基于Ansys的锂电池极片辊压质量改善研究.pdf

精 密 成 形 工 程 第 15 卷 第 9 期 198 JOURNAL OF NETSHAPE FORMING ENGINEERING 2023 年 9 月 收稿日期：2023-03-02 Received：2023-03-02 引文格式：刘文可,邹胜,李学勇,等.基于 Ansys 的锂电池极片辊压质量改善研究J.精密成形工程,2023,15(9):198-205.LIU Wen-ke,ZOU Sheng,LI Xue-yong,et al.Rolling Quality Improvement of Lithium Battery Pole Pieces Based on AnsysJ.Journal of Netshape Forming Engineering,2023,15(9):198-205.基于 Ansys 的锂电池极片辊压质量改善研究 刘文可，邹胜，李学勇，陈建平，卓世高（惠州市赢合科技有限公司，广东 惠州 516025）摘要：目的目的 优化辊压机结构，减小辊压后极片的不均匀性，进一步提升锂电池性能。方法方法 首先，将辊压机工程模型简化为仿真模型，运用 Hypermesh 对仿真模型进行网格划分，重点加密极片和轧辊接触区域的网格，将划分好的网格以 Inp 格式导入 Ansys 中，设置边界条件并求解计算，模拟轧辊辊压极片的过程。其次，提取极片监测点的仿真数据，换算得到极片辊压后的厚度，将仿真结果与实验数据对比，验证极片辊压仿真方法的准确性。最后，运用该仿真方法分析液压弯缸力、弧形辊弓高和轧辊辊面长度等对极片辊压质量的影响。结果结果 分析仿真和实验结果可知，辊压后极片的厚度平均值和极差值对标率均在 90%以上，证明了仿真方法准确可靠。随着弯缸力（0784 000 N）逐渐增大，极片厚度极差值先减小后增大；随着弧形辊弓高（060 m）逐渐增大，极片厚度极差值先减小后增大；随着轧辊辊面长度（1 2001 500 mm）逐渐减小，极片厚度极差值逐渐减小。结论结论 施加合适的弯缸力、对弧形辊进行设计均可改善极片辊压质量。轧辊辊面长度越小，极片辊压效果越好。可通过极片辊压仿真方法确定最优弯缸力大小与弧形辊最优弓高，该方法大幅度缩短了辊压机研发周期，优化了辊压机性能，提高了极片辊压质量，为锂电池性能的提升奠定了基础。关键词：极片辊压；锂电池；Ansys 仿真；弯缸力；弧形辊；辊面长度 DOI：10.3969/j.issn.1674-6457.2023.09.024 中图分类号：TG335；TM912 文献标识码：A 文章编号：1674-6457(2023)09-0198-08 Rolling Quality Improvement of Lithium Battery Pole Pieces Based on Ansys LIU Wen-ke,ZOU Sheng,LI Xue-yong,CHEN Jian-ping,ZHUO Shi-gao (Huizhou Yinghe Technology Co.,Ltd.,Guangdong Huizhou 516025,China)ABSTRACT:The work aims to optimize the structure of the roller press,reduce the non-uniformity of the pole piece roller press,and further improve the performance of the lithium battery.Firstly,the engineering model of the roller press was simpli-fied into a simulation model,and Hypermesh was used to divide the simulation model,focusing on the mesh of the contact area between the pole piece and the roll,and the divided mesh was imported into Ansys in Inp format,and the boundary conditions were set and solved to simulate the process of rolling the pole piece.Secondly,the simulation data of the monitoring point of the