CN107240709B - 电化学电池单元的缠绕式电极组件及制造其的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电化学电池单元的缠绕式电极组件及制造其的方法和装置。电化学电池单元包括电池单元壳体和布置在电池单元壳体中的电极组件。电极组件包括电极对，该电极对被设置为形成具有多边形螺旋缠绕形状的绕组，其中绕组的每匝的角部分的半径是恒定的，而不论匝数如何。此外，绕组的一匝的线性部分的长度不同于绕组的另一匝的线性部分的长度。由于绕组的每一匝包括具有期望半径的角部分，因此相对于使用常规绕组的一些电池单元，包括电池单元壳体内的绕组的电极组件的容积效率得到改善。公开了形成多边形螺旋缠绕式绕组的设备和方法。

Description

电化学电池单元的缠绕式电极组件及制造其的方法和装置

技术领域

本公开涉及一种包括螺旋缠绕式电极组件的电化学电池单元以及以螺旋构造缠绕该电极组件的方法。具体地，本公开涉及包括当在横截面中观察时具有多边形形状的螺旋缠绕式电极组件的电化学电池单元，以及螺旋缠绕该电极组件以使其具有多边形形状的方法。

背景技术

电池组为从便携式电子设备到可再生动力系统和环保车辆的各种技术提供电力。例如，混合电动车辆（HEV）结合内燃发动机使用电池组和电动马达以提高燃料效率。电池组由多个电池模块形成，其中每个电池模块包括若干电化学电池单元。模块内的电池单元串联或并联地电连接。同样地，电池组内的电池模块串联或并联地电连接。

与常规混合电动车辆一起使用的一些电池组被设计成提供相对高的电压，例如400伏特（V）。为了实现该高电压，电池组包括数百个电化学电池单元，且因此会非常大。为了减小电池组的空间需求，期望改善电池组、模块和电池单元内的空间利用（容积效率）。

已经出现不同的电池单元类型以便应对多种多样的安装情况的空间需求，并且在汽车中所使用的最常见的类型是圆筒形电池单元、多边形（即棱柱形）电池单元和软包电池单元。不论电池单元的类型如何，每个电池单元均可以包括电池单元壳体和布置在电池单元壳体中的电极组件。电极组件可以设置成例如呈堆叠构造或卷绕构造。堆叠构造可包括与负极板交替并且由中间分隔件板（separator plate）分开的一系列堆叠的正极板。卷绕构造可包括由与细长的负电极堆叠并且由分隔件分开的细长的正电极形成的电极对。卷绕构造可通过将电极对缠绕在心轴上来形成。例如，可以使心轴围绕缠绕轴线旋转，并且电极对被缠绕在心轴上。心轴的横截面形状通常为圆形，并且缠绕在其上的电极对形成具有圆筒形形状的绕组。尽管具有矩形或扁平形状的主轴已经被用于尝试形成具有矩形横截面形状的绕组，但是所得的绕组的外层会具有圆角，其中圆角的半径随绕组的匝数增加。

包括缠绕式电极组件的多边形电池单元的体积效率相对于其它构造而言是低的，因为电极组件可包括不填充多边形电池单元壳体的内角的圆角。存在对于包括卷绕式电极组件的多边形电池单元的内部体积的改进的使用的需要。

发明内容

在一些方面，电化学电池单元包括布置在电池单元壳体内的电极组件。电极组件由包括正电极、负电极和布置在正电极和负电极之间的分隔件的堆叠电极对形成。电极对被设置成呈螺旋缠绕构造，其包括布置在相邻线性部分之间的相交部处的角部分。具体地，电极对被布置成形成多边形螺旋缠绕构造，其中多边形螺旋缠绕构造的每匝的角部分的半径是恒定的，而与匝数无关。此外，绕组的一匝的线性部分的长度不同于绕组的另一匝的线性部分的长度。因此，电化学电池单元可包括具有可变长度和恒定半径的绕组，即，每匝的角部分的半径保持恒定，而不论匝数如何，并且线性部分的长度变化。因此，能够将绕组的最外层的角部分的半径设定为对应于期望的多边形形状。例如，能够形成矩形绕组以便在具有高容积效率的棱柱形电池单元壳体中使用。

