方形电池卷绕双凸轮双侧双驱动卷绕 1

1、方形电池卷绕-双凸轮双侧双驱动卷绕方案方案制作人：杨春超一、 方案提出背景： 伴随着国家新能源建设的号召，国内锂离子动力电池也正发展的如火如荼。目前在动力锂离子电池主要采取两种形式：方形和圆形。综合各种因素，目前方形动力电池占比较大的比例，如天津力神和比亚迪等都在方形动力电池投入很大。在方形锂离子动力电池的卷绕过程中，始终存在一个很棘手的问题：在卷绕过程中，张力无法保持稳定，导致电池在芯部出现S形的问题，而S形的存在，会造成电池的失效和安全隐患。国内一些设备制造商也采取了一些办法，但都没有很好的解决，导致只能牺牲效率，来暂时满足电池安全性能的要求。卷绕过程如下图： 图一 目前国内厂家主要采取的

2、办法如下：第一种：电机恒速卷绕，通过电气比例调节阀，分阶段改变卷绕过程中的张力，实现卷绕过程。此种方法目前能达到的水平：1000mm长的极片，60mm宽的卷针，设备效率达到5-6ppm左右。合卷针的速度约60rpm。第二种：采用浮动卷绕头，实现卷绕的恒张力控制。第三种：通实时改变电机卷绕轴的转速，达到恒线速度卷绕，同时可以保证恒张力。但现实情况是，电机难以有如此快的响应时间，无法实现在实际中应用。本方案理论依据来源于第三种方案，主要是通过机械结构达到卷绕主轴的持续变速卷绕。二、 方案原理简介: 通过匀速转动的凸轮，带动齿条做变速运动。齿条再与齿轮（卷绕中心轴）配合，使齿轮座变转速的运动，完成卷

3、绕中心轴的变转速运动。原理图图下：图二如上，此方案如能将凸轮的曲线取值合理，则可以实现恒线速度卷绕，极片以恒定的速度卷入极组，因不存在速度的突变，则张力可保持恒定。方案中，因使用齿条，难以一个方向持续驱动卷绕中心轴，故在另一侧配置另一套凸轮齿条传动系统，配合磁粉离合器，交替驱动中心轴（类似接力驱动），从而实现卷针360度内恒线速度卷绕三、 方案实施过程： 下面配合实例介绍实现本方案的具体过程： 第一步：首先确定一些必要参数：1. 极片聚拢中心到卷绕中心距为80mm，聚拢中心简化为点。2. 卷针的宽度60mm，（设计中暂以无厚度计算，实际中可根据实际请况而定）。3. 传动齿轮直径均为60mm（模

4、数根据实际数据确定）4. 凸轮基圆直径200mm第二步：拟合凸轮的工作轮廓曲线。图三首先，根据极片长度与卷针角度的对应曲线M：（180度分成40份），因为卷绕过程中，极片一直在180度内，故只需次80内尺寸对应线即可。 表一序号距离序号距离序号距离 050.00 1573.91 30103.41150.15 1676.27 31104.64250.59 1778.61 32105.75351.31 1880.93 33106.74452.30 1983.21 34107.60553.53 2085.4435108.33654.98 2187.6236108.93756.63 2289.7337

5、109.40858.45 2391.7638109.73960.42 2493.7239109.931062.50 2595.59401101164.67 2697.361266.92 2799.041369.22 28100.611471.56 29102.07 根据测得的M曲线，按在齿轮的半周长内均分。得出在凸轮等角度下，齿条的理论移动距离。 将M曲线纵坐标等分，对应的横坐标以齿轮的半周成，并记录数据。图四表二序号凸轮直径变化值凸轮半径序号凸轮直径变化值凸轮半径序号凸轮直径变化值凸轮半径16.76 106.76 2642.69 142.69 51101.01 201.01 29.63 10

6、9.63 2743.93 143.93 52103.88 203.88 311.90 111.90 2845.18 145.18 53106.15 206.15 413.86 113.86 2946.44 146.44 54108.11 208.11 515.63 115.63 3047.73 147.73 55109.88 209.88 617.26 117.26 3149.02 149.02 56111.51 211.51 718.79 118.79 3250.34 150.34 57113.04 213.04 820.24 120.24 3351.69 151.69 58114.49 2

7、14.49 921.65 121.65 3453.07 153.07 59115.90 215.90 1023.01 123.01 3554.48 154.48 60117.26 217.26 1124.33 124.33 3655.92 155.92 61118.58 218.58 1225.63 125.63 3757.39 157.39 62119.88 219.88 1326.90 126.90 3858.92 158.92 63121.15 221.15 1428.15 128.15 3960.50 160.50 64122.40 222.40 1529.39 129.39 4062

8、.14 162.14 65123.64 223.64 1630.61 130.61 4163.85 163.85 66124.86 224.86 1731.82 131.82 4265.65 165.65 67126.07 226.07 1833.03 133.03 4367.55 167.55 68127.28 227.28 1934.23 134.23 4469.59 169.59 69128.48 228.48 2035.43 135.43 4571.79 171.79 70129.68 229.68 2136.63 136.63 4674.20 174.20 71130.88 230.

9、88 2237.83 137.83 4776.91 176.91 72132.08 232.08 2339.04 139.04 4880.11 180.11 73133.29 233.29 2440.25 140.25 4984.27 184.27 74134.50 234.50 2541.46 141.46 5094.25 194.25 75135.71 235.71 根据上表绘制凸轮的工作曲线：绘制过程图示简化后得凸轮轮廓线凸轮的变速升程曲线，在180度时，完成一个变化周期，180后，重复之前的升程变化。 经上述的过程，得出的凸轮结构即可近似满足恒线速度卷绕过程，可以跟据需要，绘制M曲线，和凸轮轮廓曲线，等分越密，越接近恒线速度卷绕过程。 需注意事项： 由于结构中采用磁粉离合器，来实现两个齿条的交替驱动卷绕轴，为避免在磁粉离合器的交替吸合和分离造成对卷绕轴的冲击，故延长凸轮的作用时间，待第二个齿条完全工作后，再分离第一个磁粉离合器。磁粉离合器，分离后，齿条进入回程。四、 方案演化及未尽事宜：1. 本方案也可采取延长凸轮的轮廓曲线，使一个凸轮升程过程中，实现卷绕轴多周变速卷绕。但受限于凸轮的外形尺