CN101841069B - 一种方形二次电池电芯卷绕控制方法 - Google Patents

Abstract

一种方形二次电池电芯卷绕控制方法，适用的电芯卷绕控制系统包括依次闭环连接的间接张力检测部件、控制器、放卷电机和由其驱动的隔膜卷，以及驱动由两个公共下底的梯形合成的卷针转动的卷针电机，依次有以下步骤：1)建立卷针的变转速模型；2)所述电芯卷绕控制系统的控制器基于变转速模型运行。本发明方法在不改变原有控制系统组成部件的情况下，针对不同方形卷针尺寸采用卷针变转速模型作为闭环卷绕控制系统的前馈，在卷针各种转速下都可以实现极片行进的线速度近似恒定，进而保证恒张力卷绕，将电池极片和隔膜卷绕过程中造成的极片张力波动范围显著缩小近50％，既不易拉断极片，又不易使电芯变形，电芯生产效率明显提高近20％。

Description

一种方形二次电池电芯卷绕控制方法

技术领域

本发明涉及卷绕控制，特别是涉及一种方形二次电池电芯卷绕控制方法。

背景技术

现有方形锂离子电池电芯卷绕机的卷针一般是包括长方形、菱形的方型结构，现有的传统控制方法中，对方形卷针采用恒速度模型卷绕控制，在极片行进方向存在类似正弦曲线的速度分量，从而，在电池极片和隔膜卷绕过程中造成大范围的极片张力波动，降低卷绕张力控制精度，限制卷绕速度，而且易拉断极片，易使电芯变形，直接影响方形锂离子电池的成品率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是弥补上述现有技术的不足，提出一种基于可编程逻辑控制器(Programmable Logic Control，缩写为PLC)为平台的方形二次电池电芯卷绕控制方法。

本发明的技术问题采用以下技术方案予以解决：

这种方形二次电池电芯卷绕控制方法，适用的电芯卷绕控制系统包括依次闭环连接的间接张力检测部件、控制器、放卷电机和由其驱动的隔膜卷，以及驱动由两个公共下底的梯形合成的卷针转动的卷针电机，所述控制器根据间接张力检测部件的检测信息控制所述放卷电动机带动隔膜卷的线速度，实现放卷过程的张力控制。

这种方形二次电池电芯卷绕控制方法的特点是：

依次有以下步骤：

1)建立卷针的变转速模型；

2)所述电芯卷绕控制系统的控制器基于变转速模型运行。

本发明的技术问题采用以下进一步的技术方案予以解决：

所述步骤1)的卷针变转速模型，包括在不同尺寸的卷针旋转一圈的七个区间设定卷针旋转的角速度ω跟随极片行进的线速度v变化，角速度ω与线速度v分别满足以下关系式：

$\mathrm{\ω}=\frac{v\sqrt{r_1^2+m^2-2r_{1}m\cos \mathrm{\θ}}}{r_{1}m\sin \mathrm{\θ}},\mathrm{\θ}\∈({\mathrm{\θ}}_0-{\mathrm{\θ}}_1);$

$\mathrm{\ω}=\frac{v\sqrt{r_2^2+m^2-2r_{2}m\cos (\mathrm{\θ}-\mathrm{\ϵ})}}{r_{2}m\sin (\mathrm{\θ}-\mathrm{\ϵ})},\mathrm{\θ}\∈({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2);$

$\mathrm{\ω}=\frac{v\sqrt{r_3^2+m^2-2r_{3}m\cos (\mathrm{\θ}-\mathrm{\φ})}}{r_{3}m\sin (\mathrm{\θ}-\mathrm{\φ})},\mathrm{\θ}\∈({\mathrm{\θ}}_2-{\mathrm{\θ}}_3);$

$\mathrm{\ω}=\frac{v\sqrt{r_1^2+m^2-2r_{1}m\cos (\mathrm{\θ}-\mathrm{\π})}}{r_{1}m\sin (\mathrm{\θ}-\mathrm{\π})},\mathrm{\θ}\∈({\mathrm{\θ}}_3-{\mathrm{\θ}}_4);$

$\mathrm{\ω}=\frac{v\sqrt{r_2^2+m^2-2r_{2}m\cos (\mathrm{\θ}-\mathrm{\π}-\mathrm{\ϵ})}}{r_{2}m\sin (\mathrm{\θ}-\mathrm{\π}-\mathrm{\ϵ})},\mathrm{\θ}\∈({\mathrm{\θ}}_4-{\mathrm{\θ}}_5);$

