一种全闭环锂电池电芯卷绕装置及方法与流程

本发明涉及一种收卷装置及收卷方法，具体涉及一种全闭环锂电池电芯卷绕装置及方法。

背景技术：

锂电池电芯卷绕设备是锂电池生产过程中一个非常重要的工序，目前现存的设备生产锂电池时，对于方形（或异形）电池，利用方形（或异形）卷针卷绕电池，通过卷针自学习的方法，获取整个卷绕过程中卷针的外形轮廓，并以一个基础线速度除以外形轮廓的实时半径，从而得到对应基础线速度下的实时角速度。再建立凸轮表，将得到的卷针实时角速度与卷针角位置关系，填入其中。实际生产时，通过开环的方式，查表得到当前角位置对应的角速度，并依照凸轮表上的顺序下发数据给卷针伺服电机执行，期望以此方式来实现收卷恒线速度运行。这种自学习方式通常耗时较长（通常需要半小时以上的自学习时间），并且无法实现柔性化，每次更换规格，必须停机自学习一次数据，严重制约锂电池整体生产效率，且受凸轮表的总长度限制（凸轮表最大65536个数据点），无法精准还原外形轮廓，同时还限制了卷绕的长度和速度(长度越长，速度越快，还原的外形轮廓越差)。再有凸轮表方式属于开环控制，即逻辑控制器只管按照凸轮表格上的数据进行下发，而不管卷针伺服电机是否有跟随上，由此生产中无法获得更高的生产质量。

总结来说，目前使用自学习卷绕的方式严重制约了锂电池电芯卷绕效率及质量，无法适应今后柔性化及更高要求的生产需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种全闭环锂电池电芯卷绕装置，包括支撑结构，所述的支撑结构上设置有放卷辊、卷针、张力摆杆、逻辑控制器、测速机构、控速机构和伺服驱动机构，所述伺服驱动机构连接逻辑控制器；

所述控速机构包括：放卷伺服电机、张力摆杆伺服电机和卷针伺服电机分别连接控制放卷辊、张力摆杆和卷针；

所述测速机构包括：测速辊以及连接测速辊的外部测速编码器，所述外部测速编码器连接卷针伺服电机，构成卷针全闭环控制。

作为一种优选，所述的支撑结构上设有若干中间过渡辊。

优选的，所述驱动机构包括收卷伺服驱动器、摆杆伺服驱动器和放卷伺服驱动分别驱动收卷卷伺服电机、张力摆杆伺服电机和卷针伺服电机。

优选的，所述收卷伺服驱动器、摆杆伺服驱动器和放卷伺服驱动器之间通过有线数据通讯连接。

一种全闭环锂电池电芯卷绕方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）由逻辑控制器预设卷带材料目标长度及卷绕材料目标线速度。控速机构以半闭环运行若干循环周期（过程时间小于4ms），卷针以一个预设的恒定角速度运行，产生系统运行所需的初始数据。

（2）外部测速编码器检测到运行实际线速度；

（3）控速机构切换至全闭环运行，伴随卷针半径的变化，卷绕的实际线速度会发生改变，实际线速度与预设线速度就会出现误差，对应实际卷绕长度和目标长度之间形成位置误差；

（4）位置误差乘以一个比例系数得到卷针线速度给定，比例系数通过反复现场调试得出，卷针线速度给定经过卷针伺服驱动器的内部闭环，得到新的卷针角速度给定；卷针伺服电机执行该角速度给定，进而改变卷针上的卷带线速度，达到消除卷带设定线速度与实际线速度误差，实现恒线速度运行；

（5）目标线速度与实际线速度误差，形成卷带材料表面的张力变化，张力摆杆感应后形成位置变动，放卷伺服电机跟随位置变化数据调控放卷速度；

（6）收卷过程进行中放卷的卷带材料半径减小，通过外部测速编码器测得的位置变化，结合放卷伺服电机本身集成的编码器测得的实际运行角速度，计算出当前卷带材料半径，放卷伺服电机根据控速机构预设的卷带目标线速度以及当前放卷实际卷径，更新放卷给定角速度，以保持卷带与目标线速度一致。

（7）当外部测速编码器检测到的卷带实际长度等于设定的卷带目标长度时,即位置误差为0，此时卷绕结束。

本发明的有益效果：本专利通过利用全闭环收卷，无需自学习，不受卷针形状的限制，不受卷绕长度的限制，不受卷绕速度的限制，可以有效提高卷绕效率，并提高成型锂电池的合格率，给出相关的方法步骤保证运行可行性。

附图说明

图1是本发明立体图示意图。

图2是本发明俯视图。

图3是本发明主视图。

图4保护机制流程图。

图中：放卷辊1、张力摆杆2、测速辊3、卷针4、中间过渡辊5、放卷伺服电机6、张力摆杆伺服电机7、收卷伺服驱动器8、摆杆伺服驱动器9、放卷伺服驱动器10、外部测速编码器11、逻辑控制器12、卷针伺服电机13、支撑结构15。

