CN109299505A - 降低卷绕式动力电池衰减速率的极片设计方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了降低卷绕式动力电池衰减速率的极片设计方法及装置，由于电流致热和电流的平方成正比，因此如果集流体上电流的均匀程度较低，即使相同极耳的极片，集流体发热情况也各不相同，因此根据电池容量和放电倍率可确定正负极耳的数量，求取电池同等倍率下集流体发热最小的极耳位置设计即为最优设计。本发明通过建立物理模型和计算，得到了卷绕式动力电池极片极耳的最优设计位置，使集流体上电流的均匀程度处于最高水平，此时电池同等倍率下集流体发热最小，可提高动力电池能量转化效率和降低发热量，降低电池衰减速率。优选的，多极耳应设计在按极耳数目把极片均分的片段的正中部，根据极耳的数量确定不同极片上极耳的最优位置。

Description

降低卷绕式动力电池衰减速率的极片设计方法及装置
技术领域
本发明涉及卷绕式动力电池的技术领域，尤其涉及降低卷绕式动力电池衰减速率的极片设计方法及装置。
背景技术
锂离子电池性能优良，非常适合作为电动车的动力电池。在各种动力电池结构中有盒式结构、袋式结构和圆柱结构。在电池极片结构组合上盒式结构和袋式结构一般采用叠片式，圆柱结构的电池采用卷绕式。这些结构的动力锂离子电池适用于多种化学体系，如磷酸铁锂动力电池、三元材料动力电池、锰酸锂动力电池及其他潜在的电池体系。卷绕式结构电池优点是制造成本低、一致性好、组合方便；影响卷绕式电池性能的因素包括电池化学体系、电池极片活性物质涂覆参数，极片极耳数量和位置。
用于电子产品的圆柱电池正负极片通常采用单个极耳，但动力电池通常需要较高倍率充放电，或者需要较高容量，导致卷绕式电池极片较长，因此正负极片需要焊接多个极耳，实践证明卷绕式动力电池极片极耳焊接位置对动力电池中、高倍率性能有较大影响。如果极耳位置设计不合理，容易导致电池在充放电时极化增加，能量转换效率降低、电池发热增加等问题。
以卷绕式锂离子电池为例，型号有18650、22650、26650及32650等，由于电池设计要求不同，如高倍率型，中低倍率型和容量型，正负极片除了材料、配比、面密度和极片长度等参数不同外，其中正负极极片上引线(极耳)的数量和位置也均不相同，目前采用较多的为单极耳设计，大容量电池和高倍率电池一般采用多极耳设计，较多的为双极耳设计；极耳的位置也多种多样，如单极耳极片有在极片一端，或位于中间，或中间靠左，或中间靠右；双极耳极片有位于两端，或分布于极片中间其他位置，具体位置完全基于相关人员个人经验。由于电池极片长度等参数不同，因此如何确定极片上极耳的最优位置具有重要意义。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供降低卷绕式动力电池衰减速率的极片设计方法及装置，旨在解决卷绕式动力电池极片极耳焊接位置设计不合理容易导致电池在充放电时极化增加，能量转换效率降低、电池发热增加的问题。
本发明的目的采用以下技术方案实现：
一种降低卷绕式动力电池衰减速率的极片设计方法，包括：
模型建立步骤，建立卷绕式动力电池的极片模型；
数量确定步骤，根据卷绕式动力电池的电池容量和放电倍率，确定极片模型中极耳的数量n；n为正整数；
位置确定步骤，根据极片模型中极耳的数量n，获取卷绕式动力电池同等放电倍率下极片的集流体发热最小的n个位置，作为每个极耳的最优设计位置。
在上述实施例的基础上，优选的，所述位置确定步骤，具体为：
获取通过集流体上某一位置的电流I与该位置x的关系；
获取集流体上该位置的电阻R与该位置x的关系；
根据I、R，计算流过该位置的电流在该位置产生的热量W与该位置x的关系；
根据极耳的数量n、W与x的关系，求取卷绕式动力电池同等放电倍率下极片的集流体发热最小的n个位置，作为每个极耳的最优设计位置。
在上述实施例的基础上，优选的，所述位置确定步骤，具体为：
获取通过集流体上某一位置的电流I与该位置x的关系：I＝k1x；k1为第一定值；
获取集流体上该位置的电阻R与该位置x的关系：R＝k2x；k2为第二定值；
