DE102021116070B4 - Winding method for manufacturing a polygonal battery cell and device for manufacturing the polygonal battery cell - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Wickelverfahren zur Herstellung einer polygonalen Batteriezelle (4), wobei ein polygonförmiger Kern (6) um eine Rotationsachse (7, 30) gedreht wird und dabei das Wickelband (9) um den Kern (6) gewickelt wird, sodass der Kern (6) und das Wickelband (9) in einem aufgewickelten Zustand die Batteriezelle (4) bilden, deren Querschnitt (8) die polygonförmige Kontur aufweist. Zum Reduzierung einer pulsierenden Kraft (11) auf das Wickelband (9) wird der Kern (6) über dem Wickelband (9) auf einer Inverskurvenbahn (27) abgerollt, welche die Form einer zur Kontur des Querschnitts (8) entsprechenden Inverskurve (15) aufweist, wobei die Inverskurve (15) eine Kettenlinie oder einen Zykloidenbogen oder einen Epizykloidenbogen oder ein Sägezahnlinienintervall darstellt. Ergänzend oder alternativ kann das Wickelband (9) über eine Walze (25) mittels einer freihängenden Schlaufe (26) dem Kern (6) aktiv zugeführt werden, wobei die Schlaufenlänge der Länge von zumindest einer Inverskurve (15) entspricht.The invention relates to a winding method for producing a polygonal battery cell (4), in which a polygonal core (6) is rotated about an axis of rotation (7, 30) and the winding tape (9) is wound around the core (6) so that the core (6) and the winding tape (9) form the battery cell (4) in a wound state, the cross section (8) of which has the polygonal contour. To reduce a pulsating force (11) on the winding tape (9), the core (6) is rolled over the winding tape (9) on an inverse cam track (27), which has the shape of an inverse curve (15) corresponding to the contour of the cross section (8). wherein the inverse curve (15) represents a catenary or a cycloid arc or an epicycloid arc or a sawtooth line interval. Additionally or alternatively, the winding tape (9) can be actively fed to the core (6) via a roller (25) by means of a freely suspended loop (26), the loop length corresponding to the length of at least one inverse curve (15).
Description
Die Erfindung betrifft ein Wickelverfahren zur Herstellung einer polygonalen Batteriezelle. Dem Wickelverfahren liegt zumindest einen Kern aufweisend eine polygonförmige Kontur und zumindest ein Wickelband umfassend zumindest einen Batteriezellenwerkstoff, welcher um den Kern gewickelt wird, zugrunde. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Herstellung der polygonalen Batteriezelle, wobei die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, zumindest ein Wickelband als sogenannter Zellwickel um den zumindest einen Kern mit der polygonförmigen Kontur zu wickeln.The invention relates to a winding method for producing a polygonal battery cell. The winding method is based on at least one core having a polygonal contour and at least one winding tape comprising at least one battery cell material, which is wound around the core. The invention also relates to a device for producing the polygonal battery cell, the device being set up to wind at least one winding tape as a so-called cell winding around the at least one core with the polygonal contour.
Wickelverfahren bei zylindrischen Spulen sind lange bekannt. Dabei werden Rollen mit kreisförmigem Querschnitt benutzt. Möchte man mit diesem Verfahren polygonförmige Spulen herstellen, tritt eine pulsierende Kraft oder Rucken beim Auftragen auf, die die Qualität der Spule beeinträchtigen kann. Beispielsweise kann diese pulsierende Kraft ein Wickelband zerreißen oder die Gleichmäßigkeit des Auftragens reduzieren, obwohl es in bestimmten Fällen, wie beispielsweise bei Akkuzellen, erwünscht wäre. Bei elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen besteht das Batteriemodul aus einzelnen Zellen. Wenn diese Zellen wie die Spulen gefertigt werden, dann sind diese nach dem Stand der Technik zylindrisch. Mit einer anderen Fertigungstechnologie kann man auch quadratische Zellen herstellen. Jedoch hat das Wickeln ein großes Sparpotential in der Fertigung. Wegen der Zylinderform hat jedoch die Batteriezelle in diesem Falle einen technischen Nachteil, da in dieser Ausführung sich ein ungenutzter Raum innerhalb des Batteriemoduls ergibt. Die Ausnutzung des Bauraums ist bei einer kostengünstigen Fertigung von Batteriezellen mittels einem Wickelverfahren daher nicht optimal. So ist es erstrebenswert, quadratische oder hexagonale Batteriezellen kostengünstig herzustellen, wobei eine theoretisch perfekte Raumausfüllung in dem Batteriemodul dennoch möglich sein soll. Bei der Verwendung von quadratischen oder hexagonalen Batteriezellen für ein Batteriemodul kann eine um ungefähr 10 Prozent bessere Ausnutzung des Raums im Vergleich mit zylinderförmigen Batteriezellen erreicht werden, was letztendlich zu einer Steigerung der Energiedichte des Batteriemoduls führt.Winding processes for cylindrical coils have been known for a long time. In this case, rollers with a circular cross-section are used. If you want to produce polygon-shaped coils with this process, a pulsating force or jerks occur during application, which can affect the quality of the coil. For example, this pulsating force can tear a wrapping tape or reduce the uniformity of the application, although in certain cases such as battery cells it would be desirable. In electrically powered motor vehicles, the battery module consists of individual cells. If these cells are manufactured like the coils, then according to the prior art they are cylindrical. Square cells can also be produced using a different manufacturing technology. However, winding has great savings potential in production. Because of the cylindrical shape, however, the battery cell has a technical disadvantage in this case, since there is unused space within the battery module in this embodiment. The utilization of the installation space is therefore not optimal in the case of a cost-effective production of battery cells using a winding process. It is therefore desirable to produce square or hexagonal battery cells inexpensively, although theoretically perfect space filling in the battery module should still be possible. When using square or hexagonal battery cells for a battery module, about 10 percent better space utilization can be achieved compared to cylindrical battery cells, which ultimately leads to an increase in the energy density of the battery module.
So ist aus der
Aus der
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wickelverfahren zur Herstellung von polygonalen Batteriezellen bereitzustellen, bei welchem eine pulsierende Kraft während des Auftragens des Batteriezellenwerkstoffs um den Kern der Batteriezelle reduziert wird, wobei das Auftragen des Batteriezellenwerkstoffs auf den Kern dennoch gleichmäßig trotz der polygonalen Form der Batteriezelle erfolgen soll.The object of the invention is to provide a winding method for manufacturing polygonal battery cells, in which a pulsating force during the application of the battery cell material around the core of the battery cell is reduced, the application of the battery cell material to the core being uniform despite the polygonal shape of the battery cell should take place.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben.The object is solved by the subject matter of the independent patent claims. Advantageous developments of the invention are described by the dependent patent claims, the following description and the figures.
Durch die Erfindung ist ein Wickelverfahren zur Herstellung einer polygonalen Batteriezelle bereitgestellt. Die polygonale Batteriezelle umfasst zumindest einen Kern, welcher eine im Querschnitt polygonförmige Kontur (anstelle der üblichen kreisförmigen Kontur) aufweist und zumindest ein Wickelband, welches zumindest einen Batteriezellenwerkstoff, welcher um den Kern gewickelt wird, umfasst. Für das Wickeln wird der Kern um eine Rotationsachse gedreht und dabei das Wickelband um den Kern gewickelt, so dass der Kern und das Wickelband in einem aufgewickelten Zustand die Batteriezelle bilden, deren Querschnitt weiterhin die polygonförmige Kontur aufweist. Der Querschnitt ist also insbesondere im Vergleich zum nackten Kern lediglich verdickt und an den Ecken abgestumpft durch das aufgewickelte Wickelband. Der Querschnitt der Batteriezelle umfasst den Kern und ergänzend zumindest eine Schicht des Wickelbandes. Mit anderen Worten weisen die Batteriezelle und der Kern die polygonförmige Kontur auf. Für die Wicklung der Batteriezelle wird zumindest ein Wickelband um den zumindest einen Kern gewickelt, so dass insgesamt die polygonförmige Kontur des Kerns bei der Batteriezelle erhalten bleibt. Der Kern kann als ein Stab mit dem polygonalen Querschnitt bereitgestellt sein. Ein Material des Kerns kann elektrisch isolierend sein. Beispielsweise kann der Kern auf einem Kunststoff und/oder einer Keramik basieren.The invention provides a winding method for producing a polygonal battery cell. The polygonal battery cell comprises at least one core, which has a polygonal contour in cross section (instead of the usual circular contour) and at least one winding tape, which comprises at least one battery cell material, which is wound around the core. For winding, the core is rotated about an axis of rotation and the winding tape around the Core wound, so that the core and the winding tape form the battery cell in a wound state, the cross-section continues to have the polygonal contour. The cross section is thus only thickened, in particular in comparison to the bare core, and blunted at the corners by the wound-up winding tape. The cross section of the battery cell includes the core and, in addition, at least one layer of the winding tape. In other words, the battery cell and the core have the polygonal contour. At least one winding strip is wound around the at least one core for winding the battery cell, so that overall the polygonal contour of the core is retained in the battery cell. The core can be provided as a rod with the polygonal cross section. A material of the core can be electrically insulating. For example, the core can be based on a plastic and/or a ceramic.
