(57)【要約】      （修正有）【課題】張力調節システムの低い応答性、及び巻き出しによる直径変化が反映されずに精密に制御できない問題点を解決するための二次電池製造装置のスプール制御システムの提供。【解決手段】二次電池の素材が巻き取られているロールを回転して巻き出させて巻き取り部に供給するスプール；前記スプールの回転速度を調節することができるように構成されるスプールモータ；巻き出される素材の巻き出し線束を測定するように構成される線束センサ；及び、前記素材の巻き出しによって前記ロールの減少された半径に対応して前記巻き出し線束を調節することができるように前記スプールモータの回転速度を制御する制御部；を含む二次電池製造装置のスプール制御システム。【選択図】図４
2018088411.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池の素材が巻き取られているロールを回転して巻き出させて巻き取り部に供給するスプール；
前記スプールの回転速度を調節することができるように構成されるスプールモータ；
巻き出される素材の巻き出し線束を測定するように構成される線束センサ；及び、
前記素材の巻き出しによって前記ロールの減少された半径に対応して前記巻き出し線束を調節することができるように前記スプールモータの回転速度を制御する制御部；を含む二次電池製造装置のスプール制御システム。
【請求項２】
前記制御部は、目標巻き出し線束の入力を受け、前記ロールの初期直径による前記スプールモータの初期回転速度を計算して前記スプールモータを駆動することを特徴とする請求項１に記載の二次電池製造装置のスプール制御システム。
【請求項３】
前記線束センサは、前記素材がスプールから巻き出された以後、移動する巻き出し線束を測定するエンコーダで構成され、
前記制御部は、前記巻き出し線束が前記目標巻き出し線束になるように前記スプールモータの回転速度を制御することを特徴とする請求項２に記載の二次電池製造装置のスプール制御システム。
【請求項４】
前記スプールの回転角を測定するように構成される角度センサをさらに含み、
前記ロールの直径は、
【数１】
2018088411.tif 000010
により計算されることを特徴とする請求項２に記載の二次電池製造装置のスプール制御システム。
【請求項５】
前記ロールの直径の変化による前記スプールの回転角速度は、
【数２】
2018088411.tif 000011
により計算されることを特徴とする請求項４に記載の二次電池製造装置のスプール制御システム。
【請求項６】
前記スプールから巻き出された素材に作用する張力測定センサからセンシングされた張力値と前記ロールの減少された半径値とを同時にセンシングして前記回転速度を制御することを特徴とする請求項５に記載の二次電池製造装置のスプール制御システム。
【請求項７】
前記ロールの直径を測定することができるようにレーザまたは超音波センサで構成されることを特徴とする請求項２に記載の二次電池製造装置のスプール制御システム。
【請求項８】
前記ロールから巻き出された素材が据え置きされて経由して所定範囲内のテンションが適用されるように構成されるダンサーをさらに含み、
前記制御部は、前記ロールの半径の減少によって前記スプールモータの回転速度を増加させて、
前記素材に作用する張力によって変化される前記ダンサーの角度に対応して前記スプールモータの回転速度を変化させるように制御することを特徴とする請求項２に記載の二次電池製造装置のスプール制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池製造装置のスプール張力制御システムに関し、より詳しくは、二次電池電極組立体の一素材が巻き取られているロールの巻き出し時、素材の張力を一定に維持するためのスプール張力制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、二次電池は、化学エネルギを電気エネルギに変換する放電と逆方向である充電過程を介して繰り返し使用が可能な電池であり、その種類では、ニッケル−カドミウム（Ｎｉ−Ｃｄ）電池、ニッケル−水素（Ｎｉ−ＭＨ）電池、リチウム−金属電池、リチウム−イオン（Ｎｉ−Ｉｏｎ）電池及びリチウム−イオンポリマー電池（Ｌｉ−Ｉｏｎ  Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｂａｔｔｅｒｙ、以下“ＬＩＰＢ”という）などがある。
【０００３】