这能够与一些常规缠绕式电极对相比较，常规缠绕式电极对中线性部分的长度不随每一匝改变，而且每个角的半径随每一匝增加。以下等式（等式1）可指导这种常规缠绕式电极对：

（等式1）：绕组的长度＝（a*边长*n）+（b*2*Σ*R*n*ø/360）

在等式1中，

a =多边形的边数（假设所有边相等）

b =多边形的角的数量，其中术语“角”指代对应于两个相邻边的相交部的区域

r =角的半径

ø=角的角度

n =匝数

R =Σnr

将观察到的是，在这种常规缠绕式电极对中，在每一匝上，边长均不改变，而且每个角的半径增加因子nr（取决于该匝）。因此，这种常规缠绕式电极对能够被认为具有恒定的长度和可变的半径。随匝数增加，半径增加，并且因此电池单元壳体内的电极组件的容积效率降低。

在一些方面，电极组件包括堆叠的电极对。电极对包括正电极、负电极和布置在正电极和负电极之间的分隔件。电极对以多匝螺旋缠绕式构造设置，以形成包括布置在线性部分之间的角部分的绕组。绕组的每匝的角部分的半径是恒定的，而不论匝数如何。

电极组件可包括以下特征中的一个或多个：绕组的一匝的线性部分的长度不同于绕组的另一匝的线性部分的长度。绕组的单匝内的连续线性部分的长度沿从电极对的最外端朝向电极对的最内端的方向减小。

在一些方面，电化学电池单元包括布置在电池单元壳体内的电极组件。电极组件包括堆叠的电极对，该堆叠的电极对包括正电极、负电极和布置在正电极和负电极之间的分隔件。电极对以多匝螺旋缠绕式构造设置，以形成包括布置在线性部分之间的角部分的绕组。绕组的每匝的角部分的半径是恒定的，而与不论匝数如何。

电化学电池单元可以包括以下特征中的一个或多个：绕组的一匝的线性部分的长度不同于绕组的另一匝的线性部分的长度。绕组的单匝内的连续线性部分的长度沿从电极对的最外端朝向电极对的最内端的方向减小。

在一些方面，制造用于在电化学电池单元中使用的电极组件的方法包括以下方法步骤：提供正电极、负电极和布置在正电极和负电极之间的分隔件，所述正电极、所述分隔件和所述负电极以层叠构造设置以形成电极堆叠；并且以螺旋构造围绕缠绕轴线缠绕电极堆叠，其中缠绕式电极堆叠的最外层被首先缠绕，并且缠绕式电极堆叠的最内层被最后缠绕。

所述方法可以包括以下特征和/或额外步骤中的一个或多个：缠绕式电极堆叠的每个层被形成为具有角，并且最外层的角的半径与后续被缠绕到最外层的层的半径相同。所述方法包括：当在横向于缠绕轴线的横截面中观察时，通过将多边形形状的绕组的最外层形成为多边形形状，将电极堆叠缠绕成具有螺旋构造的多边形形状的绕组。所述方法包括随后在最外层的内侧上设置额外层。当在横向于缠绕轴线的横截面中观察时，每个额外层均具有多边形形状。所述方法包括提供具有螺旋构造的第二绕组，并将第二绕组电连接到多边形绕组的最内端。第二绕组是没有角的卷芯式（jelly roll）绕组。所述方法包括提供多边形框架，并且缠绕电极堆叠的步骤包括沿框架的内表面叠加电极堆叠。叠加电极堆叠的步骤包括将电极堆叠连续地设置在框架内，使得每次将一层电极堆叠放置在框架的一侧的框架的内表面上，并且以顺序方式（serial manner）放置在框架的n侧中的每侧上，并且电极堆叠的后续层被放置在层的内表面上。

在一些方面，一种装置被配置为围绕缠绕轴线缠绕材料以形成材料的螺旋体，其中当在垂直于缠绕轴线的横截面中观察时，螺旋体的最外层具有由n条边限定的多边形形状，其中n是对应于多边形形状的边的数量的整数，并且首先缠绕螺旋体的最外层，且最后缠绕螺旋体的最内层。所述装置包括独立的推动元件。推动元件的数量至少是多边形形状的边的数量。每个推动元件均能够相对于相邻的推动元件运动，并且每个推动元件均被配置为应用于材料的一部分的面向内的表面，并沿远离缠绕轴线的方向促动材料的所述部分。

