通過控制極片的速度、 張力、尺寸、偏差等因素，將分條后尺寸相匹配的極片及隔膜、終止膠帶等卷成極芯的一種生產(chǎn)工藝。

圖1 卷繞設備

01設備分類概述

1.1 主流卷繞機分類

       鋰電池卷繞機是用來卷繞鋰電池電芯的，是一種將電池正極片、負極片及隔膜以連續(xù)轉(zhuǎn)動的方式組裝成芯包的機器。卷繞機有正、負極送料單元，將正負極隔膜卷繞在一起的部分叫卷針。

       依據(jù)卷繞芯包的形狀類型不同，卷繞設備可以主要分為方形卷繞和圓柱卷繞兩大類。方形卷繞可以細分為方形自動卷繞機和方形制片卷繞一體機兩類，方形卷繞出來的電芯主要用來制作動力／儲能方形電池、數(shù)碼類電池等。不同種類的電池卷繞設備如圖2所示。

圖2 不同種類的電池卷繞設備

       依據(jù)卷繞機的自動化程度可以劃分為手工、半自動、全自動和一體機等類型。按照制作的芯包大小可以劃分為小型、中型、大型、超大型等。

       表1 卷繞機規(guī)格芯包尺寸對照表

       鋰電池自動化生產(chǎn)設備的出現(xiàn)始于日本Kaido公司于1990年成功研發(fā)的第一臺方形鋰電池卷繞機。韓國Koem公司于1999年成功開發(fā)出鋰電池卷繞機和鋰電池裝配機。隨后鋰電池自動化生產(chǎn)設備開始發(fā)展起來，但日韓始終處于領頭羊的地位，憑借良好的技術(shù)與聲譽占據(jù)著市場的主要份額。國內(nèi)卷繞制造設備始于2006年，從半自動圓形、半自動方形卷繞、自動化制片開始，之后是組合自動化制片卷繞一體機。

1.2 卷繞工藝發(fā)展的困境

       不可否認，基于多年的技術(shù)沉淀和積累，卷繞工藝在生產(chǎn)設備、技術(shù)工藝、效率、成本等方面都具有明顯的優(yōu)勢，但在車規(guī)級動力電池對于標準化、大容量和大尺寸的需求趨勢下，卷繞工藝已經(jīng)開始“力不從心”。

       下圖顯示的是卷繞電芯的標準結(jié)構(gòu)特性，兩端有圓角區(qū)域（圖3）。在電池的充放電過程中，因為膨脹和收縮不一致，會導致極片與隔膜間隙變大，當此處的電解液不富裕時，將影響容量的發(fā)揮，長時間的使用會帶來析鋰安全問題。并且，隨著能量密度提升的要求，負極逐步導入硅負極體系，由于硅負極極片膨脹大，卷繞式極組容易出現(xiàn)內(nèi)圈極片斷裂，影響電池使用壽命，限制了硅材料添加量。卷繞電芯變形及圓角區(qū)間隙變形如圖4與圖5所示。

圖3 卷繞電芯圓角區(qū)示意圖

圖4 卷繞電芯變形

圖5 卷繞電芯圓角區(qū)間隙變形

1.3 卷繞機未來發(fā)展方向

①高速、高精度：卷繞極片的線速度由現(xiàn)有的2～3m/s發(fā)展到5m/s，卷繞極片對齊精度由現(xiàn)有的±0.3mm提升至±(0.1~0.2)mm。

②高合格率：CPK由1.33到1.67，最終發(fā)展到2.0以上，達到免檢水平。

③穩(wěn)定性：提升平均無故障時間，由現(xiàn)有幾十、幾百小時提升至千、萬小時的水平。

④設備實現(xiàn)數(shù)字化、智能化控制：卷繞張力、極片與隔膜的對齊度實現(xiàn)在線監(jiān)控，卷繞參數(shù)和最終電池性能參數(shù)實現(xiàn)閉環(huán)優(yōu)化，實現(xiàn)卷繞合格率提升。

⑤激光模切卷繞一體化：激光模切與卷繞工序結(jié)合實現(xiàn)設備集成一體化。

⑥高速卷繞機：通過隔膜連續(xù)勻速運動技術(shù)的突破實現(xiàn)卷繞效率的倍增。

02設備原理、組成及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)

2.1 卷繞機原理

       主要用于方形電池或圓柱電池裸電芯的自動卷繞，設備采用兩副或以上卷針、單側(cè)抽針的結(jié)構(gòu)，卷料正負極極片和隔膜主動放卷、極片隔膜換卷、自動糾偏、自動張力檢測與控制，極片由夾輥驅(qū)動機構(gòu)引入卷繞部分，與隔膜一同按照工藝要求進行自動卷繞。卷繞完成后自動換工位、切斷隔膜和貼終止膠帶，成品裸電芯自動下料后，經(jīng)過預壓、掃碼，良品成品裸電芯自動轉(zhuǎn)移到托盤中再轉(zhuǎn)移到后工序。不良品裸電芯自動卸料到不良品裸電芯收集處。其工藝流程如圖6所示。

