JP2018088410A - 二次電池製造装置の張力制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、二次電池の素材が移動時に回転して支持することができるように構成される複数のアイドルローラの回転慣性モーメント情報をローディングするステップ、二次電池の巻き取り時、線速の変化区間情報をローディングするステップ、及び変化区間でアイドルローラの回転慣性モーメントにより発生する張力変化量に対応して張力調節装置の張力適用量を調節するステップを含む二次電池製造装置の張力制御方法に関する。【解決手段】本発明による二次電池製造装置の張力制御方法は、アイドルローラ及び回転駆動する構成要素の回転慣性モーメントを考慮して張力を制御することができるため、高速生産時に均一な品質で二次電池を生産することができて生産性が向上することができる。【選択図】図３

Description

本発明は、二次電池製造装置の張力制御方法に関し、より詳しくは、電極組立体を巻き取る時、加速区間及び減速区間で作用するアイドルローラによる張力変化を補償して張力を調節するための二次電池製造装置の張力制御方法に関する。

一般的に、二次電池は、化学エネルギを電気エネルギに変換する放電と逆方向である充電過程を介して繰り返し使用が可能な電池であり、その種類では、ニッケル−カドミウム（Ｎｉ−Ｃｄ）電池、ニッケル−水素（Ｎｉ−ＭＨ）電池、リチウム−金属電池、リチウム−イオン（Ｎｉ−Ｉｏｎ）電池及びリチウム−イオンポリマー電池（Ｌｉ−Ｉｏｎ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｂａｔｔｅｒｙ、以下“ＬＩＰＢ”という）などがある。

二次電池は、正極、負極、電解質、分離膜で構成され、互いに異なる正極及び負極素材の電圧差を利用して電気を貯蔵及び発生させる。ここで、放電とは、電圧が高い負極から低い正極へ電子を移動させることであり（両極の電圧差ほど電気を発生）、充電とは、電子を再び正極から負極へ移動させることであり、このとき、正極物質は、電子とリチウムイオンを受容して元来の金属酸化物に返るようになる。即ち、二次電池は、充電される時、金属原子が分離膜を介して正極から負極へ移動することによって充電電流が流れるようになり、それに対し、放電される時、金属原子は負極から正極へ移動して放電電流が流れるようになる

一方、このような二次電池の製造時、巻き取って製造する方式で大量生産が行われておる。このとき、各々の素材に作用する張力がバッテリ品質に大きい影響を及ぼすようになって張力を調節する必要性が発生された。このような張力制御装置に対し、大韓民国登録特許第１２６５１９６号に開示されている。しかし、このような張力制御装置は、繰り返される製造サイクルで加速区間及び減速区間で発生されるアイドルローラの回転慣性モーメントを考慮することができなくて精密な張力制御が行われない問題点があった。

本発明は、従来の二次電池製造装置の加速区間及び減速区間で張力時、低い応答性及び支持するアイドルローラの回転慣性モーメントが反映されなくて精密に制御できない問題点を解決するための二次電池製造装置の張力制御方法を提供することに目的がある。

前記課題の解決手段として、二次電池の素材が移動時に回転して支持することができるように構成される複数のアイドルローラの回転慣性モーメント情報をローディングするステップ、二次電池の巻き取り時、線速の変化区間情報をローディングするステップ、及び変化区間でアイドルローラの回転慣性モーメントにより発生する張力変化量に対応して張力調節装置の張力適用量を調節するステップを含む二次電池製造装置の張力制御方法が提供される。

ここで、張力適用量を調節するステップは、巻き取り開始時、線速が増加する場合、アイドルローラの回転慣性モーメントにより発生するテンション増加量を補償することができるように張力調節装置の張力適用量を減少させるステップを含む。

さらに、張力適用量を調節するステップは、巻き取り中、巻き取り線束が維持された区間では素材に適用する張力を測定して張力適用量を目標張力として調節する。

また、張力適用量を調節するステップは、巻き取り終了時、線速が減少する場合、アイドルローラの回転慣性により発生するテンション減少量を補償することができるように張力調節装置の張力適用量を増加させるステップを含む。

また、張力適用量を調節するステップは、巻き取り前、各々の素材に作用する張力を一括的に調節するように素材の移動経路上に各々備えられた張力調節装置を利用して実行される。

さらに、張力調節装置は、ピボット動きが可能に構成され、ピボット角度を調節することができるように構成される電空レギュレータを含んで構成され、張力適用量を調節するステップは、電空レギュレータに作用する圧力を調節して実行されるように構成される。

