DE102022203005A1

DE102022203005A1 - Prozessanordnung zur Fertigung eines Elektroden-/Separatorstapels für eine Batteriezelle

Info

Publication number: DE102022203005A1
Application number: DE102022203005.2A
Authority: DE
Inventors: Kartik Jamadar
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: POWERCO SE, DE
Priority date: 2022-03-28
Filing date: 2022-03-28
Publication date: 2023-09-28
Also published as: CN116826132A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Prozessanordnung zur Fertigung eines Elektroden-/Separatorstapels (9) für eine Batteriezelle, mit einer Stapelstation (1), bei der Stapelbestandteile (4) in Reihe hintereinander kontinuierlich einer Transfereinheit (5) zuführbar sind, von der die Stapelbestandteile unter Bildung des Elektroden-/Separatorstapels (9) in ein Stapelmagazin (7) transferierbar sind. Erfindungsgemäß weist die Transfereinheit (5) zumindest ein Hubelement (17) auf. Die Stapelbestandteile (4) sind in einem Stapelprozess auf das Hubelement (17) stapelbar. Mit steigender Stapelhöhe der auf das Hubelement (17) gestapelten Stapelbestandteile (4) ist das Hubelement (17) über einen Hubweg (h) von einer oberen Hubstellung (Ho) in Richtung einer unteren Hubstellung (Hu) hubverstellbar, in der für eine Stapel-Übergabe das Hubelement (17) vom Elektroden-/Separatorstapel (9) gelöst ist und der Elektroden-/Separatorstapel (9) auf einer Bodengruppe des Stapelmagazins (7) abgelegt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Prozessanordnung zur Fertigung eines Elektroden-/Separatorstapels für eine Batteriezelle nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Eine gattungsgemäße Prozessanordnung weist eine Stapelstation auf, bei der Stapelbestandteile in Reihe hintereinander kontinuierlich einer Transfereinheit zugeführt werden. Ein solcher Stapelbestandteil kann beispielhaft ein Mehrlagenaufbau sein, der aus einer Anode, einem Separator, einer Kathode sowie einem weiteren Separator aufgebaut ist. Von der Transfereinheit werden die Stapelbestandteile unter Bildung des Elektroden-/Separatorstapels in ein Stapelmagazin transferiert.
Beim Stapeln werden die einzelnen Stapel von Anoden, Separatoren und Kathoden übereinander gelegt. Dies geschieht derzeit hauptsächlich durch die Pick-and-Place-Methode innerhalb des Magazins. Die einzelnen Segmente werden mit Hilfe eines Vakuums entnommen und nacheinander in das Magazin gelegt. Das Magazin wird auf einem Drehtisch platziert und von einer Station zur anderen bewegt. Dies ist ein sehr zeitaufwändiger Prozess.
Normalerweise ist der Separator von allen Seiten um einen Überstand (zum Beispiel 3 mm) größer als die Kathode und die Anode. Die Anode ist an allen Seiten wiederum geringfügig größer als die Kathode (zum Beispiel um 1,5 mm). Dieses Maß muss beibehalten werden. Wenn sich im Stapelprozess der Separator zufällig zwischen Anode und Kathode verschiebt, kann dies zu einem Kurzschluss während des Betriebs der Zelle führen.
Bei der Hochgeschwindigkeitsstapelung ist es nicht möglich, den Stapelvorgang zu stoppen, sobald das erste Magazin gefüllt ist und ein anderes zweites Magazin die Position des ersten Magazins einnehmen soll. Dies kann derzeit erreicht werden, indem der gesamte Prozess verlangsamt wird, so dass das Magazin leicht ausgetauscht werden kann. Dies ist jedoch keine optimale Lösung, da die Maschine mit niedriger Geschwindigkeit laufen muss.
Normalerweise werden die Elektrodenstapel vor dem Eintritt in das Magazin freigegeben. Das bedeutet, dass sich die Elektroden im Magazin unkontrolliert bewegen und nur durch ihr Gewicht frei fallen können. Das bedeutet, dass jede unkontrollierte Bewegung zu Toleranzproblemen bei der Stapelung führen kann.
Aus der WO 2014/014196 A1 ist eine Prozessanordnung zur Fertigung eines solchen Elektroden-/Separatorstapels bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Prozessanordnung zur Fertigung eines Elektroden-/Separatorstapels für eine Batteriezelle bereitzustellen, der im Vergleich zum Stand der Technik mit gesteigerter Prozessgeschwindigkeit durchführbar ist.
Die Aufgabe ist durch Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Die Erfindung geht von einer Prozessanordnung aus, die eine Stapelstation aufweist. Bei der Stapelstation werden Stapelbestandteile in Reihe hintereinander kontinuierlich einer Transfereinheit zugeführt. Die Transfereinheit transferiert die Stapelbestandteile unter Bildung des Elektroden-/Separatorstapels bis in ein Stapelmagazin. Von dort wird der Elektroden-/Separatorstapel einer Weiterbearbeitung zugeführt. Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 weist die Transfereinheit zumindest ein Hubelement auf. Die Stapelbestandteile werden in einem Stapelprozess unmittelbar auf das Hubelement gestapelt. Mit steigender Stapelhöhe der auf das Hubelement gestapelten Stapelbestandteile wird das Hubelement über einen Hubweg in Richtung einer unteren Hubstellung hubverstellt. In der unteren Hubstellung ist eine Übergabe erfolgt, in der das Hubelement von dem (sich bildenden oder bereits gebildeten) Elektroden-/Separatorstapel gelöst ist und ist der Elektroden-/Separatorstapel auf einer Bodengruppe des Stapelmagazins abgelegt ist.