具体实施方式

下面结合具体附图对本发明进一步说明。

本发明所述的一种全闭环锂电池电芯卷绕装置及方法，如图1-3所示，主要包括有一垂直板构成的支撑结构15，在支撑结构15的竖板上安装有放卷辊1，原料卷带设置在此位置，放卷辊1后端连接放卷伺服电机6，其通过初始阶段的被动放卷及依靠自身计算卷径方式进行放卷速度给定与调节，同时需要设置在横板上的收卷伺服驱动器8驱动运行；竖板上还装有卷针4和测速辊3，卷针4末端连接卷针伺服电机13通过放卷伺服驱动器10驱动运行，卷针伺服电机13与外部测速编码器11构成全闭环控制，给定与调节卷针角速度，其卷针形状不固定，卷针角速度根据逻辑控制器12设定的目标线速度与外部测速编码器所得到的实际线速度之差，以μs级的执行周期进行调节补偿，同时卷带上产生的微小张力波动通过同样安装在竖板一侧的张力摆杆2的位置变化缓冲，同样的，张力摆杆2的位置变化反馈信息至连接在其后端的张力摆杆伺服电机7，协同摆杆伺服驱动器9驱动运行，并提供数据反馈，测速辊3末端设置的外部测速编码器11，并连接至放卷伺服驱动器的摆杆编码器接口上，构成全闭环控制。，将预设卷带目标线速度、实际卷带线速度以及数据反馈整合，利用250微妙的设备反应周期，时时跟随调控速度，为了避免和减小速度突变带来张力对卷带的拉损，竖板上设置若干中间过渡辊5加长放出卷带长度，减缓及时张力。

运行时，由逻辑控制器预设卷带材料目标长度，及卷绕材料目标线速度。控速机构以半闭环运行，前几个循环周期（即初始阶段,过程时间小于4ms），卷针以一个预设的恒定角速度运行，目的是产生系统运行所需的初始数据；外部测速编码器检测到运行实际线速度；控速机构切换至全闭环运行，此时因卷针形状随着卷绕过程变化，会发生改变，因此实际线速度与预设线速度就会出现偏差；位置误差乘以一个比例系数得到卷针速度给定，该比例系数，根据实际环境不同而不同，需要通过反复现场调试得出。卷针速度给定经过卷针伺服驱动器的内部闭环，得到新的卷针角速度给定。伺服电机执行该角速度给定，进而改变卷针上的卷带线速度，达到消除卷带设定线速度与实际线速度误差，实现恒线速度运行的目的；预设目标线速度与实际线速度偏差，形成卷带材料表面的张力变化，张力摆杆感应后形成位置变动，放卷伺服电机跟随调控放卷速度；随着收卷过程进行，放卷的卷带材料半径随之减小，此时通过外部测速编码器测得的位置变化，结合放卷伺服电机本身集成的编码器测得的实际运行角速度，便可计算出当前卷带材料半径。进而放卷伺服电机，根据控速机构预设的卷带目标线速度、以及当前放卷实际卷径，更新放卷给定角速度，以保持卷带目标线速度一致；当外部测速编码器检测到的卷带实际长度等于设定的卷带目标长度时,即位置误差为0，此时卷绕结束；

本发明无需自学习，即摒弃了凸轮表的限制和开环控制方式，通过全闭环的线速度反馈与调节，快速方便的完成变换角速度达到卷针线速度恒定，另外由于卷带是柔性材料，在全闭环收卷状态下，当外部编码器与卷带之间出现打滑时，可能造成系统飞车，进而对系统造成危害，本系统通过设计保护机制进行保护，防止危害，如下图4所示：

位置保护：在收卷工作时，会实时检测实际位置与目标位置，当实际位置反馈与目标位置的差值超过系统设定的跟踪误差时，系统会报错并停止运行，以此来保证系统安全；

速度保护：在收卷工作时，会实时检测外部线速度与轴端角速度，当检测到的速度反馈超过设定的范围，或者实际速度方向与理论速度方向相反时，收卷及系统会报错并停止运行。

本发明实施到方形卷针锂电池卷绕设备上，施后相关技术参数：原卷绕设备（使用电子凸轮表）的收卷速度一般在600mm/s以下，使用本方案解决后，理论上可以达到电机额定转速，实验条件下，超过1200mm/s。原卷绕设备（使用电子凸轮表）的线速度波动为±15%，使用现方法后，线速度波动可以减小到±7.3%。本发明有效提高卷绕效率，避免张力拉损卷带，提高产品合格率，并且普适性高，对于凸边卷针形状不限于四边形等。

以上所述实施例，只是本发明的较佳实例，并非来限制本发明实施范围，故凡依本发明申请专利范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明专利申请范围内。