DE102014100574A1 - Battery cell connecting - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines aus flachbauenden Energiespeicher-Zellenaufgebauten Zell-Verbunds, mit Bereitstellen von flachbauenden Energiespeicher-Zellen, die jeweils zwei Pol-Anschlüsse aufweisen; Auflegen von Energiespeicher-Zellen nacheinander auf eine Transporteinheit, so dass die Energiespeicher-Zellen in einer Transportebene liegen; Transport der Energiespeicher-Zellen durch einen Bearbeitungsbereich; Verbinden der elektrischen Pol-Anschlüsse benachbarter Energiespeicher-Zellen im Bearbeitungsbereich zur Herstellung elektrischer Verbindungen; und Bereitstellen eines flächigen Verbunds von elektrisch verbundenen Energiespeicher-Zellen.The invention relates to a method for producing a cell assembly constructed from flat energy storage cells, comprising providing flat energy storage cells, each having two pole terminals; Placing energy storage cells in succession on a transport unit so that the energy storage cells lie in a transport plane; Transport of the energy storage cells through a processing area; Connecting the electrical pole connections of adjacent energy storage cells in the processing area to produce electrical connections; and providing a laminar composite of electrically connected energy storage cells.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines aus Energiespeicher-Zellen aufgebauten Zell-Verbunds.The present invention relates to a method for producing a cell composite composed of energy storage cells.
Im Bereich der Batterietechnik werden in zunehmendem Maße sogenannte Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt, beispielsweise verstärkt im Automobilbau. Bei Lithium-Ionen-Batterien können unterschiedliche Elektrolyte eingesetzt werden, wobei in Automobilen vermehrt Polymere als Elektrolyt zum Einsatz kommen. Darüber hinaus gibt es im Bereich der Lithium-Ionen-Zellen unterschiedliche Gestaltungsformen, wobei insbesondere die drei Bauformen zylindrisch, prismatisch und beutelartig (Coffee-Bag-Zelle) hier zu nennen sind.In the field of battery technology so-called lithium-ion batteries are increasingly used, for example, reinforced in the automotive industry. In lithium-ion batteries, different electrolytes can be used, with automobiles increasingly using polymers as electrolytes. In addition, there are different designs in the field of lithium-ion cells, in particular, the three types cylindrical, prismatic and bag-like (coffee-bag cell) are mentioned here.
Bei einer Coffee-Bag-Zelle (auch Beutelzelle oder Pouch-Zelle genannt) wird vermehrt ein Elektrolyt auf Polymerbasis verwendet, so dass das starre Gehäuse einer Zelle wegfallen kann. Eine leichte und flexible Zellbauweise bei niedrigen Kosten ist somit realisierbar. Allerdings sind solche Zellen forminstabil, was zu Problemen bei der weiteren Verarbeitung der Zellen zu einem Zell-Verbund führen kann. In a coffee bag cell (also called bag cell or pouch cell) is increasingly used a polymer-based electrolyte, so that the rigid housing of a cell can be omitted. A lightweight and flexible cell construction at low cost is thus feasible. However, such cells are form unstable, which can lead to problems in the further processing of the cells into a cell composite.
Solche Coffee-Bag- oder Pouch-Zellen werden in einem anschließenden Verarbeitungsschritt zu einem Verbund aus einer Vielzahl von Pouch-Zellen zusammengeführt, wobei ein solcher Zell-Verbund die Lithium-Ionen-Batterie bildet bzw. alternativ einen Teil einer solchen Lithium-Ionen-Batterie darstellt.Such coffee bag or pouch cells are combined in a subsequent processing step to form a composite of a plurality of pouch cells, wherein such a cell composite forms the lithium-ion battery or alternatively a part of such a lithium-ion battery. Battery represents.