Der Hubweg erstreckt sich von einer oberen Hubstellung des Hubelements über einen Hubweg bis zu einer unteren Hubstellung. Der Hubweg kann in einer technischen Umsetzung aufgeteilt sein in einen ersten Teilhubweg und in einen daran anschließenden zweiten Teilhubweg. Der erste Teilhubweg erstreckt sich von der oberen Hubstellung bis zu einer Zwischenstellung. Während des ersten Teilhubwegs befindet sich das Hubelement noch außerhalb des Stapelmagazins. Der zweite Teilhubweg erstreckt sich von der Zwischenstellung bis zur unteren Hubstellung. Während des zweiten Teilhubwegs befindet sich das Hubelement innerhalb des Stapelmagazins.
Mit der erfindungsgemäßen Prozessanordnung kann der Stapelprozess bereits außerhalb des Stapelmagazins gestartet werden: So kann bei einer Hubbewegung des Hubelements über den ersten Teilhubweg der Stapelprozess bereits außerhalb des Stapelmagazins durchgeführt werden. Das heißt, dass der Stapelprozess auch dann durchführbar ist, wenn das Stapelmagazin zum Beispiel für einen Stapelmagazinwechsel aus der Stapelstation entfernt ist. Bevorzugt kann das Stapelmagazin für einen solchen Stapelmagazinwechsel zwischen der Stapelstation und einer weiteren Bearbeitungsstation transportiert werden, in der eine weitere Bearbeitung des Elektroden-/Separatorstapels durchgeführt werden kann.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft die Ausgestaltung des Stapelmagazins, während ein weiterer Aspekt den Stapelprozess (Anoden-Separator-Kathoden-Separator) innerhalb des Magazins betrifft. Beispielhaft besteht ein Stapelbestandteil aus einem Mehrlagenaufbau aus Anoden-Separator-Kathoden-Separator, die nicht laminiert sein können. Der Mehrlagenaufbau kann mit Klammern einer Greifereinheit gehalten werden, so dass die Maßtoleranz erhalten bleibt. Ein Stromabnehmerbereich an der Anode und Kathode kann trapezförmig ausgebildet sein, um eine später beschriebene lagerichtige Positionierung zu gewährleisten. Es ist hervorzuheben, dass sich die Stapelbestandteile während des Stapelprozesses zu keinem Zeitpunkt in einer unkontrollierten Freifallbewegung befinden. Das Stapelmagazin ist so konstruiert, dass jeder Stapelbestandteil im Inneren des Magazins auch an allen Seiten fixiert ist und nicht verrutschen kann. Die kontinuierliche Bewegung der Stapelbestandteile wird auch dann nicht gestoppt, wenn das gefüllte Stapelmagazin von der Stapelstation wegbewegt wird und ein neues leeres Magazin in die Stapelstation eingeführt wird. Durch die Erfindung werden also die Stapelbestandteile (zum Beispiel Anode-Separator-Kathode-Separator) mit hoher Prozessgeschwindigkeit und geringer Toleranz genau im Stapelmagazin platziert.
Nachfolgend werden zunächst relevante Komponenten der Prozessanordnung erläutert, bevor auf die Einzelheiten der Innovation eingegangen wird. Der jeweilige Stapelbestandteil (das heißt der Mehrlagenaufbau aus Anode, Separator, Kathode und Separator) wird in die gewünschte Form gebracht und mit Hilfe von Klammern (das heißt Greifereinheiten), die sich im Inneren eines Endlosförderbands befinden, in Richtung Magazin transportiert. Die Klemmen haben Backen, die die Stapelbestandteile halten und von oben und unten zusammenklemmen. Die Backen können sich auch horizontal in Richtung der Klammer und von der Klammer wegbewegen. Auf diese Weise kann die Klammer das Stapelbestandteil loslassen und sich in Querrichtung zurück an ihre ursprüngliche Position bewegen.
In einer technischen Umsetzung sind neben dem Stapelmagazin ein Pufferschacht vorgesehen, der für die Ablage von Stapeln bestimmt ist. Der Pufferschacht befindet sich immer unter dem Endlosförderband. Dieser wird mit Stapelbestandteilen gefüllt, wie später noch erklärt wird. Das Stapelmagazin unterhalb des Pufferschachts bewegt sich auf Transportschienen, so dass das mit dem Elektroden-/Separatorstapel gefüllte Stapelmagazin wegfahren werden kann und das leere Magazin den freien Platz in der Stapelstation einnehmen kann. Ein wichtiger Teil dieser Erfindung sind die Hubelemente, die die Stapelbestandteile tragen. Diese werden von den Klemmbacken gelöst und dann im Magazin bzw. im Pufferschacht nach unten bewegt. Auf diese Weise können die Stapelbestandteile nicht mehr unkontrolliert herunterfallen. Die Hubelemente werden mittels einer Stelleinheit nach Art einer Endlosförderbands bewegt. Der Kern der Erfindung besteht darin, eine lagerichtige und schnelle Platzierung von Stapelbestandteilen im Stapelmagazin zu ermöglichen.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung können die Ableiterfahnen der Elektroden trapezförmig gestaltet sein, so dass diese von allen Seiten im Inneren des Magazins mit Seitenschlägen zusammenwirken. Die Anordnung der Stapelbstandteile innerhalb des Magazins ist so, dass die horizontalen Freiheitsgrade (x und y) eingeschränkt sind. Die Stapelbestandteile können innerhalb des Magazins nur nach unten gehen. Der Separator wird auch durch ein Profil an der Ecke geführt, so dass der Separator auch nur vertikal nach unten fahren kann. Die Klammern sind ebenfalls mit einer Führung versehen, so dass sich die Klammern nur in vertikaler Richtung bewegen können, ohne sich in horizontaler Richtung zu verschieben.