CN109713375B - 一种锂电池绝缘膜叠片装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锂电池绝缘膜叠片装置，包括：放料机构，用于启动或者停止输出绝缘膜；张力控制机构，用于驱使绝缘膜保持预设张力；平移机构用于带动绝缘膜在叠片平台上往复平移，以令绝缘膜叠放于叠片平台上；下压机构用于压紧或者远离叠放后的绝缘膜；缓存机构，设于张力控制机构与平移机构之间，缓存机构用于：当下压机构压紧叠放后的绝缘膜时向放料机构收取绝缘膜，并且缓存机构收取的绝缘膜距离与叠放后的一层绝缘膜距离相同；当下压机构远离叠放后的绝缘膜并且平移机构开始平移时，缓存机构将其收取的绝缘膜向平移机构输出。本发明可降低绝缘膜张力的控制难度、提高绝缘膜张力控制效果、提高生产效率和以及提高生产品质。

Description

一种锂电池绝缘膜叠片装置及方法

技术领域

本发明涉及锂电池加工设备，尤其涉及一种锂电池绝缘膜叠片装置及方法。

背景技术

锂电池的制造过程中，需要将阳极箔、隔离膜以及阴极箔封装在一起构成电芯，目前主要有卷绕和叠片两种工艺。大容量动力电池的制造主要采用叠片工艺，其核心之一是在阳极箔和阴极箔中间铺设隔离膜，隔离膜连续不截断，要控制隔离膜在铺设过程中张力恒定，才能获得高质量的电池。

目前，会采用放卷电机、张力测量传感器和张力控制电机来对隔离膜的张力进行测量和控制。但是，在叠片过程中，隔离膜会在一个周期内经历收回—停止—再拉出的过程，如果由张力控制工位直接控制这一段的张力，由于动力电池的体积较大，放卷电机和张力控制电机会出现连续快速正反转的情况，张力难以控制，或者说，在保持张力可控的情况下，叠片速度无法提高。

对此，申请号为CN106025375A的中国发明专利申请文献中，公开了一种锂电池叠片机隔离膜的放卷控制系统，介绍了被动放卷和主动放卷两种张力控制方法。通过特殊的机械结构设计和运动控制技术，实现锂电池叠片机隔离膜的间接张力控制。实际叠片时，被动放卷方式采用工程实测的方式获取储料电机的运行指令，主动放卷方式采用数学建模的方式获取储料电机的运行指令。

然而，在上述现有技术中，存在以下问题：首先，采用被动放卷方式时，需要带料在设备上进行实际的运行进行工程实测，操作繁琐，浪费材料，不同的隔离膜宽度、材质、弹性不同，实测的效果不稳定，需要比较多的时间调试。其次，采用主动放卷方式时，建立数学模型需要确定的放卷速度，但这个速度实际上很难保持恒定：1、对于不同的电池，几何尺寸和生产速度皆不同；2、在调试过程中，经常要尝试不同的速度；3、设备启动过程中也存在加减速过程。

此外，通过工程实测或者数学建模的方式，都要求叠片下压的高度是恒定的，要求叠片平台必须要有一个用来控制高度的电机，增加了系统的复杂度和成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种可降低绝缘膜张力的控制难度、提高绝缘膜张力控制效果、提高生产效率和生产品质的锂电池绝缘膜叠片装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。

一种锂电池绝缘膜叠片装置，其包括有一叠片平台以及：一放料机构，装载有绝缘膜原料卷，所述放料机构用于启动或者停止输出绝缘膜；一张力控制机构，设于所述放料机构的输出侧，所述张力控制机构用于驱使绝缘膜保持预设张力；一平移机构，设于所述张力控制机构的输出侧，所述平移机构用于带动绝缘膜在叠片平台上往复平移，以令绝缘膜叠放于所述叠片平台上；一下压机构，设于所述叠片平台的上方，所述下压机构用于压紧或者远离叠放后的绝缘膜；一缓存机构，设于所述张力控制机构与所述平移机构之间，所述缓存机构用于：当所述下压机构压紧叠放后的绝缘膜时向所述放料机构收取绝缘膜，并且所述缓存机构收取的绝缘膜距离与叠放后的一层绝缘膜距离相同；当所述下压机构远离叠放后的绝缘膜并且所述平移机构开始平移时，所述缓存机构将其收取的绝缘膜向所述平移机构输出。

