锂离子电池芯体卷绕设备的结构设计及其模拟仿真分析

1、河北工业大7硕L学位论文锂离子电池芯体卷绕设备的结构设计及其模拟仿真分析摘要锂离子电池以其雨最轻、容最启J、工作电斥高、寿命长且无污染等特点在全球范围内 得到普遍应用。但是锂离子电池生产中的关键设备锂离子芯体卷绕设备，在我国仍以 手工卷绕和半白动卷绕型为主。其制成品致密性、使用寿命等指标比较低，难以满足生产 和生活需求。木论文在广泛调研的基础上，对现有国内外钾离子电池卷绕设备进行了详细的分析、 比较，并结A中国市场的市场需求，进行了一种新型高效全门动锂离子电池芯体卷绕设备 的设计开发。本论文在对国内外同类产品调研的基础上对锂离子电池芯体卷绕设备的工艺流程进行 了细分，把整体功能划分为隔膜放卷、

2、极片送料、芯体卷绕及换位、终止胶布封贴、自动 切断及鬥动下料等儿个并联的功能模块。然后在此基础上结介齐个功能模块的功用进行了 必要的数学模型分析和相关的结构设计。其次，本论文对锂离子电池芯体h动卷绕设备的主耍控制任务进行了分析，并在此基 础上对不同的卷绕控制模式进行r详细的比较、分析。并以间接控制方式为对彖进行了相 关扰动帚:的数学建模，为实际卷绕控制提供了必耍的扰动最补偿依据。最后，本论文对卷绕设备的关键部件进行了结构仿真分析和运动学仿真分析。关键词：锂离子电池，卷绕，结构设计，结构仿真，运动学仿真程离了电池芯体卷绕设务的结构设汁及英模拟仿貞 分析STRUCTURAL DESIGN AND

3、ANALYSIS OF THE MODELINGAND SIMULATION OF THE INVOLUTION EQUIPMENTFOR LITHIUM ION BATTERIESABSTRACTSince the advantage of light-weight lugh capacitance long life and zero pollution , lithium ion batteiy widespread use in the world.But the key equipment of the production equipment of lithium ion batt

4、ery- mvolution equipment for the core of lithium ion batteiy handwork and semi-auto equipment still as the pnncipal dung in the chma. The peifoimance figures such as compactness and seivice life aie so low and difficult to meet the needs of the production and livingBased on the extansive mvestigatio

5、n and researchjliis thesis analyzed and studied the current involution equipment for lithium ion batteiy.Adapting to the market need the market demandjlie new and lugli eflicencv the involution equipment fox core of litluum ion batteiy was designed m this paper.Ill this paper.we subdivision the proc

6、ess flow of the mvolution equipment for core of litluum ion battery, the global fiinction was devided into some parallel ftinctional module such as umeeling of the sepaiatoi feedmg of electrode involution and tiaiisposition of die core pasting of coated fabric auto cuttmg of separator and coated fab

7、nc.Based on this, conelative mathematical model was analysesed and the stnictiire was designed.Secondly,based on the analysis of the niam control objects of the mvolution equipment foi litluum ion batteiy, die thesis analyze and compared the different conuol models.Establishes the conelative mathema

8、tical model of disturbance identification for die induect conuol models, affoid the basis of disturbance vanable compensation to the actual conuol.li河北丁业大7硕L学位论文critical component of thestnictiire simulationFinally, we built the stmctiue and kniematic smiulation on mvolution equipment.KEY WORDS： lit

9、hium ion batteries, involution, stmctinal design kinematic smiulationin原创性卅明本人郑莹声明：所呈交的学位论文.是本人心导师捋导下.进行研究工作所取得的成 果除文中己经注明引用的内容外.木学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公 开发衷或者没有公开发表的作品的内容.对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人 和集体.均已在文中以明确方式标明本学位论文原创件声明的法律责仟由木人承衣仁学位论文作者签名关于学位论文版权使用授权的说明本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的规定同意如下各项内 容：按照学校要求提交

10、学位论文的印刷本和电子版木；学校有权保存学位论文的印刷本和 电子版，并采用影印、缩印、疔描、数字化或其它手段保存论文：学校有权提供目录检素 以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者 机构送交论文的复印件和电了版：在不以廉利为目的的前捷下，学校可以适当复制论文的 部分或全部内容用于学术活动。（保密的学位论文在解密后适用木授权说明）日期：沁5彳日期：/ I河北丁业大学硕L学位论文第一章绪论1-1本课题研究的背景1-1-1锂离子电池的广泛应用随着科技水平的极人发展和人们II常牛活需求的提高，一些便携式的电子设备正成为人们H常作 学习的必不可少的EHo据统计，手机

