CN1874041A - 电池电芯设计系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种电池电芯设计系统及方法，该系统包括电池设计资料输入模块、参数运算模块和参数值输出模块，其中所述参数运算模块包括多个运算子模块，其分别执行不同的计算公式。该方法包括以下步骤：通过所述电池设计资料输入模块输入设计目标电池的多个参数，通过参数运算模块读取所述输入的多个参数分别通过多个运算子模块运算并得出多个参数值，参数值输出模块输出所述运算得出的多个参数值。
Description
技术领域
本发明涉及一种电池电芯设计系统及方法，尤其涉及一种锂二次电池电芯的设计系统及方法。
背景技术
随着人们文化生活水平的不断提高，相关电子产品的核心技术日新月异，电池已成为现代人不可或缺的必备品，其使人们在生活和工作中使用各种便携电子装置(如手机、数码相机、Mp3等)的需求得以实现。
现有新型号电池及其电芯的设计和开发都是运用相关的工艺要求经过繁芜的计算获得正极片和负极片的相关参数，包括如下步骤：根据壳体的宽度尺寸根据经验估算出宽度的预留空间，确定电芯卷针的宽度；根据壳体的厚度尺寸根据经验估算出厚度的预留空间，确定电芯的厚度；确定电芯的卷绕平均层数；平均法算出极片的长度；根据壳体高度和根据经验估算的预留空间算出极片宽度；计算附料量；计算容量等。
然而，在上述实际计算过程中，存在许多抽象忽略或是估计的方面，比如，在计算卷绕层数的时候采取平均值估算的方法，忽略了实际中层数的递增规律，又如预留空间完全是根据经验估算，忽略了壳体、盖板等各种现实因素的影响，从而产生人为误差，导致降低电池参数的准确性，这势必会影响电池性能，带来不必要的损失。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，而提供一种电池电芯设计系统及方法，从而解决目前电池电芯设计是根据经验并采用手工计算，从而产生人为误差、导致降低电池参数的准确性、影响电池性能的问题。
本发明所采用的技术方案为：提供一种电池电芯设计系统，其包括电池设计资料输入模块、参数运算模块和参数值输出模块，其中所述参数运算模块包括多个运算子模块，其分别执行不同的计算公式，所述电池设计资料输入模块用于输入设计目标电池的多个参数，参数运算模块读取所述输入的多个参数分别通过多个运算子模块运算并得出多个参数值，参数值输出模块输出所述运算得出的多个参数值。
其还包括一资料转换模块将所述输入的多个参数转换成计算机可以识别的符号并存储。
其还包括一数据导出模块将所述输入的多个参数以及运算得出的多个参数值导出并存储。
其还包括一摸拟图形显示模块根据所述输入的多个参数以及运算得出的多个参数值模拟显示目标电池的设计图形。
所述模拟显示目标电池的设计图形包括开始切向图、正极图面标准、负极图面标准及卷绕电芯的剖面全图。
其整体安装于一计算机内部。
一种电池电芯设计方法，其特征在于包括以下步骤：
a)通过一电池设计资料输入模块输入电池设计参数；
b)通过一参数运算模块读取所述输入的电池设计参数，参数运算模块包括多个运算子模块，其分别执行不同的计算公式，对所述输入的电池设计参数分别进行计算；
c)输出所述参数运算模块计算所得的参数值。
所述电池设计参数为壳体的长度、宽度、厚度、壁厚，盖板的长度、注液孔中心离边距离、镍钉中心离边距离，胶纸的高温胶纸厚、隔膜纸厚、透明胶纸厚、卷针厚，正负极片的厚度、铜铝箔厚度、宽度、正负极耳厚度、正负极耳宽度、压实比、面容量比、LiCoO2比容量、PVDF百分比、CMC百分比、SBR百分比、导电碳黑百分比的部分或全部，具体由输入者决定。
