CN103447201A - 基于电容传感器的电池极片面密度测量方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于电容传感器的电池极片面密度测量方法与系统，包括面密度测量装置，面密度测量装置与数据处理电路相连，数据处理电路与PLC控制装置相连；面密度测量装置包括扫描架及用于驱动扫描架的往复移动装置；扫描架为“C”型扫描架，扫描架的上下扫描臂上分别安装有电容传感器的探头和光滑金属下极板。本发明改变了传统的离线测量方式，使得生产效率大大提高；提高了测量精度以及产品质量的一致性；节约材料，节省成本，实现了对电池极片面密度值的均匀控制。

Description

基于电容传感器的电池极片面密度测量方法与系统

技术领域

本发明涉及基于电容传感器的电池极片面密度测量方法与系统。 

背景技术

随着笔记本电脑、移动通信、电动代步车等领域的不断发展，锂电池的需求量也越来越大，对于锂电池的质量要求也不断提高。电池极片涂布生产是电池生产的第一环节，涂布生产中面密度均匀性是提高锂离子电池质量一致性的关键条件。 

目前国内电池极片生产企业对于极片的面密度测量大都采用传统的离线的测量方式，即工作人员从极片生产线取标准大小样本，通过称重的方式间接得到面密度值。这种非在线的测量方式由人工测量监控，具有一定的滞后性，生产出不合格产品造成材料浪费，并且人工方法精度较低、效率低下、产品质量稳定性较差。另外的检测方法主要是射线式测量方式，但该种方法成本较高，并且射线对人体危害较大。 

电池极片涂层湿料情况下水分较多，并且物理、化学等各方面特性不稳定，通过直接对湿料进行测量然后控制刀口的方式得到的结果并不准确，所以湿料直接测控的方式现阶段还无法实现。 

目前大多数公司为达到控制刀口移动采用的是定时采样的方式，通过隔一段时间对极片采样测厚的方式，这种方式滞后性较大，等检测到极片面密度超出范围再去控制已经较晚，造成了对材料的浪费，生产成本增加，并且这种非在线的控制方式效率较低。 

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了基于电容传感器的电池极片面密度测量方法与系统，通过实时测量极片干料面密度，根据面密度变化趋势，推断刀口处的面密度情况，进而调整刀口间隙，实现对极片面密度的控制。 

为实现上述目的，本发明的具体方案如下： 

基于电容传感器的电池极片面密度测量系统，包括面密度测量装置，面密度测量装置与数据处理电路相连，数据处理电路与PLC控制装置相连； 

所述面密度测量装置包括扫描架及用于驱动扫描架的往复移动装置； 

所述扫描架为“C”型扫描架，扫描架的上下扫描臂上分别安装有电容传感器的探头和光滑金属下极板； 

所述往复移动装置包括伺服电机和底座，伺服电机通过联轴器与滚珠丝杠副相连，滚珠 丝杠副包括丝杠和与丝杠相配合的丝杠螺母，底座上安装有多个滚动导轨，滚动导轨中间安装有丝杠，丝杠螺母、滚动导轨上的滑块和工作台均连接在一起，工作台固定有“C”型扫描架； 

所述数据处理电路包括载波信号发生器，载波信号发生器与电容传感器均与信号转换电路相连，信号转换电路与精密整流电路相连，精密整流电路与滤波电路相连，滤波电路与信号采集模块相连，所述载波信号发生器、信号转换电路、精密整流电路和滤波电路均与稳压电源连接； 

所述PLC控制装置包括PLC，PLC的输入端与A/D转换模组相连，A/D转换模组与数据处理电路相连，PLC的输出端与扫描架轴伺服驱动器及刀口轴伺服驱动器，扫描架轴伺服驱动器及刀口轴伺服驱动器分别与对应的第一伺服电机和第二伺服电机相连，第一伺服电机通过第一编码器与扫描架轴伺服驱动器反馈连接，第二伺服电机通过第二编码器与刀口轴伺服驱动器反馈连接，PLC还通过串口线与触摸屏通信连接，A/D转换模组、PLC和触摸屏均通过系统控制电源电路供电； 

