电池面密度闭环检测方法的研究及运用

关键词：新能源电池；面密度；闭环检测；在线监测；质量控制

中图分类号：U466 文献标识码：A

0 引言

在新能源电池的生产过程中，极片的面密度是一个关键参数，它直接影响着电池的能量密度、充放电性能和循环寿命[1]。因此，对新能源电池极片面密度的检测和控制具有重要的意义。

传统的面密度检测方法主要采用离线抽样检测，这种方法存在检测周期长、检测结果滞后及无法实时反馈等问题。为了解决这些问题，本文提出了一种新能源电池面密度闭环检测系统，该系统采用在线检测和闭环控制技术，能够实时监测电池极片面密度的变化，并根据检测结果自动调整生产工艺参数，实现了对面密度的精确控制。

1 新能源电池面密度闭环检测系统的原理及关键技术

1.1 系统原理

新能源电池面密度闭环检测系统的原理是基于物理测量方法，通过对电池极片的厚度、宽度和重量等参数的测量，计算出极片的面密度[2]。具体来说，系统采用激光测厚仪、宽度测量仪和称重传感器等设备，分别对极片的厚度、宽度和重量进行测量，然后将测量结果传输到控制系统中，控制系统根据预设的算法计算出极片的面密度[3]。

1.2 关键技术

1.2.1 高精度测量技术

为了保证面密度检测的准确性，系统采用了高精度的测量技术。激光测厚仪采用了先进的激光测距技术，能够实现对极片厚度的高精度测量；宽度测量仪采用了高精度的光栅尺测量技术，能够实现对极片宽度的高精度测量；称重传感器采用了高精度的应变片测量技术，能够实现对极片重量的高精度测量。

1.2.2 数据处理与分析技术

系统采集到的大量测量数据需要进行实时处理和分析，以提取出有用的信息。为此，系统采用了先进的数据处理与分析技术，如数据滤波、数据拟合、数据统计等，能够有效地去除测量数据中的噪声和干扰，提高数据的准确性和可靠性。

1.2.3 闭环控制技术

闭环控制技术是新能源电池面密度闭环检测系统的核心技术之一。系统通过将面密度的检测结果与预设的目标值进行比较，根据偏差自动调整生产工艺参数，实现对面密度的精确控制。为了保证闭环控制的稳定性和可靠性，系统采用了先进的控制算法，如PID 控制算法、模糊控制算法等。

2 面密度闭环检测系统的选择及维护

2.1 硬件方面

2.1.1 高质量传感器的选用

传感器是检测系统的关键部件。应选择具有高精度、高灵敏度且稳定性好的传感器来测量电池面密度。定期对传感器进行校准，按照传感器制造商的建议，例如每3-6 个月进行一次全面校准，以保证其性能符合初始设定标准。

2.1.2 可靠的执行机构

执行机构负责根据控制系统的指令对生产设备进行调整。要选择质量可靠、响应速度快的执行机构，如高精度的电机或阀门。对执行机构进行冗余设计，例如采用双电机或双阀门系统，当一个出现故障时，另一个可以立即接替工作，避免系统因执行机构故障而中断运行。

2.1.3 稳定的数据采集与传输模块

数据采集模块应具备高采样频率和高分辨率，以确保能准确获取传感器的信号。其采样频率要满足电池生产速度的要求，例如对于高速生产线，采样频率应达到100 次/s 以上。在数据传输方面，采用抗干扰能力强的传输方式，如光纤传输或屏蔽电缆传输，避免数据在传输过程中出现丢包或错误。

2.2 软件方面

2.2.1 成熟的控制系统算法

采用经过充分验证的控制系统算法，如PID（比例- 积分-微分）算法或更先进的智能控制算法。PID 算法的参数应根据系统的实际情况进行精确设定，确保系统能够快速、稳定地响应面密度的偏差并进行调整。对控制系统软件进行严格的测试，包括功能测试、性能测试和稳定性测试。

2.2.2 数据处理与纠错机制

（1）建立完善的数据处理机制，对采集到的数据进行滤波、去噪处理。例如采用数字滤波技术，去除由于环境干扰或传感器自身波动产生的噪声数据。

（2）设计数据纠错机制，当检测到数据异常时，如数据超出正常范围或者出现不合理的跳变，系统能够自动识别并进行修正或重新采集，以保证数据的准确性和可靠性。

2.3 环境适应性方面

2.3.1 温度和湿度控制

电池面密度闭环检测系统应安装在温度和湿度相对稳定的环境中。可以安装空调和除湿设备来调节环境温湿度，并且对系统的关键部件进行温度和湿度补偿设计，以减少环境因素对检测结果的影响。

2.3.2 电磁兼容性（EMC）

考虑到电池生产车间可能存在多种电气设备，检测系统应具备良好的电磁兼容性[4]。在系统设计时，对电路进行电磁屏蔽，采用屏蔽罩、屏蔽电缆等措施，防止外界电磁干扰对系统的影响，同时也要控制系统自身的电磁辐射，避免干扰其他设备[5]。

2.4 维护与管理方面

制定详细的维护计划，定期对系统的各个部件进行检查、清洁和维护。建立故障预警机制，通过监测系统的关键参数，如传感器输出、执行机构的工作电流等，当参数超出正常范围时，及时发出预警信号，以便提前进行检修，避免故障的发生。

