Die Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung für die Halterung von Energiespeicherzellen während ihrer Formation.

Bei der Fertigung von Energiespeicherzellen stellt die Formation - auch Formierung genannt - einen der letzten Arbeitsschritte dar. Während der Formation werden die einzelnen und noch nicht physisch miteinander verbundenen Energiespeicherzellen elektrisch kontaktiert und durchlaufen mehrere Lade- und Entladezyklen. Hierüber wird jeder Energiespeicherzelle ihre elektrische und kapazitive Eigenschaft aufgeprägt. Hierbei kann es durch chemische Reaktionen mit gasförmigen Produkten oder einen Temperaturanstieg zu einer Druckerhöhung innerhalb der Energiespeicher zelle kommen, die eine Deformation des Zellgehäuses bewirkt. Dies kann sich nachteilig auf die elektrischen Kontakte innerhalb der Zelle auswirken und durch die geänderte Geometrie auch eine Weiterverarbeitung der Zelle erschweren. Im Extremfall kann der Überdruck zu einem Bersten der Zelle führen. Zur Vermeidung der unkontrollierten Ausdehnung der Energiespeicherzellen während der Formation kennt der Stand der Technik Spannvorrichtungen, die die Ausdehnung der Zellen während der Lade- und Entladezyklen begrenzen.

Aus der DE 10 2013 221 481 Al ist eine Spannvorrichtung bekannt, in die die Energiespeicher zellen, ggf. unter Einlage eines Zwischenelement, hintereinander eingelegt werden und auf der einen Seite dieser Reihung gegengehalten werden und auf der anderen Seite dieser Reihung mit einer Druckspindel, ähnlich dem Prinzip eines Schraubstocks, gespannt werden. Diese Vorrich tung ist allerdings zumindest in zweierlei Hinsicht unzureichend. Zunächst können sich Probleme daraus ergeben, dass jede der Energiespeicherzellen bezüglich ihrer Maße (Ebenheit, Dicke) tole ranzbehaftet ist, so dass sich über mehrere in Reihe gestaffelte Zellen die Toleranzen derart un günstig aufsummieren können, dass die Ableiter der Zellen nicht an den vorgesehenen Positionen liegen und somit nicht von extern von der Ladekarte kontaktiert werden können. Außerdem erge ben sich durch die unmittelbare Aneinanderreihung der einzelnen Zellen ungewollte Wechselwir kungen von den sich stärker ausdehnenden Zellen auf diejenigen mit keiner oder einer geringeren Ausdehnung. Hierbei ist auch die Brandgefahr der Zellen zu nennen und bei unmittelbar aneinan dergereihten Zellen von der brennenden Zelle auf die benachbarten Zellen übergreifen kann. Wei terhin sind zum Stand der Technik die Dokumente DE 10 2014 217 425 Al und US 2017 0 133 705 Al zu nennen.