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung befinden sich am Boden des Stapelmagazins Federn. Diese sind im unbelasteten Zustand voll ausgefahren. Wenn der Stapel durch das Hubelement auf die Feder gelegt wird, wird die Feder langsam zusammengedrückt. Die Feder sorgt dafür, dass die Stapel nicht unkontrolliert auf den Boden des Magazins fallen. Stattdessen werden die Stapel allmählich auf der Feder abgelegt. Es sind bevorzugt mehrere Hubelemente vorgesehen. Diese bewegen sich gemeinsam mit der vorgeschriebenen Geschwindigkeit nach unten und legen die Stapel schließlich auf den Federn ab, bevor sie das Magazin verlassen und durch eine rechtwinklige Bewegung wieder in die ursprüngliche Position gelangen. Auf dem Hubelement können die Stapelbestandteile bis Erreichen des Elektroden-/Separatorstapels gestapelt werden. Wenn die Anzahl der Stapelbestandteile auf dem Hubelement die anvisierte Anzahl erreicht, werden sofort die benachbarten Stapelbestandteile in Position gebracht und auf diesen Stapelbestandteilen platziert- Das Hubelement beginnt sich ebenfalls nach unten zu bewegen. Auf diese Weise wird die kontinuierliche horizontale Bewegung der Stapelbestandteile mit Hilfe der Hubelemente in eine vertikale Bewegung im Magazin umgewandelt. Sobald die Feder vollständig zusammengedrückt ist, bedeutet dies, dass die Anzahl der Stapelbestandteile im Magazin erreicht ist. Das gefüllte Magazin bewegt sich auf der Magazinschiene seitlich nach außen. Ein neues Magazin nimmt die Bestückungsposition ein. Die Hubelemente bewegen sich mit den Stapelbestandteilen weiter nach unten, und zwar entlang der Durchgangsöffnungen im neuen Magazin.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung ist neben dem Stapelmagazin ein Pufferschacht vorgesehen, bei dem sich das Hubelement nach unten bewegt und die darauf gestapelten Stapelbestandteile mitnimmt. Das Stapelmagazin weist bodenseitig die Federn auf. Zudem weist das Stapelmagazin schlitzförmige Durchlässe auf, durch die sich das Hubelement nach unten bewegt und die Stapelbestandteile auf die Federn legt. Sobald die gewünschte Anzahl von Stapelbestandteilen aufgestapelt ist, bewegt sich das untere Stapelmagazin auf der Magazinschiene in Richtung der Tapingprozess. Ein neues leeres Stapelmagazin wird unterhalb des Pufferschachts positioniert.
Das Stapelmagazin kann Führungen für den Separator und Profilführungen für Anode und Kathode aufweisen. Es hat auch Führungen für die Bewegung der Greifereinheiten und Schlitze für die Bewegung der Hubelemente. Es enthält auch Federn an der Basis. Das Hubelement trägt die Stapelbestandteile und legt diese auf die Federn ab. Durch das Gewicht der Stapelbestandteile werden die Federn zusammengedrückt. Sobald das Magazin voll ist, bewegt es sich seitlich nach außen und wird durch ein neues leeres Magazin ersetzt. Die Bewegung des Stapelmagazins erfolgt über Transportschienen. Der Boden des Stapelmagazins lässt sich in der Mitte öffnen, so dass es nach dem nächsten Arbeitsgang von unten geöffnet werden kann und die Stapel aus dem Magazin auf das Förderband gebracht werden können. Das Stapelmagazin ist fest mit dem Pufferschacht verbunden. Auch hier gibt es eine Profilführung für die Elektrode und eine Führung für den Separator und die Klammern. Es hat auch Schlitze für Hubelemente. Durch die Teilung in Pufferschacht und in Stapelmagazin ist es möglich, kontinuierlich Stapel zu platzieren, ohne die Stapelzufuhr vom Förderband zu stoppen, sobald die Anzahl der Stapel in der Zelle erreicht ist. Die Klammern geben die Stapel an die Stopper weiter, die die Stapel nach unten nehmen und auf einer Feder im Stapelmagazin ablegen.
Da die Greifereinheiten die Stapelbestandteile auf das sich vertikal nach unten bewegenden Hubelement legen, stauen sich die Stapelbestandteile auf dem Hubelement. Bis sich das Hubelement im Pufferschacht befindet, ist eine Verschiebung des Stapelmagazins möglich. Das Stapelmagazin muss an den Pufferschacht gekoppelt sein, kurz bevor das Hubelement den Pufferschacht verlässt und sich in das Stapelmagazin bewegt. Im Stapelmagazin befinden sich Federn, auf denen die Stapelbestandteile durch das Hubelement platziert werden und der das Hubelement schließlich das Stapelmagazin verlässt. Sobald das Hubelement das Stapelmagazin verlässt, bewegt sich das Stapelmagazin auf der Transportschiene seitlich nach außen und wird es einem Tapingprozess unterworfen. Das neue leere Magazin die Bestückungsposition unterhalb des Pufferschachts ein. Sobald das Stapelmagazin mit dem Pufferschacht verbunden ist, wird das nächste Hubelement in das Stapelmagazin eingeführt. Das bedeutet, dass die Bewegung des Stapelmagazins und die vertikale Bewegung des Hubelements gut synchronisiert sein müssen. Jedes Mal, wenn ein neues Hubelement kommt, muss die Anzahl der Stapelbestandteile auf dem vorherigen Hubelement den gewünschten Wert erreicht haben. Das Stapelmagazin wird daher immer mit der gleichen Anzahl von Stapelbestandteilen gefüllt, wie es für die zu fertigende Zelle erforderlich ist. Anschließend folgt der Tapingprozess. Die Höhe des Pufferschachts ist so gewählt, dass sie die Bewegung des Stapelmagazins ermöglicht. Das heißt, wenn sich das Stapelmagazin auf der Magazinschiene bewegt, bewegen sich die Hubelemente im Pufferschacht weiter nach unten. Wenn sich das Hubelement im Pufferschacht befindet, weist es normalerweise die gleiche niedrige Geschwindigkeit wie das (die Greifereinheiten fördernde) Endlosförderband auf. Das Hubelement weist hat eine höhere Geschwindigkeit auf, sobald die gewünschte Anzahl der Stapelbestandteile erreicht ist und er sich im Stapelmagazin bewegt. Auf diese Weise wird ein Zeitraum für den Transport des Stapelmagazins bereitgestellt. Die Schiene des Stapelmagazins kann auch parallel zur Hubelement-Bewegung angeordnet werden. In diesem Fall kann sich das Hubelement immer innerhalb der Schlitze im Stapelmagazin bewegen. Dies ist vorzuziehen, da so mehr Zeit für den Transport des Stapelmagazins vorhanden ist. Allerdings kann sich das Magazin nur in eine Richtung bewegen, da sich in der anderen Richtung die Stelleinheit für die Hubelemente befindet.