ここで、回転慣性モーメント情報は、アイドルローラにより増加する張力増加量情報を含み、張力増加量情報は、
により計算される。

また、回転慣性モーメント情報をローディングするステップは、素材の移動による慣性モーメント情報を含む情報をローディングする。

また、回転慣性モーメント情報は、複数のアイドルローラの回転慣性モーメントの総和と、素材の移動時に接触して回転する非駆動要素の回転慣性モーメント値を含む。

本発明による二次電池製造装置の張力制御方法は、アイドルローラ及び回転駆動する構成要素の回転慣性モーメントを考慮して張力を制御することができるため、高速生産時に均一な品質で二次電池を生産することができて生産性が向上することができる。

従来二次電池巻き取り時の張力制御に対する概念図である。 アイドルローラの慣性モーメント及び張力影響を示す図面である。 本発明による第１の実施例の張力制御方法の流れ図である。 素材の巻き取り速度及びアイドルローラによる張力変化を示す図面である。 本発明による第２の実施例の張力制御方法の流れ図である。 本発明による第３の実施例の張力制御方法の流れ図である。 スプール制御システムのスプール及びダンサーが開示された図面である。 スプールモジュールの斜視図である。 スプールの回転速度制御のブロック線図である。 素材の張力を調節するためのダンサー型張力制御装置の斜視図である。 スプールモジュールの目標巻き出し速度とスプール回転速度を示すグラフである。 本発明による巻き取り部制御システムの部分拡大図である。 本発明による巻芯の平面図である。 本発明による制御システムのブロック図である。 本発明による制御時、巻き取り速度と巻芯の回転速度及び張力が開示されたグラフである。 巻芯の形状がオーバル（ｏｖａｌ）形状である場合の巻芯の平面図及び巻芯回転速度を示すグラフである。

以下、本発明の実施例に 二次電池製造装置の 部制御システムに対して、添付図面を参照して詳細に説明する。また、以下の実施例の説明で各々の構成要素の名称は、当業界で他の名称で呼ばれる場合がある。しかし、これらの機能的な類似性及び同一性がある場合は、変形された実施例を採用しても均等な構成とみなすことができる。また、各々の構成要素に付加された符号は、説明の便宜のために記載される。しかし、これらの符号が記載された図面上の図示内容が各々の構成要素を図面内の範囲に限定するものではない。同様に、図面上の構成を一部変形した実施例が採用されても機能的な類似性及び同一性がある場合は、均等な構成とみなすことができる。また、当該技術分野の一般的な技術者において、当然含まれるべき構成要素と認められる場合、これに対しては説明を省略する。

図１は、従来二次電池巻き取り時の張力制御に対する概念図である。

図示されたように、二次電池の製造時には正極板、負極板、及び二つの分離膜が順序通りに重なって巻き取りが行われる。このとき、巻芯部の回転によって複数の素材を巻き取るようになって、巻き取り部の回転による素材の線速度が変わるようになる。これは巻芯の形状が原形でない楕円形または多角形である場合に偏差が一層大きく発生するようになる。

一方、各々の素材は、スプール１００から巻き取り部まで互いに異なる経路を介して移送され、最終的に適切なテンションを維持しながら巻き取られるように線束が制御される。素材のテンションは、連続的に供給される工程で各部分別に相対的な線束差によって発生することができ、したがって、適切なテンションを維持させることができるように経路上にドライビングローラなどが備えられて線束を増加させ、または直接テンションを調節することができるようにテンションバーなどが備えられる。

素材の移動時、経路を変更または移動する素材を適切に支持することができるように、素材に接触して素材の移動によって回転可能に構成される複数のローラが備えられる。複数のアイドルローラ（１）は、素材が支持された状態で摩擦による動力損失を最小化し、また、摩擦による張力の変化を最小化することができるようにアイドルローラ（１）自体の回転摩擦力を最小化して構成される。

図２は、アイドルローラ（１）の慣性モーメント及び張力影響を示す図面である。図示されたように、素材の移動時、加速区間ではアイドルローラ（１）の回転力で張力の一部が作用し、これに対する補償のために、より大きい張力を発生させて素材を移動させるようになる。

ここで、一つのアイドルローラ（１）の回転慣性モーメントにより加速区間で回転速度が増加する時、素材に作用する張力の増加量は、下記のように求められる。

アイドルローラ（１）の重さ（Ｍ）、アイドルローラ（１）の半径（Ｒ）、アイドルローラ（１）の厚さ（ｔ）を考慮したアイドルローラ（１）の回転慣性モーメントは、下記の通りである。

