電池芯組件裝配方法和設備與流程
2023-05-15 17:08:41
本發明電池芯組件裝配工藝，並更具體地，涉及一種電池芯組件裝配方法和設備。
背景技術：
目前層疊型二次鋰電池的裝配工藝有以下幾種：
一、Z型結構。先從料盒中取出一種正極或負極的電池極片，並放置在隔離膜上，然後將隔離膜180度折彎，再放上另一種電池極片，通過機械如此往復的進行Z字形運動，快速形成正極、隔離膜及負極相間層疊的效果。在重複一定次數，達到預定層疊層數後，將隔離膜切斷，收尾、貼膠下料。
二、卷繞式疊片。卷繞式疊片工藝方法是利用夾具或機械手將正負極片壓在隔膜上，利用卷繞裝置再進行一體翻轉，通過控制或輔助功能完成層疊工作，當完成預定層數層疊後裁斷即可。該方法極片被隔離膜緊繞，電池芯組件不易鬆散，精度也高於Z型疊片。但該工藝所涉及的設備涉及到卷繞裝置、隔膜送料裝置、極片給料裝置、送極片機械手以及切隔膜裝置，相應部件運行時均需考慮避讓、往返時間，因此疊片效率比Z型疊片更低。
三、制袋式疊片。制袋式疊片的工作原理是根據需要可以將正極極片或負極極片或兩種極片進行袋式保護，然後進行層疊。由於極片處於獨立的電子絕緣的隔離膜袋中，因此在工況下極片的膨脹收縮僅限於極片本身區域，不會象卷繞電池一樣影響到其他極片的空間。因而極片在充放電時不容易發生褶皺、彎曲、破裂、掉料等現象，電池性能更穩定，更適合作為動力電池使用。制袋式的方法發展至今已引申出有多種方式，如封裝方式有點焊式、熱封式、粘結式、熱壓熔接等，進料方式有託膜轉移式、卡槽定位式、貼膠式等。
然而，在現有制袋式疊片工藝中，制袋設置在疊片之前，需要單獨對每個極片進行制袋，現有的制袋工藝方法製作過程繁雜，工序操作多、因此電池芯組件裝配效率較低。
技術實現要素：
本發明提供了一種電池芯組件裝配方法和設備，能夠提高電池芯組件裝配效率。
一方面，提供了一種電池芯組件裝配方法，包括：極片放置步驟，在相互平行地布置在不同水平面的多個隔離膜走帶上的各預定位置固定正極極片和負極極片，固定在相鄰的兩層隔離膜走帶的對應的極片位置上的極片極性相反；疊帶步驟，將經過上述極片放置步驟的多個隔離膜走帶相互貼合進行層疊；層間固定步驟：對經層疊的隔離膜走帶的每個極片間區域的各層隔離膜沿隔離膜走帶的寬度方向進行層間固定，形成連續的多個極片袋；疊袋步驟：將每預定數量的連續的所述極片袋進行堆疊形成電池芯組件，其中，極片放置步驟中將正極極片和負極極片固定為使得在每個電池芯組件中相鄰的極片均由隔離膜隔開並且極性相反。
根據本發明的一個實施例，在層間固定步驟中，用夾具對每個極片間區域的各層隔離膜沿隔離膜走帶的寬度方向進行層間固定，在疊袋步驟之後還包括完成電池芯組件的封邊。
根據本發明的另一實施例，在層間固定步驟中，採用粘接、加壓、熱壓或超聲波焊接的方式對每個極片袋按需求進行封邊。
根據本發明的一個實施例，所述堆疊為卷繞堆疊，多個隔離膜走帶為2n+1個，n為自然數，在極片放置步驟中，在第一層隔離膜走帶上每隔對應於預定數量個極片袋的距離的位置處固定一個第一極性的極片，在各偶數層隔離膜走帶上連續地固定第二極性的極片，在其他奇數層隔離膜走帶上連續地固定第一極性的極片，第一極性與第二極性相反，第一極性為正極或負極。
根據本發明的實施例，在極片放置步驟中，所述堆疊為Z型堆疊，並且，在第二層隔離膜走帶上連續交替地固定不同極性的極片，或者在從第二層開始的每層隔離膜走帶上連續交替地固定不同極性的極片 並且固定在相鄰的兩層走帶隔離膜的對應的極片位置上的極片極性相反。
