基于PID算法的鋰電池恒壓夾具系統(tǒng)設(shè)計(jì)

顏春林

（浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院 浙江省杭州市 311231）

鋰離子電池是20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的綠色高能環(huán)保電池，具有能量密度高、循環(huán)壽命長、等突出的優(yōu)點(diǎn)，是眾多電子裝置小型輕量化的理想電源，也是未來電動汽車、軍用的理想輕型高能動力源。

在鋰離子電池制備過程中，第一道重要的工序稱為化成，即對注液擱置后的電池進(jìn)行首次充電，是對鋰電池的一個(gè)首次活化，并形成固體電解質(zhì)界面膜(SEI)的過程[1]，在鋰電池化成過程中影響電池最終性能的一個(gè)最重要的因素是恒壓因素，經(jīng)實(shí)踐證明，鋰電池化成過程必須放在一個(gè)特定的夾具內(nèi)，并施予一恒定不變的壓力，這樣不僅能保證電池正負(fù)極界面平整、均勻接觸，縮短化成時(shí)間，而且還大大的提高電池的化成效果；但是，隨著化成充電的進(jìn)行，電池內(nèi)部電壓升高且伴隨氣體的產(chǎn)生，電池會膨脹，導(dǎo)致其所受壓力升高，產(chǎn)生壓力干擾；當(dāng)電芯表面壓力過大時(shí)，電極表面的電解液被擠出，離子濃度降低，不利于SEI 膜形成[2]。因此需要保證在化成過程中，如何消除壓力擾動，保證壓力環(huán)境恒定，是當(dāng)務(wù)之急。

針對鋰電池化成過程中需要恒定壓力的工藝要求以及化成過程產(chǎn)生的壓力干擾，本文采取壓力傳感器和伺服系統(tǒng)相結(jié)合方法來構(gòu)建鋰電池化成的恒壓夾具系統(tǒng)，并引入PID 控制算法，實(shí)時(shí)的追蹤鋰電池化成過程中的壓力，并通過壓力傳感器和伺服控制系統(tǒng)及時(shí)的進(jìn)行修正，從而給鋰電池化成提供一個(gè)恒定的壓力環(huán)境。

1 PID控制技術(shù)

目前較為成熟的控制理論有PID 控制、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等以及多種算法相融合，不同算法各有優(yōu)勢，方案選取視控制精度要求和控制難度等實(shí)際情況而定。其中PID 控制不需要推導(dǎo)和求解電機(jī)及傳動系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型即可進(jìn)行有效控制，且魯棒性較好，因而成為目前實(shí)際應(yīng)用中普遍采用的控制方法[3]。PID 控制器穩(wěn)定性較高、調(diào)試方便和結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)工程技術(shù)人員無法準(zhǔn)確地得到被控對象的參數(shù)數(shù)據(jù)、控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及參數(shù)時(shí)，就必須依靠技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)并通過現(xiàn)場調(diào)試來確定時(shí)，PID 控制器是最好的選擇。具體的PID 控制框圖如圖1所示，其微分方程可表示為：

式中：u(t)—電機(jī)的輸入控制信號；Kp—比例系數(shù)；e(t)—實(shí)際值與給定值的偏差；TI—積分時(shí)間常數(shù)；TD—微分時(shí)間常數(shù)，u0—PID 系統(tǒng)輸入值。

根據(jù)圖1 中PID 控制框圖可知，當(dāng)系統(tǒng)的預(yù)設(shè)值和實(shí)時(shí)值不相等時(shí)，此時(shí)偏差e(t)不等于0，PID 控制器將通過比例、積分、微分控制器實(shí)時(shí)對被控量進(jìn)行監(jiān)控，進(jìn)而驅(qū)動執(zhí)行器進(jìn)行相應(yīng)的動作，保持系統(tǒng)穩(wěn)定，控制器的輸出可以看成是三個(gè)調(diào)節(jié)器輸出的和[4]，通過拉普拉斯變換后，可以得到：

