锂电池生产线涂布模块电气控制系统的设计【开题报告】

开题报告

电气工程及其自动化

锂电池生产线涂布模块电气控制系统的设计

一、课题研究意义及现状

锂离子电池是目前理想的新一代绿色能源，它具有储能比能量高、循环寿命长、不会产生污染等优点。由于锂电池有着显著的优越性，世界各国都很重视，尤其是动力锂电池更备受关注。

我国现在已是世界上的电池制造大国，目前的电池产量和出口量都位居世界第一。但需要知道的是，国内目前涉足动力锂电池的企业，无论是材料生产商，电芯制造企业，还是其他配套的企业，多数对行业、市场缺乏深刻了解，在技术上也存在着各种瓶颈，并且一时难以找到有效解决方案。此外，由于锂电技术发展迅速，随着锂电池材料、型号、质量要求以及工艺需求的不断改变，国内还没有建立一套统一的锂电池行业标准。由此可见，我国的整体技术比国外要落后的多，要想在国际市场上占有一席之地，必须要有自己的核心技术。

今后，国内各大锂电池生产企业必须以全自动化、高精度设备为发展方向，生产出具有自主产权的高性能专用生产设备，保证产品的高品质，不断扩大市场需求，走向世界。目前，中国锂电已经进入自足时代，量产能力迅速成长，在性价比上拥有外资品牌暂时无法比拟的优势。不过，在保证电池一致性方面，半自动生产方式显然无法企及全自动化生产。因此不少厂商在市场上初步站稳脚跟之后，不惜投入大量资金引进全自动生产线。由于国内在该行业的落后，技术上的瓶颈得不到解决，国内很多专门生产锂电池设备的大公司也只能先通过引进国外的先进设备，然后经过一段时间的调试和熟悉，摸透生产设备的设计原理和机器性能之后，然后由工程师模仿人家的技术做出自己的设备来。

锂电池属于一个新兴的绿色能源行业，锂电池生产技术也是一门新兴科技。目前，国内从事锂电池设备研究和生产的企业为数很少，主要以深圳雅康、浩能、鸿宝、锂易安等几家公司为主。这几家公司主要以生产间歇式涂布机、连续涂布机、连续分条机、微电脑裁切机、全自动卷绕机、半自动卷绕机等设备为主。在锂电池生产工艺过程中，包含以下环节：搅料、涂布、对辊、剪裁、焊接、卷绕、封装、注液、高温老化、检测、包装。其中，涂布环节显得尤为重要。锂电池的性能和使用寿命等优越性是通过每一道生产工艺过硬的技术参数和生产技术体现出来的，而在涂布这个生产工艺要求最高，极片的厚度、致密度、粘稠度、留白都是随时要调节的重要参数，还有张力、速度、温度等方面的控制，这一系列的技术参数都要求设备具备高精准、高精度的特性，而这一系列动作都要依靠于电气控制，而国内从事于锂电池生产设备研发的相关人员又很少，所以把涂布模块的电气控制系统的研究作为我的毕业设计相当有意义。

二、课题研究的主要内容和预期目标

1.课题研究的主要内容

1) 进行PLC 点数的确定、PLC 的选型，初步选用三菱3U FX -64MR 、32ET -2N FX 、14MR -2N FX 型PLC 。

2) 先完成电动机型号大小的选定，再对变频器、伺服驱动器、步进驱动器进行选型。主电路的设计与绘制、外部电路接线图的设计及梯形图的设计。

3) 计算设备的总功率，再根据功率大小来选择断路器的容量、电源线的大小。

4) 对各个小断路器、接触器、继电器、滤波器、触摸屏、传感器等一些电气元件进行选定。

5) 完成主电路的设计与绘制、外部电路接线图的设计及梯形图的设计。

6) 完成触摸屏的设计与绘制。

7) 最后在PLC 实验室进行调试，完成整个设计方案。

2.预期目标

通过对涂布机整个生产工艺过程的了解，先根据技术要求完成PLC 、变频器、伺服驱动器、步进驱动器、伺服电机、步进电机以及其它电气元件的选型，再根据所有设备的总功率来选择断路器的容量，从而决定电源线的大小，然后完成主电路和触摸屏的设计与绘制、I/O 地址分配，外部电路接线图的设计，梯形图的设计等。根据要求完成符合动作顺序、温度控制、定位控制、速度控制要求的电气控制系统方案，最后在实验室进行模拟调试。