Das Wickelverfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Wickelband während des Wickelns entlang einer Inverskurvenbahn aus zumindest einer Inverskurve, die der geometrischen Form einer Drehung der polygonförmigen Kontur des Querschnitts entspricht, dem Kern zugeführt wird, wobei die jeweilige Inverskurve eine Kettenlinie oder einen Zykloidenbogen oder einen Epizykloidenbogen oder ein Sägezahnlinienintervall oder insbesondere eine jeweils dazugehörige Inverse davon („auf den Kopf gedreht“) darstellt. Dabei beschreiben der Zykloidenbogen, der Epizykloidenbogen und das Sägezahnlinienintervall jeweils die geometrische Form innerhalb eines periodischen Intervalls einer Zykloiden, Epizykloiden oder Sägezahnlinie. Die geometrische Form des periodischen Intervalls bei der Zykloiden und der Epizykloiden kann ein Kreisbogen sein. Bei einer Sägezahnlinie kann die geometrische Form des periodischen Intervalls ein Dreieck sein. Die Inverskurvenbahn ist derart ausgespart oder eingekerbt ausgestaltet, dass eine Rotationsachse des Kerns während des Drehens des Kerns unbewegt bleibt oder sich entlang einer Geraden bewegt, wobei für das Zuführen das Wickelband auf einer Oberfläche der Inverskurvenbahn aufliegt oder anliegt, welche einer Aneinanderreihung von Inverskurvenstücken entspricht, und der Querschnitt der Batteriezelle auf dem Wickelband entlang der Oberfläche der Inverskurvenbahn zum Wickeln der Batteriezelle abgerollt wird.The winding method is characterized in that the winding tape is fed to the core during winding along an inverse curve path of at least one inverse curve, which corresponds to the geometric shape of a rotation of the polygonal contour of the cross section, the respective inverse curve being a chain line or a cycloid arc or an epicycloid arc or represents a sawtooth line interval or, in particular, an associated inverse thereof ("upside down"). The cycloid arc, the epicycloid arc and the sawtooth line interval each describe the geometric shape within a periodic interval of a cycloid, epicycloid or sawtooth line. The geometric shape of the periodic interval in the cycloid and the epicycloid can be an arc of a circle. For a sawtooth line, the geometric shape of the periodic interval can be a triangle. The inverse cam track is recessed or notched in such a way that an axis of rotation of the core remains stationary during the rotation of the core or moves along a straight line, with the winding tape resting or abutting on a surface of the inverse cam track for feeding, which corresponds to a series of inverse cam pieces, and the cross section of the battery cell on the winding tape is rolled along the surface of the inverse curved path for winding the battery cell.
Jedes Inverskurvenstück der Inverskurvenbahn umfasst eine Aneinanderreihung von Inverskurven, also einzelnen geometrische Bögen oder Buckeln, wobei die Anzahl der Inverskurven in dem Inverskurvenstück sich insbesondere nach der Anzahl der Seiten eines Polygons, insbesondere nach der Anzahl der Seiten der Kontur, richtet, die über das Inverskurvenstück um zumindest eine vollständige Umdrehung, daher um einen Rotationswinkel von zumindest 360 Grad abrollen soll. Wenn die Kontur beispielsweise ein Quadrat ist, kann das Inverskurvenstück vier Inverskurven, daher vier Bögen oder „Buckel“, umfassen, über welche die Seiten des Quadrats für eine Umdrehung abrollen können. Wenn die Kontur ein Fünfeck ist, kann das Inverskurvenstück beispielsweise fünf Inverskurven umfassen. Jede Seite der Kontur rollt daher einmal über eine Inverskurve ab. Die Anzahl der Inverskurven auf dem Inverskurvenstück kann daher die Anzahl an Inverskurven sein, die die Kontur für eine Umdrehung des Kerns, also eine Rotation des Kerns um seine Rotationsachse um einen Winkel von 360 Grad, zum Abrollen benötigt. Zwischen den einzelnen Inverskurven können Abstände oder Spalte vorgesehen sein, was im Weiteren noch genauer erläutert wird.Each inverse curve section of the inverse curve path comprises a series of inverse curves, i.e. individual geometric arcs or humps, with the number of inverse curves in the inverse curve section depending in particular on the number of sides of a polygon, in particular on the number of sides of the contour, which extends over the inverse curve section by at least one complete revolution, therefore should roll by a rotation angle of at least 360 degrees. For example, if the contour is a square, the inverse curve piece may comprise four inverse curves, hence four arcs or "humps" over which the sides of the square can roll for one revolution. If the contour is a pentagon, the inverse curve segment can comprise five inverse curves, for example. Each side of the contour therefore rolls once over an inverse curve. The number of inverse curves on the inverse curve piece can therefore be the number of inverse curves that the contour needs for one rotation of the core, ie one rotation of the core about its axis of rotation by an angle of 360 degrees, for rolling. Distances or gaps can be provided between the individual inverse curves, which will be explained in more detail below.
Die Inverskurvenbahn umfasst die eine Aneinanderreihung von Inverskurvenstücken, wobei die Zahl der Inverskurvenstücke auf der Inverskurvenbahn sich nach der Anzahl der Umdrehungen des Polygons, daher des Kerns und der damit beabsichtigten Anzahl an Wickelschichten, die auf dem Kern aufgetragen werden sollen, richtet. Hierdurch können insbesondere sich durch das Auftragen von Wickelband vergrößernde Konturen durch Verwenden entsprechend der Kontur parametrisierter Inverskurvenstücke berücksichtigt werden. Die Inverskurvenbahn kann beispielsweise aus einem Kunststoff hergestellt sein, welcher mittels eines 3D-Druckverfahrens in die beschriebene geometrische Form gebracht wurde. Ergänzend oder alternativ kann die Inverskurvenbahn ein Metall umfassen oder daraus hergestellt sein. Die Inverskurvenbahn stellt eine Oberfläche dar, auf welcher das Wickelband aufliegen kann, während der Kern auf dem Wickelband abgerollt wird.The inverse curve track comprises a series of inverse curve pieces, the number of inverse curve pieces on the inverse curve track depending on the number of revolutions of the polygon, hence the core and the intended number of winding layers to be applied to the core. In this way, in particular, contours that increase in size due to the application of wrapping tape can be taken into account by using inverse curve sections parameterized according to the contour. The inverse cam track can be made, for example, from a plastic that has been brought into the described geometric shape by means of a 3D printing process. In addition or as an alternative, the inverse cam track can include or be made of a metal. The inverse cam represents a surface on which the wrapping tape can rest while the core is unrolled onto the wrapping tape.
