锂离子电池芯体卷绕设备的结构设计及其模拟仿真分析_图文

1、河北工业大学硕士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 姓名:许波申请学位级别:硕士专业:机械设计及理论指导教师:关玉明20061101河北工业大学硕士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 要锂离子电池以其重量轻、容量高、工作电压高、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 手工卷绕和半自动卷绕型为主。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。本论文在广泛调研的基础上,对现有国内外锂离子电池卷绕设备进行了详细的分析、 比较,并结合中国市场的市场需求,进行了一种新型高

2、效全自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、极片送料、芯体卷绕及换位、终止胶布封贴、自动 切断及自动下料等几个并联的功能模块。然后在此基础上结合各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自动卷绕设备的主要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了详细的比较、分析。并以间接控制方式为对象进行了相 关扰动量的数学建模,为实际卷绕控制提供了必要的扰动量补偿依据。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

3、。关键词: 锂离子电池,卷绕,结构设计,结构仿真,运动学仿真i锂离子电池芯体卷绕设备的结构设计及其模拟仿真分析ii STRUCTURAL DESIGN AND ANALYSIS OF THE MODELING AND SIMULATION OF THE INVOLUTION EQUIPMENT FOR LITHIUM ION BATTERIESABSTRACTSince the advantage of light-weight、 high capacitance、 long life and zero pollution ,lithium ion battery widespread use

4、 in the world.But the key equipment of the production equipment of lithium ion battery- involution equipment for the core of lithium ion battery, handwork and semi-auto equipment still as the principal thing in the china. The performance figures such as compactness and service life are so low and di

5、fficult to meet the needs of the production and living.Based on the extansive investigation and research,this thesis analyzed and studied the current involution equipment for lithium ion battery.Adapting to the market need the market demand,the new and high efficency the involution equipment for cor

6、e of lithium ion battery was designed in this paper.In this paper,we subdivision the process flow of the involution equipment for core of lithium ion battery, the global function was devided into some parallel functional module such as unreeling of the separator、 feeding of electrode、 involution and

7、 transposition of the core、 pasting of coated fabric 、 auto cutting of separator and coated fabric.Based on this, correlative mathematical model was analysesed and the structure was designed.Secondly,based on the analysis of the main control objects of the involution equipment for lithium ion batter

8、y, the thesis analyze and compared the different control models.Establishes the correlative mathematical model of disturbance identification for the indirect control models, afford the basis of disturbance variable compensation to the actual control.河北工业大学硕士学位论文Finally, we built the structure and ki

9、nematic simulation on critical component of the involution equipment.KEY WORDS:lithium ion batteries, involution , structural design, structure simulation, kinematic simulationiii 河北工业大学硕士学位论文第一章 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大发展和人们日常生活需求的提高, 一些便携式的电子设备正成为人们日常工作 学习的必不可少的工具。据统计,手机、手提电脑、M

10、P3 等数码产品的销售总额正以几何倍数递增。 这些数码产品使用的电池要求容电量高、使用寿命长、重量较轻。锂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 1。由于镍氢电池和镉镍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品的 继续走强以及锂离子动力电池呈现的巨大市场潜力,未来锂离子电池的市场需求将保持相当速度的增 长。锂离子电池目前是电池产品中最重要的产品,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、心脏起搏器、

11、安全报警器、电动汽车电源等领域。该行业受环保政策影响大, 与国民经济周期相关性高,由于在各行各业的广泛应用,在国民经济中具有重要地位。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%。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。由于我国的锂电池起步较晚, 国内大部分的生产厂家的设备仍很落后。 尤其是其中的关键部分-电池芯体卷绕设备, 仍以手工卷绕和半自动卷绕为主。 其产品致密性、 使用寿命等性能指标和国外产品 相比有很多差距。从国外进口的全自动卷绕设备价格又比较昂贵,不符合日益扩大的锂电池消

12、费需求。 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 performance comparison of small secondary battery技术参数 H/Ni电池 Cd/Ni电池 锂离子电池工作电压/V 1.2 1.2 3.6质量比能量 Wh/kg 50 65 100160体积比能量 Wh/L 150 200 270-360充放寿命/次 500 500 1000自放电率/%/月 2530 3035 6-9充电速率 1C 1C 1C1锂离子电池芯体卷绕设备的结构设计及其模拟仿真分析2 锂离子电池具有体积小(比氢-镍电池小 30% 、工作电压高

