Wichtige Designüberlegungen für die automatisierte Produktion von EV-Batterien

Bei der Montage von Batteriezellen für Elektrofahrzeuge (EV) fließen viele Konstruktionspunkte ein, die eine hohe Zuverlässigkeit und Wiederholbarkeit, optimale Gesamtanlageneffektivität, maximalen Durchsatz und Industrie 4.0-Konzepte der Digitalisierung gewährleisten. Die Untersuchung einer automatisierten Batterieentgasungszelle für Elektrofahrzeuge, die in der gesamten Branche weit verbreitet ist, verdeutlicht viele dieser Konstruktionsmerkmale.

Formung bezieht sich auf den anfänglichen Lade- und Entladevorgang für zylindrische, prismatische und Beuteltypen von EV-Batteriezellen. Beim Ladevorgang entsteht in jeder Batteriezelle Gas. Den versiegelten Batteriezellen muss Gas entzogen werden, ohne dass Elektrolyt verloren geht.

Von den Formgestellen gelangen die Batteriezellen zu einem automatisierten Entgasungssystem. Typischerweise heben Vakuumgreifer die Batteriezellen aus den Trays auf das Entgasungssystem. Ein freitragendes Handhabungssystem nimmt die Batteriezellen auf und platziert sie in einer Entgasungskammer und aus dieser heraus. Bei diesen letzten beiden Vorgängen handelt es sich um Pick-and-Place-Vorgänge, eine Methode, die im gesamten Produktionsprozess von Batteriezellen für Elektrofahrzeuge üblich ist.

Im Inneren der Kammer bewegen pneumatische Zylinder hohle Lanzen, die die Batteriezellen durchstoßen und mithilfe von Vakuum das Gas evakuieren, bis der Elektrolyt in die Lanze gelangt. Anschließend schaltet das System von Vakuum auf Überdruck um und bläst den Elektrolyten zurück in die Batteriezelle. Die Produktionseinheit versiegelt die Batterie, was typischerweise durch Thermo- oder Ultraschallschweißen erfolgt. Entgaste Batteriezellen werden entnommen, aus der Entgasungskammer entnommen und wieder in Trays gelegt. Mit Batteriezellen bepackte Trays gelangen in die nächste Produktionsstufe.

Die automatisierte Entgasungszelle verfügt sowohl über eine pneumatische als auch eine elektrische Bewegung. Warum sowohl elektrisch als auch pneumatisch verwenden? Jede Bewegungsart hat ihre Stärken, wobei die Pneumatik die wirtschaftlichere und einfachere Variante ist. Pneumatik senkt die Gesamtkosten des automatisierten Systems und vereinfacht Aspekte des Systems, was eine schnellere Inbetriebnahme, Installation und Fehlerbehebung ermöglicht.

Elektrische Aktuatoren bieten eine zuverlässigere Möglichkeit, die Bewegung der Platten zu synchronisieren, die zum Abdichten der Batteriezellen verwendet werden. Durch die synchronisierte Bewegung wird sichergestellt, dass es keine Ausrichtungsprobleme gibt, wenn eine Platte vor der anderen ankommt. Dieses Maß an Kontrolle macht die Genauigkeit und das Timing elektrischer Aktuatoren zur optimalen Lösung für diesen Aspekt des Betriebs. OEM-Designer ermitteln, wo eine einfachere und kostengünstigere Bewegung am besten ist und wo elektrische Präzision unerlässlich ist, um das kostengünstigste System für den Endbenutzer zu schaffen.

Während heute Hunderte von Entgasungszellen in Betrieb sind, müssen die Konstrukteure jede für ihre spezifische Anwendung, den Zellentyp, die Umgebung und die Produktionsanforderungen entwerfen. Bei ihren Designüberlegungen ist die richtige Dimensionierung der elektrischen und pneumatischen Komponenten von entscheidender Bedeutung, um zwei Ziele zu erreichen: Kosteneffizienz und Erfüllung funktionaler Anforderungen.

Over-Engineering durch falsche Dimensionierung erhöht die Komplexität, verlängert die Inbetriebnahmezeit und schafft Herausforderungen bei der Fehlerbehebung. Suchen Sie nach Engineering-Produktivitätstools von Lieferanten, die alle Komponenten harmonieren; zum Beispiel Antrieb, Motor und Stellantrieb oder Zylinder, Schalter, Armaturen und Schläuche. Diese Tools beschleunigen nicht nur den Entwurf, sondern dimensionieren das System auch richtig.

Das freitragende Handlingsystem der Batterieentgasungszelle basiert auf Spindelachsen. Diese Achsen sorgen für eine dynamische und sichere Be- und Entladung der Entgasungskammern. Das Cantilever-Design, das sich direkt über dem Arbeitsraum befindet, minimiert den Platzbedarf der Zelle. Kartesische Pick-and-Place-Systeme erfordern selten Schutz; Durch den Wegfall der Schutzvorrichtungen wird auch der Platzbedarf verringert.