根据I、R，计算流过该位置的电流在该位置产生的热量W与该位置x的关系：W＝[k1k2/3]x3；以K＝k1k2/3，则W＝Kx3；
根据极耳的数量n、W与x的关系，求取卷绕式动力电池同等放电倍率下极片的集流体发热最小的n个位置，作为极耳的最优设计位置。
在上述实施例的基础上，优选的，当极耳的数量为1时，
以集流体的长度为1，极耳与第一端的距离为x；0<x<1；
x处集流体发热为：
W＝K(x3+(1-x)3)；
求取使W为极小值时的x作为极耳的最优设计位置，即，
令dW/dx＝K(6x-3)＝0，得到
则对于单极耳极片来说，极耳的最优设计位置位于极片中部。
或者，优选的，当极耳的数量为2时，
以集流体的长度为1，两个极耳与第一端的距离分别为x、y；0<x<y<1；
x、y处集流体发热之和为：
求取使W为极小值时的x、y作为两个极耳的最优设计位置，即，
令得到
则对于双极耳极片来说，两个极耳的最优设计位置位于极片的处、处。
或者，优选的，当极耳的数量为3时，
以集流体的长度为1，三个极耳与第一端的距离分别为a、b、c；0<a<b<c<1；
a、b、c处集流体发热之和为：
求取使W为极小值时的a、b、c作为三个极耳的最优设计位置，即，
令
得到
则对于三极耳极片来说，三个极耳的最优设计位置位于极片的处、处、处。
在上述任意实施例的基础上，优选的，极耳的最优设计位置位于按极耳数目n把极片均分的片段的正中部，即处、处、处、……处、处。
一种降低卷绕式动力电池衰减速率的极片设计装置，包括：
模型建立模块，用于建立卷绕式动力电池的极片模型；
数量确定模块，用于根据卷绕式动力电池的电池容量和放电倍率，确定极片模型中极耳的数量n；n为正整数；
位置确定模块，用于根据极片模型中极耳的数量n，获取卷绕式动力电池同等放电倍率下极片的集流体发热最小的n个位置，作为每个极耳的最优设计位置。
在上述实施例的基础上，优选的，所述位置确定模块用于：
获取通过集流体上某一位置的电流I与该位置x的关系：I＝k1x；k1为第一定值；
获取集流体上该位置的电阻R与该位置x的关系：R＝k2x；k2为第二定值；
根据I、R，计算流过该位置的电流在该位置产生的热量W与该位置x的关系：W＝[k1k2/3]x3；以K＝k1k2/3，则W＝Kx3；
根据极耳的数量n、W与x的关系，求取卷绕式动力电池同等放电倍率下极片的集流体发热最小的n个位置，作为极耳的最优设计位置。
在上述任意实施例的基础上，优选的，极耳的最优设计位置位于按极耳数目n把极片均分的片段的正中部，即处、处、处、……处、处。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明公开了降低卷绕式动力电池衰减速率的极片设计方法及装置，极耳数量的多少和位置等主要影响极片集流体上流过电流的大小和均匀程度，根据电池容量和放电倍率可确定正负极耳的数量；而位置主要影响集流体上电流的均匀程度，由于电流致热和电流的平方成正比，因此如果集流体上电流的均匀程度较低，即使相同极耳的极片，集流体发热情况也各不相同，其中电池同等倍率下集流体发热最小的极耳位置设计即为最优设计。本发明通过建立物理模型和计算，得到了卷绕式动力电池极片极耳的最优设计位置，使集流体上电流的均匀程度处于最高水平，此时电池同等倍率下集流体发热最小，可提高动力电池能量转化效率和降低发热量，降低电池衰减速率。优选的，本发明还提出，无论极片长短，多极耳应设计在按极耳数目把极片均分的片段的正中部，根据极耳的数量确定不同极片上极耳的最优位置。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1示出了本发明实施例提供的一种降低卷绕式动力电池衰减速率的极片设计方法的流程示意图；
图2a、图2b、图2c分别示出了本发明实施例提供的单极耳、双极耳、三极耳的最优设计位置示意图；
图3示出了本发明实施例提供的一种降低卷绕式动力电池衰减速率的极片设计装置的结构示意图。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