13、(3.6V,是镉-镍、氢-镍电池的 3倍 、质量轻(比氢-镍电池轻 50% 、比能量高、寿命长且无污染等特点。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。由表 1可知,锂离子电池在各项性能参数上均优于同规格的电池。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,日本三洋、索尼、松下三大公司占据了大约 65%,特别是三洋公 司,后来居上,超过了索尼,占到世界市场的 25%。对高科技项目, 必须要有可靠的技术依托才行。 国外的锂离子电池生产公司凭借多年积累的生产经 验和先进

14、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。 目前就有索尼在无 锡,三洋在北京开始建厂,这是全球最大的 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年来锂离子电池的产业化也有了长足的进步,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及锂离子电池, 已具备相当的规模; 而厦门宝龙公司生产的聚合 物锂离子电池也已跨入世界前列。天津力神公司由天津 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种方形锂离子电池,共 2000万只的生产能力,现已成为摩托罗拉公司合格供应商。3期工程已经启动, 总投资近 4亿

15、元。 青岛华光电池公司由北京有色金属研究总院作为技术依托, 现已形 成一定规模锂离子电池生产能力, 计划总投资近 4亿元, 后继工程正在进行之中, 同时准备投资生产相 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于不同的市场需求,分为圆柱形、扁形、方形等不同的种类。但其生产工艺流程基本 相同。以圆柱电池的生产为例。 其一般的工艺流程为:绝缘底圈入筒卷绕电芯入筒插入芯轴焊负极 集流片于钢筒插入绝缘圈钢筒滚线真空干燥注液组合帽(PTC元件等焊到正极引极上封 口

16、射线检查编号化成循环陈化。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、芯体的卷绕成型。而实现这 一步骤的芯体自动卷绕机则成为电池产品质量的关键。2、 芯体卷绕设备的现状芯体卷绕机可分为全自动和半自动型卷绕机及手工卷绕机。 其中, 半自动型卷绕机主要用于小批试 验生产,全自动卷绕机可以应用于大批量生产。现有生产中的各类型芯体卷绕设备的功能特点为:河北工业大学硕士学位论文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 coiling 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

17、护方便。脚踏开关控制,操作简单。造价低廉。(2手工芯体卷绕机的缺点:只能适应小批量的生产,不能满足大量生产的需要。生产效率低下。质量无法保证,主要取决与手工操作者的技术熟练程度。B. 电池半自动芯体卷绕机(见图 1.2(1半自动芯体卷绕设备的优点:隔膜张力连续可调。在卷绕过程中电芯一致性好,隔膜极片相对位置精度高。隔膜连续,极片在卷绕过程中具有除尘和清除掉粉功能,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;换型容易,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大规模生产的要求。造价相对较高。3锂离子电池芯体卷绕设备的结构设计及其模拟仿真

18、分析 图 1.2 半自动芯体卷绕机Fig. 1.2 Semi-auto involution equipment for the batteryC. 全自动卷绕机全自动卷绕机采用 PLC 控制方式, 结合了数字交流驱动技术和张力传感技术。 通过精密机构和气动 系统可以实现芯体自动卷绕, 张力控制, 自动切断, 极耳自动焊接等多项工序要求。 与间断涂布机配合, 组成了卷绕式芯体的关键工序设备, 卷绕式芯体性能可靠, 质量稳定。 芯体卷绕可以保证正负极电容量 的合理精确配置和均匀、精细的张力控制。但是由于其昂贵的价格,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来源

19、于实际生产发展的需要,属于实际应用研究项目。本课题着眼于锂电池生产设备的现状, 在力求结构简单的基础上结合数字交互技术和传感技术, 希 望能够开发出一种综合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 备。针对目前锂离子电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 产效率低下,不能满足日益扩大的市场需求。而半自动、自动卷绕设备虽然产品质量稳定性好,但由于 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, 一种更高质量, 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,而对于我国的科技水平而言,也是可