另一方面，本發明提供了一種電池芯組件裝配設備，包括：極片上料裝置、疊帶裝置、層間固定裝置、疊袋裝置以及與極片上料裝置、疊帶裝置、層間固定裝置以及疊袋裝置電連接的控制器，極片上料裝置構造為在所述控制器的控制下在相互平行地布置在不同水平面的多個隔離膜走帶上的各預定位置固定正極極片和負極極片；疊帶裝置構造為在所述控制器的控制下將放置有上述極片的多個隔離膜走帶相互貼合進行層疊；層間固定裝置構造為在所述控制器的控制下對經所述疊帶裝置層疊的隔離膜走帶的每個極片間區域的各層隔離膜沿隔離膜走帶的寬度方向進行層間固定，形成連續的多個極片袋；疊袋裝置構造為在所述控制器的控制下將每預定數量的連續的極片袋進行堆疊形成電池芯組件，其中，所述控制器配置為使得所述極片上料裝置在所述隔離膜走帶上將正極極片和負極極片固定為使得在每個電池芯組件中相鄰的極片均由隔離膜隔開並且極性相反。
根據本發明的一個實施例，層間固定裝置包括夾具以對每個極片間區域的各層隔離膜沿隔離膜走帶的寬度方向進行層間固定，該設備還包括：封邊裝置，其構造為在所述控制器的控制下完成電池芯組件的封邊。
根據本發明的另一個實施例，所述層間固定裝置為封邊裝置，其構造為採用粘接、加壓、熱壓或超聲波焊接對每個所述極片袋按需求進行封邊。
根據本發明的一個實施例，所述疊袋裝置構造為在所述控制器的控制下通過卷繞堆疊形成所述電池芯組件，所述多個隔離膜走帶為2n+1個，n為自然數，所述極片上料裝置構造為在所述控制器的控制下，在第一層隔離膜走帶上每隔對應於預定數量個極片袋的距離的位置處固定一個第一極性的極片，在各偶數層隔離膜走帶上連續地固定第二極性的極片，在其他奇數層隔離膜走帶上連續地固定第一極性的極片，其中第一極性與第二極性相反，第一極性為正極或負極。
根據本發明的另一實施例，所述疊袋裝置構造為在所述控制器的控制下通過Z型堆疊形成所述電池芯組件，所述極片上料裝置構造為 在所述控制器的控制下，在第二層隔離膜走帶上連續交替地固定不同極性的極片，或者在從第二層開始的每層隔離膜走帶上連續交替地固定不同極性的極片並且固定在相鄰的兩層走帶隔離膜的對應的極片位置上的極片極性相反。
本發明的實施例通過先在多層隔離膜走帶上進行極片放置，然後進行堆疊，由於採用的多層隔離膜走帶對極片進行隔離固定，避免了後續的抓取和夾入等操作，因此提高了電池芯組件的裝配效率。通過該裝配工藝方法及其設備，在同等設備成本條件下提升制袋疊片電芯的裝配速度。通過該裝配工藝方法及其設備，可以在同等疊片速度下實現兩種極片均處於隔離膜保護袋中，提升電池安全性能。同時該發明所提及的裝配設備具有很強的靈活性，可以在電芯中任意位置設置任意層數的隔離膜，或控制電芯中任意位置極片袋的形狀及大小。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對本發明實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹。顯而易見地，下面所描述的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為根據本發明的另一實施例的電池芯組件裝配設備的示意圖；
圖2為根據本發明的一個實施例的電池芯組件裝配方法的示意性流程圖；
圖3為根據本發明的一個實施例的電池芯組件的側視圖；
附圖標記說明
1-塗膠裝置
2-抓取裝置
3-疊帶輥
4-控制器
5-張力輥
