CN106025375A - 一种锂电池叠片机隔离膜的放卷控制系统 - Google Patents

一种锂电池叠片机隔离膜的放卷控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明适用于锂电池制造设备技术领域，提供了一种锂电池叠片机隔离膜的放卷控制系统，包括用于带动放卷转装置转动放出锂电池隔离膜的隔离膜放卷电机，用于整个放卷控制系统提供一个稳定张力的张紧电机，用于带动储料装置进行运动的储料电机，用于带动叠片平台往复运动的叠片电机，用于带动叠片平台上升和下降的升降电机，用于对层叠在叠片平台上的锂电池电芯进行压紧的压紧装置 ，用于控制各个电机协调运动工作的控制器。可以实现锂电池叠片机隔离膜的全自动主被动放卷，而且能提高叠片电芯的生产效率。通过运动控制技术实现锂电池叠片机隔离膜的间接张力控制；主动放卷技术适用于锂电池叠片机隔离膜的高速放卷。

Description

一种锂电池叠片机隔离膜的放卷控制系统
技术领域
本发明属于锂电池制造设备技术领域，尤其涉及一种锂电池叠片机隔离膜的放卷控制系统。
背景技术
目前，在行业中锂电池的生产方式主要以卷绕和叠片两种工艺。卷绕技术相对较为成熟，主要针对圆柱型电池以及小容量的方形锂电池，针对大容量的动力锂电池以及异型电池，需要采用叠片工艺技术来生产。隔离膜的放卷技术是锂电池叠片生产设备的核心技术之一，叠片平台的周期性往复运动带来的隔离膜局部速度变化需要通过储料系统来吸收平衡，进而使得系统的张力保持恒定，实现膜片的稳定输送，继而对膜片边缘进行检测，通过纠偏控制算法保证隔离目的对齐度，叠出高质量的锂电池。
目前，锂电池叠片机的放卷技术主要有被动放卷和主动放卷两种方式。被动放卷技术固然实现起来较为简单，但是放卷电机需要频繁启停，不仅导致效率底下，而且很难实现良好的张力控制，电池的一致性也难以保证。相比于被动放卷技术，主动放卷技术避免了放卷电机的频繁启停，不仅提升了锂电池的生产效率，而且使得电池的一致性和质量都会较好。锂电池叠片机主动放卷的关键技术就是张力和纠偏控制。叠片过程中，张力过大，将容易使隔离膜或极片产生拉伸变形，掉粉、甚至发生扯断现象。张力过小，隔离膜或极片将产生褶皱，出现叠偏，锯齿状现象。隔离膜的放卷技术是锂电池叠片机的核心技术之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种锂电池叠片机隔离膜的放卷控制系统，旨在解决上述的技术问题。
本发明是这样实现的，一种锂电池叠片机隔离膜的放卷控制系统，包括用于带动放卷转装置转动放出锂电池隔离膜的隔离膜放卷电机，用于整个放卷控制系统提供一个稳定张力的张紧电机，用于带动储料装置进行运动的储料电机，用于带动叠片平台往复运动的叠片电机，用于带动叠片平台上升和下降的升降电机，用于对层叠在叠片平台上的锂电池电芯进行压紧的压紧装置 ，用于控制各个电机协调运动工作的控制器。
本发明的进一步技术方案是：根据放出的隔离膜长度实时控制放卷电机的运行速度实现恒速放卷。
本发明的进一步技术方案是：利用PID微调放卷电机的运行速度使得张力摆臂始终保持到平衡位置。
本发明的进一步技术方案是：所述储料电机的运动轨迹曲线通过数学建模或工程实测数据描点获得
本发明的进一步技术方案是：通过数学模型实时计算储料电机的运动轨迹点，以消除在不同速度下叠片平台跟踪误差不同所导致的固定轨迹曲线不能动态应对误差的变化。
