DE102023103417A1 - Measuring arrangement and measuring method for measuring the position and/or orientation of flat elements in a cell stack in the energy cell producing industry - Google Patents
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Abstract
Eine Messanordnung (30) für eine Maschine (10) der Energiezellen produzierenden Industrie zur Vermessung der Position und/oder Ausrichtung von flächigen Elementen (70) in einem Zellstapel (90) umfasst eine erste Messvorrichtung (29), die in einer Messbeziehung zu in der Maschine (10) transportierten flächigen Elementen (70) stromaufwärts von dem Zellstapel (90) angeordnet ist, und eine zweite Messvorrichtung (40), die in einer Messbeziehung zu dem Zellstapel (90) angeordnet ist, sowie eine elektronische Auswerteeinheit (31). Die elektronische Auswerteeinheit (31) ist zur elementgenauen Zuordnung und Verrechnung der Messdaten von der ersten Messvorrichtung (29) und der Messdaten von der zweiten Messvorrichtung (40) zu demselben flächigen Element (70), und zur Erzeugung eines kombinierten Messwerts der Ausrichtung und/oder Orientierung des flächigen Elements (70) in dem Zellstapel (90) eingerichtet.A measuring arrangement (30) for a machine (10) in the energy cell producing industry for measuring the position and/or alignment of planar elements (70) in a cell stack (90) comprises a first measuring device (29) which is arranged in a measuring relationship to planar elements (70) transported in the machine (10) upstream of the cell stack (90), and a second measuring device (40) which is arranged in a measuring relationship to the cell stack (90), as well as an electronic evaluation unit (31). The electronic evaluation unit (31) is set up for element-precise assignment and calculation of the measurement data from the first measuring device (29) and the measurement data from the second measuring device (40) to the same planar element (70), and for generating a combined measurement value of the alignment and/or orientation of the planar element (70) in the cell stack (90).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messanordnung für eine Maschine der Energiezellen produzierenden Industrie zur Vermessung der Position und/oder Ausrichtung von flächigen Elementen in einem Zellstapel, umfassend eine erste Messvorrichtung, die in einer Messbeziehung zu in der Maschine transportierten flächigen Elementen stromaufwärts von dem Zellstapel angeordnet ist, und eine zwei Messvorrichtung, die in einer Messbeziehung zu dem Zellstapel angeordnet ist, sowie eine elektronische Auswerteeinheit. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Messverfahren zur Vermessung der Position und/oder Ausrichtung von flächigen Elementen in einem Zellstapel der Energiezellen produzierenden Industrie.The present invention relates to a measuring arrangement for a machine in the energy cell production industry for measuring the position and/or orientation of planar elements in a cell stack, comprising a first measuring device which is arranged in a measuring relationship to planar elements transported in the machine upstream of the cell stack, and a second measuring device which is arranged in a measuring relationship to the cell stack, as well as an electronic evaluation unit. The invention further relates to a measuring method for measuring the position and/or orientation of planar elements in a cell stack in the energy cell production industry.
Vorrichtungen zur Herstellung eines Zellstapels für die Batteriezellenfertigung sind beispielsweise aus
In der Batteriezellenfertigung werden einzelne Verbund-Elemente, beispielsweise Monozellen umfassend die Schichten Separator, Kathode, Separator, Anode, zu einem Zellstapel gestapelt, der auch als Verbundzelle oder Unifiedcell bezeichnet wird. Dabei ist es sehr wichtig, dass die Elemente genau, in einem definierten Toleranzbereich, übereinandergestapelt werden.In battery cell production, individual composite elements, for example monocells comprising the layers separator, cathode, separator, anode, are stacked to form a cell stack, which is also referred to as a composite cell or unified cell. It is very important that the elements are stacked precisely on top of each other within a defined tolerance range.