polar piece was extracted,and the thickness of the polar piece after rolling was obtained.The simulation results were compared with the experimental data to verify the accuracy of the simulation method.Finally,the simulation method was used to analyze the effects of hydraulic cylinder bending force,arc bow height and roll surface length on the rolling quality of the pole piece.The results of simulation and experiment showed that the average and range of the thickness of the polar piece were above 90%,which proved that the simulation method was accurate and reliable.As the applied bending force(0-784 000 N)gradually in-creased,the thickness range of the pole piece decreased first and then increased.With the height of the designed curved roll 第 15 卷 第 9 期 刘文可，等：基于 Ansys 的锂电池极片辊压质量改善研究 199 (0-60 m)increased gradually,the thickness range of the polar piece decreased first and then increased.With the length of the roll surface(1 200-1 500 mm)gradually reduced,the thickness range of the polar piece was gradually reduced.Applying suit-able bending force and designing curved roll can improve the rolling quality of the pole piece.The smaller the length of roll surface,the better the rolling effect of the pole piece.The optimal bending cylinder force and the optimal bow height of the curved roll can be determined by the simulation method of the pole piece rolling.This method greatly shortens the development cycle of the roller press,optimizes the performance of the roller press,improves the quality of the pole piece rolling,and lays a foundation for improving the performance of lithium batteries.KEY WORDS:pole piece roll;lithium battery;Ansys simulation;cylinder bending force;curved roll;roll length 为实现碳达峰与碳中和的战略目标，我国颁布了一系列新能源开发激励措施，新能源锂电池得到了快速发展，目前中国电池企业在全球电动车电池市场中已夺取超过六成的份额，且优势仍在继续扩大1-4。但是锂电池存在续航能力弱、能量密度低、电性能一致性和安全性差、充电速度不够快及成本高等缺陷，影响了其在新能源汽车上的应用5-6。电池极片的厚度均匀性直接影响了电池的能量密度与安全性等关键性能参数，极片辊压工艺的精度较高，一般要求辊压后极片的厚度不均匀性在1.5 m 内7-9。