EP3977552A1 - Warenträger - Google Patents

Warenträger

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Publication number
EP3977552A1
EP3977552A1 EP20729709.4A EP20729709A EP3977552A1 EP 3977552 A1 EP3977552 A1 EP 3977552A1 EP 20729709 A EP20729709 A EP 20729709A EP 3977552 A1 EP3977552 A1 EP 3977552A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cell
goods carrier
carrier
goods
carriers
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP20729709.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ansgar VOM HEMDT
Hans HEIMES
Arne STOMMEL
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Original Assignee
Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
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Filing date
Publication date
Application filed by Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH filed Critical Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Publication of EP3977552A1 publication Critical patent/EP3977552A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/058—Construction or manufacture
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/44—Methods for charging or discharging
    • H01M10/441—Methods for charging or discharging for several batteries or cells simultaneously or sequentially
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/44—Methods for charging or discharging
    • H01M10/446—Initial charging measures
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/70—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries characterised by the mechanical construction
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/70—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries characterised by the mechanical construction
    • H02J7/751—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries characterised by the mechanical construction concerning the insertion or the connection of the batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or discharging batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/875—Charging or discharging for charge maintenance, battery initiation or rejuvenation
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • Pouch cells have a flexible housing made of an aluminum-plastic composite film.
  • Round cells have a cylindrical metal housing and prismatic cells have a prismatic metal housing.
  • battery cell production can be divided into the following areas: electrode production, cell assembly (assembly of the cell) and cell conditioning.
  • electrode production cell assembly (assembly of the cell)
  • cell conditioning cell conditioning.
  • the production of electrodes hardly differs in terms of cell formats.
  • the cell assembly and cell conditioning show clear differences.
  • lithium-ion battery cells go through the cell conditioning steps (synonyms: cell finishing, formation).
  • the actual formation is only one sub-step in cell conditioning.
  • “formation” is often used as a synonym for all steps.
  • the exact sequence of the process sequence depends on the cell manufacturer. A possible reference sequence is shown below:
  • Process step Pre-Aging: Process step in which the battery cell is stored in a chamber at room temperature or at an elevated temperature (approx. 45 ° C) for up to 24 hours. The aim of the process step is the homogeneous distribution of the electrolyte inside the cell.
  • the battery cell is located in a product carrier (usually without a clamping device).
  • Process step Formation (initial charge and discharge): Process step in which the battery cell is charged and discharged for the first time at room temperature or at an elevated temperature (approx. 45 ° C). Depending on the cell manufacturer, the battery cell is charged different times and at different speeds.
  • the battery cells are located in a product carrier.
  • the product carrier In the case of pouch cells, the product carrier has a clamping device in order to exert a defined pressure on the cells (pouch cells do not have a rigid housing, which is why the anodes and cathodes in the cell can move away from each other. This is prevented by pressing).
  • 3rd process step degassing the cell. During the first charging and discharging processes, decomposition products are formed by the electrolyte. These collect in gaseous form in the cell. In the case of prismatic cells and pouch cells, these gases must be "vented”.
  • Process step Aging: Process step in which the battery cell is stored in a chamber at room temperature or at an elevated temperature (approx. 45 ° C) for up to 21 days.
  • the battery cell is located in a product carrier (usually without a clamping device).
  • the battery cells can be located in product carriers and can be moved from one process step to the next. It is also known that the product carriers can exert pressure on pouch cells.
  • the process section of cell conditioning is considered to be time-consuming, cost-intensive and inflexible in terms of cell geometries and formats. This is due in particular to the fact that each battery cell format requires specifically adapted system technology.
  • the battery cells have to be electrically contacted in a complex manner within the system, since, depending on the respective battery cell, the connections are arranged at different spatial positions and the connections themselves may also have different geometries.
  • FIG. 1 shows a perspective illustration of a goods carrier system with cell carriers according to embodiments of the invention
  • FIG. 2 shows a perspective illustration of a goods carrier system with cell carriers with inserted battery cells according to embodiments of the invention
  • 3 shows a perspective illustration of a cell carrier according to embodiments of the invention
  • FIG. 4 shows a perspective illustration of a heat sink assembly of a cell carrier according to embodiments of the invention.