Üblicherweise werden die einzelnen Pouch-Zellen zunächst zu einem formstabileren Paket bzw. Verbund gestapelt, wobei die Ableiter der einzelnen Zellen in einem nächsten Schritt dann elektrisch miteinander verbunden werden. Die einzelnen Zellen eines Verbunds sind am Ende entweder elektrisch in Reihe oder parallel geschaltet.Usually, the individual pouch cells are first stacked to form a dimensionally stable package or composite, wherein the arresters of the individual cells are then electrically connected together in a next step. The individual cells of a composite are connected either electrically in series or in parallel at the end.
Problematisch bei diesem Verarbeitungsschritt sind unter anderem die elektrischen Kontaktierungen der Ableiter, da beispielsweise fehlerhafte Kontaktstellen aufgrund der hohen Ströme ein sehr großes Gefährdungspotential haben. Im schlimmsten Fall kann durch eine fehlerhafte Kontaktstelle die Batterie abbrennen.Among other things, the electrical contacts of the arresters are problematic in this processing step, since faulty contact points, for example, due to the high currents, have a very high hazard potential. In the worst case, the battery can burn off due to a faulty contact point.
Vor diesem Hintergrund besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren anzugeben, das die genannten Probleme überwindet und insbesondere ein besseres Kontaktieren zulässt.Against this background, an object of the present invention is to provide a method that overcomes the above problems and in particular allows a better contact.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren zur Herstellung eines aus flachbauenden Energiespeicher-Zellen aufgebauten Zell-Verbunds mit den Schritten gelöst:
Bereitstellen von flachbauenden Energiespeicher-Zellen, die jeweils zwei Pol-Anschlüsse aufweisen;
Auflegen von Energiespeicher-Zellen nacheinander auf eine Transporteinheit, so dass die Energiespeicher-Zellen in einer Transportebene liegen;
Transport der Energiespeicher-Zellen durch einen Bearbeitungsbereich;
Verbinden der elektrischen Pol-Anschlüsse benachbarter Energiespeicher-Zellen im Bearbeitungsbereich zur Herstellung elektrischer Verbindungen; und
Bereitstellen eine flächigen Verbunds von elektrisch verbundenen Energiespeicher-Zellen.This object is achieved in the aforementioned method for producing a built-up of flat energy storage cell cells cell assembly with the following steps:
Providing flat-structure energy storage cells, each having two pole terminals;
Placing energy storage cells in succession on a transport unit so that the energy storage cells lie in a transport plane;
Transport of the energy storage cells through a processing area;
Connecting the electrical pole connections of adjacent energy storage cells in the processing area to produce electrical connections; and
Provide a laminar composite of electrically connected energy storage cells.
Der wesentliche Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass die elektrische Verbindung der einzelnen Zellen vor dem Stapeln erfolgt. Die Energiespeicher-Zellen werden bspw. im Inline-Verfahren durch einen Bearbeitungsbereich transportiert, wobei nacheinander benachbarte Energiespeicher-Zellen elektrisch miteinander verbunden werden.The essential aspect of the method according to the invention is that the electrical connection of the individual cells takes place before stacking. The energy storage cells are transported, for example, in the inline process through a processing area, wherein successively adjacent energy storage cells are electrically connected to each other.
Der Vorteil dieses Verfahrens ist insbesondere darin zu sehen, dass die Pole bzw. Ableiter der Energiespeicher-Zellen sehr gut erreichbar sind und durch eine einfach realisierbare Abstützung zuverlässig verbunden bzw. kontaktiert werden können.The advantage of this method is to be seen in particular in that the poles or arresters of the energy storage cells are very easy to reach and can be reliably connected or contacted by an easily realizable support.
