锂离子电池卷绕松紧度的测量装置及方法与流程

1.本发明涉及锂离子电池电芯检测技术领域，更具体地说，是涉及一种锂离子电池卷绕松紧度的测量装置及方法。


背景技术：

2.锂离子电池在现代数码产品、电动工具及电动自行车等领域应用非常广泛，在锂离子电池的电芯制造过程中，卷绕工序是保证卷绕式锂离子电池生产质量的一道十分重要的生产工序。电芯卷绕工序中电芯卷绕的松紧程度不仅会影响电芯的卷径、电芯入壳的松紧程度，而且会影响卷绕过程中极片断裂的风险程度以及后续注液过程中电芯的渗液能力。
3.目前锂离子电池电芯卷绕松紧度的调节主要通过调节卷绕时隔膜、正极片及负极片各自的张力大小来实现，判定结果以极片不发生断裂以及电芯较容易入壳为准，判定结果较为依赖主观经验。而且在切换生产不同型号电池的电芯时，相同的卷绕张力会对电芯的实际松紧度产生影响，主观判断上难以区分不同型号电池电芯卷绕的松紧度。更为重要的是，电芯松紧度会对电芯在后续循环过程中正、负极片的反复膨胀收缩造成的应力大小及分布产生重要影响，而这部分影响目前无法采用较为定量的方法进行比较。


技术实现要素：

4.本发明实施例的目的在于提供一种锂离子电池卷绕松紧度的测量装置，该装置能够实现定量判断锂离子电池电芯卷绕松紧度。
5.本发明实施例的另一目的在于提供一种锂离子电池卷绕松紧度的测量方法，该方法能够实现定量判断锂离子电池电芯卷绕松紧度。
6.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：本发明第一方面提供一种锂离子电池卷绕松紧度的测量装置，包括旋转台、压紧结构、测量结构和卷绕结构；
7.所述旋转台上设置有电芯固定结构，所述电芯固定结构用于固定待测电池电芯，所述压紧结构用于压紧所述待测电池电芯，所述卷绕结构用于收集所述待测电池电芯释放的卷绕层，所述测量结构包括直线驱动结构、测量压头、力传感器、位移传感器和处理器，所述直线驱动结构用于驱动所述测量压头运动以使得所述测量压头压紧所述待测电池电芯，所述力传感器和位移传感器设置于所述测量压头上，所述力传感器用于检测所述测量压头施加的压力，所述位移传感器用于检测测量压头的位移，所述力传感器和位移传感器均与所述处理器电连接，所述处理器用于获取测量压头的载荷
‑
位移曲线以及测量压头释放压力后待测电池电芯不同卷绕层的残余位移。
8.在一个实施例中，所述旋转台包括第一转台和第二转台，所述第一转台和所述第二转台的外周面均为圆形，所述第一转台位于所述第二转台的中部，所述第一转台设置于所述第二转台上，所述电芯固定结构固定于所述第一转台的中心。
9.在一个实施例中，所述第一转台上设置有角度传感器，所述角度传感器用于检测
所述第一转台的旋转角度。
10.在一个实施例中，所述压紧结构的数量为两个，两个所述压紧结构均包括伺服电机、支撑轴和压紧轮，所述支撑轴与所述伺服电机固定连接，所述压紧轮安装于所述支撑轴上，两个所述压紧结构设置在一条直线上且分别位于所述电芯固定结构的两侧。
11.在一个实施例中，所述测量结构的数量为两个，两个所述测量结构设置在一条直线上且分别位于所述电芯固定结构的两侧。
12.在一个实施例中，所述第二转台上开设有第一开槽和第二开槽，所述第一开槽和所述第二开槽均穿过所述第二转台的圆心，所述第一开槽垂直于所述第二开槽；
13.两个所述压紧结构位于所述第一开槽内，两个所述测量结构位于所述第二开槽内，所述压紧结构和所述测量结构能够在所述第一开槽和所述第二开槽内进行升降。
14.在一个实施例中，所述卷绕结构包括卷轴和驱动电机，所述卷轴与所述驱动电机的输出轴连接。
15.本发明的第二方面提供一种锂离子电池卷绕松紧度的测量方法，所述方法采用如上所述的锂离子电池卷绕松紧度的测量装置，该方法包括：
16.s1、将待测电池电芯固定于电芯固定结构上，打开待测电池电芯的卷绕层，并将卷绕层固定在卷绕结构上；
17.s2、将压紧结构压紧所述电芯固定结构上的待测电池电芯；
18.s3、将测量压头靠近所述待测电池电芯，直线驱动结构驱动所述测量压头施加预设时间的压力，处理器获取测量压头的载荷
