電化學電池單元的纏繞式電極組件及製造其的方法和裝置與流程

2023-05-26 21:30:21

本公開涉及一種包括螺旋纏繞式電極組件的電化學電池單元以及以螺旋構造纏繞該電極組件的方法。具體地，本公開涉及包括當在橫截面中觀察時具有多邊形形狀的螺旋纏繞式電極組件的電化學電池單元，以及螺旋纏繞該電極組件以使其具有多邊形形狀的方法。

背景技術：

電池組為從可攜式電子設備到可再生動力系統和環保車輛的各種技術提供電力。例如，混合電動車輛（hev）結合內燃發動機使用電池組和電動馬達以提高燃料效率。電池組由多個電池模塊形成，其中每個電池模塊包括若干電化學電池單元。模塊內的電池單元串聯或並聯地電連接。同樣地，電池組內的電池模塊串聯或並聯地電連接。

與常規混合電動車輛一起使用的一些電池組被設計成提供相對高的電壓，例如400伏特（v）。為了實現該高電壓，電池組包括數百個電化學電池單元，且因此會非常大。為了減小電池組的空間需求，期望改善電池組、模塊和電池單元內的空間利用（容積效率）。

已經出現不同的電池單元類型以便應對多種多樣的安裝情況的空間需求，並且在汽車中所使用的最常見的類型是圓筒形電池單元、多邊形（即稜柱形）電池單元和軟包電池單元。不論電池單元的類型如何，每個電池單元均可以包括電池單元殼體和布置在電池單元殼體中的電極組件。電極組件可以設置成例如呈堆疊構造或卷繞構造。堆疊構造可包括與負極板交替並且由中間分隔件板（separatorplate）分開的一系列堆疊的正極板。卷繞構造可包括由與細長的負電極堆疊並且由分隔件分開的細長的正電極形成的電極對。卷繞構造可通過將電極對纏繞在心軸上來形成。例如，可以使心軸圍繞纏繞軸線旋轉，並且電極對被纏繞在心軸上。心軸的橫截面形狀通常為圓形，並且纏繞在其上的電極對形成具有圓筒形形狀的繞組。儘管具有矩形或扁平形狀的主軸已經被用於嘗試形成具有矩形橫截面形狀的繞組，但是所得的繞組的外層會具有圓角，其中圓角的半徑隨繞組的匝數增加。

包括纏繞式電極組件的多邊形電池單元的體積效率相對於其它構造而言是低的，因為電極組件可包括不填充多邊形電池單元殼體的內角的圓角。存在對於包括卷繞式電極組件的多邊形電池單元的內部體積的改進的使用的需要。

技術實現要素：

在一些方面，電化學電池單元包括布置在電池單元殼體內的電極組件。電極組件由包括正電極、負電極和布置在正電極和負電極之間的分隔件的堆疊電極對形成。電極對被設置成呈螺旋纏繞構造，其包括布置在相鄰線性部分之間的相交部處的角部分。具體地，電極對被布置成形成多邊形螺旋纏繞構造，其中多邊形螺旋纏繞構造的每匝的角部分的半徑是恆定的，而與匝數無關。此外，繞組的一匝的線性部分的長度不同於繞組的另一匝的線性部分的長度。因此，電化學電池單元可包括具有可變長度和恆定半徑的繞組，即，每匝的角部分的半徑保持恆定，而不論匝數如何，並且線性部分的長度變化。因此，能夠將繞組的最外層的角部分的半徑設定為對應於期望的多邊形形狀。例如，能夠形成矩形繞組以便在具有高容積效率的稜柱形電池單元殼體中使用。

