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圆柱形锂电池化成设备的设计【三维PROE】【全套CAD图纸+毕业论文】【原创资料】

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三维

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关键词：: 圆柱形锂电池化成设备装备设计三维 proe 全套 cad 图纸毕业论文原创资料

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摘要

化成是锂电池生产过程中的重要工序，它是锂电池形成电池后的第一次活化充放电过程，正极锂离子通过电解液在电流作用下嵌入负极石墨形成电势，产生电压，化成的好坏很大程度上决定了这个电池的使用寿命价值。

本文针对锂电池的化成工艺，设计了一种化成设备，该设备具有自动化程度高，结构简单，使用维修方便，生产制造使用成本低等特点。

该设备由升降机构及进料伸缩机构组成，升降机构和伸缩进料机构由气缸推动，采用气压传动，设备反应快，使用方便，便于控制，安全可靠，有过载保护能力。

关键词：化成，锂电池，升降机构，进料机构

ABSCTACT

Formation is an important process in the production process of the lithium battery, it is the first time theactivation charge discharge process of lithium battery to form the battery, anode of lithium ion electrolyte in the current function by embedding anode graphite formationpotential, voltage, formation depends on the quality of thebattery life value.

In this paper, the formation process for lithium battery,designed a kind of chemical equipment, the equipment has a high degree of automation, simple structure, convenient repair and use, the use of low cost manufacturingcharacteristics.

The device consists of a lifting mechanism and a feedingtelescopic mechanism, lifting mechanism and a telescopicfeeding mechanism is driven by the cylinder, pneumatic transmission, equipment of quick response, easy to use,easy to control, safe and reliable, with overload protectionability.

Keywords: formation, lithium battery, a lifting mechanism, a feeding mechanism

摘要I

ABSCTACTII

目录III

第一章绪论1

1.1 课题研究的背景1

1.2 锂电池的知识及国内外研究现状1

1.2.1 18650锂电池1

1.2.2 锂离子电池国内外研究现状及发展趋势2

1.2.3 锂离子电池原理4

1.2.4 锂离子电池组成6

1.2.5锂离子电池生产工艺流程6

1.2.6锂离子电池的化成6

1.2.7锂离子电池的优点6

1.2.8 锂离子电池的缺点8

第二章总体方案设计9

2.1 任务要求及参数9

2.2 升降机构方案9

2.3 进料机构方案11

2.4 总体方案拟定12

第三章气压传动设计14

3.1 气压传动系统图14

3.1 升降气缸设计14

3.2 进料气缸设计16

3.3 升降气缸尺寸设计与校核18

3.4 伸缩气缸尺寸设计与校核19

第四章结构设计20

4.1下模板设计20

4.2 上模板设计21

4.3 机架设计21

4.4 燕尾导轨设计22

第五章三维建模与仿真分析25

5.1 Pro/E三维软件概述25

5.2零件建模27

5.3虚拟装配30

5.4仿真分析30

结论32

参考文献33

致谢35

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第一章绪论

1.1 课题研究的背景

锂离子电池是20世纪90年代出现的绿色高能环保电池，具有能量密度高、环境友好、无记忆效应、循环寿命长、自放电少等突出的优点，其生产流程主要由涂布、切片、叠片、注液、化成以及测试等组成。化成是锂电池生产过程中的重要工序，它是锂电池形成电池后的第一次活化充放电过程，正极锂离子通过电解液在电流作用下嵌入负极石墨形成电势，产生电压，化成的好坏很大程度上决定了这个电池的使用寿命价值。该课题的研究对于提高学生的工程能力以及为今后锂电池化成设备的研发具有重要的社会意义和市场价值。

