卷绕装置的制作方法

卷绕装置
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2022年2月21日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2022-0022566号的优先权和权益，该韩国专利申请的全部内容通过引用合并于本文。
技术领域
3.本公开涉及一种能够在卷绕工艺中实时精确测量张力的卷绕装置。


背景技术：

4.在电池领域中，卷绕工艺(卷绕、解绕、再卷绕等)是指在切开电极板之后用适当的力卷绕正电极板、负电极板和/或隔膜的工艺。虽然直线卷绕的功能通过使用边缘位置控制(epc)等技术来实施，但是目前的情况是，其中用适当的力执行卷绕的短幅张力控制技术是困难的和不足的。
5.长幅(原材料、基本材料等)张力控制技术通常是众所周知的，但是短幅张力控制技术存在的问题在于现有传感器的应用是困难的或不可能的，这是由于所需的张力水平很低。该水平和相应张力水平的控制可能影响指数改善并且影响质量因素，从而导致电极组件或电极组的缺陷，诸如变形和裂纹。
6.在本背景部分中公开的以上信息仅用于增强对本公开的背景的理解，因此，它可能包含不构成现有技术的信息。


技术实现要素：

7.实施例涉及一种卷绕装置，该卷绕装置包括：控制器，用于确定与待卷绕的基板的张力分布对应的卷绕速度，并且用于输出与卷绕速度对应的电机控制信号；电动机，用于根据电机控制信号旋转卷绕芯以卷绕基板；以及张力传感器，张力传感器安装在被配置用以输送围绕卷绕芯卷绕的基板的传送辊上，用以实时精确地感测基板的张力值并将张力值提供给控制器。控制器根据张力值动态地控制电动机的卷绕速度。
8.在一些示例中，张力值可以包括平均张力值、张力周期和张力幅度。
9.在一些示例中，传送辊可以包括：固定杆，固定到卷绕装置并在纵向方向上凸出；延伸杆，在纵向方向上从固定杆凸出并延伸；以及旋转辊，可旋转地结合到延伸杆，旋转辊允许在张力下传送基板。
10.在一些示例中，张力传感器可以安装在固定杆上。
11.在一些示例中，张力传感器可以安装在固定杆的与延伸杆和旋转辊相邻的部分区域中。
12.在一些示例中，张力传感器可以包括测压元件或应变计。
13.在一些示例中，卷绕装置可以进一步包括用于将包括在张力值中的时间分量转换为频率分量以提供频率值的数据转换单元。
14.在一些示例中，卷绕装置可以进一步包括输入输出单元，该输入输出单元被配置
用以将待卷绕的基板的张力分布输入到控制器并用以输出张力值和频率值。
15.在一些示例中，当存在预设频率值之外的频率值时，控制器可以通过输入输出单元输出警告信号。
附图说明
16.通过参见附图详细描述示例性实施例，对于本领域技术人员而言，特征将变得显而易见，在附图中：
17.图1为示出根据本公开的卷绕用于示例性卷绕装置的示例性电极组件的示意图。
18.图2为示出根据本公开的示例性卷绕装置的机械配置的示意图。
19.图3为示出根据本公开的示例性卷绕装置中的示例性张力传感器的机械配置的示意图。
20.图4为示出根据本公开的实施例的示例性卷绕装置的电气配置的框图。
21.图5为示出由根据本公开的实施例的示例性卷绕装置中的示例性张力传感器测量的时间与张力之间的关系的图。
22.图6a和图6b为示出根据本公开的实施例的示例性卷绕装置中的数据转换单元的转换结果的图。
具体实施方式
23.提供本公开以向本领域技术人员更充分地描述本公开的实施例的方面。以下实施例可以以许多不同的形式实施并且不应被解释为限于本文阐述的示例实施例。相反，提供这些示例实施例是为了使本公开将是彻底和完整的，并将把本公开的方面和特征传达给本领域技术人员。
24.此外，在附图中，为了简洁和清楚，各种部件的尺寸或厚度被放大。相同的数字始终指示相同的元件。如本文所使用的，术语“和/或”包括相关联的所列物品中的一个或多个的任何和所有组合。此外，将理解，当元件a被称为“连接到”元件b时，元件a可以直接连接到元件b，或者在元件a与元件b之间可以存在中间元件c，使得元件a和元件b彼此间接连接。
25.根据实施例的控制单元(控制器)和/或其他相关装置或零件可以在普通商用计算机中操作，其包括中央处理单元、大容量存储装置(诸如硬盘或固态盘)、易失性存储装置、输入装置(诸如键盘或鼠标)和输出装置(诸如监视器或打印机)。
26.在实施例中，术语“短幅”可以指约3mm至约80mm的范围。此外，在本公开中，术语“低张力”可以指约10gf至约600gf的范围。在一个示例中，实施例可以涉及卷绕工艺，其中在切开电极板之后，约3mm至约80mm的范围内的正电极板、负电极板和/或隔膜用约10gf至约600gf的范围内的张力直线卷绕。
27.参见图1，示出根据实施例的卷绕用于示例性卷绕装置的示例性电极组件10的示意图被示出。
