-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Diese Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zum Stapeln einer Vielzahl von prismenförmigen Batteriezellen.
-
Die wachsende Nachfrage, die Fahrzeug-Kraftstoffökonomie zu verbessern und Fahrzeugemissionen zu reduzieren, hat zu der Entwicklung von sowohl Hybridfahrzeugen als auch reinen Elektrofahrzeugen geführt. Reine Elektrofahrzeuge können über eine Batteriepackung (die aus mehreren kleineren Modulen oder Zellen besteht) betrieben werden, während Hybridfahrzeuge zwei oder mehr Energiequellen wie z. B einen Benzinmotor (auch als Verbrennungsmotor bezeichnet) umfassen, der entweder als Reserve für oder im Zusammenwirken mit einer Batteriepackung verwendet wird. Es gibt zwei umfassende Versionen von Hybridfahrzeugen, die derzeit verwendet werden. In einer ersten Version (die als ladungserschöpfende Hybridarchitektur bekannt ist) kann die Batterie an einem herkömmlichen Stromnetz wie zw. B. einer 120 V-Wechselstrom oder einer 240 V-Wechselstrom-Stromleitung geladen werden. In einer zweiten Version (die als ladungserhaltende Hybridarchitektur bekannt ist) empfängt die Batterie ihre gesamte elektrische Ladung von dem Verbrennungsmotor und/oder einer regenerativen Bremsung bzw. Nutzbremsung. In einer Form jeder Version ist die Packung aus vielen Modulen hergestellt, die wiederum aus vielen einzelnen Zellen bestehen.
-
Die einzelnen Zellen, die ein Modul bilden, weisen in der Regel eine allgemein rechteckige, ebene (oder prismatische) Struktur auf, die alternierende Stapel aus plattenähnlichen positiven Elektroden und negativen Elektroden mit einem ähnlich geformten Elektrolyt-Separator umfasst, der zwischen jedem positiven und negativen Elektrodenpaar angeordnet ist; diese Separatoren werden verwendet, um einen physischen Kontakt zwischen positiven und negativen Elektroden innerhalb jeder Zelle zu verhindern, während sie einen lonentransport zwischen denselben ermöglichen. In einer Form sind die Separatoren ausgestaltet, um den flüssigen Elektrolyt der Zelle zu absorbieren. Oft werden auch Kühlelemente eingesetzt, um die Wärme weg zu transportieren, die von den verschiedenen einzelnen Zellen während der Lade- und Entladungsaktivitäten in Verbindung mit einem Batteriebetrieb erzeugt wird; in einer Form können solche Kühlelemente als eine noch andere allgemein ebene, plattenartige Vorrichtung gebildet sein, die zwischen den verschiedenen Zellen als Teil der gestapelten Anordnung von Komponenten, die das Modul bilden, hinzugefügt sein kann. Verbindungskontaktfahnen erstrecken sich von einer Umfangskante jeder Zelle weg, um eine mechanische und elektrische Verbindung zwischen den Elektroden der einzelnen Batteriezellen zuzulassen. Im Allgemeinen ist eine korrekte Ausrichtung der verschiedenen Kontaktfahnen erforderlich, um einen geringen elektrischen Widerstand zu Sammelleitern oder ähnlichen Leitern sicherzustellen, wie auch für eine robuste mechanische Verbindungsfähigkeit. Diese prismatischen Zellen weisen in der Regel entweder ein weiches, flexibles Gehäuse („Pouch“-zellen bezeichnet) oder ein hartes, steifes Gehäuse („Can“ oder „Cannular“ („Dosen bzw. Dosenform“-)Zellen genannt) auf. Abhängig von der Anwendung können die einzelnen Batteriezellen in Reihe, parallel oder Kombinationen davon angeordnet sein, um die erwünschte Spannung und Kapazität zu produzieren. Es können viele Rahmen, Einsätze, Abdeckungen und eine ähnliche Struktur umfasst sein, um eine Stütze für die verschiedenen Zellen, Module und Packungen bereitzustellen und so dabei zu helfen, eine größere Anordnung solcher Zellen, Module oder Packungen zu definieren.
-
Infolge der prismatischen Abmessungen wird die derzeitige allgemeine Praxis zum Handhaben der steifen Dosenformzellen während der Montage durch Stapeln derselben entlang einer allgemein vertikalen Achse (z. B. entlang der so genannten y-Achse in dem gut bekannten kartesischen Koordinatensystem) ausgeübt, sodass die Zellen und Rahmen beladen werden, sodass ihre größten flachen Oberflächen unten liegen. Allerdings machen es die leicht gewölbten, flachen Zellen und die Verschachtelungsgeometrien der Rahmen notwendig, diese mit den Unteranordnungen aufrecht auf ihren schmalen, aber flachen Kantenoberflächen zu stapeln. Die Zellen können sich aus vielerlei Gründen wölben; ein Grund ist infolge von Zunahmen des mechanischen Druckes, der aus einer Elektrodenausdehnung während eines Betriebes entstehen kann und auf die Dosenwände drückt, oder eines internen gasförmigen Druckes. In einem speziellen Fall kann eine derartige Ausdehnung durch eine Elektrolytverdampfung verursacht werden, da während eines Betriebes Wärme erzeugt wird, während in einem anderen elektrochemische Reaktionen innerhalb der Zelle gasförmige Nebenprodukte erzeugen können. Es können als solche Änderungen in der Stapelorientierung erforderlich sein. Unglücklicherweise können solche Änderungen in der Orientierung ein komplexer, kostspieliger und ineffizienter Prozess sein.