Ausgehend hiervon besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Spannvorrichtung bereitzustellen, die in der Lage ist, Energiespeicherzellen einzeln, kompakt, prozesssicher und kos tenoptimiert zu spannen. Die Aufgabe wird gelöst durch eine Spannvorrichtung für die Halterung von Energiespeicherzellen während ihrer Formation, bei der zwischen zwei parallel zueinander angeordneten und eine Auf nahmekammer für zumindest eine Energiespeicherzelle bildenden Wandungselementen ein volu menadaptives Distanzelement in der Aufnahmekammer einsitzt.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen in einer Spannvorrichtung eine Energiespeicherzelle während der Formation - also der zyklischen Lade- und Entladeprozesse - zu fixieren. In praktischer Ausgestal tung ist somit für jede Energiespeicherzelle jeweils eine Spannvorrichtung vorgesehen, so dass sich eine Aneinanderreihung von mehreren Spannvorrichtungen ergibt. Eine derartige Aneinan derreihung von Spannvorrichtung bildet einen Werkstückträger. Durch jede Spannvorrichtung kann demnach eine den Herstellerangaben für die Energiespeicherzelle entsprechende Spannkraft eingestellt werden. Mit der Spannvorrichtung können unterschiedliche Zellformate verspannt wer den, beispielsweise Pouchzellen oder prismatische Zellen. Zudem können Form- und Lagetoleran zen zwischen einzelnen Energiespeicherzellen ausgeglichen werden. Auch ist eine optimierter pas siver Brandschutz gegeben, da ein Kettenreaktion bei dem Brand einer Energiespeicherzelle ein gedämmt wird.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das volumenadaptive Distanzelement eine Medienzuführung aufweist, um über ein zugeführtes Medium das Volumen zu adaptieren. Beim Zusammensetzen von mehreren Spannvorrichtungen zu einem Werkstückträger, werden die Spannvorrichtungen bevorzugt gegeneinander abgedichtet, so dass ein geschlossener Kreislauf für das Medium entsteht und alle volumenadaptiven Distanzelemente gleichzeitig beaufschlagt werden können. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass es sich bei dem zu geführten Medium um Druckluft handelt.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das volumenadaptive Distanzelement in seinem Inneren Verteilkanäle für das zugeführte Medium ausbildet. Über einen angepassten Verlauf der Verteilkanäle kann eine gleichmäßige Volumensteuerung des Distanzelements erreicht werden. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das volumenadaptive Di stanzelement flächig ausgebildet ist.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das volumenadaptive Distanzelement ein Membranelement aufweist, um über das Membranelement eine in der Aufnahmekammer ein sitzende Energiespeicherzelle zu beaufschlagen. Über eine geeignete Auswahl und Spezifikation des Membranelements lassen sich dem Distanzelement die gewünschten Eigenschaften aufprä gen, wie Steifigkeit, Oberflächenrauigkeit etc. In einer ersten möglichen Ausgestaltung ist das Membranelement über einen Rahmen an einem Grundkörper des volumenadaptiven Distanzele ments gehalten. Hierdurch ist es möglich, das Membranelement beispielsweise im Schadensfall einzelnen auszutauschen. In einer zweiten möglichen Ausgestaltung ist das Membranelement stoffschlüssig mit dem Grundkörper verbunden. Hierdurch lässt sich eine besonders gute Dichtig keit des Membranelements zu dem Grundkörper realisieren.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Membranelement über eine Hub bewegung von einer Ausgangsposition in mehrere ausgelenkte Positionen überführbar ist, um in zumindest einer der ausgelenkten Positionen eine in der Aufnahmekammer einsitzende Energie speicherzelle zu beaufschlagen. Über eine Hubbewegung lässt sich eine besonders gleichmäßige Beaufschlagung der überwiegend flächigen Energiespeicherzelle durch das ebenfalls überwiegend flächige Membranelement erreichen und zwar insbesondere in der Hubposition.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zumindest das eine der Wandungs elemente temperaturregulierend ausgeführt ist. Hierdurch kann jede einzelne der Energiespeicher zellen in einem aus mehreren Spannvorrichtungen bestehenden Werkstückträger temperiert wer den.

Die Aufgabe wir ferner gelöst durch ein Verfahren zur Regelung einer Spannkraft auf eine in einer Spannvorrichtung wie beschrieben einsitzenden Energiespeicherzelle, bei dem eine vorgegebene Anpresskraft, mit der die Energiespeicherzelle von dem volumenadaptiven Element beaufschlagt wird, unter bedarfsweiser Variation der Menge des zugeführten Mediums konstant gehalten wird.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt über zumindest das eine der Wan dungselemente eine Temperaturregulierung der einsitzenden Energiespeicherzelle. In einer wei terhin bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird als Medium Druckluft zugeführt.

