CN116979113A - 用于在制造电池堆时检测棱边的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在制造用于电池单元的电池堆或电池绕组时检测电极或电极带的棱边的方法。该方法至少包括以下步骤：将第一电极、包括至少一个第一电极的第一组合件或电极带定位在载体元件上以构建用于电池单元的电池堆或电池绕组，借助涡流传感器通过无损坏测试获取电极的至少一个棱边，其中通过在获取棱边时阻抗增加确定第一电极、第一组合件或电极带的位置。本发明此外涉及一种用于在制造用于电池单元的电池堆(10)时检测电极的棱边的装置。

Description

用于在制造电池堆时检测棱边的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于在制造用于电池单元的电池堆时检测电极的棱边的方法以及一种用于执行这样的方法的装置。

背景技术

在电池单元制造中，阳极、阴极和分隔件组合成用于电池单元的电池堆。阳极和阴极必须在以高准确度和速度制造电池堆时定位和堆垛。为此，在已知的解决方法中，使用耗费和昂贵的摄像头技术，以便控制和监控过程。用于制造电池堆的连接形成过程的速度部分地通过摄像头系统限制，因为需要耗费的图像处理过程和朝向用于数据捕获和过程控制的电极的页棱边的自由视角。尤其同样在电池堆中的处于上方的分隔件层使得朝向通过该分隔件层覆盖的处于其下的电极的视角变得困难。

从WO 2019/211 278A1已知一种用于测量用于锂离子电池单元中的电极的方法，其中电极借助于至少一个涡流传感器测试。方法在生产电极期间被执行，以便测试电极的质量且识别在生产中的相应的次品，在电极安装在电池单元的电池堆中前。

WO 2021/034 178A1公开了一种用于无损坏测试电池单元的涡流传感器。涡流传感器包括芯单元，在其中导电线圈围绕磁芯缠绕且壳体用于容纳芯单元。在此涡流传感器的两个芯单元和两个壳体如此布置，使得线圈的中轴线沿电池单元的厚度方向取向。在WO2021/034178A1中描述的涡流传感器能够实现单点获取，由此在没有非测试区域的情况下改善用于裂缝获取的能力，而其具有高获取分辨率。

此外，从EP 3 835 778 A1已知一种用于在使用涡流传感器的情况下识别电池单元中的裂缝的装置。涡流传感器包括检查单元，其具有用于感应涡流的第一传感器和用于获取通过第一传感器感应的涡流的信号的第二传感器。装置包括用于从一点(在其处引入有电池单元)连续传递多个电池单元到一点(在其处取出电池单元)的传递单元，和控制单元，其与测试单元电连接且接收、评估和控制由测试单元获取的涡流信号。利用在EP 3 835778 A1中描述的用于电池单元中的裂缝识别的装置可无损坏地识别裂缝的存在和位置，其在电极、电极舌和焊接单元处出现。