-
Es ist bekannt, eine Batteriemodulanordnung in einer Form unter Verwendung eines Roboter-Aufnahme- und Ablege-Komponententransportsystems herzustellen. Solche Ansätze entfernen die Zellen aus dem Versand-Packmaterial, transferieren die Zellen über eine Fördereinrichtung zu einem anfänglichen Prozessschritt (typischerweise in der Form einer elektrischen Verifizierung) und transferieren sie dann über eine Roboter-Aufnahme- und Ablege-Einrichtung zu dem Hochpräzisionsträger. Solche Ansätze sind zweckdienlich zum Montieren von geschichteten Zellen, die enge Platzierungstoleranzanforderungen aufweisen, wie auch von jenen mit speziellen Handhabungsanforderungen. Während dieses Verfahren wirksam zum Schützen der Zelle während der Montagearbeit ist, führt es auch zu einer kostspieligen Werkzeugbereitstellung und verschwendeter Montagezeit, um den Träger in Position anzuordnen, das Teil für die spezifische Stationsarbeit zu entfernen und dann das Teil zu dem Träger zurückzubringen, um es zu dem nächsten Arbeitsschritt zu bewegen. Dies ist wiederum zwingend dafür, dass Verpackungs- und Werkzeugbereitstellungsarbeiten komplexer und kostspieliger werden.
-
Ein bisheriger horizontaler Batteriestapelmechanismus, der in der Druckschrift
US 2013 / 0 255 068 A1 beschrieben ist, offenbart die Verwendung eines Förderbandes mit Nocken, Hebern und Führungen, um eine Hochgeschwindigkeitsmontage für großformatige Zellen zu ermöglichen, welche eine Zellen-Neuorientierung und Teileordnungsschritte durchlaufen. Die Druckschrift
US 2013 / 0 255 068 A1 wurde erst nach dem Prioritätsdatum der vorliegenden Anmeldung veröffentlicht. Während sie für ihren vorgesehenen Zweck nützlich sind, müssen die Nocken und die Heber, die sich in Ansprechen auf die Nocken bewegen, noch immer Rückzugs- und Rückführungsbewegungen durchlaufen, sobald die Anordnungen an dem Stapelstand zusammengepresst worden sind. Dies erfordert wiederum, dass die Heber, Nockenmitnehmer und ähnliche Einrichtungen zu dem Ort zurückgebracht werden, wo sie zuerst in die Anordnungen eingreifen; während dieser Rückführungsstrecke werden sie nicht verwendet, um dabei zu helfen, dass die Anordnungen entlang des Systems getragen werden.
-
Es wird ein Batteriestapelansatz benötigt, der geringe Kosten und eine kontinuierliche Hochgeschwindigkeitsmontage, welche die Notwendigkeit einer Hochpräzisions-Verpackung- und -Werkzeugbereitstellung beseitigt, gestattet, und der durch Gestatten größerer Maßabweichungen reduzierte Teilekosten zulässt. Ein Batteriestapelsystem, das solch einen Ansatz verwendet, würde auch einen relativ kleinen Herstellungsgrundflächen-Fußabdruck benötigen.
-
Die Druckschriften
DE 10 2004 028 205 A1 und
EP 0 623 512 A2 offenbaren jeweils ein System zum Stapeln einer Vielzahl von Gegenständen. Das System umfasst eine Vielzahl von Förderbändern, die miteinander zusammenwirken, sodass beim Queren der Gegenstände entlang eines ersten Bands der Bänder zumindest eine Wendevorrichtung, die auf einem zweiten Band der Bänder untergebracht ist, bewirkt, dass sich die Gegenstände drehen, während sie sich auf dem ersten Band befinden, sodass eine Oberfläche jeder der gedrehten Gegenstände in einer horizontalen Stapelrichtung definiert ist. Ferner umfasst das System zumindest eine Antriebsvorrichtung, die mit zumindest einem der Bänder zusammenwirkt, um eine Antriebskraft an dieses bereitzustellen, und eine Aufnahme, um die gedrehten Gegenstände von dem ersten Band aufzunehmen. Weitere Systeme zum Stapel von Gegenständen sind aus den Druckschriften
US 5 454 687 A und
US 6 021 887 A bekannt.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System und ein Verfahren zum Stapeln einer Vielzahl von prismenförmigen Batteriezellen anzugeben, die es ermöglichen, die Herstellung von montierten Modulen aus einzelnen Batteriezellen zu verbessern, und die insbesondere die Montage von prismatisch geformten Batteriezellen mittels Hochgeschwindigkeits-Batteriestapeln ermöglichen.