圖6 卷繞設備工藝流程圖

2.2 卷繞機理說明

①預卷繞：正負極片初始送極片過程，該過程中正負極片是送極片電機以恒定的速度控制送料速度，需要控制卷針的旋轉(zhuǎn)角速度與該送極片速度匹配。該過程涉及6個電機。其中涉及兩類同步：隔膜的放卷速度與卷針速度的同步；送極片速度與卷針的速度同步。

②卷繞過程：在完成了正負極片初始送極片過程后，正負極片被隔膜裹緊，并繞卷針纏繞一周后的卷繞。該過程中通過檢測料卷的張力大小調(diào)整極片放料電機的放料速度，以保證卷繞過程中料卷的恒定張力。

圖7 卷繞過程示意圖

       卷繞過程示意圖如圖7所示。該過程涉及6個電機。其中涉及兩類同步：隔膜的放卷速度與卷針速度的同步；極片放料速度與卷針的速度同步。預卷繞中的控制問題屬于開環(huán)控制問題，兩者之間是否真正的同步?jīng)]有反饋量標定，這就要求我們建立準確的卷繞速度模型。卷繞中存在料卷的張力測量，可以在控制中采用閉環(huán)反饋控制技術(shù)。

       另外，卷繞過程中，我們實際控制的是各電機轉(zhuǎn)動頻率，而實際速度是各料卷以及卷針卷繞實際半徑的函數(shù)，該半徑是動態(tài)變化過程。目前，在沒有實際傳感器測量的情況下，我們假設料卷一次上料后，中間半徑的變化規(guī)律完全符合阿基米德螺旋線定律，不考慮其中人為換卷的影響。而且初始卷料半徑通過程序預先設定。

③卷繞過程動態(tài)建模：由于預卷繞過程屬于開環(huán)控制，準確的數(shù)學模型是決定所做系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。

2.3 設備組成及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)

       設備主要模塊清單包括：極片／隔膜自動放卷模塊，極片／隔膜換卷模塊，自動糾偏模塊，導輥模塊，極耳導向撫平模塊，主驅(qū)模塊，張力控制模塊，張力測量／顯示與儲存模塊，極片入料模塊，隔膜除靜電裝置，極耳打折／翻折及極片破損檢測模塊，CCD在線檢測模塊，極片切斷模塊，除塵系統(tǒng)，極片和隔膜不良品單卷與剔除模塊，卷繞頭組件，隔膜切斷模塊，隔膜吸附模塊，貼終止膠帶模塊，自動卸料模塊，裸電芯預壓模塊，下料模塊，設備框架和大板模塊。

       卷繞機布局示意圖如圖8所示。

圖8 卷繞機布局示意圖

關(guān)鍵結(jié)構(gòu)如下：

①極片／隔膜自動放卷系統(tǒng)：由極片／隔膜自動放卷軸、接帶組件、放卷糾偏等組成。實現(xiàn)由極片／隔膜卷料的固定、自動放卷、極片自動換卷等功能。放卷軸采用機械或氣動脹緊方式，輔助塊規(guī)、邊緣檢測等機構(gòu)便于快速定位。

②自動糾偏模塊：由多級糾偏機構(gòu)組成，糾偏方式可采用掛軸移動、導輥擺動、夾輥驅(qū)動等多種糾偏方式。通過對物料走帶邊緣實時檢測、控制和顯示，實現(xiàn)物料邊緣在走帶過程中實時修正。傳感器位置設置避免粉塵堆積，影響邊緣值檢測的準確性。主要參數(shù)放卷糾偏精度±0.2mm，過程糾偏精度±0.1mm。

③張力控制系統(tǒng)：由張力檢測傳感器、張力執(zhí)行機構(gòu)和顯示儲存模塊組成。張力執(zhí)行機構(gòu)包括直線電機、低摩擦氣缸或伺服電機等。張力檢測機構(gòu)盡可能靠近卷針機構(gòu)。通過有效地控制物料走帶張力，可以實現(xiàn)逐圈張力設置、調(diào)控的功能。要做到精準控制，不能因卷繞張力問題造成裸電芯變形。卷繞過程中，隨著卷徑的逐漸加大，為保證電芯的緊實度，張力會逐漸加大。在每一圈極片內(nèi)，需控制張力的波動在一定的范圍內(nèi)。單圈內(nèi)極片、隔膜張力波動情況如圖9所示。

