Общее соотношение решения для расчета размеров полюсных пластин цилиндрических батарей

Общее соотношение решения для расчета размеров полюсных пластин цилиндрических батарей

Литиевые батареи можно разделить на квадратные, мягкие и цилиндрические в зависимости от методов их упаковки и формы. Среди них цилиндрические батареи имеют такие основные преимущества, как хорошая консистенция, высокая эффективность производства и низкие производственные затраты. История их разработки насчитывает более 30 лет с момента их создания в 1991 году. В последние годы, с появлением технологии Tesla с полностью полюсными ушками, применение больших цилиндрических батарей в области силовых батарей и хранения энергии ускорилось, став исследовательской точка доступа крупных компаний, производящих литиевые батареи.

Рисунок 1. Сравнение производительности литиевых батарей различной формы на одиночном и системном уровнях.

Цилиндрический корпус батареи может представлять собой стальной корпус, алюминиевый корпус или мягкую упаковку. Его общей особенностью является то, что в производственном процессе применяется технология намотки, которая использует намоточную иглу в качестве сердечника и заставляет намоточную иглу вращаться, чтобы наслаивать и оборачивать изолирующую пленку и пластину электрода вместе, в конечном итоге образуя относительно однородный цилиндрический намоточный сердечник. Как показано на следующем рисунке, типичный процесс намотки выглядит следующим образом: сначала намоточная игла зажимает диафрагму для предварительной намотки диафрагмы, затем отрицательный электрод вставляется между двумя слоями изолирующей пленки для предварительной намотки отрицательного электрода. а затем вставляется положительный электрод для высокоскоростной намотки. После завершения намотки режущий механизм разрезает электрод и диафрагму и, наконец, на конец накладывается слой скотча для фиксации формы.

Рисунок 2: Принципиальная схема процесса намотки.

Контроль диаметра сердечника после намотки имеет решающее значение. Если диаметр слишком велик, его невозможно собрать, а если диаметр слишком мал, произойдет потеря места. Поэтому точный расчет диаметра сердечника имеет решающее значение. К счастью, цилиндрические батареи имеют относительно правильную геометрию, и окружность каждого слоя электрода и диафрагмы можно рассчитать, аппроксимируя окружность. Наконец, общая длина электрода может быть суммирована для получения расчетной емкости. Накопленные значения диаметра иглы, количества слоев электродов и количества слоев диафрагмы представляют собой диаметр намотанного сердечника. Следует отметить, что основными элементами конструкции литий-ионных аккумуляторов являются расчет емкости и размер. Кроме того, посредством теоретических расчетов мы также можем спроектировать полюсное ухо в любом положении сердечника катушки, не ограничиваясь головкой, хвостом или центром, а также охватить методы проектирования многополюсного ушка и всех полюсных ушек для цилиндрических батарей. .

Чтобы изучить вопросы длины электрода и диаметра сердечника, нам сначала необходимо изучить три процесса: бесконечную предварительную намотку изолирующей пленки, бесконечную предварительную намотку отрицательного электрода и бесконечную намотку положительного электрода. Предположим, что диаметр иглы катушки равен p, толщина изолирующей пленки равна s, толщина отрицательного электрода равна a, а толщина положительного электрода равна c, все в миллиметрах.

• Бесконечный процесс предварительной намотки изоляционной мембраны

Во время процесса предварительной намотки диафрагмы одновременно наматываются два слоя диафрагм, поэтому диаметр внешней диафрагмы во время процесса намотки всегда на один слой больше толщины диафрагмы (+1 с), чем внутренняя диафрагма. Начальный диаметр внутренней диафрагменной обмотки равен конечному диаметру предыдущей обмотки, причем при каждой предварительной намотке диафрагмы диаметр сердечника увеличивается на четыре слоя толщины диафрагмы (+4с).