-
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1, 4 und 5 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Ein System zum Stapeln einer Vielzahl von prismenförmigen Batteriezellen umfasst gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eine Vielzahl von Förderbändern, die miteinander zusammenwirken, sodass beim Queren der Zellen entlang eines ersten Bands der Bänder zumindest eine Wendevorrichtung, die auf einem zweiten Band der Bänder untergebracht ist, bewirkt, dass sich die Zellen drehen, während sie sich auf dem ersten Band befinden, sodass die größte, ebene Oberfläche der prismatischen Form jeder der gedrehten Zellen in einer horizontalen Stapelrichtung definiert ist. Ferner umfasst das System zumindest eine Antriebsvorrichtung, die mit zumindest einem der Bänder zusammenwirkt, um eine Antriebskraft an dieses bereitzustellen, und eine Aufnahme, um die gedrehten Zellen von dem ersten Band aufzunehmen. Die zumindest eine Wendevorrichtung weist eine Vielzahl von Wendern auf, die in einer sich wiederholenden Weise auf dem zweiten Band beabstandet sind und die eine gekrümmte Oberfläche definieren, um mit den Zellen in Kontakt zu stehen. Ein Laufweg des zweiten Bandes ist bezüglich des ersten Bandes geneigt, sodass, wenn jeder der Wender in Kontakt mit einer entsprechenden der Zellen gelangt, die gekrümmte Oberfläche und die geneigte Laufwegbeziehung zwischen den ersten und den zweiten Bändern die Zellen von dort, wo ihre größte, ebene Oberfläche unter einem Winkel von null Grad bezüglich des ersten Bandes an einem Aufnahmeende des Systems steht, zu einem Winkel von neunzig Grad bezüglich des ersten Bandes an einem Stapelende des Systems drehen.
-
Figurenliste
-
Die nachfolgende detaillierte Beschreibung spezifischer Ausführungsformen ist am besten beim Lesen in Verbindung mit den nachfolgenden Zeichnungen verständlich, wobei gleiche Strukturen mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind und in denen:
- 1 ein fiktives Fahrzeugantriebssystem in der Form einer Batteriepackung zeigt;
- 2 eine vertikale Stapelorientierung vieler Batteriezellen/Rahmenanordnungen gemäß dem Stand der Technik zeigt;
- 3 eine teilweise auseinandergezogene Ansicht einer horizontalen Stapelorientierung vieler Batteriezellen/Rahmenanordnungen gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt;
- 4 eine vereinfachte perspektivische Darstellung des Stapelmechanismus gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei der Klarheit wegen einige Details entfernt sind;
- 5 eine vereinfachte Aufrissansicht eines Abschnitts der Änderungen in einer Stapelorientierung einer der Anordnungen zeigt, während sie den Stapelmechanismus von 4 quert;
- 6 das Zusammenwirken der verschiedenen Bänder zeigt, welche den Stapelmechanismus von 4 bilden, einschließlich des Platzierens vieler Anordnungen entlang einer horizontalen Stapelachse;
- 7A eine seitliche Aufrissansicht einer alternativen Ausführungsform des Stapelmechanismus der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei der Klarheit wegen einige Details entfernt sind; und
- 7B eine Draufsicht der alternativen Ausführungsform von 7A zeigt, welche hervorhebt, wie das Band mit den Wendern mit den Zellen oder Anordnungen von einer unterschiedlichen Orientierung in Eingriff tritt.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Zu Beginn Bezug nehmend auf 1 ist eine Batteriepackung 1, die viele Batteriemodule 10 mit Zellen 100 verwendet, in einer teilweise auseinandergezogenen Ansicht gezeigt. Abhängig von dem gewünschten Leistungsausgang können viele Batteriemodule 10 zu größeren Gruppen oder Teilabschnitten kombiniert werden; solche können ausgerichtet sein, um von einem gemeinsamen Einsatz 2 gestützt zu werden, der auch als Stütze für Kühlmittelschläuche 3 dienen kann, wenn eine zusätzlich Kühlung wünschenswert sein kann. In dem vorliegenden Kontext werden die Ausdrücke „Batteriezelle“, „Batteriemodul“ und „Batteriepackung“ (wie auch ihre abgekürzten Varianten „Zelle“, „Modul“ und „Packung“) verwendet, um verschiedene Niveaus von Komponenten eines insgesamt batteriebasierten Leistungssystems wie auch deren Anordnung zu beschreiben. Beispielsweise bilden viele einzelne Batteriezellen die Baublöcke von Batteriemodulen. Viele Batteriemodule bilden wiederum (in Verbindung mit Nebeneinrichtungen) die fertige Batteriepackung.
