一种方形二次电池电芯卷绕控制方法 【技术领域】
本发明涉及卷绕控制， 特别是涉及一种方形二次电池电芯卷绕控制方法。背景技术 现有方形锂离子电池电芯卷绕机的卷针一般是包括长方形、 菱形的方型结构， 现 有的传统控制方法中， 对方形卷针采用恒速度模型卷绕控制， 在极片行进方向存在类似正 弦曲线的速度分量， 从而， 在电池极片和隔膜卷绕过程中造成大范围的极片张力波动， 降低 卷绕张力控制精度， 限制卷绕速度， 而且易拉断极片， 易使电芯变形， 直接影响方形锂离子 电池的成品率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是弥补上述现有技术的不足， 提出一种基于可编程逻 辑控制器 (Programmable Logic Control， 缩写为 PLC) 为平台的方形二次电池电芯卷绕控 制方法。 本发明的技术问题采用以下技术方案予以解决 ：
这种方形二次电池电芯卷绕控制方法， 适用的电芯卷绕控制系统包括依次闭环连 接的间接张力检测部件、 控制器、 放卷电机和由其驱动的隔膜卷， 以及驱动由两个公共下底 的梯形合成的卷针转动的卷针电机， 所述控制器根据间接张力检测部件的检测信息控制所 述放卷电动机带动隔膜卷的线速度， 实现放卷过程的张力控制。
这种方形二次电池电芯卷绕控制方法的特点是 ：
依次有以下步骤 ：
1) 建立卷针的变转速模型 ；
2) 所述电芯卷绕控制系统的控制器基于变转速模型运行。
本发明的技术问题采用以下进一步的技术方案予以解决 ：
所述步骤 1) 的卷针变转速模型， 包括在不同尺寸的卷针旋转一圈的七个区间设 定卷针旋转的角速度 ω 跟随极片行进的线速度 v 变化， 角速度 ω 与线速度 v 分别满足以 下关系式 ：
θ ∈ (θ0-θ1) ； θ ∈ (θ1-θ2) ； θ ∈ (θ2-θ3) ； θ ∈ (θ3-θ4) ；4
101841069 A CN 101841070
说明书2/5 页θ ∈ (θ4-θ5) ； θ ∈ (θ5-θ6) ； θ ∈ (θ6-θ7) ；
上述关系式中 ：
r1 表征卷针尺寸， 为 O1B 的长度 ；
r2 表征卷针尺寸， 为 O1F 的长度 ；
r3 表征卷针尺寸， 为为卷针的 O1D 的长度 ；
m 为 O1 ～ O2 的间距 ；
O1 为卷针的卷绕中心点 ；
O2 为极片卷绕的固定点 ；
θ0 为卷针初始位置， θ0 ＝ π/2-arctg(O2A/O1A)， 此时梯形 CBED、 GBEF 的公共下 底 BE 为一垂线 ；
θ1 为卷针第一位置， 此时梯形 CBED 的腰 CB 的延伸线与 O2 连接 ； θ2 为卷针第二位置， 此时梯形 CBED 的上底 CD 的延伸线与 O2 连接 ； θ3 为卷针第三位置， 此时梯形 CBED 的腰 DE 的延伸线与 O2 连接 ； θ4 为卷针第四位置， θ4 ＝ π+θ1， 此时梯形 GBEF 的腰 FE 的延伸线与 O2 连接 ； θ5 为卷针第五位置， θ5 ＝ π+θ2， 此时梯形 GBEF 的上底 GF 的延伸线与 O2 连接 ； θ6 为卷针第六位置， θ6 ＝ π+θ3， 此时梯形 GBEF 的腰 GB 的延伸线与 O2 连接 ； θ7 为卷针第七位置， θ7 ＝ 2π+θ1， 此时梯形 CBED、 GBEF 的公共下底 BE 又为一垂线 ； ε ＝∠ BO1C ；
φ ＝∠ BO1D ；
A 为通过 O1 的水平线与通过 O2 的垂直线的相交点 ；
合成卷针的两个公共下底的梯形为 CBED、 GBEF， BE 为公共下底。
所述步骤 2) 基于变转速模型运行的控制器， 包括作为前馈的卷针变转速模型与 张力 PID 组件， 通过实时读取的张力值进行 PID 计算， 以修正卷针变转速模型参数不匹配所 引起的动态误差， 并将其补偿到放卷电机期望恒线速度 Vh 上， 由此得到的放卷电机线速度
V0 通过控制器输出， 使放卷电机线速度 V0 保持动态跟随卷针沿隔膜卷行进方向的线速度分 量 V1， 从而保证卷绕过程中极片的张力恒定， 实现放卷过程的张力控制。
所述实时读取的张力值是由放卷电机线速度 V0 和卷针沿隔膜卷行进方向的线速 度分量 V1 之差决定的张力值， 通过作为所述间接张力检测部件的张力传感器传感至张力 PID 组件的一输入端， 张力 PID 组件的另一输入端是用于比较的张力设定值。
本发明与现有技术对比的有益效果是 ：
本发明方法在不改变原有控制系统组成部件的情况下， 针对不同方形卷针尺寸采 用卷针变转速模型作为闭环卷绕控制系统的前馈， 在卷针各种转速下都可以实现极片行进的线速度近似恒定， 进而保证恒张力卷绕， 将电池极片和隔膜卷绕过程中造成的极片张力 波动范围显著缩小近 50％， 既不易拉断极片， 又不易使电芯变形， 电芯生产效率明显提高近 20％。 附图说明
图 1 是本发明具体实施方式的基于变转速模型的闭环控制系统组成图 ；
图 2 是图 1 的卷针结构示意图 ；
图 3 是图 1 的卷针卷绕过程处于初始位置 θ0 的示意图 ；
图 4 是图 1 的卷针卷绕过程处于第一位置 θ1 的示意图 ；
图 5 是 60r/min 恒转速模型下的实际线速度曲线图 ；