Darüber hinaus sind auch weitere Bearbeitungsschritte an den einzelnen Zellen gut realisierbar, da die Zellen alle in einer Ebene, Transportebene, liegen und damit von oben und unten gut zugänglich sind. In addition, other processing steps on the individual cells are well feasible, since the cells are all in one plane, transport level, and thus are easily accessible from above and below.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung erfolgt das Verbinden der elektrischen Pol-Anschlüsse durch Aufbringen von Verbindungselementen auf die jeweiligen Pol-Anschlüsse bzw. Ableiter und durch Festlegen der Verbindungselemente an den Pol-Anschlüssen, derart, dass eine elektrische Verbindung entsteht. Bevorzugt erfolgt das Festlegen der Verbindungselemente durch Wärmeeintrag, beispielsweise durch Laserlicht. Auch das elektromagnetische Impuls-Schweißen ist eine bevorzugte Möglichkeit, die Verbindung herzustellen. Alternativ ist es auch möglich, die Verbindungselemente an den Pol-Anschlüssen mit einem Leitkleber festzulegen.In a preferred development, the connection of the electrical pole connections by applying connecting elements takes place on the respective pole terminals and arresters and by fixing the connecting elements to the pole terminals, such that an electrical connection is formed. Preferably, the setting of the connecting elements by heat input, for example by laser light. Also, electromagnetic pulse welding is a preferred way to make the connection. Alternatively, it is also possible to fix the connecting elements to the pole terminals with a conductive adhesive.
Bevorzugt werden die Verbindungselemente, die bevorzugt als elektrisch leitfähige Streifen aus Metall bereitgestellt werden, von einer Rolle abgenommen und abgelängtt.Preferably, the connecting elements, which are preferably provided as electrically conductive strips of metal, removed from a roll and cut to length.
Das Auflegen der Energiespeicher-Zellen auf die Transporteinheit erfolgt bevorzugt über eine Handhabungsvorrichtung, wie beispielsweise einen Roboter. Bevorzugt sind die Energiespeicher-Zellen auf der Transporteinheit zumindest in eine Richtung, vorzugsweise mehrere Richtungen, fixiert, um eine exakte Position während des Transports zu gewährleisten.The laying of the energy storage cells on the transport unit is preferably carried out via a handling device, such as a robot. Preferably, the energy storage cells on the transport unit at least in one direction, preferably a plurality of directions, fixed to one ensure exact position during transport.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung umfasst der Bearbeitungsbereich weitere Prozesse, wie beispielsweise einen Aushärteprozess, einen Inline-Prüfungsprozess elektrischer Parameter, einen Kennzeichnungs-Prozess, einen Prozess zum Aufbringen von Kühlpads bzw. Abstandshaltern und/oder einen Prozess zum Falten bzw. Stapeln des flächigen Verbunds aus Energiespeicher-Zellen zu einem Zell-Verbund. In a preferred embodiment, the processing area comprises further processes, such as a curing process, an in-line testing process of electrical parameters, an identification process, a process for applying cooling pads or spacers and / or a process for folding or stacking the laminar composite Energy storage cells to a cell network.
Die Transporteinheit umfasst bevorzugt ein Transportband, auf das die Energiespeicher-Zellen aufgelegt werden. Die Fixierung der Energiespeicher-Zellen kann dabei bswp. durch Vakuum erfolgen. Selbstverständlich sind auch andere Möglichkeiten der Fixierung in zumindest eine Richtung möglich.The transport unit preferably comprises a conveyor belt onto which the energy storage cells are placed. The fixation of the energy storage cells can bswp. done by vacuum. Of course, other possibilities of fixation in at least one direction are possible.
Alternativ zu einem Transportband kann die Transporteinheit auch Werkstückträger aufweisen, die die Energiespeicher-Zellen transportieren. As an alternative to a conveyor belt, the transport unit can also have workpiece carriers which transport the energy storage cells.
Der Transport der Energiespeicher-Zellen durch den Bearbeitungsbereich erfolgt bevorzugt getaktet. Allerdings ist es auch denkbar, die Energiespeicher-Zellen kontinuierlich zu transportieren.The transport of the energy storage cells through the processing area is preferably clocked. However, it is also conceivable to transport the energy storage cells continuously.
