專利名稱：一種張力可編程的電芯卷繞系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及卷繞裝置的張力控制領(lǐng)域，尤其涉及到電池、超級電容器等后續(xù)需要注液的電化學儲能器件卷繞工序的張力控制。
背景技術(shù)：
電化學儲能器件如電池和超級電容器在全球范圍內(nèi)已經(jīng)得到了廣泛的使用，電芯是電化學儲能器件的核心。電極材料直接決定了電化學儲能器件的性能，電芯的結(jié)構(gòu)和加工工藝也對電化學儲能器件的性能具有很大的影響。以卷繞式電化學儲能器件為例，電芯卷繞結(jié)構(gòu)尤其是松緊度對后續(xù)注液工序的有著重要的影響。目前，電芯卷繞工藝大多為恒張力控制，卷繞出來的電芯均勻度較好，但是在產(chǎn)品性能參數(shù)和加工成本方面需要有所取舍。電芯卷繞過緊，則注液的時候電解液很難分散到電芯內(nèi)部，造成后續(xù)注液工序效率降低、器件功率密度減小等問題；電芯卷繞過松，則會降低器件的能量密度以及引起由于結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定導致的器件可靠性下降等問題。針對這一問題，有人提出了張力遞減的卷繞方法:如中國專利200910106521.4 “一種圓柱形二次電池裸電芯卷繞變張力控制方法”公開了一種變張力的卷繞方法。該方法設(shè)定卷繞初始張力，卷繞兩圈后，通過比例閥調(diào)控氣缸輸出壓力進而調(diào)節(jié)卷繞張力遞減，制作出來的電芯結(jié)構(gòu)從內(nèi)到外逐漸變松，但是這一方法仍有如下缺點:1、比例閥和氣缸進行張力調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性和精度很難保證。首先，氣源壓力和溫度的不穩(wěn)定性對系統(tǒng)的影響；其次，比例閥通過調(diào)節(jié)氣體流量進而調(diào)節(jié)氣缸輸出壓力，每次調(diào)節(jié)本質(zhì)都是氣流的瞬間增加或者減少，壓力突然變化會在氣缸內(nèi)形成阻尼振蕩，造成氣缸輸出壓力不穩(wěn)定;最后，比例閥和氣缸張力控制系統(tǒng)由于是彈性系統(tǒng)，其控制精度和響應(yīng)速度無法達到實際使用要求，尤其是在生產(chǎn)效率加速的情況下，卷繞一個電芯只需要十秒左右的情況下，想進行精確控制，非常困難。2、由于電芯從內(nèi)到外逐漸變松，電芯真圓度差、結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，在后續(xù)的加工過程中電芯結(jié)構(gòu)容易坍塌造成短路，對后續(xù)的焊接工序等也有影響。3、內(nèi)緊外松的遞變式結(jié)構(gòu)不科學:一般電化學器件電極片的集流體為無滲透性的銅箔或者鋁箔，對后續(xù)注液工序來講，在垂直于電芯卷徑的方向電解液滲入很慢。因此注液工序電解液吸收的難點電芯的難點并不是在電芯外層，而是電芯中內(nèi)層，內(nèi)緊外松的電芯內(nèi)部并不是很好的方案。此外，逐步遞減內(nèi)緊外松的電芯結(jié)構(gòu)會導致能量密度的降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對電化學儲能器件電芯卷繞過程存在的張力控制問題提出一種切實可行的解決方案，提供一種在基本不損失其性能的基礎(chǔ)上大大的提聞了后續(xù)注液工序的生產(chǎn)效率的張力可編程的電芯卷繞系統(tǒng)和方法。本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案:一種張力可編程的電芯卷繞系統(tǒng)，其特征在于:該系統(tǒng)包括伺服電機放卷裝置、放卷線速度檢測裝置、糾偏裝置、伺服電機張力控制裝置、伺服電機卷繞裝置、電芯卷繞線速度檢測裝置以及PLC控制器；其中所述伺服電機放卷裝置和伺服電機卷繞裝置用于釋放和卷繞電芯卷，并提供卷繞張力；所述放卷線速度檢測裝置和電芯卷繞線速度檢測裝置用于檢測電芯卷卷繞的線速度，并反饋給所述PLC控制器；所述糾偏裝置用于追蹤放卷電極的側(cè)邊并根據(jù)誤差實時調(diào)整；所述伺服電機張力控制裝置用于控制電芯卷卷繞的張力；所述PLC控制器用于控制伺服電機放卷裝置和伺服電機卷繞裝置轉(zhuǎn)動，接收放卷線速度檢測裝置、電芯卷繞線速度檢測裝置、伺服電機張力控制裝置的反饋控制卷繞速度和張力。