CN103107353B

CN103107353B - 一种张力可编程的电芯卷绕系统和方法

Info

Publication number: CN103107353B
Application number: CN201310008488.8A
Authority: CN
Inventors: 孙伟; 王俊华; 崔得峰
Original assignee: HAIBO RYAN ELECTRONIC TECHNOLOGY WUXI Co Ltd
Current assignee: GMCC ELECTRONIC TECHNOLOGY WUXI CO., LTD.
Priority date: 2013-01-10
Filing date: 2013-01-10
Publication date: 2014-12-10
Anticipated expiration: 2033-01-10
Also published as: CN103107353A

Abstract

本发明公布了一种张力可编程的电芯卷绕系统，其特征在于：该系统包括伺服电机放卷装置、放卷线速度检测装置、纠偏装置、伺服电机张力控制装置、伺服电机卷绕装置、电芯卷绕线速度检测装置以及PLC控制器。一种张力可编程的电芯卷绕方法，通过对卷绕张力的精确控制实现对电芯结构的松紧度设计。所述的张力变化程序根据电芯结构而定，针对不同的产品以及相同产品的不同规格，可有效的进行电芯结构设计。由于伺服电机具有响应速度快、控制精度高等优点，可在毫秒级别实现张力调整和输出，制作卷绕松紧交错变化的电芯结构，从而能够在不必牺牲产品性能的前提下实现制作工艺的优化，提升后续注液工序的生产效率。

Description

一种张力可编程的电芯卷绕系统和方法

技术领域

本发明涉及卷绕装置的张力控制领域，尤其涉及到电池、超级电容器等后续需要注液的电化学储能器件卷绕工序的张力控制。

背景技术

电化学储能器件如电池和超级电容器在全球范围内已经得到了广泛的使用，电芯是电化学储能器件的核心。电极材料直接决定了电化学储能器件的性能，电芯的结构和加工工艺也对电化学储能器件的性能具有很大的影响。以卷绕式电化学储能器件为例，电芯卷绕结构尤其是松紧度对后续注液工序的有着重要的影响。

目前，电芯卷绕工艺大多为恒张力控制，卷绕出来的电芯均匀度较好，但是在产品性能参数和加工成本方面需要有所取舍。电芯卷绕过紧，则注液的时候电解液很难分散到电芯内部，造成后续注液工序效率降低、器件功率密度减小等问题；电芯卷绕过松，则会降低器件的能量密度以及引起由于结构不稳定导致的器件可靠性下降等问题。针对这一问题，有人提出了张力递减的卷绕方法：

如中国专利200910106521.4“一种圆柱形二次电池裸电芯卷绕变张力控制方法”公开了一种变张力的卷绕方法。该方法设定卷绕初始张力，卷绕两圈后，通过比例阀调控气缸输出压力进而调节卷绕张力递减，制作出来的电芯结构从内到外逐渐变松，但是这一方法仍有如下缺点：

1、比例阀和气缸进行张力调节的稳定性和精度很难保证。

首先，气源压力和温度的不稳定性对系统的影响；

其次，比例阀通过调节气体流量进而调节气缸输出压力，每次调节本质都是气流的瞬间增加或者减少，压力突然变化会在气缸内形成阻尼振荡，造成气缸输出压力不稳定；

最后，比例阀和气缸张力控制系统由于是弹性系统，其控制精度和响应速度无法达到实际使用要求，尤其是在生产效率加速的情况下，卷绕一个电芯只需要十秒左右的情况下，想进行精确控制，非常困难。

2、由于电芯从内到外逐渐变松，电芯真圆度差、结构不稳定，在后续的加工过程中电芯结构容易坍塌造成短路，对后续的焊接工序等也有影响。

3、内紧外松的递变式结构不科学：一般电化学器件电极片的集流体为无渗透性的铜箔或者铝箔，对后续注液工序来讲，在垂直于电芯卷径的方向电解液渗入很慢。因此注液工序电解液吸收的难点电芯的难点并不是在电芯外层，而是电芯中内层，内紧外松的电芯内部并不是很好的方案。此外，逐步递减内紧外松的电芯结构会导致能量密度的降低。

发明内容

本发明的目的是针对电化学储能器件电芯卷绕过程存在的张力控制问题提出一种切实可行的解决方案，提供一种在基本不损失其性能的基础上大大的提高了后续注液工序的生产效率的张力可编程的电芯卷绕系统和方法。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

一种张力可编程的电芯卷绕系统，其特征在于：该系统包括伺服电机放卷装置、放卷线速度检测装置、纠偏装置、伺服电机张力控制装置、伺服电机卷绕装置、电芯卷绕线速度检测装置以及PLC控制器；其中