28.如图1中示出，在示例性电极组件10中，正电极板11、隔膜12和负电极板13结合到卷绕芯101的同时卷绕芯101可以在预定方向上旋转。这些物品可以以约卷芯形式被卷绕以完成电极组件10。在卷绕工艺之后，电极组件10可以与卷绕芯101分离。在一些示例中，隔膜12可以被另外地设置在正电极板11上方或负电极板13下方，然后被卷绕。在一些示例中，电
极组件10可以以卷芯形式被卷绕以容纳在袋、壳体或罐等中，然后密封，从而完成二次电池。
29.参见图2，示出根据本公开的实施例的方面的示例性卷绕装置100的机械配置的示意图被示出。为了便于说明，正电极板11、隔膜12和负电极板13现在将被统称为基板14。
30.如图2中示出，示例性卷绕装置100可以包括：调节器(dancer)102，用于将从解绕器提供的基板14的张力保持为预定值；卷绕芯101，用于卷绕从调节器102供应且具有恒定张力的基板14；以及一个或多个传送辊103、104、105、106、107，介于调节器102与卷绕芯101之间，用以改变供应基板14的方向。
31.在一些实施方式中，解绕器可以通过电动机的旋转将基板14解绕。此外，卷绕芯101可以通过电动机120(如图4中示出)的旋转对基板14进行卷绕。
32.在一些实施方式中，第一传送辊103和第二传送辊104可以被定位在相对位置，并且第三传送辊105可以位于第一传送辊103与第二传送辊104之间。第三传送辊105可以结合到调节器102。因此，经过第一传送辊103、第二传送辊104和第三传送辊105的基板14可以根据基于调节器102的可旋转中心轴线102a的旋转角度而具有恒定张力。
33.在一些示例中，张力传感器130可以直接结合到定位为最靠近卷绕芯101的第四传送辊106。在一些示例中，张力传感器130可以被配置为使得卷绕芯101的卷绕速度或旋转速度(即，电动机的旋转速度)可以通过实时精确地感测施加到第四传送辊106的张力值来动态地调节。在一些示例中，第五传送辊107可以进一步介于第四传送辊106与第二传送辊104之间。
34.参见图3，根据本公开的实施例的方面的示例性卷绕装置100中的示例性张力传感器130的机械配置被示出。
35.如图3中示出，传送辊(例如，第四传送辊106)可以包括：固定杆1061，其固定至卷绕装置100并在纵向方向(例如，固定杆1061的长度方向)上凸出；延伸杆1062，其在纵向方向上从(例如，远离)固定杆1061凸出并延伸；旋转辊1063，其可旋转地结合到延伸杆1062并允许在张力下输送基板14；以及端块1064，其结合到延伸杆1062的端部以防止旋转辊1063脱离。
36.在一些示例中，轴承可以介于旋转辊1063与延伸杆1062之间。基板14可以在旋转旋转辊1063的同时被传递到卷绕芯101。在一些示例中，基板14与旋转辊1063之间的接触区可以为旋转辊1063的总圆周的约1％至约50％。
37.在一些示例中，当基板14进入旋转辊1063的方向为上侧并且基板14离开旋转辊1063(也就是说，朝向卷绕芯101)的方向为下侧时，张力施加到基板14的方向可以为下侧。相应地，延伸杆1062和固定杆1061也可以承受在向下方向上施加的张力。
38.在一些示例中，张力传感器130可以安装在固定杆1061上。在一些示例中，张力传感器130可以安装在固定杆1061的与延伸杆1062和/或旋转辊1063相邻的部分区域中。在一些示例中，张力传感器130可以包括附接到固定杆1061的测压元件(例如，压电式测压元件)或应变计。
39.在一些示例中，当张力施加到基板14的方向为向下方向时，施加到基板14的张力可以通过将张力传感器130安装在固定杆1061的上侧被实时精确地感测。
40.在一些示例中，当延伸杆1062和固定杆1061由于施加到基板14的张力而自卷绕装
置100在向下方向上轻微弯曲(变形)时，张力传感器130可以感测这种微小应变(速率)。在一些示例中，张力传感器130可以将应变转换为张力值并将转换值输出。
41.在一些示例中，张力传感器130可以具有在约0.1g与约2g之间，或者更优选地在约0.1g与约1g之间的分辨率。相应地，张力传感器130可以具有高分辨率和高速响应特性，并且可以实时精确地感测基板14的张力。
42.参见图4，根据本公开的实施例的方面的示例性卷绕装置100的电气配置被示出。如图4中示出，根据本公开的实施例的方面的示例性卷绕装置100可以包括控制器110、电动机120和张力传感器130。在一些示例中，示例性卷绕装置100可以进一步包括数据转换单元140和/或输入输出单元150。
43.控制器110可以接收卷绕控制程序和张力分布并存储它们。控制器110也可以确定与待卷绕的基板14的张力分布对应的卷绕速度，并且可以将与卷绕速度对应的电机控制信号输出到电动机120。