Nachfolgend sind die Hauptunterschiede der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik stichpunktartig aufgelistet: Die Ableiterfahnen an Anode und Kathode sind nicht rechteckig, sondern haben eine Trapezform, um sich mit der Profilführung zu positionieren. Es wird ein Stapelmagazin und ein ortsfest in der Stapelstation angeordneter Pufferschacht bereitgestellt. Unterhalb des Pufferschachts befindet sich das Stapelmagazin, das sich auf einer Transportschiene bewegen kann, sobald es mit der erforderlichen Anzahl von Stapelbestandteilen gefüllt ist. Das Stapelmagazin verfügt über Führungen, die verhindern, dass sich Elektrode und Separator beim Einsetzen verschieben. Die Greifereinheiten des Endlosförderbands gehen in den Pufferschacht und legen die Stapelbestandteile nach und nach auf die Hubelemente. Sobald die Stapelbestandteile auf den Hubelementen platziert sind, bewegen sich die Greifereinheiten im Pufferschacht nach unten und verlassen schließlich den Pufferschacht, um in die Ausgangsposition zurückzukehren und um neue Stapelbestandteile zu klammern. Die Hubelemente sind wichtig, um die Stapelbestandteile darauf abzulegen. Sie bewegen sich mit etwas geringerer Geschwindigkeit als das Endlosförderband nach unten. Auf diese Weise bewegen sich die Stapelbestandteile im Magazin nicht im freien Fall. Die Stapelbestandteile stauen sich auf dem Hubelement. Das Hubelement weist eine geringere Geschwindigkeit im Pufferschacht und eine höhere Geschwindigkeit im Stapelmagazin auf. Sobald das nächste Hubelement in den Pufferschacht kommt, bewegt sich das Hubelement (das sich noch im Pufferschacht befindet) schnell in das Stapelmagazin und legt alle Stapelbestandteile auf der Feder ab. Dieses Hubelement verlässt dann das Stapelmagazin und nimmt eine neue Position in der Stelleinheit ein. Mindestens drei Hubelemente können mit Hilfe der Stelleinheit bewegt werden. Die Stapelbestandteile werden bereits im ortsfesten Pufferschacht auf ein Hubelement abgelegt. Der Tapingprozess erfolgt im Stapelmagazin, ohne dass der Stapel aus dem Stapelmagazin entfernt werden muss. Der Boden des Stapelmagazins kann in der Mitte geöffnet werden, damit der Stapel auf ein Förderband gelegt werden kann. Nach dem Tapingvorgang werden die Ableiterfahnen von Anode und Kathode verschweißt und dann von der Trapezform auf die endgültige gewünschte Form und Abmessung getrimmt. Die Trapezform wurde durch Ausklinken hergestellt, um eine Verschiebung der Elektrode beim Einsetzen in das Magazin zu verhindern.
Nachfolgend sind die Vorteile der Erfindung stichpunktartig aufgelistet: Genaue Platzierung der Stapel im Magazin, so dass die Toleranz beim Stapeln nicht verloren geht. Es gibt kein unkontrolliertes und freies Fallen der Stapelbestandteile. Diese sind während des Stapelprozesses durchgängig abgestützt und erfahren eine kontrollierte vertikale Bewegung. Der Stapel- und Ablageprozess ist kontinuierlich. Das Magazin wird gewechselt, aber die Bewegung der Stapelbestandteile wird dadurch nicht unterbrochen. Sobald die Hubelementbewegung mit dem Magazintransport und dem Stapelzuführband synchronisiert ist, läuft der Prozess kontinuierlich und ohne manuelle Eingriffe. Die Verunreinigung durch Partikel ist sehr gering, da die Elektroden nur wenig mit den Maschinenelementen in Berührung kommen. Elektrode und Separator werden lokalisiert, bevor sie in das Stapelmagazin eintreten, das heißt sie haben immer eine genaue Position. Die Trapezform des Stromabnehmers ermöglicht es, den Freiheitsgrad der Elektrodenverschiebung einzuschränken. Das neue Design des Stapelmagazins ermöglicht es auch, im selben Magazin den Tapingprozess durchzuführen, ohne den Stapel hierfür aus dem Stapelmagazin zu entfernen.
