一种圆柱形锂电池结构设计模拟仿真分析方法
阅读说明：本技术 一种圆柱形锂电池结构设计模拟仿真分析方法 (Simulation analysis method for structural design of cylindrical lithium battery ) 是由 刘杰 蒋亚东 褚学军 于 2021-07-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种圆柱形锂电池结构设计模拟仿真分析方法,通过以每个部件的坐标位置为基础,绘制出具有实体形状的图形,用图像表现出圆柱电池的电芯结构,反映出具体工艺尺寸下电池的内部结构。本发明采用上述的一种圆柱形锂电池结构设计模拟仿真分析方法,对于圆柱形电池的工艺设计的有积极作用,精确度高。(The invention discloses a simulation analysis method for structural design of a cylindrical lithium battery, which is characterized in that a graph with a solid shape is drawn based on the coordinate position of each component, and the core structure of the cylindrical battery is represented by the graph to reflect the internal structure of the battery under a specific process size. The invention adopts the simulation analysis method for the structural design of the cylindrical lithium battery, has positive effect on the process design of the cylindrical battery and has high accuracy.)
技术领域
本发明涉及锂离子电池设计技术领域，尤其是涉及一种圆柱形锂电池结构设计模拟仿真分析方法。
背景技术
锂离子电池是绿色环保的新型储能电池，具有能量密度大、使用寿命长、自放电率小、无记忆效应等优点，在电子技术、电动汽车、太阳能储能、应急备用电源、航空航天等领域有着广泛的应用。
在锂电池中，圆柱形锂电池极受欢迎，所以对其性能的要求也不断提高，其中，锂电池设计工艺的改进和新型材料电池的设计是关键步骤。
目前，每一种新型材料或新工艺的改进都需要结合各个环节的制程能力来做相应的优化与设计。其中，对于电池结构的设计，在有限数据的情况下，计算电芯直径的方法比较复杂和粗糙，预知电芯成型之后的总体结构状态，以及各部件的位置极为困难，这使得电池的生产实际情况中与设计预期偏差较大。
同时，不合理的设计对电池的安全性影响也是致命的，电池设计的准确性、合理性很难及时进行判断，对电池在生产和使用过程中的风险无法有效规避。再者，在锂电池追求高能量密度的同时，提高对电池内部有限空间的利用率变得十分重要，电池内部各部件的相对位置直接影响到卷绕成型电芯的圆形度，各部件位置安排不合理，圆形度就会较差，空间利用率也就会降低，所以合理利用电池内部空间对提高电池能量密度极为重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种圆柱形锂电池结构设计模拟仿真分析方法，对于圆柱形电池的工艺设计的有积极作用，精确度高。
为实现上述目的，本发明提供了一种圆柱形锂电池结构设计模拟仿真分析方法，通过以每个部件的坐标位置为基础，绘制出具有实体形状的图形，用图像表现出圆柱电池的电芯结构，反映出具体工艺尺寸下电池的内部结构；
具体步骤如下：
S1、根据规定与需求设计出电池的外观尺寸和各零部件状态参数；
S2、根据各零部件尺寸参数和位置要求，计算出每个部件在卷绕极组成型后的位置数据；
S3、将各部件位置数据绘制成图形，并进行结合处理形成仿真图形。
优选的，步骤S1中，根据电池规定的容量以及外壳尺寸要求，设计出电活性物质的涂覆量、展平状态下极片与隔膜的尺寸参数以及相应的极耳和贴胶的尺寸及相对位置参数。