Mit anderen Worten orientiert sich das Wickelverfahren an der Methode des „Rolling Square-Wheel“, bei welchem ein Dreirad mit Rädern, welche eine quadratförmige Kontur aufweisen, über eine Folge von miteinander verbundenen, invertierten Kettenlinien, also einer Folge von Buckeln, derart gleichmäßig abrollt, dass die Rotationsache der Räder sich geradlinig auf derselben Höhe bewegen. Die jeweilige invertierte Kettenlinie zu dem Quadrat kann dabei ein Buckel sein, über welchen die Seiten der quadratischen Kontur abrollen, die Ecken des Quadrats tauchen in die Einkerbungen zwischen den Buckeln. Bei einer Aneinanderreihung von mehreren dieser Buckel mit gleichmäßigem Abstand kann somit das Quadrat über die jeweiligen die Form einer inversen Kettenlinie aufweisenden Buckel abrollen, so dass sich die Rotationsachse des Quadrats entlang einer Geraden bewegt, um ein gleichmäßiges Abrollen zu erreichen. Die Inverskurve kann dabei eine solche Aneinanderreihung von invertierten Kettenlinien sein, so dass die Inverskurve eine Art Straße für den Kern oder den Querschnitt bildet, auf welcher die Kontur des Kerns oder des Querschnitts abrollen kann, so dass sich die Rotationsachse der Kontur entlang einer Geraden bewegt oder während einer Relativbewegung der Straße bezüglich der sich drehenden Kontur auf dem gleichen Punkt bleibt. Die Gleichung für die Berechnung einer solchen Kettenlinie ist aus dem Stand der Technik bekannt.In other words, the winding process is based on the "rolling square wheel" method, in which a tricycle with wheels that have a square contour rolls evenly over a series of interconnected, inverted chain lines, i.e. a series of humps that the rotational axis of the wheels move in a straight line at the same height. The respective inverted chain line to the square can be a hump over which the sides of the square contour roll, the corners of the square dip into the indentations between the humps. When several of these humps are arranged in a row at a uniform distance, the square can thus roll over the respective humps having the form of an inverse catenary line, so that the axis of rotation of the square moves along a straight line in order to achieve uniform rolling. The inverse curve can be such a juxtaposition of inverted chain lines, so that the inverse curve forms a kind of road for the core or the cross-section, on which the contour of the core or the cross-section can roll, so that the axis of rotation of the contour moves along a straight line or during a relative movement of the road with respect to the rotating contour at the same point remains. The equation for calculating such a catenary is known from the prior art.
Je nach der geometrischen Form der Kontur des Kerns (im Querschnitt gesehen) kann die Aneinanderreihung von Inverskurven alternativ beispielsweise eine Aneinanderreihung von inversen Kettenlinien sein, wenn die Kontur ein Quadrat ist, oder eine Aneinanderreihung von Sägezahnlinien, wenn die Kontur eine stückweise, gleichwinkelige Spirale ist. Die polygonförmige Kontur kann die geometrischen Formen eines Quadrats, eines Fünfecks, einer Sechsecks, eines Hexagons oder eines Polygons mit mehr als 6 Ecken vorsehen. Die geometrische Form der Kontur des Kerns und damit die Kontur der Batteriezelle sowie die zugehörige Inverskurve müssen nicht auf die besagten Beispiele beschränkt sein. So wurde im Artikel „Roads and Wheels“ von Hall und Wagon, 1992, verschiedene geometrische Formen und ihre dazugehörigen Inverskurven präsentiert, so dass bei einem Abrollen der Kontur der geometrischen Form über ihre jeweils zugehörige Inverskurve die Rotationsachse der geometrischen Form sich stets entlang einer Geraden bewegt oder auf einem gleichen Punkt bleibt. Die Inverskurve kann dafür entlang einer Geraden oder entlang eines Kreisumfangs verlaufen.Depending on the geometric shape of the contour of the core (seen in cross-section), the sequence of inverse curves may alternatively be, for example, a sequence of inverse catenary lines when the contour is a square, or a sequence of sawtooth lines when the contour is a piecewise equiangular spiral . The polygonal contour can provide the geometric shapes of a square, a pentagon, a hexagon, a hexagon or a polygon with more than 6 corners. The geometric shape of the contour of the core and thus the contour of the battery cell and the associated inverse curve do not have to be limited to the examples mentioned. In the article "Roads and Wheels" by Hall and Wagon, 1992, various geometric shapes and their associated inverse curves were presented, so that when the contour of the geometric shape rolls over its associated inverse curve, the axis of rotation of the geometric shape always moves along a straight line moves or stays at the same point. For this purpose, the inverse curve can run along a straight line or along a circumference.
Zum Wickeln wird das Wickelband nun entlang der Inverskurvenbahn geführt, so dass sich das Wickelband zwischen dem Kern oder der teilweise gewickelten Batteriezelle und der Oberfläche der Inverskurvenbahn befindet, so dass der Kern oder die Batteriezelle über das Wickelband auf der Inverskurve abrollt und so das Wickelband auf den Kern oder die Batteriezelle aufgetragen wird. Dies kann dadurch realisiert sein, dass der Kern an seiner Rotationsachse mit einer aus dem Stand der Technik geläufigen Führung, welche beispielsweise einen elektrischen Antrieb umfasst, verbunden ist, und die Führung den Kern über die Inverskurvenbahn abrollen lässt. Ergänzend oder alternativ kann auch die Inverskurvenbahn beispielsweise mittels eines Linearantriebs in einer Transversalbewegung am Kern entlang bewegt werden, so dass der Kern auf der Inverskurvenbahn abrollen kann. Das Wickelband kann dafür in ganzer Länge oder teilweise auf der Inverskurvenbahn abgelegt sein. Alternativ kann das Wickelband mittels einer Walze mit einem Umfang entsprechend zumindest einer Inverskurvenlänge dem Kern aktiv zugeführt werden.For winding, the winding tape is now guided along the inverse curve so that the winding tape is between the core or the partially wound battery cell and the surface of the inverse curve, so that the core or the battery cell rolls over the winding tape on the inverse curve and the winding tape unrolls applied to the core or battery cell. This can be realized in that the core is connected at its axis of rotation to a guide known from the prior art, which includes, for example, an electric drive, and the guide allows the core to roll over the inverse cam track. In addition or as an alternative, the inverse cam track can also be moved along the core in a transverse movement, for example by means of a linear drive, so that the core can roll on the inverse cam track. For this purpose, the winding tape can be placed on the inverse cam track in its entirety or in part. Alternatively, the winding tape can be actively fed to the core by means of a roller with a circumference corresponding to at least one inverse curve length.
Durch das Wickelverfahren ergibt sich der Vorteil, dass ein dünnes und daher zum Reißen neigendes Wickelband für einen Batteriezellenwerkstoff gleichförmig auf einem polygonförmigen Kern aufgewickelt werden kann, wobei eine auf das Wickelband wirkende pulsierende Kraft beim Auftragen über die Ecken des Polygons vermieden werden kann, so dass das Wickelband während des Wickeln nicht beschädigt wird, insbesondere nicht reißt. Gleichzeitig orientiert sich das Wickelverfahren am bereits etablierten Verfahren zum Wickeln von zylinderförmigen Batteriezellen, welches geringe Fertigungskosten aufweist. Somit kann für das Drehen des Kerns auf einen Drehantrieb aus dem Stand der Technik zurückgegriffen werden. Es muss lediglich die beschriebene Inverskurvenbahn bereitgestellt werden. Hiermit können polygonförmige Batteriezellen analog mit geringer Kostensteigerung hergestellt werden, welche gleichzeitig eine bessere Raumausfüllung bei Batteriemodulen durch ihren polygonförmigen Querschnitt ermöglichen, so dass Zwischenräume in den Batteriezellen vermieden werden und damit eine Energiedichte bei Batteriemodulen gesteigert werden kann. Weiterhin ergibt sich hierdurch der Vorteil, dass die Notwendigkeit einer Kontrolle der Spannung im Wickelband mittels eines Regelverfahrens vermieden werden kann, da bereits eine gleichmäßige Spannung durch das Abrollen der Kontur auf der zugehörigen Inverskurve vergleichmäßigt wird.The winding process has the advantage that a thin winding tape for a battery cell material, which is therefore prone to tearing, can be wound uniformly on a polygon-shaped core, with a pulsating force acting on the winding tape when applied via the corners of the polygon being avoided, so that the wrapping tape is not damaged during wrapping, in particular does not tear. At the same time, the winding process is based on the already established process for winding cylindrical battery cells, which has low production costs. A rotary drive from the prior art can thus be used to turn the core. Only the inverse cam track described must be provided. In this way, polygonal battery cells can be produced analogously with a low increase in costs, which at the same time enable better space filling in battery modules due to their polygonal cross section, so that gaps in the battery cells are avoided and energy density in battery modules can thus be increased. Furthermore, this results in the advantage that the need to check the tension in the winding tape by means of a control method can be avoided, since even tension is evened out by the rolling of the contour on the associated inverse curve.