這能夠與一些常規纏繞式電極對相比較，常規纏繞式電極對中線性部分的長度不隨每一匝改變，而且每個角的半徑隨每一匝增加。以下等式（等式1）可指導這種常規纏繞式電極對：

（等式1）：繞組的長度＝（a*邊長*n）+（b*2*σ*r*n*ø/360）

在等式1中，

a=多邊形的邊數（假設所有邊相等）

b=多邊形的角的數量，其中術語「角」指代對應於兩個相鄰邊的相交部的區域

r=角的半徑

ø=角的角度

n=匝數

r=σnr

將觀察到的是，在這種常規纏繞式電極對中，在每一匝上，邊長均不改變，而且每個角的半徑增加因子nr（取決於該匝）。因此，這種常規纏繞式電極對能夠被認為具有恆定的長度和可變的半徑。隨匝數增加，半徑增加，並且因此電池單元殼體內的電極組件的容積效率降低。

在一些方面，電極組件包括堆疊的電極對。電極對包括正電極、負電極和布置在正電極和負電極之間的分隔件。電極對以多匝螺旋纏繞式構造設置，以形成包括布置在線性部分之間的角部分的繞組。繞組的每匝的角部分的半徑是恆定的，而不論匝數如何。

電極組件可包括以下特徵中的一個或多個：繞組的一匝的線性部分的長度不同於繞組的另一匝的線性部分的長度。繞組的單匝內的連續線性部分的長度沿從電極對的最外端朝向電極對的最內端的方向減小。

在一些方面，電化學電池單元包括布置在電池單元殼體內的電極組件。電極組件包括堆疊的電極對，該堆疊的電極對包括正電極、負電極和布置在正電極和負電極之間的分隔件。電極對以多匝螺旋纏繞式構造設置，以形成包括布置在線性部分之間的角部分的繞組。繞組的每匝的角部分的半徑是恆定的，而與不論匝數如何。

電化學電池單元可以包括以下特徵中的一個或多個：繞組的一匝的線性部分的長度不同於繞組的另一匝的線性部分的長度。繞組的單匝內的連續線性部分的長度沿從電極對的最外端朝向電極對的最內端的方向減小。

在一些方面，製造用於在電化學電池單元中使用的電極組件的方法包括以下方法步驟：提供正電極、負電極和布置在正電極和負電極之間的分隔件，所述正電極、所述分隔件和所述負電極以層疊構造設置以形成電極堆疊；並且以螺旋構造圍繞纏繞軸線纏繞電極堆疊，其中纏繞式電極堆疊的最外層被首先纏繞，並且纏繞式電極堆疊的最內層被最後纏繞。

所述方法可以包括以下特徵和/或額外步驟中的一個或多個：纏繞式電極堆疊的每個層被形成為具有角，並且最外層的角的半徑與後續被纏繞到最外層的層的半徑相同。所述方法包括：當在橫向於纏繞軸線的橫截面中觀察時，通過將多邊形形狀的繞組的最外層形成為多邊形形狀，將電極堆疊纏繞成具有螺旋構造的多邊形形狀的繞組。所述方法包括隨後在最外層的內側上設置額外層。當在橫向於纏繞軸線的橫截面中觀察時，每個額外層均具有多邊形形狀。所述方法包括提供具有螺旋構造的第二繞組，並將第二繞組電連接到多邊形繞組的最內端。第二繞組是沒有角的卷芯式（jellyroll）繞組。所述方法包括提供多邊形框架，並且纏繞電極堆疊的步驟包括沿框架的內表面疊加電極堆疊。疊加電極堆疊的步驟包括將電極堆疊連續地設置在框架內，使得每次將一層電極堆疊放置在框架的一側的框架的內表面上，並且以順序方式（serialmanner）放置在框架的n側中的每側上，並且電極堆疊的後續層被放置在層的內表面上。

在一些方面，一種裝置被配置為圍繞纏繞軸線纏繞材料以形成材料的螺旋體，其中當在垂直於纏繞軸線的橫截面中觀察時，螺旋體的最外層具有由n條邊限定的多邊形形狀，其中n是對應於多邊形形狀的邊的數量的整數，並且首先纏繞螺旋體的最外層，且最後纏繞螺旋體的最內層。所述裝置包括獨立的推動元件。推動元件的數量至少是多邊形形狀的邊的數量。每個推動元件均能夠相對於相鄰的推動元件運動，並且每個推動元件均被配置為應用於材料的一部分的面向內的表面，並沿遠離纏繞軸線的方向促動材料的所述部分。