所述多个分别执行不同的计算公式的运算子模块依次运算得出电池的正负极平均层数、卷针宽度、正极片的长度、正极片的面密度、正极片长度及正极片L1、L2、L3、L4、L5、L6长度、正极片的涂覆长度、负极片的面密度、负极片的厚度、负极片的长度、电芯宽度和厚度以及电芯容量。
多个分别执行不同的计算公式的运算子模块，其包括并按照以下计算条件和公式计算：
进行电芯卷绕时，每一卷绕层的厚度x1＝负极厚+2*隔膜纸厚+正极厚；
n为平均层数：
纵向层数n1＝(壳体宽-2×壳体壁厚-隔膜纸厚+2×正极厚)/x1
横向层数n2＝(壳体宽-2×壳体壁厚-卷针厚+2×正极厚)/x1
层数n1、n2取最小值的整数，此层数即为正负极卷绕平均层数
卷针宽度＝电池壳体宽-电池壳体厚-卷针厚-预留宽度空间
当n为奇数层时：铝箔长度＝(n+1)*卷针宽度+(n+1)*卷针厚度*3.1415/2+x1*3.1415*(n+1)*(n+1)/8-正极开始边距；
铜箔长度＝(n-1)*卷针宽度+(n-1)*2*3.1415/2+x1*3.1415*(n-1)*(n-1)/8-负极片边距；
当n为偶数层时：铝箔长度＝n*卷针宽度+n*卷针厚度*3.1415/2+x1*3.1415*n*n/8+正极开始边距；
铜箔长度＝(n-1)*卷针宽度+(n-1)*2*3.1415/2+x1*3.1415*n*(n-2)/8-负极片边距；
如果是奇数层：正极片焊接刮痕区L1长度＝电芯宽度-正极结束边距+负极结束边距+电芯厚度+5，其中5是指负极结束端与正极无料端距离，单位为mm；
如果是偶数层：正极片焊接刮痕区L1长度＝正极结束边距+负极结束边距+电芯厚度+5，其中5是指负极结束端与正极无料端距离，单位为mm；
正极片焊接刮痕区L2长度＝L1+2*(电芯宽度+电芯厚度)；
正极片焊接刮痕区L3长度＝铝箔长度-L2；
正极片焊接刮痕区L4长度＝(3*负极耳与涂料之间的距离长+负极耳长+x余量*2+2*3.14/2圆弧长，其中x余量是指负极片起始卷边与卷绕后电芯边缘距离，其值为3mm；
正极片焊接刮痕区L5长度＝卷针宽度+卷针厚度×π/2+x余量+负极耳宽度+3；
有效涂覆长度＝正极片长-(L1+L2+L4)/2；
电芯厚度＝x1*(n-1)+正极厚*2+高温胶纸厚*2+正极耳厚；
电芯宽度＝压后转轴的长度+x1*(n-2)+正极厚*2+透明胶纸*2；
正极面密度＝正极压实比*(正极压厚-铝箔厚度-0.005)*100；
电芯容量＝正极面密度*正极宽*有效涂覆长度*正极比容量；
负极面密度＝正极负极面容量比*正极面密度*正极比容量/负极比容量；
负极片长度＝(n-2)(卷针宽度+π+π/8×x1×(n-1))-负极片边距离
负极厚度＝负极面密度/(负极压实比*100)+铜箔厚度+0.005。
本发明的有益效果在于：本发明电池电芯设计系统及方法通过在参数运算模块内设置多个分别执行不同的计算公式的运算子模块，输入的电池设计参数将被快速运算并输出运算所得的参数值，由此可提高电池设计的速度，最大程度的利用壳体空间，提高计算精确度的同时简化计算加快计算速度，减少人为误差，降低人力物力成本。
附图说明
图1是本发明电池电芯设计系统的结构原理示意图；
图2是本发明电池电芯设计方法的流程图；
图3是本发明电池电芯设计系统的操作界面示意图；
图4是本发明电池电芯设计系统一设计实例所输出的摸拟图形示意图。
具体实施方式
请参阅图1，本发明电池电芯设计系统包括电池设计资料输入模块10、参数运算模块30和参数值输出模块40。