发明内容

本发明此时基于如下任务，在制造电池堆时改善包括至少一个电极的组合件或电极的位置识别和定位，且简化电池堆的制造。

该任务通过一种用于在制造电池堆或用于电池单元的电池绕组时检测电极或电极带的棱边的方法解决，其包括如下步骤：

-定位第一电极、包括至少一个第一电极的第一组合件或电极带在载体元件上，用于构建电池堆或用于电池单元的电池绕组，

-通过借助于涡流传感器的无损坏测试获取电极的至少一个棱边，其中通过在获取棱边时阻抗(Im)提高确定第一电极、第一组合件或电极带的位置。

通过该方法，可在制造用于电池单元的电池堆时以简单的方式识别电极的棱边且由此简化电极或包括电极的组合件的定位。相对于摄像头系统，提出的方法提供如下优点，即，也可获取通过分隔件覆盖的棱边。如果随后简化地仅提到电极，以此应同样包括包括至少一个电极的组合件或电极带。因为在制造电池堆时阳极和阴极通常通过布置在其之间的分隔件分离，提出的方法能够实现相应的简化，由此过程总体上可较快地且以较低的误差源执行。由此可加速电池堆的制造且降低与其相联系的成本。此外，涡流传感器相对于摄像头系统需要较少结构空间且可以以简单的方式在制造电池堆时集成到存在的机器部件中。此外，对于在摄像头系统中识别构件位置需要待堆垛的部件的短期停机。与之相应地，提出的方法具有如下优点，即，不需要停机，因为涡流传感器总归以相对运动为前提条件或在处理电极期间执行用于棱边识别的测量。

通过在本发明的技术方案中列举的特征，在本发明的技术方案中列举的用于在制造用于电池单元的电池堆时检测电极的棱边的方法的有利的改进方案和改善方案是可能的。

在本发明的优选设计方案中设置成，第二电极安置到第一电极上或包括至少一个第二电极的第二组合件安置到第一组合件上且获取在第一电极或第一组合件处的第一棱边和在第二电极或第二组合件处的第二棱边，其中从经获取的棱边的确定的位置确定第一电极与第二电极或第一组合件与第二组合件的相对位置。由此，可以以简单的方式控制在制造电池堆时电极和分隔件的堆垛过程。

在此特别优选的是，在第一电极和第二电极之间或在第一组合件和第二组合件之间布置有分隔件。为了实现在阳极和阴极之间的电分离且运行可靠地避免在电池单元中的短路，在阳极和阴极之间的堆垛过程中分别堆垛分隔件。因为分隔件但是关于形状和位置具有相比电极较高的公差，提出的方法是特别有利的，因为分隔件对于处于分隔件下的电极的棱边的可识别性不具有影响。

本发明的另一部分方面涉及一种用于在制造用于电池单元的电池堆时检测电极或电极带的棱边的装置。装置包括带有至少一个涡流传感器的至少一个传感器组件，用于检测电极、包括至少一个第一电极的第一组合件或电极带的棱边，以及带有存储单元和计算单元以及存储在存储单元中的机器可读的程序代码的控制器。控制器设立成执行这样的方法，当机器可读的程序代码通过计算单元实施时。装置包括测量器件，其通过涡流原理可确定电机棱边的方位和位置。对于涡流测试，待研究的材料必须是导电的。这不仅适用电池堆的阴极而且适用电池堆的阳极，然而不适用处于其之间的分隔件。通过在源线圈中的涡流生成的初级磁场在导电测试材料中、即在电极或电极带中感应电流。在电极中的该涡流又生成磁场，其抵消涡流传感器的初级磁场。由此产生涡流传感器的初级磁场的减弱。从差异产生的磁场又在涡流传感器的传感器线圈中生成电流。测量结果基于对复交流电阻的分析，其也称为阻抗。阻抗取决于源电压的交流频率、电极的几何、电和磁性性质和测量组件。阻抗从电阻的虚部和实部计算。提出的方法和装置由此对于在阳极和阴极处的棱边的识别有效。如果交流传感器被引导经过电极棱边，其可非常简单且准确地通过描述的测量原理检测。带有+/-50μm的准确度的分辨率是理论上的。由此，棱边和与其相关地电极的位置可非常精确地确定。

在装置的一种优选设计方案中设置成，传感器组件包括用于获取电极或电极带的至少两个棱边的多个涡流传感器。通过获取电极、组合件或电极带的两个棱边、优选地两个彼此正交伸延的棱边，可精确地确定电极的位置。这简化了电池堆的制造和由此电池单元的制造。

根据装置的一种优选设计方案设置成，传感器组件包括四个涡流传感器，其中涡流传感器如此布置，使得其至少获取电极或电极带的角点。通过获取角点，可确定电极或电极带的位置，由此在制造用于电池单元的电池堆时简化堆垛过程。