所述裝置可以包括以下特徵中的一個或多個：所述材料包括電極對，電極對包括正電極、負電極和布置在正電極和負電極之間的分隔件。所述裝置還包括具有n個側壁的多邊形框架，並且推動元件被布置在框架內，並且能夠相對於框架運動。推動元件中的每個均被約束為沿從纏繞軸線徑向延伸的路徑運動，並且給定推動元件的路徑不同於其餘推動元件的路徑。推動元件包括分段心軸，心軸包括獨立節段。心軸在纏繞軸線上居中。每個節段均被約束為沿相對於纏繞軸線沿徑向方向延伸的軸線運動。心軸布置在具有n側和n個角的多邊形框架內，並且至少一些節段的外表面具有對應於角的半徑的半徑。節段的數量對應於2*n。推動元件中的每個均包括輥組件，該輥組件包括圍繞輥軸線自由旋轉的輥，並且每個輥軸線均平行於纏繞軸線。給定節段的輥軸線能夠相對於相鄰節段的輥軸線運動。輥沿平行於輥軸線的方向伸長。每個輥均被約束為沿相對於纏繞軸線沿徑向方向延伸的軸線運動。輥組件布置在具有n側和n個角的多邊形框架內，並且輥中的至少一些的外表面具有對應於角的半徑的半徑。輥組件的數量對應於2*n。輥組件中的每個均包括具有對應於輥軸線的縱向軸線的銷、圍繞該銷並相對於該銷旋轉的套筒，以及連接到銷的彈性元件，該彈性元件促使銷沿相對於纏繞軸線徑向向外的方向運動。框架包括布置在相鄰側壁的相交部處的角，並且推動元件中的至少一些被配置成促使材料進入框架的角內。

附圖說明

圖1是包括立方電池單元的陣列的電池組的部分分解透視圖。

圖2是立方電池單元的透視圖。

圖3是電極對的一部分的橫截面視圖。

圖4是如穿過圖2的線4-4觀察的圖2的立方電池單元的示意性橫截面視圖。

圖5是包括布置在框架中的分段心軸的纏繞裝置的一部分的俯視平面圖，其示出處於完全縮回位置的心軸。

圖6是圖5的纏繞裝置的一部分的俯視平面圖，其示出處於完全縮回位置的心軸，並且其中電極組件的一部分布置在心軸和框架之間。

圖7是圖5的纏繞裝置的一部分的俯視平面圖，其使用虛線箭頭示出心軸的節段的向外運動。

圖8是圖5的纏繞裝置的一部分的俯視平面圖，其示出處於完全前進位置的心軸，並且其中電極組件的一部分布置在心軸和框架之間。

圖9是圖5的纏繞裝置的一部分的俯視平面圖，其示出處於部分縮回位置的心軸，其中電極組件的一部分經由夾被固持成抵靠框架的內表面。

圖10是用於圖5的纏繞裝置的控制系統的示意圖示。

圖11是如穿過圖2的線4-4所觀察的替代性立方電池單元的示意性橫截面視圖，其示出布置在多邊形電極的中心的次級電極。

圖12是替代性纏繞裝置的透視圖，並且其中省略了遮蓋件以容許內框架、外框架和輥組件的可視化。

圖13是圖11的纏繞裝置的俯視平面圖。

圖14是另一種替代性纏繞裝置的俯視平面圖。

具體實施方式

參考圖1-3，電池組1是電力生成和存儲裝置，其包括電氣互連並以有條理的方式存儲在電池組殼體2內的電化學電池單元20。電池組殼體2包括容器部分3和可拆卸蓋4。電池單元20是鋰離子軟包電池單元，其包括電極組件60（圖3），該電極組件60與電解質一起密封在電池單元殼體21內以形成電力生成和存儲單元。在一些實施例中，成組的電池單元20可被捆束在一起以形成電池模塊（未示出），電池模塊相應地被存儲在電池組殼體2內。然而，在所示的實施例中，電池單元20不被捆束成模塊，而是直接電連接到電池組殼體端子6、7。在電池組殼體2內，電池單元20串聯或並聯地電連接。