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内容简介：: 上海电机学院毕业设计任务书课题圆柱形锂电池化成设备的设计专业机械年级姓名学院（系）院长（签字）指导教师（签字） 20 年月日注：本任务书由上海电机学院教务处印制。 nts 课题来源企业项目课题的目的、意义锂离子电池是 20 世纪 90 年代出现的绿色高能环保电池，具有能量密度高、环境友好、无记忆效应、循环寿命长、自放电少等突出的优点，其生产流程主要由涂布、切片、叠片、注液、化成以及测试等组成。化成是锂电池生产过程中的重要工序，它是锂电池形成电池后的第一次活化充放电过程，正极锂离子通过电解液在电流作用下嵌入负极石墨形成电势，产生电压，化成的好坏很大程度上决定了这个电池的使用寿命价值。该课题的研究对于提高学生的工程能力以及为今后锂电池化成设备的研发具有重要的社会意义和市场价值。要求据现有的锂电池化成工艺要求，要求学生设计一种化成设备，具有极耳间距调整、极片或极板夹紧以及充放电功能，完成该化成设备的机械结构设计、主要零件的力分析、完成该设备三维建模及仿真；最后要求提供 2 张 0 号机械设计图纸， 0.25 张 0 号气动原理图图纸，主要机构三维运动仿真；并完成 1.5 万字以上的设计计算说明书。课题主要内容及进度 2013.11.30-2013.12.31：查找文献，了解技术的国内外现状和发展趋势并阅读相关资料，完成开题； 2014.01.01-2014.01.31：熟悉现有化成设备的机械结构，根据设计要求提出设计方案，几种可行的方案性能比较，选取最佳设计方案； 2014.02.01-2014.03.28：总体结构的初步确定、主要传动参数确定，完成三维仿真； 2014.03.29-2014.04.30：完成机构的设计，力分析设计 ,绘制样机总图、零件图及关键零件加工工艺制定； 2014.05.01-2014.05.31：撰写毕业论文； 2014.06.01-2014.06.15：论文修改、提交材料准备答辩。以上各项由指导教师填写（请用钢笔填写） nts 上海电机学院毕业设计（论文）开题报告课题名称 _圆柱形锂电池化成设备 _ 学院机械学院专业机械设计制造及其自动化（数控方向）班级 BJ1004 学号 101002050435 姓名尹轶晖指导教师于忠海、张欢欢定稿日期： 20XX 年 XX 月 XX 日 nts 1 圆柱形锂电池化成设备的设计 1 选题背景及其意义锂离子电池是 20 世纪 90 年代出现的绿色高能环保电池，具有能量密度高、环境友好、无记忆效应、循环寿命长、自放电少等突出的优点，其生产流程主要由涂布、切片、叠片、注液、化成以及测试等组成。化成是锂电池生产过程中的重要工序，它是锂电池形成电池后的第一次活化充放电过程，正极锂离子通过电解液在电流作用下嵌入负极石墨形成电势，产生电压，化成的好坏很大程度上决定了这个电池的使用寿命价值。该课题的研究对于提高学生的工程能力以及为今后锂电池化成设备的研发具有重要的社会意义和市场价值。 2 国内外研究现状与发展趋势 18650 锂电池中的 18650 这几个数字，代表外表尺寸： 18 指电池直径 18.0mm ， 650指电池高度 65.0mm。常见的 18650 电池分为锂离子电池、磷酸铁锂和镍氢电池。电压及容量规格为镍氢电池电压为 1.2V 常见容量为 2500MAH，锂离子电池电压为 3.6V 常见容量为 1500MAH-3100MAH。锂电池（ Li-ion， Lithium Ion Battery）：锂离子电池具有重量轻、容量大、无记忆效应等优点，因而得到了图 1 18650 锂电池普遍应用许多数码设备都采用了锂离子电池作电源，尽管其价格相对来说比较昂贵。锂离子电池的能量密度很高，它的容量是同重量的镍氢电池的 1.52 倍，而且具有很低的自放电率。此外，锂离子电池几乎没有 “ 记忆效应 ” 以及不含有毒物质等优点也是它广泛应用的重要原因。 2.1 锂离子电池国内外研究现状及发展趋势 nts 2 在蓄电池技术领域，具有重量轻、储能大、功率大、无污染（也无二次污染）、寿命长、自放电系数小、温度适应范围宽泛等优点的锂离子电池技术逐渐取代铅和镍氢电池，成为纯电动汽车中的核心技术之一。截至 2006年 10月为止，全球主要国家已有 20余家车厂进行锂离子电池研发，如富士重工、 NEC、东芝、 Johnson Controls、 Degussa AG/Enax、Sanyo电机、 Panasonic EV Energy等。我国在锂离子电池方面的研究水平，有多项指标超过了 USABC提出的 2010年长期指标所规定的目标。目前，专家认为锂离子电池技术还需进一步发展。一方面，各企业所公布的大部分纯电动汽车蓄电池实验室测试数据，如加速性能、充电时间、持续里程数等，还须在复杂的外部环境实际运行下，进一步验证其可靠性，以及生产批量化质量控制。另一方面，我国锂离子电池所需隔膜材料依赖进口，成本尚待降低。此外，有专家认为，蓄电池使用寿命还不长，造成高额使用成本，成为其商业化的一大瓶颈。我国在锂离子电池方面的研究水平，有多项指标超过了 USABC提出的 2010年长期指标所规定的目标，已能自主开发出用量在 5080公斤以下，可适用于电动自行车、电动摩托车、电油混合动力车、油电混合动力电动车，行驶距离在 80公里以内的小型、轻型供上下班使用的家用电动小轿车的锂离子蓄电池，并有足够好的安全行驶性能。从 1997年开始产业化经验的苏州星恒作为国家锂离子动力电池产业化示范工程项目基地，其研发的动力电池组已通过美国 UL和欧盟独立组织 Extra Energy的测试认证，并在苏州建成第一条动力锂离子电池的生产线并顺利试产，目前已实现量产。 2.3 锂离子电池原理一个锂离子电池主要由正极、负极、电解液及隔膜组成，外加正负极引线，安全阀，PTC（正温度控制端子），电池壳等。虽然锂离子电池种类繁多，但其工作原理大致相同。充电时，锂离子从正极材料中脱嵌，经过隔膜和电解液，嵌入到负极材料中，放电以相反过程进行。再充电，又重复上述过程。