このとき、素材の加速度（α）及びアイドルローラ（１）の各加速度（ａ）の関係は、下記の通りである。

したがって、一つのアイドルローラ（１）による張力変化（Ｆｉ）は、下記の通りである。

このとき、一つの素材に作用するアイドルローラ（１）の個数をＮｉとすると、Ｎｉ個のアイドルローラ（１）の加速によるテンション増加量（Ｆｓｉ）は、下記の通りである。

したがって、このような張力損失を考慮してドライビングローラ（２）等を介して張力を増加させて素材に均一な張力を適用することができるようになる。

図３は、本発明による第１の実施例の張力制御方法の流れ図であり、図４は、素材の巻き取り速度及びアイドルローラ（１）による張力変化を示す図面である。

図示されたように、本発明による張力制御方法は、アイドルローラ（１）の回転慣性モーメント情報をローディングするステップ（Ｓ１００）、極板線速の加速区間情報ローディングステップ（Ｓ２００）、張力補償ステップ（Ｓ３００）、極板線速の減速区間情報ローディングステップ（Ｓ４００）、及び張力補償ステップ（Ｓ３００）を含んで構成される。

アイドルローラ（１）の回転慣性モーメント情報をローディングするステップ（Ｓ１００）は、図２を介して前述したように、計算されたアイドルローラ（１）の回転慣性モーメント情報をローディングするステップである。回転慣性モーメント情報は、アイドルローラ（１）の構成自体から起因するようになるため、これに対する値は、一定に維持される。したがって、このような情報が格納されたデータをローディングして制御に適用できる。

図４に示すように、生産速度によって加速区間、等速区間、減速区間からなり、極板線速の加速区間情報ローディングステップ（Ｓ２００）は、巻き取りサイクルの初期ステップである加速区間に対する情報をローディングするステップである。二次電池製造時、基準となる巻き出し速度によって加速区間（Ｐ１）、等速区間（Ｐ２）及び減速区間（Ｐ３）の区間が決定される。これに対しは、図４（ａ）に示されており、これは一例に過ぎず、等速区間が現れない速度プロファイルになることもあり、加速及び減速区間の速度変化量は多様に適用されることもある。また、巻き取られる素材の種類、厚さによって多様に適用されるため、具体的な数値は開示しない。

このとき、アイドルローラ（１）の位置によって張力が異なるように発生でき、図４（ｂ）は、図１の巻き取り部から多少離隔された地点の素材に作用する張力を示し、図４（ｃ）は、巻き取り部に隣接した素材に作用する張力を示す。

巻き取り部から多少離隔された地点では、加速区間で巻芯の回転により素材に伝達される張力のうち一部がアイドルローラ（１）の回転で損失されるため、張力が多少低くなる。それに対し、減速区間では、巻芯側のアイドルローラ（１）の回転により持続的に引っ張るようになるため、張力が増加するようになる。

巻き取り部と隣接した地点では、巻き取り部から伝達される（ｂ）の場合より小さい張力の一部がアイドルローラ（１）の回転により損失されるため、加速区間で張力が低くなり、減速区間では、巻き取り部で作用する張力が減少されてアイドルローラ（１）の回転により巻き取り部側に力が作用するため、張力が一層減少するようになる。

張力補償ステップ（Ｓ３００）は、加速区間でアイドルローラ（１）による張力変化を補償するために、ドライビングローラ（２）などを利用して素材に張力を伝達するステップである。素材には、複数のアイドルローラ（１）が接触され、素材の移動経路の中間、即ち、複数のアイドルローラ（１）間に配置されるドライビングローラ（２）が駆動力を伝達して張力を補償することができる。また、ピボット動きが可能に構成されたテンションアームで構成され、ピボット角度を調節することができるように構成される電空レギュレータを含んでテンションバーの角度を調節することで、テンションを調節するように構成される。一方、素材の位置によって張力が増加または減少され、区間別に張力制御が行われる。

極板線速の減速区間情報ローディングステップ（Ｓ４００）は、前述した減速区間と違って、各製造サイクルの終了ステップで減速する時の時間情報をローディングするステップである。