6-壓輥
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明的一部分實施例，而不是全部實施例。
圖1為根據本發明的一個實施例的電池芯組件裝配設備的示意圖。圖1的設備包括：
極片上料裝置、疊帶裝置、層間固定裝置以及疊袋裝置以及與極片上料裝置、疊帶裝置、層間固定裝置以及疊袋裝置電連接的控制器。
極片上料裝置構造為在所述控制器的控制下在相互平行地布置在不同水平面的多個隔離膜走帶上的各預定位置固定正極極片和負極極片；
疊帶裝置構造為在所述控制器的控制下將放置有上述極片的多個隔離膜走帶相互貼合進行層疊；
層間固定裝置構造為在所述控制器的控制下對經疊帶裝置層疊的隔離膜走帶的每個極片間區域的各層隔離膜沿隔離膜走帶的寬度方向進行層間固定，形成連續的多個極片袋；
疊袋裝置構造為在所述控制器的控制下將每預定數量的連續的極片袋進行堆疊形成電池芯組件，
其中，所述控制器配置為使得所述極片上料裝置在所述隔離膜走帶上將正極極片和負極極片固定為使得在每個電池芯組件中相鄰的極片均由隔離膜隔開並且極性相反。
具體地，極片上料裝置用來將極片放置到隔離膜走帶上的預定位置。可採用各種形式的極片上料裝置，例如，直接落料式、吸盤落料式、託膜轉移式、卡槽定位式及貼膠式等。以三層隔離膜走帶為例，圖1示出了貼膠式極片上料裝置，包括三個塗膠裝置1以及將負極和正極極片按設計精確抓取並放置在塗膠的隔離膜上的三個抓取裝置2。疊帶裝置用來將多層隔離膜進行堆疊。疊帶裝置可以包括雙輥進行疊帶，即，疊帶輥3和壓輥6。優選地可在疊帶雙輥前後設置輔助加壓、緩衝弧度的裝置，提升走帶順暢程度。如圖1所示，疊帶輥3前設有輔助的張力輥5。疊帶輥3上設有壓輥6，其中疊帶輥3和壓輥6至少設有一個為驅動輥。
層間固定裝置可以包括夾具，用夾具可以對每個極片間區域的各層隔離膜沿隔離膜走帶的寬度方向先進行固定，相應地，本發明的設備還包括在疊袋之後完成對電池芯組件封邊的封邊裝置。例如，將用於制袋的封邊裝置至於卷繞裝置、貼膠裝置及隔離紙裁切裝置的後方。具體的次序是先採用諸如夾具等的層間固定裝置進行層間固定，然後在完成疊袋後，卷繞機構配合制袋裝置運行後能運行至下料裝置上方，然後抽出條形夾，將完成的電池芯組件進行轉移。由於極片和隔離膜走帶之間是固定的，因此無需先進行制袋，而只需先層間固定，節省了裝配時間。
或者，層間固定裝置也可以是封邊裝置，其採用粘接、加壓、熱壓或超聲波焊接的方式對每個極片袋按需求進行封邊，例如僅將沿隔離膜走帶寬度方向的兩邊進行封邊，之後疊袋裝置直接對已經制袋完畢的電極袋進行堆疊。
封邊裝置可以是任何類型，例如膠黏、條狀熱封、電加熱點焊、超聲波點焊、熱壓熔接及雷射焊接等類型。制袋的形狀和大小也可根據需要任意設置。疊袋裝置用來將每預定數量的連續的多個極片袋進行重複堆疊，形成裝配的電池芯組件。
疊袋裝置可採用Z字型堆疊裝置、卷繞裝置等。
此外，該設備還可以包括出料裝置。用來將裝配完後相連的工件分割開並收集或直接送至下道工序。該出料裝置的分割的部分需集成在電池芯組件裝配設備的尾部，例如，剪切、模切、熔切、氣刀切割及雷射切割等裝置，分割後根據需求設置下料盒、傳送帶或其他機械裝置。