Приложение 1: Закон изменения диаметра при бесконечном процессе предварительной намотки изолирующей мембраны

• Бесконечный процесс предварительной намотки отрицательного электрода

Во время процесса предварительной намотки отрицательного электрода из-за добавления слоя отрицательного электрода диаметр внешней диафрагмы во время процесса намотки всегда на один слой больше, чем толщина внутренней диафрагмы и одного слоя отрицательного электрода ( +1s+1a), а начальный диаметр внутренней диафрагменной обмотки всегда равен конечному диаметру предыдущего круга. При этом при каждой предварительной намотке отрицательного электрода диаметр сердечника увеличивается на четыре слоя диафрагмы и два слоя толщины отрицательного электрода (+4s+2a).

Приложение 2: Закон изменения диаметра бесконечного процесса предварительной намотки пластины отрицательного электрода

Бесконечный процесс намотки пластины положительного электрода

В процессе намотки положительного электрода за счет добавления нового слоя положительного электрода начальный диаметр положительного электрода всегда равен конечному диаметру предыдущего круга, а начальный диаметр внутренней диафрагменной намотки становится конечный диаметр предыдущего круга плюс толщина одного слоя положительного электрода (+1с). Однако в процессе намотки внешней диафрагмы диаметр всегда всего на один слой больше толщины внутренней диафрагмы и одного слоя отрицательного электрода (+1s+1a). В это время отрицательный электрод предварительно наматывается для каждого круга. Диаметр сердечника катушки увеличивается на 4 слоя диафрагмы, 2 слоя отрицательного электрода и 2 слоя толщины положительного электрода (+4s+2s+2a).

Приложение 3: Закон изменения диаметра положительного электрода в процессе бесконечной намотки

Выше, путем анализа процесса бесконечной намотки диафрагмы и электродной пластины, мы получили картину изменения диаметра сердечника и длины электродной пластины. Этот метод послойного аналитического расчета позволяет точно определить положение ушек электродов (включая однополюсные, многополюсные и полнополюсные ушки), но процесс намотки еще не закончился. В этот момент пластина положительного электрода, пластина отрицательного электрода и изолирующая пленка находятся заподлицо. Основной принцип конструкции батареи заключается в том, чтобы изолирующая пленка полностью закрывала пластину отрицательного электрода. Отрицательный электрод также должен полностью закрывать положительный электрод.

Рисунок 3: Принципиальная схема конструкции катушки цилиндрической батареи и процесса замыкания.

Поэтому необходимо дополнительно проработать вопрос намотки сердечника отрицательного электрода и изолирующей пленки. Очевидно, что поскольку положительный электрод уже намотан, а до этого начальный диаметр положительного электрода всегда равен конечному диаметру предыдущего круга, то начальный диаметр диафрагмы внутреннего слоя заменяет конечный диаметр предыдущего круга. . Исходя из этого, начальный диаметр отрицательного электрода увеличивает толщину одного слоя диафрагмы (+1с), Увеличьте начальный диаметр внешней диафрагмы еще на один слой толщины отрицательного электрода (+1с+1а).

Приложение 4: Изменения диаметра и длины электрода и диафрагмы в процессе намотки цилиндрических батарей

На данный момент мы получили математическое выражение длины положительной пластины, отрицательной пластины и изолирующей пленки при любом количестве циклов намотки. Предположим, что диафрагма предварительно намотана m+1 циклов, отрицательная пластина предварительно намотана n+1 циклов, положительная пластина намотана x+1 циклов, а центральный угол отрицательной пластины равен θ°, центральный угол изоляции намотка пленки равна β°, то имеет место следующая зависимость:

Определение количества слоев электрода и диафрагмы не только определяет длину электрода и диафрагмы, что, в свою очередь, влияет на конструкцию емкости, но также определяет конечный диаметр сердечника катушки, что значительно снижает риск сборки сердечника катушки. Хотя мы получили диаметр сердечника после намотки, мы не учли толщину полюсного ушка и торцевой клейкой бумаги. Предполагая, что толщина положительного ушка равна tabc, толщина отрицательного ушка равна taba, а конечный клей составляет 1 круг, а область перекрытия позволяет избежать положения полюсного ушка с толщиной g. Следовательно, окончательный диаметр сердечника составит:

Приведенная выше формула представляет собой общее решение для расчета цилиндрических электродных пластин батареи. Он определяет длину электродной пластины, длину диафрагмы и диаметр сердечника катушки и количественно описывает взаимосвязь между ними, что значительно повышает точность проектирования и имеет большую практическую прикладную ценность.

