英威腾 DA200 高性能交流伺服系统 在全自动锂电池生产设备上的应用

文:深圳市英威腾电气股份有限公司2019年第三期

在国家政策支持和市场需求的双轮驱动下,新能源汽车和动力电池发展呈喷井式增加。未来3-5年将是锂电设备高速增长期。然而电池技术仍然是一个瓶颈,在技术层面的往上提升非常困难,需要投入成倍的人力和物力换来比之前小得多的进步。锂电池的产能和性能,远不能满足终端电动车及储能市场的新增需求。锂电设备行业繁荣的背后,面临着效率低、稳定性差、自动化程度不高等“痛点”。

英威腾深挖行业需求,围绕锂电池设备市场开发出一系列的伺服控制系统解决方案,将自动化驱动与控制技术与锂电池生产技术相结合,大幅度提高锂电池生产线的自动化和智能化程度,提高生产效率和产品质量,带动锂电池生产企业的技术升级和改造。

全自动锂电池制片机上的应用

该项目客户为领先的锂电池智能装备制造商。制片属于锂电池加工过程中的一个重要环节。英威腾DA200高性能交流伺服系统被应用于该客户的电池制片机,以领先的性能和高性价比,降低投入成本,提升制造工艺和效益,满足大批量、精益化的生产需求。

1.设备/工艺介绍

1.1设备原理

锂电池制片机是生产正极极片或负极极片的设备,用于生产锂电池正极极片(铝质)或负极极片(铜质)。一种极性需要一台设备,一般是正负极两台设备在不同车间同时加工:将极片、极耳料卷分别安装在放卷轴上,实现自动放卷、自动纠偏、自动焊接极耳、自动贴胶、极耳包胶,切断或收卷等功能。

 锂电池制片机现场图.png

图1锂电池制片机现场图

1.2工艺流程

电池制片机的主要工艺过程为:自动放卷---焊前纠偏---送极耳---焊极耳---贴胶1---贴胶2---贴胶3(极耳贴)---纠偏---切片或收卷。

1.3技术要求及难点

自动放卷:系统通过电位器输出模拟量转换为速度控制,前方牵引速度增快则储料区摆杆角度变大,电位器输出模拟量速度变大同步调节,慢则随之慢,保持同步,从而实现自动放卷控制。

牵引胶贴:位置控制,光电扫描极片表面上升沿信号,给到PLC,中断触发,一定数量的脉冲给到伺服定长运行。

自动纠偏:纠偏传感器输出模拟量速度控制,通过测量极片进入感应区域的位置采样变化来输出信号,系统再用这个变化的信号来控制伺服带动整个机构不断左右调整来料位置,从而实现自动纠偏。

自动收卷:电位器输出模拟量速度控制,来料牵引速度增快则储料区摆杆角度变大,电位器输出模拟量速度变大,慢则随之慢,从而实现自动收卷控制。必须注意收卷表面张力要调整合适,否则容易造成直径大了收不紧,或两边松紧不一爆边现象。

2.客户要求

使用的伺服系统是高性能驱动器、动态响应时间短、位置控制快速精确,调试简便,适应灵活作业,中断定位响应时间短,无需降速运行,不再需要减速传感器。伺服电机需要大惯量、大扭矩、兼容步进驱动器的安装尺寸、在低速时有足够大的启动转矩输出且运转平稳,以便在与机械运动部分连接中尽量减少中间环节,耐用性更强,稳定性更高。

3.系统方案

英威腾采用了PLC内置定位+伺服中断定位的控制技术,充分结合了DA200系列高性能伺服动态响应快、定位精确、整定时间短、自适应、运行平稳的优点,中断定位响应时间为0.05ms,无需降速运行,不再需要减速传感器,降低用户机械投入成本,提升制造工艺和效益。

 拓扑图.png 

图2拓扑图

4.英威腾伺服的突出优势

全系伺服均采用英威腾DA200系列高性能交流伺服系统,性能强大稳定,调试方便,性价比高,特别适合锂电池行业国产伺服替代进口多伺服的应用;

便捷的定位指令,轻松实现绝对定位控制和相对定位控制。支持带DOG搜索的原点回归,当设备出现故障停机,重开机时无论机械部分停在任何位置,都可自动回到原点,无需手动调节;