圖1：PID 控制框圖

比例項(xiàng)輸出：

積分項(xiàng)輸出：

微分項(xiàng)輸出：

經(jīng)過離散化計(jì)算可以得到PID 控制在某一采樣時(shí)刻輸出可表示為：

式中：u(n)—當(dāng)前輸出的控制變量；u0—PID 系統(tǒng)輸入值。

本次設(shè)計(jì)的被控對象為壓力信號，執(zhí)行器采用伺服傳動方式。電池化成系統(tǒng)在收到化成命令后，伺服電機(jī)帶動夾具壓緊電池，壓力傳感器實(shí)時(shí)采集夾具的壓力值，在此過程中有兩個(gè)環(huán)節(jié)會出現(xiàn)壓力的波動：

（1）在達(dá)到預(yù)設(shè)壓力的時(shí)候，由于慣性以及控制器的延時(shí)性，會產(chǎn)生壓力的過沖；

（2）在電池充放電過程中會產(chǎn)生大量氣體，導(dǎo)致電池膨脹，從而使得夾具內(nèi)部壓力波動，針對這兩個(gè)問題，利用PID 控制算法實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)偏差，在每個(gè)采樣周期都對的被控量的輸出值進(jìn)行監(jiān)控以及計(jì)算，進(jìn)而實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作，達(dá)到壓力的精準(zhǔn)控制。

2 恒壓夾具系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 夾具系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理

本次設(shè)計(jì)的恒壓夾具結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用PLC 伺服控制系統(tǒng)，電池通過機(jī)械手和電池導(dǎo)向機(jī)構(gòu)進(jìn)入到電池放置通道，在收到夾具啟動命令后，首先PLC 驅(qū)動伺服電機(jī)帶動絲杠推動板快速定位至預(yù)緊位；到達(dá)預(yù)緊位后，切換至慢速運(yùn)行，通過壓力傳感器對夾具通道內(nèi)的壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，壓力信號由PLC控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并通過PID 控制算法的計(jì)算，實(shí)時(shí)地改變伺服電機(jī)的運(yùn)行速度，直至實(shí)時(shí)采集的壓力值在給定設(shè)定范圍內(nèi)，伺服運(yùn)行停止，系統(tǒng)穩(wěn)定。

圖2：恒壓夾具結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 控制系統(tǒng)的硬件框架

本次設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)硬件主要包括壓力檢測單元、PLC 主控制器、觸摸屏人機(jī)界面、伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)組件及配套傳感器單元、保護(hù)傳感器單元以及電池充放電交互模塊?？刂葡到y(tǒng)的硬件框架如圖3所示。

圖3：恒壓夾具控制系統(tǒng)硬件框圖

2.2.1 PLC 主控制器

本控制系統(tǒng)采用西門子SIMATIC S7-1200 型PLC CPU1214 CDC/DC/DC 作為主控制核心，并設(shè)置 SM1223 型混合輸入輸出模塊以及EDS-205A 系列5 端口工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，共同組成該控制系統(tǒng)的主控制器。

西門子SIMATIC S7-1200 型PLC CPU1214CDC/DC/DC 具有100K 的工作存儲器，CPU 執(zhí)行速率快，可以到達(dá)0.04ms/1000 條指令；供電電源采用DC24V，PLC 本體設(shè)有14 個(gè)輸入點(diǎn)與 12 個(gè)輸出點(diǎn)，輸入點(diǎn)支持源型和漏型兩種接入方式，可以適用不同輸出形式的傳感器接入，輸出點(diǎn)最高輸出 100kHz 高速脈沖信號，能夠達(dá)到夾具伺服運(yùn)行控制的速度要求；自帶2 通道A/D 采集單元，采用高精度的16 位采集電路，具有很高的A/D 轉(zhuǎn)換精度，且自帶降噪濾波器，本文中主要用于壓力信號的采集；設(shè)有PROFINET 網(wǎng)絡(luò)接口，具有很高的傳輸速率，用于編程、HMI 界面以及PLC 之間的通信；設(shè)有4 個(gè)脈沖發(fā)生器接口，可以實(shí)現(xiàn)4 個(gè)伺服軸的驅(qū)動，并設(shè)有伺服工藝接口，可以方便的對伺服脈沖和實(shí)際位置值進(jìn)行轉(zhuǎn)換。SM1223 型混合輸入輸出模塊為PLC 輸入輸出擴(kuò)展模塊，提供16 路輸入與16 路輸出口。EDS-205A 系列5 端口工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)是PLC 控制器與觸控屏的連接紐帶，其最高支持100Mbps 的傳輸速率，且各通訊口均采用光耦隔離，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