所述装置可以包括以下特征中的一个或多个：所述材料包括电极对，电极对包括正电极、负电极和布置在正电极和负电极之间的分隔件。所述装置还包括具有n个侧壁的多边形框架，并且推动元件被布置在框架内，并且能够相对于框架运动。推动元件中的每个均被约束为沿从缠绕轴线径向延伸的路径运动，并且给定推动元件的路径不同于其余推动元件的路径。推动元件包括分段心轴，心轴包括独立节段。心轴在缠绕轴线上居中。每个节段均被约束为沿相对于缠绕轴线沿径向方向延伸的轴线运动。心轴布置在具有n侧和n个角的多边形框架内，并且至少一些节段的外表面具有对应于角的半径的半径。节段的数量对应于2*n。推动元件中的每个均包括辊组件，该辊组件包括围绕辊轴线自由旋转的辊，并且每个辊轴线均平行于缠绕轴线。给定节段的辊轴线能够相对于相邻节段的辊轴线运动。辊沿平行于辊轴线的方向伸长。每个辊均被约束为沿相对于缠绕轴线沿径向方向延伸的轴线运动。辊组件布置在具有n侧和n个角的多边形框架内，并且辊中的至少一些的外表面具有对应于角的半径的半径。辊组件的数量对应于2*n。辊组件中的每个均包括具有对应于辊轴线的纵向轴线的销、围绕该销并相对于该销旋转的套筒，以及连接到销的弹性元件，该弹性元件促使销沿相对于缠绕轴线径向向外的方向运动。框架包括布置在相邻侧壁的相交部处的角，并且推动元件中的至少一些被配置成促使材料进入框架的角内。

附图说明

图1是包括立方电池单元的阵列的电池组的部分分解透视图。

图2是立方电池单元的透视图。

图3是电极对的一部分的横截面视图。

图4是如穿过图2的线4-4观察的图2的立方电池单元的示意性横截面视图。

图5是包括布置在框架中的分段心轴的缠绕装置的一部分的俯视平面图，其示出处于完全缩回位置的心轴。

图6是图5的缠绕装置的一部分的俯视平面图，其示出处于完全缩回位置的心轴，并且其中电极组件的一部分布置在心轴和框架之间。

图7是图5的缠绕装置的一部分的俯视平面图，其使用虚线箭头示出心轴的节段的向外运动。

图8是图5的缠绕装置的一部分的俯视平面图，其示出处于完全前进位置的心轴，并且其中电极组件的一部分布置在心轴和框架之间。

图9是图5的缠绕装置的一部分的俯视平面图，其示出处于部分缩回位置的心轴，其中电极组件的一部分经由夹被固持成抵靠框架的内表面。

图10是用于图5的缠绕装置的控制系统的示意图示。

图11是如穿过图2的线4-4所观察的替代性立方电池单元的示意性横截面视图，其示出布置在多边形电极的中心的次级电极。

图12是替代性缠绕装置的透视图，并且其中省略了遮盖件以容许内框架、外框架和辊组件的可视化。

图13是图11的缠绕装置的俯视平面图。

图14是另一种替代性缠绕装置的俯视平面图。

具体实施方式

参考图1-3，电池组1是电力生成和存储装置，其包括电气互连并以有条理的方式存储在电池组壳体2内的电化学电池单元20。电池组壳体2包括容器部分3和可拆卸盖4。电池单元20是锂离子软包电池单元，其包括电极组件60（图3），该电极组件60与电解质一起密封在电池单元壳体21内以形成电力生成和存储单元。在一些实施例中，成组的电池单元20可被捆束在一起以形成电池模块（未示出），电池模块相应地被存储在电池组壳体2内。然而，在所示的实施例中，电池单元20不被捆束成模块，而是直接电连接到电池组壳体端子6、7。在电池组壳体2内，电池单元20串联或并联地电连接。

每个电池单元20均包括由金属层压膜形成的多边形软包型电池单元壳体21。电池单元壳体21具有矩形形状。在所示的实施例中，电池单元壳体21是立方形的，并且包括六个正交的表面。表面包括第一端22、与第一端22相对的第二端23、第一侧24、邻接第一侧24的第二侧25、邻接第二侧25并且与第一侧24相对的第三侧26，以及邻接第三侧26和第一侧24的第四侧27，该第四侧27与第二侧25相对。第一侧24、第二侧25、第三侧26和第四侧27中的每个均在第一端22和第二端23之间延伸，并且六个表面共同限定由电极组件60占据的密封的内部空间。

