電池面密度閉環(huán)檢測方法的研究及運用

關(guān)鍵詞：新能源電池；面密度；閉環(huán)檢測；在線監(jiān)測；質(zhì)量控制

中圖分類號：U466 文獻標識碼：A

0 引言

在新能源電池的生產(chǎn)過程中，極片的面密度是一個關(guān)鍵參數(shù)，它直接影響著電池的能量密度、充放電性能和循環(huán)壽命[1]。因此，對新能源電池極片面密度的檢測和控制具有重要的意義。

傳統(tǒng)的面密度檢測方法主要采用離線抽樣檢測，這種方法存在檢測周期長、檢測結(jié)果滯后及無法實時反饋等問題。為了解決這些問題，本文提出了一種新能源電池面密度閉環(huán)檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用在線檢測和閉環(huán)控制技術(shù)，能夠?qū)崟r監(jiān)測電池極片面密度的變化，并根據(jù)檢測結(jié)果自動調(diào)整生產(chǎn)工藝參數(shù)，實現(xiàn)了對面密度的精確控制。

1 新能源電池面密度閉環(huán)檢測系統(tǒng)的原理及關(guān)鍵技術(shù)

1.1 系統(tǒng)原理

新能源電池面密度閉環(huán)檢測系統(tǒng)的原理是基于物理測量方法，通過對電池極片的厚度、寬度和重量等參數(shù)的測量，計算出極片的面密度[2]。具體來說，系統(tǒng)采用激光測厚儀、寬度測量儀和稱重傳感器等設(shè)備，分別對極片的厚度、寬度和重量進行測量，然后將測量結(jié)果傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中，控制系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的算法計算出極片的面密度[3]。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 高精度測量技術(shù)

為了保證面密度檢測的準確性，系統(tǒng)采用了高精度的測量技術(shù)。激光測厚儀采用了先進的激光測距技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對極片厚度的高精度測量；寬度測量儀采用了高精度的光柵尺測量技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對極片寬度的高精度測量；稱重傳感器采用了高精度的應(yīng)變片測量技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對極片重量的高精度測量。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)

系統(tǒng)采集到的大量測量數(shù)據(jù)需要進行實時處理和分析，以提取出有用的信息。為此，系統(tǒng)采用了先進的數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)，如數(shù)據(jù)濾波、數(shù)據(jù)擬合、數(shù)據(jù)統(tǒng)計等，能夠有效地去除測量數(shù)據(jù)中的噪聲和干擾，提高數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。

1.2.3 閉環(huán)控制技術(shù)

閉環(huán)控制技術(shù)是新能源電池面密度閉環(huán)檢測系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。系統(tǒng)通過將面密度的檢測結(jié)果與預(yù)設(shè)的目標值進行比較，根據(jù)偏差自動調(diào)整生產(chǎn)工藝參數(shù)，實現(xiàn)對面密度的精確控制。為了保證閉環(huán)控制的穩(wěn)定性和可靠性，系統(tǒng)采用了先進的控制算法，如PID 控制算法、模糊控制算法等。

2 面密度閉環(huán)檢測系統(tǒng)的選擇及維護

2.1 硬件方面

2.1.1 高質(zhì)量傳感器的選用

傳感器是檢測系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。應(yīng)選擇具有高精度、高靈敏度且穩(wěn)定性好的傳感器來測量電池面密度。定期對傳感器進行校準，按照傳感器制造商的建議，例如每3-6 個月進行一次全面校準，以保證其性能符合初始設(shè)定標準。

2.1.2 可靠的執(zhí)行機構(gòu)

執(zhí)行機構(gòu)負責(zé)根據(jù)控制系統(tǒng)的指令對生產(chǎn)設(shè)備進行調(diào)整。要選擇質(zhì)量可靠、響應(yīng)速度快的執(zhí)行機構(gòu)，如高精度的電機或閥門。對執(zhí)行機構(gòu)進行冗余設(shè)計，例如采用雙電機或雙閥門系統(tǒng)，當(dāng)一個出現(xiàn)故障時，另一個可以立即接替工作，避免系統(tǒng)因執(zhí)行機構(gòu)故障而中斷運行。

2.1.3 穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊

數(shù)據(jù)采集模塊應(yīng)具備高采樣頻率和高分辨率，以確保能準確獲取傳感器的信號。其采樣頻率要滿足電池生產(chǎn)速度的要求，例如對于高速生產(chǎn)線，采樣頻率應(yīng)達到100 次/s 以上。在數(shù)據(jù)傳輸方面，采用抗干擾能力強的傳輸方式，如光纖傳輸或屏蔽電纜傳輸，避免數(shù)據(jù)在傳輸過程中出現(xiàn)丟包或錯誤。