2.2.2 人機(jī)交互界面

本控制系統(tǒng)的人機(jī)界面采用10 寸的proface 觸摸屏作為顯示操作屏幕，通過以太網(wǎng)通訊方式與PLC 主控制器進(jìn)行通訊。針對本次控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了恒壓夾具操控交互系統(tǒng)，包含監(jiān)控界面、操作畫面、狀態(tài)顯示、參數(shù)設(shè)置以及報(bào)警維護(hù)等交互界面。通過觸控屏可以對伺服參數(shù)、壓力參數(shù)、PID 參數(shù)以及系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，且設(shè)有不同電池類型切換參數(shù)功能，滿足不同種電池的加工；另外，該系統(tǒng)配置有數(shù)據(jù)存儲功能，可將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲在 USB 存儲介質(zhì)中。

2.2.3 傳感器

本控制系統(tǒng)中采用的傳感器主要有光電傳感器和壓力傳感器，伺服限位和原點(diǎn)傳感器采用歐姆龍槽型開關(guān)EE-SX674 進(jìn)行檢測，該傳感器體積小，安裝方便，通過接線方式的更改實(shí)現(xiàn)常開常閉的信號的切換；通道中電池有無的檢測采用歐姆龍對射傳感器E3Z-T61；電池位置檢測采用激光對射傳感器FU-78,該傳感器的光斑只有0.5-1.5mm，可以大大減少由光斑散射而帶來的誤檢測；本次采用壓力傳感器YZC-218C 對夾具通道內(nèi)的壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測，測量量程為 5000kg，輸出為 4 ～20mA 模擬信號。

2.2.4 伺服電機(jī)

本次采用三菱HF-SN102J-S100 型伺服電機(jī)及三菱MR-JE-100A 型驅(qū)動器作為恒壓夾具傳動的動力元件，其機(jī)械響應(yīng)速度快，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)3000r/min，電機(jī)內(nèi)部集成20bit 位置編碼器，可實(shí)現(xiàn)位置與轉(zhuǎn)速的精確控制，滿足恒壓夾具準(zhǔn)確進(jìn)給的要求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)的編程軟件選用西門子博圖TIA_Portal_STEP_7_V15，編程語言選用梯形圖和高級語言結(jié)合的方式進(jìn)行；本程序框架主要由傳感器采集、PID算法、自動運(yùn)行、原點(diǎn)復(fù)歸、參數(shù)配置、交互信號處理以及手動操作，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。

圖4：恒壓夾具控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖

傳感器采集程序主要實(shí)現(xiàn)夾具壓力信號的實(shí)時(shí)追蹤，給PID算法提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的壓力信號輸入；PID 控制算法主要是實(shí)現(xiàn)當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)壓力擾動信號后，實(shí)時(shí)地驅(qū)動伺服電機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而保證系統(tǒng)的恒壓穩(wěn)定環(huán)境，壓力因素是電池在充放電過程中一個(gè)非常重用的技術(shù)指標(biāo)；原點(diǎn)復(fù)歸程序主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者其他問題后，恢復(fù)系統(tǒng)至運(yùn)行初始位置，保證系統(tǒng)的運(yùn)行安全；參數(shù)配置主要實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)參數(shù)、壓力設(shè)定參數(shù)以及不同型號電池參數(shù)切換等功能；交互信號處理主要實(shí)現(xiàn)夾具系統(tǒng)和電池化成裝置之間的握手協(xié)議，夾具穩(wěn)定后，觸發(fā)電池化成啟動，電池化成結(jié)束，驅(qū)動夾具系統(tǒng)張開；操作部分可分為手動和自動兩大部分，手動模式下可以實(shí)現(xiàn)，伺服電機(jī)的點(diǎn)動、回零、手動定位、傳感器的標(biāo)定、信號測試等操作，以及系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，在手動模式進(jìn)行歸零操作；自動模式下，根據(jù)設(shè)置好的伺服參數(shù)、壓力參數(shù)以及PID 參數(shù)，系統(tǒng)在接收到命令，自動讓夾具系統(tǒng)達(dá)到設(shè)定的壓力要求，并保持恒定的壓力環(huán)境。