所述伺服电机放卷装置和伺服电机卷绕装置用于释放和卷绕电芯卷，并提供卷绕张力；

所述放卷线速度检测装置和电芯卷绕线速度检测装置用于检测电芯卷卷绕的线速度，并反馈给所述PLC控制器；

所述纠偏装置用于追踪放卷电极的侧边并根据误差实时调整；

所述伺服电机张力控制装置用于控制电芯卷卷绕的张力；

所述PLC控制器用于控制伺服电机放卷装置和伺服电机卷绕装置转动，接收放卷线速度检测装置、电芯卷绕线速度检测装置、伺服电机张力控制装置的反馈控制卷绕速度和张力。

一种张力可编程的电芯卷绕方法，包括下述步骤：

（1）在PLC控制器中设置好初始卷绕张力和卷绕张力函数；

（2）卷绕开始时，伺服电机放卷装置反转达到初始张力，启动伺服电机放卷装置和伺服电机卷绕装置，根据放卷线速度检测装置和电芯卷绕线速度检测装置的检测反馈结果进行速度同步，卷绕过程中PLC控制器接收伺服电机张力控制装置输出的数据并与设定的张力变化函数实时对比，再控制伺服电机放卷装置加速或减速保持伺服电机张力控制装置检测的张力与设定的张力变化函数一致；

（3）在整个卷绕过程中，纠偏装置追踪放卷电极的侧边并根据误差实时调整，保证卷绕后电芯的端面整齐度。

其进一步特征在于：所述步骤（1）中的卷绕张力函数为，T=A+B*sin[ (Ct)^1/2]，其中T为张力， t为卷绕时间，A、B、C为非零常数。

优选的：所述张力控制范围为0.05-0.4 MPa。

本发明系统和方法通过对卷绕张力的精确控制实现对电芯结构的松紧度设计。所述的张力变化程序根据电芯结构而定，针对不同的产品以及相同产品的不同规格，可有效的进行电芯结构设计。由于伺服电机具有响应速度快、控制精度高等优点，可在毫秒级别实现张力调整和输出，制作卷绕松紧交错变化的电芯结构，从而能够在不必牺牲产品性能的前提下实现制作工艺的优化，提升后续注液工序的生产效率。

由于设定的张力变化程序并非恒张力，本发明使用伺服电机执行张力调整，伺服电机直接作用卷轴，不必经过中间传动装置，所以其响应时间即为执行时间，可以达到0.5ms，这一速度足够满足需求。另外，因为伺服电机属于刚性传动，所以输出张力稳定，避免了因为张力波动带来的电芯质量问题。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图。

图2为利用本发明制造的电芯结构注液示意图。

图3为实施例1张力变化和电芯结构示意图。

图4为实施例2张力变化和电芯结构示意图。

图5为实施例3张力变化和电芯结构示意图。

图6为实施例4张力变化和电芯结构示意图。

图7为实施例5张力变化和电芯结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式并对照附图对本发明作进一步说明，如图1所示一种张力可编程的电芯卷绕系统，该系统包括伺服电机放卷装置1、放卷线速度检测装置2、纠偏装置3、伺服电机张力控制装置4、伺服电机卷绕装置5、电芯卷绕线速度检测装置6以及PLC控制器7；其中

所述伺服电机放卷装置1和伺服电机卷绕装置5用于释放和卷绕电芯卷，并提供卷绕张力。

所述放卷线速度检测装置2和电芯卷绕线速度检测装置6用于检测电芯卷卷绕的线速度，并反馈给所述PLC控制器7。

所述纠偏装置3用于追踪放卷电极的侧边并根据误差实时调整。

所述伺服电机张力控制装置4用于控制电芯卷卷绕的张力。

所述PLC控制器7用于控制伺服电机放卷装置1和伺服电机卷绕装置5转动，接收放卷线速度检测装置2、电芯卷绕线速度检测装置6、伺服电机张力控制装置4的反馈控制卷绕速度和张力。

实施例针对3000F 2.7V超级电容器单体，电极片厚度为0.25mm，卷绕时间为20s，卷绕长度为4m，张力变化程序函数为T=A+B*sin[ (Ct)^1/2]进行卷绕，改变常数A、B、C的值，并对注液时间和容量进行测试。

实施例1：

在电芯卷绕之前，设定张力变化程序。设置初始张力为0.15MPa，T=A+B*sin[ (Ct)^1/2]中A=0.15，B=0，C为任意值，即恒张力卷绕方式。卷绕开始时，伺服电机放卷装置1反转达到0.15MPa，启动伺服电机放卷装置1和伺服电机卷绕装置5，根据放卷线速度检测装置2和电芯卷绕线速度检测装置6的检测反馈结果进行速度同步，尽量较少动惯量，卷绕过程中PLC控制器7接收伺服电机张力控制装置4输出的数据并与设定的张力变化程序实时对比，再控制伺服电机放卷装置1加速或减速保持伺服电机张力控制装置4检测的张力与设定的张力变化程序一致。在整个卷绕过程中，纠偏系统3追踪放卷电极的侧边并根据误差实时调整，保证卷绕后电芯的端面整齐度。图3为实施例1张力控制图。