在装置的一种特别优选设计方案中设置成，传感器组件包括八个涡流传感器，其中八个涡流传感器分别构造四个传感器对，其中每个传感器对具有用于获取第一棱边的第一传感器和用于获取垂直于第一棱边伸延的第二棱边的第二传感器。通过获取在电极或电极带的四个不同位置处的分别两个棱边，位置可特别精确地确定。尤其，通过分别构造四个传感器对的八个涡流传感器可确定电极或电极带的长度、高度和宽度以及计算电极或电极带的侧边之间的角度和重心的位置。由此可特别精确地控制用于制造电池堆的堆垛过程。

在装置的一种有利设计方案中设置成，传感器组件可相对于电极或相对于电极带或相对于组合件移动。为了获取电极的棱边，可有利的是，传感器组件可相对于电极或包括电极的组合件移动。通过传感器组件与电极的相对运动，可识别电极的棱边且由此特别精确地确定电极的位置。

备选地有利地设置成，传感器单元位置固定地布置且电极相对于传感器组件运动。通过电极与传感器组件的相对运动，电极沉入到由传感器组件扩充的磁场中，其中可识别电极的棱边且由此可确定电极的位置。

备选地有利地设置成，传感器组件包括阵列，其带有多个涡流传感器、优选地带有至少四个涡流传感器、特别优选地带有至少九个涡流传感器。通过涡流传感器阵列，电极或电极带的棱边可同样功能可靠地在制造电池堆时识别。在此优选地设置有四个阵列，其如此布置，使得其分别监控待堆垛的电极的角且在该角区域中获取电极或电极带的两个棱边。优选地，阵列位置固定地布置，从而待制造的电池堆的电极的角被获取且电极相对于在电池堆中处于其下的电极的位置可被确定。在此，在阵列组件中也可将涡流传感器的发送单元和接收单元彼此分离布置。尤其，发送单元可布置在电池堆上方且接收单元布置在载体元件下方，在其上设立有电池堆。

在装置的一种特别优选设计方案中设置成，阵列的涡流传感器布置在矩阵组件中、优选地在三乘三矩阵组件中。通过涡流传感器在矩阵组件中的布置，可实现在电极棱边的角点的区域中的相应高的分辨率，从而可实现相应的电极的准确的位置确定。由此可实现电极的特别简单和快速的堆垛。

备选地有利地设置成，阵列的涡流传感器布置在星型组件中。涡流传感器的星型组件是另一可能性，以便在电极的角的区域中获取电极的两个彼此正交伸延的棱边且由此确定电极的位置。在此，传感器元件从第一传感器出发束状地布置且与在矩阵组件中类似地覆盖围绕电极的角点的区域，以便检测棱边的位置。

涡流传感器优选地实施为全反射传感器。

在制造用于电池单元的电池堆时，传感器组件优选地集成到用于固定电池堆的压紧装置(Niederhalter)中。在此，压紧装置固定电极，其布置在电池堆的最上方的位置处。在下一方法步骤中，然后分隔件安装到电池堆上，其通过另一压紧系统固定。紧接着，将电极固定在以前最上方的位置中的压紧装置从电池堆拉出。在该部位处，执行在电极棱边和压紧装置之间的相对运动。通过位于压紧系统中的涡流传感器，电极棱边可以以简单的方式检测且位置准确地递交电极。

备选地，传感器组件也可集成到用于制造电池堆的机器部件中、尤其抓具中。在此，抓具、优选地真空面吸取抓具设立成将电极放置在电池堆上。在此，抓具实施相对于电池堆的相对运动。如此，抓具可例如实施沿X方向的运动且堆垛台实施沿Y方向的运动。沿X和Y方向的电极的位置可在此通过在抓具中的涡流传感器被检测且电极位置准确地被递交。备选于抓具，传感器组件也可集成到用于制造电池堆的输送带或堆垛轮中，以便在制造电池堆时获取电极的位置且由此改善和/或加速电池堆的制造。