本發明的實施例通過先在多層隔離膜走帶上進行極片放置，然後在進行疊袋等操作，由於採用的多層隔離膜走帶先對極片進行了隔離固定，避免了後續的抓取和夾入等操作，因此提高了電池芯組件的裝配效率。換句話說,通過該裝配工藝方法及其設備，在同等設備成本條件下提升制袋疊片電芯的裝配速度。另外，通過該裝配工藝方法及其設備，可以在同等疊片速度下實現兩種極片均處於隔離膜保護袋中，提升電池安全性能。同時該發明所提及的裝配設備具有很強的靈活性，可以在電芯中任意位置設置任意層數的隔離膜，或控制電芯中任意位 置極片袋的形狀及大小。可選地，作為一個實施例，疊帶裝置在控制器4的控制下通過卷繞堆疊形成電池芯組件，並且多個隔離膜走帶為2n+1個，n為自然數，所述極片上料裝置構造為在所述控制器的控制下，在第一層隔離膜走帶上每隔對應於預定數量個極片袋的距離的位置處固定一個第一極性的極片，在各偶數層隔離膜走帶上連續地固定第二極性的極片，在其他奇數層隔離膜走帶上連續地固定第一極性的極片，其中第一極性與第二極性相反，第一極性為正極或負極。
應理解，當採用卷繞方法時需精確計算極片放置位置，卷繞外側的極片間距需相對內側的極片間距逐層增大。對於該卷繞的堆疊方式，諸如條形夾的裝置可以進行相同方向的反轉，因此堆疊速度最快，從而提高了裝配效率。
可選地，作為另一實施例，疊袋裝置在控制器4的控制下通過Z型堆疊形成電池芯組件，極片上料裝置構造為在所述控制器的控制下，在第二層隔離膜走帶上連續交替地固定不同極性的極片，或者在從第二層開始的每層隔離膜走帶上連續交替地固定不同極性的極片並且固定在相鄰的兩層走帶隔離膜的對應的極片位置上的極片極性相反。
具體地，疊袋裝置進行Z型堆疊可參考圖2的方法。由於本發明的Z型堆疊的過程中不涉及極片的抓取和夾入，因此與傳統Z型疊片不同。相比而言，這種Z型堆疊極片間空白隔離膜區域計算簡單，從而提高了裝配效率。
圖2為根據本發明的一個實施例的電池芯組件裝配方法的示意性流程圖。圖2的方法可用於解釋圖1的設備的各部分的功能及操作，該方法包括：
210、極片放置步驟，在相互平行地布置在不同水平面的多個隔離膜走帶上的各預定位置固定正極極片和負極極片，固定在相鄰的兩層隔離膜走帶的對應的極片位置上的極片極性相反。
應理解，在每層走帶上可以根據需要設置一層或多層隔離膜，預定位置可以根據後續的疊袋的方式來確定，隔離膜走帶的層數也是由後續的疊袋方式來確定。例如，如果是Z型堆疊，則可以在首層不設置極片，而在第二層隔離膜走帶上連續交替地固定不同極性的極片，或從第二層開始在每層隔離膜上交替地設置不同極性的極片並且固定 在相鄰的兩層走帶隔離膜的對應的極片位置上的極片極性相反，換句話說，在相同層上的相鄰極片極性不同；如果是卷繞堆疊，當隔離膜走帶為奇數層時，則在每層隔離膜走帶上設置的極片的極性相同，換句話說，相同層上的相鄰極片的極性相同。具體的一种放置方式例如為，在第一層隔離膜走帶上每隔對應於電池芯組件所包括的預定數量個極片袋的距離的位置處固定一個第一極性的極片，在各偶數層隔離膜走帶上連續地固定第二極性的極片，在其他奇數層隔離膜走帶上連續地固定第一極性的極片，第一極性與所述第二極性相反，第一極性為正極或負極。相鄰的隔離膜走帶之間的對應位置(大致為豎直方向)上的極片的極性是不同的。另外，極片放置的精確位置需根據下一步疊帶的位置進行反推計算，從而確保多層極片的位置重疊後無偏差。
220、疊帶步驟，將經過上述極片放置步驟的多個隔離膜走帶相互貼合進行層疊。
應理解，一般地，隔離膜走帶的層數越多，同時進行疊帶的層數也越多，效率就越高。具體而言，在進行疊帶之前，多層隔離膜走帶由互相平行逐漸貼近，同時，隔離膜在水平方向上的位置根據預先設計進行布置，以確保極片除極耳部分以外均處於隔離膜的包覆中。
