一种锂离子电池极片涂布成形的数字孪生系统

技术领域

本申请涉及锂离子电池极片挤压涂布技术领域，特别是涉及一种锂离子电池极片涂布成形的数字孪生系统。

背景技术

极片涂布是动力电池制造最关键的工艺，涂布是指将正负极浆料均匀地涂覆集流体上，经干燥后回收成卷的极片制造过程。极片性能对电池性能影响占比超70％，极片涂布引起的电池不一致性在电池成组后被放大，导致电池组性能达不到单电池水平，使用寿命缩短数倍甚至十几倍。因此动力电池制造需要保障单体电池一致性，以提高电池组容量与循环寿命等。但是现有极片涂布装备全部采用单面顺序涂布，存在以下技术瓶颈：

1、两面顺序涂布过程中装备与工艺状态参数存在差异，导致电池一致性差。两面顺序涂布的涂布量、干燥温度等装备与工艺状态参数不一致，导致两面涂布厚度与组分分布存在差异，导致极片两面容量、循环寿命等不一致，最终导致电池一致性差。

2、装备智能化程度低、装备与工艺状态监控困难，极片制造品质一致性难保证。严重缺乏装备运行状态参数的实时感知测量，如涂布压力场、干燥温度场与湿度场等，装备智能化程度低，极片制造品质难保证。

3、涂布质量的难以精准预测，装备工艺调试困难，新产品研发与换型困难。目前缺乏极片涂布工艺-结构-性能的全流程质量模型，难以实现涂布质量的精准预测，在新产品研发与产品换型中，需要反复对工艺进行调试，研发周期长、成本高。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题提供一种锂离子电池极片涂布成形的数字孪生系统。

本发明提供了一种锂离子电池极片涂布成形的数字孪生系统，该系统包括：参数感知模块、数据管理模块、涂布模型模块、涂布仿真计算模块、分析显示模块、控制模块；

所述参数感知模块用于实时测量锂离子电池极片涂布成形过程中的参数；

所述数据管理模块用于获取所述参数，并存储双面挤压涂布装备的历史运行数据以及历史仿真计算结果；

所述涂布模型模块用于根据双面挤压涂布装备建立双面挤压涂布数字三维模型；

所述涂布仿真计算模块用于根据所述参数、历史运行数据以及历史仿真计算结果，并基于所述双面挤压涂布数字三维模型，得到实时仿真数据；

所述分析显示模块用于根据所述实时仿真数据与所述历史运行数据进行对比分析，显示对比情况，并给用户提供参数调整指导；

所述控制模块用于接收用户指令，调整所述参数。

优选的，所述参数感知模块包括位移传感器、流量传感器、张力传感器、速度传感器以及第一数据接口；

所述位移传感器设置于双面挤压涂布装备的激光测厚装备上，用于测量锂离子电池极片进入烘箱前的湿厚以及干燥后、收卷前的面密度；

所述流量传感器设置于双面挤压涂布装备的送料泵上，用于测量锂离子电池浆料进入双面挤压涂布模头的流量；

所述张力传感器设置于双面挤压涂布装备的张力辊上，用于测量锂离子电池极片涂布成形过程中的极片张力；

所述速度传感器设置于双面挤压涂布装备的收放卷机构上，用于测量锂离子电池极片涂布成形过程中的涂布速度；

所述第一数据接口用于将锂离子电池极片涂布成形过程中的各所述参数传输至所述数据管理模块。

优选的，所述数据管理模块包括历史数据库和第二数据接口；

所述历史数据库用于存储双面挤压涂布装备的历史运行数据以及历史仿真计算结果；

所述第二数据接口用于获取所述参数，并与所述历史运行数据以及历史仿真计算结果一同传输给所述涂布仿真计算模块，第二数据接口获取的所述参数作为涂布仿真计算模块的输入，历史运行数据用于作为参数调整时的参考。

优选的，所述涂布模型模块包括双面挤压涂布模头部分和锂离子电池极片部分；

所述双面挤压涂布模头部分用于采用实际的双面挤压涂布模头结构的一半，并去除其中的倒角，以此构建出双面挤压涂布模头的数字三维模型；

所述锂离子电池极片部分用于采用立方体带作为锂离子电池极片的数字三维模型；

组合所述双面挤压涂布模头的数字三维模型和所述锂离子电池极片的数字三维模型，得到所述双面挤压涂布数字三维模型。

优选的，所述涂布仿真计算模块包括前处理部分、仿真计算部分、后处理部分；

所述前处理部分用于设置所述参数、边界条件，并完成网络划分；

所述仿真计算部分用于基于前处理部分的设置，并根据所述双面挤压涂布数字三维模型，模拟计算锂离子电池极片涂布成形过程，得到实时仿真数据；

所述后处理部分用于将所述实时仿真数据传输至所述分析显示模块。

优选的，所述分析显示模块包括数据分析显示界面和用户操作界面；

所述数据分析显示界面用于根据所述实时仿真数据与所述历史运行数据进行对比分析，显示对比情况，并给用户提供参数调整指导；

所述用户操作界面包括设置窗口，多种所述设置窗口用于向所述控制模块发出所述用户指令。

优选的，所述材料参数包括浆料密度、粘度以及接触角；所述边界条件包括速度入口、压力出口、固定壁面和滑移壁面；网络划分包括划分四面体网络和划分六面体网络。

优选的，多种所述设置窗口包括浆料流量设置窗口、涂布间隙设置窗口、涂布速度设置窗口、极片张力设置窗口。

有益效果：该系统采用数字孪生技术，可以在数字层面建立锂离子电池极片双面挤压涂布的全生命周期模型，即双面挤压涂布数字三维模型；通过对双面挤压涂布数字三维模型的仿真计算、历史运行数据和仿真结果的管理，以及实体与数字模型之间的实时双向通讯，可以促进锂离子电池极片挤压涂布装备的智能化，简化工艺调试过程，提升锂离子电池极片涂布过程中的产品质量一致性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例的锂离子电池极片涂布成形的数字孪生系统的示意图。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