Nachfolgend werden Erfindungsaspekte nochmals im Einzelnen hervorgehoben: In einer bevorzugten Ausführungsvariante kann die Transfereinheit einen Pufferschacht aufweisen. In dem Pufferschacht kann das Hubelement über den ersten Teilhubweg hubverstellt werden. An den Pufferschacht kann vertikal nach unten unmittelbar das Stapelmagazin anschließen.
Eine lagerichtige Positionierung der Stapelbestandteile während des Stapelprozesses ist von großer Bedeutung. Vor diesem Hintergrund kann der Pufferschacht und/oder das Stapelmagazin ein Führungsprofil aufweisen. Mit Hilfe des Führungsprofils können die Stapelbestandteile lagerichtig, das heißt ohne Querversätze quer zur Stapelrichtung, gestapelt werden. In einer ersten Ausführungsvariante kann das Führungsprofil eine Elektroden-Führungskontur aufweisen. Mit deren Hilfe können die seitlich mit Überstand aus dem Stapel abragenden Elektroden-/Ableiterfahnen in einer quer zur Stapelrichtung ausgerichteten Querebene lagefest positioniert sein, jedoch in Stapelrichtung leichtgängig verstellbar sein. Alternativ und/oder zusätzlich kann das Führungsprofil eine Separator-Führungskontur aufweisen, die die Separatorecken der Stapelbestandteile konturangepasst einfasst. Auf diese Weise können die Separatoren im Stapel in der Querrichtung lagefest positioniert werden, jedoch in Stapelrichtung leichtgängig verstellt werden.
Die Bodengruppe des Stapelmagazins kann zumindest ein Federelement aufweisen, auf dem der Elektroden-/Separatorstapel elastisch nachgiebig abgestützt werden kann. Eine solche elastisch nachgiebige Abstützung findet nach einer erfolgten Übergabe des Stapels vom Hubelement auf die Bodengruppe des Stapelmagazins statt.
Im Hinblick auf einen vollautomatischen Prozess ist es bevorzugt, wenn eine Zuführung der Stapelbestandteile zur Transfereinheit mit Hilfe eines Endlosförderbands mit Greifereinheiten erfolgt. Von den mit Hilfe des Endlosförderbands geförderten Greifereinheiten trägt jede Greifereinheit einen Stapelbestandteil. Dieser ist in einem Übergabeprozess auf das Hubelement stapelbar. Nachfolgend wird eine spezielle Ausgestaltung des Endlosförderbands beschrieben, mittels der ein einfacher Übergabeprozess durchführbar ist: so kann mit Hilfe des Endlosförderbands jede Greifereinheit den zugeordneten Stapelbestandteil in einer Zufuhrbewegung bis in Vertikalflucht oberhalb des Hubelements führen. Anschließend folgt eine Vertikalbewegung nach unten, und zwar bis der Stapelbestandteil auf dem Hubelement gestapelt ist. Danach folgt eine Reversierbewegung, in der der Greifkontakt zwischen Greifereinheit und gestapeltem Stapelbestandteil gelöst ist und die gelöste Greifereinheit vom gestapelten Stapelbestandteil entfernt wird.
Bevorzugt ist es, wenn die Greifereinheiten und/oder das Hubelement von außerhalb des Stapelmagazins und/oder des Pufferschachts auf die Stapelbestandteile zugreifen können. Vor diesem Hintergrund kann das Stapelmagazin und/oder der Pufferschacht an seinen Seitenwänden Durchlässe aufweisen, durch die das Hubelement und/oder die jeweilige Greifereinheit von außen in den Innenraum des Stapelmagazins bzw. des Pufferschachts einragt.
Um eine Prozessgeschwindigkeit weiter zu erhöhen, ist es bevorzugt, wenn die Transfereinheit eine Mehrzahl von Hubelementen aufweist. Die Hubelemente sind bevorzugt hintereinander mit Hilfe einer Stelleinheit nach Art eines Endlosförderbands zwischen den unteren und oberen Hubstellungen förderbar. Zudem kann die Stelleinheit die Hubelemente in Horizontalrichtung zwischen einer Tragposition und einer Reversierposition quer verstellen. In der Tragposition ragt das Hubelement in den Innenraum des Pufferschachts bzw. des Stapelmagazins ein, so dass der Stapelprozess durchführbar ist. Demgegenüber befindet sich das jeweilige Hubelement in der Reversierposition außerhalb des Pufferschachts bzw. des Stapelmagazins, um eine Vertikalverstellung zwischen der oberen und unteren Hubstellung zu ermöglichen.
Mit Hilfe der Stelleinheit ist jedes der Hubelemente wie folgt verstellbar: so kann die Stelleinheit das jeweilige Hubelement in der oberen Hubstellung in die Tragposition verstellen, wodurch der Stapelprozess gestartet werden kann. Im Laufe des Stapelprozess verstellt die Stelleinheit das Hubelement in Richtung untere Hubstellung. Mit Erreichen der unteren Hubstellung wird das Hubelement in seine Reversierposition zurückgestellt, so dass sich das Hubelement außerhalb des Stapelmagazins befindet. Im weiteren Bewegungsablauf verstellt die Stelleinheit das Hubelement außerhalb des Stapelmagazins bzw. des Pufferschachts zurück in seine obere Hubstellung. In der oberen Hubstellung wird das Hubelement wieder von seiner Reversierposition in seine Tragposition gesteuert.