参考图3-4，布置在电池单元20中的电极组件60包括细长的正电极板61，该正电极板61与细长的负电极板62堆叠（例如，层叠）并且由中间细长的分隔件板63分开以形成电极对64。电极对64也可包括布置在正电极板61和负电极板62的一个或两个面向外的表面上的额外分隔件板65。相比于电池单元整体厚度（例如，具有大约数十或数百mm的厚度），正电极板61和负电极板62非常薄（例如，具有大约0.095至0.145 mm的厚度），并且因此在图3和图4中示意性地示出。

正电极61和负电极62中的每一个均具有层叠结构，以促进锂离子的嵌入和/或运动。在所示的实施例中，正电极61由具有石墨涂层的铜形成，并且负电极62由具有锂化金属氧化物涂层的铝形成。分隔件63、65由诸如三层聚丙烯-聚乙烯-聚丙烯膜的电绝缘材料形成。

电极对64被设置成呈多边形螺旋缠绕式构造，在下文中被称为绕组68。在所示实施例中，绕组68被设置成方形螺旋缠绕式构造，以对应于电池单元壳体21的方形横截面形状。

绕组68的每一匝均包括布置在四个线性部分71、72、73、74之间的四个角部分81、82、83、84，其中绕组68的每一匝的角部分81、82、83、84的半径r是恒定的，而不论匝数n如何。此外，绕组的一匝（例如匝a）的线性部分71（a）、72（a）、73（a）、74（a）的长度不同于绕组68的另一匝（例如匝b）的线性部分71（b）、72（b）、73（b）、74（b）的长度。此外，单匝（例如匝a）内的连续线性部分71（a）、72（a）、73（a）、74（a）的长度沿从电极对64的最外端64（o）朝向电极对64的最内端64（i）的方向减小。

参考图5-10，在电极组件60的制造期间，电极对64以一定模式围绕缠绕轴线66连续地缠绕，其中绕组68的最外层被首先缠绕，并且绕组68的最内层被最后缠绕。此外，绕组68的最外层被形成为多边形形状，并且额外的层随后被设置在先前层的内侧上。每个额外层均具有多边形形状。

缠绕装置100被用于形成绕组68的多边形螺旋缠绕式构造。缠绕装置100包括框架102和布置在框架102中的分段心轴120。在所示实施例中，框架102是具有侧壁的多边形管状结构，所述侧壁被设置成当在横截面中观察时形成闭合截面，并且框架102被定尺寸和设置成对应于电池单元壳体21的侧壁24、25、26、27的尺寸和设置。在电池单元壳体21的横截面为方形（例如，具有四条边的多边形）的所示实施例中，框架102是具有四个正交侧壁103、104、105、106的方形管状结构。此外，相邻框架侧壁的相交部限定四个角111、112、113、114，每个角111、112、113、114均具有内半径r。

心轴120是包括能够相对于彼此和框架102运动的各个节段122（例如，122a、122b、122c、122d、122e、122f、122g、122h）的圆筒形实体。每个节段122均具有扇形或截头扇形的形状，并且与其它节段122协作使用以在缠绕过程期间定位并且支撑电极对64。节段122的数量是期望的多边形形状的边的数量a的两倍。在以方形螺旋缠绕式构造设置绕组68的所示实施例中，数量a是四并且节段122的数量是八。存在两种类型的节段122，其以交替方式设置以形成心轴120的外周边。具体地，存在被配置成促使电极对64的部分进入相应的框架角111、112、113、114内的角节段122a、122c、122e、122g，并且存在被配置为朝向框架侧壁103、104、105、106促动电极对64的其它部分的侧节段122b、122d、122f、122h。至少角节段122a、122c、122e、122g具有面向框架的表面123，其弯曲以对应于框架角111、112、113、114的内半径。在所示的实施例中，所有节段122a 、122b、122c、122d、122e、122f、122g、122h均具有面向框架的表面，其弯曲以对应于框架角111、112、113、114的内半径r。