-
Eine Stirnwand 4 kann eine primäre Stützstruktur definieren, die als eine Schnittstelle für die Kühlmittelschläuche 3 fungieren kann, wie auch eine Batterie-Abklemmeinheit, für den Fall, dass ein Batterieservice erforderlich ist, beherbergen. Außer dass sie eine Stütze für die vielen Batteriemodule 10 bereitstellen, können der Einsatz 2 und die Stirnwand 4 andere Module wie z. B. ein Spannungs-, Strom- und Temperaturmessmodul 5 stützen. Es ist das Platzieren einzelner Batteriezellen 100 innerhalb eines der Batteriemodule 10 wie auch die Abdeckung derselben durch ein Spannungs- und Temperatur-Untermodul in der Form von Steckerverbindungen, Sammelleitern, Sicherungen oder dergleichen gezeigt. Wenngleich sie fiktiv in einer T-förmigen Konfiguration gezeigt ist, werden Fachleute einsehen, dass die Batteriepackung 1 ebenso gut zu anderen geeigneten Konfigurationen gebildet werden kann. Gleichermaßen kann die Batteriepackung 1 - in einer exemplarischen Konfiguration - zwischen etwa zweihundert und dreihundert einzelne Batteriezellen 100 umfassen, wenngleich (wie die Anordnung) die Anzahl der Zellen 100 abhängig von dem Leistungsbedarf des Fahrzeuges größer oder kleiner sein kann. In einer exemplarischen Form ist die Batteriepackung 1 aus drei Teilabschnitten gebildet, von denen ein erster aus zwei Modulen 10 mit sechsunddreißig Zellen 100 in jedem Modul 10 besteht, um einen Teilabschnitt aus zweiundsiebzig Zellen, der entlang der Fahrzeug-Längsachse der T-Förmigen Batteriepackung 1 untergebracht ist, herzustellen, von denen ein zweiter aus zwei Modulen 10 mit sechsunddreißig Zellen 100 in jedem Modul 10 und einem Modul mit achtzehn Zellen 100 besteht, um einen Teilabschnitt aus neunzig Zellen (der ebenfalls entlang der Fahrzeug-Längsachse untergebracht ist), herzustellen, und ein dritter (der auf der Fahrzeug-Querachse der T-Förmigen Batteriepackung 1 untergebracht ist) ist aus drei Modulen 10 mit sechsunddreißig Zellen 100 in jedem Modul 10 und einem Modul mit achtzehn Zellen 100 gebildet, um einen Teilabschnitt aus hundertsechsundzwanzig Zellen für insgesamt zweihundertachtundachtzig solcher Zellen herzustellen. Andere Einrichtungen wie z. B. eine manuelle Service-Trenneinrichtung 7, eine Isolierung 8 und eine Abdeckung 9 sind in der Batteriepackung 1 ebenfalls umfasst. Zusätzlich zu der zuvor erwähnten Batterie-Abklemmeinheit können andere Leistungselektronikkomponenten (nicht gezeigt), unter anderem ein Batteriemanagementsystem oder ähnliche Steuereinrichtungen verwendet werden.
-
Als Nächstes Bezug nehmend auf 2 ist ein herkömmlicher vertikaler Batteriestapelansatz gemäß dem Stand der Technik gezeigt. Die Batterieanordnung 110 (hierin auch als eine Unteranordnung bezeichnet, um darauf hinzuweisen, dass sie der Baublock eines/r größeren Moduls, Packung oder dergleichen ist) umfasst das wiederholte Stapeln der Batteriezellen 100, Rahmen 105 und Endplatten 107. Unglücklicherweise besitzt eine geladene Batteriezelle mit einer prismatischen Dose die Tendenz, sich auf beiden Seiten der Stapeloberflächen zu wölben, was die allgemein ebene Beschaffenheit eines Kontakts zwischen benachbarten Zellen 100 herabsetzt. Dies beeinflusst wiederum die Stabilität des vertikalen Stapelansatzes, insbesondere wenn die Stapelhöhe entlang der y-Achse zunimmt. Diese herabgesetzte Stabilität zeigt sich gegenwärtig in der Form, dass sich die gestapelte Batterieanordnung 110 nach rechts neigt.
-
Als Nächstes Bezug nehmend auf 3 ist die Anordnung 110, die aus einer Zelle 100 und einem Rahmen 105 gebildet ist, in einer auseinandergezogenen Ansicht entlang einer im Wesentlichen horizontalen (d. h. x-Achsen)-Richtung gezeigt. In den beiden 2 und 3 ist ersichtlich, dass die Anordnungen 110 einen allgemein prismatischen Aufbau definieren, der aus einer Anode und einer Kathode (mit entsprechenden positiven und negativen Kontaktfahnen oder ähnlichen Kontakten 100A, 100B) gebildet ist, die durch eine elektrolytische Membran getrennt sind (Details sind nicht gezeigt). Zusätzliche Details wie z. B. Kühlplatten, -rippen und ähnliche Strukturen können - wenngleich sie nicht gezeigt sind - auch einen Teil jeder Anordnung 110 bilden. Wie oben erwähnt, besteht beim horizontalen Stapeln das Stapelhöhenproblem nicht, unter dem der vertikal gestapelte Ansatz von 2 leidet.