具体实施例一
如图1所示，本发明实施例提供了一种降低卷绕式动力电池衰减速率的极片设计方法，包括：
模型建立步骤S101，建立卷绕式动力电池的极片模型；
数量确定步骤S102，根据卷绕式动力电池的电池容量和放电倍率，确定极片模型中极耳的数量n；n为正整数；
位置确定步骤S103，根据极片模型中极耳的数量n，获取卷绕式动力电池同等放电倍率下极片的集流体发热最小的n个位置，作为每个极耳的最优设计位置。
本发明实施例中的卷绕式动力电池可以包括锂离子电池、镍镉电池、镍氢电池及其他卷绕式电池中的一种或多种。
本发明实施例中，极耳数量的多少和位置等主要影响极片集流体上流过电流的大小和均匀程度，根据电池容量和放电倍率可确定正负极耳的数量；而位置主要影响集流体上电流的均匀程度，由于电流致热和电流的平方成正比，因此如果集流体上电流的均匀程度较低，即使相同极耳的极片，集流体发热情况也各不相同，其中电池同等倍率下集流体发热最小的极耳位置设计即为最优设计。本发明实施例通过建立物理模型和计算，得到卷绕式动力电池极片极耳的最优设计位置，使集流体上电流的均匀程度处于最高水平，此时电池同等倍率下集流体发热最小，可提高动力电池能量转化效率和降低发热量，降低电池衰减速率。
优选的，所述位置确定步骤S103，可以具体为：
获取通过集流体上某一位置的电流I与该位置x的关系；
获取集流体上该位置的电阻R与该位置x的关系；
根据I、R，计算流过该位置的电流在该位置产生的热量W与该位置x的关系；
根据极耳的数量n、W与x的关系，求取卷绕式动力电池同等放电倍率下极片的集流体发热最小的n个位置，作为每个极耳的最优设计位置。
优选的，所述位置确定步骤S103，可以具体为：
获取通过集流体上某一位置的电流I与该位置x的关系：I＝k1x；k1为第一定值；
获取集流体上该位置的电阻R与该位置x的关系：R＝k2x；k2为第二定值；
根据I、R，计算流过该位置的电流在该位置产生的热量W与该位置x的关系：W＝[k1k2/3]x3；以K＝k1k2/3，则W＝Kx3；
根据极耳的数量n、W与x的关系，求取卷绕式动力电池同等放电倍率下极片的集流体发热最小的n个位置，作为极耳的最优设计位置。
由于正负极片上流过集流体的电流与极片面密度有关，可定义其线密度为一定值，即极片涂布面密度为一定值，通过集流体上某一位置的电流和具体位置有关，即：I＝k1x。同样极片的材质确定以后，极片的线电阻率也为一定值，电阻也和具体位置有关，即：R＝k2x，则流过某一位置的电流在此位置产生的热量为：
dW＝I2dR；将I＝k1x，R＝k2x带入公式，得到：
dW＝(k1x)2d(k2x)，dW＝k1k2x2dx，
即W＝[k1k2/3]x3，
为讨论方便也可以简化为：K＝k1k2/3，
得到发热公式：W＝Kx3，即极片的发热量和位置的三次方成正比，因此集流体上电流分布的均匀程度将极大影响集流体的发热量。
因此根据该公式可以计算不同数量极耳时集流体的发热量。
优选的，当极耳的数量为1时，
以集流体的长度为1，极耳与第一端的距离为x，0<x<1；
x处集流体发热为：
W＝K(x3+(1-x)3)；
求取使W为极小值时的x作为极耳的最优设计位置，即，
令dWdx＝K(6x-3)＝0，得到
则对于单极耳极片来说，极耳的最优设计位置位于极片中部，如图2a所示。
对于单极耳极片电池，其集流体发热为：
W＝K(x3+(1-x)3)，
即：W＝K(1-3x+3x2)，
其极小值位于：dW/dx＝K(6x-3)＝0，
因此对于单极耳极片来说，极耳的最佳位置位于极片中部。
或者，优选的，当极耳的数量为2时，
以集流体的长度为1，两个极耳与第一端的距离分别为x、y；0<x<y<1；
x、y处集流体发热之和为：
求取使W为极小值时的x、y作为两个极耳的最优设计位置，即，
令得到
则对于双极耳极片来说，两个极耳的最优设计位置位于极片的处、处，如图2b所示。
对于双极耳极片电池，设第一极耳距第一端的距离为x，第二极耳距第一端的距离为y，第一端可以为集流体的最左端或者最右端；则根据发热公式可写出：
求极值，令
可得：