每個電池單元20均包括由金屬層壓膜形成的多邊形軟包型電池單元殼體21。電池單元殼體21具有矩形形狀。在所示的實施例中，電池單元殼體21是立方形的，並且包括六個正交的表面。表面包括第一端22、與第一端22相對的第二端23、第一側24、鄰接第一側24的第二側25、鄰接第二側25並且與第一側24相對的第三側26，以及鄰接第三側26和第一側24的第四側27，該第四側27與第二側25相對。第一側24、第二側25、第三側26和第四側27中的每個均在第一端22和第二端23之間延伸，並且六個表面共同限定由電極組件60佔據的密封的內部空間。

參考圖3-4，布置在電池單元20中的電極組件60包括細長的正電極板61，該正電極板61與細長的負電極板62堆疊（例如，層疊）並且由中間細長的分隔件板63分開以形成電極對64。電極對64也可包括布置在正電極板61和負電極板62的一個或兩個面向外的表面上的額外分隔件板65。相比於電池單元整體厚度（例如，具有大約數十或數百mm的厚度），正電極板61和負電極板62非常薄（例如，具有大約0.095至0.145mm的厚度），並且因此在圖3和圖4中示意性地示出。

正電極61和負電極62中的每一個均具有層疊結構，以促進鋰離子的嵌入和/或運動。在所示的實施例中，正電極61由具有石墨塗層的銅形成，並且負電極62由具有鋰化金屬氧化物塗層的鋁形成。分隔件63、65由諸如三層聚丙烯-聚乙烯-聚丙烯膜的電絕緣材料形成。

電極對64被設置成呈多邊形螺旋纏繞式構造，在下文中被稱為繞組68。在所示實施例中，繞組68被設置成方形螺旋纏繞式構造，以對應於電池單元殼體21的方形橫截面形狀。

繞組68的每一匝均包括布置在四個線性部分71、72、73、74之間的四個角部分81、82、83、84，其中繞組68的每一匝的角部分81、82、83、84的半徑r是恆定的，而不論匝數n如何。此外，繞組的一匝（例如匝a）的線性部分71（a）、72（a）、73（a）、74（a）的長度不同於繞組68的另一匝（例如匝b）的線性部分71（b）、72（b）、73（b）、74（b）的長度。此外，單匝（例如匝a）內的連續線性部分71（a）、72（a）、73（a）、74（a）的長度沿從電極對64的最外端64（o）朝向電極對64的最內端64（i）的方向減小。

參考圖5-10，在電極組件60的製造期間，電極對64以一定模式圍繞纏繞軸線66連續地纏繞，其中繞組68的最外層被首先纏繞，並且繞組68的最內層被最後纏繞。此外，繞組68的最外層被形成為多邊形形狀，並且額外的層隨後被設置在先前層的內側上。每個額外層均具有多邊形形狀。

纏繞裝置100被用於形成繞組68的多邊形螺旋纏繞式構造。纏繞裝置100包括框架102和布置在框架102中的分段心軸120。在所示實施例中，框架102是具有側壁的多邊形管狀結構，所述側壁被設置成當在橫截面中觀察時形成閉合截面，並且框架102被定尺寸和設置成對應於電池單元殼體21的側壁24、25、26、27的尺寸和設置。在電池單元殼體21的橫截面為方形（例如，具有四條邊的多邊形）的所示實施例中，框架102是具有四個正交側壁103、104、105、106的方形管狀結構。此外，相鄰框架側壁的相交部限定四個角111、112、113、114，每個角111、112、113、114均具有內半徑r。