張力補償ステップ（Ｓ３００）は、加速区間での張力補償ステップと類似するように張力補償が行われる。

図５は、本発明による第２の実施例の張力制御方法の流れ図である。

図示されたように、本発明による第２の実施例では、アイドルローラ、非駆動要素及び素材の慣性モーメント情報をローディングするステップ（Ｓ１１０）、加速区間情報ローディングステップ（Ｓ２００）、等速区間情報ローディングステップ（Ｓ５００）、減速区間情報ローディングステップ（Ｓ４００）、張力補償ステップ（Ｓ３００）を含んで構成される。

一方、本実施例でも前述した実施例と同じステップが適用され、重複記載を避けるために説明を省略する。

アイドルローラ、非駆動要素及び素材の慣性モーメント情報をローディングするステップ（Ｓ１１０）は、アイドルローラを含み、駆動力なく回転して支持する多様な構成要素の慣性モーメント情報を含み、素材自体の慣性モーメントを含む情報をローディングするステップに該当する。

ここで、素材の加速によるテンション増加量（Ｆｍ）は、下記のように計算される。

ここで、ｄｍは、素材の長さ当たり質量であり、Ｉｍは、素材の総長さである。したがって、アイドルローラ（１）と素材の慣性モーメントによるテンション増加総量は、下記の通りである。

以後、加速区間情報ローディングステップ（Ｓ２００）、等速区間情報ローディングステップ（Ｓ５００）、減速区間情報ローディングステップ（Ｓ４００）が実行され、等速区間の情報は、加速区間と減速区間の中間区間になることができる。

また、各ステップのローディング以後、前述した張力補償ステップ（Ｓ３００）が実行される。

図６は、本発明による第３の実施例の流れ図である。以前実施例では、各情報をローディングするステップが順次に行われることを例示したが、本実施例では、各々の情報が制御初期時に共にローディングされるように回転慣性モーメント及び速度プロファイルローディングステップ（Ｓ１２０）が実行され、製造サイクルの進行中に張力制御ステップ（Ｓ３００）が実行されるように構成される。

図７は、スプール１００制御システムのスプール１００及びダンサーが開示された図面である。

二次電池製造装置のスプール１００モジュールは、スプール１００、スプールモータ２００、スプール制御部３００を含んで構成される。スプール１００は、正極板、負極板、及び分離膜を各々ロールの形態で据え置きできるように構成される。二次電池を製造する時、連続的かつ効率的に製造できるように素材をロールの形態で供給して製造に利用するようになる。

二次電池の生産が開始されると、巻き取り部５００で巻き取られる量に比例してスプール１００では各々の素材を巻き出すようになる。このとき、巻き取り部５００で引っ張る引張力のみが作用される場合には、素材の経路が長くなることによってスプール１００から巻き出される前に過度な張力が作用することで、素材が破損される恐れがある。したがって、適切な張力が提供されながら素材が巻き出されるようにスプール１００が回転される。一方、このときの素材は、二次電池組立体を構成する正極板、負極板、及び分離膜を含むことができる。

図８は、スプール１００モジュールの斜視図である。図示されたように、スプール１００モジュールは、スプール１００、スプールモータ２００、線速センサ、角度センサ、複数のアイドルローラ及びスプール制御部３００を含んで構成される。

スプール１００は、ロール形式であり、巻き取られている素材が据え置きされるように構成され、フレームの面に垂直方向に突出されて形成される。このとき、ロールを据え置きして回転時に固定させることができるように中心部分にチャックが備えられる。一方、ロールが据え置きされた場合、素材の巻き出しによって変わる外径を測定することができるようにセンサが備えられる。

スプールモータ２００は、スプール１００と連結されてスプール１００に適切な回転力を伝達することができるように構成される。スプールモータ２００は、後述するスプール制御部３００の入力によってスプール１００を適切な速度で回転させるように構成される。

線速センサは、スプール１００から巻き出された素材が移動する時に線速を測定することができるように構成される。線速センサは、エンコーダ４００またはドライビングローラで構成され、素材の移動距離を測定することができるように構成される。素材ロールは、連続的な生産のために多い量が巻き取られており、二次電池の生産によって外径が大きく減少するようになる。したがって、スプール１００の回転速度と巻き出される素材の線速は、外径の変化が大きくなることによってその差が発生するようになり、このとき、素材の速度を正確に測定できるように構成される。一方、これを介して特定時間間隔から移動した素材の距離が導出される。

角度センサは、スプール１００の回転による角速度または回転角度を測定することができるように構成され、例えば、アブソリュートエンコーダ４００で構成されて絶対角を測定することができるように構成される。一方、このような角度センサは、一例に過ぎず、一定時間の間に相対的な角度を測定することができる多様な構成で適用される。

