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一、课题的来源、目的、意义（包括应用前景）、国内外现状及水平
1.1 课题来源
随着电动车行业的迅速发展，车载电池的使用频率也随之越高，电池生产行业开始采用越来越多的全自动化生产设备设施。同时，全自动锂电池涂布控制技术是涂布设备中的核心技术，其涂布环节尤为重要。因此，对于生产速率调节的操作不当、涂布设备因操作失误而报警、停止因原料过少而报警和原料制作完成以后自动停机的程序运行等问题，进行设计全自动锂电池涂布设备PLC控制系统设计。
1.2 课题目的、意义（包括应用前景）
锂电池作为生产生活中不可缺少的能源作物之一，在国民经济中处于极其重要的地位，在全球范围内广泛使用。近年来，随着新能源汽车的兴起，未来锂电池将成为新能源研究发展的新趋势。因此需要设计一款基于全自动锂电池涂布设备PLC控制系统设计。锂电池的生产、技术升级环节也受到了许多学者的关注，其中，在锂电池生产技术中，尤为重要的技术步骤环节是涂布设备环节，由于PLC具有体积小、重量轻、应用灵活、使用方便、易于安装调试、抗干扰性强、连续工作可靠性高等优点, 能适应工业现场的恶劣环境,在工控领域得到广泛的应用[1]。故此采用 PLC作为生产线的主控制系统, 满足生产的需要。本课题的目的是解决生产速率调节问题、操作失误报警问题及程序运行问题等，提升PLC的控制精准以及涂布环节的速率。
1.3 国内外现状及水平
国外现状及水平
1800年意大利科学家Volta发明了伏打电堆，1859年法国科学家Plante研发出了铅酸蓄电池，1868年法国科学家Leclanche发明了以NH4CL为电解液的MnO2-Zn原电池，1899年瑞典科学家Jiinger发明了Ni-CD蓄电池1-21。进入20世纪后，伴随科技和人民素质水平的提高，人们要求电池体积小、能量高、污染小、寿命长，这也促进了电池技术的进步。1954年美国贝尔实验室发明了硅基半导体材料太阳能电池。20世纪60年代美国航空航天局为登月计划设计了氢氧燃料电池，70年代的能源危机促进了其他有机.燃料电池的出现，20世纪80年代出现了高容量、无记忆效应的Ni-Mn电池，90年代日本索尼公司率先推出了锂电池商品，使得该技术以惊人的速度在世界范围内向大规模化和产业化的方向发展[2]。
迄今为止，在各种电池技术中，锂离子电池已经成为最受欢迎的储能技术。与镍镉电池、镍氢电池和铅酸电池等其他类型的电池相比，它们具有多种优势，更高的能量密度和体积功率使它们成为生产小尺寸小单元的合适选择。因此，由于其长寿命、环境影响和安全性，可以被认为是理想的储能元件[3]。
锂电池技术初显在日本，在韩国发展，当前，日本、韩国是锂电池的主要生产国，其研发与制造实力位于锂电池技术国际前列。单从出货量而言，2016年日本松下电池位于全球第一，约为7.2GW·h，韩国LD与三星SDI分别位于第五位于第九位，约为2.5GW·h与1.1GW·h[4]。其中，锂电池的控制处于国际先进水平，技术瓶颈即将突破，核心技术突破，在未来5-10年内可实现大规模量产，为提高生产效益与技术产业化效益，减少投资风险，多家国际汽车厂商选择锂电池发展方向，未来锂电池可能即将全面取代镍氢电池[5]。采用先进的三维化学分析和X射线衍射相结合的方法，可以有效地监测锂-金属负极的循环性能。与电解液发生化学反应形成的杂质相结晶度是主要的降解因素。使用含硫活性较低的金属离子的电解液添加剂(如铜、银、金)，可以显著降低杂质相的结晶度，从而得到稳定的锂-金属阳极[6]。
现在日韩在锂离子动力电池在国际市场占有份额逐渐减少，但是日本仍占据着占据着锂离子动力电池国际高端市场的主导地位。其产品合格率约为1ppm级别。日本早于2009年就研究制定了动力锂电池技术，随着产业发展，通过国内研究人员的努力，形成了《NEDO（日本新能源与产业技术综合开发机构）二次电池技术研发路线图2013》，该图明确指出动力电池的开发路线[4]。
2020年，由于欧洲成为了全球第一大新能源汽车市场欧洲市场，推动欧洲动力电池市场需求将大幅增长，欧洲动力电池终端消费需求占比达到了30.4%，是全球第二大动力电池消费市场。受益于全球节能减排趋势及欧盟达成碳排放协议，全球锂电市场在2018年后进入需求高速发展时期。根据数据显示，2017-2020年，全球锂电池需求量持续上升，年复合组增长率达到了22.17%，其中动力电池装机量占比上升近18个百分点。2020年，全球锂电池需求量达到了279GWh，动力电池占比达到了54.5%。预计随着电动汽车全球渗透率将的不断提高，2021-2025年的年复合增长率达34.4%，2025年，全球锂电池整体需求量将达到1223GWh，动力电池占比达75.2%[7]。
国内现状及水平
目前，我国锂电池产业以及新能源电车的普及与发展，逐步超过日本、韩国，在2016年出货量中，其余七家均为我国电池产品企业。2016年我国锂电池出货量达到30.5GW·h，比亚迪与宁德时代列于第二及第三，分别为7.1GW·h与6.8GW·h。