以典型的液态锂离子为例，当以石墨为负极材料，以 LiCoO2 为正极材料时，其充放电原理为：放电 6C+LiCoO2 Li-xCoO2+LixC6；充电 6C+LiCoO2 Li-xCoO2+LixC6；充电时， Li+从 LiCoO2 中发生脱嵌，释放一个电子， C3+被氧化为 C4 +，与此同时，Li+经过隔膜和电解液迁移到负极石墨表面，进而插入到石墨结构中，石墨结构同时得到一个电子，形成锂碳层间化合物 LixC6，放电时过程则相反， Li+从石墨结构脱插，嵌nts 3 入到正极 LiCoO2 中。图 2 锂离子电池充放电示意图 nts 4 2.4 锂离子电池组成正极：锂离子电池的正极材料为氧化物，有氧化锰锂 (锰酸锂 LiMn2O4)、氧化钴锂 (钴酸锂 LiCoO2)、氧化镍锂 (镍酸锂 LiNiO2)、磷酸铁锂 (LiFePO4)等。负极：锂离子电池的负极材料主要是石墨化碳材料 (碳素 )。导电剂：乙炔黑。粘接剂：聚四氟乙烯。电解质：锂离子电池的电解质主要有两种，液态电解质 (碳酸脂 )和固态电解质(聚合物 )。隔膜：锂离子电池用隔膜是聚烯微孔隔膜，此隔膜的优点是离子交换能力强，保液能力好，强度高，抗氧化性能好。铝壳或塑壳。 2.5 锂离子电池生产工艺流程 2.6 锂离子电池的化成组装好的锂离子电池首先进行化成。化成工艺：以 0.1C 恒流 (40mA/g)充电到 3.6V，再以 0.2C 恒流充电到 4.2V，最后以 4.2V 恒压充电 2 小时。静置 10min，以 0.2C 恒流放电至 2.5V 3.0V 终止，充电同前。 2.7 锂离子电池的优点一、超长寿命，长寿命铅酸电池的循环寿命在 300 次左右，最高也就 500 次，而磷酸铁锂动力电池，循环寿命达到 2000 次以上，标准充电（ 5 小时率）使用，可达到2000 次。同质量的铅酸电池是“新半年、旧半年、维护维护又半年”，最多也就 1 1.5年时间，而磷酸铁锂电池在同样条件下使用，将达到年可以说是终身制。综合考虑，性能价格比将为铅酸电池的 5 倍以上。二、使用安全，磷酸铁锂完全解决了钴酸锂和锰酸锂的安全隐患问题，钴酸锂和nts 5 锰酸锂在强烈的碰撞下会产生爆炸对消费者的生命安全构成威胁，而磷酸铁锂以经过严格的安全测试即使在最恶劣的交通事故中也不会产生爆炸堪为最特色的锂电池。三、可大电流 2C 快速充放电，在专用充电器下， 1.5C 充电 40 分钟内即可使电池充满，起动电流可达 2C，而铅酸电池现在无此性能。四、耐高温，磷酸铁锂电热峰值可达 350 500而锰酸锂和钴酸锂只在 200左右。五、大容量，大力水手生产的磷酸铁锂动力电池的续行里程是同等质量铅酸电池的3 4 倍，其优点可使电动自行车在适中重量的前提下，充一次电可跑 100 多公里，对于上班族，充一次电能够使用一周左右的时间。而铅酸电池配备的电动自行车在整车重量不超标的条件下，其电池容量最大为 12Ah（铅酸电池重量此时已达 13 公斤，而同容量的磷酸铁锂电池的重量只有 5 公斤），充一次电最多能够行驶 50km 左右。六、无记忆效应，可充电池在经常处于充满不放完的条件下工作，容量会迅速低于额定容量值，这种现象叫做记忆效应。像镍氢、镍镉电池存在记忆性，而磷酸铁锂电池无此现象，电池无论处于什么状态，可随充随用，无须先放完再充电。七、体积小、重量轻，同等规格容量的磷酸铁锂电池的体积是铅酸电池体积的 2/3，重量是铅酸电池的 1/3。八、绿色环保 . 磷酸铁锂材料无任何有毒有害物质不会对环境构成任何污染被世界公认为绿色环保电池，该电池无论在生产及使用中，均无污染，因此该电池又列入了“十五”期间的“ 863”国家高科技发展计划，成为国家重点支持和鼓励发展的项目。随着中国加入 WTO，中国电动自行车的出口量将迅速增大，而现在进入欧美的电动自行车已要求配备无污染电池，配备铅酸电池的电动车很难出口。 2.8 锂离子电池的缺点一、电池成本较高。主要表现在 LiCoO2 的价格高（ Co 的资源较小），电解质体系提纯困难。二、不能大电流放电。由于有机电解质体系等原因，电池内阻相对其他类电池大。故要求较小的放电电流密度，一般放电电流在 0.5C 以下，只适合于中小电流的电器使用。三、需要保护线路控制。 A、过充保护：电池过充将破坏正极结构而影响性能和寿命；同时过充电使电解液分解，内部压力过高而导致漏液等问题；故必须在 4.1V-4.2V 的恒压下充电； nts 6 B、过放保护：过放会导致活性物质的恢复困难，故也需要有保护线路控制。 3 研究方案 3.1 总体方案拟定总体方案 3.2 升降机构方案一如下图所示，采用步进电机和丝杠带动电极工作台升降。此方案的优点是升降工作台升降速度可调，升降高度可以通控制步进电机转的圈数来调节。缺点是结构相对较复杂，生产成本较高。 nts 7 方案一升降台采用丝杠传动方案二如下图所示，方案二采用的是气压传动来控制升降台升降，该传动方案的优点是结构简单，反应敏捷，便于集中供气和中距离输送，使用安全，无爆炸和电击危险，有过载保护能力；缺点是：（ 1）由于空气的可压缩性大，气压传动系统的速度稳定性差，给系统的速度和位置控制精度带来很大的影响。（ 2）气压传动系统的噪声大，尤其是排气时，需要加消音器。 nts 8 方案二升降台采用气缸传动 3.3 送料机构方案一如下图所示，方案一采用的是齿轮齿条传动来控制送料台送料，承载力大，传动精度较高，可达 0.1mm，可无限长度对接延续，传动速度可以很高，可达 2m/s，缺点：若加工安装精度差，传动噪音大，磨损大。方案一齿轮齿条传动方案方案二如下图所示，方案二采用的是气压传动来控制送料台工作，该传动方案的优点是结构简单，反应敏捷，便于集中供气和中距离输送，使用安全，无爆炸和电击危险，有过载保护能力；缺点是：（ 1）由于空气的可压缩性大，气压传动系统的速度稳定性差，给系统的速nts 9 度和位置控制精度带来很大的影响。（ 2）气压传动系统的噪声大，尤其是排气时，需要加消音器。方案二，送料机构传动方案 3.4 结论综上所述，为便于集中供气和中距离输送，使用安全，无爆炸和电击危险，有过载保护能力；统一采用气压传动。 