Die Inverskurvenbahn mit der Kontur der jeweiligen Inverskurve kann beispielsweise dahingehend hergestellt werden, dass der Kern über einer glatten Oberfläche abgerollt wird, wobei die Oberfläche aus einem zum Zeitpunkt des Abrollens weichen und formbaren Material besteht und eine im Vergleich zum Material des Kerns höhere Nachgiebigkeit aufweist (z.B. aus Ton oder eine Knetgummi), wobei die Rotationsachse des Kerns entlang einer Geraden bewegt wird. Hierdurch entsteht ein Abdruck der Inverskurve auf der Oberfläche und somit die Inverskurvenbahn, die der zu der Kontur zugehörigen Inverskurve entspricht. Die so gewonnene Form kann als Vorlage oder Modell zur Herstellung weiterer Inverskurvenbahnen mit der Form der zumindest einen Inverskurve genutzt werden.
Zu der Erfindung gehören auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.The inverse curve track with the contour of the respective inverse curve can be produced, for example, by rolling the core over a smooth surface, the surface being made of a material that is soft and malleable at the time of rolling and has a higher resilience than the material of the core ( e.g. made of clay or kneaded rubber), whereby the axis of rotation of the core is moved along a straight line. This creates an impression of the inverse curve on the surface and thus the inverse curve path that corresponds to the inverse curve associated with the contour. The shape obtained in this way can be used as a template or model for producing further inverse curve paths with the shape of the at least one inverse curve.
The invention also includes embodiments that result in additional advantages.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Oberfläche insbesondere auf einer Ebene oder auf einer Walzenoberfläche verläuft. Mit anderen Worten, die Inverskurve kann sich entlang einer Geraden, insbesondere einer Geraden in der Ebene, bewegen, so dass der Kern oder die Batteriezelle mit ihrer jeweiligen geometrischen Form auf der Oberfläche, deren Kontur der Inverskurve entspricht, abrollen. Die Oberfläche kann beispielsweise ein 3D-Druck sein, der die Kontur der Inverskurve aufweist und eine Art Straße darstellt, auf welcher die geometrische Form des Kerns oder der Batteriezelle abrollen kann, so dass sich die Rotationsachse der geometrischen Form sich entlang einer Geraden bewegt.One embodiment provides that the surface runs in particular on a plane or on a roller surface. In other words, the inverse curve can move along a straight line, in particular a straight line in the plane, so that the core or the battery cell with its respective geometric shape rolls on the surface whose contour corresponds to the inverse curve. The surface can be a 3D print, for example, which has the contour of the inverse curve and represents a kind of road on which the geomet ric shape of the core or the battery cell can roll, so that the axis of rotation of the geometric shape moves along a straight line.
Alternativ dazu kann die Walzenoberfläche eine Mantelfläche der Walze sein. Die Inverskurve kann entlang eines Kreisumfangs des Querschnitts der Walze verlaufen, so dass die Kontur entlang des Kreisumfangs rollt, so dass die Rotationsachse des Kerns während des Abrollens auf dem Kreisumfang sich ebenfalls parallel zum Kreisumfang bewegt. Der Kreis kann beispielsweise die Kontur des Querschnitts einer Walze sein, auf deren Mantelfläche die Inverskurve eingeprägt ist, auf welcher der Kern oder die Batteriezelle während des Wickelns aufeinander ineinandergreifend abrollen. Die Mantelfläche der Walze kann dabei die Oberfläche sein, welche dem realen Abbild der Inverskurve entspricht. Dabei kann die Rotationsachse der Walze ebenfalls auf dem gleichen Punkt bleiben. Der Kern und die Walze können damit zahnradmäßig ineinander greifen, wobei das Wickelband zum Wickeln um den Kern zwischen dem Kern und der Walze geführt wird.As an alternative to this, the roller surface can be a lateral surface of the roller. The inverse curve can run along a circumference of the cross section of the roller, so that the contour rolls along the circumference, so that the axis of rotation of the core also moves parallel to the circumference during rolling on the circumference. The circle can be, for example, the contour of the cross section of a roller, on the lateral surface of which the inverse curve is embossed, on which the core or the battery cell roll during winding, interlocking with one another. The outer surface of the roller can be the surface that corresponds to the real image of the inverse curve. The axis of rotation of the roller can also remain on the same point. The core and roller can thus be gearedly engaged with one another, with the winding tape being guided between the core and the roller for winding around the core.
Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass bei der Verwendung der Ebene das Wickelband einfach auf die Oberfläche abgelegt werden braucht, um dann vom Kern gleichmäßig aufgenommen zu werden. Weiterhin kann ein sich vergrößernder Querschnitt des Kerns während des Wickelns und damit eine sich verändernde Kontur, insbesondere eine sich vergrößernde Kontur, durch Aneinanderreihung unterschiedlicher, zu der jeweiligen Kontur zugehöriger Inverskurvenstücke, die insbesondere einer Umdrehung der jeweiligen Kontur entsprechen, berücksichtigt werden. Bei der Verwendung der Walze ergibt sich der Vorteil, dass das Wickelband entlang der Inverskurve in einem kleinen Bauraum geführt werden kann.This results in the advantage that when using the level, the winding tape simply needs to be placed on the surface in order to then be evenly picked up by the core. Furthermore, an increasing cross-section of the core during winding and thus a changing contour, in particular an enlarging contour, can be taken into account by arranging different inverse curve pieces associated with the respective contour, which in particular correspond to one revolution of the respective contour. When using the roller, there is the advantage that the winding tape can be guided along the inverse curve in a small installation space.