$\mathrm{\ω}=\frac{v\sqrt{r_3^2+m^2-2r_{3}m\cos (\mathrm{\θ}-\mathrm{\π}-\mathrm{\φ})}}{r_{3}m\sin (\mathrm{\θ}-\mathrm{\π}-\mathrm{\φ})},\mathrm{\θ}\∈({\mathrm{\θ}}_5-{\mathrm{\θ}}_6);$

$\mathrm{\ω}=\frac{v\sqrt{r_1^2+m^2-2r_{1}m\cos \mathrm{\θ}}}{r_{1}m\sin \mathrm{\θ}},\mathrm{\θ}\∈({\mathrm{\θ}}_6-{\mathrm{\θ}}_7);$

上述关系式中：

r₁表征卷针尺寸，为O₁B的长度；

r₂表征卷针尺寸，为O₁F的长度；

r₃表征卷针尺寸，为为卷针的O₁D的长度；

m为O₁～O₂的间距；

O₁为卷针的卷绕中心点；

O₂为极片卷绕的固定点；

θ₀为卷针初始位置，θ₀＝π/2-arctg(O₂A/O₁A)，此时梯形CBED、GBEF的公共下底BE为一垂线；

θ₁为卷针第一位置，此时梯形CBED的腰CB的延伸线与O₂连接；

θ₂为卷针第二位置，此时梯形CBED的上底CD的延伸线与O₂连接；

θ₃为卷针第三位置，此时梯形CBED的腰DE的延伸线与O₂连接；

θ₄为卷针第四位置，θ₄＝π+θ₁，此时梯形GBEF的腰FE的延伸线与O₂连接；

θ₅为卷针第五位置，θ₅＝π+θ₂，此时梯形GBEF的上底GF的延伸 线与O₂连接；

θ₆为卷针第六位置，θ₆＝π+θ₃，此时梯形GBEF的腰GB的延伸线与O₂连接；

θ₇为卷针第七位置，θ₇＝2π+θ₁，此时梯形CBED、GBEF的公共下底BE又为一垂线；

ε＝∠BO₁C；

φ＝∠BO₁D；

A为通过O₁的水平线与通过O₂的垂直线的相交点；

合成卷针的两个公共下底的梯形为CBED、GBEF，BE为公共下底。

所述步骤2)基于变转速模型运行的控制器，包括作为前馈的卷针变转速模型与张力PID组件，通过实时读取的张力值进行PID计算，以修正卷针变转速模型参数不匹配所引起的动态误差，并将其补偿到放卷电机期望恒线速度V_h上，由此得到的放卷电机线速度V₀通过控制器输出，使放卷电机线速度V₀保持动态跟随卷针沿隔膜卷行进方向的线速度分量V₁，从而保证卷绕过程中极片的张力恒定，实现放卷过程的张力控制。

所述实时读取的张力值是由放卷电机线速度V₀和卷针沿隔膜卷行进方向的线速度分量V₁之差决定的张力值，通过作为所述间接张力检测部件的张力传感器传感至张力PID组件的一输入端，张力PID组件的另一输入端是用于比较的张力设定值。

本发明与现有技术对比的有益效果是：

本发明方法在不改变原有控制系统组成部件的情况下，针对不同方形卷针尺寸采用卷针变转速模型作为闭环卷绕控制系统的前馈，在卷针各种转速下都可以实现极片行进的线速度近似恒定，进而保证恒张力卷绕，将电池极片和隔膜卷绕过程中造成的极片张力波动范围显著缩小近50％，既不易拉断极片，又不易使电芯变形，电芯生产效率明显提高近20％。

附图说明

图1是本发明具体实施方式的基于变转速模型的闭环控制系统组成图；

图2是图1的卷针结构示意图；

图3是图1的卷针卷绕过程处于初始位置θ₀的示意图；

图4是图1的卷针卷绕过程处于第一位置θ₁的示意图；

图5是60r/min恒转速模型下的实际线速度曲线图；

图6是60r/min变转速模型下的实际线速度曲线图；

图7是卷针平均转速60r/min、放卷电机期望恒线速度V_h值为122.4m/s的变转速模型下的卷针转速与时间的关系曲线图。

具体实施方式

下面将结合具体实施方式并对照附图对本发明作进一步说明。

一种方形锂离子电池电芯卷绕控制方法，适用的电芯卷绕控制系统包括依次闭环连接的间接张力检测部件、控制器、放卷电机和由其驱动的隔膜卷，以及驱动由两个公共下底的梯形合成的卷针转动的卷针电机，所述控制器根据间接张力检测部件的检测信息控制所述放卷电动机带动隔膜卷的线速度，实现放卷过程的张力控制。

