微斑面密度測量儀在涂布閉環(huán)控制中的應用

白云飛，謝 凡，許 樂

(1.開封市金石科技有限公司，河南 開封 475000；2.開封市測控技術有限公司，河南 開封 475000)

隨著國家新能源汽車發(fā)展規(guī)劃的發(fā)布，動力鋰電池產業(yè)進入了飛速發(fā)展的新階段。極片涂布是鋰電池生產的一個關鍵工序，特別是對于正極極片，涂層過薄導致電池低容，涂層過厚易脫嵌析鋰，因此涂層均勻性將直接影響鋰電池的質量和使用安全。以往依靠產業(yè)工人的專業(yè)技術水平和操作經驗去調節(jié)涂布機模頭的生產方式，效率低、效果差、勞動強度大，已不適合當下產能大規(guī)模急劇提升的生產需求。為適應寬幅、高速涂布的生產條件，達到均勻涂布的目的，鋰電池涂布產線需要基于涂層面密度反饋的智能化閉環(huán)控制以提高極片的涂布質量[1]。

1 涂布閉環(huán)控制介紹

極片涂布的閉環(huán)控制是以面密度測量儀的在線測量值為基礎實現(xiàn)涂層縱向和橫向的雙閉環(huán)調節(jié)?？v向閉環(huán)的輸入參數(shù)為面密度測量儀給出的面密度掃描均值，執(zhí)行機構為定量螺桿泵，控制參數(shù)為定量泵的泵速；橫向閉環(huán)的輸入參數(shù)為面密度測量儀給出的面密度橫向分區(qū)值，執(zhí)行機構為模頭橫向分布的伺服或步進電機，控制參數(shù)為涂布模頭各狹縫的開度[2]。新型可電動控制的狹縫擠壓式涂布模頭如圖1所示。

圖1 涂布模頭

該電控式模頭依據工藝需求，在橫向等間距排列了若干個伺服或步進電機用于調節(jié)上下模頭的唇口間隙，每個電機的調節(jié)區(qū)域寬約30～50 mm。由于受涂層漿料密度、粘稠度及表面張力等流體特性的影響，各狹縫流體間還存在耦合干涉，因此閉環(huán)控制中要實現(xiàn)涂布橫向均勻性的調節(jié)，控制難度極大。為適應模頭電機的調節(jié)區(qū)域范圍，為控制系統(tǒng)提供準確的各區(qū)域涂布質量，橫向閉環(huán)控制要求面密度測量儀應給出不大于10 mm 的橫向分區(qū)測量數(shù)據，以真實反映橫向涂層輪廓。類似于數(shù)碼照片的像素概念，測量儀的測量點范圍越精細，質量厚度分布越清晰，越有利于閉環(huán)控制，因此閉環(huán)控制中需要微斑型的面密度在線測量儀。

2 微斑X 射線面密度測量儀

2.1 測量原理

面密度測量儀依據射線透射被測物后，其強度依指數(shù)衰減的原理實現(xiàn)面密度測量[3]，其基礎數(shù)學模型為I=I0e－μρd，式中：I為透射后射線的強度；I0為入射射線的強度；μ為被測物對射線的吸收系數(shù)，cm2/g；ρd為被測物的面密度，g/cm2。射線發(fā)生裝置與探測裝置在運動機構的驅動下同步往復掃描，實現(xiàn)對極片涂布面密度的在線非接觸式測量。

基于正極極片三元、磷酸鐵鋰、鈷酸鋰等涂層材料的等效原子序數(shù)遠大于鋁箔基材的特點，面密度測量儀使用能量低于20 keV 的軟X 射線構成涂層敏感型的探測系統(tǒng)。為適合橫向涂布閉環(huán)的小測量斑點的要求，需構造輸出微射線斑的X 射線測量系統(tǒng)。

2.2 微斑射線的實現(xiàn)

