锂电池生产设备涂布机烘箱设计

林彰焱，欧科学，靳家晞

(1.东莞市鹏锦机械科技有限公司，广东东莞 523000；2.哈尔滨工业大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨 150000)

锂电池具有高能量密度、低自放电率、长循环寿命等优异性能。随着锂电池在各个领域的广泛应用，对锂电池生产设备的精度和产能需求也大大增加，尤其是对涂布机的需求量[1-2]。涂布是锂电池生产的关键步骤[3-4]，对正负极片的质量和效率直接产生影响[5-6]。因此，在锂电池生产过程中，涂布机烘箱的设计具有重要意义。

为了实现高质量和高效率的生产，必须优化涂布机烘箱的设计，包括风室和风嘴结构，以提高烘箱的横向射流均匀性[7-8]。因此，本文对烘箱风室和风嘴的结构进行了详细的数值模拟和实验研究，以探究其对涂布过程中横向射流均匀性的影响。通过对模拟和实验数据的分析，提出改进烘箱设计的建议，以进一步提高涂布机烘箱的均匀性和效率，满足高质量和高效率的生产要求。

1 涂布机结构设计

单面涂布机一般由多个部件组成，其中包括放卷机构、机头机构、上料装置、烘箱机构、牵引机构和收卷机构。典型的单面涂布机结构如图1 所示。放卷机构用于卷取母卷材料并将其传送到涂布机头，涂布机头则负责将涂料均匀地涂布到母卷上。上料装置可用于控制涂布量和调节涂料均匀性，烘箱机构则用于加热并干燥涂布后的母卷材料。牵引机构可用于将涂布后的母卷材料传送到收卷机构，收卷机构则用于卷取涂布后的母卷材料。

图1 单面机结构示意图

双面涂布机比单面涂布机包含更多的部件，其中包括放卷机构、第一面涂布机构、第二面涂布机构、上料装置、烘箱机构、牵引机构、收卷机构、爬坡机构以及钢架平台。典型的双面涂布机结构如图2所示。相比单面涂布机，双面涂布机的主要优势在于能够将涂料均匀涂布在材料的两面。第一面涂布机构用于将涂料涂布在材料的一面上，第二面涂布机构则负责将涂料涂布在材料的另一面上。爬坡机构用于升降整个涂布系统，将极片传送到上层第二面烘箱。钢架平台用于支撑整个涂布系统，以确保其稳定性。

图2 双面机结构示意图

2 仿真设计

在进行宽幅涂布烘箱设计之前，必须首先完成相应静压风室的流体仿真分析。通过对静压风室导流板的不断优化，观察射流风嘴的横向均匀性，以确定最佳的导流板布置参数。导流板的演化过程如图3 所示。这个过程可以通过流体仿真工具进行模拟，并使用优化算法得出最佳参数，以确保烘箱的横向射流均匀性得到最大化提高，从而实现高质量和高效率的生产。

图3 导流板仿真结果与结构

通过对静压风室导流板的不断优化，观测到射流风嘴的横向均匀性有所提升，并确定了最优导流板布置参数。最终采用第6 种方案完成静压风室导流板的加工制作，并进行后续实验研究。

3 实验设计

本实验旨在优化设计新型宽幅涂布烘箱的横向射流均匀性，并为超宽幅烘箱的客户提供实验数据。实验所用设备包括新加工的宽幅静压风室及风嘴实验组件、L 型皮托管风速测量仪以及3 kW 离心风机。实验过程中，模拟了静压风室的实际工作情况，使用3 kW 离心风机为新加工的宽幅静压风室及风嘴实验组件提供风量，调节风机频率，待供应风量稳定后，利用L 型皮托管从前往后对射流风嘴的横向方向分别取点测量射流风速。