极片辊压工艺作为锂电池生产制造的关键技术之一，对其进行研究意义重大10。李湃11对极片辊压过程中的轧制力模型和极片辊压机控制系统进行了研究，运用 GA-BP 算法建立了轧制力预测模型，提高了轧制力控制系统设定的精度。关玉明等12通过建立辊压机主动辊的受力数学模型，得出极片厚度不均匀机理，同时运用二次开发软件建立了辊压极片的设计平台，提高了锂电池生产自动化水平。马嵩华等13建立了整机和极片变形的数学模型，间接得到了整机辊压力与辊缝变化之间的定量关系，并基于响应面的设计优化提高了辊压机的生产效率。张俊鹏等14根据轧制力计算公式，建立了轧制力与涂层厚度、压实密度的关系模型，该方法对实施AGC 厚度精确控制有指导意义。刘振州15采用三菱等硬件模块搭建了电池极片辊压机厚度闭环系统，该系统的人机交互界面友好，提高了电池生产效率。戚银银16提出了一种锂电池辊压机用凸形展平辊，防止了极片铝箔在辊压过程中发生褶皱卷边甚至破裂的现象。刘斌斌等17在二辊辊压机的基础上，提出了一种四辊辊压机新结构，并证明了它的可行性。目前，国外学者主要对模头涂布和极片干燥等锂电池生产工艺进行了研究，而对锂电池极片辊压工艺的研究较少18-20。国内学者花了大量精力推导极片辊压理论数学模型，侧重研究轧制力和极片厚度的关系以及如何提升生产效率，但忽略了极片厚度均匀性的改善问题。本文运用 Hypermesh 和 Ansys 联合仿真，模拟了轧辊辊压极片的过程，并对比了实验与仿真结果，确保了仿真方法的准确性，然后运用该方法研究了液压弯缸力、弧形辊弓高和轧辊辊面长度等对极片辊压质量的影响，以期找到影响极片厚度均匀性的关键因素，优化辊压结构，提升辊压机性能，改善辊压后极片的质量。1 极片辊压仿真方法验证 平辊辊压机辊压的极片普遍存在中间厚边缘薄的缺陷，质量不高，很难达到生产要求21。为改善此类现象，提出了用弧形辊替代平辊的优化设计方案。弧形辊与平辊结构类似，仅中间辊面段不同，具体结构如图 1 所示。图 1 平辊优化设计成弧形辊 Fig.1 Curved roll optimized for flat roll design 为验证弧形辊的实际辊压效果，设计并加工了弓高为 11 m 的下弧形辊，采用装配有该弧形辊的辊压机对极片进行辊压实验，然后用万分尺测量辊压后极片的厚度。实验数据表明，与平辊辊压相比，用弧形辊辊压后的极片的不均匀性明显减小，极片辊压质量得到改善。为研究弧形辊弓高大小对极片辊压质量的影响，同时也为确定最优弓高的大小，需知道不同弓高弧形辊对极片辊压的影响。但轧辊尺寸大，单个辊径为 900 mm 的轧辊的质量约 10 t，其使用材料为 9Cr3Mo 合金钢，硬度大22，需通过研磨的方法加工成微米级弓高的辊面，单加工一个弧形辊的费用就超过 10 万元，运输和加工将耗时一个月，再加上轧辊拆卸与安装、试验成本和延误生产等，进行一次弧形辊实验测试的成本昂贵。仿真技术的出现有效解决了上述问题，可通过仿真模拟不同弧形辊辊压极片的过程代替实验测试，该方法200 精 密 成 形 工 程 2023 年 9 月 耗时短、成本低、可重复性高，同时有实验数据对标，可保证仿真的准确性。1.1 模型简化 工程师用 SolidWorks 设计的辊压机三维模型如图 2a 所示。由于零部件较多，仿真计算量较大，在不影响分析结果的前提下，不考虑构件安装的初始应力及加工误差，对样品的小孔、倒角、圆角等进行简化处理，同时忽略对极片辊压影响较小的零部件。图2b 为简化后的仿真模型。1.2 网格划分 Hypermesh 凭借其强大的网格划分能力被广泛运用23。被辊压极片的厚度一般在 0.2 mm 左右，而轧辊辊面尺寸是米级的，辊压后极片的平均厚度和极差值变化都是微米级的，几何尺寸跨度较大，为捕捉好这些细节、提高仿真计算精度，必须划分高质量的网格。本文运用 Hypermesh 对辊压机仿真模型进行网格划分，对极片和轧辊接触区域进行局部加密，该区域网格大小为 3 mm，网格模型如图 3 所示。因辊压机模型基本属于对称结构，左右侧施加的载荷大小也基本一致，为节省计算资源并加快求解，网格模型只划分了一半，可导入 Ansys 中用对称模型进行计算。网格模型的网格总数为 943 324，采用高阶实体应力单元。1.3 仿真求解 划分好的网格以 Inp 格式导入 Ansys Static Structural 模块中，使用对称模型，然后进行材料赋予、接触建立、边界约束和载荷施加等条件设置。将极片和轧辊接触建立为摩擦接触，摩擦因数取 0.1；辊压机顶部支撑板约束为固定支撑；单个主缸力为955 500 N，下辊单侧弯缸力为 196 000 N，上辊单侧弯缸力为 588 000 N，重力加速度为 9.8 m/s2。