摘 要 在卷繞電芯質(zhì)量的把控中，極耳對齊精度是一個極為復(fù)雜的影響因素，涉及多個工序的質(zhì)量。為了解決電芯多極耳對齊精度差的問題，本文通過建立極耳位置模型，采用邊緣閉環(huán)控制算法，對影響對齊精度的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行檢測、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)極耳對齊精度的有效控制。同時，極耳位置模型可反映各項(xiàng)參數(shù)對極耳位置的影響方式以及極耳錯位的表現(xiàn)方式，以便于研發(fā)人員理解各項(xiàng)參數(shù)對極耳錯位的影響程度以及修正極耳錯位的方式，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。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)化整個卷繞工藝中的控制閉環(huán)，對最終實(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 動力電池；極耳錯位；智能卷繞；邊緣閉環(huán)；整體閉環(huán)
動力電池的生產(chǎn)對技術(shù)要求較高，對裝備依賴性較強(qiáng)，因此目前動力電池產(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、糾偏對齊以及極耳錯位等都將直接影響電芯質(zhì)量；同時，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。
極耳對齊精度作為電芯制作的難點(diǎn)之一，其主要的影響因素來源于材料的厚度問題。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，電芯第一圈與最后一圈的極耳錯位將超過7 mm，且隨圈數(shù)的增加，極耳錯位量也會進(jìn)一步增大。
在卷繞工藝前，模切工藝會根據(jù)設(shè)定的極耳間距值對極耳進(jìn)行模切處理，業(yè)內(nèi)對于解決極耳錯位問題已有一些方向，即通過優(yōu)化極耳間距的計(jì)算來優(yōu)化模切工藝參數(shù)，可想而知，解決極耳錯位問題的關(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人工裁切獲得理想的極耳位置分布，最后通過拆解、測量的方式獲得極耳間距數(shù)據(jù)；張國帥等通過在電芯刨面預(yù)設(shè)極耳位置，再對刨面圖上的極耳位置進(jìn)行測量獲得極耳間距數(shù)據(jù)；花宇等通過對電芯的形態(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優(yōu)化極耳間距的方式來解決極耳錯位的方法。
在卷繞工序段，業(yè)內(nèi)也有通過實(shí)時改變卷針角度或者在卷繞過程中向材料層中加入介質(zhì)的方式來達(dá)到糾正極耳錯位的目的。但均會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)量問題。
1 動力電池制造技術(shù)
動力電池生產(chǎn)工序大體上可以分為3個階段：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轉(zhuǎn)動的方式，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)。
在該過程中涉及對極耳對齊、張力控制以及糾偏對齊等決定產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵問題的處理。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齊度、極耳對齊度、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)以及卷針長度等都是根據(jù)電池的容量設(shè)計(jì)來確定的，因此卷繞設(shè)備會根據(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于質(zhì)量的要求不同：在卷繞前，通常對設(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；卷繞過程中，對張力控制、切斷毛刺長度以及機(jī)器運(yùn)動精度等有具體要求，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、隔膜對齊度、極耳對齊度以及卷芯尺寸等是卷繞質(zhì)量的關(guān)鍵要求。
極耳影響著動力電池的安全性，其對齊度是判斷電芯合格的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。極耳錯位會導(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，極耳錯位過大會導(dǎo)致正負(fù)極極耳間距縮小，造成電池短路，并且焊接時的火花與金屬飛濺，也會增大短路的風(fēng)險。
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位帶來的安全隱患，再通過基于模型的數(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)化解制造過程的不確定性，從而實(shí)現(xiàn)最佳的制造價值，其方法是準(zhǔn)確獲取數(shù)據(jù)，通過運(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)對制造過程自動化和智能化的管控，以提高制造效率和產(chǎn)品質(zhì)量。
隨著市場和消費(fèi)者對產(chǎn)品質(zhì)量、個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)競爭中，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，在市場競爭中取得優(yōu)勢的關(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)歷了長時間的迭代，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)在極耳對齊、張力控制以及糾偏對齊等方面，產(chǎn)生這些問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自動卷繞機(jī)示意圖
2.1 極耳對齊度