Um einen kontinuierlichen Stapelprozess mit hoher Prozessgeschwindigkeit zu gewährleisten ist es bevorzugt, wenn die Bewegungen der Greifereinheiten, der Hubelemente sowie der Stapelmagazinwechsel zueinander synchronisiert sind. Bevorzugt ist es, wenn die Geschwindigkeit des Hubelements über den ersten Teilhubweg kleiner bemessen ist als die Fördergeschwindigkeit des Endlosförderbands der Greifereinheiten. Zudem ist es bevorzugt, wenn die Geschwindigkeit des Hubelements über den zweiten Teilhubweg größer bemessen ist als die Geschwindigkeit des Hubelements über den ersten Teilhubweg.
Nach dem Stapelprozess kann ein Tapingprozess durchgeführt werden. Im Tapingprozess kann der Elektroden-/Separatorstapel mit zumindest einem Halteband umwickelt werden. Der Tapingprozess kann erfindungsgemäß innerhalb des Stapelmagazins erfolgen. Hierzu ist der Stapelmagazinboden mit einer bodenseitigen Öffnung versehen. Diese kann zur Durchführung des Tapingprozesses geöffnet werden, wodurch ein bodenseitiger Taping-Zugriff bereitgestellt ist.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
Es zeigen:

1 bis 9 die Prozessanordnung zur Fertigung eines Elektroden-/Separatorstapels in unterschiedlichen Ansichten.

In der 1 ist eine Anlagenskizze einer Prozessanordnung angedeutet, mittels der ein Elektroden-/Separatorstapel 9 (1, 6 oder 8) für eine Batteriezelle gefertigt werden kann. Die Prozessanordnung weist eine Stapelstation 1, ein Endlosförderband 3 zur Zuführung von Stapelbestandteilen 4 in Richtung auf die Stapelstation 1, sowie eine Transfereinheit 5 auf. Mit Hilfe der Transfereinheit 5 werden die vom Endlosförderband 3 hintereinander zugeführten Stapelbestandteile 4 unter Bildung eines Elektroden-/Separatorstapels 9 in ein Stapelmagazin 7 transferiert. Beispielhaft ist jedes der Stapelbestandteile 4 ein Mehrlagenaufbau aus Anode A, Separator S, Kathode K und Separator S.
Die Zuführung der Stapelbestandteile 4 zur Transfereinheit 5 erfolgt durch Greifereinheiten 11, die mit dem Endlosförderband 3 gefördert werden. Jede der Greifereinheiten 11 trägt einen Stapelbestandteil 4. Jede der Greifereinheiten 11 weist insgesamt vier Spannelemente 13 auf, zwischen denen der Stapelbestandteil 4 geklemmt ist.
Zudem weist die Transfereinheit 5 eine Stelleinheit 15 auf, mittels der insgesamt drei später beschriebene Hubelemente 17 nach Art einer Endlosbahnführung in vertikaler Richtung zwischen dem oberen Endlosförderband 3 und dem unteren Stapelmagazin 7 förderbar sind. Die von den Greifereinheiten 11 des Endlosförderbands 3 zugeführten Stapelbestandteile 4 werden in einem später beschriebenen Übergabeprozess zunächst auf eines der Hubelemente 17 gestapelt. Mit steigender Stapelhöhe der auf das Hubelement 17 gestapelten Stapelbestandteile 4 wird das Hubelement 17 über einen Hubweg h (7 oder 8) in Richtung einer unteren Hubstellung Hu hubverstellt. Während der Hubverstellung nach unten schreitet der Stapelprozess voran, bis der Elektroden-/Separatorstapel 9 (8) aufgebaut ist. In der unteren Hubstellung Hu ist das Hubelement 17 vom Elektroden-/Separatorstapel 9 gelöst und ist der Elektroden-/Separatorstapel 9 auf bodenseitigen Federelementen 20 abgelegt.
In Vertikalrichtung zwischen dem unteren Stapelmagazin 7 und dem oberen Endlosförderband 3 befindet sich ein Pufferschacht 19. Der Hubweg h des jeweiligen Hubelements 17 ist gemäß den 7 und 8 aufgeteilt in einen ersten Teilhubweg h₁ und in einen daran anschließenden zweiten Teilhubweg h₂. Der erste Teilhubweg h₁ erstreckt sich von einer oberen Hubstellung H_o bis zu einer Zwischenstellung. Während des ersten Teilhubwegs h₁ bewegt sich das Hubelement 17 innerhalb des Pufferschachts 19. Der zweite Teilhubweg h₂ erstreckt sich von der Zwischenstellung bis zur unteren Hubstellung H_u. Während des zweiten Teilhubwegs h₂ bewegt sich das jeweilige Hubelement 17 innerhalb des Stapelmagazins 7.
Das Stapelmagazin 7 ist über eine Schienenanordnung 21 örtlich verstellbar zwischen der Stapelstation und einer weiteren (nicht gezeigten) Bearbeitungsstation. Nachdem das Stapelmagazin 7 mit dem Elektroden-/Separatorstapel 9 gefüllt ist, erfolgt ein Stapelmagazinwechsel, bei dem das bestückte Stapelmagazin 9 zur weiteren Bearbeitungsstation gefördert wird, während der Stapelstation 1 ein noch leeres Stapelmagazin 7 zugeführt wird. Nachfolgend wird ein Übergabeprozess beschrieben, bei dem eine der Greifereinheiten 11 den zugeordneten Stapelbestandteil 4 auf einem der Hubelemente 17 stapelt: Demnach führt die jede Greifereinheit 11 den zugeordneten Stapelbestandteil 4 mit Hilfe des Endlosförderbands 3 in einer Zufuhrbewegung Z (8) bis in Vertikalflucht oberhalb des Hubelements 17. Anschließend folgt eine Vertikalbewegung V (8) nach unten, bis der Stapelbestandteil 4 auf dem Hubelement 17 gestapelt ist. Im weiteren Bewegungsablauf folgt eine anschließende Reversierbewegung R der Greifereinheit 11 (1). In der Reversierbewegung R wird ein Greifkontakt zwischen der Greifereinheit 11 und dem gestapelten Stapelbestandteil 4 gelöst. Zudem wird die gelöste Greifereinheit 11 in der Reversierbewegung R vom gestapelten Stapelbestandteil 4 entfernt.