心軸120是包括能夠相對於彼此和框架102運動的各個節段122（例如，122a、122b、122c、122d、122e、122f、122g、122h）的圓筒形實體。每個節段122均具有扇形或截頭扇形的形狀，並且與其它節段122協作使用以在纏繞過程期間定位並且支撐電極對64。節段122的數量是期望的多邊形形狀的邊的數量a的兩倍。在以方形螺旋纏繞式構造設置繞組68的所示實施例中，數量a是四並且節段122的數量是八。存在兩種類型的節段122，其以交替方式設置以形成心軸120的外周邊。具體地，存在被配置成促使電極對64的部分進入相應的框架角111、112、113、114內的角節段122a、122c、122e、122g，並且存在被配置為朝向框架側壁103、104、105、106促動電極對64的其它部分的側節段122b、122d、122f、122h。至少角節段122a、122c、122e、122g具有面向框架的表面123，其彎曲以對應於框架角111、112、113、114的內半徑。在所示的實施例中，所有節段122a、122b、122c、122d、122e、122f、122g、122h均具有面向框架的表面，其彎曲以對應於框架角111、112、113、114的內半徑r。

在纏繞裝置100中，心軸120大體在框架102內居中，並且心軸120的一個節段122與框架側壁103、104、105、106或者框架角111、112、113、114中的每一個相關聯。節段122被配置為相對於心軸120的中心沿徑向方向延伸的線性路徑向外和向內運動。心軸120被取向成使得每個角節段122a、122c、122e、122g均沿相應框架角111、112、113、114中的相關聯的一個的半徑運動，並且使得每個側節段122b、122d、122f、122h均沿垂直於相應的框架側壁103、104、105、106中的相關聯的一個的方向運動。節段能夠在完全縮回位置（圖5）和前進位置（圖8）之間運動。在完全縮回位置中，節段122緊密地設置，使得每個節段122的側表面面向相鄰節段的側表面，並且節段122一起形成圓筒。在前進位置中，每個節段122均相對於縮回位置徑向向外運動，由此心軸120作為整體向外擴張。具體地，如下文所論述的，每個節段122均沿其徑向路徑向外運動，直到其毗鄰框架102的內表面109或固定的中介結構。

每個節段122均例如經由剛性臂（未示出）連接到致動器92（圖10）。致動器92被配置為通過提供所需的徑向運動來相對於框架定位節段122。致動器92可以是例如機械、機電和/或氣動裝置，並且可使用也控制電極對進給送裝置94的控制器90來控制致動器92。具體地，控制器90控制電極對64進給到纏繞裝置100內的速率、位置和/或張力。在使用中，經由進給裝置94使電極對64持續地進給於裝置100內，以便布置在心軸120和框架102之間。

在放置繞組68的初始匝68i之前，心軸120在縮回位置（圖5）中被布置在框架102的中心。為了形成初始匝68i，電極對64的前端64（o）連同鄰近前端64（o）的電極對64的部分64（p）被放置在框架102內，以便布置在心軸120和框架102的內表面109之間，並且以便大體環繞心軸120（圖6）。然後使節段122運動到前進位置（圖7、8）。各個節段122的運動引起電極對64的部分64（p）向外運動，並且電極對64的額外部分可被拉入框架102內。致動器92提供足夠的力以使電極對部分64（p）向外運動直到其毗鄰框架內表面109為止。結果，電極對部分64（p）沿框架內表面109的整個周邊毗鄰框架102的內表面，並且形成初始匝68i（圖8）。

在放置初始匝68i之後，使節段122縮回，使得在節段122的外表面和框架內表面109之間存在空間。在一些實施例中，電極對64具有足夠的結構完整性，其在節段122縮回時保持抵靠框架102處於適當位置。在其它實施例中，諸如夾115的固持器可被用於在節段122縮回時將電極對64固持在抵靠框架102的適當位置（圖9）。