‑
位移曲线，根据所述载荷
‑
位移曲线获取卸载压力之后的待测电池电芯的残余位移；
19.s4、将测量结构离开待测电池电芯，使旋转台旋转180度，将旋转过程中待测电池电芯释放的卷绕层张紧在卷绕结构上；
20.s5、重复上述s3和s4，获取不同旋转次数所对应的测量压头的载荷
‑
位移曲线和卸载压力之后待测电池电芯的残余位移。
21.在一个实施例中，所述压紧结构在压紧待测电池电芯时施加压力的方向与所述测量结构的测量压头施加压力的方向相垂直。
22.本发明提供的锂离子电池卷绕松紧度的测量装置包括旋转台、压紧结构、测量结构和卷绕结构。所述旋转台上设置有电芯固定结构，电芯固定结构用于固定待测电池电芯，压紧结构用于压紧待测电池电芯，卷绕结构收集待测电池电芯释放的卷绕层，测量结构包括直线驱动结构、测量压头、压力传感器、位移传感器和处理器，直线驱动结构用于驱动测量压头运动以使得测量压头压紧待测电池电芯，力传感器和位移传感器设置于测量压头上，力传感器用于检测测量压头施加的压力，位移传感器用于检测测量压头的位移，力传感器和位移传感器均与处理器电连接，处理器用于获取测量压头的载荷
‑
位移曲线，根据载荷
‑
位移曲线即可获取卸载压力之后不同卷绕层的残余位移，本发明通过不同卷绕层卸载压力之后的残余位移来表征电芯卷绕层间的松紧度，可实现定量判断锂离子电池电芯卷绕松紧度的大小。
23.本发明提供的锂离子电池卷绕松紧度的测量方法包括：s1、将待测电池电芯固定于电芯固定结构上，打开待测电池电芯的卷绕层，并将卷绕层固定在卷绕结构上；s2、将压紧结构压紧所述电芯固定结构上的待测电池电芯；s3、将测量压头靠近所述待测电池电芯，
直线驱动结构驱动所述测量压头施加预设时间的压力，处理器获取测量压头的载荷
‑
位移曲线，根据所述载荷
‑
位移曲线获取卸载压力之后的待测电池电芯的残余位移；s4、将测量结构离开待测电池电芯，使旋转台旋转180度，将旋转过程中待测电池电芯释放的卷绕层张紧在卷绕结构上；s5、重复上述s3和s4，获取不同旋转次数所对应的测量压头的载荷
‑
位移曲线和卸载压力之后待测电池电芯的残余位移；该方法可实现通过不同卷绕层卸载压力之后的残余位移来表征电芯卷绕层间的松紧度，可实现定量判断锂离子电池电芯卷绕松紧度的大小。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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。
25.图1为本发明实施例提供的锂离子电池卷绕松紧度的测量装置的结构示意图；
26.图2为本发明实施例提供的锂离子电池卷绕松紧度的测量装置的局部结构示意图；
27.图3为本发明实施例提供的锂离子电池卷绕松紧度的测量装置旋转后的结构示意图；
28.图4为本发明实施例提供的锂离子电池卷绕松紧度的测量装置旋转后的局部结构示意图。
29.其中，图中各附图标记：
[0030]1‑
旋转台；
[0031]2‑
压紧结构；
[0032]3‑
测量结构；
[0033]4‑
卷绕结构；
[0034]5‑
电芯固定结构；
[0035]6‑
待测电池电芯；
[0036]
11
‑
第一转台；
[0037]
12
‑
第二转台；
[0038]
13
‑
第一开槽；
[0039]
14
‑
第二开槽；
[0040]
21
‑
第一压紧结构；
[0041]
22
‑
第二压紧结构；
[0042]
31
‑
直线驱动结构；
[0043]
32
‑
测量压头；
[0044]
33
‑
第一测量机构；
[0045]
34
‑
第二测量机构；
[0046]
211
‑
伺服电机；
[0047]
212
‑
支撑轴；
[0048]
213
‑
压紧轮。
具体实施方式
[0049]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。
[0050]
