摘要：低碳經(jīng)濟時代，我國的新能源及節(jié)能減排方面取得了快速發(fā)展，鋰電池由于其較高的能量密度以及更好的環(huán)保性，具有較為廣闊的發(fā)展前景。在過往的半自動卷繞過程中往往需要人工對正負極片進行擺放，且卷繞效率也較為低下，以此前提下，全自動圓形卷繞工藝對于鋰電池中段電芯裝配的重要性不言而喻。本文介紹了禾川全自動卷繞機方案，可以通過轉(zhuǎn)速實現(xiàn)電芯高速生產(chǎn)，配合使用禾川Y7S總線伺服，可以解決現(xiàn)有全自動圓形卷繞機存在穩(wěn)定性低、精度低、適配性差、效率低等問題。

　　1. 鋰電池組件發(fā)展概述

　　鋰電池是一類采用石墨或其他碳材料作為負極，以含鋰的化合物作正極的可充電電池。它是一類由鋰金屬或鋰合金為正/負極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。

　　1.1初代鋰一次電池組件

　　初代鋰電池組件采用硫化鈦作為正極材料，金屬鋰作為負極材料，制成首個鋰電池。鋰電池的正極材料是二氧化錳或氯化亞砜，負極是鋰。電池組裝完成后電池即有電壓，不需充電。舉例來講，以前照相機里用的扣式電池就屬于鋰電池。這種電池也可以充電，但循環(huán)性能不好，在充放電循環(huán)過程中容易形成鋰結(jié)晶，造成電池內(nèi)部短路，所以一般情況下這種電池是禁止充電的。

　　1.2 二代鋰二次電池組件

　　索尼公司發(fā)明了以炭材料為負極，以含鋰的化合物作正極的鋰電池，在充放電過程中，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子，這就是鋰離子電池。鋰離子電池革新了消費電子產(chǎn)品的面貌。此類以鈷酸鋰作為正極材料的電池，是便攜電子器件的主要電源。

　　1.3 鋰電池現(xiàn)狀

　　憑借著高能量密度、高安全性的優(yōu)勢，鋰離子電池迅速發(fā)展，并與其他二次電池拉開了差距。在短短的十幾年的時間里，鋰離子電池已經(jīng)徹底占領(lǐng)了消費電子市場，并擴展到了儲能裝置、電動汽車領(lǐng)域，取得了矚目的成就。

　　現(xiàn)階段，鋰離子電池已經(jīng)成為電動汽車最重要的動力源，其發(fā)展經(jīng)歷了三代技術(shù)的發(fā)展：第一代為鈷酸鋰正極，第二代為錳酸鋰和磷酸鐵鋰，三元技術(shù)則為第三代。隨著正負極材料向著更高克容量的方向發(fā)展和安全性技術(shù)的日漸成熟、完善，更高能量密度的電芯技術(shù)正在從實驗室走向產(chǎn)業(yè)化，應(yīng)用到更多場景里。

　　1. 鋰電池卷繞機分類及構(gòu)成

　　1.1 鋰電池卷繞機分類

　　鋰電池卷繞機是用來卷繞鋰電池電芯的，是一種將電池正極片、負極片及隔膜以連續(xù)轉(zhuǎn)動的方式組裝成芯包的機器。卷繞機有正、負極送料單元，將正負極隔膜卷繞在一起的部分叫卷針。

　　依據(jù)卷繞芯包的形狀類型不同，卷繞設(shè)備可以主要分為方形卷繞和圓柱卷繞兩大類。方形卷繞可以細分為方形自動卷繞機和方形制片卷繞一體機兩類，圓形卷繞可以細分為圓形自動卷繞機和圓形制片卷繞一體機兩類。依據(jù)卷繞機的自動化程度可以劃分為手工、半自動、全自動和一體機等類型。按照制作的芯包大小可以劃分為小型、中型、大型、超大型等。

　　2.2 圓形卷繞機構(gòu)成

　　圓形卷繞機采用兩副或以上卷針、單側(cè)抽針的結(jié)構(gòu)，卷料正負極極片和隔膜主動放卷、極片隔膜換卷、自動糾偏、自動張力檢測與控制，極片由夾輥驅(qū)動機構(gòu)引入卷繞部分，與隔膜一同按照工藝要求進行自動卷繞。卷繞完成后自動換工位、切斷隔膜和貼終止膠帶，成品裸電芯自動下料后，經(jīng)過預(yù)壓、掃碼，良品成品裸電芯自動轉(zhuǎn)移到托盤中再轉(zhuǎn)移到后工序。不良品裸電芯自動卸料到不良品裸電芯收集處。

