鋰電池方型卷繞恒線速控制解決方案

一、前言
你知道嗎？我們所使用的手機電池、筆記本電池、照相機電池、DV機電池、電動汽車電池等都是由鋰電池卷繞機所制造出來的。鋰電池卷繞機的種類主要有方型半自動卷繞機、方型全自動卷繞機、圓型全自動卷繞機三種，這里主要介紹方型全自動卷繞機。

二、電池卷繞行業前景
以電動汽車為首的新能源汽車成為“十二五”期間的重點扶持對象。2010年，中央財政、各地方財政紛紛明確拿出“重金補貼+政府扶持”的雙重刺激措施。按照初步規劃，未來中國將投資1000億元支持新能源汽車產業的發展。同時多部委正在牽頭制訂涉及扶持新能源汽車發展的相關政策。由科技部牽頭的《電動汽車科技發展“十二五”專項規劃》已制訂完畢，最遲明年正式對外公布。根據《規劃》，小型化和汽車電氣化是中國汽車未來發展的兩大方向，2015年中國電動汽車保有量計劃達到100萬輛，動力電池產能約達100億瓦時。為此，我國計劃推動電動汽車產業鏈發展，動力電池、電機、電控成為未來發展的核心。
新能源汽車產業的發展勢必帶來電池生產、制造產業的騰飛，這將給電池生產設備企業帶來重大的發展機遇，同時也將在很大程度上對現有電池生產設備提出更高的要求。
三、 電池卷繞恒線速度工藝介紹
鋰電池卷繞設備主要技術難點在于如何控制隔膜和極片的張力和恒線速卷繞，極片張力控制的好壞直接決定了電池的生產質量，張力的好壞對電池繞線過程的均衡性、生產效率也有直接影響。而張力的控制則直接受至于電池卷繞時的極片恒線速度控制，如果卷繞時極片的線速度恒定，那么張力就將是一個恒定的值，如果線速度發生跳變，張力也將發生跳變。
極片恒線速的控制在方型電池上表現得特別突出，由于卷針型狀特殊，因此卷針外圍每個點與卷針中心的距離均不一樣，是一個不規則的形狀，因此為了實現恒線速度，卷針必須以一個變化的速度來旋轉，才能保證在這一周中圓弧上每一點的線速度一樣。


四、 系統性能的要求
如果采用40mm寬度的卷針，目前客戶現有設備的卷繞速度是200mm/s，折算到轉速大概就是2r/s，同時卷針運行時還不是真正的恒線速卷繞。為了實現真正的恒線速卷繞，并提供卷繞速度，客戶要求我們能夠把轉速提高到3r/s，這個性能指標目前在國內來說是非常高的，國內廠家目前均做不到這一點。這對伺服的響應能力提出了很高的要求，經過方案評估，我們采用了與客戶現有方案完全不同的實現方式，即把卷繞的控制程序寫了ED伺服驅動器里面，同時還采用了專用的電子凸輪算法，因此kinco的ED伺服方案在交流階段即得到了認可。
五、 步科的控制方案
針對方型卷繞恒線速度控制要求，步科提出了獨特的專用電子凸輪的解決方案。方案詳細如下：

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在每一種電池自動卷繞之前，通過半自動的控制方式控制伺服電機恒轉速卷繞一個電池成品，在手動卷繞過程中，伺服驅動器會定時采集編碼器反饋回來的數據，并對這些數據進行存儲并處理。在整個電池繞線過程中，伺服驅動器總共會采集4096個編碼器數據，這些數據主要用來在后期自動卷繞過程去控制伺服電機的恒線速。這些數據全部通過自學習得來，不需要用戶進行設置，只需要在換新品種之前自學習一次即可。原理大致如下：
1、將極片長度測量的編碼器信號接入到伺服驅動器
2、自學習過程：伺服驅動器驅動電機按照恒定的轉速來運行，同時驅動器接收長度測量編碼器的長度信號，同時一并記錄此時電機編碼器的位置信號；這些數據將會記錄到一個表格里面，每兩個數據之間的差值是不一樣的；如果要記錄多組數據，可以通過HMI來保存。
3、電機運行完一定長度后（該長度比實際電池極片卷繞的長度要長一些，且這個長度可以通過HMI進行設置），伺服驅動器再反回起始動作的原點；
4、伺服驅動器將采集到的這些數據通過內部算法進行處理，得到要使極片能夠恒線速運行電機轉速。
5、每次更換不同的卷針，只需讓伺服電機在自學習一次即可
6、實際運行過程，客戶只需要讓PLC發送一定頻率的脈沖給伺服即可，伺服即可按照這個脈沖的頻率去查表，以實現恒線速運行。

六、方案優點
1、變轉速控制，通過伺服驅動器內部專用的電子凸輪算法來實現，不需要PLC參與控制，整個控制過程響應快、速度穩速精度高；
2、采用專用的電子凸輪算法，使得卷針運行線速度非常接近于理論設計的線速度，從而很好的保證了張力系統的穩定，避免了因線速度不穩產生的張力跳變；
3、ED伺服系統具有非常靈活的，當系統更換卷針的時候，ED伺服能夠非常方便的就把卷針數據學習上來，而不需要PLC或者HMI做任何處理，非常方便客戶使用；
4、多個卷針的數據還能夠上傳到HMI里面保存起來，更換卷針時只需調出與之相符數據即可，用戶不需要再進行學習，為客戶節省了不少時間；
5、由于不需要PLC參與恒線速度的控制，因此PLC能夠對其它任務進行更快的處理，提高了系統的運行效率；
6、由于卷針伺服的運行可以不依賴于PLC的高速脈沖，為此可以為PLC節省兩個通道的高速脈沖輸出接口，因此客戶可以選擇比目前更加便宜的PLC，整個系統的成本可以更低；
7、通過HMI的通訊口直接連接到ED伺服驅動器，能夠直接對電機進行控制，同時還顯示出電機運行狀態、故障信息，非常方便后期的系統維護；

七、我們的系統能夠為客戶帶來什么價值
-提高50%以上的效率，設備檔次提升
-節省機械凸輪，一個機械凸輪采用了1.3KW的中慣量伺服電機和一套機械設備
-張力變化范圍小，成品率更高

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