔn)把控。
4 智能卷繞技術(shù)
4.1 技術(shù)思路
智能制造技術(shù)的核心思想就是基于模型的數(shù)字化以及大數(shù)據(jù)的智能化。通過(guò)智能卷繞技術(shù)來(lái)解決極耳錯(cuò)位問(wèn)題，首先需要的是建立卷繞電芯的極耳位置模型，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)和虛擬模型中，通過(guò)相同的參數(shù)設(shè)定對(duì)比結(jié)果輸出，優(yōu)化極耳位置模型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，最終實(shí)現(xiàn)虛擬調(diào)試。
同時(shí)，依靠模型可以數(shù)字化以及優(yōu)化積累的特征，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化積累。在每一次優(yōu)化調(diào)節(jié)的過(guò)程中，計(jì)算機(jī)對(duì)厚度數(shù)據(jù)與極耳位置數(shù)據(jù)關(guān)系的積累，將幫助獲得關(guān)鍵控制點(diǎn)以及控制邏輯，為智能化提供有效的數(shù)據(jù)支撐。
智能化將在數(shù)據(jù)的支撐下，實(shí)現(xiàn)對(duì)異常厚度部分的預(yù)測(cè)性極耳間距加工以及自動(dòng)的工藝參數(shù)變更，大大提升產(chǎn)線的生產(chǎn)效率以及合格率。此外，生產(chǎn)過(guò)程中，從數(shù)據(jù)采集、設(shè)備、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)以及運(yùn)營(yíng)管理等的信息狀態(tài)和結(jié)果都將以數(shù)據(jù)的形式存儲(chǔ)，并持續(xù)實(shí)現(xiàn)質(zhì)量的閉環(huán)優(yōu)化，提高電池制造的合格率、一致性和安全性。
4.2 質(zhì)量閉環(huán)
質(zhì)量閉環(huán)的層級(jí)架構(gòu)可分為設(shè)備內(nèi)部控制的實(shí)時(shí)閉環(huán)、工藝質(zhì)量的學(xué)習(xí)閉環(huán)以及基于電芯產(chǎn)品性能的數(shù)據(jù)閉環(huán)，如圖14所示。
圖14 卷繞閉環(huán)控制層結(jié)構(gòu)
卷繞設(shè)備內(nèi)部的實(shí)時(shí)控制是實(shí)現(xiàn)質(zhì)量閉環(huán)的基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)智能卷繞的基礎(chǔ)。因此，首先需要解決卷繞設(shè)備本身的質(zhì)量問(wèn)題，包括定位精度、效率、一致性和穩(wěn)定性等，這主要是通過(guò)傳感器和邏輯控制等裝備的底層控制方式來(lái)解決。針對(duì)于極耳錯(cuò)位問(wèn)題，在檢測(cè)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了厚度的測(cè)量后，調(diào)試機(jī)構(gòu)根據(jù)厚度情況調(diào)整工藝參數(shù)，實(shí)時(shí)把控極耳位置情況，并把檢測(cè)到的極耳位置情況反饋至調(diào)試機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)極耳位置的質(zhì)量閉環(huán)。
工藝質(zhì)量學(xué)習(xí)閉環(huán)的應(yīng)用可以結(jié)合材料參數(shù)、過(guò)程參數(shù)、環(huán)境參數(shù)以及產(chǎn)品質(zhì)量參數(shù)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量閉環(huán)。在工藝閉環(huán)過(guò)程中，控制系統(tǒng)結(jié)合工藝參數(shù)以及產(chǎn)品質(zhì)量輸出，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量過(guò)程中的工藝學(xué)習(xí)閉環(huán)。具體表現(xiàn)為控制系統(tǒng)對(duì)比厚度、極耳間距以及卷繞參數(shù)等工藝信息與產(chǎn)出電芯的極耳位置信息，結(jié)合當(dāng)前控制方式進(jìn)行深度學(xué)習(xí)和控制優(yōu)化。
5 結(jié) 語(yǔ)
智能卷繞技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要從內(nèi)部和外部2個(gè)方面進(jìn)行。在卷繞工藝內(nèi)部，提升卷繞設(shè)備的質(zhì)量性能，完善實(shí)時(shí)控制邏輯保證質(zhì)量閉環(huán)。建立理論模型，通過(guò)實(shí)體模型和虛擬模型的數(shù)字連接，達(dá)到數(shù)字化積累的目的，從積累優(yōu)化和深度學(xué)習(xí)中，實(shí)現(xiàn)卷繞過(guò)程的控制和數(shù)據(jù)閉環(huán)；在卷繞工藝外部，建立工藝間的信息流通，實(shí)現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備間的連接以及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理、上傳等。同時(shí)，在工藝閉環(huán)上也通過(guò)整體模型優(yōu)化選擇，實(shí)現(xiàn)整體制造過(guò)程的數(shù)據(jù)閉環(huán)。
具體在極耳錯(cuò)位中表現(xiàn)為，在卷繞設(shè)備上，首先需要具備完整的影響因素檢測(cè)機(jī)構(gòu)，并在卷繞控制系統(tǒng)中搭建信息處理平臺(tái)，即通過(guò)檢測(cè)出來(lái)的厚度以及極耳間距等信息，匹配合適的卷繞參數(shù)以及調(diào)控方式。再通過(guò)最終卷芯中極耳位置質(zhì)量，修正卷繞過(guò)程中的參數(shù)以及控制方式，這是可以實(shí)現(xiàn)卷繞數(shù)據(jù)閉環(huán)的過(guò)程。在工藝上，建立卷繞設(shè)備與模切設(shè)備的信息流通，加強(qiáng)卷繞與模切單機(jī)間的質(zhì)量關(guān)聯(lián)，即通過(guò)二維碼等方式，搭建卷繞設(shè)備直接獲取卷料信息的途徑，再將卷繞過(guò)程中的質(zhì)量信息上傳并繼續(xù)傳遞至下一個(gè)工序環(huán)節(jié)直到形成最終的電池質(zhì)量信息證件。該質(zhì)量信息證件需要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，確定每個(gè)工序需要輸出的質(zhì)量信息，以及在每個(gè)工序之間的傳遞方式。這樣既達(dá)到了控制質(zhì)量的目的，也方便了電池質(zhì)量問(wèn)題的信息追溯。
總之，智能卷繞技術(shù)的發(fā)展不僅依賴卷繞技術(shù)本身，還基于整個(gè)工序間的相互關(guān)聯(lián)。打破工序間的“孤島效應(yīng)”。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的形式，制定各工序間信息流、物料流和能量流的流通方式，各工序保證輸出的信息符合標(biāo)準(zhǔn)即可。建立信息傳遞標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范將是實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池智能制造的重要途徑，也是實(shí)現(xiàn)“黑燈工廠”和產(chǎn)品少人化、自適應(yīng)、定制化、大規(guī)模生產(chǎn)的基礎(chǔ)。