11、、手提电脑、MP3等数码产胡的销竹总额正以儿何倍数递增。这些数码产骷使用的电池耍求容电帚高、使用寿命长、币:吊较轻。邯离子电池以其高性能、低价位 很快占据了数码产品应用电池的市场。2005年，锂离子电池的市场份额已经超过H/Ni电池和Cd/Ni电池 两者市场份额的总合，成为各数码产品的首选配用电池：-由银氢电池和镉银电池市场的逐渐萎缩，手机、数码相机、PDA和便携摄像机等数码电子产胡的 继续走强以及锂离子动力电池呈现的戸人市场潜力，未來钾离子电池的市场需求将保持柑肖速度的増 长。锂离子电池忖前是电池产胡中最取要的产品，被广泛的应用在移动通讯、手表、照相机、计算器、 计算机存储器后备电源、心脏起

12、搏器、安全报警器、电动汽乍电源等领域。该行业受坏保政策影响大， 与国民经济周期相关性高，由在各行各业的广泛应用，在国民经济中貝有毓要地位。锂离子电池在各领域范围的应用比例大致如下:手机,54. 7%：笔记本电脑,31. 5%：摄像机,7.4%： 其它,3. 7%o面对锂离子电池应用市场的迅猛发展，各相关企业纷纷投产生产锂离子电池.由J：我国的钾电池起步较晚，国内人部分的生产厂家的设备仍很落后。尤其是直中的关键部分 电池芯体卷绕设备，仍以手工卷绕和半自动卷绕为主。直产品致密性、使用寿命等性能指标和国外产品 相比有很多差距。从国外进II的全自动卷绕设备价格又比较昂贵，不符介II益扩人的锂电池消费需

13、求。1-1-2锂离子电池的特点表1.1小型可充电池性能比较Table 1.1 The peiibrniance comparison of small secondaiv batteiy技术参数H/Ni电池Cd/Ni电池锂离子电池工作电压/V1.21.23.6质吊:比能彊Wh/kg5065100160体积比能竜Wh/L150200270360充放春命/次5005001000自放电率/%/月2530303569允电速率1C1C1C河北丁业大7硕L学位论文锂离子电池八仃体积小（比氢-银电池小30%）、匸作电压高（3.6V,是镉-银、氢-银电池的3倍、 质最轻（比氢-礫电池轻50%）、比能量高、灯命

14、长且无污染等特点。表1为锂离子电池与其他类型电池 的各项性能参数的比较。由衣1町知，锂离子电池在各项性能参数上均优J：同规格的电池。具有极可观的发展前景。1-2本课题的提出和现有研究水平1-2-1锂离子电池生产企业的基本情况1、国外企业的市场介入在锂离子电池生产的世界市场上，口本三洋、索尼、松下三人公司占据了人约65%,特别是三洋公 司，后來居上，超过了索尼，占到世界市场的25%0対高科技项目，必须要存可靠的技术依托才行。国外的锂离了电池生产公司凭借多年积累的生产经 验和先进的生产技术，在巩固国外市场份额的同时，纷纷开始进军中国的电池市场。目前就仃索尼在无 锡，三洋在北京开始建厂，这是全球最大

15、的2家锂离子电池生产企业，今后估计还会增加。2、国内企业的发展中国近3年來锂离子电池的产业化也仃了氏足的进步，多家国内公司也开始投产锂电池。深圳比亚迪公司生产H/Ni. Cd/Ni及锂离了电池，已隽备相当的规模；而厦门宝龙公司生产的聚含 物锂离子电池也已跨入世界前列。犬津力神公司由人津18所作技术依托，引进关键设备，已形成了年 产5种圆柱形、3种方形锂离了电池，共2000力只的生产能力，现已成为摩托罗拉公司介格供应商。3 期工程已经心动，总投资近4亿尤。青品华光电池公司宙北京冇色金属研究总院作为技术依托，现已形 成定规模锂离子电池生产能力，计划总投资近4亿元，厉继工程正在进行Z屮，同时准备投资

16、生产相 关原材料。其它如广东、北京、上海、深圳、福建、湖北、湖南、贵州、东北等地都在启动锂离子电池生产项 目。1-2-2当前国内外锂离子电池生产设备概况1、锂离子电池的生产工艺锂离子电池由J：不同的市场需求，分为圆柱形、扁形、方形等不同的种类。但苴生产工艺流程皋本 相同。以圆柱电池的生产为例。其一般的丁艺流程为：绝缘底圈入筒一卷绕电芯入筒一插入芯轴焊负极 集流片钢筒一插入绝缘圈一钢筒滚线一克空干燥注液一组介帽（PTC尤件等）焊到正极引极上一封 1-射线检査一编号一化成一循环陈化。在锂离子电池的生产过程中，最为关键的就是电池芯体（又称电芯、芯体）的卷绕成熨。而实现这 一步骤的芯体自动卷绕机则成为