仿真求解条件如图 4 所示。1.4 后处理 在求解计算完成后，分别监测辊压区域极片上表面位移量 D上、极片下表面位移量 D下、极片压缩量D（D=D下D上）、极片初始厚度 t0及极片辊压后的厚度 t1（t1=t0D）。根据上述方法可计算求得辊压后极片沿跨度方向即轧辊轴线方向的厚度值。极片监测点取点情况如图 5 所示，大致等间距取中间18 个点。根据辊压后极片各监测点位置的厚度值绘制极片厚度监测曲线，同时也绘制了 3 条实验实测数据曲线作为对照，如图 6 所示。不难发现，仿真求解的极片厚度和实验数据基本吻合，极片厚度平均值对标 图 2 辊压机仿真模型 Fig.2 Simulation model of roller press:a)three dimensional model of roller press;b)simplified model of roller press a 1/2 辊压机网格 b 轧辊和极片接触区域网格 c 极片辊压区域网格细化 图 3 网格模型 Fig.3 Grid model:a)1/2 roller press mesh;b)roll and pole piece contact area grid;c)grid refinement in the pole piece rolling area 第 15 卷 第 9 期 刘文可，等：基于 Ansys 的锂电池极片辊压质量改善研究 201 图 4 仿真求解条件 Fig.4 Simulation solution condition 图 5 极片监测取点位置示意图 Fig.5 Schematic diagram for location of pole piece monitoring point 图 6 极片厚度仿真与实验对标 Fig.6 Simulation and experimental benchmark of pole piece thickness 率达到了 99%以上，极片厚度极差值对标率在 90%以上，证明了极片辊压仿真方法的准确性。2 极片线压力 轧辊主要对极片料区进行辊压，极片线压力表示料区单位长度承受的轧制力大小，用 l 表示，单位一般为 N/cm。计算公式如式（1）所示。wxjzFFm glL (1)式中：Fz为 2 个主缸力（左右各一个）合力，N；Fw为 4 个下弯缸力（左右各 2 个）合力，N；mx为下辊系的质量，kg；g为重力加速度，大小为 9.8 m/s2；Lj为极片料区（不包括留白区）总宽度，cm。确定好极片材质后，极片压缩量的大小主要由线压力决定，线压力直接影响辊压后极片的平均厚度。换句话说，在确定了极片材质且保证线压力不变的条件下，辊压后极片的平均厚度基本不变。一般使用的线压力为4 90024 500 N/cm，当极片材质不变时，线压力越大，压实密度越大。3 仿真分析 本文采用的极片材料为三元复合正极材料，以镍盐、钴盐、锰盐为原料。由于极片属于复合材料，且不同工艺下镍、钴和锰的比例不同，不同干燥情况下极片材料的疏松程度不同，获取准确的材料属性十分困难。首先，通过对某一特定类型的极片进行辊压实验，获得辊压后极片的厚度平均值和极差值等数据。其次，运用仿真方法拟合极片材料参数，不断调整极片的弹性模量和泊松比等，直至使运用仿真方法得到的极片厚度平均值和极差值等结果与实验结果基本一致，则该特定类型极片的材料属性即拟合完成。最后，将拟合好的极片材料属性应用到其他仿真案例中，以预测不同工况下的极片辊压情况。目前，辊压机辊压极片主要有 2 种工艺类型：整幅和多幅。前者较为典型，图 7 为辊压机辊压极片整幅工艺现场调机示意图。为使仿真结果更具代表性，极 片 采 用 整 幅 工 艺 进 行 辊 压，线 压 力 大 小 取11 760 N/cm，采用控制变量法分别研究液压弯缸力、弧形辊弓高和轧辊辊面长度 3 个因素对极片辊压质量的影响。极片极差为极片厚度均匀性的重要评价指标，数值上等于辊压后极片的最大厚度值减去最小厚度值，极差越大，越不均匀，质量越差。初步工况如下：轧 辊 辊 压 段 直 径 为 800 mm，辊 面 初 始 长 度 为1 500 mm，极片初始幅宽为 1 299 mm，上弯缸力与下弯缸力大小相同，单个弯缸力初步定为 196 000 N，下辊系总质量为 154 00 kg，则单个主缸力为 1 231 272 N。3.1 液压弯缸力 弯缸座位于轧辊两侧，将液压弯缸力施加在弯缸座的两端。一台辊压机布置有上下 2 个轧辊，上下轧辊各安装有 2 个弯缸座，对每个弯缸座施加 2 个大小相等的弯缸力，力的大小由液压缸的液压力控制，单个弯缸力大小一般控制在 0588 000 N。