Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zellstapelanlage für das Stapeln von Segmenten von Energiezellen, insbesondere Batteriezellen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Stapeln von Segmenten von Energiezellen mit einer Zellstapelanlage nach dem Oberbegriff von Anspruch 12.

Energiezellen oder auch Energiespeicher im Sinne der Erfindung werden z.B. in Kraftfahrzeugen, sonstigen Landfahrzeugen, Schiffen, Flugzeugen oder auch in stationären Speicheranlagen in Form von Batteriezellen oder Brennstoffzellen verwendet, bei denen sehr große Energiemengen über größere Zeiträume gespeichert werden müssen.

Derartige Energiezellen, insbesondere Batteriezellen, weisen häufig eine Struktur aus einer Vielzahl von zu einem Stapel gestapelten Segmenten auf. Die Segmente können beispielsweise Monozellen einer Batterie sein, welche in dem Herstellungsprozess der Batteriezelle aufeinandergelegt und miteinander verbunden werden.

Um die Produktionskosten der Batterieherstellung zu senken, muss sich unter anderem die Produktionsleistung der Maschinen erhöhen. Eine Bedingung für die hohe Produktionsleistung ist dabei eine hohe Fertigungsrate der Stapel der Energiezellen, insbesondere Batteriezellen, welche aus mehreren aufeinander gestapelten Segmenten, insbesondere Monozellen, der eingangs beschriebenen Art gebildet sind. Die Segmente werden in einem vorgelagerten Herstellungsschritt dabei zu den sogenannten Monozellen bestehend aus einem ersten Separatorblatt, einem darauf angeordneten Anodenblatt, einem darauf angeordneten zweiten Separatorblatt und einem darauf angeordneten Kathodenblatt aufeinandergelegt.

Die Segmente werden dann zu einem Stapel aus einer Vielzahl von Segmenten aufeinandergestapelt. Sofern es sich bei den Segmenten um Monozellen oder Separatorblätter mit darauf angeordneten Anoden- oder Kathodenblättern handelt, befindet sich an einer freien Seitenfläche des Stapels eine Kathode oder Anode, welche dann durch die Anordnung einer sogenannten Abschlusszelle abgedeckt wird. Die Abschlusszelle umfasst ein erstes Separatorblatt, ein darauf angeordnetes Anoden- oder Kathodenblatt und ein darauf angeordnetes zweites Separatorblatt, auf der jedoch kein Kathoden- oder Anodenblatt angeordnet ist. Damit kann die Abschlusszelle auch als eine Monozelle ohne ein Kathoden- oder Anodenblatt angesehen werden. Der fertige Stapel aus der Vielzahl von Monozellen und der Abschlusszelle zeichnet sich dann dadurch aus, dass er an seiner Oberseite und seiner Unterseite jeweils ein Separatorblatt aufweist und somit die Anodenblätter und Kathodenblätter jeweils zu der Ober- und zu der Unterseite hin durch Separatorblätter abgedeckt sind und untereinander nicht im Kontakt stehen.

Zur Erzielung von sehr hohen Fertigungsraten der Energiezellen bzw. Energiespeicher ist es dabei wünschenswert, die hergestellten Segmente mit einer möglichst hohen Fertigungsrate mit einer möglichst hohen Positionsgenauigkeit aufzustapeln und als Stapel weiterzuverarbeiten. Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Zellstapelanlage für das Stapeln von Segmenten von Energiezellen, insbesondere Batteriezellen, sowie ein Verfahren zum Stapeln von Segmenten von Energiezellen, insbesondere Batteriezellen, mit einer entsprechenden Zellstapelanlage anzugeben, welche eine sehr hohe Fertigungsrate ermöglicht.

Zur Lösung der Aufgabe wird eine Zellstapelanlage mit den Merkmalen von Anspruch 1 und ein Verfahren zum Stapeln mit einer Zellstapelanlage mit den Merkmalen von Anspruch 12 vorgeschlagen. Weitere bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, den Figuren und der zugehörigen Beschreibung zu entnehmen.

Demnach wird eine Zellstapelanlage für das Stapeln von Segmenten von Energiezellen, insbesondere Batteriezellen, vorgeschlagen, wobei eine Zuführeinrichtung vorgesehen ist, welche Segmente in einem Materialstrom zuführt, wobei im Materialstrom die Segmente auf aufeinander folgenden Positionen zuführbar sind. Eine Mehrzahl von Zellstapelvorrichtungen ist zum Aufeinanderlegen der Segmente zu Stapeln vorgesehen. Weiterhin ist eine Weiche im Materialstrom vorgesehen, welche dazu eingerichtet ist, den Materialstrom derart in Teilmaterialströme aufzuteilen, dass jeweils zwei Segmente auf unmittelbar aufeinander folgenden Positionen im Materialstrom jeweils unterschiedlichen Zellstapelvorrichtungen der Zellstapelanlage übergeben werden.

Der Materialstrom wird vorzugsweise kontinuierlich gefördert, wobei die Segmente jeweils hintereinander, beispielsweise auf einem Förderband oder einer Trommel der Zellstapelanlage von der Zuführeinrichtung zugeführt werden können. Die Positionen im Materialstrom entsprechen jeweils dem Platzbedarf für ein Segment, wobei die Segmente auf angrenzenden Positionen vorzugsweise einen Abstand, beispielsweise 1 mm, zueinander aufweisen.

Der Materialstrom weist üblicherweise Leerstellen auf. Dementsprechend können Positionen im Materialstrom unbesetzt sein, wodurch der Materialstrom lückenhaft sein kann. Beispielsweise können durch die Zuführanlage einzelne Segmente ausgeworfen und somit Leerstellen im Produktstrom geschaffen werden. Einzelne Segmente oder Monozellen können beispielsweise nach einer Qualitätskontrolle oder für eine Qualitätskontrolle aus dem Materialstrom entnommen werden.