在测量过程中，针对每一测量点位不断调整L型皮托管探头的方向，对应会造成探头接收到的风速不断变化，并取最大风速作为对应测量点的风速。新加工的宽幅静压风室及风嘴实验组件的正视图与俯视图如图4 和图5 所示，对应测量数据见表1。如图4 所示，实验中的风嘴编号从起始位置1#到终止位置11#依次排列，起始位置1#表示远离静压风室进风口端的位置，而终止位置11#则表示靠近进风口端的位置。对应图5 中的每个风嘴，选择5 个测量点进行测量，这些测量点从测量起始位置A 到测量终止位置D 依次排列，起始位置A 表示远离进风口的位置，而终止位置D 则表示靠近进风口的位置。实验现场测试图片如图6、图7 所示。

表1 1 600 mm 宽幅风嘴风速测试(风机功率3 kW，频率50 Hz) m/s

图4 宽幅静压风室及风嘴实验组件正视图

图5 宽幅静压风室及风嘴实验组件俯视图

图6 测量用风速仪

图7 离心风机测试组件

4 实验数据与结果

本次实验的目的是为了优化新设计的宽幅烘箱的横向出风一致性，并通过实验数据为超宽幅烘箱的客户提供参考。在实验过程中，可能会遇到实验条件不充分或实验用静压风室及风嘴实验组件的不完善等问题，需要不断完善实验条件以及改进实验设备的过程。

4.1 第一次风嘴射流横向均匀性实验

多位操作人员对同一组实验数据进行重复测量可以提高实验数据的可靠性和准确性；而且，由不同的操作人员完成实验可以避免因为某个人员的个人偏好或操作技能的不同而产生数据偏差，更加客观地评估实验结果的可靠性。最后，另一操作人员协助数据记录工作可以保证实验数据的及时性和准确性。

通过对表1 中测量数据的分析，发现除了10#风嘴之外，其他风嘴在测量中的波动均在5.5%以内。根据实验中风嘴的位置，可以得知10#风嘴位于静压风室进风口处，该位置存在严重的风速扰动，导致风口靠近进风口侧的风速高于远离进风口侧的风速。这种现象已经在以往的烘箱产品中出现过，但由于这些产品的横向幅宽较小，因此横向一致性并不明显。然而，本次研发的产品宽幅为1 600 mm，导致10#风嘴上的左右射流风速偏差超过15%。

因此，在第一次实验数据的基础上，通过讨论和分析，我们决定在进风口风速方向上设置阶梯型挡风板，以实现横向匀风效果。

4.2 第二次风嘴射流横向均匀性实验

在进风口风速方向上设置阶梯型挡风板，重新进行风嘴射流横向均匀性实验，如表2 所示。

表2 1 600 mm 宽幅风嘴风速改进测试(风机功率3 kW，频率50 Hz) m/s

通过对第二次实验数据的分析，可以看出，在添加阶梯型挡风板之后，除了10#风嘴以外，其他风嘴风速波动得到了一定程度的改善，从原来的大约5%下降到了3%以内；而10#风嘴处的波动虽然也有所下降，但仍然高达11%左右。因此需要进一步优化设计，以改善10#风嘴的出风均匀性。

由于添加阶梯型挡风板可以改善风嘴的横向均匀性，因此我们提出了第一种改进方案，即提高挡风板的高度，并再次进行横向均匀性测试，如表3 所示。

表3 10#风嘴1 600 mm 宽幅风嘴风速测试补测实验1 数据 (风机功率3 kW，频率50 Hz) m/s

通过对表3 的分析可知，提高阶梯型挡风板的高度对于10#风嘴的横向均匀性改善无效。进一步分析表2 中第二次实验的数据，发现阶梯型挡风板能够有效地提高其他风嘴的横向均匀性，但对于10#风嘴的改善效果有限，需要进一步对其出风均匀性进行优化设计。

从实验条件与使用条件的差异出发，本研究推断进风口处未充分均匀的风速会对实验数据造成影响。为验证这一猜测，本研究进行了两组改变离心风机风速的实验，发现随着离心风机风速的减小，10#风嘴的横向均匀性有所改善，说明进风口处未充分均匀的风速对实验数据造成了影响。根据横向均匀性改善程度的大小，可以推断出这种影响的严重性。