  • Figures with numerical values are generally not to be understood as exact values, but also include a tolerance of +/- 1% up to +/- 10%.
  • references to standards or specifications or norms are to be understood as referring to standards or specifications or norms that apply at the time of application and / or - if a priority is claimed - at the time of priority application. However, this is not to be understood as a general exclusion of applicability to the following or replacement standards or specifications or norms.
  • adjacent explicitly includes an immediate neighborhood relationship without, however, being restricted to this.
  • between explicitly includes a position in which the intermediate part is in direct proximity to the surrounding parts.
  • the reference symbol K represents a heat sink face plate.
  • the heat sink face plate K is preferably made of a thermally conductive material, e.g. a metal / metal alloy, e.g. Aluminum or copper.
  • a force measuring device e.g. a pressure sensor
  • a force measuring device can be arranged on one or more heat sink front plate (s) (each) K or on an inside of an outer wall 3 or 4 of the goods carrier.
  • a force measuring device can be arranged on the heat sink end plate K shown at the rear or on the inside of the outer wall.
  • the tension can be measured by means of the force measuring device. This allows the tension of inserted battery cells Z to be set in a targeted manner.
  • the change in the forces can be monitored in the course of the process and readjustment can be made if necessary.
  • the heat sink K ' is preferably made from a thermally conductive material such as a metal / metal alloy such as aluminum or copper.
  • a thread can be provided in the heat sink K '.
  • Heat sink K ' and heat sink end plate K can be understood as an example of a cooling element.
  • the cooling element can have further elements for cooling, such as a pipe R or a pelletizing element, with which heat can be actively supplied and removed.
  • the reference character A denotes a suspension.
  • a suspension is also designated by reference character A '.
  • Suspension A can differ from suspension A 'in that suspension A' has a contact surface, while suspension A has no contact surface.
  • Reference numeral 2 denotes a bearing rod.
  • the cell carriers can be arranged on bearing rods 2.
  • the goods carrier also has a first outer wall 3 and a second outer wall 4. Electrical connections EV are provided at least in one of the outer walls 3, 4. In the example of the figures, electrical connections EV are provided in the first outer wall.
  • the outer walls 3 and 4 together with the bearing rods 2 and a spindle 9 e.g. a trapezoidal spindle
  • result in mechanical rigidity so that the inserted cell carriers with the respective inserted battery cells can be positioned torsion-resistant.
  • Bearing rods 2 form a guide device for receiving the cell carriers.
  • the cell carrier has contact elements for energizing an inserted battery cell Z.
  • the contact elements for energizing battery cells Z can be brought together centrally on the goods carrier to form one or more electrical connections EV.
  • the goods carrier can have a base plate 6.1.
  • a cell carrier can furthermore have a spindle mount 7.
  • the spindle seat 7 can be made of a suitable material, e.g. Brass.
  • a spindle 9 can be accommodated in the spindle receptacle 7. Brass can advantageously be inserted because of its friction properties.
  • the spindle 9 is guided in a spindle nut 8 in the goods carrier.
  • one or more pipe distributors 10 can also be arranged in the outer wall 4. During operation, the pipe distributors 10 can provide a fluidic connection to cooling pipes R in the cooling bodies K, which are shown in detail in FIGS. 3 and 4.
  • the inserted battery cells can be pressed together with a defined force by the spindle 9.
  • the cell carriers are advantageously arranged so as to be steplessly displaceable on the linear shafts 2.
  • the cell carrier is formed from two heat sinks K and K ‘, between which a battery cell Z can be accommodated.
  • the battery cells Z can be compressed with a defined force by the spindle 9.
  • the inserted battery cells Z are contacted by the cell carriers and thus independently of the formation chamber.
  • the cell contact can be made by spring contact pins KS (shown in Figure 4).