通過在X 射線輸出路徑上加裝長隧道、高原子序數(shù)材質的準直器等措施屏蔽散射粒子輸出經深度準直的X 射線，直線X 光柱投射到極片上可得到微斑測量區(qū)，如圖2 所示。雖然應用微斑X 射線束有利于實現(xiàn)極片橫向小分區(qū)的測量，但是射線探測信號的相對統(tǒng)計漲落(N為探測信號的大小)與射線量相關[4]。與寬射線束測量相比，在同等條件下微斑射線由于射線量少，探測信號小，統(tǒng)計漲落變大，導致測量系統(tǒng)的測量精度降低。為了適應橫向閉環(huán)控制的需求，要改善微斑射線的測量條件，需要對面密度測量儀從增加射線輸出量、提高探測效率、測量裝置精密運動、信號坐標準確匹配等多方面予以改進。

圖2 X 射線的準直示意圖

2.3 增加射線輸出

在額定管電壓下，X 射線的輸出強度與X 射線管的管電流呈正線性相關關系[5]，通過提高X 射線管的管電流可以增加射線輸出強度，但是隨著管電流的提升會伴隨X 射線管發(fā)熱量急劇增加、光管壽命顯著減少等一系列問題。因此，綜合平衡各種因素，將微斑型X 射線發(fā)生器的管電流由100～150 μA 提升至300 μA，此時探測器的前置放大器輸出零點信號值可達到4 000 mV左右，較為適合小分區(qū)微斑測量的應用場合。

2.4 提高探測效率

在微射線束X 射線的條件下，通過提高探測器的探測效率也可提升測量精度。X 射線探測器采用充氣電離室，要求射線輸入窗必須足夠薄，又具備良好的密封性[6]。因此以質量厚度小、原子序數(shù)低、厚度小于100 μm 的金屬片(例如鈦箔等)作窗，焊接在密封殼體上以提升射線透過率及長期穩(wěn)定性。同時在制備電離室的過程中，需通過多種真空工藝及氣體純化措施來盡量減少或避免復合現(xiàn)象的發(fā)生，以進一步改善探測器的性能[7]。對該微斑X 射線探測器進行連續(xù)24 h 考驗測試：探測器平均信號值4 159 mV，每1 h 信號的相對標準偏差小于0.006%，每1 s 信號的相對標準偏差小于0.01%。

2.5 精密的運動控制

微斑面密度測量儀給出的每個測量值需要匹配準確的橫向位置坐標，以真實反饋橫向涂布情況。由于測量值代表的區(qū)域范圍很小，為降低位置坐標誤差，選用日本Magnescale公司的磁柵尺反饋測量部件的精密位移信息。該磁柵傳感器的分辨率為0.1 μm，測量精度10 μm。同時設計基于FPGA的運動控制器，以每秒4 000 次高速采集射線探測信號及位移信號，每個信號值均關聯(lián)對應的位置坐標，以數(shù)據再現(xiàn)的形式還原掃描區(qū)域測量輪廓。

所以綜合現(xiàn)有技術水平及工程應用的實際情況，應用于正極涂布閉環(huán)控制系統(tǒng)中的微斑X 射線面密度測量儀其物理光斑寬度為4 mm。由于不可避免的射線散射、探測器的時間常數(shù)等因素，實際測量斑的寬度為4.5～5 mm，因此面密度測量儀可以給出5～25 mm 等多種分區(qū)寬度的橫向涂布測量信息。

3 在閉環(huán)系統(tǒng)中的應用

3.1 測量儀的安裝位置

在涂布閉環(huán)控制系統(tǒng)中，為利于及時閉環(huán)調整，面密度測量儀向閉環(huán)控制器提供的縱向和橫向涂層面密度測量值應當實時快速。但是受制于極片烘干時間的原因(隨著涂布產量的增加，烘箱長度最長已達到80 m)，烘箱后干膜處測量儀給出的測量數(shù)據數(shù)據反映的是涂布機模頭2～3 min 之前的涂布情況，存在嚴重的時空滯后，很容易導致控制超調。雖然在控制策略中可以引入史密斯預估器等純滯后補償算法，但是在實際應用中還是存在延長調節(jié)時間、橫向閉環(huán)調節(jié)容易震蕩等問題。