Наконец, нам нужно решить проблему расположения ушек шеста. Обычно на одном полюсном наконечнике имеется одно или два или даже три полюсных уха, что представляет собой небольшое количество полюсных ушек. Вывод язычка приваривается к поверхности полюсного наконечника. Хотя это может в некоторой степени повлиять на точность расчета длины полюсного наконечника (не затрагивая диаметр), вывод вывода обычно узкий и оказывает незначительное влияние. Поэтому общая формула решения для расчета размеров цилиндрических батарей, предложенная в этой статье игнорирует эту проблему.

Рисунок 4. Расположение положительных и отрицательных положений ушей.

На приведенной выше схеме показано расположение наконечников полюса. Основываясь на ранее предложенном общем соотношении размеров полюсных наконечников, мы можем четко понять изменения длины и диаметра каждого слоя полюсных наконечников в процессе намотки. Таким образом, при расположении полюсных наконечников положительные и отрицательные наконечники могут быть точно расположены в заданном положении полюсного наконечника в случае одиночного полюсного наконечника, тогда как в случае нескольких или полных полюсных наконечников обычно требуется совместить несколько слоев полюсных наконечников. Исходя из этого, нам нужно только отклоняться от фиксированного угла каждого слоя наконечников, чтобы получить положение расположения каждого слоя наконечников. Поскольку диаметр намоточного сердечника постепенно увеличивается в процессе намотки, общее расстояние расположения наконечника изменяется примерно в арифметической прогрессии с допуском π (4s+2a+2c).

Для дальнейшего исследования влияния колебаний толщины электродных пластин и диафрагм на диаметр и длину сердечника катушки на примере большой цилиндрической ушной ячейки с полным электродом 4680, предполагая, что диаметр иглы катушки составляет 1 мм, толщина закрывающая лента 16 мкм, толщина изолирующей пленки 10 мкм, толщина пластины положительного электрода при холодном прессовании 171 мкм, толщина при намотке 174 мкм, толщина пластины отрицательного электрода при холодном прессовании 249 мкм, толщина при намотке составляет 255 мкм, а пластины диафрагмы и отрицательного электрода предварительно прокатаны на 2 оборота. Расчет показывает, что пластина положительного электрода намотана за 47 витков, длиной 3371,6мм. Отрицательный электрод после намотки намотан 49,5 раз, длиной 3449,7мм и диаметром 44,69мм.

Рисунок 5. Влияние колебаний толщины полюса и диафрагмы на диаметр сердечника и длину полюса.

Из приведенного выше рисунка интуитивно видно, что колебания толщины полюсного наконечника и диафрагмы оказывают определенное влияние на диаметр и длину сердечника катушки. Когда толщина полюсного наконечника отклоняется на 1 мкм, диаметр и длина сердечника катушки увеличиваются примерно на 0,2%, а когда толщина диафрагмы отклоняется на 1 мкм, диаметр и длина сердечника катушки увеличиваются примерно на 0,5%. Поэтому, чтобы контролировать постоянство диаметра сердечника катушки, колебания полюсного наконечника и диафрагмы должны быть максимально сведены к минимуму, а также необходимо собрать зависимость между отскоком пластины электрода и временем. между холодным прессованием и намоткой, чтобы облегчить процесс проектирования элемента.



Краткое содержание

1. Расчет емкости и диаметра являются логикой проектирования самого низкого уровня для цилиндрических литиевых батарей. Ключом к проектированию емкости является длина электрода, а ключом к проектированию диаметра является анализ количества слоев.
2. Расположение ушей на шесте также имеет решающее значение. Для многополюсных или полнополюсных конструкций с ушками выравнивание полюсных ушек может использоваться в качестве критерия оценки конструктивных возможностей и возможностей управления технологическим процессом аккумуляторного элемента. Метод послойного анализа может лучше удовлетворить требования к расположению и выравниванию положения ушка стойки.