Ein kartesisches System ist ideal, da die Batteriezellenhandhabung zumeist durch Pick-and-Place in der X-, Y- und Z-Achse erfolgt, genau wofür das kartesische System konzipiert ist. Diese Pick-and-Place-Systeme bieten eine hohe Genauigkeit über den gesamten Arbeitsbereich, ein Vorteil gegenüber Sechs-Achsen-Robotern, die an der Peripherie an Genauigkeit verlieren. Kartesische Pick-and-Place-Systeme sind zudem kostengünstiger als Knickarmroboter.

Während des Entgasungsprozesses evakuiert ein Quetschventil die Prozesskammer. Quetschventile sind kompakt, langlebig, energieeffizient, wartungsfreundlich und flexibel. Obwohl ein Quetschventil vielleicht nicht das erste Ventil ist, das einem zur Steuerung des Luftstroms in den Sinn kommt, bieten sie hinsichtlich Kosten, Größe und Funktionalität eine Alternative zu anderen Ventilen wie Membran- oder Kugelventilen. Es geht darum, die optimale Komponente zu identifizieren, die möglicherweise nicht die offensichtliche erste Wahl ist. Verlassen Sie sich darauf, dass Lieferanten solche nicht so offensichtlichen Lösungen vorschlagen.

Die Entgasungszelle verfügt über ein dezentrales I/O-System. Dezentrales I/O bindet alle I/O- und IO-Link-Geräte wie Sensoren und Ventilinseln in das Kommunikationsnetzwerk der Anlage ein und schafft so eine nahtlose Kommunikation vom Werkstück bis in die Cloud.

Dezentrale E/A sind flexibel, kompakt, leicht, bieten Echtzeitfähigkeit und sind für das deterministische Verhalten der Geräte von entscheidender Bedeutung. Dezentrales I/O bietet eine einfache Struktur, die die digitale Fabrik unterstützt und eine hohe Skalierbarkeit bietet, bei der zusätzliche I/O-Punkte einfach hinzugefügt werden können.

Ohne dezentrale E/A und IO-Link-Master wäre es für Endbenutzer schwieriger, die E/A-Punkte nach dem ersten Entwurf zu skalieren und zu erhöhen. Wenn die Steuerungsarchitektur nicht gleich zu Beginn des Entwurfs festgelegt wird, sollten Sie die Standardisierung auf eine E/A-Architektur in Betracht ziehen, die problemlos zwischen Plattformen wechseln kann. Diese zusätzliche Flexibilität führt dazu, dass der E/A-Schaltplan und das physische Layout nicht geändert werden müssen. Die einzige Änderung betrifft das Schnittstellenmodul, das die Verbindung zur SPS herstellt. Wenn die Steuerungsplattform nicht festgelegt ist, wählen Sie außerdem Motorsteuerungen, die mehrere Protokolle unterstützen.

Die Entgasungszelle verfügt über einen weichen, anpassbaren Greifer zum Aufnehmen und Platzieren von Batteriezellen in der Entgasungskammer und aus ihr heraus. Durch die Anpassung des Greifers an das Werkstück wird die Batteriezelle ohne übermäßige Krafteinwirkung gesichert. In diesem Zusammenhang verwenden Designer üblicherweise Vakuum für Beutel- und zylindrische Zellen. Die Vakuumerzeugung sollte sehr nahe am Saugnapf erfolgen, um die Effizienz durch weniger Vakuum und einen geringeren Energieverbrauch zu steigern. Ein im Vakuumerzeuger integrierter Drucksensor kann überprüfen, ob die Zelle nach dem Umzug noch gehalten wird. Abhängig von der Zelle sind Magnetgreifer manchmal eine effiziente Option.

Der Konstrukteur muss berücksichtigen, was bei einem Notstopp passiert, um sicherzustellen, dass die Batteriezellen nicht herunterfallen. Eine eingebaute Greifredundanz ist ein Muss. Vakuumgreifer werden häufig mit einer mechanischen Ausfallsicherung kombiniert, die unterhalb der Batteriezelle positioniert ist, beispielsweise einer Fingerklemme.

Das Wunderbare an der Handhabung von Batteriezellen ist, dass die gesamte Technologie für Bewegung, Steuerung und Kommunikation sowohl verfügbar als auch bewährt ist. OEMs, die diese Schlüsselüberlegungen berücksichtigen, können schnelle, zuverlässige und äußerst effiziente Systeme entwerfen und liefern.

Dieser Artikel wurde von Lawrence Lin, EV Batteries Business Development Manager, und Jarod Garbe, Automotive Industry Segment Manager, beide bei Festo (Islandia, NY) verfasst. Weitere Informationen finden Sie hier.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Juni-Ausgabe 2023 des Battery & Electrification Technology Magazine.

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