摘要：低碳经济时代，我国的新能源及节能减排方面取得了快速发展，锂电池由于其较高的能量密度以及更好的环保性，具有较为广阔的发展前景。在过往的半自动卷绕过程中往往需要人工对正负极片进行摆放，且卷绕效率也较为低下，以此前提下，全自动圆形卷绕工艺对于锂电池中段电芯装配的重要性不言而喻。本文介绍了禾川全自动卷绕机方案，可以通过转速实现电芯高速生产，配合使用禾川Y7S总线伺服，可以解决现有全自动圆形卷绕机存在稳定性低、精度低、适配性差、效率低等问题。

　　1. 锂电池组件发展概述

　　锂电池是一类采用石墨或其他碳材料作为负极，以含锂的化合物作正极的可充电电池。它是一类由锂金属或锂合金为正/负极材料、使用非水电解质溶液的电池。

　　1.1初代锂一次电池组件

　　初代锂电池组件采用硫化钛作为正极材料，金属锂作为负极材料，制成首个锂电池。锂电池的正极材料是二氧化锰或氯化亚砜，负极是锂。电池组装完成后电池即有电压，不需充电。举例来讲，以前照相机里用的扣式电池就属于锂电池。这种电池也可以充电，但循环性能不好，在充放电循环过程中容易形成锂结晶，造成电池内部短路，所以一般情况下这种电池是禁止充电的。

　　1.2 二代锂二次电池组件

　　索尼公司发明了以炭材料为负极，以含锂的化合物作正极的锂电池，在充放电过程中，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。锂离子电池革新了消费电子产品的面貌。此类以钴酸锂作为正极材料的电池，是便携电子器件的主要电源。

　　1.3 锂电池现状

　　凭借着高能量密度、高安全性的优势，锂离子电池迅速发展，并与其他二次电池拉开了差距。在短短的十几年的时间里，锂离子电池已经彻底占领了消费电子市场，并扩展到了储能装置、电动汽车领域，取得了瞩目的成就。

　　现阶段，锂离子电池已经成为电动汽车最重要的动力源，其发展经历了三代技术的发展：第一代为钴酸锂正极，第二代为锰酸锂和磷酸铁锂，三元技术则为第三代。随着正负极材料向着更高克容量的方向发展和安全性技术的日渐成熟、完善，更高能量密度的电芯技术正在从实验室走向产业化，应用到更多场景里。

　　1. 锂电池卷绕机分类及构成

　　1.1 锂电池卷绕机分类

　　锂电池卷绕机是用来卷绕锂电池电芯的，是一种将电池正极片、负极片及隔膜以连续转动的方式组装成芯包的机器。卷绕机有正、负极送料单元，将正负极隔膜卷绕在一起的部分叫卷针。

　　依据卷绕芯包的形状类型不同，卷绕设备可以主要分为方形卷绕和圆柱卷绕两大类。方形卷绕可以细分为方形自动卷绕机和方形制片卷绕一体机两类，圆形卷绕可以细分为圆形自动卷绕机和圆形制片卷绕一体机两类。依据卷绕机的自动化程度可以划分为手工、半自动、全自动和一体机等类型。按照制作的芯包大小可以划分为小型、中型、大型、超大型等。

　　2.2 圆形卷绕机构成

　　圆形卷绕机采用两副或以上卷针、单侧抽针的结构，卷料正负极极片和隔膜主动放卷、极片隔膜换卷、自动纠偏、自动张力检测与控制，极片由夹辊驱动机构引入卷绕部分，与隔膜一同按照工艺要求进行自动卷绕。卷绕完成后自动换工位、切断隔膜和贴终止胶带，成品裸电芯自动下料后，经过预压、扫码，良品成品裸电芯自动转移到托盘中再转移到后工序。不良品裸电芯自动卸料到不良品裸电芯收集处。