优选地，所述缓存机构包括有缓存电机、缓存导杆和缓存辊，所述缓存辊抵挡于绝缘膜，所述缓存电机用于驱使所述缓存辊沿所述缓存导杆移动，以令所述缓存辊向后拉取相应距离的绝缘膜。

优选地，所述缓存辊的前端设有两个限位辊，所述缓存辊位于两个限位辊之间，绝缘膜绕制于两个限位辊的前侧和所述缓存辊的后侧。

优选地，所述缓存导杆为丝杆，所述缓存辊安装于所述缓存导杆的丝杆副上。

一种锂电池绝缘膜叠片方法，该方法基于一装置实现，所述装置包括有一叠片平台、一放料机构、一张力控制机构、一平移机构、一下压机构及一缓存机构，所述放料机构装载有绝缘膜原料卷，所述张力控制机构设于所述放料机构的输出侧，所述平移机构设于所述张力控制机构的输出侧，所述缓存机构设于所述张力控制机构与所述平移机构之间，所述下压机构设于所述叠片平台的上方，所述方法包括如下步骤：步骤S1，将绝缘膜的端部从所述放料机构中抽出，并将绝缘膜的端部依次穿过张力控制机构、缓存机构以及平移机构后，利用所述下压机构压紧于叠片平台上；步骤S2，所述放料机构启动输出绝缘膜；步骤S3，所述张力控制机构控制绝缘膜保持预设张力；步骤S4，所述缓存机构收取绝缘膜，并且所述缓存机构收取的绝缘膜距离与叠放后的一层绝缘膜距离相同；步骤S5，所述放料机构停止输出绝缘膜,所述下压机构远离所述叠片平台上的绝缘膜；步骤S6，所述平移机构和所述缓存机构同时运行，所述缓存机构将其收取的绝缘膜向所述平移机构输出，且由所述平移机构带动绝缘膜在叠片平台上平移，进而将绝缘膜在所述叠片平台上叠放一层；步骤S7，所述下压机构压紧叠放后的绝缘膜；重复步骤S2至步骤S7，直至锂电池绝缘膜叠片完毕。

优选地，所述缓存机构包括有缓存电机、缓存导杆和缓存辊，所述缓存辊抵挡于绝缘膜，所述缓存电机用于驱使所述缓存辊沿所述缓存导杆移动，以令所述缓存辊向后拉取相应距离的绝缘膜。

优选地，所述缓存机构包括有缓存出料口，所述平移机构包括有平移电机、平移滑块和叠料出口，所述平移滑块的平移轨迹包括平移开始点和平移结束点，所述缓存电机的运行曲线算法如下：

P＝sqrt(H1*H1+((L1+L2)*X-L1)*((L1+L2)*X-L1))

+sqrt(H2*H2+((L3+L4)*X-L3)*((L3+L4)*X-L3))；

其中，H1为平移滑块到叠料出口的初始垂直高度，L1为平移开始点到叠料出口点的水平距离，L2为叠料出口点到平移结束点的水平距离，H2为缓存出料口到平移滑块的垂直高度，L3为平移开始点到电池左边的水平距离，L4为电池左边到平移结束点的水平距离，H’为电池的层厚，X为平移滑块至平移开始点和平移结束点距离的比例，P为X所对应的完全补偿时缓存电机的位置。

