[实用新型]一种张力可编程的电芯卷绕系统

说明书

技术领域

本实用新型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。

实用新型内容

本实用新型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。

本实用新型为实现上述目的，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。