Während des Wickelns des Wickelbandes um den Kern vergrößert sich der Querschnitt der entstehenden Batteriezelle. Damit vergrößert sich ebenfalls die Kontur des Querschnitts. Dies kann beim Wickelverfahren berücksichtigt werden. So sieht eine Ausführungsform vor, dass eine Anzahl von zumindest einem Inverskurvenstück auf der Inverskurvenbahn der Anzahl der Umdrehungen des Kerns zum Wickeln der Batteriezelle entspricht, wobei das jeweilige Inverskurvenstück der geometrischen Form einer Anzahl von Inverskurven entspricht, die bei der Drehung der polygonförmigen Kontur des Querschnitts um einen Winkel von 360 Grad entsteht. Bei einer quadratischen Kontur (4 Seiten) entspricht eine einzelne Inverskurve einem Abrollen um jeweils 90 Grad (viertel Umdrehung, ein einzelner Bogen oder „Buckel“) und 360 Grad (ganze Umdrehung, vier Bögen oder „Buckel“) entsprechen entspricht 4 Inverskurven gemäß den 4 Seiten des Quadrats. Dabei wird von der Idee ausgegangen, dass nach einer ganzen Umdrehung des Kerns das Wickelband mit einer Dicke um den Kern gewickelt wird, der der Banddicke entspricht, und damit die Außenabmessung der Kontur des Querschnitts entsprechend um 2 Banddicken zunimmt. Beispielsweise kann ein quadratischen Querschnitt des Kerns nach einem Abrollen über vier Inverskurven („Buckel“) um eine Schicht des Wickelbandes zunehmen. Die Anzahl der Umdrehungen kann somit der Anzahl der zu der jeweiligen Kontur zugehörigen Inverskurvenstücke auf der Inverskurvenbahn entsprechen. Die Inverskurvenbahn kann somit eine Aneinanderreihung von zumindest einem Inverskurvenstück entsprechen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass eine sich verändernde Kontur des Querschnitts während des Wickelns berücksichtigt werden kann.The cross-section of the resulting battery cell increases while the winding tape is being wound around the core. This also increases the contour of the cross section. This can be taken into account in the winding process. One embodiment provides that a number of at least one inverse curve piece on the inverse curve path corresponds to the number of revolutions of the core for winding the battery cell, with the respective inverse curve piece corresponding to the geometric shape of a number of inverse curves that result when the polygonal contour of the cross section is rotated around an angle of 360 degrees. For a square contour (4 sides), a single inverse curve corresponds to an unrolling of 90 degrees each (quarter turn, a single arc or "hump") and 360 degrees (full revolution, four arcs or "humps") corresponds to 4 inverse curves according to the 4 sides of the square. It is based on the idea that after a complete rotation of the core, the winding tape is wound around the core with a thickness that corresponds to the tape thickness, and thus the outer dimension of the contour of the cross section increases by 2 tape thicknesses. For example, a square cross-section of the core can increase by one layer of the winding tape after it has been rolled over four inverse curves ("humps"). The number of revolutions can thus correspond to the number of inverse curve pieces associated with the respective contour on the inverse cam path. The inverse curve path can thus correspond to a series of at least one inverse curve piece. This results in the advantage that a changing contour of the cross section can be taken into account during the winding.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass die jeweiligen Inverskurvenstücke auf der Inverskurvenbahn eine der Anzahl der Umdrehungen des Kerns entsprechende wachsende Länge aufweisen, wobei ein Längenzuwachs einer Zunahme einer Dicke des gewickelten Querschnitts entspricht. Mit anderen Worten, mit der Zunahme der Außenabmessung der Kontur kann eine für die Kontur parametrisierte Inverskurve ebenfalls länger oder gestreckt sein (im Vergleich zu in der Abrollfolge vorangehenden Inverskurven) und damit auch das zugehörige Inverskurvenstück, das ja eine Aneinanderreihung der Inverskurven ist. Die Inverskurvenbahn kann eine Aneinanderreihung von zumindest zwei Inverskurvenstücken solche sein, die der Reihe nach immer länger ausgestaltet sind. Beispielsweise kann das erste Inverskurvenstück eine erste Inverskurve umfassen, die jeweils zur der Kontur des Kerns ohne Schicht des Wickelbandes während einer ersten Umdrehung gehört, und das zweite Inverskurvenstück kann eine zweite Inverskurve umfassen, die jeweils zu der Kontur des Kerns mit einer Schicht des Wickelbandes während einer zweiten Umdrehung gehört. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass sich verändernde Querschnitte des Wickelns berücksichtigt werden können, so dass stets ein gleichförmiges Wickeln des Wickelbandes um den Kern realisiert werden kann, ohne dass eine pulsierende Kraft beim Wickelband entsteht.One embodiment provides that the respective inverse cam pieces on the inverse cam track have an increasing length corresponding to the number of revolutions of the core, with an increase in length corresponding to an increase in thickness of the wound cross section. In other words, with the increase in the outer dimensions of the contour, an inverse curve parameterized for the contour can also be longer or stretched (compared to previous inverse curves in the rolling sequence) and thus also the associated inverse curve segment, which is a series of inverse curves. The inverse cam track can be a series of at least two inverse cam sections that are successively designed to be longer and longer. For example, the first inverse curve portion may include a first inverse curve each associated with the contour of the core without a layer of wrapping tape during a first revolution, and the second inverse curve portion may include a second inverse curve each associated with the contour of the core with a layer of wrapping tape during belongs to a second revolution. This results in the advantage that changing cross sections of the winding can be taken into account, so that the winding tape can always be wound uniformly around the core, without a pulsating force occurring in the winding tape.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Inverskurvenbahn zwischen einem ersten Inverskurvenstück, das für eine erste Umdrehung des Querschnitts um den Winkel von 360 Grad vorgesehen ist, und einem zweiten, folgenden Inverskurvenstück für eine zweite, folgende Umdrehung des Kerns einen Spalt aufweist, wobei das jeweilige Inverskurvenstück wiederum eine Anzahl von Inverskurven aufweist, welche durch Spalte gleichen Spaltmaßes voneinander getrennt sind. Mit anderen Worten, die Inverskurvenstücke der Inverskurvenbahn können jeweils voneinander durch einen Spalt getrennt sein, wobei die jeweiligen Spalte zwischen den Inverskurvenstücken der Inverskurvenbahn sich im Spaltmaß / in der Spaltbreite voneinander unterscheiden. Die Inverskurven innerhalb der jeweiligen Inverskurvenstücke können durch Spalte mit einem gleichen Spaltmaß / mit gleicher Spaltbreite getrennt sein. Diese Spaltbreite kann der Spaltbreite des Spalts zum vorangegangenen Inverskurvenstück entsprechen. Hierdurch kann der beim Wickeln zunehmende Kern pro Wickelschicht über jeweils ein Inverskurvenstück abrollen, das die Dicke oder das Außenabmaß der Kontur Rechnung berücksichtigt. Der Spalt jeweilige kann das Abrollen der Kontur auf der Inverskurvenbahn im Vergleich zum mathematischen Ideal der Inverskurve vergleichmäßigen.One embodiment provides that the inverse cam path has a gap between a first inverse cam piece, which is provided for a first rotation of the cross section through an angle of 360 degrees, and a second, subsequent inverse cam piece for a second, subsequent rotation of the core, with the respective Inverse curve piece in turn has a number of inverse curves, which are separated by gaps of the same gap size. In other words, the inverse cam sections of the inverse cam track can each be separated from one another by a gap, the respective gaps between the inverse cam sections of the inverse cam track differing in the gap dimension/in the gap width. The inverse curves within the respective inverse curve sections can be separated by gaps with the same gap dimension/with the same gap width. This gap width can correspond to the gap width of the gap to the previous inverse curve segment. As a result, the core, which increases during winding, can roll over an inverse curve piece per winding layer, which takes into account the thickness or the external dimensions of the contour. The respective gap can even out the rolling of the contour on the inverse curve compared to the mathematical ideal of the inverse curve.
Durch die Größe des Spalts kann die beim Wickeln zunehmende Kontur, indem nach einer Umdrehung der Kontur eine zusätzliche Schicht des Wickelbandes um die Kontur gewickelt wird, kompensiert werden. Damit der Spalt zwischen den einzelnen Inverskurvenstücken die mit der Anzahl der Schichten des Wickelbandes zunehmende Kontur kompensieren kann, kann die Größe des Spalts zumindest einer Dicke des Wickelbandes oder der jeweiligen Schicht entsprechen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass bei dem ineinandergreifenden Abrollen des Kerns eine zunehmende Kontur während des Wickelns berücksichtigt und eine Toleranz für das Abrollen beim Übergang von einem Inverskurvenstück zu einem folgenden Inverskurvenstück bereitgestellt werden kann.Due to the size of the gap, the contour that increases during winding can be compensated for by an additional layer of the winding tape being wound around the contour after one rotation of the contour. So that the gap between the individual inverse curve pieces can compensate for the contour that increases with the number of layers of the wrapping tape, the size of the gap can correspond at least to a thickness of the wrapping tape or the respective layer. This results in the advantage that during the interlocking unrolling of the core, an increasing contour during winding can be taken into account and a tolerance for the unrolling during the transition from an inverse curve section to a following inverse curve section can be provided.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass der jeweilige Spalt zwischen den jeweiligen Inverskurvenstücken auf der Inverskurvenbahn eine jeweilige Größe aufweist, die ausgehend von einem initialen Spalt, den der Kern auf der Inverskurvenbahn zuerst berührt, mit der Anzahl der Inverskurvenstücke auf der Inverskurvenbahn größer ausgestaltet ist, wobei die Größe des Spalts bei aufeinander folgenden Inverskurvenstücken zunimmt, wobei der Größenunterschied der Spalte bei aufeinander folgenden Inverskurvenstücken der Zunahme der Dicke des gewickelten Querschnitts nach einer Umdrehung des Kerns auf dem vorangehenden Inverskurvenstück entspricht. Mit anderen Worten, ausgehend von einem initialen Inverskurvenstück, über bei welchem der Kern zur Aufnahme einer ersten Schicht an Wickelband abrollt, kann die Größe des Spalts bei den folgenden Inverskurvenstücke entsprechend der Zunahme der Größe der Kontur entsprechend zunehmen, beispielsweise um eine Dicke der Schicht des Wickelbandes pro Umdrehung der Kontur, so dass die Inverskurvenbahn ausgehend von einem initialen Spalt insgesamt eine Serie von größer werdenden Spalten aufweist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass eine Korrektur bei den Kanten der Kontur des rollenden Querschnitts über den jeweiligen Spalt vorgenommen werden kann. Außerdem kann ein stets sich vergrößernder Querschnitt stets gleichmäßig auf der Inverskurvenbahn der Inverskurve abrollen.One embodiment provides that the respective gap between the respective inverse curve pieces on the inverse cam track has a respective size that, starting from an initial gap that the core touches on the inverse curve track first, is larger with the number of inverse curve pieces on the inverse curve track, wherein the size of the gap increases on successive inverse curves, the difference in size of the gap on successive inverse curves corresponding to the increase in the thickness of the wound cross-section after one revolution of the core on the preceding inverse curve. In other words, starting from an initial inverse curve piece over which the core rolls to receive a first layer of winding tape, the size of the gap in the following inverse curve pieces can correspondingly increase in accordance with the increase in the size of the contour, for example by a thickness of the layer of the Wrapping tape per revolution of the contour, so that the inverse cam path starting from an initial gap has a total of a series of increasing columns. This has the advantage that the edges of the contour of the rolling cross section can be corrected via the respective gap. In addition, a constantly increasing cross section can always roll evenly on the inverse cam path of the inverse curve.