Die Mehrzahl der Zellstapelvorrichtungen ist hierbei dafür vorgesehen, den Materialstrom der Segmente auf aufeinander folgenden Positionen jeweils zu einem Stapel bzw. Zellstapel von Monozellen aufzustapeln. Die Weiche im Materialstrom teilt den Materialstrom in Teilmaterialströme auf, so dass jeweils zwei Segmente auf unmittelbar aufeinander folgenden Positionen im Materialstrom jeweils unterschiedlichen Zellstapelvorrichtungen der Zellstapelanlage übergeben werden. Hierdurch kann erreicht werden, dass eine Zellstapelvorrichtung nicht mit zwei Segmenten auf aufeinander folgenden Positionen, welche jeweils nur durch ihren Abstand im Materialstrom getrennt sind, beaufschlagt wird. Durch die Aufteilung der Materialströme in der Weiche kann erreicht werden, dass die an die Zellstapelvorrichtung übergebenen Segmente mindestens den Abstand von einer Position bzw. einer Segmentbreite oder Breite einer Monozelle des eingehenden Materialstroms aufweisen. Bei einer Aufteilung des Materialstroms auf mehr als zwei Teilmaterialströme erhöht sich der Abstand zwischen zwei zu stapelnden Segmenten an einer Zellsta- pelvorrichtu ng entsprechend.

Es steht dem Grundgedanken nicht entgegen, wenn bei einer möglichen Leerstelle auf einer Position im Materialstrom zwei aufeinander folgende Segmente im Materialstrom der gleichen Zellstapelvorrichtung übergeben werden, da diese in diesem Fall nicht auf der aneinander folgenden Position im Materialstrom vorliegen.

Weiterhin kann durch die vorgeschlagene Aufteilung erreicht werden, dass mehrere Zellstapelvorrichtungen parallel Segmente stapeln können, wodurch der Materialstrom entsprechend beschleunigt und die Fertigungsrate erhöht werden kann. Weiterhin ist es möglich die Genauigkeit der Positionierung der Segmente auf dem Stapel durch die geringere Anforderung an die Verarbeitungsgeschwindigkeit der einzelnen Zellstapelvorrichtungen zu erhöhen. Etwaige Limitierungen der Fertigungsrate bei der Übergabe der Segmente bzw. Monozellen auf die Zellstapelvorrichtung und bei der Abgabe von der Zellstapelvorrichtung auf den Stapel können auf diese Weise aufgehoben werden.

Gemäß einer Weiterentwicklung wird vorgeschlagen, dass die Weiche mindestens eine Weichentrommel umfasst, welche den Materialstrom oder einen Teilmaterialstrom durch Übergabe von Segmenten an wenigstens eine Übergabetrommel und/oder wenigstens eine Zellstapelvorrichtung und/oder wenigstens eine Umlenktrommel und/oder eine weitere Weichentrommel aufteilt.

Eine Weichentrommel ermöglicht die Aufteilung des Materialstroms beispielsweise in zwei oder mehr Teilmaterialströme bei hohen Transportgeschwindigkeiten der Segmente. Die Anforderungen an die Abstände zwischen Segmenten auf aufeinander folgenden Posi- tionen sind bei einer Weichentrommel besonders gering, so dass in vorteilhaften Ausführungsformen bei einer Weichentrommel in der Zellstapelanlage auf Maßnahmen zur Erhöhung der Abstände bzw. zur Teilungsänderung von zwei Segmenten auf aufeinander folgenden Positionen verzichtet werden kann. Alternativ können weitere Elemente zur Erhöhung der Abstände von Segmenten auf aufeinander folgenden Positionen im Materialstrom beispielsweise in der Zuführeinrichtung vorgesehen sein, um ggf. genügend Umschaltzeit für die Weiche zur Verfügung zu haben, was weiter unten dargestellt wird.

Die Weichentrommel teilt den Materialstrom vorzugsweise durch Übergabe an mindestens zwei weitere Einheiten auf, welche den aufgeteilten Materialstrom der Segmente als Teilmaterialströme weiterverarbeiten. Derartige Einheiten sind beispielsweise Übergabetrommeln, welche die entsprechenden Segmente bzw. Monozellen von der Weichentrommel übernehmen und an eine andere Einheit abgeben, oder eine Umlenktrommel, welche zur Drehung der Segmente durch eine weitere Übergabe auf eine weitere Trommel dienen. Weiterhin können derartige Einheiten eine Zellstapelvorrichtung sein, an die ein Teilmaterialstrom in möglichen Ausführungsformen direkt von der Weichentrommel übergeben werden kann. In möglichen Ausführungsformen kann in der Weiche ein Teilmaterialstrom von einer Weichentrommel auf mindestens eine weitere Weichentrommel übergeben werden, so dass insgesamt 3 oder 4 oder mehr Teilmaterialströme gebildet werden können.

Gemäß einer Weiterentwicklung wird vorgeschlagen, dass ein auf eine Umlenktrommel übergebener Teilmaterialstrom einer weiteren Weichentrommel übergeben wird. Dies ermöglicht es mehrere Weichentrommeln in der Weiche zu verwenden, wobei auf den Weichen- trommeln geförderte Segmente jeweils mit der gleichen Segmentseite zur Weichentrommel weisen.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung wird vorgeschlagen, dass die Weiche, insbesondere die Weichentrommel, eine mechanisch vorbestimmte Aufteilung von Segmenten auf aufeinander folgenden Positionen des Materialstroms auf wenigstens zwei Teilmaterialströme vornimmt. Dies ermöglicht eine einfache, wartungsarme und robuste Ausführung der Weiche, insbesondere einer Weichentrommel, welche eine deterministische Aufteilung des Materialstroms ermöglicht. Eine entsprechende Betätigung von Stellelementen einer Weichentrommel oder Weiche und Aufteilung des Materialstroms kann beispielsweise über eine mechanische Kulisse erfolgen. Es kann somit auf eine aktiv geschaltete pneumatische oder elektrische Ansteuerung von Stellelementen auf einer Weichentrommel verzichtet werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterentwicklung wird vorgeschlagen, dass die Weiche, insbesondere Weichentrommel, eine variable Aufteilung aufeinander folgender Segmente des Materialstroms auf wenigstens drei Teilmaterialströme vornimmt, wobei die Zellstapelanlage wenigstens drei Zellstapelvorrichtungen umfasst.