优选的，步骤S2中，计算方法为以所设计特征参数为基础，隔膜卷绕起始点为卷绕起始位置，卷针中心为原点，利用其旋转半径和旋转角度，计算单个部件每卷绕1°后对应点的坐标位置；
以每卷绕1°后的累积弧长作为该部件卷绕的总长，再将其他部件在已卷绕设计的长度后于合适位置入片(入片前或卷绕结束后需根据部件厚度形成5°～20°的过渡圆弧)，结合该部件的厚度，根据其半径和旋转角度，计算其每一层每卷绕1°后的点的坐标位置，直至卷绕结束。
优选的，步骤S3中，最终将单个部件的相关点以平滑曲线连接，形成该部件的平面螺旋线图，即其位置状态图；再将全部部件整合、处理，形成具有一定实体外观的圆柱电池结构仿真图(横截面)；之后再根据整体数据提取出成型极组圆周点的坐标位置和极组直径分布数据做成曲线图和圆周图。
优选的，所述仿真分析方法适用于任何圆柱型卷绕工艺结构设计的锂离子电池。
优选的，所述仿真分析方法能准确的模拟卷绕成型极组的外径尺寸、正负极入片位置、极耳位置、贴胶位置和极组的圆形度。
因此，本发明采用上述一种圆柱形锂电池结构设计模拟仿真分析方法，具有如下技术优势：
(1)本发明的仿真分析方法用途广泛，对象可以是锂电池卷绕工艺下成型电芯的全部零部件，包括隔膜，贴胶，正、负极极耳、集流体和有效涂覆位置下的活性物质等。
(2)本发明的仿真分析方法，模拟卷绕之后电芯内各部件的位置及状态，直观反映电芯内部具体结构。
(3)本发明的仿真分析方法，模拟具体数据下电池结构的外观体现，精确度高。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明一种圆柱形锂电池结构设计模拟仿真分析方法的流程图；
图2是本发明的卷绕过程模拟图；
图3是本发明的卷绕完成后隔膜位置状态示意图；
图4是本发明的成型极组内部结构示意图；
图5是本发明的卷绕成型后电芯实际尺寸和钢壳尺寸圆周图；
图6是本发明的卷绕成型极组直径分布图。
具体实施方式
以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
如图所示，一种圆柱形锂电池结构设计模拟仿真分析方法，通过以每个部件的坐标位置为基础，绘制出具有实体形状的图形，用图像表现出圆柱电池的电芯结构，反映出具体工艺尺寸下电池的内部结构；
具体步骤如下：
根据规定与需求设计出电池的外观尺寸和各零部件状态参数，如表1；
表1电池实际设计参数表
参数包括Inner-Sep(预卷隔膜)、Separateor(隔膜)、Cathode-Foil(负极箔材)、Cathode-Tab(负极极耳)、C-Ins-tape(负极绝缘胶带)、Cathode-Side(负极涂层)、Anode-Foil(正极箔材)、Anode-Tab(正极极耳)、Anode-Tab-Tape(正极极耳贴胶)、Anode-Side(正极涂层)、jellyroll-tape(终止胶带)。其中需要各个项目的厚度、长度、和卷绕起始位置。
进一步的，以隔膜卷绕起始点为卷绕起始位置，卷针中心为原点，卷针直径为中心孔，利用其旋转半径和旋转角度，计算单个部件每卷绕1°后对应点的坐标位置，如图2，以每卷绕1°后的累积弧长作为该部件卷绕的总长。
进一步的，将其他部件在已卷绕设计的长度后于合适位置入片，如图2，结合该部件的厚度，根据其半径和旋转角度，计算其每一层每卷绕1°后的点的坐标位置，直至卷绕结束。
表2部分卷绕过程计算的坐标位置数据表
进一步的，将单个部件的相关点以平滑曲线连接，形成该部件的平面螺旋线图，即其位置状态图，如图3。再将全部部件整合、处理，形成具有一定实体外观的圆柱电池结构仿真图(横截面)，如图4。
进一步的，根据整体数据提取出成型极组圆周点的坐标位置和极组直径分布数据做成曲线图和圆周图，如图5和图6。
以仿真图形作为参考，再结合实际情况与环节的控制或工艺要求保证正、负极极耳呈现合适的角度来保证其圆度，以保证内部空间利用的最大化，如不合理，需改进电池结构的设计方案，作出最优设计，如果合理，即可投入生产验证该设计方案。
因此，本发明采用上述一种圆柱形锂电池结构设计模拟仿真分析方法，对于圆柱形电池的工艺设计的有积极作用，精确度高。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
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