优选地，X的取值范围为[0，1]。

优选地，所述缓存机构包括有缓存电机驱动器，所述缓存电机驱动器连接有上位控制器、平移电机的编码器和定位控制模块，所述缓存电机驱动器预设有缓存算法模块。

优选地，所述下压机构在下压过程中，所述缓存电机驱动器接收所述上位控制器的启动信号，驱动所述缓存电机运行到初始位置。

本发明公开的锂电池绝缘膜叠片装置中，先将绝缘膜的端部从所述放料机构中抽出，并将绝缘膜的端部依次穿过张力控制机构、缓存机构以及平移机构后，利用所述下压机构压紧于叠片平台上，之后所述放料机构启动输出绝缘膜，同时利用所述张力控制机构控制绝缘膜保持预设张力，接下来进行绝缘膜缓存，利用所述缓存机构收取绝缘膜，并且所述缓存机构收取的绝缘膜距离与叠放后的一层绝缘膜距离相同，之后所述放料机构停止输出绝缘膜,所述下压机构远离所述叠片平台上的绝缘膜，此时可叠放下一层，所述平移机构和所述缓存机构同时运行，所述缓存机构将其收取的绝缘膜向所述平移机构输出，且由所述平移机构带动绝缘膜在叠片平台上平移，进而将绝缘膜在所述叠片平台上叠放一层，之后所述下压机构压紧叠放后的绝缘膜，重复上述过程，直至锂电池绝缘膜叠片完毕。基于上述结构，本发明实现了先对绝缘膜缓存再进行叠放的功能，相比现有技术而言，本发明大大降低了绝缘膜张力的控制难度，有效提高了绝缘膜张力控制效果，进而提高生产效率和生产品质。

附图说明

图1为本发明锂电池绝缘膜叠片装置状态示意图一；

图2为本发明锂电池绝缘膜叠片装置状态示意图二；

图3为本发明锂电池绝缘膜叠片装置状态示意图三；

图4为本发明锂电池绝缘膜叠片装置状态示意图四；

图5为缓存电机驱动器的组成框图；

图6为缓存机构的补偿算法示意图；

图7为图6中算法的补偿曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作更加详细的描述。

本发明公开了一种锂电池绝缘膜叠片装置，结合图1至图4所示，其包括有一叠片平台以及：

一放料机构1，装载有绝缘膜原料卷，所述放料机构1用于启动或者停止输出绝缘膜100；

一张力控制机构2，设于所述放料机构1的输出侧，所述张力控制机构2用于驱使绝缘膜100保持预设张力；

一平移机构4，设于所述张力控制机构2的输出侧，所述平移机构4用于带动绝缘膜100在叠片平台上往复平移，以令绝缘膜100叠放于所述叠片平台上；

一下压机构5，设于所述叠片平台的上方，所述下压机构5用于压紧或者远离叠放后的绝缘膜100；

一缓存机构3，设于所述张力控制机构2与所述平移机构4之间，所述缓存机构3用于：

当所述下压机构5压紧叠放后的绝缘膜100时向所述放料机构1收取绝缘膜100，并且所述缓存机构3收取的绝缘膜100距离与叠放后的一层绝缘膜100距离相同；

当所述下压机构5远离叠放后的绝缘膜100并且所述平移机构4开始平移时，所述缓存机构3将其收取的绝缘膜100向所述平移机构4输出。

上述装置中，先将绝缘膜100的端部从所述放料机构1中抽出，并将绝缘膜100的端部依次穿过张力控制机构2、缓存机构3以及平移机构4后，利用所述下压机构5压紧于叠片平台上，之后所述放料机构1启动输出绝缘膜100，同时利用所述张力控制机构2控制绝缘膜100保持预设张力，接下来进行绝缘膜缓存，利用所述缓存机构3收取绝缘膜100，并且所述缓存机构3收取的绝缘膜100距离与叠放后的一层绝缘膜100距离相同，之后所述放料机构1停止输出绝缘膜100,所述下压机构5远离所述叠片平台上的绝缘膜100，此时可叠放下一层，所述平移机构4和所述缓存机构3同时运行，所述缓存机构3将其收取的绝缘膜100向所述平移机构4输出，且由所述平移机构4带动绝缘膜100在叠片平台上平移，进而将绝缘膜100在所述叠片平台上叠放一层，之后所述下压机构5压紧叠放后的绝缘膜100，重复上述过程，直至锂电池绝缘膜叠片完毕。基于上述结构，本发明实现了先对绝缘膜100缓存再进行叠放的功能，相比现有技术而言，本发明大大降低了绝缘膜张力的控制难度，有效提高了绝缘膜张力控制效果，进而提高生产效率和生产品质。

本实施例中，所述缓存机构3包括有缓存电机30、缓存导杆31和缓存辊32，所述缓存辊32抵挡于绝缘膜100，所述缓存电机30用于驱使所述缓存辊32沿所述缓存导杆31移动，以令所述缓存辊32向后拉取相应距离的绝缘膜100。