アイドルローラは、スプール１００から巻き出された素材が既設定された経路に沿って移動できるように素材を支持する。アイドルローラは、別途の駆動部なく素材の移動時に共に回転することで、素材に損傷を最小化しながら移動させることができる。

スプール制御部３００は、線速センサ及び角度センサから測定された値をフィードバックし、素材の移動時、基準となる目標巻き出し速度で素材が移動できるようにスプールモータ２００の駆動力を制御する。一方、スプール制御部３００は図示していないが、二次電池製造装置の全体スプール制御部３００のうち、このような機能を遂行するマスタースプール制御部３００で構成され、またはスプールモジュール１０のみを制御するスレーブスプール制御部３００が本機能を遂行するように構成される。

以下、二次電池製造装置のスプール１００制御システムのスプール制御部３００の機能に対して詳細に説明する。

図９は、スプールの回転速度制御のブロック線図である。

図示されたように、スプール制御部３００は、目標巻き出し線束の入力を受け、線速センサ及び角度センサから測定された現在素材の移動速度との差を計算し、変化されるべきスプール１００の回転速度を算出するようになる。

一方、現在スプール１００の回転速度をセンシングし、回転角速度の変化量を計算してこれを反映するようになる。

ここで、目標巻き出し線束はＶｌｉｎｅ、スプール１００の角速度はωｓｐｌ、スプール１００の直径はＤｓｐｌとすると、目標巻き出し線束で素材を巻き出すためにスプール１００が有するべき角速度Ｖｓｐｌは、下記の通りである。

このとき、ロールからの素材の巻き出しによって直径が段々減るようになり、これによる直径の値は、レーザセンサ、または線速、スプール１００の角度変化から計算される。一方、ここで、直径は、スプール１００の回転中心から素材ロールの最外殻面までの距離である。

変化されたロールの直径をレーザセンサで測定する場合、簡単に現在ロールの半径が測定されるため、以下では、素材の線速及びスプール１００の角度を測定して現在素材の半径を算出する方法に対して説明する。

素材の巻き出しによって線速センサでは以前ステップと現在スタッフでの累積移動量の差を求めるようになる。

また、以前ステップと現在スタッフでの回転角度の差は、下記の通りである。

なお、ロールの変化角と線速の関係によって、ロールの現在直径は、下記の数式により求められる。

したがって、ロールの直径の変化によって、目標線速を満たすためのスプール１００の回転速度は、下記の通りである。

これは素材の張力に作用する張力によって、回転線束を制御する前、一次的に素材の巻き出しによる直径の変化に対応してスプール１００の回転速度を制御することである。

結果的に、スプール１００に据え置きされている素材の種類及び厚さが多様に適用される場合にも、回転角と素材移動量によって減少される直径が算出されてこれを制御に反映するようになるため、使用によって順次にスプール１００の回転速度を増加させるようになって同じ巻き出し線束を維持することができるようになる。これは、結局、張力を一定に維持させることができる速度制御となる。

図１０は、素材の張力を調節するためのダンサー型張力制御装置の斜視図である。このとき、スプール１００から巻き出された素材は、所定の経路を経るようになり、このとき、張力測定センサが備えられて素材に作用する張力を測定するようになる。

一方、張力が測定され、基準張力より高い張力が測定される場合、直ちにスプールモータ２００の回転速度を増加させて素材を緩くし、それに対し、基準張力より低い張力が測定される場合、直ちにスプールモータ２００の回転速度を減少させて素材をきつくして張力を増加させる補償制御が行われるようになる。このような張力測定センサが図１０のようにダンサー型で構成され、一側が固定されてピボット動きで角度を制御する時、ダンサーがスプール１００側に傾くと、張力が低くなった場合であるため、回転速度を低くする。また、ダンサーがスプール１００側に遠ざかる角度に傾くと、張力が増加された場合であるため、スプール１００の回転速度を増加させるようになる。

この場合にも、素材の使用によって、回転速度変化による線速の変化が著しく変わることができる。即ち、ロール素材の初期と末期に同じ回転量による巻き出される長さが大きく変わるため、ロール素材の使用によって、スプール１００の回転角は、段々大きく制御されなければならない。したがって、直径の変化を算出して張力制御と同時に活用されると、より正確な張力制御も行われるようになる。このとき、張力の測定による回転速度制御は、一般的なＰＩＤ制御を介して実行される。