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
[0051]
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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。
[0052]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，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。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
[0053]
下面结合具体实施例对本发明提供的锂离子电池卷绕松紧度的测量装置及方法进行说明。
[0054]
本发明第一方面提供一种锂离子电池卷绕松紧度的测量装置，包括旋转台1、压紧结构2、测量结构3和卷绕结构4，图1为本发明实施例提供的锂离子电池卷绕松紧度的测量装置的结构示意图。请参阅图1，所述旋转台1上设置有电芯固定结构5，所述电芯固定结构5用于固定待测电池电芯6，所述压紧结构2用于压紧所述待测电池电芯6，所述卷绕结构4用于收集所述待测电池电芯6释放的卷绕层，所述测量结构3包括直线驱动结构31、测量压头32、压力传感器、位移传感器和处理器，所述直线驱动结构31用于驱动所述测量压头32前后运动，所述力传感器和位移传感器设置于所述测量压头32上，所述力传感器用于检测所述测量压头32施加的压力，所述位移传感器用于检测测量压头32的位移，所述力传感器和位移传感器均与所述处理器电连接，所述处理器用于获取测量压头32的载荷
‑
位移曲线以及测量压头释放压力后待测电池电芯6不同卷绕层的残余位移。
[0055]
本实施例旋转台1用于转动待测电池电芯6，从而释放卷绕层，便于对待测电池电芯6的每层松紧度进行测量。
[0056]
本实施例的电芯固定结构5用于固定待测电池电芯6，本实施例对电芯固定结构5的具体形式不做特别限制，本实施例的电芯固定结构5可以为膨胀轴，例如可以为气涨轴，气涨轴插入待测电池电芯6中心将待测电池电芯固定在气涨轴上。
[0057]
本实施例的压紧结构2在待测电池电芯6旋转和待测电池电芯6松紧度测量过程中压紧待测电池电芯6，本实施例对所述压紧结构的具体形式不做特别限制。
[0058]
本实施例的卷绕结构4在待测电池电芯6释放卷绕层后将待测电池电芯释放的卷绕层收集起来并保持释放的卷绕层中的张力。本实施例对所述卷绕结构4的具体形式不做特别限制。
[0059]
本实施例的测量结构3包括直线驱动结构31、测量压头32、力传感器、位移传感器和处理器(图中未示出)，直线驱动结构31用于驱动测量压头32前后运动对测量压头32施加压力，力传感器和位移传感器设置于测量压头32上，力传感器用于检测测量压头32施加的压力，位移传感器用于检测测量压头32的位移，处理器获取测量压头的载荷
‑
位移曲线，根据所述载荷
‑
位移曲线即可获得不同卷绕层卸载压力之后的残余位移。本实施例对压力传感器和位移传感器的具体形式不做特别限制。
[0060]
请参阅图1，进一步地，所述旋转台1包括第一转台11和第二转台12，所述第一转台11和所述第二转台12的外周面均为圆形，所述第一转台11位于所述第二转台12的中部，所述第一转台11设置于所述第二转台12上，所述电芯固定结构5固定于所述第一转台11的中心。第一转台11位于第二转台12上，在打开待测电池电芯6的卷绕层进行固定时，可以通过旋转第一转台11和卷绕结构4来实现待测电池电芯6卷绕层的张紧。
[0061]
进一步地，第一转台11上设置有角度传感器，角度传感器用于检测第一转台11的旋转角度。通过设置角度传感器，测试人员可以参考角度传感器的显示值判断第一转台11转过的角度，保证整个测试的准确性。
[0062]