所述系统控制电源电路包括断路器、旋钮开关、急停按钮、电源指示灯以及24V开关电源，24V开关电源将220V交流电转换成24V直流电输出，为PLC、A/D转换模组、触摸屏等硬件供电。 

所述面密度测量装置用于在线检测电池极片的面密度的物理信息； 

所述数据处理电路用于对测量到数据进行采集及处理； 

所述PLC控制装置用于对涂布刀口进行控制； 

将“C”型扫描架原点、正限位、负限位三个限位开关量送到PLC输入点，PLC输出点控制伺服电机脉冲信号，PLC通过串口线与触摸屏实现通信。 

基于电容传感器的电池极片面密度测量方法，包括以下步骤： 

步骤一：通过面密度测量装置在线检测电池极片的面密度的物理信息； 

步骤二：通过数据处理电路对测量到数据进行采集及处理； 

步骤三：通过PLC控制装置对涂布刀口进行控制。 

所述步骤一中在线检测电池极片的面密度的物理信息的过程为：通过“C”型扫描架的往复移动，电容传感器将采集到的电池极片的面密度的物理信息转变成电容值的变化。 

所述步骤二中对测量到数据进行采集及处理的过程为：利用数据处理电路，电容值变化信息转变成易于测量的模拟电压信号，通过A/D转换模组将模拟电压信号转变为数字信号送到PLC。 

所述步骤三中对涂布刀口进行控制的过程为：PLC将该数字信号与面密度标准范围值的信 号相比较，当数值比标准面密度范围值大，则PLC控制伺服电机转动将涂布刀口缩小，当数值比标准面密度范围值小，则PLC控制伺服电机转动将涂布刀口扩大。 

本发明的有益效果： 

本发明改变了传统的离线测量方式，使得生产效率大大提高；提高了测量精度以及产品质量的一致性；节约材料，节省成本，实现了对电池极片面密度值的均匀控制。 

附图说明

图1电容面密度测量原理示意图； 

图2极片面密度控制基本原理图一； 

图3极片面密度控制基本原理图二； 

图4极片面密度控制基本原理图三； 

图5信号采集处理电路框图； 

图6PLC控制接口电路框图； 

图7电池极片面密度测量系统机械结构主视图； 

图8电池极片面密度测量系统机械结构左视图； 

图中，1.伺服电机，2.联轴器，3.丝杠，4.“C”型扫描架，5.电容传感器，6.光滑金属下极板，7.工作台，8.丝杠螺母，9.滚动导轨，10.底座，11.待测极片。 

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明： 

极片面密度是单位面积极片的质量，用ρ_面来表示，即公式： 

式中：m为质量，S为极片面积，V为极片体积，ρ为极片密度。 

由公式可知:面密度值的大小与极片的厚度d以及极片材料的密度ρ存在正比关系。通过面密度值的公式可知，对于面密度的测量不仅要测量厚度d，还要测量极片材料的密度ρ，本系统中电容传感器5测量能够完成以上要求。电容传感器5探头和下极板理想模型为平行板电容器。如图1所示，设电容传感器5探头的有效面积为S，真空的介电常数为ε₀（ε₀=8.85×10^-12F/m），待测极片11的相对介电常数为ε_r，待测极片11置于电容传感器5探头和下极板之间，设探头和下极板间距为H，待测极片11厚度为d，则上下空气层厚度为H-d。 

由原理公式我们可以推出以下公式： 

空气膜所产生的电容： 

$C_1=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{0}S}{H-d}$

待测极片11所产生的电容： 

$C_2=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{r}S}{d}$

两极板间总电容 

$C=\frac{C_1{C}_2}{C_1+C_2}=\frac{S}{d{/\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_r+(H-d){/\mathrm{\ϵ}}_0}$

化简整理后得 

$\frac{1}{C}=-\frac{H}{{\mathrm{\ϵ}}_{0}S}+\frac{({\mathrm{\ϵ}}_r-1)d}{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{r}S}$

