隨著國內外對電池極片軋制設備的高速, 高精度發展需求, 促使模擬技術研究極片軋制的課題越來越多. 介紹了非對稱塗布的電池極片軋制模擬分析, 模擬結果說明液壓伺服加壓式極片軋機能夠軋制非對稱塗布電池極片, 克服了氣液增壓泵加壓式電池極片軋機對此類極片無法正常軋制的缺點. 綜述了模擬技術在液壓領域和熱輥壓機方面的研究進展, 並進行了總結及其所存在的不足.
引言
近年來新能源行業蓬勃發展, 給鋰離子電池行業帶來了巨大的發展空間, 同時對鋰離子電池的質量和壽命等也提出了更高的要求. 在鋰離子電池的生產過程中, 極片的製造完成決定了電池80%以上的性能. 因此, 正負極片質量的好壞對鋰離子電池的好壞有重大的影響, 極片的製造在電池製造工藝中佔有重要的地位.
國內外大量研究表明, 正負極片的壓實密度對鋰離子電池的容量等電池性能有較大的影響, 合適的壓實密度可以增大電池的容量, 減少內阻, 減少極化損失等. 軋制後的電池極片密度的均勻性和厚度的一致性直接決定著電池使用壽命的長短和儲能的多少. 可見, 用軋機對極片進行軋制是生產極片過程中極其重要的一道工序, 由於極片軋機對電池生產的重要性, 也必然要求軋制設備向高精度, 自動化發展.
模擬技術以數學模型的建立, 驗證, 實驗為核心, 綜合計算機技術, 自動控制及系統工程, 資訊處理技術等多學科. 用計算機對設備系統進行模擬的一般過程如下:
(1) 建立所研究的控制系統數學模型.
(2) 通過模擬軟體把數學模型轉化為計算機模擬模型.
(3) 採用合適的演算法編寫模擬程序或者直接採用他人程序.
(4) 通過模擬, 得到系統的動態響應曲線和數據.
(5) 分析系統模擬結果, 提出提高系統動態性能的方法和措施.
隨著計算機技術和科技的不斷髮展, 人們可以利用模擬技術方便的分析軋機設備系統動態性能, 確定最優參數, 獲得最佳的設備控制系統. 電池極片負載特性是非線性的, 軋制過程負載也隨時間變化, 電池極片軋機的伺服控制系統具有非線性和時變性, 進而有必要對電池極片的軋制過程進行模擬研究, 以了解各個因素對電池極片軋制質量和軋制效率的影響規律, 對後續電池極片軋機的設計具有重要的理論指導意義. 因此, 模擬技術已成為鋰電軋機設備系統設計的重要輔助手段之一.
國內外通過模擬技術研究軋機的課題越來越多, 非對稱塗布電池極片軋制模擬分析是應用模擬技術的典型課題, 與此同時, 提出了許多模擬技術在液壓領域的應用課題. 此外, 模擬技術在熱輥壓機中的應用課題也備受關注. 因此, 本文分別從以下三方面進行介紹及綜述.
1 非對稱塗布電池極片軋制模擬分析
電池極片的塗布方式有對稱塗布與非對稱塗布. 因為實際使用氣液增壓泵加壓式電池極片軋機對非對稱塗布的電池極片的軋制效果差, 由此, 北京北方華創新能源鋰電裝備技術有限公司與王益群等人合作以該司軋機為主要研究對象, 分別對氣液增壓泵加壓式電池極片軋機和液壓伺服控制加壓式極片軋機進行非對稱塗布電池極片軋制模擬分析.
1.1 氣液增壓泵加壓式電池極片軋機
氣液增壓泵加壓方式電池極片軋機成本較低, 能夠軋制對稱塗布的電池極片, 但是它採用楔鐵和絲杠離線調節輥縫, 不能對軋輥間隙和軋制力進行即時線上調節, 使其軋制速度, 極片的質量及應用範圍受到一定程度的制約.
研究者們基於氣液增壓泵加壓式電池極片結構與軋制特性的分析, 建立的電池極片模型及軋機軋制極片過程的模擬模型如圖1所示. 由於實際使用氣液增壓泵加壓式電池極片軋機對非對稱塗布的電池極片 (其示意圖如圖2 所示) 的軋制效果差, 下面對此種情況進行模擬分析, 模擬結果如圖3所示.