Wie aus den 4 bis 6 hervorgeht, weisen sowohl das Stapelmagazin 7 als auch der Pufferschacht 19 in ihren Seitenwänden Durchlässen 23, 25 auf, durch die Hubelemente 17 sowie die Greifereinheiten 11 von außen in den Innenraum des Stapelmagazins 7 sowie in den Innenraum des Pufferschachts 19 einragen können.
Wie zum Beispiel aus der 4 hervorgeht, besteht die Transfereinheit 5 aus einer Mehrzahl von Hubelementen 17. Jedes der Hubelemente 17 besteht aus zwei Hubgabeln 27. Mit Hilfe der Stelleinheit 15 werden die Hubelemente 17 nach Art einer Endlosförderung zwischen der unteren Hubstellung Hu und der oberen Hubstellung Ho gefördert. Zudem können die Hubelemente 17 zwischen einer Tragposition und einer Reversierposition querverstellt werden. In der Tragposition ragt das jeweilige Hubelement 17 in den Pufferschacht 19 und/oder in das Stapelmagazin 7 ein, wodurch ein Stapelprozess durchführbar ist. Demgegenüber befindet sich in der Reversierposition das jeweilige Hubelement 17 außerhalb des Pufferschachts 19 bzw. des Stapelmagazins 7. Die Tragposition und die Reversierposition der Hubelemente 17 ist speziell in den 7 und 8 ersichtlich.
Im Stapelprozess wird mit Hilfe der Stelleinheit 15 das jeweilige Hubelement 17 in seiner oberen Hubstellung H_o (8) in seine Tragposition verstellt, um einen Stapelprozess zu starten. Im weiteren Prozessverlauf wird das Hubelement 17 mit steigender Stapelhöhe nach unten in Richtung untere Hubstellung Hu (8) bewegt. In der unteren Hubstellung Hu ist das Hubelement 17 von dem (sich bildenden bzw. bereits gebildeten) Elektroden-/Separatorstapel 9 gelöst. Dieser liegt vielmehr elastisch nachgiebig auf den beiden Federelementen 20 des Spannmagazins 7 auf. In der unteren Hubstellung Hu kann das Hubelement 17 in seine Reversierposition gebracht werden, wie es in der 7 gezeigt ist. Anschließend kann die Stelleinheit 15 das Hubelement 17 außerhalb des Pufferschachts 19 bzw. des Stapelmagazins 7 zurück in seine obere Hubstellung Ho fördern. In der oberen Hubstellung Ho steuert die Stelleinheit 15 das Hubelement 17 wieder in seine Tragposition, um einen erneuten Stapelprozess zu starten.
Die Bewegungen der Greifereinheiten 11, der Hubelemente 17 sowie der Stapelmagazinwechsel müssen zueinander synchronisiert sein. Bevorzugt kann die Geschwindigkeit des Hubelements 17 über den ersten Teilhubweg h₁ kleiner bemessen sein als die Fördergeschwindigkeit des Endlosförderbands 3 der Greifereinheiten 11. Zudem kann die Geschwindigkeit des Hubelements 17 über den zweiten Teilhubweg h₂ größer bemessen sein als die Geschwindigkeit des Hubelements 17 über den ersten Teilhubweg h₁.
Nach erfolgtem Stapelprozess wird erfindungsgemäß ein Tapingprozess durchgeführt. Im Tapingprozess wird der Elektroden-/Separatorstapel 9 mit zumindest einem Halteband umwickelt. Erfindungsgemäß erfolgt der Tapingprozess innerhalb des Stapelmagazins. Zur Durchführung des Tapingprozesses kann der Stapelmagazinboden 29 (8) nach unten geöffnet werden, um einen Taping-Zugriff bereitzustellen.
Ein weiterer Kern der Erfindung besteht darin, dass sowohl der Pufferschacht 19 als auch das Stapelmagazin 7 ein Führungsprofil aufweisen, wie es in den 5, 6 und 9 gezeigt ist. Mit Hilfe des Führungsprofils sind die Stapelbestandteile 4 lagerichtig, das heißt ohne Querversätze quer zur Stapelrichtung, stapelbar. Das Führungsprofil weist eine Elektroden-Führungskontur 31 auf. Die Elektroden-Führungskontur 31 wirkt mit Elektroden-Ableiterfahnen 33 zusammen, die seitlich mit Überstand aus dem Stapel abragen. Die Elektroden-Ableiterfahnen 33 sind trapezförmig ausgebildet und mit der entsprechend konturangepassten Elektroden-Führungskontur 31 in Formschlussverbindung. Auf diese Weise bildet sich eine Feder-NutVerbindung, mit deren Hilfe die Elektroden A, K in einer quer zur Stapelrichtung ausgerichteten Horizontalebene lagefest positioniert sind, jedoch in Stapelrichtung leichtgängig verstellbar sind.
Zudem weist das Führungsprofil eine Separator-Führungskontur 35 auf, die die Separatorecken konturangepasst einfasst. Auf diese Weise sind die Separatoren S im Stapel in der Querebene lagefest positioniert, jedoch in Stapelrichtung leichtgängig verstellbar.