依次有以下步骤：

1)建立卷针的变转速模型；

包括在不同尺寸的卷针旋转一圈的七个区间设定卷针旋转的角速度ω跟随极片行进的线速度v变化，角速度ω与线速度v分别满足以下关系式：

$\mathrm{\ω}=\frac{v\sqrt{r_1^2+m^2-2r_{1}m\cos \mathrm{\θ}}}{r_{1}m\sin \mathrm{\θ}},\mathrm{\θ}\∈({\mathrm{\θ}}_0-{\mathrm{\θ}}_1);$

$\mathrm{\ω}=\frac{v\sqrt{r_2^2+m^2-2r_{2}m\cos (\mathrm{\θ}-\mathrm{\ϵ})}}{r_{2}m\sin (\mathrm{\θ}-\mathrm{\ϵ})},\mathrm{\θ}\∈({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2);$

$\mathrm{\ω}=\frac{v\sqrt{r_3^2+m^2-2r_{3}m\cos (\mathrm{\θ}-\mathrm{\φ})}}{r_{3}m\sin (\mathrm{\θ}-\mathrm{\φ})},\mathrm{\θ}\∈({\mathrm{\θ}}_2-{\mathrm{\θ}}_3);$

$\mathrm{\ω}=\frac{v\sqrt{r_1^2+m^2-2r_{1}m\cos (\mathrm{\θ}-\mathrm{\π})}}{r_{1}m\sin (\mathrm{\θ}-\mathrm{\π})},\mathrm{\θ}\∈({\mathrm{\θ}}_3-{\mathrm{\θ}}_4);$

$\mathrm{\ω}=\frac{v\sqrt{r_2^2+m^2-2r_{2}m\cos (\mathrm{\θ}-\mathrm{\π}-\mathrm{\ϵ})}}{r_{2}m\sin (\mathrm{\θ}-\mathrm{\π}-\mathrm{\ϵ})},\mathrm{\θ}\∈({\mathrm{\θ}}_4-{\mathrm{\θ}}_5);$

$\mathrm{\ω}=\frac{v\sqrt{r_3^2+m^2-2r_{3}m\cos (\mathrm{\θ}-\mathrm{\π}-\mathrm{\φ})}}{r_{3}m\sin (\mathrm{\θ}-\mathrm{\π}-\mathrm{\φ})},\mathrm{\θ}\∈({\mathrm{\θ}}_5-{\mathrm{\θ}}_6);$

$\mathrm{\ω}=\frac{v\sqrt{r_1^2+m^2-2r_{1}m\cos \mathrm{\θ}}}{r_{1}m\sin \mathrm{\θ}},\mathrm{\θ}\∈({\mathrm{\θ}}_6-{\mathrm{\θ}}_7);$

上述关系式中：

卷针的具体尺寸如下：

r₁＝28.6mm，表征卷针尺寸，为O₁B的长度；

r₂＝25.7mm，表征卷针尺寸，为O₁F的长度；

r₃r3＝16.72mm，表征卷针尺寸，为O₁D的长度；

m＝70mm，为O₁～O₂的间距；

O₁为卷针的卷绕中心点；

O₂为极片卷绕的固定点；

θ₀＝0.06，为卷针初始位置，θ₀＝π/2-arctg(O₂A/O₁A)，此时梯形CBED、GBEF的公共下底BE为一垂线；

θ₁＝2.6903，为卷针第一位置，此时梯形CBED的腰CB的延伸线与O₂连接；

θ₂＝3.113，为卷针第二位置，此时梯形CBED的上底CD的延伸线与O₂连接；

θ₃＝3.2395，为卷针第三位置，此时梯形CBED的腰DE的延伸线与O₂连接；

θ₄＝5.8319，为卷针第四位置，θ₄＝π+θ₁，此时梯形GBEF的腰FE 的延伸线与O₂连接；

θ₅＝6.2546，为卷针第五位置，θ₅＝π+θ₂，此时梯形GBEF的上底GF 的延伸线与O₂连接；

θ₆＝6.3811，为卷针第六位置，θ₆＝π+θ₃，此时梯形GBEF的腰GB 的延伸线与O₂连接；

θ₇＝8.9735，为卷针第七位置，θ₇＝2π+θ₁，此时梯形CBED、GBEF 的公共下底BE又为一垂线；

ε＝∠BO₁C＝0.0883；

φ＝∠BO₁D＝3.0217；

A为通过O₁的水平线与通过O₂的垂直线的相交点；

合成卷针的两个公共下底的梯形为CBED、GBEF，BE为公共下底。

2)所述电芯卷绕控制系统的控制器基于变转速模型运行；

基于变转速模型运行的控制器，包括作为前馈的卷针变转速模型与张力PID组件，通过实时读取的张力值进行PID计算，以修正卷针变转速模型参数不匹配所引起的动态误差，并将其补偿到放卷电机期望恒线速度V_h上，由此得到的放卷电机线速度V₀通过控制器输出，使放卷电机线速度V₀保持动态跟随卷针沿隔膜卷行进方向的线速度分量V₁，从而保证卷绕过程中极片的张力恒定，实现放卷过程的张力控制。