为了实现对绝缘膜的拉取，本实施例中，所述缓存辊32的前端设有两个限位辊33，所述缓存辊位于两个限位辊33之间，绝缘膜100绕制于两个限位辊33的前侧和所述缓存辊32的后侧。

本实施例中，所述缓存导杆31为丝杆，所述缓存辊32安装于所述缓存导杆31的丝杆副上。但是这仅是本发明一个较佳的实施例，并不用于限制本发明，在本发明的其他实施例中，所述缓存机构3还可以采用滑轨、滑块的机构作为替换。

上述结构中，本发明优选采用了张力控制部分、缓冲部分、平移部分及下压部分。运行前，设定绝缘膜出料口与横移机构相对位置、电池尺寸、层厚等几何参数。在执行叠片动作过程中，平移部分运动时，绝缘膜出料的长度完全由缓存部分提供，缓存部分的动作由机械和电池的几何参数建立的数学模型确定，平移过程中，膜的快速收放由缓存部分完全补偿，完全不影响张力控制部分；在下压部分动作时，缓存部分的滑块重新定位到缓存初始的位置，此时张力控制部分配合放卷，将下一个动作周期需要放出的绝缘膜长度放出到缓存部分。在叠完一层后，由于正极箔、绝缘膜、负极箔厚度的累加，平移部分出料口到电池叠片面的高度会发生变化，下次运行前先根据叠层厚度更新这个高度值，重新根据数学模型计算缓存电机运行曲线。

为了更好地描述本发明的技术方案，本发明还涉及一种锂电池绝缘膜叠片方法，结合图1至图4所示，该方法基于一装置实现，所述装置包括有一叠片平台、一放料机构1、一张力控制机构2、一平移机构4、一下压机构5及一缓存机构3，所述放料机构1装载有绝缘膜原料卷，所述张力控制机构2设于所述放料机构1的输出侧，所述平移机构4设于所述张力控制机构2的输出侧，所述缓存机构3设于所述张力控制机构2与所述平移机构4之间，所述下压机构5设于所述叠片平台的上方，所述方法包括如下步骤：

步骤S1，将绝缘膜100的端部从所述放料机构1中抽出，并将绝缘膜100的端部依次穿过张力控制机构2、缓存机构3以及平移机构4后，利用所述下压机构5压紧于叠片平台上；

步骤S2，所述放料机构1启动输出绝缘膜100；

步骤S3，所述张力控制机构2控制绝缘膜100保持预设张力；

步骤S4，所述缓存机构3收取绝缘膜100，并且所述缓存机构3收取的绝缘膜100距离与叠放后的一层绝缘膜100距离相同；

步骤S5，所述放料机构1停止输出绝缘膜100,所述下压机构5远离所述叠片平台上的绝缘膜100；

步骤S6，所述平移机构4和所述缓存机构3同时运行，所述缓存机构3将其收取的绝缘膜100向所述平移机构4输出，且由所述平移机构4带动绝缘膜100在叠片平台上平移，进而将绝缘膜100在所述叠片平台上叠放一层；

步骤S7，所述下压机构5压紧叠放后的绝缘膜100；

重复步骤S2至步骤S7，直至锂电池绝缘膜叠片完毕。

上述方法中，首先设置一个缓冲电机和相关的机械结构，在叠片前，由用户输入绝缘膜出料口与横移机构相对位置、电池尺寸、层厚等几何参数，在运行过程中，横移电机动作时，根据用户设定的几何参数和横移电机的位置反馈实时计算缓冲电机的目标位置，通过缓冲电机的运行对绝缘膜的长度变化进行完全补偿；在下压机构下压时，缓冲电机回到初始位置，放卷电机旋转，将下一个横移动作需要的长度的绝缘膜缓存起来。上述方法的有益效果在于：降低了锂电池叠片机隔离膜张力控制的难度，提高了张力控制的效果，提高叠片机的生产效率。用户只需要简单设定机械和电池的几何参数即可，现场调试简单。

进一步地，所述缓存机构3包括有缓存电机30、缓存导杆31和缓存辊32，所述缓存辊32抵挡于绝缘膜100，所述缓存电机30用于驱使所述缓存辊32沿所述缓存导杆31移动，以令所述缓存辊32向后拉取相应距离的绝缘膜100。

