鋰電池性能的關鍵在電芯捲繞品質，經由優化張力控制架構，不僅能提升捲繞製程品質，更可以降低產線設備成本。本文將探討張力伺服技術在控制領域與鋰電池製造的創新應用。
鋰電池具有能量密度高、電壓高、壽命長，沒有記憶效應等優點。常見的應用，包含工業儲能、消費性電子產品，如手機、電腦、平板電腦、以及因應全球環保政策而崛起的電動交通工具，讓鋰電池需求量高速增長，成為當代不可或缺的電源產品。隨著環保意識抬頭，加以全球生產基地板塊移轉與缺工潮問題，智慧製造、工廠數位轉型等概念順勢而起，未來鋰電池製造設備的自動化程度會越來越高。
鋰電池的製程包括電極製造、電芯製造、化成分容、包裝等四大環節。依據電極材料與分離膜的組成構造不同，電芯製程可再分成捲繞與疊片兩種，其中捲繞具有複雜度低、產量高、成本低的優勢，因此在鋰電池製造業中仍是相當主流的製程。
捲繞製程直接影響鋰電池的品質與效能，同時也影響了使用鋰電池的無數產品性能與安全。因此，鋰電池製程需確保設備捲繞材料的張力控制恰到好處。由於電芯捲繞製程繁複，過程中只要某一環節速度偏慢或失準，就會影響整體設備的運作效率和生產品質，若張力不足或過大，可能會導致捲繞品質不佳，造成鋰電池產品的性能下降，甚至造成產品故障。如何在鋰電池電芯捲繞製程中，高精高速控制張力，維持成品品質一致與高產量、並確保鋰電池安全和性能，是製程的關鍵所在。
克服運算週期導致的延遲
一般張力控制系統通常應用感測器、張力控制器和驅動器三大部分：感測器依產線實況回傳數據給控制器，控制器則負責在預定範圍內，控制驅動器的速度或應用適當的壓力，來調整捲繞過程中的張力，確保電芯內的各個組件可以被正確且一致地捲繞，進而確保產品質量和性能。
更深入地分析，張力控制架構是由張力感測器將訊號傳輸回授給控制器，經過控制器進行閉環計算後，透過總線方式傳給驅動器，來響應張力感測器的訊號。這樣的控制架構，從感測器訊號產生，傳到控制器計算，再由網路傳遞給驅動器，至少經歷了3次的運算周期；而且在此架構下，上位控制器控制的軸數越多，運算週期就會因此越長。
一般業界常用規格控制器，在控制30至40軸的情況下，通訊週期會達到4毫秒甚至更長；也就是當訊號發生後12毫秒後，驅動器才能響應該訊號。3個運算週期的落後，在對於控制精度十分要求的鋰電池製造，以及其他張力控制要求較高的行業應用，都會對產品品質與性能造成極大的影響。
有句控制領域的經典名言：「垃圾進，垃圾出」（garbage in, garbage out），意即錯誤的輸入，只能造成錯誤的輸出。若是張力控制器得到的永遠都是3個週期前的回授信號，那張力控制器也只能給出一個不即時且不夠精確的反應，進而損及捲繞製程的控制精度。
有鑑於此，簡化張力控制方案的架構，縮短訊號運算週期，是提升捲繞製程精度的治本之道。臺達的高階伺服系統ASD-A3-ET直接將張力的回授信號運算與控制功能內建在伺服驅動器內部，以16k的高取樣率，搭配回授與前饋控制，提供62.5微秒的響應速度，將張力回授信號的延遲降至最小，進一步提升張力控制精度，且精省整體系統架構與建置成本（圖一）。
不僅如此，ASD-A3-ET支援多樣性的張力回授型態，例如模擬量輸入、編碼器脈波輸入，也包括臺達通訊型力量感測器，以此來滿足不同行業製程中多元的張力控制情境（圖二）。綜合「減少回授週期落後/延遲」以及「高響應性的控制器」兩點，臺達張力伺服方案得以提升張力控制精度，符合鋰電池電芯捲繞製程的高規格要求。
| 圖一 : 臺達高階伺服系統ASD-A3-ET直接將張力的回授信號運算與控制功能，內建在伺服驅動器內部，縮短計算週期提高張力控制精度。 |
|
| 圖二 : ASD-A3-ET支援多樣性的張力訊號回授型態，滿足不同行業製程中多元的張力控制情境。 |
