雙間隙涂布精度理論研究

陳哲 康文杰

摘要：間隙涂布是數(shù)碼類鋰電池最為常見(jiàn)的涂布工藝方式。近年來(lái)，對(duì)間隙涂布設(shè)備的產(chǎn)能要求越來(lái)越高，此外對(duì)間隙的尺寸要求也越來(lái)越小，在此基礎(chǔ)上，需要涂布閥實(shí)現(xiàn)高速超小間隙的功能。本文論證了電動(dòng)涂布閥結(jié)構(gòu)及其控制流程，通過(guò)結(jié)構(gòu)論證、系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間分析、極限速度下間隙涂布可行性分析等方面進(jìn)行理論計(jì)算論證能否達(dá)到25m/min、4±1mm間隙涂布的要求，達(dá)到行業(yè)領(lǐng)先級(jí)別的水平。

關(guān)鍵詞：鋰電池? 高速小間隙涂布? 電動(dòng)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(shù)要求

為滿足工藝需求，涂布機(jī)在進(jìn)行小間隙雙層涂布時(shí)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(shí)對(duì)應(yīng)的大間隙需保證在≥30mm，相應(yīng)的CPK≥1.33。

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

2 間隙精度控制理論分析

如圖1所示，根據(jù)技術(shù)要求，設(shè)第N次理論涂布開(kāi)始時(shí)刻為t1（PLC發(fā)出涂布指令），第N次涂布結(jié)束時(shí)刻為t2，第N+1次涂布開(kāi)始時(shí)間為t3，第N+1次涂布結(jié)束時(shí)刻為t4，第N+2次涂布開(kāi)始時(shí)刻為t5，其中，設(shè)t1至t5對(duì)應(yīng)的時(shí)間段內(nèi)為一個(gè)理論大小間隙涂布周期。在實(shí)際的涂布過(guò)程中，由于涂布系統(tǒng)的硬件在執(zhí)行指令的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生遲滯性，設(shè)在第N次實(shí)際涂布開(kāi)始（閥芯開(kāi)啟）時(shí)系統(tǒng)延遲為Δt1，對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為t1+Δt1;第N次涂布實(shí)際結(jié)束（閥芯閉合）時(shí)，系統(tǒng)延遲為Δt2，對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為t2+Δt2;忽略硬件遲滯性的波動(dòng)性，則有第N+1次涂布實(shí)際開(kāi)始時(shí)系統(tǒng)延遲為Δt1，對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為t3+Δt1，第N+1次涂布實(shí)際結(jié)束時(shí)系統(tǒng)延遲為Δt2，對(duì)應(yīng)時(shí)刻為t4+Δt2;第N+2次涂布實(shí)際開(kāi)始時(shí)刻時(shí)系統(tǒng)延遲為Δt1，對(duì)應(yīng)時(shí)刻為t5+Δt1。

設(shè)涂布速度為v，則有：

A 段涂布誤差大小ΔTA=|實(shí)際涂布長(zhǎng)度-理論涂布長(zhǎng)度|

ΔTA =|（Δt2-Δt1）|v

B段留白間隙誤差大小ΔTB =|實(shí)際留白間隙長(zhǎng)度-理論留白間隙長(zhǎng)度|

ΔTB =|（Δt1-Δt2）|v

根據(jù)上述公式，可以看出對(duì)應(yīng)涂布長(zhǎng)度誤差或者間隙長(zhǎng)度誤差與涂布速度v以及系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間差值（Δt1-Δt2）相關(guān)，對(duì)應(yīng)涂布速度越大，產(chǎn)生的誤差越大。同理，在同一速度下，對(duì)應(yīng)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間差異，即閥芯開(kāi)啟，閉合所對(duì)應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間Δt1，Δt2差異越大，造成的誤差也會(huì)越大。

3 電動(dòng)式間歇閥理論精度研究

3.1 簡(jiǎn)介

涂布間隙以及精度控制主要通過(guò)西門(mén)子1517控制單元+增量式編碼器+激光傳感器+電磁閥+電動(dòng)式涂布間歇閥來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中增量式編碼器位于DD馬達(dá)中，通過(guò)編碼器跟隨DD馬達(dá)旋轉(zhuǎn)相應(yīng)角度所發(fā)出的脈沖數(shù)來(lái)設(shè)置涂布長(zhǎng)度。西門(mén)子1517控制單元實(shí)現(xiàn)直線電機(jī)等原件的控制執(zhí)行[1-2]。激光傳感器用以對(duì)極片A面上的涂布初始位置進(jìn)行檢測(cè)并經(jīng)信號(hào)放大器將檢測(cè)信號(hào)輸送給控制單元。