4 论文框架 4.1 绪论 1）锂电池的国内外研究现状 2）锂电池的优缺点 2）锂电池的原理 3）锂电池生产工艺 4.2 总体方案设计 4.2.1 任务要求及参数 4.2.2 锂电池尺寸及参数 4.2.3 升降机构方案 4.2.4 进料机构方案 4.2.5 总体方案拟定 4.3 机构及关键零件设计 4.3.1 升降机构详细设计 4.3.2 进料机构详细设计 4.3.3 气压传动设计 4.4 结构设计 4.4.1 机架设计 4.4.5 导杆设计 nts 10 4.4.6 丝杠幅设计 4.5 三维建模与仿真分析 4.5.1 三维软件概述 4.5.2 零件建模、 4.5.3 虚拟装配 4.5.4 仿真分析 4.6 结论 4.7 致谢 4.8 参考文献 5 进度计划 1） 2013.11.30-2013.12.31：查找文献，了解技术的国内外现状和发展趋势并阅读相关资料，完成开题； 2） 2014.01.01-2014.01.31：熟悉现有化成设备的机械结构，根据设计要求提出设计方案，几种可行的方案性能比较，选取最佳设计方案； 3） 2014.02.01-2014.03.28：总体结构的初步确定、主要传动参数确定，完成三维仿真； 4） 2014.03.29-2014.04.30：完成机构的设计，力分析设计 ,绘制样机总图、零件图及关键零件加工工艺制定； 5） 2014.05.01-2014.05.31：撰写毕业论文； 6） 2014.06.01-2014.06.15：论文修改、提交材料准备答辩。 6 参考文献 1 锂电池化成系统曲线的绘制与开发郭蕾 ; 刘根旺软件导刊 2012-04-01 2大容量锂电池化成检测系统硬件设计与实现韩华胜 2012-04-01 3 AC/DC可逆变换器的研究咸秀超 2012-04-01 4 锂电池发展简史黄彦瑜物理 2007-08-12 5 对锂电池安全问题的风险管理赵飞华东理工大学 2012-12-08 6 锂电池充电器芯片的设计与研究刘晓宇复旦大学 2012-04-20 7 动力锂电池组充放电智能管理系统陈渊睿 ; 伍堂顺 ; 毛建一电源技术 2009-08-20 8 大容量动力型锂电池管理系统（ BMS）研究项良军合肥工业大学 2012-04-01 nts 11 9 基于中国专利的锂电池发展趋势分析赵晏强 ; 李金坡情报杂志 2012-01-18 10 锂电池荷电状态预测方法研究和晓念河南师范大学 2012-04-01 11 智能化锂电池充电管理高倩北京交通大学 2012-07-01 12 锂电池组均压控制系统研究与设计严贺彪重庆大学 2012-04-01 13 锂电池的发展概述屈伟平城市车辆 2009-05-15 14 锂电池管理系统的研究与实现周亚楠中国海洋大学 2008-04-20 15 对锂电池现状及发展趋势的综述曹红葵江西化工 2009-09-15 nts 12 指导教师意见指导教师签名：年月日 nts 13 nts 14 nts 圆柱形锂电池化成设备的设计 I 摘要化成是锂电池生产过程中的重要工序，它是锂电池形成电池后的第一次活化充放电过程，正极锂离子通过电解液在电流作用下嵌入负极石墨形成电势，产生电压，化成的好坏很大程度上决定了这个电池的使用寿命价值。本文针对锂电池的化成工艺，设计了一种化成设备，该设备具有自动化程度高，结构简单，使用维修方便，生产制造使用成本低等特点。该设备由升降机构及进料伸缩机构组成，升降机构和伸缩进料机构由气缸推动，采用气压传动，设备反应快，使用方便，便于控制，安全可靠，有过载保护能力。关键词：化成，锂电池，升降机构，进料机构 nts 圆柱形锂电池化成设备的设计 II ABSCTACT Formation is an important process in the production process of the lithium battery, it is the first time theactivation charge discharge process of lithium battery to form the battery, anode of lithium ion electrolyte in the current function by embedding anode graphite formationpotential, voltage, formation depends on the quality of thebattery life value. In this paper, the formation process for lithium battery,designed a kind of chemical equipment, the equipment has a high degree of automation, simple structure, convenient repair and use, the use of low cost manufacturingcharacteristics. The device consists of a lifting mechanism and a feedingtelescopic mechanism, lifting mechanism and a telescopicfeeding mechanism is driven by the cylinder, pneumatic transmission, equipment of quick response, easy to use,easy to control, safe and reliable, with overload protectionability. Keywords: formation, lithium battery, a lifting mechanism, a feeding mechanism nts 圆柱形锂电池化成设备的设计 III 目录摘要 . I ABSCTACT. II 目录 . III 第一章绪论 . 