张力平衡机构、电芯卷绕机及电芯卷绕方法与流程

1.本发明属于锂电池制造设备技术领域，具体涉及一种用于隔膜或极片等料带的张力平衡机构、电芯卷绕机及电芯卷绕方法。


背景技术：

2.锂电池的电芯主要采用两种工艺制成，一种是卷绕工艺，一种是叠片工艺。卷绕工艺是将极片和隔膜采用卷绕机进行卷绕，制成电芯。图1所示为电芯卷绕示意图，如图1所示，卷绕电芯时，将正极片101、第一隔膜102、负极片103和第二隔膜104依次叠放在一起后，通过卷针200卷绕，制成电芯。图1中空心箭头所示方向为卷针200的卷绕方向。正极片101和负极片103分别从正极片料卷(未图示)和负极片料卷(未图示)放出，经过极片纠偏机构后，和第一隔膜102及第二隔膜104一起由卷针200卷绕在一起，第一隔膜102和第二隔膜104将正极片101及负极片103隔开。第一隔膜102和第二隔膜104分别从隔膜料卷105放出后，均经过张力控制机构106后，才和正极片101和负极片103叠在一起。
3.随着对锂电池能量密度性能的要求越来越高，为了提高能量密度，极片和隔膜的厚度越来越薄，而材料的厚度越薄，在卷绕过程中就越容易因受力而产生变形。隔膜的厚度相比于极片的厚度要薄，卷绕过程中隔膜更容易因为受力而发生变形。隔膜在卷绕过程中会经过张力控制机构及各种过辊，张力控制机构用于为隔膜提供一定的张力，而过辊和隔膜相接触，过辊和隔膜之间存在摩擦阻力。因此，对于隔膜来说，其在卷绕的过程中主要会受到以下几种力的作用：张力控制机构输出的张力f1、隔膜的卷绕张力f2以及过辊的摩擦力f3，其中，过辊的摩擦力f3通常远小于张力控制机构输出的张力f1。匀速卷绕时，这三种力满足以下条件：f2＝f1+n
’×
f3，n’为位于张力控制机构之后的隔膜经过的过辊的数量，以图1所示为例，在张力控制机构之后，第二隔膜104还需要经过两个过辊，因此，f2＝f1+2
×
f3。由此可见，隔膜无法以零卷绕张力的状态进行卷绕，从而电芯内层就会存在应力，应力就会导致隔膜发生变形，隔膜变形容易导致电芯内层发生打皱等现象，影响电芯质量。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种可以降低隔膜或极片等料带的卷绕张力的张力平衡机构、电芯卷绕机及电芯卷绕方法。
5.为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：
6.张力平衡机构，包括：可绕自身轴向转动的张力平衡辊及驱动所述张力平衡辊转动的张力平衡辊转动驱动单元，料带绕过所述张力平衡辊后送至电芯卷绕机的卷针处，所述张力平衡辊转动驱动单元向所述张力平衡辊输出和卷绕时料带的走带方向同向的扭矩。
7.进一步的，匀速卷绕时料带的卷绕张力f2＝f1-m/r+n
×
f3，加速卷绕时料带的卷绕张力f2＝f1-m/r+n
×
f3+n
×
f4，式中的f1为电芯卷绕机的料带张力控制机构作用在料带上的力，m为所述张力平衡辊转动驱动单元输出的扭矩，n为位于张力平衡机构之后的料带经过的过辊的数量，r为所述张力平衡辊的半径，f3为过辊的摩擦力，f4为过辊的惯性力。
8.进一步的，匀速卷绕时所述张力平衡辊转动驱动单元输出的扭矩m＝r
×
f1；或者加速卷绕时m/r＞f1。
9.进一步的，所述张力平衡机构还包括可压在所述张力平衡辊上的压辊。
10.进一步的，所述张力平衡机构还包括张力平衡机构固定架、压辊驱动单元及压辊支架；所述张力平衡辊可绕自身轴线转动地设置于所述张力平衡机构固定架上，所述压辊设置于所述压辊支架上，所述压辊支架在所述压辊驱动单元的驱动下可靠近或远离所述张力平衡辊，从而带动压辊压在所述张力平衡辊或离开所述张力平衡辊。