通過模擬結果可以看出在極片從雙層滾壓到單層時, 作用在極片上的軋制力由346kN 減小到 96kN, 單層部分的密實度不能滿足要求. 油缸壓力與輥縫間隙是根據雙層部分的軋制需要進行離線設定的, 一旦設定, 就不能改變. 作用在單層上的軋制力是由軋輥和楔鐵的剛度決定的, 是不可調節的. 軋輥的剛度越大, 作用在單層上的力就越小. 在軋輥滾壓到極片間隙時, 軋輥與極片脫開, 作用在極片上的力為零.
1.2 液壓伺服控制加壓式極片軋機
液壓伺服控制加壓式極片軋機不再使用楔鐵調節輥縫值, 液壓缸壓力能夠完全作用在電池極片上, 為了能夠即時控製作用在電池極片上壓力和液壓缸活塞位置, 加壓系統採用閥控缸的液壓伺服控制系統. 由於沒有楔鐵, 當使用位置環軋制時, 可以實現負的預輥縫軋制, 不再像氣液增壓泵加壓式極片軋機那樣使用塞尺檢測輥縫, 只能設定正值輥縫, 克服了由於楔鐵的作用而使有效軋制力不能不斷提高的缺點.
氣液增壓泵加壓式電池極片軋機無法軋制非對稱塗布電池極片, 由於在做軋制實驗時沒有非對稱塗布的電池極片, 研究人員對非對稱塗布情況進行恒軋制力的模擬分析, 模擬結果如圖4所示. 通過模擬結果可以看出, 軋輥從雙側塗布漿料部分滾壓到單側塗布部分時, 軋制力有一個減小的波動, 但是能夠迅速恢複到設定的軋制力值, 能夠保證軋制力基本恒定. 說明可以採用本課題所設計的軋機軋制此類電池極片, 克服了氣液增壓泵加壓式電池極片軋機的缺點.
伺服加壓式電池極片軋機壓力設定值可以線上即時調節, 在軋制非對稱塗布的電池極片時, 還可以根據工藝要求, 使雙層塗布與單層塗布的地方使用不同的軋制力或不同的輥縫軋制, 進一步加大了軋機的應用範圍.
傳遞的力和功率大的液壓伺服控制系統的引入使得極片軋機能夠實現壓力和輥縫的線上即時調節, 軋制單雙層交替塗布的極片時, 單層部分也能得到比較好的軋制效果, 使得軋制極片的質量大大提高. 但是由於極片塗布形式的多樣, 極片間隙處厚度突然變薄, 極片負載的突變, 還是影響了軋制速度的進一步提高. 極片軋機具有非線性和時變性, 電池極片負載也是非線性的, 也都對軋機的設計與控制提出了挑戰.
2模擬技術在液壓領域的應用
所謂液壓系統模擬就是建立所研究液壓系統的數學模型, 並轉化為計算機上的模擬模型, 然後進行求解運算來分析所研究系統的動靜態特性的過程.
液壓系統模擬不僅可以找出現有系統的缺陷所在, 提出對系統的改進措施, 對系統進行實質上的改進和修正; 而且可以對系統設計過程中的某些參數進行檢驗分析, 確保系統具有良好的動態性能. 在實際項目中, 所研究內容要在系統最脆弱的地方展開分析. 這種情況下要忽略一些次要矛盾, 突出主要矛盾, 做到有的放矢, 解決問題的關鍵.
液壓系統計算機模擬的關鍵和難點在於: 一建立描述液壓系統的準確數學模型, 二是合理的編寫模擬程序. 一個準確的數學模型的建立是模擬的基礎和前提, 目前建立數學模型的常用方法主要有傳遞函數法, 解析建模法和功率鍵合圖法.
模擬技術的應用在液壓領域主要包括下面幾個方面
(1) 設計液壓系統時, 通過理論推導建立所設計液壓系統的數學模型, 經過模擬, 把模擬數據和實驗數據進行對比來驗證所建立數學模型的準確性, 並把經過驗證的數學模型作為以後改進和設計類似系統的依據.
(2) 利用建立的數學模型和模擬模型, 通過模擬實驗來確定已知系統參數的調整範圍, 從而縮短系統的調整時間, 提高效率.