三、课题研究的方法及措施

1．涂布工艺

在锂电池生产工艺过程中，包含以下环节：搅料、涂布、对辊、剪裁、焊接、卷绕、封装、注液、高温老化、检测、包装。其中，涂布环节显得尤为重要。所谓涂布就是将搅拌好的浆料涂到一层十几个毫米的金属薄膜上去（称之为极片），而涂布过程中随时要调整涂布参数以及极片的宽度、留白等。涂布模块包括放卷机构、涂布机工作台、烘箱和收卷机构。其中放卷、牵引和收卷电机用三台变频器来控制，三者运行速度要保持一致，否则就会造成局部张力不均而导致断带或者带子太松使系统报警、停止运行。涂辊、背辊、左右推动、烘箱过辊、左右调刀七台伺服电机通过伺服驱动器来控制，它们的分别如下：涂辊、背辊、左右推动电机都用于控制极片的涂布；给系统设定好极片的长度、留白等参数后，系统进入运行，带子通过背辊和其它圆辊前进，当光纤传感器检测薄膜时，左推动电机和右推动电机一起推动背辊向涂辊上靠，旋转中的涂辊将浆料涂到薄膜上，当涂到设定好的长度后，左右推动电机又推动背辊很快弹开涂辊，就有一段距离的留白，等留白距离也够了之后，左右推动电机又推动背辊向涂辊上，涂好一片后又弹开，这样一片一片涂下去；烘箱过

辊电机用于烘箱内薄膜带的传输；左右调刀电机是用来控制刀口位置的，当涂好的极片经仪器检测之后就知道其厚度是否达标，如果厚度偏大或者偏小了，就可以当即给系统重新设定一个刀口高度，然后再检测重新设置后的极片厚度，如还不合格，再根据需要增大或者减小，如此调试几次之后使极片的规格符合技术标准。另外，系统的定位由三个步进电机来控制，分别是放卷纠偏电机、行程纠偏电机和收卷纠偏电机，电机根据AB6800纠偏器反馈回来的数据，进行位置调整，从而使薄膜不会走偏。根据气动原理，用一个步进电机借助一个机械结构来控制浆料的搅拌。烘箱内，将两台鼓风机放置成一上一下的形式，从而形成一个循环热风来维持烘箱的温度基本不变。涂布环节的生产工艺好坏直接关系到锂电池生产出来之后的性能和使用寿命。因此，研究涂布模块电气控制系统的意义非常重要。

2．系统总体框图

烘箱温度传感器用来向温控制传递烘箱实时的温度信息，如过高则温控器报警，从而提醒操作人员可以降低烘箱温度，如果过低就做出相应的提高。放卷、行程、收卷纠偏器都用于薄膜前进时位置的定位，使薄膜不会走偏。涂布光纤传感器用于检测薄膜是否到到位，第一个作用是：如果薄膜经牵引到达光纤传感器的位置，光纤传感器一经检测到此信息，马上给系统一个信号，然后系统就可以命令其它机构可以运行了；另外一个用途是，当薄膜涂完正面，将涂好的薄膜卷放置回放卷机构进行反面间涂时，光纤传感器用于检测正面的极片，当光纤传感器检测到正面涂好的第一片极片时，同样给系统一个信号，然后系统进入运行，开始反面间涂。系统采用光电编码器来反馈各电机的实时速度，使各个电机能够以同样的速率运行，保持薄膜带的张力均匀，避免断带等现象的发生。