图 6 是 60r/min 变转速模型下的实际线速度曲线图 ；
图 7 是卷针平均转速 60r/min、 放卷电机期望恒线速度 Vh 值为 122.4m/s 的变转速 模型下的卷针转速与时间的关系曲线图。 具体实施方式 下面将结合具体实施方式并对照附图对本发明作进一步说明。
一种方形锂离子电池电芯卷绕控制方法， 适用的电芯卷绕控制系统包括依次闭环 连接的间接张力检测部件、 控制器、 放卷电机和由其驱动的隔膜卷， 以及驱动由两个公共下 底的梯形合成的卷针转动的卷针电机， 所述控制器根据间接张力检测部件的检测信息控制 所述放卷电动机带动隔膜卷的线速度， 实现放卷过程的张力控制。
依次有以下步骤 ：
1) 建立卷针的变转速模型 ；
包括在不同尺寸的卷针旋转一圈的七个区间设定卷针旋转的角速度 ω 跟随极片 行进的线速度 v 变化， 角速度 ω 与线速度 v 分别满足以下关系式 ：
θ ∈ (θ0-θ1) ； θ ∈ (θ1-θ2) ； θ ∈ (θ2-θ3) ； θ ∈ (θ3-θ4) ； θ ∈ (θ4-θ5) ； θ ∈ (θ5-θ6) ；
θ ∈ (θ6-θ7) ；上述关系式中 ：
卷针的具体尺寸如下 ：
r1 ＝ 28.6mm， 表征卷针尺寸， 为 O1B 的长度 ；
r2 ＝ 25.7mm， 表征卷针尺寸， 为 O1F 的长度 ；
r3r3 ＝ 16.72mm， 表征卷针尺寸， 为 O1D 的长度 ；
m ＝ 70mm， 为 O1 ～ O2 的间距 ；
O1 为卷针的卷绕中心点 ；
O2 为极片卷绕的固定点 ；
θ0 ＝ 0.06， 为卷针初始位置， θ0 ＝ π/2 一 arctg(O2A/O1A)， 此时梯形 CBED、 GBEF 的公共下底 BE 为一垂线 ；
θ1 ＝ 2.6903， 为卷针第一位置， 此时梯形 CBED 的腰 CB 的延伸线与 O2 连接 ；
θ2 ＝ 3.113， 为卷针第二位置， 此时梯形 CBED 的上底 CD 的延伸线与 O2 连接 ；
θ3 ＝ 3.2395， 为卷针第三位置， 此时梯形 CBED 的腰 DE 的延伸线与 O2 连接 ； θ4 ＝ 5.8319， 为卷针第四位置， θ4 ＝ π+θ1， 此时梯形 GBEF 的腰 FE 的延伸线与 O2 连接 ；
θ5 ＝ 6.2546， 为卷针第五位置， θ5 ＝ π+θ2， 此时梯形 GBEF 的上底 GF 的延伸线 与 O2 连接 ；
θ6 ＝ 6.3811， 为卷针第六位置， θ6 ＝ π+θ3， 此时梯形 GBEF 的腰 GB 的延伸线与 O2 连接 ；
θ7 ＝ 8.9735， 为卷针第七位置， θ7 ＝ 2π+θ1， 此时梯形 CBED、 GBEF 的公共下底 BE 又为一垂线 ；
ε ＝∠ BO1C ＝ 0.0883 ；
φ ＝∠ BO1D ＝ 3.0217 ；
A 为通过 O1 的水平线与通过 O2 的垂直线的相交点 ；
合成卷针的两个公共下底的梯形为 CBED、 GBEF， BE 为公共下底。
2) 所述电芯卷绕控制系统的控制器基于变转速模型运行 ；
基于变转速模型运行的控制器， 包括作为前馈的卷针变转速模型与张力 PID 组 件， 通过实时读取的张力值进行 PID 计算， 以修正卷针变转速模型参数不匹配所引起的动 态误差， 并将其补偿到放卷电机期望恒线速度 Vh 上， 由此得到的放卷电机线速度 V0 通过控 制器输出， 使放卷电机线速度 V0 保持动态跟随卷针沿隔膜卷行进方向的线速度分量 V1， 从 而保证卷绕过程中极片的张力恒定， 实现放卷过程的张力控制。
所述实时读取的张力值是由放卷电机线速度 V0 和卷针沿隔膜卷行进方向的线速 度分量 V1 之差决定的张力值， 通过作为所述间接张力检测部件的张力传感器传感至张力 PID 组件的一输入端， 张力 PID 组件的另一输入端是用于比较的张力设定值。
60r/min 变转速模型下的实际线速度曲线如图 6 所示， 实际测得的线速度值从 80 到 160， 极片张力波动范围为 80 左右。对照组的 60r/min 恒转速模型下的实际线速度曲线 如图 5 所示， 实际测得的线速度值从 50 到 230， 极片张力波动范围为 180 左右。数据对比显
示： 采用卷针变转速模型控制比采用卷针恒转速模型控制极片张力波动范围缩小近 50％。
根据变转速模型用矩阵实验室 (Matrix Laboratory) 得到卷针平均转速 60r/ min、 放卷电机期望恒线速度 Vh 值为 122.4m/s 的变转速模型下的卷针转速与时间的关系 曲线如图 7 所示， 数据显示 ： 采用卷针变转速模型控制卷绕速度从原来的 100r/min 提高到 120r/min， 电芯的生产效率提高近 20％。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明， 不能认定 本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说， 在 不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型， 而且性能或用途相同， 都应当 视为属于本发明的保护范围。