17、电池产品质最的关键。2、芯体卷绕设备的现状芯体卷绕机可分为全自动和半门动熨卷绕机及手工卷绕机。此中，半门动型卷绕机主要用小批试 验生产，全自动卷绕机可以应用于大批最生产。现冇生产中的各类空芯体卷绕设备的功能特点为：A.手工芯体卷绕机（如图1.1示）图1.1手工芯体卷绕机Fig. 1.1 Manual coilmg machine for the battery（1）手工芯体卷绕机的优点： 卷绕速度可调。 设备简单可靠，维护方便。 脚踏开关控制，操作简单。 造价低廉。（2）乎工芯体卷绕机的缺点： 只能适应小批駁的生产，不能满足人駁生产的需要。 生产效率低下。 质砒无法保证，主要取决与手工操作者的

18、技术熟练程度。B.电池半自动芯体卷绕机（见图1.2）（1）半自动芯体卷绕设条的优点： 隔膜张力连续可调。 在卷绕过程中电芯一致性好，隔膜极片相対位置精度高。 隔膜连续，极片在卷绕过程中除尘和淸除掉粉功能.电芯微短路和自放电小。 设备操作简单。 设备调试时间短，用料少；换熨容易，调整时间短。 设备故障率低，维护容易。（2）半自动芯体卷绕设备的缺点： 生产效率仍然不能满足兴规模牛产的耍求。 造价相对较高。图12半自动芯体卷绕机Fig. 1.2 Senu-auto mvolution equipment for the batteryC.全自动卷绕机全1动卷绕机采用PLC控制方式，结介了数字交流驰动

19、技术和张力传感技术。通过粘密机构和气动 系统可以实现芯体门动卷绕，张力控制，I动切断，极耳门动焊接等多项工序要求。与间断涂布机配介, 组成了卷绕式芯体的关键工序设备，卷绕式芯体性能町靠，质彊稳定。芯体卷绕可以保证正负极电容彊 的合理将确配置和均匀、桔细的张力控制。但是山J：其昂贵的价格，复杂的结构和操作，很难为国内中小型企业所接受。1-2-3本课题的提出本课题來源实际生产发展的需要，屈实际应用研究项忖。本课题着眼J：锂电池生产设备的现状，在力求结构简单的呈础上结介数字交互技术和传感技术，希 里能够开发出一种综介半自动芯体卷绕设备和国外全自动卷绕设备优点的锂离子电池芯体自动卷绕设针对H前锂离子电

20、池芯体卷绕设备而言，手工卷绕设备结构简单、操作容易、造价相对较低，但生 产效率低卜，不能满足门益扩人的市场盂求。而半自动、自动卷绕设备虽然产品质昴稳定性好，但由J： 昂贵的价格和复杂的结构和操作规程，也很难满足市场的需求。因此，一种更高质吊，更高稳定性，更高可靠性而又相对价格低廉的全自动芯体卷绕设备的研发势 在必行，而对丁我国的科技水平而言，也是可行的。1-2-4本课题的现有研究水平相对国外电池设备研究领域而言，国内相关的课题进行的较晚。较有代表水I的北京七星华创虽 已取得很人进展，但仍然处设备调试阶段，还没令形成实标的牛产力。因此本课题作为相关领域的 询沿课题，必将填补我国电芯卷绕设备的空白

21、。推动我国电池生产领域的科技生产水卜。本课题的研究,符介现今电池牛产领域的要求，貝冇广阔的发展和丿卫用前景。1-3本课题的研究内容1-3-1本课题的总体功能目标本次课题中的锂离子电池芯体卷绕设备的设计，期塑综合半口动卷绕设备和国外全口动卷绕设备的 优点。在相对简单的结构模式卜，通过数字交互和传感技术的支持，实现卷绕过程中极片怅力、隔膜张 力恒定，电芯一致性好，隔腹极片相对位豐粘度高，人幅哎提高生产电池卷绕体的效率。同时提高电池 的质鼠和稳定性。以适应国内电池制造业飞速发展的需要。1-3-2本课题的主要研究内容木课题主耍是进行全门动芯体卷绕设备的结构设计、控制模式分析以及中关键结构的动态模拟与

22、分析。1、结构设计结构设计是本论文的果础。本文在借鉴以往相关领域成熟卷绕机构的同时，对其进行内插式设计， 同时结合机构学和每等物理力学的相关原理进行选择和改进，使本文的锂离子电池芯体卷绕设备在实现 功能的基础上进一步提高了机构运行的稳定性和精度。初步拟定全自动电芯卷绕设备的结构分为五人部分：（1）隔膜放卷机构（2）极片送料机构（3）芯体卷绕机构（4）终止胶布封贴机构（5）自动切断卜料机构2、控制模式的总体设计思路oo隔勵卷1述卷经11fABMi1t11nnIW捕财1A位卷绕胶布切断图1. 3各机构动作流程图Fig. 1.3 Flow chan of the mechanisms operati