極耳對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)，是一種范圍對齊。由于鋰電生產(chǎn)過程中既離散又連續(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)量都來自不同的企業(yè)，而連續(xù)則是每個工序之間的生產(chǎn)質(zhì)量都相互影響，因此，卷繞前每段工序出現(xiàn)的極耳錯位因素相互疊加，造成了極耳錯位發(fā)生的隨機(jī)性，其中導(dǎo)致極耳錯位的原因主要?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)等來自不同工序段的影響因素
在250自動卷繞機(jī)中，極耳對齊的要求為±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，第50圈的極耳偏差將超過8 mm。總的來說，針對極耳錯位的問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)量問題都累積到電芯卷繞成型段時，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自動卷繞機(jī)的整個卷繞過程中，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)行時極片和隔膜的張力波動范圍均在規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)值的±5%，同時實(shí)時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要求控制的。
2.3 料線對齊
電芯生產(chǎn)工藝中明確有料線邊緣對齊度的要求范圍，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)動時橫向受力存在差異，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題。對齊度在250自動卷繞機(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題，都是影響極耳對齊的重要因素。這種來自多工序質(zhì)量問題的疊加影響，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)出極耳錯位問題的階段，因此很容易造成是由卷繞設(shè)備問題導(dǎo)致極耳錯位的誤解。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)量問題以及錯位風(fēng)險在卷繞前就已經(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，而真正解決極耳錯位問題應(yīng)該在制片段就開始進(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
從工藝流程上來看：制片階段產(chǎn)生的厚度問題主要表現(xiàn)在厚度不均勻、厚度超差以及料線邊緣問題等，使得在卷繞過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，造成極耳錯位和張力問題。
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，每個極耳間距都與一個標(biāo)準(zhǔn)厚度相對應(yīng)。然而，模切階段本身存在一定的裁切精度問題，再加上來自制片階段的厚度問題影響，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材料整合的過程，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)備自身的精度問題以及卷繞參數(shù)中速度、加速度和張力的設(shè)定值也會影響極耳位置，尤其是卷針直徑。
來自多個階段的影響因素(圖3)導(dǎo)致極耳位置的把控需要在各個階段做到嚴(yán)格的或者有預(yù)見性的質(zhì)量監(jiān)管，即在離散的生產(chǎn)工序中，通過信息流的方式建立生產(chǎn)信息、質(zhì)量信息等的交互平臺。產(chǎn)品信息跟隨產(chǎn)品物料一起流動，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。極組厚度的異常會引起下一圈的周長變化，而按照標(biāo)準(zhǔn)厚度裁切好的極耳間距與該變化的周長之間存在差異，最終導(dǎo)致該層的極耳錯位并繼續(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自不同的卷繞層；同時，根據(jù)包覆順序可以觀察到，第一層正極的厚度異常會影響第一層的負(fù)極，而負(fù)極的厚度異常卻不會影響到正極。
根據(jù)這2個特性可以得出3個結(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，兩者基本一致。
②料線或極組厚度異常會產(chǎn)生疊加影響，持續(xù)影響后續(xù)每層的極耳位置。
③卷繞過程中，壓花輥調(diào)試極耳位置的原理是通過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同層的負(fù)極造成的影響相同，因此壓花輥調(diào)試對于正負(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個方面。
圖5 極耳間距示意圖
①第一層極耳間距與卷針周長的對應(yīng)關(guān)系
卷繞電芯前兩個極耳對齊取決于第一個極耳間距與卷針直徑之間的對應(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，卷繞電芯中每個極耳間距呈現(xiàn)等差的遞增趨勢，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應(yīng)關(guān)系。
（3）卷繞精度
卷繞精度的影響體現(xiàn)在多個方面，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)于從另一個方面造成了極組厚度的異常；卷針是整個卷繞過程的基礎(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，卷針半徑對每一層極耳的影響都是一個定值。因此，它與厚度影響的不同之處在于，其對于每一圈的極耳位置影響程度相同，而厚度的影響會產(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)的對齊狀態(tài))。
圖9 模型對應(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，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，要求極耳錯位量不大于7 mm，則卷針半徑偏差不能超過0.022 mm。