Alternativ muss das Wickelband für das Wickelverfahren nicht auf der Inverskurve aufliegen, sondern kann dem Kern mittels einer freihängenden Schlaufe aktiv zugeführt werden. So sieht eine Ausführungsform vor, dass das Wickelband den Kern über zumindest eine Walze mittels zumindest einer freihängenden Schlaufe aktiv zugeführt wird, wobei eine Schlaufenlänge der jeweiligen freihängenden Schlaufe der Länge des jeweiligen Inverskurvenstücks der Inverskurve entspricht, die bei einer Drehung der polygonförmigen Kontur des Querschnitts um einen Winkel von zumindest 90 Grad entsteht. Mit anderen Worten, zum Zuführen des Wickelbandes mittels zumindest der freihängenden Schlaufe kann die Walze eine ebene Oberfläche oder eine glatte Oberfläche umfassen, und das Wickelband dem Kern derart zuführen, dass das Wickelband in der Länge des jeweiligen Inverskurvenstücks, welche zu der jeweiligen Kontur gehört, durchhängt. Die Länge der freihängenden Schlaufe kann dabei auch der Länge von zumindest einem oder einer Serie von zumindest zwei oder mehr Inverskurven entsprechen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass durch die sich ändernde Länge der freihängenden Schlaufe sich keine Ziehkraft im Wickelband bildet. Ebenfalls kann die Walze zum Zuführen des Wickelbandes in der freihängenden Schlaufe gleichmäßig rotieren, so dass eine Zugkraft im Wickelband zum Wickeln vergleichmäßigt wird.Alternatively, the winding tape does not have to lie on the inverse curve for the winding process, but can be actively fed to the core by means of a freely hanging loop. One embodiment provides that the winding tape is actively fed to the core via at least one roller by means of at least one freely suspended loop, with a loop length of the respective freely suspended loop corresponding to the length of the respective inverse curve piece of the inverse curve that occurs when the polygonal contour of the cross section is rotated by an angle of at least 90 degrees. In other words, in order to feed the winding tape by means of at least the freely hanging loop, the roller can have a flat surface or a smooth surface, and the winding tape can be fed to the core in such a way that the winding tape has the length of the respective inverse curve piece, which belongs to the respective contour. sags. The length of the freely hanging loop can also correspond to the length of at least one or a series of at least two or more inverse curves. This results in the advantage that the changing length of the freely hanging loop does not create any pulling force in the winding tape. The roller for feeding in the winding tape can also rotate uniformly in the freely suspended loop, so that a tensile force in the winding tape for winding is evened out.
Zu der Erfindung gehört auch eine Vorrichtung zur Herstellung einer polygonalen Batteriezelle. Die Vorrichtung ist dazu eingerichtet, zumindest ein Wickelband und zumindest einen Kern mit einer polygonförmigen Kontur zu wickeln, wobei das Wickelband bei einem Drehen des Kerns um den Kern gewickelt wird, so dass der Kern und das Wickelband in einem aufgewickelten Zustand die Batteriezelle bilden, deren Querschnitt die polygonförmige Kontur aufweist. Der Querschnitt der Batteriezelle umfasst dabei den Kern und ergänzend zumindest eine Schicht des Wickelbandes.The invention also includes a device for producing a polygonal battery cell. The device is designed to wind at least one winding tape and at least one core with a polygonal contour, with the winding tape being wound around the core when the core is rotated, so that the core and the winding tape form the battery cell in a wound state, whose Cross-section having the polygonal contour. The cross section of the battery cell includes the core and additionally at least one layer of the winding tape.
Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, das Wickelband während des Wickelns entlang zumindest einer Inverskurve, die der geometrischen Form einer Abwicklung oder Drehung der polygonförmigen Kontur des Querschnitts im Raum entspricht, wobei die Inverskurve eine Kettenlinie oder einen Zykloidenbogen oder einen Epizykloidenbogen oder ein Sägezahnlinienintervall oder insbesondere eine jeweils dazugehörige Inverse davon darstellt, dem Kern zuzuführen.The device is characterized in that the device is set up to move the winding tape during winding along at least one inverse curve, which corresponds to the geometric shape of a development or rotation of the polygonal contour of the cross section in space, the inverse curve being a chain line or a cycloid arc or a represents an epicycloid arc or a sawtooth line interval or, in particular, an associated inverse thereof, to be fed to the core.
Die Inverskurve ist derart ausgespart, dass eine Rotationsachse des Kerns während des Drehens des Kerns unbewegt bleibt oder sich entlang einer Geraden bewegt, wobei für das Zuführen das Wickelband auf zumindest einer Inverskurvenbahn, welche einem realen Abbild der Inverskurve entspricht, aufliegt und die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, den Kern auf dem Wickelband entlang der Inverskurvenbahn zum Wickeln der Batteriezelle durch die Drehung abzurollen. Mit anderen Worten, die Vorrichtung kann die Inverskurvenbahn aufweisen, welche sich in einer Ebene oder auf einer Walzenoberfläche bewegt. Die Inverskurvenbahn kann die beschriebene Serie oder Aneinanderreihung von Inverskurvenstücken oder zumindest ein Inverskurvenstück umfassen. Die Vorrichtung kann zumindest eine rotierende Walze aufweisen, deren Oberfläche einem realen Abbild der Inverskurvenbahn entspricht. Die Inverskurvenbahn kann also auf der Mantelfläche der Walze verlaufen. Die zumindest eine Walze kann dabei so eingerichtet sein, die Kontur zu berühren oder auf der Kontur ineinandergreifend aufeinander abzurollen. Die Walze und die Kontur können um jeweils zueinander parallele Rotationsachsen einander gegenläufig rotieren, so dass die Kontur auf der Walze ineinandergreifend abrollt. Zum Wickeln kann das Wickelband nun zwischen der Kontur (dem Kern) und der Walze geführt werden.The inverse curve is recessed in such a way that a rotation axis of the core remains stationary during the rotation of the core or moves along a straight line, with the winding tape being fed on at least one inverse curve path, which corresponds to a real image of the inverse curve, and the device being set up for this purpose is to unroll the core on the winding tape along the inverse curved path for winding the battery cell by the rotation. In other words, the device may have the inverse cam track moving in a plane or on a roller surface. The inverse curve path can comprise the described series or sequence of inverse curve sections or at least one inverse curve section. The device can have at least one rotating roller, the surface of which corresponds to a real image of the inverse cam path. The inverse cam track can therefore run on the lateral surface of the roller. The at least one roller can be set up in such a way that it touches the contour or rolls over one another on the contour in an interlocking manner. The roller and the contour can rotate in opposite directions about mutually parallel axes of rotation, so that the contour rolls on the roller in an interlocking manner. For winding, the winding tape can now be guided between the contour (the core) and the roller.