　　1. 禾川圆形卷绕机解决方案

　　3.1 禾川圆形卷绕机方案介绍

　　禾川圆形卷绕机设备配置有可编程控制器，在实际应用场合中经常遇到不同的产品规格支持配方功能，对于不同卷绕电芯大小可以调用不同得配方参数、方便切换型号生产。设备适应性高且工作效率高。卷绕效率每分钟20-50片(片长不同效率不同)，正负极耳对齐，对齐度要求0.2mm以内，卷径控制，公差0.1mm以内，纠偏稳定，电芯横截面无凹凸，不摆尾，偏差0.2mm以内。

　　张力控制：在完成了正负极片初始送极片过程后，正负极片被隔膜裹紧，并绕卷针缠绕一周后的卷绕。该过程是控制放卷轴以周期速度模式运行，配合电位计+编码器，计算出放卷轴的角速度，再通过电位计做PID速度补偿，保证卷绕过程中料卷的张力稳定。

　　左、右机械手入片：

　　(1)结构包括“夹送轴”&“切送轴”&“辊送轴”3个伺服轴，及“夹片”“切刀”“辊压”3个气缸，实现入片&预送片&追切作业。

　　(2)极片前装有“黄标检测”，“无极耳检测”，Mark切点检测，区分来片NG或OK类别，并完成对应正确处理方式。

　　更换工位功能：

　　通过机械结构的设计能实现依次完成电芯卷绕》》贴终止胶》》卷针下料等工位动作要求。

　　图1 禾川圆形卷绕机示意图

　　图2 禾川圆形卷绕机机构

　　3.2 禾川圆形卷绕机工艺流程

　　禾川圆形卷绕机工艺流程大致可分为7步，分别是：极片或隔膜放卷、左右机械手入片、换工位、极片收卷、贴终止胶、卷针下料、NG剔除。

　　图3 禾川圆形卷绕机工艺流程图

　　3.3 禾川圆形卷绕机方案

　　禾川圆形卷绕机方案以TP2510E触摸屏作为信息层交互层，HCQ5-1500为控制层，采用Y7S伺服驱动器及配套X6电机，执行层具有大盘翻转轴、卷针轴、隔膜+极片放卷轴、左右夹送轴、左右辊送轴等。

　　图3 禾川全自动圆形卷绕机系统拓扑图

　　禾川全自动圆形卷绕机方案可通过TP2510E触摸屏实时查看设备状态，方便用户地操作。HCQ5-1500是禾川自主研发的中型PAC，在禾川全自动圆形卷绕机方案中，可以轻松带动64轴运动。Y7S型高性能伺服系统，采用全新的控制算法平台，以卓越的驱动性能，更丰富的总线和扩展功能来满足不同行业客户的多样控制需求。同时具有更高的动态响应，定位精度和可靠性，以及更快的速度、易于使用、免调整功能等7大核心性能，搭配禾川X6电机，运行稳定，功能强大，可以完成高精度、高速度、高强度的生产。

　　3.4 圆形卷绕机设备工艺介绍

　　1.首先现场人员把隔膜、正负极片等物料放置在对应的位置后，适当的调整参数或示教位置后，即可正常启动自动流程。

　　2.工位卷针动作，卷绕的同时通过放卷轴+电位计+编码器形成闭环PID计算及补偿放卷速度，实现控制维持张力的平稳。

　　3.卷绕工位上卷绕好的产品通过换工位机械部分动作移到下工序进行贴终止胶。

　　4.贴好终止胶后的产品再次通过工位机械部分动作进行下料并配合过程中的短路检测分辨OK/NG的芯包，以此循环。

　　5.短路检测NG的产品会被剔除工位剔除，保证产品良率的同时也减少了人工操作带来的麻烦。

　　1. 结束语

　　禾川圆形绕线机方案采用整套电机方案，效率更高;支持各个轴的位置示教，方便用户的调试;支持配方功能，可以匹配不同尺寸的极片，使用更便捷;使用Y7S总线伺服，一线到底，减少复杂的脉冲接线，杜绝脉冲干扰;检测精度更高。

　　目前，市面上的圆形自动绕线机机械结构类似，可参考本方案进行复制。浙江禾川科技股份有限公司始终以更好的整机解决方案来满足客户的需求，以更高性能的产品来服务客户。