  • the spring contact pins KS are easily exchangeable, so that downtimes can be reduced or reduced to individual (exchangeable) cell carriers. Since the contact is integrated in the product carrier, the spring contact pins can be simply exchanged in the event of wear take place in the goods carrier when it is not in use. This means that the system technology is not put out of operation during maintenance.
  • the heat transport required during a formation of battery cells can be made available through the cooling tubes R within the cooling body K. It should be noted that, as an alternative or in addition to liquid cooling, gas cooling or pelletizing elements can also be inserted.
  • the pipelines R can be shaped as independent tubes (as shown), or worked into a material as a fluid channel (e.g. milled) or stamped (pressed).
  • the pipes R have copper.
  • the integrated cooling makes it possible to transport heat away directly to the battery cells Z. Removed heat can be used in the same way in other production steps (e.g. preaging) in which heat is required in the same goods carrier system. If the goods carrier is used in preaging, the battery cells Z can also be heated via the pipes R. The main advantage here is that the heat source is then closer to the battery cells Z and is not heated by the room air.
  • the heat sink K or K1 has one (or more) thermal sensor elements T, for example a temperature-dependent resistor or a temperature-dependent semiconductor element or a thermocouple (PT100 or the like).
  • T thermal sensor elements
  • a thermal sensor element it is possible to determine the temperature of an individual product carrier or a heat sink that is part of a product carrier. The determined temperature can be used to control the temperature of an individual carrier.
  • the temperature or its profile
  • these variables are now independent of the formation shelf. This increases the flexibility considerably.
  • the inserted battery cells Z in a cell carrier can be controlled individually or in groups, i.e. be supplied with electricity.
  • the illustrated invention eliminates the problems listed above by presenting a robust goods carrier concept that has integrated contacting and thermal management.
  • the system technology can be used for all cell formats and geometries.
  • the system technology is typically in the range of several hundred thousand euros and a product carrier in the range of a few thousand euros.
  • the costs for the flexibility with the presented invention are correspondingly lower.
  • Cell carriers for different battery cell formats can also be accommodated in one product carrier.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Warenträgersystem mit einem Warenträger und mit Zellträgern zur Formierung von Batteriezellen, der Warenträger aufweisend eine Führungseinrichtung zur Aufnahme der Zellträger, wobei die Zellträger Kontaktelemente zur Bestromung einer eingelegten Batteriezelle aufweisen, wobei die Zellträger im Warenträger verspannt werden können, wobei Anschlüsse zur Bestromung von Zellträgern zentral am Warenträger zu elektrischen Anschlüssen zusammengeführt sind.

Description

Warenträgersystem
Hintergrund
Am Markt existieren 3 gängige Zellformate: Pouchzelle, Rundzelle und prismatische Zelle. Pouchzellen haben ein flexibles Gehäuse aus einer Aluminium-Kunststoffverbundfolie. Rundzellen verfügen über ein zylindrisches Metallgehäuse und prismatische Zellen über ein prismatisches Metallgehäuse. Grundsätzlich kann die Batteriezellfertigung in die Bereiche: Elektrodenfertigung, Zellassemblierung (Zusammenbau der Zelle) und Zellkonditionierung eingeteilt werden. Die Elektrodenfertigung unterscheidet sich kaum bei den Zellformaten. Die Zellassemblierung und Zellkonditionierung hingegen weisen deutliche Unterschiede auf.
Im letzten Teil der Zellfertigung durchlaufen Lithium-Ionen-Batteriezellen die Schritte der Zellkonditionierung (Synonyme: Cellfinishing, Formation). Die eigentliche Formation (das erste Laden und Entladen der Zelle) ist nur ein Teilschritt der Zellkonditionierung. Im allgemeinen Sprachgebrauch wird „Formation“ aber oft als Synonym für alle Schritte verwendet. Der genaue Ablauf der Prozessfolge ist abhängig vom Zellhersteller. Im Folgenden wird ein möglicher Referenzablauf dargestellt:
1. Prozessschritt: Pre-Aging (dt. Vorreifung): Prozessschritt, in dem die Batteriezelle bei Raumtemperatur oder bei einer erhöhten Temperatur (ca. 45°C) bis zu 24 h in einer Kammer lagert. Ziel des Prozessschrittes ist die homogene Verteilung des Elektrolyten im Zellinneren. Die Batteriezelle befindet sich dabei in einem Warenträger (i.d.R. ohne Verspannvorrichtung).
