鋰電池性能的關(guān)鍵在電芯捲繞品質(zhì)，經(jīng)由優(yōu)化張力控制架構(gòu)，不僅能提升捲繞製程品質(zhì)，更可以降低產(chǎn)線設(shè)備成本。本文將探討張力伺服技術(shù)在控制領(lǐng)域與鋰電池製造的創(chuàng)新應(yīng)用。
鋰電池具有能量密度高、電壓高、壽命長，沒有記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。常見的應(yīng)用，包含工業(yè)儲能、消費(fèi)性電子產(chǎn)品，如手機(jī)、電腦、平板電腦、以及因應(yīng)全球環(huán)保政策而崛起的電動交通工具，讓鋰電池需求量高速增長，成為當(dāng)代不可或缺的電源產(chǎn)品。隨著環(huán)保意識抬頭，加以全球生產(chǎn)基地板塊移轉(zhuǎn)與缺工潮問題，智慧製造、工廠數(shù)位轉(zhuǎn)型等概念順勢而起，未來鋰電池製造設(shè)備的自動化程度會越來越高。
鋰電池的製程包括電極製造、電芯製造、化成分容、包裝等四大環(huán)節(jié)。依據(jù)電極材料與分離膜的組成構(gòu)造不同，電芯製程可再分成捲繞與疊片兩種，其中捲繞具有複雜度低、產(chǎn)量高、成本低的優(yōu)勢，因此在鋰電池製造業(yè)中仍是相當(dāng)主流的製程。
捲繞製程直接影響鋰電池的品質(zhì)與效能，同時也影響了使用鋰電池的無數(shù)產(chǎn)品性能與安全。因此，鋰電池製程需確保設(shè)備捲繞材料的張力控制恰到好處。由於電芯捲繞製程繁複，過程中只要某一環(huán)節(jié)速度偏慢或失準(zhǔn)，就會影響整體設(shè)備的運(yùn)作效率和生產(chǎn)品質(zhì)，若張力不足或過大，可能會導(dǎo)致捲繞品質(zhì)不佳，造成鋰電池產(chǎn)品的性能下降，甚至造成產(chǎn)品故障。如何在鋰電池電芯捲繞製程中，高精高速控制張力，維持成品品質(zhì)一致與高產(chǎn)量、並確保鋰電池安全和性能，是製程的關(guān)鍵所在。
克服運(yùn)算週期導(dǎo)致的延遲
一般張力控制系統(tǒng)通常應(yīng)用感測器、張力控制器和驅(qū)動器三大部分：感測器依產(chǎn)線實(shí)況回傳數(shù)據(jù)給控制器，控制器則負(fù)責(zé)在預(yù)定範(fàn)圍內(nèi)，控制驅(qū)動器的速度或應(yīng)用適當(dāng)?shù)膲毫Γ瑏碚{(diào)整捲繞過程中的張力，確保電芯內(nèi)的各個組件可以被正確且一致地捲繞，進(jìn)而確保產(chǎn)品質(zhì)量和性能。
更深入地分析，張力控制架構(gòu)是由張力感測器將訊號傳輸回授給控制器，經(jīng)過控制器進(jìn)行閉環(huán)計算後，透過總線方式傳給驅(qū)動器，來響應(yīng)張力感測器的訊號。這樣的控制架構(gòu)，從感測器訊號產(chǎn)生，傳到控制器計算，再由網(wǎng)路傳遞給驅(qū)動器，至少經(jīng)歷了3次的運(yùn)算周期；而且在此架構(gòu)下，上位控制器控制的軸數(shù)越多，運(yùn)算週期就會因此越長。
一般業(yè)界常用規(guī)格控制器，在控制30至40軸的情況下，通訊週期會達(dá)到4毫秒甚至更長；也就是當(dāng)訊號發(fā)生後12毫秒後，驅(qū)動器才能響應(yīng)該訊號。3個運(yùn)算週期的落後，在對於控制精度十分要求的鋰電池製造，以及其他張力控制要求較高的行業(yè)應(yīng)用，都會對產(chǎn)品品質(zhì)與性能造成極大的影響。
