【设备】动力电池卷绕设备解析！

锂电池卷绕机是用来卷绕锂电池电芯的,是一种将电池正极片、负极片及隔膜以连续转动的方式组装成芯包(JR:JellyRoll)的机器。

国内卷绕制造设备始于2006年，从半自动圆形、半自动方形卷绕、自动化制片开始，之后是组合自动化,制片卷绕一体机,激光模切卷绕一体机，阳极连续卷绕机，隔膜连续卷绕机等。

（1）卷绕机原理

卷绕机有正、负极送料单元，将正极、负极和隔膜卷绕在一起的机构叫卷针。

按照电池芯的形状主要分为方形和圆柱形电池电芯卷绕机，一般卷绕设备采用两副或以上卷针、单侧抽针的结构。卷绕机的主要机构有：正负极极片和隔膜主动放卷、极片和隔膜换卷、自动纠偏、自动张力检测与控制。极片由夹辊驱动机构引入卷针部分，与隔膜一同按照工艺要求进行卷绕。卷绕完成后自动换工位、切断隔膜和贴终止胶带，成品裸电芯自动下料后，经过预压、扫码，良品成品裸电芯自动转移到托盘中再转移到后工序。不良品裸电芯自动卸料到不良品裸电芯收集处。卷绕的工艺流程如下图：

卷绕设备工艺流程图

（2）卷绕机理说明

①预卷绕：正负极片初始送极片过程，该过程中正负极片在送极片机构夹持极片以一定的速度送入卷针，需要控制卷针的旋转角和速度与送极片机构相匹配。该过程涉及两个同步：隔膜的放卷速度与卷针速度的同步，送极片速度与卷针的速度同步。

②卷绕过程：在完成了正负极片初始送极片过程后，正负极片被隔膜裹紧，并绕卷针缠绕，后续转动卷针即可实现连续卷绕。该过程中通过检测料卷的张力大小调整极片放料电机的放料速度，来保证卷绕过程中料卷的的恒定张力。

卷绕过程示意图

预卷绕中的控制问题属于开环控制问题，卷针、隔膜和极片两两之间是否真正的同步没法准确测量，这就要求我们建立准确的卷绕控制模型，尤其是对于尺寸较大的电池的卷绕要求更高。卷绕中料带张力，可以在控制中采用闭环反馈控制技术。

另外，卷绕过程中，我们实际控制的是卷绕电机转动的速度，而实际速度是各料卷以及卷针卷绕实际半径的函数，该半径是动态变化的。目前，在没有实际传感器测量的情况下，我们假设料卷一次上料后卷芯逐步增大，中间半径的变化规律完全符合阿基米德螺旋线定律。初始卷料半径通过程序预先设定。

③卷绕过程动态控制模型：由于预卷绕过程属于开环控制，准确的数学模型是卷绕控制系统成败的关键。尤其是对于极片的线速度大于1m/s时，准确的卷绕模型是控制卷绕张力的稳定，是卷绕质量控制的关键核心。

④电芯高质卷绕：电芯高质量卷绕的核心问题是卷绕电芯的隔膜、极片贴合均匀，表现为没有间隙，而且电池使用过程中隔膜和极片相互间在各个方向保持接触应力均匀一致。

这对卷绕机提出两个方面的要求，一是：卷芯抽卷针后依然保持贴合应力的一致，这样对卷针轮廓形状的设计非常重要，尤其是方形卷绕电池，要保证卷绕抽针后极片和隔膜的贴合应力均匀，卷绕轮廓曲线必须是一阶导数连续的封闭曲线，判断原则是曲线不断，平滑无尖角。其次是：隔膜、极片进入卷针时，在卷针切线的母线方向，张力是一致的，这要求隔膜极片的纠偏幅度不应该太大，应该保证在隔膜、极片弹性范围内的一个限值。

⑤方形卷绕电芯的GAP问题

即使方形电芯的卷针曲线是一阶导数连续的封闭曲线，压扁后极片、隔膜没有间隙，但在电池的充放电过程中，因为极片膨胀和收缩程度的不一致，会导致极片间的间隙随着充电循环逐步变大，当此处的电解液不富裕时，锂离子不能实现转移，将影响容量的发挥，长时间的使用会带来析锂安全问题。并且，随着能量密度提升的要求，负极逐步导入硅负极体系，由于硅负极极片膨胀大，卷绕方式的极组容易出现内圈极片断裂，影响电池使用寿命，限制了硅材料添加量。建议采取的办法是注液时适当增加富裕的电解液。

卷绕卷芯的特点如下：

♦极片、隔膜连续一体，制造效率高；

♦卷绕只有两条边，边缘少，极片完整，便于控制毛刺；

♦生产控制简单，操作容易，控制难度低；

♦不宜卷太厚、层间互相影响，容易变形；

♦极片柔性要求高；

♦极片横向张力不一致，内部可能产生间隙，贴合应力难以均匀；

♦极片膨胀带来GAP问题、难以实现高质量。

卷绕机布局示意图

①高速、高精度：卷绕极片的线速度由现有的2-3m/s发展到4-5m/s，卷绕极片对齐精度由现有的±0.3mm提升至±（0.1-0.2）mm。

②高合格率：CPK由1.33到1.67，最终发展到2.0以上，达到免检水平。

③稳定性：提升平均无故障时间，由现有几十、几百小时提升至千、万小时的水平。

④设备实现数字化、智能化控制：卷绕张力、极片与隔膜的对齐度实现在线监控，卷绕参数和最终电池性能参数实现闭环优化，实现卷绕合格率提升。

⑤激光模切卷绕一体化：激光模切与卷绕工序结合实现设备集成一体化。

⑥高速卷绕机：通过隔膜连续卷绕技术的突破，实现卷绕效率的倍增。

基于多年的技术沉淀和积累，卷绕工艺在生产设备、技术工艺、效率、成本等方面都具有明显的优势，但在车规级动力电池对于标准化、大容量和大尺寸的需求趋势下，卷绕工艺已经开始“力不从心”。如何提升卷绕的质量是行业面临的核心问题。