卷繞電芯若只受到厚度影響時，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，要求極耳錯位量不大于7 mm，則平均厚度偏差不能超過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影響
卷繞電芯若同時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，此時卷繞半徑與厚度對極耳位置的影響程度相反(影響程度相同時偏移量更大，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
這也是在卷繞過程中，通過調(diào)試卷針半徑來緩解極耳錯位的原理，即由于厚度異常導(dǎo)致大幅度極耳錯位時，可通過調(diào)試卷針半徑的方式來降低極耳錯位的程度。
假設(shè)條件相同，卷繞圈數(shù)為50圈，要求極耳錯位量不大于7 mm，此時的平均厚度偏差不能超過3.5 μm，相比之前的0.87 μm，對料線厚度質(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，其中常見的是“八字”偏移，如圖13所示。
圖13 “八字”偏移時的極耳分布圖
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，由于在卷繞過程中的調(diào)試對正負(fù)極的影響程度一致，因此在卷繞過程中無法對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大)。
3.3 解決方案
影響極耳錯位的因素來自電芯生產(chǎn)的多個工序，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，只在卷繞過程中進(jìn)行檢測和調(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)和制造的角度來講，模切階段是根據(jù)卷繞工藝進(jìn)行計(jì)算后對極耳位置進(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)出來的。
因此，在全流程對極耳位置質(zhì)量把控的基礎(chǔ)上，解決極耳錯位的重心應(yīng)該在模切階段。然而要想在模切階段能對極耳位置做到高質(zhì)量的設(shè)計(jì)，首先就是需要實(shí)現(xiàn)對料線厚度的測量，這是解決極耳錯位的基礎(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)亞微米級的實(shí)時厚度測量之后，模切段就能根據(jù)料線厚度的變化對極耳間距做出相應(yīng)的調(diào)整；同時建立工序間、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)間極耳錯位的解決方式也不同，由于一體機(jī)實(shí)現(xiàn)了在一臺設(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)
擁有有效的測厚技術(shù)后，在一體機(jī)上實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制相對就更加容易。只需要通過動態(tài)檢測極片的厚度，再通過算法計(jì)算出需要裁切的極耳間距，最后進(jìn)行動態(tài)的切割調(diào)整即可；同時，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，再通過數(shù)字化積累實(shí)現(xiàn)極耳對齊的高質(zhì)量調(diào)控。
3.3.2 激光模切、卷繞分體機(jī)
在分體機(jī)中通過電芯產(chǎn)品的質(zhì)量反饋來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)方式是在卷繞前對正負(fù)極以及隔膜卷料做好標(biāo)識，其目的是保證同一標(biāo)識的卷料將會一同被送入卷繞工序中并卷繞成同一電芯，即在激光模切段對有同一標(biāo)識的卷料進(jìn)行針對性加工(整個正負(fù)極與隔膜卷料中的每片電芯一一對應(yīng)，不合格片不計(jì))，根據(jù)綜合的極組厚度情況進(jìn)行極耳位置的針對性切割，做到最優(yōu)的極耳位置設(shè)計(jì)。
在這個過程中，為了提高卷繞效率并減少停機(jī)時間，需要保證正負(fù)極卷料的有效片數(shù)相同，實(shí)時檢測不合格的片數(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)整體制造過程大數(shù)據(jù)閉環(huán)的方式。
以極耳錯位模型為例：
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，只通過變化卷徑的方式調(diào)節(jié)，結(jié)果如表2所示，若極耳錯位量要求在7 mm以內(nèi)，極組總體偏差為±5 μm時，可通過卷徑調(diào)節(jié)完成合格生產(chǎn)，合格率估算為99.6%；同理，若極耳錯位量要求在6 mm以內(nèi)，極組總體偏差為±4 μm時，可通過卷徑調(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)極極耳的錯位量。
在只進(jìn)行卷徑調(diào)整的情況下且極耳錯位偏差要求在7 mm以內(nèi)時，若極組的總體偏差超過±5 μm，則無法只通過卷徑變化完成極耳錯位的調(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)測也將會大幅度下降。
3.4.3 壓花與極組極值的關(guān)系
目前的壓花是通過改變正極的厚度來完成極耳位置調(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，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)極極耳錯位量在要求范圍內(nèi)。也就是在總體偏差達(dá)5 μm時，正極厚度偏差為-5.7 μm和-4.2 μm所對應(yīng)的正負(fù)極極耳錯位量分別為-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，這需要通過壓花來實(shí)現(xiàn)，即通過測厚計(jì)算得出此時的厚度偏差情況，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，因此壓花所帶來的正極厚度變化只有超過14.4 μm時，才可以應(yīng)對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，此時再通過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(兩極耳偏差絕對值的差值最小)。因此，整體偏差為正值時，正極偏差值為-4.2 μm，整體偏差為負(fù)值時，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(不包括正極)，無法通過卷徑變化和壓花共同調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)極耳位置的對齊。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，將提升對極耳錯位的調(diào)節(jié)能力。