(3) 通過模擬實驗, 研究所建液壓系統的可行性, 以及各個液壓元件參數對系統的影響, 最後獲得最佳的元件參數和控制方案.
(4) 利用模擬技術研究新設計元件各結構參數對系統動態特性的影響, 確定元件合適的結構參數.
電池極片軋機液伺服控制系統的設計, 主要解決傳統極片軋機依靠楔鐵絲杠調節輥縫所帶來的缺陷, 實現恒輥縫和恒軋制力制, 提高軋制速度. 利用模擬驗證所設計液壓伺服系統的準確性, 並研究提高極片軋機伺服系統性能的措施.
董敏等人為了全面研究軋機液壓厚控系統動態特性, 建立直觀真實的虛擬軋機模型, 提出基於AMESim和ADAMS聯合建模的模擬方法. 在ADAMS中構造軋機實體剛柔耦合動力學模型, 實現了軋機的負載特性研究; 在AMESim中建立液壓系統物理模型, 實現了液壓伺服系統精確建模和分析, 兩者通過介面實現數據交換, 保證了液壓系統類比的準確性和負載系統類比的真實性. 通過聯合模擬模型得到了系統即時響應以及出口板厚即時數據, 將模型模擬輸出數據與實測數據進行比較, 證明模擬模型能準確體現系統動態響應, 並能體現機械部件在載荷下彈性變形和板厚即時輸出情況.
Liu等人為了提高極片軋機軋制效率和軋板的質量, 建立了液壓系統的動態模擬模型, 給出負載特性方程, 類比了恒軋制力, 恒輥縫等軋制過程, 模擬與實驗結果基本一致. 該課題組以北京北方華創新能源鋰電裝備技術有限公司液壓伺服加壓式電池極片軋機為依託, 分析了液壓伺服加壓式極片軋機液壓系統, 建立液壓泵, 蓄能器和減壓閥等的動態模擬模型, 對模型進行模擬, 並作了相應的實驗, 對元件模型進行了實驗驗證. 在元件模型的基礎上對整個液壓系統進行建模, 使得建立的系統模型考慮了液壓泵和蓄能器對伺服閥前壓力的影響, 減壓閥對伺服缸背壓的影響. 在模型上對閉環軋制力階躍響應和軋制過程進行動態模擬分析, 並在所研究極片軋機上作了相應的實驗, 模擬結果與實驗結果基本一致, 驗證了模型的正確性, 所建立的模擬模型具有實際參考價值, 為液壓控制系統參數優化提供了重要依據.
3 模擬技術在熱輥壓機中的應用
熱輥壓機是指能加熱軋輥的輥壓機, 當利用熱輥壓機輥壓極片時, 可提高極片的壓實密度, 質量和生產速度. 運用不同的加熱工藝對軋輥進行加熱的加熱過程, 輥面溫度分布均勻性和能耗進行分析, 並在此基礎上對不同結構軋輥的加熱過程, 輥面溫度分布均勻性和熱應力進行分析, 對指導現場加熱工藝, 改進軋輥結構, 提高極片軋制質量有著重大的意義. 國內外對軋輥的研究主要分為兩個方面: 1) 加熱軋輥的方式及其相應的控制系統, 對軋輥的加熱方式主要包括電加熱和油加熱; 2) 軋輥的溫度分布和內部應力等.
王文成等人研究了感應加熱下圓柱體的電磁場和溫度場, 指出電磁加熱具備精度高, 能耗低等特點, 並開發了軋輥感應加熱系統; 李徽通過實際生產論述了邊部加熱器在熱軋寬頻鋼生產中的應用, 通過對軋輥邊部進行加熱, 有利於提高熱軋鋼板凸度精度.
申世傑等人利用有限元軟體對萬能軋機進行了溫度分析, 熱力耦合分析和疲勞壽命研究, 指出輥頸與輥身之間的圓角處是熱應力集中的位置, 此處最危險, 增大輥頸的直徑和倒角, 可使應力集中得到明顯改善; 胡仕成等人建立了軋輥輥套和鑄壞之間的接觸導熱模型和傳熱數學模型, 對軋輥和鑄坯進行了模擬分析, 軋輥輥套的粗糙度越低, 其導熱能力越強; 王永洲等人對軋機軋輥進行了應力分析和模態分析; 羅麗萍等人通過有限元軟體對軋輥表面電渣加熱和渣池熱電場進行了類比研究, 分析渣池內的溫度分布.