-
Als Nächstes Bezug nehmend auf 4 definiert ein Batteriestapelmechanismus (oder -system) 200 ein Zellenaufnahmeende 200A und ein Stapelende 200B. Der Stapelmechanismus 200 umfasst mehrere Förderbänder 210, 220 und 230, die miteinander zusammenwirken, sodass der Stapelmechanismus 200 beim Empfang der vielen einzelnen Rahmen/Zellen-Anordnungen 110 die Anordnungen 110 von einer allgemein vertikalen Stapelrichtung in eine allgemein horizontale Stapelrichtung als eine Möglichkeit neu orientiert, die Fehlausrichtung und damit verbundene Stapelprobleme zu vermeiden, die entstehen können, wenn sich die vielen Batteriezellen 100 in einem gewölbten Zustand befinden. Es können auch zusätzliche Komponenten, unter anderem hintere Anschläge 215 (auf dem Hauptband 210) und 235 (auf dem oberen Band 230), Anordnungswender 225, Stabilisatoren (unten beschrieben) und ein oder mehrere Zugangsfenster 285 zum Herausholen einer Batterieanordnung 110 verwendet werden. Die hinteren Anschläge 215 und 235 stellen - infolgedessen, dass sie an ihren jeweiligen Bändern 210 und 230 fixiert oder sonst wie befestigt sind - eine sichere untere Befestigungsoberfläche für die Anordnungen 110 bereit, um dabei zu helfen, diese bis zu einem Zeitpunkt vorwärts (d. h. in einem fluchtenden Muster von links nach rechts, wie in den 4 bis 6 gezeigt) zu tragen, zu dem sie eine geeignete Stapelaufnahme (unten erörtert) erreichen, während die hinteren Anschläge 235 eine zusätzliche Stütze an der oberen Kante der Anordnungen 110 bereitstellen, sobald sie in eine 90°-Position bezüglich der Oberfläche des Hauptbandes 210 nach oben gekippt worden sind; diese letztere Stütze ist insbesondere in 6 gezeigt. Ein Merkmal, das wesentlich dabei ist, beim Herstellen und Aufrechterhalten einer Fluchtung zwischen den Bändern 210, 220 und 230 zu helfen, ist der Zwischenraum P; dieser ist ein Maß für den Abstand zwischen ähnlichen Punkten auf benachbarten hinteren Anschlägen 215 oder 235 (auf dem Hauptband 210 und dem oberen Band 230) oder benachbarten Wendern 225 (auf dem Wenderband 220). In einer exemplarischen Form könnte solch ein Zwischenraum P in der Größenordnung von 150 Millimetern liegen. Die vorliegende Erfindung beseitigt bedeutsamerweise die Notwendigkeit von Nocken, Hebern oder ähnlichen Höckern, die andernfalls eine Wellung oder eine ähnliche Abweichung von dem allgemein ebenen Aufbau in dem Laufweg der Förderbänder 210, 220 und 230 hervorrufen würden.
-
Es ist auch eine Reihe von Zahnrädern, Riemenscheiben und ähnlichen Einrichtungen 250 umfasst, um eine fluchtende (d. h. kämmende, synchrone) Wechselwirkung der verschiedenen Bänder 210, 220 und 230 vorzusehen. Diese Komponenten können einen Teil eines oder mehrerer Antriebe (unter anderen eines zentralen Antriebes 260) bilden (oder alternativ damit gekoppelt sein) und können verwendet werden, um eine Drehbewegung auf die Förderbänder 210, 220 und 230 zu übertragen; solche Antriebe können Teil eines geeigneten Motors (nicht gezeigt) sein (oder wiederum durch diesen Antriebskraft empfangen). Das Riemenscheiben- und Zahnrad-Getriebe, welches die Einrichtung 250 bildet, ermöglicht es, dass die drei (oder vier) Bänder 210, 220 und 230 synchron mit dem zentralen Antrieb 260 laufen, wobei Pfeile eine exemplarische Form einer zusammenwirkenden Bewegung zwischen denselben zeigt.
