双间隙涂布精度理论研究

陈哲 康文杰

摘要：间隙涂布是数码类锂电池最为常见的涂布工艺方式。近年来，对间隙涂布设备的产能要求越来越高，此外对间隙的尺寸要求也越来越小，在此基础上，需要涂布阀实现高速超小间隙的功能。本文论证了电动涂布阀结构及其控制流程，通过结构论证、系统响应时间分析、极限速度下间隙涂布可行性分析等方面进行理论计算论证能否达到25m/min、4±1mm间隙涂布的要求，达到行业领先级别的水平。

关键词：锂电池  高速小间隙涂布  电动间隙阀  涂布阀

Theoretical Study on Double Gap Coating Accuracy

CHEN Zhe  KANG Wenjie

（Huizhou Yinghe Technology Co.， Ltd.， Huizhou， Guangdong Province， 516025 China）

Abstract： Gap coating is the most common coating process for digital lithium batteries. In recent years， the capacity requirements of gap coating equipment are higher and higher， and the size requirements of gap are smaller and smaller. On this basis， the coating valve is required to realize the function of high-speed and ultra-small gap. This paper demonstrates the structure and control process of the electric coating valve. Through the structural demonstration， system response time analysis， gap coating feasibility analysis at the limit speed and other aspects of theoretical calculation to demonstrate whether it can meet the requirements of 25m/min， 4±1mm gap coating， to reach the industry leading level.

Key Words： Lithium battery; High-speed small gap coating; Electric gap valve; Coating valve

1 雙间隙涂布精度技术要求

为满足工艺需求，涂布机在进行小间隙双层涂布时有如下要求。

（1） A面、B面的涂布速度V≤25m/min的工况下，小间隙需保证在4±1mm，同时对应的大间隙需保证在≥30mm，相应的CPK≥1.33。

（2） 对极片进行双间隙涂布，A面与B面的涂布长度不一致，分别为一大间隙与一小间隙，其中涂布长度L ≥ 20mm，涂布速度V≥ 25m/min，相应的CPK≥1.33。

2 间隙精度控制理论分析

如图1所示，根据技术要求，设第N次理论涂布开始时刻为t1（PLC发出涂布指令），第N次涂布结束时刻为t2，第N+1次涂布开始时间为t3，第N+1次涂布结束时刻为t4，第N+2次涂布开始时刻为t5，其中，设t1至t5对应的时间段内为一个理论大小间隙涂布周期。在实际的涂布过程中，由于涂布系统的硬件在执行指令的时候会产生迟滞性，设在第N次实际涂布开始（阀芯开启）时系统延迟为Δt1，对应的时刻为t1+Δt1;第N次涂布实际结束（阀芯闭合）时，系统延迟为Δt2，对应的时刻为t2+Δt2;忽略硬件迟滞性的波动性，则有第N+1次涂布实际开始时系统延迟为Δt1，对应的时刻为t3+Δt1，第N+1次涂布实际结束时系统延迟为Δt2，对应时刻为t4+Δt2;第N+2次涂布实际开始时刻时系统延迟为Δt1，对应时刻为t5+Δt1。

设涂布速度为v，则有：

A 段涂布误差大小ΔTA=|实际涂布长度-理论涂布长度|

ΔTA =|（Δt2-Δt1）|v

B段留白间隙误差大小ΔTB =|实际留白间隙长度-理论留白间隙长度|

ΔTB =|（Δt1-Δt2）|v

根据上述公式，可以看出对应涂布长度误差或者间隙长度误差与涂布速度v以及系统响应时间差值（Δt1-Δt2）相关，对应涂布速度越大，产生的误差越大。同理，在同一速度下，对应系统响应时间差异，即阀芯开启，闭合所对应的响应时间Δt1，Δt2差异越大，造成的误差也会越大。

3 电动式间歇阀理论精度研究

3.1 简介

涂布间隙以及精度控制主要通过西门子1517控制单元+增量式编码器+激光传感器+电磁阀+电动式涂布间歇阀来实现。其中增量式编码器位于DD马达中，通过编码器跟随DD马达旋转相应角度所发出的脉冲数来设置涂布长度。西门子1517控制单元实现直线电机等原件的控制执行[1-2]。激光传感器用以对极片A面上的涂布初始位置进行检测并经信号放大器将检测信号输送给控制单元。