或者，优选的，当极耳的数量为3时，
以集流体的长度为1，三个极耳与第一端的距离分别为a、b、c；0<a<b<c<1；
a、b、c处集流体发热之和为：
求取使W为极小值时的a、b、c作为三个极耳的最优设计位置，即，
令
得到
则对于三极耳极片来说，三个极耳的最优设计位置位于极片的处、处、处，如图2c所示。
设三个极耳距第一端的距离为a、b、c，第一端可以为集流体的最左端或者最右端；则根据发热公式可以写出：
化简后得：
求极值，令
可得：
本发明实施例还提出，无论极片长短，多极耳应设计在按极耳数目把极片均分的片段的正中部，根据极耳的数量确定不同极片上极耳的最优位置。优选的，极耳的最优设计位置位于按极耳数目n把极片均分的片段的正中部，即将极耳分别设置在极片集流体上的处、处、处、……处、处。
优选的，本发明实施例在确定极耳位置的最优化设计以后，可以在此基础上根据实际需要进行多极耳位置的微调，以兼顾其他工艺。
动力卷绕式电池极片上极耳焊接的数目取决于动力电池使用要求，对于极耳的位置采用本发明实施例中的方法进行设计，可以在中高倍率下使电池具备更好的性能。
在上述的具体实施例一中，提供了降低卷绕式动力电池衰减速率的极片设计方法，与之相对应的，本申请还提供降低卷绕式动力电池衰减速率的极片设计装置。由于装置实施例基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。下述描述的装置实施例仅仅是示意性的。
具体实施例二
如图3所示，本发明实施例提供了一种降低卷绕式动力电池衰减速率的极片设计装置，包括：
模型建立模块201，用于建立卷绕式动力电池的极片模型；
数量确定模块202，用于根据卷绕式动力电池的电池容量和放电倍率，确定极片模型中极耳的数量n；n为正整数；
位置确定模块203，用于根据极片模型中极耳的数量n，获取卷绕式动力电池同等放电倍率下极片的集流体发热最小的n个位置，作为每个极耳的最优设计位置。
本发明实施例中，极耳数量的多少和位置等主要影响极片集流体上流过电流的大小和均匀程度，根据电池容量和放电倍率可确定正负极耳的数量；而位置主要影响集流体上电流的均匀程度，由于电流致热和电流的平方成正比，因此如果集流体上电流的均匀程度较低，即使相同极耳的极片，集流体发热情况也各不相同，其中电池同等倍率下集流体发热最小的极耳位置设计即为最优设计。本发明实施例通过建立物理模型和计算，得到卷绕式动力电池极片极耳的最优设计位置，使集流体上电流的均匀程度处于最高水平，此时电池同等倍率下集流体发热最小，可提高动力电池能量转化效率和降低发热量，降低电池衰减速率。
优选的，所述位置确定模块203可以用于：
获取通过集流体上某一位置的电流I与该位置x的关系：I＝k1x；k1为第一定值；
获取集流体上该位置的电阻R与该位置x的关系：R＝k2x；k2为第二定值；
根据I、R，计算流过该位置的电流在该位置产生的热量W与该位置x的关系：W＝[k1k2/3]x3；以K＝k1k2/3，则W＝Kx3；
根据极耳的数量n、W与x的关系，求取卷绕式动力电池同等放电倍率下极片的集流体发热最小的n个位置，作为极耳的最优设计位置。
本发明实施例还提出，无论极片长短，多极耳应设计在按极耳数目把极片均分的片段的正中部，根据极耳的数量确定不同极片上极耳的最优位置。优选的，极耳的最优设计位置位于按极耳数目n把极片均分的片段的正中部，即将极耳分别设置在极片集流体上的处、处、处、……处、处。
本发明从使用目的上，效能上，进步及新颖性等观点进行阐述，其具有的实用进步性，己符合专利法所强调的功能增进及使用要件，本发明以上的说明及附图，仅为本发明的较佳实施例而己，并非以此局限本发明，因此，凡一切与本发明构造，装置，待征等近似、雷同的，即凡依本发明专利申请范围所作的等同替换或修饰等，皆应属本发明的专利申请保护的范围之内。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种降低卷绕式动力电池衰减速率的极片设计方法，其特征在于，包括：
模型建立步骤，建立卷绕式动力电池的极片模型；