Eine entsprechend variable Zuordnung der Segmente bzw. Monozellen zu den wenigstens drei Teilmaterialströmen kann beispielsweise über eine aktive Schaltung von Ventilen erfolgen. Eine Aufteilung durch die Weiche auf wenigstens drei Teilmaterialströme ermöglicht es, zumindest an eine der wenigstens drei Zellstapelvorrichtungen temporär keine Segmente bzw. keinen Teilmaterialstrom zu übergeben, wobei die übrigen mindestens zwei Zellstapelvorrichtungen weiterhin jeweils keine zwei Segmente auf unmittelbar aufeinander folgenden Positionen im Materialstrom übergeben bekommen. Diese Unterbrechung einer der mindestens drei Teilmaterialströme kann genutzt werden, um beispielsweise einen fertig gebildeten Stapel aus Segmenten abzufördern bzw. einen Stapelwechsel vorzunehmen, so dass die mögliche Zeitspanne für die Abförderung vergrößert wird. Dementsprechend können bei einer variablen Aufteilung der Teilmaterialströme durch die Weiche beispielsweise zwei Zellstapelvorrichtungen aktiv und mit Segmenten beschickt und eine Zellstapelvorrichtung passiv gehalten werden.

Gemäß einer Weiterentwicklung wird vorgeschlagen, dass die Zellstapelvorrichtungen jeweils ein Fächerrad aufweisen, welche Segmente eines Teilmaterialstroms aufnehmen und abgeben. Ein Fächerrad ist beispielsweise auch unter den Begriffen Stapelrad oder Fächertrommel bekannt.

Die Segmente können in einer vorteilhaften Ausführungsform direkt von einer Trommel, beispielsweise einer Übergabetrommel oder einer Weichentrommel, übernommen werden, so dass das Fächerrad die Segmente in die Zellstapelvorrichtung übernimmt. Dementsprechend kann das Fächerrad direkt mit der übergebenden Trommel kämmen.

Die vorgeschlagene Zellstapelanlage mit einer Weiche eignet sich besonders in Kombination mit einem Fächerrad, da sich entsprechend der Aufteilung in Teilmaterialströme ein Abstand zwischen zwei Segmenten in einem Teilmaterialstrom von mindestens einer Segmentbreite beim Einlauf in das Fächerrad ergibt, was eine Übernahme durch das Fächerrad vereinfacht. Die Segmente werden aus dem Fächerrad vorzugsweise mittels eines Kamms, der in das Fächerrad eingreift, herausgeschoben, wodurch eine Übergabe des Segments oder eine Ablage auf einen Stapel aus Segmenten ermöglicht wird.

In einer möglichen Ausführungsform weist die übergebende Trommel, beispielsweise die Übergabetrommel, einen Auslass für Druckluft auf, welcher der Lage einer führenden Kante eines geförderten Segments oder Monozelle zugeordnet ist. Vorzugsweise ist die Trommel, insbesondere die Übergabetrommel, dazu eingerichtet, die führende Kante des Segments bzw. der Monozelle auf der übergebenden Trommel mit Druckluft anzuheben, so dass die Übergabe insbesondere in ein Fächerrad verbessert werden kann.

Gemäß einer Weiterentwicklung wird vorgeschlagen, dass die Zellstapelvorrichtungen jeweils eine Zwischentrommel aufweisen, welche Segmente eines Teilmaterialstroms aufnehmen, insbesondere von einer Übergabetrommel, und abgeben, insbesondere an ein Fächerrad der Zellstapelvorrichtung.

Vorzugsweise ist die Zwischentrommel mit einer schwellenden Drehgeschwindigkeit angetrieben. Eine entsprechende Zwischentrommel übernimmt die Segmente in der Zuführgeschwindigkeit beispielsweise von einer Übergabetrommel oder einer Weichentrommel und übergibt die Segmente bzw. Monozellen in einer verlangsamten Bewegung oder in einem Stillstand, wobei die Abgabe vorzugsweise an ein Fächerrad erfolgt. In alternativen Ausführungsformen kann die Abgabe an eine Aufnahme zur Bildung eines Stapels erfolgen.

Der Vorteil der vorgeschlagenen Lösung ist darin zu sehen, dass die Segmente von der Zwischentrommel in der Zuführgeschwindigkeit der Zuführeinrichtung übernommen werden und dann durch eine Verzögerung der Bewegung der Zwischentrommel mit einer geringe- ren Geschwindigkeit oder sogar im Stillstand an das Fächerrad oder an die Aufnahme übergeben werden. Hierdurch kann durch die Übernahme der Segmente in der Zuführgeschwindigkeit der Zuführeinrichtung einerseits eine ununterbrochene Abnahme der Segmente in einer hohen Transportgeschwindigkeit von der Zuführeinrichtung mit einer möglichst geringen Belastung der Segmente bei der Übernahme verwirklicht werden. Andererseits kann durch die verzögerte Geschwindigkeit der Zwischentrommel an das Fächerrad oder beispielsweise bei einer Aufnahme durch den Stillstand der Zwischentrommel eine Übergabe der Segmente mit geringeren auf die Segmente einwirkenden Querkräften verwirklicht werden. Dies ermöglicht eine prozesssichere Abgabe an das Fächerrad oder eine positionsgenauere Abgabe an die Aufnahme, so dass die Segmente positionsgenauer zu Stapeln aufgestapelt werden können.

Weiter wird vorgeschlagen, dass die Zwischentrommel wenigstens zwei in identischen Winkeln zueinander angeordnete Übernahmestempel zur Aufnahme der Segmente aufweist, und die Zwischentrommel während eines Umlaufes entsprechend der Anzahl der Übernahmestempel verzögert und beschleunigt wird. Durch die Mehrzahl der Übernahmestempel kann die Übernahmerate der Segmente durch die Zwischentrommel erhöht bzw. im Umkehrschluss kann die erforderliche Drehgeschwindigkeit der Zwischentrommel bei einer vorgegebenen zu Anzahl von zu übernehmenden Segmenten je Zeiteinheit reduziert werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterentwicklung wird vorgeschlagen, dass die Anzahl der Übernahmestempel ungerade ist. Hierdurch können die Übernahmestellung der Segmente von der Zuführeinrichtung und die Übergabestellung an das Ablageorgan gegenüberliegend also in einem Winkel von 180 Grad in Bezug zu der Drehachse der Zwischentrommel angeordnet werden, und es befindet sich immer ein Übernahmestempel in der Übernahmestellung, ohne dass ein anderer Übernahmestempel in der Übergabestellung und umgekehrt angeordnet ist. Durch die vorgeschlagene Weiterentwicklung können die Übernahmestellung und die Übergabestellung gegenüberliegend angeordnet werden, wodurch ein konstruktiv einfacher Aufbau der Zellstapelanlage ermöglicht wird, ohne dass zwei Übernahmestempel zeitgleich die Übernahmestelle und die Übergabestelle durchlaufen.