框架內表面109上的繞組68的初始匝68i的層疊繼之以將添加的後續匝設在先前匝的相應內表面上。這通過以下方法實現：在框架102內交替放置電極對的額外部分64a，以便使其布置在心軸120和框架102的內表面109之間，從而大體環繞心軸120，進而使節段122運動到前進位置以便恰當地定位額外部分64a，並且然後使節段122縮回。可以持續地重複該程序，直到電極材料層填滿完全縮回的心軸120和框架102之間的空間。在一些實施例中，在電池單元20內使用期間，心軸120保持在繞組68內（圖4）。在其它實施例中，將心軸120從電極組件60移除，並且可以將第二電極組件160插入由於移除心軸120而產生的空位內。第二電極組件160可以是例如圓形或卵形卷芯組件，其與多邊形電極組件60形成電連接（圖11）。通過用電極材料填充空位，可以進一步改進電池單元20的體積效率。

在一些實施例中，在節段122的前進和/或縮回期間，可以使所有節段122同時且一致地運動（例如，所有節段同時向外運動，並且同時向內運動）。在其它實施例中，可以單獨地使每個節段122以順序方式運動。例如，可以單獨地和順序地使每個節段122以如在俯視平面圖中所見的順時針次序（即，一個節段122b在相鄰節段122a的運動之後運動）運動。

參照圖12和圖13，可使用替代性纏繞裝置200來形成多邊形繞組68。具體地，纏繞裝置200可被用於以一定模式圍繞纏繞軸線66持續地纏繞電極對64，其中首先纏繞繞組68的最外層並且最後纏繞繞組68的最內層，並且其中繞組68的每層均被形成為多邊形形狀。

纏繞裝置200包括外框架240、內框架102和若干輥組件230。內框架102和輥組件230被支撐在外框架240上，如下文進一步討論的那樣。外框架240包括第一平臺242和與第一平臺242間隔分開的第二平臺244。第二平臺244平行於第一平臺242，並且第一平臺242和第二平臺244的外周邊緣241對齊。

第一平臺242和第二平臺244大致相同，並且因此將僅詳細描述第一平臺242。在所示的實施例中，第一平臺242的外周邊緣241具有圓形輪廓，而且外周邊緣241不限於這種形狀。第一平臺242具有中央開口245。第一平臺中央開口245的直徑大於繞組60的多邊形形狀的最大對角線的尺寸，由此內框架102能夠安置在第一平臺中央開口245內。

此外，多個柱246從第一平臺242的面向外的表面243向外突出。柱246被用於支撐輥組件230，如下文進一步討論的那樣。柱246布置在中央開口245和外周邊緣241之間。此外，柱246圍繞中央開口245的周邊彼此等距地間隔分開。

第一平臺242包括疊加面向外的表面243的遮蓋件247。遮蓋件247的外周邊緣251具有與第一平臺242的外周邊緣241相同的大小和形狀。遮蓋件247包括具有比第一平臺中央開口245的直徑更小的直徑的中央開口248。在一些實施例中，電極對64可經由遮蓋件中央開口248進給到纏繞裝置200內。此外，遮蓋件247包括細長的引導槽249，該引導槽249被用於引導輥組件230的運動，如下文進一步討論的那樣。引導槽249的數量對應於柱246的數量。引導槽249被形成在遮蓋件247的面向內的表面中，並且沿徑向方向延伸。在所示的實施例中，引導槽249是在遮蓋件247的面向內的表面和面向外的表面兩者上均開放的通孔，並且具有略小於外周邊緣251和遮蓋件中央開口248之間的徑向距離的長度。當與第一平臺242一起組裝時，遮蓋件247被取向成使得每個柱246均與引導槽249中的對應的一個對齊並且被接收在其中。

相對於第二平臺244設置第一平臺242，使得第一平臺242的每個柱246和對應的引導槽249與第二平臺244的對應柱246和對應的引導槽249對齊。在一些實施例中，一對支杆250可定位在中央開口245的相對側上。支杆250在第一平臺242和第二平臺244的相應的面向內的表面之間延伸，並且維持第一平臺242和第二平臺244之間的空間和相對取向。

