雙間隙涂布精度理論研究

陳哲 康文杰

摘要：間隙涂布是數碼類鋰電池最為常見的涂布工藝方式。近年來，對間隙涂布設備的產能要求越來越高，此外對間隙的尺寸要求也越來越小，在此基礎上，需要涂布閥實現高速超小間隙的功能。本文論證了電動涂布閥結構及其控制流程，通過結構論證、系統響應時間分析、極限速度下間隙涂布可行性分析等方面進行理論計算論證能否達到25m/min、4±1mm間隙涂布的要求，達到行業領先級別的水平。

關鍵詞：鋰電池? 高速小間隙涂布? 電動間隙閥? 涂布閥

Theoretical Study on Double Gap Coating Accuracy

CHEN Zhe? KANG Wenjie

（Huizhou Yinghe Technology Co.， Ltd.， Huizhou， Guangdong Province， 516025 China）

Abstract： Gap coating is the most common coating process for digital lithium batteries. In recent years， the capacity requirements of gap coating equipment are higher and higher， and the size requirements of gap are smaller and smaller. On this basis， the coating valve is required to realize the function of high-speed and ultra-small gap. This paper demonstrates the structure and control process of the electric coating valve. Through the structural demonstration， system response time analysis， gap coating feasibility analysis at the limit speed and other aspects of theoretical calculation to demonstrate whether it can meet the requirements of 25m/min， 4±1mm gap coating， to reach the industry leading level.

Key Words： Lithium battery; High-speed small gap coating; Electric gap valve; Coating valve

1 雙間隙涂布精度技術要求

為滿足工藝需求，涂布機在進行小間隙雙層涂布時有如下要求。

（1） A面、B面的涂布速度V≤25m/min的工況下，小間隙需保證在4±1mm，同時對應的大間隙需保證在≥30mm，相應的CPK≥1.33。

（2） 對極片進行雙間隙涂布，A面與B面的涂布長度不一致，分別為一大間隙與一小間隙，其中涂布長度L ≥ 20mm，涂布速度V≥ 25m/min，相應的CPK≥1.33。

2 間隙精度控制理論分析

如圖1所示，根據技術要求，設第N次理論涂布開始時刻為t1（PLC發出涂布指令），第N次涂布結束時刻為t2，第N+1次涂布開始時間為t3，第N+1次涂布結束時刻為t4，第N+2次涂布開始時刻為t5，其中，設t1至t5對應的時間段內為一個理論大小間隙涂布周期。在實際的涂布過程中，由于涂布系統的硬件在執行指令的時候會產生遲滯性，設在第N次實際涂布開始（閥芯開啟）時系統延遲為Δt1，對應的時刻為t1+Δt1;第N次涂布實際結束（閥芯閉合）時，系統延遲為Δt2，對應的時刻為t2+Δt2;忽略硬件遲滯性的波動性，則有第N+1次涂布實際開始時系統延遲為Δt1，對應的時刻為t3+Δt1，第N+1次涂布實際結束時系統延遲為Δt2，對應時刻為t4+Δt2;第N+2次涂布實際開始時刻時系統延遲為Δt1，對應時刻為t5+Δt1。

設涂布速度為v，則有：

A 段涂布誤差大小ΔTA=|實際涂布長度-理論涂布長度|

ΔTA =|（Δt2-Δt1）|v

B段留白間隙誤差大小ΔTB =|實際留白間隙長度-理論留白間隙長度|

ΔTB =|（Δt1-Δt2）|v

根據上述公式，可以看出對應涂布長度誤差或者間隙長度誤差與涂布速度v以及系統響應時間差值（Δt1-Δt2）相關，對應涂布速度越大，產生的誤差越大。同理，在同一速度下，對應系統響應時間差異，即閥芯開啟，閉合所對應的響應時間Δt1，Δt2差異越大，造成的誤差也會越大。

3 電動式間歇閥理論精度研究

3.1 簡介

涂布間隙以及精度控制主要通過西門子1517控制單元+增量式編碼器+激光傳感器+電磁閥+電動式涂布間歇閥來實現。其中增量式編碼器位于DD馬達中，通過編碼器跟隨DD馬達旋轉相應角度所發出的脈沖數來設置涂布長度。西門子1517控制單元實現直線電機等原件的控制執行[1-2]。激光傳感器用以對極片A面上的涂布初始位置進行檢測并經信號放大器將檢測信號輸送給控制單元。