Die Erfindung wird nachfolgend mit weiteren Merkmalen, Einzelheiten und Vorteilen anhand der beigefügten Figuren erläutert. Die Figuren illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsfor men der Erfindung. Hierin zeigen

Figur 1 eine schematische Darstellung von mehreren, einen Werkstückträger bildende Spann vorrichtungen;

Figur 2 eine weitere Darstellung der Spannvorrichtungen mit einem Distanzelement erster

Ausgestaltung;

Figur 3 eine weitere Darstellung der Spannvorrichtungen mit einem Distanzelement zweiter

Ausgestaltung;

Figur 4 eine Detaillierung des Distanzelements zweiter Ausgestaltung und

Figur 5 eine perspektivische Darstellung eines Werkstückträgers.

Die Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Werkstückträger 2, bestehend aus mehreren erfindungsgemäßen Spannvorrichtungen 10; vorliegend sind exemplarisch drei Spannvorrichtun- gen 10i, 10 ₂ , 10 ₃ dargestellt. Die Spannvorrichtungen 10 weisen erfindungsgemäß strukturell einen gleichen Aufbau auf. Eine Spannvorrichtung 10 umfasst zunächst zwei parallel zueinander angeordnete Wandungselemente 12, 14, zwischen denen eine Aufnahmekammer 16 gebildet wird. Zwischen den Wandungselemente 12, 14, und damit in der Aufnahmekammer 16, sitzt ein volumenadaptives Distanzelement 18 ein. Hierbei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Di stanzelement 18 nicht den vollständigen Abstand zwischen den beiden Wandungselementen 12, 14 ausfüllt. Vielmehr ist der Abstand der Wandungselemente 12, 14 größer als die mittlere Dicke des Distanzelements 18, so dass die Aufnahmekammer 16 ein freies Volumen aufweist, in das ei ne zu formatierende Energiespeicherzelle 4 eingeführt werden kann. Hierbei kann die Energiespei cherzelle 4, wie in der Figur 1 dargestellt, an voneinander abgewandten Enden Ableiter 6i, 6 ₂ auf weisen, um über die Ableiter 6i, 6 ₂ eine Kontaktierung mit einer Ladekarte - nicht dargestellt— herzustellen.

Das volumenadaptive Distanzelement 18 kann über eine Medienzuführung 20 verfügen, um über ein zugeführtes Medium das Volumen zu adaptieren. Für einen Werkstückträger 2 mit mehreren Spannvorrichtungen 10 bedeutet dies, dass die Medienzuführung 20 jedes volumenadaptiven Di stanzelements 18 über eine gemeinsame Zuführleitung 30 verbunden sein kann und diese Zuführ leitung 30 mit einem Druckmediumerzeuger 32 verbunden ist. Bevorzugt kommt Druckluft als Druckmedium zum Einsatz, so dass es sich bei dem Druckmediumerzeuger 32 zweckmäßigerweise um einen Druckluftkompressor handelt.

In der Figur 1 ist weiterhin eine feste Einspannung 34 für jede der Wandungselemente 12, 14 dar gestellt. Beispielsweise ist es denkbar, dass jede der Einspannungen 34 teil eines - nicht darge stellten - Gehäuses ist.

Die Figur 2 zeigt eine weitere schematische Darstellung eines Werkstückträgers 2, mit vorliegend fünf Spannvorrichtungen 10. Die Spannvorrichtungen 10 weisen eine erste mögliche Ausgestal tung des volumenadaptiven Distanzelements 18 auf, welches mehrteilig ausgebildet ist. Hierbei ist ein Membranelement 24 über einen Rahmen 28 an einem Grundkörper 26 des Distanzelements 18 gehalten. Der Rahmen 24 verläuft bezüglich des Grundkörpers 26 umlaufend. Im Inneren dem Grundkörper 26 sind in Richtung des Membranelements 24 offene Verteilkanäle 22 für das Medi um ausgebildet. Die Verteilkanäle 22 sind mit der Medienzuführung 20 verbunden. Das Membran element 24 ist außer über den Rahmen 28 nicht mit dem Grundkörper 26 verbunden, insbeson dere nicht innerhalb des Rahmens 28. In einem bezüglich des über die Verteilkanäle 22 zuführba- ren Mediums drucklosen Zustand liegt das Membranelement 24 zumindest weitestgehend voll ständig an dem Grundkörper 26 an, so dass das Distanzelement 18 sein kleinstes Volumen adap tiert, welches anhand der linken Spannvorrichtung 10i in der Figur 2 gezeigt ist. Hierbei ist zu er- kennen, dass die Energiespeicherzelle 4 in einem ungespannten Zustand in der Aufnahmekam mer 16 einsitzt.