Gemäß einer Weiterentwicklung wird vorgeschlagen, dass die Zellstapelvorrichtungen jeweils zu einer Übergabe der Stapel an eine Abführeinrichtung eingerichtet sind.

Die Abführeinrichtung ist beispielsweise ein Förderband, auf welchem die gebildeten Stapel bzw. Segmentstapel, welche auch als Monozellenstapel oder Zellstapel bezeichnet werden können, zu einer weiteren Verarbeitung gefördert werden können.

Es wird weiterhin vorgeschlagen, dass die Zellstapelvorrichtungen jeweils eine verfahrbare, insbesondere linear verfahrbare, Aufnahme aufweisen, welcher Segmente eines Teilmaterialstroms aufnehmen und als Stapel an die Abführeinrichtung abgeben.

Die verfahrbare Aufnahme der Zellstapelvorrichtung dient zur Aufnahme der Segmente beim Stapelprozess. Die Aufnahme transportiert die Stapel vorzugsweise in Richtung der Flächennormalen der Segmente ab. Durch die linear in die vorgeschlagene Richtung verfahrbare Aufnahme werden die Stapel bzw. die darin aufgestapelten Segmente ohne einwirkende Querkräfte abtransportiert. Hierdurch wird verhindert, dass die Segmente bzw. Stapel ihre positionsge- naue Anordnung während des Abtransportes wieder verlieren.

Weiter wird vorgeschlagen, dass die Zellstapelvorrichtung eine Hubeinrichtung aufweist, welche die Aufnahme bei einer Aktivierung über eine lineare Führungseinrichtung verfährt. Durch die lineare Führungseinrichtung und die zugehörige Hubeinrichtung werden die Aufnahme und der darin gehaltene Stapel in einem vorbestimmten Verfahrweg abtransportiert, und die Aufnahme kann in einer sehr genau zu steuernden Bewegung nach dem Abgeben des Stapels zurück in die Übergabestelle, beispielsweise des Fächerrads oder der Zwischentrommel, zugeführt werden.

Gemäß einer Weiterentwicklung wird vorgeschlagen, dass die Zellstapelvorrichtungen jeweils einen bewegbaren Umsetzer aufweisen, welche Segmente eines Teilmaterialstroms aufnehmen und abgeben.

Vorzugsweise ist der Umsetzer aus einer Bereitschaftsstellung in eine Haltestellung bewegbar, welcher während des Abtransports der jeweiligen Stapel, beispielsweise bei einem Verfahren einer Aufnahme, in der Haltestellung positioniert wird und eine Zwischenauflage zum Ablegen der Segmente bildet. Durch den vorgesehenen Umsetzer wird eine Ablage der Segmente auch dann ermöglicht, wenn die mit dem vorangehend fertig aufgebauten Stapel gefüllte Aufnahme zur Übergabe des Stapels zu einem Abgabeort verfahren wird und damit zur Übernahme der Segmente in der Übergabestellung nicht zur Verfügung steht. Hierdurch kann eine ununterbrochene also kontinuierliche Übernahme der Segmente von der Stapelvorrichtung mit einer hohen Stapelrate ermöglicht werden. Damit die Segmente nur dann auf dem Umsetzer abgelegt werden, wenn die Aufnahme nicht in der Übergabestellung angeordnet ist, wird der Umsetzer aus der Haltstellung zurück in die Bereitschaftsstellung bewegt, sobald die Aufnahme wieder zurück in die Übergabestelle verfahren wurde. Damit wird der Stapelvorgang und insbesondere die Verfahrbewegung der Aufnahme aus der Übergabestellung heraus nicht durch den Umsetzer gestört oder eingeschränkt. Der Umsetzer wird dann aus der Bereitschaftsstellung in die Haltestellung bewegt, wenn eine vorbestimmte Anzahl der Segmente in der Aufnahme aufgestapelt sind, bzw. wenn eine vorbestimmte Stapelhöhe erreicht ist, und zwar unmittelbar nach dem Ablegen des letzten Segmentes auf den Stapel. Dabei wird der Umsetzer in den Ablageweg der Segmente eingefahren, so dass die Ablage des nächsten Segmentes auf den Stapel unterbrochen und das nächste Segment stattdessen auf dem Umsetzer abgelegt wird. Der Umsetzer übernimmt damit praktisch kurzzeitig die Funktion der Aufnahme, indem er eine Zwischenablage bildet, bis die Aufnahme zurück in die Übergabestelle bewegt ist.

Dabei wird weiter vorgeschlagen, dass die Aufnahme und der Umsetzer jeweils eine Auflagefläche aufweisen, welche durch die Oberflächen von einer Mehrzahl von parallel und äquidistant zueinander angeordneten Stegen gebildet ist, und wobei der Umsetzer und die Aufnahme während ihrer Bewegungen zum Übergeben der Stapel der Segmente mit ihren Stegen ineinander eingreifen. Durch die vorgeschlagene Ausbildung der Auflageflächen kann die Aufnahme nach dem Abgeben des Stapels zurück in die Übergabestelle verfahren werden, ohne dabei mit dem Umsetzer zu kollidieren. Die Aufnahme wird dabei beim Bewegen in die Übergabestelle mit den Stegen ihrer Auflagefläche zwischen die Stege der Auflagefläche des Umsetzers bewegt und ergänzt somit die Auflagefläche des Umsetzers zu einer vergrößerten Aufnahmefläche. Nachdem die Aufnahme wieder in der Übergabestelle angeordnet ist, wird der Umsetzer wie- der aus der Haltestellung zurück in die Bereitschaftsstellung bewegt und übergibt dabei die bereits aufgestapelten Segmente an die Aufnahme. Der Stapel wird praktisch „umgesetzt“.