20、行的。1-2-4 本课题的现有研究水平相对于国外电池设备研究领域而言, 国内相关的课题进行的较晚。 较有代表水平的北京七星华创虽 已取得很大进展,但仍然处于设备调试阶段,还没有形成实际的生产力。因此,本课题作为相关领域的 前沿课题, 必将填补我国电芯卷绕设备的空白。 推动我国电池生产领域的科技生产水平。 本课题的研究, 4河北工业大学硕士学位论文符合现今电池生产领域的要求,具有广阔的发展和应用前景。§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, 期望综合半自动卷绕设备和国外全自动卷绕设备的 优点。在相对简单的结构模式下,通过数字交

21、互和传感技术的支持,实现卷绕过程中极片张力、隔膜张 力恒定,电芯一致性好,隔膜极片相对位置精度高,大幅度提高生产电池卷绕体的效率。同时提高电池 的质量和稳定性。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本课题主要是进行全自动芯体卷绕设备的结构设计、 控制模式分析以及其中关键结构的动态模拟与 分析。1、 结构设计结构设计是本论文的基础。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, 同时结合机构学和高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

22、分为五大部分:(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 自动切断下料机构2、 控制模式的总体设计思路 图 1.3 各机构动作流程图Fig. 1.3 Flow chart of the mechanisms operation5锂离子电池芯体卷绕设备的结构设计及其模拟仿真分析6 由于电池芯体卷绕设备对各机构的步序和动作精度要求较高,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有序。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是一个创

23、新结构, 也是本次课题的重点研究内容。 本课题拟采用有限元 设计的相关知识以 UG 为平台对其中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精度, 并在此基础上实现结构上的优化。(1UG 建模针对本次研究的关键结构双针换位结构,本课题将以 UG NX为平台对其进行实体模型的仿真, 对其中的零件结构及系统结构进行几何建模和模拟装配。 在此基础上检验结构的可行性, 并对不合理的 部件结构进行优化。(2仿真分析本文的有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 于 UG 的有限元分析。a 结构仿真分析本课题将采用 UG NX 的结构分析模块对双针换位结构

24、的关键部件进行结构上的分析, 验证其机构上 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真, 建 立运动分析模型, 进行机构的运动学分析、 研究其换位过程中的参数变化。 从而为张力控制提供可靠的 理论依据。河北工业大学硕士学位论文第二章 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合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之间的转移来完成电池充放电工作的, 独特机理的锂离子电池形象地称为

25、 “摇椅式电池” ,俗称“锂电” 2。锂离子电池的形状主要有圆柱形和方形两种,此外还有扣式锂离子电池。2005年,锂离子电池产 量 6.7亿只(60%为圆柱形电池,40%为方形电池 ,其中 40%用于笔记本电脑,40%用于手机,20%用于摄像机等。无论是何种锂离子电池,其基本结构均为:正极片、负极片、正负极集流体、隔膜纸、外壳及密封 圈、盖板等。(1 正极目前使用的有LiCoO 2,LiNiO 2,LiMn 2O 4等,从电性能及其他综合性能来看,普遍采用LiCoO 2正极, 即将LiCoO 2与粘接剂(PTFE混合,然后碾压在正极集流体(铝箔上制成正极片。(2 负极将石墨和粘接剂混合碾压在负

26、极集流体(铜箔上。 (3 电解液较好的是LiPF 6,但价格昂贵;其他的有LiAsF 6,但有很大的毒性;LiClO 4,具有强氧化性;有机溶 剂有DEC,DMC,DME等。(4 隔膜纸采用微孔聚丙烯薄膜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。常见圆柱形锂离子电池的技术参数见表 2.1。 图 2.1 圆柱形锂离子电池的结构Fig. 2.1 Structure of columnar lithium ion battery7锂离子电池芯体卷绕设备的结构设计及其模拟仿真分析表 2.1 圆柱形锂离子电池的技术参数Table 2.1 Tec

27、hnical parameter of columnar lithium ion battery电池形状 圆柱形 规格 US14500 US14650 US16630 US17670 US18650 US20500 US26650 公称电压 /V 3.6 3.6 3.6 3.6 3.6 3.6 3.6 公称容量 /(mAh50065085012001350013002700充电 0ºC45 ºC /ºC放电 -20ºC60ºC /ºC使 用 温 度 范 围保持 -20ºC60ºC /ºC 高 H /mm