2. Prozessschritt: Formation (Erstladung und Entladung): Prozessschritt, in dem die Batteriezelle bei Raumtemperatur oder bei einer erhöhten Temperatur (ca. 45°C) das erste Mal geladen und entladen wird. Je nach Zellhersteller wird die Batteriezelle unterschiedlich oft und schnell geladen. Die Batteriezellen befinden sich dabei in einem Warenträger. Der Warenträger verfügt bei Pouchzellen über eine Verspannvorrichtung, um einen definierten Druck auf die Zellen auszuüben (Pouchzellen haben kein starres Gehäuse, weshalb sich die Anoden und Kathoden in der Zelle voneinander entfernen können. Dies wird durch das Verpressen verhindert). 3. Prozessschritt: Entgasen der Zelle. Bei den ersten Lade- und Entladevorgängen bilden sich Zersetzungsprodukte durch den Elektrolyten. Diese sammeln sich gasförmig in der Zelle. Bei prismatischen Zellen und Pouchzellen müssen diese Gase„abgelassen“ werden.
4. Prozessschritt: Aging (dt. Reifung): Prozessschritt, in dem die Batteriezelle bei Raumtemperatur oder bei einer erhöhten Temperatur (ca. 45°C) bis zu 21 Tage in einer Kammer lagert. Die Batteriezelle befindet sich dabei in einem Warenträger (i.d.R. ohne Verspannvorrichtung).
Während des Teilabschnittes Zellkonditionierung können sich die Batteriezellen in Warenträgern befinden und können von einem Prozessschritt zu einem nächsten Prozessschritt gefahren werden. Es ist auch bekannt, dass die Warenträger Druck auf Pouch- Zellen ausüben können.
Der Prozessabschnitt der Zellkonditionierung gilt als zeitaufwändig, kostenintensiv und unflexibel bezüglich Zellgeometrien und -formaten. Dies ist insbesondere dadurch bedingt, dass jedes Batteriezellformat spezifisch angepasste Anlagentechnik benötigt. Die Batteriezellen müssen innerhalb der Anlage aufwändig elektrisch kontaktiert werden, da abhängig von der jeweiligen Batteriezelle die Anschlüsse an unterschiedlichen räumlichen Positionen angeordnet sind und gegebenenfalls auch die Anschlüsse selbst unterschiedliche Geometrien aufweisen.
Dies führt dazu, dass praktisch für jedes Batteriezellenformat eine eigene Fertigungslinie benötigt wird. Damit einhergehend sind aber auch Investitionskosten verbunden. Zudem ergeben sich aber auch hohe Betriebskosten. Auch führt die Bereitstellung von eigenen Fertigungslinien dazu, dass ein hoher Flächenbedarf besteht.
Weitere Probleme bei den bisherigen Anlagen sind die Notwendigkeit einer aufwändigen Temperaturregulierung für die einzelnen Verfahrensschritte, die ein Erhitzen oder Kühlen erfordern. Die Wartung der Kontaktelemente stellt ein weiteres Problem dar, da ein Wechsel eines einzigen Kontaktelementes den Weiterbetrieb behindert.