Bezugszeichenliste

1: Stapelstation
3: Endlosförderband
4: Stapelbestandteile
5: Transfereinheit
7: Stapelmagazin
9: Elektroden-/Separatorstapel
11: Greifereinheiten
13: Spannelemente
15: Stelleinheit
17: Hubelemente
19: Pufferschacht
20: Federelemente
21: Schienenanordnung
23, 25: Durchlässe
27: Hubgabeln
29: Stapelmagazinboden
31: Elektroden-Führungskontur
33: Ableiterfahnen
35: Separator-Führungskontur
h: Hubweg
h1: erster Teilhubweg
h2: zweiter Teilhubweg
Hu: untere Hubstellung
Ho: obere Hubstellung
Z: Zufuhrbewegung
V: Vertikalbewegung
R: Reversierbewegung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2014014196 A1 [0007]

Claims

Prozessanordnung zur Fertigung eines Elektroden-/Separatorstapels (9) für eine Batteriezelle, mit einer Stapelstation (1), bei der Stapelbestandteile (4) in Reihe hintereinander kontinuierlich einer Transfereinheit (5) zuführbar sind, von der die Stapelbestandteile unter Bildung des Elektroden-/Separatorstapels (9) in ein Stapelmagazin (7) transferierbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Transfereinheit (5) zumindest ein Hubelement (17) aufweist, dass die Stapelbestandteile (4) in einem Stapelprozess auf das Hubelement (17) stapelbar sind, und dass mit steigender Stapelhöhe der auf das Hubelement (17) gestapelten Stapelbestandteile (4) das Hubelement (17) über einen Hubweg (h) von einer oberen Hubstellung (Ho) in Richtung einer unteren Hubstellung (Hu) hubverstellbar ist, in der für eine Stapel-Übergabe das Hubelement (17) vom Elektroden-/Separatorstapel (9) gelöst ist und der Elektroden-/Separatorstapel (9) auf einer Bodengruppe des Stapelmagazins (7) abgelegt ist.
Prozessanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hubweg (h) des Hubelements (17) aufgeteilt ist in einen ersten Teilhubweg (h₁) und in einen daran anschließenden zweiten Teilhubweg (h₂), und dass sich der erste Teilhubweg (h₁) von der oberen Hubstellung (Ho) bis zu einer Zwischenstellung erstreckt, und dass insbesondere sich das Hubelement (17) im ersten Teilhubweg (h₁) außerhalb des Stapelmagazins (7) befindet, und dass insbesondere sich der zweite Teilhubweg (h₂) von der Zwischenstellung bis zur unteren Hubstellung (H_u) erstreckt und/oder sich das Hubelement (17) im zweiten Teilhubweg (h₂) innerhalb des Stapelmagazins (7) bewegt.
Prozessanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Hubbewegung des Hubelements (17) über den ersten Teilhubweg (h₁) der Stapelprozess außerhalb des Stapelmagazins (7) durchführbar ist, so dass der Stapelprozess auch dann durchführbar ist, wenn das Stapelmagazin (7) für einen Stapelmagazinwechsel aus der Stapelstation (1) entfernt ist, und dass insbesondere das Stapelmagazin (7) zwischen der Stapelstation (1) und einer Bearbeitungsstation transportierbar ist, in der eine weitere Bearbeitung des Elektroden-/Separatorstapels (9) durchführbar ist.
Prozessanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Transfereinheit (5) einen Pufferschacht (19) aufweist, in dem das Hubelement (17) über den ersten Teilhubweg (h₁) hubverstellbar ist, und dass insbesondere sich an den Pufferschacht (19) vertikal nach unten das Stapelmagazin (7) anschließt.
Prozessanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pufferschacht (19) und/oder das Stapelmagazin (7) ein Führungsprofil aufweisen, mittel dem die Stapelbestandteile (4) lagerichtig, das heißt ohne Querversätze quer zur Stapelrichtung, stapelbar sind.
Prozessanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungsprofil eine Elektroden-Führungskontur (31) aufweist, mittels der die seitlich mit Überstand aus dem Stapel (9) abragenden Elektroden-Ableiterfahnen (33) in einer quer zur Stapelrichtung ausgerichteten Querebene lagefest positioniert sind, jedoch in Stapelrichtung verstellbar sind.
Prozessanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungsprofil eine Separator-Führungskontur (35) aufweist, die die Separatorecken konturangepasst einfasst, so dass die Separatoren (S) im Stapel (9) in der Querebene lagefest positioniert sind, jedoch in Stapelrichtung verstellbar sind.
Prozessanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodengruppe des Stapelmagazins (7) zumindest ein Federelement (20) aufweist, auf dem der Elektroden-/Separatorstapel (9) elastisch nachgiebig abstützbar ist, und zwar nach erfolgter Übergabe des Stapels (9) von dem Hubelement (17) auf die Bodengruppe des Stapelmagazins (7).
Prozessanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung der Stapelbestandteile (4) zur Transfereinheit (5) mittels eines Endlosförderbands (3) mit Greifereinheiten (11) erfolgt, von denen jede Greifereinheit (11) einen Stapelbestandteil (4) trägt, der in einem Übergabeprozess auf das Hubelement (17) stapelbar ist.
Prozessanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Endlosförderbands (3) jede Greifereinheit (11) den zugeordneten Stapelbestandteil (4) in einer Zufuhrbewegung (Z) bis in Vertikalflucht oberhalb des Hubelements (17) führt, gefolgt von einer Vertikalbewegung (V) nach unten, bis der Stapelbestandteil (4) auf dem Hubelement (17) gestapelt ist, und einer anschließenden Reversierbewegung (R), in der der Greifkontakt zwischen Greifereinheit (11) und gestapeltem Stapelbestandteil (4) lösbar ist und die gelöste Greifereinheit (11) vom gestapelten Stapelbestandteil (4) entfernbar ist.