28、50.4 ±0.364.9 ±0.362.6 ±0.3 66.8 ±0.3 64.9 ±0.3 50.8 ±0.3 65.4 ±0.3 外 形 尺 寸 直径 /mm 14.3 ±0.3 14.3±0.3 15.8 ±0.3 17.0 ±0.3 18.4 ±0.3 20.9 ±0.3 26.4 ±0.3 质量/g19252936404083说明:公称电压:0.2C放电至 2.5V 的放电平均电压; 公称容量:0.2C放电至 2.5V 的放电平均容量。2-1-

29、2 方形锂离子电池的结构方形锂离子电池是针对电子产品, 如手机、 笔记本电脑小型化和薄型化的趋势而发展起来的, 近年 来方形锂离子电池产量呈上升趋势。 图 2-2为方形锂离子电池的结构示意图。 常见方形锂离子电池的技术参数见表 2.2。 图 2.2 方形锂离子电池结构Fig. 2.2 Structure of rectangular lithium ion battery8河北工业大学硕士学位论文表 2.2 方形锂离子电池的技术参数Table 2.2 Technical parameter of rectangular lithium ion battery 型号 额定电压 /V 额定容量 /

30、(mAh 内阻/m尺寸 /mm质量 /g 053046 3.6 500 <75 4.9×29.5×45.8 20 063048 3.6 600 <70 6.1×29.5×47.8 25 063067 3.6 900 <65 6.1×29.5×67 33 063465 3.6 1000 <65 6.1×34.0×65.0 39 072248 3.6 600 <60 7.5×21.8×47.6 28 083448 3.6 900 <50 8.0×34.0

31、×47.6 35 093048 3.6 900 <50 8.8×29.5×47.6 30 093448 3.6 1000 <50 8.8×34.0×47.6 39 103448 3.6 1400 <50 9.8×33.6×47.6451434493.61650<5013.6×33.7×47.6 57和圆柱形锂离子电池一样,方形锂离子电池的极片也是卷绕起来的,它完全不同于方形 H-Ni 电池 或 Cd-Ni 电池的叠片结构。 与圆柱形电池不同的是, 方形电池的正极柱是一种金属-陶瓷或

32、金属-玻璃绝 缘子,它实现了正极与壳体之间的绝缘。2-1-3 叠片式锂离子电池结构为了满足计算机、 摄像机、 笔记本电脑对高能量比和薄型化的要求,许多公司纷纷开发叠片式锂离 子电池。图 2.3为叠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面图Fig. 2.3 Sectional view of laminated cell symmetrical structure将制备好的正负极片、 隔膜按照如图 2.3的顺序叠放整齐后经热辊压成一体, 制成单体叠片式电池。 将单体电池芯体并联叠放,放入冲压成型的方形外壳。制成叠片式锂离子电池。9锂离子电池芯体卷绕设备的结构设计

33、及其模拟仿真分析§2-2 锂离子电池的制备工艺表 2.3 石墨/LiCoO2系圆柱形锂离子电池制造工艺的有关参数 Table 2.3 Parameter of type graphite/ LiCoO2 columnar lithium ion battery 电池组分 材 料 厚度/µm负极活性物质 非石墨化的碳单面 90 负极集流体 Cu 25 正极活性物质 LiCoO 2单面 80 正极集流体 Al25 电解液/隔膜PC/DEC/LiPF6/Celgard25锂离子电池的制造工艺非常严格,复杂,表 2.3为通常的石墨/LiCoO2系圆柱形锂离子电池制造工 艺的有关参数

34、。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碳材料的铜部分析 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下 4: (1 制浆用专门的溶剂和粘接剂分别与粉末状的正负极活性物质混合, 经高速搅拌均匀后, 制成浆状的正负 极物质 5。 (2 涂覆将制成的浆料均匀地涂覆在金属箔的表面,烘干,分别制成正负极极片 6。 图 2.4 锂离子电池极片制造示意图Fig. 2.4 Electrode manufacturing of the lithium ion battery(3 装配10河

35、北工业大学硕士学位论文按正极片隔膜负极片隔膜自上而下的顺序叠放整齐, 经卷绕制成电池芯体, 再经注入电解液、 封口等工艺过程,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, 对每一只电池都进行检测,筛选出合格的成 品电池,待出厂。 图 2.5 锂离子电池制造工艺流程图Fig. 2.5 Process flow diagram of the lithium ion battery manufacturing11锂离子电池芯体卷绕设备的结构设计及其模拟仿真分析第三章 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