Beim Stapeln der flächigen Elemente oder Verbundzellen ist es erforderlich, die relative Position der einzelnen Elektroden zueinander zu messen. Infolge des üblichen Aufbaus der Verbundzellen ist es jedoch nur eingeschränkt möglich, die Elektroden im Zellstapel zu detektieren, da eine Elektrode von Separatoren umschlossen ist.When stacking the flat elements or composite cells, it is necessary to measure the relative position of the individual electrodes to each other. Due to the usual structure of the composite cells, however, it is only possible to detect the electrodes in the cell stack to a limited extent, since one electrode is enclosed by separators.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Messanordnung und ein Messverfahren bereitzustellen, die es ermöglichen, die relative Position der einzelnen Elektroden zueinander im Zellstapel zu messen.The object of the invention is to provide a measuring arrangement and a measuring method which make it possible to measure the relative position of the individual electrodes to each other in the cell stack.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche.The invention solves this problem with the features of the independent claims.
Erfindungsgemäß ist die elektronische Auswerteeinheit zur elementgenauen Zuordnung und Verrechnung der Messdaten von der ersten Messvorrichtung und der Messdaten von der zweiten Messvorrichtung zu demselben flächigen Element, und zur Erzeugung eines kombinierten Messwerts der Ausrichtung und/oder Orientierung des flächigen Elements in dem Zellstapel eingerichtet.According to the invention, the electronic evaluation unit is designed for element-accurate assignment and calculation of the measurement data from the first measuring device and the measurement data from the second measuring device to the same planar element, and for generating a combined measurement value of the alignment and/or orientation of the planar element in the cell stack.
Das Problem der im Stand der Technik nicht detektierbaren flächigen Elemente in dem Zellstapel wird daher erfindungsgemäß durch eine Fusion von Daten aus mehreren, gezielt an unterschiedlichen Positionen im Produktlauf angeordneten Messvorrichtungen gelöst.The problem of the flat elements in the cell stack that cannot be detected in the prior art is therefore solved according to the invention by a fusion of data from several measuring devices that are specifically arranged at different positions in the product run.
Vorzugsweise findet die elementgenaue Zuordnung der Messdaten von der ersten Messvorrichtung und der Messdaten von der zweiten Messvorrichtung in der elektronischen Auswerteeinheit auf der Grundlage von einer Produktverfolgungseinrichtung übermittelter Daten statt. Vorzugsweise ist die Produktverfolgungseinrichtung in einer Maschinensteuerung der Maschine angeordnet. Die Auswerteeinheit ist vorteilhaft in der zweiten Messvorrichtung oder in der Maschinensteuerung angeordnet.Preferably, the element-accurate allocation of the measurement data from the first measuring device and the measurement data from the second measuring device takes place in the electronic evaluation unit on the basis of data transmitted by a product tracking device. Preferably, the product tracking device is arranged in a machine control of the machine. The evaluation unit is advantageously arranged in the second measuring device or in the machine control.
Demnach werden vorteilhaft von einer oder mehreren vorhergehenden, d.h. im Produktprozess früher angeordneten, Messvorrichtungen Qualitätsdaten aufgenommen und zur Maschinensteuerung übertragen. Die Produktverfolgung beispielsweise in der Maschinensteuerung hat die Information, wo sich welches Produkt oder flächige Element befindet, und speichert die Qualitätsdaten entsprechend. Wenn das Produkt oder flächige Element zur Stapelmessung bei der zweiten Messvorrichtung ist, werden die Qualitätsdaten von der ersten Messvorrichtung zu der zweiten Messvorrichtung übertragen. Anschließend können die Qualitätsdaten in der zweiten Messvorrichtung mit den Rohdaten von der ersten Messvorrichtung verrechnet werden. Die Ergebnisse werden daraufhin von der Messanordnung ausgegeben und beispielsweise zur Maschinensteuerung übertragen.Accordingly, quality data is advantageously recorded from one or more previous measuring devices, i.e. those arranged earlier in the product process, and transmitted to the machine control system. The product tracking in the machine control system, for example, has the information about where which product or flat element is located and stores the quality data accordingly. When the product or flat element is at the second measuring device for batch measurement, the quality data is transmitted from the first measuring device to the second measuring device. The quality data in the second measuring device can then be offset against the raw data from the first measuring device. The results are then output by the measuring arrangement and transmitted, for example, to the machine control system.
