ca3780关玉明;姜钊;赵芳华;邱子桢;于盼
【摘 要】针对现有锂离子电池电芯烘烤工艺的不足,提出一种新型电芯烘烤工艺,包含电芯进出烘烤箱的结构设计,可省去电芯干燥过程的人工运输,提高生产率.首次提出了通过分析氮气在烘烤罐内能量损失情况来得到氮气进口流速大小的方法,应用Fluent仿真软件进行氮气在烘烤罐内的流速场分析.结果表明:圆形烘烤箱较传统方形烘烤箱更利于电芯在烘烤过程的排水及防氧化;当进气管内氮气初始流速为8m/s时,烘烤耗时35 min,同时烘烤中的各个电芯不同截面中风速大小均在93％以上,能够很好地达到电芯烘烤的一致性,可为实际电芯烘烤过程提供理论依据和指导. 【期刊名称】《电源技术》
【年(卷),期】2018(042)011
【总页数】4页(P1622-1624,1659)
【关键词】锂离子电池;烘烤工艺;流体仿真;均匀性
【作 者】关玉明;姜钊;赵芳华;邱子桢;于盼
【作者单位】翻边>国画调盘河北工业大学机械工程学院,天津300130;河北工业大学机械工程学院,天津300130;河北工业大学机械工程学院,天津300130;河北工业大学机械工程学院,天津300130;河北工业大学机械工程学院,天津300130
【正文语种】中 文
【中图分类】TM912.9
如今锂电池及其使用设备在人们生活中扮演的角日益重要，小到大家使用的智能手机与电动汽车，大到航空航天与国防建设，锂电池几乎遍布人们生活的各个角落。众所周知，水分对锂电池的性能影响是最大的，锂电池在注液前需对电池壳内放入极片的锂电池充入惰性气体进行烘烤干燥处理，烘烤干燥过程通常是在负压环境下进行，因为水在低压状态下沸点显著降低，利于极片的水分蒸发。目前市场上的电池干燥箱结构各异，进出风口位置分布也没有统一的标准，对进气泵参数设计也缺乏理论分析，且传统的方形烘烤箱经常因为箱内的压力变化会导致箱壁的刚性变形，且此过程往往均作为一个单独的工艺设备存在，也避免不了在极片干燥之后和注液之前水分的二次污染。 李徐佳等 [1-2]对锂电池极片烘烤箱的流场特性进行了研究，并探讨了极片烘烤箱耗能系统分析，但对电芯烘烤箱的介绍很少。为此，本文提出了一种新型的锂离子电池电芯真空烘烤工艺，可衔接极片干燥之后的注液工艺，且以此工艺计算出极片在单次烘干过程所需的烘干能量，并可得到进气泵的参数要求。以工程热力学能量守恒定律为理论依据，利用Fluent流体仿真软件对烤箱内进行流体仿真分析，对进气口流速大小对烘烤箱内流体的均匀性与温度分布差异性进行分析，得到在满足极片烘烤最佳状态下，进气口风速与烘烤时间的最优值，为实际烘烤过程提供理论依据。
1 烘烤箱结构形式与工作原理
将待烘烤的锂电池竖直插入到电芯小车的支架内，支架分为两排，电芯小车放置在推板上，通过推板气缸推动，将电芯小车推至烘烤箱前端，通过传动电机将电芯小车推至烘烤箱内部，门窗通过推拉气缸带动，通过铰链支座连接可将门窗沿着导轨竖直移动来控制门窗的启闭，将电芯小车推至烘烤箱内部后，门窗关闭。对烘烤箱内部抽真空后，通过进气管充入热氮气对锂电池进行烘烤，同时通过出气管将冷氮气排出，排出的氮气通过二次加热可再进入进气管。烘烤箱工艺结构示意图见图1。
图1 烘烤箱工艺结构示意图1.电芯小车;2.推板气缸;3.传动电机;4.推板;5.机架;6.门窗;7.导轨;8.推拉气缸;9.罐体;10.进气管;11.出气管
烘烤结束后，通过相同装置将电芯小车拉出烘烤箱，圆筒形的烘烤箱较方形的烘烤箱更能承受因烤箱内压力变化而导致的结构变形，使烘烤过程更稳定，可避免由于罐体变形对电芯烘烤带来的差异性。电芯的主要烘烤方向平行于进气管排出的热惰性气体流体方向，所以烘烤效果更佳，电芯开口向上更方便下一工序的电芯注液，总体结构显然要优于现有烤箱。
烘烤箱设计尺寸为Φ1 500 mm×1 710 mm。对烘烤箱注入热氮气烘烤前需对罐内进行抽真空处理，一般电芯烘烤过程中抽真空时间为3～5 min，设计时设抽真空时间t=5 min，罐内初始压强为1.01×105Pa，抽真空后压力200 Pa，根据真空泵选型公式：
fe光模块
式中：S为真空泵抽气速率(L/s)；V为真空室容积(L)；t为达到要求真空度所需时间(s)；P1为初始真空度(Pa)；P2为要求真空度(Pa)。
经计算S=8.579 L/s，根据选型手册，此烘烤箱进行抽真空室时选用的真空泵型号为2X(Z)型旋片式真空泵，与其相配的电机功率范围为1.2～2.5 kW。
2 烘烤箱烘烤过程的热力学分析
电芯的烘烤除了注重烘烤过程与外界污染控制外，节约能源与低耗时也是非常重要的因素，因此分析对流入烤箱内的热氮气流速十分有必要。烘烤过程中，流入的热氮气能量一方面用于罐体内部温度的提升，还有一部分会因气流受到电芯阻力损失掉了[3]。通过计算二者的能量总和，根据热力学能量守恒定律，可得到满足电芯烘烤要求的进气管流入氮气的适合流速大小，合适的气流流速应既能满足烘烤过程对电芯的均匀干燥，也应节能节时，对实际烘烤工作具有重要意义，也为仿真过程中气体进口的流速设定提供依据。
2.1 烘烤过程用于提升部件温度的能量损失
电池电芯内部的构成为：正极极片，负极极片，隔膜，钢制电池盒，电池上下盖及保护板。针对待烘烤锂电池型号90300320S，可计算出单个电芯烘烤到85℃时所需能量。
烘烤箱壁厚公式：保温炉
式中：δ为罐体壁厚(mm)；pc为设计压力(MPa)；Di为罐体内直径(mm)；[σ]t为烘烤中温度下烘烤箱材料的许用应力(MPa)；Φ为焊接系数，取 0.85；c1为壁厚附加量(mm)，值为 1.
2 mm，即烘烤箱材料工差尺寸；c2为腐蚀裕量(mm)，值为1 mm。计算得δ=9.16 mm。
各部件吸收热量hf1=cm(t终－t初)，304不锈钢(0～100℃)比热容c=0.5 kJ/(kg·K)，t终为烘烤终温 85 ℃，t初为常温 25℃。烘烤罐体各部件质量与耗能见表1。
表1 罐体内部各结构质量与吸热耗能部件 进气管 出气管 罐体 电芯小车总成 滑轨 滑轨 平板质量/k g 8.7 8.7 2 6.1 1 8.6 1 3.5 9.5吸热耗能/k J 2 6 9.7 2 6 9.7 7 8 3.0 5 5 8.0 4 0 8.0 2 8 5.0铿电池型号为9 0 3 0 0 3 2 0 S，每辆电芯小车同时烘烤1 7个电芯
