方型鋰離子動力電池電芯恒壓力測厚技術(shù)研究

趙留強(qiáng)　韓洪偉　高楓

（中航鋰電（洛陽）有限公司，河南　洛陽　471000）

方型鋰離子動力電池電芯恒壓力測厚技術(shù)研究

趙留強(qiáng)韓洪偉高楓

（中航鋰電（洛陽）有限公司，河南洛陽471000）

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

恒壓力測厚；電芯厚度

在方型鋰離子動力電池的生產(chǎn)過程中，鋰電池電芯厚度對電池性能及后續(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，同時對后續(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)接觸式人工測量。由于檢測時接觸面積小，人為隨機(jī)力度變化不可控，且檢測人員不固定，導(dǎo)致厚度的測量存在較大的人為隨機(jī)誤差。造成所測量的數(shù)據(jù)可信度較低。同時，檢測點(diǎn)較多、檢測周期較長，對生產(chǎn)效率產(chǎn)生了一定的影響。

針對此類問題，恒壓力測厚技術(shù)可提供較為理想的解決方案，通過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檢測鋰離子

電池電芯的厚度。可有效消除人為測量誤差，增加數(shù)據(jù)可信度，提高測量效率。

1　恒壓力在線測厚技術(shù)概述

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

通過信息采集處理系統(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。電芯恒壓力測厚系統(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系統(tǒng)及壓力傳感器傳感器完成，由伺服傳動機(jī)構(gòu)控制壓力傳感器及測試壓板的位移量，實(shí)現(xiàn)測試過程中的恒壓力需求。

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、傳動伺服系統(tǒng)、壓力檢測部分構(gòu)成。通過傳感器檢測得到實(shí)測壓力值與系統(tǒng)給定的壓力值進(jìn)行比較，得到偏差信號輸入控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。根據(jù)數(shù)據(jù)偏差控制伺服傳動機(jī)構(gòu)，調(diào)整測試壓板的位移量實(shí)現(xiàn)測試時所需求的恒定壓力值。

測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壓力檢測來說是非常關(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電芯厚度檢測技術(shù)

電芯厚度檢測部分采用CCD激光位移傳感器，其測量原理使用的是三角測量系統(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即為需測量的位移量。其三角法測量原理［3］如下圖所示。

通過激光源將一束激光照射到被測物面上，由待測物體表面散射的光在CCD陣列上成像。如圖2.3所示，經(jīng)過光電耦合器件將像信號轉(zhuǎn)換為電信號，測出待測點(diǎn)O的像點(diǎn)O1相對于參考點(diǎn)A的像點(diǎn)A1的位移量d。當(dāng)待測點(diǎn)O發(fā)生位移時其像點(diǎn)O1根據(jù)光學(xué)幾何原理發(fā)生相對應(yīng)的位移。其運(yùn)動關(guān)系如下。

其中，D為待測點(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　恒壓力測厚儀技術(shù)構(gòu)成

2.1恒壓力測厚系統(tǒng)構(gòu)成

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

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

②可進(jìn)行準(zhǔn)確的在線測量，并根據(jù)測量數(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)計的恒壓力測厚裝置系統(tǒng)構(gòu)成如圖3.1所示。

圖3.1　恒壓測厚裝置系統(tǒng)構(gòu)成

其中包含檢測部分，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)，用于控制信號的輸入及壓力、厚度、警示等信息狀態(tài)實(shí)時的顯示；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恒壓力測厚系統(tǒng)實(shí)體結(jié)構(gòu)

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

電芯恒壓力測厚裝置工作時，將待測電芯放置于測試區(qū)域；伺服電機(jī)帶動下壓機(jī)構(gòu)及測壓力傳感器向電芯運(yùn)動；下壓板與電芯接觸后即可測得實(shí)時壓力值；當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定值后，伺服系統(tǒng)停止工作；開啟厚度測量儀器對當(dāng)前電芯厚度進(jìn)行準(zhǔn)確測量，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)動與執(zhí)行機(jī)構(gòu)5）機(jī)體結(jié)構(gòu)6）壓力檢測單元7）下壓機(jī)構(gòu)8）測試電芯放置區(qū)9）厚度檢測單元

2.3在線檢測

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

圖3.3　測試結(jié)果對比

3　結(jié)論和展望

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

考慮到動力電池的安全特性，其生產(chǎn)過程信息可追溯性將會成為生產(chǎn)過程中的核心環(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厚技術(shù)未來的重要研究方向。

［1］李新覺，劉志剛，余純.基于AMESim壓力開環(huán)與閉環(huán)控制系統(tǒng)研究［J］.流體傳動與控制，2014，62（2）.

［2］JIANG Jun（姜俊）.高精度激光板厚測量儀的振動誤差研究［D］.Hu Nan（湖南）：Central South University（中南大學(xué)），2004：9.

［3］LIAN Jun（連軍）.激光測厚儀在鋰電池極片生產(chǎn)中的應(yīng)用［J］.Power Technology（電源技術(shù)），2012，36（2）：186-188.

［4］汪琛，趙斌.單鏡頭激光三角法薄板厚度測量研究［J］激光技術(shù)，2013，37（1）

TF041

A

1003-5168（2015）-12-0061-2

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