锂离子电池因高能量密度、长寿命、轻便环保，广泛用于电子设备、汽车、储能系统等领域。其生产核心设备——锂离子电池卷绕设备，主要功能是将正负极极片、隔膜等材料卷绕成电池电芯，常见适配电池为圆柱形和方形。

其中，方形电池因安装尺寸合理、节省空间，随消费电子发展大规模应用。早期方形电池由圆柱形电池加工后拉伸制成，但此过程中电池形变大会导致卷芯挤压变形甚至断裂，影响性能与良品率。因此，适配方形电池生产的专用方形锂电池卷绕设备应运而生。

虚拟仿真的核心价值是 “以数字孪生替代物理原型，以快速迭代替代试错成本，以安全验证替代高危操作”，能提升分析效率、避免实体试错浪费；针对卷绕系统，虚拟仿真可以针对不同的系统进行张力分析和控制器算法迭代，验证和解决生产系统中的张力波动和速度振荡问题，提高产品的性能和良品率。

一、挑战

对电池卷绕系统进行仿真分析，主要面临以下几个挑战：

1.收放卷辊半径时变对卷辊角速度控制的影响

收、放卷段的控制难点之一在于在卷料线速度恒定的前提下，如果为圆形卷辊，随着卷轴外径的变化，卷辊角速度需要随收放卷的半径而变化。此外，如果卷针外形特殊，角速度也会在一个转动周期内，随转动角度区间变化。因此，根据卷辊的几何特性和卷绕工艺，控制卷辊角速度输入信号，对于卷料恒线速度的控制有至关重要的作用，进而直接影响张力控制的效果；

2.收卷辊形状对运动控制的影响

在电池卷绕系统中，圆柱形卷绕系统的切点位置和速度都可以平滑过渡，但是方形收卷辊由于其形状问题，在一个转动周期内，转动过程切点在每个顶点位置间隔变化，同时会引起切点线速度突变，经过一个圆周转动后周期性变化，对卷料的速度控制算法有更高的要求。

二、解决方案

为模拟和解决不同类型的电池卷绕生产问题，同元软控对MWORKS平台的卷料模型库进行升级，并开发了方形收卷辊模型以适配方形电池卷绕系统的模拟需求。针对圆柱与方形锂电池卷绕系统的虚拟仿真，其具体建模内容详见表1。

表1 电池卷绕系统模型建模内容

2.1 圆柱电池卷绕系统

1）基础原理

在锂离子电池卷料生产线中，受消费设备对电池尺寸及安装位置的限制，锂离子电池需设计为不同形状，其中圆柱形电池是主流类型之一，其卷绕生产环节的设备结构简图如下所示：

圆柱电池卷绕系统原理图

圆形卷辊的核心原理为下述公式，主要为：

• 卷辊角速度和卷辊半径的时变关系
• 卷辊上张力公式
• 卷料切点速度公式

相关公式如下所示：

其中各变量含义如下表所示：

2）系统建模

通过对系统简图的分析，圆柱形电池卷绕的简化系统由圆形放卷辊、3个固定位置导辊及圆形收卷辊构成。该系统采用PID控制策略，以导辊速度作为反馈输入，调控圆形收卷辊的转速，最终实现卷绕系统的恒定线速度控制。对应的系统模型图如下所示：

图2-1 圆柱电池卷绕系统模型图

3）结果分析

圆柱电池卷绕系统建模完成后，针对特定工况开展仿真分析。该工况模拟圆柱电池卷绕的实际生产过程，在放卷侧采用斜坡输入扭矩控制卷辊张力大小；基于导辊角速度与输入目标角速度的偏差，对收卷辊角速度实施动态调控。通过调试PID参数，卷绕系统启动后可快速进入平稳运行状态，并精准达成设定的卷料速度目标。相关结果曲线及动画展示如下：