施加弯缸力主要是为了改善极片的辊压质量，减小辊压后极片的极差。在辊压机现场使用过程中，具体施加多大的弯缸力是关键。目前，确认最优弯缸力的大小有 2 种方法：凭借经验进行多次实验取最优；通过仿真模拟进行后处理分析取最优。运用上述提到的极片辊压仿真方法，对该辊压机工况进行仿真计202 精 密 成 形 工 程 2023 年 9 月 算，极片极差随弯缸力大小变化的情况如图 8 所示。图 7 辊压机整幅辊压现场调机示意图 Fig.7 Schematic diagram of whole roller press on site 图 8 极片极差值随弯缸力大小变化情况 Fig.8 Variation of pole piece range with bending cylinder force 由图 8 可知，当弯缸力为 0 N，即无弯缸力时，极片极差值最大。随着弯缸力逐渐增大，极片极差值先减小后增大，在弯缸力为 588 000 N 时，极片极差值最小。这个现象表明弯缸力的施加对极片辊压质量有改善效果，最优弯缸力大小为 588 000 N，当超过588 000 N 后，极片厚度不均匀性会被矫正过度，极差值变大。校正弯缸力运用的是杠杆原理，当轧辊端部施加的弯缸力过大时，轧辊中间辊压部位呈现凸出的效果，在极片辊压后，会出现中间薄、边缘厚的现象，矫正过度。通过仿真模拟方法可确定最优弯缸力大小，避免了多次实验尝试，节省了材料和时间，对辊压机现场工作有较大指导意义。3.2 弧形辊弓高 随着锂电池产业的不断发展，上游对下游提出的要求越来越高，为提高生产效率和极片性能，增大了极片跨度和压实密度，进而导致辊压后极片的极差增大，仅靠施加弯缸力无法满足极片辊压质量的要求。本文借助钢铁轧制辊压机的设计经验24，设计了弧形辊对极片进行辊压，弧形辊辊面段为弧形，弓高尺寸大小是微米级的。锂电池极片辊压机一般使用单弧形辊系统，上轧辊为普通平辊，下轧辊为弧形辊。这主要是因为双弧形辊加工和维护成本较高，且使用下弧形辊方便安装和拆卸。运用极片辊压仿真方法分析下弧形辊弓高变化对极片辊压质量的影响，仿真情况如图 9 所示。极片监测点取极片跨度方向上的 17 个均等分点，监测到点 9 的位置位于极片跨度方向的正中间，具体取点方法与图 5 类似。图 9 极片辊压后厚度随下弧形辊弓高变化的情况 Fig.9 Thickness of pole piece varies with the height of the lower arc roll after rolling:a)bow height 0 m;b)bow height 20 m;c)bow height 40 m;d)bow height 50 m;e)bow height 55 m;f)bow height 60 m 第 15 卷 第 9 期 刘文可，等：基于 Ansys 的锂电池极片辊压质量改善研究 203 由图 9 可知，当下弧形辊弓高为 0 m 时，即下轧辊为普通平辊时，极片极差值最大。随着下弧形辊弓高逐渐增大，极片极差值先减小后增大，当下弧形辊弓高为 55 m 时，极片极差值最小，最小极差值为0.06 m。这个现象表明，当下轧辊为弧形辊时，极片辊压质量有所改善。下弧形辊的最优弓高为55 m，当下弧形辊弓高超过 55 m 后，极片厚度不均匀性出现矫正过度的情况，极差值变大。同时，随着下弧形辊弓高的增大，极片平均厚度只是略微减小，基本保持不变。这是因为作用于极片的线压力始终为11 760 N/cm，线压力不变，极片辊压后的平均厚度基本不变。图 10 为辊压机辊压极片的应力云图，剖面位置为轧辊的中间对称面。由图 10 可知，采用辊压机辊压极片时，极片辊压区域应力较大，极片表层涂料受轧辊压力作用而被压实。由图 10a 可知，当下弧形辊弓高为 0 m，即下轧辊为平辊时，极片应力沿跨度方向呈两端大、中间小的分布趋势，出现 15.4 MPa（117.53 MPa 102.13 MPa）的压力差，这是导致极片辊压时出现中间厚、边缘薄的原因。由图 10b 可知，当下弧形辊弓高为 55 m 时，极片应力沿跨度方向差异很小，压力差小于 1 MPa，此时，极片厚度均匀性良好。通过仿真模拟方法可确定弧形辊最优弓高大小，大幅度缩短研发周期。3.3 轧辊辊面长度 极片幅宽越大，辊压极差越大25。为提升辊压机的产量，极片幅宽在不断增大，辊压机更新换代快，轧辊辊面长度从 950、1 050、1 200、1 300 mm，一直增大到现在的 1 500 mm，辊面长度不断增大26。因此，研究辊面长度对极片辊压质量的影响很有必要。