一種張力可編程的電芯卷繞方法，包括下述步驟:(I)在PLC控制器中設(shè)置好初始卷繞張力和卷繞張力函數(shù)； ( 2 )卷繞開始時，伺服電機放卷裝置反轉(zhuǎn)達到初始張力，啟動伺服電機放卷裝置和伺服電機卷繞裝置，根據(jù)放卷線速度檢測裝置和電芯卷繞線速度檢測裝置的檢測反饋結(jié)果進行速度同步，卷繞過程中PLC控制器接收伺服電機張力控制裝置輸出的數(shù)據(jù)并與設(shè)定的張力變化函數(shù)實時對比，再控制伺服電機放卷裝置加速或減速保持伺服電機張力控制裝置檢測的張力與設(shè)定的張力變化函數(shù)一致；(3)在整個卷繞過程中，糾偏裝置追蹤放卷電極的側(cè)邊并根據(jù)誤差實時調(diào)整，保證卷繞后電芯的端面整齊度。其進一步特征在于:所述步驟(I)中的卷繞張力函數(shù)為，T=A+B*sin[ (Ct)1/2]，其中T為張力，t為卷繞時間，A、B、C為非零常數(shù)。優(yōu)選的:所述張力控制范圍為0.05-0.4 MPa。本發(fā)明系統(tǒng)和方法通過對卷繞張力的精確控制實現(xiàn)對電芯結(jié)構(gòu)的松緊度設(shè)計。所述的張力變化程序根據(jù)電芯結(jié)構(gòu)而定，針對不同的產(chǎn)品以及相同產(chǎn)品的不同規(guī)格，可有效的進行電芯結(jié)構(gòu)設(shè)計。由于伺服電機具有響應(yīng)速度快、控制精度高等優(yōu)點，可在毫秒級別實現(xiàn)張力調(diào)整和輸出，制作卷繞松緊交錯變化的電芯結(jié)構(gòu)，從而能夠在不必犧牲產(chǎn)品性能的前提下實現(xiàn)制作工藝的優(yōu)化，提升后續(xù)注液工序的生產(chǎn)效率。由于設(shè)定的張力變化程序并非恒張力，本發(fā)明使用伺服電機執(zhí)行張力調(diào)整，伺服電機直接作用卷軸，不必經(jīng)過中間傳動裝置，所以其響應(yīng)時間即為執(zhí)行時間，可以達到
0.5ms，這一速度足夠滿足需求。另外，因為伺服電機屬于剛性傳動，所以輸出張力穩(wěn)定，避免了因為張力波動帶來的電芯質(zhì)量問題。


圖1為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為利用本發(fā)明制造的電芯結(jié)構(gòu)注液示意圖。
圖3為實施例1張力變化和電芯結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為實施例2張力變化和電芯結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為實施例3張力變化和電芯結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為實施例4張力變化和電芯結(jié)構(gòu)示意圖。圖7為實施例5張力變化和電芯結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施方式
并對照附圖對本發(fā)明作進一步說明，如圖1所示一種張力可編程的電芯卷繞系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括伺服電機放卷裝置1、放卷線速度檢測裝置2、糾偏裝置3、伺服電機張力控制裝置4、伺服電機卷繞裝置5、電芯卷繞線速度檢測裝置6以及PLC控制器7 ;其中所述伺服電機放卷裝置I和伺服電機卷繞裝置5用于釋放和卷繞電芯卷，并提供卷繞張力。所述放卷線速度檢測裝置2和電芯卷繞線速度檢測裝置6用于檢測電芯卷卷繞的線速度，并反饋給所述PLC控制器7。所述糾偏裝置3用于追蹤放卷電極的側(cè)邊并根據(jù)誤差實時調(diào)整。所述伺服電機張力控制裝置4用于控制電芯卷卷繞的張力。所述PLC控制器7用于控制伺服電機放卷裝置I和伺服電機卷繞裝置5轉(zhuǎn)動，接收放卷線速度檢測裝置2、電芯卷繞線速度檢測裝置6、伺服電機張力控制裝置4的反饋控制卷繞速度和張力。實施例針對3000F 2.7V超級電容器單體，電極片厚度為0.25mm，卷繞時間為20s，卷繞長度為4m，張力變化程序函數(shù)為T=A+B*sin[ (Ct)172]進行卷繞，改變常數(shù)A、B、C的值，并對注液時間和容量進行測試。