1 1.1 课题研究的背景 . 1 1.2 锂电池的知识及国内外研究现状 . 1 1.2.1 18650 锂电池 . 1 1.2.2 锂离子电池国内外研究现状及发展趋势 . 2 1.2.3 锂离子电池原理 . 4 1.2.4 锂离子电池组成 . 6 1.2.5锂离子电池生产工艺流程 . 6 1.2.6锂离子电池的化成 . 6 1.2.7锂离子电池的优点 . 6 1.2.8 锂离子电池的缺点 . 8 第二章总体方案设计 . 9 2.1 任务要求及参数 . 9 2.2 升降机构方案 . 9 2.3 进料机构方案 . 11 2.4 总体方案拟定 . 12 第三章气压传动设计 . 14 3.1 气压传动系统图 . 14 3.1 升降气缸设计 . 14 3.2 进料气缸设计 . 16 3.3 升降气缸尺寸设计与校核 . 18 3.4 伸缩气缸尺寸设计与校核 . 19 第四章结构设计 . 20 4.1下模板设计 . 20 4.2 上模板设计 . 21 4.3 机架设计 . 21 4.4 燕尾导轨设计 . 22 第五章三维建模与仿真分析 . 25 5.1 Pro/E三维软件概述 . 25 5.2零件建模 . 27 5.3虚拟装配 . 30 5.4仿真分析 . 30 结论 . 32 参考文献 . 33 致谢 . 35 nts 圆柱形锂电池化成设备的设计 IV nts 圆柱形锂电池化成设备的设计 1 第一章绪论 1.1 课题研究的背景锂离子电池是 20世纪 90年代出现的绿色高能环保电池，具有能量密度高、环境友好、无记忆效应、循环寿命长、自放电少等突出的优点，其生产流程主要由涂布、切片、叠片、注液、化成以及测试等组成。化成是锂电池生产过程中的重要工序，它是锂电池形成电池后的第一次活化充放电过程，正极锂离子通过电解液在电流作用下嵌入负极石墨形成电势，产生电压，化成的好坏很大程度上决定了这个电池的使用寿命价值。该课题的研究对于提高学生的工程能力以及为今后锂电池化成设备的研发具有重要的社会意义和市场价值。 1.2 锂电池的知识及国内外研究现状 1.2.1 18650 锂电池 18650 锂电池中的 18650 这几个数字，代表外表尺寸： 18 指电池直径18.0mm ， 650 指电池高度 65.0mm。常见的 18650 电池分为锂离子电池、磷酸铁锂和镍氢电池。电压及容量规格为镍氢电池电压为 1.2V 常见容量为 2500MAH，锂离子电池电压为 3.6V常见容量为 1500MAH-3100MAH。锂电池（ Li-ion， Lithium Ion Battery）：锂离子电池具有重量轻、容量大、无记忆效应等优点，因而得到了图 1-1 18650 锂电池普遍应用许多数码设备都采用了锂离子电池作电源，尽管其价格相对来说比nts 圆柱形锂电池化成设备的设计 2 较昂贵。锂离子电池的能量密度很高，它的容量是同重量的镍氢电池的 1.52倍，而且具有很低的自放电率。此外，锂离子电池几乎没有 “ 记忆效应 ” 以及不含有毒物质等优点也是它广泛应用的重要原因。 1.2.2 锂离子电池国内外研究现状及发展趋势在蓄电池技术领域，具有重量轻、储能大、功率大、无污染（也无二次污染）、寿命长、自放电系数小、温度适应范围宽泛等优点的锂离子电池技术逐渐取代铅和镍氢电池，成为纯电动汽车中的核心技术之一。截至 2006年 10月为止，全球主要国家已有 20余家车厂进行锂离子电池研发，如富士重工、 NEC、东芝、 Johnson Controls、 Degussa AG/Enax、 Sanyo电机、 Panasonic EV Energy等。我国在锂离子电池方面的研究水平，有多项指标超过了 USABC提出的 2010年长期指标所规定的目标。目前，专家认为锂离子电池技术还需进一步发展。一方面，各企业所公布的大部分纯电动汽车蓄电池实验室测试数据，如加速性能、充电时间、持续里程数等，还须在复杂的外部环境实际运行下，进一步验证其可靠性，以及生产批量化质量控制。另一方面，我国锂离子电池所需隔膜材料依赖进口，成本尚待降低。此外，有专家认为，蓄电池使用寿命还不长，造成高额使用成本，成为其商业化的一大瓶颈。 1）超快充电技术采用传统的慢速充电法，纯电动汽车充满一次电要好几个小时。这虽然能够保证相对较长的续驶里程，但由于要安装许多电池，增加了车辆的重量和成本，对电池一致性的要求也较高。现在，快速充电电池技术出现，具有寿命长（可充电 2000次以上）、没有记忆性、可以大容量充电及放电等特点，在几分钟内就可充 70% 80%的电。前面所述的东芝可急速充电锂离子技术，即是快速充电技术的其中之一，这为纯电动汽车的商业化提供了技术支持。但是也有学者对于蓄电池的快速充电提出疑问，认为快速充电时的过充电和过放电有可能会恶化各电池在电池组内协同工作的环境，造成电池组整体的瓦解崩溃。现在许多企业在这方面积极进行研发，也有所进展。 2005年参考消息报导内华达州有企业研制出纳米电池，只需 6分钟就能充满电，每次充电后的使用时间能达到目前充电电池的nts 圆柱形锂电池化成设备的设计 3 10倍，使电池充电次数量高达到 2万次，所提供的电流强度最大能到现在的 3倍。这也成为目前纯电动汽车电池技术的发展动向之一。 2）电池与电容相结合技术超级电容具有充电快、无记忆充放电、充放电循环次数高、无二次污染等优异特性，但有放电快的缺点；锂离子电池具有储电量大、储存时间长的优点，但充电时间比较长。取两者之长，结合起来使用在电动汽车上，除了可以具有传统纯电动汽车的“电代油”和“零排放”主要优点外，还具有一次充电行驶距离长（可达 300公里）、速度快（可达 100公里 /小时）、行使过程中能量回收效率高等优点，代表了纯电动汽车的最新发展方向之一。目前已有富士重工和 NEC联合开发“锂离子电容器”，能量密度达 30瓦时 /千克，为先前电容器的 4倍，达到了用于电动汽车的实用水平。中国有上海瑞华集团研制环保型混合电能超级电容电动汽车，还有国家电网公司在这方面已经完成了 3种电池 -电容混合型电力工程车辆的改装和性能测试，并将开展示范应用。 