Die bisherige Umsetzung ist unflexibel und teuer, die Kontaktierung der Zellen erfolgt über das Regal bzw. Kammer, daher ist dieses nur für spezielle Geometrie und ein einziges Zellformat geeignet. Formation und Aging finden in unterschiedlichen Räumen, die entsprechend temperiert werden, statt, da bei der Formation Wärme abgeführt, beim Aging dagegen Wärme hinzugefügt werden muss. Die indirekte Aufwärmung / Wärmeabfuhr von Räumen oder Kammern erfordert einen hohen Energieeinsatz. Zudem muss bei einer indirekten Erwärmung / Abkühlung auch mit längeren Prozesszeiten gerechnet werden. Dies führt dazu, dass für jede Zellvariante neue Regale / Kammern angeschafft werden müssen, was mit enormen Investitionen verbunden ist
Aufgabe
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Warenträgersystem für die Zellfertigung bereitzustellen, das einen Nachteil oder mehrere Nachteile aus dem Stand der Technik löst.
Lösung
Die Lösung der Aufgabe erfolgt mittels eines Warenträgersystems gemäß Anspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und in den Figuren angegeben.
Kurzdarstellung der Figuren
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Warenträgersystems mit Zellträgern gemäß Ausführungsformen der Erfindung, Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines Warenträgersystems mit Zellträgern mit eingelegten Batteriezellen gemäß Ausführungsformen der Erfindung, Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines Zellträgers gemäß Ausführungsformen der Erfindung, und
Fig. 4 eine perspektivische Darstellung einer Kühlkörperbaugruppe eines Zellträgers gemäß Ausführungsformen der Erfindung.
Nachfolgend wird die Erfindung eingehender (unter Bezugnahme auf die Figuren) dargestellt. Dabei ist anzumerken, dass unterschiedliche Aspekte beschrieben werden, die jeweils einzeln oder in Kombination zum Einsatz kommen können. D.h. jeglicher Aspekt kann mit unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden, soweit nicht explizit als reine Alternative dargestellt.
Weiterhin wird nachfolgend der Einfachheit halber in aller Regel immer nur auf eine Entität Bezug genommen werden. Soweit nicht explizit vermerkt, kann die Erfindung aber auch jeweils mehrere der betroffenen Entitäten aufweisen. Insofern ist die Verwendung der Wörter "ein", "eine" und "eines" nur als Hinweis darauf zu verstehen, dass in einer einfachen Ausführungsform zumindest eine Entität verwendet wird.
Soweit nachfolgend Verfahren beschrieben werden, sind die einzelnen Schritte eines Verfahrens in beliebiger Reihenfolge anordbar und/oder kombinierbar, soweit sich durch den Zusammenhang nicht explizit etwas Abweichendes ergibt. Weiterhin sind die Verfahren - soweit nicht ausdrücklich anderweitig gekennzeichnet - untereinander kombinierbar.
Angaben mit Zahlenwerten sind in aller Regel nicht als exakte Werte zu verstehen, sondern beinhalten auch eine Toleranz von +/- 1 % bis zu +/- 10 %.
Bezugnahme auf Standards oder Spezifikationen oder Normen sind als Bezugnahme auf Standards bzw. Spezifikationen bzw. Normen, die zum Zeitpunkt der Anmeldung und/oder - soweit eine Priorität beansprucht wird - zum Zeitpunkt der Prioritätsanmeldung gelten / galten, zu verstehen. Hiermit ist jedoch kein genereller Ausschluss der Anwendbarkeit auf nachfolgende oder ersetzende Standards oder Spezifikationen oder Normen zu verstehen. "Benachbart" schließt im Nachfolgenden explizit eine unmittelbare Nachbarschaftsbeziehung ein ohne jedoch hierauf beschränkt zu sein. "Zwischen" schließt im Nachfolgenden explizit eine Lage ein, in der das zwischenliegende Teil eine unmittelbare Nachbarschaft zu den umgebenden Teilen aufweist.
In Figur 1 und 2 ist ein Warenträgersystem mit einem Warenträger mit eingelegten Zellträgern dargestellt.