-
Die zuvor erwähnte Aufnahme ist in der Form eines Stapelstandes 270 vorhanden, der an einem entfernten Ende des Stapelmechanismus 200 platziert ist; der Stapelstand 270 ist ausgestaltet, um die horizontal gestapelten Anordnungen 110 zu empfangen, sodass nachfolgende Montagearbeiten (z. B. das Anbringen von elektrischen Verbindungen, Kühlverbindungen oder dergleichen) ausgeführt werden können. In einer Form ist der Stapelmechanismus 200 auf einem Schlitten oder Rahmen 280 platziert, um einen modularen Aufbau zu erleichtern. Die gestapelten Zellen oder Anordnungen 110, die sich auf dem Stapelstand 270 angesammelt haben, werden durch die Einhausung 295 hindurch austreten (wie an dem Stapelende 200B des Stapelmechanismus 200 gezeigt) und zur weiteren Bearbeitung weiterlaufen. Um für eine Packungsanordnung geeignet zu sein, können die gestapelten Zellen oder Anordnungen 110 einem Komprimierungsschritt durch ein Zusammenwirken zwischen beweglichen und feststehenden Haltewerkzeugen (nicht gezeigt) unterzogen werden; eine zusätzliche seitliche Stütze kann durch befestigte Führungen (nicht gezeigt) bereitgestellt werden. Die Komprimierung kann ausgestaltet sein, um, abhängig von den strukturellen Bedürfnissen der Zelle 100, der Kühlrippenbauweise oder dergleichen, eine vorbestimmte Kraft oder Distanz zu übertragen. In einer bevorzugten Ausführungsform liegen die Kompressionskräfte in einem Bereich zwischen etwa einhundert Newton bis etwa viertausend Newton, während eine Kompressionsverschiebung zwischen etwa einem und dreißig Millimetern betragen kann. Sobald dieses vorbestimmte Niveau erreicht ist, wird ein kastenartiger Rahmen (nicht gezeigt, aber beispielsweise als eine U-förmige Struktur mit ihrer/n eigenen Endplatte und Verblockungseinrichtungen ausgestaltet) um den komprimierten Stapel herum befestigt, wonach eine Abdeckung (die Kabelbäume, Sammelleiter, Verbinder und elektronische Zusatzeinrichtungen umfassen kann) an dem Stapel und dem Rahmen angebracht wird, die wiederum durch bekannte Mittel wie z. B. Schweißen (z. B. Ultraschallschweißen, Widerstandsschweißen oder Laserschweißen), eine mechanische Befestigung oder dergleichen befestigt werden kann. Fachleute werden einsehen, dass einige der Details des Stapelmechanismus 200 entweder nicht gezeigt (z. B. bestimmte Bänder oder andere Förder- oder Verbindungsfähigkeitsmechanismen) oder vereinfacht sind, um die Klarheit in den verbleibenden Einrichtungen zu begünstigen.
-
Bedeutsamerweise definiert jedes der Förderbänder 210, 220 und 230 eine kontinuierliche geschlossene Kreiskonstruktion. Sobald jedes Band 210, 220 und 230 als solches seinen Teil der Zuführung oder Neuorientierung der Anordnungen 110 beendet hat, kehren seine Elemente zu einem anfänglichen Aufnahmepunkt zu rück, um eine neue Charge von Zellen 100 oder deren zugehörige Anordnungen 110 aufzusammeln. Bedeutsamerweise werden Einrichtungen, die in zumindest dem Hauptband 210 und dem oberen Band 230 umfasst sind, sowohl auf der Beschickungs- als auch der Rückführungsstrecke verwendet. Insbesondere helfen die periodisch beabstandeten hinteren Anschläge 215, 235, die in oder oben auf dem Haupt- und dem unteren Band 210, 230 befestigt sind, dabei eine genaue Positionierung der Anordnungen 100 sowohl vor als auch nach einer Neuorientierung sicherzustellen. Dabei wird die Geschwindigkeit gegenüber herkömmlichen Systemen wie z. B. Aufnahme- und Ablegesystemen deutlich erhöht wo - zusätzlich zu leeren Rücklaufstrecken für ankommende Teile - das Öffnen und Schließen von Greifern und ähnlichen Komponenten dazu neigt, die Bewegung beim Annähern oder Positionieren von Teilen zu verlangsamen. Tatsächlich sind die Dosen, die zum Einhausen der einzelnen Batteriezellen 100 verwendet werden, aufgrund ihrer prismatischen Beschaffenheit wegen ihrer steifen Struktur und wohl definierten Abmessungen durch die vorliegende Erfindung naturgemäß einfach zu handhaben.