收放卷模型计算精度高、张力浮辊PID控制灵活、控制方式多样化、动作简单化、无需高速计数模块、高速中断定位控制、客户编程简单;

收卷使用英威腾定制大惯量电机,大容量电池直径大的规格也能收料整齐;

总线构成闭环控制系统,具有易扩展、配线简化等特点,并可以支持以太网通信协议,为工业4.0智能化工厂的建设奠定了坚实的技术基础。

全自动锂电池卷绕机的应用

全自动卷绕机是把整卷的正负极片和隔膜通过卷绕的方式做成电芯的关键设备,主要动作流程包括:预卷、入片、卷绕、极片和隔膜裁断、换位、贴胶带、下料等;方型卷绕机由于其卷针形状的不规则性,要保证卷绕过程中的线速度恒定和张力波动小,对控制系统的要求特别高。

 锂电池卷绕机工艺流程示意图.png

图3锂电池卷绕机工艺流程示意图

1.系统架构图

采用运动控制器+英威腾DA200高性能伺服系统的控制方案;

HMI采用以太网通讯,快速实现人机数据交换;

可分布式安装I/O或模拟量模块。

 英威腾DA200高性能交流伺服系统.png

图4英威腾DA200高性能交流伺服系统

2.关键技术介绍

(1)变转速控制

系统支持恒转速控制和变转速控制,可通过HMI选择;

变转速采用电子凸轮控制方式实现;

变转速控制能使整个机械系统稳定,较易实现高速运行和稳定的张力控制。

 锂电池卷绕机控制系统示意图.png

图5 锂电池卷绕机控制系统示意图

(2)张力控制

各极片、隔膜在每个动作阶段可单独设置张力大小;

在正常卷绕阶段可以按长度设六段不同的张力。每段张力可以按线性变化,也可以按圈线性变化;

张力设置灵活,能很好解决电芯变形问题。

(3)自动纠偏

当设备运行速度比较快时,纠偏响应时间要求比较快:

运动控制器1ms任务扫描周期;

EtherCAT传输速率:100Mbaud;

伺服响应控制器指令<2ms;

采用PI控制算法。

(4)主动放卷

主动放卷能使整个片材运行更加平稳,从而降低张力辊的波动,使张力更稳定;

应用运动控制器的电子齿轮功能,以收卷速度为主轴,以放卷为从轴,实现放卷快速响应收卷速度;

实时求取当前卷径,作为电子齿轮的参数。同时当前卷径作为空卷报警的依据。

系统主要功能

采用英威腾DA200高性能交流伺服系统的锂电池卷绕机可实现以下功能:

(1)不良极片单卷剔除

根据检测装置检测极片,对不良极片可单卷排除并报警;

可判断当前不良极片是否在当前卷绕电芯内。如果在电芯外,不影响当前电芯卷绕,并在下个卷绕周期自动卷绕不良极片并剔除。

(2)报警功能

多达200条报警信息。包括机械干涉预报、气缸故障、程序控制报警等;

保护功能齐全;

能让操作工快速定位问题点,提高效率。

(3)手动和单步运行

更好地支持设备调试、换料处理及故障处理。

4.方案特点

(1)采用EtherCAT高速工业以太网,支持多达64轴,满足卷绕焊接一体机的控制要求。

(2)实时大容量存储生产过程数据,为质量追溯提供数据保障。

(3)采用远程I/O就近安装,帮助客户节省各种配线和维护成本。

(4)完全支持IEC61131-3国际标准的编程环境,工程师无缝切换。

(5)卷绕曲线完全通过自学习的方式实现,不需要设置任何卷针参数。

5.方案优势

张力波动小:实际极片和隔膜张力波动<5%;

卷绕速度快:200mm宽卷针实测线速度>800mm/s,线速度波动<5%;

纠偏响应快:驱动器内部处理纠偏,直接响应无须再经过控制器;

可采用控制器处理纠偏,扫描周期1ms;

裁切精度高:8米长极片裁切误差小于2mm。

未来已来,锂电池设备的高精度、高效率以及高自动化生产线将成为行业发展的大方向。英威腾在锂电设备市场可提供包括卷绕、制片、叠片、模切、涂布、化成等全流程工序套电气解决方案,协助企业实现生产效率、综合能效、企业效益的全面提升。



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