本发明的进一步技术方案是：所述叠片电机及储料电机均采用直线电机驱动或回转电机驱动或任何驱动方式与实现直线运动机构构成的直线运动系统。
本发明的进一步技术方案是：所述控制器采用PLC控制器或或运动控制器的电子凸轮同步指令。
本发明的进一步技术方案是：储料电机通过运动来协调恒速放卷和拉料伺服驱动辊的间歇运动。
本发明的有益效果是：可以实现锂电池叠片机隔离膜的全自动主被动放卷，而且能提高叠片电芯的生产效率。通过运动控制技术实现锂电池叠片机隔离膜的间接张力控制；主动放卷技术适用于锂电池叠片机隔离膜的高速放卷；可适用于其它类似的采用运动协调控制实现间接张力控制或放卷的装置。
附图说明
图1是本发明实施例提供的锂电池叠片机隔离膜放卷系统工作原理图。
图2是本发明实施例提供的主动放卷控制策略实施案例示意图。
图3是本发明实施例提供的另一种主动放卷控制策略实施案例示意图。
图4是本发明实施例提供的另一种主动放卷控制策略实施案例示意图。
具体实施方式
附图标记：
图1示出了本发明提供的一种锂电池叠片机隔离膜的放卷控制系统，包括用于带动放卷转装置转动放出锂电池隔离膜的隔离膜放卷电机，用于整个放卷控制系统提供一个稳定张力的张紧电机，用于带动储料装置进行运动的储料电机，用于带动叠片平台往复运动的叠片电机，用于带动叠片平台上升和下降的升降电机，用于对层叠在叠片平台上的锂电池电芯进行压紧的压紧装置 ，用于控制各个电机协调运动工作的控制器。
根据放出的隔离膜长度实时控制放卷电机的运行速度实现恒速放卷。
利用PID微调放卷电机的运行速度使得张力摆臂始终保持到平衡位置。
所述储料电机的运动轨迹曲线通过数学建模或工程实测数据描点获得
通过数学模型实时计算储料电机的运动轨迹点，以消除在不同速度下叠片平台跟踪误差不同所导致的固定轨迹曲线不能动态应对误差的变化。
所述叠片电机及储料电机均采用直线电机驱动或回转电机驱动或任何驱动方式与实现直线运动机构构成的直线运动系统。
所述控制器采用PLC控制器或或运动控制器的电子凸轮同步指令。
储料电机通过运动来协调恒速放卷和拉料伺服驱动辊的间歇运动。
一种锂电池叠片机隔离膜放卷控制系统，
包括：隔离膜放卷电机1、张力张紧装置驱动电机2、储料装置伺服电机3、锂电池隔离膜4、叠片平台伺服电机5、叠片平台升降伺服电机6、压紧装置7，如图1所示；隔离膜放卷电机1负责放出锂电池隔离膜4，张力张紧装置2驱动电机为整个放卷控制系统提供一个稳定的张力，叠片平台伺服电机5牵引放出的锂电池隔离膜4往复运动，叠片平台升降伺服电机6通过运动控制来保证叠出的锂电池电芯的上平面保持不变，压紧装置7交替运动对层叠的锂电池电芯进行压紧以辅助叠片平台的往复运动进行锂电池的电芯的叠置。
本发明涉及锂电池叠片机主动放卷控制策略。该锂电池叠片机主动放卷控制策略是通过储料吸收装置与叠片平台的协调运动控制，使得储料吸收装置来吸收由于叠片平台往复直线运动引起的隔离膜的收回与快速放出，以此来保证隔离膜放卷过程中的线速度恒定，根据放出的隔离膜长度实时控制放卷电机的运行速度，以此实现恒速放卷，系统运行误差引起的张力摆臂的偏移，通过PID微调放卷电机的运行速度，从而使张力摆臂始终保持到平衡位置，使系统张力保持基本不变实现膜片稳定放出，从而实现隔离膜的主动放卷，放卷控制策略如图2，图3所示。该锂电池叠片机主动放卷控制策略较被动放卷避免了放卷的电机的频繁启停，提升锂电池的叠片效率。而且无需张力检测传感器，通过协调运动控制技术实现了锂电池叠片机的主动放卷。不仅提高了锂电池的生产效率，而且提高了锂电池的生产质量，使得生产的锂电池质量一致性较好。