本发明的不同的在本申请文件中提到的实施形式可彼此有利地组合，只要在个别情况中未另外实施。

附图说明

本发明随后在实施例中根据附图来阐释。其中：

图1示出了用于表明根据本发明的用于检测电极的棱边的方法的示意图；

图2示出了在用于识别电极的棱边的传感器组件中的涡流传感器的优选布置；

图3示出了在用于识别电极的棱边的传感器组件中的涡流传感器的另一优选布置；

图4示出了用于在两个相叠堆垛的电极中的棱边识别的示意图；

图5示出了用于在制造用于电池单元的电池堆中获取两个相叠堆垛的电极的棱边的示意图；

图6示出了用于获取两个彼此垂直伸延的电极棱边的涡流传感器的阵列；

图7示出了在矩阵布置中的阵列和在星型布置中的阵列，其用于获取两个彼此垂直伸延的电极棱边；且

图8示出了用于在用于制造用于电池单元的电池堆的两个彼此堆垛的组合件中获取棱边的示意图。

具体实施方式

图1示出了当包括至少一个涡流传感器28的传感器组件26移动通过电极13时阻抗Im的变化。电极13可以实施为阳极14或阴极16。涡流传感器28具有带有发送单元48和接收单元50的传感器头52。在行进经过电极13处的棱边20时，产生阻抗增加。对于涡流测试，电极13必须是导电的。通过涡流传感器28的源线圈中的交流生成的初级磁场在电极13中感应出电流。电极13中的该涡流又生成磁场，该磁场抵消涡流传感器28的初级磁场。由此产生涡流传感器28的初级场减弱。由差异产生的磁场又在涡流传感器28的传感器线圈中生成电流。测试结果基于对复交流电阻(阻抗)的分析，其取决于源线圈的交流频率、电极13的几何、电和磁性质以及测量布置。阻抗由电阻的虚部和实部计算。因此，该测试方法对阳极14和阴极16有效。如果涡流传感器28被引导经过电极棱边20，这可以通过该工作原理非常清楚地检测。

图2中示出了用于电极13的棱边识别的优选传感器组件26。传感器组件26包括第一传感器30和第二传感器32，其彼此正交地布置并且构造用于获取电极13的两个彼此正交伸延的棱边20的第一传感器对。传感器组件26还包括第三传感器34和第四传感器36，其彼此正交地布置并且构造用于获取电极13的彼此正交伸延的两个棱边20的第二传感器对。传感器组件26还包括第五传感器38和第六传感器40，其彼此正交地布置并且构造用于获取电极13的彼此正交伸延的两个棱边20的第三传感器对。传感器组件26还包括第七传感器42和第八传感器44，其彼此正交地布置并且构造用于获取电极13的彼此正交延伸的两个棱边20的第四传感器对。每个传感器对在此配属于电极13的角，以便尽可能精确地获取电极13的位置。所有传感器30,32,34,36,38,40,42,44实施为涡流传感器28。电极13的长度、宽度和高度可以基于通过传感器单元26的传感器获取的棱边20的位置来确定。此外，可以计算侧面之间的角度以及电极13的重心以及若有可能另外的几何数据。

在图3中示出了用于电极13的棱边识别的备选传感器组件26。在图3中示出的传感器组件26包括四个涡流传感器28,30,32,34,36，其中传感器30,32,34,36中的每个分别配属于电极13的角。相对于图2中呈现的实施例，该传感器组件通过少量传感器更适宜。即使当测量准确度相对于图2中呈现的实施例更小时，如此传感器组件适于以高准确度获取电极13的棱边20且由此能够实现在制造电池堆时电极13的精确定位。

在图4中示意性呈现了电池堆10，其包括第一电极13、尤其阳极14和第二电极、尤其阴极16。通过在图2中描述的传感器组件26可不仅确定阳极棱边22而且确定阴极棱边24，只有当电极13中的一个通过分隔件覆盖且通过摄像头系统不可获取时。