为分析辊面长度减小对极片辊压质量的影响，减小轧辊辊面长度，使极片始终位于轧辊辊面中间位置，保证极片幅宽不变或同步减小。针对上述 2 种情况分别进行极片辊压仿真，仿真后处理情况如图 11所示。图 10 辊压机辊压极片的应力云图 Fig.10 Stress nephogram of pole piece in roller press:a)pole piece rolling area with lower arc roll bow height of 55 m;b)pole piece rolling area with lower arc roll bow height of 0 m 图 11 辊面长度减小对极片辊压质量的影响 Fig.11 Effect of decreasing roll surface length on rolling quality of polar piece:a)only the roll face length is reduced;b)the length of the roll surface and the width of the pole piece decreased simultaneously 204 精 密 成 形 工 程 2023 年 9 月 由图 11 可知，当轧辊辊面长度减小量为 0 mm，即轧辊辊面长度为 1 500 mm 时，极片极差值最大。随着辊面长度的减小，极片极差值减小。由图 11a 可知，当轧辊辊面长度减小了 120 mm 时，极片极差值减小约 7.496.53=0.96 m；由图 11b 可知，当辊面长度和极片跨度同步减小了 100 mm 时，极片极差值减小约 7.495.84=1.65 m。以上现象表明，随着辊面长度的减小，极片极差减小，厚度更加均匀。不难发现，当辊面长度和极片跨度同步减小时，极差减小更明显，这解释了增大极片幅宽后，相应的轧辊辊面加长，而极片极差更大的现象。4 结论 1）运用 Hypermesh 和 Ansys 联合仿真，模拟了轧辊辊压极片的过程，并用仿真监测数据和实验数据进行对标，发现辊压后极片厚度平均值和极差值对标率均在 90%以上，验证了极片辊压仿真方法的准确性。2）施加液压弯缸力、设计弧形辊均可改善极片辊压质量，当弯缸力过大或弧形辊弓高过大时，极片厚度不均匀性会出现矫正过度的情况，辊压效果变差。随着轧辊辊面长度的减小，极片极差减小，这解释了轧辊辊面加长后，极片辊压质量难以达到生产要求的现象。3）通过极片辊压仿真方法可确定最优弯缸力大小与弧形辊最优弓高，降低实验成本，大幅度缩短研发周期。参考文献：1 瞿传雷.英威腾 GD350 主从控制方案在锂电极性材料辊压机上的应用J.自动化博览,2022(8):38-40.QU Chuan-lei.Application of Inwitten GD350 Mas-ter-slave Control Scheme in Lithium Electric Polar Ma-terial Roller PressJ.Automation Expo,2022(8):38-40.2 李凌云.中国新能源汽车用锂电池产业现状及发展趋势J.电源技术,2020,44(4):628-630.LI Ling-yun.Current Situation and Development Trend of Lithium Battery Industry for New Energy Vehicles in ChinaJ.Power Supply Technology,2020,44(4):628-630.3 韩鑫.锂电池热销折射发展新动能-数据里的中国活力J.电力设备管理,2022(17):1.HAN Xin.Hot Sale of Lithium Battery Reflects New Driving Force of Development-the Vitality of China in DataJ.Electric Power Equipment Management,2022(17):1.4 况新亮,刘垂祥,熊朋.锂离子电池产业分析及市场展望J.无机盐工业,2022,54(8):12-19.KUANG Xin-liang,LIU Chui-xiang,XIONG Peng.Lithium Ion Battery Industry Analysis and Market Out-lookJ.Inorganic Chemicals 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