2.2 軟件方面

2.2.1 成熟的控制系統(tǒng)算法

采用經(jīng)過充分驗證的控制系統(tǒng)算法，如PID（比例- 積分-微分）算法或更先進的智能控制算法。PID 算法的參數(shù)應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的實際情況進行精確設(shè)定，確保系統(tǒng)能夠快速、穩(wěn)定地響應(yīng)面密度的偏差并進行調(diào)整。對控制系統(tǒng)軟件進行嚴格的測試，包括功能測試、性能測試和穩(wěn)定性測試。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理與糾錯機制

（1）建立完善的數(shù)據(jù)處理機制，對采集到的數(shù)據(jù)進行濾波、去噪處理。例如采用數(shù)字濾波技術(shù)，去除由于環(huán)境干擾或傳感器自身波動產(chǎn)生的噪聲數(shù)據(jù)。

（2）設(shè)計數(shù)據(jù)糾錯機制，當(dāng)檢測到數(shù)據(jù)異常時，如數(shù)據(jù)超出正常范圍或者出現(xiàn)不合理的跳變，系統(tǒng)能夠自動識別并進行修正或重新采集，以保證數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。

2.3 環(huán)境適應(yīng)性方面

2.3.1 溫度和濕度控制

電池面密度閉環(huán)檢測系統(tǒng)應(yīng)安裝在溫度和濕度相對穩(wěn)定的環(huán)境中?？梢园惭b空調(diào)和除濕設(shè)備來調(diào)節(jié)環(huán)境溫濕度，并且對系統(tǒng)的關(guān)鍵部件進行溫度和濕度補償設(shè)計，以減少環(huán)境因素對檢測結(jié)果的影響。

2.3.2 電磁兼容性（EMC）

考慮到電池生產(chǎn)車間可能存在多種電氣設(shè)備，檢測系統(tǒng)應(yīng)具備良好的電磁兼容性[4]。在系統(tǒng)設(shè)計時，對電路進行電磁屏蔽，采用屏蔽罩、屏蔽電纜等措施，防止外界電磁干擾對系統(tǒng)的影響，同時也要控制系統(tǒng)自身的電磁輻射，避免干擾其他設(shè)備[5]。

2.4 維護與管理方面

制定詳細的維護計劃，定期對系統(tǒng)的各個部件進行檢查、清潔和維護。建立故障預(yù)警機制，通過監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，如傳感器輸出、執(zhí)行機構(gòu)的工作電流等，當(dāng)參數(shù)超出正常范圍時，及時發(fā)出預(yù)警信號，以便提前進行檢修，避免故障的發(fā)生。

3 面密度閉環(huán)檢測流程

3.1 數(shù)據(jù)采集

3.1.1 極片厚度測量

利用激光測厚儀對新能源電池極片進行厚度測量。激光測厚儀發(fā)射激光束到極片表面，根據(jù)激光反射或散射回來的時間、角度等信息，基于三角測量原理或激光干涉原理計算出極片的厚度。例如，當(dāng)激光束照射到極片上時，部分激光被反射，測量反射光與發(fā)射光之間的角度和時間差等參數(shù)，從而得出極片在測量點處的厚度值。

3.1.2 極片寬度測量

通過寬度測量儀（如基于光柵尺測量技術(shù)的設(shè)備）來獲取極片的寬度信息。光柵尺上的刻度線在極片邊緣經(jīng)過時，會產(chǎn)生光學(xué)信號變化，根據(jù)這些信號的變化計算出極片的寬度值。

3.1.3 極片重量測量

使用稱重傳感器對極片進行稱重操作。稱重傳感器中的應(yīng)變片會根據(jù)極片重量產(chǎn)生相應(yīng)的形變，這種形變量轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)過放大和轉(zhuǎn)換后得到極片的重量值。

3.2 面密度計算

3.2.1 數(shù)據(jù)傳輸與匯總

將上述測量得到的極片厚度、寬度和重量數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，這些數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)街醒胩幚砥骰蚩刂茊卧?/p>

3.2.2 數(shù)據(jù)計算

在控制系統(tǒng)中，根據(jù)面密度的計算公式：面密度＝質(zhì)量/（ 厚度× 寬度）例如，如果測量得到極片質(zhì)量為W（單位為g），厚度為h（單位為cm），寬度為 b（單位為cm），那么面密度A（單位為g/cm²）為：A ＝ W/（h×b）。

3.3 閉環(huán)控制階段

3.3.1 與目標值比較

將計算得到的面密度值與預(yù)設(shè)的目標面密度值進行比較。例行業(yè)分析INDUSTRY ANALYSIS016如，目標面密度值設(shè)定為A1，如果計算得到的面密度值A(chǔ) 與A1存在偏差，則需要進行調(diào)整。