3.2 電動(dòng)式間歇閥結(jié)構(gòu)

涂布間隙閥主要由閥體、涂布直線電機(jī)、回流直線電機(jī)、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(kāi)合分別通過(guò)涂布直線電機(jī)跟回流直線電機(jī)控制，當(dāng)要進(jìn)行涂布供料時(shí)，涂布直線電機(jī)使涂布閥芯的出料口開(kāi)通，同時(shí)回流直線電機(jī)使回流閥芯的出料口閉合，使?jié){料從涂布通道出料;當(dāng)不進(jìn)行涂布時(shí)，涂布直線電機(jī)使涂布閥芯閉合，同時(shí)回流直線電機(jī)使回流閥芯的出料口開(kāi)通，使?jié){料從回流通道進(jìn)行回流[5-6]。

3.3流程說(shuō)明

根據(jù)涂布的工藝，對(duì)應(yīng)方案一的流程控制邏輯如圖2所示，系統(tǒng)通過(guò)相應(yīng)的邏輯控制來(lái)實(shí)現(xiàn)雙面間隙涂布。

3.4 系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間分析

在方案中，由于系統(tǒng)的硬件以及氣路行程會(huì)存在遲滯性，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)在執(zhí)行涂布開(kāi)啟以及涂布停止兩個(gè)動(dòng)作時(shí)會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)延遲。其中對(duì)應(yīng)的誤差公式如下：

ΔT =|（Δt1-Δt2）|v

式中，Δt1為實(shí)際涂布開(kāi)始（閥芯開(kāi)啟）時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間;Δt2為實(shí)際涂布結(jié)束（閥芯閉合）時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間。

分別對(duì)系統(tǒng)中的硬件以及動(dòng)作執(zhí)行所造成的延遲時(shí)間進(jìn)行分析，如表1所示。

在不考慮漿料黏度、閥體開(kāi)閉時(shí)內(nèi)部壓力、流量變化等因素的狀況下，設(shè)閥芯打開(kāi)的瞬間就開(kāi)始進(jìn)行涂布，故實(shí)際涂布開(kāi)始（閥芯開(kāi)啟）時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間為：

Δt1=Δtp+Δts

設(shè)閥芯在完全關(guān)閉后才停止涂布，故實(shí)際涂布停止（閥芯關(guān)閉）時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間為：

Δt2=Δtp+Δts +Δtc

3.5 極限速度下間隙涂布可行性分析

根據(jù)技術(shù)要求，設(shè)定涂布的長(zhǎng)度L為20mm，間隙為4mm，涂布速度為25m/min，則可以分別求出對(duì)應(yīng)的涂布所需的時(shí)間為48ms，間隙留白所需時(shí)間為9.6ms，則對(duì)應(yīng)一個(gè)間隙涂布周期內(nèi)理論所需要的時(shí)間為57.6ms。

要保證完成小間隙涂布的工藝要求，在一個(gè)涂布周期內(nèi)，需要保證第1次涂布關(guān)閉后，其實(shí)際的響應(yīng)時(shí)間Δt2應(yīng)該在第2次涂布開(kāi)啟之后對(duì)應(yīng)伺服驅(qū)動(dòng)器再次響應(yīng)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(nèi)完成閉合，即可以完成涂布速度為25m/min，涂布的長(zhǎng)度L為20mm，間隙為4mm的工藝。

此時(shí)，在這種情況下，對(duì)應(yīng)的誤差根據(jù)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(zhǎng)度要求，同時(shí)也能滿足相應(yīng)的精度要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文論述了電動(dòng)涂布閥結(jié)構(gòu)及其控制流程，通過(guò)理論計(jì)算論證，電動(dòng)間隙閥可以達(dá)到25m/min、4±1mm間隙涂布的要求。

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

作者簡(jiǎn)介：陳哲（1987-），男，本科，中級(jí)工程師，研究方向?yàn)殇囯姵刂圃煸O(shè)備及其自動(dòng)化。