Die Zuführeinrichtung ist bevorzugt durch einen Trommellauf gebildet, welcher eine sehr hohe Förderrate der Segmente sowohl in ihrer unmittelbaren Anlage aneinander oder mit geringen Abständen als auch mit vergrößerten Abständen ermöglicht. Vorzugsweise weist die Zuführeinrichtung eine Spreizeinrichtung auf, welche den Abstand der aufeinander folgenden Segmente in dem Materialstrom vergrößert, so dass die aufeinander folgenden Segmente in dem Materialstrom im Zulauf zu der Zellstapelanlage einen vergrößerten Abstand zueinander aufweisen. Durch die Spreizeinrichtung wird der Abstand der Segmente zueinander vergrößert. Dabei kann die Spreizeinrichtung bevorzugt durch wenigstens eine erste und eine zweite Trommel des Trommellaufes gebildet sein, wobei die Segmente von einer Mantelfläche der ersten Trommel auf eine Mantelfläche der zweiten Trommel übergeben werden, und die erste Trommel die Segmente mit einer ersten Umfangsgeschwindigkeit ihrer Mantelfläche in einer Übernahmestelle an die Mantelfläche der zweiten Trommel übergibt, und die zweite Trommel die Segmente mit einer zweiten Umfangsgeschwindigkeit ihrer Mantelfläche übernimmt, und die zweite Umfangsgeschwindigkeit größer ist als die erste Umfangsgeschwindigkeit. Die Segmente werden bei der Übergabe von der ersten Trommel auf die zweite Trommel durch die höhere Umfangsgeschwindigkeit der zweiten Trommel praktisch auseinandergezogen und mit den vergrößerten Abständen weiter transportiert.

Ferner kann die Spreizeinrichtung auch durch wenigstens eine in den Trommellauf integrierte Teilungsänderungstrommel gebildet sein, und die Teilungsänderungstrommel kann eine Mehrzahl von an dem Umfang angeordneten Transportsegmenten zum Transport von jeweils einem Segment des Materialstroms aufweisen, wobei die Transportsegmente in Radialrichtung der Teilungsänderungstrommel bewegbar sind, und die Segmente von der Übernahmestelle bis zur Übergabestelle von einem kleineren Radius auf einen größeren Radius bewegt werden. Durch die vorgeschlagene Teilungsänderungstrommel kann die Abstandsvergrößerung auf einer sich drehenden Trommel selbst vorgenommen werden. Dabei wird die Abstandsvergrößerung der Segmente zueinander durch die Transportsegmente und deren Bewegung bewirkt, indem die an den Transportsegmenten gehaltenen Segmente durch die Transportsegmente selbst in eine Ausrichtung mit einem vergrößerten Abstand zueinander bewegt werden.

Dabei wird weiter vorgeschlagen, dass in dem Trommellauf wenigstens zwei in Reihe angeordnete Teilungsänderungstrommeln vorgesehen sind. Durch das Vorsehen wenigstens einer weiteren Teilungsänderungstrommel kann die auf einer Teilungsänderungstrommel vorgenommene Abstandsvergrößerung gegenüber einer zu realisierenden Abstandsvergrößerung um einen der Anzahl der Teilungsänderungstrommel entsprechenden Faktor reduziert werden. Hierdurch können wiederum die erforderliche Relativgeschwindigkeiten der Transportsegmente und die damit verbundenen Beschleunigungen der Transportsegmente und der daran gehaltenen Segmente zu der Teilungsänderungstrommel reduziert werden, was wiederum zu geringeren auf die Segmente einwirkenden Querkräften während der Abstandsvergrößerung führt. Dabei kann die Teilungsänderungstrommel den Abstand bevorzugt zwischen den aufeinander folgenden Segmenten im Materialstrom um mindestens 10 mm, vorzugsweise um 13 mm, vergrößern.

Zur Lösung der Aufgabe wird weiterhin ein Verfahren zum Stapeln von Segmenten von Energiezellen, insbesondere Batteriezellen, mit einer Zellstapelanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 11 vorgeschlagen, wobei eine Zuführeinrichtung vorgesehen ist, welche Segmente in einem Materialstrom zuführt, wobei im Materialstrom die Segmente auf aufeinander folgenden Positionen zugeführt werden, und eine Mehrzahl von Zellstapelvorrichtungen zum Aufeinanderlegen der Segmente zu Stapeln vorgesehen ist, wobei eine Weiche im Materialstrom vorgesehen ist, welche den Materialstrom derart in Teilmaterialströme aufteilt, dass jeweils zwei Segmente auf unmittelbar aufeinander folgenden Positionen im Materialstrom jeweils unterschiedlichen Zellstapelvorrichtungen der Zellstapelanlage übergeben werden.

Die Zellstapelanlage wird dementsprechend so betrieben, dass keine der Zellstapelvorrichtungen beim Betrieb zwei Segmente auf aufeinander folgenden Positionen des Materialstroms zugeführt bekommt. Dennoch ist es beispielsweise möglich, dass zwei aufeinander folgende Segmente im Materialstrom, welche durch eine Leerstelle getrennt und dementsprechend nicht auf aufeinander folgenden Positionen im Materialstrom angeordnet sind, durch die Weiche dem gleichen Teilmaterialstrom zugeteilt werden. Entsprechend würden diese zwei Segmente nacheinander von einer Zellstapelvorrichtung aufgestapelt werden. Durch die vorgeschlagene Aufteilung des Materialstroms mittels der Weiche der Zellstapelanlage wird nach jedem Segment oder jeder Monozelle in einem Teilmaterialstrom, der einer der Zellstapelvorrichtungen zugeführt wird, we- nigstens eine Leerstelle zwischen zwei Segmenten geschaffen, so dass die notwendige Fertigungsrate an einer einzelnen Zellstapelvorrichtung mindestens halbiert wird, wodurch die Fertigungsrate der Zellstapelanlage insgesamt erhöht werden kann. Weiterhin kann durch den erheblich vergrößerten Abstand zwischen zwei Segmenten in einem Teilmaterialstrom, welcher beispielsweise ein, zwei oder drei Leerstellen betragen kann, die Übergabe auf beispielsweise eine Zwischentrommel und/oder ein Fächerrad und das Ablegen auf einen Stapel entsprechend langsamer und somit präziser und produktschonender erfolgen.