11.本发明还提供了一种电芯卷绕机，包括：隔膜放卷机构、隔膜张力控制机构、正极片放卷机构、负极片放卷机构及卷针；在所述隔膜张力控制机构和所述卷针之间，和/或，在正极片进入所述卷针前，和/或，在负极片进入所述卷针前设置有前述张力平衡机构。
12.进一步的，在所述隔膜张力控制机构和所述卷针之间设置有所述张力平衡机构，隔膜绕过所述张力平衡辊后送至所述卷针处，所述张力平衡辊转动驱动单元向所述张力平衡辊输出和卷绕时隔膜走带方向同向的扭矩；
13.和/或，正极片由所述正极片放卷机构放卷后，在进入所述卷针前设置有所述张力平衡机构，正极片绕过所述张力平衡辊后送至所述卷针处，所述张力平衡辊转动驱动单元向所述张力平衡辊输出和卷绕时正极片走带方向同向的扭矩；
14.和/或，负极片由所述负极片放卷机构放卷后，在进入所述卷针前设置有所述张力平衡机构，负极片绕过所述张力平衡辊后送至所述卷针处，所述张力平衡辊转动驱动单元向所述张力平衡辊输出和卷绕时负极片走带方向同向的扭矩。
15.本发明还提供了一种电芯卷绕方法，包括以下步骤：
16.正极片和负极片分别通过电芯卷绕机的正极片放卷机构及负极片放卷机构进行放卷，隔膜通过电芯卷绕机的隔膜放卷机构进行放卷；
17.在电芯卷绕机的隔膜张力控制机构和电芯卷绕机的卷针之间，和/或，在正极片进入所述卷针前，和/或，在负极片进入所述卷针前设置张力平衡机构，所述张力平衡机构包括可绕自身轴线转动的张力平衡辊及驱动所述张力平衡辊转动的张力平衡辊转动驱动单元，所述张力平衡辊转动驱动单元向所述张力平衡辊输出和卷绕时料带走带方向同向的扭矩；
18.令隔膜和/或正极片和/或负极片经过所述张力平衡机构后，送至所述卷针处进行卷绕，制成电芯。
19.进一步的，匀速卷绕时所述张力平衡辊转动驱动单元输出的扭矩m＝r
×
f1；或者加速卷绕时m/r＞f1。
20.进一步的，在所述隔膜张力控制机构和所述卷针之间设置张力平衡机构，隔膜绕过所述张力平衡辊，所述张力平衡辊转动驱动单元向所述张力平衡辊输出和卷绕时隔膜走带方向同向的扭矩，令隔膜经过所述张力平衡机构后，送至所述卷针处；
21.和/或，正极片由所述正极片放卷机构放卷后，在进入所述卷针前设置张力平衡机构，正极片绕过所述张力平衡辊，所述张力平衡辊转动驱动单元向所述张力平衡辊输出和卷绕时正极片走带方向同向的扭矩，令正极片经过所述张力平衡机构后，送至所述卷针处；
22.和/或，负极片由所述负极片放卷机构放卷后，在进入所述卷针前设置张力平衡机构，负极片绕过所述张力平衡辊，所述张力平衡辊转动驱动单元向所述张力平衡辊输出和
卷绕时负极片走带方向同向的扭矩，令负极片经过所述张力平衡机构后，送至所述卷针处。
23.由以上技术方案可知，本发明通过在隔膜、极片等料带送入卷针之前设置张力平衡机构，张力平衡机构位于隔膜/极片张力控制机构之后，张力平衡辊转动驱动单元向张力平衡辊输出一个和料带走带方向同向的力(扭)矩，该力矩作用在料带上时，可以平衡掉料带放卷出来后张力控制机构的张力、过辊的摩擦阻力等，使得料带经过张力平衡辊后的张力减小，实现料带张力接近于零的状态或低张力的状态进行卷绕，从而可以减小电芯内部应力，降低电芯内层打皱风险，保证电芯质量。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单介绍，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。
25.图1为一种电芯卷绕机的卷绕示意图；
26.图2为本发明实施例电芯卷绕机的卷绕示意图；