-
Das erste der Förderbänder 210 wird als das Hauptband 210 bezeichnet, welches die Anordnungen 110 der zu Batteriezellen 100 und Kühlrahmen 105, die gestapelt werden sollen, vorwärts trägt. In einer bevorzugten Form sind zwei Wender-Förderbänder 220 vorhanden, die das Hauptband 210 entlang seiner entgegengesetzten Querseiten überspannen; während die Anordnungen 110 zum Stapeln zugeführt werden, bewegen sich alle drei Bänder in der gleichen allgemeinen Richtung von links nach rechts, wie in der Fig. gezeigt, wenngleich die Wenderbänder 220 um einen kleinen Betrag (z. B. etwa 5° bezüglich der x-Achse) bezüglich des Hauptbandes 210 geneigt sein können. Die Wender 225 und die hinteren Anschläge 215 sind auf ihren jeweiligen Bändern 210, 220 in einem sich wiederholenden, periodischen Muster befestigt. Das obere Band 230 unterstützt das Hauptband 210 beim Transportieren und Stapeln der Batterieanordnungen 110 mit den hinteren Anschlägen 235, die allgemein den hinteren Anschlägen 215 ähnlich sind; diese Unterstützung ist besonders hilfreich, sobald die Zellen 100 oder Anordnungen 110 in ihre im Wesentlichen aufrechte Position (d. h. in der die größte ebene Oberfläche der Zelle oder Anordnung unter 90° bezüglich der Oberfläche des Hauptbandes 210 orientiert ist), gedreht worden sind. Der zentrale Antrieb 260 steht mit den Bändern 210, 220 und 230 in Eingriff, sodass sie alle gleichzeitig und synchron durch die Zahnräder, die Riemenscheiben und die zugehörigen Einrichtungen 250 bewegt werden können. Aufgrund dieser verzahnten Beziehung bewegen sich alle Förderbänder 210, 220 und 230 kontinuierlich und synchron und erleichtern dadurch einen kämmenden Hochgeschwindigkeitsbetrieb.
-
Als Nächstes Bezug nehmend auf die 5 und 6 in Verbindung mit 4 dienen die Wender 225 als sich bewegende Heber, die mit einem vorbestimmten Zwischenraum bezüglich des Wenderbandes 220 angebracht sind, welches das Hauptband 210 auf beiden Seiten flankiert. Außerdem definieren die Wender 225 eine allgemein gebogene Form, sodass bei einem Eingriff mit den Batterieanordnungen 110 und Fortschreiten von links nach rechts, wie gezeigt, die Wender 225, welche die Hauptbänder 210 überspannen, die Anordnungen 110 allmählich in eine fortschreitend hochkantigere Platzierung auf dem Hauptband 210 bringen. Auf diese Weise wirken die Wender 225 wie sich bewegende Nockenheber auf entgegengesetzten Seiten des Hauptbandes 210, um die horizontale Stapelorientierung der Anordnungen 110 zu begünstigen; wie in 6 gezeigt, sind drei repräsentative Winkelaufnahmen der Anordnung 110 unter 61°, 81° bzw. 86° bezüglich der Horizontalen (d. h. der x-Achse) gezeigt. In einer Form können die zwei Wenderbänder 220 durch eine koaxiale Riemenscheibe angetrieben sein; solch eine Vorrichtung vereinfacht die Kraftübertragung; um einen gestapelten Satz von Anordnungen mit solch einer Achsenanordnung von dem hinteren Anschlag 270 des Stapelstandes abzuladen, wird ein Stapelausgangsfenster 285 erforderlich sein, das entlang eines seitlichen (d. h. z-Achsen)-Ausganges untergebracht ist. Der Batteriestapelmechanismus 200 verwendet die hinteren Anschläge 215, die auf dem Hauptband 210 untergebracht sind, zusammen mit einem der Wender 225, die auf dem Wendeband 22 vorbeikommen, um jede der Zellen 100 (oder deren jeweilige Anordnung 110) fluchtend in Bezug auf unmittelbar vorherige und nachfolgende Zellen zu halten, die das Hauptband 210 queren. In dem vorliegenden Kontext werden benachbarte Zellen 100 oder deren Anordnungen 110 als fluchtend betrachtet, solange sie ihre vorgesehene Position und Orientierung beibehalten, während sie den Stapelmechanismus 200 queren; in einer Form kann solch eine Fluchtung durch die verschiedenen Zellen 100 beurteilt werden, die ein erwünschtes Ausmaß an horizontaler (x-Achse) Beabstandung oder Drehorientierung zwischen denselben beibehalten, um eine vorbestimmte Stapelkonfiguration sicherzustellen. Das verzahnte Zusammenwirken zwischen verschiedenen Komponenten (z. B. den verschiedenen Förderbändern 210, 220 oder 230) wird als fluchtend betrachtet, solange sie den zeitlichen Ablauf, die Beabstandung, das Ineinandergreifen oder einen ähnlichen Vorgang beibehalten, um die Zufuhr der Zellen 100 oder Anordnungen 110 von Anfang bis Ende sicherzustellen. Wenn hingegen eine oder mehrere Zellen 100 oder Anordnungen aus der Fluchtung geraten, kann das Potential für eine Fehlausrichtung oder andere Stapelprobleme entstehen.