即ち、一次的に直径変化を測定して先補償し、これによって張力の変化が必要な場合、回転速度を二次的に変化させて制御することで、目標巻き出し線束の追従性能が向上する。

図１１は、従来技術と目標巻き出し速度とスプール１００回転速度を示すグラフである。

従来ダンサーの角度変化のみをセンシングしてスプール１００の速度を制御する時（ａ）、張力とロールの直径変化を同時に測定してスプール１００の速度を制御する時（ｂ）の素材の巻き出し速度とスプール１００の回転速度が図示されている。

図１１（ａ）に示すように、生産が開始されると、素材の移動速度である目標巻き出し速度を追従することができるようにスプール１００の回転速度が増加するようになる。このとき、時間の経過によってスプール１００の回転速度も増加するようになり、これは張力の変化のみを測定して張力の増減によって回転速度を制御するようになって、その変動幅が非常に大きく、巻き出し速度の変化の振動周期も非常に短く現れる。ここで、素材は、連続的に供給されるため、巻き出し速度の変化量は、張力の変化量の傾向と同じまたは類似するようになる。したがって、持続的に張力の変化が大きく、かつ頻繁に行われて二次電池の生産品質に悪影響を及ぼすようになる。また、素材が巻き取り部５００まで連結されて持続的な張力変化が発生するようになると、スプールモジュール１０以外の多様な作業が行われるモジュールにも影響を及ぼすようになるため、全体的な制御に不要なリソースが浪費される。

それに対し、図１１（ｂ）を参照すると、スプール１００の回転速度が素材の使用によって減少された直径（半径）を反映して先補償して回転速度を増加することができるようになる。この場合、一定に線速を維持することができる。これと同時に、張力の変化に対応して回転速度を制御するようになる場合、既に先反映された回転速度の変化があって張力変化周期も長くなるようになり、張力の変化幅も減少するようになる。

図12は、本発明による巻き取り部５００制御システムの部分拡大図である。

巻き取り部５００は、各々の素材が決められた順序によって重なって巻き取られるように構成される。巻き取り部５００は、最終的に生産しようとする二次電池のスペックによって多様な厚さで製造され、巻き取られる形状も、原形、楕円形または多角形の形態で巻き取られる。一方、巻き取られる時、図１を参照して説明した不均一なテンションが適用される問題が発生することができ、これを解決するための張力制御が行われるようになる。

巻き取り部５００は、連続的な生産のためにタレットの形態で構成される。巻き取り部５００は、巻芯５１０、巻芯モータ５２０、線速センサ、角度センサ及び巻芯５１０制御部を含んで構成される。このとき、線速センサは、スプール１００制御時に使われたエンコーダ４００の測定値を利用することができ、素材の移動経路上に備えられたドライビングローラまたはエンコーダ４００で構成される。一方、前述した構成要素は、スプール１００モジュールに適用された構成要素と類似する機能を遂行することができるため、各構成要素の構成に対する詳細な説明は省略する。

図７には３個の巻き取りロールが備えられており、工程によって各ポジション別に独立的な工程を実行するようになる。一つのポジションでは巻き取りが行われ、他のポジションでは巻き取られた形態を維持するためのテーピングなどが行われるように構成される。一方、このような巻き取り部５００の構成は、一例に過ぎず、多様な機能を有する多様な構成で変形されて適用される。

巻き取り部５００は、回転速度を制御して巻き取り線束を調節し、それによって、テンションに影響を及ぼすようになる。また、複雑な経路に沿って素材が移動して張力が随時変わるようになるため、その張力維持のためにドライビングローラ（Ｄｒｉｖｉｎｇ ｒｏｌｌｅｒ）が多数備えられて線速を維持させるように構成される。各素材の経路上にはアイドルローラ（Ｉｄｌｅ ｒｏｌｌｅｒ）が多数備えられて素材の支持または方向転換のために備えられ、別途の駆動原なく自由に回転するローラで構成される。アイドルローラの個数及び備えられる位置は、多様に適用可能であり、それ以上の詳細な説明は省略する。

以下、図13乃至図１5を参照して巻き取り部５００が原形巻き取り部５００である場合、巻き取り部５００制御システムに対して詳細に説明する。

図13は、本発明による巻芯５１０の平面図であり、図９は、本発明による制御システムのブロック図である。

図示されたように、巻き取り部５００が原形である場合（ａ）、巻き取り初期（ｂ）より巻き取によって（ｃ）半径が増加するようになり、同じ回転角度によって巻き取り線束が比例して増加するようになる。