Eine Ausführungsform der Vorrichtung sieht vor, dass die zumindest eine Inverskurvenbahn entlang einer linearen Ebene oder auf einer Kreisoberfläche, insbesondere auf einer Walzenoberfläche, ausgebildet ist. Mit anderen Worten, die Inverskurvenbahn kann in einer Ebene oder auf einer Mantelfläche einer Walze verlaufen. Die Mantelfläche der Walze kann dabei der Walzenoberfläche entsprechen. Bei der Verwendung einer Walzenoberfläche als Inverskurvenbahn ergibt sich der Vorteil, dass die Vorrichtung weniger Bauraum benötigt.One embodiment of the device provides that the at least one inverse cam path is formed along a linear plane or on a circular surface, in particular on a roller surface. In other words, the inverse cam path can run in one plane or on a lateral surface of a roller. The lateral surface of the roller can correspond to the roller surface. The use of a roller surface as an inverse cam has the advantage that the device requires less installation space.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Vorrichtung zumindest eine Walze umfasst, welche dazu eingerichtet ist, das Wickelband dem Kern mittels zumindest einer freihängenden Schlaufe aktiv zuzuführen, wobei eine Schlaufenlänge der jeweiligen freihängenden Schlaufe einer Länge zumindest einer Inverskurve entspricht, die bei einer Drehung der polygonförmigen Kontur des Querschnitts um mindestens einen Winkel von 90 Grad entsteht. Mit anderen Worten, die Schlaufenlänge der jeweiligen freihängenden Schlaufe kann eine Länge von zumindest einer Inverskurve eines Inverskurvenstücks aufweisen, die bei einer Drehung der polygonförmigen Kontur des Querschnitts um einen Winkel von zumindest 90 Grad entsteht. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass durch die Verwendung einer Walze Bauraum gespart werden kann, da das Wickelband nicht vollständig auf der Inverskurvenbahn aufliegen muss.A further embodiment provides that the device comprises at least one roller, which is set up to actively feed the winding tape to the core by means of at least one freely suspended loop, with a loop length of the respective freely suspended loop corresponding to a length of at least one inverse curve that occurs when the polygonal contour of the cross section by at least an angle of 90 degrees. In other words, the loop length of the respective free-hanging loop can have a length of at least one inverse curve of an inverse curve piece, which arises when the polygonal contour of the cross section is rotated by an angle of at least 90 degrees. This results in the advantage that installation space can be saved by using a roller, since the winding tape does not have to rest completely on the inverse cam track.
Zur Vorrichtung gehört auch eine Steuervorrichtung, welche die Vorrichtung dazu veranlasst, das besagte Wickelverfahren durchzuführen. Die Steuervorrichtung kann eine Datenverarbeitungsvorrichtung oder eine Prozessoreinrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wickelverfahrens durchzuführen. Die Prozessoreinrichtung kann hierzu zumindest einen Mikroprozessor und/oder zumindest einen Mikrocontroller und/oder zumindest einen FPGA (Field Programmable Gate Array) und/oder zumindest einen DSP (Digital Signal Processor) aufweisen. Des Weiteren kann die Prozessoreinrichtung Programmcode aufweisen, der dazu eingerichtet ist, bei Ausführen durch die Prozessoreinrichtung die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wickelverfahrens durchzuführen. Der Programmcode kann in einem Datenspeicher der Prozessoreinrichtung gespeichert sein.The device also includes a control device which causes the device to carry out said winding process. The control device can have a data processing device or a processor device that is set up to carry out an embodiment of the winding method according to the invention. For this purpose, the processor device can have at least one microprocessor and/or at least one microcontroller and/or at least one FPGA (Field Programmable Gate Array) and/or at least one DSP (Digital Signal Processor). Furthermore, the processor device can have program code which is set up to carry out the embodiment of the winding method according to the invention when executed by the processor device. The program code can be stored in a data memory of the processor device.
Die Erfindung umfasst auch eine Batteriezelle oder ein Batteriemodul umfassend die besagte Batteriezelle, welche mittels des besagten Wickelverfahrens oder der besagten Vorrichtung hergestellt oder gewickelt wurde.The invention also includes a battery cell or a battery module comprising said battery cell, which has been manufactured or wound by means of said winding method or said device.
Die Erfindung umfasst auch ein Kraftfahrzeug, welches zumindest eine der besagten Batteriezelle umfasst.The invention also includes a motor vehicle which includes at least one of said battery cells.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung, der Batteriezelle, des Batteriemoduls oder des Kraftfahrzeugs hier nicht noch einmal beschrieben.The invention also includes developments of the method according to the invention, which have features as have already been described in connection with the developments of the device according to the invention. For this reason, the corresponding developments of the device according to the invention, the battery cell, the battery module or the motor vehicle are not described again here.
Die Erfindung umfasst auch die Kombination der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.The invention also includes the combination of the features of the described embodiments. The invention also includes implementations that each have a combination of the features of several of the described embodiments, unless the embodiments were described as mutually exclusive.
Zur Vorrichtung gehören auch die Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und umgekehrt.The device also includes the developments of the method according to the invention and vice versa.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines Batteriemoduls, welches aus zylinderförmigen Batteriezellen zusammengesetzt ist und zwei weiteren Batteriemodulen, welche aus polygonalen Batteriezellen zusammengesetzt sind; -
2 eine schematische Darstellung eines Querschnitts des Kerns, um welchen ein Wickelband gewickelt wird; -
3 eine schematische Darstellung des Prinzips des Abrollens der Kontur auf der zugehörigen inversen Kettenlinie; -
4 eine allgemeine schematische Darstellung des Wickelverfahrens, wobei das Wickelband auf der Oberfläche in einer Ebene aufliegt; -
5 eine schematische Darstellung des Wickelverfahrens in der Ebene unter Berücksichtigung einer beim Wickeln zunehmenden Kontur; -
6 eine schematische Darstellung des Wickelverfahrens mittels eines aktiven Zuführens einer freihängenden Schlaufe zum Kern über eine Walze.
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1 a schematic representation of a battery module, which consists of cylindrical Bat tery cells and two other battery modules, which are composed of polygonal battery cells; -
2 a schematic representation of a cross-section of the core around which a winding tape is wound; -
3 a schematic representation of the principle of the rolling of the contour on the associated inverse chain line; -
4 a general schematic representation of the winding process, wherein the winding tape rests on the surface in one plane; -
5 a schematic representation of the winding process in the plane, taking into account an increasing contour during winding; -
6 a schematic representation of the winding process by means of an active feeding of a freely hanging loop to the core via a roller.
Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.The exemplary embodiments explained below are preferred embodiments of the invention. In the exemplary embodiments, the described components of the embodiments each represent individual features of the invention that are to be considered independently of one another and that each also develop the invention independently of one another. Therefore, the disclosure is also intended to encompass combinations of the features of the embodiments other than those illustrated. Furthermore, the described embodiments can also be supplemented by further features of the invention that have already been described.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.In the figures, the same reference symbols designate elements with the same function.