二次電池は、正極、負極、電解質、分離膜で構成され、互いに異なる正極及び負極素材の電圧差を利用して電気を貯蔵及び発生させる。ここで、放電とは、電圧が高い負極から低い正極へ電子を移動させることであり（両極の電圧差ほど電気を発生）、充電とは、電子を再び正極から負極へ移動させることであり、このとき、正極物質は、電子とリチウムイオンを受容して元来の金属酸化物に返るようになる。即ち、二次電池は、充電される時、金属原子が分離膜を介して正極から負極へ移動することによって充電電流が流れるようになり、それに対し、放電される時、金属原子は負極から正極へ移動して放電電流が流れるようになる。
【０００４】
一方、このような二次電池の製造時、巻き取って製造する方式で大量生産が行われておる。このとき、各々の素材に作用する張力がバッテリ品質に大きい影響を及ぼすようになって張力を調節する必要性が発生された。このような張力制御装置に対し、大韓民国登録特許第１２６５１９６号に開示されている。しかし、このような張力制御装置は、ルーパーコントロールと張力コントロールが一つのバー（ＢＡＲ）により同時に行われるため、応答性が低く、かつ素材の巻き出しによる直径変化を考慮しない精密でない制御が行われて高速生産に適しない問題点があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】大韓民国登録特許第１２６５１９６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、従来の二次電池製造装置の張力調節システムの低い応答性及び巻き出しによる直径変化が反映されなくて精密に制御できない問題点を解決するための二次電池製造装置のスプール制御システムを提供することに目的がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題の解決手段として、二次電池の素材が巻き取られているロールを回転して巻き出させて巻き取り部に供給するスプール、スプールの回転速度を調節することができるように構成されるスプールモータ、巻き出される素材の巻き出し線束を測定するように構成される線束センサ、及び素材の巻き出しによってロールの減少された半径に対応して巻き出し線束を調節することができるようにスプールモータの回転速度を制御する制御部を含む二次電池製造装置のスプール制御システムが提供される。
【０００８】
ここで、制御部は、目標巻き出し線束の入力を受け、ロールの初期直径によるスプールモータの初期回転速度を計算してスプールモータを駆動するように構成される。
【０００９】
ここで、線束センサは、素材がスプールから巻き出された以後、移動する巻き出し線束を測定するエンコーダで構成され、制御部は、巻き出し線束が目標巻き出し線束になるようにスプールモータの回転速度を制御するように構成される。
【００１０】
また、スプールの回転角を測定するように構成される角度センサをさらに含み、ロールの直径は、
【数１】
2018088411.tif 000003
により計算される。
【００１１】
また、ロールの直径の変化によるスプールの回転角速度は、
【数２】
2018088411.tif 000004
により計算される。
【００１２】
一方、スプールから巻き出された素材に作用する張力測定センサからセンシングされた張力値とロールの減少された半径値とを同時にセンシングして回転速度を制御するように構成される。
【００１３】
また、ロールの直径を測定することができるようにレーザまたは超音波センサで構成される。
【００１４】
さらに、ロールから巻き出された素材が据え置きされて経由して所定範囲内のテンションが適用されるように構成されるダンサーをさらに含み、制御部は、ロールの半径の減少によってスプールモータの回転速度を増加させて、素材に作用する張力によって変化されるダンサーの角度に対応してスプールモータの回転速度を変化させるように制御する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明による二次電池製造装置のスプール制御システムは、素材の巻き出しによるロールの減少された半径を反映してスプールの回転速度を制御するようになるため、精密な制御が可能である。また、テンション変化によるダンサーの回転角変化を測定する前にあらかじめ直径を計算して回転速度を制御するようになるため、高速で精密にテンション制御が可能である。したがって、二次電池の生産性及び品質を向上させることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】従来二次電池巻き取り時の張力制御に対する概念図である。
【図２】本発明によるスプール制御システムのスプール及びダンサーが開示された図面である。
【図３】本発明によるスプールモジュールの斜視図である。