Weiterhin wird vorgeschlagen, dass mindestens zwei Stapel aus Segmenten auf wenigstens zwei Zellstapelvorrichtungen der Zellstapelanlage parallel gebildet werden. Die Zellstapelanlage ist somit nicht durch die Fertigungsrate einer Zellstapelvorrichtung limitiert, wodurch der verarbeitbare Materialstrom der Zellstapelanlage insgesamt erhöht werden kann und die Segmente schonend zu Zellstapeln aufgestapelt werden können. Das vorgeschlagene Verfahren unterscheidet von einem möglichen Umlenken des Materialstroms zu beispielsweise zwei Zellstapelvorrichtungen, welche nacheinander jeweils einen Stapel bilden, und wobei der Materialstrom nach Bildung des ersten Stapels auf der ersten Zellstapelvorrichtung auf eine zweite Zellstapelvorrichtung umgelenkt wird.

Gemäß einer Weiterentwicklung wird vorgeschlagen, dass die Stapelanlage wenigstens drei Zellstapelvorrichtungen aufweist, wobei die Weiche derart gesteuert wird, dass wenigstens zwei Zellstapel- Vorrichtungen jeweils gleichzeitig mit einem Teilmaterialstrom be- schickt werden, wobei wenigstens eine Zellstapelvorrichtung temporär nicht mit einem Teilmaterialstrom beschickt wird.

Die vorgeschlagene Steuerung der Zellstapelanlage ermöglicht es, mehrere Zellstapelvorrichtungen parallel mit Teilmaterialströmen zu beschicken, wobei gleichzeitig beispielsweise eine Zellstapelvorrichtung keine Segmente oder Monozelle übernimmt. Die Zellstapelvorrichtung, welche temporär nicht mit einem Teilmaterialstrom beschickt wird, fördert vorzugsweise während der entstehenden Unterbrechung den gebildeten Stapel ab. Weiterhin kann beispielsweise bei einer Störung an einer Zellstapelvorrichtung die Zellstapelanlage weiter betrieben werden.

Die Aufteilung des Materialstroms in Teilmaterialströme durch die Steuerung der Weiche ist, insbesondere in dieser Ausführungsform, vorzugsweise dynamisch bzw. bedarfsgesteuert. Gegenüber einer möglichen deterministischen Aufteilung des Materialstroms bietet dies den Vorteil, dass die Zellstapelanlage eine zufällige Verteilung von Leerstellen auf Positionen im Materialstrom kompensieren kann.

Gemäß einer Weiterentwicklung wird vorgeschlagen, dass die von einer Zellstapelvorrichtung zu Stapeln aufeinander gelegten Segmente gezählt werden. Dies ermöglicht es in einfacher Weise die vorgegebene Anzahl von Segmenten oder Monozellen auf einem Stapel unabhängig von möglichen Leerstellen im zugeführten Materialstrom und/oder Teilmaterialstrom sicherzustellen.

Die Zellstapelanlage und/oder die jeweilige Zellstapelvorrichtung weisen daher vorzugsweise eine Zähleinrichtung auf, welche zur Zählung der auf einem Stapel, vorzugsweise in einer Aufnahme, abgelegten Segmente oder Monozellen zählt. Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine Zellstapelanlage mit einer Weichentrommel und zwei Zellstapelvorrichtungen;

Fig. 2 eine Zellstapelanlage mit zwei Weichentrommeln und drei Zellstapelvorrichtungen;

Fig. 3 einen Ausschnitt einer Zellstapelanlage mit einer Zellstapelvorrichtung mit einem Fächerrad;

Fig. 4 einen Ausschnitt einer Zellstapelanlage mit einer Zellstapelvorrichtung mit einer Zwischentrommel und einem Fächerrad;

Fig. 5 einen Ausschnitt einer Zellstapelanlage mit einer Zellstapelvorrichtung mit einem Fächerrad und einem Umsetzer;

Fig. 6 einen Ausschnitt einer Zellstapelanlage mit einer Zellstapelvorrichtung mit einer Zwischentrommel, einem Fächerrad und einem Umsetzer;

Fig. 7 einen Ausschnitt einer Zellstapelanlage mit einer Zellstapelvorrichtung mit einer Zwischentrommel und einem Umsetzer; und Fig. 8 eine Zellstapelanlage mit Teilungsänderungstrommeln in der Zuführeinrichtung.

In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer vorgeschlagenen Zellstapelanlage 10 in einer schematischen Darstellung gezeigt. Die Zellstapelanlage 10 weist eine Zuführeinrichtung 12 auf, welche Segmente 20 für eine Energiezelle, beispielsweise Monozellen für eine Li-Ionen Batteriezelle, in einem Materialstrom 21 zuführt.

Der Materialstrom 21 aus Segmenten 20 weist eine Anordnung von Segmenten 20 in einer Reihenfolge auf, wobei die flachen Segmente 20 jeweils hintereinander auf Positionen gefördert werden. Eine Position im Materialstrom weist ausreichend Platz für ein Segment 20 auf, wobei die Segmente 20 im Materialstrom 21 und somit auch die Positionen im Materialstrom 21 einen Abstand oder eine Lücke zueinander aufweisen können. Die Segmente 20 liegen somit nicht zwangsläufig auf Stoß mit ihren Kanten aneinander. Die entsprechenden Abstände oder auch die Teilung zwischen zwei Segmenten 20 können beispielsweise aus Schneidprozessen bei der Separierung der einzelnen Segmente 20 entstehen. Ferner ist es möglich, dass eine Teilungsänderung oder Spreizung im Sinne einer Abstandsvergrößerung zwischen zwei Segmenten 20 auf aufeinander folgenden Positionen im Materialstrom 21 durch entsprechende Vorrichtungen und Verfahren vorgenommen wird. Der Materialstrom 21 kann auch Leerstellen aufweisen, an denen der Abstand zwischen zwei Segmenten sich aus der Breite eines Segments 20 und des in der Zuführung vorgesehenen Abstands der Segmente 20 zueinander zusammensetzt. Dementsprechend sind im Materialstrom 21 nicht zwangsläufig alle aufeinander folgenden Positionen für Segmente 20 mit einem Segment besetzt oder belegt. Derartige Leerstellen können beispielsweise durch einen Auswurf von Segmenten 20 aus dem Materialstrom 21 für oder nach einer Qualitätsprüfung erfolgen.