23、on5W离了电池芯体卷绕设备的结构设iI及英模拟仿貞.分析rh电池芯体卷绕设备対各机构的步序和动作精度耍求校高，因此本文计划采用plc、张力传感技 术等相关的控制技术以及并联机构的协调控制原理来实现预定动作的精确仃序。根据设计的功能要求，初步拟定的各结构的动作顺序如图1.3所示。3、本次课题的模拟仿真分析本课题采用的双针换位结构足-个创新结构，也是本次课题的巫点研究内容。本课题拟采用仃限尤 设计的相关知识以UG为平台对其屮的关键部件进行建模及运动学仿真，论证其可靠性和运动的粘度， 并在此基础上实现结构上的优化。（1）UG建模针对本次研究的关键结构一双针换位结构，本课题将以UG NX为平台对比进

24、行实体模型的仿貞, 对直中的零件结构及系统结构进行儿何建模和模拟装配。在比咸础匕检验结构的可行性，并对不介理的 部件结构进行优化。（2）仿真分析本文的仃限元分析是对卷绕设备结构设计的检验和论证，因此本文选择了两个关键部件对其进行基 丁7G的有限元分析。a）结构仿真分析本课题将采用UGNX的结构分析模块对双针换位结构的关键部件进彳亍结构上的分析，脸证其机构上 的可靠性。在此基础上，采用最理想的分析方案对该结构进行优化。b）运动学仿真分析本课题拟采用UG NX运动分析模块对双针换位结构中的换位结构中的凸轮结构进行运动学仿冀，建 立运动分析模型，进行机构的运动学分析、研究其换位过程屮的参数变化。从而

25、为张力控制提供可靠的 理论依据。#程也了电池芯体卷绕设务的结构设计及X模拟仿貞 分析第二章锂离子电池制备的工艺分析2-1锂离子电池的结构所谓锂离子电池是指分别用两个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化介物作为正负极构成的二次电池。 人们将这种靠锂离子在正负极Z间的转移来完成电池允放电匸作的，独特机理的锂离子电池形彖地称为 摇椅式电池”，俗称“锂电”：匹锂离子电池的形状主耍有闘柱形和方形两种，此外还有扣式锂离子电池。2005年，锂离子电池产 最67亿只（60%为鬪柱形电池,40%为方形电池）,其中40%用于笔记本电脑,40%用F手机,20% 用于摄像机等。无论是何种钾离子电池.比基本结构均为：正极片、负

26、极片、正负极集流体、隔膜纸、外壳及密対 圈、盖板等。（1）正极I I前使用的冇LiCoO：, LiNiO：, LiMnQ等，从电性能及娃他综合性能来看，普遍采用LiCoO：正极， 即将LiCoO：与粘接剂（PTFE）混介，然后廡斥在正极集流体（铝箔）匕制成正极片。（2）负极将石眾和粘接剂混介碾压在负极集流体（铜箔）上。（3）电解液较好的是LiPF$,但价格昂贵;其他的有LiAsF,但有很大的毒性:LiClO.,具有强氧化性；有机溶 剂仃DEC, DMC, DME等。（4）隔膜纸采用微孔聚丙烯薄般或特殊处理的低密度聚乙烯膜。2-1-1圆柱形锂离子电池的结构圆柱形锂离子电池的结构如图2. 1所示。

27、常见恻柱形锂离子电池的技术参数见表2. 1。图2.1圖柱形锂离子电池的结构Fig. 2.1 Stmcnire of columnar litluum ion battery表2.1圆柱形锂离子电池的技术参数Table 2.1 Tecluucal parameter of columnar lithium ion battery电池形状忧柱形规格US14500US14650US16630US17670US18650US20500US26650公称电压/V3.63.63.63.63.63.63.6公称容炭50065085012001350013002700/ (mAh)0C15 C使用温度范禺/c

28、放电-20 C60 C/C-20Cx60C/C外高H50.464.962.666.864.950.865.4形/mm0.30.30.30.30.30.30. 3尺直径14. 314.315.817.018.420.926.4寸mm0.30.30.30.30.30.30.3质S/g19252936404083说明：公称电民02C放电至25V的放电半均电氐公称容灵：0.2C放电至2.5V的放电半均容吊,2-1-2方形锂离子电池的结构方形锂离了电池是针对电了产品，如于机、笔记本电脑小型化和薄型化的趋势而发展起來的，近年 來方形锂离了电池产彊空上升趙势。图2-2为方形锂离了电池的结构示意图。常见方形锂

29、离子电池的技 术参数见表2.2。9程也了电池芯体卷绕设务的结构设计及X模拟仿貞 分析#程也了电池芯体卷绕设务的结构设计及X模拟仿貞 分析图2.2 方形锂离子电池结构Fig. 2.2 Stmcture of rectangular litluum ion battery#程离了电池芯体卷绕设务的结构设汁及K模拟仿貞 分析#程离了电池芯体卷绕设务的结构设汁及K模拟仿貞 分析表2. 2方形锂离子电池的技术奏数Table 2.2 Tecluucal parameter of rectangular lithium ion battery型号额定电斥/V额定容杲 / (mAh)内阻/mQ尺寸/mm质量/