【図４】本発明による回転速度制御のブロック線図である。
【図５】素材の張力を調節するためのダンサー型張力制御装置の斜視図である。
【図６】従来技術と本発明による目標巻き出し速度とスプール回転速度を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施例に 二次電池製造装置のスプール制御システム に対して、添付図面を参照して詳細に説明する。また、以下の実施例の説明で各々の構成要素の名称は、当業界で他の名称で呼ばれる場合がある。しかし、これらの機能的な類似性及び同一性がある場合は、変形された実施例を採用しても均等な構成とみなすことができる。また、各々の構成要素に付加された符号は、説明の便宜のために記載される。しかし、これらの符号が記載された図面上の図示内容が各々の構成要素を図面内の範囲に限定するものではない。同様に、図面上の構成を一部変形した実施例が採用されても機能的な類似性及び同一性がある場合は、均等な構成とみなすことができる。また、当該技術分野の一般的な技術者において、当然含まれるべき構成要素と認められる場合、これに対しては説明を省略する。
【００１８】
図１は、従来二次電池巻き取り時の張力制御に対する概念図である。
【００１９】
図示されたように、二次電池の製造時には正極板、負極板、及び二つの分離膜が順序通りに重なって巻き取りが行われる。このとき、巻芯部の回転によって複数の素材を巻き取るようになって、巻き取り部の回転による素材の線速度が変わるようになる。これは巻芯の形状が原形でない楕円形または多角形である場合に偏差が一層大きく発生するようになる。
【００２０】
一方、各々の素材は、スプール１００から巻き取り部まで互いに異なる経路を介して移送され、最終的に適切なテンションを維持しながら巻き取られるように線束が制御される。素材のテンションは、連続的に供給される工程で各部分別に相対的な線束差によって発生することができ、したがって、適切なテンションを維持させることができるように経路上にドライビングローラなどが備えられて線束を増加させ、または直接テンションを調節することができるようにテンションバーなどが備えられる。
【００２１】
図２は、本発明によるスプール１００制御システムのスプール１００及びダンサーが開示された図面である。
【００２２】
二次電池製造装置のスプール１００モジュールは、スプール１００、スプールモータ２００、制御部３００を含んで構成される。スプール１００は、正極板、負極板、及び分離膜を各々ロールの形態で据え置きできるように構成される。二次電池を製造する時、連続的かつ効率的に製造できるように素材をロールの形態で供給して製造に利用するようになる。
【００２３】
二次電池の生産が開始されると、巻き取り部で巻き取られる量に比例してスプール１００では各々の素材を巻き出すようになる。このとき、巻き取り部で引っ張る引張力のみが作用される場合には、素材の経路が長くなることによってスプール１００から巻き出される前に過度な張力が作用することで、素材が破損される恐れがある。したがって、適切な張力が提供されながら素材が巻き出されるようにスプール１００が回転される。一方、このときの素材は、二次電池組立体を構成する正極板、負極板、及び分離膜を含むことができる。
【００２４】
図３は、本発明によるスプール１００モジュールの斜視図である。図示されたように、スプール１００モジュールは、スプール１００、スプールモータ２００、線束センサ、角度センサ、複数のアイドルローラ及び制御部３００を含んで構成される。
【００２５】
スプール１００は、ロール形態であり、巻き取られている素材が据え置きされるように構成され、フレームの面に垂直方向に突出されて形成される。このとき、ロールを据え置きして回転時に固定させることができるように中心部分にチャックが備えられる。一方、ロールが据え置きされた場合、素材の巻き出しによって変わる外径を測定することができるようにセンサが備えられる。
【００２６】
スプールモータ２００は、スプール１００と連結されてスプール１００に適切な回転力を伝達することができるように構成される。スプールモータ２００は、後述する制御部３００の入力によってスプール１００を適切な速度で回転させるように構成される。
【００２７】
線束センサは、スプール１００から巻き出された素材が移動する時に線束を測定することができるように構成される。素材ロールは、連続的な生産のために多い量が巻き取られており、二次電池の生産によって外径が大きく減少するようになる。したがって、スプール１００の回転速度と巻き出される素材の線束は、外径の変化が大きくなることによってその差が発生するようになり、このとき、素材の速度を正確に測定できるように構成される。一方、これを介して特定時間間隔から移動した素材の距離が導出される。