3.3.2 工藝參數(shù)調(diào)整

根據(jù)偏差值，控制系統(tǒng)發(fā)出指令給執(zhí)行機構(gòu)調(diào)整生產(chǎn)工藝參數(shù)。如果面密度偏大，可能會降低涂布機的涂布速度或者減少涂布量；如果面密度偏小，則可能增加涂布速度或者涂布量。

4 面密度閉環(huán)檢測系統(tǒng)運用

4.1 電池生產(chǎn)過程中的質(zhì)量控制

4.1.1 實時監(jiān)測

在新能源電池的生產(chǎn)線上，該系統(tǒng)可以對極片的面密度進行實時監(jiān)測。例如，在涂布環(huán)節(jié)，隨著涂布機不斷地將漿料涂覆在集流體上，面密度閉環(huán)檢測系統(tǒng)可以即時測量極片的面密度，確保每一段極片的面密度都在規(guī)定的范圍內(nèi)。

4.1.2 精確調(diào)整

當(dāng)系統(tǒng)檢測到面密度偏離設(shè)定值時，可以自動調(diào)整生產(chǎn)工藝參數(shù)。例如，如果面密度過高，系統(tǒng)可以控制涂布機降低涂布速度或減少漿料的供應(yīng)量；如果面密度過低，則可以增加涂布速度或漿料供應(yīng)量。通過這種精確的調(diào)整，可以保證極片的面密度始終保持在最佳狀態(tài)，提高電池的一致性和性能。

4.2 研發(fā)與優(yōu)化

4.2.1 新材料測試

在新能源電池的研發(fā)過程中，經(jīng)常需要嘗試不同的材料和配方。面密度閉環(huán)檢測系統(tǒng)可以幫助研究人員準確地測量不同材料制成的極片的面密度，從而評估新材料的性能。例如，對于一種新型的正極材料，通過測量其在不同面密度下的充放電性能、循環(huán)壽命等指標，可以確定該材料的最佳面密度范圍，為后續(xù)的研發(fā)提供依據(jù)。

4.2.2 工藝優(yōu)化

該系統(tǒng)還可以用于優(yōu)化電池生產(chǎn)工藝。例如，通過對不同涂布工藝參數(shù)（如涂布速度、干燥溫度、壓力等）下極片面密度的變化進行研究，可以找到最佳的工藝參數(shù)組合，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。同時，還可以通過分析面密度與電池性能之間的關(guān)系，進一步優(yōu)化電池的設(shè)計和制造工藝。

4.3 產(chǎn)品性能評估

4.3.1 一致性評估

對于一批生產(chǎn)出來的新能源電池，面密度閉環(huán)檢測系統(tǒng)可以對極片的面密度進行抽樣檢測，評估產(chǎn)品的一致性。如果面密度的波動范圍較小，說明產(chǎn)品的一致性較好，電池的性能也更穩(wěn)定。反之，如果面密度波動較大，可能會導(dǎo)致電池性能的差異，影響電池的整體質(zhì)量。

4.3.2 性能預(yù)測

通過建立面密度與電池性能之間的關(guān)系模型，可以根據(jù)極片的面密度預(yù)測電池的性能。例如，已知某種類型電池在特定面密度下的容量、內(nèi)阻、循環(huán)壽命等性能指標，可以通過測量新生產(chǎn)電池的面密度，大致預(yù)測其性能表現(xiàn)。這對于電池的質(zhì)量控制和性能評估具有重要的指導(dǎo)意義。

4.4 產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同

在新能源電池產(chǎn)業(yè)鏈中，原材料的質(zhì)量對電池性能至關(guān)重要。面密度閉環(huán)檢測系統(tǒng)可以幫助電池生產(chǎn)企業(yè)對原材料進行質(zhì)量檢測。例如，對于采購的正極材料和負極材料，可以通過測量其制成極片后的面密度，判斷原材料的質(zhì)量是否符合要求。同時，也可以與原材料供應(yīng)商合作，共同優(yōu)化原材料的性能，提高整個產(chǎn)業(yè)鏈的質(zhì)量水平。

5 結(jié)束語

電池面密度閉環(huán)檢測系統(tǒng)通過在線檢測和閉環(huán)控制技術(shù)，實現(xiàn)了對電池極片面密度的實時監(jiān)測和精確控制。系統(tǒng)采用了高精度的測量技術(shù)、先進的數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)和閉環(huán)控制技術(shù)，具有測量精度高、控制效果好、穩(wěn)定性強等優(yōu)點。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠有效地提高電池的生產(chǎn)效率和質(zhì)量，具有廣闊的應(yīng)用前景。通過對面密度檢測系統(tǒng)的研究運用，公司實現(xiàn)降低增效，提升電池面密度一致性，改善電池界面，提升產(chǎn)品質(zhì)量及使用壽命，同時在檢測技術(shù)研究使用方面得到提升。

作者簡介：孫美昭，工程師，研究方向為計量檢測技術(shù)。