30、g0530463.6500754.9X29.5X45.8200630483.6600706. 1X29.5X47.8250630673.6900656. 1X29. 5X67330634653.61000656. 1X34.0X65.0390722483.6600607.5X21.8X47.6280834483.6900508.0X34.0X47.6350930483.6900508.8X29.5X47.6300934483.6100050& 8X34.0X47.6391034483.61400509.8X33.6X47.6451434493.616505013.6X33.7X47.657和圆

31、柱形锂离了电池一样，方形锂离子电池的极片也是卷绕起來的，它完全不同J：方形HTi电池 或Cd-Ni ill池的叠片结构。与圆柱形电池不同的是，方形电池的正极柱是种金属-陶瓷或金属-玻璃绝 缘子，它实现了正极与壳体Z间的绝缘。2-1-3叠片式锂离子电池结构为了满足计算机、摄像机、笔记木电脑对高能駅比和薄熨化的要求，许多公司纷纷开发叠片式锂离 子电池。图2. 3为徨片式单体锂离子电池的结构示意图。图2.3叠片式单体电池的对称结构剖而图Fig. 2.3 Sectional view of laminated cell synmietrical structure将制备好的正负极片、隔膜按照如图2.3

32、的顺序盜放整齐厉经热馄压成一体，制成单体廉片式电池。 将单体电池芯体并联種放，放入冲压成型的方形外壳制成栓片式锂离子电池.2-2锂离子电池的制备工艺表2. 3石墨儿iCg系圆柱形锂离子电池制造工艺的有关参数Table 2.3 Parameter of type graplute/ LiCoO： columnar litluum ion battery电池组分材料厚度/Mm负极活性物质非石韻化的碳单而90负极集流体Cu25正极活性物质LiCoO；单面80正极集流体Al25电解液/隔般PC/DEC/LiPF6/Celgard25锂离了电池的制造工艺非常严格，复杂，农2.3为通帘的石墨/LiCoO：

33、系圆柱形锂离了电池制造匸 艺的仃关参数。锂离子电池极片的制造示意图见图2.4。为了防止锂在极片的未涂覆族材料的铜部分析 出而引起安全问题，图2. 4中对极片进行了改进,见图中所示。图2. 5是锂离子电池制造工艺示意图, 锂离子电池制造工艺流程中的几个主要工序如FW：（1）制浆用专门的溶剂和粘接剂分别与粉木状的正负极活性物质混介，经高速搅拌均匀后，制成浆状的正负 极物质。（2）涂覆将制成的浆料均匀地涂覆在金属箔的衣面，烘，分別制成正负极极片同。ii:lifilFii5?FIislic! ssiMI盘罚nii:! S.IH:一w-:!?-s:- ai-eIit !sllli!sEls潼 jsiMI

34、a!蜀s剁31 * eoe!nH-s3!1H2g 2 A t *t 5IH一IH二SIH=I 莹祁宝兰”三M X:3g ;s i uufii ssnsrE 2 i ( f s 0;:d:ff:i s Ivo OB* vow * 90* sttfsn一= siiHii甬商ffliis:副-ttMs-EaLiCoO.酱图2.4锂离子电池极片制造示意图Fig. 2.4 Elccliodc inanulacluimg of llic lillnuiu ion batlciy（3）装配11W离子电池芯体卷绕设务的结构设iI及英模拟仿貞.分析按正极片一隔膜一负极片一隔膜自上而卜的顺序輕放榕齐,经卷绕制成电

35、池芯体再经注入电解液、 封【I等工艺过程，即完成电池的装配过程，制成成品电池。(4) 化成用专用的电池充放电设备对成品电池进行充放电测试，対每一只电池都进行检测，筛选出合格的成 品电池待出厂。MM导黠械删d卩图2. 5锂离子电池制造工艺流程图Fig. 2.5 Process flow diagram of the litluum ion battery nianufacturmg第三章锂离子电池芯体卷绕设备的结构设计3-1锂离子电池芯体卷绕设备的工艺及技术要求锂离子电池因其不同的外形、内部机理分为多种系列的种类，并且每-系列又仃不同观格的区分。 在众多种类的锂离了电池中，石墨/LiCoO：系圆

36、柱形锂离子电池曲贞较好的充放电性能和其他综 介性能而却到普遍地采用。根据市场调研及项LI介作厂家的耍求，本次课题将设讣方向锁定为石墨 /LiCoO：系圆柱形锂离子电池的芯体自动卷绕。本文指向的石墨/LiCoO：系圆柱形锂离了电池芯体卷绕设备主要的工艺及技术指标为：1）卷绕产品：圆柱形锂离子电池高度：2060mm玄径：10-20mm2）卷芯规格：圆柱形卷芯，卷针插収卷绕方式3）卷绕速度：4-6秒/个4）卷绕粘度：电池芯体高度粘度：WO. 5mm隔膜和极片偏差：W05mm3-2锂离子电池芯体卷绕设备的工艺流程木文经过国内外电池行业的卷绕设备的工艺流程和设备结构进行了犬龟的分析比较和论证，在此基 础