【００２８】
角度センサは、スプール１００の回転による角速度または回転角度を測定することができるように構成され、例えば、アブソリュートエンコーダ４００で構成されて絶対角を測定することができるように構成される。一方、このような角度センサは、一例に過ぎず、一定時間の間に相対的な角度を測定することができる多様な構成で適用される。
【００２９】
アイドルローラは、スプール１００から巻き出された素材が既設定された経路に沿って移動できるように素材を支持する。アイドルローラは、別途の駆動部なく素材の移動時に共に回転することで、素材に損傷を最小化しながら移動させることができる。
【００３０】
制御部３００は、線束センサ及び角度センサから測定された値をフィードバックし、素材の移動時、基準となる目標巻き出し速度で素材が移動できるようにスプールモータ２００の駆動力を制御する。一方、制御部３００は図示していないが、二次電池製造装置の全体制御部３００のうち、このような機能を遂行するマスター制御部３００で構成され、またはスプールモジュール１０のみを制御するスレーブ制御部３００が本機能を遂行するように構成される。
【００３１】
以下、本発明による二次電池製造装置のスプール１００制御システムの制御部３００の機能に対して詳細に説明する。
【００３２】
図４は、本発明による回転速度制御のブロック線図である。
【００３３】
図示されたように、制御部３００は、目標巻き出し線束の入力を受け、線束センサ及び角度センサから測定された現在素材の移動速度との差を計算し、変化されるべきスプール１００の回転速度を算出するようになる。
【００３４】
一方、現在スプール１００の回転速度をセンシングし、回転角速度の変化量を計算してこれを反映するようになる。
【００３５】
ここで、目標巻き出し線束はＶｌｉｎｅ、スプール１００の角速度はωｓｐｌ、スプール１００の直径はＤｓｐｌとすると、目標巻き出し線束で素材を巻き出すためにスプール１００が有するべき角速度Ｖｓｐｌは、下記の通りである。
【００３６】
【数３】
2018088411.tif 000005
【００３７】
このとき、ロールからの素材の巻き出しによって直径が段々減るようになり、これによる直径の値は、レーザセンサ、または線束、スプール１００の角度変化から計算される。一方、ここで、直径は、スプール１００の回転中心から素材ロールの最外殻面までの距離である。
【００３８】
変化されたロールの直径をレーザセンサで測定する場合、簡単に現在ロールの半径が測定されるため、以下では、素材の線束及びスプール１００の角度を測定して現在素材の半径を算出する方法に対して説明する。
【００３９】
素材の巻き出しによって線束センサでは以前ステップと現在スタッフでの累積移動量の差を求めるようになる。
【００４０】
【数４】
2018088411.tif 000006
【００４１】
また、以前ステップと現在スタッフでの回転角度の差は、下記の通りである。
【００４２】
【数５】
2018088411.tif 000007
【００４３】
なお、ロールの変化角と線束の関係によって、ロールの現在直径は、下記の数式により求められる。
【００４４】
【数６】
2018088411.tif 000008
【００４５】
したがって、ロールの直径の変化によって、目標線速を満たすためのスプール１００の回転速度は、下記の通りである。
【００４６】
【数７】
2018088411.tif 000009
【００４７】
これは素材の張力に作用する張力によって、回転線速を制御する前、一次的に素材の巻き出しによる直径の変化に対応してスプール１００の回転速度を制御することである。
【００４８】
結果的に、スプール１００に据え置きされている素材の種類及び厚さが多様に適用される場合にも、回転角と素材移動量によって減少される直径が算出されてこれを制御に反映するようになるため、使用によって順次にスプール１００の回転速度を増加させるようになって同じ巻き出し線束を維持することができるようになる。これは、結局、張力を一定に維持させることができる速度制御となる。
【００４９】
図５は、素材の張力を調節するためのダンサー型張力制御装置の斜視図である。このとき、スプール１００から巻き出された素材は、所定の経路を経るようになり、このとき、張力測定センサが備えられて素材に作用する張力を測定するようになる。
【００５０】