在缠绕装置100中，心轴120大体在框架102内居中，并且心轴120的一个节段122与框架侧壁103、104、105、106或者框架角111、112、113、114中的每一个相关联。节段122被配置为相对于心轴120的中心沿径向方向延伸的线性路径向外和向内运动。心轴120被取向成使得每个角节段122a、122c、122e、122g均沿相应框架角111、112、113、114中的相关联的一个的半径运动，并且使得每个侧节段122b、122d、122f、122h均沿垂直于相应的框架侧壁103、104、105、106中的相关联的一个的方向运动。节段能够在完全缩回位置（图5）和前进位置（图8）之间运动。在完全缩回位置中，节段122紧密地设置，使得每个节段122的侧表面面向相邻节段的侧表面，并且节段122一起形成圆筒。在前进位置中，每个节段122均相对于缩回位置径向向外运动，由此心轴120作为整体向外扩张。具体地，如下文所论述的，每个节段122均沿其径向路径向外运动，直到其毗邻框架102的内表面109或固定的中介结构。

每个节段122均例如经由刚性臂（未示出）连接到致动器92（图10）。致动器92被配置为通过提供所需的径向运动来相对于框架定位节段122。致动器92可以是例如机械、机电和/或气动装置，并且可使用也控制电极对进给送装置94的控制器90来控制致动器92。具体地，控制器90控制电极对64进给到缠绕装置100内的速率、位置和/或张力。在使用中，经由进给装置94使电极对64持续地进给于装置100内，以便布置在心轴120和框架102之间。

在放置绕组68的初始匝68i之前，心轴120在缩回位置（图5）中被布置在框架102的中心。为了形成初始匝68i，电极对64的前端64（o）连同邻近前端64（o）的电极对64的部分64（p）被放置在框架102内，以便布置在心轴120和框架102的内表面109之间，并且以便大体环绕心轴120（图6）。然后使节段122运动到前进位置（图7、8）。各个节段122的运动引起电极对64的部分64（p）向外运动，并且电极对64的额外部分可被拉入框架102内。致动器92提供足够的力以使电极对部分64（p）向外运动直到其毗邻框架内表面109为止。结果，电极对部分64（p）沿框架内表面109的整个周边毗邻框架102的内表面，并且形成初始匝68i（图8）。

在放置初始匝68i之后，使节段122缩回，使得在节段122的外表面和框架内表面109之间存在空间。在一些实施例中，电极对64具有足够的结构完整性，其在节段122缩回时保持抵靠框架102处于适当位置。在其它实施例中，诸如夹115的固持器可被用于在节段122缩回时将电极对64固持在抵靠框架102的适当位置（图9）。

框架内表面109上的绕组68的初始匝68i的层叠继之以将添加的后续匝设在先前匝的相应内表面上。这通过以下方法实现：在框架102内交替放置电极对的额外部分64a，以便使其布置在心轴120和框架102的内表面109之间，从而大体环绕心轴120，进而使节段122运动到前进位置以便恰当地定位额外部分64a，并且然后使节段122缩回。可以持续地重复该程序，直到电极材料层填满完全缩回的心轴120和框架102之间的空间。在一些实施例中，在电池单元20内使用期间，心轴120保持在绕组68内（图4）。在其它实施例中，将心轴120从电极组件60移除，并且可以将第二电极组件160插入由于移除心轴120而产生的空位内。第二电极组件160可以是例如圆形或卵形卷芯组件，其与多边形电极组件60形成电连接（图11）。通过用电极材料填充空位，可以进一步改进电池单元20的体积效率。

在一些实施例中，在节段122的前进和/或缩回期间，可以使所有节段122同时且一致地运动（例如，所有节段同时向外运动，并且同时向内运动）。在其它实施例中，可以单独地使每个节段122以顺序方式运动。例如，可以单独地和顺序地使每个节段122以如在俯视平面图中所见的顺时针次序（即，一个节段122b在相邻节段122a的运动之后运动）运动。

参照图12和图13，可使用替代性缠绕装置200来形成多边形绕组68。具体地，缠绕装置200可被用于以一定模式围绕缠绕轴线66持续地缠绕电极对64，其中首先缠绕绕组68的最外层并且最后缠绕绕组68的最内层，并且其中绕组68的每层均被形成为多边形形状。

缠绕装置200包括外框架240、内框架102和若干辊组件230。内框架102和辊组件230被支撑在外框架240上，如下文进一步讨论的那样。外框架240包括第一平台242和与第一平台242间隔分开的第二平台244。第二平台244平行于第一平台242，并且第一平台242和第二平台244的外周边缘241对齐。