37、上提出了新的卷绕结构一双针卷绕。极大地提高了芯体卷绕的效率。（详细结构请参考第四章的相 关论述锂离子电池芯体双针自动卷绕机的丁艺流程为如图3. 1示。图3. 1锂离子电芯卷绕工艺流程示意图Fig. 3.1 Flow chart in mvolution of battery core锂离子电池芯体口动卷绕设备的结构示意图如图3. 2所示：13河北丁业大7硕L学位论文图3.2俚离子电池自动卷绕机结构示意图Fig. 3.2 Suuctuie schematics of involution equipment for core of lithium ion batteiy1 一隔膜放卷机构：2止极

38、极片送料机构：3负极极片送料机构：4 一张力检测系统：5风箱送料机构；6轧压魏；7A位卷绕结构：8隔膜切断机构：9 一换位主轴：10胶布切断机构：11 一胶布封贴机构：12-B位卷绕结构：13芯体压紧装説：图3.2中我们町以看到，妹r不同的功能，本文把理离子电池芯体卷绕设备划分为儿个独立的功能 模块：隔膜放卷机构一将隔膜料卷连续放出：（见图3. 2中1所示）极片送料机构一将筋层叠放的正负极片以一定的述度向风箱送料机构自序放出；（见图3. 2中2、 3所示）风箱送料机构一将极片送料机构的正负极片以适当的速度同时送至芯体卷绕机构；（见图3. 2 + 5所示）芯体卷绕换位机构一将询面送到的正负极片、

39、隔膜卷绕成型为一定直径的芯体；（见图3.2屮7、9、12所示）胶布贴封机构一为卷绕成型的芯体粘贴终止胶布：（见图3. 2中11所示）压紧切断机构一在卷绕时床紧芯体：在卷绕结束后将连续的胶布、隔膜切断；（见图3.2中8、10、13所示）本文将芯体卷绕设备的各个部分设计为相互独立而乂协同工作的独立的功能模块，每个模块都有自 己独匸的张动系统，在外部通过可编程控制器及其通讯系统建芒相互Z间的通讯网络。这样设备在进行 设计、控制和调试、维修中，原本复杂的机械结构和控制系统得到了最人程度上的简化。另一方面，可 编程控制器乂可以直接指挥各个模块，使各功能模块按照书先排定的I艺流程有序地匚作，协同完成预 定

40、的功能。程离了电池芯体卷绕设务的结构设汁及K模拟仿貞 分析通过图3. 2中所示的机构和系统本文设计的锂离子芯体卷绕设备期里达到自动送料、卷绕、自动 贴封终止胶布，自动褪卷的工艺功能。其中，自动送料即正负极片、隔膜同步传送到卷绕机构；自动卷绕即实现正负极片、隔膜自动卷绕 为规定尺寸规格的电池芯体：自动褪卷即系统将卷绕成空并粘贴胶布后的芯体成品自动卜线。3-3隔膜放卷机构设计3-3-1隔膜放卷机构的功用隔膜放卷机构是锂离子电池芯体卷绕设备的送料功能模块。在卷绕过程屮，为保证整个系统张力的 控制，隔膜放卷机构必须将隔膜料带以恒定的线速度放出。3-3-2隔膜放卷机构的数学建模在隔膜放卷过程中，料卷是明

41、显的扰动帚，随着放卷的进彳亍，放料卷卷径D在逐渐减小，线速度 v = 6?r不断变化。而放料卷线速度与主卷绕线速度Z间的不同步就会导致隔膜张力产生相应的变化, 为了保持隔脫线速度的不变，就必须实时的对隔膜卷的放料转速进行控制龙。n = (3.1)nD式中：D为隔般卷径；市式(3.1)可知，转速与卷径之间呈反比的关系。对转速进行控制耍依赖倣料卷的实时氏 径，这就涉及到放料卷径的实时计算问题。rh在本次设计中，隔膜部分没冇线速度检测或卷径检测装置，因此无法貢接获取卷径的人小，不 得不利用某些丁艺参数进行实时计算。根据卷绕系统的特点，这里利用隔膜的厚度和卷绕方程來推导实 时卷径模熨。8料卷是按照阿基

42、米徳螺旋线卷绕而成的，则冇:(3.2)式中：厂为瞬时料卷半径：为初始料卷半径：5为隔膜厚度：0为瞬时转角；对式(3.2)求导,仃：对式(3. 3)求拉式变换得:5 ve =2n dt 2兀In rdr _3 d(p _6dt(3.3)(3.4)3-3-3隔膜放卷机构的力学分析根据图4. 1中隔膜放卷机构的受力关系，建&动态力矩平衡方程：(Jla)l) = Tlrl -MKl -Mfi(3.5)式中：T：转离隔膜料筒后隔膜张力:15河北丁业大7硕L学位论文血一作用在隔膜料卷匕的等效制动力矩;M,作用在隔膜料卷上的摩擦力矩；ri一隔膜料卷退卷半径：5退卷时料卷的角速度；J:一隔膜料卷的转动惯&(J