實施例1:在電芯卷繞之前，設(shè)定張力變化程序。設(shè)置初始張力為0.15MPa，T=A+B*sin[(Ct)172]中A=0.15，B=0，C為任意值，即恒張力卷繞方式。卷繞開始時，伺服電機放卷裝置I反轉(zhuǎn)達到0.15MPa，啟動伺服電機放卷裝置I和伺服電機卷繞裝置5，根據(jù)放卷線速度檢測裝置2和電芯卷繞線速度檢測裝置6的檢測反饋結(jié)果進行速度同步，盡量較少動慣量，卷繞過程中PLC控制器7接收伺服電機張力控制裝置4輸出的數(shù)據(jù)并與設(shè)定的張力變化程序?qū)崟r對比，再控制伺服電機放卷裝置I加速或減速保持伺服電機張力控制裝置4檢測的張力與設(shè)定的張力變化程序一致。在整個卷繞過程中，糾偏系統(tǒng)3追蹤放卷電極的側(cè)邊并根據(jù)誤差實時調(diào)整，保證卷繞后電芯的端面整齊度。圖3為實施例1張力控制圖。實施例2:在電芯卷繞之前，設(shè)定張力變化程序。設(shè)置初始張力為0.15MPa，T=A+B*sin[(Ct)172]中A=0.15，B=0.05，C=L 1，即內(nèi)緊外松的卷繞方式。卷繞開始時，伺服電機放卷裝置I反轉(zhuǎn)達到0.15MPa，啟動伺服電機放卷裝置I和伺服電機卷繞裝置5，根據(jù)放卷線速度檢測裝置2和電芯卷繞線速度檢測裝置6的檢測反饋結(jié)果進行速度同步，盡量較少動慣量，卷繞過程中PLC控制器7接收伺服電機張力控制裝置4輸出的數(shù)據(jù)并與設(shè)定的張力變化程序?qū)崟r對比，再控制伺服電機放卷裝置I加速或減速保持伺服電機張力控制裝置4檢測的張力與設(shè)定的張力變化程序一致。在整個卷繞過程中，糾偏系統(tǒng)追蹤放卷電極的側(cè)邊并根據(jù)誤差實時調(diào)整，保證卷繞后電芯的端面整齊度。圖4為實施例2張力控制圖。實施例3:在電芯卷繞之前，設(shè)定張力變化程序。設(shè)置初始張力為0.15MPa，T=A+B*sin[(Ct)1/2]中A=0.15，B=0.05, C=IO0卷繞開始時，伺服電機放卷裝置I反轉(zhuǎn)達到0.15MPa，啟動伺服電機放卷裝置I和伺服電機卷繞裝置5，根據(jù)放卷線速度檢測裝置2和電芯卷繞線速度檢測裝置6的檢測反饋結(jié)果進行速度同步，盡量較少動慣量，卷繞過程中PLC控制器7接收伺服電機張力控制裝置4輸出的數(shù)據(jù)并與設(shè)定的張力變化程序?qū)崟r對比，再控制伺服電機放卷裝置I加速或減速保持伺服電機張力控制裝置4檢測的張力與設(shè)定的張力變化程序一致。在整個卷繞過程中，糾偏系統(tǒng)追蹤放卷電極的側(cè)邊并根據(jù)誤差實時調(diào)整，保證卷繞后電芯的端面整齊度。附圖5為實施例3張力控制圖。實施例4:在電芯卷繞之前，設(shè)定張力變化程序。設(shè)置初始張力為0.15MPa，T=A+B*sin[(Ct)1/2]中A=0.15，B=0.05，C=50。卷繞開始時，伺服電機放卷裝置I反轉(zhuǎn)達到0.15MPa，啟動伺服電機放卷裝置I和伺服電機卷繞裝置5，根據(jù)放卷線速度檢測裝置2和電芯卷繞線速度檢測裝置6的檢測反饋結(jié)果進行速度同步，盡量較少動慣量，卷繞過程中PLC控制器7接收伺服電機張力控制裝置4輸出的數(shù)據(jù)并與設(shè)定的張力變化程序?qū)崟r對比，再控制伺服電機放卷裝置I加速或減速保持伺服電機張力控制裝置4檢測的張力與設(shè)定的張力變化程序一致。在整個卷繞過程中，糾偏系統(tǒng)追蹤放卷電極的側(cè)邊并根據(jù)誤差實時調(diào)整，保證卷繞后電芯的端面整齊度。圖6為實施例4張力控制圖。實施例5:在電芯卷繞之前，設(shè)定張力變化程序。設(shè)置初始張力為0.15MPa，T=A+B*sin[(Ct)1/2]中A=0.15，B=0.10，C=IOO0卷繞開始時，伺服電機放卷裝置I反轉(zhuǎn)達到0.15MPa，啟動伺服電機放卷裝置I和伺服電機卷繞裝置5，根據(jù)放卷線速度檢測裝置2和電芯卷繞線速度檢測裝置6的檢測反饋結(jié)果進行速度同步，盡量較少動慣量，卷繞過程中PLC控制器7接收伺服電機張力控制裝置4輸出的數(shù)據(jù)并與設(shè)定的張力變化程序?qū)崟r對比，再控制伺服電機放卷裝置I加速或減速保持伺服電機張力控制裝置4檢測的張力與設(shè)定的張力變化程序一致。