|
在張力控制應用上，除了克服訊號週期過長，與需要好的張力控制器以外，在捲繞製程中，還需多種不可或缺的配套功能。以下說明張力伺服系統內建的捲徑估測、張力錐度、以及斷帶偵測功能，如何解決製程痛點。
捲徑估測準確是張力控制基礎
不僅限於鋰電池芯製造，在許多應用薄膜捲繞的行業製程中，被捲繞物的直徑會在收捲的過程中越來越大，此時，若是捲徑變化估測不準確，就會影響張力控制的精度。捲徑估測一般可以應用兩種方法：其一，是藉由感測器量測捲徑；其二，是通過控制器內建演算法估測。
通常感測器量測的方式，在實務上，多數會利用雷射測距儀，直接量測被捲繞物的半徑。此方法雖然可以準確的量測出捲徑，但是整體的機臺的建置成本就會增加。因此，在效益考量下，實務上也常會透過演算法估測的方式，獲得被捲繞物的捲徑。演算法的估測結果並不遜色於感測器直接量測，而且不會增加總體建置成本。臺達張力伺服解決方案內建三種捲徑估測的演算法，可依循材料參數與產線速度資訊計算捲徑，提供使用者依不同情境，結合機構可提供的資訊自行選擇。
1.厚度積分法：優點是適用所有情境，需要材料參數，了解材料厚度才能計算。
R(k) = R(k-1) + θ*(P(k)-P(k-1))
2.速度比例法：優點是不需要明確的材料參數，需要線速度資訊。
R= Ve / 2πω
3.弧長比例法：優點是不需要明確的材料參數，需要線距離資訊。
R = Pe / 2πθ
計算張力錐度確保捲面平整
在薄膜捲繞的成品上，時常會出現所謂「星狀體」的現象，意即成品的內部被擠壓而出現皺褶，這是因為在捲繞的過程中，張力若始終保持恆定，內層會被外層擠壓，材料的內部應力逐漸累積，最後壓垮了內圈的材料，進而形成皺褶或是凸出，導致捲面不平，致使成品變形。為避免這種狀況，張力控制需要考量材料種類、厚度、空捲與滿捲的寬度等多種因素，才能藉由內緊外鬆的捲繞來確保成品的品質。
臺達的張力伺服系統內建可解決此現象的張力錐度演算法，包括曲線型張力錐度及建表型張力錐度兩種，前者可以快速導入內建張力錐度功能；後者則讓使用者自行依需求客製計算出最佳化錐度曲線。藉由張力錐度功能，即可解決成品出現星狀體的問題，保持捲面平整，減少廢料的產生，提高產品的品質。
| 圖三 : 在張力伺服系統內建張力錐度演算法，可隨捲徑準確控制張力大小，捲面平整避免廢料產生。 |
|
另外，張力伺服系統中也有斷帶偵測的安全保護功能。在收放捲實務中，有許多的情境可能造成斷帶的情況，例如張力控制不穩定、材料本身缺陷等等；當斷帶的情形發生時，張力會瞬間消失，造成收放卷軸誤判，進而造成誤動作，例如速度持續提升導致空轉，或是卷軸反轉造成產線前/後站正常材料受損。為了避免上述狀況，臺達張力伺服系統提供斷帶偵測功能，可以實時監測張力回授訊號，當發生斷帶或張力不穩定的情況，即會提醒使用者進行後續的保護處理 （圖四）。
| 圖四 : 臺達張力伺服系統實時監測張力回授訊號，在張力過大或不足時，會提醒使用者避免斷帶發生。 |
|
鋰電池芯捲繞製程是消費性電子和電動交通工具領域的核心，鋰電池行業的自動化程度快速發展，對設備要求越來越高。如何在提升產能的同時，也保證設備穩定性與產品品質，成為鋰電池製造行業的發展趨勢與重要課題。目前大圓柱型鋰電池也開始在電動車領域與工業儲能領域發光發熱，其可靠性和穩定性得到行業認可，為了提升捲繞品質，張力控制是非常重要的環節。
在鋰電池捲繞製程中，傳統上位控制方式由於受到運算周期延遲的影響，無法做到更高響應的張力控制。臺達的張力伺服解決方案提供62.5微秒的張力響應，可以解決張力控制架構運算周期過長，控制精度不足的行業痛點，確保鋰電池電芯捲繞品質。