Dabei stellt das Referenzzeichen K eine Kühlkörper-Stirnplatte dar. Die Kühlkörper-Stirnplatte K ist bevorzugt aus einem wärmeleitenden Material, wie z.B. einem Metall / Metalllegierung, wie z.B. Aluminium oder Kupfer, hergestellt.
ln Ausführungsformen der Erfindung kann an einer oder mehreren Kühlkörper-Stirnplatte(n) (jeweils) K oder an einer Innenseite einer Außenwand 3 bzw. 4 des Warenträgers eine Kraftmesseinrichtung (z.B. ein Drucksensor) angeordnet sein. Beispielsweise kann an der zu hinterst dargestellten Kühlkörper-Stirnplatte K bzw. an der Innenseite der Außenwand eine Kraftmesseinrichtung angeordnet sein. Mittels der Kraftmesseinrichtung kann die Verspannung gemessen werden. Hierdurch kann die Verspannung von eingelegten Batteriezellen Z gezielt eingestellt werden. Zudem kann die Änderung der Kräfte im Laufe des Verfahrens überwacht werden und gegebenenfalls eine Nachjustierung vorgenommen werden.
Referenzzeichen K' bezeichnet einen Kühlkörper. Bevorzugt ist der Kühlkörper K' aus einem wärmeleitenden Material, wie z.B. einem Metall / Metalllegierung, wie z.B. Aluminium oder Kupfer hergestellt.
Im Kühlkörper K‘ kann ein Gewinde vorgesehen sein. Kühlkörper K' und Kühlköper-Stirnplatte K können als Beispiel eines Kühlelementes verstanden werden. Das Kühlelement kann weitere Elemente zur Kühlung wie z.B. eine Rohrleitung R oder ein Pelletier-Element aufweisen, mit denen aktiv Wärme zu- als auch abgeführt werden kann.
Mit dem Referenzzeichen A ist eine Aufhängung bezeichnet. Mit Referenzzeichen A’ ist ebenfalls eine Aufhängung bezeichnet. Die Aufhängung A kann sich von der Aufhängung A’ dadurch unterscheiden, dass die Aufhängung A’ eine Kontaktfläche aufweist, während die Aufhängung A keine Kontaktfläche aufweist.
Das Referenzzeichen 2 bezeichnet eine Lagerstange. Auf Lagerstangen 2 können die Zellträger angeordnet sein.
Der Warenträger weist weiterhin eine erste Außenwand 3 und eine zweite Außenwand 4 auf. Zumindest in einer der Außenwände 3, 4 sind elektrische Anschlüsse EV vorgesehen. Im Beispiel der Figuren sind in der ersten Außenwand elektrische Anschlüsse EV vorgesehen. Die Außenwände 3 und 4 ergeben zusammen mit den Lagerstangen 2 und einer Spindel 9 (z.B. einer Trapezspindel) eine mechanische Steifigkeit, sodass die eingelegten Zellträger mit den jeweiligen eingelegten Batteriezellen verwindungssteif positioniert werden können.
D.h. Lagerstangen 2 bilden eine Führungseinrichtung zur Aufnahme der Zellträger.
Die Zellträger weist Kontaktelemente zur Bestromung einer eingelegten Batteriezelle Z auf.
Diese können z.B. durch die Federkontaktstifte KS bzw. Kontaktbuchse KB bereitgestellt werden. Die Kontaktelemente zur Bestromung von Batteriezellen Z können zentral am Warenträger zu einem oder mehreren elektrischen Anschlüssen EV zusammengeführt sein.
Zudem kann der Warenträger ein Bodenblech 6.1 aufweisen.
Ein Zellträger kann weiterhin eine Spindelaufnahme 7 aufweisen. Die Spindelaufnahme 7 kann aus einem geeigneten Material, z.B. Messing, hergestellt sein. In die Spindelaufnahme 7 kann eine Spindel 9 aufgenommen werden. Messing kann dabei auf Grund seiner Reibeigenschaften vorteilhaft eingelegt werden.
Die Spindel 9 wird im Warenträger in einer Spindelmutter 8 geführt.
Weiterhin kann/können in der Außenwand 4 auch noch ein oder mehrere Rohrverteiler 10 angeordnet sein. Die Rohrverteiler 10 können im Betrieb eine fluidische Verbindung zu Kühlrohren R in den Kühlkörpern K bereitstellen, welche in Figur 3 und 4 in Details dargestellt sind.