在整個卷繞過程中，糾偏系統(tǒng)追蹤放卷電極的側(cè)邊并根據(jù)誤差實時調(diào)整，保證卷繞后電芯的端面整齊度。圖7為實施例5張力控制圖。對所有實施例的樣品如圖2所示進行注液時間和容量分析,結(jié)果如表I所示。實施例I相當于傳統(tǒng)的0.15 MPa恒張力的卷繞方式，實施例2為內(nèi)緊外松的卷繞方式，實施例3、4、5為松緊交錯的卷繞方式。結(jié)果表明實施例3、4、5的注液時間明顯優(yōu)于實施例1和實施例2，但是容量基本與恒張力卷繞相當，證明了本發(fā)明的先進性。表1 3000F 2.7V超級電容器產(chǎn)品不同實施例的平均注液時間和容量
權(quán)利要求
1.一種張力可編程的電芯卷繞系統(tǒng)，其特征在于:該系統(tǒng)包括伺服電機放卷裝置、放卷線速度檢測裝置、糾偏裝置、伺服電機張力控制裝置、伺服電機卷繞裝置、電芯卷繞線速度檢測裝置以及PLC控制器；其中 所述伺服電機放卷裝置和伺服電機卷繞裝置用于釋放和卷繞電芯卷，并提供卷繞張力； 所述放卷線速度檢測裝置和電芯卷繞線速度檢測裝置用于檢測電芯卷卷繞的線速度，并反饋給所述PLC控制器； 所述糾偏裝置用于追蹤放卷電極的側(cè)邊并根據(jù)誤差實時調(diào)整； 所述伺服電機張力控制裝置用于控制電芯卷卷繞的張力； 所述PLC控制器用于控制伺服電機放卷裝置和伺服電機卷繞裝置轉(zhuǎn)動，接收放卷線速度檢測裝置、電芯卷繞線速度檢測裝置、伺服電機張力控制裝置的反饋控制卷繞速度和張力。
2.一種張力可編程的電芯卷繞方法，包括下述步驟: 在PLC控制器中設(shè)置好初始卷繞張力和卷繞張力函數(shù)； 卷繞開始時，伺服電機放卷裝置反轉(zhuǎn)達到初始張力，啟動伺服電機放卷裝置和伺服電機卷繞裝置，根據(jù)放卷線速度檢測裝置和電芯卷繞線速度檢測裝置的檢測反饋結(jié)果進行速度同步，卷繞過程中PLC控制器接收伺服電機張力控制裝置輸出的數(shù)據(jù)并與設(shè)定的張力變化函數(shù)實時對比，再控制伺服電機放卷裝置加速或減速保持伺服電機張力控制裝置檢測的張力與設(shè)定的張力變化函數(shù)一致； 在整個卷繞過程中，糾偏裝置追蹤放卷電極的側(cè)邊并根據(jù)誤差實時調(diào)整，保證卷繞后電芯的端面整齊度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的張力可編程的電芯卷繞方法，其特征在于:所述步驟(I)中的卷繞張力函數(shù)為，T=A+B*sin[ (Ct)1/2]，其中T為張力，t為卷繞時間，A、B、C為非零常數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的張力可編程的電芯卷繞方法，其特征在于:所述張力控制范圍為0.05-0.4 MPa。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種張力可編程的電芯卷繞系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括伺服電機放卷裝置、放卷線速度檢測裝置、糾偏裝置、伺服電機張力控制裝置、伺服電機卷繞裝置、電芯卷繞線速度檢測裝置以及PLC控制器。一種張力可編程的電芯卷繞方法，通過對卷繞張力的精確控制實現(xiàn)對電芯結(jié)構(gòu)的松緊度設(shè)計。所述的張力變化程序根據(jù)電芯結(jié)構(gòu)而定，針對不同的產(chǎn)品以及相同產(chǎn)品的不同規(guī)格，可有效的進行電芯結(jié)構(gòu)設(shè)計。由于伺服電機具有響應(yīng)速度快、控制精度高等優(yōu)點，可在毫秒級別實現(xiàn)張力調(diào)整和輸出，制作卷繞松緊交錯變化的電芯結(jié)構(gòu)，從而能夠在不必犧牲產(chǎn)品性能的前提下實現(xiàn)制作工藝的優(yōu)化，提升后續(xù)注液工序的生產(chǎn)效率。
文檔編號H01M10/04GK103107353SQ201310008488
公開日2013年5月15日 申請日期2013年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月10日
發(fā)明者孫偉, 王俊華, 崔得峰 申請人:海博瑞恩電子科技無錫有限公司