44.在一些示例中，控制器110可以以查找表的形式或数学表达式的形式存储与张力分布对应的卷绕速度。在一些示例中，控制器110可以与电动机120、张力传感器130和数据转换单元140相互通信，并且可以接收并处理各种用户命令。在一些示例中，张力分布可以包括对于每个卷绕循环的张力值和对于每个张力值的卷绕速度。
45.电动机120可以根据电机控制信号以预定速度旋转卷绕芯101以卷绕基板14。在一些示例中，电动机120可以包括步进电机或伺服电机。在一些示例中，电动机120可以将旋转速度(或卷绕速度)提供(反馈)到控制器110。在一些示例中，如果电动机120的旋转速度高，则高张力可以施加到基板14，如果电动机120的旋转速度低，则低张力可以施加到基板14。
46.张力传感器130可以安装在输送提供在卷绕芯101上(例如，围绕卷绕芯101卷绕)的基板14的传送辊(例如，第四传送辊106)上，以实时精确地感测基板14的张力值(或者张力数据)。张力传感器130可以将感测的张力值提供到控制器110。在一些示例中，张力值可以包括张力平均值、张力周期和/或张力幅度。
47.以此方式，根据本公开的实施例的方面，电动机120(即，卷绕芯101)的卷绕速度(即，旋转速度)可以通过使用从张力传感器130获得的张力值来控制。例如，在实时精确地感测施加到传送辊(例如，第四传送辊106)的张力值之后，控制器110可以动态地同步并控制卷绕芯101的卷绕速度(或旋转速度)，使得施加到基板14的张力值匹配先前输入的张力分布。
48.数据转换单元140可以通过将包括在张力值中的时间分量转换为频率分量来提供频率值。在一些示例中，数据转换单元140可以包括快速傅里叶变换(fft)滤波器和/或卡尔曼滤波器。
49.输入输出单元150可以被配置用以预先将待卷绕的基板14的张力分布输入到控制器110中，并将张力值和频率值输出到屏幕。在一些示例中，当存在预设频率值之外的频率值时，控制器110可以通过输入输出单元150和/或单独的报警单元输出警告信号。
50.以此方式，根据本公开的实施例的方面，通过将包括时间分量的张力值转换为频率值，可以确定卷绕工艺是正常进行还是异常进行。
51.参见图5，时间与张力之间的关系可以由根据本公开的实施例的方面的示例性卷绕装置100中的示例性张力传感器130测量。在图5中，图5中示出的x轴表示时间(sec)，并且
y轴表示应变(με)。
52.如图5中示出，由张力传感器130感测的基板14的张力值可以包括平均张力值(
①
)、张力周期(
②
)和/或张力幅度(
③
)。
53.术语“平均张力值(
①
)”是指由张力传感器130感测的张力值的平均值。在根据本公开的实施例中，平均张力值可以小于约1με。术语“张力周期(
②
)”是指由张力传感器130确定的感测周期(即，与响应速度和分辨率相关)。在本公开的实施例中，张力周期可以为约0.1s至约0.3s。术语“张力幅度(
③
)”是指基于张力传感器130的带宽(带宽越高，越有利)。在本公开的实施例中，带宽可以为约-1με至约3με。此外，在本公开的实施例中，一个卷绕循环可以为约10秒。
54.以此方式，根据本公开的实施例，具有短幅和低张力的基板14的张力值可以被精确地感测，并且通过实时精确地获取三种类型的数据，诸如平均张力值、张力周期和张力幅度，可以更动态地控制卷绕的基板14的张力。
55.参见图6a和图6b，示出根据本公开的实施例的示例性卷绕装置100中的数据转换单元140的转换结果的图被示出。在图6a和图6b中，x轴表示频率(hz)，并且y轴表示幅度。
56.在一些示例中，如果一个卷绕循环为10秒并且正常的卷绕工艺正在进行，则主要出现10hz的峰值数据，如图6a中示出。然而，如果除了10hz的峰值数据之外另外出现例如60hz的峰值数据，如图6b中示出，则可以确定卷绕工艺中已出现问题，并且可能需要采取后续措施(例如，停止卷绕工艺并调整卷绕设备的参数)。
57.本公开的实施例的方面可以提供一种能够在卷绕工艺期间实时精确测量张力的卷绕装置，其中在具有短幅和低张力的基板(电极板和/或隔膜)的卷绕工艺期间生成的张力值被实时精确地测量并监视，并且基板的测量张力值和基板的卷绕速度动态地同步。
58.作为总结和回顾，如所公开的，常规卷绕工艺中的张力控制可以通过使用主要用于在电极板和/或隔膜的供应单元上保持张力的通用仪器和装置(诸如电位计和调节器)来执行。然而，存在卷绕工艺期间生成的实时张力不能被监视并控制的问题。
59.示例实施例已经在本文中被公开，虽然特定术语被使用，但是它们仅在通用和描述性意义上被使用并解释，而不是出于限制的目的。在一些情况下，如本领域普通技术人员在提交本技术时显而易见的，结合特定实施例描述的特征、特性和/或元件可以单独使用，或者与结合其他实施例描述的特征、特性和/或者元件组合使用，除非另有特别指示。相应地，本领域技术人员将理解，在不脱离如权利要求阐述的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种改变。