第一平台242和第二平台244大致相同，并且因此将仅详细描述第一平台242。在所示的实施例中，第一平台242的外周边缘241具有圆形轮廓，而且外周边缘241不限于这种形状。第一平台242具有中央开口245。第一平台中央开口245的直径大于绕组60的多边形形状的最大对角线的尺寸，由此内框架102能够安置在第一平台中央开口245内。

此外，多个柱246从第一平台242的面向外的表面243向外突出。柱246被用于支撑辊组件230，如下文进一步讨论的那样。柱246布置在中央开口245和外周边缘241之间。此外，柱246围绕中央开口245的周边彼此等距地间隔分开。

第一平台242包括叠加面向外的表面243的遮盖件247。遮盖件247的外周边缘251具有与第一平台242的外周边缘241相同的大小和形状。遮盖件247包括具有比第一平台中央开口245的直径更小的直径的中央开口248。在一些实施例中，电极对64可经由遮盖件中央开口248进给到缠绕装置200内。此外，遮盖件247包括细长的引导槽249，该引导槽249被用于引导辊组件230的运动，如下文进一步讨论的那样。引导槽249的数量对应于柱246的数量。引导槽249被形成在遮盖件247的面向内的表面中，并且沿径向方向延伸。在所示的实施例中，引导槽249是在遮盖件247的面向内的表面和面向外的表面两者上均开放的通孔，并且具有略小于外周边缘251和遮盖件中央开口248之间的径向距离的长度。当与第一平台242一起组装时，遮盖件247被取向成使得每个柱246均与引导槽249中的对应的一个对齐并且被接收在其中。

相对于第二平台244设置第一平台242，使得第一平台242的每个柱246和对应的引导槽249与第二平台244的对应柱246和对应的引导槽249对齐。在一些实施例中，一对支杆250可定位在中央开口245的相对侧上。支杆250在第一平台242和第二平台244的相应的面向内的表面之间延伸，并且维持第一平台242和第二平台244之间的空间和相对取向。

每个辊组件230均包括细长的圆筒形套筒234、延伸穿过套筒234并从套筒234的相对端突出的销232、连接到销232的第一端的第一卷簧236、以及连接到销232的第二端的第二卷簧238，其中第二端与第一端相对。套筒234是刚性的，并且具有用于接合电极对64的表面的光滑外表面。套筒234具有小于或等于内框架102的角的半径的半径。套筒234围绕销232的纵向轴线自由旋转。因此，每个辊组件230的销232和套筒234协作以提供该组件的滚动元件。每个辊组件230的销232和套筒234布置在第一平台242和第二平台244的中央开口245内，以便沿垂直于第一平台242和第二平台244的方向延伸。此外，每个辊组件230经由第一弹簧236和第二弹簧238连接到第一平台242和第二平台244中的每一个。具体地，对于每个辊组件230而言，第一弹簧236的一端连接到第一平台242的面向外的表面上的柱246，并且第二弹簧238的一端连接到第二平台244的面向外的表面上的对齐的柱246。

对于每个辊组件230而言，销232的端部以及第一弹簧236和第二弹簧238中的每一个均安置在对应的引导槽249内。因此，每个辊组件230被约束为沿径向方向沿对应的引导槽249运动，并且被配置成沿径向向外方向促动滚动元件。

设在每个平台242、244上的柱246的数量对应于辊组件230的数量，辊组件230的数量相应地取决于多边形绕组的边的数量。辊组件230的数量是多边形的边的数量a的两倍。在绕组68被设置成呈方形螺旋缠绕式构造的所示的实施例中，数量a为四并且辊组件230的数量为八。

内框架102大致类似于上文关于图5-8所描述的框架102，并且因此，不重复对内框架102的描述，并且使用公共附图标记来指代公共元件。内框架102布置在外框架240内侧。具体地，内框架102被可旋转地支撑在第一平台242和第二平台244的中央开口245内。辊组件230被设置成使得套筒234由第一弹簧236和第二弹簧238被拉抵内框架内表面109。当使内框架102相对于外框架240围绕缠绕轴线66旋转时，套筒234围绕销232旋转，从而容许套筒234保持与内框架内表面109接触并沿内框架内表面109滚动。此外，当辊组件230沿循内框架内表面109的廓线时，其以往复方式沿引导槽249运动。