230、層間固定步驟：對經層疊的隔離膜走帶的每個極片間區域的各層隔離膜沿隔離膜走帶的寬度方向進行層間固定，形成連續的多個極片袋。
應理解，層間固定可以制袋是制袋處理，即進行層疊後將隔離膜無極片空白區域進行多層一體制袋連接，使隔離膜間的極片均處於隔離膜形成的袋子中。在這種情況下，隔離膜袋至少有兩條邊處於封邊或局部封邊狀態，封邊的形狀或封點大小可以根據需求進行設計，本發明的實施例對此不作限定。制袋可以採用多種方法，例如，採用粘接、加壓、熱壓或超聲波焊接的方式對每個極片袋按需求進行封邊。
此外，層間固定還可以是用夾具對每個極片間區域的各層隔離膜沿隔離膜走帶的寬度方向先進行固定，相應地，在疊袋之後再完成對電池芯組件的封邊制袋。由於極片和隔離膜走帶之間是固定的，因此無需先進行制袋，而只需先層間固定，節省了裝配時間。
240、疊袋步驟：將每預定數量的連續的極片袋進行堆疊形成電池 芯組件。
其中，根據需要形成的電池芯組件中的極片數量、隔離膜走帶的層數來設計極片放置步驟210中的固定極片的各預定位置，將正極極片和負極極片固定為使得在每個電池芯組件中相鄰的極片均由隔離膜隔開並且極性相反。
應理解，如上文所描述的，諸如Z型或卷繞的堆疊方式與上述設置層數及極片放置的設計相關。此外，堆疊方式還可以是分割後堆疊，即設置多層走帶結構，最上層不放置極片，從第二層開始每層分別放置正負極極片，然後進行分割後堆疊，其中優選地設置三層的走帶結構。
此外，在疊袋之後，還可以包括出料步驟。若干層疊袋完成後，多工件仍處於相連狀態，需通過預先設定的隔離膜包紮貼膠以及分割操作。
本發明的實施例通過先在多層隔離膜走帶上進行極片放置，然後進行疊袋等操作，由於採用的多層隔離膜走帶對極片進行了隔離固定，避免了後續的抓取和夾入等操作，因此提高了電池芯組件的裝配效率。
還應理解，傳統的Z型疊片方法是目前使用最廣泛的疊片工藝方法，其缺點為：1)料盒、吸盤、壓刀等部件運行、避讓動作所需時間長，平均每疊一片需1.4s以上，全自動實現成本高；2)通過吸盤取片、定位，在一組電池芯組件完成前無固定工序，因此極片容易跑偏、卡位，生產控制難。3)形成的電池極片由一張隔離膜形成間隔功能，當局部極片體積發生變化會引起電池芯組件內部其他極片的受力變化，隔離膜可能受熱破裂、收縮，從而使電池極片接觸短路。由於本發明的Z型堆疊的過程中不涉及極片的抓取和夾入，因此與傳統Z型疊片不同。相比而言，這種Z型堆疊極片間空白隔離膜區域計算簡單，從而提高了裝配效率。
此外，對於卷繞的堆疊方式，諸如條形夾的裝置可以進行相同方向的反轉，因此堆疊速度最快，從而提高了裝配效率。對於分割後堆疊的方式，由於其針對多層的結構進行分割再堆疊，同樣提高了裝配效率。
應理解，當採用卷繞方法時需精確計算極片放置位置，卷繞外側 的極片間距需相對內側的極片間距逐層增大。
例如，以兩層隔離膜走帶為例，圖3示出了電池芯組件的側視圖。具體地，裝配成圖3所示的電池芯組件可進行如下操作，例如，在進行堆疊時，可以先將工件中連續的三個制袋區域通過條形夾壓住，並機械進行Z型翻轉至滿足層數需求。完成後三個夾具固定位置共同進行卷繞，利用隔離膜進行包紮。包紮完成後貼膠，切割隔離膜，並轉移電池芯組件至下料盒。
以上實施例僅為本發明的示例性實施例，不用於限制本發明，本發明的保護範圍由權利要求書限定。本領域技術人員可以在本發明的實質和保護範圍內，對本發明做出各種修改或等同替換，這種修改或等同替換也應視為落在本發明的保護範圍內。