36、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,并且每一系列又有不同规格的区分。 在众多种类的锂离子电池中,石墨/LiCoO2系圆柱形锂离子电池由于其较好的充放电性能和其他综 合性能而得到普遍地采用。根据市场调研及项目合作厂家的要求,本次课题将设计方向锁定为石墨 /LiCoO2系圆柱形锂离子电池的芯体自动卷绕。本文指向的石墨/LiCoO2系圆柱形锂离子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:20-60mm直径:10-20mm2 卷芯规格:圆柱形卷芯,卷针插取卷绕方式3 卷绕速度:4-6秒/个4 卷绕精度:电池芯体高度精度:0.5mm隔膜和极片偏差

37、: 0.5mm§3-2 锂离子电池芯体卷绕设备的工艺流程本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大量的分析比较和论证, 在此基 础上提出了新的卷绕结构双针卷绕。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工艺流程为如图 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 involution of battery core锂离子电池芯体自动卷绕设备的结构示意图如图 3.2所示:12河北工业大学硕士学位论文 图 3.2 锂离子电池自动卷绕机结构示意图Fig. 3.2 S

38、tructure schematics of involution equipment for core of lithium ion battery1隔膜放卷机构; 2正极极片送料机构; 3负极极片送料机构; 4张力检测系统; 5风箱送 料机构; 6轧压辊; 7A 位卷绕结构; 8隔膜切断机构; 9换位主轴; 10胶布切断机构; 11胶布封贴机构; 12B 位卷绕结构; 13芯体压紧装置;图 3.2中我们可以看到, 基于不同的功能, 本文把锂离子电池芯体卷绕设备划分为几个独立的功能 模块:隔膜放卷机构将隔膜料卷连续放出; (见图 3.2中 1所示极片送料机构将多层叠放的正负极片以一定的速度向

39、风箱送料机构有序放出; (见图 3.2中 2、 3所示风箱送料机构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中 5所示芯体卷绕换位机构将前面送到的正负极片、隔膜卷绕成型为一定直径的芯体; (见图 3.2中 7、 9、12所示胶布贴封机构为卷绕成型的芯体粘贴终止胶布; (见图 3.2中 11所示压紧切断机构在卷绕时压紧芯体;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又协同工作的独立的功能模块, 每个模块都有自 己独立的驱动系统, 在外部通过可编程控制器及其通讯系统建立相互之间的通讯网络。

40、 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大程度上的简化。另一方面,可 编程控制器又可以直接指挥各个模块, 使各功能模块按照事先排定的工艺流程有序地工作, 协同完成预 定的功能。13锂离子电池芯体卷绕设备的结构设计及其模拟仿真分析通过图 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望达到自动送料、 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型并粘贴胶布后的芯体成品自动下线。§3-3 隔膜放卷机

41、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。 在卷绕过程中, 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14r 在隔膜放卷过程中,料卷是明显的扰动量,随着放卷的进行,放料卷卷径 在逐渐减小,线速度 D v =不断变化。而放料卷线速度与主卷绕线速度之间的不同步就会导致隔膜张力产生相应的变化, 为了保持隔膜线速度的不变,就必须实时的对隔膜卷的放料转速进行控制 8。 v n D=(3.1 式中:为隔膜卷径; D 由式(3.1可知,转速 与卷径 之间呈反比的关系。对转速进行控制要依赖于放料卷的

42、实时直 径,这就涉及到放料卷径的实时计算问题。n D 由于在本次设计中, 隔膜部分没有线速度检测或卷径检测装置, 因此无法直接获取卷径的大小, 不 得不利用某些工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来推导实 时卷径模型。料卷是按照阿基米德螺旋线卷绕而成的,则有:02r r = (3.2 式中:r 为瞬时料卷半径; 为初始料卷半径; 0r 为隔膜厚度; 为瞬时转角;对式(3.2求导, 有:rv dt d dt dr =222 (3.3 对式(3.3求拉式变换得:(2 (s s r = (3.43-3-3 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