3） CTC电车蓄电池和 360聚光太阳能电池车载充电技术 CTC电车蓄电池和 360聚光太阳能充电技术通过在换电站快速更换大容量蓄电池的技术手段获取足够的电能，并通过 360聚光太阳能电池车载充电技术进行能源补充。这种技术手段简单实用，克服了纯电动车补充电能困难与续行里程短的缺陷，可使续行里程提高至 400KM，并能延长蓄电池的使用寿命。不过这种技术尚在试验过程之中。 4）电动轮技术电动轮亦称轮内电动机（ In-Wheel Motor）。目前大部分重型矿用自卸汽车所采用的电动轮是直流电动机，而第二代纯电动汽车所采用的是交流传动系统。其工作原理如下：交流传动系统中的永磁式三相同步伺服交流电动机紧凑地收藏于车轮内，电动机的转子通过转子托架与车轮轮毂相联，而轮毂支撑于转向节上，轮胎随同电动机的转子一同旋转；而电动机的定子则通过定子托板、轮毂、转向节连接于车身上。该电动机的转子为永久磁铁，当向电动机的定子线圈中通以交流电流时，定子便会产生旋转磁场，使永磁式转子连同轮胎一起旋转，即整个车轮旋转起来。目前已有三菱公司与东洋公司合作开发了用于蓝瑟（ Lancer）四轮驱动纯电动轿车的电动轮。每个电动轮的最大功率为 50千瓦，最大扭矩为 518nts 圆柱形锂电池化成设备的设计 4 牛米，最高转速为 1500转 /分，一次充电的行驶里程可达 250公里，最高车速可达到 150公里 /小时。 1.2.3 锂离子电池原理一个锂离子电池主要由正极、负极、电解液及隔膜组成，外加正负极引线，安全阀， PTC（正温度控制端子），电池壳等。虽然锂离子电池种类繁多，但其工作原理大致相同。充电时，锂离子从正极材料中脱嵌，经过隔膜和电解液，嵌入到负极材料中，放电以相反过程进行。再充电，又重复上述过程。以典型的液态锂离子为例，当以石墨为负极材料，以 LiCoO2 为正极材料时，其充放电原理为：放电 6C+LiCoO2 Li-xCoO2+LixC6；充电 6C+LiCoO2 Li-xCoO2+LixC6；充电时， Li+从 LiCoO2 中发生脱嵌，释放一个电子， C3+被氧化为 C4 +，与此同时， Li+经过隔膜和电解液迁移到负极石墨表面，进而插入到石墨结构中，石墨结构同时得到一个电子，形成锂碳层间化合物 LixC6，放电时过程则相反，Li+从石墨结构脱插，嵌入到正极 LiCoO2 中。 nts 圆柱形锂电池化成设备的设计 5 图 1-2 锂离子电池充放电示意图 nts 圆柱形锂电池化成设备的设计 6 1.2.4 锂离子电池组成正极：锂离子电池的正极材料为氧化物，有氧化锰锂 (锰酸锂 LiMn2O4)、氧化钴锂 (钴酸锂 LiCoO2)、氧化镍锂 (镍酸锂 LiNiO2)、磷酸铁锂 (LiFePO4)等。负极：锂离子电池的负极材料主要是石墨化碳材料 (碳素 )。导电剂：乙炔黑。粘接剂：聚四氟乙烯。电解质：锂离子电池的电解质主要有两种，液态电解质 (碳酸脂 )和固态电解质 (聚合物 )。隔膜：锂离子电池用隔膜是聚烯微孔隔膜，此隔膜的优点是离子交换能力强，保液能力好，强度高，抗氧化性能好。铝壳或塑壳。 1.2.5锂离子电池生产工艺流程 1.2.6 锂离子电池的化成组装好的锂离子电池首先进行化成。化成工艺：以 0.1C 恒流 (40mA/g)充电到 3.6V，再以 0.2C 恒流充电到 4.2V，最后以 4.2V 恒压充电 2 小时。静置 10min，以 0.2C 恒流放电至 2.5V 3.0V 终止，充电同前。 1.2.7 锂离子电池的优点一、超长寿命，长寿命铅酸电池的循环寿命在 300 次左右，最高也就 500次，而磷酸铁锂动力电池，循环寿命达到 2000 次以上，标准充电（ 5 小时率）nts 圆柱形锂电池化成设备的设计 7 使用，可达到 2000 次。同质量的铅酸电池是“新半年、旧半年、维护维护又半年”，最多也就 1 1.5 年时间，而磷酸铁锂电池在同样条件下使用，将达到年可以说是终身制。综合考虑，性能价格比将为铅酸电池的 5 倍以上。二、使用安全，磷酸铁锂完全解决了钴酸锂和锰酸锂的安全隐患问题，钴酸锂和锰酸锂在强烈的碰撞下会产生爆炸对消费者的生命安全构成威胁，而磷酸铁锂以经过严格的安全测试即使在最恶劣的交通事故中也不会产生爆炸堪为最特色的锂电池。三、可大电流 2C 快速充放电，在专用充电器下， 1.5C 充电 40 分钟内即可使电池充满，起动电流可达 2C，而铅酸电池现在无此性能。四、耐高温，磷酸铁锂电热峰值可达 350 500而锰酸锂和钴酸锂只在200左右。五、大容量，大力水手生产的磷酸铁锂动力电池的续行里程是同等质量铅酸电池的 3 4 倍，其优点可使电动自行车在适中重量的前提下，充一次电可跑 100多公里，对于上班族，充一次电能够使用一周左右的时间。而铅酸电池配备的电动自行车在整车重量不超标的条件下，其电池容量最大为 12Ah（铅酸电池重量此时已达 13 公斤，而同容量的磷酸铁锂电池的重量只有 5 公斤），充一次电最多能够行驶 50km 左右。六、无记忆效应，可充电池在经常处于充满不放完的条件下工作，容量会迅速低于额定容量值，这种现象叫做记忆效应。像镍氢、镍镉电池存在记忆性，而磷酸铁锂电池无此现象，电池无论处于什么状态，可随充随用，无须先放完再充电。七、体积小、重量轻，同等规格容量的磷酸铁锂电池的体积是铅酸电池体积的 2/3，重量是铅酸电池的 1/3。八、绿色环保 . 磷酸铁锂材料无任何有毒有害物质不会对环境构成任何污染被世界公认为绿色环保电池，该电池无论在生产及使用中，均无污染，因此该电池又列入了“十五”期间的“ 863”国家高科技发展计划，成为国家重点支持和鼓励发展的项目。随着中国加入 WTO，中国电动自行车的出口量将迅速增大，而现在进入欧美的电动自行车已要求配备无污染电池，配备铅酸电池的电动车很难出口。 nts 圆柱形锂电池化成设备的设计 8 1.2.8 锂离子电池的缺点一、电池成本较高。主要表现在 LiCoO2 的价格高（ Co 的资源较小），电解质体系提纯困难。二、不能大电流放电。由于有机电解质体系等原因，电池内阻相对其他类电池大。