本实施例电池电芯设计系统整体安装于一PC内部，设计人员通过电池设计资料输入模块10的输入端口输入设计目标电池壳体(通常为铝壳或钢壳)、盖板、胶纸、正极片、负极片的多个参数，一资料转换模块20将上述输入的多个参数转换成电脑可以识别的符号并存储，参数运算模块30包括容量、电芯厚度、正负极密度等多个运算子模块，其读取上述存储的多个参数分别运算并得出多个参数值，参数值输出模块40输出上述多个参数值给设计人员直接使用或通过一数据导出模块50将上述输入的多个参数以及运算得出的多个参数值导出并存储于其他软件(如Excel、Word等)中保留以备资料分析，一摸拟图形显示模块60根据上述输入的多个参数以及运算得出的多个参数值在PC上模拟显示目标电池的相关图形并在图形上显示相对应的数值(本实施例包括开始切向图、正极图面标准、负极图面标准及卷绕电芯的剖面全图)。
可以理解，电池设计资料输入模块10所需输入的电池型号和电池参数可由输入者自行决定；资料转换模块20可通过多种计算机可识别的编程语言(如Dephi 7.0)进行资料转换；参数运算模块30的多个运算子模块立足于电池的工艺设计，不同的设计有不同的计算公式。
请一并参阅图2和图3，本发明电池电芯设计方法包括以下步骤：
201.通过电池设计资料输入模块10在输入项内输入设计目标电池的多个参数，本实施例包括壳体的长度、宽度、厚度、壁厚，盖板的长度、注液孔中心离边距离、镍钉中心离边距离，胶纸的高温胶纸厚、隔膜纸厚、透明胶纸厚、卷针厚，正负极片的厚度、铜铝箔厚度、宽度、正负极耳厚度、正负极耳宽度、压实比、面容量比、LiCoO2比容量、PVDF百分比、CMC百分比、SBR百分比、导电碳黑百分比等，实际输入由设计人员决定；
202.通过参数运算模块30的多个运算子模块包括的多个计算公式对上述输入值进行运算，并分别运算得出电池的正负极平均层数、卷针宽度、正极片长度、正极面密度、正极片长度及正极片焊接刮痕区L1、L2、L3、L4、L5、L6长度、正极片的涂覆长度(其与正极片的长度相对应)、负极面密度、负极厚度、负极片长度、电芯宽度和电芯厚度、电芯容量等，本实施例具体包括以下等计算公式：
进行电芯卷绕时，每一卷绕层的厚度x1＝负极厚+2*隔膜纸厚+正极厚；
n为平均层数：
纵向层数n1＝(壳体宽-2×壳体壁厚-隔膜纸厚+2×铝箔厚)/x1
横向层数n2＝(壳体宽-2×壳体壁厚-卷针厚+2×铝箔厚)/x1
层数n1、n2取最小值的整数，此层数即为正负极卷绕平均层数
卷针宽度＝电池壳体宽-电池壳体厚-卷针厚-预留宽度空间
当n为奇数层时：铝箔长度＝(n+1)*卷针宽度+(n+1)*卷针厚度*3.1415/2+x1*3.1415*(n+1)*(n+1)/8-正极开始边距；
铜箔长度＝(n-1)*卷针宽度+(n-1)*2*3.1415/2+x1*3.1415*(n-1)*(n-1)/8-负极片边距；
当n为偶数层时：铝箔长度＝n*卷针宽度+n*卷针厚度*3.1415/2+x1*3.1415*n*n/8+正极开始边距；
铜箔长度＝(n-1)*卷针宽度+(n-1)*2*3.1415/2+x1*3.1415*n*(n-2)/8-负极片边距；
如果是奇数层：正极片焊接刮痕区L1长度＝电芯宽度-正极结束边距+负极结束边距+电芯厚度+5，其中5是指负极结束端与正极无料端距离；
如果是偶数层：正极片焊接刮痕区L1长度＝正极结束边距+负极结束边距+电芯厚度+5，其中5是指负极结束端与正极无料端距离；
正极片焊接刮痕区L2长度＝L1+2*(电芯宽度+电芯厚度)；
正极片焊接刮痕区L3长度＝铝箔长度-L2；