在使用中，电极对64的前端64（o）连同邻近前端64（o）的电极对64的部分64（p）被放置在内框架102内，以便被布置在内框架内表面109和辊组件230之间。辊组件230用于将电极对64夹抵内框架内表面109。

当使内框架102相对于外框架240围绕缠绕轴线66旋转时，辊组件230相对内框架内表面109促动电极对64。例如，当内框架102相对于外框架240周期性地穿过某些相对取向时，辊组件230被定位在框架角111、112、113、114的每个中，以便形成绕组81、82、83、84的角部分。同时在该取向中，辊组件230被定位成抵靠框架壁103、104、105、106中的每一个。当内框架102继续旋转时，辊组件230沿框架壁滚动，以便在先前形成的匝的内表面上形成额外的多边形形状的匝。

当使内框架102旋转时，电极对64的额外部分经由遮盖件中央开口248被持续地进给或拉入缠绕装置200内，并且置放在在先层的内表面上。内框架102的旋转继续，直到积聚的层的厚度引起辊组件230彼此毗邻和/或其运动被阻止。在一些实施例中，第二电极组件160可被插入由于从绕组68移除辊组件230而产生的空位内。第二电极组件160可以是例如圆形或椭圆形卷芯式组件，其与多边形电极组件60形成电连接（图11）。通过用电极材料填充空位，可进一步改进电池单元20的体积效率。

在所示的实施例中，通过使用推动元件形成绕组68，该推动元件68相对支撑构件向外促动电极对的部分，其中该支撑构件可以是框架102的内表面或绕组68的在先层的内表面。然而，形成多边形形状的绕组的方法不限于使用推动元件，例如心轴节段122或辊组件230，以向外推动电极对64并将其推动成期望构造。例如，参考图14，抽吸元件330可被用于通过将电极对64向外拉成期望的多边形形状来控制电极对64的外表面的位置。在该方法中，电极对64的前端64（o）连同邻近前端64（o）的电极对64的部分64（p）经由抽吸元件330被向外拉成多边形形状，以形成绕组68的初始匝68（i）。后续的电极材料层以连续方式被添加到初始匝68（i）的外表面以形成多边形绕组68。

在每个所示的实施例中，电极对64均被设置成呈螺旋缠绕式构造，其包括布置在相邻线性部分71、72、73、74之间的相交部处的角部分81、82、83、84。具体地，设置电极对64以形成多边形螺旋缠绕式构造，其中多边形螺旋缠绕式构造的每一匝的角部分81、82、83、84的半径r是恒定的，而无论匝数如何。此外，绕组68的一匝的线性部分71（a）、72（a）、73（a）、74（a）的长度不同于绕组68的另一匝的线性部分71（b）、72（b）、73（b）、74（b）的长度。由于绕组68的层（包括最外层）包括具有期望半径r的角部分81、82、83、84，因此相对于使用常规绕组的一些多边形电池单元，改善了包括电池单元壳体21内的绕组68的电极组件60的容积效率。

在所示实施例中，框架102是与分段心轴120协作使用以形成绕组68的管状构件（例如，具有开放的相对端的构件）。然而，在其它实施例中，框架102可替代地被形成为具有被设置成呈具有一个封闭端的管的形式的多个侧面（诸如开放盒的形状）。在其它实施例中，框架102被省略，心轴120在电池单元壳体21封闭之前被放置在电池单元壳体21内，并且电池单元壳体21在制造期间执行框架102的功能。

在图5-9中所示的实施例中，节段122可从1到2n顺序地编号，并且奇数编号节段和偶数编号节段均具有限定外角的外周形状，并且具有等于或小于框架角的半径的半径。然而，在一些替代性实施例中，奇数编号的节段具有限定外角的外周形状，并且偶数编号的节段具有包括面向外的平坦部分的外周形状，以对应于框架壁内表面的平坦形状。

尽管电池单元20被描述为是立方的，但它们不限于是立方的，并且能够具有任何多边形形状，包括但不限于三角形棱柱、矩形棱柱、五边形棱柱等。如先前所述的那样，框架100的形状和尺寸被设定为与电池单元壳体21的形状和尺寸相对应。例如，为了制造用于具有五边形棱柱的形状的电池单元壳体的绕组，当在横截面中观察时，框架100将具有五边形形状，并且具有对应于五边形电池单元壳体的尺寸的尺寸。