図14を参照すると、巻芯制御部５３０では目標巻き出し速度の入力を受け、エンコーダ４００から現在素材の移動線速が測定されてその誤差を減らすことができるようにＰＩＤ制御が行われる。以後、現在直径による巻芯５１０の必要回転速度が決定されると、現在の巻芯５１０の回転速度と比較して最終的に巻芯モータ５２０の回転量を決定するようになる制御入力を発生させる。

以下、制御ステップで行われる各々のステップに対して詳細に説明する。

ここで、目標巻き出し線束はＶｌｉｎｅ、巻芯５１０の角速度はωｏｓｐｌ、巻芯５１０の直径はＤｏｓｐｌとすると、目標巻き出し線束で素材を巻き取るために巻芯５１０が有するべき角速度ωｏｓｐｌは、下記の通りである。ここで、スプール１００から巻き出される巻き出し線束と巻芯５１０で巻き取られる巻き取り線束は、同じ値を有することができる。

初期１回転時には素材が巻き取られる前、巻芯５１０の外径による回転速度が決定される。以後、素材の巻芯５１０で巻き取られる素材を含む直径と目標巻き取り線束を反映した巻芯５１０の回転角速度は、下記の通りである。

このとき、ロールからの素材の巻き出しによって直径が段々減るようになり、これによる直径の値は、レーザセンサ、または線速、巻芯５１０の角度変化から計算される。一方、ここで、直径は、スプール１００の回転中心から素材ロールの最外殻面までの距離である。

変化されたロールの直径をレーザセンサで測定する場合、簡単に現在ロールの半径が測定されるため、以下では素材の線速及び巻芯５１０の角度を測定して現在素材の半径を算出する方法に対して説明する。

素材の巻き取りによって線速センサでは以前ステップと現在スタッフでの累積移動量の差を求めるようになる。

また、以前ステップと現在スタッフでの回転角度の差は、下記の通りである。

なお、ロールの変化角と線速の関係によって、巻き取られた電極組立体の現在直径は、下記の数式により求められる。

したがって、電極組立体の直径の変化によって、目標線速満たすための巻芯５１０の回転速度は、下記の通りである。

図１5は、本発明による制御時、巻き取り速度と巻芯５１０の回転速度及び張力が開示されたグラフである。図示したグラフは、説明のために多少誇張表現された場合がある。

図１5（ａ）に示すように、多量の素材が巻き取られているスプール１００と違って、巻き取り部５００では巻き取り及びテーピング、移動などの工程が実行されるため、繰り返しサイクルで製造される。

スプール１００と違って、巻き取り部５００では、正極板、負極板及び２個の分離膜が共に巻き取られ、回転による直径の増加がスプール１００の直径の減少より明確に現れる。

このとき、目標巻き取り速度は、初期の加速区間、中間ステップである等速区間、終了時の減速区間で構成される。このとき、巻芯５１０の回転速度は、巻き取りによって直径が増加するようになるため、図１０（ｂ）のように、初期より等速区間及び終了時の減速区間に大きい影響を及ぼすようになって回転速度が減少するようになる。

このように巻芯５１０の回転速度が制御される場合、図１０（ｃ）のように、一回の製造サイクル内で張力の変化を最小化して巻き取ることができる。

図１6は、巻芯５１０の形状がオーバル（ｏｖａｌ）形状である場合の巻芯５１０の平面図及び巻芯５１０の回転速度を示すグラフである。図示したグラフは、説明のために多少誇張表現された場合がある。

図示されたように、巻芯５１０がオーバルタイプである場合またはこれと類似する多角形である場合には、回転角によって線速が大きく変わることができる。したがって、張力も大きく変わることができて張力調節が一層精密に行われなければならない。

このとき、電子カムプロファイルを利用して巻芯５１０の回転速度を適用させるようになる。（ｉ）このとき、巻き取られる量によって回転速度を変化させない場合、隅または回転速度が増加する特定角度で張力の急激な変化が行われる。したがって、電子カムプロファイルによって一次的に回転速度を制御し、以後、巻芯５１０で巻き取られる電極組立体による外径の増加を反映することで、二次的に回転速度を遅延させるようになるため、一定の張力で巻き取りが行われる。

以上で説明した二次電池製造装置の張力制御方法は、素材の移動に異なる加速区間及び減速区間でアイドルローラの回転慣性モーメントを考慮して張力を制御することができ、高速生産時に均一な品質を維持することができるため、生産性が大きく向上することができる。