Bei den Energiespeicher-Zellen handelt es sich bevorzugt um forminstabile Energiespeicher-Zellen. Gerade bei solchen Zellen hat das Verfahren große Vorteile, da es keine Stabilisierungsmaßnahmen wie Rahmen etc. erforderlich macht, um die Zellen elektrisch verbinden zu können. Dadurch, dass die Zellen auf der Transporteinheit insbesondere flächig aufliegen, spielt die Forminstabilität eine untergeordnete Rolle.The energy storage cells are preferably form-unstable energy storage cells. Especially in such cells, the method has great advantages, since it does not require stabilization measures such as frames, etc., in order to connect the cells electrically. The fact that the cells rest on the transport unit in particular flat, the dimensional instability plays a minor role.
Ganz besonders vorteilhaft lässt sich das zuvor genannte Verfahren bei sogenannten Pouch-Zellen einsetzen.Very particularly advantageous, the aforementioned method can be used in so-called pouch cells.
Bei den Energiespeicher-Zellen kann es sich auch um Kondensatoren, bspw. Superkondensatoren handeln.The energy storage cells can also be capacitors, for example supercapacitors.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung. Dabei zeigen:Further advantages and embodiments of the invention will become apparent from the description and the accompanying drawings. Showing:
In
Wie eingangs bereits kurz erläutert, handelt es sich bei Pouch-Zellen (auch Coffee-Bag-Zellen genannt) um eine Lithium-Ionen-Batteriezelle mit einem Polymer als Elektrolyt, wobei deren aktiver Teil in einer Hüllfolie sandwichartig eingefasst und dicht verschweißt ist, wobei die Hüllfolie eine umlaufende Siegelnaht ausbildet und wobei die Zellen-Pole durch Ableiter ausgebildet sind, welche vorzugsweise an einer Seite der Zelle durch die Siegelnaht hindurchtreten. Solche einzelnen vorzugsweise quaderförmigen, flachbauenden und rahmenlose Batteriezellen werden zu einem Zell-Verbund gestapelt, wobei die einzelnen Zellen des Zell-Verbunds in Reihe oder parallel geschaltet sind. Ein solcher Zell-Verbund aus einer Vielzahl von einzelnen Pouch-Zellen kann eine Batterie bilden. Alternativ ist es auch möglich, mehrere solcher Zell-Verbunde elektrisch in Reihe oder parallel zu schalten, um eine Batterie bereitzustellen.As already briefly explained, pouch cells (also called coffee-bag cells) are a lithium-ion battery cell with a polymer as the electrolyte, the active part of which is sandwiched in a jacket film and tightly welded, wherein the wrapping film forms a circumferential sealing seam and wherein the cell poles are formed by arresters, which preferably pass through the sealing seam on one side of the cell. Such single, preferably parallelepiped, flat and frameless battery cells are stacked into a cell composite with the individual cells of the cell composite connected in series or in parallel. Such a cell composite of a plurality of individual Pouch cells can form a battery. Alternatively, it is also possible to electrically connect a plurality of such cell assemblies in series or in parallel to provide a battery.
Die in
Wie zuvor erwähnt, sind die Zellen-Pole durch Ableiter ausgebildet, die durch die Hüllfolie hindurchtreten. Das bedeutet auch, dass pro Pouch-Zelle zwei Ableiter, nämlich einer für den Pluspol und einer für den Minuspol, vorgesehen sind, die auf der gleichen Seite der Zelle oder alternativ auf verschiedenen Seiten der Zelle vorgesehen sein können. So gibt es Pouch-Zellen, bei denen die beiden Ableiter an einer Schmalseite der Hüllfolie beabstandet zueinander liegen. Es gibt jedoch auch Pouch-Zellen, bei denen die beiden Ableiter auf einander gegenüberliegenden Schmalseiten, beispielsweise der linken und der rechten Schmalseite, der Pouch-Zelle, liegen. Die Begriffe „links“ und „rechts“ sind dabei bezogen auf eine Transport- bzw. Verarbeitungsrichtung der Zelle in der Bearbeitungsanlage (vgl.