Durch die Spindel 9 können die eingelegten Batteriezellen mit definierter Kraft zusammengedrückt werden. Vorteilhafterweise sind die Zellträger stufenlos auf den Linearwellen 2 verschiebbar angeordnet. Der Zellträger wird dabei aus zwei Kühlkörpern K bzw. K‘ gebildet, zwischen denen eine Batteriezelle Z aufgenommen werden kann. Durch die Spindel 9 können die Batteriezellen Z mit definierter Kraft zusammengedrückt werden.
Die Kontaktierung der eingelegten Batteriezellen Z erfolgt durch die Zellträger und damit unabhängig von der Formationskammer. Die Zellkontaktierung kann durch Federkontaktstifte KS (dargestellt in Figur 4) erfolgen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Federkontaktstifte KS leicht auswechselbar, sodass Stillstände reduziert bzw. auf einzelne (austauschbare) Zellträger reduziert werden können. Da die Kontaktierung in den Warenträger integriert ist, kann bei Verschleißerscheinung ein einfacher Austausch der Federkontaktstifte im Warenträger erfolgen, wenn dieser nicht in Benutzung ist. Dadurch wird die Anlagentechnik während der Wartung nicht außer Betrieb gesetzt.
Der während einer Formation von Batteriezellen benötigte Wärmetransport kann durch die Kühlrohre R innerhalb des Kühlkörpers K zur Verfügung gestellt werden. Es sei angemerkt, dass alternativ oder zusätzlich zu einer Flüssigkeitskühlung auch eine Gaskühlung oder Pelletier-Elemente eingelegt werden können.
Bevorzugt wird jedoch eine Flüssigkeitskühlung. Die Rohrleitungen R können als eigenständige Rohre (wie dargestellt) ausgeformt sein, oder aber als Fluidkanal in einen Werkstoff eingearbeitet (z.B. gefräst) oder eingeprägt (gepresst) sein. In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Rohrleitungen R Kupfer auf.
Durch die integrierte Kühlung ist es möglich, direkt an den Batteriezellen Z Wärme abzutransportieren. Abtransportierte Wärme kann in gleicher Weise bei anderen Fertigungsschritten (z.B. Preaging), in denen Wärme benötigt wird, in dem gleichen Warenträgersystem verwendet werden. Wenn der Warenträger im Preaging verwendet wird, kann über die Rohrleitungen R auch eine Erwärmung der Batteriezellen Z erfolgen. Wesentlicher Vorteil hier ist, dass die Wärmequelle dann näher an den Batteriezellen Z ist und nicht über die Raumluft erwärmt wird.
In Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Kühlkörper K bzw. K1 ein (oder mehrere) thermische Sensorelemente T, z.B. einen temperaturabhängigen Widerstand oder ein temperaturabhängiges Flalbleiterelement oder ein Thermoelement (PT100 oder dergleichen) aufweist. Mit einem solchen thermischen Sensorelement ist es möglich, die Temperatur eines einzelnen Warenträgers bzw. eines Kühlkörpers, der Teil eines Warenträgers ist, zu ermitteln. Die ermittelte Temperatur kann zur Steuerung der Temperatur eines einzelnen Trägers verwendet werden. Es ist aber alternativ oder zusätzlich auch möglich, die Temperatur (bzw. deren Verlauf) zur Steuerung von Strömen in eine bestimmte Batteriezelle Z zu nutzen. Durch die getrennte Bereitstellung von Kühlung und Kontaktierung werden diese Größen nunmehr unabhängig vom Formationsregal. Hierdurch wächst die Flexibilität stark an.
Je Format und Geometrie der Batteriezelle Z sind nur noch unterschiedliche Warenträger notwendig. Die Anlagentechnik kann daher für alle Formate und Geometrien verwendet werden. Hierdurch sinkt der Kostenaufwand für die Anlagentechnik durch die Flexibilisierung der Erfindung erheblich.