进一步地，所述压紧结构2包括第一压紧结构21和第二压紧结构22，第一压紧结构21和第二压紧结构均包括伺服电机211、支撑轴212和压紧轮213，所述支撑轴212与所述伺服电机211固定连接，所述压紧轮213安装于所述支撑轴212上，第一压紧结构21和第二压紧结构22设置在一条直线上且分别位于所述电芯固定结构5的两侧。通过设置第一压紧结构21和第二压紧结构22，在第二转台12旋转时，第一压紧结构21和第二压紧结构22先后压紧待测电池电芯6，保证了待测电池电芯6不松开，避免了待测电池电芯6在旋转过程中没有压紧而导致测试结果不准确的问题。
[0063]
请参阅图2和图3，进一步地，所述测量结构的数量为两个，两个测量机构分别为第一测量机构33和第二测量机构34，第一测量机构33和第二测量机构34设置在一条直线上且分别位于所述电芯固定结构5的两侧。
[0064]
优选地，所述第二转台12上开设有第一开槽13和第二开槽14，所述第一开槽13和所述第二开槽14均穿过所述第二转台12的圆心，所述第一开槽13垂直于所述第二开槽14；
[0065]
所述第一压紧结构21和第二压紧结构22位于所述第一开槽13内，第一测量结构33和第二测量结构34位于所述第二开槽14内，所述第一压紧结构21和第二压紧结构22、第一测量结构33和第二测量结构34可以在所述第一开槽13和所述第二开槽14内进行升降。
[0066]
本实施例的卷绕结构4包括卷轴和驱动电机，所述卷轴与驱动电机的输出轴连接。本实施例的卷绕结构4通过驱动电机驱动卷轴旋转对待测电池电芯释放的卷绕层进行收集。
[0067]
本发明实施例的第二方面提供一种锂离子电池卷绕松紧度的测量方法，所述方法采用上述实施例中所述的锂离子电池卷绕松紧度的测量装置，该方法包括：
[0068]
s11、将待测电池电芯固定于电芯固定结构上，打开待测电池电芯的卷绕层，并将卷绕层固定在卷绕结构上；
[0069]
具体地，将待测电池电芯的中心通过膨胀轴固定在电芯固定结构，打开待测电池电芯的卷绕层，可将卷绕层通过引带固定在卷绕结构上。
[0070]
s12、将压紧结构压紧所述电芯固定结构上的待测电池电芯；
[0071]
具体地，卷绕层通过引带固定在卷绕结构上后，压紧结构压紧待测电池电芯。
[0072]
s13、将测量压头靠近所述待测电池电芯，直线驱动结构驱动测量压头施加预设时间的压力，处理器获取测量压头的载荷
‑
位移曲线，根据所述载荷
‑
位移曲线获取卸载压力之后的待测电池电芯的残余位移；
[0073]
具体地，测量压头靠近待测电池电芯，设置于测量压头上的压力传感器和位移传感器在测量压头施加预设时间的压力时采集测量压头上的压力以及测量压头的位移，处理器根据压力传感器采集到的压力以及位移获得荷载
‑
位移曲线，之后操作者可以根据荷载
‑
位移曲线获取残余位移。
[0074]
s14、将测量结构与待测电池电芯分离，使旋转台旋转180度，将旋转过程中待测电池电芯释放的卷绕层张紧在卷绕结构上；
[0075]
具体地，将测量结构与待测电池电芯分离，压紧结构压紧待测电池电芯过程中，使旋转台旋转180度，将旋转过程中待测电池电芯释放的卷绕层张紧在卷绕结构上。
[0076]
s15、重复上述s13和s14，获取不同旋转次数所对应的测量压头的载荷
‑
位移曲线和卸载压力之后待测电池电芯的残余位移。
[0077]
具体地，测量压头每次施加压力的应变速率相同，测试时间可根据待测电池电芯的材料和松紧度进行调节。不同旋转次数对应的残余位移为待测电池电芯对应卷绕层的卷绕松紧程度。该实施例采用残余位移的大小衡量待测电池电芯不同层卷绕的松紧程度，残余位移越大，电芯越松，反之，电芯越紧。
[0078]
本实施例的锂离子电池卷绕松紧度的测量方法能够通过不同卷绕层卸载压力之后的残余位移来表征电芯卷绕层间的松紧度，可实现定量判断锂离子电池电芯卷绕松紧度的大小，便于进行不同电芯卷绕松紧度的数据比较，可以根据卷绕松紧度对电芯的卷绕张力进行优化。
[0079]
优选地，所述压紧结构在压紧待测电池电芯时施加压力的方向与所述测量结构的测量压头施加压力的方向相垂直。避免了压紧结构在压紧待测电池电芯时压紧力干扰测量压头施加的压力。