3.2 電動式間歇閥結構

涂布間隙閥主要由閥體、涂布直線電機、回流直線電機、涂布閥芯、回流閥芯、密封圈、螺桿等組成[3-4]。

涂布閥芯與回流閥芯的開合分別通過涂布直線電機跟回流直線電機控制，當要進行涂布供料時，涂布直線電機使涂布閥芯的出料口開通，同時回流直線電機使回流閥芯的出料口閉合，使漿料從涂布通道出料;當不進行涂布時，涂布直線電機使涂布閥芯閉合，同時回流直線電機使回流閥芯的出料口開通，使漿料從回流通道進行回流[5-6]。

3.3流程說明

根據涂布的工藝，對應方案一的流程控制邏輯如圖2所示，系統通過相應的邏輯控制來實現雙面間隙涂布。

3.4 系統響應時間分析

在方案中，由于系統的硬件以及氣路行程會存在遲滯性，會導致系統在執行涂布開啟以及涂布停止兩個動作時會產生系統延遲。其中對應的誤差公式如下：

ΔT =|（Δt1-Δt2）|v

式中，Δt1為實際涂布開始（閥芯開啟）時系統響應時間;Δt2為實際涂布結束（閥芯閉合）時系統響應時間。

分別對系統中的硬件以及動作執行所造成的延遲時間進行分析，如表1所示。

在不考慮漿料黏度、閥體開閉時內部壓力、流量變化等因素的狀況下，設閥芯打開的瞬間就開始進行涂布，故實際涂布開始（閥芯開啟）時系統響應時間為：

Δt1=Δtp+Δts

設閥芯在完全關閉后才停止涂布，故實際涂布停止（閥芯關閉）時系統響應時間為：

Δt2=Δtp+Δts +Δtc

3.5 極限速度下間隙涂布可行性分析

根據技術要求，設定涂布的長度L為20mm，間隙為4mm，涂布速度為25m/min，則可以分別求出對應的涂布所需的時間為48ms，間隙留白所需時間為9.6ms，則對應一個間隙涂布周期內理論所需要的時間為57.6ms。

要保證完成小間隙涂布的工藝要求，在一個涂布周期內，需要保證第1次涂布關閉后，其實際的響應時間Δt2應該在第2次涂布開啟之后對應伺服驅動器再次響應之前，即Δtc﹤8.6 ，則在Δtc﹤8.6ms 的狀況下，即涂步閥閥芯在8.6ms內完成閉合，即可以完成涂布速度為25m/min，涂布的長度L為20mm，間隙為4mm的工藝。

此時，在這種情況下，對應的誤差根據誤差分析公式，則有Δtc≤2.4ms。

故在Δtc≤2.4ms的情況下，既能滿足在涂布速度為25m/min的情況下涂布與間隙所需的長度要求，同時也能滿足相應的精度要求。

4 結語

本文論述了電動涂布閥結構及其控制流程，通過理論計算論證，電動間隙閥可以達到25m/min、4±1mm間隙涂布的要求。

參考文獻

[1]劉平文.鋰電池極片擠壓式涂布系統設計與實驗研究[D].南京：東南大學，2018.

[2]楊歡.基于GA-BP神經網絡的鋰電池極片厚度控制系統研究[D].天津：河北工業大學，2018.

[3]楊峰.柱塞式雙液配比點膠閥的設計與實驗研究[D].廈門：廈門理工學院，2021.

[4]楊洋.雙撞針式壓電驅動熱熔膠噴射閥的機理及實驗研究[D].長春：吉林大學，2020.

[5]郝寧可.纖維素/氧化鋅復合材料的摩擦起電性能研究[D].南寧：廣西大學，2020.

[6]葉斯倫.膠粘接在微裝配中的應用研究[D].廣州：華南理工大學，2020.

中圖分類號：TM912 DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2109-5640-7674

作者簡介：陳哲（1987-），男，本科，中級工程師，研究方向為鋰電池制造設備及其自動化。