所述实时读取的张力值是由放卷电机线速度V₀和卷针沿隔膜卷行进方向的线速度分量V₁之差决定的张力值，通过作为所述间接张力检测部件的张力传感器传感至张力PID组件的一输入端，张力PID组件的另一输入端是用于比较的张力设定值。

60r/min变转速模型下的实际线速度曲线如图6所示，实际测得的线速度值从80到160，极片张力波动范围为80左右。对照组的60r/min恒转速模型下的实际线速度曲线如图5所示，实际测得的线速度值从50到230，极片张力波动范围为180左右。数据对比显示：采用卷针变转速模型控制比采用卷针恒转速模型控制极片张力波动范围缩小近50％。

根据变转速模型用矩阵实验室(Matrix Laboratory)得到卷针平均转速60r/min、放卷电机期望恒线速度V_h值为122.4m/s的变转速模型下的卷针转速与时间的关系曲线如图7所示，数据显示：采用卷针变转速模型控制卷绕速度从原来的100r/min提高到120r/min，电芯的生产效率提高近20％。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种方形二次电池电芯卷绕控制方法，适用的电芯卷绕控制系统包括依次闭环连接的间接张力检测部件、控制器、放卷电机和由其驱动的隔膜卷，以及驱动由两个公共下底的梯形合成的卷针转动的卷针电机，所述控制器根据间接张力检测部件的检测信息控制所述放卷电动机带动隔膜卷的线速度，实现放卷过程的张力控制，其特征在于：

依次有以下步骤：

1)建立卷针的变转速模型；

2)所述电芯卷绕控制系统的控制器基于变转速模型运行 ；

所述步骤1)的卷针变转速模型，包括在不同尺寸的卷针旋转一圈的七个区间设定卷针旋转的角速度ω跟随极片行进的线速度v变化，角速度ω与线速度v分别满足以下关系式：

上述关系式中：

r₁表征卷针尺寸，为O₁B的长度；

r₂表征卷针尺寸，为O₁F的长度；

r₃表征卷针尺寸，为卷针的O₁D的长度；

m为O₁～O₂的间距；

O₁为卷针的卷绕中心点；

O₂为极片卷绕的固定点；

θ₀为卷针初始位置，θ₀＝π/2-arctg(O₂A/O₁A)，此时梯形CBED、GBEF的公共下底BE为一垂线；

θ₁为卷针第一位置，此时梯形CBED的腰CB的延伸线与O₂连接；

θ₂为卷针第二位置，此时梯形CBED的上底CD的延伸线与O₂连接；

θ₃为卷针第三位置，此时梯形CBED的

腰DE的延伸线与O₂连接；

θ₄为卷针第四位置，θ₄＝π+θ₁，此时梯形GBEF的腰 FE的延伸线与O₂连接；

θ₅为卷针第五位置，θ₅＝π+θ₂，此时梯形GBEF的上底GF的延伸线与O₂连接；

θ₆为卷针第六位置，θ₆＝π+θ₃，此时梯形GBEF的腰GB的延伸线与O₂连接；

θ₇为卷针第七位置，θ₇＝2π+θ₁，此时梯形CBED、GBEF的公共下底BE又为一垂线；

ε＝∠BO₁C；

φ＝∠BO₁D；

A为通过O₁的水平线与通过O₂的垂直线的相交点；

合成卷针的两个公共下底的梯形为CBED、GBEF，BE为公共下底。

2.如权利要求1所述的方形二次电池电芯卷绕控制方法，其特征在于：

所述步骤2)基于变转速模型运行的控制器，包括作为前馈的卷针变转速模型与张力PID组件，通过实时读取的张力值进行PID计算，以修正卷针变转速模型参数不匹配所引起的动态误差，并将其补偿到放卷电机期望恒线速度V_h上，由此得到的放卷电机线速度V₀通过控制器输出，使放 卷电机线速度V₀保持动态跟随卷针沿隔膜卷行进方向的线速度分量V₁，从而保证卷绕过程中极片的张力恒定，实现放卷过程的张力控制。

3.如权利要求2所述的方形二次电池电芯卷绕控制方法，其特征在于：

所述实时读取的张力值是由放卷电机线速度V₀和卷针沿隔膜卷行进方向的线速度分量V₁之差决定的张力值，通过作为所述间接张力检测部件的张力传感器传感至张力PID组件的一输入端，张力PID组件的另一输入端是用于比较的张力设定值。 

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