2.2 方形电池核心原理

1）基础原理

与圆柱形电池卷绕时切点速度与角速度始终保持比例关系的稳定工况不同，方形电池卷绕因收卷辊的方形几何特性，存在独特的运动特性：在收卷辊转动一周的过程中，卷料与收卷辊的切点会随四个顶点交替变化，且每次经过顶点时都会导致切点线速度出现突变，该现象随圆周转动呈周期性循环；相较于圆柱形电池卷绕系统的平稳控制场景，方形电池卷绕对系统控制器的动态响应速度与稳定性提出了更高要求。方形电池卷绕环节的生产系统设备结构简图如下所示：

方形电池卷绕系统原理图

假设方形卷辊的形状如下图所示，将其单圈转动过程根据顶点分为6个区域，其切点速度公式如下：

图2-3 方形卷辊结构图

2）系统建模

通过对系统简图的分析，方形电池卷绕的简化系统由圆形放卷辊、3个固定位置导辊及方形收卷辊构成。该系统同样采用PID控制策略，以导辊速度作为反馈输入，调控方形收卷辊的转速；但由于方形收卷辊的运动特性更复杂，其控制系统需在反馈环节前增设滤波组件，最终实现卷绕系统的恒定线速度控制。系统模型图如下所示：

图2-4 圆柱电池卷绕系统模型图

3）结果分析

方形电池卷绕系统建模完成后，针对模拟方形卷料卷绕系统的设定工况开展仿真分析。该工况在放卷侧采用斜坡输入扭矩调控卷辊张力，同时基于导辊角速度与输入目标角速度的偏差，对收卷辊角速度实施动态调控。通过调试PID参数并增设信号滤波模块，卷料系统启动后可逐步进入平稳运行状态；但受方形收卷辊几何特性的影响，速度曲线仍存在一定振荡，该问题需通过优化方形卷辊的结构设计进一步改善。相关结果曲线及动画展示如下：

图2-5 方形电池卷绕系统模拟结果图

三、总结

本文基于MWORKS的圆柱形和方形锂离子电池卷绕系统仿真，构建了不同类型电池卷绕过程的虚拟样机，可以对电池卷绕系统从设计到制造进行全链路赋能：

1.设计前置与快速验证

可以使用电池卷绕虚拟仿真系统，在物理原型制造前完成多种设计方案评估，可视化调整卷绕张力、速度、层数等关键参数，减少问题定位时间，提高设计效率，缩短研发周期。

2.卷辊形状模拟优化

针对方形电池卷绕系统，可以通过建立相关的变半径和速度的数学模型，解决速度波动问题；针对圆柱形电池卷绕系统，可以通过仿真分析结果，动态优化卷针的强度和刚度，平衡设备寿命和能耗。

3.验证控制算法，提高产品质量

可以通过虚拟电池卷绕系统，验证模糊PID+遗传算法、变转速前馈控制等不同的控制算法，实现张力-位置复合控制和自适应变径补偿等功能，提高系统的张力控制精度，降低卷料断裂和褶皱问题的发生概率，寻求系统级的全局最优解，提高产品的良品率。

四、参考资料

1.历史资料：

在文中案例搭建过程中，多体系统模型库主要负责提供重力环境和卷辊位置信息，相关案例主要使用卷料模型库进行调试，卷料库的概述和功能要点如下：

• 概述

TYWebHandling卷料处理模型库包括卷料属性设置、卷料类、卷辊类、边界源、辅件库和传感器等模型，可用于造纸、印刷、包装加工、柔性电子封装等工业生产制造领域，对卷料张力和速度计算与控制、收放卷系统动态模拟、辊轮负载等问题进行模拟分析。

• 功能要点

如需进一步了解卷料模型库，可查看下方内容：

• 微信公众号文章：MWORKS 2025a | 聚焦智造，全新推出卷料处理模型库！
• 哔哩哔哩视频：MWORKS.Sysplorer模型库培训——卷料处理模型库（扫码观看）

2.参考文献

[1]黄玥.方形锂离子电池卷绕设备张力控制系统研究[D].哈尔滨工业大学,2021.DOI:10.27061/d.cnki.ghgdu.2021.006041.

[2]黄江乐.方形锂电池全自动卷绕机专用控制器设计[D].华南理工大学,2012.