技术特征：
1.一种卷绕装置，包括：控制器，用于确定与待卷绕的基板的张力分布对应的卷绕速度，并且用于输出与所述卷绕速度对应的电机控制信号；电动机，用于根据所述电机控制信号旋转卷绕芯以卷绕所述基板；以及张力传感器，所述张力传感器安装在被配置用以输送围绕所述卷绕芯卷绕的所述基板的传送辊上，用以实时感测所述基板的张力值并将所述张力值提供给所述控制器，其中所述控制器通过使用所述张力值动态地控制所述电动机的所述卷绕速度。2.根据权利要求1所述的卷绕装置，其中所述张力值包括平均张力值、张力周期和张力幅度。3.根据权利要求1所述的卷绕装置，其中所述传送辊包括：固定杆，固定到所述卷绕装置并在纵向方向上凸出；延伸杆，在所述纵向方向上从所述固定杆凸出并延伸；以及旋转辊，可旋转地结合到所述延伸杆，所述旋转辊允许在张力下传送所述基板。4.根据权利要求3所述的卷绕装置，其中所述张力传感器安装在所述固定杆上。5.根据权利要求4所述的卷绕装置，其中所述张力传感器安装在所述固定杆的与所述延伸杆和所述旋转辊相邻的部分区域中。6.根据权利要求1所述的卷绕装置，其中所述张力传感器包括测压元件或应变计。7.根据权利要求1所述的卷绕装置，进一步包括用于将包括在所述张力值中的时间分量转换为频率分量以提供频率值的数据转换单元。8.根据权利要求7所述的卷绕装置，进一步包括输入输出单元，所述输入输出单元被配置用以将待卷绕的所述基板的所述张力分布输入到所述控制器并用以输出所述张力值和所述频率值。9.根据权利要求8所述的卷绕装置，其中当所述输入输出单元输出在预设频率值之外的频率值时，所述控制器通过所述输入输出单元输出警告信号。

技术总结
本公开涉及一种卷绕装置，该卷绕装置包括控制器，用于确定与待卷绕的基板的张力分布对应的卷绕速度，并且用于输出与卷绕速度对应的电机控制信号。该卷绕装置包括：电动机，用于根据电机控制信号旋转卷绕芯以卷绕基板；以及张力传感器，其安装在输送围绕卷绕芯卷绕的基板的传送辊上，用以实时精确地感测基板的张力值并将张力值提供给控制器。控制器通过使用张力值动态地控制电动机的卷绕速度。值动态地控制电动机的卷绕速度。值动态地控制电动机的卷绕速度。


技术研发人员：朴相起
受保护的技术使用者：三星SDI株式会社
技术研发日：2023.02.21
技术公布日：2023/8/23