3.1 壓力采集程序

壓力采集的程序流程如圖5所示，由于電池內(nèi)部產(chǎn)生的壓力干擾，不僅直接影響電池的化成效果，而且還大大影響電池的性能參數(shù)，因此必須盡可能準(zhǔn)確的對壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，為了保證較高的采樣精度，選用循環(huán)中斷程序來完成壓力的采樣；本次設(shè)計(jì)中采樣周期設(shè)置為50ms，每隔50ms 進(jìn)行一次壓力的采樣，采樣的數(shù)值存放在PLC 的寄存器中；本次選用的壓力傳感器的量程為0～5000kg，而PLC 采樣的數(shù)值的范圍為0～27648，根據(jù)A/D 采樣計(jì)算算法，便可以得到夾具內(nèi)部壓力的實(shí)時(shí)值。

圖5：壓力采集程序流程圖

3.2 伺服控制設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)伺服控制如圖6所示，運(yùn)動機(jī)構(gòu)的進(jìn)給由伺服來進(jìn)行驅(qū)動，伺服電機(jī)采樣脈沖控制方式，因此有較高的進(jìn)給精度，可以有效的減少本恒壓系統(tǒng)由于進(jìn)給慣性帶來的壓力波動。本次采用PLC 自帶脈沖口作為脈沖源，來驅(qū)動伺服電機(jī)的運(yùn)行，脈沖頻率最大可以達(dá)到100KHz。伺服運(yùn)行分為預(yù)緊段、慢速段以及張開段兩個(gè)部分：

圖6：伺服控制流程圖

（1）預(yù)緊段。在行程前半段，電池還沒有和電池通道的內(nèi)壁接觸，內(nèi)部壓力為零，為了提高運(yùn)行節(jié)拍，采用位置控制模式。在手動模式下設(shè)定好預(yù)夾緊位置的坐標(biāo)，并將坐標(biāo)值設(shè)定接口開放在觸摸屏上，并設(shè)置好配方，不同類型的電池，可以選擇不同的預(yù)夾緊位置。自動模式下，伺服電機(jī)接收到啟動命令，按照給定的坐標(biāo)值和運(yùn)行速度，快速運(yùn)行至預(yù)夾緊位。

（2）慢速段。在行程后半段，壓力傳感器實(shí)時(shí)檢測夾具內(nèi)的壓力，此時(shí)如果仍采用快速定位的模式，勢必會引起壓力的過沖，因此為了達(dá)到良好的調(diào)節(jié)性能，采用速度運(yùn)行模式，PID算法根據(jù)壓力信號的變化，實(shí)時(shí)的輸出調(diào)節(jié)比例，進(jìn)而實(shí)時(shí)的調(diào)節(jié)運(yùn)行的速度，當(dāng)壓力實(shí)時(shí)值在調(diào)整的范圍之內(nèi)，伺服停止動作，系統(tǒng)穩(wěn)定。

（3）張開段。張開段控制采用定位運(yùn)行模式。電池充放電結(jié)束后，通過交互程序塊，將信號反饋給PLC 主控制器，主控制器發(fā)出張開命令，伺服電機(jī)按照預(yù)設(shè)的張開位坐標(biāo)以及張開速度運(yùn)行至指定位置。

3.3 PID自適應(yīng)程序設(shè)計(jì)

本次PID算法的控制流程如圖7所示，為了提高采樣精度，采用PLC 中的循環(huán)中斷程序，采樣周期設(shè)置為50ms；在初始化程序中，主要對PID 參數(shù)進(jìn)行初始化操作；PID算法的輸入被控量為壓力信號偏差eM(n)，為壓力設(shè)定值和傳感器實(shí)時(shí)采集的壓力信號之差，通過PID 控制算法，在每一個(gè)采樣周期，輸出一個(gè)與信號偏差eM(n)相對應(yīng)調(diào)節(jié)值，PID 控制算法如公式（6）所示：