43、x= J1P + Jxo)；Jir隔膜料卷上隔膜的转动惯帚：J10隔膜料卷芯轴的转动惯起；河北丁业大7硕L学位论文河北丁业大7硕L学位论文图33隔膜放卷机构受力分析Fig. 3.3 Mechanics analysis of the sepaiatoi unieelmg同理:dt=2bpr clt河北丁业大7硕L学位论文河北丁业大7硕L学位论文(3.6)M/u = A -Mfi -庙5)= 】一“Fl妙血)十竽+竽哦_K鬻J = Ao-=常数：v式中：2 10Vi隔膜转离料卷的线速度；本文设备中隔膜的娠力7； = 35N , /; = 70mm ,结介其他参数条件计算得作用在隔膜料卷上的等效制

44、动力矩=2. 45Nm。因此选取三菱公司的ZKG-50YM型磁粉制动器。规格参数如衣3. 1所示。表3. 1 ZKG-5 0YN型磁粉制动器Table 3.1 Magnetic powder brake ZKG-5OYN型号额定转建(Nm)磁性线圈(75电流(A)功率(W)C)时间常数(S)飞轮矩J(kgcm)ZKG-50YN50. 614. 40. 0451.25X101容许的热损耗功率(W)必要放热面积(cm)最高容许转速(nun1)403501800傀离子电池芯体卷绕i殳务的结构设讣及英模拟仿貞分析3-3-4 隔痕放卷机构结构设计如图3.4所示，隔膜放卷机构在结构匕比较简单，根据实际设备

45、运行过杵H张力控制的需要，必须 在隔膜放卷机构中采取措施对放料速度进行控制,综合国内外设备和其他相关设备的先进经验,本设计 采用三菱公司的磁粉制动器ZKG-50YN作为执行元件来实现对放料速度（转矩）的控制,并通过同步带 传动与隔膜放卷轴联接。图3. 4隔膜放卷机构图Fig. 3.4 Stiucnire schematics of separator unreeling mechaiusm磁粉制动器作为执行元件，张力传感器作为检测尤件，张力控制器作为控制尤件，与可编榨控制器 （PLC）联接构成隔膜张力控制I叫路。卷绕过程中的实际张力的设定和控制都町通过触挾屏由PLC实际控 制。3-4极片送料机

46、构设计3-4-1极片送料机构的功用极片送料机构在极片卷绕设备屮属J：原料输送功能模块,它的功川是在芯体卷绕过程中按照设定的 速率将送料箱中的电池极片（正极、负极）输送到风箱传送带上，然后传送给芯体卷绕换位机构。3-4-2极片送料机构的分析传统的片料送料方式一般为皮带摩擦传动或者是床辘传动何。对皮带摩擦传动来说，它对片料的传送主要是依靠由片料匝杲所带来的和皮带之间的摩擦力。 适用J：朿杲比较大的物体的传送。而电池极片的料带朿杲较小，难以产生有效的靡擦动力。床規传动一般为一对钢辘和橡胶斥牠的组介，由宽幅綿体本身的挠度和加工误差，造成钢魏和橡 胶斥探之间的间隙不均匀，乂由r电池极片较薄，从而容易造成

47、被牵引电池极片的受力不均匀，使电池 极片起皱和撕裂。综上分析，考虑到传送过程中对电池极片损伤的程度和传送效率，本设备采用了真空吸附規作为传#河北丁业大7硕L学位论文动的执行尤件。3-4-3极片送料机构的结构设计在极片送料机构屮，吸總是关键部件。图3.5真空吸扌昆装苣结构图Fig. 3.5 Structure schematics of negative pressure and empty suction roller真空吸辗装置（如图3. 5）主要由驱动装置、吸辘、甩气盘、旋转主轴、轴承套、高压真空涡旋泵 等组成。吸規材料采用45#碳钢（如果极片较薄的话，最好采用不锈钢材料，便避免镀倂过程中

48、的 缺陷），在外筒表面均匀分布62-。3的小孔,平均间距在10mm之内，孔端倒角.吸辐外表面镀硬铅, 经磨削加丁，在各转动零部件的加匸过程中，对其同轴度耍求给予允分保证，以保证吸附片料时吸附力 均匀分布。如国3. 6所示，由真空吸編是采用负用将片料紧紧地吸附1觀体上，増大了片料和編体间的摩擦 力，避免了片料和規体间的打滑。同时由不再采用橡胶床綻，减少了規体的加丁难度，使片料的传送 效率得到了提高并减小了对片料的损伤。在臧用中本文在真空吸規的后面装配一个配气盘，使整个吸規 在旋转过程中只有和片料接触的小孔产生吸附力，从而保证了极片有效的传送Fig. 3.6 Schematics foi nega