27.图3为本发明实施例隔膜张力平衡机构的结构示意图；
28.图4为本发明实施例隔膜张力平衡机构的剖视图。
29.以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。
具体实施方式
30.下面结合附图对本发明进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的附图会不依一般比例做局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。需要说明的是，附图采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、清晰地辅助说明本发明实施例的目的。同时，在本技术的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量；术语“正”、“反”、“底”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
31.如图2所示，本实施例的电芯卷绕机包括第一隔膜放卷机构1、第二隔膜放卷机构2、隔膜张力控制机构3、卷针4以及张力平衡机构5，第一隔膜放卷机构1和第二隔膜放卷机构2用于对隔膜料卷进行放卷，隔膜从隔膜料卷放出后，依次经过隔膜张力控制机构3及张力平衡机构5后，送至卷针4处，由卷针4将正极片11、第一隔膜12、负极片13及第二隔膜14卷绕制成卷芯。在隔膜张力控制机构3和张力平衡机构5之间设置有隔膜纠偏机构6。
32.张力平衡机构5包括张力平衡辊5-1，隔膜绕在张力平衡辊5-1上。张力平衡辊5-1被输出一个扭矩m，扭矩m的方向和卷绕时隔膜的走带方向同向，通过扭矩m来减小隔膜的卷绕张力f2。本发明隔膜(料带)的卷绕张力是指卷针带动隔膜(料带)卷绕时作用在隔膜上的力。在卷绕方向上，隔膜张力控制机构3、张力平衡机构5、卷针4依次设置。隔膜经过张力平衡机构5后，还绕过若干个过辊7才送至卷针4处进行卷绕。以第二隔膜14为例，在张力平衡机构5之后，第二隔膜14还要经过3个过辊7，才送至卷针4处进行卷绕。由于张力平衡机构5
位于隔膜张力控制机构3之后，且输出在张力平衡机构5的扭矩m的方向和卷绕时隔膜的走带方向相同，则匀速卷绕时，第二隔膜的卷绕张力f2＝f1-m/r+3
×
f3，式中的r为张力平衡辊5-1的半径，f1为隔膜张力控制机构作用在隔膜上的力，m为输出在张力平衡辊的扭矩。由以上公式可知，由于张力平衡机构的存在，可以减小第二隔膜的卷绕张力。通过控制输出给张力平衡辊的扭矩m，当使m/r＝f1时，f2＝n
×
f3(n为位于张力平衡机构之后的隔膜经过的过辊的数量)，由于过辊的摩擦力f3很小，可忽略不计，从而可以实现接近零隔膜张力或低隔膜张力卷绕，达到减少电芯内层的应力，降低电芯内层打皱风险的目的。以上是匀速卷绕的情况分析，加速卷绕时，隔膜除了受到f1、f2、f3的作用外，还有过辊的惯性力f4(加速所需的力)，此时f2＝f1-m/r+n
×
f3+n
×
f4，加速卷绕时，为了实现零隔膜张力或低隔膜张力卷绕，m/r要再大一些，m/r＞f1，如m/r＝f1+n
×
f4，以平衡掉过辊的惯性力，以接近零隔膜张力或低隔膜张力卷绕。