在图5中呈现了电池堆10以根据本发明的装置的测量，其用于在制造电池堆10时检测电极13的棱边20。装置包括带有至少一个涡流传感器28的传感器单元26以及带有存储单元62和计算单元64的控制器60。在存储单元62中存储有机器可读的程序代码66，其有助于在制造用于电池单元的电池堆10时执行用于检测电极13的棱边20的根据本发明的方法，当机器可读的程序代码66通过控制器60的计算单元64来实施时。在此，涡流传感器28以其传感器头52在图纸平面中由左向右移动经过电池堆10。电池堆10包括阳极14和阴极16，其通过分隔件18彼此电分离。在行进经过阳极棱边22时产生阻抗的第一提高且在行进经过阴极棱边24时产生阻抗的另一提高。由此，阳极棱边22和阴极棱边24的位置且由此阳极14和阴极16的位置可被确定。

在图6中呈现了由传感器30,32,34,36,38,40,42,44,46构成的阵列70，用于获取电极13的角处的两个棱边20。传感器优选实施为涡流传感器28。然而，发送单元48，即生成相应磁场的单元，以及接收单元50，即显示发送单元48的所生成的磁场在与电极13相互作用中的相应反应的单元，也可以在空间上彼此分离。传感器可以以不同的顺序以电流流过，并在不同的时间充当发送器或接收器。使用阵列70的优点首先在于，即使在没有相对运动的情况下电极13的棱边20的检测也是可能的。由于不需要相对运动，阵列70可以非常良好地集成到装置的抓具中。电极13在抓具处的位置可以在处理期间或在电极13最终放置在电池堆10上的时间点确定。阵列70同样可以集成到用于制造电池堆10的压紧系统中。由于没有相对运动，相对较长的测量时间在获取电极13的棱边20时是可能的，由此可以提高测量准确度。

在图7中呈现了用于获取电极13处的棱边20的两种形式的阵列70。在图7a中呈现了矩阵组件72中的阵列70，其被构造为3×3矩阵并且包括九个传感器30,32,34,36,38,40,42,44,46。传感器在此优选彼此具有相同距离，从而电极的棱边20的位置对传感器的测量信号具有相应作用，由此可检测电极的棱边20的位置。

在图7b中呈现了用于阵列70的备选实施例。在该实施例中，传感器30,32,34,36,38,40,42,44,46布置在星型组件74中，其中传感器从第一传感器30出发束状布置。这样的组件同样能够实现电极13的棱边20的准确检测。

在图8中呈现了另一电池堆10，其由带有涡流传感器28的传感器组件26测量。为此，设置有载体元件12，电池堆10竖立在该载体元件12上。代替单个电极13，两个组合件54,56彼此堆垛在图8中所呈现的电池堆10中，其分别包括阳极14和阴极16，其中阳极14和阴极16通过第一分隔件18和第二分隔件58彼此电分离。这样的组合件54,56也被称为单电池76，因为其构造最小的电功能单元。即使在堆叠这样的组合件54,56时，所提出的方法还适于识别组合件54,56处的相应棱边20，且由此能够实现这些组合件54,56至电池堆10的尽可能精确且位置准确的堆垛。电池堆10的所有电极13,14,16或组合件54,56的记录位置可用于测试电池堆10的所有电极13,14,16或组合件54,56的相对取向。对于完成的电池堆10，所有电极13,14,16或组件54,56的位置必须在限定的公差范围内。电极13,14,16或组合件54,56彼此的位置因此可以以所提出的方法改善。如果不满足针对用于电池堆10的电极13,14,16或组合件54,56的位置的公差标准，则电池堆10被识别为废品并且从制造过程中剔除。