实施例2：

在电芯卷绕之前，设定张力变化程序。设置初始张力为0.15MPa，T=A+B*sin[ (Ct)^1/2]中A=0.15，B=0.05，C=1.1，即内紧外松的卷绕方式。卷绕开始时，伺服电机放卷装置1反转达到0.15MPa，启动伺服电机放卷装置1和伺服电机卷绕装置5，根据放卷线速度检测装置2和电芯卷绕线速度检测装置6的检测反馈结果进行速度同步，尽量较少动惯量，卷绕过程中PLC控制器7接收伺服电机张力控制装置4输出的数据并与设定的张力变化程序实时对比，再控制伺服电机放卷装置1加速或减速保持伺服电机张力控制装置4检测的张力与设定的张力变化程序一致。在整个卷绕过程中，纠偏系统追踪放卷电极的侧边并根据误差实时调整，保证卷绕后电芯的端面整齐度。图4为实施例2张力控制图。

实施例3：

在电芯卷绕之前，设定张力变化程序。设置初始张力为0.15MPa，T=A+B*sin[ (Ct)^1/2]中A=0.15，B=0.05，C=10。卷绕开始时，伺服电机放卷装置1反转达到0.15MPa，启动伺服电机放卷装置1和伺服电机卷绕装置5，根据放卷线速度检测装置2和电芯卷绕线速度检测装置6的检测反馈结果进行速度同步，尽量较少动惯量，卷绕过程中PLC控制器7接收伺服电机张力控制装置4输出的数据并与设定的张力变化程序实时对比，再控制伺服电机放卷装置1加速或减速保持伺服电机张力控制装置4检测的张力与设定的张力变化程序一致。在整个卷绕过程中，纠偏系统追踪放卷电极的侧边并根据误差实时调整，保证卷绕后电芯的端面整齐度。附图5为实施例3张力控制图。

实施例4：

在电芯卷绕之前，设定张力变化程序。设置初始张力为0.15MPa，T=A+B*sin[ (Ct)^1/2]中A=0.15，B=0.05，C=50。卷绕开始时，伺服电机放卷装置1反转达到0.15MPa，启动伺服电机放卷装置1和伺服电机卷绕装置5，根据放卷线速度检测装置2和电芯卷绕线速度检测装置6的检测反馈结果进行速度同步，尽量较少动惯量，卷绕过程中PLC控制器7接收伺服电机张力控制装置4输出的数据并与设定的张力变化程序实时对比，再控制伺服电机放卷装置1加速或减速保持伺服电机张力控制装置4检测的张力与设定的张力变化程序一致。在整个卷绕过程中，纠偏系统追踪放卷电极的侧边并根据误差实时调整，保证卷绕后电芯的端面整齐度。图6为实施例4张力控制图。

实施例5：

在电芯卷绕之前，设定张力变化程序。设置初始张力为0.15MPa，T=A+B*sin[ (Ct)^1/2]中A=0.15，B=0.10，C=100。卷绕开始时，伺服电机放卷装置1反转达到0.15MPa，启动伺服电机放卷装置1和伺服电机卷绕装置5，根据放卷线速度检测装置2和电芯卷绕线速度检测装置6的检测反馈结果进行速度同步，尽量较少动惯量，卷绕过程中PLC控制器7接收伺服电机张力控制装置4输出的数据并与设定的张力变化程序实时对比，再控制伺服电机放卷装置1加速或减速保持伺服电机张力控制装置4检测的张力与设定的张力变化程序一致。在整个卷绕过程中，纠偏系统追踪放卷电极的侧边并根据误差实时调整，保证卷绕后电芯的端面整齐度。图7为实施例5张力控制图。

对所有实施例的样品如图2所示进行注液时间和容量分析，结果如表1所示。实施例1相当于传统的0.15 MPa恒张力的卷绕方式，实施例2为内紧外松的卷绕方式，实施例3、4、5为松紧交错的卷绕方式。结果表明实施例3、4、5的注液时间明显优于实施例1和实施例2，但是容量基本与恒张力卷绕相当，证明了本发明的先进性。

表1 3000F 2.7V 超级电容器产品不同实施例的平均注液时间和容量

电芯分类	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5
						样品数量	10	10	10	10	10
平均注液时间/s	45	41	32	29	28
						平均容量/F	3253	3108	3263	3248	3258

Claims

1.一种张力可编程的电芯卷绕系统，其特征在于：该系统包括伺服电机放卷装置、放卷线速度检测装置、纠偏装置、伺服电机张力控制装置、伺服电机卷绕装置、电芯卷绕线速度检测装置以及PLC控制器；其中

所述伺服电机张力控制装置用于控制电芯卷卷绕的张力；

2.一种张力可编程的电芯卷绕方法，包括下述步骤：

（1）在PLC控制器中设置好初始卷绕张力和卷绕张力函数；

3.根据权利要求2所述的张力可编程的电芯卷绕方法，其特征在于：所述步骤（1）中的卷绕张力函数为，T=A+B*sin[ (Ct)^1/2]，其中T为张力， t为卷绕时间，A、B、C为非零常数。

4.根据权利要求2或3所述的张力可编程的电芯卷绕方法，其特征在于：所述张力控制范围为0.05-0.4 MPa。