故要求较小的放电电流密度，一般放电电流在 0.5C 以下，只适合于中小电流的电器使用。三、需要保护线路控制。 A、过充保护：电池过充将破坏正极结构而影响性能和寿命；同时过充电使电解液分解，内部压力过高而导致漏液等问题；故必须在 4.1V-4.2V 的恒压下充电； B、过放保护：过放会导致活性物质的恢复困难，故也需要有保护线路控制。 nts 圆柱形锂电池化成设备的设计 9 第二章总体方案设计 2.1 任务要求及参数据现有的锂电池化成工艺要求，设计一种化成设备，具有极耳间距调整、极片或极板夹紧以及充放电功能，完成该化成设备的机械结构设计、主要零件的力分析、完成该设备三维建模及仿真。以 18650锂电池为例， 18650这几个数字，代表外表尺寸： 18指电池直径 18.0mm 650指电池高度 65.0mm 2.2 升降机构方案升降机构方案一：丝杠传动如下图所示，采用步进电机和丝杠带动电极工作台升降。此方案的优点是升降工作台升降速度可调，升降高度可以通控制步进电机转的圈数来调节，升降距离可以很长。缺点是结构相对较复杂，生产成本较高。 nts 圆柱形锂电池化成设备的设计 10 图 2-1 方案一：升降台采用丝杠传动升降机构方案二：采用气压传动如下图所示，方案二采用的是气压传动来控制升降台升降，该传动方案的优点是结构简单，反应敏捷，便于集中供气和中距离输送，使用安全，无爆炸和电击危险，有过载保护能力；缺点是：（ 1）由于空气的可压缩性大，气压传动系统的速度稳定性差，给系统的速度和位置控制精度带来很大的影响。（ 2）气压传动系统的噪声大，尤其是排气时，需要加消音器。 nts 圆柱形锂电池化成设备的设计 11 图 2-2 方案二：升降台采用气缸传动在本机械中，所要求升降台提升高度不高，如果采用丝杠传动，会使结构相对较复杂，如采用气压传动，会使结构更简单，因此，升降机构采用气压传动。 2.3 进料机构方案进料机构方案一：齿轮齿条传动如下图所示，方案一采用的是齿轮齿条传动来控制送料台送料，承载力大，传动精度较高，可达 0.1mm，可无限长度对接延续，传动速度可以很高，可达 2m/s，缺点：若加工安装精度差，传动噪音大，磨损大。 nts 圆柱形锂电池化成设备的设计 12 图 2-3 进料机构方案一：齿轮齿条传动方案进料机构方案二：气压传动如下图所示，进料机构方案二采用的是气压传动来控制进料台工作，该传动方案的优点是结构简单，反应敏捷，便于集中供气和中距离输送，使用安全，无爆炸和电击危险，有过载保护能力；缺点是：（ 1）由于空气的可压缩性大，气压传动系统的速度稳定性差，给系统的速度和位置控制精度带来很大的影响。（ 2）气压传动系统的噪声大，尤其是排气时，需要加消音器。图 2-4 进料机构方案二：送料机构传动方案综上所述，为便于集中供气和中距离输送，使用安全，无爆炸和电击危险，有过载保护能力；进料机构和升降机构一样，统一采用气压传动。 2.4 总体方案拟定根据以上升降机构和进料机构的设计，最后拟定传动方案如下图所示：由气缸带动进料机构左右运动，气杆伸出，可以往电池模板里放入锂电池，模板底部弹片与电池负极接通，气杆缩进，电池模板与正电极模板对齐。由气缸带动升降台作上下运动，升降台上升，正电极与池正极脱开，升降台下降，正电极与电池正极接合，接通电源便可开始对锂电池化成。 nts 圆柱形锂电池化成设备的设计 13 图 2-5 总体方案 nts 圆柱形锂电池化成设备的设计 14 第三章气压传动设计 3.1 气压传动系统图该系统由左右移动的进料气缸、升降气缸、组成。气源出来的气体经过二联件处理后进入到汇流板。通过相应的电磁换向阀进入气动执行元件，分别驱动气缸 1 的左右移动、气缸 2 的上升下降运动 . 3.1 升降气缸设计升降气缸运动参数升降行程 35mm 升降速度 5/mm s 1）所要克服的重力 G=170Kg 10=1780 N 2）气缸的直径本气缸主要带动升降板升降，气缸必须克服升降板的重力和活塞杆工作时的总阻力，其公式为 : zt FFPDF 4 21 nts 圆柱形锂电池化成设备的设计 15 式中 : 1F - 活塞杆上的推力， N tF- 升降板重力 G， N zF - 气缸工作时的总阻力， N P - 气缸工作压力， Pa 在设计中，必须考虑负载率的影响，则 : 24tz DpFF 由以上分析得气缸的直径 : 4 ( )ztFFDp 代入有关数据，可得所以 : D 4( )ztFFpn 64 ( 4 9 0 1 7 8 0 )1 1 053.7( )mm 查有关手册圆整，得 63D mm 由 3.02.0/ Dd ,可得活塞杆直径 : ( 0 . 2 0 . 3 ) 1 3 1 8 . 9d D m m 圆整后，取活塞杆直径 16d mm 校核，按公式 )4/( 21 dF 有 : 5.0)/14( Fd 其中， MPa120 则 : 0 . 5 4 ( 4 9 0 1 7 8 0 ) / 1 2 0 d 4.9 16 满足实际设计要求。 3）缸筒壁厚的设计缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于 1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算 : 2/ pDP nts 圆柱形锂电池化成设备的设计 16 式中 : - 缸筒壁厚， mm D - 气缸内径， mm pP- 实验压力，取 PPp 5.1, Pa 材料为 :ZL3, =6MPa 代入己知数据，则壁厚为 : 2/ pDP 566 5 6 1 0 / ( 2 6 1 0 )3 . 