针对10#风嘴的横向均匀性问题，本研究接下来的实验仅针对该风嘴开展，并在进风口处添加多层匀风网板，以保证离心风机吹进静压风室的风速均匀。表4 中的实验数据显示，离心风机安装位置对测量数据具有较大影响，说明需要进一步优化离心风机的位置，以保证实验工况与使用条件的一致性。

表4 10#风嘴1 600 mm 宽幅风嘴风速测试补测实验2 数据(风机功率3 kW) m/s

4.3 第三次风嘴射流横向均匀性实验

根据表5 中的数据，安装多层匀风网板后10#风嘴射流效果得到了改善，这表明风机风量在进入静压风室前基本完成匀流效果，但仍存在横向均匀性波动较大的问题。为了进一步提高横向均匀性，可以考虑对匀风网板的结构进行优化设计。

表5 10#风嘴1 600 mm 宽幅风嘴风速测试补测实验1 数据 (风机功率3 kW) m/s

具体来说，可以在匀风网板上增加局部挡风装置，以防止风量偏向某些位置，从而实现更加均匀的风速分布。此外，还可以考虑在匀风网板的周边设置风流调节装置，以进一步优化流场结构，提高均匀性。

另外，由于静压风室内的气流流动受到室内温度和湿度等环境因素的影响，为了进一步提高实验精度，还可以考虑在实验过程中控制静压风室内的温度、湿度等环境因素，以保证实验条件的一致性。

根据表6 中的数据，贴上透明胶带后，高风速一侧的孔隙率减少了一半，10#风嘴的横向均匀性得到了显著改善。同时，通过对比实验，可以看出风机风速越低，改善效果越明显。因此，可以考虑在匀风板的设计上，有针对性地调整孔隙率，以达到更好的横向均匀性。

表6 10#风嘴1 600 mm 宽幅风嘴风速测试补测实验2 数据(风机功率3 kW，频率50 Hz) m/s

最终，10#风嘴的波动控制在5%以内，对应完成的风嘴均匀性测量数据如表7 所示。

表7 10#风嘴1 600 mm 宽幅风嘴风速测试补测实验3 数据(风机功率3 kW，频率50 Hz) m/s

4.4 数据分析

第一次风嘴射流横向均匀性实验分析：完成初始静压风室及风嘴搭建后，测量得到的10#风嘴横向均匀性存在较大波动，最大波动值接近20%，其他风嘴的波动值能够控制在5.5%以内。

第二次风嘴射流横向均匀性实验分析：相较第一次实验，在静压风室内部添加阶梯型挡风板结构，最后测得10#风嘴横向均匀性波动有所降低，最大波动值约11%，其他风嘴的波动值能够控制在3%以内，由此表面阶梯型挡风板结构有助于改善风嘴横向射流均匀性。为了进一步控制10#风嘴的横向均匀性，提出方案一味提高阶梯型挡风板的高度，发现并无实际改善效果。同时分析实验工况猜想静压风室的进风口风速不均匀会对测量数据造成影响，为了印证猜想，对离心风机的频率进行调整以降低进风口风速，对不同风量下的10#风嘴射流横向均匀性进行测量。结果表明，风机流量越高、风速越大的情况下，10#风嘴的横向射流一致性波动越大，因此前述猜想成立，为了排除进风口速度不均匀造成的影响，下一步实验准备在进风口出增加多层匀风板结构。

第三次风嘴射流横向均匀性实验分析：在进风口添加多层匀风板结构后，测量10#风嘴的波动明显降低至8%以内，同时调节风机频率对波动影响不大，这表明风机风量在进入静压风室前基本完成匀流效果。进一步对10#风嘴下的匀风板开孔率进行调节，减小出风速度较高一侧的匀风板孔隙率，最终完成10#风嘴射流横向一致波动5%以内的控制目标。

5 结论

本文通过实验和仿真分析，探究了超宽幅烘箱的风室和风嘴结构设计对射流横向均匀性的影响，并提出了有效的解决方案。通过添加阶梯型挡风板和多层匀风板结构，对风嘴射流横向均匀性进行了改善，同时通过调节匀风板孔隙率实现了更加精细的调节，最终完成目标风嘴射流横向一致波动5%以内的控制目标。