Vorzugsweise ist die erste Messvorrichtung im Produktlauf vor einer Verbindungsvorrichtung zum Verbinden von flächigen Elementen zu einem Verbundelement angeordnet. Dies ermöglicht die genaue Positionserfassung der flächigen Elemente durch die erste Messvorrichtung, bevor diese durch die Verbindung zu einem Verbundelement erschwert wird. Vorzugsweise ist die erste Messvorrichtung in einer zum Übereinanderlegen von flächigen Elementen auf einem Sammelförderer dienenden Zuführabschnitt der Maschine angeordnet. Auf einem solchen Sammelförderer wird der Positionsbezug der flächigen Elemente relativ zueinander hergestellt, so dass die erste Messvorrichtung die Relativposition der flächigen Elemente zueinander messen kann, wie sie später im Zellstapel vorliegt. Die erste Messvorrichtung ist daher vorzugsweise zur Ermittlung der relativen Position übereinandergelegter flächiger Elemente zueinander eingerichtet. The first measuring device is preferably arranged in the product run upstream of a connecting device for connecting flat elements to form a composite element. This enables the precise position detection of the flat elements by the first measuring device before this is made more difficult by the connection to form a composite element. The first measuring device is preferably arranged in a feed section of the machine used for placing flat elements on top of one another on a collecting conveyor. The positional relationship of the flat elements relative to one another is established on such a collecting conveyor, so that the first measuring device can measure the relative position of the flat elements to one another, as it later exists in the cell stack. The first measuring device is therefore preferably set up to determine the relative position of flat elements placed on top of one another.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die zweite Messvorrichtung in einer Messbeziehung zu einer Seitenfläche des Zellstapels angeordnet. Die erste Messvorrichtung umfasst vorzugsweise mindestens eine auf eine Förderebene gerichtete Kamera und/oder mindestens einen auf eine Förderebene gerichteten optischen Sensor, der zur Erfassung eines von einer Querkante eines an dem optischen Sensor vorbei geförderten flächigen Elements erzeugten optischen Übergangs eingerichtet ist. Vorzugsweise weist die erste Messvorrichtung mindestens einen ersten Sensor zur Erfassung erster flächiger Elemente und mindestens einen zweiten Sensor zur Erfassung zweiter flächiger Elemente auf, wodurch die unabhängige Positionserfassung von unterschiedlichen flächigen Elementen, insbesondere von Anoden und Kathoden, ermöglicht wird. Vorzugsweise ist der mindestens eine erste Sensor ist zur Messung der Position und/oder Ausrichtung von ersten Elektroden unmittelbar nach deren Auflegen auf den Sammelförderer eingerichtet. Vorzugsweise ist der mindestens eine zweite Sensor zur Messung der Position und/oder Ausrichtung von zweiten Elektroden unmittelbar nach deren Auflegen auf den Sammelförderer eingerichtet.In an advantageous embodiment, the second measuring device is arranged in a measuring relationship to a side surface of the cell stack. The first measuring device preferably comprises at least at least one camera directed at a conveying plane and/or at least one optical sensor directed at a conveying plane, which is set up to detect an optical transition generated by a transverse edge of a planar element conveyed past the optical sensor. The first measuring device preferably has at least one first sensor for detecting first planar elements and at least one second sensor for detecting second planar elements, thereby enabling the independent position detection of different planar elements, in particular anodes and cathodes. The at least one first sensor is preferably set up to measure the position and/or orientation of first electrodes immediately after they have been placed on the collecting conveyor. The at least one second sensor is preferably set up to measure the position and/or orientation of second electrodes immediately after they have been placed on the collecting conveyor.