作为一种优选方式，所述缓存机构3包括有缓存出料口，所述平移机构4包括有平移电机、平移滑块40和叠料出口，所述平移滑块40的平移轨迹包括平移开始点和平移结束点，请参见图6，所述缓存电机30的运行曲线算法如下：

P＝sqrt(H1*H1+((L1+L2)*X-L1)*((L1+L2)*X-L1))

+sqrt(H2*H2+((L3+L4)*X-L3)*((L3+L4)*X-L3))；

其中，H1为平移滑块到叠料出口的初始垂直高度，L1为平移开始点到叠料出口点的水平距离，L2为叠料出口点到平移结束点的水平距离，H2为缓存出料口到平移滑块的垂直高度，L3为平移开始点到电池左边的水平距离，L4为电池左边到平移结束点的水平距离，H’为电池的层厚，X为平移滑块至平移开始点和平移结束点距离的比例，P为X所对应的完全补偿时缓存电机的位置。优选地，X的取值范围为[0，1]。

为了实现上述控制过程，所述缓存机构3包括有缓存电机驱动器34，所述缓存电机驱动器34连接有上位控制器、平移电机的编码器6和定位控制模块，所述缓存电机驱动器34预设有缓存算法模块。进一步地，所述下压机构5在下压过程中，所述缓存电机驱动器34接收所述上位控制器的启动信号，驱动所述缓存电机30运行到初始位置。本发明在实际应用过程中可参考如下实施例：

实施例一

运行前，先设定机械和电池的几何参数。包括绝缘膜出料口与横移机构相对位置、电池尺寸、叠层厚度等。

运行时，如图1所示，平移电机驱动平移滑块执行一个从左到右的定位运动，此时绝缘膜相对会经历一个收回—停止—再拉出的过程，平移电机的当前实际位置通过编码器信号发送到缓存电机驱动器，缓存电机驱动器根据之前设定的参数和内部数学模型计算跟随平移电机的运行曲线，可以完全补偿绝缘膜的长度变化，此时张力部分只需要保持输出一个恒定张力，没有放卷动作。

如图2所示，下压电机驱动进行下压和抬升动作，此期间缓存电机运行到初始位置，放卷部分的放卷电机也配合进行放卷，下一个动作周期需要拉出的绝缘膜被缓存起来。另外，根据用户输入的H’，更新平移滑块到绝缘膜出料口的初始垂直高度H1。

如图3所示，平移电机驱动平移滑块执行一个从右到左的定位运动，此时绝缘膜相对会经历一个收回—停止—再拉出的过程，平移电机的当前实际位置通过编码器信号发送到缓存电机驱动器，缓存电机驱动器根据之前设定的参数和内部数学模型计算跟随平移电机的运行曲线，可以完全补偿绝缘膜的长度变化，此时张力部分只需要保持输出一个恒定张力，没有放卷动作。

如图4所示，下压电机驱动进行下压和抬升动作，此期间缓存电机运行到初始位置，放卷部分的放卷电机也配合进行放卷，下一个动作周期需要拉出的绝缘膜被缓存起来。另外，根据用户输入的H’，更新平移滑块到绝缘膜出料口的初始垂直高度H1。

重复上述过程，直到达到电池工艺要求的叠片次数。

结合图5至图7所示，缓存电机驱动器包括接收上位控制器控制信号的接口、平移电机编码器脉冲接收口、返回初始位置的定位控制模块、缓存算法模块以及相应的电机驱动器功能，在平移模块平移运动时，缓存算法模块根据用户设定的几何参数、平移电机位置和数学模型实时计算缓存电机的目标位置，控制电机根据目标位置运行；在下压模块动作期间，接收上位控制器的启动信号，驱动缓存电机运行到初始位置。

本发明公开的锂电池绝缘膜叠片装置及方法，其相比现有技术而言的有益效果在于，首先，本发明可以实现隔离膜长度的完全补偿，简化了张力控制部分的要求，可以大大提升叠片速度；其次，本发明在配置补偿电机运行参数时，不需要进行带料实测，只需要输入机械和电池的几何参数既可，使用简单，不同运行速度下也无需频繁调整；再次，本发明可以通过设置电机层厚自动补偿电池厚度变化带来的影响，无需配置叠片平台升降电机；此外，本发明所有相关的技术可以集中在缓冲电机驱动器中实现，叠片相关的张力控制工位、横移工位完全独立，系统模块之间关系简单，不同模块可以自由搭配以满足不同需求。