数量确定步骤，根据卷绕式动力电池的电池容量和放电倍率，确定极片模型中极耳的数量n；n为正整数；
位置确定步骤，根据极片模型中极耳的数量n，获取卷绕式动力电池同等放电倍率下极片的集流体发热最小的n个位置，作为每个极耳的最优设计位置。
2.根据权利要求1所述的降低卷绕式动力电池衰减速率的极片设计方法，其特征在于，所述位置确定步骤，具体为：
获取通过集流体上某一位置的电流I与该位置x的关系；
获取集流体上该位置的电阻R与该位置x的关系；
根据I、R，计算流过该位置的电流在该位置产生的热量W与该位置x的关系；
根据极耳的数量n、W与x的关系，求取卷绕式动力电池同等放电倍率下极片的集流体发热最小的n个位置，作为每个极耳的最优设计位置。
3.根据权利要求2所述的降低卷绕式动力电池衰减速率的极片设计方法，其特征在于，所述位置确定步骤，具体为：
获取通过集流体上某一位置的电流I与该位置x的关系：I＝k1x；k1为第一定值；
获取集流体上该位置的电阻R与该位置x的关系：R＝k2x；k2为第二定值；
根据I、R，计算流过该位置的电流在该位置产生的热量W与该位置x的关系：W＝[k1k2/3]x3；以K＝k1k2/3，则W＝Kx3；
根据极耳的数量n、W与x的关系，求取卷绕式动力电池同等放电倍率下极片的集流体发热最小的n个位置，作为极耳的最优设计位置。
4.根据权利要求3所述的降低卷绕式动力电池衰减速率的极片设计方法，其特征在于，当极耳的数量为1时，
以集流体的长度为1，极耳与第一端的距离为x；0<x<1；
x处集流体发热为：
W＝K(x3+(1-x)3)；
求取使W为极小值时的x作为极耳的最优设计位置，即，
令dW/dx＝K(6x-3)＝0，得到
则对于单极耳极片来说，极耳的最优设计位置位于极片中部。
5.根据权利要求3所述的降低卷绕式动力电池衰减速率的极片设计方法，其特征在于，当极耳的数量为2时，
以集流体的长度为1，两个极耳与第一端的距离分别为x、y；0<x<y<1；
x、y处集流体发热之和为：
求取使W为极小值时的x、y作为两个极耳的最优设计位置，即，
令得到
则对于双极耳极片来说，两个极耳的最优设计位置位于极片的处、处。
6.根据权利要求3所述的降低卷绕式动力电池衰减速率的极片设计方法，其特征在于，当极耳的数量为3时，
以集流体的长度为1，三个极耳与第一端的距离分别为a、b、c；0<a<b<c<1；
a、b、c处集流体发热之和为：
求取使W为极小值时的a、b、c作为三个极耳的最优设计位置，即，
令
得到
则对于三极耳极片来说，三个极耳的最优设计位置位于极片的处、处、处。
7.根据权利要求1或2所述的降低卷绕式动力电池衰减速率的极片设计方法，其特征在于，极耳的最优设计位置位于按极耳数目n把极片均分的片段的正中部，即处、处、处、……处、处。
8.一种降低卷绕式动力电池衰减速率的极片设计装置，其特征在于，包括：
模型建立模块，用于建立卷绕式动力电池的极片模型；
数量确定模块，用于根据卷绕式动力电池的电池容量和放电倍率，确定极片模型中极耳的数量n；n为正整数；
位置确定模块，用于根据极片模型中极耳的数量n，获取卷绕式动力电池同等放电倍率下极片的集流体发热最小的n个位置，作为每个极耳的最优设计位置。
9.根据权利要求2所述的降低卷绕式动力电池衰减速率的极片设计装置，其特征在于，所述位置确定模块用于：
获取通过集流体上某一位置的电流I与该位置x的关系：I＝k1x；k1为第一定值；
获取集流体上该位置的电阻R与该位置x的关系：R＝k2x；k2为第二定值；
根据I、R，计算流过该位置的电流在该位置产生的热量W与该位置x的关系：W＝[k1k2/3]x3；以K＝k1k2/3，则W＝Kx3；
根据极耳的数量n、W与x的关系，求取卷绕式动力电池同等放电倍率下极片的集流体发热最小的n个位置，作为极耳的最优设计位置。
10.根据权利要求8或9所述的降低卷绕式动力电池衰减速率的极片设计装置，其特征在于，极耳的最优设计位置位于按极耳数目n把极片均分的片段的正中部，即处、处、处、……处、处。
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