正極漿料的溶劑是NMP 有機物液體(化學式C5H9NO)，屬于低等效原子序數(shù)物質。相比于含有錳、鈷、鐵等高原子序數(shù)金屬元素的正極材料，NMP 對軟X 射線的吸收遠小于正極材料。面密度測量儀微斑軟X 射線的透射衰減主要反映的是漿料中正極材料即涂層物質，而對NMP 溶劑不敏感。為了減少延遲時間，解決控制遲滯的問題，在涂布機模頭后濕膜處安裝一臺微斑型面密度測量儀，即時反饋濕膜極片涂布趨勢以滿足閉環(huán)控制的需求。但是未烘干的濕膜極片其涂覆漿料仍處于粘稠的固液混合態(tài)，無法完成沖壓取樣、天平稱重等測量儀標定步驟，測量儀不能直接給出涂層面密度具體數(shù)據，控制系統(tǒng)中的模頭等執(zhí)行機構無法對應定量調節(jié)。所以利用烘箱后的干膜微斑型面密度測量儀與濕膜測量儀構成多架同步掃描測量模式：利用EtherCAT 數(shù)據總線實時共享極片走帶速度、極片帶縱向位置坐標、橫向位置坐標等參數(shù)。兩架測量儀實現(xiàn)同步啟動，運動關聯(lián)，同軌跡測量，在微斑測量條件下，掃描軌跡偏差應小于3 mm。經標定的干膜測量儀實時比對同一測量區(qū)域濕膜測量儀的測量值，以干膜測量數(shù)據校準量化濕膜數(shù)據，以保證極片在烘干前后的涂層面密度的測量一致性。因此，在涂布閉環(huán)控制系統(tǒng)中，以烘箱前的濕膜測量儀快速反饋涂層質量分布，以烘箱后的干膜測量儀評價極片涂布質量，其安裝位置示意如圖3 所示。

圖3 面密度測量儀的安裝位置示意圖

3.2 與閉環(huán)控制系統(tǒng)的聯(lián)動

在實際應用中，面密度測量儀與閉環(huán)控制系統(tǒng)應具有聯(lián)動功能，如啟動聯(lián)動：閉環(huán)系統(tǒng)的涂布機開始涂布，測量儀開啟測量；掃描聯(lián)動：測量儀的掃描速度與涂布機的涂布速度自動匹配，極片每涂布16 m，測量儀至少進行一次往復掃描測量；數(shù)據聯(lián)動：測量儀完成掃描測量后通過EtherCAT 總線實時向閉環(huán)控制器的PLC 指定地址寫入數(shù)據，具體數(shù)據格式如表1 所示。

表1 閉環(huán)控制系統(tǒng)中的數(shù)據交互格式

3.3 應用效果

某正極涂布線涂布速度40～60 m/min，雙面涂布的工藝目標值為373 mg/1 540.25 mm2，公差±5 mg。應用微斑型面密度測量儀以0.2 m/s 的速度對極片進行在線掃描測量。測量儀向閉環(huán)系統(tǒng)反饋掃描周期均值的縱向面密度趨勢以進行縱向控制，向橫向控制器反饋每10 mm 一個測量值的橫向面密度趨勢以進行橫向控制。由面密度測量儀持續(xù)跟蹤縱向與橫向涂布質量情況，開啟閉環(huán)控制前后的對比效果如圖4和圖5 所示?？v向掃描均值極差由開啟閉環(huán)前的6 mg 降低至2 mg，橫向10 mm 分區(qū)間極差由開啟閉環(huán)前的10 mg 降低至2.5 mg。經計算過程能力指數(shù)(CPK)提高至2.5，極片的涂布質量一致性顯著提高。

圖4 面密度測量儀給出的縱向閉環(huán)控制效果

圖5 面密度測量儀給出的橫向閉環(huán)控制效果

4 結論

微斑X 射線測量儀可以給出正極極片橫向小分區(qū)的涂布面密度測量值，適合縱向橫向雙閉環(huán)涂布控制系統(tǒng)的反饋輸入信號使用，是鋰電池涂布產線質量控制所必需的在線檢測儀器。雙閉環(huán)的智能化質量控制是鋰電池生產的發(fā)展趨勢，微斑測量儀將得到更為廣泛的應用。由于負極極片的微斑面密度測量儀需要使用β 放射源氪85，而β 射線與X 射線的固有物理屬性不同，對β 射線的準直、校準負極濕膜水分對β射線的吸收影響、空氣溫度變化補償?shù)燃夹g實現(xiàn)相較于X 射線更加復雜，因此還需要進一步研究在β 射線微射線束條件下負極閉環(huán)控制的使用效果。