Zum Wickeln rollt der Kern 6 in
Im Längsschnitt ist die Inverskurven 15, insbesondere die jeweiligen Bogen oder Buckel 20, des mittigen Inverskurvenstücks 19 sind dabei entsprechend einer Außenabmessung des Kerns 6 inklusive den Schichten 28, also des Querschnitts der Batteriezelle 4, entsprechend parametrisiert oder ausgestaltet. Die Inverskurven des mittigen Inverskurven-stücks 19 sind dabei durch Spalte 21 gleichen Spaltmaßes voneinander getrennt, wobei das Spaltmaß der ersten Größe 23 entspricht. Beim nachfolgenden Inverskurvenstück 19" entspricht das Spaltmaß der zweiten Größe 24 aufgrund der zusätzlichen Schicht 28 an Wickelband 9 nach dem Abrollen des Kerns 6 über die mittige Inverskurve 15. Hierdurch wird Rechnung getragen, dass während des Wickelns der Batteriezelle 4 um den Kern 6 nach einer Umdrehung eine zusätzliche Schicht 28 des Wickelbandes 9 aufliegt und damit die Kontur, also das Quadrat, größer wird. Die einzelnen Inverskurvenstücke 19 entsprechen dabei einer vollständigen Umdrehung des Kerns 6 um einen Winkel von 360 Grad um die Rotationsachse 7. Die einzelnen Inverskurvenstücke 19, 19` und 19" können dabei eine unterschiedliche Länge aufweisen. Einerseits kommt die unterschiedliche Länge durch das mit der zunehmenden Kontur größer werdende Spaltmaß zwischen den einzelnen Inverskurven, als Buckeln 20, zustande. Andererseits kommt die wachsende Länge der einzelnen Inverskurvenstücke daher, dass die einzelnen Inverskurven 15 der jeweiligen Inverskurvenstücke 19, 19' und 19" für die jeweilige geometrische Form des Quadrats mit den Schichten 28 neu parametrisiert sind, also die jeweiligen Inverskurven mit dem zunehmen Quadrat länger werden. Die Spalte 21 und 22 ermöglichen somit ein gleichmäßiges Abrollen der Kontur auf der Inverskurve 15 im Vergleich zur idealen mathematischen Inverskurve.In the longitudinal section, the inverse curves 15, in particular the respective arches or
Das Wickelband 9 liegt dabei nicht mehr in voller Länge auf der Inverskurvenbahn 27 mit den Inverskurven 15, welche als Buckel dargestellt sind, auf, sondern wird mittels der freihängenden Schlaufe 26 dem Kern 6 abschnittsweise aktiv von der Walze 25 durch eine entsprechende Anzahl an Umdrehungen dem Kern 6 derart zugeführt, dass die freihängende Schlaufe 26 über eine Länge von zumindest einer Inverskurve 15 frei zwischen dem Kern 6 und der Walze 25 hängt. Die Walze 25 läuft dabei vor dem Kern 6 her, wobei der Kern 6 auf der Inverskurvenbahn 27 entlang der Inverskurve 15 abrollt, so dass das Wickelband 9 mit einer gleichförmigen Ziehkraft um den Kern 6 gewickelt wird.The winding
Alternativ können auch der Kern 6 und die Walze 25 sich um eine feststehende Rotationsachse 7 und 7` drehen, wobei die Inverskurvenbahn 27 mit den Inverskurven 15 sich entlang der Translationsrichtung 29 sich bezüglich des Kerns 6 bewegt, so dass der Kern 6 stets gleichmäßig über der Inverskurven 15 abrollt. Dies kann beispielsweise dadurch bewerkstelligt werden, dass die Ebene 18 entlang eines Kreisumfangs eines Walzenquerschnitts gerichtet ist. Damit bildet die Inverskurvenbahn 27 die Mantelfläche einer weiteren Walze, welches einer unendlich langen Aneinanderreihung von Inverskurven 15 entspricht.Alternatively, the
Die Wickelmethode des zylindrischen Wickelns ist lange bekannt. Dafür werden natürlich kreisförmige Rollen benutzt. Möchte man mit dieser Methode polygonförmige Spulen herstellen, tritt eine pulsierende Kraft beim Auftragen auf, die die Qualität dadurch verschlimmern kann, dass zum Beispiel die pulsierende Kraft ein feines Band zerreißen oder die Gleichmäßigkeit des Auftragens senken kann, obwohl es in bestimmten Fällen erwünscht wäre, wie beispielsweise bei Akkuzellen. Hierdurch werden die geometrischen Eigenschaften der tangenten Geraden der Zykloidkurven ausgenutzt, die glattes und reibungsloses Rollen eines Polygons auf den Zykloidkurven ermöglichen, wobei das Zentrum des Polygons gleichmäßig läuft.The winding method of cylindrical winding has been known for a long time. Of course, circular rollers are used for this. If one wishes to produce polygon-shaped coils with this method, a pulsating force occurs during application, which can worsen the quality in that, for example, the pulsating force can tear a fine ribbon or reduce the uniformity of the application, although in certain cases it would be desirable such as battery cells. This exploits the geometric properties of the tangent lines of the cycloidal curves, which allow smooth and frictionless rolling of a polygon on the cycloidal curves, with the center of the polygon running smoothly.
Die Idee ist nun, eine Oberfläche zu benutzen, die einer mathematisch richtig ausgebildeten Zykloidkurve folgt. Auf dieser Bahn kann man das Band oder die Folie auflegen oder auf eine andere Weise zwischen der Oberfläche und dem Spulenkern einführen. Darauf rollt der polygonförmige Kern, welcher praktisch quadratisch oder hexagonal sein kann, ab. Dadurch wird das Band mit normaler Kraft auf das Polygon reibungslos und ohne Traktionskraft aufgetragen. Da die Dimension des Polygons nach jeder Umdrehung größer wird, muss die Zykloidkurve dazu passend pro Umdrehung des Kerns parametrisiert werden. Bei Bedarf muss die Zykloidkurve auch bei den Kanten des Polygons korrigiert werden. Diese Korrektionen sind mathematisch durchführbar. Die Bahn kann beispielsweise mittels eines 3D-Drucks hergestellt werden, so dass eine Bahn mit großer Genauigkeit gefertigt werden kann.The idea now is to use a surface that follows a mathematically correct cycloid curve. The tape or foil can be placed on this path or inserted in some other way between the surface and the core of the coil. The polygonal core, which can be practically square or hexagonal, then rolls off. This applies the tape to the polygon with normal force, smoothly and without traction. Since the dimension of the polygon increases after each revolution, the cycloidal curve must be parameterized appropriately for each revolution of the core. If necessary, the cycloidal curve must also be corrected at the edges of the polygon. These corrections can be carried out mathematically. The web can be produced, for example, by means of 3D printing, so that a web can be manufactured with great accuracy.
Eine mögliche Anwendung dieses Verfahrens ist die Herstellung von sogenannten Akkupackzellen, wobei ein Akkupaket in elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen aus mehreren Zellen besteht. Wenn diese Zellen mit Spulen gefertigt werden, sind diese nach dem Stand der Technik zylindrisch. Mit anderer Fertigungstechnologie kann man auch quadratische Zellen herstellen, wobei das Wickeln (Spulen) aber ein großes Sparpotential in der Fertigung hat. Wegen der Zylinderform hat es aber einen technischen Nachteil, da sich in dieser Ausführung ein bedeutender ungenutzter Raum in den Akkupaketen entsteht. Die Ausnutzung des Bauraums in dem Akkupaket ist dadurch nicht optimal. Mit der Anwendung der besagten Idee kann man praktisch quadratische oder hexagonale Zellen für die Akkupakete kostengünstig herstellen, wobei eine theoretisch perfekte Raumausfüllung möglich ist. Nach Kalkulation kann eine ca. 10 Prozent bessere Ausnutzung des Raums im Akkupaket im Vergleich zu der Zylinderform möglich sein, was letztendlich zur Steigerung der Energiedichte des Akkupakets führt.A possible application of this method is the production of so-called battery pack cells, with a battery pack in electrically driven motor vehicles consisting of several cells. When these cells are made with coils, according to the prior art they are cylindrical. Square cells can also be produced with other production technology, but winding (coils) has a large potential for savings in production. Due to the cylindrical shape, however, it has a technical disadvantage, since this design creates a significant unused space in the battery packs. As a result, the utilization of the installation space in the battery pack is not optimal. With the application of said idea one can produce practically square or hexagonal cells for the battery packs at low cost, whereby a theoretically perfect space filling is possible. According to calculations, the space in the battery pack can be used about 10 percent better than the cylindrical shape, which ultimately leads to an increase in the energy density of the battery pack.
Die Idee folgt einer gleichmäßigen Wickelmethode auf einem polygonalen Spulenkern nach der These der Normalen der Zykloiden. Bei der gleichmäßigen Wickelmethode folgt ein polygonaler Spulenkern einer Oberfläche, die einer mathematisch richtig ausgebildeten Zykloidkurve folgt. Auf diese Bahn kann man das Band beispielsweise auflegen oder zwischen die Oberflächen des polygonalen Spulenkerns und der Bahn einführen. Die Bahn muss mit dem pro Umdrehung zunehmenden Polygon korrigiert werden.The idea follows an even winding method on a polygonal coil core according to the thesis of the normals of the cycloids. In the even winding method, a polygonal coil core follows a surface that follows a mathematically correct cycloid curve. The tape can be placed on this track, for example, or introduced between the surfaces of the polygonal coil core and the track. The path must be corrected with the increasing polygon per revolution.
Insgesamt zeigt das Beispiel, wie ein Wickelverfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer polygonalen Batteriezelle bereitgestellt werden kann.Overall, the example shows how a winding method and a device for producing a polygonal battery cell can be provided.
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