CN115146492A - 一种评估卷绕极片张力的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种评估卷绕极片张力的方法,所述方法包括:对压力辊和牵引辊之间的走带路线进行标记,使用弹簧拉力计在走带路线上进行卷绕极片拉力标定;记录标定过程中压力辊底部的压力传感器显示的压力值;根据弹簧拉力计拉力与压力辊底部的压力传感器的压力之间的力学关系建立极片张力评估模型;基于卷绕极片拉力标定结果对极片张力评估模型进行参数拟合;根据参数拟合后的张力评估模型评估待测卷绕极片张力。本发明可以根据压力传感器的压力值估算卷绕极片张力,实现卷绕极片张力的定量测算,方便在整个电芯的卷绕过程中直接校验卷绕极片张力,并且可以通过压力传感器直接显示极片张力,更加直观、方便地可以进行卷绕极片张力监控。

Description

一种评估卷绕极片张力的方法
技术领域
本发明属于电芯卷绕技术领域,具体涉及一种评估卷绕极片张力的方法。
背景技术
目前,根据锂电池的行业经验,在追求产能的目标上,卷绕工艺要优于叠片工艺,特别的,用于生产卷绕电芯的主要工艺设备就是卷绕机,卷绕电芯制作过程中有一项明确的工艺要求,即在整个电芯的卷绕过程中,需要保持恒定张力,如果张力不稳定,可能会影响到电芯内部结构,甚至影响到后工序的装配及电池容量等性能。
目前卷绕设备上的传感器一般只能显示压力值,且现有的张力校验仅仅是校验压力传感器是否工作正常,并不是直接去校验极片张力,因此会导致电芯在卷绕过程中实际张力与理论张力偏差过大。现有技术中也有部分在卷绕机上安装张力检测装置的方案,比如申请号为201621223935.7的专利公开了一种卷绕机极片张力检测装置及卷绕机,该装置包括过棍及过棍轴,在过棍轴的一端固定安装有张力检测器,将该装置安装在卷绕机上能够对极片张力进行检测;申请号为202111404957.9的专利公开了一种方形锂电池电芯卷绕参数的测量方法,通过在方形锂电池电芯的极片上放置设置有传感器的光纤,然后将电芯的卷绕,使得光纤均匀分布在电芯的不同位置,可以实时监测电芯卷绕张力和应力状态分布。这些方法在一定虽然可以实现卷绕张力检测,但是需要在卷绕设备上额外增加测量装置,增加了卷绕设备复杂度和成本,或者需要特殊传感装置或布线方式,实际使用时的效果不佳。
发明内容
有鉴于此,本发明提出了一种评估卷绕极片张力的方法,用于提供一种方便、实用的评估卷绕极片张力的方法来满足以上应用场景。
本发明公开一种评估卷绕极片张力的方法,所述方法包括:
对压力辊和牵引辊之间的走带路线进行标记,使用弹簧拉力计在走带路线上进行卷绕极片拉力标定;
记录标定过程中压力辊底部的压力传感器显示的压力值;
根据卷绕极片拉力与压力辊底部的压力传感器的压力之间的力学关系建立极片张力评估模型;
基于卷绕极片拉力标定结果对极片张力评估模型进行参数拟合;
根据参数拟合后的张力评估模型评估待测卷绕极片张力。
在以上技术方案的基础上,优选的,所述使用弹簧拉力计在走带路线上进行卷绕极片拉力标定具体包括:
获取待标定卷绕极片的极片设计张力和最大允许偏差范围;
弹簧拉力计沿着走带路线上正负2°的方向进行拉力标定,使弹簧拉力计的读数在待标定的卷绕极片的极片设计张力的最大允许偏差范围内;
记录每次拉力标定时弹簧拉力计读数。
在以上技术方案的基础上,优选的,所述获取标定过程中压力辊底部的压力传感器显示的压力值具体包括:
在压力辊底部设置压力传感器,记录每次拉力标定时与弹簧拉力计读数相对应的压力传感器读数。
在以上技术方案的基础上,优选的,所述弹簧拉力计拉力与压力辊底部的压力传感器的压力之间的力学关系为:
F -f 摩擦)*cosa+mgF
其中,F 为弹簧拉力计拉力,f 摩擦为压力辊处的静态最大摩擦力,a为弹簧拉力计的拉力标定方向与竖直方向的夹角,m为卷绕极片质量,g为重力加速度,F 为压力传感器显示的压力值。
在以上技术方案的基础上,优选的,所述极片张力评估模型为:
Figure 241253DEST_PATH_IMAGE001
其中,G为极片张力,
Figure 689552DEST_PATH_IMAGE002
为压力传感器显示的压力值,β为修正系数,a为弹簧拉力计的拉力标定方向与竖直方向的夹角。
在以上技术方案的基础上,优选的,所述基于卷绕极片拉力标定结果对极片张力评估模型进行参数拟合具体包括:
将标定过程中的弹簧拉力计读数作为极片张力,基于每次拉力标定时与弹簧拉力计读数相对应的压力传感器读数,采用最小二乘法拟合极片张力评估模型的修正系数β,得到参数拟合后的极片张力评估模型。
在以上技术方案的基础上,优选的,所述根据参数拟合后的张力评估模型评估待测卷绕极片张力具体包括:
获取卷绕电芯制作过程中待测卷绕极片的压力辊底部的压力传感器显示的压力值,将所述压力值输入参数拟合后的极片张力评估模型,输出极片张力评估值。
在以上技术方案的基础上,优选的,所述根据参数拟合后的张力评估模型评估待测卷绕极片张力之前还包括:
判断待测卷绕极片的极片设计张力与待标定卷绕极片的极片设计张力的差值的绝对值是否小于预设阈值,若是,根据参数拟合后的张力评估模型评估待测卷绕极片张力,若否,重新进行卷绕极片拉力标定。
在以上技术方案的基础上,优选的,所述根据参数拟合后的张力评估模型评估待测卷绕极片张力之后还包括:
通过压力传感器显示极片张力评估值。
本发明相对于现有技术具有以下有益效果:
1)本发明根据卷绕极片拉力与压力辊底部的压力传感器的压力之间的力学关系建立极片张力评估模型,根据弹簧拉力计的卷绕极片拉力标定结果进行参数拟合,可以得到压力传感器的压力值与卷绕极片张力之间的对应关系,从而根据压力传感器的压力值估算卷绕极片张力,实现卷绕极片张力的定量测算,方便在整个电芯的卷绕过程中直接校验卷绕极片张力,进而保障卷绕质量;
2)本发明可以通过压力传感器直接显示极片张力,更加直观地可以进行张力监控,相较于传统的校验压力传感器或额外增加检测装置的方式,本发明的张力校验方法更加标准和方便。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种评估卷绕极片张力的方法流程图;
图2为卷绕极片走带路线示意图;
图3为通过弹簧拉力计进行拉力标定的示意图;
图4为对压力辊与卷绕极片的接触位置进行受力分析示意图;
图5为弹簧拉力计的标定方向与竖直方向的夹角a的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式,对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式,而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式,都属于本发明保护的范围。
请参阅图1,本发明提出一种评估卷绕极片张力的方法,所述方法包括:
S1、对压力辊和牵引辊之间的走带路线进行标记,使用弹簧拉力计在走带路线上进行卷绕极片拉力标定,记录标定过程中压力辊底部的压力传感器显示的压力值。
为方便分析,将电芯卷绕极片走带路线简化为如图2所示的示意图,极片依次经过过渡辊、压力辊、牵引辊进行卷绕,走带路线如图2中虚线所示,压力传感器可设置在压力辊底部,为了保障卷绕质量,需要保持极片张力恒定,尤其是压力辊、牵引辊之间的张力恒定,而常规压力传感器只能显示压力辊处的压力值,无法方便的进行张力校验。
本发明为了评估卷绕极片张力,通过弹簧拉力计卷绕极片拉力标定,如图3所示。
首先获取待标定卷绕极片的极片设计张力和最大允许偏差范围,比如极片设计张力需要达到200N,最大允许偏差为±30N,则可以在[170,230]的拉力范围内进行拉力标定。具体实施时可以设定标定步长,比如标定步长为10N时,则可以分别以170N、180N、190N、200N、210N、220N、230N进行标定。