通过上述化简后进行分析，我们可以知道其结果的第一项是个常数，而第二项包含未知的极片的介电常数ε_r和待测极片厚度d，而介电常数ε_r与极片材料的密度ρ存在确定的关系，因此电容值是与所测极片的厚度d和极片材料的密度ρ有关的量。即，电容值的大小及变化可以反映出极片面密度的大小和变化。若经过测量电路，将电容转换成易于处理的电压信号U，建立电压U与极片面密度ρ_面的关联函数ρ_面=f（U），极片面密度的测量即可实现。 

检测到面密度值随时间的变化趋势，△ρ为面密度的允许范围值，如图2所示，在t1-t2这段时间内，检测到面密度值在允许范围内波动，则此时不需要对刀口进行控制。 

如图3-4所示，在t1-t2这段时间内，检测到面密度值按照一定的规律增大或者减小，如果按照这种趋势发展，预测到t3时刻极片的面密度值将超出允许范围，因此在t2时刻就应当控制刀口升降，从而将面密度控制在合适范围。 

基于电容传感器的电池极片面密度测量系统，包括面密度测量装置，面密度测量装置与数据处理电路相连，数据处理电路与PLC控制装置相连。 

如图8，面密度测量装置包括扫描架及用于驱动扫描架的往复移动装置，往复移动装置包括伺服电机1和底座10，伺服电机1通过联轴器2与滚珠丝杠副相连，滚珠丝杠副包括丝杠3和与丝杠相配合的丝杠螺母8，底座10上安装有多个滚动导轨9，滚动导轨9中间安装有丝杠3，丝杠螺母8、滚动导轨9上的滑块和工作台7均连接在一起，工作台7固定有“C”型扫描架4；扫描架的上下扫描臂上分别安装有电容传感器5的探头和光滑金属下极板6； 

如图5所示，数据处理电路包括载波信号发生器，载波信号发生器与电容传感器5均与信号转换电路相连，信号转换电路与精密整流电路相连，精密整流电路与滤波电路相连，滤波 电路与信号采集模块相连，所述载波信号发生器、信号转换电路、精密整流电路和滤波电路均与稳压电源连接； 

如图6所示，PLC控制装置包括PLC，PLC的输入端与A/D转换模组相连，A/D转换模组与数据处理电路相连，PLC的输出端与扫描架轴伺服驱动器及刀口轴伺服驱动器，扫描架轴伺服驱动器及刀口轴伺服驱动器分别与对应的第一伺服电机和第二伺服电机相连，第一伺服电机通过第一编码器与扫描架轴伺服驱动器反馈连接，第二伺服电机通过第二编码器与刀口轴伺服驱动器反馈连接，PLC还通过串口线与触摸屏通信连接，A/D转换模组、PLC和触摸屏均通过系统控制电源电路供电； 

系统控制电源电路包括断路器、旋钮开关、急停按钮、电源指示灯以及24V开关电源，24V开关电源将220V交流电转换成24V直流电输出，为PLC、A/D转换模组、触摸屏等硬件供电。 

面密度测量装置用于在线检测电池极片的面密度的物理信息。 

数据处理电路用于对测量到数据进行采集及处理。 

PLC控制装置用于对涂布刀口进行控制。 

将“C”型扫描架4原点、正限位、负限位三个限位开关量送到PLC输入点，PLC输出点控制伺服电机脉冲信号，PLC通过串口线与触摸屏实现通信。 

基于电容传感器5的电池极片面密度测量方法，包括以下步骤： 

步骤一：通过面密度测量装置在线检测电池极片的面密度的物理信息； 

步骤二：通过数据处理电路对测量到数据进行采集及处理； 

步骤三：通过PLC控制装置对涂布刀口进行控制。 

所述步骤一中在线检测电池极片的面密度的物理信息的过程为：通过“C”型扫描架4的往复移动，电容传感器5将采集到的电池极片的面密度的物理信息转变成电容值的变化。 

所述步骤二中对测量到数据进行采集及处理的过程为：利用数据处理电路，电容值变化信息转变成易于测量的模拟电压信号，通过A/D转换模组将模拟电压信号转变为数字信号送到PLC。 