43、力关系,建立动态力矩平衡方程:111111( R d J T r M M dt=F (3.5 式中:T 1转离隔膜料筒后隔膜张力;河北工业大学硕士学位论文M R1作用在隔膜料卷上的等效制动力矩;MF1作用在隔膜料卷上的摩擦力矩;r 1隔膜料卷退卷半径;1退卷时料卷的角速度;J 1隔膜料卷的转动惯量(J1= J1P + J10; J 1P 隔膜料卷上隔膜的转动惯量;J 10隔膜料卷芯轴的转动惯量; 图 3.3 隔膜放卷机构受力分析Fig. 3.3 Mechanics analysis of the separator unreeling同理:44111( P 10J b r r = 31112d

44、J dr b r dt dt= +=+=3121112111411111111111111111112431 ( (r v K r v b dt dv r r b K M r T dt dJ dt d J M r T J dt d M r T M F F F R (3.6 式中:4110102b K J r =常数; 隔膜转离料卷的线速度;1v 本文设备中隔膜的张力 , 135T N =170r mm =,结合其他参数条件计算得作用在隔膜料卷上的等 效制动力矩M R1=2.45N·m。因此选取三菱公司的ZKG-50YN型磁粉制动器。规格参数如表 3.1所示。表 3.1 ZKG-50Y

45、N型磁粉制动器Table 3.1 Magnetic powder brake ZKG-50YN磁性线圈(75 ºC 型号额定转矩 (Nm 电流 (A 功率 (W 时间常数 (S 飞轮矩 J (kgcm2 ZKG-50YN5 0.6 14.4 0.045 1.25×10-1容许的热损耗功率 (W必要放热面积 (cm2 最高容许转速 (min -1 40 350 180015锂离子电池芯体卷绕设备的结构设计及其模拟仿真分析3-3-4 隔膜放卷机构结构设计如图 3.4所示, 隔膜放卷机构在结构上比较简单, 根据实际设备运行过程中张力控制的需要, 必须 在隔膜放卷机构中采取措施对放

46、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 Structure schematics of separator unreeling mechanism磁粉制动器作为执行元件, 张力传感器作为检测元件, 张力控制器作为控制元件, 与可编程控制器 (PLC 联接构成隔膜张力控制回路。 卷绕过程中的实际张力的设定和控制都可通过触摸屏由 PLC 实际控 制。§3-4 极片送料机构设计3-4-1 极片送料机

47、构的功用极片送料机构在极片卷绕设备中属于原料输送功能模块, 它的功用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压辊传动 10。对于皮带摩擦传动来说,它对片料的传送主要是依靠由于片料重量所带来的和皮带之间的摩擦力。 适用于重量比较大的物体的传送。而电池极片的料带重量较小,难以产生有效的摩擦动力。压辊传动一般为一对钢辊和橡胶压辊的组合, 由于宽幅辊体本身的挠度和加工误差, 造成钢辊和橡 胶压辊之间的间隙不均匀, 又由于电池极片较薄, 从而容易造成被牵引电池

48、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辊作为传 16河北工业大学硕士学位论文动的执行元件。3-4-3 极片送料机构的结构设计在极片送料机构中,吸辊是关键部件。 图 3.5 真空吸辊装置结构图Fig. 3.5 Structure schematics of negative pressure and empty suction roller真空吸辊装置(如图 3.5主要由驱动装置、吸辊、配气盘、旋转主轴、轴承套、高压真空涡旋泵 等组成。吸辊材料采用 45碳钢(如果极片较薄的话,最好采用不锈钢材料,便于避免镀铬

49、过程中的 缺陷 ,在外筒表面均匀分布2-3的小孔,平均间距在 10mm 之内,孔端倒角。吸辊外表面镀硬铬, 经磨削加工, 在各转动零部件的加工过程中, 对其同轴度要求给予充分保证, 以保证吸附片料时吸附力 均匀分布。如图 3.6所示, 由于真空吸辊是采用负压将片料紧紧地吸附在辊体上, 增大了片料和辊体间的摩擦 力,避免了片料和辊体间的打滑。同时由于不再采用橡胶压辊,减少了辊体的加工难度,使片料的传送 效率得到了提高并减小了对片料的损伤。 在应用中本文在真空吸辊的后面装配一个配气盘, 使整个吸辊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 11。 图 3.6 真空吸辊示意

