趙留強(qiáng)　韓洪偉　高楓

（中航鋰電（洛陽(yáng)）有限公司，河南　洛陽(yáng)　471000）

方型鋰離子動(dòng)力電池電芯恒壓力測(cè)厚技術(shù)研究

趙留強(qiáng)韓洪偉高楓

（中航鋰電（洛陽(yáng)）有限公司，河南洛陽(yáng)471000）

針對(duì)鋰離子動(dòng)力電池生產(chǎn)過(guò)程中，電芯厚度檢測(cè)時(shí)人員及測(cè)量工具產(chǎn)生的隨機(jī)測(cè)量誤差，提出恒壓力厚度檢測(cè)技術(shù)，以解決人為隨機(jī)力度變化不可控，檢測(cè)時(shí)接觸面積小等問(wèn)題。并詳細(xì)介紹了恒壓力控制技術(shù)、厚度檢測(cè)技術(shù)、綜合控制技術(shù)的原理及其應(yīng)用。并對(duì)存在的問(wèn)題提出改善方案，對(duì)指導(dǎo)生產(chǎn)、降低測(cè)量誤差、增強(qiáng)檢測(cè)效果具有實(shí)際意義，同時(shí)對(duì)未來(lái)研究方向進(jìn)行了展望。

恒壓力測(cè)厚；電芯厚度

在方型鋰離子動(dòng)力電池的生產(chǎn)過(guò)程中，鋰電池電芯厚度對(duì)電池性能及后續(xù)生產(chǎn)有較大的影響。電芯的厚度可直觀的體現(xiàn)出極片數(shù)量異常、厚度異常、隔膜褶皺等電芯品質(zhì)信息，同時(shí)對(duì)后續(xù)生產(chǎn)中的裝殼、注液、化成等工序有較大影響。

目前各鋰電廠家在電芯厚度的檢測(cè)方法上大致相同，主要利用游標(biāo)卡尺或高度尺進(jìn)行多點(diǎn)接觸式人工測(cè)量。由于檢測(cè)時(shí)接觸面積小，人為隨機(jī)力度變化不可控，且檢測(cè)人員不固定，導(dǎo)致厚度的測(cè)量存在較大的人為隨機(jī)誤差。造成所測(cè)量的數(shù)據(jù)可信度較低。同時(shí)，檢測(cè)點(diǎn)較多、檢測(cè)周期較長(zhǎng)，對(duì)生產(chǎn)效率產(chǎn)生了一定的影響。

針對(duì)此類問(wèn)題，恒壓力測(cè)厚技術(shù)可提供較為理想的解決方案，通過(guò)壓力傳感器及伺服系統(tǒng)產(chǎn)生一恒定設(shè)定壓力，利用光電位移傳感器在線自動(dòng)檢測(cè)鋰離子

電池電芯的厚度?？捎行藶闇y(cè)量誤差，增加數(shù)據(jù)可信度，提高測(cè)量效率。

1　恒壓力在線測(cè)厚技術(shù)概述

鋰電池電芯厚度恒壓力在線檢測(cè)設(shè)備，其核心技術(shù)包含恒壓力控制技術(shù)及電芯厚度測(cè)量技術(shù)兩部分。

通過(guò)信息采集處理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)完成鋰電池電芯厚度在線檢測(cè)。電芯恒壓力測(cè)厚系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖如圖1.1所示。

圖1.1　電芯恒壓力測(cè)厚系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖

1.1恒壓力控制技術(shù)

該部分采用伺服傳動(dòng)系統(tǒng)及壓力傳感器傳感器完成，由伺服傳動(dòng)機(jī)構(gòu)控制壓力傳感器及測(cè)試壓板的位移量，實(shí)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程中的恒壓力需求。