所述步骤三中对涂布刀口进行控制的过程为：PLC将该数字信号与面密度标准范围值的信号相比较，当数值比标准面密度范围值大，则PLC控制伺服电机1转动将涂布刀口缩小，当数值比标准面密度范围值小，则PLC控制伺服电机1转动将涂布刀口扩大。 

Claims (9)

1.基于电容传感器的电池极片面密度测量系统，其特征是，包括面密度测量装置，面密度测量装置与数据处理电路相连，数据处理电路与PLC控制装置相连；

所述面密度测量装置包括扫描架及用于驱动扫描架的往复移动装置；

所述扫描架为“C”型扫描架，扫描架的上下扫描臂上分别安装有电容传感器的探头和光滑金属下极板。

2.如权利要求1所述的基于电容传感器的电池极片面密度测量系统，其特征是，所述往复移动装置包括伺服电机和底座，伺服电机通过联轴器与滚珠丝杠副相连，滚珠丝杠副包括丝杠和与丝杠相配合的丝杠螺母，底座上安装有多个滚动导轨，滚动导轨中间安装有丝杠，丝杠螺母、滚动导轨上的滑块和工作台均连接在一起，工作台上固定有“C”型扫描架。

3.如权利要求1所述的基于电容传感器的电池极片面密度测量系统，其特征是，所述数据处理电路包括载波信号发生器，载波信号发生器与电容传感器均与信号转换电路相连，信号转换电路与精密整流电路相连，精密整流电路与滤波电路相连，滤波电路与信号采集模块相连，所述载波信号发生器、信号转换电路、精密整流电路和滤波电路均与稳压电源连接。

4.如权利要求1所述的基于电容传感器的电池极片面密度测量系统，其特征是，所述PLC控制装置包括PLC，PLC的输入端与A/D转换模组相连，A/D转换模组与数据处理电路相连，PLC的输出端与扫描架轴伺服驱动器及刀口轴伺服驱动器，扫描架轴伺服驱动器及刀口轴伺服驱动器分别与对应的第一伺服电机和第二伺服电机相连，第一伺服电机通过第一编码器与扫描架轴伺服驱动器反馈连接，第二伺服电机通过第二编码器与刀口轴伺服驱动器反馈连接，PLC还通过串口线与触摸屏通信连接，A/D转换模组、PLC和触摸屏均通过系统控制电源电路供电。

5.如权利要求4所述的基于电容传感器的电池极片面密度测量系统，其特征是，所述系统控制电源电路包括断路器、旋钮开关、急停按钮、电源指示灯以及24V开关电源，24V开关电源将220V交流电转换成24V直流电输出，为PLC、A/D转换模组、触摸屏供电。

6.基于电容传感器的电池极片面密度测量方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤一：通过面密度测量装置在线检测电池极片的面密度的物理信息；

步骤二：通过数据处理电路对测量到数据进行采集及处理；

步骤三：通过PLC控制装置对涂布刀口进行控制。

7.如权利要求6所述的基于电容传感器的电池极片面密度测量方法，其特征是，所述步骤一中在线检测电池极片的面密度的物理信息的过程为：通过“C”型扫描架的往复移动，电容传感器将采集到的电池极片的面密度的物理信息转变成电容值的变化。

8.如权利要求6所述的基于电容传感器的电池极片面密度测量方法，其特征是，所述步骤二中对测量到数据进行采集及处理的过程为：利用数据处理电路，电容值变化信息转变成易于测量的模拟电压信号，通过A/D转换模组将模拟电压信号转变为数字信号送到PLC。

9.如权利要求6所述的基于电容传感器的电池极片面密度测量方法，其特征是，所述步骤三中对涂布刀口进行控制的过程为：PLC将该数字信号与面密度标准范围值的信号相比较，当数值比标准面密度范围值大，则PLC控制伺服电机转动将涂布刀口缩小，当数值比标准面密度范围值小，则PLC控制伺服电机转动将涂布刀口扩大。

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