　　1. 禾川圓形卷繞機解決方案

　　3.1 禾川圓形卷繞機方案介紹

　　禾川圓形卷繞機設(shè)備配置有可編程控制器，在實際應(yīng)用場合中經(jīng)常遇到不同的產(chǎn)品規(guī)格支持配方功能，對于不同卷繞電芯大小可以調(diào)用不同得配方參數(shù)、方便切換型號生產(chǎn)。設(shè)備適應(yīng)性高且工作效率高。卷繞效率每分鐘20-50片(片長不同效率不同)，正負極耳對齊，對齊度要求0.2mm以內(nèi)，卷徑控制，公差0.1mm以內(nèi)，糾偏穩(wěn)定，電芯橫截面無凹凸，不擺尾，偏差0.2mm以內(nèi)。

　　張力控制：在完成了正負極片初始送極片過程后，正負極片被隔膜裹緊，并繞卷針纏繞一周后的卷繞。該過程是控制放卷軸以周期速度模式運行，配合電位計+編碼器，計算出放卷軸的角速度，再通過電位計做PID速度補償，保證卷繞過程中料卷的張力穩(wěn)定。

　　左、右機械手入片：

　　(1)結(jié)構(gòu)包括“夾送軸”&“切送軸”&“輥送軸”3個伺服軸，及“夾片”“切刀”“輥壓”3個氣缸，實現(xiàn)入片&預(yù)送片&追切作業(yè)。

　　(2)極片前裝有“黃標檢測”，“無極耳檢測”，Mark切點檢測，區(qū)分來片NG或OK類別，并完成對應(yīng)正確處理方式。

　　更換工位功能：

　　通過機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計能實現(xiàn)依次完成電芯卷繞》》貼終止膠》》卷針下料等工位動作要求。

　　圖1 禾川圓形卷繞機示意圖

　　圖2 禾川圓形卷繞機機構(gòu)

　　3.2 禾川圓形卷繞機工藝流程

　　禾川圓形卷繞機工藝流程大致可分為7步，分別是：極片或隔膜放卷、左右機械手入片、換工位、極片收卷、貼終止膠、卷針下料、NG剔除。

　　圖3 禾川圓形卷繞機工藝流程圖

　　3.3 禾川圓形卷繞機方案

　　禾川圓形卷繞機方案以TP2510E觸摸屏作為信息層交互層，HCQ5-1500為控制層，采用Y7S伺服驅(qū)動器及配套X6電機，執(zhí)行層具有大盤翻轉(zhuǎn)軸、卷針軸、隔膜+極片放卷軸、左右夾送軸、左右輥送軸等。

　　圖3 禾川全自動圓形卷繞機系統(tǒng)拓撲圖

　　禾川全自動圓形卷繞機方案可通過TP2510E觸摸屏實時查看設(shè)備狀態(tài)，方便用戶地操作。HCQ5-1500是禾川自主研發(fā)的中型PAC，在禾川全自動圓形卷繞機方案中，可以輕松帶動64軸運動。Y7S型高性能伺服系統(tǒng)，采用全新的控制算法平臺，以卓越的驅(qū)動性能，更豐富的總線和擴展功能來滿足不同行業(yè)客戶的多樣控制需求。同時具有更高的動態(tài)響應(yīng)，定位精度和可靠性，以及更快的速度、易于使用、免調(diào)整功能等7大核心性能，搭配禾川X6電機，運行穩(wěn)定，功能強大，可以完成高精度、高速度、高強度的生產(chǎn)。

　　3.4 圓形卷繞機設(shè)備工藝介紹

　　1.首先現(xiàn)場人員把隔膜、正負極片等物料放置在對應(yīng)的位置后，適當?shù)恼{(diào)整參數(shù)或示教位置后，即可正常啟動自動流程。

　　2.工位卷針動作，卷繞的同時通過放卷軸+電位計+編碼器形成閉環(huán)PID計算及補償放卷速度，實現(xiàn)控制維持張力的平穩(wěn)。

　　3.卷繞工位上卷繞好的產(chǎn)品通過換工位機械部分動作移到下工序進行貼終止膠。

　　4.貼好終止膠后的產(chǎn)品再次通過工位機械部分動作進行下料并配合過程中的短路檢測分辨OK/NG的芯包，以此循環(huán)。

　　5.短路檢測NG的產(chǎn)品會被剔除工位剔除，保證產(chǎn)品良率的同時也減少了人工操作帶來的麻煩。

　　1. 結(jié)束語

　　禾川圓形繞線機方案采用整套電機方案，效率更高;支持各個軸的位置示教，方便用戶的調(diào)試;支持配方功能，可以匹配不同尺寸的極片，使用更便捷;使用Y7S總線伺服，一線到底，減少復(fù)雜的脈沖接線，杜絕脈沖干擾;檢測精度更高。

　　目前，市面上的圓形自動繞線機機械結(jié)構(gòu)類似，可參考本方案進行復(fù)制。浙江禾川科技股份有限公司始終以更好的整機解決方案來滿足客戶的需求，以更高性能的產(chǎn)品來服務(wù)客戶。