「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。
卷绕的原理
（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。
卷绕的特点
依据卷绕机的自动化程度可以划分为手工、半自动、全自动和一体机等类型。按照制作的芯包大小可以划分为小型、中型、大型、超大型等。如下是几种卷绕机的示意图。
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。
卷绕机的关键结构
设备主要模块包括： 极片/隔膜自动放卷模块，极片/隔膜换卷模块，自动纠偏模块，导辊模块，极耳导向抚平模块，主驱模块，张力控制模块，张力测量/显示与储存模块，极片入料模块，隔膜除静电装置，极耳打折/翻折及极片破损检测模块，CCD在线检测模块，极片切断模块，除尘系统，极片和隔膜不良品单卷与剔除模块，卷绕头组件，隔膜切断模块，隔膜吸附模块，贴终止胶带模块，自动卸料模块，裸电芯预压模块，下料模块，设备框架和大板模块。
卷绕机布局示意图
卷绕机的发展趋势
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。
卷绕工艺及设备
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。
全自动卷绕机
国外卷绕制造设备始于1990年，从半自动圆形、半自动方形卷绕、全自动一体机（三轴），起步比较早且自动化程度比较高。
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等。
卷针：
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。
卷针
卷针套
按照电池芯的形状分为：
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。
公转机构
卷针机构
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。
动作原理：
极片由夹送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。不良品裸电芯自动剔除到不良品收集处。
卷绕的工艺流程如下图：
卷绕机原理说明：
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，预卷速度要慢同时夹角位置要合适，否则电芯中心距会不稳定。
卷绕过程示意图1
②卷绕过程
在完成了正负极片初始送极片过程后，正负极片被隔膜包覆，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/变速张力。
卷绕过程示意图2
预卷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。
卷绕中物料张力，可以在控制中采用闭环反馈控制技术。在线检测张力显示、在线检测纠偏显示，时时根据反馈的数据进行调整。
卷绕部位，经压轮离卷针越近，电芯内圈应力越小，电池形变就会降低。
卷绕过程示意图3
卷绕过程示意图4
③卷绕过程动态控制
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电芯高品质卷绕
电芯高品质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。
卷绕过程中就是一个减速过程：卷绕张力随着卷绕圈数递减，减算张力,是电芯在卷绕的过程中,极板的张力是变化的,变化要求在此功能设定。
减算张力的设定,按照不同型号卷绕圈数不同开始递减,每卷绕1.5圈递减一次, 计算每圈递减的张力公式为:每圈递减的张力=(设定张力-最终张力 )/(卷绕圈数/1.5)。
卷绕过程示意图5
⑤方形卷绕电芯的张力问题
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，产生形变。
⑥电芯形变的因素
由于受到两侧阴极的束缚，阳极内部产生应力，当阳极直线段没有”缺陷”时，应力主要集中在极片转角处，当转角处内外两侧均受到束缚时，根据两侧束缚的大小关系，有两种可能的趋势。
内侧束缚>外测束缚时，转角有向外侧位移的趋势，应力向外侧释放----（可能诱导B类变形）。
内侧束缚<外测束缚时，转角有向内侧位移的趋势，应力向内侧释放---- ( 容易导致A类变形)。
⑦使用粘性隔膜
陶瓷隔膜：在原来锂电池隔膜上面（包括干法 湿法隔膜）以三氧化二铝和粘结剂以及去离子水混合搅拌为浆料，采用微凹版 挤压涂布的方式来在基材隔膜上面做一层或者两面各一层的陶瓷面，厚度为2-4um。 电池耐高温、防穿刺、降低厚度方面表现出优异性能。
PVDF凝胶隔膜：在基材上涂上一层或两层PVDF，单面涂层厚度≤1um，相对于其它类型的隔膜，在热压工序后，涂胶隔膜的PVDF涂层会与极板中的粘结剂发生融合，显著提高电池的机械强度，防止在电池循环过程中发生形变，从而显著提高循环性能和安全性能。
⑧卷绕机构和隔膜静电消除
隔膜在静电作用下，预卷负极过程中隔膜牢牢吸附在极板表面，预卷会有一个停顿到启动的动作，隔膜会有一定的拉伸作用，同时卷针转角处最容易形成应力 。
隔膜在静电作用下，预卷正极过程中隔膜牢牢吸附在极板表面，预卷会有一个停顿到启动的动作，隔膜会有一定的2次拉伸作用，同时卷针转角处最容易形成应力。
电芯卷绕完成后，自然状态下隔膜会有一定收缩，因极板紧紧贴在隔膜上，隔膜收缩时会带动极板形成褶皱感，所谓的极板贴合不好，从而产生形变。(一般在内圈3~4圈表现尤为突出，电池中间形变凸起）经压轮距离卷针越近越好，产生的内应力越小。
⑨方形卷绕电芯的卷止胶带贴附力
早期凸轮顶着卷针旋转，施加的力比较大，卷芯最外的力被束缚，最终产生形变。后期改善凸轮设计，施加的力降低，电池形变降低。
早期的凸轮设计
后期的凸轮设计
⑩卷针设计
根据电芯形变分析：
以尽量小的卷绕初始张力进行变张力
尽量云线速度卷绕，即变速卷绕
加厚卷针设计改善电芯形变
① 卷绕R圆弧角比扁平卷针大，利于电芯R角处层与层之间距离不过紧
② 加厚卷针合并近似椭圆形，能减小卷绕过程中张力波动幅度和线速度波动幅度
③ 卷针加工过程中需注意开合角度，便于退芯顺畅
卷绕的特点
依据卷绕机的自动化程度可以划分为半自动、全自动和一体机等类型。按照制作的电芯大小可以划分为小型、超小型、中型、大型等。如下是几种卷绕机的示意图。
小型自动卷绕机
超小型自动卷绕机
中型自动卷绕机
大型自动卷绕机
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；
♦极片膨胀带来形变问题、难以实现高质量。
方形
圆柱形
卷绕机的关键结构
设备主要模块包括： 极片/隔膜自动放卷模块，极片/隔膜换卷模块，自动纠偏模块，导辊模块，极耳导向抚平模块，主驱模块，张力控制模块，张力测量/显示与储存模块，极片入料模块，隔膜除静电装置，极耳打折/翻折及极片破损检测模块，CCD在线检测模块，极片切断模块，除尘系统，极片和隔膜不良品单卷与剔除模块，卷绕头组件，隔膜切断模块，隔膜吸附模块，贴终止胶带模块，自动卸料模块，裸电芯预压模块，下料模块，设备框架和大板模块。
卷绕机布局示意图
卷绕工艺管控点
极耳尺寸、焊接尺寸、贴胶尺寸、卷绕尺寸、对位数据等。
电芯
Overhang边缘检测（负极尺寸过量设计）
卷绕机的发展趋势
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。
结语
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，未来向自动化、智能化发展！
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