3.4.5 小 結(jié)
在理論仿真中，以客戶現(xiàn)場的實(shí)際生產(chǎn)要求為例，極組偏差在±5 μm以內(nèi)時，可以只通過卷徑調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)電芯的合格生產(chǎn)；同時，壓花厚度調(diào)節(jié)能力能達(dá)到14.4 μm時，極組偏差達(dá)到±5 μm，也能實(shí)現(xiàn)只通過壓花調(diào)節(jié)達(dá)到極耳對齊的要求。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，完成極耳對齊的生產(chǎn)要求。
在結(jié)合實(shí)際控制時，首先需要通過測厚計(jì)算來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)先只通過卷徑調(diào)整實(shí)現(xiàn)極耳對齊(由于目前壓花存在影響料線質(zhì)量的爭議)，在極組厚度偏差過大時，再通過改變壓花壓力實(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)真正意義上的對齊仍需要對料線質(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)量問題時，就已經(jīng)通過計(jì)算得出該層極耳的錯位量，并在激光膜切時根據(jù)該段錯位量調(diào)整極耳間距的切割參數(shù)。在卷繞前解決錯位問題，實(shí)現(xiàn)問題的預(yù)處理和解決，卷繞時只需要通過檢測料線質(zhì)量變化和極耳的位置情況，做出適當(dāng)?shù)腻e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。通過智能卷繞技術(shù)來解決極耳錯位問題，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，通過相同的參數(shù)設(shè)定對比結(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，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)的過程中，計(jì)算機(jī)對厚度數(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)對異常厚度部分的預(yù)測性極耳間距加工以及自動的工藝參數(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)過程中，從數(shù)據(jù)采集、設(shè)備、生產(chǎn)現(xiàn)場以及運(yùn)營管理等的信息狀態(tài)和結(jié)果都將以數(shù)據(jù)的形式存儲，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)的層級架構(gòu)可分為設(shè)備內(nèi)部控制的實(shí)時閉環(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)量問題，包括定位精度、效率、一致性和穩(wěn)定性等，這主要是通過傳感器和邏輯控制等裝備的底層控制方式來解決。針對于極耳錯位問題，在檢測機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了厚度的測量后，調(diào)試機(jī)構(gòu)根據(jù)厚度情況調(diào)整工藝參數(shù)，實(shí)時把控極耳位置情況，并把檢測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)過程質(zhì)量閉環(huán)。在工藝閉環(huán)過程中，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)量過程中的工藝學(xué)習(xí)閉環(huán)。具體表現(xiàn)為控制系統(tǒng)對比厚度、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
智能卷繞技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要從內(nèi)部和外部2個方面進(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)時控制邏輯保證質(zhì)量閉環(huán)。建立理論模型，通過實(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)場數(shù)據(jù)的實(shí)時采集、處理、上傳等。同時，在工藝閉環(huán)上也通過整體模型優(yōu)化選擇，實(shí)現(xiàn)整體制造過程的數(shù)據(jù)閉環(huán)。
具體在極耳錯位中表現(xiàn)為，在卷繞設(shè)備上，首先需要具備完整的影響因素檢測機(jī)構(gòu)，并在卷繞控制系統(tǒng)中搭建信息處理平臺，即通過檢測出來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。再通過最終卷芯中極耳位置質(zhì)量，修正卷繞過程中的參數(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，再將卷繞過程中的質(zhì)量信息上傳并繼續(xù)傳遞至下一個工序環(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，確定每個工序需要輸出的質(zhì)量信息，以及在每個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，還基于整個工序間的相互關(guān)聯(lián)。打破工序間的“孤島效應(yīng)”。通過標(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)。