圖9 極片單圈內(nèi)極片、隔膜張力波動情況

④極片入料模塊：由正負極夾輥驅(qū)動機構(gòu)、送料機構(gòu)組成，完成卷繞前極片的入料。卷繞過程中入料位及物料間相對位置不發(fā)生變化，入料夾輥和卷入前的極片自由長度在保證入料和收尾的前提下越短越好。極片入料處具備入料吹氣導向功能，并使用數(shù)顯式氣壓監(jiān)測，吹氣和導向方向角度可調(diào)并配有角度刻度盤。同時入料有效、低噪聲、無污染、傾斜角度方便量化調(diào)節(jié)。

⑤極片切斷模塊：由正負極極片壓緊、切斷機構(gòu)組成，可實現(xiàn)自動檢測極片尾部mark孔（激光模切制作），數(shù)到設定極耳數(shù)后，或通過識別極耳間距，再走完定長切斷極片，還可實現(xiàn)計長切斷極片的功能。切刀刃部建議采用鎢鋼等硬質(zhì)材料，且動刀刃部和定刀刃部都有角度要求。另外，切刀位需要有隔離防護擋板和警示標識，同時做防粘處理。

⑥極片和隔膜不良品單卷與剔除模塊：由伺服電機、聯(lián)軸器、直線導軌機構(gòu)組成，并通過程序設置完成單獨剔除功能。實現(xiàn)不良正負極極片獨立無隔膜單卷和隔膜單卷剔除功能。當檢測到正負極極片不良時，可自動實現(xiàn)與隔膜一起卷繞剔除，也可實現(xiàn)獨立分別剔除。不良品采用獨立機構(gòu)卸料至壞品盒內(nèi)。無隔膜單卷過程中極片不與其他部件產(chǎn)生干涉或摩擦，不影響下一個物料的糾偏。

⑦卷繞模塊：由雙工位或多工位機構(gòu)設備雙伺服電機或多伺服電機驅(qū)動機構(gòu)，對應2套或多套卷針機構(gòu)。同時配置換工位后轉(zhuǎn)塔鎖緊、定位機構(gòu)。實現(xiàn)電芯的卷繞和不同卷繞工位的自動轉(zhuǎn)換，并能實現(xiàn)恒線速度卷繞?？梢詫崿F(xiàn)正極或負極先入料卷繞、正負極同時入料卷繞的功能。在卷繞電芯制作過程中，防止電芯內(nèi)部褶皺的產(chǎn)生是非常重要的事項。電芯內(nèi)部的褶皺將導致電池在實際使用過程中的局部析鋰，從而帶來非常大的安全風險。針對褶皺的產(chǎn)生，存在卷繞褶皺定律：針對不同的卷針，卷繞芯包層間會存在褶皺的可能。產(chǎn)生褶皺的原因是當極片在卷針逐圈積累過程中，極片層間增大半徑δ，同時極片的積累長度也會增大，當極片的積累周長長度增大變化率與卷繞半徑增長率不相等時，卷繞抽針芯包壓扁后，內(nèi)部極片將產(chǎn)生褶皺現(xiàn)象，這就是卷繞褶皺定律。一般菱形卷針由于結(jié)構(gòu)特性，在卷繞過程中極片張力波動較大，卷繞過程中極片周長增長率與半徑增長率不一致，從而會導致層間褶皺現(xiàn)象的產(chǎn)生。相比較來說，橢圓形、類圓形、圓形卷針就不存在褶皺的問題。不同類型卷針對比見表2。

       表2 不同類型卷針對比表

⑧隔膜切斷模塊：由熱切刀機構(gòu)和防護機構(gòu)組成，可按照產(chǎn)品所需隔膜長度將隔膜切斷。切刀部位需要有高溫及刃部安全防護和警示標識，同時有隔熱裝置。具有吹氣和轉(zhuǎn)塔主軸撫平輥撫平切斷后隔膜、防止隔膜打皺的功能。在隔膜切斷后需要立刻吸附隔膜，防止由于隔膜靜電大而造成隔膜卷曲，最終導致隔膜收尾不良。

⑨終止膠帶粘貼模塊：由自動備膠、膠帶mark孔感應器、貼膠輥等組成。卷料膠帶開卷后按所需長度自動備好膠帶，自動檢測膠帶mark孔，貼在裸電芯側(cè)面拐角處或收尾處。終止膠帶粘貼機構(gòu)設計成帶有自適應性的結(jié)構(gòu)，膠帶的粘貼位置可根據(jù)裸電芯在卷針上的位置變化而進行調(diào)整。膠帶放卷機構(gòu)具備主動放卷功能且具有除靜電功能。