一方、張力が測定され、基準張力より高い張力が測定される場合、直ちにスプールモータ２００の回転速度を増加させて素材を緩くし、それに対し、基準張力より低い張力が測定される場合、直ちにスプールモータ２００の回転速度を減少させて素材をきつくして張力を増加させる補償制御が行われるようになる。このような張力測定センサが図５のようにダンサー型で構成され、一側が固定されてピボット動きで角度を制御する時、ダンサーがスプール１００側に傾くと、張力が低くなった場合であるため、回転速度を低くする。また、ダンサーがスプール１００側に遠ざかる角度に傾くと、張力が増加された場合であるためスプール１００の回転速度を増加させるようになる。
【００５１】
この場合にも、素材の使用によって、回転速度変化による線束の変化が著しく変わることができる。即ち、ロール素材の初期と末期に同じ回転量による巻き出される長さが大きく変わるため、ロール素材の使用によって、スプール１００の回転角は、段々大きく制御されなければならない。したがって、本発明による直径の変化を算出して張力制御と同時に活用されると、より正確な張力制御も行われるようになる。このとき、張力の測定による回転速度制御は、一般的なＰＩＤ制御を介して実行される。
【００５２】
即ち、一次的に直径の変化を測定して先補償し、これによって張力の変化が必要な場合、回転速度を二次的に変化させて制御することで、目標巻き出し線束の追従性能が向上する。
【００５３】
図６は、従来技術と本発明による目標巻き出し速度とスプール１００回転速度を示すグラフである。
【００５４】
従来ダンサーの角度変化のみをセンシングしてスプール１００の速度を制御する時（ａ）、本発明によって張力とロールの直径変化を同時に測定してスプール１００の速度を制御する時（ｂ）の素材の巻き出し速度とスプール１００の回転速度が図示されている。
【００５５】
図６（ａ）に示すように、生産が開始されると、素材の移動速度である目標巻き出し速度を追従することができるようにスプール１００の回転速度が増加するようになる。このとき、時間の経過によってスプール１００の回転速度も増加するようになる。これは張力の変化のみを測定して張力の増減によって回転速度を制御するようになって、その変動幅が非常に大きく、巻き出し速度の変化の振動周期も非常に短く現れる。ここで、素材は、連続的に供給されるため、巻き出し速度の変化量は、張力の変化量の傾向と同じまたは類似するようになる。したがって、持続的に張力の変化が大きく、かつ頻繁に行われて二次電池の生産品質に悪影響を及ぼすようになる。また、素材が巻き取り部まで連結されて持続的な張力変化が発生するようになると、スプールモジュール１０以外の多様な作業が行われるモジュールにも影響を及ぼすようになるため、全体的な制御に不要なリソースが浪費される。
【００５６】
それに対し、図６（ｂ）を参照すると、スプール１００の回転速度が素材の使用によって減少された直径（半径）を反映して先補償して回転速度を増加することができるようになる。この場合、一定に線束を維持することができる。これと同時に、張力の変化に対応して回転速度を制御するようになる場合、既に先反映された回転速度に変化があって張力変化周期も長くなるようになり、張力の変化幅も減少するようになる。
【００５７】
以上で説明した二次電池製造装置のスプール１００制御システムは、素材の使用による直径変化をあらかじめ反映することで、一次的にスプール１００の回転速度を変化させて一定の巻き出し速度を維持することができ、瞬間的に変化される張力の変化に対応して二次的に回転速度を変化させることができ、一定の張力を維持しながら素材を巻き出させることができるため、二次電池の品質を大きく向上させることができる。また、高速生産時にも素材の張力変化量を最小化することができため、生産性を大きく向上させることができる効果がある。
【符号の説明】
【００５８】
１０  スプールモジュール
１００  スプール
２００  スプールモータ
３００  制御部
４００  エンコーダ
４１０  ダンサー
Ｖｌｉｎｅ  目標巻き出し線束（ｍｍ/ｓｅｃ）
ωｓｐｌ  スプールの基本角速度（ｄｅｇ/ｓｅｃ）
Ｄｓｐｌ  スプール直径
Ｌ′  以前スプール半径計算時、エンコーダまたはドライビングローラの進行長さ
Ｌ″  現在エンコーダまたはドライビングローラの進行長さ
Ａ′  以前スプール半径計算時、スプールの角度（ｄｅｇ）
Ａ″  現在スプールの角度（ｄｅｇ）
【図１】
2018088411.tif 000012
【図２】
2018088411.tif 000013
【図３】
2018088411.tif 000014
【図４】
2018088411.tif 000015
【図５】
2018088411.tif 000016
【図６】
2018088411.tif 000017