Die Erfindung stellt ebenfalls ein Messverfahren zur Vermessung der Position und/oder Ausrichtung von flächigen Elementen in einem Zellstapel der Energiezellen produzierenden Industrie bereit, umfassend eine Messung an dem Zellstapel und eine Messung an in einem vorangehenden Abschnitt der Maschine transportierten flächigen Elementen. Die Messdaten von beiden Messungen werden zu demselben flächigen Element elementgenau zugeordnet und verrechnet, und ein kombinierter Messwert der Ausrichtung und/oder Orientierung des flächigen Elements in dem Zellstapel wird erzeugt.The invention also provides a measuring method for measuring the position and/or alignment of planar elements in a cell stack in the energy cell producing industry, comprising a measurement on the cell stack and a measurement on planar elements transported in a preceding section of the machine. The measurement data from both measurements are assigned to the same planar element with element precision and calculated, and a combined measurement value of the alignment and/or orientation of the planar element in the cell stack is generated.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Dabei zeigt
-
1 eine beispielhafte Darstellung eines flächigen Elements; -
2 eine schematische Ansicht einer Maschine zur Herstellung von Zellstapeln für die Energiezellen produzierende Industrie; -
3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Messanordnung; und -
4 eine schematische Draufsicht auf einen Zellstapel zur Erläuterung eines Toleranzbereichs für die flächigen Elemente.
-
1 an exemplary representation of a planar element; -
2 a schematic view of a machine for producing cell stacks for the energy cell producing industry; -
3 a schematic representation of a measuring arrangement according to the invention; and -
4 a schematic top view of a cell stack to illustrate a tolerance range for the planar elements.
Im Folgenden wird zunächst der Aufbau eines flächigen Verbundelements, hier einer Monozelle 91, unter Bezugnahme auf
Zum Aufbau eines Zellstapels 90 wird eine Mehr- oder Vielzahl von Monozellen 91 übereinander gestapelt und ggf. mit einer Abschlusszelle abgeschlossen. Der Zellstapel 90 dient insbesondere zum Aufbau eines nicht gezeigten elektrochemischen und/oder galvanischen Akkumulators, beispielsweise eines Lithium-Ionen-Akkus. Der Zellstapel 90 kann auch auf andere Weise gebildet werden als aus Monozellen 91, beispielsweise durch flächige Verbundelemente mit einem anderen Aufbau, oder aus einzelnen flächigen Elementen 70, oder einer Kombination von Verbundelementen und einzelner flächiger Elemente 70.To construct a
Zellenstapel 90 werden mittels einer Maschine 10 hergestellt, die im Weiteren unter Bezugnahme auf die
Die Maschine 10 umfasst einen Zuführabschnitt 11 zum Zuführen von Ausgangsmaterialien 12-15, nämlich endlose Separatorfolienbahnen und 13, 15 und endlose Ströme 12, 14 von Elektroden 93, 95, nämlich Kathoden und Anoden, und Ablegen derselben auf einem Sammelförderer 16, beispielsweise einem Bandförderer oder einem Rotationsförderer. In einem Ausführungsbeispiel werden zunächst vorgeschnittene Kathodenelemente 12, danach eine Separatorfolienbahn 13, sodann vorgeschnittene Anodenelemente 14 und schließlich eine weitere Separatorfolienbahn 15 auf den Sammelförderer 16 aufgelegt. Die Reihenfolge kann auch anders sein, beispielsweise zuerst Anodenelemente und danach Kathodenelemente, oder zuerst eine Separatorfolienbahn. Beim Auflegen der Elektroden 12, 14 erfolgt eine positionsgenaue Anordnung übereinander und relativ zueinander im Hinblick auf die zu erzielenden Verbundelemente bzw. Monozellen 91, siehe
Die übereinandergelegten Materialschichten 12-15 werden mittels des Sammelförderers 16 zu einer nachfolgenden Verbindungsvorrichtung 17 gefördert, die in