⑩預壓下料模塊：由裸電芯卸料機構(gòu)、裸電芯預壓、裸電芯下料轉(zhuǎn)移機構(gòu)等組成。自動從卷針上面下料，在良品裸電芯運輸過程中實現(xiàn)對裸電芯的預壓，預壓后對電芯表面的二維碼進行掃碼綁定信息，然后由傳輸皮帶將電芯轉(zhuǎn)移到下料機。與裸電芯接觸的壓板需防粘電芯處理，同時具有預壓壓力感應器，不損傷裸電芯。

?除塵系統(tǒng)：由正負極片切刀處除塵裝置、毛刷裝置、除靜電組件、正負極片／隔膜磁棒、分離式防塵外罩、FFU系統(tǒng)等組成。吸取或除去極片、隔膜和裸電芯表面粉塵以及防止環(huán)境粉塵進入裸電芯。并且除塵器進／出風管采用阻燃、防靜電材料，管內(nèi)壁光滑，濾芯為防靜電材質(zhì)，進出風管避免直角拐彎。整體式封閉防塵外罩采用分隔式透明外罩和隔板，隔離出不同區(qū)間，即正負極極片區(qū)、隔膜區(qū)、卷繞區(qū)、卸料區(qū)，以防止物料間粉塵相混及外部粉塵的混入。同時通過使用FFU控制設備內(nèi)部的空氣流向，始終保持卷繞機內(nèi)部呈略高于外界的正壓狀態(tài)。所有旋轉(zhuǎn)連接件、扣合件、蓋板和拉帶配合位置等摩擦碰撞發(fā)生區(qū)域，應使用金屬和非金屬配合或全非金屬材料配合。需采用禁銅氣動元件以及非銅／鋅材質(zhì)以及無銅／鋅表面處理的配件，防止金屬銅、鋅粉塵的產(chǎn)生和污染。負壓吸塵管路匯集到一個吸塵總管后引出設備，整個流場經(jīng)過仿真模擬，進風管道風速有一定的要求，同時避免直角拐彎，如果彎管大于45°需要檢修口。

?極片過程檢測系統(tǒng)：由多套高分辨率工業(yè)相機、機械視覺光源、安裝機構(gòu)、工控機及顯示器等組成。視覺CCD相機拍取電芯四個角位的陰極極片、陽極極片與上下隔膜和既定標示之間位置的圖片，通過PC機器視覺軟件分析物料邊緣或分界邊與標示位置的二維距離，再通過計算機運算實時得到同一圈陽極與上隔膜、同一圈陰極與陽極、同一圈陰極AT9與陽極、同一圈下隔膜與陰極、上一圈陰極與下一圈陽極的錯位值，并實現(xiàn)實時以散點連接曲線和圖層顯示在顯示器或觸摸屏上。同時系統(tǒng)對電芯錯位值進行處理，計算出每個裸電芯層與層之間錯位值的最大值、最小值、平均值等，檢測范圍為電芯第一圈至最后一圈全檢。

       CCD檢測示意圖如圖10所示。檢測系統(tǒng)安裝在卷繞機卷針外側(cè)附近，不影響設備卷繞部件的動作及操作，角度及離大板距離連續(xù)可調(diào)。結(jié)構(gòu)件需強度高、安裝牢固，不對測量精度產(chǎn)生影響。相機和鏡頭同時有防撞設計，避免意外碰撞導致的結(jié)構(gòu)件位置變動或損壞。

圖10 CCD檢測示意圖

03設備選擇與應用案例

(1)明確來料工藝

確認來料兼容要求：正負極極片寬度、厚度范圍、波浪邊、蛇形彎、料卷卷徑、卷筒內(nèi)徑等參數(shù)。

(2)明確產(chǎn)品規(guī)格

①確認兼容裸電芯規(guī)格，主要參數(shù)包括電芯厚度、寬度、高度等（表3）。

       表3 電芯規(guī)格示例

電芯尺寸如圖11所示。

圖11 電芯尺寸示意圖

②明確貼膠工藝，采用單面貼膠或雙面貼膠方式。明確膠帶的寬度、貼膠長度等尺寸。

(3)明確設備配置

①功能配置：依據(jù)來料工藝及產(chǎn)品規(guī)格來確認設備整體配置要求，放卷配置包括正負極雙放卷及自動換卷功能，隔膜雙掛軸放卷，人工換卷；糾偏控制包括極片過程三級以上糾偏。卷繞頭采用直驅(qū)驅(qū)動方式，卷針種類采用菱形卷針、橢圓卷針或圓形卷針，卷針數(shù)量采用雙卷針或三卷針。卷針下料采用雙夾爪方式進行下料。電芯下料后進行電芯預壓，再進行下料流轉(zhuǎn)。

②制定機械、電氣、信息系統(tǒng)通用規(guī)范并執(zhí)行。