王興東等人運用傳熱學知識及有限元軟體進行模擬分析的方法, 通過更改橫向油道與輥面之間的距離δ, 按照同種加熱工藝對三種不同結構的軋輥進行加熱. 給出了軋輥內部應變圖如圖5所示, δ=70mm輥面的應變為0.53mm/m, δ=50mm輥面的應變為0.61mm/m, 說明δ越小, 輥面的變形越大; 並利用有限元軟體對軋輥進行溫度和應力分析. 分析結果表明δ值越小, 加熱時間越短, 輥面的溫差越小; 三種不同結構軋輥的最大應力和應變差別不大; δ越小, 油道處的應力越大, 為改進軋輥內部油道結構提供理論依據.
此外, 通過軋輥輥面及內部溫度圖6可知, 軋輥進油端的溫度高於另一端; 兩端軸頸表面溫度達到了100℃以上, 應選擇耐高溫的軸承; 軋輥輥身溫度分布較為均勻, 不存在較大的溫差, 芯部的溫度高於輥面. 該研究還指出, 軋輥相當於一個集熱容器, 加熱時間越長, 軋輥對導熱油的吸熱量越少, 進出口處油溫差越小, 導熱油損失的能量越少, 軋輥內部溫度越均勻, 軋輥輥面溫度分布越均勻.
陳國樑等人運用有限元軟體建立了油加熱軋輥模型, 對熱軋輥三維溫度場進行分析計算, 分析結果表明: 在軋輥內部, 溫度的梯度變化主要是徑向的變化, 但還有一些溫度梯度沿軸向變化, 提高軋輥端部溫度均勻性可改善軋輥溫度分布均勻性. 李立新等人通過測量工作輥表面溫度值, 利用有限元軟體建立CSP工作輥溫度場模型, 研究了軋制過程中的軋輥的溫度場. 蔡輝發明了一種主要用於加熱軋輥軋輥溫度控制系統, 將導熱油控制在一定的溫度範圍內, 同時可以向軋輥內部導入常溫導熱油, 導熱油被密封在系統中, 不結觸鎂合金板帶, 不對其產生仍何影響, 導熱油也不會汙染環境, 從而使軋輥的工作溫度控制在合適的範圍, 提高了產品成品率和生產效率,軋制出產品質量良好.
Denis等利用有限元軟體對熱輥壓機的軋輥進行了熱應力分析和疲勞壽命分析. Luks等人通過實驗的方法分析了軋輥之間的接觸應力和輥面溫度.
綜上所述, 目前對於軋輥的溫度場, 應力場和使用壽命研究得比較多, 有必要進一步對油加熱的軋輥如軋輥輥面溫度分布, 加熱過程和能耗, 應力應變等進行深入的分析, 如探討油道數量對軋輥的輥面溫差, 加熱過程及應力等的影響.
4 結語
經過實驗驗證了的電池極片軋機模型上, 進行了非對稱塗布的電池極片的虛擬軋制, 模擬結果說明了氣液增壓泵加壓式電池極片軋機無法正常軋制非對稱塗布的電池極片, 而液壓伺服加壓式電池極片軋機能夠軋制類似的電池極片. 模擬技術的應用為液壓控制策略的改進提供了有效的模型平台. 對軋輥的加熱過程和應力等有待進行深入的模擬分析.
在模擬分析過程中, 改變模型參數, 可以類比實際物理系統中各個元件, 機械部件等參數的變化, 從而可以了解這些實際參數的變化對整個系統的影響, 便於尋找影響系統性能的主要因素. 這些都非常利於設備的改進設計, 提高設備的性能, 縮短設計周期, 調高效率. 對於特別的控制系統, 還可以在模擬模型上進行控制演算法的模擬實驗, 便於探索更好的提高系統性能的控制演算法, 減小進行多次物理實驗的時間和財力投入.
在理論計算和模擬分析過程中, 採用了很多假設條件, 運用實驗關聯式求解, 存在較大誤差, 因此還需進一步修正模擬分析中的邊界條件.