3 面密度闭环检测流程

3.1 数据采集

3.1.1 极片厚度测量

利用激光测厚仪对新能源电池极片进行厚度测量。激光测厚仪发射激光束到极片表面，根据激光反射或散射回来的时间、角度等信息，基于三角测量原理或激光干涉原理计算出极片的厚度。例如，当激光束照射到极片上时，部分激光被反射，测量反射光与发射光之间的角度和时间差等参数，从而得出极片在测量点处的厚度值。

3.1.2 极片宽度测量

通过宽度测量仪（如基于光栅尺测量技术的设备）来获取极片的宽度信息。光栅尺上的刻度线在极片边缘经过时，会产生光学信号变化，根据这些信号的变化计算出极片的宽度值。

3.1.3 极片重量测量

使用称重传感器对极片进行称重操作。称重传感器中的应变片会根据极片重量产生相应的形变，这种形变量转化为电信号，经过放大和转换后得到极片的重量值。

3.2 面密度计算

3.2.1 数据传输与汇总

将上述测量得到的极片厚度、宽度和重量数据传输到控制系统，这些数据通过数据线传输到中央处理器或控制单元。

3.2.2 数据计算

在控制系统中，根据面密度的计算公式：面密度＝质量/（ 厚度× 宽度）例如，如果测量得到极片质量为W（单位为g），厚度为h（单位为cm），宽度为 b（单位为cm），那么面密度A（单位为g/cm²）为：A ＝ W/（h×b）。

3.3 闭环控制阶段

3.3.1 与目标值比较

将计算得到的面密度值与预设的目标面密度值进行比较。例行业分析INDUSTRY ANALYSIS016如，目标面密度值设定为A1，如果计算得到的面密度值A 与A1存在偏差，则需要进行调整。

3.3.2 工艺参数调整

根据偏差值，控制系统发出指令给执行机构调整生产工艺参数。如果面密度偏大，可能会降低涂布机的涂布速度或者减少涂布量；如果面密度偏小，则可能增加涂布速度或者涂布量。

4 面密度闭环检测系统运用

4.1 电池生产过程中的质量控制

4.1.1 实时监测

在新能源电池的生产线上，该系统可以对极片的面密度进行实时监测。例如，在涂布环节，随着涂布机不断地将浆料涂覆在集流体上，面密度闭环检测系统可以即时测量极片的面密度，确保每一段极片的面密度都在规定的范围内。

4.1.2 精确调整

当系统检测到面密度偏离设定值时，可以自动调整生产工艺参数。例如，如果面密度过高，系统可以控制涂布机降低涂布速度或减少浆料的供应量；如果面密度过低，则可以增加涂布速度或浆料供应量。通过这种精确的调整，可以保证极片的面密度始终保持在最佳状态，提高电池的一致性和性能。

4.2 研发与优化

4.2.1 新材料测试

在新能源电池的研发过程中，经常需要尝试不同的材料和配方。面密度闭环检测系统可以帮助研究人员准确地测量不同材料制成的极片的面密度，从而评估新材料的性能。例如，对于一种新型的正极材料，通过测量其在不同面密度下的充放电性能、循环寿命等指标，可以确定该材料的最佳面密度范围，为后续的研发提供依据。

4.2.2 工艺优化

该系统还可以用于优化电池生产工艺。例如，通过对不同涂布工艺参数（如涂布速度、干燥温度、压力等）下极片面密度的变化进行研究，可以找到最佳的工艺参数组合，提高生产效率和产品质量。同时，还可以通过分析面密度与电池性能之间的关系，进一步优化电池的设计和制造工艺。

4.3 产品性能评估

4.3.1 一致性评估

对于一批生产出来的新能源电池，面密度闭环检测系统可以对极片的面密度进行抽样检测，评估产品的一致性。如果面密度的波动范围较小，说明产品的一致性较好，电池的性能也更稳定。反之，如果面密度波动较大，可能会导致电池性能的差异，影响电池的整体质量。

4.3.2 性能预测

通过建立面密度与电池性能之间的关系模型，可以根据极片的面密度预测电池的性能。例如，已知某种类型电池在特定面密度下的容量、内阻、循环寿命等性能指标，可以通过测量新生产电池的面密度，大致预测其性能表现。这对于电池的质量控制和性能评估具有重要的指导意义。

4.4 产业链协同

在新能源电池产业链中，原材料的质量对电池性能至关重要。面密度闭环检测系统可以帮助电池生产企业对原材料进行质量检测。例如，对于采购的正极材料和负极材料，可以通过测量其制成极片后的面密度，判断原材料的质量是否符合要求。同时，也可以与原材料供应商合作，共同优化原材料的性能，提高整个产业链的质量水平。

5 结束语

电池面密度闭环检测系统通过在线检测和闭环控制技术，实现了对电池极片面密度的实时监测和精确控制。系统采用了高精度的测量技术、先进的数据处理与分析技术和闭环控制技术，具有测量精度高、控制效果好、稳定性强等优点。实验结果表明，该系统能够有效地提高电池的生产效率和质量，具有广阔的应用前景。通过对面密度检测系统的研究运用，公司实现降低增效，提升电池面密度一致性，改善电池界面，提升产品质量及使用寿命，同时在检测技术研究使用方面得到提升。

作者简介：孙美昭，工程师，研究方向为计量检测技术。