本发明对储料装置伺服电机与叠片平台驱动伺服电机采用协调运动控制技术巧妙地间接实现了隔离膜放卷系统张力稳定。
本发明的储料装置伺服电机的运动轨迹曲线通过数学建模或工程实测数据描点获得，但是当进行主动放卷时，需通过数学建模来获得。
本发明可以根据叠片平台的位置，通过数学模型实时计算储料装置伺服电机的运动轨迹点，以消除在不同速度下叠片平台跟踪误差不同所导致的固定轨迹曲线不能动态应对误差的变化，导致系统张力波动大的问题，对应的控制策略如图3所示。
本发明也可以用于锂电池的极片放卷，如图4所示，拉料伺服驱动辊间歇拉出阴极片或阳极片以便等待极片切割装置进行极片切割，放卷电机恒线速度放出系统所需的阴极片或阳极片，储料装置伺服驱动电机通过协调运动来保证放卷电机的恒线速度放出，实现主动放卷。
一种实现锂电池叠片机隔离膜放卷控制系统具体的工作流程如下：叠片平台伺服电机5牵引锂电池隔离膜4从A到B或从B到A往复运动，当叠片平台运动到A或B的位置时，阴阳极片交替放置于层叠的锂电池隔离膜4上，压紧装置7交替压紧叠层电芯，最终叠出方形锂电池，放卷电机1放出被叠片平台伺服电机5的往复运动叠出的锂电池隔离膜4，叠片平台伺服电机5的往复运动引起叠片平台上方的锂电池隔离膜4先回缩后拉出，变化剧烈，放卷电机1很难通过收放来应对这种变化，储料装置伺服电机3通过快速运动来处理这种变化，假如放卷电机1处于非运动状态，叠片平台伺服电机5牵引出的锂电池隔离膜4会引起张力张紧装置发生角度变化，根据张力张紧装置驱动电机2的编码器反馈信息，通过快速PID或其它控制算法去调节放卷电机1，让放卷电机1放出需要的锂电池隔离膜4，即可实现了锂电池稳定、可靠、全自动放卷，由于放卷电机1被动地由张力张紧装置的角度变化来调整放出隔离膜料卷，因此该全自动放卷过程称为被动放卷。
在被动放卷过程中，储料装置伺服电机3的运动轨迹曲线是非常关键的，由于储料装置伺服电机3需要通过运动来缓冲叠片平台伺服电机5的往复运动引起叠片平台上方的锂电池隔离膜4的变化，储料装置伺服电机3的运动轨迹曲线可以通过工程实测数据描点获得。具体如下：让放卷电机1和张力张紧装置驱动电机2固定不动，叠片平台从A到B运动到离散给定轨迹点, 调整储料装置伺服驱动电机3的位置，使锂电池隔离膜4处于张紧状态，记录这些数据点，根据这些数据点采用数据拟合方法拟合得到储料装置的伺服驱动电机3的运动轨迹曲线。
由于被动放卷过程存在放卷电机1的频繁起停，容易引起放卷系统的张力变化，叠片平台伺服电机5高速运行时，放卷电机的1的频繁起停，经常引起隔离膜大幅度抖动，甚至出现不稳定运动，导致叠片平台上的锂电池隔离膜出现叠偏，用于检测锂电池隔离膜边缘或中心的纠偏传感器无法检测，无法叠出合格的锂电池电芯，本发明也公开了一种锂电池叠片机隔离膜主动放卷控制技术，如图2所示，根据放出的锂电池隔离膜在线实时计算出放卷电机1的运行速度，通过放卷电机1的变角速度控制保证放出的锂电池的隔离膜线速度恒定，实现锂电池隔离膜4的匀速放卷，叠片平台伺服电机5的往复运动引起叠片平台上方的锂电池隔离膜4先收回后放出，储料装置伺服电机3通过快速运动来处理这种变化，同时辅助吸收放卷电机1放出的隔离膜，使整个放卷系统的锂电