有句控制領(lǐng)域的經(jīng)典名言：「垃圾進(jìn)，垃圾出」（garbage in, garbage out），意即錯誤的輸入，只能造成錯誤的輸出。若是張力控制器得到的永遠(yuǎn)都是3個週期前的回授信號，那張力控制器也只能給出一個不即時且不夠精確的反應(yīng)，進(jìn)而損及捲繞製程的控制精度。
有鑑於此，簡化張力控制方案的架構(gòu)，縮短訊號運(yùn)算週期，是提升捲繞製程精度的治本之道。臺達(dá)的高階伺服系統(tǒng)ASD-A3-ET直接將張力的回授信號運(yùn)算與控制功能內(nèi)建在伺服驅(qū)動器內(nèi)部，以16k的高取樣率，搭配回授與前饋控制，提供62.5微秒的響應(yīng)速度，將張力回授信號的延遲降至最小，進(jìn)一步提升張力控制精度，且精省整體系統(tǒng)架構(gòu)與建置成本（圖一）。
不僅如此，ASD-A3-ET支援多樣性的張力回授型態(tài)，例如模擬量輸入、編碼器脈波輸入，也包括臺達(dá)通訊型力量感測器，以此來滿足不同行業(yè)製程中多元的張力控制情境（圖二）。綜合「減少回授週期落後/延遲」以及「高響應(yīng)性的控制器」兩點(diǎn)，臺達(dá)張力伺服方案得以提升張力控制精度，符合鋰電池電芯捲繞製程的高規(guī)格要求。
| 圖一 : 臺達(dá)高階伺服系統(tǒng)ASD-A3-ET直接將張力的回授信號運(yùn)算與控制功能，內(nèi)建在伺服驅(qū)動器內(nèi)部，縮短計算週期提高張力控制精度。 |
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| 圖二 : ASD-A3-ET支援多樣性的張力訊號回授型態(tài)，滿足不同行業(yè)製程中多元的張力控制情境。 |
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在張力控制應(yīng)用上，除了克服訊號週期過長，與需要好的張力控制器以外，在捲繞製程中，還需多種不可或缺的配套功能。以下說明張力伺服系統(tǒng)內(nèi)建的捲徑估測、張力錐度、以及斷帶偵測功能，如何解決製程痛點(diǎn)。
捲徑估測準(zhǔn)確是張力控制基礎(chǔ)
不僅限於鋰電池芯製造，在許多應(yīng)用薄膜捲繞的行業(yè)製程中，被捲繞物的直徑會在收捲的過程中越來越大，此時，若是捲徑變化估測不準(zhǔn)確，就會影響張力控制的精度。捲徑估測一般可以應(yīng)用兩種方法：其一，是藉由感測器量測捲徑；其二，是通過控制器內(nèi)建演算法估測。
通常感測器量測的方式，在實(shí)務(wù)上，多數(shù)會利用雷射測距儀，直接量測被捲繞物的半徑。此方法雖然可以準(zhǔn)確的量測出捲徑，但是整體的機(jī)臺的建置成本就會增加。因此，在效益考量下，實(shí)務(wù)上也常會透過演算法估測的方式，獲得被捲繞物的捲徑。演算法的估測結(jié)果並不遜色於感測器直接量測，而且不會增加總體建置成本。臺達(dá)張力伺服解決方案內(nèi)建三種捲徑估測的演算法，可依循材料參數(shù)與產(chǎn)線速度資訊計算捲徑，提供使用者依不同情境，結(jié)合機(jī)構(gòu)可提供的資訊自行選擇。
1.厚度積分法：優(yōu)點(diǎn)是適用所有情境，需要材料參數(shù)，了解材料厚度才能計算。
R(k) = R(k-1) + θ*(P(k)-P(k-1))
2.速度比例法：優(yōu)點(diǎn)是不需要明確的材料參數(shù)，需要線速度資訊。
R= Ve / 2πω