49、tive pressuie and empty suction loller极片送料机构的结构图如图3. 7所示，极片放入送料机构的送料箱中，当真空泵开始运转时,吸附仲离了电池芯体卷绕设务的结构设计及英模拟仿貞 分析辘匕和配气盘相通的小孔就产生径向的吸附力，使极片紧紧吸附在吸附促上，这样当吸附辘在步进电机 驱动卜匀速旋转时，就产生沿吸規切线方向的力，将极片片料送出到下一个工位。芯体卷绕时耍求正负极片料同时送达卷绕主系统。因此首先必须在极片送料时就保证正负极片的送 出速度一致（线速度一致）。因此本设备屮所需的四个吸規设计由一个步进电机采用同步带串联方式同 时驱动，以保证恒定的线速度。步进电机的输

50、出转速由町编程控制器基主卷绕电机的速度依据一定的 关系设定，从而保证设备功能的实现。图3.7极片送料机构图Fig. 3.7 Feedmg mechanism schematics of electiode#仲离了电池芯体卷绕设务的结构设计及英模拟仿貞 分析#仲离了电池芯体卷绕设务的结构设计及英模拟仿貞 分析3-5芯体卷绕机构设计3-5-1芯体卷绕机构的功用芯体卷绕换位机构是锂离子电池芯体卷绕设备的主卷绕系统，属J：该设备的核心功能模块。在芯体 卷绕机构中，卷绕机构将极片送料机构、隔膜放卷机构送來的正负极片和隔膜按照特定的次序卷绕成釵。 如图38所示。#仲离了电池芯体卷绕设务的结构设计及英模拟仿

51、貞 分析#仲离了电池芯体卷绕设务的结构设计及英模拟仿貞 分析图3.8芯体模型图Fig. 3.8 Model of battery core#W离了电池芯体卷绕设备的结构设讣及K模拟仿貞.分析卷绕式芯体结构出是指正极、负极间夹有一层隔膜，一起卷绕成一个柱形（圆柱或棱柱）的电池 芯体。此结构的特点是：负极以双面进行匸作。为保证负极双面工作，绕制芯体时，在卷绕轴上先卷绕 一圈隔顺（双层的），然后，把正极、负极同隔膜一起卷绕，直到负极全部卷绕完后再卷绕一圈正极， 并延长0.5cm,保证负极全部被正极包裳：最后用双层隔按继续卷绕两圈.切断隔膜，再用专用的対贴 胶条将卷绕成的芯体缠绕一圈。3-5-2芯体卷

52、绕机构的总体结构分析1、 单工位卷绕结构目前常见的卷绕机构如图3.9所示，为传统的单卷绕工位北。为隔膜和正负极片送到卷绕丁位时 卷针在卷绕电机驱动卜开始进行卷绕。半卷绕成熨后卷绕电机停乍，再将姑封胶布送到成型芯体的位置, 卷绕电机逼新启动，进行贴封胶布的工序。待胶布贴封完毕后卷针抽回，芯体从卷绕工位撤离。也就是 卷绕、貼封胶布两个工序在同一个工位完成。这样的结构平均的卷绕速度为8-12秒/个。随着市场需求 的发展，这样的速度现在显然已经不再能够满足生产需求。I_I图3. 9单工位卷绕结构示意图Fig. 3.9 Simpleprocedi】Te system for convolution2、

53、双针换位卷绕结构为無决单丁位卷绕结构效率低的问题，同时继承其结构简单的优点，本文设计了一种新的结构一 双针换位卷绕结构。双针换位卷绕结构是在单工位卷绕结构的基础上开发的一种新的卷绕结构，该结构设计有两个工 位，每个工位都拥有独工的动力源和传动系统、卷绕装置。可以独立地完成卷绕、胶布封贴、褪卷等功 能。为尽駅提局效率，我们为该结构设计了如卜的丄艺：当正负极片、隔腿到达丁位A时，A位的气缸4得电伸出，使A位旋转联结头13带动卷针12伸出 并夹住正负极片、隔膜。然后A位电机1启动，通过联轴器5、齿轮副10驱动卷针12旋转，进行A 丁位的芯体缠绕。当A T位的芯体卷绕到期望的尺寸后，A位电机停乍。同时换位电机3启动，通过联轴 器6将转矩输出到主旋转轴8,带动换位执行机构9旋转180%旋转时，旋转联接头使A位气缸4和卷 针12脱开，B位气缸5和卷针16脱开,在换位执行机构9的作用卜旋转180后A位卷针12和B位气 缸5通过旋转联结头14在B位结介，B位卷针16通过旋转联结头13和A位气缸4在A位结合。这样, 通过180换位，原来A位卷针12上己经卷绕成熨的芯体进入了 BH位，原来B位上空着的卷针16进 入到