正极片焊接刮痕区L4长度＝(3*负极耳与涂料之间的距离长+负极耳长+x余量*2+2*3.14/2圆弧长，其中x余量是指负极片起始卷边与卷绕后电芯边缘距离，且一般值为3mm；
正极片焊接刮痕区L5长度＝卷针宽度+卷针厚度×π/2+x余量+负极耳宽度+3；
有效涂覆长度＝正极片长-(L1+L2+L4)/2；
电芯厚度＝x1*(n-1)+正极厚*2+高温胶纸厚*2+正极耳厚；
电芯宽度＝压后转轴的长度+x1*(n-2)+正极厚*2+透明胶纸*2；
正极面密度＝正极压实比*(正极压厚-铝箔厚度-0.005)*100；
电芯容量＝正极面密度*正极宽*有效涂覆长度*正极比容量；
负极面密度＝正极负极面容量比*正极面密度*正极比容量/负极比容量；
负极片长度＝(n-2)(卷针宽度+π+π/8×x1×(n-1))-负极片边距离
负极厚度＝负极面密度/(负极压实比*100)+铜箔厚度+0.005；
比如，当输入以下数据：
正极：
LiCoO2比容量：140
正极配比：
LiCoO2 94.3
PVDF 3.3
导电碳黑：2.4
负极：
石墨比容量：360
石墨： 94.8
CMC： 1.4
SBR： 1.4
导电碳黑： 2.4
根据计算公式：正极比容量＝LiCoO2比容量*LiCoO2％和负极比容量＝石墨比容量*石墨％可得相应结果(请参阅图4)；
203.参数值输出模块40在输出项内输出上述步骤运算所得的多个参数值；
204.摸拟图形显示模块60根据上述步骤运算所得的多个参数值输出并通过PC显示相应的模拟图形。
可以理解，设计人员在使用本发明电池电芯设计系统设计电池时，可通过不断更改输入的参数以实现最大程度的利用壳体空间，最大程度的提高电池容量，获得最精确的电池参数，同时还可以通过导出每次更改的数据，利用其他软件分析容量与电池参数的关系，以进一步加快开发速度，降低人力物力成本；此外，本发明电池电芯设计系统也可通过网络对非设计人员(如客户)开放，但屏蔽掉大部分参数输出，使客户通过本发明电池电芯设计系统自行输入需要的电池型号即可获得该型号具有的最大容量，经设计公司报价后即可决定是否下单订货，节省了时间、人力和物力。
Claims (10)
1.一种电池电芯设计系统，其特征在于：其包括电池设计资料输入模块、参数运算模块和参数值输出模块，其中所述参数运算模块包括多个运算子模块，其分别执行不同的计算公式，所述电池设计资料输入模块用于输入设计目标电池的多个参数，参数运算模块读取所述输入的多个参数分别通过多个运算子模块运算并得出多个参数值，参数值输出模块输出所述运算得出的多个参数值。
2.如权利要求1所述的电池电芯设计系统，其特征在于：其还包括一资料转换模块将所述输入的多个参数转换成计算机可以识别的符号并存储。
3.如权利要求1所述的电池电芯设计系统，其特征在于：其还包括一数据导出模块将所述输入的多个参数以及运算得出的多个参数值导出并存储。
4.如权利要求1所述的电池电芯设计系统，其特征在于：其还包括一摸拟图形显示模块，根据所述输入的多个参数以及运算得出的多个参数值模拟显示目标电池的设计图形。
5.如权利要求4所述的电池电芯设计系统，其特征在于：所述模拟显示目标电池的设计图形包括开始切向图、正极图面标准、负极图面标准及卷绕电芯的剖面全图。
6.如权利要求1所述的电池电芯设计系统，其特征在于：其整体安装于一计算机内部。
7.一种电池电芯设计方法，其特征在于包括以下步骤：
a)通过一电池设计资料输入模块输入电池设计参数；
b)通过一参数运算模块读取所述输入的电池设计参数，参数运算模块包括多个运算子模块，其分别执行不同的计算公式，对所述输入的电池设计参数分别进行计算；