-
Wie insbesondere in 5 gezeigt, werden die Anordnungen 100 mit ihren größten ebenen Oberflächen in einer im Wesentlichen vertikal gewandten Richtung orientiert entlang des Hauptbandes 210 an der linken Seite (nicht gezeigt) in den Stapelmechanismus 200 eingeführt. Da die Anordnung 110 eine Breite definiert, die größer ist als das Hauptband 210, sind die Wender 225 in der Lage, mit der Anordnung 110 von unten in Kontakt zu treten. Infolge der oben erwähnten Winkelbeziehung zwischen den Bändern 210 und 220 beginnen die Wender 225 auf der linken Seite des Stapelmechanismus 200, wobei sie sich unter dem Hauptband 210 befinden und die Wender 225 während dieses frühen Stadiums keinen Eingriff mit den Unteranordnungen 110 haben. Wenn sich die Bänder simultan nach rechts bewegen, bewegen sich die Wender 225 über dem Hauptband 210 fortschreitend nach oben und heben dadurch die Anordnungen 110 an, sodass die Oberfläche ihrer größten ebenen Abmessung mithilfe der Anschläge 215 auf dem Hauptband 210 von ausgerichtet zu einer Vertikalen (d. h. y-Achse) zu einer Horizontalen (d. h. x-Achse) übergeht. Wenn der Wender 225 sich zu einem Punkt höher entlang der y-Achse bewegt als die Anordnung 110, werden die beiden außer Eingriff gebracht, was zulässt, dass die Anordnung 110 zu dem Stapelstand 270 weit rechts des Stapelmechanismus 200 weiterrückt. Ein Stabilisator 290 (der mit Bürsten oder weichen Reibbelegen ausgestattet sein kann) tritt in leichten Kontakt mit den Seitenkanten der Zellen 100 oder Anordnungen 110, um zu verhindern, dass sie vor dem Stapeln nach vorne kippen.
-
Wenn sich die Anordnungen 110 von den Förderbändern 210, 220 zu dem Stapelstand 270 bewegen, verschiebt sich der Stapelstand 270 durch die Fördererkraft, bis die hinteren Anschläge 215, 235 von den Zellen 100 oder Anordnungen 110 ausrücken. Die Inertialkräfte bewegen auch den hinteren Anschlag 270 in die Stapelrichtung. Der hintere Anschlag 270 des Stapelstandes 270 ist mit der Stapelstandplatte 275 verkeilt, um eine Bewegung in der x-Achse zuzulassen, und ist mit einer verstellbaren Reibungsvorrichtung (z. B. federbelastet) gehalten, um einen Widerstand bereitzustellen, wenn die Anordnungen 110 die Förderbänder 210, 220 verlassen. Ferner ist die Stapelstandplatte 275 zu einem negativen Winkel (d. h. -5 Grad) verstellbar, um zuzulassen, dass die Anordnungen gegeneinander fallen und die Schwerkraft nutzen, um gegen den hinteren Anschlag 270 zu ruhen. Somit dient die Stapelstandplatte 275 als die Grundplatte, auf der sich die Zellen 100 oder Anordnungen 110 bewegen, wenn sie von dem Hauptband 210 herunter kommen.
-
Die Verwendung des in den 4 bis 6 abgebildeten Ansatzes erleichtert das Hochgeschwindigkeitsstapeln für die Anordnungen 110 durch Positionieren der zu stapelnden Teile ohne die einzelnen (d. h. robotertechnischen) Manipulationen in Verbindung mit einer herkömmlichen Aufnahme- und Ablegeeinrichtung deutlich. Des Weiteren ist durch das Befördern von Teilen die mit hohen Geschwindigkeiten entlang hochkantiger Orientierungen (mit einem damit einhergehenden kleinen Komponenten-Fußabdruck) locker montiert werden, eine viel kleinere Herstellungsgrundfläche erforderlich.
-
Als Nächstes Bezug nehmend auf die 7A und 7B zeigt eine alternative Ausführungsform, dass die zwei Förderbänder 220 mit den Wendern 225 über parallele Achsen angetrieben werden können, die zulassen, dass die gestapelten Zellen 100 oder Anordnungen 110 bequemer in der Stapelrichtung austreten, wenn sie das Stapelende 200B des Systems 200 erreichen. 7A zeigt die Ausführungsform in einer seitlichen Aufrissansicht und 7B zeigt einen Grundriss von oben. Insbesondere Bezug nehmend auf Fig. 7B können die zwei Förderbänder 220 mit den Wendern 225 so orientiert sein, dass sie, anstatt dass der selektive Eingriff der Wender 225 und Zellen 100 oder Anordnungen 110 durch eine abgewinkelte Überschneidung ihrer jeweiligen Bänder 210 und 220 stattfindet, durch ein seitliches Zusammenwirken der Bänder in Eingriff treten. In dieser Ausführungsform ist der Wender 225 an der Fläche des Förderbandes 220 befestigt, anstatt an einem Seitenteil (d. h. der Seite) befestigt zu sein, wie oben beschrieben. Diese Befestigungsstrategie hat weniger Verdrehung und Spannung in dem Förderband 220 zur Folge, was dabei hilft, die Lebensdauer des Bandes zu verbessern und eine bessere Ausrichtung der Anordnung 110 zum Stapeln zuzulassen. Eine andere Ansicht des Stabilisators 290 mit Bürsten zeigt, wie er mit den Seitenkanten der Zellen 100 oder Anordnungen 110 in Kontakt steht, um zu verhindern, dass sie vor dem Stapeln gegen den hinteren Anschlag 270 nach vorne kippen.