In der schematischen Darstellung der Figur 1 sind zur Vereinfachung keine Leerstellen im Materialstrom 21 gezeigt.

Die Segmente 20 werden von der Zuführeinrichtung 12 an eine Weichentrommel 18 übergeben, welche die Weiche 17 dieses Ausführungsbeispiels bildet. Die Weiche 17 teilt den Materialstrom 21 aus Segmenten 20 in diesem Ausführungsbeispiel in zwei Teilmaterialströme 23 und 24 auf. Dementsprechend werden zwei Segmente 20 oder Monozellen auf aufeinander folgenden Positionen im Materialstrom 21 auf der Weichentrommel 18 in unterschiedliche Teilmaterialströme 23, 24 getrennt, die jeweils unterschiedlichen Zellstapelvorrichtungen 15 zugeführt werden. In diesem Ausführungsbeispiel übergibt die Weichentrommel 18 Segmente auf jeweils jeder zweiten Position im Materialstrom 21 an eine Umlenktrommel 19. Die weiteren Segmente 20 werden von der Weichentrommel 18 in diesem Ausführungsbeispiel direkt an eine Zellstapelvorrichtung 15 übergeben, so dass die Weichentrommel 18 in diesem Fall auch die Funktion einer Übergabetrommel 14 ausführt. Die Weichentrommel 18 gibt die Segmente 20 auf aufeinander folgenden Positionen somit alternierend an die Umlenktrommel 19 und an die erste Zellstapelvorrichtung 15, links in der schematischen Darstellung der Figur 1 , ab. Die Umlenktrommel 19 übergibt den Teilmaterialstrom 24 an eine weitere Übergabetrommel 14, die die Segmente 20 an die zweite Zellstapelvorrichtung 15 übergibt.

Die Zellstapelvorrichtungen 15 übernehmen die Segmente 20 des jeweiligen Teilmaterialstroms 23, 24, wobei die aufeinander folgende Segmente 20, wie in der Figur 1 illustriert, einen Abstand von einer Segmentbreite oder auch einer Leerstelle aufweisen. Die Zellstapelvorrichtungen 15 legen die übernommenen Segmente 20 mit ihren Hauptflächen aufeinander, so dass jeweils ein Stapel 26 in einer Aufnahme 29 gebildet wird. Liegt die vorgegebene Anzahl Segmente 20 oder Monozellen auf dem Stapel 26 vor, wird der jeweilige Stapel 26 mittels einer Abführeinrichtung 27 aus der Zellstapelanlage 10 ausgeführt.

Die Zellstapelvorrichtungen 15 in der Figur 1 sind schematisch als Kasten dargestellt, welche in den Darstellungen der Figuren 3 bis 7 weiter ausgestaltet gezeigt sind.

In Figur 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Zellstapelanlage 10 schematisch gezeigt, wobei die Weiche 17 abweichend vom Ausführungsbeispiel der Figur 1 zwei Weichentrommeln 18 umfasst. Dementsprechend kann der Materialstrom 21 in diesem Ausführungsbeispiel auf drei Teilmaterialströme 23, 24, 25 aufgeteilt werden. Die Zellstapelanlage 10 weist daher drei Zellstapelvorrichtungen 15 auf, die jeweils den zugeführten Teilmaterialstrom 23, 24, 25 abführen.

Die erste Weichentrommel 18 übernimmt den Materialstrom 21 von der Zuführeinrichtung 12 und teilt den Materialstrom 21 auf, wobei die erste Weichentrommel 18 als Übergabetrommel 14 den Teilmaterialstrom 23 direkt an einen erste Zellstapelvorrichtung 15 übergibt. Die Teilmaterialströme 24, 25 werden über eine Umlenktrommel 19 zu der zweiten Weichentrommel 18 übergeben, welche den Teilmaterialstrom 24 als Übergabetrommel 14 an eine zweite Zellstapelvorrichtung 15 übergibt. Der Teilmaterialstrom 25 wird über eine weitere Umlenktrommel 19 einer Übergabetrommel 14 übergeben, die die Segmente 20 des Teilmaterialstroms 25 auf eine dritte Zellstapelvorrichtung 15 übergibt. Figur 3 zeigt schematisch einen Ausschnitt einer Zellstapelanlage 10, beispielsweise entsprechend der Ausführungsbeispiele der Figuren 1 und 2, wobei die Zellstapelvorrichtung 15 ein Fächerrad 16 aufweist. Das Fächerrad 16 kämmt in diesem Ausführungsbeispiel direkt mit der Übergabetrommel 14, welche auch gleichzeitig eine Weichentrommel 18 sein kann. Das Fächerrad 16 übernimmt somit die Segmente 20 aus einem der Teilmaterialströme 23, 24, 25 von der Übergabetrommel 14 und legt diese zu einem Stapel 20 in einer Aufnahme 29 ab. Die Ablage zu einem Stapel 26 in die Aufnahme 29 aus dem Fächerrad 16 erfolgt beispielsweise mittels eines Kamms 28, der das Fächerrad kämmt und die Segmente 20 auf den Stapel 26 abgelegt.

In Figur 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Zellstapelanlage 10 schematisch gezeigt, wobei die Zellstapelvorrichtung 15 im gezeigten Ausschnitt neben einem Fächerrad 16 eine Zwischentrommel 30 aufweist. Die Zwischentrommel 30 übernimmt die Segmente 20 eines der Teilmaterialströme 23, 24, 25 von der Übergabetrommel 14 bzw. Weichentrommel 18 und übergibt die übernommenen Segmente 20 an die Fächertrommel 16, welche die Segmente 20 zu einem Stapel 26 in der Aufnahme 29 ablegt.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel entsprechend der schematischen Darstellung der Figur 5 ist das Fächerrad 16 der Zellstapelvorrichtung 15 der Zellstapelanlage 10 analog zum Ausführungsbeispiel der Figur 3 unmittelbar an der Übergabetrommel 14 angeordnet, so dass die Segmente 20 von der Übergabetrommel 14 direkt übergeben werden. Die Zellstapelvorrichtung 15 weist zusätzlich einen beweglichen Umsetzer 31 auf, welcher in den Bereich zwischen dem Fächerrad 16 und der Aufnahme 29 bewegbar ist, so dass die von dem Fächerrad 16 abzulegenden Segmente 20 zur Ablage auf dem Stapel 26 auf dem Umsetzer 26 temporär gelagert oder auch gepuffert werden können. Dies vergrößert beispielsweise die verfügbare Zeitspanne für den Abtransport des Stapels 26 über die Abführeinrichtung 27. Das auf dem beweglichen Umsetzer 31 gepufferte Segment 20 oder die gepufferten Segmente 20 werden anschließend in die Aufnahme 29 abgelegt, so dass die Fertigungsrate der Zellstapelvorrichtung 15 nicht durch die notwendigen Zeiten für das Abführen des Stapels 26, wenn dieser vollständig ist und die vorgesehene Anzahl von Segmenten, beispielsweise 50 bis 100, weiter beispielsweise 80 bis 90, aufweist, limitiert wird.