每個輥組件230均包括細長的圓筒形套筒234、延伸穿過套筒234並從套筒234的相對端突出的銷232、連接到銷232的第一端的第一卷簧236、以及連接到銷232的第二端的第二卷簧238，其中第二端與第一端相對。套筒234是剛性的，並且具有用於接合電極對64的表面的光滑外表面。套筒234具有小於或等於內框架102的角的半徑的半徑。套筒234圍繞銷232的縱向軸線自由旋轉。因此，每個輥組件230的銷232和套筒234協作以提供該組件的滾動元件。每個輥組件230的銷232和套筒234布置在第一平臺242和第二平臺244的中央開口245內，以便沿垂直於第一平臺242和第二平臺244的方向延伸。此外，每個輥組件230經由第一彈簧236和第二彈簧238連接到第一平臺242和第二平臺244中的每一個。具體地，對於每個輥組件230而言，第一彈簧236的一端連接到第一平臺242的面向外的表面上的柱246，並且第二彈簧238的一端連接到第二平臺244的面向外的表面上的對齊的柱246。

對於每個輥組件230而言，銷232的端部以及第一彈簧236和第二彈簧238中的每一個均安置在對應的引導槽249內。因此，每個輥組件230被約束為沿徑向方向沿對應的引導槽249運動，並且被配置成沿徑向向外方向促動滾動元件。

設在每個平臺242、244上的柱246的數量對應於輥組件230的數量，輥組件230的數量相應地取決於多邊形繞組的邊的數量。輥組件230的數量是多邊形的邊的數量a的兩倍。在繞組68被設置成呈方形螺旋纏繞式構造的所示的實施例中，數量a為四並且輥組件230的數量為八。

內框架102大致類似於上文關於圖5-8所描述的框架102，並且因此，不重複對內框架102的描述，並且使用公共附圖標記來指代公共元件。內框架102布置在外框架240內側。具體地，內框架102被可旋轉地支撐在第一平臺242和第二平臺244的中央開口245內。輥組件230被設置成使得套筒234由第一彈簧236和第二彈簧238被拉抵內框架內表面109。當使內框架102相對於外框架240圍繞纏繞軸線66旋轉時，套筒234圍繞銷232旋轉，從而容許套筒234保持與內框架內表面109接觸並沿內框架內表面109滾動。此外，當輥組件230沿循內框架內表面109的廓線時，其以往複方式沿引導槽249運動。

在使用中，電極對64的前端64（o）連同鄰近前端64（o）的電極對64的部分64（p）被放置在內框架102內，以便被布置在內框架內表面109和輥組件230之間。輥組件230用於將電極對64夾抵內框架內表面109。

當使內框架102相對於外框架240圍繞纏繞軸線66旋轉時，輥組件230相對內框架內表面109促動電極對64。例如，當內框架102相對於外框架240周期性地穿過某些相對取向時，輥組件230被定位在框架角111、112、113、114的每個中，以便形成繞組81、82、83、84的角部分。同時在該取向中，輥組件230被定位成抵靠框架壁103、104、105、106中的每一個。當內框架102繼續旋轉時，輥組件230沿框架壁滾動，以便在先前形成的匝的內表面上形成額外的多邊形形狀的匝。

當使內框架102旋轉時，電極對64的額外部分經由遮蓋件中央開口248被持續地進給或拉入纏繞裝置200內，並且置放在在先層的內表面上。內框架102的旋轉繼續，直到積聚的層的厚度引起輥組件230彼此毗鄰和/或其運動被阻止。在一些實施例中，第二電極組件160可被插入由於從繞組68移除輥組件230而產生的空位內。第二電極組件160可以是例如圓形或橢圓形卷芯式組件，其與多邊形電極組件60形成電連接（圖11）。通過用電極材料填充空位，可進一步改進電池單元20的體積效率。