Die in der Verbindungsvorrichtung 17 gebildete Elektroden-Separator-Verbundbahn 18 wird nachfolgend einer Schneideinrichtung 19 zugeführt, in der die Elektroden-Separator-Verbundbahn 18 mittels Querschneiden in einzelne flächige (Verbund-)Elemente, beispielsweise Monozellen, geschnitten wird. Das Schneiden in der Schneideinrichtung 19 kann mechanisch oder beispielsweise mittels eines Laserstrahls erfolgen.The electrode-separator
Die Verbindungsvorrichtung 17 und die Schneideinrichtung 19 können auch in der umgekehrten Reihenfolge angeordnet sein.The connecting
Die Verbundelemente oder Monozellen 91 werden in einem abschließenden Stapelabschnitt 20 der Maschine 10 zu einem Zellstapel 90 gestapelt, in dem somit eine Mehr- oder Vielzahl von flächigen Elementen 70 positionsgenau übereinander gestapelt sind. Der Stapelabschnitt 20 umfasst eine Fördereinrichtung 39, beispielsweise einen Rotationsförderer, insbesondere eine rotierend angetriebene Fördertrommel, mit dem die Verbundelemente 91 in eine 6-Uhr-Stellung gefördert und dort auf einen Zellstapel 90 abgelegt und somit gestapelt werden. Die hier vertikale Stapelrichtung 38 verläuft also parallel zur der in
Die Maschine 10 weist eine zentrale Maschinensteuerung 32 auf; dies ist in der Regel eine zentrale digitale Datenverarbeitungseinrichtung der Maschine 10. In der Maschinensteuerung 32 ist ein Produktverfolgungsabschnitt 33 vorgesehen, in der durch nicht gezeigte Sensoren erhaltene Information zur Position jedes einzelnen Produkts, d.h. jedes einzelnen flächigen Elements 70 und jedes einzelnen Verbundelements 91, in der Maschine 15 vorliegt.The
Zur Messung der Stapelgenauigkeit von Verbundelementen 91, oder zur Vermessung der Position und/oder (Winkel-)Ausrichtung der einzelnen flächigen Elemente 70 in dem Zellstapel 90, weist die Maschine 10 eine Messanordnung 30 auf, die im Folgenden anhand der
Die Messanordnung 30 umfasst eine Messeinrichtung 40, die in dem Stapelabschnitt 20 und in einer Messbeziehung zu dem Zellstapel 90 angeordnet ist, wie in
Vorzugsweise umfasst die zweite Messeinrichtung 40 einen oder mehrere, besonders vorteilhaft mindestens drei, Abstandsmesssensoren, beispielsweise Triangulationssensoren oder mittels Laufzeitmessung arbeitende Sensoren. Die zweite Messeinrichtung 40 ist vorzugsweise zur Messung des Abstands einzelner flächiger Elemente 70 in dem Zellstapel 90 in zwei zueinander senkrechten Richtungen x, z senkrecht zu der Stapelachse y (siehe
Die Messanordnung 30 umfasst eine Auswerteeinheit 31, die vorzugsweise in der zweiten Messeinrichtung 40 angeordnet ist, aber beispielsweise auch in der Maschinensteuerung 32 angeordnet sein kann. Die Auswerteeinheit 31 ist, vergleichbar wie die Auswerteeinheit (dort 20) der
Durch den Aufbau der Monozelle 91 (siehe
Erfindungsgemäß weist die Messanordnung 30 eine erste Messeinrichtung 29 auf, die in der Maschine 10 stromaufwärts (bezogen auf den Produktlauf) von der zweiten Messeinrichtung 40 angeordnet ist. Mittels der ersten Messeinrichtung 29 werden erste Qualitäts- oder Messdaten 34 von stromaufwärts des Stapelabschnitts 20 in der Maschine 10 transportierten flächigen Elementen 70 ermittelt. Die ersten Messdaten 34 umfassen insbesondere relative oder absolute Positionsdaten von mindestens einem flächigen Element 70, vorzugsweise von mindestens einer oder sämtlicher Elektroden 93, 95, und/oder Separatorblatt 92, 94, relativ zu einer Sollposition, d.h. die relative Position einer oder der Elektroden 93, 95, und/oder Separatorblatt 92, 94, innerhalb einer Monozelle 91. Vorteilhafte Ausführungsformen der ersten Messeinrichtung 29 sind in den