圖2.1　恒壓力控制框圖

恒壓力控制實(shí)現(xiàn)的總體框圖如圖2.1所示。由控制器、傳動(dòng)伺服系統(tǒng)、壓力檢測(cè)部分構(gòu)成。通過(guò)傳感器檢測(cè)得到實(shí)測(cè)壓力值與系統(tǒng)給定的壓力值進(jìn)行比較，得到偏差信號(hào)輸入控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。根據(jù)數(shù)據(jù)偏差控制伺服傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，調(diào)整測(cè)試壓板的位移量實(shí)現(xiàn)測(cè)試時(shí)所需求的恒定壓力值。

測(cè)壓力傳感器的最小檢定分度值和其量程相關(guān)，一般采用百分比形式表示，所以傳感器的量程選擇對(duì)壓力檢測(cè)來(lái)說(shuō)是非常關(guān)鍵的。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，傳感器應(yīng)該工作在其量程的30％ ～70％之間，并且考慮到在使用過(guò)程中可能受到的沖擊力，一般需擴(kuò)大傳感器量程的20％～30％，使傳感器的測(cè)量裕量增大，以保證傳感器的使用壽命和安全。綜合考慮，本課題選擇了合金鋼材質(zhì)的應(yīng)變式S形稱重傳感器。圖2.2為其外形結(jié)構(gòu)和內(nèi)部電路。

圖2.2　壓力傳感器的外形結(jié)構(gòu)及內(nèi)部電路

1.2電芯厚度檢測(cè)技術(shù)

電芯厚度檢測(cè)部分采用CCD激光位移傳感器，其測(cè)量原理使用的是三角測(cè)量系統(tǒng)，其中CCD陣列是光接收元件，參考面與待側(cè)面之間的距離D即為需測(cè)量的位移量。其三角法測(cè)量原理［3］如下圖所示。

通過(guò)激光源將一束激光照射到被測(cè)物面上，由待測(cè)物體表面散射的光在CCD陣列上成像。如圖2.3所示，經(jīng)過(guò)光電耦合器件將像信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，測(cè)出待測(cè)點(diǎn)O的像點(diǎn)O1相對(duì)于參考點(diǎn)A的像點(diǎn)A1的位移量d。當(dāng)待測(cè)點(diǎn)O發(fā)生位移時(shí)其像點(diǎn)O1根據(jù)光學(xué)幾何原理發(fā)生相對(duì)應(yīng)的位移。其運(yùn)動(dòng)關(guān)系如下。

其中，D為待測(cè)點(diǎn)位移量，d為像位移，m和n分別是參考點(diǎn)A處的物距和像距，α是散射光接收角，β是成像角。根據(jù)其關(guān)系式即可求得待側(cè)面與參考面之間的位移量，通過(guò)安裝位置及軟件處理即可獲得所需求的電芯厚度。

圖2.3　CCD激光位移傳感器原理示意圖

2　恒壓力測(cè)厚儀技術(shù)構(gòu)成

2.1恒壓力測(cè)厚系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)鋰離子動(dòng)力電池電芯特性，及其厚度檢測(cè)時(shí)遇到的人為隨機(jī)力度變化不可控，檢測(cè)時(shí)接觸面積小等問(wèn)題，電芯恒壓力測(cè)厚系統(tǒng)需包含以下基本功能。

①可產(chǎn)生恒定壓力，并可根據(jù)需求對(duì)壓力值進(jìn)行調(diào)整；

②可進(jìn)行準(zhǔn)確的在線測(cè)量，并根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)給出相應(yīng)的基本判斷。

為滿足以上功能，本課題所設(shè)計(jì)的恒壓力測(cè)厚裝置系統(tǒng)構(gòu)成如圖3.1所示。

圖3.1　恒壓測(cè)厚裝置系統(tǒng)構(gòu)成

其中包含檢測(cè)部分，主要用于厚度、壓力等關(guān)鍵信息的采集；人機(jī)交互系統(tǒng)，用于控制信號(hào)的輸入及壓力、厚度、警示等信息狀態(tài)實(shí)時(shí)的顯示；主控制器用于各種信息的處理、控制運(yùn)算及執(zhí)行指令的發(fā)出。