Anders als in herkömmlichen Formationsanlagen, bei denen die Batteriezellen während der Formation seriell verschaltet sind, können in den Ausführungsformen der Erfindung die eingelegten Batteriezellen Z in einem Zellträger einzeln oder in Gruppen angesteuert werden, d.h. mit Strom versorgt werden.
Fällt eine Batteriezelle Z aus, so kann die Formierung der übrigen Batteriezellen Z fortgesetzt werden. Hierdurch kann der Ausschuss massiv reduziert werden
Weiterhin ist es mit Ausführungsformen der Erfindung möglich, in Bezug auf ihre elektrochemischen Eigenschaften unterschiedliche Batteriezellen Z, z.B. unterschiedliche Spannung, und/oder unterschiedliche Kapazität etc., in einem gemeinsamen Warenträger gleichzeitig zu formieren, da unterschiedliche Stromstärken und/oder Spannungen (von 0 V bzw. 0 A verschieden) an die jeweilige Batteriezellen Z geleitet werden können.
Hierdurch kann die Flexibilität weiter erhöht werden.
Durch die Verwendung von Kugellagern in den Verspannelementen des Warenträgers ist die Bewegung der Elemente sehr robust. Hierdurch wird das Gleiten der Warenträger auf den Spindeln 9 einfach, sodass es nicht zu Blockaden kommen kann. Die dargestellte Erfindung behebt die oben aufgeführten Probleme, indem ein robustes Warenträgerkonzept vorgestellt wird, das über eine integrierte Kontaktierung und Thermomanagement verfügt.
Je Zellformat und -geometrie sind nur noch unterschiedliche Warenträger notwendig. Die Anlagentechnik kann hingegen für alle Zellformate und -geometrien verwendet werden. Typischerweise liegt die Anlagentechnik im Bereich von mehreren hunderttausend Euro und ein Warenträger im Bereich von wenigen tausend Euro. Entsprechend geringer sind die Kosten für die Flexibilität mit der vorgestellten Erfindung.
Es können auch Zellträger für unterschiedliche Batteriezellenformate in einem Warenträger aufgenommen werden.

Claims

Ansorüche
1. Warenträgersystem mit einem Warenträger und mit Zellträgern zur Formierung von Batteriezellen, der Warenträger aufweisend eine Führungseinrichtung zur Aufnahme der Zellträger, wobei die Zellträger Kontaktelemente zur Bestromung einer eingelegten Batteriezelle aufweisen, wobei die Zellträger im Warenträger verspannt werden können, wobei Anschlüsse zur Bestromung von Zellträgern zentral am Warenträger zu elektrischen Anschlüssen zusammengeführt sind, wobei ein erster Zellträger für ein erstes Batteriezellenformat geeignet ist und ein zweiter Zellträger für ein zweites Batteriezellenformat geeignet ist, wobei sowohl der erste Zellträger als auch der zweite Zellträger ein thermisches Sensorelement aufweist, wobei die Temperatur und/oder der Temperaturverlauf zur Steuerung von Strömen in eine eingelegte Batteriezelle genutzt wird.
2. Warenträgersystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Zellträger ein Kühlelement aufweist, um Wärme, welche bei der Bestromung einer eingelegten Batteriezelle entstehen kann, abführen zu können.
3. Warenträgersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Zellträger ein thermisches Sensorelement aufweist.
4. Warenträgersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Zellträger für unterschiedliche Batteriezellenformate in einem Warenträger aufgenommen werden können.
5. Warenträgersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Warenträger eine Kraftmesseinrichtung aufweist, sodass die Verspannung gemessen werden kann.
6. Warenträgersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktelemente Federkontaktstifte aufweisen.
7. Warenträgersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zellträger eine Flüssigkeitskühlung aufweist.
8. Warenträgersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eingelegte Batteriezellen Z in einem Zellträger einzeln oder in Gruppen angesteuert werden.
9. Warenträgersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Batteriezellen Z in einem gemeinsamen Warenträger mit unterschiedlichen Spannungen und/oder Strömen gleichzeitig formierbar sind.
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