根据有关数据，截止到当前，我国的新能源汽车动力电池配套总量超过了198亿Wh，其中，纯电动车型动力电池配套量高达184亿Wh，而其他为插电式混动车型动力电池配套量。根据当前的市场发展趋势，实际配套量与市场需求量并不完全匹配，在当前新能源汽车需求日渐增加的过程中，动力锂电池的市场发展潜力巨大[8]。从动力电池体系的实际情况来看，磷酸铁锂电池的性能较为稳定，且具有更高的安全性与可循环性，这一特性使得其在电动汽车领域的应用非常多，配套量甚至高达65%[9]。
2016年，我国工信部指导下，发布了,《节能与新能源汽车技术路线图》，通过电极结构优化设计、电池结构优化设计、生产工艺优化设计和轻量化设计等技术手段。随着我国锂电池的发展，我国锂电池技术产业规模快速扩展，形成了电池耐用、系统集备、产业供需完备、回收循环翻新系统等产业链结构。整体产业规模技术位于世界前列。将PLC用于铜箔、铝箔卷料的转运及其与涂布机的对接控制，既有助于节约转运成本，实现生产车间环境无尘化，又有助于提高生产车间智能化水平，助力锂电池产品品质提升[9]。为实现锂离子动力电池的高比能.高比功率、高安全和长循环寿命，国内动力电池企业多选择高镍正极材料，石墨或硅碳负极材料，高电压/高安全电解液、有机和或无机涂层的聚乙烯隔膜等材料，通过电极结构优化设计、电池结构优化设计、生产工艺优化设计和轻量化设计等技术手段[10]。
其中涂布机效率又取决于材料的性能与涂步库的设计、涂步库流动行为等诸多因素。锂离子电池电极的生产制造决定了电池性能的70%以上，而涂布工艺又直接决定了极片的品质。所谓涂布工艺，是指在一种基材的一面或者两面涂上覆盖层、上光层或保护层的过程.涂布过程基本都是经历从湿膜，烘箱干燥，到干膜的过程.对于锂离子电池，正负极极片涂布，即为将制备好的正负极浆料，通过涂布设备均匀地涂覆到集流体基材上，正极为铝箔，负极为铜箔，然后通过烘箱对湿膜进行烘干，使浆料内的溶剂充分挥发，经收卷装置获得初步加工的正负极极片卷。我国的涂布技术逐渐发展，现也处于涂布发达国家前列。
目前，我国的锂电池涂布工艺主要有刮刀式、辊涂转移式和狭缝挤压式等，通常我国的实验室设备采用刮刀式、3C电池采用辊涂转移式，动力电池采用狭缝挤压式，而入今主要使用的动力锂电池。我们通过CFD-DEM与PLC模拟对涂层工艺进行了建模，排除无关变量，成功即可在实际的涂层系统中实现这些结果将最大限度地提高涂层产量，并可将加工时间减少75%，并且实现精准涂布操作[11]。同时，我国不断在可编程程序控制器与锂电池加工和流程上创新，克服继电池上逻辑错误问题，完善速率不当和操作失误报警等问题，简化系统接线，灵活系统配量，提高系统可靠性[12]。1—7 月，中国动力电池累计装车量达到 134.3GWh，同比增长110.6%。其中，三元电池累计装车量 55.4GWh，占总装车量41.3%，同比增长55.7%；磷酸铁锂电池累计装车量78.7GWh，占总装车量58.6%，同比增长180.9%，呈现快速增长发展势头[13]。我国对动力电池和储能电池的需求变大，而刮涂和转移式涂布工艺无法满足动力电池的安全性，电池容量一致性等技术要求，目前成规模生产动力电池和储能电池的企业都采用挤压涂布方式，[14]所以我国锂电池涂布技术正朝着这一方向发展研究。目前市场上主要采用基带传送涂布方法应用于动力锂离子电池极片的商业化生产中，如刮刀与辊子组合的转移式涂布和利用特制挤压模头的挤压式涂布等。挤压 式涂布方法直接将浆料涂覆于基带上，不仅可以保护浆料不受环境污染而且能适应不同的浆料黏度范围、固含量、溶剂系统，比传统的转移式涂布具有更强的适应性[15]。
而对于涂布模头的产业化,国内企业由于技术研发经验而对于涂布模头的产业化，国内企业由于技术研发经验而对于涂布模头的产业化,国内企业由于技术研发经验不足，同时在机械的精密加工方法。上存在一定的技术难题,导致国产模头在精度性能以及产品的稳定性上一直达不到国外先进技术水平。据了解，三菱公司的涂布模头涂布厚度精度可以做到士1μm，但国产模头的涂布厚度精度只能达到士3μm左右。在使用性方面，国外模头很少出现问题，而国产模头的稳定性较差，这也是国内锂电池生产厂家优先选择进口模头的重要原因。所以国内也正在对磨头进行高端科技研究[16]。因此国内做了许多研究，2009年，孙正军做了基于图像边缘提取的电池极片瑕疵检测研究.通过提出改进的susan算法和改进的canny算法的电池缺陷边缘检测方法，针对分割后电池极片缺陷二值边缘图像。利用数学形态学方法去噪。进行缺陷的形状特征参数提取。进而进行极片缺陷识别和判断。但是该方法主要针对离线的瑕疵检测。并且边缘检测算法时间较长，不能满足工程中实时检测的需求[17]。
本课题主要研究的适用于全自动锂电池涂布设备PLC控制系统设计，根据以上国内外现状调研，基于优缺点考虑，锂离子电池的成本和安全性则成为制约锂离 子电池在电动汽车中广泛应用的最大因素，因此从锂离子电池商品化以来，科研人员对于其成本及安全性等方面，本课题针对PLC的控制精准以及涂布环节的速率进行系统设计[18]。同时，针对送料及操作失误报警的，本课题也会对操作系统进行改善设计。
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