33.图3和图4为本实施例张力平衡机构的结构示意图，如图3和图4所示，本实施例的张力平衡机构5包括张力平衡辊5-1、压辊5-2、张力平衡辊转动驱动单元5-3、张力平衡机构固定架5-4、压辊驱动单元5-5及压辊支架5-6。张力平衡辊5-1可绕自身轴线转动地设置于张力平衡机构固定架5-4上，张力平衡辊5-1通过轴承5-8安装在张力平衡机构固定架5-4上，张力平衡辊5-1由张力平衡辊转动驱动单元5-3驱动绕自身轴线转动，张力平衡辊转动驱动单元5-3向张力平衡辊5-1输出和隔膜走带方向同向的扭矩。本实施例的张力平衡辊转动驱动单元5-3采用电机，电机的输出轴通过联轴器5-7和张力平衡辊5-1相连，从而驱动张力平衡辊5-1转动。压辊5-2通过轴承5-8设置于压辊支架5-6上，压辊支架5-6在压辊驱动单元5-5的驱动下，带动压辊5-2靠近或远离张力平衡辊5-1，当压辊5-2靠近并压在张力平衡辊5-1上时，可以准确地控制扭矩m作用在隔膜上，以使m/r＝f1或m/r＞f1。本实施例的压辊驱动单元5-5采用气缸，气缸固定在张力平衡机构固定架5-4上，气缸的活塞杆和压辊支架5-6相连，从而气缸动作时通过压辊支架5-6带动压辊5-2移动。
34.在可选的实施例中，也可以不设置压辊，但没有压辊时，难以只靠张力平衡辊利用其与隔膜间的摩擦力来准确张力控制机构的张力，不容易实现m/r＝f1，虽能在一定程度上减小隔膜的卷绕张力，但较难实现隔膜零张力卷绕。
35.本发明的张力平衡机构作为一种料带张力平衡机构，除了可以应用在隔膜上，对隔膜的张力进行平衡外，同样的张力平衡机构也可以应用在正极片和/或负极片上，令极片等料带绕过张力平衡机构中的张力平衡辊，对极片的张力进行平衡，实现极片的低张力卷绕。
36.下面结合图2，对本实施例的电芯卷绕方法进行说明。如图2所示，本发明的电芯卷绕方法如下：
37.正极片11和负极片13分别通过正极片放卷机构(未图示)及负极片放卷机构(未图示)进行放卷，隔膜(第一隔膜12和第二隔膜14)通过隔膜放卷机构(第一隔膜放卷机构1和第二隔膜放卷机构2)进行放卷；
38.在张力控制机构3和卷针4之间设置张力平衡机构5，张力平衡机构5包括张力平衡辊5-1及驱动张力平衡辊5-1转动的张力平衡辊转动驱动单元5-3，张力平衡辊5-1可绕自身轴线转动，张力平衡辊转动驱动单元5-3向张力平衡辊5-1输出和卷绕时隔膜走带方向同向的扭矩；
39.令隔膜依次经过张力控制机构3和张力平衡机构5后，送至卷针4处，和正极片11及负极片13一起进行卷绕，制成电芯。
40.在可选的实施例中，张力平衡机构5还包括压辊5-2，压辊5-2可压紧于张力平衡辊5-1上，张力平衡辊转动驱动单元5-3输出的扭矩m＝r
×
f1，r为张力平衡辊的半径，f1为张力控制机构作用在隔膜上的力，通过设置张力平衡机构，并控制张力平衡机构扭矩的大小，实现隔膜的零张力卷绕或低张力卷绕，减小电芯内层的应力。匀速卷绕时隔膜的卷绕张力f2＝f1-m/r+n
×
f3，加速卷绕时隔膜的卷绕张力f2＝f1-m/r+n
×
f3+n
×
f4，n为位于张力平衡机构之后的隔膜经过的过辊的数量。
41.通过在隔膜送入卷针之前设置张力平衡机构，张力平衡辊转动驱动单元在张力平衡辊上输出一个和隔膜走带方向同向的力矩，该力矩使得隔膜经过张力平衡辊后的张力减小，等于零或接近于零，从而保证卷绕过程隔膜是零张力或者低隔膜张力，以减小电芯内部应力，避免隔膜变形。
42.同样的，也可以在正极片和负极片进入卷针前设置张力平衡机构，正/负极片由正极片放卷机构放卷后，在进入所述卷针前设置张力平衡机构，令正/负极片绕过张力平衡机构中的张力平衡辊，张力平衡辊转动驱动单元向张力平衡辊输出和卷绕时正/负极片走带方向同向的扭矩，正/负极片经过所述张力平衡机构后再送至卷针处，通过张力平衡机构对极片的张力进行平衡，实现极片的低张力卷绕。
43.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。