池隔离膜4始终处于张紧状态，如果储料装置伺服电机3与叠片平台伺服电机5保证较好的协调运动关系，张力张紧装置驱动电机2的将不发生摆动，整个系统处于动态平衡，如果储料装置伺服电机3与叠片平台伺服电机5的协调运动关系没有得到较好的保证时，此时张力张紧装置驱动电机2将产生小范围摆动，根据张力张紧装置摆动的角度对放卷电机1进行PID微调，以保证整个系统处于动态平衡，实现锂电池隔离膜的主动放卷控制；储料装置伺服电机3与叠片平台伺服电机5的协调运动，可以通过PLC或运动控制器的电子凸轮同步指令来实现，储料装置伺服电机3按数学模型计算出的固定凸轮曲线来运行，叠片平台伺服电机5实现点到点的轨迹伺服定位运动。
在主动放卷过程中，储料装置伺服电机3的运动轨迹曲线是非常关键的，由于储料装置伺服电机3需要通过运动协调整个系统的平衡，储料装置伺服电机3的运动轨迹需要根据数学模型进行计算，数学模型的建立过程如下：假定放卷电机1不运动，让叠片平台伺服电机5按固定的点到点的轨迹进行运行，叠片平台伺服电机5的往复运动引起叠片平台上方的锂电池隔离膜4的变化可以表示为储料装置的位置函数，假定叠片平台伺服电机5不运动，让放卷电机匀速放卷，放卷速度等于叠出的锂电池宽度与叠片周期的比值，此种情况下，放出的锂电池隔离膜4能表示为储料装置的位置函数，对两种情况下得到的储料装置的位置函数进行相加可得到储料装置的运动位移曲线。
在主动放卷过程中，储料装置伺服电机3可用图3所示的控制策略，根据叠片平台的位置信息，通过数学模型实时计算当前时刻的轨迹点，以适应不同速度下叠片平台将产生不同的跟踪速度偏差，使锂电池隔离膜4始终保持张紧，减少张力波动。
本发明所提出的主动放卷控制策略用于锂电池的阴阳极片放卷时，控制系统如图4所示，与锂电池隔离膜放卷所不同的是，拉料伺服驱动辊间歇拉出阴极片或阳极片以适应极片切割装置的间歇运动，放卷电机以恒定的线速度放出阴极片或阳极片，储料装置伺服驱动电机通过运动来协调恒速放卷和拉料伺服驱动辊的间歇运动，维持系统的张力，使系统的极片始终处于张紧状态。
一种实现锂电池叠片机隔离膜放卷控制系统，放卷电机1、张力张紧装置驱动电机2、储料装置伺服驱动电机3、锂电池隔离膜4、叠片平台伺服电机5、 叠片平台升降伺服电机6、压紧装置7等组成。
叠片平台伺服电机5可以采用直线电机驱动或回转电机以及其它任何驱动方式与实现直线运动机构构成的直线运动系统。储料装置2伺服系统可以采用直线电机驱动或回转电机以及其它任何驱动方式与实现直线运动机构构成的直线运动系统。
叠片平台伺服电机5以给定的轨迹进行点到点的周期性往复定位运动，往复运动引起的放卷过程中锂电池隔离膜4的局部变化，通过储料装置伺服驱动电机3与叠片平台伺服电机5的协调运动进行顺应，储料装置伺服驱动电机3的运行轨迹可以根据叠片平台的运动轨迹进行工程实测描点获得，储料装置伺服电机3按PLC或运动控制器的电子凸轮曲线指令来控制，叠出的隔离膜将引起张力张紧装置的位置变化，根据张力张紧装置2的张力摆臂的位置变化量，对放卷系统伺服电机进行PID或快速PID进行位置或速度控制，进而控制隔离膜的放出，实现隔离膜的放卷控制。
储料装置伺服驱动电机3运动轨迹曲线，可以通过建立叠片平台与储料装置的位置运动关系的数学模型，根据所建立的数学模型计算而获得。具体如下：让放卷电机1和张力张紧装置驱动电机2固定不动，叠片平台从附图1所示的A点运动B点或从B运动到A点的过程，将使得锂电池隔离膜4先回缩而后伸长，锂电池隔离膜4的回缩与伸长可以描述为储料装置伺服驱动电机3的运动轨迹的函数。