如图3所示,弹簧拉力计沿着走带路线进行多次拉力标定,为了实际标定的方便,弹簧拉力计的标定方向与走带路线之间允许正负2°的偏差,拉动弹簧拉力计使弹簧拉力计的读数在待标定的卷绕极片的极片设计张力的最大允许偏差范围内,记录每次拉力标定时弹簧拉力计读数,以及每次拉力标定时与弹簧拉力计读数相对应的压力传感器读数。
S2、根据卷绕极片拉力与压力辊底部的压力传感器的压力之间的力学关系建立极片张力评估模型。
如图4所示,对压力辊与卷绕极片的接触位置进行受力分析,其主要受到卷绕极片向下的压力、向后的摩擦力以及弹簧拉力计向前的拉力。设弹簧拉力计的标定方向与竖直方向的夹角为a,如图5所示,压力传感器显示值为F ,弹簧拉力计显示值为F ,极片对压力辊的静态最大压力为f f 带来的静态最大摩擦力为f 摩擦
弹簧拉力计拉力与压力辊底部的压力传感器的压力之间的力学关系为:
F -f 摩擦)*cosa+mgF
其中,m为卷绕极片质量,g为重力加速度。
为了建立压力传感器的压力之间的直接关系,引入修正系数β,改写上述公式,得到极片张力评估模型:
Figure 266027DEST_PATH_IMAGE001
其中,G为极片张力。
接下来对极片张力评估模型的修正系数β进行拟合,即可得到完整的极片张力评估模型。
S3、基于卷绕极片拉力标定结果对极片张力评估模型进行参数拟合。
具体的,将标定过程中的弹簧拉力计读数作为极片张力,基于每次拉力标定时与弹簧拉力计读数相对应的压力传感器读数,拟合极片张力评估模型的修正系数β,得到参数拟合后的极片张力评估模型。具体拟合方式可采用最小二乘法、求平均值法等。
如表1所示,假设在[170,230]的拉力范围内进行拉力标定,标定步长为10N,则分别得到7次标定时的弹簧拉力计读数和压力传感器读数。
表1卷绕极片拉力标定结果
Figure 192394DEST_PATH_IMAGE003
分别将弹簧拉力计读数、压力传感器读数和弹簧拉力计的标定方向与竖直方向的夹角a代入极片张力评估模型,即可拟合得到修正系数β的值。比如直接用求平均值法,可以计算得到修正系数β的值为:
Figure 537925DEST_PATH_IMAGE005
S4、判断待测卷绕极片的极片设计张力与待标定卷绕极片的极片设计张力的差值的绝对值是否小于预设阈值,若是,根据参数拟合后的张力评估模型评估待测卷绕极片张力,若否,返回步骤S1重新进行卷绕极片拉力标定。
一般情况下极片设计张力不会有较大的变动,比如待标定卷绕极片的极片设计张力可以都设置为200N左右,若待标定卷绕极片的极片设计张力也在200N左右,则可以直接使用对应的修正系数β和极片张力评估模型进行极片张力评估。这是因为极片设计张力在一定的波动范围内,设置拉力值变化影响不大,可以不重新标定,若待测卷绕极片的极片设计张力与待标定卷绕极片的极片设计张力的差值超出一定范围需要重新进行卷绕极片拉力标定。
S5、根据参数拟合后的张力评估模型评估待测卷绕极片张力。
前述步骤已经得到完整的极片张力评估模型,只需实时获取卷绕电芯制作过程中待测卷绕极片的压力辊底部的压力传感器显示的压力值,将所述压力值输入参数拟合后的极片张力评估模型,即可得到极片张力评估值。
S6、通过压力传感器显示极片张力评估值。
由于现有的压力传感器不能直接显示极片张力,而极片张力是卷绕过程中非常重要的一个参数,因此本发明在压力传感器上添加本发明提出的极片张力评估模型,在压力传感器内部对传感器输出值进行修正,使得压力传感器能实时显示极片张力。
表2、表3分别为采用本发明的极片张力评估方法对压力传感器显示值修正前后的对比数据,设计要求张力值均为200±30N,机台设置值均为200N。
表2 常规压力传感器显示值
Figure 94808DEST_PATH_IMAGE006
表3对压力传感器输出值进行修正后的压力传感器显示值
Figure 893000DEST_PATH_IMAGE007