3.弧長比例法：優(yōu)點(diǎn)是不需要明確的材料參數(shù)，需要線距離資訊。
R = Pe / 2πθ
計算張力錐度確保捲面平整
在薄膜捲繞的成品上，時常會出現(xiàn)所謂「星狀體」的現(xiàn)象，意即成品的內(nèi)部被擠壓而出現(xiàn)皺褶，這是因?yàn)樵趻岳@的過程中，張力若始終保持恆定，內(nèi)層會被外層擠壓，材料的內(nèi)部應(yīng)力逐漸累積，最後壓垮了內(nèi)圈的材料，進(jìn)而形成皺褶或是凸出，導(dǎo)致捲面不平，致使成品變形。為避免這種狀況，張力控制需要考量材料種類、厚度、空捲與滿捲的寬度等多種因素，才能藉由內(nèi)緊外鬆的捲繞來確保成品的品質(zhì)。
臺達(dá)的張力伺服系統(tǒng)內(nèi)建可解決此現(xiàn)象的張力錐度演算法，包括曲線型張力錐度及建表型張力錐度兩種，前者可以快速導(dǎo)入內(nèi)建張力錐度功能；後者則讓使用者自行依需求客製計算出最佳化錐度曲線。藉由張力錐度功能，即可解決成品出現(xiàn)星狀體的問題，保持捲面平整，減少廢料的產(chǎn)生，提高產(chǎn)品的品質(zhì)。
| 圖三 : 在張力伺服系統(tǒng)內(nèi)建張力錐度演算法，可隨捲徑準(zhǔn)確控制張力大小，捲面平整避免廢料產(chǎn)生。 |
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另外，張力伺服系統(tǒng)中也有斷帶偵測的安全保護(hù)功能。在收放捲實(shí)務(wù)中，有許多的情境可能造成斷帶的情況，例如張力控制不穩(wěn)定、材料本身缺陷等等；當(dāng)斷帶的情形發(fā)生時，張力會瞬間消失，造成收放卷軸誤判，進(jìn)而造成誤動作，例如速度持續(xù)提升導(dǎo)致空轉(zhuǎn)，或是卷軸反轉(zhuǎn)造成產(chǎn)線前/後站正常材料受損。為了避免上述狀況，臺達(dá)張力伺服系統(tǒng)提供斷帶偵測功能，可以實(shí)時監(jiān)測張力回授訊號，當(dāng)發(fā)生斷帶或張力不穩(wěn)定的情況，即會提醒使用者進(jìn)行後續(xù)的保護(hù)處理 （圖四）。
| 圖四 : 臺達(dá)張力伺服系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測張力回授訊號，在張力過大或不足時，會提醒使用者避免斷帶發(fā)生。 |
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鋰電池芯捲繞製程是消費(fèi)性電子和電動交通工具領(lǐng)域的核心，鋰電池行業(yè)的自動化程度快速發(fā)展，對設(shè)備要求越來越高。如何在提升產(chǎn)能的同時，也保證設(shè)備穩(wěn)定性與產(chǎn)品品質(zhì)，成為鋰電池製造行業(yè)的發(fā)展趨勢與重要課題。目前大圓柱型鋰電池也開始在電動車領(lǐng)域與工業(yè)儲能領(lǐng)域發(fā)光發(fā)熱，其可靠性和穩(wěn)定性得到行業(yè)認(rèn)可，為了提升捲繞品質(zhì)，張力控制是非常重要的環(huán)節(jié)。
在鋰電池捲繞製程中，傳統(tǒng)上位控制方式由於受到運(yùn)算周期延遲的影響，無法做到更高響應(yīng)的張力控制。臺達(dá)的張力伺服解決方案提供62.5微秒的張力響應(yīng)，可以解決張力控制架構(gòu)運(yùn)算周期過長，控制精度不足的行業(yè)痛點(diǎn)，確保鋰電池電芯捲繞品質(zhì)。