尽管电池单元20被描述为是锂离子电池单元，但电池单元20不限于这种类型的电池单元。例如，电池单元20可以包括电极材料和电解质的不同组合，包括铅酸、镍镉（NiCd）、镍金属氢化物（NiMH）和锂离子聚合物。

尽管所示的实施例包括二维的电池单元阵列，但是电池组1不限于具有二维电池单元阵列。例如，电池组可包括以三维阵列设置的电池单元。此外，在阵列中使用的电池单元的行和/或列的数量可以大于或少于如图所示的数量，并且由具体应用的要求确定。

上文详细地描述电池组和电池组壳体的选择性说明性实施例。应当理解的是，本文仅描述被视为对于说明这些装置而言所必需的结构。其它常规结构，以及电池组系统的附属和辅助部件的结构被认为是为本领域技术人员所已知和理解的。此外，尽管上文描述了电池组和电池组壳体的工作示例，但是电池组和/或电池组壳体不限于上文描述的工作示例，而且可在不偏离如权利要求中所阐述的装置的情况下进行各种设计变更。

Claims (12)

1.一种被配置为围绕缠绕轴线缠绕材料以形成材料的螺旋体的装置，其中，

当在垂直于所述缠绕轴线的横截面中观察时，所述螺旋体的最外层具有由n条边限定的多边形形状，其中n是对应于所述多边形形状的边的数量的整数，以及

首先缠绕所述螺旋体的最外层，并且最后缠绕所述螺旋体的最内层，

所述装置包括独立的推动元件，

其中，

所述推动元件的数量至少为所述多边形形状的边的数量n，

每个推动元件能够相对于相邻的推动元件运动，并且

每个推动元件被配置为应用于所述材料的一部分的面向内的表面，并且沿远离所述缠绕轴线的方向促动所述材料的一部分。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述材料包括电极对，所述电极对包括正电极、负电极和布置在所述正电极和所述负电极之间的分隔件。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述装置还包括具有n个侧壁的多边形框架，并且所述推动元件布置在所述框架内，并且能够相对于所述框架运动，其中n是大于零的整数。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述推动元件中的每个均被约束为沿从所述缠绕轴线径向延伸的路径运动，并且给定推动元件的路径不同于其余推动元件的路径。

5.根据权利要求3所述的装置，其中，所述框架包括布置在相邻侧壁的相交部处的角，并且所述推动元件中的至少一些被配置成促使所述材料进入所述框架的角内。

6.一种使用根据权利要求1-5中的任一项所述的装置制造用于在电化学电池单元中使用的电极组件的方法，所述方法包括：

提供正电极、负电极和布置在所述正电极和所述负电极之间的分隔件，所述正电极、所述分隔件和所述负电极以层叠构造设置以形成电极堆叠，

以螺旋构造围绕缠绕轴线缠绕所述电极堆叠，其中缠绕式电极堆叠的最外层被首先缠绕，并且所述缠绕式电极堆叠的最内层被最后缠绕；

其中，所述缠绕式电极堆叠的每层均被形成为具有角，并且所述最外层的角的半径与随后被缠绕于所述最外层的层的半径相同；

除了最外层之外，缠绕式电极堆叠中的每一层通过直接设置在先前一层的内侧上形成。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述方法包括

当在横向于所述缠绕轴线的横截面中观察时，通过将多边形形状的绕组的最外层形成为多边形形状，来将所述电极堆叠缠绕成具有螺旋构造的所述多边形形状的绕组。

8.根据权利要求7所述的方法，其包括随后在所述最外层的内侧上设置额外层。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，当在横向于所述缠绕轴线的横截面中观察时，每个额外层均具有多边形形状。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述方法包括

提供具有螺旋构造的第二绕组，并且

将所述第二绕组电连接到所述多边形形状的绕组的最内端。

11.根据权利要求6所述的方法，其中，所述方法包括

提供多边形框架，以及

缠绕所述电极堆叠的步骤包括沿所述框架的内表面叠加所述电极堆叠。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，叠加所述电极堆叠包括：

将所述电极堆叠连续地布置在所述框架内，使得每次将一层所述电极堆叠放置在所述框架的一侧的所述框架的内表面上，并且以顺序方式放置在所述框架的侧面的每侧上，并且所述电极堆叠的后续层被放置在所述层的内表面上。