c)输出所述参数运算模块计算所得的参数值。
8.如权利要求7所述的电池电芯设计方法，其特征在于：所述电池设计参数为壳体的长度、宽度、厚度、壁厚，盖板的长度、注液孔中心离边距离、镍钉中心离边距离，胶纸的高温胶纸厚、隔膜纸厚、透明胶纸厚、卷针厚，正负极片的厚度、铜铝箔厚度、宽度、正负极耳厚度、正负极耳宽度、压实比、面容量比、LiCoO2比容量、PVDF百分比、CMC百分比、SBR百分比、导电碳黑百分比的部分或全部，具体由输入者决定。
9.如权利要求7所述的电池电芯设计方法，其特征在于：所述多个分别执行不同的计算公式的运算子模块分别运算得出电池的正负极平均层数、卷针宽度、正极片长度、正极面密度、正极片长度及正极片焊接刮痕区L1、L2、L3、L4、L5、L6长度、正极片的涂覆长度、负极面密度、负极厚度、负极片长度、电芯宽度和电芯厚度、电芯容量。
10.如权利要求9所述的电池电芯设计方法，其特征在于：多个分别执行不同的计算公式的运算子模块，其包括并按照以下计算条件和公式计算：
进行电芯卷绕时，每一卷绕层的厚度x1＝负极厚+2*隔膜纸厚+正极厚，
n为平均层数：
纵向层数n1＝(壳体宽-2×壳体壁厚-隔膜纸厚+2×正极厚)/x1
横向层数n2＝(壳体宽-2×壳体壁厚-卷针厚+2×正极厚)/x1
层数n1、n2取最小值的整数，此层数即为正负极卷绕平均层数
卷针宽度＝电池壳体宽-电池壳体厚-卷针厚-预留宽度空间
当n为奇数层时：铝箔长度＝(n+1)*卷针宽度+(n+1)*卷针厚度*3.1415/2+x1*3.1415*(n+1)*(n+1)/8-正极开始边距；
铜箔长度＝(n-1)*卷针宽度+(n-1)*2*3.1415/2+x1*3.1415*(n-1)*(n-1)/8-负极片边距；
当n为偶数层时：铝箔长度＝n*卷针宽度+n*卷针厚度*3.1415/2+x1*3.1415*n*n/8+正极开始边距；
铜箔长度＝(n-1)*卷针宽度+(n-1)*2*3.1415/2+x1*3.1415*n*(n-2)/8-负极片边距；
如果是奇数层：正极片焊接刮痕区L1长度＝电芯宽度-正极结束边距+负极结束边距+电芯厚度+5，其中5是指负极结束端与正极无料端距离，单位为mm；
如果是偶数层：正极片焊接刮痕区L1长度＝正极结束边距+负极结束边距+电芯厚度+5，其中5是指负极结束端与正极无料端距离，单位为mm；
正极片焊接刮痕区L2长度＝L1+2*(电芯宽度+电芯厚度)；
正极片焊接刮痕区L3长度＝铝箔长度-L2；
正极片焊接刮痕区L4长度＝(3*负极耳与涂料之间的距离长+负极耳长+x余量*2+2*3.14/2圆弧长，其中x余量是指负极片起始卷边与卷绕后电芯边缘距离，其值为3mm；
正极片焊接刮痕区L5长度＝卷针宽度+卷针厚度×π/2+x余量+负极耳宽度+3
有效涂覆长度＝正极片长-(L1+L2+L4)/2；
电芯厚度＝x1*(n-1)+正极厚*2+高温胶纸厚*2+正极耳厚；
电芯宽度＝压后转轴的长度+x1*(n-2)+正极厚*2+透明胶纸*2；
正极面密度＝正极压实比*(正极压厚-铝箔厚度-0.005)*100；
电芯容量＝正极面密度*正极宽*有效涂覆长度*正极比容量；
负极面密度＝正极负极面容量比*正极面密度*正极比容量/负极比容量；
负极片长度＝(n-2)(卷针宽度+π+π/8×x1×(n-1))-负极片边距离
负极厚度＝负极面密度/(负极压实比*100)+铜箔厚度+0.005。
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