以上所述只是本发明较佳的实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的技术范围内所做的修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明所保护的范围内。

Claims (4)

1.一种锂电池绝缘膜叠片方法，其特征在于，该方法基于一装置实现，所述装置包括有一叠片平台、一放料机构(1)、一张力控制机构(2)、一平移机构(4)、一下压机构(5)及一缓存机构(3)，所述放料机构(1)装载有绝缘膜原料卷，所述张力控制机构(2)设于所述放料机构(1)的输出侧，所述平移机构(4)设于所述张力控制机构(2)的输出侧，所述缓存机构(3)设于所述张力控制机构(2)与所述平移机构(4)之间，所述下压机构(5)设于所述叠片平台的上方，所述方法包括如下步骤：

步骤S1，将绝缘膜(100)的端部从所述放料机构(1)中抽出，并将绝缘膜(100)的端部依次穿过张力控制机构(2)、缓存机构(3)以及平移机构(4)后，利用所述下压机构(5)压紧于叠片平台上；

步骤S2，所述放料机构(1)启动输出绝缘膜(100)；

步骤S3，所述张力控制机构(2)控制绝缘膜(100)保持预设张力；

步骤S4，所述缓存机构(3)收取绝缘膜(100)，并且所述缓存机构(3)收取的绝缘膜(100)距离与叠放后的一层绝缘膜(100)距离相同；

步骤S5，所述放料机构(1)停止输出绝缘膜(100),所述下压机构(5)远离所述叠片平台上的绝缘膜(100)；

步骤S6，所述平移机构(4)和所述缓存机构(3)同时运行，所述缓存机构(3)将其收取的绝缘膜(100)向所述平移机构(4)输出，且由所述平移机构(4)带动绝缘膜(100)在叠片平台上平移，进而将绝缘膜(100)在所述叠片平台上叠放一层；

步骤S7，所述下压机构(5)压紧叠放后的绝缘膜(100)；

重复步骤S2至步骤S7，直至锂电池绝缘膜叠片完毕；

所述缓存机构(3)包括有缓存电机(30)、缓存导杆(31)和缓存辊(32)，所述缓存辊(32)抵挡于绝缘膜(100)，所述缓存电机(30)用于驱使所述缓存辊(32)沿所述缓存导杆(31)移动，以令所述缓存辊(32)向后拉取相应距离的绝缘膜(100)；

所述缓存机构(3)包括有缓存出料口，所述平移机构(4)包括有平移电机、平移滑块(40)和叠料出口，所述平移滑块(40)的平移轨迹包括平移开始点和平移结束点，所述缓存电机(30)的运行曲线算法如下：

P＝sqrt(H1*H1+((L1+L2)*X-L1)*((L1+L2)*X-L1))

+sqrt(H2*H2+((L3+L4)*X-L3)*((L3+L4)*X-L3))；

其中，H1为平移滑块到叠料出口的初始垂直高度，L1为平移开始点到叠料出口点的水平距离，L2为叠料出口点到平移结束点的水平距离，H2为缓存出料口到平移滑块的垂直高度，L3为平移开始点到电池左边的水平距离，L4为电池左边到平移结束点的水平距离，X为平移滑块至平移开始点和平移结束点距离的比例，P为X所对应的完全补偿时缓存电机的位置。

2.如权利要求1所述的锂电池绝缘膜叠片方法，其特征在于，X的取值范围为[0，1]。

3.如权利要求1所述的锂电池绝缘膜叠片方法，其特征在于，所述缓存机构(3)包括有缓存电机驱动器(34)，所述缓存电机驱动器(34)连接有上位控制器、平移电机的编码器(6)和定位控制模块，所述缓存电机驱动器(34)预设有缓存算法模块。

4.如权利要求3所述的锂电池绝缘膜叠片方法，其特征在于，所述下压机构(5)在下压过程中，所述缓存电机驱动器(34)接收所述上位控制器的启动信号，驱动所述缓存电机(30)运行到初始位置。