比较表2和表3可知,本申请的方法可以通过压力传感器直接显示极片张力评估值,更加准确、直观方便的进行极片张力校验。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种评估卷绕极片张力的方法,其特征在于,所述方法包括:
对压力辊和牵引辊之间的走带路线进行标记,使用弹簧拉力计在走带路线上进行卷绕极片拉力标定;
记录标定过程中压力辊底部的压力传感器显示的压力值;
根据弹簧拉力计拉力与压力辊底部的压力传感器的压力之间的力学关系建立极片张力评估模型;
基于卷绕极片拉力标定结果对极片张力评估模型进行参数拟合;
根据参数拟合后的张力评估模型评估待测卷绕极片张力。
2.根据权利要求1所述的评估卷绕极片张力的方法,其特征在于,所述使用弹簧拉力计在走带路线上进行卷绕极片拉力标定具体包括:
获取待标定卷绕极片的极片设计张力和最大允许偏差范围;
弹簧拉力计沿着走带路线上正负2°的方向进行拉力标定,使弹簧拉力计的读数在待标定的卷绕极片的极片设计张力的最大允许偏差范围内;
记录每次拉力标定时弹簧拉力计读数。
3.根据权利要求2所述的评估卷绕极片张力的方法,其特征在于,所述获取标定过程中压力辊底部的压力传感器显示的压力值具体包括:
在压力辊底部设置压力传感器,记录每次拉力标定时与弹簧拉力计读数相对应的压力传感器读数。
4.根据权利要求1所述的评估卷绕极片张力的方法,其特征在于,所述弹簧拉力计拉力与压力辊底部的压力传感器的压力之间的力学关系为:
F -f 摩擦)*cosa+mgF
其中,F 为弹簧拉力计拉力,f 摩擦为压力辊处的静态最大摩擦力,a为弹簧拉力计的拉力标定方向与竖直方向的夹角,m为卷绕极片质量,g为重力加速度,F 为压力传感器显示的压力值。
5.根据权利要求4所述的评估卷绕极片张力的方法,其特征在于,所述极片张力评估模型为:
Figure 93545DEST_PATH_IMAGE001
其中,G为极片张力,
Figure 62638DEST_PATH_IMAGE002
为压力传感器显示的压力值,β为修正系数,a为弹簧拉力计的拉力标定方向与竖直方向的夹角。
6.根据权利要求5所述的评估卷绕极片张力的方法,其特征在于,所述基于卷绕极片拉力标定结果对极片张力评估模型进行参数拟合具体包括:
将标定过程中的弹簧拉力计读数作为极片张力,基于每次拉力标定时与弹簧拉力计读数相对应的压力传感器读数拟合极片张力评估模型的修正系数β,得到参数拟合后的极片张力评估模型。
7.根据权利要求2所述的评估卷绕极片张力的方法,其特征在于,所述根据参数拟合后的张力评估模型评估待测卷绕极片张力具体包括:
获取卷绕电芯制作过程中待测卷绕极片的压力辊底部的压力传感器显示的压力值,将所述压力值输入参数拟合后的极片张力评估模型,输出极片张力评估值。
8.根据权利要求7所述的评估卷绕极片张力的方法,其特征在于,所述根据参数拟合后的张力评估模型评估待测卷绕极片张力之前还包括:
判断待测卷绕极片的极片设计张力与待标定卷绕极片的极片设计张力的差值的绝对值是否小于预设阈值,若是,根据参数拟合后的张力评估模型评估待测卷绕极片张力,若否,重新进行卷绕极片拉力标定。
9.根据权利要求7所述的评估卷绕极片张力的方法,其特征在于,所述根据参数拟合后的张力评估模型评估待测卷绕极片张力之后还包括:
通过压力传感器显示极片张力评估值。
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关玉明等: "锂电池极片不平度研究与辊压机结构优化分析", 《机械科学与技术》 *
肖艳军等: "锌空电池极片张力PID控制系统研究", 《机械设计与制造》 *
郝永健: "动态纱线张力传感器系统研制", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅰ辑》 *

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