Die erste Messeinrichtung 29 ist vorzugsweise stromaufwärts der Verbindungsvorrichtung 17 angeordnet, siehe
Die erste Messeinrichtung 29 weist vorzugsweise mindestens einen ersten Sensor 21 auf, der zur Messung der Position und/oder Ausrichtung von ersten Elektroden 12, 95 unmittelbar nach deren Auflegen auf den Sammelförderer 16 eingerichtet ist. Die erste Messeinrichtung 29 weist vorzugsweise mindestens einen zweiten Sensor 22 auf, der zur Messung der Position und/oder Ausrichtung von zweiten Elektroden 14, 93 unmittelbar nach deren Auflegen auf den Sammelförderer 16 eingerichtet ist. Die ersten und zweiten Sensoren 21, 22 ermöglichen eine individuelle Erfassung der Elektroden 93 und der Elektroden 95 (Anoden und Kathoden). Der erste Sensor 21 kann beispielsweise wie die Kontrastsensoren 61, 62 der
Die ersten Messdaten 34 werden in einer in
Alternativ zu der in
In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann die Verrechnung der ersten und zweiten Messdaten in der Maschinensteuerung 32 stattfinden, d.h. die Auswerteeinheit 31 kann ganz oder teilweise in der Maschinensteuerung 32 angeordnet sein.In a further alternative embodiment, the calculation of the first and second measurement data can take place in the
Nach dem zuvor gesagten wird das Problem der nicht detektierbaren Schichten oder flächigen Elemente 70 durch die Fusion von Daten aus mehreren, an unterschiedlichen Stellen des Produktlaufs angeordneten Messvorrichtungen 29, 40 gelöst.According to the above, the problem of non-detectable layers or
In einer Weiterbildung der Erfindung soll zusätzlich zu der (relativen) Position der flächigen Elemente 70 ermittelt werden, ob die einzelnen flächigen Elemente 70 in einem durch Toleranzgrenzen 43 definierten Toleranzbereich 44 liegen, siehe
Die Ablageeinrichtung 41 ist vorteilhaft entlang der Stapelachse y verstellbar, insbesondere absenkbar, um ein Messprofil der Messung mit der zweiten Messeinrichtung 40 (siehe unten) in der y-Richtung erhalten zu können.The
Bezugszeichenliste:List of reference symbols:
- 1010
- Maschinemachine
- 1111
- ZuführabschnittFeed section
- 1212
- ElektrodenstromElectrode current
- 1313
- SeparatorfolienbahnSeparator film web
- 1414
- ElektrodenstromElectrode current
- 1515
- SeparatorfolienbahnenSeparator film webs
- 1616
- SammelfördererCollecting conveyor
- 1717
- VerbindungsvorrichtungConnecting device
- 1818
- Elektroden-Separator-VerbundbahnElectrode separator composite sheet
- 1919
- SchneideinrichtungCutting device
- 2020
- StapelabschnittStack section
- 2121
- erster Sensorfirst sensor
- 2222
- zweiter Sensorsecond sensor
- 2929
- erste Messeinrichtungfirst measuring device
- 3030
- MessanordnungMeasuring arrangement
- 3131
- AuswerteeinheitEvaluation unit
- 3232
- MaschinensteuerungMachine control
- 3333
- ProduktverfolgungsabschnittProduct tracking section
- 3434
- erste Messdatenfirst measurement data
- 3535
- zweite Messdatensecond measurement data
- 3636
- kombinierte Messdatencombined measurement data
- 3838
- StapelrichtungStacking direction
- 3939
- FördereinrichtungConveyor system
- 4040
- zweite Messeinrichtungsecond measuring device
- 4141
- AblageeinrichtungStorage facility
- 4242
- elektronische Steuereinrichtungelectronic control device
- 4343
- ToleranzgrenzenTolerance limits
- 4444
- ToleranzbereichTolerance range
- 9090
- ZellstapelCell stack
- 9191
- MonozelleMonocell
- 9292
- Separatorseparator
- 9393
- Elektrodeelectrode
- 9494
- Separatorseparator
- 9595
- Elektrodeelectrode
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 1020221044718 [0026, 0027]EN 1020221044718 [0026, 0027]
- DE 1020221058735 [0029, 0031]EN 1020221058735 [0029, 0031]
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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