在所示的實施例中，通過使用推動元件形成繞組68，該推動元件68相對支撐構件向外促動電極對的部分，其中該支撐構件可以是框架102的內表面或繞組68的在先層的內表面。然而，形成多邊形形狀的繞組的方法不限於使用推動元件，例如心軸節段122或輥組件230，以向外推動電極對64並將其推動成期望構造。例如，參考圖14，抽吸元件330可被用於通過將電極對64向外拉成期望的多邊形形狀來控制電極對64的外表面的位置。在該方法中，電極對64的前端64（o）連同鄰近前端64（o）的電極對64的部分64（p）經由抽吸元件330被向外拉成多邊形形狀，以形成繞組68的初始匝68（i）。後續的電極材料層以連續方式被添加到初始匝68（i）的外表面以形成多邊形繞組68。

在每個所示的實施例中，電極對64均被設置成呈螺旋纏繞式構造，其包括布置在相鄰線性部分71、72、73、74之間的相交部處的角部分81、82、83、84。具體地，設置電極對64以形成多邊形螺旋纏繞式構造，其中多邊形螺旋纏繞式構造的每一匝的角部分81、82、83、84的半徑r是恆定的，而無論匝數如何。此外，繞組68的一匝的線性部分71（a）、72（a）、73（a）、74（a）的長度不同於繞組68的另一匝的線性部分71（b）、72（b）、73（b）、74（b）的長度。由於繞組68的層（包括最外層）包括具有期望半徑r的角部分81、82、83、84，因此相對於使用常規繞組的一些多邊形電池單元，改善了包括電池單元殼體21內的繞組68的電極組件60的容積效率。

在所示實施例中，框架102是與分段心軸120協作使用以形成繞組68的管狀構件（例如，具有開放的相對端的構件）。然而，在其它實施例中，框架102可替代地被形成為具有被設置成呈具有一個封閉端的管的形式的多個側面（諸如開放盒的形狀）。在其它實施例中，框架102被省略，心軸120在電池單元殼體21封閉之前被放置在電池單元殼體21內，並且電池單元殼體21在製造期間執行框架102的功能。

在圖5-9中所示的實施例中，節段122可從1到2n順序地編號，並且奇數編號節段和偶數編號節段均具有限定外角的外周形狀，並且具有等於或小於框架角的半徑的半徑。然而，在一些替代性實施例中，奇數編號的節段具有限定外角的外周形狀，並且偶數編號的節段具有包括面向外的平坦部分的外周形狀，以對應於框架壁內表面的平坦形狀。

儘管電池單元20被描述為是立方的，但它們不限於是立方的，並且能夠具有任何多邊形形狀，包括但不限於三角形稜柱、矩形稜柱、五邊形稜柱等。如先前所述的那樣，框架100的形狀和尺寸被設定為與電池單元殼體21的形狀和尺寸相對應。例如，為了製造用於具有五邊形稜柱的形狀的電池單元殼體的繞組，當在橫截面中觀察時，框架100將具有五邊形形狀，並且具有對應於五邊形電池單元殼體的尺寸的尺寸。

儘管電池單元20被描述為是鋰離子電池單元，但電池單元20不限於這種類型的電池單元。例如，電池單元20可以包括電極材料和電解質的不同組合，包括鉛酸、鎳鎘（nicd）、鎳金屬氫化物（nimh）和鋰離子聚合物。

儘管所示的實施例包括二維的電池單元陣列，但是電池組1不限於具有二維電池單元陣列。例如，電池組可包括以三維陣列設置的電池單元。此外，在陣列中使用的電池單元的行和/或列的數量可以大於或少於如圖所示的數量，並且由具體應用的要求確定。

上文詳細地描述電池組和電池組殼體的選擇性說明性實施例。應當理解的是，本文僅描述被視為對於說明這些裝置而言所必需的結構。其它常規結構，以及電池組系統的附屬和輔助部件的結構被認為是為本領域技術人員所已知和理解的。此外，儘管上文描述了電池組和電池組殼體的工作示例，但是電池組和/或電池組殼體不限於上文描述的工作示例，而且可在不偏離如權利要求中所闡述的裝置的情況下進行各種設計變更。