圖7：PID 控制流程圖

式中：uM(n)—PID算法的輸出量；kp—比例系數(shù)；eM(n)—壓力實(shí)際值與給定值的偏差；ekd—上一采樣周期偏差；Td—微分時(shí)間常數(shù)；Tsampling—采樣時(shí)間；TI—積分時(shí)間常數(shù)；ekl—累計(jì)偏差；

基于壓力被控量的PID 輸出量經(jīng)過壓力-速度轉(zhuǎn)換算法得到相對應(yīng)的控制速度，具體計(jì)算算法如式7所示：

式中：uvel(n)—電機(jī)的控制速度輸出；uM(n)—PID算法的輸出量；urate(n)—控制比率；velsetting—速度設(shè)定閾值；uM_limit—PID算法輸出閾值。

4 系統(tǒng)測試及結(jié)果分析

恒壓測試夾具如圖8所示，設(shè)備組裝完畢后，分別進(jìn)行傳感器標(biāo)定、伺服基本功能調(diào)試、PID 參數(shù)校準(zhǔn)以及程序自動運(yùn)行測試，在設(shè)備滿足測試要求后，采用剛出廠鋰電池電池包進(jìn)行測試，電池的額定受力為1500kg。

圖8：恒壓測試夾具

本次采用了兩種不同的控制方法分別進(jìn)行了測試：

4.1 未引入PID控制算法

此種控制方式的快速段和慢速段控制方式均采用位置控制模式，以恒定的不變的速度進(jìn)行進(jìn)給，當(dāng)壓力值在壓力閾值范圍內(nèi)伺服控制停止；當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)擾動，超過壓力閾值，伺服以恒定速度啟動定位控制。

4.2 引入PID控制算法

此種控制方式的快速段采用位置控制方式，以恒定的不變的速度進(jìn)行進(jìn)給；慢速段的控制采用速度運(yùn)行方式，控制速度隨著壓力的實(shí)時(shí)值的變化而實(shí)時(shí)變化，當(dāng)壓力值在壓力閾值范圍內(nèi)伺服控制停止；當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)擾動，超過壓力閾值，伺服啟用速度運(yùn)行模式，進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。經(jīng)過多次測試，測得數(shù)據(jù)對比如表1所示。

表1：不同控制方法測試數(shù)據(jù)對比

表1 中列舉了三種不同模式下所測試的數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，沒有進(jìn)行校準(zhǔn)的情況下實(shí)際壓力值均值和標(biāo)準(zhǔn)差都比較大，采用固定速度校準(zhǔn)模式的方法，相對于第一種方式，標(biāo)準(zhǔn)差有很大的變化；而采用PID 控制校準(zhǔn)模式的方法，標(biāo)準(zhǔn)差僅為1.5kg，控制的準(zhǔn)確度大大提高, 保證了本控制系統(tǒng)穩(wěn)定的恒壓環(huán)境, 進(jìn)而提高了電池充放電的效率，提高電池的品質(zhì)。

5 總結(jié)

（1）針對鋰電池恒壓夾具在化成和控制過程中產(chǎn)生的壓力干擾，本文采用伺服控制系統(tǒng)和PID算法相結(jié)合的方法，將壓力被控量和伺服控制的速度被控量建立聯(lián)系，通過實(shí)時(shí)采集的壓力值的變化，及時(shí)的調(diào)節(jié)伺服控制的速度，從而有效的減少了由于慣性而造成的壓力不確定性，較好地解決了控制過程壓力干擾，保證恒壓夾具的穩(wěn)壓環(huán)境。

（2）從特定對象出發(fā),將PID算法運(yùn)用到伺服恒壓系統(tǒng)中,通過數(shù)據(jù)測試可以發(fā)現(xiàn)，采用此種方法，可以大大地提高系統(tǒng)控制的精度, 有效的減少由于壓力擾動因素而導(dǎo)致的鋰電池充放電效率和效果, 進(jìn)而最終提高鋰電池的性能指標(biāo)。

（3）該項(xiàng)技術(shù)對恒溫控制、恒壓供水以及管道壓力控制等一些需要保持恒定被控量的應(yīng)用有較大的參考價(jià)值, 尤其是針對控制精度較高的場合, 顯得尤為重要。