[0080]
在本申请的其中一个实施例中，该方法包括：
[0081]
s21、将待测电池电芯6安装在第一转台11上；
[0082]
具体地，请参阅图2，待测电池电芯6可通过电芯固定结构5固定，例如，待测电池电芯6通过膨胀轴固定。
[0083]
s22、第一压紧结构21的压紧轮211将待测电池电芯6外层压紧；
[0084]
具体地，将待测电池电芯6外层胶纸层切开，将切开后卷绕层的隔膜、负极片和正极片与卷绕结构4的引带粘接在一起，引带粘接在卷绕结构4的卷轴上，卷轴连接驱动电机，顺时针转动卷绕结构4，使引带处于轻微张紧状态；
[0085]
s23、第一测量结构33向待测电池电芯6移动，直线驱动结构31驱动测量压32头施加预设时间的压力，处理器获取测量压头的荷载
‑
位移曲线，根据荷载
‑
位移曲线获取卸载压力之后的待测电池电芯6当前卷绕层的残余位移；
[0086]
具体地，第一测量结构33向待测电池电芯6移动，将第一测量结构33上的压力传感器监测到示数突然变化时的位置记为初始位置，此时压力传感器检测到的位移为ε0，通过对待测电芯6以设定的应变速率施加压力，作用设定时间后卸载，获取此过程的载荷
‑
位移
曲线，其中测量压头卸载后压力传感器检测到的位移为ε
t
，计算卸荷后待测电池电芯6当前卷绕层的残余位移ε
r
＝ε
t
‑
ε0；
[0087]
s24、保持第一压紧结构21压紧待测电池电芯6，使第一测量结构33离开待测电池电芯6，将第二压紧结构22和第二测量结构34下降至旋转台1下方，将第二转台12和第一转台11同时顺时针旋转180度，然后升起第二压紧结构22和第二测量结构34至旋转台1上方，将第二压紧结构22压紧待测电池电芯6，松开第一压紧结构21，顺时针转动卷绕结构4使释放的卷绕层张紧；
[0088]
具体地，请参阅图2和图3，保持第一压紧结构21压紧待测电池电芯6，使第一测量结构33离开待测电池电芯6，将第二压紧结构22和第二测量结构34下降至旋转台1下方，将第二转台12和第一转台11同时顺时针旋转180度，然后升起第二压紧结构22和第二测量结构34至旋转台1上方，将第二压紧结构22压紧待测电池电芯6，松开第一压紧结构21，顺时针转动卷绕结构4使释放的卷绕层张紧，保证卷芯在旋转的过程中不会松动，影响测量的准确性。
[0089]
s25、将第二测量结构34的测量压头向待测电池电芯6移动，获取此过程的载荷
‑
位移曲线及待测电池电芯6当前卷绕层的残余位移。
[0090]
具体地，请参阅图4，将第二测量结构34的测量压头向待测电池电芯6移动，当测量结构3上的力传感器监测到压力传感器示数突然变化时，压力传感器检测到的位移记为ε0；对待测电池电芯6以s23中相同的应变速率施加预设时间的作用力后卸载，处理器获取此过程的载荷
‑
位移曲线，其中测量压头卸载后压力传感器检测到的位移为ε
t
，计算卸荷后待测电池电芯6当前卷绕层的残余位移ε
r
＝ε
t
‑
ε0；
[0091]
s26、重复步骤s24和s25，记录不同旋转次数所对应的载荷
‑
位移曲线并计算对应的待测电池电芯6当前卷绕层的残余位移ε
r
；
[0092]
s27、通过将不同旋转次数下所对应的残余位移ε
r
作图，获得待测电池电芯6不同层间的松紧度。
[0093]
本实施例中，第一压紧结构21在压紧待测电池电芯6时施加压力的方向与第一测量机构33的测量压头施加压力的方向相垂直，第二压紧结构22在压紧待测电池电芯6时施加压力的方向与第二测量机构34的测量压头施加压力的方向相垂直。
[0094]
该锂离子电池卷绕松紧度的测量方法能够采用获取测量压头的载荷
‑
位移曲线和待测电池电芯残余位移的方法来表征锂离子电池电芯卷绕层间的松紧度，可实现定量判断锂离子电池电芯卷绕松紧度的大小，便于进行不同电芯卷绕松紧度间的数据比较，可以根据电芯卷绕松紧度对卷绕张力进行优化。
[0095]
以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。