50、图Fig. 3.6 Schematics for negative pressure and empty suction roller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17锂离子电池芯体卷绕设备的结构设计及其模拟仿真分析辊上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辊上, 这样当吸附辊在步进电机 驱动下匀速旋转时,就产生沿吸辊切线方向的力,将极片片料送出到下一个工位。芯体卷绕时要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 。因此本设备中所需的四个吸辊设计由一

51、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。步进电机的输出转速由可编程控制器基于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 Feeding mechanism schematics of electrode§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, 属于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、隔膜放卷机构送来的正负极片和隔膜按照特定的次序卷绕成型。如图 3.8所示。 图 3.8 芯体模型图Fig. 3.8

52、Model of battery core18河北工业大学硕士学位论文卷绕式芯体结构 12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:负极以双面进行工作。为保证负极双面工作,绕制芯体时,在卷绕轴上先卷绕 一圈隔膜(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裹;最后用双层隔膜继续卷绕两圈,切断隔膜,再用专用的封贴 胶条将卷绕成的芯体缠绕一圈。3-5-2 芯体卷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 13。当隔膜和正负极

53、片送到卷绕工位时 卷针在卷绕电机驱动下开始进行卷绕。 当卷绕成型后卷绕电机停车, 再将贴封胶布送到成型芯体的位置, 卷绕电机重新启动,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、 贴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。 图 3.9 单工位卷绕结构示意图Fig. 3.9 Simple-procedure system for convolution2、 双针换位卷绕结构为解决单工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

54、 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,每个工位都拥有独立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。为尽量提高效率,我们为该结构设计了如下的工艺:当正负极片、隔膜到达工位 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 工19锂离子电池芯体卷绕设备的结构设计及其模拟仿真分析位的芯体缠绕。当 A 工位的芯体卷绕到期望的尺寸后,A 位电机停车。同时换位电机

55、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 180º, 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的作用下旋转 180º后 A 位卷针 12和 B 位气 缸 5通过旋转联结头 14在 B 位结合,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 180º换位,原来 A 位卷针 12上已经卷绕成型的芯体进入了 B 工位,原来 B 位上空着的卷针 16进 入到 A 工位进行新一轮的卷绕。在 A 位卷绕的同时,B 位上的成型芯体开始在 B

56、 位电机 2驱动下进行胶 布封贴的工序。 这样, 双针换位卷绕结构保证了芯体的胶布贴封和下一个芯体的卷绕同时进行, 使同等 生产条件下的生产效率大约提高了一倍。图 3.10 双针换位卷绕结构示意图Fig. 3.10 Schematics of double-procedure system for convolutionAA 卷绕工位; BB 卷绕工位; 1A 位卷绕电机; 2B 位卷绕电机; 3换位电机; 4卷针进给气 缸; 5、6、7联轴器; 8主旋转轴; 9换位执行结构; 10A 位传动齿轮副; 11旋转套;12A 位卷针; 13A 位旋转联结头; 14B 位旋转联结头; 15B 位传动

57、齿轮副; 16B 位卷针;3-5-3 芯体卷绕机构的具体结构分析及设计在图 3.10所示结构的基础上,本文对双针换位结构进行了试验论证和分析。在试验中验证了该结构原理上的可行性, 但同时也反映出了一些具体的结构不合理、 稳定性不理想 等缺陷。本文在试验分析的基础上尽可能地作出了改进。1、 卷绕电机的选择如图 3.10中卷绕部分所示,本文设计由卷绕电机通过联轴器、齿轮副传动旋转套,再由旋转套通 20河北工业大学硕士学位论文过滑动键传动给卷针,驱动卷针旋转完成芯体卷绕动作或胶布封贴动作。本文中卷绕电机需要完成间歇启停的动作, 并且要严格控制卷针的旋转的速度和精确控制旋转的圈 数 14。综合本文中芯体卷绕的要求,拟选用三菱机电的伺服电机。本文中卷绕电机在选取时需要考虑 到芯体卷绕的功率, 另一方面, 由于芯体卷绕时的放卷机构为隔膜放卷装置, 还要和隔膜放卷机构中的 磁粉离合器进行功率匹配。 实际电池芯体是料带按照阿基米德螺旋线卷绕而成,则有:02r r =+ (3