参考符号列表

10 电池堆

12 载体元件

13 电极

14 阳极

16 阴极

18 分隔件

20 棱边

22 阳极棱边

24 阴极棱边

26 传感器组件

28 涡流传感器

30 第一传感器

32 第二传感器

34 第三传感器

36 第四传感器

38 第五传感器

40 第六传感器

42 第七传感器

44 第八传感器

46 第九传感器

48 发送单元

50 接收单元

52 传感器头

54 第一组合件

56 第二组合件

58 第二分隔件

60 控制器

62 存储单元

64 计算单元

66 机器可读的程序代码

70 阵列

72 矩阵组件

74 星型组件

76 单电池。

Claims (10)

1.一种在制造电池堆(10)或用于电池单元的电池绕组时检测电极(13,14,16)或电极带的棱边(20)的方法，包括以下步骤：

-将第一电极(13,14,16)、包括至少一个第一电极(13,14,16)的第一组合件(54)或电极带定位在载体元件(12)上以构建用于电池单元的电池堆(10)或电池绕组，

-借助涡流传感器(28)通过无损坏测试获取所述电极(13,14,16)的至少一个棱边(20)，其中通过在获取所述棱边(20)时阻抗(Im)的增加确定所述第一电极(13,14,16)、所述第一组合件(54)或所述电极带的位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第二电极(13,14,16)放置到所述第一电极(13,14,16)上或包括至少一个第二电极(13,14,16)的第二组合件(56)放置到所述第一组合件(54)上且获取所述第一电极(13,14,16)或所述第一组合件(54)处的第一棱边(20,22)和所述第二电极(13,14,16)或所述第二组合件(56)处的第二棱边(20,24)，其中从经获取的棱边(20,22,24)的确定的位置确定所述第一电极(13,14,16)与所述第二电极(13,14,16)或所述第一组合件(54)与所述第二组合件(56)的相对位置。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述第一电极(13,14,16)和所述第二电极(13,14,16)之间或在所述第一组合件(54)和所述第二组合件(56)之间布置有分隔件(18)。

4.一种用于在制造用于电池单元的电池堆(10)时检测电极(13,14,16)或电极带的棱边(20)的装置，包括至少一个传感器组件(26)，其带有至少一个涡流传感器(28)，用于检测电极(13,14,16)、包括至少一个第一电极(13,14,16)的第一组合件(54)或电极带的棱边(20)；以及带有控制器(60)，所述控制器带有存储单元(62)和计算单元(64)以及存储在所述存储单元(62)中的机器可读的程序代码(66)，其中所述控制器(60)设立成当所述机器可读的程序代码(66)通过所述计算单元(64)实施时，执行根据权利要求1至3中任一项所述的方法。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述传感器组件(26)包括多个涡流传感器(28)，用于获取所述电极(13,14,16)、所述第一组合件(54)或所述电极带的至少两个棱边(20)。

6.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于，所述传感器组件(26)包括四个涡流传感器(28,30,32,34,36)，其中所述涡流传感器(28,30,32,34,36)如此布置，使得其至少获取所述电极(13,14,16)、所述第一组合件(54)或所述电极带的角点。

7.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于，所述传感器组件(26)包括八个涡流传感器(28,30,32,34,36,38,40,42,44)，其中所述八个涡流传感器(28,30,32,34,36,38,40,42,44)分别构造四个传感器对，其中每个传感器对具有用于获取第一棱边(20)的第一传感器和用于获取垂直于所述第一棱边(20)伸延的第二棱边(20)的第二传感器。

8.根据权利要求4至7中任一项所述的装置，其特征在于，所述传感器组件(26)可相对于所述电极(13,14,16)或相对于所述组合件(54)移动。

9.根据权利要求4至8中任一项所述的装置，其特征在于，所述传感器组件(26)包括带有多个涡流传感器(28,30,32,34,36,38,40,42,44,46)的阵列(70)。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述阵列(70)的涡流传感器(28,30,32,34,36,38,40,42,44,46)布置在矩阵组件(72)中或星型组件(74)中。