Die Anordnung der Ableiter wirkt sich bei der Herstellung eines Zell-Verbunds insofern aus, als die elektrischen Verbindungen zwischen den einzelnen Zellen unterschiedlich auszuführen sind. Die in
In
Die untere Reihe,
Diese Reihe von elektrisch miteinander verbundenen Pouch-Zellen
In der darüber liegenden Darstellung in
Der daneben dargestellte Zell-Verbund
Die gleiche Anordnung von Pouch-Zellen
Schließlich ist in der oberen Darstellung in
Wie sich aus der
Der Zell-Verbund
An dieser Stelle sei noch angemerkt, dass die beispielhaft genannten vier Zell-Verbunde
Die in
Die Bearbeitungsanlage weist hierfür ein Transportsystem
Bei dem Transportsystem
Das hier gezeigte Transportsystem
Die einzelnen Werkstückträger
Die in mehreren Magazinen
Dadurch bildet sich ein Zug von aufeinander folgenden Werkstückträgern mit aufliegenden Pouch-Zellen, um auf diese Weise eine Anordnung von Pouch-Zellen zu erhalten, wie ausschnittsweise in den mehreren Beispielen in
Die auf den Werkstückträgern liegenden und bevorzugt dort in ein oder mehreren Richtungen fixierten Pouch-Zellen
In einem nachfolgenden Arbeitsbereich
Die Werkstückträger werden Schritt für Schritt durch diesen Arbeitsbereich
An den im zweiten Arbeitsbereich
An dieser Stelle sei angemerkt, dass dies eine beispielhafte Aufzählung ist und die Möglichkeiten nicht abschließend angibt. Andere Prozessschritte, die an Pouch-Zellen durchgeführt werden sollen, können einfach in die Bearbeitungsanlage integriert werden.It should be noted at this point that this is an exemplary list and does not conclusively state the possibilities. Other process steps to be performed on pouch cells can easily be integrated into the processing plant.
In
Am Ende der Bearbeitungsanlage
Am Ende liegen alle miteinander verbunden Pouch-Zellen übereinander gestapelt auf dem Tisch
Die am Ende der Bearbeitungsanlage wieder frei werdenden Werkstückträger laufen in einer Rücktransportebene wieder zurück zum Anfang der Bearbeitungsanlage
In
Ferner ist aus der Detaildarstellung zu erkennen, dass ein Werkstückträger
In der
Die jeweiligen Längselemente können bei der gezeigten Ausführungsform in entsprechende Vertiefungen bzw. Nuten des jeweils gegenüberliegenden zugehörigen Werkstückträger-Elements eingreifen, so dass dann die Längselemente auch am freien Ende abgestützt werden.The respective longitudinal elements can engage in the embodiment shown in corresponding recesses or grooves of the respective opposite associated workpiece carrier element, so that then the longitudinal elements are also supported at the free end.
Auf diese Weise können jeweils zwei Werkstückträger-Elemente einen Werkstückträger
Diese Variabilität wird zusätzlich noch dadurch unterstützt, dass die einzelnen Werkstückträger-Elemente
Während des Transports der Pouch-Zellen durch die Bearbeitungsanlage
Der Antrieb der Werkstückträger-Elemente kann – wie zuvor bereits erwähnt – über Linearmotoren erfolgen. Allerdings sind auch andere Antriebstechniken einsetzbar. Darüber hinaus können selbstverständlich auch klassische Werkstückträger, die eine Einheit bilden, eingesetzt werden. Schließlich sei noch darauf hingewiesen, dass das Transport- bzw. Transfersystem insgesamt beliebig gewählt werden kann und das in
In
Die "Inline-Verarbeitung" der Pouch-Zellen in der Bearbeitungsanlage
In
Sollte eine in eine oder mehrere Richtungen wirkende Fixierung der Pouch-Zellen auf dem Transportband erforderlich sein, können mechanische Fixierelemente am Transportband vorgesehen werden. Alternativ oder zusätzlich kann ein Vakuumsystem vorgesehen sein, dass die Pouch-Zellen über Saugöffnungen an das Transportband
Wie Eingangs bereits erwähnt, ist die Bearbeitungsanlage
Insgesamt zeigt sich, dass die Bearbeitungsanlage
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