2.2恒壓力測(cè)厚系統(tǒng)實(shí)體結(jié)構(gòu)

電芯恒壓力測(cè)厚裝置實(shí)體結(jié)構(gòu)示意圖如圖3.2所示。包括結(jié)構(gòu)架（含測(cè)試平臺(tái)）、信息采集部分、運(yùn)動(dòng)執(zhí)行部分、控制及人機(jī)交互部分。

電芯恒壓力測(cè)厚裝置工作時(shí)，將待測(cè)電芯放置于測(cè)試區(qū)域；伺服電機(jī)帶動(dòng)下壓機(jī)構(gòu)及測(cè)壓力傳感器向電芯運(yùn)動(dòng)；下壓板與電芯接觸后即可測(cè)得實(shí)時(shí)壓力值；當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定值后，伺服系統(tǒng)停止工作；開啟厚度測(cè)量?jī)x器對(duì)當(dāng)前電芯厚度進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，并將信息顯示至人機(jī)交互界面，并輸出相應(yīng)的基本判定信息。

圖3.2　恒壓力測(cè)厚裝置系統(tǒng)實(shí)體結(jié)構(gòu)圖

1）人機(jī)交互單元2）信息處理及控制單元3）伺服控制系統(tǒng)4）運(yùn)動(dòng)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)5）機(jī)體結(jié)構(gòu)6）壓力檢測(cè)單元7）下壓機(jī)構(gòu)8）測(cè)試電芯放置區(qū)9）厚度檢測(cè)單元

2.3在線檢測(cè)

以圖3.2為基礎(chǔ)制作恒壓力測(cè)厚裝置，并進(jìn)行對(duì)比測(cè)試驗(yàn)證。測(cè)量24支電芯樣品，每支電芯人工測(cè)量取8個(gè)測(cè)試點(diǎn)，測(cè)量完成后取平均值。恒壓力測(cè)厚裝置一次完成測(cè)量。測(cè)試結(jié)果對(duì)比見圖3.3所示。通過(guò)測(cè)試對(duì)比可明顯看出，設(shè)備測(cè)試的穩(wěn)定性明顯高于手工測(cè)試。此試驗(yàn)批次，其中恒壓力測(cè)試的測(cè)量極差為1.6，而手動(dòng)測(cè)試的極差為12.4。此外，在生產(chǎn)效率方面有了較大的提升，單個(gè)電芯的測(cè)量次數(shù)由8次精簡(jiǎn)為1次。

圖3.3　測(cè)試結(jié)果對(duì)比

3　結(jié)論和展望

鋰電池生產(chǎn)過(guò)程中，電芯厚度測(cè)量時(shí)，由于檢測(cè)時(shí)接觸面積小，人為隨機(jī)力度變化不可控，且檢測(cè)人員不固定，而導(dǎo)致厚度的測(cè)量存在較大的人為隨機(jī)誤差。電芯恒壓力測(cè)厚技術(shù)有效的解決了上述問(wèn)題，并節(jié)約了大量的測(cè)量時(shí)間，有效的提高了生產(chǎn)效率。

考慮到動(dòng)力電池的安全特性，其生產(chǎn)過(guò)程信息可追溯性將會(huì)成為生產(chǎn)過(guò)程中的核心環(huán)節(jié)。厚度數(shù)據(jù)的采集處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及與電芯ID綁定等技術(shù)的綜合應(yīng)用，應(yīng)該作為電芯恒壓力測(cè)厚技術(shù)未來(lái)的重要研究方向。

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TF041

A

1003-5168（2015）-12-0061-2

趙留強(qiáng)（1984-），男，河南人，中航鋰電（洛陽(yáng)）有限公司工程師，研究方向：鋰電設(shè)備研究。

韓洪偉（1985-），男，河南人，中航鋰電（洛陽(yáng)）有限公司工程師，研究方向：鋰電設(shè)備研究。

高楓（1983-），男，河南人，中航鋰電（洛陽(yáng)）有限公司工程師，研究方向：鋰電設(shè)備研究。