１ アイドルローラ
２ ドライビングローラ
ｍ 素材
Ｓ１００ アイドルローラの回転慣性モーメント情報をローディングするステップ
Ｓ１１０ アイドルローラ、非駆動要素及び素材の慣性モーメント情報をローディングするステップ
Ｓ１２０ 回転慣性モーメント及び速度プロファイルローディングステップ
Ｓ２００ 極板線速の加速区間情報ローディングステップ
Ｓ３００ 張力補償ステップ、
Ｓ４００ 極板線速の減速区間情報ローディングステップ
Ｓ５００ 極板線速の等速区間情報ローディングステップ
１０ スプールモジュール
１００ スプール
２００ スプールモータ
３００ スプール制御部
４００ エンコーダ
５００ 巻き取り部
５１０ 巻芯
５２０ 巻芯モータ
５３０ 巻芯制御部
Ｖｌｉｎｅ 目標巻き出し線束（ｍｍ/ｓｅｃ）
ｗｓｐｌ スプールの基本角速度（ｄｅｇ/ｓｅｃ）
Ｄｓｐｌ スプール直径
Ｌ′ 以前スプール半径計算時、素材の進行長さ
Ｌ″ 現在素材の進行長さ
Ａ′ 以前スプール半径計算時、巻芯の角度（ｄｅｇ）
Ａ″ 現在スプールの角度（ｄｅｇ）
ωａｎｇ 巻芯の基本角速度（ｄｅｇ/ｓｅｃ）
Ｄｏ 巻芯直径
Ｌｏ′ 以前巻芯半径計算時、素材の進行長さ
Ｌｏ″ 現在巻芯の進行長さ
Ａｏ′ 以前巻芯半径計算時、巻芯の角度（ｄｅｇ）
Ａｏ″ 現在巻芯の角度（ｄｅｇ）

Claims (9)

1. 二次電池の素材が移動時に回転して支持することができるように構成される複数のアイドルローラの回転慣性モーメント情報をローディングするステップ；
   前記二次電池の巻き取り時、線速の変化区間情報をローディングするステップ；及び、
   前記変化区間で前記アイドルローラの回転慣性モーメントにより発生する張力変化量に対応して張力調節装置の張力適用量を調節するステップ；を含む二次電池製造装置の張力制御方法。
2. 前記張力適用量を調節するステップは、
   前記巻き取り開始時、前記線速が増加する場合、前記アイドルローラの回転慣性モーメントにより発生するテンション増加量を補償することができるように前記張力調節装置の張力適用量を減少させるステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の二次電池製造装置の張力制御方法。
3. 前記張力適用量を調節するステップは、
   前記巻き取り中、前記巻き取り線束が維持される区間では前記素材に適用する張力を測定して前記張力適用量を目標張力として調節することを特徴とする請求項１に記載の二次電池製造装置の張力制御方法。
4. 前記張力適用量を調節するステップは、
   前記巻き取り終了時、前記線速が減少する場合、前記アイドルローラの回転慣性により発生する張力減少量を補償することができるように前記張力調節装置の張力適用量を増加させるステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の二次電池製造装置の張力制御方法。
5. 前記張力適用量を調節するステップは、
   前記巻き取り前、各々の素材に作用する張力を一括的に調節するように前記素材の移動経路上に各々備えられた張力調節装置を利用して実行されることを特徴とする請求項２に記載の二次電池製造装置の張力制御方法。
6. 前記張力調節装置は、ピボット動きが可能に構成され、前記ピボット角度を調節することができるように構成される電空レギュレータを含んで構成され、
   前記張力適用量を調節するステップは、前記電空レギュレータに作用する圧力を調節して実行されることを特徴とする請求項５に記載の二次電池製造装置の張力制御方法。
7. 前記回転慣性モーメント情報は、
   前記アイドルローラにより増加する張力増加量情報を含み、
   前記張力増加量情報は、
   により計算されることを特徴とする請求項１に記載の二次電池製造装置の張力制御方法。
8. 前記回転慣性モーメント情報をローディングするステップは、
   前記素材の移動による慣性モーメント情報を含む情報をローディングすることを特徴とする請求項２に記載の二次電池製造装置の張力制御方法。
9. 前記回転慣性モーメント情報は、
   前記複数のアイドルローラの回転慣性モーメントの総和と、前記素材の移動時に接触して回転する非駆動要素の回転慣性モーメント値を含むことを特徴とする請求項２に記載の二次電池製造装置の張力制御方法。