储料装置的伺服驱动电机3的运动轨迹曲线，可以通过工程实测数据描点获得。具体如下：让放卷电机1和张力张紧装置驱动电机2固定不动，叠片平台从A到B运动到离散给定轨迹点, 调整储料装置伺服驱动电机3的位置，使锂电池隔离膜4处于张紧状态，记录这些数据点，根据这些数据点采用数据拟合方法拟合得到储料装置的伺服驱动电机3的运动轨迹曲线。
叠片平台伺服电机5以给定的曲线运动进行拉膜，储料装置伺服驱动电机3以权利要求5所述的方法所获得的运动轨迹曲线运动，放卷电机1根据储料装置摆动角度通过PID控制进行收放锂电池隔离膜4，从而避免张力张紧装置摆动到极限位置，导致系统张力失去平衡，实现锂电池隔离膜4在张力变化不大的范围内进行放卷，也即是所谓的被动放卷。
叠片平台伺服电机5以给定的曲线运动进行拉膜，储料装置伺服驱动电机3以权利要求6所述的方法所获得的运动轨迹曲线运动，放卷电机1匀速放卷，同时根据储料装置摆动角度通过PID对放卷速度进行微调，使张力张紧装置驱动电机2始终处于期望的位置，防止张力张紧装置大范围内摆动，导致锂电池隔离膜的张力波动，以保持系统拥有一个比较稳定的张力，实现锂电池隔离膜4在张力小范围内波动情况下进行放卷，也即是所谓的主动放卷。
被动与主动放卷，储料装置伺服驱动电机3与叠片平台伺服电机5需要通过同步或协调运动控制来实现。
主动放卷特征，储料装置伺服驱动电机3的运动轨迹可以采用，所述的数学模型进行在线实时计算得出。
所述的被动放卷与主动放卷特征也可用于锂电池叠片机的阴阳极片的放卷。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种锂电池叠片机隔离膜的放卷控制系统，其特征在于，包括用于带动放卷转装置转动放出锂电池隔离膜的隔离膜放卷电机，用于整个放卷控制系统提供一个稳定张力的张紧电机，用于带动储料装置进行运动的储料电机，用于带动叠片平台往复运动的叠片电机，用于带动叠片平台上升和下降的升降电机，用于对层叠在叠片平台上的锂电池电芯进行压紧的压紧装置 ，用于控制各个电机协调运动工作的控制器。
2.根据权利要求1所述的放卷控制系统，其特征在于，根据放出的隔离膜长度实时控制放卷电机的运行速度实现恒速放卷。
3.根据权利要求2所述的放卷控制系统，其特征在于，利用PID微调放卷电机的运行速度使得张力摆臂始终保持到平衡位置。
4.根据权利要求3所述的放卷控制系统，其特征在于，所述储料电机的运动轨迹曲线通过数学建模或工程实测数据描点获得。
5.根据权利要求4所述的放卷控制系统，其特征在于，通过数学模型实时计算储料电机的运动轨迹点，以消除在不同速度下叠片平台跟踪误差不同所导致的固定轨迹曲线不能动态应对误差的变化。
6.根据权利要求5所述的放卷控制系统，其特征在于，所述叠片电机及储料电机均采用直线电机驱动或回转电机驱动或任何驱动方式与实现直线运动机构构成的直线运动系统。
7.根据权利要求6所述的放卷控制系统，其特征在于，所述控制器采用PLC控制器或或运动控制器的电子凸轮同步指令。
8.根据权利要求7所述的放卷控制系统，其特征在于，储料电机通过运动来协调恒速放卷和拉料伺服驱动辊的间歇运动。
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