2 5 ( )mm 取 5mm ，则缸筒外径为 : 1 6 3 5 2 7 3 ( )D m m 3.2 进料气缸设计进料气缸运动参数伸缩行程 1100mm 伸缩速度 200 /mm s 最大加速度 1m/s2 1）所要克服的摩擦阻力 f=150Kg 10 0.17=255N 2）气缸的直径本气缸主要带动移动板伸缩，气缸必须克服移动板和活塞杆工作时的总阻力，其公式为 : 21 4 zDPF f F 式中 : 1F - 活塞杆上的推力，1 1 5 0 1 1 5 0F m a N tF- 升降板重力 G， N zF - 气缸工作时的总阻力， N P - 气缸工作压力， Pa 在设计中，必须考虑负载率的影响，则 : nts 圆柱形锂电池化成设备的设计 17 21 4tzDpF F F 由以上分析得气缸的直径 : 14 ( )ztF F FD p 代入有关数据，可得所以 : D 14 ( )ztF F Fpn64 ( 5 5 0 2 5 5 1 5 0 )1 1 0 34.8( )mm 查有关手册圆整，得 50D mm 由 3.02.0/ Dd ,可得活塞杆直径 : ( 0 . 2 0 . 3 ) 1 0 1 5d D m m 圆整后，取活塞杆直径 15d mm 校核，按公式 )4/( 21 dF 有 : 5.0)/14( Fd 其中， MPa120 则 : 0 . 5 4 ( 5 5 0 2 5 5 1 5 0 ) / 1 2 0 d 3.18 16 满足实际设计要求。 3）缸筒壁厚的设计缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于 1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算 : 2/ pDP 式中 : - 缸筒壁厚， mm D - 气缸内径， mm pP- 实验压力，取 PPp 5.1, Pa 材料为 :ZL3, =6MPa 代入己知数据，则壁厚为 : 2/ pDP nts 圆柱形锂电池化成设备的设计 18 565 0 6 1 0 / ( 2 6 1 0 )2 . 5 ( )mm 取 5mm ，则缸筒外径为 : 1 5 0 5 2 6 0 ( )D m m 3.3 升降气缸尺寸设计与校核 1）尺寸设计气缸运行长度设计为 l =40mm,气缸内径为 1D =63mm，气缸运行速度，加速度时间 t =0.1s,压强 p=1MPa,则驱动力： 20 . RpG 621 1 0 3 . 1 4 0 . 0 6 3 12462( )N 2）尺寸校核（ 1）测定上模板质量为 170kg,则重力： mgG 170 101700( )N（ 2）设计加速度 21( / )a m s ，则惯性力： maG 1 170 1170( )N（ 3）考虑活塞等的摩擦力，设定一摩擦系数 1.0k ， 1.GkGm 0.1 85085( )N 总受力mq GGGG 1=1955N nts 圆柱形锂电池化成设备的设计 19 0GGq 所以设计尺寸符合实际使用要求。 3.4 伸缩气缸尺寸设计与校核 1）尺寸设计气缸运行长度设计为 l =1100mm,气缸内径为 1D =50mm，气缸运行速度，加速度时间 t =0.1s,压强 p=1MPa,则驱动力： 20 . RpG 621 1 0 3 . 1 4 0 . 0 5 7850( )N 2）尺寸校核（ 1）设计加速度 25( / )a m s ，则惯性力： maG 1 150 1150( )N（ 3）考虑活塞等的摩擦力，设定一摩擦系数 1.0k ， 1.GkGm 0.1 15015( )N 总受力1qmG G G=165N 0GGq 所以设计尺寸符合实际使用要求。 nts 圆柱形锂电池化成设备的设计 20 第四章结构设计 4.1 下模板设计图 4-1 下模板下模板设计如上图所示，下模板由支撑板、绝缘层、电极层、模框及燕尾槽组成，支撑板的材料为不锈钢板，主要起支撑作用，燕尾槽块材料为 45 钢，与支撑板焊接在一起。支撑板上边为绝缘层，材料是绝缘塑料，绝缘层有一方形凹坑，坑中安放有铜片电极，铜片电极上压着模框。支撑板、绝缘层、电极层、模框由螺栓联接。 nts 圆柱形锂电池化成设备的设计 21 4.2 上模板设计图 4-2 上模板上模板设计如上图所示，上模板由支撑板、绝缘层、电极层、模框及导向套组成，支撑板的材料为不锈钢板，主要起支撑作用，导向套为 45 钢，与支撑板联接在一起。支撑板下边为绝缘层，材料是绝缘塑料，绝缘层有一方形凹坑，坑中安放有铜片电极，铜片电极下压着模框。支撑板、绝缘层、电极层、模框由螺栓联接，弹簧电极与铜片电极层焊接在一起。 4.3 机架设计 1）机架设计准则底座、机架、箱体、基板等零件都属于机架零件。机架零件可划分为四大类：即机座类、机架类、基板类和箱壳类，对机架零件一般可提出下列要求 : (1)工况要求：即任何机架的设计首先必须保证机器的特定工作要求。例如，保证机架上安装的零部件能顺利运转，机架的外形或内部结构不致有阻碍运动件通过的突起 ,设置执行某一工况所必需的平台；保证上下料的要求、人工操作的方便及安全等。 (2)刚度要求：在必须保证特定的外形条件下，对机架的主要要求是刚度。如果基础部件的刚性不足，则在工作的重力、夹紧力、摩擦力、惯性力和工作载荷等nts 圆柱形锂电池化成设备的设计 22 的作用下，就会产生变形，振动或爬行，而影响产品定位精度、加工精度及其它性能。例如机床的零部件中，床身的刚度则决定了机床的生产率和加工产品的精度。 (3)强度要求：对于一般设备的机架，刚度达到要求，同时也能满足强度的要求 (4)稳定性要求：对于细长的或薄壁的受压结构及受弯 -压结构存在失稳问题，某些板壳结构也存在失稳问题或局部失稳问题。失稳对结构会产生很大的破坏，设计时必须校核。 (5)美观：目前对机器的要求不仅要能完成特定的工作，还要使外形美观。 (6)其它：如散热的要求，防腐蚀及特定环境的要求。在满足机架设计准则的前提下，必须根据机架的不同用途和所处环境，考虑下列各项要求，并有所偏重。 (1)机架的重量轻，材料选择合适，成本低。 (2)结构合理，便于制造。 (3)结构应使机架上的零部件安装、调整、修理和更换都方便。 (4)结构设计合理，工艺性好，还应使机架本身的内应力小，由温度变化引起的变形应力小。 (5)抗振性能好。 (6)耐腐蚀，使机架结构在服务期限内尽量少修理。 (7)有导轨的机架要求机架导轨面受力合理，耐磨性良好。 2

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