3.2 电动式间歇阀结构

涂布间隙阀主要由阀体、涂布直线电机、回流直线电机、涂布阀芯、回流阀芯、密封圈、螺杆等组成[3-4]。

涂布阀芯与回流阀芯的开合分别通过涂布直线电机跟回流直线电机控制，当要进行涂布供料时，涂布直线电机使涂布阀芯的出料口开通，同时回流直线电机使回流阀芯的出料口闭合，使浆料从涂布通道出料;当不进行涂布时，涂布直线电机使涂布阀芯闭合，同时回流直线电机使回流阀芯的出料口开通，使浆料从回流通道进行回流[5-6]。

3.3流程说明

根据涂布的工艺，对应方案一的流程控制逻辑如图2所示，系统通过相应的逻辑控制来实现双面间隙涂布。

3.4 系统响应时间分析

在方案中，由于系统的硬件以及气路行程会存在迟滞性，会导致系统在执行涂布开启以及涂布停止两个动作时会产生系统延迟。其中对应的误差公式如下：

ΔT =|（Δt1-Δt2）|v

式中，Δt1为实际涂布开始（阀芯开启）时系统响应时间;Δt2为实际涂布结束（阀芯闭合）时系统响应时间。

分别对系统中的硬件以及动作执行所造成的延迟时间进行分析，如表1所示。

在不考虑浆料黏度、阀体开闭时内部压力、流量变化等因素的状况下，设阀芯打开的瞬间就开始进行涂布，故实际涂布开始（阀芯开启）时系统响应时间为：

Δt1=Δtp+Δts

设阀芯在完全关闭后才停止涂布，故实际涂布停止（阀芯关闭）时系统响应时间为：

Δt2=Δtp+Δts +Δtc

3.5 极限速度下间隙涂布可行性分析

根据技术要求，设定涂布的长度L为20mm，间隙为4mm，涂布速度为25m/min，则可以分别求出对应的涂布所需的时间为48ms，间隙留白所需时间为9.6ms，则对应一个间隙涂布周期内理论所需要的时间为57.6ms。

要保证完成小间隙涂布的工艺要求，在一个涂布周期内，需要保证第1次涂布关闭后，其实际的响应時间Δt2应该在第2次涂布开启之后对应伺服驱动器再次响应之前，即Δtc﹤8.6 ，则在Δtc﹤8.6ms 的状况下，即涂步阀阀芯在8.6ms内完成闭合，即可以完成涂布速度为25m/min，涂布的长度L为20mm，间隙为4mm的工艺。

此时，在这种情况下，对应的误差根据误差分析公式，则有Δtc≤2.4ms。

故在Δtc≤2.4ms的情况下，既能满足在涂布速度为25m/min的情况下涂布与间隙所需的长度要求，同时也能满足相应的精度要求。

4 结语

本文论述了电动涂布阀结构及其控制流程，通过理论计算论证，电动间隙阀可以达到25m/min、4±1mm间隙涂布的要求。

参考文献

[1]刘平文.锂电池极片挤压式涂布系统设计与实验研究[D].南京：东南大学，2018.

[2]杨欢.基于GA-BP神经网络的锂电池极片厚度控制系统研究[D].天津：河北工业大学，2018.

[3]杨峰.柱塞式双液配比点胶阀的设计与实验研究[D].厦门：厦门理工学院，2021.

[4]杨洋.双撞针式压电驱动热熔胶喷射阀的机理及实验研究[D].长春：吉林大学，2020.

[5]郝宁可.纤维素/氧化锌复合材料的摩擦起电性能研究[D].南宁：广西大学，2020.

[6]叶斯伦.胶粘接在微装配中的应用研究[D].广州：华南理工大学，2020.

中图分类号：TM912 DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2109-5640-7674

作者简介：陈哲（1987-），男，本科，中级工程师，研究方向为锂电池制造设备及其自动化。