Sobald der Grundkörper 26 über das Medium in den Verteilkanälen 22 mit Druck beaufschlagt wird, hebt das Membranelement 24 über eine Hubbewegung von dem Grundkörper 26 ab und spannt die Energiespeicherzelle 4 innerhalb der Ausnahmekammer 16, was in der mittleren und der rechten Spannvorrichtung 10 ₂ , 10 ₃ der Figur 2 gezeigt ist. In Abhängigkeit des Drucks des Me diums in dem Grundkörper 26 stellt sich über das Membranelement 24 eine Spannkraft auf die Energiespeicherzelle 4 ein.

Die Figuren 3 und 4 zeigen eine weitere schematische Darstellung eines Werkstückträgers 2, mit vorliegend drei Spannvorrichtungen 10i, 10 ₂ , 10 ₃ . Die Spannvorrichtungen 10 weisen eine zwei te mögliche Ausgestaltung des volumenadaptiven Distanzelements 18 auf. Hierbei ist das volu menadaptive Distanzelement 18 derart doppeltwirkend ausgeführt, dass es zu beiden Seiten je weils eine Energiespeicherzelle 4 beaufschlagen kann. Die zwei Membranelemente 24i, 24 ₂ sind stoffschlüssig mit dem Grundkörper 26 des Distanzelements 18 verbunden ist. Durch diese dop peltwirkende Ausgestaltung des Distanzelements 18 lassen sich in der Aufnahmekammer 16 zwei Energiespeicherzellen 4 anordnen und zwar auf voneinander abgewandten Seiten des Distanzele ments 18. Hierbei besteht der Grundkörper 26 bevorzugt aus einem gefüllten PA-Material. Die zwei Membranelemente 24i, 24 ₂ eines Distanzelements 18 sind über eine jeweilige Verbindungssicke 36i, 36 ₂ , bestehend aus einem elastischen Bindematerial, welches beispielsweise aus Silikon, TPE etc. bestehen kann, mit dem Grundkörper 26 verbunden. Der Grundkörper 26 mit den Membran elementen 24i, 24 ₂ bildet einen Hohlraum 38 aus, in den das Medium zugeführt wird, um die Membranelemente 24i, 24 ₂ auszulenken und somit jeweils gegen die Energiespeicherzellen 4 zu beaufschlagen. Der jeweilige Hohlraum 38 ist über eine Medienzuführung 20 mit einem Druckme diumerzeuger 32 verbindbar, wie zu der Figur 2 beschrieben.

Die Figur 5 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Werkstückträgers 2 mit mehreren kaska- dierten Spannvorrichtungen 10, die jeweils ein doppeltwirkendes Distanzelement 18 beinhalten, wie im Zusammenhang mit den Figuren 3 und 4 beschrieben. Bezugszeichenliste

2 Werkstückträger

4 Energiespeicherzellen

6 Ableiter

10 Spannvorrichtung 12 Wandungselement 14 Wandungselement 16 Aufnahmekammer 18 Distanzelement 20 Medienzuführung 22 Verteilkanäle

24 Membranelement 26 Grundkörper

28 Rahmen

30 Zuführleitung

32 Druckmediumerzeuger 34 Einspannung

36 Verbindungssicke 38 Hohlraum