如图1所示，本实施例提供了一种锂离子电池极片涂布成形的数字孪生系统，该系统在双面挤压涂布实体的基础上，建立了一个数字孪生体，可以根据实时获取的数据，并使用计算机实时仿真计算生成与实体工作状态对应的数字孪生场景，从而减少人工的现场调试；能够起到节约成本、提高效率，并增加锂离子电池极片挤压涂布装备的智能化的效果。

该系统包括：参数感知模块、数据管理模块、涂布模型模块、涂布仿真计算模块、分析显示模块、控制模块。

所述参数感知模块用于实时测量锂离子电池极片涂布成形过程中的参数。

具体的，所述参数感知模块包括位移传感器、流量传感器、张力传感器、速度传感器以及第一数据接口；

在本实施例中，所述位移传感器为双激光位移传感器，所述流量传感器为电磁式流量传感器，所述张力传感器为辊式张力传感器，所述速度传感器为霍尔速度传感器。

所述双激光位移传感器设置于双面挤压涂布装备的激光测厚装备上；所述电磁式流量传感器设置于双面挤压涂布装备的送料泵上；所述辊式张力传感器设置于双面挤压涂布装备的张力辊上；所述霍尔速度传感器设置于双面挤压涂布装备的收放卷机构上。

双激光位移传感器用于通过上下差动式测厚方法测量锂离子电池极片进入烘箱前的湿厚以及干燥后、收卷前的面密度。

电磁式流量传感器用于通过法拉第感应定律测量锂离子电池浆料进入双面挤压涂布模头的流量。

辊式张力传感器包括惰辊式和活辊式两种类型，用于测量锂离子电池极片涂布成形过程中的极片张力。

霍尔速度传感器用于通过霍尔效应测量锂离子电池极片涂布成形过程中的涂布速度。

所述第一数据接口用于将锂离子电池极片涂布成形过程中的各所述参数传输至所述数据管理模块。各所述参数包括但不限于涂布厚度及均匀性、涂布流量、极片张力、涂布速度。

所述数据管理模块用于获取所述参数，并存储双面挤压涂布装备的历史运行数据以及历史仿真计算结果。

具体的，所述数据管理模块包括历史数据库和第二数据接口；

所述历史数据库用于存储双面挤压涂布装备的历史运行数据以及历史仿真计算结果；所述历史运行数据为之前双面挤压涂布装备运行过程中数据感知模块测量得到的数据；所述历史仿真计算结果为涂布仿真计算模块之前计算的模拟文件。

所述第二数据接口用于获取所述参数，并与所述历史运行数据以及历史仿真计算结果一同传输给所述涂布仿真计算模块，第二数据接口获取的所述参数作为涂布仿真计算模块的输入，历史运行数据用于作为参数调整时的参考。

所述涂布模型模块用于根据双面挤压涂布装备建立双面挤压涂布数字三维模型。

具体的，所述涂布模型模块包括双面挤压涂布模头部分和锂离子电池极片部分；

所述双面挤压涂布模头部分考虑到双面挤压涂布模头为典型的对称结构以及倒角对结果的影响较小，故所述双面挤压涂布模头部分用于采用实际的双面挤压涂布模头结构的一半，并去除其中的倒角，以此构建出双面挤压涂布模头的数字三维模型；

所述锂离子电池极片部分用于采用立方体带作为锂离子电池极片的数字三维模型；

组合所述双面挤压涂布模头的数字三维模型和所述锂离子电池极片的数字三维模型，得到所述双面挤压涂布数字三维模型。

所述涂布仿真计算模块用于根据所述参数、历史运行数据以及历史仿真计算结果，并基于所述双面挤压涂布数字三维模型，得到实时仿真数据。

具体的，所述涂布仿真计算模块包括前处理部分、仿真计算部分、后处理部分；

所述前处理部分用于设置所述参数、边界条件，并完成网络划分；

在本实施例中，所述材料参数包括浆料密度、粘度以及接触角；所述边界条件包括速度入口、压力出口、固定壁面和滑移壁面；网络划分包括划分四面体网络和划分六面体网络。

所述仿真计算部分用于基于前处理部分的设置，并根据所述双面挤压涂布数字三维模型，模拟计算锂离子电池极片涂布成形过程，得到实时仿真数据；所述实时仿真数据包括但不限于极片涂布厚度、涂布均匀性。

所述后处理部分用于将所述实时仿真数据传输至所述分析显示模块。

所述分析显示模块用于根据所述实时仿真数据与所述历史运行数据进行对比分析，显示对比情况，并给用户提供参数调整指导。

具体的，所述分析显示模块包括数据分析显示界面和用户操作界面；

所述数据分析显示界面用于根据所述实时仿真数据与所述历史运行数据进行对比分析，显示对比情况，并给用户提供参数调整指导；

所述用户操作界面包括设置窗口，多种所述设置窗口用于向所述控制模块发出所述用户指令。多种所述设置窗口包括但不限于浆料流量设置窗口、涂布间隙设置窗口、涂布速度设置窗口、极片张力设置窗口。

所述控制模块用于接收用户指令，调整所述参数。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。