In Figur 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Zellstapelanlage 10 schematisch gezeigt, wobei die im Ausschnitt gezeigte Zellstapelvorrichtung 15 ein Stapelrad 16 aufweist, welches mittels einer Zwischentrommel 30 mit Segmenten 20 eines der Teilmaterialströme 23, 24, 25 bestückt wird. Das Stapelrad 16 legt die Segmente durch Drehung und den Eingriff des Kamms 28 auf den Stapel 26 in der Aufnahme 29 ab. Es ist weiterhin ein beweglicher Umsetzer 31 vorgesehen, welcher abzulegende Segmente vom Stapelrad 16 zwischenzeitlich aufnimmt, um einer Abführung des Stapels 26 mit der Abführeinrichtung 27 mehr Prozesszeit zu ermöglichen. Das auf dem beweglichen Umsetzer 31 gelagerte Segment 20 kann anschließend beispielsweise als unterstes Segment 20 für einen neuen Stapel 26 in der Aufnahme 29 abgelegt werden.

Figur 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Zellstapelvorrichtung 15 im Ausschnitt einer Zellstapelanlage 10, wobei eine Zwischentrommel 30 vorgesehen ist, welche die Segmente 20 aus einem Teilmaterialstrom 23, 24, 25 in diesem Ausführungsbeispiel auf einen Stapel 26 in der Aufnahme 29 ablegt. Zusätzlich ist ein beweglicher Umsetzer 31 vorgesehen, welcher dazu eingerichtet ist in die Ablageposition der Zwischentrommel 30 einzufahren. In dieser eingefahrenen Position kann mindestens ein Segment 20 von der Zwischentrommel 30 auf den Umsetzer 31 übernommen werden. Das Segment 20 kann anschließend beispielsweise durch Kämmen des Umsetzers 31 mit der Aufnahme 29 angelegt werden. Zwischenzeitlich kann die hierdurch erreichte zusätzliche Zeitspanne zur Abförderung eines vollständigen Stapels 26, d.h. eines Stapels 26 mit der vorgesehenen Anzahl Segmente 20, insbesondere Monozellen, genutzt werden. In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann auch auf einen Umsetzer 31 verzichtet werden.

Figur 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Zellstapelanlage 10, wobei die Zuführeinrichtung 12, welche den Materialstrom 21 der Segmente 20 oder auch der Monozellen der Weiche 17 zuführt, eine erste Teilungsänderungstrommel 32 und eine zweite Teilungs- änderungstrommel 33 aufweist, welche in Reihe geschaltet sind. Die Teilungsänderungstrommeln 32, 33 bilden eine Spreizvorrrichtung, welche den Abstand der Segmente 20 auf aufeinander folgenden Positionen im Materialstrom 21 vergrößert.

Die Teilungsänderungstrommeln 32, 33 weisen in diesem Ausführungsbeispiel eine Mehrzahl von an dem Umfang angeordneten Transportsegmenten zum Transport von jeweils einem Segment 20 des Materialstroms 21 auf. Die Transportsegmente bewegen sich in Radialrichtung der jeweiligen Teilungsänderungstrommel 32, 33, so dass die Segmente 20 von der Übernahmestelle bis zur Übergabestelle von einem kleineren Radius auf einen größeren Radius bewegt werden. Hierdurch kann der Abstand zwischen zwei Segmen- ten 20 auf aufeinander folgenden Positionen im Materialstrom 21 vergrößert werden. Beispielsweise können die Segmente 20 im Materialstrom 21 zunächst einen Abstand von 1 mm zueinander aufweisen, welcher von der ersten Teilungsänderungstrommel 32 auf 14 mm und von der zweiten Teilungsänderungstrommel 33 auf 27 mm vergrößert wird.

Die Zwischentrommel 30 der Ausführungsbeispiele in den Figuren 4, 6, 7 und 8 kann insbesondere mit einer schwellende Drehgeschwindigkeit angetrieben werden, so dass die Übernahme eines Segments 20 einer Übergabetrommel 14 oder einer Weichentrommel 18 mit einer angeglichenen hohen Drehgeschwindigkeit erfolgen kann, wobei die Übergabe an ein Fächerrad 16 oder an eine Aufnahme 29 mit einer verringerten Drehgeschwindigkeit erfolgen kann. Die Zwischentrommel 30 kann anschließend wieder beschleunigen, um das nächste Segment 20 zu übernehmen. Ferner kann die Zwischentrommel 30 mehrere, beispielsweise drei, gleichmäßig über den Umfang verteilte Aufnahmestempel aufweisen, so dass die Zwischentrommel 30 nicht gleichzeitig am Übernahme- und Übergabepunkt im Eingriff mit dem jeweiligen Element steht.

Bezugszeichenliste

10 Zellstapelanlage

12 Zuführeinrichtung

14 Übergabetrommel

15 Zellstapelvorrichtungen

16 Fächerrad

17 Weiche

18 Weichentrommel

19 Umlenktrommel

20 Segmenten

21 Materialstrom

23 Teilmaterialstrom

24 Teilmaterialstrom

25 Teilmaterialstrom

26 Stapel

27 Abführeinrichtung

28 Kamm

29 Aufnahme

30 Zwischentrommel

31 Umsetzer

32 erste Teilungsänderungstrommel

33 zweite Teilungsänderungstrommel